О связи точечных представлений функций и их изображений по Лапласу

Осипов Владимир Владимирович

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Математика, механика, информатика

Статья в выпуске: 1 (34), 2011 года.

Бесплатный доступ

Рассматривается обращение преобразований Лапласа методом точечных представлений и связь точечных представлений функций-оригиналов и их изображений на некоторых частных случаях. Полученные модели могут использоваться при моделировании и проектировании динамических систем.

метод точечных представлений \ точечное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/148176521

IDS: 148176521   |   УДК: 519.71;

About connection of point representations of functions and their Laplace transforms

We consider the Laplace transform inversion method by point representations and connection of point representations of the functions - the originals and their images in some special cases. The constructed models can be used for modeling and design of dynamic systems.

Текст научной статьи О связи точечных представлений функций и их изображений по Лапласу

Теорема о точечном изображении свертки [1] явно указываетна наличие аналитической связи между преобразованиями Лапласа ( L- преобразованиями) сворачиваемых функций и их точечными представлениями, ассоциированными с чебышевской сеткой первого рода.

Рассмотрим свертку функций g(t) и δ-функции δ(t): tt g⋅δ= ∫g(t-η)δ(η)dη=∫δ(t-η)g(η)dη=g(t).(1) 00

Точечное изображение δ -функций согласно [1] имеет вид

δ ( t ) ⎯ T ⎯ I →δ TI = 1 ( E N + Z ) - 1 e 1 = λ 0

= 1 Colon ⎡ ⎣ 1, - 1, K ( - 1) v - 1, K ( - 1) N - 1 ⎤ ⎦ .

λ 0

Поэтому получим две формы точечного представления свертки (1):

g ⋅ δ= g ( t ) ⎯ T ⎯ I → gT I =

λ 0 ( E N + Z ) ⋅ T N ( g TI ; Z ) δ TI = g TI ,

1( E N + Z ) - 2 ⋅ T N ( W ( N ); Z ) e 1 = 1( E N + Z ) - 1 W ( N ),(2) λ 0 λ 0

где EN = Z 0 – единичная матрица размерности N × N. Ска-T лярный множитель λ0 =    имеетсмысл половины вре-

жению Fg ∗ ( λ ) = Fg

с последующим определением-

менного расстояния между узлами N -сетки. Символом Zk ( k = 0, 1,..., ( n - 1) ) обозначеныканонические матрицы сдвига размерности N × N , введенные в [1]. Это тепли-цевы матрицы с элементными N -векторами в виде единичных векторов

ek ( + N 1 ) = Colon

0, K 0, 14243 k

1, 0, K 0 ⎥ ×

ее ( N - 1) первых производных в точке λ=λ 0, по которым находятся величины (5), а затем по рекуррент ны м равенствам (7) – и отсчеты g vI = g ( T τ ( v N ))( v = 1, N ) функции g ( t ) = g ( T τ ), τ ∈ [0,1].

Таким образом, мы получаем способ (алгоритм) приближенного обращения L -преобразования в форме точечного изображающего N -вектора g TI функции-оригинала g ( t ) в промежутке [0, T ], который в подобной трак-

товке становится достаточно конструктивным лишь в не-

× ( k = 0, n - 1).

Две формы (2) точечного представления свертки приближенно равны друг другу. Таким образом, мы приходим к равенству gTI=1 (EN+Z)-1⋅W(N)⇔λ0(EN+Z)gTI =W(N),(3) λ0

устанавливающему аналитическую связь между точечными N -векторами:

gT I = Colon [ g 1 I , K gvI , K gNI , K ] , ⎫⎪

W ( N ) = Colon [ W 0 ,2 W 1 , K 2 W k , K 2 W N - 1 ] , ⎪ ⎭

которых частных случаях.

