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416
Chapter 7 The Laplace Transform
作用:把微分變成乘法
Chapter 4 曾經提過
k
d y t 
k
dt
可寫成 D k y  t 
k
Laplace transform可以將
s Y s  s
k
k 1
y 0  s
k 2
d y t 
k
dt
y 0  
變成
 sy
(k 2)
 0   y ( k 1)  0 
417
Section 7-1 Definition of the Laplace Transform
7-1-1 Definitions
 Laplace Transform of f(t)
L  f ( t ) 


e
 st
f ( t ) dt
0
經常以大寫來代表 transform 的結果
F  s   L  f ( t ) 


e
0
 st
f ( t ) dt
418
Laplace Transform is one of the integral transform
 transform:
把一個 function 變成另外一個 function
 integral transform: 可以表示成積分式的 transform
F s 

b
a
K  s , t  f ( t ) dt
 kernel
對 Laplace transform 而言
K  s, t   e
 st
,
a = 0, b  
註:Chap. 14 將教到的 Fourier transform, 也是一種 integral
transform
419
7-1-2 Linear Property


e
0
 st

f ( t )   g ( t )  dt  


e
 st
f ( t ) dt  
0


e
 st
g ( t ) dt
0
L  f ( t )   g ( t )    L  f ( t )    L  g ( t ) 
事實上,所有的 integral transform 都有linear property
420
7-1-3 The Laplace Transforms of Some Basic Functions
f(t)
F(s)
1
s
n!
1
tn
exp(at)
sin(kt)
cos(kt)
sinh(kt)
cosh(kt)
s
n 1
1
sa
k
2
2
s k
s
2
2
s k
k
2
2
s k
s
2
2
s k
(彼此密切相關)
421
L 1
Example 1
L 1 


e
 st
dt   e
0
(1)
e
(text page 275)
 s 
s
 st
s

e
0
 s 
s
 ( e
 s 0
)1
s
s
比較正式的寫法是 lim  e
(2) 這裡假設 s > 0, 所以
b 
e
 s 
s
0
 s b
s
L t 
Example 2
L t  


te
 st
b
b
a
a
 u  t  v   t  dt  u  t  v  t 
dt
0
  te
 st
s
   e
s
e
 s 
s
 12
s
2


0
 s 
e


0
e
 st
dt
s
 s 0
 0e
s
 s 0
s
422
(text page 275)
2
 st
e 2
s

0


b
a
u   t  v  t  dt
Example 3
L e
3t
  s 1 3
423
(text page 275)
Pole (分母為0 的地方) 在複數平面左半邊
stable
Pole 在複數平面右半邊
unstable
Im(s)
s = -3
Re(s)
Example 4 L  sin(2 t )
424
(text page 276)
除了課本的解法之外,
另一個解法
i 2t
i 2t
sin(2 t )  1  e  e

2i
i2t
i2t
L  sin(2 t )   1 L  e   1 L  e
 1 1  1 1

2i
2i
2i s  i 2 2i s  i 2
s  i 2  ( s  i 2)
 1
 1 2i 4  2 2
2 i ( s  i 2)( s  i 2 ) 2 i s  4 s  4
Example 5
(text page 277)
L 1  5 t   L 1  5 L  t   1  52
s s
L 4e
3t
 10 sin 2 t   4 L  e
3t
  10 L  s in 2 t   s 4 3  s 20 4
2
425
7-1-4 When Does the Laplace Transforms Exist?
Constraint 1 for the existence of the Laplace transform :
For a function f(t), there should exist constants c, M > 0, and T > 0
such that
f t   Me
ct
for all t > T
In this condition, f(t) is said to be of exponential order c
Fig. 7.1.2
426
Example: f(t) = t, e−t, 2cost 皆為 exponential order 1
Fig. 7.1.3
(a)
(b)
(c)
補充:其實,對一個function 而言, exponential order c 不只一個
例子: f(t) = tn 為 exponential order c, c > 0
n
There exists an M such that t c t  M
e
if c > 0
Example: f(t) =
exp(t2)
時,並不存在一個 c 使得
f t   Me
ct
for all t > T
Fig. 7.1.4
只要有一個 c 使得 f  t   M e c t for all t > T
我們稱 f(t) 為 of exponential order
否則,我們稱 f(t) 為 not of exponential order
427
428
Constraint 2 for the existence of the Laplace transform :
f(t) should be piecewise continuous on [0, )
在任何 t  [a, b] 的區間內 (0  a  b < )
f(t) 為 discontinuous 的點的個數為有限的
稱作是「piecewise continuous」
Fig. 7.1.1
注意: 1/t 不為 piecewise continuous
429
Constraints 1 and 2 are “sufficient conditions”
若滿足
Laplace transform 存在
若不滿足
Laplace transform 未必不存在
反例: f(t) =
t−1/2
不為 piecewise continuous
但是 Laplace transform 存在 F  s   s  1 / 2 
補充說明: f(t) = t−1/2 不為 piecewise continuous 是因為
f(0)  
所以 f(t) 在 t = 0 附近有無限多個不連續點
事實上,只要 f(t1)  , |t1| is not infinite,
f(t) 必定不為 piecewise continuous
430
431
Theorem 7.1.3
If f(t) is piecewise continuous on [0, ) and of exponential order, then
lim F  s   0
s 
432
7-1-5 Section 7-1 需要注意的地方
(1) Laplace transform of some basic functions 要背起來
(2) 記公式時,一些地方要小心 sin, sinh, 1/tn
sin kt
沒有平方
k
2
2
s k
有平方
(3) 熟悉(a) 包含 exponential function 的積分
以及 (b)

