應用、漸近分析與前沿

用圍道積分反演拉普拉斯轉換(Laplace transform inversion by contour integration)

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拉普拉斯轉換是求解微分方程、分析電路與控制系統的標準工具:它把對時間求微分這個困難操作變成乘以 s 這個容易操作,於是常微分方程成為 F(s) 中的代數問題。但在你解完那個代數問題後,你握著的是 F(s),而你需要把真正的時域答案 f(t) 拿回來。反演轉換就是那最後一步,而複分析給了它一套乾淨、近乎自動的辦法。

反演公式是 f(t) = (1 / (2 pi i)) 乘(沿布羅姆維奇線對 e^(s t) F(s) ds 的積分),那條線是落在 F 所有奇點右側的垂直線 Re(s) = c。實用方法不是正面硬算這條線積分,而是用左側一個大半圓封閉圍道、再套用留數定理。F(s) 的每個階為 m 的極點 s_k 都貢獻一個 e^(s t) F(s) 的留數;對單極點,那留數就是 e^(s_k t) 乘以當 s -> s_k 時 (s - s_k) F(s) 的極限。所以反轉換實際上就是留數之和,答案以指數 e^(s_k t) 之和的形式出現(當極點重複時還乘 t 的多項式)。約當引理證明大圓弧在 t > 0 時消失,這正是使封閉步驟合法的原因。

這就是為何有理轉換反演起來如此輕鬆:把 F(s) 因式分解、做部分分式或留數、再讀出指數。本方法也能處理分支點——譬如 F(s) 含 s 的平方根——做法是把布羅姆維奇線形變成一個沿負實軸纏繞支割線的鎖孔,把反演的那部分化成一個代表連續譜的實積分(擴散與熱問題的典型)。坦白的限制:公式假設 f 是指數階以使轉換收斂,而把 c 取得太靠左(落在某極點左側)會悄無聲息地給出錯誤的、非因果的答案。

解 y'' + y = 0,初值 y(0) = 0、y'(0) = 1。轉換給出 (s^2 + 1) Y(s) = 1,故 Y(s) = 1 / (s^2 + 1)。它的極點在 s = 正負 i;對 e^(s t) / (s^2 + 1) 在該處求留數之和得 y(t) = sin t。微分方程從未需要直接求解——代數加兩個留數就完成了。

Y(s) 的極點成為 y(t) 的指數(此處為正弦)模態。

留數做法假設你能封閉圍道且圓弧消失;若 F(s) 在大圓弧上衰減不夠(例如 a > 0 時 F(s) = e^(a s),對應一個時間平移),封閉便失敗,你必須用其他方法反演。

又稱
inverse Laplace transformBromwich inversion拉普拉斯反轉換拉普拉斯逆轉換