Article

信号与系统-CH9-拉普拉斯变换

信号与系统-CH9-拉普拉斯变换,待补充摘要。

May 30, 2026 修考 26 min read

拉普拉斯变换

拉普拉斯变换(Laplace Transform)系统化学习笔记

第一部分:拉普拉斯变换的基本定义与物理意义

1.1 积分变换的通用公式

积分变换(Integral Transform)的本质是通过一个选定的核函数(Kernel) K(s,t)K(s,t),将时域中的连续函数 f(t)f(t) 映射到另一个更容易求解的复频域空间(如 ss 域或 ω\omega 域):

F(s)=abf(t)K(s,t)dtF(s) = \int_{a}^{b} f(t) K(s,t) \, dt

  • 在傅里叶变换(Fourier Transform)中:核函数 K(s,t)=ejωtK(s,t) = e^{-j\omega t},积分区间为实数全域 (,)(-\infty, \infty)
  • 在拉普拉斯变换(Laplace Transform)中:核函数 K(s,t)=estK(s,t) = e^{-st}

1.2 单边拉普拉斯变换的严格定义

在实际工程分析(如电路分析、信号与系统、控制理论)中,由于我们往往关注系统自 t=0t=0 之后加入输入信号的响应,因此主要采用单边拉普拉斯变换(One-sided Laplace Transform)

L[f(t)]=F(s)=0f(t)estdt\mathcal{L}[f(t)] = F(s) = \int_{0^-}^{\infty} f(t) e^{-st} \, dt

💡 订正说明(关于 00^- 下限): 你的手写笔记中写作 0\int_{0}^{\infty}。在工程上,为了能够完整、无遗漏地覆盖到可能在 t=0t=0 时刻发生突变或作用的单位冲激函数 δ(t)\delta(t),通常将单边积分的下限严格定义为 00^-(即 00 的左侧极限处)。

1.3 算子 ss 的物理意义

在变换中,自变量 ss 是一个复变量(Complex Variable),称为复频率(Complex Frequency)

s=σ+jωs = \sigma + j\omega

  • σ\sigma(实部): 代表衰减因子(Neper frequency),单位为奈培/秒(Np/s\text{Np/s}),反映信号的指数衰减或增长速度。
  • ω\omega(虚部): 代表角频率(Angular frequency),单位为弧度/秒(rad/s\text{rad/s}),反映信号的等幅振荡速度。

复频域(ss-Domain)的量纲分析

因为公式中指数项 sts \cdot t 必须是一个无量纲(dimensionless)的纯数:

  • 时间 tt 的单位为秒(s\text{s}),
  • 因此复频率 ss 的单位必须是时间秒的倒数,即 s1\text{s}^{-1}(频率单位)
  • 因此,ss-domain 也被称为复频域

1.4 拉普拉斯逆变换(Inverse Laplace Transform)

将复频域信号 F(s)F(s) 还原为时域信号 f(t)f(t) 的数学公式为:

L1[F(s)]=f(t)=12πjσ1jσ1+jF(s)estds(t0)\mathcal{L}^{-1}[F(s)] = f(t) = \frac{1}{2\pi j} \int_{\sigma_1 - j\infty}^{\sigma_1 + j\infty} F(s) e^{st} \, ds \quad (t \ge 0)

该公式称为 Bromwich 积分。由于该积分涉及复变函数中的复轮廓积分(围道积分),计算极其繁琐。在实际工程与做题中,我们几乎从不直接使用此积分,而是通过 部分分式展开法(Partial Fraction Expansion) 结合 常用变换对 进行逆变换求解。

第二部分:为什么要引入拉普拉斯变换?

在电路暂态分析和控制系统分析中,拉普拉斯变换具有压倒性的优势:

  1. 化微积分为代数:它能够将时域中复杂的微积分运算(微分方程),转化为复频域中极其简单的代数乘除运算(代数方程)
  2. 暂态/瞬态分析的绝对利器:相比于经典时域求解微分方程法,拉普拉斯变换在求导性质中,可以天然、自动地将电路元件(如电容、电感)的初始状态(Initial Conditions)一步带入计算,无需在求出通解后再去繁琐地套用边界条件求特解。
  3. 对相量法(Phasor Method)的终极推广
    • 相量法(Phasor Domain):仅适用于求解正弦稳态电路,它只能处理单一频率的正弦信号,相当于将时域直接映射到了特定频率的相量域。
    • 拉普拉斯变换(ss-Domain):不仅可以分析稳态,更能分析各种输入源(突变步骤信号、冲激信号、指数信号等)作用下的暂态响应(Transient Response)。当复频率 s=σ+jωs = \sigma + j\omega 中的实部 σ=0\sigma = 0 且系统稳定时,拉普拉斯变换就会平滑地退化为稳态下的傅里叶变换/相量分析法。

