เรียนรู้ การแปลงลาปลาซ ตั้งแต่ต้น
ก่อนหน้านี้: สมการเชิงอนุพันธ์, อินทิกรัล
1การแปลงลาปลาซทำอะไร
วงจร มอเตอร์ และถังอธิบายด้วยสมการเชิงอนุพันธ์: เอาต์พุตขึ้นกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของตัวมันเอง การแก้โดยตรงช้า
การแปลงลาปลาซเปลี่ยนปัญหาเช่นนี้เป็นพีชคณิต คุณสลับทุกฟังก์ชันของเวลา f(t) เป็นฟังก์ชัน F(s) ของตัวแปรใหม่ s
คุณแก้ปัญหาด้วยพีชคณิตธรรมดาใน s แล้วแปลผลกลับเป็นเวลา ขั้นสุดท้ายนั้นคือการแปลงผกผัน
F(s) = ℒ{f(t)} = ∫₀∞ f(t)·e−st dt
คุณแทบไม่ใช้อินทิกรัลนี้เอง ในทางปฏิบัติคุณดูคู่การแปลงในตาราง เหมือนคำในพจนานุกรมระหว่างสองภาษา
รูปแสดงสัญญาณสามแบบที่พบบ่อย: ค่าคงที่ 1 (ขั้น) เอกซ์โพเนนเชียลที่ลดลง และไซน์ ใต้แต่ละรูปคือการแปลงของมัน
ตรวจสอบตนเอง การแปลงลาปลาซของสัญญาณคงที่ f(t) = 5 คืออะไร
- 1/(5s)
- 5/s
- 5
- 5s
คำตอบ: 5/s. ตัวประกอบคงที่อยู่ข้างหน้า และ ℒ{1} = 1/s ดังนั้น ℒ{5} = 5/s การตอบ 5 ลืมว่าการแปลงของค่าคงที่มีตัวประกอบ 1/s เสมอ
2ตารางคู่การแปลง
เรียนรู้ห้าคู่นี้ รวมกับสองกฎ ครอบคลุมเกือบทุกโจทย์สอบ
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)
- ภาวะเชิงเส้น: ค่าคงที่อยู่ข้างหน้า และผลรวมแปลงทีละพจน์ ดังนั้น 3/(s + 2) ↔ 3·e−2t
- การเลื่อน: การแทน s ด้วย s + a คูณฟังก์ชันเวลาด้วย e−at ดังนั้น (s + 2)/((s + 2)² + 9) ↔ e−2t·cos 3t
ระวังคู่ไซน์: ตัวเศษต้องเป็น ω เอง สำหรับ 12/(s² + 9) คุณมี ω = 3 ดังนั้นเขียน 12 = 4·3 ผลลัพธ์คือ 4·sin 3t
ใน sin ωt และ cos ωt มุม ωt เป็นเรเดียน ตั้งเครื่องคิดเลขเป็นเรเดียนก่อนคำนวณ
ตัวอย่างที่แก้ให้ดูจงหา f(t) สำหรับ F(s) = 6/(s + 3) + 2/s และคำนวณ f(0.5)
16/(s + 3) มีรูป 1/(s + a) โดย a = 3 คูณ 6 พจน์ 2/s คือค่าคงที่ 2
6/(s + 3) ↔ 6·e−3t 2/s ↔ 2
2บวกสองส่วน (ภาวะเชิงเส้น):
f(t) = 6·e−3t + 2
3f(0.5) = 6·e−1.5 + 2 = 6·0.2231 + 2 = 3.34
คำตอบ f(t) = 6·e−3t + 2 ดังนั้น f(0.5) ≈ 3.34
ตรวจสอบตนเอง การแปลงผกผันของ 8/(s² + 16) คืออะไร
- 2·cos 4t
- 2·sin 4t
- 8·sin 16t
- 8·sin 4t
คำตอบ: 2·sin 4t. ω² = 16 ดังนั้น ω = 4 คู่ต้องการ 4 ในตัวเศษ: 8 = 2·4 ซึ่งให้ 2·sin 4t ส่วน 8·sin 4t ลืมหารด้วย ω ส่วนโคไซน์เป็นของ s ในตัวเศษ
3ค่าเริ่มต้นและค่าสุดท้ายโดยไม่ต้องผกผัน
บางครั้งคุณต้องการเพียงว่า f(t) เริ่มที่ไหนหรือจบที่ไหน สองทฤษฎีบทให้ค่าเหล่านี้โดยตรงจาก F(s)
f(0⁺) = lims→∞ s·F(s) f(∞) = lims→0 s·F(s)
- ค่าเริ่มต้น (s → ∞): สำหรับ s ที่มากมาย เฉพาะกำลังสูงสุดของ s ในตัวเศษและตัวส่วนนับ
- ค่าสุดท้าย (s → 0): ตัดตัวประกอบ s แล้วตั้ง s = 0 ในทุกตัวประกอบที่เหลือ รวมถึงศูนย์
- ทฤษฎีบทค่าสุดท้ายใช้ได้เฉพาะถ้า f(t) เข้าที่จริง: โพลทั้งหมดของ s·F(s) ต้องมีส่วนจริงเป็นลบ
