拉普拉斯變換:不連續與脈衝強迫
分段定義的強迫項(piecewise-defined forcing)
真實的機器不會被一條始終如一的漂亮公式推動。加熱器先以某功率運轉,再降到另一個功率;電路先得到某電壓,扳動開關後又換成另一個。驅動項在某些時刻改變規則——這就是分段定義的強迫項:在這個區間上是一個式子,在下一個區間上又是另一個。
經典陷阱是:分段函數看起來像好幾個分開的問題拼在一起,天真的做法是逐段求解再把答案縫起來。拉普拉斯方法提供更乾淨的途徑:用亥維賽階躍把整個分段強迫項改寫成單一表達式。若 f 在 t = a 之前是 g1(t)、之後是 g2(t),就寫成 f(t) = g1(t) + [g2(t) - g1(t)] u(t - a):階躍只在 t = a 之後加入「修正項」g2 - g1。現在只有一條公式、一次變換(對每個延遲的積木用第二平移定理)、一次 s 域裡的代數求解、一次反變換——而答案自動在每個切換點上連續且正確。
這是應用拉普拉斯變換每天的主力。方波脈衝、階梯輸入、開啟的斜坡、關閉的電源——全都化成階躍的整齊和,變換替你處理手工拼接會搞砸的記帳。這正是拉普拉斯方法勝過舊式猜測-配對方法之處。
在 t < 1 時為 0、在 1 ≤ t < 3 時等於 t、在 t ≥ 3 時為 0 的強迫項,可寫成 t·u(t - 1) - t·u(t - 3);把每塊改寫成 (t - 1) 與 (t - 3) 的形式後,變換就成了例行的查表。
兩個階躍切出作用窗口 1 ≤ t < 3;一條公式取代了三種情形。
強迫項可以跳變,但一個適定的二階常微分方程,其解仍保持連續(二階導數可能跳變)。輸入不連續本身並不會產生不連續的響應。
又称
另见