התמרת לפלס

התמרת לפלס היא כלי מתמטי שהשימוש בו מקל מאוד על ניתוח ההתנהגות של מערכות לינאריות ללא תלות בזמן, כגון מעגלים חשמליים ומערכות מכניות ואופטיות.

ההתמרה נקראת על שם המתמטיקאי הצרפתי פייר סימון לפלס.

הגדרה

את התהליך בו מבצעים התמרת לפלס לפונקציה $f$ מקובל לסמן ${ℒ}(f)$. אם $f(t)$ היא פונקציה ממשית, התמרתה מסומנת ומוגדרת לפי האינטגרל המסוים

$F(s)={ℒ}\{f(t)\}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}{e}^{-st}f(t)dt$.

התמרת לפלס היא התמרה אינטגרלית: פונקציה המקבלת פונקציה (ממשית או מרוכבת) ומחזירה פונקציה מאותו סוג. ההתמרה היא העתקה לינארית ממרחב הפונקציות הממשיות לעצמו (למעשה, ההעתקה מוגדרת רק בתנאים מסוימים, כפי שיתואר בהמשך). ייחודה בכך שהיא מקיימת את הזהות ${ℒ}(f^{\prime })=s\cdot {ℒ}(f)-f(0)$, וכך היא הופכת נגזרת לכפל במשתנה, תכונה המקלה על ניתוח של מערכות דינמיות לינאריות הקבועות בזמן. ההתמרה שימושית במיוחד בפתרון של משוואות דיפרנציאליות. בהנדסת חשמל מקובל לומר שהתמרת לפלס מעבירה ממישור הזמן למישור התדר. זאת למרות שלמישור לפלס אין כלל משמעות של תדר, ההתמרה שמעבירה ממישור הזמן למישור התדר היא התמרת פורייה (למעשה, אם s הוא מדומה טהור, התמרת לפלס זהה להתמרת פורייה). מישור לפלס הוא מישור מדומה ללא משמעות פיזיקלית פשוטה, שמשתמשים בו לפתרון משוואות דיפרנציאליות.

היסטוריה

התמרות אינטגרליות הוצגו לראשונה על ידי לאונרד אוילר שפתר בעזרת ההתמרות משוואות דיפרנציאליות רגילות לינאריות מסדר שני. לפלס עצמו מזכיר בכתביו את עבודתו של אוילר על התמרות אינטגרליות. היה זה שפיצר שהצמיד את שמו של לפלס לביטוי $F(s)=\underset{a}{\overset{b}{\int }}{e}^{st}f(t)dt$ שאוילר השתמש בו. בסוף המאה ה-19 הורחבה התמרת לפלס גם למישור המרוכב ולשני משתנים על ידי Poincaré, Pincherle, Abel, Picard. במאה ה-20 שוכללה התמרת לפלס על ידי החוקרים Bateman, Bernstein, Doetsch, Heaviside, Bromwich.

הרחבה למספרים מרוכבים

כאמור, התמרת לפלס פועלת גם במישור המרוכב, והדרישה הממשית s>0 מוחלפת בדרישה המרוכבת Re(s)>0. נראה זאת בדוגמה הבאה:

${ℒ}(e^{i\omega t})=\underset{0}{\overset{\mathrm{\infty }}{\int }}{e}^{-st}{e}^{i\omega t}dt=\underset{M\to \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{e^{(i\omega -s)t}}{i\omega -s}{|}_0^M=\frac{1}{s-i\omega }$

השוויון האחרון מתקיים מכיוון ש:

$\underset{M\to \mathrm{\infty }}{\lim }|e^{i\omega M}{e}^{-sM}|=\underset{M\to \mathrm{\infty }}{\lim }{e}^{-Re(s)M}=0,Re(s)>0$

באופן דומה ניתן להראות כי: ${ℒ}(e^{-i\omega t})=\frac{1}{s+i\omega }$. לכן, על פי הלינאריות של ההתמרה נקבל כי:

${ℒ}(\cos \omega t)=\frac{{ℒ}(e^{i\omega t})+{ℒ}(e^{-i\omega t})}{2}={ℒ}(\frac{e^{i\omega t}+e^{-i\omega t}}{2})=\frac{s}{s^2+{\omega }^2}$, ובדומה: ${ℒ}(\sin \omega t)=\frac{\omega }{s^2+{\omega }^2}$.

