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ラプラス変換へんかん

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関数かんすう変換へんかん

関数かんすう解析かいせきがくにおいて、ラプラス変換へんかん(ラプラスへんかん、えい: Laplace transform)とは、積分せきぶん定義ていぎされる関数かんすう空間くうかんあいだ写像しゃぞう線型せんけい作用素さようそ)の一種いっしゅ関数かんすう変換へんかん積分せきぶん変換へんかん一種いっしゅ

ラプラス変換へんかん18世紀せいき数学すうがくしゃピエール=シモン・ラプラスにちなむ。

ラプラス変換へんかんによりあるしゅ微分びぶん積分せきぶんせきなどの代数だいすうてき演算えんざんわるため、制御せいぎょ工学こうがくなどにおいて時間じかん領域りょういきの(とくに超越ちょうえつてきな)関数かんすうべつ領域りょういきの(おもに代数だいすうてきな)関数かんすう変換へんかんすることにより、計算けいさん方法ほうほう見通みとおしをくするための数学すうがくてき道具どうぐとしてもちいられる。したがって、数学すうがくなかではかなり応用おうようりの分野ぶんやである。

フーリエ変換へんかん発展はってんさせて、より適用てきよう範囲はんいひろげた計算けいさん手法しゅほうである。1899ねん電気でんき技師ぎしであったオリヴァー・ヘヴィサイド回路かいろ方程式ほうていしきくための実用じつようてき演算えんざん経験けいけんそくとして考案こうあんして発表はっぴょうし、のち数学すうがくしゃがその演算えんざんたい厳密げんみつ理論りろんてき裏付うらづけをおこなった経緯けいいがある。理論りろんてき根拠こんきょ曖昧あいまいなままで発表はっぴょうされたため、この計算けいさん手法しゅほうたいする懐疑かいぎてきこえおおかった。この「ヘヴィサイドの演算えんざん」の発表はっぴょうのちに、おおくの数学すうがくしゃたちにより数学すうがくてき基盤きばん1780ねん数学すうがくしゃピエール=シモン・ラプラス著作ちょさくにあること指摘してきされた(この著作ちょさくにおいてラプラス変換へんかん公式こうしき頻繁ひんぱんあらわれていた)。

フーリエ変換へんかんがL^1((-∞,∞))じょうゲルファント変換へんかんであるのにたいしラプラス変換へんかんはL^1((0,∞))じょうゲルファント変換へんかん説明せつめいできる。


これと類似るいじ解法かいほうとして、より数学すうがくてき側面そくめんからつくられた演算えんざんほうがある。こちらは演算えんざん記号きごう多項式たこうしき見立みたてて、代数だいすうてき変形へんけいし、公式こうしきもとづいてとくかいもとめる方法ほうほうである。

定義ていぎ

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実数じっすう t ≥ 0 について定義ていぎされた関数かんすう f (t)ラプラス変換へんかんとは

定義ていぎされる s関数かんすう F(s) のことである。ここで s複素数ふくそすうであり、2 つの実数じっすう σしぐま, ωおめがもちいて s = σしぐま + iωおめがあらわすことができる(i虚数きょすう単位たんい)。右辺うへん積分せきぶんラプラス積分せきぶん (Laplace integral)ばれる。これは時間じかん領域りょういきから複素ふくそ平面へいめんへの写像しゃぞうである。

また、c > 0 として、関数かんすう F(s) からもと関数かんすう f (t)計算けいさんすることをぎゃくラプラス変換へんかん (inverse Laplace transform) といい、

のように定義ていぎされている。ここでcはすべての特異とくいてんよりもおおきい実数じっすうである。右辺うへん積分せきぶんブロムウィッチ積分せきぶん (Bromwich integral)ばれる。これは複素ふくそ平面へいめんから時間じかん領域りょういきへの写像しゃぞうである。

複素ふくそ平面へいめんもちいたブロムウィッチ積分せきぶん解説かいせつ

これは複素ふくそ積分せきぶんとなっている。定義ていぎどおりの積分せきぶん経路けいろでは計算けいさんむずかしくなるが、閉曲線へいきょくせんとなるように積分せきぶん経路けいろ変更へんこうしてとめすう計算けいさんすることにより簡単かんたんぎゃくラプラス変換へんかんもとめること可能かのうとなる。結果けっかえば複素ふくそ平面へいめんじょうすべての特異とくいてんとめすう総和そうわとなる。ここで、f (t)はら関数かんすう (original function)F(s)ぞう関数かんすう (image function) という。

