積分轉換法:傅立葉與拉普拉斯轉換

Bromwich 反轉積分(Bromwich inversion integral)

/ BROM-witch /

一旦你用拉普拉斯轉換解出一個問題,你的答案 F(s) 活在 s 的世界裡,你必須回到時間世界才能讀懂它。Bromwich 積分就是那張回程車票——把 f(t) 從 F(s) 還原回來的公式。不同於沿實軸積分的傅立葉逆轉換,這個積分沿著複平面上的一條鉛直線進行,正是這一點,使它能處理拉普拉斯轉換所編碼的增長與衰減。

公式為 f(t) = (1/(2*pi*i)) integral along the Bromwich contour of F(s) e^(s t) ds,其中圍道是向上走過的鉛直線 Re(s) = c,而 c 選在 F(s) 所有奇點的右側。實務上你幾乎從不照字面計算它;而是把圍道往左閉合成一個大迴路,並用留數定理。F(s) 的極點成了 f(t) 的構件:在 s = a 處的單極點貢獻一個像(留數)乘 e^(a t) 的項,而分支切割(如擴散問題中出現 sqrt(s) 時)會讓圍道繞著切割纏繞,產生一個給出誤差函數或代數衰減尾巴的積分。

這正是一個用拉普拉斯解出的偏微分方程,其物理終於現身之處。F(s) 的極點告訴你系統的固有頻率與衰減率——在 s = -gamma 處的極點意味著一個像 e^(-gamma t) 衰減的模態。對電報員方程與擴散方程,反轉圍道纏繞一條分支切割,正是產生隨時間擴散、抹開、誤差函數行為的根源。誠實的限制是:正確地做圍道積分——找出每個極點與分支切割,並選擇如何閉合圍道使新增的弧消失(Jordan 引理)——是貨真價實的複分析工作,通常是整個拉普拉斯方法中最困難的一步。

若 F(s) = 1/(s+a),唯一的奇點是 s = -a 處的單極點;往左閉合圍道並取留數,得 f(t) = e^(-a t)。對於 F(s) = (1/s) e^(-sqrt(s/k) x) 的擴散問題,沒有極點,而是沿負實軸的一條分支切割,把圍道繞著它纏繞,便重現出誤差函數解。

把鉛直圍道往左閉合;極點給出指數項,分支切割給出擴散尾巴。

圍道必須位於 F(s) 所有奇點的右側;放得太靠左,你會漏掉極點而得到錯誤答案。同一條圍道有時被稱為 Mellin-Bromwich 線,反映它與梅林轉換的親緣關係。

又称
the inverse Laplace transformMellin-Bromwich integral拉普拉斯逆轉換Bromwich 積分