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学不到的数学经典:拉普拉斯本人是如何推导出拉普拉斯变换公式的

 天选小丑 2020-04-06

傅里叶变换和拉普拉斯变换是高等数学的重要内容,这两大变换贯穿于各个自然学课,傅里叶变换虽然好用,而且物理意义明确,但有一个最大的问题是其存在的条件比较苛刻,比如时域内绝对可积的信号才可能存在傅里叶变换。拉普拉斯变换可以说是推广了这以概念,今天我们从一种全新的视角分析拉普拉斯变换是怎么得到的。

如下是一个非常熟悉的幂级数

当an等于如下结果时,可以得出f(x)等于,我们都知道幂级数和都是以一种离散的形式存在

我们将上式变换,得到积分状态下的连续形式

结合你已有的数学基础,来分析下,如下图所示,非常简单

所以我们重点分析0x1时的情况

根据上述结论,我们得到

最终得到著名的拉普拉斯变换公式

由此将离散下的幂级数变成连续下的黎曼和形式(积分形式),就得到了著名的拉普拉斯公式,非常巧妙。

拉普拉斯地逆变换就是

对拉普拉斯变换有一个形象的描述你在一天夜里乘火车去一个城市,外面很黑,你看不到任何风景,无所事事的你偶尔看到车厢内有一个高度计,有心的你就开始记录沿途的海拔变化。

无聊的过了几个小时,你和车长开始攀谈起来:这地形很有意思,大部分时间我们的火车都在往上爬,但我发现有时候不是很有规律,沿途同样有陡峭的下坡,然后是个较浅的山谷。车长回答道:“是啊,我猜是吧。咱们的目的地位于一个大型的山脉的山脚,所以总体来讲车的海拔在升高,但是沿途我们翻过了一座山丘,跨过了一道山谷。

现在,根据列车长的叙述,想想如何理解海拔高度和途径距离的关系。由于你直接测量了海拔的高度,你当然可以说你知道这里所有的对应关系。对比而言,列车长知道的一样多,但他的信息更加简单也更加直观。山丘和山谷的位置引起了列车海拔的起伏,你对这一信号的描述是几千个独立的测量点,而车长的描述只含有几个参数。它反映了区域内的地形变化,这个区域就是S平面

要把这个事例和信号处理联系起来,我们可以假设要理解电路的几个参数,为了实现这一目的,我们仔细地测量了冲击响应和频率需要,而冲击响应和频率响应包含了一个线性系统地所有信息。

拉普拉斯变换在设计上是为了分析一类特殊的信号:有正弦函数和指数函数构成的冲击响应。如果对其他波形做拉普拉斯变换得到的S域就没有实际意义

如下是拉普拉斯和傅里叶变换的区别,一目了然

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