2. билинейность
, .
Доказать свойства 1 и 2 предлагаем самостоятельно.
Как и ранее, функции f и g будем называть ортогональными, если их скалярное произведение равно нулю.
Определение нормы функции оставим прежним, так что
.
Свойства нормы, претерпевшие изменения при переходе от вещественных функций к комплексным, следующие:
1. теорема косинусов.
или в более общем виде
. (9.1)
2. Обобщенная теорема Пифагора. Если , то
.
Доказать свойства 1 и 2 следует самостоятельно.
3. Неравенство Коши – Буняковского. Если функции и непрерывны, то .
В самом деле, если , то на , и доказываемое неравенство выполняется. Пусть . Число очевидно, не отрицательно. С другой стороны, по формуле (9.1), где и , имеем
.
Таким образом, , а так как , то , что и требовалось доказать.
Пусть теперь система комплексных функций
(9.2)
ортогональна на промежутке . Сопоставим функции ее ряд Фурье
(9.3)
где коэффициенты Фурье
.
Введем обозначения: – частичная сумма ряда Фурье; – произвольная линейная комбинация функций где .
Тогда, так же, как для вещественных функций (см. § 3), выполняется неравенство
(9.4)
где , причем равенство имеет место тогда и только тогда, когда , т.е. среди всех функций функция дает наилучшее среднеквадратическое приближение к функции .
Сходимость ряда в среднем и замкнутость системы функций определяются точно так же, как в § 3:
а) если для некоторой функции выполняется равенство Парсеваля
, (9.5)
то ряд (9.3) сходится в среднем к , т.е. ;
б) ортогональная система функций (9.2) называется замкнутой на промежутке , если равенство Парсеваля выполняется для каждой функции из .
Введем в рассмотрение систему комплексных функций
. (9.6)
Свойства системы функции (9.6) следующие:
1. .
2. Функции являются 2L-периодичными: .
3. Система функций (9.6) ортогональна на промежутке [–L, L]. Действительно, при
.
Здесь использована формула .
4. .
Ряд Фурье для функции по системе функций (9.6) имеет вид
, (9.7)
где коэффициенты Фурье
. (9.8)
Система функций (9.6) замкнута на [–L, L] (принимаем без доказательства), поэтому для нее справедливы следующие утверждения:
а) ряд (9.7) сходится в среднем к ,
б) для любой функции из выполняется равенство Парсеваля ,
в) среднеквадратическая погрешность, возникающая при замене функции частичной суммой ее ряда Фурье,
.
Теорема Дирихле. Если вещественная и мнимая части функции удовлетворяют на промежутке [–L, L] условиям Дирихле, то функция является суммой своего ряда Фурье:
. (9.9)
При этом предполагается, что действуют прежние соглашения относительно значений функции в точках разрыва и на концах промежутка (см. § 3).
Упражнение 1. Доказать справедливость формулы (9.4). Доказать, что из (9.4) следует неравенство Бесселя .
Упражнение 2. Доказать справедливость утверждений 1, 2 и 4.
§ 10. Комплексная форма тригонометрического ряда Фурье
Пусть вещественная функция удовлетворяет условиям Дирихле на промежутке [–L, L]. Запишем ее разложение в тригонометрический ряд Фурье:
, (10.1)
где
. (10.2)
Если в (10.1) выразить и через показательную функцию от мнимого аргумента:
то получим ряд
, (10.3)
где в силу (10.2)
;
;
=
Последние три формулы можно объединить:
. (10.4)
Ряд (10.3) с коэффициентами (10.4) называется тригонометрическим рядом Фурье в комплексной форме.
Пример 1. Разложить функцию , где – комплексное число, в ряд Фурье на промежутке .
Решение. Найдем коэффициенты Фурье:
.
Поскольку , то
,
=.
Искомое разложение будет иметь вид
, (10.5)
где учтено, что
.
Применяя к ряду (10.5) равенство Парсеваля
, (10.6)
можно найти сумму еще одного числового ряда. Действительно, в нашем случае
;
.
Тогда из (10.6) следует
.
Упражнение 1. Доказать, что
; .
Указание. Положить в (10.5) х = 0 и х = p.
Упражнение 2. Доказать, что при
; .
Глава 2. Интеграл Фурье
§ 11. Сходимость интеграла Фурье
Пусть функция определена на всей числовой оси. Считая, что на произвольном конечном промежутке [–L, L] заданная функция удовлетворяет условиям Дирихле, представим ее тригонометрическим рядом Фурье в комплексной форме:
, (11.1)
где
; (11.2)
– частота k-й гармоники; .
Введя в (11.1) выражения (11.2), получим
. (11.3)
При величина . Правая часть формулы (11.3) аналогична интегральной сумме для функции по переменной w в промежутке . Поэтому можно ожидать, что после перехода в (11.3) к пределу при вместо ряда получим интеграл
. (11.4)
Формула (11.4) называется интегральной формулой Фурье, а ее правая часть – интегралом Фурье.
Рассуждения, с помощью которых получена формула (11.4), не являются строгими и имеют лишь наводящий характер. Условия, при которых справедлива интегральная формула Фурье, устанавливает теорема, принимаемая нами без доказательства.
Теорема. Пусть функция , во-первых, абсолютно интегрируема на промежутке , т.е. интеграл сходится, и, во-вторых, удовлетворяет условиям Дирихле на каждом конечном промежутке (–L, L). Тогда интеграл Фурье сходится (в смысле главного значения) всюду к , т.е. равенство (11.4) выполняется при всех х из промежутка . Здесь, по-прежнему, предполагается, что в точке разрыва значение функции равно полусумме ее односторонних пределов в этой точке.
