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拉普拉斯轉換計算機
歡迎使用拉普拉斯轉換計算機，這是一款功能強大的數學工具，可通過詳細的分步解決方案和視覺分析來計算拉普拉斯轉換。無論您是工程系學生、物理學家還是研究人員，此計算機都能簡化複雜的積分轉換，並幫助您理解從時域到頻域的轉變。
什麼是拉普拉斯轉換？
拉普拉斯轉換是一種積分轉換，它將時間函數 \( f(t) \) 轉換為複頻率函數 \( F(s) \)。這項數學運算以皮埃爾-西蒙·拉普拉斯的名字命名，是工程、物理和應用數學中求解微分方程和分析系統的基礎。
該轉換將時域中的微分和積分轉換為 s 域中的簡單代數運算，使其在解決複雜問題時具有不可估量的價值。
拉普拉斯轉換的关键性質
了解這些性質有助於您高效地使用拉普拉斯轉換：
| 性質 | 時域 | s 域 |
|---|---|---|
| 線性 | \( af(t) + bg(t) \) | \( aF(s) + bG(s) \) |
| 一階導數 | \( f'(t) \) | \( sF(s) - f(0) \) |
| 二階導數 | \( f''(t) \) | \( s^2F(s) - sf(0) - f'(0) \) |
| 積分 | \( \int_0^t f(\tau)d\tau \) | \( \frac{F(s)}{s} \) |
| 時移 | \( f(t-a)u(t-a) \) | \( e^{-as}F(s) \) |
| 頻移 | \( e^{at}f(t) \) | \( F(s-a) \) |
| 卷積 | \( (f * g)(t) \) | \( F(s) \cdot G(s) \) |
| 初值 | \( f(0^+) \) | \( \lim_{s\to\infty} sF(s) \) |
| 終值 | \( \lim_{t\to\infty} f(t) \) | \( \lim_{s\to 0} sF(s) \) |
常見拉普拉斯轉換對
以下是常用轉換對的參考表：
轉換參考表
| f(t) | F(s) | 描述 |
|---|---|---|
1 |
1/s |
單位階躍（常數） |
t |
1/s² |
斜坡函數 |
t^n |
n!/s^(n+1) |
冪函數 |
exp(a*t) |
1/(s-a) |
指數函數 |
sin(b*t) |
b/(s²+b²) |
正弦函數 |
cos(b*t) |
s/(s²+b²) |
餘弦函數 |
exp(-a*t)*sin(b*t) |
b/((s+a)²+b²) |
指數衰減正弦 |
exp(-a*t)*cos(b*t) |
(s+a)/((s+a)²+b²) |
指數衰減餘弦 |
t*exp(a*t) |
1/(s-a)² |
t乘以指數函數 |
sinh(a*t) |
a/(s²-a²) |
雙曲正弦 |
cosh(a*t) |
s/(s²-a²) |
雙曲餘弦 |
如何使用此計算機
- 輸入函數： 使用變量
t輸入您的時域函數 \( f(t) \)。使用標準記法，如exp(-2*t)*sin(3*t)。 - 使用預設： 點擊任何預設按鈕即可快速加載常用函數進行測試或學習。
- 計算： 點擊“計算拉普拉斯轉換”以符號方式計算 \( F(s) \)。
- 查看結果： 查看生成的 \( F(s) \)、分步推導和圖形可視化。
- 分析： 研究顯示時域和頻域表示的双重圖表。
支持的函數和語法
exp(x)- 指數函數 \( e^x \)sin(x),cos(x),tan(x)- 三角函數sinh(x),cosh(x),tanh(x)- 雙曲函數sqrt(x)- 平方根 \( \sqrt{x} \)log(x)或ln(x)- 自然對數t^n或t**n- 冪函數*表示乘法，/表示除法- 括號
()用於分組
拉普拉斯轉換的應用
工程應用
- 控制系統： 分析傳遞函數、穩定性和系統響應
- 電路： 求解 RLC 電路和暫態分析
- 機械系統： 模擬振動、阻尼和受迫振動
- 信號處理： 濾波器設計和頻率響應分析
物理應用
- 熱傳遞： 求解擴散方程
- 量子力學： 含時薛丁格方程的解
- 電磁學： 波傳播和傳輸線分析
數學應用
- 微分方程： 將常微分方程轉換為代數方程
- 積分方程： 求解沃爾泰拉和弗雷德霍姆方程
- 特殊函數： 推導貝塞爾函數、勒讓德函數等函數的性質
理解收斂域 (ROC)
收斂域 (ROC) 是使拉普拉斯轉換積分收斂的 \( s \) 值的集合。ROC 對於以下方面至關重要：
- 確定系統是否穩定（ROC 包含虛軸）
- 從其轉換中唯一標識原始函數
- 區分因果信號和非因果信號
對於因果信號（當 \( t < 0 \) 時函數為零），ROC 延伸到 s 平面中最右側極點的右側。
拉普拉斯逆轉換
拉普拉斯逆轉換從其 s 域表示中恢復原始時域函數：
在實踐中，逆轉換通常使用部分分式分解和已知轉換對的查找表來計算。
常見問題解答
什麼是拉普拉斯轉換？
拉普拉斯轉換是一種積分轉換，它將時間函數 \( f(t) \) 轉換為複頻率函數 \( F(s) \)。它的定義為 \( F(s) = \int_0^\infty e^{-st} f(t) \, dt \)。這種轉換在工程和物理學中廣泛用於求解微分方程和分析線性時不變系統。
我應該在什麼時候使用拉普拉斯轉換？
拉普拉斯轉換特別適用於求解具有常係數的線性常微分方程、分析控制系統和電路行為、研究信號處理和系統響應、將時域問題轉換為 s 域中較簡單的代數問題，以及通過極點位置分析系統穩定性。
什麼是收斂域 (ROC)？
收斂域 (ROC) 是使拉普拉斯轉換積分收斂的 \( s \) 值的集合。ROC 對於確定系統穩定性和從其轉換中唯一標識原始函數至關重要。通常，對於因果信號，ROC 延伸到最右側極點的右側。
如何在此計算機中輸入函數？
使用標準的數學記法，以 t 為時間變量。支持的函數包括：指數函數的 exp(x)，三角函數的 sin(x) 和 cos(x)，雙曲函數的 sinh(x) 和 cosh(x)，平方根的 sqrt(x)，自然對數的 log(x) 或 ln(x)。使用 * 表示乘法，^ 或 ** 表示指數，括號用於分組。
拉普拉斯轉換的关键性質是什麼？
關鍵性質包括線性、時移、頻移、微分（將導數轉換為乘以 s）、積分（將積分轉換為除以 s）和卷積（將卷積轉換為乘法）。這些性質使得拉普拉斯轉換在求解微分方程方面非常強大。
拉普拉斯轉換和傅立葉轉換之間有什麼關係？
當 \( s = j\omega \)（純虛數）時，傅立葉轉換是拉普拉斯轉換的一種特例。拉普拉斯轉換更通用，可以處理呈指數增長的函數，而傅立葉轉換要求函數是絕對可積的。單邊拉普拉斯轉換（從 0 開始）在工程應用中最常用。
其他資源
引用此內容、頁面或工具為：
"拉普拉斯轉換計算機" 於 https://MiniWebtool.com/zh-tw/拉普拉斯轉換計算機/，來自 MiniWebtool，https://MiniWebtool.com/
由 miniwebtool 團隊製作。更新日期：2026年1月19日
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