3.3-积分变换法.pptx

13.3 3.3 积分变换法积分变换法3.3.1 3.3.1 积分变换及其性质积分变换及其性质若函数若函数在在上连续可导，且绝对可积，上连续可导，且绝对可积，则有则有傅里叶变换傅里叶变换及其及其傅里叶逆变换傅里叶逆变换若函数若函数在在上不超过指数增长，则定义上不超过指数增长，则定义它的它的拉普拉斯变换拉普拉斯变换为为2可用可用留数定理留数定理求得：求得：设设除在半平面除在半平面内内有限孤立奇点有限孤立奇点拉普拉斯逆变换拉普拉斯逆变换记为记为外是解析的，且当外是解析的，且当时，时，则有则有3积分变换有下述积分变换有下述基本性质基本性质：(1)(1)线性线性性质性质(2)(2)微分定理微分定理1 1其中其中是任意常数。是任意常数。若若都可进行都可进行傅里叶变换傅里叶变换(拉普拉斯变换拉普拉斯变换)，且在且在无穷远处为无穷远处为0 0，4(3)(3)微分定理微分定理2 2(4)(4)卷积定理卷积定理若若则有则有傅里叶变换傅里叶变换拉普拉斯变换拉普拉斯变换如果如果的卷积的卷积可作可作傅里叶变换傅里叶变换，则，则从而从而对于对于拉普拉斯变换拉普拉斯变换也有同样的卷积定理。也有同样的卷积定理。5(5)(5)频移定理频移定理(位移定理位移定理)(6)(6)延迟定理延迟定理傅里叶变换傅里叶变换拉普拉斯变换拉普拉斯变换傅里叶变换傅里叶变换拉普拉斯变换拉普拉斯变换若若则有则有若若则有则有对变换的对变换的参变量参变量而言而言对变换的对变换的自变量自变量而言而言其中其中可简化为可简化为6补充补充函数的定义及性质函数的定义及性质(一一)函数的定义：函数的定义：函数是从某些物理现象中抽象出来的数学函数是从某些物理现象中抽象出来的数学模型，模型，例如：力学中瞬间作用的冲击力，原子弹例如：力学中瞬间作用的冲击力，原子弹、氢弹的爆炸等，、氢弹的爆炸等，这些物理现象有个共同特点，这些物理现象有个共同特点，即即作用时间极短作用时间极短，但，但作用强度极大作用强度极大。满足以下两个条件的函数满足以下两个条件的函数(冲激函数冲激函数)(1)(1)(2)(2)若冲激作用不是发生在若冲激作用不是发生在处，而是发生在处，而是发生在处，处，则函数记为则函数记为且满足且满足7(二二)函数的性质：函数的性质：补充补充函数的定义及性质函数的定义及性质(1)(1)抽样性质：抽样性质：(2)(2)对称性对称性：特别的，特别的，为为偶函数偶函数，则有则有特别的，特别的，自然也有自然也有8例例1 1 求函数求函数的的傅里叶变换傅里叶变换，其中，其中是与是与自变量自变量无关的数。无关的数。解解由定义知由定义知利用利用函数的性质函数的性质则有则有同理可得同理可得9利用利用和傅里叶变换的和傅里叶变换的线性性线性性可得可得从而有公式从而有公式10例例2 2 求求的的傅里叶变换傅里叶变换，其中，其中解解由定义知由定义知由由例例2 2结论可得结论可得11例例3 3 求求的的傅里叶逆变换傅里叶逆变换，其中，其中解解由定义知由定义知对对求导，并利用一次分部积分得求导，并利用一次分部积分得12例例3 3 求求的的傅里叶逆变换傅里叶逆变换，其中，其中解解利用利用欧拉欧拉(Euler)(Euler)积分公式积分公式知知由由例例3 3结论可得结论可得13例例4 4 求求的的傅里叶逆变换傅里叶逆变换，其中，其中解解由定义知由定义知由由例例4 4结论可得结论可得14几类常见的几类常见的傅里叶变换或逆变换傅里叶变换或逆变换1.1.2.2.3.3.4.4.5.5.15几类常见的几类常见的拉普拉斯变换或逆变换拉普拉斯变换或逆变换1.1.3.3.4.4.特别的，特别的，2.2.5.5.6.6.延迟定理的延迟定理的逆变换形式逆变换形式16几类常见的几类常见的拉普拉斯变换或逆变换拉普拉斯变换或逆变换8.8.7.7.