Это связано с тем, что процедура непосредственного определения производных инверсной функции Fg ∗ ( λ ) в формулах (5) с ростом их порядка становится все более громоздкой и трудновыполнимой даже при сравнительно простых формульных представлениях, хотя в отдельных случаях эта задача может быть эффективно решена путем применения некоторых нестанда ртных приемов. В частности, величины Wk ( k = 1,( N - 1))могутбытьнай-дены по инверсному изображению Fg ∗ ( λ ) = Fg ∗ ( λ ( z )), предварительно преобразованному в виде функции ком-

причем координаты вектора W ( N )определяютсяпо фор-

мулам

плексного переменного z , поскольку они оказываются просто коэффициентами частичной N- суммы степенного разложения этой функции в центральном единичном

Wk =

1 dk

2 k ! dzk

W ∗ ( z )

z = 0 =

круге:

F g ∗ ( λ ) = F g ∗ ( λ ( z )) =

1 k (2 λ 0 ) q ⎛ k - 1 ⎞ ⎡ F ∗ ( λ ) ⎤ [ q ] 2 ∑ q = 1    q ! ⎜ ⎝ q - 1 ⎟ ⎠ ⎣ g     ⎦ λ=λ 0

, k = 1,( N - 1),

где

N - 1 = W ∗ ( z ) ≅ W 0 + 2 ∑ W k Zk , I z I ≤ 1, k = 1

W 0 = F g ∗ ( λ 0 ) = W ∗ (0).              (5)

Векторно-матричное равенство (3) в развернутой форме даетсистему

λ 0 ( E N + Z ) g TI =

W = 1 dkW ( z )

k   2 k !    dzk    z = 0

( k = 1,( N - 1));

λ 0 g 1 I = W 0 , λ 0( g 1 I + g 2 I ) = 2 W 1,

= W ( N ) ⇔ ⎪ ⎨..........

⎪ λ 0 ( g ( v - 1) I + g vI ) = 2 W v - 1 ,

W 0 = W ∗ (0) = F g ∗ ( λ 0 ). (10)

Однако для простых инверсных функций Fg ∗ ( λ ( z )) дробно-рационального вида полиноминальные представления могутбыть получены без использования общих формул (10), а в результате алгебраических преобразований с последующим использованием уже известных раз ложений . Такой способ определения величин Wk ( k = 1,( N - 1)) оказывается более конструктивным, однако он также ог-

⎪⎩ λ 0 ( g ( N - 1) I + g NI ) = 2 W N - 1 ,

или рекуррентное равенство

λ 0 gvI = 2 Wv - 1 -λ 0 g ( v - 1) I ( v = 2,3,..., N )      (7)

раничен по своим возможностям.

В качестве примера рассмотрим обращение преобразования Лапласа вида простейшей рациональной дроби

при начальном условии

λ 0 g 1 I = W 0 = F g ∗ ( λ 0 ). (8)

Этим устанавливается явная связь между координатами N -векторов ( 4), т. е. между отсчетами g ( T τ ( v N )) = g vI ( v = 1, N ) временной функции g ( t ) = g ( T τ ) ∈ M (0,1)вузлахчебышевской N -сеткипер-вого рода и, в конечном счете, между производными инверсного преобразования Лапласа Fg ∗ ( λ ) этой функции при λ=λ 0 .

Рекуррентное соотношение (7) позволяет находить приближенные значения координатточечного изображающего N -вектора gTI временной функции g ( t ) ∈ M (0, T )по ее операторному изображению Fg ( p ) через предварительный переход к инверсному изобра-

F g ( p ) = 1 → e - at = g ( t ) ( a > 0),       (11)

p+a т. е. найдем покоординатное приближение точечного изображающего N-вектора gTI = gI функции g (t)= e-at на отрезке [0,T] по ее L-изображению Fg(p).

