70
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên 2013 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương I: KHÁI NIỆM VỀ BIẾN ĐỔI LAPLACE 1.Định nghĩa 2. Điều kiện tồn tại biến đổi Laplace 3. Biến đổi Laplace ngược 4. Tính duy nhất của biến đổi Laplace Chương II: CÁC TÍNH CHẤT 1. Bảng biến đổi Laplace cơ bản 2. Tính tuyến tính 3. Công thức dịch chuyển và bảng công thức dịch chuyển 4. Sự cộng hưởng và bảng các công thức liên quan đến sự cộng hưởng 5. Biến đổi Laplace của đạo hàm 6. Biến đổi Laplace của tích phân 7. Đạo hàm của biến đổi Laplace 8. Tích phân của biến đổi Laplace 9. Biến đổi Laplace của hàm liên tục từng khúc 10. Tích chập của biến đổi Laplace Chương III: ỨNG DỤNG A. Giải phương trình vi phân 1. Giải Phương trình vi phân tuyến tính cấp cao có hệ số hằng 1

laplace

Embed Size (px)

DESCRIPTION

ung dung laplace de giai phuong trinh vi phan cao cap

Citation preview

ti nghin cu khoa hc sinh vin

ti nghin cu khoa hc sinh vin2013

MC LCLI M UChng I: KHI NIM V BIN I LAPLACE1. nh ngha2. iu kin tn ti bin i Laplace3. Bin i Laplace ngc4. Tnh duy nht ca bin i LaplaceChng II: CC TNH CHT1. Bng bin i Laplace c bn2. Tnh tuyn tnh3. Cng thc dch chuyn v bng cng thc dch chuyn4. S cng hng v bng cc cng thc lin quan n s cng hng5. Bin i Laplace ca o hm6. Bin i Laplace ca tch phn7. o hm ca bin i Laplace8. Tch phn ca bin i Laplace9. Bin i Laplace ca hm lin tc tng khc10. Tch chp ca bin i LaplaceChng III: NG DNGA. Gii phng trnh vi phn1. Gii Phng trnh vi phn tuyn tnh cp cao c h s hng2. Gii h phng trnh vi phn tuyn tnh c h s hng3. Gii phng trnh vi phn tuyn tnh c h s l hm a thc bc nh hn hoc bng 14. Gii phng trnh vi phn tuyn tnh cp 2 vi v phi l hm gin on5. Gii bi ton dao ng diu ha trong vt liu khng ti6. Gii phng trnh vi phn c trB. Gii phng trnh tch phn1. Phng trnh voltera loi 12. Phng trnh voltera loi 23. Phng trnh vi-tch phnC. Gii phng trnh o hm ring1. Phng trnh o hm ring cp 12. Phng trnh o hm ring cp 2