ניתן לראות שאם s הוא מדומה (כלומר, Re(s)=0 ) התמרת לפלס הופכת להתמרת פורייה.

סדר מעריכי של פונקציה

נשאלת השאלה לאילו פונקציות קיימת התמרת לפלס. על פי ההגדרה, אם האינטגרל מתכנס אז ההתמרה קיימת, אבל קיים גם מדד עבור הפונקציה עצמה - הסדר המעריכי שלה:
לפונקציה $f(t)$ יש סדר מעריכי בגובה $\alpha$ אם קיימים קבועים $M>0,\alpha ,t_0\ge 0$ כך שלכל $t\ge t_0$ מתקיים $|f(t)|\le M{e}^{\alpha t}$.
לדוגמה, הסדר המעריכי של $e^{at}$ הוא $a$ ($a$ יכול להיות שלילי), הסדר המעריכי של $\sin at$ הוא 0 (כי נוכל לבחור $M$ מספיק גדול), ולפולינומים יש סדר מעריכי כלשהו גדול מ-0 (שוב, כי נוכל לבחור $M$ מספיק גדול, ובאינסוף אקספוננט "מנצח" פולינום). ל- $e^{t^2}$ לעומת זאת, לא קיים סדר מעריכי כי לא ניתן לחסום אותה כאמור עם אקספוננט.

ואז: אם $f(t)$ רציפה למקוטעין על חצי-הישר הימני, ומסדר מעריכי $\alpha$ אז קיימת לה התמרת לפלס לכל $Re(s)>\alpha$ (במקרה הממשי - $s>\alpha$). כלומר, האקספוננט $e^{-st}$ צריך "למשוך למטה" חזק יותר. יש לשים לב שבעוד שלכל פונקציה המקיימת את התנאים האמורים קיימת התמרת לפלס, קיימות פונקציות שאינן מקיימות תנאים אלו, ובכל זאת קיימת להן התמרה. לדוגמה, לפונקציה $f(t)=t{e}^{t^2}\sin e^{t^2}$ לא קיים סדר מעריכי אך קיימת לה התמרת לפלס לכל $Re(s)>0$.

תכונות

בהינתן שתי פונקציות $f(t)$ ו $g(t)$, והתמרות הלפלס שלהן הן $F(s)$ ו-$G(s)$ בהתאמה,

$F(s)={ℒ}\{f(t)\}$

$G(s)={ℒ}\{g(t)\}$

מתקיימות התכונות הבאות:

• כללי:
  • ניתן להראות שהתמרת לפלס של כל פונקציה רציפה למקוטעין ובעלת סדר מעריכי, מתכנסת בהחלט ובמידה שווה.
  • אם $f(t)$ רציפה למקוטעין על חצי הישר הימני ובעלת סדר מעריכי $\alpha$ אז $\underset{Re(s)\to \mathrm{\infty }}{\lim }F(s)=\underset{Re(s)\to \mathrm{\infty }}{\lim }{ℒ}(f(t))=0$. רואים בטבלת ההתמרות כי מעלת המכנה תמיד גבוהה ממעלת המונה.

• לינאריות:

${ℒ}\{af(t)+bg(t)\}=aF(s)+bG(s)$

• גזירות:

${ℒ}\{f^{\prime }\}=s{ℒ}\{f\}-f(0)$

${ℒ}\{f^{″}\}=s^2{ℒ}\{f\}-sf(0)-f^{\prime }(0)$

${ℒ}\left\{f^{(n)}\right\}=s^n{ℒ}\{f\}-s^{n-1}f(0)-\cdots -f^{(n-1)}(0)$

• קונבולוציה:

${ℒ}\{f(t)*g(t)\}=F(s)\cdot G(s)$

• אינטגרציה וקונבולוציה:

${ℒ}\{\underset{0}{\overset{t}{\int }}f(\tau )d\tau \}={ℒ}\{u(t)*f(t)\}=\frac{1}{s}F(s)$

• איפנון:

${ℒ}\{e^{at}f(t)\}=F(s-a)$

${{ℒ}}^{-1}\{F(s-a)\}=e^{at}f(t)$

• הזזה:

${ℒ}\{f(t-a)u(t-a)\}=e^{-as}F(s)$

${{ℒ}}^{-1}\{e^{-as}F(s)\}=f(t-a)u(t-a)$

כאן $u(t)$ היא פונקציית מדרגה.

