傅里叶变换及拉普拉斯变换的比较研究
学号1109141006
论文
课题:拉氏变换和傅里叶变换的关系
学生姓名:陈兴宇
院系:电气工程学院
专业班级:2011级电气工程及其自动化(1)班指导教师:董德智
二0一三年六月
1 傅里叶变换与拉普拉斯变换简介 (2)
1.1 傅里叶变换 (2)
1.1.1 傅里叶变换的历史由来 (2)
1.1.2 傅里叶变换的定义 (2)
1.1.3 傅里叶变换与逆变换的性质 (3)
1.2 拉普拉斯变换 (4)
1.2.1 拉普拉斯变换的历史由来 (5)
1.2.2 拉普拉斯变换的定义 (5)
1.2.3 拉普拉斯变换与逆变换的性质 (6)
1.3 小结 (7)
2 傅氏变换与拉氏变换的比较研究 (7)
2.1 两种积分变换在求解广义积分中的应用 (7)
2.2 两种积分变换在求解积分、微分方程中的应用 (10)
2.3 两种积分变换在求解偏微分方程中的应用 (12)
2.4 两种积分变换在电路理论中的应用 (16)
3 总结 (20)
参考文献 (23)
1 傅里叶变换与拉普拉斯变换简介
人们在处理与分析工程实际中的一些问题时,常常采取某种手段将问题进行转换,从另一个角度进行处理与分析,这就是所谓的变换。在数学、物理、工程技术等领域中应用最多的是傅里叶变换与拉普拉斯变换。下面对傅氏变换与拉氏变换进行简单的介绍。 1.1 傅里叶变换
1.1.1 傅里叶变换的历史由来
17世纪和18世纪,在牛顿和莱布尼茨等科学巨人的推动下,数学获得了飞速的发展。随着函数、极限、微积分和级数理论的创立,法国数学家傅里叶在研究热传导问题时发表了《热的解析理论》的论文[1],提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理,奠定了傅里叶变换的理论基础。其后,泊松、高斯等人最早把这一成果应用到电学中去。时至今日,傅里叶分析法不仅广泛应用与电力工程、通信和控制领域中,而且在力学、光学、量子物理和各种线性系统分析等许多有关数学、物理和工程技术领域中都得到了广泛而普遍的应用。 1.1.2 傅里叶变换的定义
由《数学物理方法》课程的知识可知,对于(),-∞+∞上的非周期函数()f t 有如下的傅里叶积分定理[2]: 设()f t 在(),-∞+∞上有定义,且
①在任一有限区间上满足狄利克雷条件[3](即连续或有有限个第一类间断点,并且只有有限个极值点);
②在无限区间(),-∞+∞上绝对可积,即
()f t +∞
-∞
<+∞?
则有傅里叶积分公式
1
()()2i i t f t f e d e d ωτωττωπ
+∞
+∞--∞
-∞??=
????
?
? (1-1) 在()f t 的连续点x 处成立,而在()f t 的第一类间断点0x 处,右边的积分应以
()001
0(0)2
f x f x ++-????代替。
在傅里叶积分公式(1-1)中,若令
()()i t F f t e dt ωω+∞
--∞
=?
(1-2)
则
1()()2i t f t F e d ωωωπ
+∞
-∞
=
?
(1-3)
从(1-2)、(1-3)两式可以看出()f t 和()F ω可以通过积分运算相互表达。(1-2)式叫做()f t 的傅里叶变换式,可记为:
(ω)=[(t)]F f F
(ω)F 叫做()f t 的像函数。(1-3)式叫做(ω)F 的傅里叶逆变换式,可记为
1
()[(ω)]f t F -=F
()f t 叫做(ω)F 的像原函数。
1.1.3 傅里叶变换与逆变换的性质
下面来介绍傅里叶变换的几个基本性质(假定在这些性质中,凡是需要求傅里叶变换的函数都满足傅里叶积分定理中的条件): 1) 线性性质:
设11(ω)[()]F f t =F ,22(ω)[()]F f t =F ,,αβ是常数,则
121212[()()][()][()](ω)(ω)f t f t f t f t F F αβαβαβ+=+=+F F F
同样,对傅里叶逆变换也有类似的线性性质,即
1
1212[(ω)(ω)]()()F F f t f t αβαβ-+=+F
2) 位移性质 设0t 为任意常数,则
0ω0[()][()]i t f t t e f t ±±=F F
同样,傅里叶逆变换也具有类似的位移性质,即
0ω1
0[(ωω)]()i t F f t e ±-=F
3) 延迟性质 设0ω为任意常数,则
0ω0[()](ωω)i t e f t F =-F
4) 微分性质 若lim ()0t f t →+∞
=则
[()]ω[()]f t i f t '=F F
一般地,若()lim ()0k t f t →+∞
= (0,1,2
,1)k n =-,则
()[()](ω)[()]n
n f t i f t =F F
同样,像函数的导数公式为
(ω)[()]ω
d
F i tf t d =-F , 一般地,有
(ω)()[()]ω
n n n
n
d F i t f t d =-F 5) 积分性质
设()()t
g t f t dt -∞=?,若t →+∞时()0g t =,则
1
[()][()]ω
g t f t i =
F F 6) 卷积定理
已知函数1()f t 和2()f t ,则定义积分12()()f f t d τττ+∞
-∞
*-?为函数1()f t 和2()
f t 的卷积,记为12()()f t f t *,即
1212()()()()f t f t f f t d τττ+∞-∞
*=*-?
假定1()f t ,2()f t 都满足傅里叶积分定理中的条件,且11(ω)[()]F f t =F ,
22[()](ω)f t F =F ,则有
12121212[()()](ω)(ω)1
[()()](ω)(ω)2f t f t F F f t f t F F π*=???
??=*??
F F 上式称之为卷积定理[4]。 1.2 拉普拉斯变换
1.2.1 拉普拉斯变换的历史由来
19世纪末,英国工程师赫维赛德发明了“运算法”(算子法)[5]解决电工程计算中遇到的一些基本问题。他所进行的工作成为拉普拉斯变换方法的先驱。赫维赛德的方法很快地被许多人采用,但是缺乏严密的数学验证,曾经受到某些数学家的谴责。而赫维赛德以及另一些追随他的学者(例如卡尔逊、布罗姆维奇……等人)坚信这一方法的正确性,继续坚持不懈地深入研究。后来,人们终于在法国数学家拉普拉斯的著作中为赫维赛德运算法找到了可靠的数学依据,重新给予严密的数学定义,为之取名拉普拉斯变换(简称拉氏变换)方法。 1.2.2 拉普拉斯变换的定义
从《数学物理方法》课程中我们知道,任意函数()f t (在0t <时()0f t ≡),的拉普拉斯变换为[6]:
()[()]()st F s f t f t e dt +∞-==?
L (1-4)
其逆变换为:
11()[()]()2βi st
βi f t F s F s e ds i
π+∞--∞==
?L (1-5) 函数()F s 称为()f t 的像函数,()f t 称为()F s 的像原函数。函数() (t 0)f t ≥的拉普拉斯变换实际上是一种特殊的傅里叶变换[7]。
拉氏变换的存在条件,要满足下述拉普拉斯变换的存在定理[8]: 若函数()f t 满足下列条件: 1) 当0t <时,()0f t =;
2) 当0t ≥时,()f t 及()f t '除去有限个第一类间断点以外,处处连续; 3) 当t →+∞时, ()f t 的增长速度不超过某一个指数函数,亦即存在常数
M 及00β≥,使得
0() (0)βt f t Me t ≤<<+∞
其中,0β称为()f t 的增长指数。则()f t 的拉氏变换()F s 在半平面0Re s β>上
存在、解析,且当arg 2
s π
δ≤
- (δ是任意小的正数)时,有
lim ()0s F s →∞
=
1.2.3 拉普拉斯变换与逆变换的性质 1) 线性性质
设1122[()](),[()]()f t F s f t F s ==L L ,若α、β是常数,则有
121212111
121212[()()][()][()]()()
[()()][()][()]()()f t f t f t f t F s F s F s F s F s F s f t f t αβαβαβαβαβαβ---+=+=+??+=+=+?L L L L L L 2) 位移性质
若[()]()f t F s =L ,00t >,则
000[()][()]()st st f t t e f t e F s ---==L L
3) 延迟性质
若[()]()f t F s =L ,则有
[()](), Re()at e f t F s a s a c =-->L
4) 微分性质
若[()]()f t F s =L ,则有
2
['()]()(0)[''()]()(0)'(0)
f t sF s f f t s F s sf f =-=--L L
5) 积分性质
若[()]()f t F s =L ,则有
01
[()]()t
f t dt F s s
=?L
此外,由拉普拉斯变换存在定理,还可以得到像函数的积分性质: 若
[()]()f t F s =L ,则有
()[]()s f t F s ds t
+∞=?L
6) 卷积定理
拉氏变换中的卷积还存在着如下的卷积定理[9]:假定1()f t 、2()f t 满足拉普
拉斯变换存在定理中的条件,且1122[()](),[()]()f t F s f t F s ==L L ,则12()()f t f t *的拉氏变换一定存在,且
1212[()()]()()f t f t F s F s *=?L
一般地,有
1212[()()()]()()()n n f t f t f t F s F s F s **
=??