Перейдем к инверсному преобразованию

F⎛1⎞=F∗(λ)=F∗(λ(z))=λ(z).(12)

g ⎝ λ ⎠ gg 1 + a λ ( z )

1+z

Принимая λ ( z ) = λ 0     , найдем для Fg ∗ ( λ ( z )) как

1-z для функции уже комплексной переменной z, определенной в круге I z I ≤ 1, представление в виде разложения по степеням z. При этом возможно использование уже известного разложения и без применения общего метода. Тогда имеем

λ ( z )

λ 0 (1 + z )

1 + a ⋅ λ ( z )   (1 - z ) + a λ 0(1 + z )

λ0

1 +aλ

-

1 + z

= W ∗ ( z ).

1 -aλ ⎞

0 z ⎟

1 + a λ 0 ⎠

При положительных значениях вещественного пара-

метра a окажется, что

1 - a λ 0

1 + a λ 0

< 1 и

1 - a λ

0 z <  1 в цен-

1 + a λ 0

тральном единичном круге | z | ≤ 1, поэтому дробно-рациональная функция в (13) будетв этом круге аналитической и представимой рядом Тейлора:

1 - 1 - a λ 0 z = 1 +

1 + a λ 0

+∑⎛⎜1-aλ0⎞⎟zv=∑⎛⎜1-aλ0⎞⎟zv, v=1⎝1+aλ0⎠v=0⎝1+aλ0⎠,

Таким образом, для W ∗ ( z ) получим

F g ∗ ( λ ( z )) = W ∗ ( z ) =

λ 0

⋅

1 +aλ ⎛

0     ⎜ 1

-

λ 0 1 + a λ 0

(1 + z ) ∑ ∞ ⎛ ⎜ 1 - a λ 0 v = 0 ⎝ 1 + a λ 0

(1 + z )

1 - a λ 0 z

1 + a λ 0

⎞ v

⎟z=

λ 0 1 + a λ 0

2     ∞ ⎛ 1 - a λ 0

1+aλ     1+aλ

0 v = 1             0

v - 1

V ⎟⋅z

∞ = W 0 + 2 ∑ W v ⋅ zv , v = 1 откуда следует, что

W 0 = λ 0  ,

1 + a λ 0

=λ 0 (1 - a λ 0 ) v - 1

Wv    (1 + a λ 0 ) v + 1

( v = 1, 2,...).

По этим величинам с использованием рекуррентного равенства (7) могут быть последовательно найдены и gvI ( v = 1, 2, ... N ) – приближенные координаты точечного изображающего N -вектора функции g ( t ) = e - at на отрезке [0, T ], ассоциированного с чебышевской N -сеткой tv ( N ) = T τ ( v N ) = T ⋅ 2 v - 1( v = 1, N ).Общаярекуррен-тная формула для определения искомых координат точечного изображающего N -вектора g TI функции

Производя численные расчеты, можно увидеть хорошее совпадение значений координат, вычисленных по формуле (17), с их точными значениями и только по последней координате расхождение оказывается более значительным. Однако погрешность по этой координате ввиду ее малости заметной роли не играет. Если же увеличить размерность N , не меняя других параметров, то погрешность по всем координатам не будет превышать 1 %.

Рассмотренный выше пример по обращению простейшего преобразования Лапласа дробно-рационального вида (11) в форме точечного изображающего N -вектора g TI функции-оригинала g ( t ) = e - at этого преобразованияs имеет самостоятельное и особое значение, так как на его основе могут быть получены точечные изображения других часто используемых элементарных функций, содержащих экспоненты, по их лапласовым изображениям.

Это объясняется тем, что и точечное изображение g TI экспоненты e - at , и ее лапласово изображение (11), по которому в результате отобра ж ений определяется точечный изображающий вектор g TI , оказываются явными однозначно связанными и непрерывными функциями параметра a . Иными словами, различным операциям над L -изображением Fg ( p ) = Fg ( p ; a ) (и функцией-оригиналом g ( t ) = g ( t ; a ) = e - at ) как функциям параметра a будут соответствовать такие же операции над их точечным N -векторном отображением g TI ( a ) как функцией того же параметра a . Возникающим при этом новым лапласовым изображениям новых функций-оригиналов будут соответствовать их точечные изображения, возникающие при таких же операциях над прежним точечным изображением g TI ( a ) как функцией параметра a .