第三部分:常用拉普拉斯变换对(Common Transform Pairs)

下面是高频常用的拉普拉斯变换对照表,要求熟练记忆(默认时域函数均在 t0t \ge 0 下作用,即隐含乘上 u(t)u(t)):

信号名称时域函数 f(t)f(t) (t0t \ge 0)复频域函数 F(s)F(s)备注
单位冲激函数δ(t)\delta(t)11频谱在全频段等幅分布
单位阶跃函数u(t)u(t)1s\frac{1}{s}最基础的控制输入信号
斜坡函数(幂函数)tt1s2\frac{1}{s^2}一般通式:L[tn]=n!sn+1\mathcal{L}[t^n] = \frac{n!}{s^{n+1}}
二次幂函数t2t^22s3\frac{2}{s^3}代入上述通式 n=2n=2 的结果
指数衰减函数eate^{-at}1s+a\frac{1}{s+a}极点位于 s=as = -a
正弦信号sin(ωt)\sin(\omega t)ωs2+ω2\frac{\omega}{s^2+\omega^2}极点位于纯虚轴 ±jω\pm j\omega
余弦信号cos(ωt)\cos(\omega t)ss2+ω2\frac{s}{s^2+\omega^2}分子为 ss

第四部分:拉普拉斯变换的核心性质

性质一:时域微分性质(Time Differentiation)

在一阶微分情况下:

L[df(t)dt]=sF(s)f(0)\mathcal{L}\left[ \frac{df(t)}{dt} \right] = sF(s) - f(0^-)

推广到更高阶微分(如二阶微分):

L[d2f(t)dt2]=s2F(s)sf(0)f(0)\mathcal{L}\left[ \frac{d^2f(t)}{dt^2} \right] = s^2F(s) - sf(0^-) - f'(0^-)

🔑 物理诠释: 在时域中进行一次求导,相当于在复频域直接乘以 ss,但需要减去与初值相关的修正项。若系统的初始状态为零(零状态,即 f(0)=0f(0^-) = 0),则时域的求导直接等效于 ss-Domain 里的乘法:ddt×s\frac{d}{dt} \Longleftrightarrow \times s

性质二:时域积分性质(Time Integration)

在时域上从 00^-tt 进行积分:

L[0tf(τ)dτ]=F(s)s\mathcal{L}\left[ \int_{0^-}^{t} f(\tau) \, d\tau \right] = \frac{F(s)}{s}

🔑 物理诠释: 时域积分为累积效应,映射到复频域表现为直接除以 ss。即:dt÷s\int \, dt \Longleftrightarrow \div s

性质三:复平移性质(频移性质,S-Domain Translation)

L[f(t)]=F(s)\mathcal{L}[f(t)] = F(s),则时域函数乘以指数衰减因子 eate^{-at},对应在复频域中将自变量 ss 平移 aa

L[f(t)eat]=F(s+a)\mathcal{L}[f(t)e^{-at}] = F(s+a)

💡 解决你的笔记疑惑:“我总感觉和 Fourier transform 转向相反”

这是一个非常经典的直觉,但实际上两者的数学转向在本质上是完美一致的!

  • 傅里叶变换的频移性质

    f(t)ejω0tF(ωω0)f(t) e^{j\omega_0 t} \Longleftrightarrow F(\omega - \omega_0)

    (时域乘以正指数 ejω0te^{j\omega_0 t},频域轴发生右移(减去 ω0\omega_0))

  • 拉普拉斯变换的频移性质

    f(t)eatF(s+a)f(t) e^{-at} \Longleftrightarrow F(s+a)

    (时域乘以负指数 eate^{-at},复频域发生左移(加上 aa),极点向左侧半平面移动)

如果我们令复指数中的实部为正,将拉普拉斯变换平移改写为:L[f(t)es0t]=F(ss0)\mathcal{L}[f(t)e^{s_0 t}] = F(s - s_0),你会发现它的符号和傅里叶变换是一模一样的!之所以手写笔记中是加号 s+as+a,是因为时域相乘的是负指数衰减项 eate^{-at}(即这里的 s0=as_0 = -a)。