?L
1.3 小结
由以上可以看出,傅氏变换与拉氏变换有许多相似之处。但从(1.2)中我们也可以看出,用傅里叶变换在求解问题时,要求所出现的函数必须在(,)-∞+∞内满足绝对可积(()f t +∞
-∞
<+∞?
)这个条件。该条件的限制是非常强的,以致于
常见的函数,如常数、多项式以及三角函数等,都不能满足这个条件。另一方面,从(2.2)的拉氏变换存在定理可以看出,拉氏变换所要求的条件是很弱的,常见的函数都能进行拉氏变换,这使得拉氏变换在许多领域中的应用极其广泛。下文我们将对两种变换的应用做一介绍。
2 傅氏变换与拉氏变换的比较研究
傅立叶变换与拉普拉斯变换在数学、物理以及工程技术等领域中有着极其广泛的应用。由(一)可知两种变换的性质有很多相似之处,故两者在求解问题时也会有许多类似。另外,由于傅氏变换的积分区间为()+∞∞-,,拉氏变换的积分区间为()+∞,0,两者又会在不同的领域中有着各自的应用。下面我们通过一些具体的例子对两种变换的应用做一些比较研究。 2.1 两种积分变换在求解广义积分中的应用
傅氏变换与拉氏变换都可以用来求解一些用普通方法难以求解的广义积分,下面举例说明:
例1 求函数1 1
()0 t f t ?≤?=???其它的傅里叶积分表达式。
解:由(1-1)式有
ωω1ωω1ωωω1()[()]ω21 =[()]ω21 =ω2ω1sin ω =(cos ωt +isin ωt)d ω
ω
1sin ωcos ωt =ω
ω2sin ωcos ω =ω ,ωi i t
i i t
i i i t
f t f e d e d f e d e d e e e d i d t d ττττπ
ττπ
ππππ+∞+∞--∞-∞+∞--∞--+∞-∞+∞-∞+∞-∞=
-???????0 (t 1)
+∞≠±?
当1t =±时,傅里叶积分收敛于(10)(0)1
22
f f ±++±-=,根据以上的结果可以写
成
(), t 1
2
sin ωcos ωω= 1ω, t=12
f t t d π
+∞
≠±??
?±???
即
, 12sin ωcos ωt ω, 1ω4
0, 1t d t t π
π
+∞??
?==???>??
? 由此可以看出,用傅里叶积分表达式可以推证一些广义积分的结果。本题中,取
0t =则有
sin ωωω2
d π
+∞
=?
, 这个就是著名的狄利克雷积分。
同样,拉普拉斯变换也可以用来求解狄利克雷积分。 例2 求狄利克雷积分[10]
0sin t t t d +∞
? 解:引进参变量x ,设0s i n ()
()xt f x dt t +∞=?,对其求拉普拉斯变换并交换积分
次序,得
sin [()][]1
=[sin()]sx sx xt
f x dt e dx t
xt e dx dt t +∞+∞
-+∞
+∞
-=??
?
?L
由积分表可知22
sin st a
at e dt s a +∞
-?=
+?,则 220220020
1[()]1
=11 =()1()1 =arctan()1 =2
t
f x dt t s t dt
s t t
d t s s
s
t s s s π
+∞
+∞+∞+∞
=?+++?
?
??L
即
1[()] =2f x s π
?L ,
1111()[][]222f x s s πππ
--=?==L L
0sin()2
xt dt t π
+∞=? 取1x =,则有
sin t t t 2
d π+∞
=?
这与(例1)中的结果是完全相同的。
例3 求欧拉-泊松积分2
x e dx +∞
-?
分析:该积分的积分区间是()+∞,0,用拉普拉斯积分变换求解会更加便利 解:由达朗贝尔判别法可知欧拉-泊松积分收敛[11]。
引进参变量t ,使其成为t 的函数,设2
0()tx f t e dx +∞
-=?。对()f t 取拉氏变换并交
换积分次序的,得
2
2
()0
20
02
[()][] =[]1
11
2
tx st x
s t
f t e dx e dt
e dt dx
dx x s d x π+∞+∞
--+∞+∞
-++∞
+∞+∞
==+=
+==
?????L
因为1
2
1()
[]t -Γ==L
11()[22f t π--===
L
取1t =,则有
2
2
x e dx +∞
-=
?
由以上几个例子可以看出,两种变换都可以用来求解广义积分,和普通方法相比[12]该方法简单明了,具有很大的优越性。 2.2 两种积分变换在求解积分、微分方程中的应用
例4 求解积分方程
()()()()g t h t f g t d τττ+∞-∞
=+-?
其中(),()h t f t 都是已知的函数,且()g t 、()h t 和()f t 的傅里叶变换都存在。
分析:该积分方程中的积分区间是()+∞∞-,,故首先应考虑用傅里叶积分变换法求解。积分项内是函数()f t 与()g t 的卷积,对方程两边取傅氏变换,利用卷
积性质便可以很方便的求解该问题。
解:设[()](),[()](ω),[()](ω)g t G w f t F h t H ===F F F 由卷积定义可知
()()()()f g t d f t g t τττ+∞
-∞
-=*?
。因此对原积分方程两边取傅里叶变换,可得
(ω)(ω)(ω)(ω)G H F G =+?
因此有
(ω)
(ω)1(ω)
H G F =
-
由傅里叶逆变换求得原积分方程的解为
ωt
ωt
1()(ω)ω21(ω) =ω
21(ω)i i g t G e d H e d F ππ+∞-∞
+∞-∞=
-??
同样,应用拉普拉斯变换的卷积性质也可以用来求解积分方程。 例5 求积分方程
2
0()()sin t
y t t y t td ττ=+-?
的解。
分析:该积分方程中的积分区间是()t ,0,考虑到拉氏变换卷积性质中函数的积分区间是()t ,0[13],故对原方程两边取拉普拉斯变换,应用相应的卷积性质便可求出该积分方程的解。
解:设[()]()y t Y s =L ,则有,232[]t s =L ,2
1
[sin ]1
t s =+L 。对原方程两边取拉普拉斯变换,由卷积定理得
3221
()()1
Y s Y s s s =
++ 整理得
35
22()Y s s s =
+ 取其逆变换可得
24
24
()2()2()
2!4!112
t t y t t t =+=+, 此即原积分方程的解。
例6 求解线性方程组[14]
322(0)(0)1t
t x x y e y x y e x y '?+-=?'+-=??==?
分析:利用傅氏变换与拉氏变换性质中的微分性质,可以将微分方程转换为像函数的代数方程,使得问题得以解决。但是用傅里叶变换求解问题时,要求所出现的函数必须在(,)-∞+∞内满足绝对可积(()f t +∞
-∞
<+∞?
)这个条件。但是本
题中的t
e 、x 、y 都不满足这个条件,故不能用傅氏变换进行求解。我们采用拉氏变换对该方程组进行求解。
解:设[()](),[()]()x t X s y t Y s ==L L ,对方程组进行拉氏变换得到
1()1()()1
1()13()2()2
1sX s X s Y s s sY s X s Y s s ?
-+-=??-?
?-+-=?-?
解得
1
()()1
X s Y s s ==
-, 拉氏逆变换11
[
]1
t e s -=-L ,故 ()()t
t
x t e
y t e
?=??=?? 即为原方程组的解。
2.3 两种积分变换在求解偏微分方程中的应用
利用傅里叶变换和拉普拉斯变换可以用来求解偏微分方程,下面以《数学物理方法》课程中常常碰到的几种方程进行举例说明。
例7 求解无界弦的自由振动2
000 (-)
|(), |()
tt xx t t t u a u x u x u x ?ψ==?-=∞<<+∞??==??