Gii thiu tiBin i Laplace ng dng gii cc phng trnh v h phng trnh vi phn tuyn tnht vn Nhiu bi ton thc t, nht l nhng bi ton thuc lnh vc k thut dn n vic phi gii cc phng trnh hoc h phng trnh vi phn, phng trnh o hm ring, phng trnh tch phn, Vic nghin cu cc cch gii nhng bi ton ny l cn thit.Khng c phng php chung gii cho cc phng trnh, h phng trnh vi phn cng nh cc phng trnh o hm ring , phng trnh tch phn. Trong mn hc Gii Tch ta thy, ta c hc v phng trnh vi phn cp 1, cp 2 nhng khng phi tt c cc phng trnh , h phng trnh loi ny ta xt ht v gii c, m ta ch gii c mt s lp nh: phng trnh c bin phn ly, phng trnh ng cp, phng trnh tuyn tnh cp 1, phng trnh cp 2 c th gim cp (khuyt y, y; khuyt x), phng trnh tuyn tnh cp 2 c h s hng, phng trnh tuyn tnh cp 2 c h s hm. Trong ch c phng trnh vi phn tuyn tnh cp 1, phng trnh vi phn ton phn l c cng thc tm nghim ng.V d: Phng trnh vi phn tuyn tnh cp 2 c h s hm dngy + p(x)y + q(x)y = f(x)ch gii c khi bit mt s nghim ring ca phng trnh thun nht l y1. Sau tm nghim y2 c lp tuyn tnh vi y1 bng cng thc Louville. Tip theo dng phng php bin thin hng s Lagrng tm nghim ca phng trnh khng thun nht.Nghin cu bin i tch phn Laplace cho php ta gii c mt lp rng hn cc phng trnh vi phn, h phng trnh vi phn tuyn tnh cp cao (ln hn 2) v nghim tm c dng nghim ng. Khi nhng trng hp gii c bit ch l nhng trng hp ring.Mc ch ca ti nhm gii thiu v bin i Laplace, a ra cc tnh cht ca php bin i Laplace, t a ra ng dng ca Laplace vo vic gii cc phng trnh, h phng trnh vi phn, cc bi ton o hm ring, v mt s phng trnh tch phn. Ni dung ti c sp xp theo 3 chng. Chng I trnh by nhng khi nim ban u v bin i Laplace, nh nh ngha bin i Laplace, bin i Laplace ngc v cc iu kin tn ti bin i Laplace. Chng II trnh by cc tnh cht ca bin i Laplace, a ra bng cc cng thc bin i c bn. Chng III trnh by ng dng ca bin i Laplace vo vic gii bi ton lin quan n phng trnh vi phn , phng trnh o hm ring, phng trnh tch phn. ti c hon thnh trong mt khong thi gian hn ch di s hng dn ca c gio Ph Th Vn Anh. Mc d rt c gng nhng c th ti khng trnh c nhng thiu st. Nhm chng em rt mong nhn c s ng gp xy dng ca cc thy c v bn b._Nhm tc gi_

Li m uChng 1: KHI NIM V BIN I LAPLACE1. nh ngha

nh ngha 1.1: Cho hm f(t) xc nh trn R. Bin i Laplace ca hm f, k hiu , l mt hm c xc nh qua cng thc tch phn sau:

,(1.1)

s, f(t) R

tin s dng ta k hiu: .

Ch : Php bin i Laplace xc nh vi s, f(t)C. Nhng trong phm vi ti ny ta ch cn s dng s, f(t)RDng nh ngha ca bin i Laplace, ta tnh c bin i Laplace ca mt s hm n gin di y:

V d 1.1: Tnh Gii:

= , vi s>0

Khng tn ti khi s0

V d 1.2: Cho , t0. Tnh , aR.Gii:

(s) =

, nu s > a

Phn k khi sa2. iu kin tn ti bin i Laplacenh ngha 1.2: Hm s f(t) c gi l lin tc tng khc trn [a;b] nu nh f(t) lin tc trn mi khong nh, [a;b] c chia thnh hu hn khong nh. f(t) c gii hn hu hn khi t tin ti 2 im u mt ca mi on ny.

Hnh 1.1: th ca hm lin tc tng khc(cc du chm ch ra cc gi tr m hm s gin on)

nh ngha 1.3: Hm f c gi l bc m khi t+nu tn ti cc hng s khng m M, c, T sao cho .

nh L 1.4: Nu hm f lin tc tng khc vi t0 v l bc m khi t+th tn ti Chng minh:

T gi thit f l bc m khi t+

Ta c vi s > c

Cho b+ ta c

F(s) b chn hay tch phn suy rng hi t, vy tn ti bin i Laplace ca hm F(t)

Hn na ta thy khi s+ th . Ta c h qu di y:

H qu 1.5: Nu f(t) tha mn gi thit ca nh l 2 th .3. Php bin i Laplace ngcBin i Laplace ngc gip ta tm li hm gc f(t) t hm nh F(s). Bin i Laplace ngc c nh ngha bi tch phn sau:

, vi cR.Nhng thng thng ta t dng tch phn ny tnh hm gc m dng bng hm gc- hm nh tng ng c sn tm hm gc f(t).Ta nh ngha bin i Laplace ngc nh sau:

nh ngha 1.6: Nu th ta gi f(t) l bin i Laplace ngc ca F(s) v vit .