b
a
u  t  v   t  dt  u  t  v  t  a 
b

b
a
u   t  v  t  dt
的積分技巧
(4) 要迅速判斷一個式子當 t
(5) 小心正負號
 時是否為 0
433
附錄七:充分條件和必要條件的比較
If A is satisfied, then B is also satisfied :
A is the sufficient conditions of B (充分條件)
A
B
If B is satisfied, then A is bound to be satisfied :
A is the necessary conditions of B (必要條件)
B
A
B is satisfied if and only if A is be satisfied :
A is the necessary and sufficient conditions of B
(充分且必要的條件)
Section 7-2 Inverse Transforms and
Transforms of Derivatives
本節有兩大部分:
(1) inverse Laplace transform 的計算 (7-2-1 ~ 7-2-3)
(2) 將微分變成 Laplace transform 當中的乘法 (7-2-4 ~ 7-2-6)
434
435
7-2-1 Inverse 方法一: One-to-One Relation
When (1) f1(t) and f2(t) are piecewise continuous on [0, ), and
(2) f1(t) and f2(t) are of exponential order, then
if f1(t)  f2(t)
then F1(s)  F2(s)
換句話說,在這種情形下,Laplace transform 是 one-to-one
的運算。
If the Laplace transform of f1(t) is F1(s),
then the inverse Laplace transform of F1(s) must be f1(t).
436
Table of Inverse Laplace Transforms
F(s)
L−1{F(s)}
1
s
n!
1
s
n 1
1
sa
k
2
2
s k
s
2
2
s k
k
2
2
s k
s
2
2
s k
tn
exp(at)
sin(kt)
cos(kt)
sinh(kt)
cosh(kt)
437
s 
Example 1 (text page 282) (a) L 1 1
5
L
1
 
 
1  1 L 1 4 !  1 t 4
5
5
4!
4!
s
s
s
Example 2 (text page 283) L 1  22 s  6
L
1



4





1
1
 2 s  6  L 1  2 s  6
s
2


2
L

3
L
2
2
2
2
2
s 4
s 4 s 4
s 4
s 4
  2 cos( 2 t )  3 sin(2 t )

438
7-2-2 Inverse 方法 (二) Decomposition of Fractions
Example 3 (text page 283)
L
1

s  6s  9
( s  1)( s  2)( s  4)
2

s  6s  9
 A  B  C
( s  1)( s  2)( s  4) s  1 s  2 s  4
2
L
1


t
2t
4 t
s  6s  9
 Ae  Be  Ce
( s  1)( s  2)( s  4)
2
問題:A, B, C 該如何算出?
2
A ( s  2)( s  4)  B ( s  1)( s  4)  C ( s  1)( s  2)
s  6s  9

( s  1)( s  2)( s  4)
( s  1)( s  2)( s  4)
s  6 s  9  ( A  B  C ) s  (2 A  3 B  3 C ) s  8 A  4 B  2 C
2
2
太麻煩
7-2-3 計算分數分解係數的快速法
s  6s  9
 A  B  C
( s  1)( s  2)( s  4) s  1 s  2 s  4
2
兩邊各乘上 (s − 1)
s  6 s  9  A  ( s  1) B  ( s  1) C
( s  2)( s  4)
s2
s4
2
16
把 s = 1 代入  5  A
這二個步驟可以合併
左式乘上 (s − 2)後,把 s = 2 代入
s  6s  9
B 
( s  1)( s  2)( s  4)
2
s2
 25
6
左式乘上 (s + 4)後,把 s = −4 代入
s  6s  9
C 
( s  1)( s  2)( s  4 )
2
s  4
 1
30
439
通則:要將一個 fraction 分解
K s
( s  a1 )( s  a 2 )
440
(Cover up method)
AN

s  aN
A1
A2
 Q s 


s

a
s

a
(s  aN )
1
2
a1, a2, …., aN 互異
(1) 用多項式的除法算出 Q(s)
K s
( s  a1 )( s  a 2 )
(s  aN )
商
 Q s 
餘式
K1  s 
( s  a1 )( s  a 2 )
(s  aN )
使得 order of K1(s) < N
(2) 算出 An
An 
K1  s 
( s  a1 )( s  a 2 )
( s  a n 1 )( s  a n )( s  a n 1 )
( s  a N ) sa
n
例子: s  8 s  31 s  36 s  20
4
3
2
( s  1)( s  2 )( s  3)
s  8 s  31 s  36 s  20
4
3
2
3
1
s  2 s  3s  2
3
2
( s  1)( s  2)( s  3)

2
s 1
s  2 s  3s  2
3
A2 
s  2 s  3s  2
2
( s  1)( s  2 )( s  3)
A1 
2
A3  A4 ( s  3)
A1
A2
 Q (s) 