§ 12. Преобразование Фурье
Интегральную формулу Фурье (11.4) преобразуем следующим образом. Положим
. (12.1)
Если функция непрерывна и абсолютно интегрируема на всей оси, то функция непрерывна на промежутке . Действительно, так как , то
, (12.2)
и, поскольку интеграл справа сходится, то сходится интеграл слева. следовательно, интеграл в (12.1) сходится абсолютно. Равенство (12.2) выполняется одновременно для всех , поэтому интеграл (12.1) сходится равномерно относительно w. Отсюда и следует, что функция непрерывна (точно так же, как из равномерной сходимости ряда, составленного из непрерывных функций, следует непрерывность его суммы).
Из (11.4) получим
. (12.3)
Комплексная функция , определяемая формулой (12.1), называется преобразованием Фурье или Фурье-образом функции . В свою очередь, формула (12.3) определяет как обратное преобразование Фурье, или прообраз функции . Равенство (12.3) при заданной функции можно рассматривать, как интегральное уравнение относительно функции , решение которого дается формулой (12.1). И, наоборот, решение интегрального уравнения (12.1) относительно функции при заданной дает формула (12.3).
В формуле (12.3) выражение задает, условно говоря, пакет комплексных гармоник с частотами, непрерывно распределенными на промежутке и суммарной комплексной амплитудой . Функция называется спектральной плотностью. Формулу (12.2), записанную в виде
,
можно трактовать, как разложение функции в сумму пакетов гармоник, частоты которых образуют сплошной спектр, распределенный на промежутке .
Равенства Парсеваля. Пусть и – Фурье-образы вещественных функций и соответственно. Тогда
; (12.4)
, (12.5)
т.е. скалярные произведения и нормы функций являются инвариантами преобразования Фурье. Докажем это утверждение. по определению скалярного произведения имеем . Заменив функцию ее выражением (12.3) через Фурье-образ , получим
.
В силу (12.1)
.
Поэтому , т.е. формула (12.4) доказана. Формула (12.5) получается из (12.4) при .
Косинус- и синус-преобразования Фурье. Если вещественная функция четна, то ее Фурье-образ, который здесь будем обозначать , также является вещественной четной функцией. Действительно,
.
Последний интеграл, вследствие нечетности подынтегральной функции, обращается в нуль. Таким образом,
. (12.6)
Здесь использовано свойство (7.1) четных функций.
Из (12.6) следует, что функция вещественна и четным образом зависит от w, так как w входит в (12.6) только через косинус.
Формула (12.3) обратного преобразования Фурье в этом случае дает
=.
Так как и – соответственно четная и нечетная функции переменной w, то
. (12.7)
Формулы (12.6) и (12.7) определяют косинус-преобразование Фурье.
Аналогично, если вещественная функция нечетна, то ее преобразование Фурье , где – вещественная нечетная функция от w. При этом
; (12.8)
. (12.9)
Равенства (12.8), (12.9) задают синус-преобразование Фурье.
Заметим, что в формулы (12.6) и (12.8) входят значения функции только для . Поэтому косинус- и синус-преобразования Фурье можно применять и к функции, определенной на полубесконечном промежутке . В этом случае при интегралы в формулах (12.7) и (12.9) сходятся к заданной функции, а при к ее четному и нечетному продолжениям соответственно.
Покажем, как с помощью преобразования Фурье вычисляются некоторые несобственные «неберущиеся» интегралы.
Пример 1. Вычислить интеграл Лапласа .
Решение. Найдем Фурье-образ функции где :
.
С помощью формулы обратного преобразования Фурье
получим
или
.
Здесь первое слагаемое представляет собой удвоенный интеграл Лапласа, а второе равно нулю вследствие нечетности подынтегральной функции. Поэтому
.
Пример 2. Вычислить разрывной множитель Дирихле , если .
Решение. Применив косинус-преобразование Фурье к четной функции
получим
;
.
Таким образом,
В частности интеграл Дирихле
.
Пример 3. Вычислить интеграл Эйлера-Пуассона .
Решение. Сначала вычислим интеграл , применив к функции , где , преобразование Фурье и введя замену
=;
.
Отсюда , и, следовательно, с заменой можно записать
.
Упражнение 1. Используя равенство Парсеваля, вычислить интегралы
; .
Упражнение 2. Доказать, что
,
используя равенство Парсеваля.
§ 13. Основные сведения из теории преобразования Фурье
Тот факт, что функция является Фурье-образом функции , будем обозначать в дальнейшем одним из следующих способов: .
Свойства преобразования Фурье:
1. Теорема линейности. , где . Это свойство сразу следует из определения (12.1) и линейности операции интегрирования.
2. Теорема подобия. , где . Обозначив , получим
3. Теорема смещения. , где . Введя замену , получим
.
Следствие.
, (13.1)
где . Действительно,
.
4. Теорема о свертке. Напомним, что сверткой абсолютно интегрируемых функций и называется функция
.
Фурье-образ свертки функций f и g равен произведению их Фурье-образов, умноженному на : .
Так как по определению
,
то, выполнив во внутреннем интеграле замену , получим
=
==,
что и требовалось доказать.
5. Теорема об образе производной. Пусть функция и ее производная абсолютно интегрируемы на промежутке . По формуле Ньютона – Лейбница
.
Так как производная интегрируема на всей оси, интеграл в правой части последнего равенства имеет конечный предел при . Следовательно, существует конечный предел . При этом , ибо в противном случае функция была бы неинтегрируемой на промежутке . Точно также доказывается, что .
Введем в рассмотрение Фурье-образ производной
.
Выполнив интегрирование по частям, получим
.
Так как внеинтегральный член равен нулю, то
.
