Добавил:
хачю сдать сессию Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

лекции вышмат

.pdf
Скачиваний:
99
Добавлен:
01.06.2024
Размер:
5.41 Mб
Скачать

 

sin

z

/( z 1)

2

φ( z)

 

 

=

2

 

 

 

 

 

 

 

z

 

ψ( z)

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

2

 

,

φ(π) = −

1

 

 

 

 

2

 

+

1)

 

 

0

,

ψ(π)

=

0

, а

ψ '(π) = −

1

sin

z

|

=

1

 

2

2

2

 

 

 

z = − π

 

0

, значит, по формуле (8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ(π)

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

Res f (π) =

ψ '(π)

= −

+ 1)

2

. Таким образом, исходный интеграл равен

i

 

 

1

+ 1)

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Вычислить интеграл

 

 

 

dz

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| z | =

2

z

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Вычисления по формуле (9) достаточно громоздки, так как внутри контура интегрирования содержатся 4 особых

точки подынтегральной функции:

 

 

4

 

 

2

2

z

=

1

=

 

i

 

 

 

 

 

 

2

2

(см. формулу извлечения корня из комплексного числа).

 

 

z =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arg z = − arg ζ

 

Поэтому сделаем замену

. Тогда направление обхода контура меняется на противоположное, т. к.

, а

 

 

 

 

 

ζ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

z

3

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

окружность

z = 2 переходит в окружность

ζ

=

 

. В итоге, имеем:

 

4

dz =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

где окружность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

z = 2

z

 

+ 1

 

1

 

3

 

1

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

проходится по часовой стрелке. Меняя направление обхода на противоположное, получаем

 

 

 

 

dζ

 

 

 

. Теперь внутри

ζ (1 + ζ

4

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

контура интегрирования находится лишь простой полюс

ζ 0

=

0

, и по формуле (8)

1

1

I

=

 

1 +

ζ

4

 

1 +

ζ

4

i Re s

ζ

 

 

= i

1

 

 

=0

 

 

 

 

 

|

= i

 

=0

.

230

ЛЕКЦИЯ 8

Вычисление некоторых интегралов от функций действительного переменного

 

 

P

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m,

 

n,

1. Рассмотрим

m

 

dx , где

P

(x)

многочлен степени

Qn (x) многочлен степени

 

 

m

 

 

 

 

Q

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

не имеющий действительных корней, и n m 2

. Такой несобственный интеграл сходится,

так как подынтегральная функция при действительных

x

непрерывна и при больших

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ведет себя, как

x

m

 

 

1

 

=

 

x

n

x

nm

 

 

 

 

, где

n m

2

.

Теорема 1.

где

σ

сумма вычетов функции

 

 

 

 

 

P

(

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

Q

(

 

 

n

 

 

P

 

(z)

f (z) =

m

 

 

Q

(z)

 

 

 

n

 

 

x)

dx = 2 iσ

(1)

 

x)

,

 

 

в ее особых точках, находящихся в верхней

полуплоскости (т.е. при Im z 0 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Особые точки

f (z)

это корни (нули)

 

ее знаменателя

Q (z)

. Значит, этих точек

 

 

 

n

 

конечное число, и

они являются полюсами

 

(не лежащими

на

 

действительной оси).

Рассмотрим изображенный на рис.1 контур

(L),

состоящий

из отрезка

R, R

и

 

полуокружности (CR ) : | z |= R, Im z 0, где

R

столь велико, что все особые точки f (z)

из

верхней полуплоскости находятся внутри

(L)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1

Согласно основной теореме о вычетах,

 

f (z)dz = 2 iσ

,

 

 

 

( L)

 

 

или, учитывая, что на

действительной оси

z = x

,

 

 

R

P

(x)

 

 

dx

m

 

 

 

 

R

Q

(x)

 

n

 

 

Мы будем в этой формуле переходить к

+

 

 

P

(z)

dz =

 

m

 

 

 

 

 

 

 

(C

)

Q

(z)

 

 

n

 

 

 

R

 

 

 

 

пределу при

2 iσ . R

. Докажем, что

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

P

(z)

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

m

 

dz =

 

 

 

 

 

Q

(z)

 

 

 

 

R

(C

)

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

А именно, пусть

P (z) = a zm + a zm1

+... + a

m

,

Q (z)

 

m

0

1

 

 

 

 

 

 

n

0

.

