Преобразования Лапласа: задачи с пошаговыми решениями

Другие названия: преобразование Лапласа · операторный метод · передаточная функция

Бесплатные задачи по теме Преобразования Лапласа с рисунками, подсказками и подробными решениями. Каждый раз новые значения, трёх уровней: таблица пар и теоремы о значениях, обратное преобразование разложением на простые дроби, Дифференциальные уравнения и передаточные функции.

Бесплатная задачаЛёгкая
t (s)f(t)f(∞) = ?

Сигнал f(t) имеет преобразование Лапласа F(s) = 22/(s(s² + 8s + 10)). С помощью теоремы о конечном значении найдите значение f(∞), к которому приходит f(t).

F(s) = 22/(s(s² + 8s + 10))
Следующая задача →

Что вы отрабатываете

  1. Лёгкаятаблица пар и теоремы о значениях
  2. Средняяобратное преобразование разложением на простые дроби
  3. СложнаяДифференциальные уравнения и передаточные функции

Изучите тему «Преобразования Лапласа» с нуля

Перед этим: Дифференциальные уравнения, Интегралы

1Что делает преобразование Лапласа

Цепи, двигатели и баки описываются дифференциальными уравнениями: выход зависит от собственной скорости изменения. Решать их напрямую долго.

Преобразование Лапласа превращает такую задачу в алгебру. Вы заменяете каждую функцию времени f(t) функцией F(s) новой переменной s.

Вы решаете задачу обычной алгеброй по s, а затем переводите результат обратно во время. Этот последний шаг — обратное преобразование.

F(s) = ℒ{f(t)} = ∫₀∞ f(t)·e−st dt

Сам интеграл вы используете редко. На практике вы ищете пары преобразования в таблице, как слова в словаре между двумя языками.

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

На рисунке показаны три распространённых сигнала: константа 1 (ступенька), затухающая экспонента и синусоида. Под каждым — его преобразование.

Самопроверка Чему равно преобразование Лапласа постоянного сигнала f(t) = 5?
  1. 1/(5s)
  2. 5/s
  3. 5
  4. 5s

Ответ: 5/s. Постоянный множитель остаётся впереди, а ℒ{1} = 1/s. Значит, ℒ{5} = 5/s. Ответ 5 забывает, что преобразование константы всегда несёт множитель 1/s.

2Таблица пар преобразования

Выучите эти пять пар. Вместе с двумя правилами они охватывают почти все экзаменационные задачи.

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)
  • Линейность: константы остаются впереди, а сумма преобразуется почленно. Значит, 3/(s + 2) ↔ 3·e−2t.
  • Сдвиг: замена s на s + a умножает функцию времени на e−at. Значит, (s + 2)/((s + 2)² + 9) ↔ e−2t·cos 3t.

Следите за парой синуса: в числителе должна стоять сама ω. Для 12/(s² + 9) ω = 3, поэтому запишите 12 = 4·3. Результат: 4·sin 3t.

В sin ωt и cos ωt угол ωt выражен в радианах. Перед вычислением переключите калькулятор в радианы.

Разобранный пример

Найдите f(t) для F(s) = 6/(s + 3) + 2/s и вычислите f(0,5).

1

Сопоставьте каждое слагаемое с парой

6/(s + 3) имеет вид 1/(s + a) с a = 3, умноженный на 6. Слагаемое 2/s — это константа 2.

6/(s + 3) ↔ 6·e−3t 2/s ↔ 2
2

Запишите f(t)

Сложите две части (линейность):

f(t) = 6·e−3t + 2
3

Вычислите при t = 0,5

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

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

Самопроверка Чему равно обратное преобразование 8/(s² + 16)?
  1. 2·cos 4t
  2. 2·sin 4t
  3. 8·sin 16t
  4. 8·sin 4t

Ответ: 2·sin 4t. ω² = 16, поэтому ω = 4. Паре нужна 4 в числителе: 8 = 2·4, что даёт 2·sin 4t. 8·sin 4t забывает разделить на ω. Косинус соответствует s в числителе.