V d 3.1: Theo v d 1.1, ta c nn c:

V d 3.2: Theo v d 1.2, c nn c 4. Tnh duy nht ca bin i LaplaceNgi ta chng minh c nh l v tnh duy nht ca bin i Laplace nh sau:

nh l 1.7: Gi s rng cc hm f(t), g(t) tha mn gi thit ca nh l 1.4 tn ti F(s), G(s), . Nu f(t)=g(t) ti t m c 2 hm lin tc th F(s)=G(s).

Chng II: CC TNH CHT1. Bng bin i Laplace c bnBng 1: Ta c bng bin i Laplace cc hm c bn:STT

11

2t

3

4

vi

5

6Cos(kt)

7Sin(kt)

8Cosh(kt)

9Sinh(kt)

10u(t-a)

11

12

Trong Chng minh mt s cng thc :

V d 1.1: . Tnh .Gii:

nu s>0.

V d 1.2: Cho . Tnh v Gii:

t u=st ta c

Khi a l s thc a > 1. Khi a=n l s t nhin th

Vy: s > 02. Tnh cht tuyn tnh

nh l 2.1: Cho , l hng s v v , khi

Chng minh:

V d 2.1: Tnh Gii:

Ta c mt s tnh cht ca hm Gamma nh sau

Ta c : , ,

Vy:

Do : S dng bng bin i laplace c bn ta c:

Vy

V d 2.2: Tnh Gii:

s > 23. Cng thc dch chuyn v bng cc cng thc dch chuyn

nh l 2.2:Nu tn ti vi s>c, th tn ti vi s > a+c v c: (2.2)

hay tng ng vi (2.3)

Chng minh:

Cng thc (2.3), hay (2.3) c gi l cng thc dch chuyn, v bin i Laplace ca hm so vi bin i ca Laplace ca hm f(t) dch chuyn i mt lng (s-a).p dng cng thc trn ta tnh mt s hm c bn.V d 3.1:

Vi cc hm khc nh trong Bng 1, ta lm tng t, lp c Bng 2.Bng 2: Cc cng thc dch chuynSTT

1

2

3

4

vi

5

6cos(kt)

7sin(kt)

8cosh(kt)

9sinh(kt)

10u(t-b)

Trong

V d 3.2: Tm php bin i Laplace ngc ca:a)

Gii: Phn tch hm phn thc R(s) thnh cc hm phn thc n gin

Cn bng h s theo ly tha ca s

HocThay s = 0, s = - 2, v s = 4 ta c:

-8A = 1, 12B = 5, 24C = 17

Vy Dng tnh tuyn tnh ca bin i Laplace ngc v bng 1 ta c:

4. Bin i laplace ca o hm

nh l 2.3: Cho hm f(t) lin tc, trn tng khc vi t 0 v l bc m khi

Khi tn ti vi s > c v c:

(2.4)Chng minh:

H qu 2.4: Gi s cc hm s lin tc, trn tng khc vi t 0 v l bc m khi . Khi tn ti vi s > c v c cng thc:

(2.5)Chng minh:Chng minh bng phng php quy npVi n=1, ta c cng thc (2.4), nn (2.5) ng vi n=1.Gi s 2.5 ng vi n=k, tc l:

Ta s chng minh (2.5) ng vi n=k+1. Tht vy ta c:

Vy (2.5) c chng minh Cng thc (2.5) c ng dng ln khi gii cc phng trnh vi phn tuyn tnh cp cao. Di y ta xt mt s v d:V d 4.1 : Gii ptvp

(1)Vi iu kin x(0)=0: x(0) = x(0)=1Gii:

(1)

V d 4.2: Gii h ptvp

Gii:

H pt

5. S cng hng v bng cc cng thc lin quan n s cng hngDng o hm v bng bin i Laplace ta chng minh c cc cng thc sau:STT

1t.sin(kt)

2t.cos(kt)

3t.sinh(kt)

4t.cosh(kt)

5

V d 5.1: S dng php bin i Laplace gii bi ton vi gi tr ban u

Trong . L hng s cho trc .