 

= b0 zn + b1 zn1 +... + bn , тогда

(3)

 

 

 

 

1+

 

a1

+... +

 

am

 

 

P (z)

 

| a || z |m

a z

 

a zm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

=

0

 

 

 

0

 

 

0

 

 

. Последняя дробь при | z |= R стремится к 1, т.е.

Qn (z)

| b0

|| z |n

 

 

b

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+

 

1

 

+... +

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

b z

 

 

b zn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

231

имеет конечный

 

a

 

a

m

 

1+

1

+... +

 

 

a z

a z

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

b

 

 

1+

1

+... +

n

 

 

b z

b z

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

предел, значит,

при

 

больших

R

эта

K , где

K некоторое число, следовательно, при

 

 

P

(z)

 

 

K | a

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

0

 

 

 

 

Q

(z)

 

 

| b

| R

nm .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

0

 

 

 

 

дробь ограничена:

| z |= R

(4)

Следуя полученной ранее

 

 

P

(z)

 

K | a

 

|

 

 

 

m

 

dz

 

0

 

πR =

 

Q

(z)

| b

| R

nm

(C

)

 

 

 

 

n

 

 

0

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

оценке

πK | a

|

 

 

0

 

b

| R

nm1

 

 

0

 

 

 

при длине кривой

(CR )

, но так как по условию

l = πR

теоремы

теперь имеем:

n m 1 1,

то

 

последняя величина при

R

стремится к нулю, что

Переходя

 

в формуле (2)

 

к

 

пределу

при

R

 

и

 

 

 

P

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

dx = 2 iσ,

т.е. формулу (1). ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Вычислить

 

 

2

 

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

 

+ 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( z i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

2

 

 

2

dx = i

Re s

 

2

 

 

 

2 = i lim

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

( x

 

 

+ 1)

 

 

 

 

 

 

 

( z

 

+

1)

 

 

 

 

 

( z i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

=i

 

 

z i

 

( z + i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2z( z + i)

2

z

2

2( z i)

 

 

 

 

 

 

 

2z( z + i) 2z

2

 

 

 

 

 

 

2zi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= i lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

= i lim

 

 

 

3

 

= i lim

 

 

 

 

 

3

 

 

 

z i

 

 

 

 

 

( z + i)

 

 

 

 

 

 

z i

 

 

 

( z + i)

 

 

 

z i

( z + i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции

 

2

 

 

 

2

 

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( z

+

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Рассмотрим

 

T (x) cos λxdx

 

 

и

T (x) sin λxdx

, где

 

T (x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и доказывает формулу (3).

учитывая формулу (3), получаем

 

 

 

z

2

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

i lim

 

 

 

 

2

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z i

( z + i)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

=

i

=

 

(

z

0

= i

полюс 2ого порядка

 

8i

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

) правильная рациональная дробь,

знаменатель которой не имеет действительных корней, и λ 0

Сначала приведем (без доказательства) нижеследующую полуокружность, изображенная на рис. 1: | z |= R , Im z 0 .

.

лемму, в которой

(C

)

R

 

Лемма Жордана. Пусть g(z) непрерывная в верхней

больших

| z |

функция такая, что

lim M (R) = 0

, где M (R) =

 

 

 

 

R

 

полуплоскости при достаточно

max | g(z) | . Тогда при λ 0

z (CR )

lim

 

g(z)e

iλz

dz

 

R

(C

 

)

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

=

0

.

(5)

Теперь сформулируем теорему:

Теорема 2.