分析:对于无界区域的定解问题,傅里叶变换是一种普遍使用的求解方法。本题中由于弦的区域是()+∞∞-,,可以用分离变量发进行求解,也可以用傅里叶变换发进行求解。
解:对于(,)u t x 将时间t 看作参数,对x 进行积分,求其傅氏变换并应用傅里叶变换的性质得到
ω[(,)](,)(,ω)i x u t x u t x e dx U t +∞
--∞==?F
ωω[](,)(,ω)i x
i x u u d d e dx u t x e dx U t t t dt dt
+∞+∞---∞-∞??===????F
22
22[](,ω)u d U t t dt
?=?F ω[]ω[(,)]ω(,ω)i x u u e dx i u t x i U t x
x +∞--∞??===???F F
2222[](ω)(,ω)ω(,ω)u
i U t U t x
?==-?F 另设[()](ω),[()](ω)x x ?ψ=Φ=ψF F ,对原定解问题作傅里叶变换得到
222
2
(,ω)ω(,ω)0(,ω)(ω),(,ω)
(ω)
t t U t a U t t U t U t t ==??+=????
??=Φ=ψ???
方程的通解为
ωω(,ω)(ω)(ω)ia t ia t U t A e B e -=+,
将初始条件代入可求得
11
(ω)
(ω)(ω)22ω
11
(ω)(ω)(ω)22ω
A a i
B a i ψ=
Φ+ψ=Φ-
即
ωωωω
11(ω)(,ω)=
(ω)22ω
11(ω) +(ω)22ω
iat iat iat iat U t e e a i e e
a i --ψΦ+ψΦ-
再对(,ω)U t 作傅里叶逆变换,应用傅里叶变换的性质可得方程的解为
11(,)[()()]()22z at
x at
u t x x at x at d a ??ψττ+-=++-+?
这正是《数学物理方法》课程用行波法求解无界弦运动的达朗贝尔公式[15]。
对于半无界弦的振动,一般来说用拉普拉斯变换法求解往往比较方便,下面举例说明:
例8 求解半无界弦的振动问题:
2000 (0
(), lim (,)0 (0)0, 0, (0)
tt
xx x x t t t u a u u x u x t t u u x ?=→+∞
==?=∞??
==≥??==≤<+∞?? 解:对方程两边关于变量t 作拉氏变换, 记[(,)](,),[()]()u x t U x s t s ?==ΦL L ,利用拉普拉斯变换的微分性质及初始条件可得
22222222220[
](,)(,0)(,)[](,)(,0)(,0)(,)[](,)t st
u
sU x s u x sU x s t u
s U x s su x u x s U x s t
u u d e dt U x s x x dx +∞-?=-=??=--=???==???L L L 这样,原定解问题转化为求解含有参数s 的常微分方程的边值问题
2
222
0(,)(,)(), lim (,)0
x x d s U x s a U x s dx U s U x s =→+∞?=??
?=Φ=?
这里,方程是(,)U x s 关于x 的一个二阶常系数齐次线性微分方程,该微分方程的通解为
()()12(,)s s x x a
a
U x s c e
c e
-=+,
由其边界条件可得
12(), 0c s c =Φ=
故
()(,)()s x a
U x s s e
-=Φ
对上式去拉普拉斯逆变换,利用拉氏变换的延迟性质,得到原定解问题的解为
()1
(,)[(,)][()]
0 (t<)() (t ) s
x a
u x t U x s s e
x a x x t a a ?--==Φ?
??=?
?-≥??
L L
例9 利用傅里叶变换求解上半平面无源静电场内电势的定解问题
222222
00 (-
x y u f x u =+→+∞???+=∞∞?????
?==??
分析:本题中的偏微分方程称为二维拉普拉斯方程,它是用来描述稳恒过程的,函数(,)u x y 与时间t 无关。由于x 的变化范围是 (- 解:对方程和边界条件关于x 取傅氏变换,记 22222 22[(,)](ω,)[]ω(ω,)[](ω,)[()](ω) u x y U y u U y x u d U y y dy f x =?=-??=?=F F F F F 这样就把求解原定解问题转化为求解含有参数ω的常微分方程的边值问题 22222 0ωω0(ω), lim lim 0y y y d U U dy U U U =→+∞+→+∞?-=??? ?===?? F 此二阶常系数线性齐次微分方程通解为 ωω12(ω,y)=c (ω)c (ω)y y U e e -+ 代入边界条件有12(ω)(ω)(ω)c c F +=,由l i m 0y U →+ ∞=得1(ω)0c =,因此2(ω)(ω)c F =。 故边值问题的解为 ω(ω,y)=F(ω)y U e - 再对上式两端取傅里叶逆变换,借助于傅里叶积分公式 ω221[ ], Re()0 a e a a t a π=-<+F [16] ,可知ω1221[]y y e x y π--=?+F 。再利用傅里叶变换的卷积性质,可得原定解问题的解为 12222 (,)[(ω,)]()() 1 () = ()y u x y U y f x x y yf d x y πττ π τ-+∞ -∞ ==*+-+? F 由以上几个例题可以看出,傅里叶变换与拉普拉斯变换都可以用来求解偏微分方程,由于在求解偏微分方程时两者都可以将方程化为某个变量的代数方程,使得问题得以简化,故两种积分变换法在求解偏微分方程时有着重大的意义。 2.4 两种积分变换在电路理论中的应用 例10 如图所示的RL 电路中,t u e V -=,1R =Ω,1L H =,求开关S 闭合后回路中的电流()i t 。 图1 解:由基尔霍夫电压定律[17]可得回路方程为 () ()()di t L Ri t u t dt -+= 代入数值,化简为 ()()t i t i t e -'-=- ① 该方程是一阶非齐次线性微分方程,用高等数学的知识进行求解的话,要先求出与之对应的齐次方程的通解与非齐次方程的一个特解。求解步骤比较繁琐,这里我们先采用傅里叶变换法进行求解。设[()]()i t I ω=F ,由傅氏变换的微分性质可得[()]()i t i I ωω'=F 。又1 [()]1u t i ω =-+F (在0t <时电压为0)[18],代入上述方程中得 1 ()()1i I I i ωωωω -=- + 整理得 111()()211I i i ωωω =-+-+ 对上式取傅氏逆变换得 1 ()()2 t t I e e ω-=- 此即电路中的电流。 ② 该方程也可以用拉氏变换法进行求解。设[()]()i t I s =L ,同理由拉氏变换的微分性质可得[()]()i t sI s '=L (0t =时电流()0i t =)。对化简后的方程两边去拉氏变换,得到 1 ()()1 sI s I s s -=- + 整理得 111()[]2(1)1 I s s s =---- 再对上式取拉氏逆变换,得到电路中的电流为 1 ()()2 t t i t e e -=- 可以看出用傅氏变换与拉氏变换两种方法求解的结果是完全相同的。 《信号与系统》、《电路分析》等课程中常常会碰到各种信号的问题,一般来说傅里叶变换法适用于对连续时间系统的分析,这种方法也被称为频域分析法;而拉普拉斯变换法被称为系统的复频域分析[19],这种方法的适用范围更加广泛,以致于在相当长的时期内,人们几乎无法把电路理论与拉普拉斯变换分开来讨 论。下面我们再举两个用拉氏变换法解决电路问题的例子: 例11 如图所示,电路为完全耦合互感电路,互感量H L L M 121===,电阻Ω==121R R ,电压V E 1=,开关S 闭合前0)0()0(21==--i i 。求开关闭合后电路中的电流)()(21t i t i 和。 图2 解:由基尔霍夫电压定律可列出电路的微分方程如下: ??? ??? ?=++=++0)()()()()() (2212211211t i R dt t di M dt t di L E t i R dt t di M dt t di L 代入数据,得 ?????? ?