2
s 1 s  2
( s  3)
2
( s  1)( s  2 )( s  3)
8
2
 2
4
2
( s  1)( s  2)( s  3)
 24
2
s2
3
2
s  2 s  3 s  2  ( s  3) 2 A1  ( s  3) 2 A2  A  A ( s  3)
3
4
( s  1)( s  2 )
s 1
s2
s  2 s  3s  2
3
A3 
2
( s  1)( s  2)

s3
56
2
 28
Q(s) = 1
441
442
3
2
s  2 s  3 s  2  ( s  3) 2 A1  ( s  3) 2 A2  A  A ( s  3)
3
4
( s  1)( s  2 )
s 1
s2
d s  2 s  3s  2
3
A4 
2
( s  1)( s  2)
ds
(3 s  4 s  3)( s  1)( s  2)  ( s  2 s  3 s  2)(2 s  3)
2

3
( s  1) ( s  2)
2
s3
2
2
  21
s  8 s  31 s  36 s  20
4
3
2
( s  1)( s  2)( s  3)
2
1
2  24  28  21( s  3)
2
s 1 s  2
( s  3)
s3
443
 小技巧:其實,如果只剩下一個未知數,我們可以將 s 用某個數
代入, 快速的將未知數解出
例如,前面的例子,將 s = 0 代入原式
A2 A3  3 A4
  A1 

2
9
18
2
9 A2
A4  (  1  9 A1 
 A3 ) / 3   21
2
444
2
A 2 s  A3
A1
s
 2s  3
例子:


2
2
( s  1)( s  2 s  2 ) s  1 s  2 s  2
s  2s  3
A1 
2
( s  1)( s  2 s  2)
2
s 1
 6
5
s  2s  3
s  2s  3
 6/5  1
 1 2 s  3
2
2
( s  1)( s  2 s  2) s  1 5 ( s  1)( s  2 s  2) 5 s  2 s  2
2
2
s  2s  3
 6/5  1 2 s  3
2
( s  1)( s  2 s  2) s  1 5 s  2 s  2
2
445
7-2-4 Transforms of Derivatives
L  f ( t ) 


e
 st
f  ( t ) dt  e
 st

f (t )
0
0

 s e
 st
f ( t ) dt
0
 0  f (0 )  sL  f ( t )   sL  f ( t )   f ( 0 )

b
a
u  t  v   t  dt  u  t  v  t  a 
b

b
a
u   t  v  t  dt
L  f  ( t )  sL  f  ( t )  f  (0)  s  sL  f ( t )   f (0)   f ( 0 )
2
 s L  f ( t )  sf (0)  f  (0)
3
2
L  f ( t )  sL  f ( t )  f  (0)  s L  f ( t )  s f (0)  sf  (0)  f ( 0)
446
Theorem 7.2.2 Derivative Property of the Laplace Transform
L f
(n)
 t   s n F  s   s n 1 f  0   s n  2 f   0  
 sf
(n2)
 0   f ( n 1)  0 
447
7-2-5 Solving the Constant Coefficient Linear DE by Laplace
Transforms
an y
(n)
 x   a n 1 y ( n 1)  x  
 a1 y  ( x )  a 0 y  g  x 
Laplace transform
a n  s Y  s   s
n
 a n 1  s
n 1
y 0  s
Y s  s
n 1
n2
n2
y0  
y 0  s
n3
y0  

 a1  sY  s   y  0    a 0Y  s   G  s 
 sy
(n2)
 0   y ( n 1)  0  
 sy
( n3)
 0   y ( n  2 )  0  
a n  s Y  s   s
n
 a n 1  s
n 1
y 0  s
Y s  s
n 1
n2
n2
y0  
y 0  s
n 1
 sy
y0  
(n2)
0  y
 sy
( n3)
( n 1)
 0  
 0   y ( n  2 )  0  

 a1  sY  s   y  0    a 0Y  s   G  s 
P  s Y  s   Q  s   G  s 
P  s   a n s  a n 1 s
n
Q  s   a n  s
n 1
 a n 1 
n 1

y 0  s
s
a1 s  a 0
(auxiliary)
n2
y0  
 sy
n2
y 0 
 sy
(n2)
( n3)
 0   y ( n 1)  0  
 0   y ( n  2 )  0  

 a2 
 a1 
sy  0 

y  0 
y  0 
448
Y s 
Q s
P s

G s
P s
449
Y s  W sQ s  W sG s
G(s): Laplace transform of the input
Q(s): caused by initial conditions
Y(s): Laplace transform of the response
W(s): transform function
L−1[W(s)Q(s)]: zero-input response or state response
L−1[W(s)G(s)]: zero-state response or input response
W s 
1
P s
450
Example 4 (text page 285)
y  ( t )  3 y ( t )  13 sin 2 t
y (0)  6
(Step 1) Laplace Transform
sY ( s )  y  0   3Y ( s )  13
( s  3)Y ( s )  6 
2
2
s 4
26
s 4
2
(Step 2) Decompose
Y (s) 
Y (s) 
Y (s) 
6 
26
s  3 ( s  3)( s 2  4 )
8  2 s  6
2
s3
s 4
8  2 s  3 2
2
2
s3
s 4
s 4
(Step 3) Inverse Laplace Transform
y  t   8e
3t
 2 cos 2 t  3 sin 2 t
26
2
( s  3)( s  4)
s  3
 26  2
13
26
2

