М.ILКраснов, А.И.Киселев, r.и. Макаренко

ОПЕРАЦИОН Н ОЕИСЧИСnЕНИЕ

Т ЕОРИИ УСТОЙЧИВОСТИ

ЗАДАЧИ

и

примеры с подро6ными решениими

Издание третье,

· исправленное и дополненное

Бшо допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебного пособия для студентов высших технических учебных заведений

УРССМосква 2003

ББК 22. l6lя.73

Краснов Михаил Леонтьевич,

Киселев Александр Иванович,

Макаренко I}Jиrорий Иванович

Операционное исчисление. Теория устойчивости: Задачи и примеры с подроб­

ными решениями: Учебное пособие. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Едиториал УРСС, 2003 .. - 176 с. (Вся высшая математика в задачах.)

ISBN 5-354-00383-0

В настоящем учебном пособии авторы предлагают задачи по основным разделам операционного исчисления и теории устойчивости. В начале каждо­ го параграфа приводятся необходимые теоретические сведения (определения, теоремы, формулы), а также подробно разбирается. около JOO типовых задач

ипримеров.

Вкниге содержится свыше 500 задач и примеров для самостоятельного решения. Почти все задачи снабжены ответами, а в ряде случаев даются указания

крешению.

Книга предназначается в основном для студентов технических вузов с ма­ тематической подготовкой, но может принести пользу и инженеру, )f(:ел ающему восстановить в памяти разделы математики, относяшиеся к операционному исчислению и теории устойчивости.

Издательство •Едиториал

117312, г. Москва,

nр-т 60-летия Октября,

9.

 

Лицензия ИД Ni!05175 от 25.06.2001 г. Подписано к печати 15.05.2003 г.

 

 

3000 экз. Печ.

л.

 

Зак.

 

265

вал,

 

Формат 60х9{)/16. Тираж УРСС•.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. 109044, г. Москва, Крутицкий

18.

Отnечатано в типографии ИПО •Профиздат11.

 

Ni!

 

 

ИЗДАТЕЛЬСТВО УРСС

НАУЧНОЙ И УЧЕБНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

вE-mail: URSS@URSS.ru

Каталог изданий7 1355--2344-

/ntвrnвt: http://URSS.-ru42 46

Твл./факс: (095) Тел./факс: (095)

ISBN 5-354-00383-0

© Едиториал УРСС, 2003

ГЛАВА

1Операционное исчисление

§1 . Нахождение изображений и оригиналов

Функцией-оригиналом называется любая комплекснозначная функция j(t) действительного аргумента t, удовлетворяющая условиям:

1°. j(t) интегрируема на любом конечном интервале оси t (локально интегрируема).

2°. Для всех отрицательных t

/(t) == о.

 

 

 

 

 

 

 

3°. 1/(t)/ возрастает при t -+ +оо не быстрее показательной функции,

т. е. существуют такие постоянные М и s, что. Д11всехЯ

t

(1)

Нижняя грань s0 всех чисел s, для которых справедливо перавея­

ство (J), называется показателем роста функции /(t).

 

 

Пример 1 . Показать, что функция

 

 

 

 

/(t) ==

о

sin Зt,

t >О,

 

 

 

{ е2,1

 

t <О,

 

 

является функцией-оригиналом.

Действительно, функция /(t) локально интегрируема:

]t, е 21 sin Зt dt

существует для любых конечных t1 и t2 •

Условие 2• выполнено в силу задания функции. Н аконец, для любых вещественных t

ПростейшейМ

 

le 21 sin Зtl

е 21,

 

 

1>

в условии

з•

можно взять любое число 1 ; s0

== 2.

так что в качестве

 

 

функцией-оригиналом является так называемая еди­

ничная функция Хевисайда

 

==

{

 

 

 

о,

 

 

 

1/(t)

1 ,

t >

 

 

 

 

 

 

О,

t

<

 

 

 

 

 

 

 

 

О.

 

 

4 Глава 1. Операционное исчисление

Очевидно,

> О,

 

 

 

(t)

О,

t

<О,

 

 

 

 

 

1J(t) = <p(t),

 

 

· удовлетво

так что если

 

удовлетворяет условиям{

lot

и 3", то

 

 

условиям, налагаемым на функции-оригиналы.