3Начальное и конечное значения без обращения

Иногда нужно знать только, откуда f(t) начинается или где заканчивается. Две теоремы дают это прямо из F(s).

f(0⁺) = lims→∞ s·F(s) f(∞) = lims→0 s·F(s)
  • Начальное значение (s → ∞): при очень большом s учитывается только старшая степень s в числителе и знаменателе.
  • Конечное значение (s → 0): сократите множитель s, затем положите s = 0 во всех оставшихся множителях, включая нули.
  • Теорема о конечном значении работает, только если f(t) действительно устанавливается: все полюсы s·F(s) должны иметь отрицательную вещественную часть.

Конечное значение: для F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) получаем s·F(s) = 12/((s + 2)(s + 3)). При s = 0 это 12/6 = 2, поэтому f(∞) = 2.

Начальное значение: для F(s) = (3s + 10)/(s² + 5s + 6) получаем s·F(s) = (3s² + 10s)/(s² + 5s + 6). При большом s это ведёт себя как 3s²/s², поэтому f(0⁺) = 3.

Для начального наклона f′(0⁺) используйте преобразование производной, ℒ{f′} = s·F(s) − f(0⁺). Затем примените к нему теорему о начальном значении:

f′(0⁺) = lims→∞ s·[s·F(s) − f(0⁺)]

Для той же F(s): s·F(s) − 3 = (−5s − 18)/(s² + 5s + 6). Умножьте на s и устремите s → ∞. Старшие степени дают −5s²/s², поэтому f′(0⁺) = −5.

Самопроверка F(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5)). К какому значению устанавливается f(t)?
  1. 0,5
  2. 0
  3. 1
  4. 20

Ответ: 1. s·F(s) = 10(s + 2)/((s + 4)(s + 5)), что при s = 0 равно 20/20 = 1. Пропуск нулевого множителя (s + 2) даёт 0,5. Значение 0 — это предел s → ∞, то есть начальное значение.

4Разложение на простые дроби по шагам

Большинство F(s) нет в таблице в готовом виде. Вы разбиваете их на простые дроби, которые есть. Это называется разложением на простые дроби.

Каждый корень знаменателя — полюс. Простой полюс при s = −a даёт одно слагаемое A/(s + a), которое во времени становится A·e−at.

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

Правило закрывания находит каждый коэффициент. Чтобы найти A, закройте множитель (s + a) в F(s) и подставьте s = −a во всё оставшееся.

Пример: F(s) = (s + 7)/((s + 1)(s + 4)). Тогда A = (−1 + 7)/(−1 + 4) = 6/3 = 2 и B = (−4 + 7)/(−4 + 1) = −1. Значит, f(t) = 2e−t − e−4t.

ReIm−3−1j2−j2e−3t​e−t​·sin 2t

Положение полюса показывает форму. Вещественный полюс при −3 даёт чистый спад e−3t. Комплексная пара −1 ± j2 даёт затухающее колебание, e−t умножить на sin 2t или cos 2t.

  • Кратный полюс (s + a)²: запишите A/(s + a) + B/(s + a)². Второе слагаемое даёт B·t·e−at. Значит, (s + 4)/(s + 1)² = 1/(s + 1) + 3/(s + 1)² ↔ e−t + 3t·e−t.
  • Комплексные полюсы: выделите полный квадрат, s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2². Тогда 10/((s + 2)² + 2²) = 5·2/((s + 2)² + 2²) ↔ 5·e−2t·sin 2t.
  1. Разложите знаменатель на множители и перечислите полюсы. Для квадратного трёхчлена найдите его корни или выделите полный квадрат.
  2. Запишите по одной дроби на полюс: A/s, B/(s + a) и так далее. Кратный полюс также получает слагаемое в квадрате.
  3. Найдите каждый коэффициент по правилу закрывания. Сохраняйте знаки оставшихся множителей.
  4. Переведите каждое слагаемое обратно во время по таблице.
  5. Подставьте время t (радианы для синуса и косинуса). Проверьте f(0⁺) и f(∞) теоремами о значениях.
Самопроверка F(s) = (s + 5)/((s + 1)(s + 3)) = A/(s + 1) + B/(s + 3). Чему равно A?
  1. 2
  2. 4
  3. −1
  4. −2