=++=++0 )()()(1)() ()(212121t i dt t di dt t di t i dt t di dt t di 此方程组为二元一阶微分方程组,采用高等数学的知识很难得出结果来,这里采用拉氏变换法求解。令11[()]()i t I s =L ,22[()]()i t I s =L ,对上述微分方程组两边取拉氏变换,考虑到初始条件0)0()0(21==--i i ,可得 ???? ? =++= ++0 )()()(1)()()(212121s I s sI s sI s s I s sI s sI 解得 ???? ???? ? ---=+-=--?-=++=)21(121 121)() 21(1211)12(1)(21 s s s I s s s s s s I 对其取拉氏逆变换,得到电路中的电流为 1()12 111 ()12221()[()]121()[()]2 t t i t I s e i t I s e ----?==-????==-??L L 例12 求如图所示的电路的零状态响应(即(0)0c u V -=,(0)0L i A -=)的电流1()i t 。其中10E V =,121R R ==Ω,1C F =,1L H =。 图3 解:由基尔霍夫电压定律可得到回路方程为 112102 121221(0)()[()()]()[()()]()t c E u i d i t i t R C di t i t i t R i t R L dt ττ-?=++-??? ?-=+?? ? 代入数据,整理后得到 1 12 0212()()()10 () ()2()0t i d i t i t di t i t i t dt ττ?+-=???-+=?? 此方程组中既有积分项又有微分项,若用一般的方法进行求解会很难得出结果,此处采用拉氏变换法进行求解。设11[()]()i t I s =L ,22[()]()i t I s =L 。对上述方程组两边取拉氏变换,整理得 小波变换与傅里叶变换的对比、异同 一、基的概念 两者都是基,信号都可以分成无穷多个他们的和(叠加)。而展开系数就是基与信号之间的内积,更通俗的说是投影。展开系数大的,说明信号和基是足够相似的。这也就是相似性检测的思想。但我们必须明确的是,傅里叶是0-2pi 标准正交基,而小波是-inf到inf之间的基。因此,小波在实轴上是紧的。而傅里叶的基(正弦或余弦),与此相反。而小波能不能成为Reisz基,或标准稳定的正交基,还有其它的限制条件。此外,两者相似的还有就是PARSEVAL定理。(时频能量守恒)。 二、离散化的处理 傅里叶变换,是一种数学的精妙描述。但计算机实现,却是一步步把时域和频域离散化而来的。第一步,时域离散化,我们得到离散时间傅里叶变换(DTFT),频谱被周期化;第二步,再将频域离散化,我们得到离散周期傅里叶级数(DFS),时域进一步被周期化。第三步,考虑到周期离散化的时域和频域,我们只取一个周期研究,也就是众所周知的离散傅里叶变换(DFT)。这里说一句,DFT是没有物理意义的,它只是我们研究的需要。借此,计算机的处理才成为可能。所有满足容许性条件(从-INF到+INF积分为零)的函数,都可以成为小波。小波作为尺度膨胀和空间移位的一组函数也就诞生了。但连续取值的尺度因子和平移因子,在时域计算量和频域的混叠来说,都是极为不便的。用更为专业的俗语,叫再生核。也就是,对于任何一个尺度a和平移因子b的小波,和原信号内积,所得到的小波系数,都可以表示成,在a,b附近生成的小波,投影后小波系数的线性组合。这就叫冗余性。这时的连续小波是与正交基毫无关系的东西,它顶多也只能作为一种积分变换或基。但它的显微镜特点和相似性检测能力,已经显现出来了。为了进一步更好的将连续小波变换离散化,以下步骤是一种有效方法。第一步,尺度离散化。一般只将a二进离散化,此时b是任意的。这样小波被称为二进小波。第二步,离散b。怎么离散化呢?b取多少才合适呢?于是,叫小波采样定理的东西,就这样诞生了。也就是小波平移的最小距离(采样间隔),应该大于二倍小波基的最高频率(好像类似,记不清了)。所以b取尺度的整数倍就行了。也就是越胖的小波,对应频谱越窄,平移量应该越大,采样间隔越大。当然,第一二两步的频域理解,即在满足频域窗口中心是3倍的频域窗口半径的前提下,频域就在统计上是完美二分的。(但很多小波满足不了这个条件,而且频域窗口能量不?,所以只是近似二分的).这时的小波变换,称为离散二进小波变换.第三步,引入稳定性条件.也就是经过变换后信号能量和原信号能量有什么不等式关系.满足稳定性条件?后,也就是一个小波框架产生了可能.他是数值稳定性的保证.一个稍弱的稳定条件???,就是? 傅里叶变换在信号处理中的应用 傅里叶变换在物理学、电子类学科、数论、组合数学、信号处理、 概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用(例如在信号处理中,傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值谱——显示与频率对应的幅值大小)。 尽管最初傅立叶分析是作为热过程的解析分析的工具,但是其思想方法仍然具有典型的还原论和分析主义的特征。"任意"的函数通过一定的分解,都能够表示为正弦函数的线性组合的形式,而正弦函数在物理上是被充分研究而相对简单的函数类,这一想法跟化学上的原子论想法何其相似!奇妙的是,现代数学发现傅立叶变换具有非常好的性质,使得它如此的好用和有用,让人不得不感叹造物的神奇: 1.傅立叶变换是线性算子,若赋予适当的范数,它还是酉算子; 2.傅立叶变换的逆变换容易求出,而且形式与正变换非常类似; 3.正弦基函数是微分运算的本征函数,从而使得线性微分方程的求解可以转化为常系数的代数方程的求解.在线性时不变的物理系统内,频率是个不变的性质,从而系统对于复杂激励的响应可以通过组合其对不同频率正弦信号的响应来获取; 4.著名的卷积定理指出:傅立叶变换可以化复杂的卷积运算为简单的乘积运算,从而提供了计算卷积的一种简单手段; 5.离散形式的傅立叶变换可以利用数字计算机快速的算出(其算法称为快速傅立叶变换算法(FFT)). 正是由于上述的良好性质,傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率、统计、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。 有関傅立叶变换的FPGA实现 傅立叶变换是数字信号处理中的基本操作,广泛应用于表述及分析离散时域信号领域。但由于其运算量与变换点数N的平方成正比关系,因此,在N较大时,直接应用DFT算法进行谱变换是不切合实际的。然而,快速傅立叶变换技术的出现使情况发生了根本性的变化。本文主要描述了采用FPGA来实现2k/4k/8k点FFT的设计方法。 离散傅里叶变换的应用 DFT在诸多多领域中有着重要应用,下面仅是颉取的几个例子。需要指出的是,所有DFT的实际应用都依赖于计算离散傅里叶变换及其逆变换的快速算法,即快速傅里叶变换(快速傅里叶变换(即FFT)是计算离散傅里叶变换及其逆变换的快速算法。)。 1.频谱分析 DFT是连续傅里叶变换的近似。因此可以对连续信号x(t)均匀采样并截断以得到有限长的离散序列,对这一序列作离散傅里叶变换,可以分析连续信号x(t)频谱的性质。前面还提到DFT应用于频谱分析需要注意的两个问题:即采样可能导致信号混叠和截断信号引起的频谱泄漏。可以通过选择适当的采样频率(见奈奎斯特频率)消减混叠。选择适当的序列长度并加窗可以抑制频谱泄漏。 2.数据压缩 由于人类感官的分辨能力存在极限,因此很多有损压缩算法利用 1.前言 1.1背景 利用变换可简化运算,比如对数变换,极坐标变换等。类似的,变换也存在于工程,技术领域,它就是积分变换。积分变换的使用,可以 使求解微分方程的过程得到简化,比如乘积可以转化为卷积。什么是积 分变换呢?即为利用含参变量积分,把一个属于A函数类的函数转化属 于B函数类的一个函数。傅里叶变换和拉普拉斯变换是两种重要积分变 换。分析信号的一种方法是傅立叶变换,傅里叶变换能够分析信号的成 分,也能够利用成分合成信号。可以当做信号的成分的波形有很多,例 如锯齿波,正弦波,方波等等。傅立叶变换是利用正弦波来作为信号的拉普拉斯变换最早由法国数学家天文学家 成分。