 

 

 

T (x) cos λxdx = Re(2πiσ) , T (x) sin λxdx = Im(2πiσ) ,

(6)

 

где σ – сумма вычетов функции T (z)eiλz

в ее особых точках из верхней полуплоскости.

 

232

Рассмотрим

T (z)e

iλz

dz

 

( L)

 

 

,

где

T (z) =

P

(z)

m

 

Q

(z)

n

 

правильная

рациональная дробь

(т.е.

n m ), знаменатель которой не

имеет действительных корней, λ 0

и (L) тот же

контур, что в пункте 1 (рис. 1),

т.е. этот контур состоит из отрезка

R, R и

полуокружности (CR ) : | z |= R , Im z 0

, где R столь велико, что все особые точки T (z)

(нули ее знаменателя) из верхней полуплоскости находятся внутри (L) .

 

 

 

Согласно основной теореме о вычетах,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T (z)e

iλz

dz = T (x)e

iλx

dx +

T (z)e

iλz

dz = iσ ,

 

 

(7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( L)

 

R

 

 

 

(C

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

где

σ

сумма вычетов функции T (z)e

iλz

в ее особых точках из верхней полуплоскости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следует,

Перейдем в формуле (7) к пределу при R . При этом из оценки (4) при

n m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что

M (R) =

lim

 

T (z)e

R

(C

)

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

(z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max T (z)

=

max

m

 

0

при

R , значит,

согласно лемме Жордана,

 

 

z (CR ) Q

(z)

 

 

z (CR )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iλz

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

, и тогда из формулы (7) при R

следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T (x)e

iλx

dx = iσ

 

(8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x)e

iλx

dx =

 

T (x) cos λxdx + i

 

T (x) sin λxdx,

то, приравнивая действительные и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мнимые части обеих сторон равенства (8), получаем формулы (6). ■

Замечание. Из доказательства теоремы 2 видно, что в левой части формулы (8), а, значит, и в левых частях формул (6) несобственные интегралы понимаются в смысле главного значения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Вычислить интеграл

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

+ 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

( ze

iz

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ze

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ze

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx = Im

2 i Re s

 

 

 

 

 

 

=

Im 2πi

 

 

 

 

 

 

 

z =2 i

 

 

 

 

Im

 

i

 

 

|z = 2 i

= Im

πie

2

=

 

 

 

 

 

Решение.

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

+ 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z =2 i

z

 

+ 4

 

 

 

 

( z

 

+

4) '

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z =2 i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Рассмотрим

теперь

 

 

R(sin x, cos x)dx ,

 

где

 

 

 

R(x, y) рациональная

 

функция

двух

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z =1

 

переменных.

 

Сделаем

 

 

 

в

 

 

этом

 

интеграле

 

 

 

 

замену

 

ix

,

при

 

 

которой

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z +

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

ix

e

ix

 

z

 

 

z

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

e

ix

+ e

ix

 

 

z

 

 

 

 

z

2

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

sin x =

 

=

 

=

 

, cos x =

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

,

 

 

 

ix

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2i

2i

 

 

 

2iz

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2z

 

dz = ie dx = izdx

dx =

iz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

2

+1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R(sin x, cos x)dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz =

F (z)dz ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= R

2iz

 

 

 

 

 

 

2z

 

iz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|z|=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|z|=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2 1 z2 +1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F (z) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рациональная

 

 

функция

z .

Интеграл

 

в

правой

части

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2iz

 

 

 

2z

 

iz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

формулы (9) считается при помощи основной теоремы о вычетах.

233

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π

 

 

dx

 

Пример. Вычислить интеграл

 

 

 

 

5

+ 4 cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2 π

 

dx

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

Решение.

I =

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

5 + 4 cos x

| z | =1

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

iz 5 + 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2z

 

 

решения уравнения

2z

2

+ 5z

+ 2 = 0

,

т.е.

z

 

= −2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

интегрирования, и I

= −i2 i Re s

 

 

1

 

 

 

= 2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2z

+ 5z + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z =−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

i

 

 

 

dz

 

 

.

