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ステップ関数・デルタ分布・因果的畳み込みmd 6602e2b
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ステップ関数かんすう・デルタ分布ぶんぷ因果的畳いんがてきたた

date2026-07-14document_iddoc_558ffbf3ac19f376465050fa67950e62description有限な入力切替と瞬間入力を区別し、分布としてのデルタ、跳躍条件、因果的畳み込み、初期値応答を一つの契約で扱う。prerequisites一階線型と積分因子 / ラプラス変換の入口type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/analysis/introduction-to-laplace-transform.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/first-order-linear-odes-and-integrating-factors.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/laplace-transforms-series-and-modeling.lecture.n.md / data/exercise/math/differential-equations/step-delta-and-convolution.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、有限ゆうげんおおきさの入力にゅうりょくわるステップ入力にゅうりょくと、有限ゆうげん総量そうりょう瞬間しゅんかんあたえるデルタ入力にゅうりょく相違そうい説明せつめいする。前者ぜんしゃ一階方程式いっかいほうていしきかい連続れんぞく接続せつぞくし、後者こうしゃかい跳躍ちょうやくしょうじさせる。因果的いんがてき線型時不変系せんけいじふへんけいでは、その零状態応答れいじょうたいおうとうをインパルス応答おうとうとのたたみであらわせる。

2ステップとデルタの定義ていぎ

a>0 とする。Heaviside 階段関数かいだんかんすう H(t-a)

H(t-a)= \begin{cases} 0,&t<a,\\ 1,&t>a \end{cases}

である。t=a でのあたいは、通常つうじょう積分せきぶん以下いか連続解れんぞくかい影響えいきょうしない。

Dirac のデルタ δ(t-a)通常関数つうじょうかんすうではなく分布ぶんぷdistributionである。なめらかで、ある有限区間ゆうげんくかんそとでは 0 となる試験関数しけんかんすう φ

δ(t-a),φ(t)=φ(a)

作用さようすることで定義ていぎする。積分記号せきぶんきごうでは

δ(t-a)φ(t)dt=φ(a)

略記りゃっきする。とくに φ=1aちかくでたす試験関数しけんかんすうえらべば、デルタの全質量ぜんしつりょうは 1 である。また、分布ぶんぷ意味いみ

ddtH(t-a)=δ(t-a)

成立せいりつする。

3有限ゆうげんステップ入力にゅうりょくたいするかい連続性れんぞくせい

λ>0a>0 とし、

y+λy=FH(t-a),y(0)=0

かんがえる。0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t<a では y=0 である。a-ε から a+ε まで方程式ほうていしき積分せきぶんすると

y(a+ε)-y(a-ε)+λa-εa+εy(t)dt=Fa-εa+εH(t-a)dt.

y局所的きょくしょてき有界ゆうかいであるとして ε0 とすれば、積分項せきぶんこうは 0 へちかづき、

y(a+)-y(a-)=0

となる。したがって y(a)=0接続条件せつぞくじょうけんとして t>a方程式ほうていしきけば

y(t)=FλH(t-a)(1-e-λ(t-a))

る。

4デルタ入力にゅうりょく跳躍ちょうやくしょうじさせる

つぎに

y+λy=Aδ(t-a),y(0)=0

分布ぶんぷ意味いみかんがえる。a前後ぜんご積分せきぶんし、ε0 とすれば

y(a+)-y(a-)=A

る。a よりまえでは y=0 なので、

y(t)=AH(t-a)e-λ(t-a)

である。一階方程式いっかいほうていしきでは状態じょうたい yA だけ跳躍ちょうやくする。二階方程式にかいほうていしき

p(t)y'+q(t)y+r(t)y=Aδ(t-a)

については、pC1q,ra近傍きんぼう連続れんぞくp(a)0 とし、ya両側りょうがわC2 きゅうかつ y,y有限ゆうげん片側極限かたがわきょくげんをもつ区分的古典解くぶんてきこてんかいとする。[y]a=y(a+)-y(a-)しるすと、分布微分ぶんぷびぶん特異部分とくいぶぶん

y'=+[y]aδ(t-a)+[y]aδ(t-a)

