Интегральные преобразования (стр. 2 из 3)
Толкование теоремы : операция деления на аргумент в области оригиналов соответствует операции интегрирования в пределах от р до ¥ в области изображений.
Понятие о свертке функций. Теорема о свертке.
Пусть заданы две функции a(t) и b(t), удовлетворяющие условиям существования изображения по Лапласу, тогда сверткой таких функций называется следующая функция :
(1)Свертка обозначается следующим образом :
(1’)Равенства (1) и (1’) идентичны.
Свертка функции подчиняется переместительному закону.
Доказательство:
Теорема о умножении изображений. Пусть
и 
, тогда произведение изображений 
представляется сверткой оригиналов 
.Доказательство :
Пусть изображение свертки
(1)Интеграл (1) представляет собой повторный интеграл относительно переменных t и t . Изменим порядок интегрирования. Переменные t и t входят в выражение симметрично. Замена переменной производится эквивалентно.
Если в последнем интеграле сделать замену переменной, то после преобразований последний интеграл преобразуется в функцию F2(p).
Операция умножения двух функций в пространстве изображений соответствует операции свертки их оригиналов в области оригиналов. Обобщением теоремы о свертке есть теорема Эфроса.
Теорема Эфроса. Пусть функция
находится в области оригиналов, 
, а Ф(р) и q(р) – аналитические функции в области изображений, такие, что 
, тогда 
.В практических вычислениях важную роль играет следствие из теоремы о свертке, наз. интеграл Дюамеля. Пусть все условия теоремы выполняются, тогда
(2)Соотношение (2) применяется при решении дифференциальных уравнений.
Обратное преобразование Лапласа.
- Это прямое преобразование Лапласа.Обратное преобразование есть возможность получить функцию-оригинал через известную функцию-изображение :
,где s – некоторая константа.Пользоваться формулой для обратного преобразования можно при определенном виде функции F(p), либо для численного нахождения функции-оригинала по известному изображению.
Теоремы разложения.
Известная методика разложения дробно-рациональных функций на сумму элементарных дробей (1)-(4) может быть представлена в виде двух теорем разложения.
Первая теорема разложения. Пусть F(p) – изображение некоторой функции, тогда эта функция представляется в виде
, k – постоянная, может быть сколь угодно большим числом, 
, то возможен почленный переход в пространство оригиналов с помощью формулы : 
.Вторая теорема разложения. Если изображение представляется дробно-рациональной функцией
. Степень числа s меньше степени знаменателя n, знаменатель имеет корни a1, a2, …, an соответствующий кратности k1, k2, …, kn , при этом k1+ k2 +…+ kn = n. В этом случае оригинал функции определяется по формуле : 
(3)Например :
Связь между преобразованиями Фурье и Лапласа.
Преобразование Лапласа имеет вид :
(1)На f(t) наложены условия :
1) f(t) определена и непрерывна на всем интервале: (-¥ ; ¥ )
2) f(t) º 0 , tÎ (- ¥ ;0)
3) При M, S0 >0 , для всех t > 0 выполняется условие |f(t)|<MeS0t
Если отказаться от условий 2 и 3, и считать, что f(t) принимает произвольное значение при t < 0, то вместо (1) можно рассмотреть следующий интеграл :
(2)Формула (2) – двустороннее преобразование Лапласа.
Пусть в (1) и (2) p =a + in, где a и n – действительные числа.
Предположим, что Re(p) = a = 0, т.е.
(4) 
(5)(4) и (5) соответственно односторонние и двусторонние преобразования Фурье.
Для существования преобразования Фурье, функция должна удовлетворять условиям :
1) Должна быть определена на промежутке (-¥ ; ¥ ) , непрерывна всюду, за исключением конечного числа точек разрыва первого рода.
2) Любой конечный промежуток оси t можно разделить на конечное число промежутков, в каждом из которых функция либо кусочно-гладкая, либо кусочно-монотонная.
3) Функция абсолютно интегрируема :
, это условие выполняется, если |f(t)|<MeS0tИз существования преобразования Лапласа не следует преобразование Фурье. Преобразования Фурье существуют для более узкого класса функций. Преобразования Фурье не существуют для постоянной и ограниченной функции : f(t) = C
Аналогично преобразования Фурье не существуют и для гармоничных функций :
т.к. 
Если f(t) = 0 при t>0 и преобразование для этой функции существует, то оно может быть получено из таблицы оригиналов и изображений для преобразования Лапласа путем замены параметра t на iu, но при этом необходимо убедиться, что F(p) не обращается в число справа от мнимой оси.
Если f(t) ¹ 0, t<0
(6) 
Обозначим
Очевидно, что
(6’)Функция (6) называется спектральной плотностью
В связи с изложенным можно указать два пути отыскания спектральной плотности :
1) Вычисление интеграла (5)
2) Использование преобразования Лапласа или Фурье.
Непосредственное вычисление спектральной плотности для абсолютно интегрируемой функции.
Функция F(iu) может быть представлена, как комплексная функция действительной переменной
(7)|F(iu)| - амплитудное значение спектральной плотности, y (u) – фазовый угол.
В алгебраической форме : F(iu) = a(u) +ib(u)
(8) 
(9)Для непосредственного вычисления спектральной плотности вычисляется интеграл (6), а затем по формулам (8) и (9) определяется амплитудное значение |F(iu)| и фазовый угол y (u).
Пример.
Найти спектральную плотность импульса :
откуда
, далее