 

ряет всем

 

<p(t)

 

 

 

 

<p(t)71(t)

Задачи для самостоятельного решения

1 . Проверить, какие из указанных функций яаляются функциями-ориrиналами:

а)

f(t)

Ь1q(t),

ь

> о,

ь-# 1;

б)

/(t)

e<2нi)tч(t);

в) f(t) =t _

1 3чt)( ;

 

 

r)

/(t)

t2чt)( ;

 

д)

f(t)

ch (3 - i)tчt);(

 

е)

/(t)

tч(t);

ж

)

/(

1чt);(

 

 

 

 

)

/(t)

tg

c

ost ТJ(t);

 

t) =t

1

 

 

 

з

 

= e-t

 

00

и)

t

 

2

 

 

 

к)

/(t) = e-12qt);(

 

 

/( ) = е1

чt);(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

л)

/(t} =t2+2чt( );

 

м)

/(t)

q(t)+ L:(-I)"ТJ(t-k).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=l

j(t)

В

 

 

 

 

f(t)ТJ(t) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дальнейшем для сокращения записи будем, как правило, писать

 

вместо

 

 

считая, что рассматриваемые нами функции про­

должены нулем для отрицательных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изображением функции

р = s

п оt.

Лапласу называется функция F(p)

комплексною переменною

++оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(t)

iu, определяемая равенством

 

 

 

 

 

 

 

 

F(p) = j j(t)e-pt dt.

,

 

 

 

 

 

(2)

писывать так:

что F(p) есть

/(t);:::F{P).

f(t)

 

 

 

 

 

 

 

Тот

факт,

 

о

 

 

 

 

 

будем символически за-

 

 

 

 

 

 

 

 

изображение

 

 

 

 

Функция F(p) определена в полуплоскости

Reр

=

s

>

so

и является

в этой полуплоскости аналитической функцией.

 

 

 

 

Пример 2.

Пользуясь оnределением, найти изображение функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j(t) = e2t.

s0

 

 

 

 

 

 

 

F(p)

Решение. Для функции f(t) = е21

имеем

 

2.

Поэтому изображение

 

но

 

 

+оо

 

 

 

 

 

 

1-+оо

1

 

 

 

 

будет во всяком случае оnределено и аналитично в nолуnлоскостиRep > 2.

Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е-(р-2)1 ,

 

 

=

 

 

 

 

F(p) = J0

 

21e-pt

dt= Jо e-(p-2)t

 

 

l

 

-

 

 

 

(Rep= s > 2).

e

 

 

dt= -(р- 2)

 

 

1=0

р-

 

 

 

 

 

§ 1.

Нахождение изображений и оригиналов

5

Итак,

F{p)

1

 

,

и, кроме того, она

р-2

 

 

= -- . Эта функция аналитична при Rep > 2

 

аналитична всюду, за исключением точки р=2. Это не противоречит сформу­

неаналитичнаF(p)

.

 

 

гарантирует

аналитичностъ

лированному выше утверждению, так как последнее

 

<

 

при Rep

>

s0, но вовсе не утвержДает, что если Rep

80,

то F(p) всюду

 

 

 

 

 

 

 

 

Задачи для самостоятельного решения

Пользуясь определением, найти изображения следуютих функций:

2.

f(t)=t. 3. f(t)=sinЗt. 4.

f(t)=te1• 5. f(t)=t9

(а > - 1) .

б.

-. -1

служить изображением некоторого оригинала?

Можетли функция t.p{p)=cosp

 

Свойства преобразования Лапла.сf3

 

 

 

 

 

Теорема единственности.

Иреобразование Лапласа

 

 

 

 

 

F(p)

=

+оо

 

 

 

 

 

 

j e-ptj(t) dt

 

 

 

 

 

единственно в том смысле,

чтоодве функции

и

 

 

имеющие

 

 

 

 

во всех точках непре­

 

одинаковые преобразования Лапласа, совпадаютj1(t)

 

j2

(t),

 

 

рывности,для всех t > О.

 

 

 

 

 

 

 

Различные разрывные функции могут иметь одинаковое иреобразо­ вание Лапласа (читателю предлагается построить пример такой функции).

 

1.

Свойство линейности. Для любых комплексных постоянных а и fЗ

 

 

aj(t) + {З

(t)';:!. aF(p) + {ЗG(р)

 

(здесь и всюду в дальнейшем считаем

 

G(p)).

 

 

 

g

 

 

j(t);::!F(p),. g(t);::!.

Задачи для самостоятельного решения

 

 

 

 

 

 

Найти изображения функций:

 

 

е-1

 

 

7. 1

+

t. 8. 2 sintcost. 9. t

+

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Теорема подобия. Для любого постоянного а > О

 

 

j(at);::!±F(;).