Особые точки подынтегральной функции это

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| z | =1

2z

 

+ 5z + 2

 

 

 

 

 

 

z

= −

1

 

 

 

 

z

 

 

и

. Из

 

этих точек лишь

 

находится внутри контура

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

=

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

.

 

 

 

4z +

5 z = −

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

ОСНОВЫ ОПЕРАЦИОННОГО ИСЧИСЛЕНИЯ Оригинал и его изображение

Определение 1. Оригиналом называется любая комплекснозначная функция

действительного аргумента

t

, удовлетворяющая следующим условиям:

 

 

 

 

1)

f (t) определена на всей прямой и

f (t) = 0 при t 0 .

f (t)

2)

f

 

(t)

вместе со своими производными до некоторого (достаточно высокого) порядка

кусочно-непрерывна, т.е. эти функции могут иметь только разрывы 1-го рода в конечном числе в любом конечном интервале.

3)

f (t)

возрастает не быстрее показательной функции, т.е. существуют числа

M 0

и

 

s0 0 такие, что для всех t

| f (t)

функции

f (t)

.

 

 

 

Определение 2. Пусть функция

| Me

s t

; при этом число

s

 

называется показателем роста

0

0

 

 

 

 

 

 

f (t)

является оригиналом. Изображением этой функции

 

(или ее

p = s +iσ

преобразованием Лапласа) называется функция комплексного переменного , определяемая соотношением

F ( p) =

+

 

 

f

0

 

(t)e

pt

dt

 

.

(10)

Формулу (10) мы также будем записывать в виде

f

(t)

F( p)

.

Теорема 3. Изображение

F( p)

определено при

Re p = s

 

несобственный интеграл в формуле (10) сходится (рис. 2).

s0

, т.е. при этом условии

Рисунок 2

234

Аналогично оценкам интеграла в действительной области, имеем:

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

F ( p)

=

 

f (t)e

pt

dt

 

f (t)

e

pt

dt

 

Me

s

t

e

st

 

 

e

iσ t

dt =

Me

s

t

e

st

dt =

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

+

 

 

 

 

 

M

 

 

 

|

+

 

 

 

M

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)

s

s

M

 

 

 

 

 

M

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( s

s)t

 

 

(s

s)t

 

 

 

 

 

 

 

 

(s

s)t

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

e

dt =

 

 

 

e

 

 

 

=

 

 

 

lim e

1

=

 

 

 

(0 1)

=

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

s

 

s

 

 

 

 

0

 

 

 

s

s

 

t →+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

s

 

 

 

 

s s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

что и дает сходимость (даже абсолютную) интеграла в правой части формулы (10). ■

Замечание. Из полученной в ходе доказательства этой теоремы оценки

 

 

 

 

 

 

F ( p)

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

следует также, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

F ( p) = 0 .

 

 

 

 

 

 

Re p→+

 

 

 

 

 

 

Пример. Найти изображение так называемой единичной функции

η(t)

 

 

+

 

 

+

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

F ( p) = η(t)e

pt

 

 

 

pt

 

pt

|

+

 

 

Решение. По определению

dt =

e

dt = −

e

. При

p =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

0

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так как под знаком предела стоит произведение бесконечно малой при

t → +

 

 

(11)

(12)

=

1 при

t 0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

при

t 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s + iσ

и s 0

lim e

pt

=

lim e

st

e

iσ t

= 0

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t → +

 

 

t →+

 

 

 

 

 

функции

e

st

на ограниченную функцию

 

 

 

e

iσ t

 

(

e

iσ t

 

=

1

). Отсюда

η(t )

1

 

 

p

.

Теорема 4. Изображение

F( p)

является в области Re

 

Не вдаваясь в законность приведенных ниже следующей формальной выкладкой:

p = s s0

аналитической функцией.