ค่าสุดท้าย: สำหรับ F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) คุณได้ s·F(s) = 12/((s + 2)(s + 3)) ที่ s = 0 เป็น 12/6 = 2 ดังนั้น f(∞) = 2
ค่าเริ่มต้น: สำหรับ F(s) = (3s + 10)/(s² + 5s + 6) คุณได้ s·F(s) = (3s² + 10s)/(s² + 5s + 6) สำหรับ s ที่มาก มันทำตัวเหมือน 3s²/s² ดังนั้น f(0⁺) = 3
สำหรับความชันเริ่มต้น f′(0⁺) ใช้การแปลงของอนุพันธ์ ℒ{f′} = s·F(s) − f(0⁺) แล้วใช้ทฤษฎีบทค่าเริ่มต้นกับมัน:
f′(0⁺) = lims→∞ s·[s·F(s) − f(0⁺)]
สำหรับ F(s) เดียวกัน: s·F(s) − 3 = (−5s − 18)/(s² + 5s + 6) คูณด้วย s และให้ s → ∞ กำลังสูงสุดให้ −5s²/s² ดังนั้น f′(0⁺) = −5
ตรวจสอบตนเอง F(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5)) f(t) เข้าที่ค่าใด
- 0.5
- 0
- 1
- 20
คำตอบ: 1. s·F(s) = 10(s + 2)/((s + 4)(s + 5)) ซึ่งเป็น 20/20 = 1 ที่ s = 0 การทิ้งตัวประกอบศูนย์ (s + 2) ให้ 0.5 ค่า 0 คือลิมิต s → ∞ ซึ่งเป็นค่าเริ่มต้น
4เศษส่วนย่อย ทีละขั้น
F(s) ส่วนใหญ่ไม่อยู่ในตารางตามที่เป็น คุณแยกเป็นเศษส่วนง่าย ๆ ที่อยู่ในตาราง เรียกว่าเศษส่วนย่อย (partial fractions)
รากของตัวส่วนแต่ละตัวคือโพล โพลเดี่ยวที่ s = −a ให้หนึ่งพจน์ A/(s + a) ซึ่งกลายเป็น A·e−at ในเวลา
F(s) = A/(s + a) + B/(s + b) ⇒ f(t) = A·e−at + B·e−bt
กฎปิดบัง (cover-up rule) หาสัมประสิทธิ์แต่ละตัว เพื่อหา A ปิดบังตัวประกอบ (s + a) ใน F(s) และแทน s = −a ในทุกสิ่งที่เหลือ
ตัวอย่าง: F(s) = (s + 7)/((s + 1)(s + 4)) จะได้ A = (−1 + 7)/(−1 + 4) = 6/3 = 2 และ B = (−4 + 7)/(−4 + 1) = −1 ดังนั้น f(t) = 2e−t − e−4t
ตำแหน่งของโพลบอกรูปร่าง โพลจริงที่ −3 ให้การลดล้วน ๆ e−3t คู่เชิงซ้อน −1 ± j2 ให้การสั่นที่ลดลง e−t คูณ sin 2t หรือ cos 2t
- โพลซ้ำ (s + a)²: เขียน A/(s + a) + B/(s + a)² พจน์ที่สองให้ B·t·e−at ดังนั้น (s + 4)/(s + 1)² = 1/(s + 1) + 3/(s + 1)² ↔ e−t + 3t·e−t
- โพลเชิงซ้อน: ทำเป็นกำลังสองสมบูรณ์ s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2² จากนั้น 10/((s + 2)² + 2²) = 5·2/((s + 2)² + 2²) ↔ 5·e−2t·sin 2t
- แยกตัวประกอบตัวส่วนและเขียนรายการโพล สำหรับกำลังสอง หารากของมันหรือทำเป็นกำลังสองสมบูรณ์
- เขียนหนึ่งเศษส่วนต่อหนึ่งโพล: A/s, B/(s + a) และต่อไป โพลซ้ำมีพจน์กำลังสองด้วย
- หาแต่ละสัมประสิทธิ์ด้วยกฎปิดบัง รักษาเครื่องหมายของตัวประกอบที่เหลือ
- แปลงทุกพจน์กลับเป็นเวลาด้วยตาราง
- ใส่เวลา t (เรเดียนสำหรับไซน์และโคไซน์) ตรวจสอบ f(0⁺) และ f(∞) ด้วยทฤษฎีบทค่า
ตรวจสอบตนเอง F(s) = (s + 5)/((s + 1)(s + 3)) = A/(s + 1) + B/(s + 3) A เป็นเท่าใด
- 2
- 4
- −1
- −2
คำตอบ: 2. ปิดบัง (s + 1) และแทน s = −1 ในส่วนที่เหลือ: (−1 + 5)/(−1 + 3) = 4/2 = 2 ส่วน −1 คือ B ส่วน 4 ลืมหารด้วยตัวประกอบที่เหลือ และ −2 พลิกเครื่องหมายของตัวประกอบที่เหลือ: 4/(−2) แทน 4/2
