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拉普拉斯变换的本质意义2

工程师
2022-12-12 19:29:22     打赏
三篇文章中,我们得出了以下结论:自然常数 可以描述事物的连续变化,虚数单位 可以描述旋转,复指数函数 代表一个连续旋转的圆。(这一点不太理解的,可阅读上面三篇文章,里面有详细介绍)。当频率为 时,





 时,






clc;clear;h = animatedline;xl=xlabel('cos(\omegat)');yl=ylabel('sin(\omegat)');grid on;title('\omega = 1rad/s   Made by J Pan')axis([-1,1,-1,1]);axis square;N = 100;t=linspace(0,2*pi,N);w=1;x=cos(w*t);y=sin(w*t);a = tic; % start timerfor k = 1:N    addpoints(h,x(k),y(k));    hold on    quiver(0,0,x(k)*1.1,y(k)*1.1)    b = toc(a); % check timer    if b > (1/90)        drawnow % update screen every 1/30 seconds        a = tic; % reset timer after updating    endend

因此, 可以看成是一组连续旋转的曲线,幅值永远为1,频率一直在变。这些旋转的曲线能干什么?




图片来源网络

你能想象到很多曲线,都可以用这些不同频率,连续旋转的圆,通过线性叠加得到,而傅里叶定律,就是对这个结论的数学描述,傅里叶定律说:只要一个函数满足如狄利赫里条件,都能分解为复指数函数之和,哪怕是如拉格朗日提到的带有棱角的方波函数。狄利赫里条件为:(1) 函数在任意有限区间内连续,或只有有限个第一类间断点(2)在一个周期内,函数有有限个极大值或极小值;(3) 在绝对可积,即 。当满足狄利赫里条件时,傅里叶变换及其逆变换为:于是就可以很好的解释拉格朗日和傅里叶之间的争论了——拉格朗日是对的:正弦曲线无法组合成一个带有棱角的信号,棱角处会有很小高频波动(吉布斯现象)。但是,我们可以用正弦曲线来非常逼近地表示它,逼近到两种表示方法不存在能量差别,基于此,傅里叶也是对的。一个从数学家的角度,一个从工程师的角度。
三、拉普拉斯变换(原来就是那么回事)傅里叶变换能帮我们解决很多问题,一经问世后便受到广大工程师们的喜爱,因为它给人们提供了一扇不同的窗户来观察世界,从这个窗户来看,很多事情往往变得简单多了。但是,别忘了,傅里叶变换有一个很大局限性,那就是信号必须满足狄利赫里条件才行,特别是那个绝对可积的条件,一下子就****掉了一大批函数。比如函数 就无法进行傅里叶变换。这点难度当然拿不到聪明的数学家们,他们想到了一个绝佳的主意:把不满足绝对的可积的函数乘以一个快速衰减的函数,这样在趋于 时原函数也衰减到零了,从而满足绝对可积。



图片来自:https://www.zhihu.com/question/22102732/answer/369089156

数学描述是:为保证 一直为衰减函数,我们把 定义域缩减到正半轴,这样可以进行傅里叶变换就变成了:如果假设:那么就得到:这就是拉普拉斯变换。我知道大部分人前面的数学推导没什么兴趣,接下来就是放彩蛋的时刻了,很多童鞋会说不管傅里叶变换或者拉普拉斯变换是什么细节,你能说点有意思的,让人能**深刻的信息吗?我前面的专栏文章说了, 代表按不同频率旋转的单位圆,那是在复平面来看的,想象力丰富的同学可以脑补一下,如果把时间轴也加上, 长什么样子呢?那就是螺旋曲线!




clc;clear;h = animatedline;h1=gcf;view(3);xl=xlabel('cos(-\omegat)');yl=ylabel('sin(-\omegat)');zl=zlabel('t');set(xl,'Rotation',30);set(yl,'Rotation',-30);%grid on;title('\omega = 1rad/s   Made by J Pan')axis([-1,1,-1,1,0,4*pi])N = 200;t=linspace(0,4*pi,N);w=1;x=cos(-w*t);y=sin(-w*t);a = tic; % start timerfor k = 1:N    addpoints(h,x(k),y(k),t(k));    hold on    line([0 x(k)],[0 y(k)],[t(k) t(k)],'Color','red')    b = toc(a); % check timer    if b > (1/90)        drawnow % update screen every 1/30 seconds        a = tic; % reset timer after updating    endend

从其他不同的平面看,螺旋曲线就是正弦或者余弦曲线。

下面我们再来看看 长什么样子:




clc;clear;h = animatedline;h1=gcf;view(3);xl=xlabel('cos(-\omegat)');yl=ylabel('sin(-\omegat)');zl=zlabel('t');set(xl,'Rotation',30);set(yl,'Rotation',-30);%grid on;title('\omega = 1rad/s   Made by J Pan')axis([-1,1,-1,1,0,4*pi])N = 200;t=linspace(0,4*pi,N);w=1;sig=0.1;x=exp(-sig*t).*cos(-w*t);y=exp(-sig*t).*sin(-w*t);a = tic; % start timerfor k = 1:N    addpoints(h,x(k),y(k),t(k));    hold on    line([0 x(k)],[0 y(k)],[t(k) t(k)],'Color','red')    b = toc(a); % check timer    if b > (1/90)        drawnow % update screen every 1/30 seconds        a = tic; % reset timer after updating    endend

螺旋曲线和衰减函数的乘积:一个半径不断减小的螺旋曲线。从不同的平面看,就是不断衰减的正弦或者余弦曲线,从复平面来看,是一个半径不断减小的圆。

总结一下:傅里叶变换是将函数分解到频率不同、幅值恒为1的单位圆上;拉普拉斯变换是将函数分解到频率幅值都在变化的圆上。因为拉普拉斯变换的基有两个变量,因此更灵活,适用范围更广。最后的彩蛋:拉普拉斯变换变换和赫维赛德的微积分算子有什么关系?为什么说微分算子是拉普拉斯变换的前身?其实很简单。对于微分运算: ,令 ,则 ;对于积分运算: ,令 ,则 ;

是不是和赫维赛德微分算子长得很像?





关键词: 拉普拉斯     变换     本质     意义    

工程师
2022-12-12 19:48:43     打赏
2楼

谢谢更新 学习到了


院士
2022-12-12 23:22:00     打赏
3楼

学习


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