Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

2.12 Laplace transforms

55

 

 

2.12 Laplace transforms

Laplace transform theorems

 

Definitiona

F(s) = L{f(t)} = 0

f(t)est dt

 

 

 

 

 

(2.514)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Convolutionb

F(s) · G(s) = L &0

f(tz)g(z) dz'

 

 

 

(2.515)

 

 

 

 

 

 

 

 

= L{f(t) g(t)}

 

 

 

 

 

 

 

(2.516)

 

 

 

 

 

 

1

 

γ+i∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(t) =

 

 

γ−i∞

estF(s) ds

 

 

 

 

 

 

 

(2.517)

 

 

Inversec

2πi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= residues

 

 

(for t > 0)

 

 

 

 

 

(2.518)

 

 

 

 

 

dnf(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

drf(t)

 

 

 

 

Transform of

L &

 

 

 

 

'= s

 

L{f(t)} − r=0 s

− −

1

 

 

t=0

 

 

derivative

 

dtn

 

 

dtr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.519)

 

 

Derivative of

 

dnF(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

transform

 

 

 

= L{(−t)nf

(t)}

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.520)

 

 

 

dsn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Substitution

F(sa) = L{eatf(t)}

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.521)

 

 

 

easF(s) =

L{

u(t

a)f(t

a)

}

 

 

 

 

 

(2.522)

 

 

Translation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 (t < 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

 

u(t) = "1

 

 

(t > 0)

 

 

 

 

 

 

 

(2.523)

 

L{}

Laplace

2

transform

 

 

 

F(s)

L{f(t)}

 

G(s)

L{g(t)}

 

convolution

γconstant

ninteger > 0

aconstant

u(t) unit step function

aIf

|

es0tf(t)

|

is finite for su ciently large t, the Laplace transform exists for s > s0.

b

 

 

 

 

Also known as the “faltung (or folding) theorem.”

cAlso known as the “Bromwich integral.” γ is chosen so that the singularities in F(s) are left of the integral line.

56 Mathematics

Laplace transform pairs

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(t) = F(s) = L{f(t)} = 0

f(t)est dt

(2.524)

 

 

δ(t) = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.525)

 

 

1

= 1/s

(s > 0)

 

(2.526)

 

 

tn

=

n!

(s > 0, n > −1)

(2.527)

 

 

sn+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t1/2

=

π

 

 

 

(2.528)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4s3

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

t−1/2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.529)

 

 

s

 

 

 

 

 

eat

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

(s > a)

 

(2.530)

 

 

sa

 

 

 

teat

=

 

1

 

 

 

 

 

(s > a)

 

(2.531)

 

 

(sa)2

 

 

 

(1

at)eat

=

 

s

 

 

 

 

(2.532)

 

+ a)2

 

 

 

 

 

(s

 

 

 

 

 

 

t2eat

=

 

2

 

 

 

 

 

 

 

(2.533)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ a)3

 

 

 

 

 

 

(s

 

 

 

 

 

 

sinat =

 

a

(s > 0)

 

(2.534)

 

 

 

 

 

 

 

s2 + a2

 

 

 

cosat =

 

s

(s > 0)

 

(2.535)

 

 

 

 

 

 

 

s2 + a2

 

 

 

sinhat =

 

a

(s > a)

 

(2.536)

 

 

 

 

 

 

 

s2 a2

 

 

 

coshat =

 

s

 

(s > a)

 

(2.537)

 

 

s2

 

 

 

a2

 

ebt sinat =

 

a

 

 

 

(2.538)

 

+ b)2 + a2

 

 

 

 

(s

 

 

ebt cosat =

 

s+ b

 

(2.539)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ b)2 + a2

 

 

 

 

(s

 

 

 

eatf(t) = F(s+ a)

 

 

 

(2.540)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.13 Probability and statistics

57

 

 

2.13Probability and statistics

Discrete statistics

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi

 

data series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mean

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

 

series length

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

x = N i=1 xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.541)

 

 

mean value

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

var[

]

unbiased

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Variancea

var[x] =

 

N

 

 

1

 

 

(xi x )2

 

 

 

 

 

 

(2.542)

·

 

variance

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Standard

σ[x] = (var[x])1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.543)

σ

 

standard

 

 

deviation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

deviation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

Skewness

skew[x] =

 

 

 

N

 

 

xi x

(2.544)

 

 

 

 

 

(N

 

 

 

1)(N

 

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kurtosis

kurt[x]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi x

 

 

 

3

 

(2.545)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N i=1

 

 

σ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

(xi x )(yi y )

 

 

 

 

x,y

 

data series to

 

 

Correlation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

correlate

 

 

r =

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

(2.546)

 

 

 

 

 

 

N (xi

 

 

y )2

 

 

 

 

 

 

coe cientb

 

 

 

 

x )2

 

N

(yi

 

 

r

 

correlation

 

 

 

i=1

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

coe cient

 

aIf x is derived from the data, {xi}, the relation is as shown. If x is known independently, then an unbiased estimate is obtained by dividing the right-hand side by N rather than N − 1.

bAlso known as “Pearson’s r.”