התמרת לפלס של טורי חזקות

נגדיר טור חזקות: $f(t)=\sum _{k=0}^n{a}_k{t}^k$. על ידי שימוש בתכונת הלינאריות ובטבלת ההתמרות, נקבל: ${ℒ}(f(t))=\sum _{k=0}^n{a}_k{ℒ}(t^k)=\sum _{k=0}^n\frac{a_{k}k!}{s^{k+1}}$. לטורי חזקות אינוספיים, לעומת זאת, לא תמיד קיימת התמרת לפלס. התמרת לפלס עבור טור החזקות $f(t)=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}{a}_k{t}^k$ קיימת אם הטור מתכנס לכל $t\ge 0$, וקיים $N$ טבעי כך שלכל $n\ge N$ ולכל $\alpha >0,M>0$ מתקיים $|a_k|\le \frac{M{\alpha }^k}{k!}$. במקרה זה נקבל: ${ℒ}(f(t))=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}{a}_k{ℒ}(t^k)=\sum _{k=0}^{\mathrm{\infty }}\frac{a_{k}k!}{s^{k+1}}$.

משפט הערך ההתחלתי

אם קיימת התמרת לפלס של הפונקציות $f(t),f^{\prime }(t)$ אז מתקיים:

$\lim {}_{t\to 0^{+}}f(t)=\lim {}_{s\to \mathrm{\infty }}sF(s)$

משפט זה נוח במיוחד כאשר מעוניינים בערך התחילי של הפונקציה במישור הזמן, כי אינו מחייב חישוב התמרת הלפלס ההפוכה של F.

משפט הערך הסופי

אם קיימת התמרת לפלס של הפונקציות $f(t),f^{\prime }(t)$ וכל הקטבים של F נמצאים בחצי המישור השמאלי, ולכל היותר ישנו קוטב בודד בראשית, אז מתקיים:

$\lim {}_{t\to \mathrm{\infty }}f(t)=\lim {}_{s\to 0}sF(s)$

משפט זה שימושי כאשר מעוניינים בהתנהגות המערכת לאחר ריסון תנאי ההתחלה.