То же самое происходит не только при простом изменении вещественных значений параметра a , но и при придании ему комплексных значений, т. е. при замене a → a + ib . В этом случае точечные представления более сложных элементарных функций также будут получены по операторным изображениям.

Описанные выше отображения сохраняются и при операции дифференцирования по параметру a . Вэтом случае для отображений

g ( t ; a ) → e - at =

∞ = ∫ 0

e

- at

g ( T τ ) = e

-

aT τ имеетвид

2(1 - a λ 0) v - 2(1 - a λ 0) v - 2 gvI = (1 + a λ 0) v - (1 + a λ 0) v - 1

p = 1

⋅ e - ptdt = 1 = F ( p ; a ) ⎯⎯ λ ⎯ → F ∗ ( λ ( z ); a ) = p + a gg

λ ( z )

=          = W ∗ ( z ; a ) =

1 + a λ ( z )

(1 - a λ 0 ) v - 1

1     ⎛ 1 - a λ 0

⋅

(1 + a λ 0) v    1 + a λ 0 ⎝ 1 + a λ 0

v - 1

⎟ ( v = 1, N ).(17)

где

Точные значения этих координат, т. е. отсчеты экспо-

ненты e - at

( N ) рода τ v =

= eaT τ вузлахчебышевской N -сетки первого 2 v - 1

2 N ,( v = 1, N ),будутследующими:

- aT τ ( N )       - a T (2 v - 1)

ea τ v = e 2 N

-

= e - a λ 0 (2 v - 1) =

= exp ( - a λ ⋅ (2 v - 1) ) ( v = 1, N ).        (18)

∞

= W 0 ( a ) + 2 ∑ W v ( a ) zv ⎯ T ⎯ I → g TI ( a ) = v = 1

= Colon [ g 1 I ( a ),..., gvI ( a ),..., gNI ( a ) ] ,

gvI ( a ) =

имеем

g 1 I ( a )

1;

1 + a λ 0

1     ⋅ ⎛ 1 - a λ 0

1 + a λ 0 ⎝ 1 + a λ 0

- ( eat ) = teat =- F g ( p ; a ) = ∂ a ∂ a

= 1 ⎯⎯ p =λ 1 ⎯→  λ ( z )2    =

( p + a )2          (1 + a λ ( z ))2

=-∂ F g ∗ ( λ ( z ); a ) =-∂ W ∗ ( z ; a ) = g

Таким образом, имеем два инверсных лапласовых изображения:

λ ( z )

(1 + a λ ( z ))2 + b 2 λ 2( z ),

∂ W 0 ( a )     ∞ ∂ W v ( a ) v

- 2 ∑      z

∂ a        v = 1    ∂ a

T ∂

⎯⎯ I →-    gTI ( a ) = gT ′ I ( a ) =

∂ a

= Colon [ g 1 ′ I ( a ),..., gv ′ I ( a ),..., g ′ NI ( a ) ] .        (21)

Дифференцируя (20) по параметру a , п олу чим явные представления для координат gv ′ I ( a ) ( v = 1, N )точечно-го изображающего N -вектора g T ′ I ( a ) возникшей функции-оригинала g ′ ( t ; a ) = te - at :

′       ∂ gvI ( a )

gvI =-       =

∂ a

λ 22( z )22 ,              (26)

(1 + a λ ( z )) + b λ ( z )