преобразований, подтвердим это

Проверим существование

F'( p) для каждого

p

из полуплоскости Re

 

 

+

 

 

 

 

/

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F '( p) =

 

f (t)e

pt

dt

 

=

(f (t)e

pt

)

dt = −

tf (t)e

pt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

p

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можно проверить, что последний интеграл сходится. ■

p dt .

s0

:

(13)

Схема применения операционного исчисления состоит в следующем: переходят от данных функций к их изображениям; совершают соответствующие (более простые) операции над полученными изображениями, находя изображение искомой функции; затем по найденному изображению искомой функции находят оригинал – решение исходной задачи.

Приведем (без доказательства) теорему, оправдывающую описанную выше схему применения операционного исчисления.

Теорема 5 (единственности). Если в некоторой полуплоскости Re p s0 F( p) является

изображением двух оригиналов, то эти оригиналы равны во всех точках, где они непрерывны.

Т.е. в точках своей непрерывности оригинал определяется однозначно; в точках же разрыва (1-го рода) значение оригинала может быть любым, так как это значение не влияет на величину интеграла в формуле (10).

235

Свойства преобразования Лапласа

Ниже всюду запись изображение.

f (t) F( p)

будет обозначать, что

f

(t)

оригинал, а

F( p)

его

Теорема 6 (смещения).

Тогда при

Re p s

0

+ Re

 

 

Пусть

f (t) F( p)

при Re p s0

 

 

справедлива формула

 

и

любое комплексное число.

(т.е. в аргументе изображения

 

+

 

 

 

+

 

t

t

 

pt

 

 

 

e

f (t) e

f (t)e

 

dt =

f

 

0

 

 

 

0

 

 

 

t

f (t) F( p )

 

 

e

p

заменяется на p

(t)e

( p)t

dt = F ( p )

 

 

).

в силу формулы (10) при

Re( p )

s0

, т.е. при

Re p Re

s0

,

Re

p

s

0

 

+ Re

.

Пример. Найти изображение функции

e

t

 

, где

произвольное комплексное число.

Решение. Здесь, как и в других примерах ниже, условию 1) определения оригинала удовлетворяет не эта функция, а

функция, равная нулю при отрицательных

t

и равная

e

t

при

t

положительных, т.е. функция

e

t

η(t) . Однако там, где

 

 

это не может привести к недоразумениям, мы будем для простоты записи

η(t)

опускать.

 

 

t

 

t

η(t) ; так как η(t )

1

e

t

η(t)

1

 

 

 

Имеем: e

= e

, то по теореме 6

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

p

 

 

 

Теорема 7 (линейность изображения). Пусть

f1(t) F1( p)

при

Re p s1

и

f

2

(t) F ( p)

 

2

при

Re p s2

. Тогда при

Re p max(s1, s2 )

и

любых комплексных постоянных

справедлива формула c1 f1

(t) + c2 f2 (t) c1F1( p) + c2 F2 ( p) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

 

 

c

f (t) + c

f

 

(t)

 

c

f (t) + c

f

 

(t) e

pt

dt = c

 

f (t)e

pt

dt + c

2

f

 

(t)e

pt

dt =

2

2

 

 

2

 

1

1

2

 

1

1

2

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

c1

и

c

2

 

= c1F1( p)

+ c F ( p)

2

2

. ■

Примеры. Найти изображения функций ( произвольное комплексное число). Решение.