Ответ: 2. Закройте (s + 1) и подставьте s = −1 в остальное: (−1 + 5)/(−1 + 3) = 4/2 = 2. Значение −1 — это B. 4 получается, если забыть разделить на оставшийся множитель, а −2 — если перевернуть знак оставшегося множителя: 4/(−2) вместо 4/2.

5Разобранный пример

Это типичный вопрос среднего уровня. Попробуйте каждый шаг сами, прежде чем открыть его.

Разобранный пример

Найдите f(t) для F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,5).

1

Составьте дроби

Знаменатель уже разложен на множители. Полюсы: s = 0, s = −2 и s = −3, все простые.

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

Закрывание для A

Закройте множитель s и подставьте s = 0 в остальное:

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

Закрывание для B и C

Закройте (s + 2) и подставьте s = −2. Затем закройте (s + 3) и подставьте s = −3. Сохраняйте каждый знак.

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

Обратно во время

Каждое слагаемое — пара из таблицы: 2/s ↔ 2, а B/(s + a) ↔ B·e−at.

f(t) = 2 − 6e−2t + 4e−3t
5

Вычислите при t = 0,5

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

Проверьте ответ

tf(t)20,50,685123

При t = 0: 2 − 6 + 4 = 0. Теорема о начальном значении согласуется, потому что s·F(s) → 0 при большом s.

При t → ∞ остаётся только 2. Теорема о конечном значении тоже даёт 12/(2·3) = 2.

Ответ

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

6Типичные ошибки

  • Путаница теорем: s → ∞ даёт начальное значение f(0⁺), а s → 0 даёт конечное значение f(∞).
  • Забытый множитель s в s·F(s) или пропуск нулевого множителя, например (s + 2), при s = 0.
  • Ошибки знаков в правиле закрывания: при s = −3 множитель (s + 2) равен −1, а не 5.
  • Использование пары синуса без деления на ω: ω/(s² + ω²) требует ω в числителе.
  • Вычисление sin ωt или cos ωt на калькуляторе в градусах. Угол ωt выражен в радианах.
  • Использование теоремы о конечном значении, когда f(t) не устанавливается, например F(s) = 1/(s² + 4) — чистая синусоида.
Самопроверка F(s) = 6/((s + 1)(s + 3)). Чему равен по правилу закрывания коэффициент B при e−3t?
  1. 3
  2. 6
  3. −2
  4. −3

Ответ: −3. Закройте (s + 3) и подставьте s = −3 в остальное: 6/(−3 + 1) = 6/(−2) = −3. Положительное 3 — ошибка знака (это коэффициент A при e−t). −2 делит на значение полюса вместо оставшегося множителя.

7Как выглядят экзаменационные задачи

  • Лёгкая: пары из таблицы и теоремы о значениях. Вы обращаете константу, экспоненту, t·e−at, синус или косинус и вычисляете её либо находите f(0⁺), f(∞) или начальный наклон f′(0⁺).
  • Средняя: обратные преобразования разложением на простые дроби. Вы находите один коэффициент A, обращаете три простых полюса s(s + a)(s + b), кратный полюс или комплексные полюсы выделением полного квадрата.
  • Сложная: дифференциальные уравнения и передаточные функции, например y″ + 7y′ + 6y = 15·u(t) с заданными начальными значениями. Вы находите y в заданный момент времени.