第五部分:典型例题(性质的应用)

【例题 6.1 (1)】

题目:已知时域信号 v(t)=t2eatv(t) = t^2 e^{-at},求其拉普拉斯变换 V(s)V(s)

解析

  1. 首先找出基础时域信号的变换。我们知道幂函数:

    L[t2]=2!s3=2s3\mathcal{L}[t^2] = \frac{2!}{s^3} = \frac{2}{s^3}

  2. 应用复平移性质:当 t2t^2 乘上指数项 eate^{-at} 时,只需将复频域中所有的 ss 直接替换为 (s+a)(s+a)

  3. 由此得出:

    V(s)=2(s+a)3V(s) = \frac{2}{(s+a)^3}

【例题 6.1 (2)】

题目:已知时域信号 v(t)=sin(ωt+θ)v(t) = \sin(\omega t + \theta),求其拉普拉斯变换 V(s)V(s)

解析

  1. 由于初相位 θ\theta 导致其不是标准的正弦信号,因此我们可以使用三角恒等式将其在时域中展开:

    v(t)=sin(ωt)cosθ+cos(ωt)sinθv(t) = \sin(\omega t) \cos\theta + \cos(\omega t) \sin\theta

  2. 注意到 cosθ\cos\thetasinθ\sin\theta 都是常系数。根据拉普拉斯变换的线性性质(Linearity),常数可以直接提到变换算子外部:

    V(s)=L[sin(ωt)cosθ]+L[cos(ωt)sinθ]V(s) = \mathcal{L}[\sin(\omega t) \cos\theta] + \mathcal{L}[\cos(\omega t) \sin\theta]

    V(s)=cosθL[sin(ωt)]+sinθL[cos(ωt)]V(s) = \cos\theta \cdot \mathcal{L}[\sin(\omega t)] + \sin\theta \cdot \mathcal{L}[\cos(\omega t)]

  3. 代入标准正弦、余弦变换对照:

    V(s)=cosθωs2+ω2+sinθss2+ω2V(s) = \cos\theta \cdot \frac{\omega}{s^2+\omega^2} + \sin\theta \cdot \frac{s}{s^2+\omega^2}

  4. 合并分子,得到最终结果:

    V(s)=ssinθ+ωcosθs2+ω2V(s) = \frac{s \sin\theta + \omega \cos\theta}{s^2+\omega^2}

【例题 6.1 (3)】

题目:已知时域信号 v(t)=ddt(eatsinωt)v(t) = \frac{d}{dt} \left( e^{-at} \sin\omega t \right),求其拉普拉斯变换 V(s)V(s)

解析(提供两种完全等价的推导方法,帮助加深理解):

方法一:直接套用一阶微分性质(最简洁、推荐)

  1. 设内部子信号为 g(t)=eatsinωtg(t) = e^{-at} \sin\omega t

  2. 首先应用复平移性质求出 G(s)G(s)。因为已知 L[sinωt]=ωs2+ω2\mathcal{L}[\sin\omega t] = \frac{\omega}{s^2+\omega^2},乘以 eate^{-at} 后,自变量 ss+as \to s+a

    G(s)=L[eatsinωt]=ω(s+a)2+ω2G(s) = \mathcal{L}[e^{-at} \sin\omega t] = \frac{\omega}{(s+a)^2 + \omega^2}

  3. 计算子信号在 t=0t=0^- 时刻的初始值:

    g(0)=eatsinωtt=0=e0sin(0)=0g(0^-) = \left. e^{-at} \sin\omega t \right|_{t=0^-} = e^0 \cdot \sin(0) = 0

  4. 根据一阶微分性质,微分对应的变换为:

    V(s)=sG(s)g(0)=sω(s+a)2+ω20V(s) = sG(s) - g(0^-) = s \cdot \frac{\omega}{(s+a)^2 + \omega^2} - 0

  5. 得出最终结果:

    V(s)=sω(s+a)2+ω2V(s) = \frac{s\omega}{(s+a)^2 + \omega^2}

方法二:先在时域求导,再进行变换(物理推导法)

  1. 在时域中对 v(t)v(t) 使用乘法求导法则(Leibniz rule):

    v(t)=ddt(eatsinωt)=aeatsinωt+ωeatcosωtv(t) = \frac{d}{dt} \left( e^{-at} \sin\omega t \right) = -a e^{-at} \sin\omega t + \omega e^{-at} \cos\omega t

