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片側ラプラス変換md e085a36
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片側かたがわラプラス変換へんかん

date2026-07-14document_iddoc_401ab062ea6e66975cb7849031fe3074description片側ラプラス変換の収束半平面、微分則、一意性と逆変換を定義し、初期値問題および制御工学への適用を説明する。prerequisites積分法の基本 / 微分方程式への橋渡し / 複素数 / 指数関数type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/analysis/analysis-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/analysis/introduction-to-fourier-transform.lecture.n.md / data/lecture/math/analysis/introduction-to-z-transform.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/step-functions-delta-functions-and-convolution.lecture.n.md / data/lecture/information/control/feedback-control-basics.lecture.n.md
mathanalysislaplacelecture

1定義ていぎ収束半平面しゅうそくはんへいめん

この講義こうぎでは、片側かたがわラプラス変換へんかんによって線形微分方程式せんけいびぶんほうていしき初期値しょきち保持ほじしたまま、微分びぶんs による代数演算だいすうえんざん変換へんかんする方法ほうほう説明せつめいする。

s=σ+iωC とする。f:[0,)C片側かたがわラプラス変換へんかんは、積分せきぶん収束しゅうそくする sたいして

F(s)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f}(s)=0e-stf(t)dt

定義ていぎされる。f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であり、ある M>0aRT[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0たいして

|f(t)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Meat(t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]T)

たすとき、f指数位数しすういすう a であるという。この場合ばあいRes>a積分せきぶん絶対収束ぜったいしゅうそくする。変換へんかんしきだけでなく、収束しゅうそくする s集合しゅうごうである収束領域しゅうそくりょういきregion of convergence(ROC)とわせてあつかう。片側変換かたがわへんかんの ROC は通常つうじょう右半平面みぎはんへいめんであるが、Res>a上記じょうき仮定かてい保証ほしょうする範囲はんいであり、実際じっさいの ROC はさらにひろ場合ばあいがある。

2微分則びぶんそく初期値しょきち

f各有限区間かくゆうげんくかん絶対連続ぜったいれんぞくであり、ff共通きょうつう右半平面みぎはんへいめんでラプラス変換へんかんをもつとする。部分積分ぶぶんせきぶん無限遠むげんえん境界項きょうかいこう消失しょうしつにより

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f}(s)=sF(s)-f(0+)

成立せいりつする。ここで f(0+)右極限みぎきょくげんである。さらに必要ひつよう導関数どうかんすうおな条件じょうけんたすなら

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f(n)}(s)=snF(s)-k=0n-1sn-1-kf(k)(0+)

となる。したがって、微分則びぶんそく微分びぶんたんs乗算じょうざん置換ちかんする規則きそくではなく、初期値しょきち境界項きょうかいこうとして保持ほじする規則きそくである。

初期値問題しょきちもんだい

f(t)+f(t)=0,f(0)=1

変換へんかんすると (s+1)F(s)=1、したがって F(s)=1/(s+1)る。一方いっぽう直接積分ちょくせつせきぶんにより

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{e-t}(s)=1s+1,Res>-1

であるため、一意性定理いちいせいていりから f(t)=e-t である。

3一意性いちいせい逆変換ぎゃくへんかん

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関数かんすうのラプラス変換へんかん共通きょうつう右半平面みぎはんへいめん一致いっちすれば、もと関数かんすうはすべての連続点れんぞくてん一致いっちする。この意味いみ逆ラプラス変換へんかんinverse Laplace transform [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L-1一意いちいさだまる。実際じっさい計算けいさんでは既知きち変換対へんかんつい部分分数分解ぶぶんぶんすうぶんかい移動則いどうそくたたみを利用りようする。

一意性いちいせいはフーリエ変換へんかん帰着きちゃくできる。共通半平面きょうつうはんへいめんσ固定こていし、e-σt(f(t)-g(t))t<0 で 0 と定義ていぎすると、この L1 関数かんすうのフーリエ変換へんかんはすべての ω で 0 となる。フーリエ変換へんかん一意性いちいせいから f=g がほとんどいたるところで成立せいりつし、区分的連続性くぶんてきれんぞくせいにより連続点れんぞくてん一致いっちする。

F適切てきせつ解析性かいせきせい増大条件ぞうだいじょうけんたし、縦線たてせん Res=γ がすべての特異点とくいてんより右側みぎがわかつ ROC ないにある場合ばあい、ブロムウィッチ積分せきぶん

f(t)=12πilimRγ-iRγ+iRestF(s)ds

によって連続点れんぞくてん逆変換ぎゃくへんかんあらわせる。公式こうしき適用てきようには積分せきぶん収束条件しゅうそくじょうけん必要ひつようであり、任意にんい複素関数ふくそかんすう形式的けいしきてき適用てきようできるわけではない。

4フーリエ変換へんかんとの関係かんけい

s=σ+iω とすると、[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f}(σ+iω)t<0 で 0 とした減衰信号げんすいしんごう e-σtf(t) のフーリエ変換へんかんである。σ十分大じゅうぶんおおきくえらぶことで指数成長しすうせいちょう抑制よくせいできる。σ=0 でフーリエ変換へんかん同一視どういつしできるのは、虚軸きょじくが ROC にふくまれ、フーリエ積分せきぶん収束しゅうそくする場合ばあいかぎる。