2
( s  3)( s  4 ) s  3
  2 s 2 1 8   22 s  6
( s  3)( s  4 )
s 4
2
451
Example 5 (text page 286)
y  ( t )  3 y  ( t )  2 y ( t )  e
(Step 1)
Laplace
(Step 2)
Decompose
4 t
y (0)  1
y  (0 )  5
快速法
( s  3 s  2)Y  s   s  2 
1
s4
1
Y s  2 s  2
 2
s  3 s  2 ( s  3 s  2 )( s  4 )
2

s2
1

( s  1)( s  2 ) ( s  1)( s  2 )( s  4 )
 3  4 1 1 1 1  1 1
s  1 s  2 5 s  1 6 s  2 30 s  4
  16 1  25 1  1 1
5 s  1 6 s  2 30 s  4
(Step 3)
Inverse
t
2t
4 t
y  t    16 e  25 e  1 e
5
6
30
452
7-2-6 快速法
k
d  sk
k
dt
(A) 求 P(s)
y  ( t )  3 y ( t )  2 y ( t )  P  s   s  3 s  2
2
很像 Sec. 4-3 的…
(B) 求 Q(s)
Q  s   a n  s
n 1
 a n 1 
y 0  s
s
n2
y0  
 sy
n2
y 0 
 sy
(n2)
( n3)
 0   y ( n 1)  0  
 0   y ( n  2 )  0  

 a2 
 a1 
sy  0 

y  0 
y  0 
s
an 
n 1
y 0
s
n2
y 0 
1
0
( n3)
y
0
0
(n2)
y
0
y 0
y 0 
y
y 0
a n 1 
s
a2 
(n2)
y
( n 1)
y 0
a1 
相加
例如,page 451的例子
1
3 
s
1
s
1
1
5
1
5

3
1
s
2
Q(s)
453
454
7-2-7 Section 7.2 需要注意的地方
(1) 熟悉分數分解
(2) 可以簡化運算的方法,能學則學
鼓勵各位同學多發揮創意,多多研究能簡化計算的快速法
數學上…….並沒有標準解法的存在
(3) Derivative 公式 initial conditions 的順序別弄反
L f
(n)
 t   s n F  s   s n 1 f  0   s n  2 f   0  
 sf
(n2)
 0   f ( n 1)  0 
Section 7-3 Operational Properties I
介紹兩個可以簡化 Laplace transform 計算的重要性質
First Translation Theorem (translation for s)
L e
at
f  t   F  s  a 
Second Translation Theorem (translation for t)
L  f  t  a  u  t  a   e
 as
F s
u(t): step function
(注意兩者之間的異同)
455
7-3-1 First Translation Theorem (Translation for s)
L e
at
f  t   F  s  a 
Proof:
L e
at
f  t  


e
0
 st
e
at
f ( t ) dt 


e
0
 ( sa )t
f ( t ) dt  F  s  a 
456
7-3-1-1 Inverse of “Translation for s”
When f(t) is piecewise continuous and of exponential order
L
1
 F  s  a   e a t f  t 
(一對一)
註: Sections 7-3 和 7-4 其他的定理亦如此
457
458
7-3-1-2 Examples
Example 1 (text page 290)
(a) L  e 5 t t 3   L  t 3 
 3!4
s s5
s

s s5
6
4
( s  5)
(b) L  e  2 t cos 4 t   L  cos 4 t 

s s  ( 2 )
s
s  16
2

s s 2
s2
2
( s  2)  1 6
459
Example 2 (text page 291)




 2 ( s  3)  11 

1
1 
1
1

2
L

11
L
(a) L 1  2 s  52   L 1 


2
2 
s

3
(
s

3)
(
s

3)
(
s

3)






 2e
(b)
L
1

3t
 11 t e
3t

s / 2  5 / 3  L 1  s / 2  5 / 3   L 1  ( s  2) / 2  2 / 3 




2
2
2
s  4s  6
(
s

2)

2
(
s

2)

2






1 
1 
2
2
s

2
1
 L 
L 


2
2
2
3
 ( s  2)  2 
 ( s  2)  2 
2 t
 1 e cos
2
2t 
2 e  2 t sin
3
2t
460
Example 3 (text page 292)
y   6 y   9 y  t e
2
1
2
6 
17

2
2
17
 12
2s
L t e
2
3t
  L t 
2
s s 3
5
 23
s

s s 3
( s  6 s  9 )Y  s   2 s  5 
2
y (0)  2,
3t
2
3
( s  3)
2
3
( s  3)
y (0)  17
461
( s  6 s  9 )Y  s   2 s  5 
2
2
3
( s  3)
2 ( s  3)  1 1
2
2
Y  s   2 s  52 


5
2
5
( s  3)
( s  3)
( s  3)
( s  3)

4!
2 
11
1

s  3 ( s  3) 2 1 2 ( s  3) 5
y  t   2e
3t
 11te
3t
4 3t
 1 t e
12
462
7-3-2 Step Function
u(t): unit step function
u(t) = 1 for t > 0
u(t) = 0 for t < 0
t-axis
t=0
u(t−a)
u(t−a) = 1 for t > a
u(t−a) = 0 for t < a
t=a
The unit step function acts as a switch (開關).
t-axis
463
 Any piecewise continuous function can be expressed as the
unit step function for t  0
Example 5 (text page 294)
 20 t
f t   
 0
for 0  t < 5
for t > 5
f  t   20t  u  t   20t  u  t  5 
Fig. 7.3.5
464
In general,
 h1 ( t )
f t   
 h2 ( t )
for 0  t < a
for t > a
f  t   h1  t   u  t   ( h 2  t   h1  t  )  u  t  a 
7-3-3 Second Translation Theorem (Translation for t)
L  f  t  a  u  t  a   e
或
L  g  t  u  t  a   e
 as
F s
a>0
L  g  t  a 
a>0
 as
f(t-a)u(t-a)
465
466
Proof:
L  f  t  a  u  t  a  