по которым может быть решена задача об обращении

L -преобразований в (24) в форме точечных векторов изображений:

g c ( t ) → F c ( p ) = F c ∗ ( λ ( z )) ⎯ T ⎯ I → g cT = ⎫ ⎪

= Colon [ gc 1,..., gcv ,..., gcN ] ,              ⎪ ⎬      (27)

g s ( t ) → F s ( p ) = F s ∗ ( λ ( z )) ⎯ T ⎯ I → g sT = ⎪ ⎪

= Colon [ gs 1,..., gsv ,..., gsN ] .                ⎪ ⎭

λ 0 (1 - a λ 0 ) v - 2 [ (2 v - 1) - a λ 0 ] ( v = 1 N ) (1 + a λ 0 ) v + 1                   ,

Это будут приближенные значения отсчетов функции g ′ ( t ; a ),т. е. значений T τ v ( N ) ⋅ exp( - aT τ ( v N )) в узлах чебышевской N -сетки первого рода, но определенные по ее

Следует отметить, что инверсное преобразование Лапласа в (24) есть линейная комбинация функций (26). Найдем их представления как функций комплексной переменной z , принимающей значения из единичного круга I z I ≤ 1. Подставляя в (26)

1 + z

λ=λ ( z ) =λ 0 - , z I ≤ 1,           (28)

1 - z после преобразований получим

лапаласовому изображению + 2 =- ∂ F g ( p ; a ).

Отметим, что повторно дифференцируя по параметру a цепочку отображений (21), можно получить точечное векторное представление g T ′′ I ( a )и для функции t 2 e - at по ее лапласовому изображению.

Рассмотрим теперь более общий случай комплексного значения параметра a в отображении (11), а также в равенствах (15) и (17). Заменим параметр a во всех этих соотношениях на комплексную величину (a+ib)(a≥0). Для изображения по Лапласу будем иметь e (a+ib)t =eatcos bt-ieatsin bt=

λ ( z )          =

(1 + a λ ( z ))2 + b 2 λ 2( z )

=λ (1 + z ) ⋅        (1 + z )        ⋅ W ∗ ( z ),

0(1 + a λ 0 )2 + ( b λ 0 )20

a λ 2 ( z )

(1 + a λ ( z ))2 + b 2 λ 2( z )

=λ (1 + z ) ⋅      a λ 0(1 + z )      ⋅ W ∗ ( z ),

0(1 + a λ 0 )2 + ( b λ 0 )20

где

W 0 ∗ ( z ) =

1 - 2 γ ⋅ ( e -β z ) + ( e -β z )2 ,

= gc ( t ) - igs ( t ) → 1 p = ( a + ib )

а введенные параметры определяются по формулам

( p + a )

( p + a ) + ib ( p + a )2 + b 2

-

ib ( p + a )2 + b 2,

γ=

1 - ( a 2 + b 2) λ 0 2

7(1 - ( a 2 + b 2) λ 0 2)2 + 4( b λ 0 )2

, γ ≤ 1, (31)

откуда для инверсных изображений окажется, что e - at сos bt = gc ( t ) → ( p + a ) = Fc ( p ) = c       ( p + a )2 + b 2      c

= F ⎛ 1 ⎞ = F ∗ ( λ ( z )) = cc ⎝ λ ( z ) ⎠

λ ( z )(1 + a λ ( z ))

= (1 + a λ ( z ))2 + b 2 λ 2( z ) =

-

(1 - a λ )2 + ( b λ )2

β = ( a 0) + ( 0) ≤ 1( a ≥ 0).   (32)

(1 + a λ 0 )2 + ( b λ 0 )2

a λ 2 ( z )

λ ( z )          +

(1 + a λ ( z ))2 + b 2 λ 2( z )   (1 + a λ ( z ))2 + b 2 λ 2( z ),

Таким образом, для инверсных функций Fc ∗ ( λ ( z )) и

Fs∗ (λ(z))изпредставлений(24)получим: (1-z)+aλ(1+z)

F∗(λ(z))=λ(1+z)[            0       ]⋅W∗(z)= c              0(1+aλ0)2+(bλ0)20⎪⎪

(1 +aλ)