ラプラス変換へんかんほか記述きじゅつ仕方しかたとして、つぎのようなものもある。

同様どうようぎゃくラプラス変換へんかんは、つぎのようにも記述きじゅつされる。

また、これらの記号きごうもちいた写像しゃぞう

のことも、それぞれラプラス変換へんかんぎゃくラプラス変換へんかんぶ。

普通ふつう、ラプラス変換へんかんおよびぎゃくラプラス変換へんかんおこなさいには変換へんかんひょう参照さんしょうして計算けいさんする場合ばあいおおいので、前述ぜんじゅつした定義ていぎしきにしたがって計算けいさんすることはすくない。だが場合ばあいによっては定義ていぎしきから計算けいさんしたほうが簡単かんたんなときもある。たとえばぎゃくラプラス変換へんかんをするさい部分ぶぶん分数ぶんすう分解ぶんかいをしなければならない場合ばあい、むしろブロムウィッチ積分せきぶん計算けいさんしたほうがはやいこともおおい。

ちゅう
ラプラス変換へんかんは、関数かんすう f (t) にいったん eσしぐまtθしーた(t)じょうじてからフーリエ変換へんかんする操作そうさであるとかんがえることができる(ここで θしーた(t)ステップ関数かんすうである)。

両側りょうがわラプラス変換へんかん

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両側りょうがわラプラス変換へんかん積分せきぶん区間くかんぜん実数じっすういきへと拡張かくちょうしたもので、以下いかのように定義ていぎされる。

はは関数かんすうとの関係かんけい

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数列すうれつ an の(通常つうじょうがたはは関数かんすう

において x = es とすると、

となる。 ここで積分せきぶんえれば

となり、関数かんすう at のラプラス変換へんかん一致いっちする。この意味いみにおいてラプラス変換へんかんはは関数かんすうの「連続れんぞくばん」とみなすことができる。 こうした理由りゆうにより、はは関数かんすうとラプラス変換へんかん同種どうしゅ性質せいしつたすことがある。たとえばはは関数かんすう性質せいしつ

はラプラス変換へんかん性質せいしつ

対応たいおうする。ここで *たたせき

性質せいしつ

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ラプラス変換へんかんぎゃくラプラス変換へんかんたがいにぎゃく変換へんかんである。

ここで、I恒等こうとう変換へんかんあらわす。

線型せんけいせい

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ラプラス変換へんかん線型せんけいせいち、したがってとくかさわせの原理げんりもちいて計算けいさんすることが可能かのうである。ラプラス変換へんかん線型せんけいせいつとは、任意にんい関数かんすう f(t), g(t)たいして

つということである。ただし、a, bt関係かんけいしない定数ていすうぎゃくラプラス変換へんかん同様どうよう線形せんけいせいち、

つ。したがって、あたえられた関数かんすう部分ぶぶん分数ぶんすう分解ぶんかいできるとき、かく因子いんしがラプラス変換へんかんひょうにあるものに合致がっちすれば、その変換へんかんもとめられる。

相似そうじせい

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a > 0 のとき、

成立せいりつする。

微分びぶんしき

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時間じかん tかんするしるべ関数かんすうのラプラス変換へんかん多項式たこうしきとなってあらわれる。実際じっさいに、いちかいしるべ関数かんすうをラプラス変換へんかんすると以下いかのように f (0)もとしき0代入だいにゅうした)があらわれる。

また、かいしるべ関数かんすう場合ばあいf (0)くわえ、t = 0 における微分びぶん係数けいすう f'(0)あらわれる。

これをかえすと、一般いっぱんn かいしるべ関数かんすうのラプラス変換へんかん以下いかのようになる。


積分せきぶんしき

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たた

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関数かんすうたたはラプラス変換へんかんせきごとのせき)にうつされる。

これは、H(s) = F(s)G(s) かつ

ならば

くこともできる。

初期しょき定理ていり最終さいしゅう定理ていり

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ラプラス変換へんかんげん関数かんすう初期しょきt = 0 での)や最終さいしゅうt → ∞ における極限きょくげん)をあらわ初期しょき定理ていり (initial value theorem) および最終さいしゅう定理ていり (final value theorem)ばれる公式こうしき以下いかのようなしきによってあたえられる。