5ตัวอย่างที่แก้ให้ดู
นี่คือโจทย์ปานกลางทั่วไป ลองแต่ละขั้นด้วยตัวเองก่อนที่จะเปิดดู
ตัวอย่างที่แก้ให้ดูจงหา f(t) สำหรับ F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) ด้วยเศษส่วนย่อย และคำนวณ f(0.5)
1ตัวส่วนแยกตัวประกอบแล้ว โพลคือ s = 0, s = −2 และ s = −3 ทั้งหมดเป็นโพลเดี่ยว
F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
2ปิดบังตัวประกอบ s และแทน s = 0 ในส่วนที่เหลือ:
A = 12/((0 + 2)(0 + 3)) = 12/6 = 2
3ปิดบัง (s + 2) และแทน s = −2 จากนั้นปิดบัง (s + 3) และแทน s = −3 รักษาทุกเครื่องหมาย
B = 12/((−2)(−2 + 3)) = 12/(−2) = −6
C = 12/((−3)(−3 + 2)) = 12/3 = 4
4แต่ละพจน์เป็นคู่ในตาราง: 2/s ↔ 2 และ B/(s + a) ↔ B·e−at
f(t) = 2 − 6e−2t + 4e−3t
5f(0.5) = 2 − 6e−1 + 4e−1.5 = 2 − 2.207 + 0.893 = 0.685
6ที่ t = 0: 2 − 6 + 4 = 0 ทฤษฎีบทค่าเริ่มต้นสอดคล้อง เพราะ s·F(s) → 0 สำหรับ s ที่มาก
สำหรับ t → ∞ เหลือเพียง 2 ทฤษฎีบทค่าสุดท้ายให้ 12/(2·3) = 2 เช่นกัน
คำตอบ f(t) = 2 − 6e−2t + 4e−3t ดังนั้น f(0.5) ≈ 0.685
6ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- สับสนทฤษฎีบท: s → ∞ ให้ค่าเริ่มต้น f(0⁺) และ s → 0 ให้ค่าสุดท้าย f(∞)
- ลืมตัวประกอบ s ใน s·F(s) หรือทิ้งตัวประกอบศูนย์ เช่น (s + 2) เมื่อตั้ง s = 0
- ผิดเครื่องหมายในกฎปิดบัง: ที่ s = −3 ตัวประกอบ (s + 2) เท่ากับ −1 ไม่ใช่ 5
- ใช้คู่ไซน์โดยไม่หารด้วย ω: ω/(s² + ω²) ต้องมี ω ในตัวเศษ
- คำนวณ sin ωt หรือ cos ωt โดยเครื่องคิดเลขเป็นองศา มุม ωt เป็นเรเดียน
- ใช้ทฤษฎีบทค่าสุดท้ายเมื่อ f(t) ไม่เคยเข้าที่ เช่น F(s) = 1/(s² + 4) ซึ่งเป็นไซน์ล้วน ๆ
ตรวจสอบตนเอง F(s) = 6/((s + 1)(s + 3)) ด้วยกฎปิดบัง สัมประสิทธิ์ B ของ e−3t เป็นเท่าใด
- 3
- 6
- −2
- −3
คำตอบ: −3. ปิดบัง (s + 3) และแทน s = −3 ในส่วนที่เหลือ: 6/(−3 + 1) = 6/(−2) = −3 ส่วน 3 บวกคือผิดเครื่องหมาย (เป็นสัมประสิทธิ์ A ของ e−t) ส่วน −2 หารด้วยค่าโพลแทนตัวประกอบที่เหลือ
7ข้อสอบมีหน้าตาอย่างไร
- ง่าย: คู่ในตารางและทฤษฎีบทค่า คุณผกผันค่าคงที่ เอกซ์โพเนนเชียล t·e−at ไซน์ หรือโคไซน์ และคำนวณค่า หรือคุณหา f(0⁺), f(∞) หรือความชันเริ่มต้น f′(0⁺)
- ปานกลาง: การแปลงผกผันด้วยเศษส่วนย่อย คุณหาสัมประสิทธิ์หนึ่งตัว A ผกผันโพลเดี่ยวสามตัว s(s + a)(s + b) โพลซ้ำ หรือโพลเชิงซ้อนด้วยการทำกำลังสองสมบูรณ์
- ยาก: สมการเชิงอนุพันธ์และฟังก์ชันถ่ายโอน เช่น y″ + 7y′ + 6y = 15·u(t) ที่มีค่าเริ่มต้นกำหนด คุณหา y ที่เวลาหนึ่ง
ในระดับยาก แปลงอนุพันธ์แต่ละตัวพร้อมเงื่อนไขเริ่มต้นของมัน:
ℒ{y′} = s·Y − y(0) ℒ{y″} = s²·Y − s·y(0) − y′(0)
จากนั้นแก้สมการพีชคณิตหา Y(s) และผกผันด้วยเศษส่วนย่อยตามตัวอย่างที่ทำให้ดู
เรียนรู้ทีละขั้นในแอปเรียนรู้ทีละขั้นในแอป