余误差函数余误差函数事实上，事实上，拉氏变换拉氏变换微分定理微分定理1 117例例5 5用用拉普拉斯变换拉普拉斯变换求解求解记记对方程两边作对方程两边作解解拉普拉斯变换拉普拉斯变换得得因此因此对上式作对上式作拉普拉斯逆变换拉普拉斯逆变换得得183.3.1 3.3.1 积分变换法举例积分变换法举例积分变换法的积分变换法的优点优点在于把原方程化为较简单在于把原方程化为较简单的形式，便于求解。的形式，便于求解。在应用上，对于在应用上，对于初值问题初值问题通常采用通常采用傅氏变换傅氏变换(针对针对空间空间变量变量)，而对于而对于带有边界条件带有边界条件的定解的定解问题，则采用问题，则采用拉氏变换拉氏变换(针对针对时间时间变量的变量的)。例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)解解首先对首先对进行进行傅氏变换傅氏变换，记，记19例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)解解首先对首先对进行傅氏变换，记进行傅氏变换，记对方程对方程(37)(37)两端关于两端关于 取取傅氏变换傅氏变换，得，得(39(39)它满足它满足初值条件初值条件(40(40)为了求解常微分方程初值问题为了求解常微分方程初值问题(39)(40)(39)(40)，记，记20例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)解解(39(39)(40(40)为了求解常微分方程初值问题为了求解常微分方程初值问题(39)(40)(39)(40)，记，记对方程对方程(39)(39)两端关于两端关于 取取拉氏变换拉氏变换，并结合条件并结合条件(40)(40)得得21例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)对方程对方程(39)(39)两端关于两端关于 取取拉氏变换拉氏变换，并结合条件并结合条件(40)(40)得得(41(41)对式对式(41)(41)两边取两边取拉氏逆变换拉氏逆变换，得，得22例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)对式对式(41)(41)两边取两边取拉氏逆变换拉氏逆变换，得，得(42(42)为了求出问题为了求出问题(37)(38)(37)(38)的解，还需要对的解，还需要对取取傅氏逆变换傅氏逆变换。23例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)(42(42)对对(42)(42)式两端取式两端取傅氏逆变换傅氏逆变换，得，得利用利用卷积定理卷积定理得得24例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)利用结论利用结论可知可知则可得则可得25例例1 1求解下列问题的解求解下列问题的解(37(37)(38(38)则可得则可得即得原定解问题的解。即得原定解问题的解。26例例2 2试用傅氏变换求解下列问题的解试用傅氏变换求解下列问题的解(43(43)解解将将(43)(43)各式的两端关于各式的两端关于 进行进行傅氏变换傅氏变换，记，记假定假定则得则得(44(44)问题问题(44)(44)式带参数式带参数的常微分方程的初值问题，的常微分方程的初值问题，其解为其解为27例例2 2试用傅氏变换求解下列问题的解试用傅氏变换求解下列问题的解(43(43)(45(45)对式对式(45)(45)取取傅氏逆变换傅氏逆变换(46(46)利用结论利用结论28例例2 2试用傅氏变换求解下列问题的解试用傅氏变换求解下列问题的解(43(43)利用结论利用结论因此可得因此可得(46(46)29例例2 2试用傅氏变换求解下列问题的解试用傅氏变换求解下列问题的解(43(43)利用结论利用结论因此可得因此可得(46(46)将所得结果代入将所得结果代入(46)(46)式，得原问题式，得原问题(43)(43)的解为的解为30例例3 3求解下列问题的解求解下列问题的解(47(47)解解 将将(47)(47)各式的两端关于各式的两端关于 