=λ (1 +z )            0

0        (1 + a λ 0 )2 + ( b λ 0 ) ⎪

e - at sin bt = g ( t ) → b = s ( p + a )2 + b 2

= F s ( p ) = F s ⎛ ⎜ 1 ⎞ ⎟ = F s ∗ ( λ ( z )) = ⎝ λ ( z ) ⎠

×⎛ ⎜ 1 - 1 - a λ 0 z ⎞ ⎟ W 0 ∗ ( z ) =λ 0 (1 + z ) ⋅ W c ∗ ( z ), ⎝ 1 + a λ 0   ⎠

F∗(λ(z))=λ(1+z)     bλ0(1+z)     ⋅W∗(z)= s             0(1+aλ0)2+(bλ0)20

⎬ (33)

=λ 0 (1 + z )

b λ 0

b ⋅ λ 2( z ) (1 + a λ ( z ))2 + b 2 λ 2( z ).

(1 + a λ 0 )2 + ( b λ 0 )

2 ×

× (1 + z ) W 0 ∗ ( z ) = λ 0 (1 + z ) ⋅ W s ∗ ( z ). ⎪⎭

А учитывая нильпотентность переменной z с показа-

телем N ( zk ≡ 0 ∀ k ≥ N ), запишем:

Wc ∗ ( z ) =

N - 1 F c ∗ ( λ ( z )) = W c 0 + 2 ∑ W ck zk =λ 0 (1 + z ) × k = 1

N × Wc ∗ ( z ) =λ 0(1 + z ) ∑ gc ( v + 1) ⋅ zv , v = 0

N - 1 F s ∗ ( λ ( z )) = W s 0 + 2 ∑ W sk zk =λ 0 (1 + z ) × k = 1

N × Ws ∗ 0( z ) = λ 0(1 + z ) ∑ gc ( v + 1) ⋅ zv .

v = 0

∞

1 + ∑ ⎜ U v ( γ ) e v = 1 ⎝

β   1 - a λ

-

-

1 + a λ

(1 + a λ 0)

(1 + a λ 0)2 + ( b λ 0)2

⋅ U v - 1 ( γ ) ⎟ e - ( v - 1) β ⋅ zv

W s ∗ ( z ) =

b λ 0

(1 + a λ 0)2 + ( b λ 0)2

∞

1 + ∑ ( U v ( γ ) e -β + U v - 1 ( γ ) ) e - ( v - 1) β ⋅ z v = 1

,

⎬ (38)

Приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях переменной z в полиномах, расположенных по разным сторонам этих равенств, получим линейные системы, которые в векторно-матричных формах запишутся в виде

Colon [ W c 0 ,2 W c 1 ,...,2 W cv ,...,2 W cN ] = = Wc =λ 0( EN + Z ) gcT , Colon [ W s 0 ,2 W s 1 ,...,2 W sv ,...,2 W sN ] =

= Ws =λ 0 ( EN + Z ) gsT ,

где N -векторы g cT и g sT – искомые точечные изображающие векторы функций-оригиналов в (27).

Используя представление фундаментальной связи (3), найдем явные (полиноминальные) представления для дробно-рациональных функций Wc ∗ ( z )и W s ∗ ( z ) в (34), т. е. коэффи циенты gc ( v + 1)( v = 0,( N - 1)) и gs ( v + 1)( v = 0,( N - 1))этихполиномов,которые, как координаты точечных векторов в (27), будут решениями поставленной задачи по обращению операторных преобразований в (23).

Из (34) следует, что

W∗(z)=(1+aλ0)     ⎛1-1-aλ0z⎞× c       (1+aλ0)2+(bλ0)2⎝1+aλ0 ⎠

и, следовательно,

=       (1 + a λ 0 )

gc 1   (1 + a λ 0 )2 + ( b λ 0 )2,

⎛1-λ ⎞ gc(v+1)=gc1⎜Uv(γ)e-β-0Uv-1(γ)⎟× c(v+1)      c1⎝v            1+aλ0 v1

×e-(v-1)β(v=1,N-1),(39)

g = s1   (1+aλ0)2+-β(bλ0)2, gs(v+1)=gs1(Uv(γ)e-β +Uv-1(γ)) ×

×e-(v-1)β(v=1,N-1).(40)

Это координаты N -векторов g cT и g sT из (27), которые решаютпоставленную задачу о приближенном обращении преобразований Лапласа в (23), поскольку они являются точечными векторными изображениями их функций-оригиналов gc ( t ) и gs ( t ), t ∈ [ 0, T ] .

