拉普拉斯變換

用拉普拉斯變換求解初值問題

這是整門學問的回報——一套三步配方,求解線性常係數初值問題,全程既不必猜測解的形式,也不必在最後去配常數。你把問題變換過去,解一段代數,再變換回來。

第一步:對整個微分方程取拉普拉斯變換,用導數規則把每個 y'、y'' 變成 s 的冪次乘以 Y(s),並自動插入初值 f(0)、f'(0)。微分方程就變成關於 Y(s) 的代數方程。第二步:解這個代數方程求 Y(s)——純代數,只是移項。第三步:求逆,通常用部分分式,倒著讀表以還原 y(t)。因為初始條件在第一步就進來了,答案已經滿足它們;不存在另行確定任意常數的環節。

該方法的適用範圍恰是線性常係數情形(單個方程或方程組),其巨大優勢在於能統一處理那些讓經典方法束手無策的強迫項:經由赫維賽德階躍的間斷輸入、經由狄拉克 delta 的衝激輸入、以及共振強迫,都流經同一套機器。它誠實的局限在於:對變係數或非線性方程它幫不上忙——那裡乘積的變換並不是變換的乘積,代數就崩了。

對 y'' + y = 0、y(0) = 0、y'(0) = 1:變換得 s^2 Y - 1 + Y = 0,於是 Y = 1/(s^2 + 1),求逆得 y(t) = sin(t)。

兩個初值在第一步就被吸收,所以沒有常數留待確定——逆變換就是最終答案。

該方法之所以有效,全靠方程是線性且常係數的;對非線性或變係數方程,方程的變換不再是關於 Y(s) 的代數式,配方根本無法閉合。

又稱
the Laplace methodoperational method拉普拉斯方法拉普拉斯方法