 

 

 

 

e

i t

e

i t

 

 

 

1

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

sin t =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2i

 

 

 

 

 

2i p i

 

 

p + i

 

 

 

 

 

2i

 

p

+

2

 

 

p

2

 

+

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos t =

ei t + ei t

 

 

1

1

 

 

+

 

1

 

 

=

 

 

1

 

 

 

 

2 p

 

 

=

 

 

 

 

 

p

 

;

2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

p + i

 

 

 

p

2

 

+

2

 

 

p

2

 

+

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p i

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e t et

 

1

 

1

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

sh t =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

p

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

p +

 

2 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e t + et

 

1

 

1

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

2 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

ch t =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

p

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

p +

 

2 p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приведем еще один пример применения теорем 6 и 7:

 

t

 

2

 

1

t

 

 

 

 

1

 

p

 

4

 

e

 

sin

 

t =

 

e

(1 cos 2t) ; так как 1

cos 2t = η(t) cos 2t

 

 

=

 

, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

p p2 + 4

 

p( p2 + 4)

et sin2

t

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

( p 1) ( p 1)2

+ 4

 

 

 

 

 

 

 

236

Теорема 8 (дифференцирование оригинала). Пусть

f

(t)

F( p)

при

Re p s0

и

f '(t)

тоже является оригиналом при

где под

f (0)

понимается

lim

f

 

 

 

 

t→+0

 

Re p (t) .

s1

. Тогда при

Re p max(s

, s )

0

1

f '(t) pF( p)

f

(0)

,

Интегрируя по частям, имеем:

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f '(t)

f '(t)e

pt

dt

=

e

pt

df (t) = e

pt

f (t)

|

 

 

f (t)de

pt

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim e

pt

f (t) f (0)

+

 

p

 

f (t)e

pt

dt = pF( p) f (0)

, так как при

 

 

p = s +iσ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t→+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| e

pt

f (t) | | e

st

 

|| e

iσ t

| Me

s t

 

 

 

st

e

s t

 

 

(ss

)t

0

 

при t → + ( s s0 0 ). ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

= Me

 

0

 

= Me

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие. Если оригиналом является не только

f '(t)

, но и следующие производные этой

 

 

 

функции, то из теоремы 8 получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

f

''(t) =

f '(t)

 

 

p

pF ( p) f (0)

f

'(0) = p F ( p) pf (0) f

'(0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

p

2

F ( p) pf (0) f '(0)

 

f

 

 

 

 

3

F ( p) p

2

f (0) pf '(0) f ''(0)

и так

'''(t) = f ''(t)

 

 

 

 

''(0) = p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

далее. В общем случае

 

f

(n)

 

 

 

n

F( p) p

n1

f (0) p

n2

f '(0)

...

f

(n1)

(0) ,

 

 

 

 

(t) p

 

 

 

 

 

 

 

где

f

(k )

(0)

= lim

f

(k )

(t) ,

 

k

= 0, 1,

...,

n 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t→+0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 9 (интегрирование

оригинала). Пусть

f (t) F( p)

при

Re

 

 

 

 

 

 

t

 

F ( p)

 

 

 

непрерывна при t 0 . Тогда при тех же

p

 

f (t)dt

.

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверим, что функция φ(t) =

 

f (t)dt

является оригиналом. Условия 1) и

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оригинала, очевидно, выполняются, условие 3) тоже выполняется:

 

p s0

и

f (t)

 

2) определения

t φ(t) =

0

Так как

φ(t) (

f

p

 

t

 

t

 

 

 

M

 

 

 

(t)dt

f (t)dt M e

s

t

dt =

e

s

t

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

φ(t)

является

оригиналом,

то

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Тогда по теореме 8 имеем:

 

 

 

 

 

t

 

|

=

0

 

она

M

(e

s

t

 

0

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

0

 

 

 

 

имеет

1)

M

e

s

t

.

 

 

0

 

 

s

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

некоторое изображение. Пусть

φ (t) p ( p) φ(0) =

 

t

 

p ( p) lim

f (t)dt

=

t →+0

0

 

 

 

p ( p) lim

f (c) t

t →+0

 

=

p ( p) 0 =

p ( p)

(здесь применены теорема о среднем в определенном интеграле, c между 0 и t , и теорема о произведении бесконечно малой и ограниченной функций).