При чисто мнимом значении комплексного параметра, т. е. при a = 0, возникаетзадача точечного обращения простейших преобразований Лапласа, временные оригиналы которых являются тригонометрическими функциями cos bt иsin bt . Их графики имеютвид незатухающих колебаний. Решение этой колебательной задачи мо-жетбыть получено из общего решения как его частный случай при a = 0. При этом расчетные формулы суще-

N - 1

× W 0 ∗ ( z ) = ∑ gc ( v + 1) ⋅ zv , v = 0

W s ∗ ( z ) =

b λ 0(1 + z )

(1 + a λ 0 )2 + ( b λ 0 )

2 ×

N - 1

× W 0 ∗ ( z ) = ∑ gS ( v + 1) ⋅ zv , v = 0

ственно упрощаются.

Вернемся к уже рассмотренному случаю комплексного значения параметра a . Введем функцию e - pt , t ∈ [0, T ],предполагая переменным комплексный параметр p , а преобразование Лапласа Fg ( p )функции g ( t ) M ∈ [0, T ]:

где дробно-рациональная функция W 0 ∗ ( z ) комплексного переменного e -β z , принимающего значения из единичного круга e -β z I= e -β z ≤ 1, есть производящая функция для полиномов Чебышева второго рода { Uv ( γ ) } аргумента γ ∈ [ - 1,1 ] [2], имеющая степенное разложение:

W 0 ∗ ( z ) =

1 - 2 γ ⋅ ( e -β z ) + ( e -β z )2

∞

= ∑ U v ( γ ) ⋅ ( e -β z ) v .               (37)

v = 0

Подставляя (37) в (36), после преобразований най-

T 1

F g ( p ) = ∫ e - ptg ( t ) dt = T ∫ e - pT τ g ( T τ ) d τ ,     (41)

существующимп0рилюбыхполо0жительных T .

Квадратурное значение этого интеграла, ассоциированное с чебышевской N -сеткой первого рода: τ ( v N ) = 2 v - 1( v = 1, N ) - имеетпредставление

N

F g ( p ) ≈ T ∑ e - pT τ ( vN ) g ( T τ ( v N )) =

N v = 1

N

= 2 λ 0 ∑ e -λ 0 p (2 v - 1) ⋅ g ( λ 0 (2 v - 1).          (42)

v = 1                                                - pT τ ( N )

Как было получено ранее, точечное значение e p τ v экспоненциальной функции e - pT τ прилюбом параметре p и в v -м узле чебышевской N -сетки первого рода име-

дем:

етвид

e-pTτ(vN)=e-λ0p(2v-1) ≈ v -1

≈1    ⎛⎜1 -λ0 p ⎞⎟

1+λ0p⎝1+λ0p⎠

Тогда

( v = 1, N ).

v - 1

F(p)≈2λ0⋅N⎛1-λ0p⎞⋅ g      1+λ0p∑v=1 ⎜⎝1+λ0p⎟⎠ где gvI =g(Tτ(vN))=g(λ0(2v-1)(v=1,N).

Положим

1 -λ p            1 - z

0 = z ⇒ λ 0 p =     ,

1 +λ 0 p 1 + z

p = (1 - z ) λ 0 (1 + z )

.