である。p(t)δ(t-a)=p(a)δ(t-a)-p(a)δ(t-a)注意ちゅういすると、方程式ほうていしきδ係数けいすうp(a)[y]aδ係数けいすうp(a)[y]a+(q(a)-p(a))[y]a である。まず δ係数比較けいすうひかくから [y]a=0て、つぎに δ係数比較けいすうひかくから p(a)[y]a=Aる。したがって y連続れんぞくであり、y(a+)-y(a-)=A/p(a) となる。この結論けつろんは、ここで明示めいじした区分的正則性くぶんてきせいそくせい係数けいすう仮定かてい依存いぞんする。

5因果的畳いんがてきたたみとラプラス変換へんかん

t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0定義ていぎされた f,gt<0 では 0 とみなす。片側かたがわ因果的畳いんがてきたたcausal convolution

(f*g)(t)=0tf(t-τ)g(τ)dτ

定義ていぎする。f,g各有限区間かくゆうげんくかん区分的連続くぶんてきれんぞくかつ指数位数しすういすうで、積分せきぶん絶対収束ぜったいしゅうそくして積分順序せきぶんじゅんじょ交換こうかんできる共通収束半平面きょうつうしゅうそくはんへいめんでは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f*g}(s)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f}(s)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{g}(s)

成立せいりつする。a>0たいする基本的きほんてき変換対へんかんつい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{H(t-a)}=e-ass,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{δ(t-a)}=e-as

である。前者ぜんしゃ収束域しゅうそくいきRes>0 である。後者こうしゃはラプラス変換へんかん分布ぶんぷ拡張かくちょうしたしきであり、固定こていした a>0たいして s全複素平面ぜんふくそへいめん定義ていぎされる。デルタはたたみの平行移動へいこういどうあらわし、因果的いんがてきf について

(δ(·-a)*f)(t)=H(t-a)f(t-a)

となる。

6零入力応答れいにゅうりょくおうとう零状態応答れいじょうたいおうとうへの分解ぶんかい

線型時不変系せんけいじふへんけいlinear time-invariant system(LTI けい)とは、入力にゅうりょく線型結合せんけいけつごう出力しゅつりょくおな線型結合せんけいけつごう対応たいおうし、入出力写像にゅうしゅつりょくしゃぞう時間推移じかんすいい可換かかんであるけいをいう。さらに時刻じこく t出力しゅつりょく未来みらい入力にゅうりょく依存いぞんしないとき因果的いんがてきcausalという。

y+λy=f(t)因果的いんがてきなインパルス応答おうとう

h(t)=H(t)e-λt

であり、分布ぶんぷ意味いみh+λh=δ(t)たす。初期値しょきちが 0 の零状態応答れいじょうたいおうとうzero-state response

yzs(t)=(h*f)(t)=0te-λ(t-τ)f(τ)dτ

である。非零初期値ひれいしょきち y(0)=y0 では、入力にゅうりょくを 0 とした零入力応答れいにゅうりょくおうとうzero-input responseくわえて

y(t)=y0e-λt+(h*f)(t)

となる。したがって「一般入力いっぱんにゅうりょくへの応答おうとうh*f」という主張しゅちょうは、因果的いんがてき LTI けい零状態応答れいじょうたいおうとうかぎる。

7単位たんい契約けいやく

[t]=s[y]=Yしるす。y+λy=f(t)各項かくこう加算かさんするには

[λ]=s-1,[f]=Y/s

でなければならない。[δ(t-a)]=s-1 なので、Aδ(t-a)右辺うへんくとき [A]=Y である。すなわち A

a-εa+εAδ(t-a)dt=A

という時間積分じかんせきぶんされた入力強度にゅうりょくきょうどであり、y跳躍量ちょうやくりょうおな単位たんいつ。

8成立範囲せいりつはんい

デルタをふく等式とうしき微分びぶん分布ぶんぷ意味いみ解釈かいしゃくする。たたみによる 1 のインパルス応答おうとう表示ひょうじは、線型性せんけいせい時不変性じふへんせい因果性いんがせい零状態れいじょうたい契約けいやく依存いぞんする。非線型系ひせんけいけい時変系じへんけいでは、この表示ひょうじ一般いっぱん成立せいりつしない。

9演習えんしゅう総合講義そうごうこうぎ

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ラプラス変換へんかん級数法きゅうすうほう定性解析ていせいかいせき数値解法すうちかいほうふくむ ODE 全体ぜんたい方法選択ほうほうせんたくは、つぎ総合講義そうごうこうぎ確認かくにんする。

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10関連かんれんリンク

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