拉普拉斯分块矩阵公式变换公式

笔者刚学《数理方程》不久,本文以巩固自身学习和共享交流探讨为目的,有不对的地方欢迎交流批评指正。
为了内容不过于繁杂(打字太累),主要以思路为主,不保证绝对严谨,请谅解。

  1. 一个例子:傅里叶变换解热传导方程柯西问题
  2. 傅里叶变换与拉普拉斯变换的区别

在数学分析中,已学过周期函数可以展开成三角函数的级数(即傅里叶级数),不妨设f(x)以2T为周期,则在(-T,T]上的展开为:
现在,我们希望得到一个对于一般函数(以一维为例,定义域为R)的类似的展开式。
若满足条件:在任意有限区间上分段光滑且在R上绝对可积(此条件为一个函数傅里叶变换存在的充分条件),则可将傅里叶展开中的级数求和部分写成积分:
(上式的正确性证明略过)
将a和b代入f,并将三角函数部分合并,得到傅里叶积分公式
由sin部分对是奇函数,积分为0,cos部分是偶函数,因此傅里叶积分公式可用e表示为:
可令则以上两式分别为傅里叶变换傅里叶逆变换

(证明略,由定义即可证明)

  1. 微分性质(将微分运算变为代数运算,可使偏微分方程变常微分方程)
  2. 卷积性质(第二条常用于求傅里叶逆变换)

一个例子:傅里叶变换解热传导方程柯西问题

用表示u和f关于变量x的傅里叶变换,即 对方程的第一行两边关于x作傅里叶变换,并利用微分性质,有
对方程的第二行(初始条件)也作傅里叶变换,得
得到了一个(可解的)含参量的常微分方程。
再做傅里叶逆变换,得原方程的解:
以上就是应用傅里叶变换解偏微分方程的过程。

因为与傅里叶变换类似,直接给出
拉普拉斯变换的公式:拉普拉斯变换存在的条件:f在内分段光滑且收敛。

  1. 积分性质(由微分性质推广)

傅里叶变换与拉普拉斯变换的区别

  1. 变换后的积分区间不同,傅里叶变换对R积分,拉普拉斯变换只对正半轴积分。
  2. 变换的存在条件不同。拉普拉斯变换的条件较为苛刻。
  3. 性质有些许区别。比如说微分性质,傅里叶变换比拉普拉斯变换更加漂亮、干净,这是由于存在条件苛刻带来的好处。

由于这些区别,我们应灵活选用不同变换处理不同情况。

限于篇幅不举更多例子了,直接说一些需要注意的地方。
傅里叶变换和拉普拉斯变换是解决偏微分方程的重要方法,尤其对于定义域为和的问题。变换方法不仅可用于热传导方程,对其他种类、高阶的方程同样适用。
在使用的时候,我们需要考虑:对哪个变量做变换(x或t)、做什么变换,这些需要根据问题的条件具体考虑。比如,如果对我们的例子(热传导方程柯西问题)对t做拉普拉斯变换,就会得到
由于拉普拉斯变换的微分性质,原方程的两个等式在变换后仅得到一个等式的二次常微分方程,条件不够无法得到常微分方程的解。

本主要介绍了数学物理方法的基本原理,注重知识的系统性、内在逻辑性和思想性,尽力做到知其然且知其所以然。书中许多例证、讨论、图画和注记都是非传统的,并不拘泥于逻辑措辞的严密性,请读者知晓。

使用对象主要为综合类高校的物理系学生,作业教材或自我学习参考书均可。虽然相比于同类教材,本书内容更全面丰富,但学起来未必更费力。如果对数学物理感兴趣,其他专业的学生阅读本书也会有意外的收获,也许可以从中体会一些探究数学的乐趣。对于教师和科研人员来说,本书也是一本不错的参考书。

本教材以全新的方式重新诠释数学物理的基本原理,注重讲解数学和物理的思想,生动有趣,虽然内容加深,但由于了弱化解题技巧,学起来更加轻松。

1. 三种基本积分类型

2. 米塔?列夫勒定理

3. 魏尔斯特拉斯乘积定理

2. 指数函数和对数函数变换

3. 指数形式傅里叶级数

3. 黎曼?梅林反演法

5. 与拉普拉斯变换的关系

9.1常系数常微分方程

9.2变系数常微分方程

9.3常系数偏微分方程

2. 非齐次偏微分方程

1. 无限长弦的波动方程

10.4偏微分方程分类

2. 偏微分方程标准型

10.5正交曲线坐标系

2. 三维拉普拉斯算符

3. 高维拉普拉斯算符

11.2非齐次边界问题

1. 齐次方程(拉普拉斯方程)

2. 非齐次方程(泊松方程)

12.3拉普拉斯变换法

13.2连带勒让德方程

14.3斯图姆?刘维尔系统

2. 斯图姆?刘维尔本征方程

14.5经典正交多项式

6. 按正交多项式展开

15.2虚宗量贝塞尔函数

1. 球坐标系亥姆霍兹方程

15.5合流超几何函数

2. 二阶线性微分方程

3. 斯图姆?刘维尔算符

1. 含时问题格林函数

2. 欧拉?拉格朗日方程

17.3物理学之数学原理

3. 对称性与守恒定理

17.4微分方程定解问题

2. 非齐次方程边值问题

17.5瑞利?里兹近似

        冲激函数是一个奇异函数,定义为,解释为在0这一刻瞬间出现又立即消失的信号,且幅值无限大;在其他时刻始终为0.

        阶跃信号与冲激信号的确切关系:单位冲激信号的积分为单位阶跃信号,单位阶跃信号的导数应为单位冲激信号。

2.2傅里叶级数的表示形式

                系数的求解思路:可直接使用在单个周期内进行积分,因为cos与sin在周期内积分为0,、则可以利用三角函数的正交性进行求解,直接乘以,除自身外都可以正交积分为0, 直接乘以,除自身外都可以正交积分为0.

        傅里叶变换是一种分析信号的方法,它可分析信号的成分,也可用这些成分合成信号。许多波形可作为信号的成分,比如正弦波、方波、锯齿波等,傅里叶变换用正弦波作为信号的成分。

        当时,谱线高度和谱线间隔趋于无穷小,则可用代替,变为连续变量,且;

        即可推导出;同时,可见相当于单位频率所占的幅度,具有密度的意义,一般情况下为连续谱。

         根据上面的公式可得又可表示为:,再代入到与的表达式中可得,同时将换成,求和变成积分

3.2常用信号的傅里叶变换

3.3傅里叶变换的性质

                已知,则,表明了信号时域波形的压缩,对应其频谱图形的的扩展;信号时域波形的扩展对应其频谱图形的压缩,且展缩倍数一致。

                由于傅里叶变换需要满足狄里赫利条件,但大部分函数都是不满足其绝对可积条件的,所以采用一个衰减函数使其满足其绝对可积。

4.2常用信号的拉普拉斯变换

4.3拉普拉斯变换的性质

5.1.1傅里叶变换的性质

5.1.2周期信号的傅里叶变换

5.1.3非周期信号的傅里叶变换

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