5きょく収束領域しゅうそくりょういき制御せいぎょへの接続せつぞく

1/(s+1)s=-1きょくをもち、t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0定義ていぎした e-t の ROC は Res>-1 である。片側変換かたがわへんかんでは時間領域じかんりょういきt[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0固定こていするため、前節ぜんせつ関数かんすうクラスでは変換へんかんからもと関数かんすう一意いちいさだまる。ROC は収束域しゅうそくいきおよび解析域かいせきいきとして変換式へんかんしき併記へいきするが、時間方向じかんほうこう選別せんべつする独立どくりつ情報じょうほうではない。おな有理式ゆうりしきことなる ROC を指定していして因果信号いんがしんごう反因果信号はんいんがしんごう区別くべつする議論ぎろんは、t<0あつか両側りょうがわラプラス変換へんかんぞくする。

零初期値れいしょきち線形時不変系せんけいじふへんけいでは、入力にゅうりょく U(s)出力しゅつりょく Y(s) G(s)=Y(s)/U(s)伝達関数でんたつかんすうという。微分方程式びぶんほうていしき代数方程式だいすうほうていしき変換へんかんし、きょくから応答おうとう安定性あんていせい分析ぶんせきする制御工学せいぎょこうがく方法ほうほうは、このラプラス変換へんかんもとづく。非零初期値ひれいしょきち微分則びぶんそく境界項きょうかいこうとしてべつあらわれるため、伝達関数でんたつかんすうだけでは初期状態応答しょきじょうたいおうとうあらわさない。

変換契約へんかんけいやく

  • 変換式へんかんしきを ROC とわせてあつかう。
  • 微分則びぶんそく関数かんすう導関数どうかんすう変換へんかん存在そんざいする共通半平面きょうつうはんへいめん適用てきようする。
  • 逆変換ぎゃくへんかんには既知きち変換対へんかんつい一意性定理いちいせいていり、または仮定かていたす逆変換公式ぎゃくへんかんこうしき使用しようする。
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Unilateral Laplace Transform

1Definition and Region of Convergence

This lecture explains how the unilateral Laplace transform converts differentiation into algebraic operations in s while retaining the initial values of a linear differential equation.

Let s=σ+iωC. The unilateral Laplace transform of f:[0,)C is

F(s)=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f}(s)=0e-stf(t)dt

for those s at which the integral converges. Suppose that f is piecewise continuous on every finite interval and that, for some M>0, aR, and T[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0,

|f(t)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]Meat(t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]T).

Then f is said to be of exponential order a, and the transform converges absolutely for Res>a. A transform must be specified together with its region of convergence (ROC), the set of s at which it converges. For a unilateral transform the ROC is normally a right half-plane. The inequality Res>a is the range guaranteed by the stated hypothesis; the actual ROC may be larger.

2Differentiation Rule and Initial Values

Assume that f is absolutely continuous on every finite interval and that f and f have Laplace transforms on a common right half-plane. Integration by parts, together with the vanishing boundary term at infinity, gives

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f}(s)=sF(s)-f(0+),

where f(0+) is the right-hand limit. If the required higher derivatives satisfy the same conditions, then

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f(n)}(s)=snF(s)-k=0n-1sn-1-kf(k)(0+).

Thus the differentiation rule does not merely replace differentiation by multiplication by s; it retains initial values as boundary terms.

Transforming the initial-value problem

f(t)+f(t)=0,f(0)=1

gives (s+1)F(s)=1 and hence F(s)=1/(s+1). Direct integration also gives

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{e-t}(s)=1s+1,Res>-1.

The uniqueness theorem therefore yields f(t)=e-t.

3Uniqueness and Inversion

If two piecewise-continuous functions of exponential order have the same Laplace transform on a common right half-plane, then they agree at every point where both are continuous. In this sense the inverse Laplace transform [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L-1 is unique. Computations normally use transform pairs, partial fractions, shift rules, and convolution.

Uniqueness can be reduced to uniqueness of the Fourier transform. Fix σ in the common half-plane and extend e-σt(f(t)-g(t)) by zero for t<0. The Fourier transform of this L1 function vanishes for every ω. Fourier uniqueness gives f=g almost everywhere, and piecewise continuity then gives equality at continuity points.

If F satisfies suitable analyticity and growth conditions and the vertical line Res=γ lies inside the ROC and to the right of every singularity, the Bromwich integral

f(t)=12πilimRγ-iRγ+iRestF(s)ds

represents the inverse transform at continuity points. Its use requires convergence hypotheses; it cannot be applied formally to an arbitrary complex function.

4Relation to the Fourier Transform

With s=σ+iω, the value [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]L{f}(σ+iω) is the Fourier transform of the damped signal e-σtf(t) extended by zero for t<0. Choosing sufficiently large σ suppresses exponential growth. Identification with the Fourier transform on σ=0 is valid only when the imaginary axis belongs to the ROC and the Fourier integral converges.

5Poles, the ROC, and Control

The function 1/(s+1) has a pole at s=-1, and the ROC of e-t defined for t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 is Res>-1. Because the unilateral transform fixes the time domain to t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, the transform uniquely determines a function within the class stated above. The ROC accompanies the transform expression as its convergence and analyticity domain, but it is not independent information that selects a time direction. Using different ROCs for the same rational expression to distinguish causal and anticausal signals belongs to the bilateral Laplace transform, which also treats t<0.

For a zero-initial-state linear time-invariant system, the ratio G(s)=Y(s)/U(s) of output to input is the transfer function. Control engineering uses the Laplace transform to convert differential equations into algebraic equations and to analyze response and stability through poles. Nonzero initial values appear separately as boundary terms in the differentiation rule, so a transfer function alone does not describe the initial-state response.

Transform contract

  • Treat a transform expression together with its ROC.
  • Apply the differentiation rule on a common half-plane where the transforms of the function and its derivatives exist.
  • Invert by using known transform pairs and uniqueness, or an inversion formula whose hypotheses have been verified.
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