Таким образом, операции дифференцирования функции соответствует операция умножения ее Фурье-образа на множитель . Аналогично, если функция имеет абсолютно интегрируемые производные до n-го порядка включительно, то
, .
Следствия. 1. Обыкновенное линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами преобразованием Фурье переводится в линейное алгебраическое уравнение.
2. Линейное уравнение в частных производных с постоянными коэффициентами и с двумя независимыми переменными преобразованием Фурье по одной из переменных переводится в обыкновенное линейное дифференциальное уравнение.
Пример 1. Доказать, что
, (13.2)
где .
Решение. Положим
Тогда
Таким образом,
,
и по теореме о свертке
.
Пример 2. Найти решение уравнения
(13.3)
при , удовлетворяющее начальному условию
. (13.4)
Замечание. Уравнение (13.3) называется уравнением теплопроводности. Уравнениями такого вида описываются одномерные процессы диффузии, переноса тепла и т.п.
Решение. Применим к уравнению (13.3) преобразование Фурье. Для этого, умножив обе части уравнения на , проинтегрируем его по х от до . Тогда
или
, (13.5)
где – Фурье-образ функции .
Здесь использовалась формула для Фурье-образа производной второго порядка:
.
Равенство (13.5) – это обыкновенное линейное дифференциальное уравнение первого порядка относительно функции переменной t, где w – параметр.
Переходя к Фурье-образам в равенстве (13.4), получим начальное условие для уравнения (13.5):
. (13.6)
Решением задачи Коши (13.5), (13.6) является функция
.
С помощью (12.3) находим – прообраз функции :
. (13.7)
Последний интеграл в (13.7) равен . Поэтому
.
По теореме о свертке
,
или
. (13.8)
Решение уравнения теплопроводности, записанное в виде (13.8), называется интегралом Пуассона.
Пример 3. Найти решение волнового уравнения
, (13.9)
удовлетворяющее начальным условиям
. (13.10)
Замечание. Задача Коши (13.9),(13.10) является математической моделью одномерных волновых процессов в сплошных безграничных средах. Поле возмущений в среде, выведенной из равновесного состояния, описывается функцией , физический смысл которой определяется спецификой рассматриваемой задачи. В задаче о малых поперечных колебаниях струны – это отклонение струны от ее равновесного положения, функции j(х) и задают соответственно форму струны и распределение скоростей ее точек в начальный момент времени. Константа , где и r – натяжение и плотность струны в положении равновесия. В задачах акустики – скорость возмущенного движения в точке в момент времени ; – скорость звука в невозмущенной среде и т.д.
Решение. Преобразуя по Фурье уравнение (13.9) и начальные условия (13.10), получим задачу Коши для обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка:
где w – параметр.
Решение задачи имеет вид
Используя (13.1) и (13.2), получим формулу Эйлера – Даламбера
(13.11)
Для выяснения физического смысла полученного решения преобразуем формулу (13.11). Положим
.
Тогда
. (13.12)
При возмущение сохраняет постоянное значение , если переменные и связаны зависимостью: . Иными словами, возмущенное состояние переносится в положительном направлении оси абсцисс со скоростью . Поэтому говорят, что функция определяет бегущую волну, перемещающуюся вправо со скоростью а. Аналогично, функция задает волну, распространяющуюся влево с той же скоростью а. Таким образом, выяснен физический смысл постоянной величины а в уравнении (13.9): а – это скорость распространения возмущений в среде.
Из формулы (13.12) следует, что возмущение в точке х в момент времени есть результат сложения волн и , вышедших в момент времени из точек с координатами и соответственно.
Итак, при весьма общих предположениях установлено следующее:
1. Произвольную функцию можно представить в виде «суммы» гармоник; если задана на конечном интервале (или периодическая), то эта сумма представляет собой ряд Фурье; если задана на всей числовой оси (но непериодическая), то эта сумма – интеграл Фурье. С точки зрения приложений, это означает, что самые разнообразные физические зависимости, скажем, давления, тока, напряжения и т.д. от времени можно представить в виде линейной суперпозиции гармонических колебаний.
2. В представлении формулы в виде ряда или интеграла Фурье естественно возникает ее спектр, который однозначно определяется по функции и который, в свою очередь, однозначно определяет саму функцию .
3. Результаты спектрального анализа, т.е. процесса нахождения спектра той или иной зависимости, используются при исследовании линейных систем, так как в этом случае достаточно изучить поведение системы при воздействии на нее гармонических колебаний, а затем просуммировать результаты этих воздействий с учетом спектра рассматриваемого (уже произвольного) воздействия.
Упражнение. Доказать, что, если на всей оси функция y(х) дифференцируема, а j(х) – дважды дифференцируема, то функция (13.11) действительно удовлетворяет уравнению (13.9) и начальным условиям (13.10).
Глава 3. Операционное исчисление
§ 14. Преобразование Лапласа
Понятие оригинала. Кусочно-непрерывная функция называется оригиналом, если выполняются следующие условия:
1) для всех отрицательных t;
2) при растет не быстрее экспоненты, т.е. существуют такие постоянные M > 0 и c > 0, что для всех t.
Число с называется показателем роста . очевидно, что для ограниченных оригиналов показатель роста можно считать равным нулю.
Простейшим оригиналом является единичная функция Хевисайда
Если функция удовлетворяет условию 2 и не удовлетворяет 1, то произведение будет удовлетворять и условию 1, т.е. будет оригиналом. Для упрощения записи будем, как правило, множитель H(t) опускать, считая, что все рассматриваемые в этой главе функции равны нулю при отрицательных значениях t.
Легко видеть, что оригиналами являются такие функции, как и т.п.