Pierre Simon Laplace (拉普拉斯)(1749-1827)在他的与概率论相关科学研究中引入,在他 的一些基本的关于拉普拉斯变换的结果写在他的著名作品《概率分析理 论》之中。即使在19世纪初,拉普拉斯变换已经发现,但是关于拉普拉 斯变换的相关研究却一直没什么太大进展,直至一个英国数学家,物理 学家,同时也是一位电气工程师的Oliver Heaviside奥利弗·亥维赛 (1850-1925)在电学相关问题之中引入了算子运算,而且得到了不少方 法与结果,对于解决现实问题很有好处,这才引起了数学家对算子理论 的严格化的兴趣。之后才创立了现代算子理论。算子理论最初的理论依 据就是拉普拉斯变换的相关理论,拉普拉斯变换相关理论的继续发展也 是得益于算理理论的更进一步发展。这篇文章就是针对傅里叶变换和拉 普拉斯变换的相关定义,相关性质,以及相关应用做一下简要讨论,并 且分析傅里叶变换和拉普拉斯变换的区别与联系。 1.2预备知识 定理1.2.1(傅里叶积分定理) 第十二章 拉普拉斯变换及逆变换 拉普拉斯(Laplace)变换是分析和求解常系数线性微分方程的一种简便的方法,而且在自动控制系统的分析和综合中也起着重要的作用。我们经常应用拉普拉斯变换进行电路的复频域分析。本章将扼要地介绍拉普拉斯变换(以下简称拉氏变换)的基本概念、主要性质、逆变换以及它在解常系数线性微分方程中的应用。 第一节 拉普拉斯变换 在代数中,直接计算 32 8 .95781 2028.6?? =N 5 3) 164.1(? 是很复杂的,而引用对数后,可先把上式变换为 164 .1lg 53 )20lg 28.9lg 5781(lg 3128.6lg lg ++-+=N 然后通过查常用对数表和反对数表,就可算得原来要求的数N 。 这是一种把复杂运算转化为简单运算的做法,而拉氏变换则是另一种化繁为简的做法。 一、拉氏变换的基本概念 定义 设函数()f t 当0t ≥时有定义,若广义积分 ()pt f t e dt +∞ -? 在P 的某一区域内收 敛,则此积分就确定了一个参量为P 的函数,记作()F P ,即 dt e t f P F pt ? ∞ +-= )()( () 称()式为函数()f t 的拉氏变换式,用记号[()]()L f t F P =表示。函数()F P 称为()f t 的 拉氏变换(Laplace) (或称为()f t 的象函数)。函数()f t 称为()F P 的拉氏逆变换(或称为()F P 象原函数) ,记作 )()]([1t f P F L =-,即)]([)(1P F L t f -=。 关于拉氏变换的定义,在这里做两点说明: (1)在定义中,只要求()f t 在0t ≥时有定义。为了研究拉氏变换性质的方便,以后总假定在0t <时,()0f t =。 (2)在较为深入的讨论中,拉氏变换式中的参数P 是在复数范围内取值。为了方便起见,本章我们把P 作为实数来讨论,这并不影响对拉氏变换性质的研究和应用。 (3)拉氏变换是将给定的函数通过广义积分转换成一个新的函数,它是一种积分变换。一般来说,在科学技术中遇到的函数,它的拉氏变换总是存在的。 例 求斜坡函数()f t at = (0t ≥,a 为常数)的拉氏变换。 解:00 00[]()[]pt pt pt pt a a a L at ate dt td e e e dt p p p +∞ +∞+∞---+∞-= =- =-+? ?? 2020 ][0p a e p a dt e p a pt pt =-=+ =∞ +-∞+-? ) 0(>p 傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用(例如在信号处理中,傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量)。 傅里叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。在不同的研究领域,傅里叶变换具有多种不同的变体形式,如连续傅里叶变换和离散傅里叶变换。 傅里叶变换是一种解决问题的方法,一种工具,一种看待问题的角度。理解的关键是:一个连续的信号可以看作是一个个小信号的叠加,从时域叠加与从频域叠加都可以组成原来的信号,将信号这么分解后有助于处理。 我们原来对一个信号其实是从时间的角度去理解的,不知不觉中,其实是按照时间把信号进行分割,每一部分只是一个时间点对应一个信号值,一个信号是一组这样的分量的叠加。傅里叶变换后,其实还是个叠加问题,只不过是从频率的角度去叠加,只不过每个小信号是一个时间域上覆盖整个区间的信号,但他确有固定的周期,或者说,给了一个周期,我们就能画出一个整个区间上的分信号,那么给定一组周期值(或频率值),我们就可以画出其对应的曲线,就像给出时域上每一点的信号值一样,不过如果信号是周期的话,频域的更简单,只需要几个甚至一个就可以了,时域则需要整个时间轴上每一点都映射出一个函数值。 傅里叶变换就是将一个信号的时域表示形式映射到一个频域表示形式;逆傅里叶变换恰好相反。这都是一个信号的不同表示形式。它的公式会用就可以,当然把证明看懂了更好。 对一个信号做傅里叶变换,可以得到其频域特性,包括幅度和相位两个方面。幅度是表示这个频率分量的大小,那么相位呢,它有什么物理意义频域的相位与时域的相位有关系吗信号前一段的相位(频域)与后一段的相位的变化是否与信号的频率成正比关系。 傅里叶变换就是把一个信号,分解成无数的正弦波(或者余弦波)信号。也就是说,用无数的正弦波,可以合成任何你所需要的信号。 想一想这个问题:给你很多正弦信号,你怎样才能合成你需要的信号呢答案是要两个条件,一个是每个正弦波的幅度,另一个就是每个正弦波之间的相位差。所以现在应该明白了吧,频域上的相位,就是每个正弦波之间的相位。 傅里叶变换用于信号的频率域分析,一般我们把电信号描述成时间域的数学模型,而数字信号处理对信号的频率特性更感兴趣,而通过傅立叶变换很容易得到信号的频率域特性。 傅里叶变换简单通俗理解就是把看似杂乱无章的信号考虑成由一定振幅、相位、频率的基本正弦(余弦)信号组合而成,傅里叶变换的目的就是找出这些基本正 成绩评定表 课程设计任务书 目录 1.Matlab介绍.............. 错误!未定义书签。 2.利用Matlab实现信号的复频域分析—拉普拉斯变化和拉普拉斯逆变换的设计 (5) 2.1.拉普拉斯变换曲面图的绘制 (5) 2.2.拉普拉斯变化编程设计及实现 (7) 2.3.拉普拉斯逆变化编程设计及实现 (8) 3.总结 (14) 4.参考文献 (15) 1.Matlab介绍 MATLAB语言是当今国际上在科学界和教育界中最具影响力、也最具活力的软件;它起源于矩阵运算,现已发展成一种高度集成的计算机语言;它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、丰富的交互式仿真集成环境,以及与其他程序和语言便捷接口的功能。 经过多年的开发运用和改进,MATLAB已成为国内外高校在科学计算、自动控制及其他领域的高级研究工具。典型的用途包括以下几个方面: 1)数学计算; 2)新算法研究开发; 3)建模、仿真及样机开发; 4)数据分析、探索及可视化; 5)科技与工程的图形功能; 6)友好图形界面的应用程序开发。 1.1Matlab入门 Matlab7.0介绍 Matlab7.0比Matlab的老版本提供了更多更强的新功能和更全面、更方便的联机帮助信息。当然也比以前的版本对于软件、硬件提出了更高的要求。 在国内外Matlab已经经受了多年的考验。Matlab7.0功能强大,适用范围很广。其可以用来线性代数里的向量、数组、矩阵运算,复数运算,高次方程求根,插值与数值微商运算,数值积分运算,常微分方程的数值积分运算、数值逼近、最优化方法等,即差不多所有科学研究与工程技术应用需要的各方面的计算,均可用Matlab来解决。 MATLAB7.0提供了丰富的库函数(称为M文件),既有常用的基本库函数,又有种类齐全、功能丰富多样的的专用工具箱Toolbox函数。函数即是预先编制好的子程序。在编制程序时,这些库函数都可以被直接调用。无疑,这会大大提高编程效率。MATLAB7.0的基本数据编程单元是不需要指定维数的复数矩阵,所以在MATLAB环境下,数组的操作都如数的操作一样简单方便。而且,MATLAB7.0界面友好,用户使用方便。