Это преобразование связывает комплексную переменную p с комплексной переменной z , принимающей значения из единичного круга I z I <  1. Заменяя в (44) переменную p , согласно (45) получим

F ( p ) = F ⎛ (1 - z ) ⎞ = F ∗ ⎛ λ 0 (1 + z ) ⎞ = gg    g

⎝ λ 0 (1 + z ) ⎠⎝ (1 - z ) ⎠

N = W ∗ ( z ) =λ 0 (1 + z ) ∑ g vI zv - 1.

Как установлено в [1], функц v = и1я W ∗ ( z )оказывается аналитической в центральном единичном круге I z I <  1 и, следовательно, представлена в нем степенным рядом

∞

W∗(z)=W0+2∑Wkzk k=1

с вещественными коэффициентами (5). Если комплексную переменную z снабдить свойством нильпотентности с показателем N ( zm ≡ 0; ∀ m ≥ N ),тоинверсноепре-образование Лапласа Fg ∗ ⎜ 0 ( - z ) ⎟ = W ∗ ( z )как функция переменной z окажется полиномом степени ( N – 1):

N - 1

W∗(z)=W0+2∑Wvzv, v =1

а следовательно, равенство в (46) приобретет вид

N - 1

W∗(z)=W0+2∑Wvzv= v =1

NN - 1

= λ 0(1 + z ) ∑ gvIzv - 1 = λ 0 g 1 I +λ 0 ∑ ( gvI + g ( v + 1) I ) zv , v = 1                                  v = 1

откуда

W 0 =λ 0 g 1 I ,

2 W v =λ 0 ( g vI + g ( v + 1) I )( v = 1 u , u ( u N uuu - uu 1 ur )), илив форме рекуррентного равенства

λ 0 gvI = 2 Wv - 1 -λ 0 g ( v - 1) I ( v = 2, N )

при начальном условии

λ 0 g 1 I = W 0 = F g ∗ ( λ 0 ) = F g

⎛ 1 ⎞

.

⎝ λ 0 ⎠

Множество всевозможных полиномов вида (47) комплексной переменной z , принимающей значения из единичного круга I z I ≤ 1 и обладающей свойством нильпотентности с показателем N , как было указано в [1], образует нормированную алгебру по умножению, которая при взаимно однозначном отображении z → Z ( N × N )[ zv → Zv (0 ≤ v ≤ ( N - 1))] становится изометрически изоморфной алгебре по умножению соответствующих теплицевых матриц:

N - 1

T N ( W ( N ); Z ) = W 0 E N + 2 ∑ W v Zv , v = 1

а полиномы W ∗ ( z )из(47) оказываются порождающими полиномами этих матриц.

Таким образом, мы имеем матричное равенство W ∗ ( z ) ⎯ z ⎯ → Z ⎯ → W ∗ ( Z ) = TN ( W ( N ); Z ) = =λ 0 ( E N + Z ) T N ( g TI ; Z )

  • и, следовательно, равенство элементных N -векторов W ( N ) =λ 0 ( E N + Z ) g TI

где

W ( N ) = Colon[ W 0 ,2 W 1 ,...,2 W v ,...,2 W N - 1 ], gTI = Colon[ g 1 I ,..., gvI ,..., gNI ].

Таким образом, прежний результат получен иным путем, что по существу подтверждает рассматриваемую в данной статье теорию.

В заключение отметим, что подобными способами могутбыть решены задачи о точечном обращении других L -преобразований вида простых рациональных дробей. Однако стоит обратить внимание на общий случай, когда преобразование Лапласа Fg ( p )функции-ориги-нала g ( t ) имеетвид произвольной правильной рациональной дроби. Тогда процедура обращения L -изображений в форме точечных представлений (точечных моделей) обнаруживаетряд особенностей, которые выде-ляютзадачи такого рода в особый класс. В частности, возникаетнепосредственная связь задач точечного обращения таких L -преобразований и соответствующих задач Коши для линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами и эквивалентных интегральных уравнений второго рода с разностными ядрами (уравнений Вольтерра). Так же может быть получен метод построения точечных моделей линейных динамических систем.