Transformaty Laplace’a: zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Inaczej: transformata Laplace’a · transmitancja operatorowa

Darmowe zadania z tematu Transformaty Laplace’a z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: pary z tablic i twierdzenia o wartościach, transformata odwrotna metodą ułamków prostych, równania różniczkowe i transmitancje.

Darmowe zadanieŁatwy
t (s)f(t)f(∞) = ?

Sygnał f(t) ma transformatę Laplace’a F(s) = 22/(s(s² + 8s + 10)). Za pomocą twierdzenia o wartości końcowej znajdź wartość f(∞), do której zmierza f(t).

F(s) = 22/(s(s² + 8s + 10))
Następne zadanie →

Co ćwiczysz

  1. Łatwypary z tablic i twierdzenia o wartościach
  2. Średnitransformata odwrotna metodą ułamków prostych
  3. Trudnyrównania różniczkowe i transmitancje

Naucz się tematu Transformaty Laplace’a od zera

Wcześniej: Równania różniczkowe, Całki

1Co robi transformata Laplace’a

Obwody, silniki i zbiorniki opisują równania różniczkowe: wyjście zależy od własnej szybkości zmian. Bezpośrednie rozwiązywanie ich jest powolne.

Transformata Laplace’a zamienia taki problem w algebrę. Zamieniasz każdą funkcję czasu f(t) na funkcję F(s) nowej zmiennej s.

Rozwiązujesz problem zwykłą algebrą w s, a potem przekładasz wynik z powrotem na czas. Ten ostatni krok to transformata odwrotna.

F(s) = ℒ{f(t)} = ∫₀∞ f(t)·e−st dt

Rzadko używasz tej całki samodzielnie. W praktyce szukasz par transformat w tablicy, jak słów w słowniku między dwoma językami.

tf1 ⟷ 1/stfe−at​ ⟷ 1/(s + a)tfsin ωt ⟷ ω/(s² + ω²)

Rysunek pokazuje trzy typowe sygnały: stałą 1 (skok), zanikający wykładniczy i sinus. Pod każdym z nich jest jego transformata.

Samosprawdzenie Jaka jest transformata Laplace’a sygnału stałego f(t) = 5?
  1. 1/(5s)
  2. 5/s
  3. 5
  4. 5s

Odpowiedź: 5/s. Stały czynnik zostaje z przodu, a ℒ{1} = 1/s. Zatem ℒ{5} = 5/s. Odpowiedź 5 pomija to, że transformata stałej zawsze niesie czynnik 1/s.

2Tablica par transformat

Naucz się tych pięciu par. Razem z dwiema regułami obejmują niemal każde zadanie egzaminacyjne.

1 ↔ 1/s
e−at ↔ 1/(s + a)
t·e−at ↔ 1/(s + a)²
sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)
cos ωt ↔ s/(s² + ω²)
  • Liniowość: stałe zostają z przodu, a sumę transformuje się wyraz po wyrazie. Zatem 3/(s + 2) ↔ 3·e−2t.
  • Przesunięcie: zastąpienie s przez s + a mnoży funkcję czasu przez e−at. Zatem (s + 2)/((s + 2)² + 9) ↔ e−2t·cos 3t.

Uważaj na parę sinusa: licznik musi być samym ω. Dla 12/(s² + 9) masz ω = 3, więc zapisz 12 = 4·3. Wynik to 4·sin 3t.

W sin ωt i cos ωt kąt ωt jest w radianach. Przed obliczeniem ustaw kalkulator na radiany.

Przykład krok po kroku

Znajdź f(t) dla F(s) = 6/(s + 3) + 2/s i oblicz f(0,5).

1

Dopasuj każdy wyraz do pary

6/(s + 3) ma postać 1/(s + a) z a = 3, razy 6. Wyraz 2/s to stała 2.

6/(s + 3) ↔ 6·e−3t 2/s ↔ 2
2

Zapisz f(t)

Dodaj obie części (liniowość):

f(t) = 6·e−3t + 2
3

Oblicz dla t = 0,5

f(0,5) = 6·e−1,5 + 2 = 6·0,2231 + 2 = 3,34
Odpowiedź

f(t) = 6·e−3t + 2, więc f(0,5) ≈ 3,34.

Samosprawdzenie Jaka jest transformata odwrotna 8/(s² + 16)?
  1. 2·cos 4t
  2. 2·sin 4t
  3. 8·sin 16t
  4. 8·sin 4t

Odpowiedź: 2·sin 4t. ω² = 16, więc ω = 4. Para wymaga 4 w liczniku: 8 = 2·4, co daje 2·sin 4t. Wynik 8·sin 4t pomija dzielenie przez ω. Cosinus należy do s w liczniku.

