用冪級數推導出「拉普拉斯變換」

2021-01-08 電子通信和數學

我們知道數學中的三大變換:傅立葉變換,拉普拉斯變換,Z變換貫穿於整個信號處理與複變函數,拉普拉斯將傅立葉在頻域不能解決的問題推廣到復頻域,所以其應用也更為廣泛。他是如何得到的呢?

首先來看冪級數和形式:

冪級數在數學分析中很重要,其簡單的形式曾導出了重要的泰勒公式。那是否能導出抽象的拉普拉斯變換呢?

我們看兩個例子

這些簡單的冪級數都是離散狀態,如果將其變為連續的將如何處理呢?

所以我們用積分的形式將離散的冪級數變為連續形式。

分析x取值:

如何定義0<x<1這種狀態,使得公式更加有意義呢

思來想去只有e的對數函數才能滿足:

經過變化得到:

所以就得到了拉普拉斯變換公式:

所以將離散式的冪級數變成連續式的黎曼和積分形式,就得到了拉普拉斯公式。

如何理解這個公式在信號中的應用呢

你某天夜裡乘火車去另外一個城市,外面很黑,你看不到周圍,無所事事的你看到車廂內有一個高度計,與你你開始記錄沿途的海拔變化。

這地形很有意思,大部分時間車都往上爬,有時候又不是很規律,有同樣的陡峭的下坡,再然後是個較淺的山谷。你和鄰座的人攀談起來。鄰座的人說:「咱們的目的地位於一個大型的山脈的山腳,所以總體來講車的海拔在升高,但是沿途我們翻過了一座山丘,跨過了一道山谷。」

由於你直接測量了海拔的高度,得出了高度與途徑距離的關係,但你鄰座的信息更加簡單直觀。你對這一信號的描述是幾千個獨立的測量點,而車長的描述值含有幾個參數。它反映了區域內的地形變化,這個區域就是S平面

拉普拉斯變換在設計上是為了分析一類特殊的信號:有正弦函數和指數函數構成的衝擊響應。如果對其他波形做拉普拉斯變換得到的S域就沒有實際意義。

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