Discrete probability distributions

distribution

pr(x)

mean

variance

domain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

binomial

Binomial

xn px(1 − p)nx

np

np(1 − p)

(x = 0,1,... ,n)

(2.547)

x

coe cient

Geometric

(1

p)x−1p

1/p

(1

p)/p2

(x = 1,2,3,...)

(2.548)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Poisson

λx exp(−λ)/x!

λ

λ

 

 

(x = 0,1,2,...)

(2.549)

 

 

58 Mathematics

Continuous probability distributions

distribution

 

pr(x)

 

 

 

 

 

 

mean

variance

 

 

domain

 

 

 

 

Uniform

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a+ b

(ba)2

 

 

(a

x

b)

 

 

(2.550)

 

 

b

a

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Exponential

 

λexp(−λx)

 

 

1

 

 

 

 

(x ≥ 0)

 

 

 

(2.551)

Normal/

 

 

 

 

1

 

 

 

exp

−(xµ)2

µ

 

 

σ2

 

 

 

 

(

 

 

 

< x <

 

)

(2.552)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gaussian

 

 

σ2π

 

 

 

2σ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

Chi-squared

a

 

ex/2x(r/2)−1

 

 

 

r

2r

 

 

 

 

(x ≥ 0)

 

 

 

(2.553)

 

 

2r/2Γ(r/2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ2

 

 

 

2σ2

 

 

(

 

 

 

 

4 !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rayleigh

 

 

x

exp

x2

 

 

σ π/2

2σ2

1

 

π

(x

 

0)

 

 

 

(2.554)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cauchy/

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

(none)

(none)

 

 

 

(−∞ < x < ∞)

(2.555)

Lorentzian

 

 

π(a2 + x2)

 

 

 

 

 

aWith r degrees of freedom. Γ is the gamma function.

Multivariate normal distribution

 

 

 

 

 

 

 

 

$

 

pr

probability density

 

 

 

exp

1 (x

µ)C−1(x

µ)T

 

k

number of dimensions

Density function

pr(x) =

 

2

 

 

 

 

 

#

(2π)k/2[det(C)]1/2

 

 

C

covariance matrix

 

 

 

 

 

 

 

(2.556)

x

variable (k dimensional)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ

vector of means

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

transpose

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mean

µ = (µ12,... ,µk)

 

(2.557)

det

determinant

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µi

mean of ith variable

Covariance

C = σij = xixj

xi

xj

(2.558)

σij

components of C

Correlation

r =

σij

 

 

 

(2.559)

r

correlation coe cient

coe cient

σiσj

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

 

xi

normally distributed deviates

Box–Muller

x1 = (−2lny1)1/2 cos2πy2

(2.560)

yi

deviates distributed

transformation

x2 = (−2lny1)

sin2πy2

(2.561)

 

uniformly between 0 and 1

 

 

2.13 Probability and statistics

59

 

 

Random walk

One-

pr(x) =

 

 

 

 

1

 

 

 

exp

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dimensional

 

(2πNl2)1/2

 

 

2Nl2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.562)

rms

xrms = N1/2l

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.563)

displacement

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

pr(r) =

 

 

 

 

 

exp(−a2r2)

(2.564)

Three-

 

 

π1/2

 

dimensional

 

 

 

 

 

!

3

 

 

1/2

 

 

where a =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2Nl2

 

 

 

 

r =

8

 

1/2

 

 

 

 

 

 

Mean distance

 

 

 

N1/2l

 

 

(2.565)

 

 

 

 

 

 

3π

 

 

 

 

 

rms distance

rrms = N1/2l

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.566)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdisplacement after N steps (can be positive or negative)

pr(x) probability density of x

2

 

(%pr(x) dx = 1)

N

number of steps

 

lstep length (all equal)

xrms root-mean-squared displacement from start point

rradial distance from start point

pr(r) probability density of r (%04πr2 pr(r) dr = 1)

a(most probable distance)−1

r mean distance from start point

rrms

root-mean-squared distance

 

from start point

Bayesian inference

Conditional

 

 

 

 

 

 

 

 

pr(x)

 

probability (density) of x

pr(x) =

pr(x

y

)pr(y

) dy

(2.567)

pr(x

y

 

conditional probability of x

 

 

probability

 

 

|

 

 

 

 

|

 

)

given y

Joint

pr(x,y) = pr(x)pr(y|x)

 

 

(2.568)

pr(x,y)

joint probability of x and y

probability

 

 

Bayes’ theorema

pr(y

x) =

pr(x|y) pr(y)

 

 

(2.569)

 

 

 

 

 

|

 

pr(x)

 

 

 

 

 

 

 

aIn this expression, pr(y|x) is known as the posterior probability, pr(x|y) the likelihood, and pr(y) the prior probability.