3Wartości początkowa i końcowa bez odwracania

Czasem potrzebujesz tylko wiedzieć, gdzie f(t) zaczyna się albo gdzie kończy. Dwa twierdzenia dają to wprost z F(s).

f(0⁺) = lims→∞ s·F(s) f(∞) = lims→0 s·F(s)
  • Wartość początkowa (s → ∞): dla bardzo dużego s liczy się tylko najwyższa potęga s w liczniku i w mianowniku.
  • Wartość końcowa (s → 0): skróć czynnik s, a potem podstaw s = 0 w każdym pozostałym czynniku, także w zerach.
  • Twierdzenie o wartości końcowej działa tylko wtedy, gdy f(t) naprawdę się ustala: wszystkie bieguny s·F(s) muszą mieć ujemną część rzeczywistą.

Wartość końcowa: dla F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) otrzymujesz s·F(s) = 12/((s + 2)(s + 3)). Przy s = 0 to 12/6 = 2, więc f(∞) = 2.

Wartość początkowa: dla F(s) = (3s + 10)/(s² + 5s + 6) otrzymujesz s·F(s) = (3s² + 10s)/(s² + 5s + 6). Dla dużego s zachowuje się to jak 3s²/s², więc f(0⁺) = 3.

Dla nachylenia początkowego f′(0⁺) użyj transformaty pochodnej, ℒ{f′} = s·F(s) − f(0⁺). Potem zastosuj do niej twierdzenie o wartości początkowej:

f′(0⁺) = lims→∞ s·[s·F(s) − f(0⁺)]

Dla tego samego F(s): s·F(s) − 3 = (−5s − 18)/(s² + 5s + 6). Pomnóż przez s i niech s → ∞. Najwyższe potęgi dają −5s²/s², więc f′(0⁺) = −5.

Samosprawdzenie F(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5)). Jaką wartość osiąga f(t) po ustaleniu?
  1. 0,5
  2. 0
  3. 1
  4. 20

Odpowiedź: 1. s·F(s) = 10(s + 2)/((s + 4)(s + 5)), co przy s = 0 daje 20/20 = 1. Pominięcie czynnika zera (s + 2) daje 0,5. Wartość 0 to granica s → ∞, czyli wartość początkowa.

4Rozkład na ułamki proste, krok po kroku

Większość F(s) nie ma w tablicy tej postaci, jaką ma. Rozbijasz je na proste ułamki, które w niej są. To rozkład na ułamki proste.

Każdy pierwiastek mianownika to biegun. Prosty biegun w s = −a daje jeden wyraz A/(s + a), który w czasie staje się A·e−at.

F(s) = A/(s + a) + B/(s + b) ⇒ f(t) = A·e−at + B·e−bt

Reguła zakrywania (cover-up) znajduje każdy współczynnik. Aby znaleźć A, zakryj czynnik (s + a) w F(s) i podstaw s = −a we wszystkim, co zostało.

Przykład: F(s) = (s + 7)/((s + 1)(s + 4)). Wtedy A = (−1 + 7)/(−1 + 4) = 6/3 = 2 i B = (−4 + 7)/(−4 + 1) = −1. Zatem f(t) = 2e−t − e−4t.

ReIm−3−1j2−j2e−3t​e−t​·sin 2t

Położenie bieguna mówi o kształcie. Rzeczywisty biegun w −3 daje czysty zanik e−3t. Para zespolona −1 ± j2 daje zanikające drgania, e−t razy sin 2t lub cos 2t.

  • Biegun wielokrotny (s + a)²: zapisz A/(s + a) + B/(s + a)². Drugi wyraz daje B·t·e−at. Zatem (s + 4)/(s + 1)² = 1/(s + 1) + 3/(s + 1)² ↔ e−t + 3t·e−t.
  • Bieguny zespolone: uzupełnij do kwadratu, s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2². Wtedy 10/((s + 2)² + 2²) = 5·2/((s + 2)² + 2²) ↔ 5·e−2t·sin 2t.
  1. Rozłóż mianownik na czynniki i wypisz bieguny. Dla trójmianu kwadratowego znajdź jego pierwiastki albo uzupełnij do kwadratu.
  2. Zapisz po jednym ułamku na biegun: A/s, B/(s + a) i tak dalej. Biegun wielokrotny dostaje też wyraz z kwadratem.
  3. Znajdź każdy współczynnik regułą zakrywania. Zachowaj znaki pozostałych czynników.
  4. Przełóż każdy wyraz z powrotem na czas za pomocą tablicy.
  5. Podstaw czas t (radiany dla sinusa i cosinusa). Sprawdź f(0⁺) i f(∞) twierdzeniami o wartościach.
Samosprawdzenie F(s) = (s + 5)/((s + 1)(s + 3)) = A/(s + 1) + B/(s + 3). Ile wynosi A?
  1. 2
  2. 4
  3. −1
  4. −2

Odpowiedź: 2. Zasłoń (s + 1) i podstaw s = −1 w reszcie: (−1 + 5)/(−1 + 3) = 4/2 = 2. Wartość −1 to B. Odpowiedź 4 pomija dzielenie przez pozostały czynnik, a −2 odwraca znak pozostałego czynnika: 4/(−2) zamiast 4/2.