e

e
 s ( t1  a )
0
 as


e
0


e
0
f  t1  dt1
 s t1
f  t1  d t1  e
 st
f  t  a  u  t  a  dt 
令 t1 = t − a
 as
F s


e
a
 st
f  t  a  dt
1
Example 7(a) (text page 295) L
L
1


4t
1
e ,
s4
L
Example 8 (text page 295)
1

 s 1 4 e 
2 s

1 e 2 s  e 4 ( t  2 )u  t  2 
s4
L  co s t  u ( t   ) 
L  cos( t   )    L  cos( t )   
L  cos t  u ( t   )   
s
s 1
2
e
 s
s
s 1
2
467
468
Example 9 (text page 296)
y  y  f t 
y 0  5
for 0  t < 
 0
f t   
 3 cos t
f  t   3 cos t  u  t  
for t  

L  cos( t   )    L  cos( t )   
L  3 cos t  u ( t   )   
( s  1)Y  s   5 
Y s 
3s
s 1
2
3s e  s
2
s 1
5  3   1  1  s  e  s
s  1 2  s  1 s 2  1 s 2  1 
e
s
s 1
2
 s
 s
Y  s   5  3   1  21  2 s  e
s  1 2  s  1 s  1 s  1 
e
t
 sin ( t )  co s( t )
y  t   5e
t
 ( t  )
 3  e
 sin( t   )  cos( t   )  u ( t   )
2
 5e
t
 ( t  )
 3  e
 cos( t )  sin( t )  u ( t   )
2
469
7-3-4 本節需要注意的地方
(1) 套用 “translation for t” 的公式時,
先將 input 變成 g( t + a ) 再作 Laplace transform
(例如 Example 7)
(2) Second translation theorem (translation for t) 當 a > 0 時才適用
(3) 套用公式時,注意「順序」
470
Section 7-4 Operational Properties II
471
7-4-1 Derivatives of Transforms
L  t f ( t )  (  1) d n F  s 
ds
n
n
n
比較:
L f
(n)
 t   s n F  s   s n 1 f  0   s n  2 f   0  
微分
Laplace
乘 sn
乘 tn
Laplace
微分
 sf
(n2)
 0   f ( n 1)  0 
472
Proof of the Theorem of Derivatives of Transforms:
F s 


e
 st
d F s  d
ds
ds
n
f ( t ) dt
0


e
 st
f ( t ) dt 
0
n
d F s  d
n
n
ds
ds


0


e
0
 st
f ( t ) dt 
d [ e  st ] f ( t ) dt    e  st tf ( t ) dt   L  tf ( t )
0
ds


0
n
d [ e  st ] f ( t ) dt 
n
ds
 L  (  t ) f ( t )  (  1) L  t f ( t )
n
n
n


e
0
 st
(  t ) f (t ) d t
n
Example 1 (text page 302)
L  sin kt  
練習:為何
k
s k
2
2
L  t sin kt 
k
2 ks
L  t sin kt    d 2

ds s  k 2 (s 2  k 2 )2
L  t co s kt  
s k
2
2
(s  k )
2
2
2
473
474
7-4-2 Convolution (旋積)
Definition of convolution:
f t   g t  



f ( ) g ( t   ) d 
(標準定義)
* 代表 convolution
f t   g t  

t
0
f ( ) g ( t   ) d 
(課本關於 convolution 的定義)
When f(t) = 0 for t < 0 and g(t) = 0 for t < 0 ,
上方的式子可以簡化為下方的式子
Convolution 的物理意義 (重要)
當 y t  

t
475
f ( ) g ( t   ) d 
0
Input f() 對 output y(t) 的影響為 g(t−)
g(t−) 只和 t 與  之間的差有關
Input f() 對 output y(t) 的影響,決定於 t 與  之間的差
例如: f() 是在  這個時間點上太陽照射到某個地方的熱量
g(t-) 可想像成是經過了t- 的時間之後,還未幅射回外太
熱量比例
y(t) 可想像成是溫度
476
7-4-3 Convolution Theorem
L  f  t   g  t   L  f  t  L  g  t   F  s  G  s 
Multiplication
Convolution
Proof:
F sG s 



e
 s
f ( ) d 
0

 
0

e
 s (   )
 

e
 s
g ( )d 
0

f ( ) g (  ) d  d 
0
note (A) 令 t =  + 
見後頁說明
note (B )
見後頁說明



 
e
 st
f ( ) g ( t   ) dtd 
0



e
0
 st
t
[  f ( ) g ( t   )d  ] dt  L  f  g 
0
477
note (A)
定理:

dxdy 

1
C dw dv
note (B)
積分範圍的改變:
 w
 x
C  det 
v
 x

 t
 
det 

 