.

6

Глава 1. Операционное исчисление

Задачи для самостоятельного решения

Пользуясъ теоремой подобия, найти изображения следующих функций:

1 0.

j(t) =e01•

1 1 . j(t) = sin4t. 1 2. a) j(t) = coswt; б)

j(t);::::sh Зt.

1 3.

Пусть f(t) F(p). Найти изображение функции j(t/a)

> О) непосред­

ственно и с помощью теоремы подобия.

 

Пользуясъ теоремами линейности и подобия, найти изображения следующих

1 4.

 

1 5.

 

 

функций:

 

j(t) = s\nmt cosnt.

 

 

j(t) = sin 2t.

 

 

1 6.

f(t) = cos 3t.

1 7.

f(t) = sin mt sin nt.

 

1 8.

f(t) = sin4t.

1 9.

f(t) = cosmt cosnt.

 

 

111. Дифференцирование оригинала. Если функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j(t), j'(t), .. . ,

/(n)(t)

 

 

 

 

 

 

 

являются функциями-ориг

 

 

j(t) ;::=F(p),

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

иналами и

 

 

 

 

 

 

 

 

/'(t) ;::=pF(p) - /(0),

- j'(O),. . . . .. .....

. . . . .

. .. .. . .. . . ,_

 

 

 

 

/"(.t).

;d

р2F.(p. )- pj(O). .

 

 

 

 

. .. . . . .. .. . . . . . . . .. .. . ..

 

 

 

 

 

 

 

 

i">(t) ;d p"F(p)-pn-1/(0)

- pn-2/'(0) - .'. - /(n-1)(0), '.

 

 

 

где под /(k)

(O)

(k = 1, 2, ... , n- 1) понимается

lim

J<k>(t).

 

 

 

 

Пример 3.

Пользуясь теоремой

о АИфференцtи-+0

 

и

нала,

 

найти изображение функции j(t) = sin 2t.

 

ровании ориг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Пусть j(t) F(p). Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/'(t) pF(p) - /(0).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Но f(O)=O, а f'(t) = 2 sin t cost = sin 2t

-2-.Следовательно, +4 =pF(p),

откуда

 

 

 

 

 

 

Р

2+

4

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(p) = р(р22+ 4)

;::::. s.tn 2t.

 

 

 

 

f>

Задачи для самостоятельного решения

 

 

 

 

 

 

 

 

Пользуясь теоремой о дифференцировании оригинала,

найти изображение сле­

 

дующих функций:

 

 

21. f(t) = sin 3t.

 

 

 

 

 

 

 

20.

j(t) = cos2t.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22. 24.

ния

§ 1.

Нахождение изображений и оригиналов

7

j(t) = t sinwt.

23.

j(t) = cos

4

t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j(t) = t coswt.

25.

/(t) = te1•

 

 

 

 

 

 

IV. Дифференцирование изображениfl. Дифференцирование изобра­

жения сводится "умножению на (-t) оригинала

 

 

 

 

 

 

F'(p) :=' - f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

(t)

 

 

 

или, вообще,

 

F(

n

)(p) :=' (-t)

/(t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

Пример 4. Найти изображение фу:кции /(t)

t

2et.

 

 

 

Решение.

Имеем е

1

;:::

l

 

. •

 

 

1

 

 

'

 

.

t

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--

 

 

 

 

 

;= -te , откуда

 

 

 

 

(

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

р-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

_

 

р

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

' .

 

 

 

 

 

 

 

 

(

(р _

!

)2

)

;=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

 

 

 

По теореме о дифференцировании

 

2

t

 

 

 

 

 

t

 

;::::::te . Далее

2!

 

.

 

1)

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t(te )

и

 

 

 

;=

2

 

 

 

t)>

t е .

-

 

ил

 

 

 

 

изображе

1>

Задачи дпя с

е

r

 

мостоятельно о решения

Найти изображения следующих функций:

 

 

 

26.

2

 

27.

j(t) = t(e1+ ch t).

 

 

j(t)=t cos t .

 

 

28.

j(t) = (t + 1) sin 2t.

29.

j(t) = t sh Зt.

 

 

 

У. Интеrрирование ориrинапа. Ин:тегри]Ю8ание оригинала сводится

 

к делению

изоброжения нар, т, е.

 

F

(p), то

 

 

если !(t);:::

 

 

 

 

t

F ).

 

 

 

 

 

 

J f(т) dт;:::

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

Пример 5. Найти изображение функции

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

f er dт.