分别作分别作傅氏变换傅氏变换，记，记则则(47)(47)化为化为解问题解问题(48)(48)得得(48(48)31例例3 3求解下列问题的解求解下列问题的解(47(47)对上式取对上式取傅氏逆变换傅氏逆变换得得利用结论利用结论(49(49)即得原问题即得原问题(47)(47)的解为的解为32例例4 4求解下列问题的解求解下列问题的解(50(50)解解 将将(50)(52)(53)(50)(52)(53)的两端对的两端对 分别作分别作拉氏变换拉氏变换，记，记则问题则问题(50)-(53)(50)-(53)化为化为(51(51)(52(52)(53(53)(54(54)(55(55)(56(56)33是一个充分大的正数。是一个充分大的正数。(54(54)(55(55)(56(56)其中其中方程方程(54)(54)的的通解通解为为则问题则问题(50)-(53)(50)-(53)化为化为(57(57)由条件由条件(56)(56)知知再由条件再由条件(55)(55)知知于是有于是有对式对式(57)(57)作作拉氏逆变换拉氏逆变换，得，得(58(58)34(50(50)(51(51)(52(52)(53(53)(58(58)首先利用结论首先利用结论则有则有35(50(50)(51(51)(52(52)(53(53)(58(58)再利用再利用拉氏变换拉氏变换的的微分定理微分定理1 1则有则有36(50(50)(51(51)(52(52)(53(53)(58(58)于是，原问题于是，原问题(50)-(53)(50)-(53)的解为的解为37例例5 5求解求解半无界弦半无界弦的的自由振动自由振动问题问题(59(59)解解 将将(59)(61)(59)(61)的两端对的两端对 分别作分别作拉氏变换拉氏变换，记，记则问题则问题(59)-(61)(59)-(61)化为化为(60(60)(61(61)(62(62)(63(63)其中其中为已知函数为已知函数(满足拉氏变换条件满足拉氏变换条件)，且且38方程方程(62)(62)的的通解通解为为(62(62)(63(63)由条件由条件(63)(63)知知于是有于是有对上式取对上式取拉氏逆变换拉氏逆变换，得，得(64(64)利用拉氏变换的利用拉氏变换的延迟定理的逆变换形式延迟定理的逆变换形式39(64(64)利用拉氏变换的利用拉氏变换的延迟定理的逆变换形式延迟定理的逆变换形式可知可知则则(64)(64)式可化为式可化为即得即得半无界弦半无界弦的的自由振动自由振动问题问题(59)-(61)(59)-(61)的解。的解。40例例6 6求解求解解解 显然，对显然，对 作作拉氏变换拉氏变换，记，记则问题则问题(65)(65)可化为可化为(65(65)(66(66)(67(67)方程方程(66)(66)的的通解通解为为41由条件由条件(67)(67)知知于是有于是有(66(66)(67(67)方程方程(66)(66)的的通解通解为为对上式取对上式取拉氏逆变换拉氏逆变换，则得问题，则得问题(65)(65)的解的解此解用此解用分离变量法分离变量法求得的解是完全一样的。求得的解是完全一样的。42(3)(3)(4)(4)(18(18)1 1无限长弦自由振动无限长弦自由振动问题问题的的达朗贝尔解达朗贝尔解为公式为公式(13(13)其中方程其中方程(3)(3)的的通解通解形式为形式为行波法或达朗贝尔解法行波法或达朗贝尔解法本章小结本章小结432 2无限长弦强迫振动无限长弦强迫振动问题问题的的解解为公式为公式(1)(1)(2)(2)(26(26)本章小结本章小结44(31(31)(27(27)(28(28)3.3.三维波动方程三维波动方程初值问题的泊松公式初值问题的泊松公式本章小结本章小结45(36(36)(32(32)(33(33)(34(34)本章小结本章小结4.4.二维波动方程二维波动方程初值问题的泊松公式初值问题的泊松公式5.5.会应用会应用傅氏变换傅氏变换和和拉氏变换拉氏变换求解定解问题求解定解问题