Fig. 7.4.1
w 
y 
v 
 y 
t 
 
1
 det 


0

 
1
1

1
478
Example 3 (text page 303)
L

t
0

e sin( t   ) d   L  e  sin t  

t
1
1
s 1 s2  1
Example 4 (text page 304)
1


1  sin kt  sin kt   1
L  2


2
2
2 2
k
 (s  k )  k
1

t
0
sin k  sin k ( t   ) d 
479
7-4-4 Integration
L

t
0
f   d 

 L  f ( t )  1 
F (s)
s
(想成 “負一次微分”)
480
Example:


1
L 

2
 s ( s  1) 
1

t
sin  d    cos t  1
0
Example:
L1
L1
di t 
dt
di  t 
dt
 Ri t  
 Ri t  
Q t 
C
Q 0
C
 E t 
 1
C
L1 sI  s   L1i  0   R I  s  
t
 i   d 
0
Q 0 1
C
 E t 
I s
1

 L  E  t 
s C s
481
7-4-5 Transform of a Periodic Function
Theorem 7.4.3 When f(t + T) = f(t)
then
Proof:
1
L  f ( t ) 
 sT
1 e
令 f1(t) = f (t)
f1(t) = 0

T
e
0
 st
f  t  dt
when 0  t < T
otherwise
f (t) = f1(t) + f1(t − T) + f1(t − 2T) + f1(t − 3T) + …………….
= f1(t) + f1(t −T)u(t − T) + f1(t −2T) u(t −2T ) + f1(t −3T) u(t −3T )
+ …………….
L{f (t)} = L{f1(t)} + L{f1(t −T)u(t − T)} +L{ f1(t − 2T) u(t − 2T)}
482
+L{ f1(t − 3T) u(t − 3T)} + …………….
L  f1 ( t ) 

T
e
0
 st
f 1  t  dt
L  f1 ( t  T ) u ( t  T )  e
L  f1 ( t )
 sT
L  f1 ( t  2T ) u ( t  2T )  e
L  f1 ( t  3T ) u ( t  3T )  e
:
:
 2 sT
L  f1 ( t )
 3 sT
L  f1 ( t )
1
L  f ( t ) 
 sT
1 e

T
e
0
 st
f  t  dt
483
Example 7 (text page 307)
Square Wave (方波) 的例子
1
E t   
0
for 0  t < 1
for 1  t < 2
E t  2   E t 
Fig. 7.4.4
484
1
 st
1

L  E ( t ) 
1

e
dt 
 2 s  0

1 e
1 e
1

2 s
s
1 e
s

2
1
0e
 st
dt 

1 e
1

s
s
s
(1  e )(1  e )
s

1
s
s (1  e )
485
Example 8 (text page 308)
L1 d i  R i  E ( t )
dt
i (0)  0
E(t) 為 page 483 之方波
sL1 I  s   L1i  0   R I  s  
I s 
1
s
s (1  e )
1 / L1
( s  R / L1 ) s (1  e
s
)

486

1/ L
I s 
 1 s  1/ R  1/ R
 1 s
(s  R / L)s 1  e
s
s  R / L 1 e


s
2 s
3 s
 1/ R  1/ R
 1  e  e
e

s
sR/L
長除法

1  1  x1  x 2  x 3 
1 x



s
e
1
 1

 e
 e

R s R/L s R/L s R/L s R/L
s
2 s
I s  1 1  e  e
R s
s
s
e
3 s
s
L
1

1 1
s
L
1
2 s
 s   u t  k 
e
 ks
k = 0, 1, 2, 3, …..
3 s

487
 ks
 ks
e
1
e 
s R/L
s R/L
先使用 L
1

再算出 L 1

R
 t
1
e L
s R/L

 ks

的公式
R
 (tk )
e
e L
u t  k 
s R/L
 ks
註:雖然也可以用
e
 e
s R/L
但是較麻煩且容易出錯
 k (sR / L )
s
s s R / L
來算
7-4-6 Section 7.4 要注意的地方
(1) 注意代公式的順序 (例:Page 487 例子)
(2) 熟悉 convolution
(3) 變成積分時,別忘了加上 initial value
t
如 Q  t   Q  0   1 i   d 
0
C
C
C
(4) 一定要記熟幾個重要的 properties (7 大性質)
488
Section 7.5 The Dirac Delta Function
7-5-1 Unit Impulse
 a  t  t0 
 0

 1
 2 a
for t < t0−a or t > t0+a
for t0−a  t  t0+a
稱作 unit impulse
高= 1/2a
面積 = 1
t0−a
t0+a
t-axis
489
490
7-5-2 Dirac Delta Function
  t  t 0   lim  a  t  t 0 
a 0
 a  t  t0 


0
Fig. 7-5-2
for t = t0
for t  t0
7-5-3 Properties of the Dirac Delta Function

(1) Integration

(2) Sifting
Proof:

q
p
q
p


  t  t 0  dt  1
f  t    t  t 0  dt  f  t 0 
f  t    t  t 0  dt  lim
a 0
 f  t 0  lim
a 0

q
p

q
p
when t0  [p, q]
f  t   a  t  t 0  dt
 a  t  t 0  dt  f  t 0 
當 a 很小的時候,f(t)  f(t0)
for t0−a  t  t0+a
491
(3) Laplace transform of (t − t0)
L   t  t 0   e
Proof:


e
0
 st
 t0 s
when t0 > 0
 ( t  t 0 ) dt
(4) Relation with the unit step function