Но по теореме о производной определенного интеграла по переменному верхнему пределу

φ (t) = f (t) F( p)

, значит

F( p) = p ( p)

, т.е.

( p)

 

 

 

Теорема 10 (дифференцирование изображения).

при тех же p справедлива формула tf (t) F'( p) .

Теорема сразу же следует из формулы (13). ■

=

F ( p)

p

 

Пусть

. ■

f (t)

F( p)

при Re p s0 . Тогда

237

Результат теоремы можно переписать следующим образом:

 

tf

 

 

Следствие. Применяя эту теорему несколько раз, имеем

t

2

f

 

 

…; t

n

f (t) (1)

n

F

(n)

( p) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Найти изображение функций g(t) = t

n

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

( n )

 

(1)

n

n !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

n

n

η(t) (1)

n

= (1)

n

 

=

Решение. При натуральных n имеем:

 

= t

 

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

(t) F' (t) F''(

n !

 

.

p

n +1

 

( p

p) ) ;

.

t

3

f

 

(t) F'''( p)

;

Рассмотренные до сих пор примеры изображений:

 

η(t)

1

sin t

 

 

 

 

p

2

+

2

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

t

 

1

cos t

 

p

 

e

 

2

+

2

 

 

p

p

 

 

 

 

 

 

Пример: Найти изображение функции

 

f (t) = t

 

 

 

можно объединить

sh t

 

 

 

 

p

2

2

 

 

 

 

ch t

 

 

p

 

p

2

2

 

 

 

 

sin t .

в следующую таблицу

t

n

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

n+1

 

 

 

 

Решение.

 

 

1

 

/

 

2 p

 

 

t sin t

2

 

 

=

 

2

 

 

.

p

+ 1

 

 

( p

+

1)

2

 

 

 

 

238

ЛЕКЦИЯ 9

Свойства преобразования Лапласа (продолжение)

Теорема 1 (интегрирование изображения). Пусть

f (t) F( p)

при

Re p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

интеграл

 

F ( p)dp

сходится (здесь под этим интегралом понимается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

s0

и для таких

 

 

P

 

lim

 

 

F ( p)dp ).

 

 

Re P→+

p

 

 

 

 

Тогда этот интеграл является изображением функции

f(t) t

, т.е.

f(t) t

F ( p)dp

p

.

Интеграл в правой части последней формулы имеет вид

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

F ( p)dp =

 

 

 

f (t)ept dt dp

p

 

p

0

 

.

(1)

Предполагая возможность изменить в этой формуле порядок интегрирования (что можно аккуратно проверить), имеем:

 

+

 

pt

 

F ( p)dp =

f (t) e

dp dt

 

p

0

p

 

 

 

 

 

 

 

(2)

Так как произведение бесконечно малой и ограниченной функций есть функция бесконечно

малая, то при

 

 

p = s +iσ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

e

pt

dp = −

e

pt

|

= −

lim e

st

e

iσ t

 

e

pt

 

 

= −

(0 e

pt

) =

e

pt

. Тогда из формулы (2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

t

s→+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

t

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

f (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ( p)dp =

 

 

e

pt

dt

, что и доказывает теорему. ■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

t

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Найти изображение функции

g (t) =

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

t

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 1

 

 

 

 

 

p 1

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dp = ln( p 1)

ln

|

 

 

= ln

 

 

|

 

= ln 1 ln

 

 

= ln

.

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

p 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ f (t)

 

 

pt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание. Теорема 1 означает, что

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

dt = F ( p)dp . Если бы в этой формуле можно

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

было положить, что p = 0 , то она приняла бы вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

f (t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt =

F ( p)dp .

 

 

 

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На самом деле, формула (3) действительно верна. Ее можно применять для вычисления некоторых сходящихся несобственных интегралов от функций действительного переменного.

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

Пример.

Вычислить интеграл

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

+

 

dp2

= arctg

p|0 =

Решение. sin t dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 t

0

p + 1

 

 

 

2

t dt

.

.

239