拉普拉斯變換:不連續與脈衝強迫

兩個函數的卷積(convolution of two functions)

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卷積是把兩個函數融合成第三個的方式——一種「塗抹的重疊」,它在每一刻問:一個函數的過去有多少仍在此刻迴響,並以另一個函數來加權。聽起來抽象,但這正是當下的輸出如何累積過去每一筆輸入的效應:今天的讀數,是先前一切的混合,並依事情發生多久以前而淡去。

f 與 g 的卷積,寫成 f * g,定義為 (f * g)(t) = f(tau) g(t - tau) 對 tau 從 0 到 t 的積分。把它想成一個滑動、翻轉、求和的操作:固定住 f(tau),把 g 翻轉並平移使其「原點」落在當前時刻 t,逐點相乘,再把重疊加總。變數 tau 跑遍所有過去的瞬間;g(t - tau) 以系統對它的記憶來加權 tau 之前的輸入。卷積滿足交換律(f * g = g * f),所以你可以翻轉較方便的那個函數。

卷積之所以值得,是因為卷積定理:在 s 域裡,一個惱人的卷積積分變成單純的乘積,L{f * g} = F(s) G(s)。那一個事實讓你能把兩個變換的乘積(你常無法用部分分式拆開的那種)寫成時域裡的卷積來反變換。它也是「線性系統的輸出等於輸入與脈衝響應的卷積」這句話的語言——因果在系統中迴響的數學形狀。

1 與 e^(-t) 的卷積是 1 · e^(-(t - tau)) 對 tau 從 0 到 t 的積分 = 1 - e^(-t);等價地,L{1 * e^(-t)} = (1/s)·(1/(s+1)) = 1/(s(s+1)),其反變換同樣是 1 - e^(-t)。

兩種途徑同一答案:時域裡的卷積等於 s 域裡變換的乘積。

卷積不是逐點相乘:(f * g)(t) 一般不等於 f(t) g(t)。乘積發生在對平移後自變數的積分內部,而非單一時刻 t——那個積分正是重點所在。

又稱
convolution integralf * g卷積摺積卷積積分