首先,MATLAB具有友好的用户 详解傅里叶变换与小波变化 希望能简单介绍一下小波变换,它和傅立叶变换的比较,以及它在移动平台做motion detection的应用。如果不做特殊说明,均以离散小波为例子。考虑到我以前看中文资料的痛苦程度,我会尽量用简单,但是直观的方式去介绍。有些必要的公式是不能少的,但我尽量少用公式,多用图。另外,我不是一个好的翻译者,所以对于某些实在翻译不清楚的术语,我就会直接用英语。我并不claim我会把整个小波变换讲清楚,这是不可能的事,我只能尽力去围绕要点展开,比如小波变换相对傅立叶变换的好处,这些好处的原因是什么,小波变换的几个根本性质是什么,背后的推导是什么。我希望达到的目的就是一个小波变换的初学者在看完这个系列之后,就能用matlab或者别的工具对信号做小波变换的基本分析并且知道这个分析大概是怎么回事。 要讲小波变换,我们必须了解傅立叶变换。要了解傅立叶变换,我们先要弄清楚什么是”变换“。很多处理,不管是压缩也好,滤波也好,图形处理也好,本质都是变换。变换的是什么东西呢?是基,也就是basis。如果你暂时有些遗忘了basis的定义,那么简单说,在线性代 数里,basis是指空间里一系列线性独立的向量,而这个空间里的任何其他向量,都可以由这些个向量的线性组合来表示。那basis在变换里面啥用呢?比如说吧,傅立叶展开的本质,就是把一个空间中的信号用该空间的某个basis的线性组合表示出来,要这样表示的原因,是因为傅立叶变换的本质,是。小波变换自然也不例外的和basis有关了。再比如你用Photoshop去处理图像,里面的图像拉伸,反转,等等一系列操作,都是和basis的改变有关。 既然这些变换都是在搞基,那我们自然就容易想到,这个basis的选取非常重要,因为basis的特点决定了具体的计算过程。一个空间中可能有很多种形式的basis,什么样的basis比较好,很大程度上取决于这个basis服务于什么应用。比如如果我们希望选取有利于压缩的话,那么就希望这个basis能用其中很少的向量来最大程度地表示信号,这样即使把别的向量给砍了,信号也不会损失很多。而如果是图形处理中常见的线性变换,最省计算量的完美basis就是eigenvector basis了,因为此时变换矩阵T对它们的作用等同于对角矩阵(Tv_n= av_n,a是eigenvalue)。总的来说,抛开具体的应用不谈,所有的basis,我们都希望它们有一个共同的特点,那就是,容易计算,用最简单的方式呈现最多的信号特性。 好,现在我们对变换有了基本的认识,知道他们其实就是在搞基。当然,搞基也是分形式的,不同的变换,搞基的妙处各有不同。接下来先看看,傅立叶变换是在干嘛。 傅里叶变换和拉普拉斯变换的意义 一傅里叶变换在应用上的局限性 在第三章中,已经介绍了一个时间函数()t f 满足狄里赫利条件并且绝对可积时,即存在一对傅里叶变 换。即 ()()dt e t f j F t j ωω-∞ ∞-?∞= (正变换) (5.1) ()()ω ωπ ωd e j F t f t j ? ∞ ∞ -= 21 (反变换) (5.2) 但工程实际中常有一些信号并不满足绝对可积的条件,例如阶跃信号()t U ,斜变信号()t tU ,单边 正弦信号()t tU ωsin 等,从而对这些信号就难以从傅里叶变换式求得它们的傅里叶变换。 还有一些信号,例如单边增长的指数信号()t U e at ()0>a 等,则根本就不存在傅里叶变换。 另外,在求傅里叶反变换时,需要求ω从∞-到∞区间的广义积分。求这个积分往往是十分困难的,甚至是不可能的,有时则需要引入一些特殊函数。 利用傅里叶变换法只能求系统的零状态响应,而不能求系统的零输入响应。在需要求零输入响应时,还得利用别的方法,例如时域经典法。 由于上述几个原因,从而使傅里叶变换在工程应用上受到了一定的限制。所以,当今在研究线性系统问题时,拉普拉斯变换仍是主要工具之一。 实际上,信号 ()t f 总是在某一确定的时刻接入系统的。若把信号()t f 接入系统的时刻作为0=t 的 时刻(称为起始时刻),那么,在t <0的时间内即有()t f =0。我们把具有起始时刻的信号称为因果信号。这 样,式(5-1)即可改写为 ()()dt e t f j F t j ωω-∞ ?-=0 (5-3) 式(5-3)中的积分下限取为- 0,是考虑到在0=t 的时刻()t f 中有可能包含有冲激函数()t δ。但要注 意,式(5-2)中积分的上下限仍然不变(因积分变量是ω),不过此时要在公式后面标以t >0,意即只有在t >0时 ()t f 才有定义,即 ()()ω ωπ ωd e j F t f t j ? ∞ ∞ -= 21 t >0 (5-4a) 或用单位阶跃函数()t U 加以限制而写成下式,即 ()()()t U d e j F t f t j ???? ??=?∞ ∞-ωωπ ω21 (5-4b) 二、从傅里叶变换到拉普拉斯变换 当函数 ()t f 不满足绝对可积条件时,可采取给()t f 乘以因子t e σ-(σ 为任意实常数)的办法,这样 即得到一个新的时间函数 ()t e t f σ-。今若能根据函数()t f 的具体性质,恰当地选取σ 的值,从而使当 ∞→t 时,函数()0→-t e t f σ,即满足条件 ()0 lim =-∞→t t e t f σ 则函数 ()t e t f σ-即满足绝对可积条件了,因而它的傅里叶变换一定存在。可见因子t e σ-起着使函数 ()t f 收敛的作用,故称t e σ-为收敛因子。 设函数() t e t f σ-满足狄里赫利条件且绝对可积(这可通过恰当地选取σ的值来达到),则根据式(5-3)有 ()()()()dt e t f dt e e t f j F t j t j t ωσωσω+-∞ --∞ ??--==0 小波变换与傅里叶变换 的对比异同 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】 小波变换与傅里叶变换的对比、异同 一、基的概念 两者都是基,信号都可以分成无穷多个他们的和(叠加)。而展开系数就是基与信号之间的内积,更通俗的说是投影。展开系数大的,说明信号和基是足够相似的。这也就是相似性检测的思想。但我们必须明确的是,傅里叶是0-2pi标准正交基,而小波是-inf到inf之间的基。因此,小波在实轴上是紧的。而傅里叶的基(正弦或余弦),与此相反。而小波能不能成为Reisz基,或标准稳定的正交基,还有其它的限制条件。此外,两者相似的还有就是PARSEVAL 定理。(时频能量守恒)。 二、离散化的处理 傅里叶变换,是一种数学的精妙描述。但计算机实现,却是一步步把时域和频域离散化而来的。第一步,时域离散化,我们得到离散时间傅里叶变换(DTFT),频谱被周期化;第二步,再将频域离散化,我们得到离散周期傅里叶级数(DFS),时域进一步被周期化。第三步,考虑到周期离散化的时域和频域,我们只取一个周期研究,也就是众所周知的离散傅里叶变换(DFT)。这里说一句,DFT是没有物理意义的,它只是我们研究的需要。借此,计算机的处理才成为可能。所有满足容许性条件(从-INF到+INF积分为零)的函数,都可以成为小波。小波作为尺度膨胀和空间移位的一组函数也就诞生了。但连续取值的尺度因子和平移因子,在时域计算量和频域的混叠来说,都是极为不便的。用更为专业的俗语,叫再生核。也就是,对于任何一个尺度a和平移因子b的小波,和原信号内积,所得到的小波系数,都可以表示成,在a,b附近生成的小波,投影后小波系数的线性组合。这就叫冗余性。这时的连续小波是与正交基毫无关系的东西,它顶多也只能作为一种积分变换或基。但它的显微镜特点和相似性检测能力,已经显现出来了。为了进一步更好的将连续小波变换离散化,以下步骤是一种有效方法。第一步,尺度离散化。一般只将a二进离散化,此时b 是任意的。这样小波被称为二进小波。第二步,离散b。怎么离散化呢b取多少才合适呢于是,叫小波采样定理的东西,就这样诞生了。也就是小波平移的最小距离(采样间隔),应该大于二倍小波基的最高频率(好像类似,记不清了)。所以b取尺度的整数倍就行了。也就是越胖的小波,对应频谱越窄,平移量应该越大,采样间隔越大。当然,第一二两步的频域理解,即在满足频域窗口中心是3倍的频域窗口半径的前提下,频域就在统计上是完美二分的。(但很多小波满足不了这个条件,而且频域窗口能量不,所以只是近似二分的).这时的小波变换,称为离散二进小波变换.第三步,引入稳定性条件.