拉普拉斯變換

變換-求解-反演主算法(transform-solve-invert master algorithm)

所有個別的規律與表項,都是為了服務一個食譜而存在。主算法就是把它們綁在一起、實際解出線性初值問題的三步舞。一旦學會它,解這類初值問題就成了機械化的程序,而非創造性的掙扎。

三個步驟是:變換、求解、反演。第一步,變換:對微分方程的每一項施加拉普拉斯變換,用導數規律使初始條件自動滑入。你關於 y(t) 的方程變成關於 Y(s) 的代數方程。第二步,求解:這純粹是代數——把含 Y(s) 的項收攏並相除,孤立出 Y(s) = (某個 s 的多項式之比)。這裡完全沒有微積分,只有重新整理。第三步,反演:用部分分式、配方與平移定理化簡 Y(s),直到每一塊都對上表,然後讀出反變換還原 y(t)。那個 y(t) 就是原初值問題的完整解,連同初始條件在內。

為什麼這值得成為一整套方法?因為它繞過了通常的兩階段古典做法。通常你先求出帶任意常數的通解,再另外施加初始條件去釘住那些常數。拉普拉斯把兩者融合:初始條件在第一步就進入並一路帶著,所以第三步直接交出特定解——任意常數從不出現。它在不連續外力(下一主題處理)的情形下尤其強大,古典逐情形拼接在那裡變成一次乾淨的變換。

解 y' + 2y = 0,y(0) = 3。變換:sY - 3 + 2Y = 0。求解:(s + 2)Y = 3,所以 Y = 3/(s + 2)。反演:3/(s + 2) 是 3 e^(-2t)。解 y(t) = 3 e^(-2t) 出現時,初值 3 已內建其中。

變換初值問題、解出 Y(s) 的代數、反演回 y(t)。

這方法特別需要 t = 0 處的初始資料(導數規律用的就是它)。它自然契合初值問題,但對邊值問題並非天然工具,因為後者的條件是給在兩個不同的點上。

又称
Laplace methodtransform-solve-invert拉普拉斯解法三步法