  2. 由于线性性质,我们分别求两项的拉普拉斯变换:

    V(s)=aL[eatsinωt]+ωL[eatcosωt]V(s) = -a \mathcal{L}[e^{-at} \sin\omega t] + \omega \mathcal{L}[e^{-at} \cos\omega t]

  3. 根据复平移性质代入变换对:

    • L[eatsinωt]=ω(s+a)2+ω2\mathcal{L}[e^{-at} \sin\omega t] = \frac{\omega}{(s+a)^2+\omega^2}
    • L[eatcosωt]=s+a(s+a)2+ω2\mathcal{L}[e^{-at} \cos\omega t] = \frac{s+a}{(s+a)^2+\omega^2}
  4. 代入并通分合并:

    V(s)=aω+ω(s+a)(s+a)2+ω2=aω+sω+aω(s+a)2+ω2=sω(s+a)2+ω2V(s) = \frac{-a\omega + \omega(s+a)}{(s+a)^2 + \omega^2} = \frac{-a\omega + s\omega + a\omega}{(s+a)^2 + \omega^2} = \frac{s\omega}{(s+a)^2 + \omega^2}

    (两种求解方法的答案高度一致,证明了微积分化为代数性质的正确性)

第六部分:部分分式展开法(Partial Fraction Expansion)

对于实际电路系统函数,最常见的形式是两个多项式的商 F(s)=N(s)D(s)F(s) = \frac{N(s)}{D(s)}。若该分式为真分式(分母 D(s)D(s) 的最高次数 nn 大于分子 N(s)N(s) 的最高次数 mm),我们根据分母极点(分母的根)的不同,分为三种展开模式进行逆变换。

情况 ①:单极点情况(Distinct Real Roots / Simple Poles)

如果分母 D(s)=0D(s) = 0 拥有 nn各不相同的实根(简单极点) p1,p2,,pnp_1, p_2, \dots, p_n,则 F(s)F(s) 可以被拆解为:

F(s)=K1sp1+K2sp2++KnspnF(s) = \frac{K_1}{s - p_1} + \frac{K_2}{s - p_2} + \dots + \frac{K_n}{s - p_n}

其中,每一个拆解系数 KiK_i(称为该极点处的留数 Residue)可以使用掩盖法(Heaviside Method)计算:

Ki=(spi)F(s)s=piK_i = \left. (s - p_i) F(s) \right|_{s = p_i}

时域逆变换为指数信号的和:

f(t)=(K1ep1t+K2ep2t++Knepnt)u(t)f(t) = \left( K_1 e^{p_1 t} + K_2 e^{p_2 t} + \dots + K_n e^{p_n t} \right) u(t)

【例题 1】

题目:已知复频域表达式如下,求其时域逆变换 v(t)v(t)

V(s)=7s2+35s+144(s+3)(s+4)(s+5)V(s) = \frac{7s^2 + 35s + 144}{(s+3)(s+4)(s+5)}

解析

  1. 极点为三个不同的简单极点:s=3,4,5s = -3, -4, -5

  2. 设展开形式为:

    V(s)=K1s+3+K2s+4+K3s+5V(s) = \frac{K_1}{s+3} + \frac{K_2}{s+4} + \frac{K_3}{s+5}

  3. 利用公式计算留数 K1,K2,K3K_1, K_2, K_3

    • 计算 K1K_1

      K1=(s+3)V(s)s=3=7s2+35s+144(s+4)(s+5)s=3K_1 = \left. (s+3) V(s) \right|_{s=-3} = \left. \frac{7s^2 + 35s + 144}{(s+4)(s+5)} \right|_{s=-3}

      K1=7(3)2+35(3)+144(3+4)(3+5)=63105+144(1)(2)=1022=51K_1 = \frac{7(-3)^2 + 35(-3) + 144}{(-3+4)(-3+5)} = \frac{63 - 105 + 144}{(1)(2)} = \frac{102}{2} = 51

    • 计算 K2K_2

      K2=(s+4)V(s)s=4=7s2+35s+144(s+3)(s+5)s=4K_2 = \left. (s+4) V(s) \right|_{s=-4} = \left. \frac{7s^2 + 35s + 144}{(s+3)(s+5)} \right|_{s=-4}