Можно доказать, что сумма, разность и произведение оригиналов являются оригиналами и что оригиналом является функция при (доказательства следует найти самостоятельно).
Замечание. Из этих утверждений следует, что многочлены произвольной степени , а также функции вида являются оригиналами.
Интеграл Лапласа. Интегралом Лапласа для оригинала f(t) называется несобственный интеграл вида
, (14.1)
где – комплексный параметр.
Теорема. Интеграл Лапласа абсолютно сходится в полуплоскости Пс: , где с – показатель роста f(t). В самом деле, по определению оригинала имеем . Таким образом, интеграл (14.1) мажорируется сходящимся интегралом , и, следовательно, сходится абсолютно в Пс.
Замечание. При доказательстве теоремы получено используемое в дальнейшем неравенство:
(14.2)
Преобразование Лапласа. Интеграл Лапласа
(14.3)
представляет собой функцию параметра p, определенную в полуплоскости Пс:. Функция называется Лаплас-образом (изображением по Лапласу) оригинала . Тот факт, что есть Лаплас-образ , обозначается или .
Соотношение (14.3), устанавливающее связь между оригиналом и его Лаплас-образом, называется преобразованием Лапласа.
Свойства преобразования Лапласа следующие:
1. Теорема линейности. При любых постоянных и
.
Это утверждение вытекает из определения (14.3) и свойств интегралов.
2. Имеет место , что непосредственно следует из неравенства (14.2).
3. Теорема подобия. Для любого
.
Действительно, полагая , получим
.
4. теорема смещения. Для любого а . Действительно,
.
5. теорема запаздывания. Для любого . По определению преобразования Лапласа имеем
.
Здесь учтено, что при . Выполнив в последнем интеграле замену , получим
.
Обратное преобразование Лапласа. Установим связь между преобразованиями Лапласа и Фурье. Так как при оригинал , то
где – показатель роста .
Интеграл в правой части последней формулы есть интеграл Фурье для . Таким образом, Лаплас-образ функции является Фурье-образом функции . Из формулы обратного преобразования Фурье получим, что в точках непрерывности
.
Отсюда
(14.4)
Если в точке t функция терпит разрыв, то значение интеграла в (14.4) равно полусумме односторонних пределов в этой точке.
Формула (14.4) определяет обратное преобразование Лапласа, с помощью которого оригинал однозначно восстанавливается по своему изображению с точностью до значений в точках разрыва.
§ 15. Изображения простейших функций
Единичная функция Хевисайда. Имеем:
Так как при , то
.
Для функции Хевисайда с запаздывающим аргументом по теореме запаздывания получим
Экспонента. По теореме смещения
Гиперболические и тригонометрические функции. В силу линейности преобразования Лапласа имеем
;
;
;
.
Степенная функция с натуральным показателем. Положим , где . Тогда при
.
При , поэтому
Отсюда
.
Так как , то
Упражнение 1. Найти, используя теорему смещения, Лаплас-образы оригиналов
Периодические функции. Если оригинал является Т-периодической функцией, то его изображение по Лапласу
(15.1)
Действительно, в этом случае
.
Выполнив замену , в силу периодичности будем иметь
.
Ряд в правой части последнего равенства представляет собой сумму бесконечной геометрической прогрессии со знаменателем Так как при , то ряд сходится, и его сумма равна , откуда и следует доказываемое утверждение.
Пример. Найти Лаплас-образ оригинала с периодом Т = 1).
Решение. Имеем
Следовательно, в силу (15.1)
.
Ступенчатые (кусочно-постоянные) функции. Ступенчатая функция , где , а числа образуют возрастающую последовательность, может быть представлена в виде
, ,
где
Тогда
Упражнение 2. Найти изображение кусочно-постоянной функции
Импульсные функции. Импульсной функцией будем называть функцию вида
где – функция, определенная для всех
Используя функцию Хевисайда с запаздывающим аргументом, можем записать
.
Введем функции , где . Тогда , и по теореме запаздывания
.
Пример. Найти Лаплас-образ импульсной функции
Решение. Так как
;
;
,
то
.
Дельта-функция Дирака. Рассмотрим семейство ступенчатых импульсных функций
(15.2)
и семейство их изображений по Лапласу
. (15.3)
При семейство функций расходится, так как
Введем условную функцию – дельта-функцию Дирака, которую будем считать пределом семейства (15.2): . Таким образом, дельта-функция равна нулю всюду, кроме точки , где она равна .
Изображением дельта-функции условимся считать предел семейства (15.3) при :
.
Далее по определению положим
; .
Можно доказать (и это следует сделать самостоятельно) справедливость следующих утверждений:
(15.4)
(15.5)
(15.6)
Выражения (15.5) и (15.6) корректны только при условии непрерывности функции f(t).
Замечание 1. Из утверждения (15.6) следует, что
что полностью соответствует теореме запаздывания.
Замечание 2. В силу (15.4) имеем
.
Таким образом, дельта-функцию формально можно рассматривать как производную единичной функции Хевисайда.
В прикладных дисциплинах дельта-функции широко используются для моделирования ударных сил, сосредоточенных нагрузок и тому подобных явлений.
§ 16. Основные теоремы операционного исчисления
Свертка оригиналов. Сверткой оригиналов и называется функция
.
Функции f (t) и g(t) называются компонентами свертки.
Найдем для примера свертку произвольного оригинала и единичной функции Имеем . Так как при то
. (16.1)
Доказать, что свертка оригиналов – оригинал и что свертка коммутативна, т.е. , следует самостоятельно.
Теорема 1. Если и , то
.
Действительно, по определению (14.3) имеем
,
где D – треугольная область, задаваемая системой неравенств
Изменив порядок интегрирования в двойном интеграле, получим
.