t

   t 0  d   u  t  t 0 
d u  t  t      t 
0
0
dt
492
493
7-5-4 Example
Example 1(a) (text page 313)
y   y  4   t  2  
s Y  s   s  Y  s   4e
2
2 s
2 s
Y  s   2 s  4 e2
s 1
s 1
L
y  t   cos t  4 sin( t  2  ) u ( t  2  )
 cos t  4 sin t  u ( t  2  )
cos t

y t   
 cos t  4 sin t
y  (0)  0
y (0)  1
0  t < 2
t  2
1


1
 sin t
2
s 1
494
7-5-5 幾個名詞
P  s Y  s   Q  s   G  s 
Y s  W sQ s  W sG s
where
W s 
1
P s
(1) w(t) = L−1{W(s)} 稱作 weight function 或 impulse response
Note: When Q(s) = 0 (no initial condition) and G(s) = 1 (g(t) = (t)),
Y(s) = W(s), y(t) = w(t).
(2) 許多文獻把 Dirac delta function (t − t0) 亦稱作 delta function ,
impulse function,或 unit impulse function
495
7-5-6 本節要注意的地方
(1) Dirac delta function 不滿足 Theorem 7.1.3
(2) 幾個定理記熟,本節即可應付自如
Section 7-6 Systems of Linear Differential
Equations
Chapter 7 的應用題
比較:類似的問題,也曾經在 Section 4-8 出現過
7-6-1 雙彈簧的例子
496
497
7-6-2 電路學的例子
L
di1  t 
dt
q3
C
 i2 R 2  E  t 
 i2 R
i1  i2  i3
(由第2, 3 個式子)
i1  i2  d q 3  i2  d R C i2
dt
dt
di1  t 
 i2 R 2  E  t 
Fig. 3-3-4
L
Fig. 7-6-2
R C d i2  i2  i1  0
dt
dt
L
di1  t 
dt
498
 i2 R 2  E  t 
R C d i2  i2  i1  0
dt
Example 2 (text page 317)
E(t) = 60 V, L = 1 h, R = 50 , C = 10−4 f, i1(t) = i2(t) = 0
di1  t 
dt
 50 i2  60
0.005 d i2  i2  i1  0
dt
sI 1  s   50 I 2  s   60
s
……….. (式1)
 I 1  s   (0.005 s  1) I 2  s   0 …...
(式1) × 1 + (式2) × s
2
(0.005 s  s  50) I 2  s   60
s
( s  200 s  10000) I 2  s   12000
s
2
(式2)
120
6/5
I 2  s   12000 2  6 / 5 

2
s
s  100
s ( s  100 )
( s  100 )
複習:分子如何算出?
 100 t
 100 t
i2  t   6  120 te
 6e
5
5
將 I2  s   6 / 5 
s
120
 6/5
2
s  100
(s  100)
代入式 (1)
sI 1  s   6 0  6 0  6 0 0 0 2  6 0
s
s
s  100
(s  100)
I1  s  
6000
60

2
s(s  100)
s(s  100)
499
b  c ( s  100)
6000
60
a
I1  s  

 
2
2
s
(
s

100)
s
s ( s  100)
( s  100)
a
6000 
60
2
( s  100)
( s  100)
60( s  100)
b  6000 
s
s
s0
500
 6
5
  60
s   100
60( s  100)
c  d ( 6000 
)
  6000
 6000
2
2
ds
s
s
s
s
s   100
60
6/5
I1  s   6 / 5 

2
s
s  100
(s  100)
 100 t
 100 t
i1  t   6  60 te
 6e
5
5
s   100
6
5
501
7-6-3 Double Pendulum (雙單擺) 的例子
( m1  m 2 ) l1  1  m 2 l1l 2 2  ( m1  m 2 ) l1 g  1  0
2
m 2 l 2  2  m 2 l1l 2 1  m 2 l 2 g  2  0
2
( m1  m 2 ) l  1  m 2 l1l 2 2  ( m1  m 2 ) l1 g  1  0
2
1
m 2 l 2  2  m 2 l1l 2 1  m 2 l 2 g  2  0
2
Example 3 (text page 318)
m1 = 3, m2 = 1, l1 = 12 = 16, 1(0) = 1, 2(0) = 1,
'1(0) = 0, '2(0) = 0
1024 1  256 2  64 g  1  0
16 1  4 2  g  1  0
256 1  256 2  16 g  2  0
16 1  16 2  g  2  0
Laplace
16 s  1  s   4 s  2  s   g  1  s   16 s  4 s  12 s
2
2
16 s  1  s   16 s  2  s   g  2  s   16 s  16 s  0
2
2
502
(16 s  g )  1  s   4 s  2  s   12 s
………….. (式1)
16 s  1  s   (16 s  g )  2  s   0
………….. (式2)
2
2
2
2
503
(式1) × (16s2 + g)  (式2) × 4s2
[(16 s  g )  64 s ] 1  s   12 s (16 s  g )
2
2
4
2
[192 s  32 s g  g ] 1  s   12 s (16 s  g )
4
1  s 
2
2
2
12 s (16 s  g )
2
192 s  32 s g  g
4
2
192 s  12 gs
3
2

