Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.3: Хевісайд і Дірак Дельта Функції

  • Page ID
    61237
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Техніка перетворення Лапласа стає справді корисною при розв'язанні од з розривними або імпульсивними неоднорідними членами, ці терміни зазвичай моделюються за допомогою дельта-функцій Хевісайда або Дірака. Ми обговоримо ці функції по черзі, а також їх перетворення Лапласа.

    clipboard_e1798c1a639a56ef7804177cc848a3ea6.png
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Функція Хевісайда.

    Функція Хевісайда

    Переглянути підручник на YouTube

    Функція Heaviside або одиничний крок (див. Рис. \(\PageIndex{1}\)), позначається тут\(u_c(t)\), дорівнює нулю для\(t < c\) і є\(t ≥ c\) одиницею для; тобто \[\label{eq:1}u_c(t)=\left\{\begin{array}{rl}0,&t<c; \\ 1,&t\geq c.\end{array}\right.\]

    Точне значення\(u_c(t)\) в одній точці не\(t = c\) повинно мати значення.

    Функцію Heaviside можна розглядати як функцію підвищення. Понижуюча функція - одиниця для\(t < c\) та нуль для\(t ≥ c\) —визначається як \[\label{eq:2}1-u_c(t)=\left\{\begin{array}{rl}1,&t<c; \\ 0,&t\geq c.\end{array}\right.\]

    Функція «крок вгору», «знижуючий» - нуль для\(t < a\)\(a ≤ t < b\), один для та нуль для\(t ≥ b\) —визначається як \[\label{eq:3}u_a(t)-u_b(t)=\left\{\begin{array}{rl}0,&t<a; \\ 1,&a\leq t<b; \\ 0,&t\geq b.\end{array}\right.\]

    Перетворення Лапласа функції Хевізида визначається інтеграцією:

    \[\begin{aligned}\mathcal{L}\{u_c(t)\}&=\int_0^{\infty}e^{-st}u_c(t)dt \\ &=\int_c^{\infty}e^{-st}dt \\ &=\frac{e^{-cs}}{s},\end{aligned}\]і наведено в рядку 12 таблиці 5.1.1.

    Функція Хевісайда може бути використана для представлення перекладу функції\(f(t)\) на відстань\(c\) у позитивному\(t\) напрямку. У нас є\[u_c(t)f(t-c)=\left\{\begin{array}{rl}0,&t<c; \\ f(t-c),&t\geq c.\end{array}\right.\nonumber\]

    Трансформація Лапласа - це місце\[\begin{aligned}\mathcal{L}\{u_c(t)f(t-c)\}&=\int_0^{\infty}e^{-st}u_c(t)f(t-c)dt \\ &=\int_c^{\infty}e^{-st}f(t-c)dt \\ &=\int_0^{\infty}e^{-s(t'+c)}f(t')dt' \\ &=e^{-cs}\int_0^{\infty}e^{-st'}f(t')dt' \\ &=e^{-cs}F(s),\end{aligned}\], де ми змінили змінні на\(t' = t − c\). Переклад відстані\(f(t)\)\(c\) в позитивний\(t\) напрямок відповідає множенню\(F(s)\) на експоненціальну\(e^{−cs}\). Цей результат наведено в рядку 13 таблиці 5.1.1.

    Кусково визначені неоднорідні члени можуть бути змодельовані за допомогою функцій Хевісайда. Для прикладу розглянемо загальний випадок кускової функції, визначеної на двох інтервалах:

    \[f(t)=\left\{\begin{array}{rl}f_1(t),&\text{if }t<c; \\ f_2(t),&\text{if }t\geq c.\end{array}\right.\nonumber\]

    Використовуючи функцію Heaviside\(u_c\), функція\(f(t)\) може бути записана в один рядок як\[f(t)=f_1(t)+(f_2(t)-f_1(t))u_c(t).\nonumber\]

    Цей приклад можна узагальнити до кускових функцій, визначених на декількох інтервалах.

    Як конкретний приклад припустимо, що неоднорідний член представлений лінійно зростаючою функцією, яка потім перетворюється в постійну функцію, як намальовано на рис. \(\PageIndex{2}\). Явно,\[f(t)=\left\{\begin{array}{rl}t,&\text{if }t<1; \\ 1,&\text{if }t\geq 1.\end{array}\right.\nonumber\]

    Ми можемо переписати\(f(t)\) за допомогою функції Heaviside\(u_1(t)\):

    \[f(t)=t-u_1(t)(t-1);\nonumber\]і ми можемо взяти перетворення Лапласа функції,\(f(t)\) написавши\[F(s)=\mathcal{L}\{t\}-\mathcal{L}\{u_1(t)(t-1)\}.\nonumber\]

    Перетворення Лапласа першого члена знайдено з рядка 4 таблиці, а перетворення Лапласа другого члена знайдено з комбінації рядків 13 та рядка 4. У нас є\[F(s)=\frac{1}{s^2}-\frac{e^{-s}}{s^2}.\nonumber\]

    clipboard_e02501236cbff1aceed1a63681e954c0d.png
    Рисунок\(\PageIndex{2}\): Лінійно зростаюча функція, яка перетворюється на постійну функцію.

    Дірак Дельта Функція

    Переглянути підручник на YouTube

    Дельта-функція Дірака, позначається як\(\delta (t)\), визначається тим, що для будь-якої функції\(f(t)\),\[\int_{-\infty}^{\infty}f(t)\delta(t)dt=f(0).\nonumber\]

    Звичайний вигляд зрушеної дельта-функції Дірака\(\delta (t − c)\) полягає в тому, що вона дорівнює нулю скрізь\(t = c\), крім at, де вона нескінченна, а інтеграл над дельта-функцією Дірака один. Дельта-функція Дірака технічно не є функцією, але це те, що математики називають розподілом. Тим не менш, в більшості випадків, що становлять практичний інтерес, це можна розглядати як функцію, де фізичні результати отримують після остаточної інтеграції.

    Існує багато способів представити дельта-функцію Дірака як межу чітко визначеної функції. Для наших цілей найбільш корисним поданням робить використання поетапної, понижуючої функції\(\eqref{eq:3}\) (див. Рис. \(\PageIndex{3}\)):

    \[\delta(t-c)=\underset{\epsilon\to 0}{\lim}\frac{1}{2\epsilon}(u_{c-\epsilon}(t)-u_{c+\epsilon}(t)).\nonumber\]

    Перш ніж приймати межу, чітко визначена функція крок вгору, зниження дорівнює нулю, за винятком невеликого інтервалу ширини по\(2\epsilon\) центру\(t = c\), над яким він приймає велике значення\(1/2\epsilon\). Інтеграл цієї функції один, незалежний від значення\(\epsilon\).

    Перетворення Лапласа дельта-функції Дірака легко знайти шляхом інтеграції з використанням визначення дельта-функції:

    \[\begin{aligned}\mathcal{L}\{\delta (t-c)\}&=\int_0^{\infty}e^{-st}\delta (t-c)dt \\ &=e^{-cs}.\end{aligned}\]

    Цей результат наведено в рядку 14 таблиці 5.1.1.

    clipboard_e6356862c94568f567aaf75973504ceec.png
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Дельта-функція Дірака, побудована за допомогою функції «крок вгору», «зниження».