Введем вместо t новую переменную . Тогда
,
что и требовалось доказать.
Пример 1. Найти оригинал , если его Лаплас-образ .
Решение. Представим данный Лаплас-образ в виде произведения двух изображений, для которых известны оригиналы:
.
Так как
,
то по теореме 1 имеем
.
Упражнение 1. Доказать, что свертка линейна по каждой компоненте:
,
где а и b – постоянные.
Упражнение 2. Найти свертку функций и .
Интегрирование и дифференцирование оригиналов. Для интегрирования и дифференцирования оригиналов справедливы следующие теоремы.
Теорема 2. Если то .
Для доказательства используем формулу (16.1) и теорему 1. Тогда
.
Теорема 3. Если и – оригиналы и, то
. (16.2)
В самом деле, исходя из формулы Ньютона – Лейбница, в силу (16.1) будем иметь
.
Тогда по теореме 1
.
Отсюда , что и требовалось доказать.
Применив формулу (16.2) дважды, получим
и т.д. В частности, если , то , т.е. в этом случае дифференцирование оригинала сводится к умножению его изображения на p.
Дифференцирование и интегрирование изображений. Без доказательства примем следующие свойства преобразования Лапласа:
1. Если – оригинал с показателем роста , то его изображение имеет в области производные любых порядков.
2. При том же условии пределы, производные и интегралы от в области можно находить, выполняя соответствующие операции под знаком интеграла (14.3).
Теорема 4. Если , то , т.е. дифференцирование изображения сводится к умножению оригинала на . Действительно, дифференцируя (14.3) по параметру p, получим
.
Справа стоит интеграл Лапласа для функции , следовательно,
,
что и требовалось доказать.
Применив несколько раз теорему 4, получим
.
Теорема 5. Если – оригиналы и , то
,
т.е. интегрирование изображения в указанных пределах сводится к делению оригинала на . Так как в силу (14.3) имеем , то
.
Поскольку при и , то
.
Рассмотрим функции
.
По теореме 4 имеем
.
Так как , то по теореме 5
.
Точно так же получим
.
Применяя теорему 2, найдем изображение интегрального синуса
.
Следствия из теорем 1-5 приведем с доказательствами.
Следствие 1. Если сходится интеграл
, (16.3)
то
. (16.4)
Из сходимости интеграла (16.3) следует, что изображение непрерывно в замкнутой области . Переходя к пределу в (14.3) при , приходим к требуемому результату.
Следствие 2. Если сходится интеграл , то
.
Так как , то в силу (14.4)
.
Для справедливо равенство
.
Следствие 3. Если – оригиналы, то . Действительно, по теореме 3
. (16.5)
С другой стороны, (см. § 14). Переходя к пределу в (16.5) при , получим требуемый результат.
Следствие 4. Если – оригиналы и существует конечный предел , то
. (16.6)
Исходим из равенства
. (16.7)
В силу (14.4) и теоремы 3
. (16.8)
Из (16.7) и (16.8) получаем (16.6).
Формула (16.6) позволяет исследовать поведение оригиналов при , имея в своем распоряжении только их изображения.
Упражнение. Вычислить несобственный интеграл , где .
§ 17. Формула разложения Хевисайда
Пусть изображение функции представляет собой дробно-рациональную функцию.
Теорема. Пусть, где и – дифференцируемые функции. Введем как полюсы функции , т.е. корни (нули) ее знаменателя. Тогда, если , получим формулу Хевисайда:
. (17.1)
Доказательство проведем для случая, когда и – многочлены степеней т и п соответственно, при этом т < п. Тогда – правильная рациональная дробь. Представим в виде суммы простейших дробей:
. (17.2)
Отсюда Коэффициенты найдем из тождества (17.2), переписав его в виде
,
где
.
Умножим обе части последнего равенства на и перейдем к пределу при . Учитывая, что и , получим
,
откуда и следует (17.1). Теорема доказана.
Замечание 1. Если коэффициенты многочленов и вещественны, то комплексные корни многочлена попарно сопряжены. Следовательно, в формуле (17.1) комплексно сопряженными величинами будут слагаемые, соответствующие комплексно сопряженным корням многочлена , и формула Хевисайда примет вид
, (17.3)
где первая сумма распространена на все вещественные корни многочлена , вторая – на все его комплексные корни с положительными мнимыми частями.
Замечание 2. Каждый член формулы (17.1) представляет собой записанное в комплексной форме колебание , где . Таким образом, вещественным корням () соответствуют апериодические колебания, комплексным корням с отрицательными вещественными частями – затухающие колебания, чисто мнимым корням – незатухающие гармонические колебания.
Если знаменатель не имеет корней с положительными вещественными частями , то при достаточно больших значениях получим установившийся режим:
, (17.4)
где
;
– чисто мнимые корни многочлена с положительными мнимыми частями.
Колебания, соответствующие корням с отрицательными вещественными частями, экспоненциально затухают при и поэтому не входят в установившийся режим.
Пример 1. Найти оригинал изображения
.
Решение. Имеем . Выпишем корни многочлена : .
По формуле (17.1)
.
Здесь , , так как числа – корни уравнения . Следовательно,
.
Пример 2. Найти оригинал изображения
,
где а > 0; .
Решение. Здесь функция , помимо очевидного корня , имеет бесконечно много корней, являющихся нулями функции . Решая уравнение , получим , откуда
.