Tc ng php bin i Laplace vo 2 v ca phng trnh cho, t , ta c:

Trng hp 1:

Phn tch Ly Laplace ngc

Vy

= (vi )

=

Nu th

nn

Trng hp 2: th nghim ca phng trnh i s l:Dng cng thc 5 ca bng 3, ta c:

Xt trng hp 0=1/2 v F0=1 th nghim nhn c l:

th x(t) l ng cong c bin khuych i dn khi t tng nh hnh v di

Hnh 2.1: Nghim cng hng vi v F0=1, cng vi ng bao ca n 6. Bin i Laplace ca tch phn

nh l 2.5: Nu f(t) lin tc tng khc vi t 0 v l bc m khi th

,vi s > c (2.7)

Hay l: (2.8)Chng minh:

+)Do f lin tc tng khc lin tc, trn tng khc vi

t 0. Li do f(t) bc m, nn , vi tn ti M,T,C sao cho:

Do

Vy g(t) l hm bc m khi . Do vy tn ti

+) S dng nh l 2.3 ta c

+) Do g(0) = 0 nn ta c Suy ra cng thc (2.7) c chng minh. Trong mt s trng hp tm hm gc t bin i Laplace ngc cng thc (2.8) gip ta thc hin d dng hn.

V d 6.1: Tm nghch o ca php bin i Laplace ca Gii:Ta c

T v tip tc ta c

7. o hm ca bin i Laplace

nh l 2.6: Gi s f(t) lin tc tng khc vi t 0, () v f(t) bc m khi , khi ta c (2.9)

Hay (2.10)

Tng qut ta c: (2.11)Chng minh:

+) T gi thit hi t tuyt i, u v lin tc, vi

+) Do

Vy cng thc (2.9) c chng minh

+) Ta chng minh (2.11) bng phng php quy np ton hc. Tht vy, n=1 th ta c , nn (2.11) ng vi n=1

Gi s (2.11) ng n=k, tc l c Ta chng minh (2.11) ng vi n=k+1, tht vy,

Vy (2.11) c chng minh

Cng thc (2.11) rt thun li ta tm thm cc bin i Laplace ca cc hm c dng khi bit bin i Laplace ca f(t)

V d 7.1 : Tm Gii:

T (2.11) ta c

V d 7.2: Tm Gii:

t Dng cng thc (2.10), ta c

Vy

8. Tch phn ca bin i Laplace

nh l 2.7: Cho f(t) lin tc tng khc i vi t 0, gi s tn ti ,v gi s f(t) bc m. Khi ta c :

Trong cng thc (2.12), ta thy tch phn ca hm chnh l tch phn ca bin i Laplace ca hm f(t)Chng minh:

+) T gi thit suy ra hi t tuyt i v u, s > c

+) Ta c

+) T i th t tch phn ta c

Nh vy cng thc (2.12) c chng minh

V d 8.1: Tm .Gii:iu cn tm c dng v tri ca (2.12) vi f(t)=sinh(t). Ta kim tra cc gi thit ca nh l 2.7

Ta c . Vy tn ti Theo cng thc (2.12):

Vy

V d 8.2: Tm Gii:

t . Dng cng thc (2.13), ta c:

(theo cng thc 5 bi 3)

9. Bin i Laplace ca hm lin tc tng khca) t vn 1. Cc m hnh ton hc trong h c hc hay h in trng lin quan n cc hm khng lin tc tng ng vi cc lc bn ngoi bt ng o chiu bt hay tt.1. Hm n gin bt, tt l hm bc thang n v ti t=a

C th nh sau

Hnh 2.2: th ca hm n v bc thangb) Php tnh tin trn trc t

nh l2.8: Nu tn ti vi s > c, th ta c

Hay

Hnh 2.3: Tnh tin ca f(t) v pha phi a n vChng minh:

+) Ta c

+) i bin t = + a, ta c

+) Do , nn c

Vy cng thc (2.14) c chng minh

V d 9.1: Tnh

T cng thc (2.15) v cng thc 3 ca bng 1, ta c:

Hnh 2.4: th bin i ngc trong v d 1

V d 9.2: Cho . Tm Gii:

Ta thy hm g(t) chnh l hm khi tnh tin sang phi 3 n v.