טבלת התמרות לפלס

ID	פונקציה	מרחב הזמן $x(t)={{ℒ}}^{-1}\{X(s)\}$	מרחב התדר $X(s)={ℒ}\{x(t)\}$	תחום התכנסות למערכת סיבתית
1	פונקציית הלם	$\delta (t)$	$1$	לכל $s$
2	פונקציית מדרגה	$1\cdot u(t-\alpha )$	$\frac{e^{-\alpha s}}{s}$	$s>0$
3	דעיכה אקספוננציאלית	$e^{-\alpha t}\cdot u(t)$	$\frac{1}{s+\alpha }$	$s>-\alpha$
3	דעיכה אקספוננציאלית מוכפלת t	$t{e}^{-\alpha t}\cdot u(t)$	$\frac{1}{(s+\alpha {)}^2}$	$s>-\alpha$
4	קירוב אקספוננציאלי	$(1-e^{-\alpha t})\cdot u(t)$	$\frac{\alpha }{s(s+\alpha )}$	$s>0$
5	סינוס	$\sin (\omega t)\cdot u(t)$	$\frac{\omega }{s^2+{\omega }^2}$	$s>0$
6	קוסינוס	$\cos (\omega t)\cdot u(t)$	$\frac{s}{s^2+{\omega }^2}$	$s>0$
7	סינוס היפרבולי	$\sinh (\alpha t)\cdot u(t)$	$\frac{\alpha }{s^2-{\alpha }^2}$	$s>|\alpha |$
8	קוסינוס היפרבולי	$\cosh (\alpha t)\cdot u(t)$	$\frac{s}{s^2-{\alpha }^2}$	$s>|\alpha |$
9	גל סינוס בדעיכה אקספוננציאלית	$e^{-\alpha t}\sin (\omega t)\cdot u(t)$	$\frac{\omega }{(s+\alpha {)}^2+{\omega }^2}$	$s>-\alpha$
10	גל קוסינוס בדעיכה אקספוננציאלית	$e^{-\alpha t}\cos (\omega t)\cdot u(t)$	$\frac{s+\alpha }{(s+\alpha {)}^2+{\omega }^2}$	$s>-\alpha$
11	חזקת n	$t^n\cdot u(t)$	$\frac{n!}{s^{n+1}}$	$s>0$
12	השורש ה-n-י	$\sqrt[n]{t}\cdot u(t)$	$s^{-(n+1)/n}\cdot \mathrm{\Gamma }(1+\frac{1}{n})$	$s>0$
13	לוגריתם טבעי	$\ln \left(\frac{t}{t_0}\right)\cdot u(t)$	$-\frac{t_0}{s}[\ln (t_{0}s)+\gamma ]$	$s>0$
14	פונקציית בסל מהסוג הראשון, מסדר n	$J_n(\omega t)\cdot u(t)$	$\frac{{\omega }^n{(s+\sqrt{s^2+{\omega }^2})}^{-n}}{\sqrt{s^2+{\omega }^2}}$	$s>0$ $(n>-1)$
15	פונקציית בסל מתואמת מהסוג הראשון, מסדר n	$I_n(\omega t)\cdot u(t)$	$\frac{{\omega }^n{(s+\sqrt{s^2-{\omega }^2})}^{-n}}{\sqrt{s^2-{\omega }^2}}$	$s>|\omega |$
16	פונקציית בסל מהסוג השני, מסדר 0	$Y_0(\alpha t)\cdot u(t)$
17	פונקציית בסל מתואמת מהסוג השני, מסדר 0	$K_0(\alpha t)\cdot u(t)$
18	פונקציית השגיאה	$\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{f}(t)\cdot u(t)$	$\frac{e^{s^2/4}\mathrm{erfc}(s/2)}{s}$	$s>0$
הערות: $u(t)$ מייצג את פונקציית המדרגה. $\delta (t)$ מייצג את פונקציית דלתא של דיראק. $\mathrm{\Gamma }(z)$ מייצג פונקציית גמא. $\gamma$ הוא קבוע אוילר. $t$, מספר ממשי, בדרך-כלל מייצג זמן, למרות שיכול לייצג כל מימד בלתי-תלוי. $s$ הוא מספר מרוכב המסמל את התדירות הזוויתית. $\alpha$, $\beta$, ו $\omega$ הם מספרים ממשיים. $n$ הוא מספר שלם. מערכת סיבתית היא מערכת שבה התגובה להלם (h(t היא אפס לכל זמן t<0.

שימושים

• פתרון משוואות דיפרנציאליות בעזרת התמרת לפלס, מנצל את הזהות ${ℒ}(f^{\prime })=s\cdot {ℒ}(f)-f(0)$, שמקשרת בין התמרת לפלס של הנגזרת לבין התמרת לפלס של הפונקציה. כך, בהינתן משוואה דיפרנציאלית רגילה הכוללת נגזרות מסדרים שונים, ניתן לבצע התמרת לפלס על המשוואה, לבודד את הביטוי להתמרת לפלס של הפונקציה הנעלמת - ואז לבצע התמרת לפלס הפוכה ולמצוא את פתרון המשוואה.
• בתורת הבקרה, כאשר מאפיינים מערכת, מופיעים לעיתים קרובות ביטויים המערבים נגזרות. מאחר שהתמרת לפלס הופכת גזירה למכפלה ואינטגרציה לחלוקה, הטיפול בביטויים כאלה הוא נוח, וכאשר מאפייני המערכת אינם תלויים בזמן, התמרת לפלס של משוואות התנועה נותנת פולינומים, אשר מאפשרים אנליזה קלה של המצב (ע"ע: פונקציית תמסורת).

ראו גם

• התמרת פורייה

לקריאה נוספת

• Schiff, Joel L., The Laplace transform: theory and applications, Springer-Verlag, 1999, New York.

קישורים חיצוניים

מחשבון להתמרת לפלס