Таким образом, корни знаменателя имеют вид и , где
Далее запишем
;
;
По формуле (17.3) находим оригинал
§ 18. Операторный метод решения дифференциальных уравнений
Дифференциальные уравнения. Рассмотрим задачу Коши для линейного дифференциального уравнения
(18.1)
(здесь ) с начальными условиями
. (18.2)
Переходя в (18.1) к изображениям, в силу линейности преобразования Лапласа будем иметь
. (18.3)
Изображения производных, используя теорему 3 § 16 и начальные условия (18.2), запишем в виде
. (18.4)
Подставив (18.4) в (18.3), после несложных преобразований получим операторное уравнение
, (18.5)
где (характеристический многочлен); .
Из уравнения (18.5) найдем операторное решение
. (18.6)
Решением задачи Коши (18.1), (18.2) является оригинал операторного решения (18.6):
Для задачи Коши в принятых обозначениях можно записать
;
;
.
Операторное уравнение имеет вид
.
разложим операторное решение на простейшие дроби:
.
С помощью формул, полученных в § 15, получим оригиналы:
.
Таким образом, решение задачи Коши будет иметь вид
.
Пример 1. Решить задачу Коши для дифференциального уравнения с начальными условиями , где .
Решение. Запишем операторное уравнение
.
Его решение имеет вид
.
Используя теорему 2 § 16, последовательно найдем:
.
Пример 2. Решить задачу Коши для дифференциального уравнения с нулевыми начальными условиями, где – ступенчатая импульсная функция.
Решение. Запишем операторное уравнение
и его решение
.
Из теоремы 2 § 16 следует
;
в соответствии с теоремой запаздывания (§ 15)
.
Окончательно,
.
Пример 3. На точку массой т, прикрепленную к пружине жесткостью с и находящуюся на гладкой горизонтальной плоскости, действует периодически меняющаяся сила . В момент времени t точка подверглась удару, несущему импульс . Пренебрегая сопротивлением, найти закон движения точки, если в начальный момент времени она покоилась в начале координат.
Решение. Уравнение движения запишем в виде
,
где – упругая сила; – функция Дирака. Решим операторное уравнение
,
где . При
.
Если (случай резонанса), то
.
По теореме запаздывания
.
Окончательно,
Интеграл (формула) Дюамеля. Рассмотрим задачу Коши для уравнения (18.1) при начальных условиях . Операторное решение в этом случае имеет вид
.
Пусть весовая функция – оригинал для . тогда по теореме 1 § 16 получим
. (18.7)
Соотношение (18.7) называется интегралом (формулой) Дюамеля.
Замечание. При ненулевых начальных условиях формула Дюамеля непосредственно неприменима. В этом случае необходимо предварительно преобразовать исходную задачу к задаче с однородными (нулевыми) начальными условиями. Для этого введем новую функцию , полагая
(18.8)
где – начальные значения искомого решения .
Как легко видеть, , и следовательно, .
Таким образом, функция – решение уравнения (18.1) с правой частью , полученной в результате подстановки (18.8) в (18.1), при нулевых начальных данных.
Используя (18.7), найдем и .
Пример 4. С помощью интеграла Дюамеля найти решение задачи Коши
с начальными условиями .
Решение. Начальные данные ненулевые. Полагаем, в соответствии с (18.8), . Тогда , и для определения получим уравнение с однородными начальными условиями.
Для рассматриваемой задачи характеристический многочлен , весовая функция . По формуле Дюамеля
.
Окончательно,
.
Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Задача Коши для системы линейных дифференциальных уравнений в матричной записи имеет вид
, (18.9)
где – вектор искомых функций; – вектор правых частей; – матрица коэффициентов; – вектор начальных данных.
Переходя в (18.9) к изображениям, получим операторную систему
, (18.10)
где – Лаплас-образы векторов искомых функций и правых частей соответственно.
Из (18.10) находим операторное решение
, (18.11)
где ; Е – единичная матрица.
Оригинал операторного решения(18.11) является решением исходной задачи Коши (18.9).
Обозначим весовую матрицу, т.е. матрицу-оригинал для , где Тогда из (18.11) в соответствии с теоремой 1 § 16 будем иметь
. (18.12)
При нулевых начальных условиях
. (18.13)
Соотношение (18.13) представляет собой матричный аналог интеграла Дюамеля.
Пример 5. Найти решение задачи Коши
с начальными условиями .
Решение. Запишем систему и начальные условия в матричной форме:
,
где . Тогда
;
.
Окончательно, по формуле (18.12) получим
или
Замечание. Формулы (18.12) и (18.13) имеют большое теоретическое значение, поскольку позволяют исследовать поведение решения системы дифференциальных уравнений в зависимости от начальных данных и правых частей. Однако для практического применения эти формулы мало пригодны, так как зачастую требуют проведения громоздких выкладок, связанных с вычислением обратных матриц, матричных сверток и т.п. Поэтому на практике обычно применяют операторный метод, не переходя к матричной записи системы уравнений, а при решении операторной системы используют конкретные особенности исследуемой задачи.
Пример 6. Решить задачу Коши:
с начальными условиями .
Решение. Перейдем в данной системе к изображениям. С учетом начальных условий будем иметь
Запишем решение операторной системы
.
Тогда
.
§ 19. Приложения
Электрические цепи. Основными элементами электрических цепей являются сопротивления, индуктивности и емкости (конденсаторы). Каждый из этих элементов называются двухполюсником, поскольку он обладает двумя контактами (полюсами), которые соединяются с полюсами других элементов цепи. Электрическое состояние двухполюсника в каждый момент времени определяется двумя величинами: силой тока (током) , проходящего через двухполюсник, и падением напряжения (напряжением) на его полюсах. Для каждого двухполюсника функции и связаны некоторым соотношением, представляющим собой физический закон, управляющий работой двухполюсника.
Для сопротивления имеет место закон Ома
,
где – сопротивление двухполюсника.