初期しょき定理ていり
t関数かんすう f (t)t = 0連続れんぞくならば
つ。とくに、f微分びぶん可能かのうなときは部分ぶぶん積分せきぶんにより容易ようい証明しょうめいできる。
最終さいしゅう定理ていり
t関数かんすう f (t)t → ∞収束しゅうそくするなら
つ。ただし、Δでるた0s > 0ふくかく領域りょういきである。

性質せいしつ一覧いちらんひょう

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  • ひょうちゅう凡例はんれい
 : ヘビサイド関数かんすう
 : fgたた
 : f (t)1 かい微分びぶん
 : f (t)n かい微分びぶん
片側かたがわラプラス変換へんかん性質せいしつ(その 1)
性質せいしつ はら関数かんすう

('t' 領域りょういき / 時間じかん領域りょういき
ぞう関数かんすう

('s' 領域りょういき / 周波数しゅうはすう領域りょういき
備考びこう
線形せんけいせい
相似そうじせい ただし、a > 0
移動いどう
移動いどうだい 2 のり
ただし、λらむだ > 0
1 かい微分びぶん ただし、ƒ1 かい微分びぶん可能かのうとする。
2 かい微分びぶん ただし、ƒ2 かい微分びぶん可能かのうとする。
n かい微分びぶん ただし、ƒn かい微分びぶん可能かのうとする。
積分せきぶん
ただし、n ≥ 1
たた
周期しゅうき関数かんすう f (t)周期しゅうき T周期しゅうき関数かんすう
片側かたがわラプラス変換へんかん性質せいしつ(その 2)
性質せいしつ ぞう関数かんすう

('s' 領域りょういき / 周波数しゅうはすう領域りょういき
はら関数かんすう

('t' 領域りょういき / 時間じかん領域りょういき
備考びこう
移動いどう
1 かい微分びぶん ただし、F1 かい微分びぶん可能かのうとする。
2 かい微分びぶん ただし、F2 かい微分びぶん可能かのうとする。
n かい微分びぶん ただし、Fn かい微分びぶん可能かのうとする。
積分せきぶん
たた

変換へんかんひょう

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変換へんかんひょう はら関数かんすう

't' 領域りょういき / 時間じかん領域りょういき
ぞう関数かんすう

's' 領域りょういき / 周波数しゅうはすう領域りょういき
収束しゅうそくいき
単位たんいインパルス
単位たんいステップ関数かんすう
ランプ関数かんすう
n
n整数せいすう

q
q複素数ふくそすう

n
指数しすう減衰げんすい
n じょう指数しすう減衰げんすい
理想りそう遅延ちえん
遅延ちえん単位たんいステップ関数かんすう
遅延ちえんn じょう指数しすう減衰げんすい
指数しすう関数かんすうてき接近せっきん
正弦せいげん関数かんすう
余弦よげん関数かんすう
双曲線そうきょくせん正弦せいげん関数かんすう
(ハイパボリックサイン)
双曲線そうきょくせん余弦よげん関数かんすう
(ハイパボリックコサイン)
正弦せいげん指数しすう減衰げんすい
余弦よげん指数しすう減衰げんすい
自然しぜん対数たいすう
だい 1 しゅベッセル関数かんすう
だい 1 しゅ変形へんけいベッセル関数かんすう
だい 2 しゅベッセル関数かんすう
次数じすう0場合ばあい
だい 2 しゅ変形へんけいベッセル関数かんすう
次数じすう0場合ばあい
   
誤差ごさ関数かんすう
凡例はんれい

関連かんれん文献ぶんけん

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  • 宇野うの利雄としおひろし姙植『ラプラス変換へんかん共立きょうりつ出版しゅっぱん共立きょうりつ全書ぜんしょ 203〉、1974ねん9がつ25にちISBN 978-4-320-00203-6 
  • 辻井つじい重男しげお鎌田かまた一雄かずお演習えんしゅうラプラス変換へんかん共立きょうりつ出版しゅっぱん共立きょうりつ全書ぜんしょ 222〉、1978ねん8がつISBN 978-4-320-00222-7 

関連かんれん項目こうもく

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外部がいぶリンク

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