Vy coi hm gc l th Theo cng thc (2.14), ta c:

10. Tch chp ca bin i Laplace

t vn : Gi s

Xt

Vn t ra l tm hm h(t) sao cho:a. nh ngha 2.9: Tch chp i vi php bin i Laplace ca hai hm f,g lin tc tng khc c nh ngha nh sau: b. Tnh cht 2.10: Tch chp c tnh giao hon, kt hp hm phn phi v ly thac. nh l 2.11: f(t),g(t) l cc hm lin tc tng khc ,

f(t),g(t) b chn bi khi , cc s M,c khng m

Khi

hayChng minh:

C

do

vi khi u 0Gii:

Tc ng Laplace v t ta nhn c:

y l nghim ng ca h phng trnh tch phn cho.V d 2.2: Xt phng trnh

, x > 0, t > 0. (3.12)Tc ng bin i laplace vo 2 v ca phng trnh (3.9) theo bin (t) ta c:

(3.13)Phng trnh vi phn tuyn tnh cp 1 ny c nghim tng qut l:

V v c 1 nghim b chn th . Vy nghim ca Phng trnh (3.13) l:

Ly Laplace ngc ta c:

3. Phng trnh vi- tch phni khi s dng bin i Laplace cn gip ta gii c mt s phng trnh vi- tch phn.V d gii phng trnh sau tm hm f(t):

(3.14)Vi iu kin f(0)=0Phng trnh cho vit c dng tch chp:

Tc ng Laplace, t F(s)=, ta c:

. y l nghim ng ca phng trnh vi- tch phn.D. Phng trnh o hm ring1. Bi ton gi tr bin ban u cp 1.V d 1.1: Xt phng trnh:

, x >0, t >0(3.15)Vi iu kin bin ban u cho l:u(x,0)=0 vi x >0u(0,t)=0 vi t >0trong hm u(x,t) l hm cn tm.Gii:Dng bin i Laplace tc ng vo 2 v v ly theo bin t, ta c:

t , phng trnh trn tr thnh phng trnh vi phn bc nht vi n

a v phng trnh vi phn tuyn tnh dng , ri p dng cng thc ly nghim tng qut:

ta c:

;(3.16)Vi C l hng s tch phn.

V iu kin u(0,t)=0 (3.8) c 1 nghim b chn th suy ra C=0

Vy Ly bin i Laplace ngc, ta c:

2. Phng trnh o hm ring cp 2V D 2.1: Xt phng trnh truyn nhit na trc nh sau:

, x > t, t > 0 (3.17)Vi iu kin bin v iu kin ban u nh sau:U (x,0) = 0, x > 0U (0,t) = f(t), t > 0(3.18)

Khi

Tc ng bin i Laplace vo phng trnh (3.9), ta c : bin t, v t . Ta c:

(3.19)

y l phng trnh vi phn tuyn tnh cp 2 thun nht vi h s hng , c nghim ca phng trnh c trng l nn nghim tng qut ca phng trnh (3.19) l:

Vi A, B l hng s tch phn.

c 1 nghim b chn th v dng iu kin:

Th c : A=F(s)Vy nghim ca (3.19) vi cc iu kin cho l:

.Ly bin i Laplace ngc:

Ngi ta tnh c nghim c dng:

Nu t th Ta c nghim dng:

V D 2.2: Phng trnh khuych tn trong on hu hn

Xt phng trnh: 0