      K2=7(4)2+35(4)+144(4+3)(4+5)=112140+144(1)(1)=1161=116K_2 = \frac{7(-4)^2 + 35(-4) + 144}{(-4+3)(-4+5)} = \frac{112 - 140 + 144}{(-1)(1)} = \frac{116}{-1} = -116

    • 计算 K3K_3

      K3=(s+5)V(s)s=5=7s2+35s+144(s+3)(s+4)s=5K_3 = \left. (s+5) V(s) \right|_{s=-5} = \left. \frac{7s^2 + 35s + 144}{(s+3)(s+4)} \right|_{s=-5}

      K3=7(5)2+35(5)+144(5+3)(5+4)=175175+144(2)(1)=1442=72K_3 = \frac{7(-5)^2 + 35(-5) + 144}{(-5+3)(-5+4)} = \frac{175 - 175 + 144}{(-2)(-1)} = \frac{144}{2} = 72

  4. 代回展开式:

    V(s)=51s+3116s+4+72s+5V(s) = \frac{51}{s+3} - \frac{116}{s+4} + \frac{72}{s+5}

  5. 进行逆变换(由于是单边变换,时域需乘上阶跃函数 u(t)u(t)):

    v(t)=(51e3t116e4t+72e5t)u(t)v(t) = \left( 51 e^{-3t} - 116 e^{-4t} + 72 e^{-5t} \right) u(t)

【例题 2】

题目:已知系统函数 F(s)=96(s+5)(s+12)s(s+8)(s+6)F(s) = \frac{96(s+5)(s+12)}{s(s+8)(s+6)},求其拉普拉斯逆变换 f(t)f(t)

解析

  1. 分母根为 s=0,8,6s = 0, -8, -6。写出展开形式:

    F(s)=K1s+K2s+8+K3s+6F(s) = \frac{K_1}{s} + \frac{K_2}{s+8} + \frac{K_3}{s+6}

  2. 计算留数:

    • 计算 K1K_1

      K1=sF(s)s=0=96(s+5)(s+12)(s+8)(s+6)s=0=96(5)(12)(8)(6)=576048=120K_1 = \left. s F(s) \right|_{s=0} = \left. \frac{96(s+5)(s+12)}{(s+8)(s+6)} \right|_{s=0} = \frac{96(5)(12)}{(8)(6)} = \frac{5760}{48} = 120

    • 计算 K2K_2

      K2=(s+8)F(s)s=8=96(s+5)(s+12)s(s+6)s=8=96(8+5)(8+12)8(8+6)K_2 = \left. (s+8) F(s) \right|_{s=-8} = \left. \frac{96(s+5)(s+12)}{s(s+6)} \right|_{s=-8} = \frac{96(-8+5)(-8+12)}{-8(-8+6)}

      K2=96(3)(4)16=6(12)=72K_2 = \frac{96(-3)(4)}{16} = 6 \cdot (-12) = -72

    • 计算 K3K_3

      K3=(s+6)F(s)s=6=96(s+5)(s+12)s(s+8)s=6=96(6+5)(6+12)6(6+8)K_3 = \left. (s+6) F(s) \right|_{s=-6} = \left. \frac{96(s+5)(s+12)}{s(s+8)} \right|_{s=-6} = \frac{96(-6+5)(-6+12)}{-6(-6+8)}

      K3=96(1)(6)12=86=48K_3 = \frac{96(-1)(6)}{-12} = 8 \cdot 6 = 48

  3. 代回展开式:

    F(s)=120s72s+8+48s+6F(s) = \frac{120}{s} - \frac{72}{s+8} + \frac{48}{s+6}

  4. 时域逆变换:

    f(t)=(12072e8t+48e6t)u(t)f(t) = \left( 120 - 72 e^{-8t} + 48 e^{-6t} \right) u(t)

情况 ②:共轭复根情况(Complex Conjugate Poles)

当分母 D(s)D(s) 中存在无法在实域分解的二次项时,系统极点必为一对共轭复数:

p1,2=α±jβp_{1,2} = \alpha \pm j\beta

这种情况下,展开式对应的系数也是共轭复数(K2K_2K2K_2^*):

V(s)=K1sp1+K2s(α+jβ)+K2s(αjβ)V(s) = \frac{K_1}{s - p_1} + \frac{K_2}{s - ( \alpha + j\beta )} + \frac{K_2^*}{s - ( \alpha - j\beta )}