5Przykład krok po kroku

To typowe zadanie średnie. Spróbuj każdego kroku sam, zanim go otworzysz.

Przykład krok po kroku

Znajdź f(t) dla F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) metodą ułamków prostych i oblicz f(0,5).

1

Przygotuj ułamki

Mianownik jest już rozłożony. Bieguny to s = 0, s = −2 i s = −3, wszystkie proste.

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
2

Zakrywanie dla A

Zakryj czynnik s i podstaw s = 0 w reszcie:

A = 12/((0 + 2)(0 + 3)) = 12/6 = 2
3

Zakrywanie dla B i C

Zakryj (s + 2) i podstaw s = −2. Potem zakryj (s + 3) i podstaw s = −3. Zachowaj każdy znak.

B = 12/((−2)(−2 + 3)) = 12/(−2) = −6
C = 12/((−3)(−3 + 2)) = 12/3 = 4
4

Z powrotem do czasu

Każdy wyraz to para z tablicy: 2/s ↔ 2, a B/(s + a) ↔ B·e−at.

f(t) = 2 − 6e−2t + 4e−3t
5

Oblicz dla t = 0,5

f(0,5) = 2 − 6e−1 + 4e−1,5 = 2 − 2,207 + 0,893 = 0,685
6

Sprawdź wynik

tf(t)20,50,685123

Przy t = 0: 2 − 6 + 4 = 0. Twierdzenie o wartości początkowej się zgadza, ponieważ s·F(s) → 0 dla dużego s.

Dla t → ∞ zostaje tylko 2. Twierdzenie o wartości końcowej daje też 12/(2·3) = 2.

Odpowiedź

f(t) = 2 − 6e−2t + 4e−3t, więc f(0,5) ≈ 0,685.

6Typowe błędy

  • Mylenie twierdzeń: s → ∞ daje wartość początkową f(0⁺), a s → 0 daje wartość końcową f(∞).
  • Zapomnienie czynnika s w s·F(s) albo pominięcie czynnika zera, takiego jak (s + 2), przy podstawianiu s = 0.
  • Błędy znaków w regule zakrywania: przy s = −3 czynnik (s + 2) równa się −1, a nie 5.
  • Użycie pary sinusa bez dzielenia przez ω: ω/(s² + ω²) wymaga ω w liczniku.
  • Obliczanie sin ωt lub cos ωt na kalkulatorze ustawionym na stopnie. Kąt ωt jest w radianach.
  • Użycie twierdzenia o wartości końcowej, gdy f(t) nigdy się nie ustala, na przykład F(s) = 1/(s² + 4), czyli czysty sinus.
Samosprawdzenie F(s) = 6/((s + 1)(s + 3)). Ile wynosi współczynnik B przy e−3t według reguły zakrywania?
  1. 3
  2. 6
  3. −2
  4. −3

Odpowiedź: −3. Zakryj (s + 3) i podstaw s = −3 w reszcie: 6/(−3 + 1) = 6/(−2) = −3. Dodatnie 3 to błąd znaku (to współczynnik A przy e−t). Wynik −2 dzieli przez wartość bieguna zamiast przez pozostały czynnik.

7Jak wyglądają zadania egzaminacyjne

  • Łatwe: pary z tablicy i twierdzenia o wartościach. Odwracasz stałą, wykładniczą, t·e−at, sinus lub cosinus i obliczasz wartość albo znajdujesz f(0⁺), f(∞) lub nachylenie początkowe f′(0⁺).
  • Średnie: transformaty odwrotne metodą ułamków prostych. Znajdujesz jeden współczynnik A, odwracasz trzy proste bieguny s(s + a)(s + b), biegun wielokrotny albo bieguny zespolone przez uzupełnienie do kwadratu.
  • Trudne: równania różniczkowe i transmitancje, na przykład y″ + 7y′ + 6y = 15·u(t) z danymi warunkami początkowymi. Znajdujesz y w danej chwili.