(24 s  g )(8 s  g )
2
2

as  b  cs  d
2
2
24 s  g 8s  g
(8 a  24 c ) s  (8 b  24 d ) s  ( a  c ) gs  bg  dg  192 s  12 gs
3
 8 a  24 c  192

 a  c  12
2
a  6

c  6
3
 8 b  24 b  0

 bd 0
b  0

d  0
6s
6s
s
1 s 

 6 2
6 2 s
2
2
2 4 s  g 8 s  g 24 s  ( g / 24 ) 8 s  ( g / 8)
 g  3
 g 
1
 1  t   cos 
t   cos 
t
4
4
2 6 
2 2 
將
1  s 
12 s (16 s  g )
2
192 s  32 s g  g
4
2
2
代入 (式2)
192 s
as  b  cs  d
 2  s    162 s
1 s  

2
2
2
2
16 s  g
(24 s  g )(8 s  g ) 24 s  g 8 s  g
2
3
直接用之前的式子
 8 a  24 c   192

ac0

 a  12

 c   12
 8 b  24 b  0

 bd 0
b  0

d  0
504
505
2 s 
12 s
s
 122 s  1 2 2
 12 2 s
2
2 4 s  g 8 s  g 2 4 s  ( g / 2 4 ) 8 s  ( g / 8)
 g  3
 g 
1
 2  t   cos 
t   cos 
t
2
2
2 6 
2 2 
分式分解快速驗算技巧
將 s = 0, s = 1, 或其他的值代入,看等號是否成立
506
7-6-4 本節需要注意的地方
(1) 正負號勿寫錯
(2) 要熟悉聯立方程式的變數消去法
(3) 多學習,甚至多「研發」簡化計算的技巧
507
Review of Chapter 7
(1) Laplace transform 定義
F s 


e
 st
f ( t ) dt
0
Inverse Laplace transform
If
f ( t )    F  s 
L aplace
and f(t) is piecewise continuous
then F ( s )      f  t 
inverse L aplace
(2) 7 大transform pairs
(看講義 page 420)
of exponential order
508
transform pairs 補充
509
f(t)
F(s)
2 ks
2
2 2
(s  k )
2
2
s k
2
2 2
(s  k )
 2 ks
2
2 2
(s  k )
2
2
s k
2
2 2
(s  k )
tsin(kt)
tcos(kt)
tsinh(kt)
tcosh(kt)
u(ta)
e
 as
 t 
1
0
a
/s
1
0
b
f (t) = f (t+2a)
e
 as
e
s
 bs
1
 as
s (1  e )
510
(3) 7 大 properties
input
(1) Differentiation (Sec 7-2)
(n)
f
t 
(2) Multiplication by t (Sec7-4)
n
t f (t )
(3) Integration (Sec 7-4)

t
0
f   d 
(續)
Laplace transform
s F s  s
n
 sf
(n2)
n 1
f 0  s
 0   f ( n 1)  0 
n
(  1) d n F  s 
ds
n
n2
F (s)
s
f 0 
511
input
Laplace transform
(4) Multiplication by exp (Sec7-3)
F s  a
e f t 
at
(5.1) Translation (Sec 7-3)
e
f t  a u t  a 
(5.2) Translation (Sec 7-3)
g t u t  a 
(6) Convolution (Sec 7-4)

t
f ( ) g ( t   ) d 
e
 as
 as
F s
L  g  t  a 
F sG s
0
(7) Periodic Input (Sec 7-4)
f(t) = f(t + T)
1
 sT
1 e

T
0
e
 st
f  t  dt
512
Properties 補充
input
Laplace transform
Scaling
aF(as)
f(t / a)
Multiple Integrations
t
n
0
0

3
2
0
0
 
f  1  d  1 d  2
Integration for s
f(t) / t
F (s)
s
d  n 1 d  n


s
n
F  s1  ds1
(4) 簡化運算的方法
分式分解 (see pages 439-444)
Initial conditions (see pages 452, 453)
(5) Delta function 的四大性質
Pages 491, 492
513
514
(6) General solutions
Laplace transform 的 general solution,可以用 initial conditions
來表示。
例子: f   t   4 f  t   0
用Sec. 4-3 的
方法解出
f  t   c1e
2t
用 Laplace transform :
2
s F  s   sf  0   f   0   4 F  s   0
F s 
sf  0   f   0 
s 4
2
f  t   f  0  cosh 2 t 
f 0 2
s
 f 0 2

2 s2  4
s 4
f 0
2
sinh 2 t
 c2e
2 t
515
和 Section 4-3 的解互相比較
f t  
2 f 0   f 0 
4
e

2t
2 f 0   f 0 
4
e
2 t
f  0   c1  c 2
f   0   2 c1  2 c 2
將
f  0   c1  c 2
f  t   c1e
2t
 c2e
f   0   2 c1  2 c 2
2 t
代入
516
Exercise for Practice
Sec. 7-1:
5, 9, 10, 12, 30, 33, 34, 38, 41, 50, 55, 56
Sec. 7-2:
11, 18, 23, 27, 28, 30, 37, 38, 41, 42, 43
Sec. 7-3:
10, 12, 16, 19, 26, 34, 35, 42, 56, 58, 62, 64, 70, 74, 83
Sec. 7-4:
2, 13, 24, 25, 26, 38, 40, 43, 52, 53, 54, 59, 61, 63, 66
Sec. 7-5:
2, 5, 6, 11, 12, 15
Sec. 7-6:
6, 10, 11, 14, 15
Review 7:
12, 24, 25, 29, 36, 39, 42, 43, 44