其中,通过极坐标系表示复留数:K2=K2ejθK_2 = |K_2| e^{j\theta}。 此时,后面的两项共轭复极点在时域合并后,会直接组合为一个衰减余弦信号

vconjugate(t)=2K2eαtcos(βt+θ)u(t)v_{\text{conjugate}}(t) = 2 |K_2| e^{\alpha t} \cos(\beta t + \theta) u(t)

【例题 3】

题目:已知系统电压的 ss 域函数如下,求时域响应 v(t)v(t)

V(s)=100(s+3)(s+6)(s2+6s+25)V(s) = \frac{100(s+3)}{(s+6)(s^2+6s+25)}

解析

  1. 极点分析

    • 实极点:s=6s = -6
    • 共轭复极点:令 s2+6s+25=0    (s+3)2+42=0    s=3±j4s^2+6s+25 = 0 \implies (s+3)^2 + 4^2 = 0 \implies s = -3 \pm j4(其中 α=3\alpha = -3β=4\beta = 4)。
  2. 写出部分分式展开式

    V(s)=K1s+6+K2s(3+j4)+K2s(3j4)V(s) = \frac{K_1}{s+6} + \frac{K_2}{s - (-3+j4)} + \frac{K_2^*}{s - (-3-j4)}

  3. 计算实极点留数 K1K_1

    K1=(s+6)V(s)s=6=100(s+3)s2+6s+25s=6K_1 = \left. (s+6)V(s) \right|_{s=-6} = \left. \frac{100(s+3)}{s^2+6s+25} \right|_{s=-6}

    K1=100(6+3)(6)2+6(6)+25=3003636+25=30025=12K_1 = \frac{100(-6+3)}{(-6)^2 + 6(-6) + 25} = \frac{-300}{36-36+25} = \frac{-300}{25} = -12

  4. 计算复极点留数 K2K_2

    K2=[s(3+j4)]V(s)s=3+j4=100(s+3)(s+6)(s+3+j4)s=3+j4K_2 = \left. [s - (-3+j4)] V(s) \right|_{s = -3+j4} = \left. \frac{100(s+3)}{(s+6)(s + 3 + j4)} \right|_{s = -3+j4}

    代入 s=3+j4s = -3+j4(注意:时域代入后分子变为 100(j4)100(j4)):

    K2=100(j4)(3+j4+6)(j8)=j400(3+j4)(j8)=j40032+j24K_2 = \frac{100(j4)}{(-3+j4+6)(j8)} = \frac{j400}{(3+j4)(j8)} = \frac{j400}{-32 + j24}

    分子和分母同除以 88 以化简:

    K2=j504+j3K_2 = \frac{j50}{-4 + j3}

    分子分母同乘以分母共轭项 4j3-4-j3 展开:

    K2=j50(4j3)(4)2+32=j200j2(150)25=150j20025=6j8K_2 = \frac{j50(-4-j3)}{(-4)^2+3^2} = \frac{-j200 - j^2(150)}{25} = \frac{150 - j200}{25} = 6 - j8

  5. 转化为复数的指数极坐标形式

    • 幅值 K2=62+(8)2=100=10|K_2| = \sqrt{6^2 + (-8)^2} = \sqrt{100} = 10
    • 相角 θ=arctan(86)53.13\theta = \arctan\left( \frac{-8}{6} \right) \approx -53.13^\circ
    • 所以复留数为:K2=10ej53.13K_2 = 10 e^{-j53.13^\circ}
  6. 时域组合还原

    v(t)=K1e6t+K2e(3+j4)t+K2e(3j4)tv(t) = K_1 e^{-6t} + K_2 e^{(-3+j4)t} + K_2^* e^{(-3-j4)t}

    v(t)=12e6t+10ej53.13e3tej4t+10ej53.13e3tej4tv(t) = -12 e^{-6t} + 10 e^{-j53.13^\circ} e^{-3t} e^{j4t} + 10 e^{j53.13^\circ} e^{-3t} e^{-j4t}

    v(t)=12e6t+10e3t[ej(4t53.13)+ej(4t53.13)]v(t) = -12 e^{-6t} + 10 e^{-3t} \left[ e^{j(4t - 53.13^\circ)} + e^{-j(4t - 53.13^\circ)} \right]