Для индуктивности справедливо соотношение
,
где – индуктивность двухполюсника.
Для конденсатора выполняется соотношение
,
где С – емкость конденсатора; – начальный заряд на его обкладках.
В дальнейшем будем считать, что в начальный момент времени цепь была свободна от токов и зарядов, что соответствует задачам включения.
Если ввести операторный ток и операторное напряжение как изображения функций и соответственно, то вышеприведенные уравнения, управляющие работой двухполюсников, перейдут в следующие:
.
Последние соотношения могут быть записаны в виде операторного закона Ома
,
где операторное сопротивление (импеданс) в случае активного сопротивления, индуктивности и емкости принято в виде соответственно . Величину, обратную , называют операторной проводимостью (адмитансом) двухполюсника.
При последовательном соединении двух двухполюсников с операторными сопротивлениями и имеем ; и , откуда , и следовательно, импеданс цепи . Аналогично, при параллельном соединении двух элементов с адмитансами и получим , , , откуда , и следовательно, адмитанс цепи .
Таким образом, в задачах включения операторные сопротивления и проводимости цепей рассчитываются по обычным правилам соединения активных сопротивлений. Например, если цепь состоит из последовательно соединенных сопротивления , индуктивности и емкости , шунтированной сопротивлением , то ее импеданс .
Если электрическая цепь с адмитансом включена на эдс , то операторный ток в ней определяется соотношением , .
Как правило, операторная проводимость цепи представляет собой рациональную дробь, полюсы (корни знаменателя) которой расположены в левой полуплоскости , что, как следует из теоремы Хевисайда, гарантирует устойчивость системы, т.е. исключает возможность возникновения в такой системе незатухающих свободных колебаний.
Если эдс является ограниченной функцией времени, то полюсы функции имеют неотрицательные вещественные части, и следовательно (см. замечание 2 к теореме Хевисайда), по истечении достаточно длительного промежутка времени в системе устанавливается стационарный режим, при котором ток
,
где ; – чисто мнимые полюсы функции с положительными мнимыми частями; – мнимая единица. Здесь, как и ранее, предполагаем, что функция не имеет кратных полюсов.
Представим эдс тригонометрическим рядом Фурье . Тогда
;
;,
следовательно,
.
Положим
,
где – амплитуда гармоники с частотой , bk – ее начальная фаза;
; g. Тогда
. (19.1)
Функции и называются амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной характеристиками (ФЧХ) системы.
Будем трактовать функции и , как входной и выходной сигналы соответственно. Из формулы (19.1) следует, что, если на вход системы поступает сигнал с частотой w, амплитудой а и начальной фазой b, то по завершении переходных процессов на выходе формируется сигнал той же частоты w с амплитудой и с фазой, сдвинутой относительно фазы входного сигнала на величину. Таким образом, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики представляют собой соответственно коэффициент усиления (ослабления) и сдвиг фазы сигнала при его прохождении через систему. То значение w, при котором АЧХ достигает максимума, называется резонансной частотой системы.
Пример. Колебательный контур состоит из последовательно соединенных активного сопротивления , индуктивности и емкости C. Найти резонансную частоту.
Решение. Импеданс контура, его адмитанс . Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики соответственно
;
. (19.2)
Из формулы (19.2) следует, что АЧХ достигает наибольшего значения, если .
Таким образом, колебательный контур резонирует на частоту , наибольший коэффициент усиления сигнала равен , сдвиг фазы на резонансной частоте равен нулю.
Расчет длинных электрических линий. Обозначим – удельные сопротивление, индуктивность и емкость провода соответственно; – коэффициент утечки тока; и – ток и напряжение в точке с координатой х в момент времени . Тогда для участка линии между точками х и по известным законам физики будем иметь
;
. (19.3)
Разделив уравнения (19.3) на Dх и перейдя к пределу при Dх ® 0, получим систему уравнений в частных производных (телеграфную систему) для определения функций и :
;
. (19.4)
Для завершения постановки задачи систему (19.4) необходимо дополнить начальными и краевыми условиями. В задаче включения начальные условия имеют вид
. (19.5)
Далее примем, что правый конец провода заземлен, а на левом его конце поддерживается заданное напряжение . Тогда краевые условия запишутся в виде
, (19.6)
где – длина линии.
Применяя к системе (19.4) преобразование Лапласа по переменной с учетом начальных условий (19.5), получим операторную систему
, (19.7)
где и – изображения напряжения и тока соответственно. Краевые условия (19.6) перейдут в
, (19.8)
где .
Применяя снова преобразование Лапласа, на этот раз по переменной х, вместо (19.7) запишем алгебраическую систему
; , (19.9)
где ; ; ; – параметр преобразования Лапласа по переменной х.
В дальнейшем, чтобы избежать громоздких выкладок, ограничимся исследованием установившегося режима в линии без искажений, т.е. линии, параметры которой удовлетворяют условию .
Решение системы (19.9) для линии без искажений имеет вид
,
где .
Возвратимся к оригиналам:
;
. (19.10)
С помощью второго из краевых условий (19.8) найдем
. (19.11)
Из (19.10) и (19.11) следует, что
;
. (19.12)
При отыскании функций и будем использовать теорему разложения Хевисайда, для чего необходимо найти полюсы изображений (19.12). Нули гиперболического синуса определяются из уравнения , откуда и , Следовательно, нули функции – это числа , расположенные в левой полуплоскости . Поэтому, если – ограниченная функция, то, как следует из (19.12), напряжение и ток в установившемся режиме соответственно
где – чисто мнимые полюсы функции с положительными мнимыми частями.
В частности, если , то , и следовательно, в установившемся режиме
;
.