 

 

 

t

 

 

о

 

 

 

 

Решение.

Имеем e

 

1

 

 

 

 

 

:= --. По теореме об интегрировании оригинала

 

 

 

1

--

 

 

 

 

 

р-1

--

 

 

.

 

 

/r

1

 

l

 

 

 

о

е

dт;::::.

 

=

р(р _ l)

 

 

 

 

 

р

 

 

 

[>

8Тhава 1. Операционное исчисление

Задачи д л я самостоятельного решения

Найти изображения следующих функций:

30.

f(t) = jо

sinr dr.

31 .

о

 

l) cosUJr dт.

 

t

 

f(t)= j<r+t

32.

/(t) = jо t r sh2r dr.

33.

j(t)= jо t cos2UJrdr.

34.

t

 

35.

f(t)= Jt

r2е-т dr

 

 

f(t) = jо

chUJr dr.

 

о

 

 

.

00

Vlся., Интегрирование изображения. Если интеграл J F(p) dp сходит-

J(t): Р

то он служит изображен'' ием00фун"' кции t

Jt) ;: 1 F(p) dp.

р

 

 

 

Найти изображение функцииl

sin t

.

 

Пример 6.

--t

 

р

-

00

 

dp

 

sш t := р-2--1 .

Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

ешение. Как известно, .

 

 

 

р

 

 

 

 

sint

t

. j

р1+1

 

arctg=

 

=-1r - arctgp = arcctgp

 

 

 

 

р

 

 

--

Arctg!""

 

2

 

 

 

 

 

 

:::::

 

 

p

z и т. д. берем их главные ветви , для

(для

многозначных функций

Ln

z,

 

 

которых

ln 1= О,

 

 

1=

7r/

т. д.).

 

 

 

 

 

[>

 

 

 

arctg

 

 

4 и

 

 

 

 

 

 

 

 

Задачи для самостоятельного решения

Найти

36а)

38. а)

t

 

 

 

 

-l

 

 

. 2

 

 

 

изображения следующих функций:

t

1

,

б)

1

 

 

)

 

t

 

 

 

t .,

в

t

.

37. а)

-

 

б)

 

 

 

 

et - 1- t;

et - e-t .

 

 

 

 

 

t

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

1

-

cos

t

б) cost -t cos 2t .

 

 

 

§ 1.

Нахождение изображений и оригиналов

 

9

 

 

 

оо j(t)

 

 

 

 

 

 

 

С помощью теоремы об интегрировании изображения легко вычи-

сляются некоторые несобетвенные интегралы.

о

t

Тогда

J

 

::=

 

00 j t)

00

Пусть

 

(t}

 

F(p) и пусть сходится несобетвенный интеграл f - dt.

 

 

 

 

 

J

dt = JF(p) dp,

 

(3)

 

 

 

 

 

Q

Q

 

 

где интеграл справа можно вычислять по положительной полуоси.

Пример 7. Вычислить интеграл00

J siпt t dt.

о

 

Р

 

 

 

ие.

Имеем sint ;= у

l

По формуле (З)

= 1r2 .

 

 

 

 

 

ешен

 

+ 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/00

 

 

 

"" z--2 +

=

 

 

 

0

 

 

!>

 

 

 

 

 

 

 

 

о

sint dt =

jо

 

I

 

arctgz

!""

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

Задачи дпя самостоятельного решения

 

 

 

 

 

 

 

00

 

-41

 

 

-Ьt

 

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислить интеrралы:

 

 

 

 

 

40.

J6 e-at

t

 

dt

 

0).

39.

Jо

е

 

е

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

(а>О, Ь>0).

 

 

 

 

 

 

 

sinat

 

 

(а>О, а>

 

 

e-at -t e-f3t sinmt dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41 .

1о

(а>О, f3>О, т>0).

 

 

 

 

 

 

 

 

00

Ae-at + Be-f3t + ce-rt + De-6t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

42.

Jо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

 

а> О, /3 00

 

 

 

 

О,

 

> 0).

 

 

 

 

 

(А + В + С +

D

О,

О,

 

7 >

5

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosbl dt

 

 

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43•

1 cosat

 

(а>О, Ь > 0). 44.

j sinatsinьt

dt

(а> О, Ь>О).

 

 

 

 

.

t

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vll.

Теорема смещения.

Если j(t) ::= F(p),

то для любого комплекс-

 

ного Ро

 

 

 

 

 

t!'ot /(t)

:='

F(p- Ро).

 

 

 

 

 

(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в папке Высшая математика