也就是经过变换后信号能量和原信号能量有什么不等式关系.满足稳定性条件后,也就是一个小波框架产生了可能.他是数值稳定性的保证.一个稍弱的稳定条件,就是 学号1109141006 论文 课题:拉氏变换和傅里叶变换的关系 学生姓名:陈兴宇 院系:电气工程学院 专业班级:2011级电气工程及其自动化(1)班指导教师:董德智 二0一三年六月 1 傅里叶变换与拉普拉斯变换简介 (2) 1.1 傅里叶变换 (2) 1.1.1 傅里叶变换的历史由来 (2) 1.1.2 傅里叶变换的定义 (2) 1.1.3 傅里叶变换与逆变换的性质 (3) 1.2 拉普拉斯变换 (4) 1.2.1 拉普拉斯变换的历史由来 (5) 1.2.2 拉普拉斯变换的定义 (5) 1.2.3 拉普拉斯变换与逆变换的性质 (6) 1.3 小结 (7) 2 傅氏变换与拉氏变换的比较研究 (7) 2.1 两种积分变换在求解广义积分中的应用 (7) 2.2 两种积分变换在求解积分、微分方程中的应用 (10) 2.3 两种积分变换在求解偏微分方程中的应用 (12) 2.4 两种积分变换在电路理论中的应用 (16) 3 总结 (20) 参考文献 (23) 1 傅里叶变换与拉普拉斯变换简介 人们在处理与分析工程实际中的一些问题时,常常采取某种手段将问题进行转换,从另一个角度进行处理与分析,这就是所谓的变换。在数学、物理、工程技术等领域中应用最多的是傅里叶变换与拉普拉斯变换。下面对傅氏变换与拉氏变换进行简单的介绍。 1.1 傅里叶变换 1.1.1 傅里叶变换的历史由来 17世纪和18世纪,在牛顿和莱布尼茨等科学巨人的推动下,数学获得了飞速的发展。随着函数、极限、微积分和级数理论的创立,法国数学家傅里叶在研究热传导问题时发表了《热的解析理论》的论文[1],提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理,奠定了傅里叶变换的理论基础。其后,泊松、高斯等人最早把这一成果应用到电学中去。时至今日,傅里叶分析法不仅广泛应用与电力工程、通信和控制领域中,而且在力学、光学、量子物理和各种线性系统分析等许多有关数学、物理和工程技术领域中都得到了广泛而普遍的应用。 1.1.2 傅里叶变换的定义 由《数学物理方法》课程的知识可知,对于(),-∞+∞上的非周期函数()f t 有如下的傅里叶积分定理[2]: 设()f t 在(),-∞+∞上有定义,且 ①在任一有限区间上满足狄利克雷条件[3](即连续或有有限个第一类间断点,并且只有有限个极值点); ②在无限区间(),-∞+∞上绝对可积,即 ()f t +∞ -∞ <+∞? 则有傅里叶积分公式 1 ()()2i i t f t f e d e d ωτωττωπ +∞ +∞--∞ -∞??= ???? ? ? (1-1) 在()f t 的连续点x 处成立,而在()f t 的第一类间断点0x 处,右边的积分应以 ()001 0(0)2 f x f x ++-????代替。 拉普拉斯变换及反变换 1.拉氏变换的基本性质 表-1 拉氏变换的基本性质 1()([n n k f t dt s s -+=+∑? 个 2.常用函数的拉氏变换和z 变换表 表-2 常用函数的拉氏变换和z 变换表 3. 用查表法进行拉氏反变换 用查表法进行拉氏反变换的关键在于将变换式进行部分分式展开,然后逐项查表进行反变换。设)(s F 是s 的有理真分式,即 11 10 111)()()(a s a s a s a b s b s b s b s A s B s F n n n n m m m m ++++++++==---- (m n >) 式中,系数n n a a a a ,,...,,110-和011,, ,,m m b b b b -都是实常数;n m ,是正整数。按代数定理 可将)(s F 展开为部分分式。分以下两种情况讨论。 (1)0)(=s A 无重根:这时,F(s)可展开为n 个简单的部分分式之和的形式,即 ∑=-=-++-++-+-=n i i i n n i i s s c s s c s s c s s c s s c s F 122 11)( (1) 式中,n s s s ,,,21 是特征方程A(s)=0的根;i c 为待定常数,称为()F s 在i s 处的留数,可按下列两式计算:lim()()i i i s s c s s F s →=- (2) 或 i s s i s A s B c ='= )() ( (3) 式中,)(s A '为)(s A 对s 的一阶导数。根据拉氏变换的性质,从式(F-1)可求得原函数为 []??????-==∑=--n i i i s s c L s F L t f 11 1 )()(=1 i n s t i i c e =∑ (4) (2)0)(=s A 有重根:设0)(=s A 有r 重根1s ,F(s)可写为 ()) ()()() (11n r r s s s s s s s B s F ---= + = n n i i r r r r r r s s c s s c s s c s s c s s c s s c -++-++-+-++-+-++-- 11 111 111)()()( 式中,1s 为F(s)的r 重根,1+r s ,…,n s 为F(s)的n r -个单根;其中,1+r c ,…,n c 仍按式(F-2)或式(F-3)计算,r c ,1-r c ,…,1c 则按下式计算: )()(lim 11 s F s s c r s s r -=→ 11lim [()()]i r r s s d c s s F s ds -→=- )()(lim !11)() (1s F s s ds d j c r j j s s j r -=→- (5) 几种时频分析方法综述1——傅里叶变换和小波变换 夏巨伟 (浙江大学空间结构研究中心) 摘要:传统的信号理论,是建立在Fourier 分析基础上的,而Fourier 变换作为一种全局性的变化,其有一定的局限性。在实际应用中人们开始对Fourier 变换进行各种改进,小波分析由此产生了。小波变换与Fourier 变换相比,是一个时间和频域的局域变换因而能有效地从信号中提取信息,通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析(Multiscale Analysis ),解决了Fourier 变换不能解决的许多困难问题。本文对傅里叶变换和小波变换进行了详细介绍,并用算例分析指出了两者的差别。 关键词:傅里叶变换;小波变换;时频分析技术; 1 傅里叶变换(Fourier Transform ) 1 2/201 22/0()()()()1()()()(::::)N j nk N ft N ft j nk N n H T h kT e H f h t e d DFT FT IFT IDFT t NT k h t H f e dt h nT H e N NT ππππ--∞ --∞∞--∞?=??=??????????→????=?=??? ∑??∑离散化(离散取样) 周期化(时频域截断) 2 小波变换(Wavelet Transform ) 2.1 由傅里叶变换到窗口傅里叶变换(Gabor Transform(Short Time Fourier Transform)/) 从傅里叶变换的定义可知,时域函数h(t)的傅里叶变换H(f )只能反映其在整个实轴的性态,不能反映h (t )在特定时间区段内的频率变化情况。如果要考察h(t)在特定时域区间(比如:t ∈[a,b])内的频率成分,很直观的做法是将h(t)在区间t ∈[a,b]与函数[][]11,t ,()0,t ,a b t a b χ?∈?=? ∈??,然后考察1()()h t t χ傅里叶变换。但是由 于1()t χ在t= a,b 处突然截断,导致中1()()h t t χ出现了原来h (t )中不存在的不连 续,这样会使得1()()h t t χ的傅里叶变化中附件新的高频成分。为克服这一缺点, D.Gabor 在1944年引入了“窗口”傅里叶变换的概念,他的做法是,取一个光滑的函数g(t),称为窗口函数,它在有限的区间外等于0或者很快地趋于0,然后将窗口函数与h(t)相乘得到的短时时域函数进行FT 变换以考察h(t)在特定时域内的频域情况。 