Примеры для самостоятельного решения
Задание 1. Разложить в ряд Фурье функции, заданные на интервале [–p, p]:
1. 2.
3.. 4..
5. 6.
7. 8.
9.
10.
11. 12.
13. 14.
15. 16.
17. 18.
19. 20.
21.
22.
23.
24.
25. 26.
27. 28.
29. 30.
31.
Задание 2. Разложить в ряд Фурье функции, заданные на интервале :
1. 2.
3. 4.
5. 6.
7. 8.
9.
10.
11.
12.
13. 14.
15. 16.
17. 18.
19. 20.
21. 22.
23. 24.
25. 26.
27. 28.
29 30. =
Указание. Для решения примера 15 воспользоваться формулами [6]
Задание 3. Представить интегралом Фурье следующие функции:
1. 2.
3. 4.
5. 6.
7. 8.
9. 10.
11. 12.
13.. 14.. 15..
16.. 17.. 18..
Указание. При решении следует воспользоваться формулами
;
;
;
;
;
.
Задание 4. Найти косинус-преобразование Фурье следующих функций:
1. 2.. 3..
4.. 5..
Задание 5. Найти синус-преобразование Фурье следующих функций:
1. 2.
3. 4..
5. . 6. . 7. .
Ответы
Задание 1
1. . 2. .
3. . 4. .
5. . 6. .
7. .
8. .
9. .
10. .
11. .
12. .
13. . 14. .
15. . 16. .
17. . 18. .
19. .
20. .
21. .
22. .
23. .
24. . 25. .
26..
27. .
28. .
29. .
30. .
31. .
Задание 2
.
2. .
3. .
4. .
5. . 6. . 7. .
8.
.
9. .
10. . 11. .
12. .
13. .
14. .
15. .
16. . 17.
18. . 19. .
20. .
21. .
22. . 23. .
24. . 25. .
26. .
27. .
28. .
29. .
30. .
Задание 3
1. .
2. .
3. .
4. .
5. .
6. . 7. .
8. . 9. . 10. .
11. . 12. . 13. .
14. . 15. . 16. .
17. . 18. .
Задание 4
1. . 2. .
3. . 4. . 5. .
Задание 5
1. . 2. .
3. . 4. .
5. . 6.. 7..
Рекомендательный библиографический список
Основной:
1. Демидович Б.П. Сборник задач и упражнений по математическому анализу. М.: Наука, 1972.
2. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Часть II. М.: Наука, 1985.
3. Шипачев В.С. Высшая математика. М.: Высшая школа, 1998.
Дополнительный:
4. Данко П.В. Высшая математика в упражнениях и задачах / П.В.Данко, А.Г.Попов, Г.Н.Кожевникова. М.: Высшая школа, 1997. т.2.
5. Минорский В.П. Сборник задач по высшей математике. М.: Наука, 1987.
6. Прудников А.П. Интегралы и ряды / А.П. Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев. М.: Наука, 1981.
Оглавление
Введение
Глава 1. Ряды Фурье
§ 1. Векторные пространства
§ 2. Скалярное произведение и норма функций
§ 3. Ортогональные системы функций. Коэффициенты Фурье. Ряд Фурье
§ 4. Сходимость в среднем. Равенства Парсеваля
§ 5. Тригонометрический ряд Фурье на промежутке [–L, L]
§ 6. Сходимость тригонометрического ряда Фурье. Теорема Дирихле
§ 7. Разложение в тригонометрические ряды четных и нечетных функций
§ 8. Ряд Фурье для функции, заданной на промежутке [0, L]
§ 9. Ряды Фурье для комплексных функций
§ 10. Комплексная форма тригонометрического ряда Фурье
Глава 2. Интеграл Фурье
§ 11. Сходимость интеграла Фурье
§ 12. Преобразование Фурье
§ 13. Основные сведения из теории преобразования Фурье
Глава 3. Операционное исчисление
§ 14. Преобразование Лапласа
§ 15. Изображения простейших функций
§ 16. Основные теоремы операционного исчисления
§ 17. Формула разложения Хевисайда
§ 18. Операторный метод решения дифференциальных уравнений
§ 19. Приложения
Примеры для самостоятельного решения
Ответы
Рекомендательный библиографический список
... , Чебышева первого и второго рода, коэффициенты которого ak вычисляются по формуле. где - коэффициенты смещенного многочлена Лежандра, Чебышева первого и второго рода соответственно, записанных в виде Другим приемом численного обращения преобразования Лапласа является построение квадратурных формул для интеграла обращения (8). 4. Обращение преобразования Лапласа с помощью многочленов, ...
... 361. -370. Вычислить тройной интеграл по области V, ограниченной заданными поверхностями. 371. -380. Вычислить криволинейный интеграл второго рода вдоль заданной линии (для незамкнутых кривых направление обхода соответствует возрастанию параметра t или переменной x; для замкнутых кривых направление предполагается положительным). L– отрезок прямой, ...
... периода 2l, т.е. в интервале (-l;l), где коэффициенты вычисляются: Замечание: в случае разложения функции f(x) в ряд Фурье в произвольном интервале (a; a+2l) длины 2l пределы интегрирования в формулах (2), у коэффициентов Фурье нужно заменить соответственно на (а) и (a+2l). Теория вероятностей Основным понятием в теории вероятностей являются понятия события и вероятности события, ...
... На основании теоремы Коши о вычетах этот интеграл можно определить как сумму вычетов по полюсам подынтегральной функции. (8) Это третья формула прямого дискретного преобразования Лапласа. Пример 3. Определить дискретное преобразование Лапласа для еди-ничной функции. Решение: Функции x (t) = 1 (t) соответствует изображение Записываем характеристическое уравнение и определяем значения ...
0 комментариев