Na poziomie trudnym transformuj każdą pochodną razem z jej warunkami początkowymi:

ℒ{y′} = s·Y − y(0) ℒ{y″} = s²·Y − s·y(0) − y′(0)

Potem rozwiąż równanie algebraiczne względem Y(s) i odwróć je metodą ułamków prostych, jak w rozwiązanym przykładzie.

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy
t (s)f(t)f(∞) = ?

Sygnał f(t) ma transformatę Laplace’a F(s) = 28/(s(s² + 2s + 23)). Za pomocą twierdzenia o wartości końcowej znajdź wartość f(∞), do której zmierza f(t).

F(s) = 28/(s(s² + 2s + 23))

Oblicz f(∞)

Pokaż podpowiedzi
  1. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lim s·F(s) przy s → 0.
  2. Najpierw sprawdź, czy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie, tak aby f(t) rzeczywiście się ustalało.
  3. s·F(s) = 28/(s² + 2s + 23).
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Sprawdź, czy twierdzenie ma zastosowanie

Twierdzenie jest słuszne tylko wtedy, gdy f(t) się ustala; biegun na osi urojonej lub w prawej półpłaszczyźnie dałby zły wynik.

Bieguny s·F(s): s² + 2s + 23 = 0, wszystkie w lewej półpłaszczyźnie.

Wartość końcowa

f(∞) = lims→0 s·F(s) = lims→0 28/(s² + 2s + 23) = 28/23 = 1,217

Odpowiedź

f(∞) = 1,217
Przykład 2Średni
ReIm−5−10−15−20−25

F(s) = (s + 22)/(s² + 14s + 48). Jej transformata odwrotna ma postać f(t) = A·e−6t + B·e−8t. Znajdź współczynnik A metodą rozkładu na ułamki proste.

F(s) = (s + 22)/(s² + 14s + 48)

Oblicz A

Pokaż podpowiedzi
  1. Rozłóż mianownik na czynniki: s² + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8).
  2. Metoda zakrywania: A = [(s + 6)·F(s)] przy s = −6.
  3. Przy s = −6: licznik 16, drugi czynnik 2.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Rozłóż mianownik na czynniki

s² + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 8)

Metoda zakrywania

Pomnóż przez (s + 6) i podstaw s = −6: składnik z B znika.

A = (s + 22)/(s + 8) |s = −6 = 16/2 = 8

Odpowiedź

A = 8
(B = −7, więc f(t) = 8·e−6t − 7·e−8t)
Przykład 3Trudny
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t), przy y(0) = 5 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 5. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,6).

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,6 s

Oblicz y(0.6)

Pokaż podpowiedzi
  1. Transformata: (s² + 7s + 10)·Y − (s + 7)·5 = 30·5/s.
  2. Pomnóż obustronnie przez s: Y(s) = (5s² + 35s + 150)/(s(s + 2)(s + 5)).
  3. A = 15, B = −16,67, C = 6,667.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Przekształcenie równania

(s² + 7s + 10)·Y(s) = 5s + 35 + 150/s
Y(s) = (5s² + 35s + 150)/(s(s + 2)(s + 5))

Ułamki proste

A = 150/(2·5) = 15
B = 100/((−2)·3) = −16,67
C = 100/((−5)·(−3)) = 6,667

Wynik

y(t) = 15 − 16,67·e−2t + 6,667·e−5t
y(0,6) = 10,31

Odpowiedź

y(0,6) = 10,31

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 5.

Pytania i odpowiedzi

Transformaty Laplace’a: co to jest?

Obwody, silniki i zbiorniki opisują równania różniczkowe: wyjście zależy od własnej szybkości zmian. Bezpośrednie rozwiązywanie ich jest powolne.

Rozwiązujesz problem zwykłą algebrą w s, a potem przekładasz wynik z powrotem na czas. Ten ostatni krok to transformata odwrotna.

Transformaty Laplace’a: jak rozwiązywać zadania krok po kroku?

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformaty Laplace’a: jakie błędy są najczęstsze?
  • Przy s = 0 czynnik s² + 2s + 23 jest równy swojemu wyrazowi wolnemu 23.
  • Policz granicę przy s → 0, a nie podstawiaj s = 1.
  • To jest B, współczynnik przy e−8t. A należy do bieguna s = −6.
Transformaty Laplace’a: co ćwiczysz?
  • Łatwy: pary z tablic i twierdzenia o wartościach
  • Średni: transformata odwrotna metodą ułamków prostych
  • Trudny: równania różniczkowe i transmitancje

Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi. Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.

Jak wygląda ćwiczenie

  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Tematy przed tym i po nim

Najpierw naucz się

Potem przejdź do

Kalkulatory

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Elektrotechnika

Karta pracy do druku