Для сложного уровня преобразуйте каждую производную вместе с её начальными условиями:

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

Затем решите алгебраическое уравнение относительно Y(s) и обратите его разложением на простые дроби, как в разобранном примере.

Изучайте шаг за шагом в приложенииИзучайте шаг за шагом в приложении

Разобранные примеры

Пример 1Лёгкая
t (s)f(t)f(∞) = ?

Сигнал f(t) имеет преобразование Лапласа F(s) = 28/(s(s² + 2s + 23)). С помощью теоремы о конечном значении найдите значение f(∞), к которому приходит f(t).

F(s) = 28/(s(s² + 2s + 23))

Найти: f(∞)

Показать подсказки
  1. Теорема о конечном значении: f(∞) = lim s·F(s) при s → 0.
  2. Сначала проверьте, что все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости, чтобы f(t) действительно установилась.
  3. s·F(s) = 28/(s² + 2s + 23).
Показать ответ и пошаговое решение

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Проверьте применимость теоремы

Теорема верна только когда f(t) устанавливается; полюс на мнимой оси или в правой полуплоскости дал бы неверный ответ.

Полюсы s·F(s): s² + 2s + 23 = 0, все в левой полуплоскости.

Конечное значение

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

Ответ

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

F(s) = (s + 22)/(s² + 14s + 48). Её оригинал имеет вид f(t) = A·e−6t + B·e−8t. Найдите коэффициент A разложением на простые дроби.

F(s) = (s + 22)/(s² + 14s + 48)

Найти: A

Показать подсказки
  1. Разложите знаменатель на множители: s² + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8).
  2. Правило закрытия: A = [(s + 6)·F(s)] при s = −6.
  3. При s = −6: числитель 16, другой множитель 2.
Показать ответ и пошаговое решение

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Разложение знаменателя на множители

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

Правило закрытия

Умножьте на (s + 6) и положите s = −6: слагаемое с B обращается в нуль.

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

Ответ

A = 8
(B = −7, поэтому f(t) = 8·e−6t − 7·e−8t)
Пример 3Сложная
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t), где y(0) = 5 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 5. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,6).

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

Найти: y(0.6)

Показать подсказки
  1. Преобразование: (s² + 7s + 10)·Y − (s + 7)·5 = 30·5/s.
  2. Умножьте на s: Y(s) = (5s² + 35s + 150)/(s(s + 2)(s + 5)).
  3. A = 15, B = −16,67, C = 6,667.
Показать ответ и пошаговое решение

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Преобразование уравнения

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

Простые дроби

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

Результат

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

Ответ

y(0,6) = 10,31

Проверка: y(0) = A + B + C = 5.

Вопросы и ответы

Преобразования Лапласа: что это?

Цепи, двигатели и баки описываются дифференциальными уравнениями: выход зависит от собственной скорости изменения. Решать их напрямую долго.

Вы решаете задачу обычной алгеброй по s, а затем переводите результат обратно во время. Этот последний шаг — обратное преобразование.

Преобразования Лапласа: как решать задачи шаг за шагом?

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Преобразования Лапласа: какие ошибки самые частые?
  • При s = 0 множитель s² + 2s + 23 равен своему свободному члену 23.
  • Берите предел s → 0, а не s = 1.
  • Это B, коэффициент при e−8t. A относится к полюсу s = −6.
Преобразования Лапласа: что вы тренируете?
  • Лёгкая: таблица пар и теоремы о значениях
  • Средняя: обратное преобразование разложением на простые дроби
  • Сложная: Дифференциальные уравнения и передаточные функции

В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ. Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.

Как проходят занятия

  • В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ.
  • Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.
  • Ваш прогресс, ошибки и сохранённые задачи остаются, поэтому перед экзаменом вы сможете всё повторить.

Темы до и после этой

Сначала изучите

Далее

Калькуляторы

Курсы с этой темой

Другие темы: Электротехника

Лист заданий для печати