    利用欧拉公式 ejϕ+ejϕ=2cosϕe^{j\phi} + e^{-j\phi} = 2 \cos\phi 合并共轭对:

    v(t)=[12e6t+20e3tcos(4t53.13)]u(t) Vv(t) = \left[ -12 e^{-6t} + 20 e^{-3t} \cos(4t - 53.13^\circ) \right] u(t) \text{ V}

情况 ③:重极点情况(Repeated Poles) —— 补充内容

若分母中含有重数为 rr 的重复实根(重极点),即 D(s)D(s) 包含 (sp1)r(s - p_1)^r 项,那么该部分的展开式必须展开为降幂分布的多项式之和:

F(s)=Dr(sp1)r+Dr1(sp1)r1++D1sp1+其他极点项F(s) = \frac{D_r}{(s-p_1)^r} + \frac{D_{r-1}}{(s-p_1)^{r-1}} + \dots + \frac{D_1}{s-p_1} + \text{其他极点项}

其中,各系数的通用求导公式为:

  • 最高次数系数 DrD_r

    Dr=(sp1)rF(s)s=p1D_r = \left. (s-p_1)^r F(s) \right|_{s = p_1}

  • kk 级降幂系数 DrkD_{r-k}

    Drk=1k!dkdsk[(sp1)rF(s)]s=p1D_{r-k} = \frac{1}{k!} \left. \frac{d^k}{ds^k} \left[ (s-p_1)^r F(s) \right] \right|_{s = p_1}

【新增例题 4(重极点补充案例)】

题目:已知复频域信号 F(s)=2s+5(s+1)2(s+2)F(s) = \frac{2s+5}{(s+1)^2(s+2)},求其拉普拉斯逆变换 f(t)f(t)

解析

  1. 极点分析

    • 单极点:s=2s = -2
    • 重极点:s=1s = -1,重数 r=2r = 2
  2. 设展开分式

    F(s)=D2(s+1)2+D1s+1+Ks+2F(s) = \frac{D_2}{(s+1)^2} + \frac{D_1}{s+1} + \frac{K}{s+2}

  3. 计算简单极点留数 KK

    K=(s+2)F(s)s=2=2s+5(s+1)2s=2=2(2)+5(2+1)2=11=1K = \left. (s+2) F(s) \right|_{s=-2} = \left. \frac{2s+5}{(s+1)^2} \right|_{s=-2} = \frac{2(-2)+5}{(-2+1)^2} = \frac{1}{1} = 1

  4. 计算重极点最高阶系数 D2D_2

    D2=(s+1)2F(s)s=1=2s+5s+2s=1=2(1)+51+2=31=3D_2 = \left. (s+1)^2 F(s) \right|_{s=-1} = \left. \frac{2s+5}{s+2} \right|_{s=-1} = \frac{2(-1)+5}{-1+2} = \frac{3}{1} = 3

  5. 计算重极点一阶导数系数 D1D_1

    D1=dds[(s+1)2F(s)]s=1=dds[2s+5s+2]s=1D_1 = \left. \frac{d}{ds} \left[ (s+1)^2 F(s) \right] \right|_{s=-1} = \left. \frac{d}{ds} \left[ \frac{2s+5}{s+2} \right] \right|_{s=-1}

    利用分式求导法则 (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} 求解导数部分:

    dds(2s+5s+2)=2(s+2)(2s+5)(1)(s+2)2=2s+42s5(s+2)2=1(s+2)2\frac{d}{ds}\left( \frac{2s+5}{s+2} \right) = \frac{2(s+2) - (2s+5)(1)}{(s+2)^2} = \frac{2s+4-2s-5}{(s+2)^2} = \frac{-1}{(s+2)^2}

    代入 s=1s = -1

    D1=1(s+2)2s=1=1(1+2)2=1D_1 = \left. \frac{-1}{(s+2)^2} \right|_{s=-1} = \frac{-1}{(-1+2)^2} = -1

  6. 代回部分分式表达式

    F(s)=3(s+1)21s+1+1s+2F(s) = \frac{3}{(s+1)^2} - \frac{1}{s+1} + \frac{1}{s+2}

  7. 求时域逆变换: 利用变换对照表,因为已知时域斜坡乘以指数:L[tet]=1(s+1)2\mathcal{L}[t e^{-t}] = \frac{1}{(s+1)^2}。 所以时域表达式为:

    f(t)=(3tetet+e2t)u(t)f(t) = \left( 3t e^{-t} - e^{-t} + e^{-2t} \right) u(t)