22(,)()()()()(,)ft f ft f STFT ISTF G f h t g t e dt h t df g t G f e d T ππτττττ +∞ --∞ +∞+∞ -∞ -∞ =-=-??? :: 拉普拉斯变换及其反变换表 3. 用查表法进行拉氏反变换 用查表法进行拉氏反变换的关键在于将变换式进行部分分式展开,然后逐项查表进行反变换。设)(s F 是s 的有理真分式 1 1 n 1 n n n 1 1 m 1 m m m a s a s a s a b s b s b s b )s (A )s (B )s (F ++++++++==----ΛΛ (m n >) 式中系数n 1 n 1 a ,a ,...,a ,a -,m 1 m 1 b ,b ,b ,b -Λ都是实常数;n m ,是正整数。按 代数定理可将)(s F 展开为部分分式。分以下两种情况讨论。 ① 0)(=s A 无重根 这时,F(s)可展开为n 个简单的部分分式之和的形式。 ∑ =-=-++-++-+-=n 1 i i i n n i i 2 2 1 1 s s c s s c s s c s s c s s c )s (F ΛΛ 式中,Sn 2S 1S ,,,Λ是特征方程A(s)=0的根。i c 为待定常数,称为F(s)在i s 处的留数,可按下式计算: )s (F )s s (lim c i s s i i -=→ 或 i s s i ) s (A ) s (B c ='= 式中,)(s A '为)(s A 对s 的一阶导数。根据拉氏变换的性质,从式(F-1)可求得原函数 []t s n 1 i i n 1i i i 11i e c s s c L )s (F L )t (f -==--∑∑=??????-== ② 0)(=s A 有重根 设0)(=s A 有r 重根1s ,F(s)可写为 《傅里叶变换与拉普拉斯变换区别演讲稿》这个演讲分为三部分进行展开。在介绍两者区别之前,首先将给大家带来的是两种变换的背景以及两种变换的给我们带来的便利。最后进入到正题,两种变换之间的差别。 第一部分两种变换的背景。 首先是傅里叶变换的背景。这个背景想必大家在高数课,电分课和之前的信号与系统课上已经阅读过了,那么在这里大家可以稍稍再重温一遍。 接下来是拉普拉斯变换的背景。 大家一定没有想到,拉普拉斯变换并不是由拉普拉斯发明的,而是由这为heaviside先生发明的。拉普拉斯对这项变换的贡献是进行了严密的数学定义,确定其可行性后进行了推广。因此这项变换被称为拉普拉斯变换。 说一句额外的话,在准备内容时,我本指望能像傅里叶变换一样,找到有关拉普拉斯变换发展的波澜历史,却因拉普拉斯变换并不是被其发明者命名,所以有关heaviside先生如何得到这种变换的资料少之又少,而拉普拉斯对其定义的过程相对来说又很枯燥,并没有什么值得记载的故事,因此大家可以从刚刚这段说明中看出拉普拉斯的发展历史只是草草陈述。这也告诉我们,做事一定要完备,知识一定要渊博,否则发现了什么却忘记对其进行推广,或者知道要去推广却因数学功底不足而无法给出严格定义以及证明,流芳百世的机会也只能拱手让人。 因为现实生活中的信号多为因果信号,因此在此考虑拉普拉斯的现实意义,引入拉普拉斯单边变换。下述有关拉普拉斯变换的讨论均基于拉普拉斯单边变换。 第二部分 两种变换带来的便利。 首先是傅里叶变换带给我们的方便。求解线性电路有了通法。面对三角函数信号,以及电容电感这类原件,时域中求解电路状态变得十分困难。但通过电分的学习,我们掌握了频域解法。又通过傅里叶变换,我们可以将任何信号变成虚指数或者说三角函数形式,对于线性系统,我们可以依次求解这些三角函数分量作用时的电路状态,再加和。所以只要是线性系统我们都可以求解。 我们能够从一个不随时间变换的空间中观察函数或者信号。傅里叶就是通往这个世界的大门,把时域信号转换至频域。在这个域中,时间不是变量,频率才是变量。并且在这个域中,人们可以方便地观察不同频率的信号分量。 其次是拉普拉斯变换带给我们的便利。其实这两项优点是同一项,求解微分方程十分便利。大家可以回想一下学习高数时,用经典法求解常系数微分方程时的痛苦。现在拉普拉斯变换将微分方程统统化成简单的多项式方程,并且把用于求解特解的初值自动引入,可谓是十分便利。 下面是最后一部分 两种变换之间的区别 如果看了这篇文章你还不懂傅里叶变换,那就过来掐死我吧 Heinrich,生娃学工打折腿 这篇文章的核心思想就是: 要让读者在不看任何数学公式的情况下理解傅里叶分析。 傅里叶分析不仅仅是一个数学工具,更是一种可以彻底颠覆一个人以前世界观的思维模式。但不幸的是,傅里叶分析的公式看起来太复杂了,所以很多大一新生上来就懵圈并从此对它深恶痛绝。老实说,这么有意思的东西居然成了大学里的杀手课程,不得不归咎于编教材的人实在是太严肃了。(您把教材写得好玩一点会死吗会死吗)所以我一直想写一个有意思的文章来解释傅里叶分析,有可能的话高中生都能看懂的那种。所以,不管读到这里的您从事何种工作,我保证您都能看懂,并且一定将体会到通过傅里叶分析看到世界另一个样子时的快感。至于对于已经有一定基础的朋友,也希望不要看到会的地方就急忙往后翻,仔细读一定会有新的发现。 ————以上是定场诗———— 下面进入正题: 抱歉,还是要啰嗦一句:其实学习本来就不是易事,我写这篇文章的初衷也是希望大家学习起来更加轻松,充满乐趣。但是千万!千万不要把这篇文章收藏起来,或是存下地址,心里想着:以后有时间再看。这样的例子太多了,也许几年后你都没有再打开这个页面。无论如何,耐下心,读下去。这篇文章要比读课本要轻松、开心得多…… 一、嘛叫频域 从我们出生,我们看到的世界都以时间贯穿,股票的走势、人的身高、汽车的轨迹都会随着时间发生改变。这种以时间作为参照来观察动态世界的方法我们称其为时域分析。而我们也想当然的认为,世间万物都在随着时间不停的改变,并且永远不会静止下来。但如果我告诉你,用另一种方法来观察世界的话,你会发现世界是永恒不变的,你会不会觉得我疯了我没有疯,这个静止的世界就叫做频域。 先举一个公式上并非很恰当,但意义上再贴切不过的例子: 在你的理解中,一段音乐是什么呢 这是我们对音乐最普遍的理解,一个随着时间变化的震动。但我相信对于乐器小能手们来说,音乐更直观的理解是这样的: 分段平稳信号 这两种波形的FFT完全一样!完全分不出信号出现的位置,说明傅里叶变换缺乏时间对频率的定位功能。小波则可以还原。经过傅里叶变换 之后得到的是频域的信息,时间信息完全丢失,很多人会问那为什么逆变换可以完全恢复原始信号?其实,这个可以理解为三维空间离得变换,这里涉及到泛函的一些知识,其通俗理解方法也将在下边进行解释。傅里叶逆变换同样可以理解为相关,只是此时需保证变换时t不变,也就是计算某时刻不同频率波形与傅里叶变换之后的频域信号之间的相关,积分后得到该时刻各频率分量在该时刻的总贡献。可以知道所有有关时间的信息都是由e^(ift)导出的。 傅里叶变换: 1)首先傅里叶变换是傅里叶级数(有限周期函数)向(无限周期函数)的扩展,将该函数展开成无限多个任意周期的正弦或余弦函数的和(或积分)。 2)傅里叶级数中各项系数例如cosx项系数是原函数与其在某一定义域内的积分,显然我们可以将该过程理解为对这两个函数进行相关,将相关系数作为该频率处的强度。 3)经过傅里叶变换之后得到的是频域的信息,时间信息完全丢失,很多人会问那为什么逆变换可以完全恢复原始信号?其实,这个可以理解为三维空间离得变换,这里涉及到泛函的一些知识,其通俗理解方法也将在下边进行解释。傅里叶逆变换同样可以理解为相关,只是此时需保证变换时t不变,也就是计算某时刻不同频率波形与傅里叶变换之后的频域信号之间的相关,积分后得到该时刻各频率分量在该时刻的总贡献。可以知道所有有关时间的信息都是由e^(ift)导出的。 4)从泛函的角度,我们可以把傅里叶级数中的三角函数 {1/sqrt(2π),sin(t)/sqrt(π),cos(t)/sqrt(π),...}看做一个线性函数空间的一个基,这里与线性代数里的线性空间有两点不同,第一该处是函数空间,每个元素都是一个函数而不是一个数,第二这里是无限维空间,基有无限多个元素。但是这并不影响我们的理解。我们可以像在有限维线性空间中那样将傅里叶变换理解为这个函数在以三角函数为基的空间的展开,而将傅小波变换与傅里叶变换的对比异同
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