2.7

משוואות מסדר שני

התמרת לפלס

Laplace Transforms Y(s) and F(s)

מעבירים נגזרות למשוואה אלגברית ומטפלים ב־step וב־impulse באופן אחיד.

יחידת לימוד עצמאיתשיעור 7 מתוך 7כ־70 דקות כולל תרגול3 מטרות למידה
  1. 1
    נקודת פתיחהמה כבר ידוע ומה השאלה?
  2. 2
    ניבוימה יקרה במקרה הפשוט?
  3. 3
    המחשהמה באמת משתנה בתמונה?
  4. 4
    ניסוח והצדקהשם, נוסחה ולמה היא נכונה
  5. 5
    בדיקהדוגמה, תרגול ומשוב
  6. 6
    העברהמקרה חדש והמשך המסלול

שאלה לפני נוסחה

מה אנחנו מנסים לראות?

להפוך משוואה דיפרנציאלית עם תנאי התחלה למשוואה אלגברית בתחום s, ולהחזיר פתרון באמצעות טבלת התמרות, שברים חלקיים ומשפט ההזזה.

התמרת לפלס מפרקת אות לפי קצבי דעיכה במקום לפי רגעי זמן. נגזרת הופכת כמעט לכפל ב־s, ותנאי ההתחלה מופיעים כאיברי תיקון; לכן הדינמיקה כולה נחשפת במכנה של Y(s).

לפני ההמחשה: קראו רק את הכותרת “אותה תגובה בזמן ובמישור s”. מה לדעתכם ישתנה, מה יישאר קבוע, ואיזה סימן בתמונה יוכל להפריך את הניבוי?

לראות לפני שמחשבים · המקרה הפשוט ביותר

אותה תגובה בזמן ובמישור s

תגובת מדרגה בזמן והקטבים שמרכיבים אותה במישור syt½ − e⁻ᵗ + ½e⁻²ᵗIm(s)Re(s)0 יוצר קבוע; −1,−2 יוצרים דעיכה
עקבו מהצורה הראשונית אל התוצאה

משמאל נבנית תגובת המדרגה; מימין הקטבים 0,‏ −1 ו־−2 מסבירים את הערך הקבוע ואת שני אופני הדעיכה.

מה כדאי לגלות: התאימו כל איבר בזמן לקוטב שלו: איזה קוטב יוצר קבוע, ואילו קטבים יוצרים e^(−t) ו־e^(−2t)?

אחרי שראינו

בסוף השיעור תוכלו

  • להגדיר את התמרת לפלס ולזהות תחום התכנסות בסיסי.
  • לגזור ולהשתמש בחוקי ההתמרה של y′ ו־y″ כולל תנאי התחלה.
  • לפתור דוגמה מלאה, לפרש קטבים ולטפל במדרגה ובהלם מושהים.

נותנים שמות למה שראינו

מושגים שנשתמש בהם

התמרת לפלס
האינטגרל Y(s)=∫₀∞y(t)e^(−st)dt, המייצג פונקציית זמן כפונקציה של המשתנה המרוכב s.
תחום התכנסות
ערכי s שעבורם האינטגרל מתכנס; לפונקציה מסדר מעריכי זה בדרך כלל חצי־מישור Re(s)>a.
התמרה הפוכה
הפעולה המחזירה את y(t) מן הביטוי Y(s), לרוב באמצעות טבלה ופירוק לשברים פשוטים.
קוטב
ערך s שבו Y(s) מתבדרת; קטבי המערכת מקודדים קצבי דעיכה, גידול ותנודה.
משפט ההזזה
כפל ב־e^(−Ts) בתחום s מייצג אות שמופעל רק בזמן T ומוזז ב־T בתחום הזמן.

מהמילים אל הסימנים

כותבים את הפעולה שכבר ראינו

פתחו את הנוסחה רק אחרי שאתם יכולים לומר במילים מה כל פעולה אמורה לעשות. בשלב הבא נצדיק אותה צעד אחר צעד.

להצגת נוסחת המפתחקראו כל סימן כפעולה, לא כמשהו שצריך לשנןL{y′}=sY−y(0)

מרכיבים את הפעולות

מהתמונה אל הנוסחה — הגזירה, בלי לדלג על הצעדים

  1. מגדירים את ההתמרה ואת תחומה

    מכפילים את אות הזמן ב־e^(−st) ומסכמים מ־0 עד אינסוף. אם |y(t)| אינו גדל מהר יותר מ־Me^(at), האינטגרל מתכנס לפחות עבור Re(s)>a.

    Y(s)=𝓛{y}(s)=∫[0→∞]y(t)e^(−st)dt
  2. בונים טבלה מינימלית

    ארבע התמרות יספיקו לדוגמאות הליבה. u היא מדרגת יחידה ו־δ היא מנת יחידה.

    1↔1/s; e^(at)↔1/(s−a); δ(t)↔1; u(t−T)↔e^(−Ts)/s
  3. מעבירים נגזרת ראשונה

    אינטגרציה בחלקים מעבירה את הנגזרת מ־y אל e^(−st). איבר השפה באפס שומר את תנאי ההתחלה.

    𝓛{y′}=sY−y(0)
  4. חוזרים על הפעולה לנגזרת שנייה

    מפעילים את חוק הנגזרת על y′ ומציבים את התוצאה הקודמת. כעת מופיעים גם המיקום וגם המהירות ההתחלתיים.

    𝓛{y″}=s²Y−s y(0)−y′(0)
  5. מתמירים את המשוואה

    עבור y″+3y′+2y=1 במנוחה, כל תנאי ההתחלה מתאפס והמקור הקבוע תורם 1/s.

    (s²+3s+2)Y=1/s ⇒ Y=1/[s(s+1)(s+2)]
  6. מפרקים לשברים פשוטים

    כל מכנה לינארי מתאים לאיבר מוכר בטבלה. אפשר להציב s=0,−1,−2 כדי למצוא את המקדמים במהירות.

    Y=1/(2s)−1/(s+1)+1/[2(s+2)]
  7. חוזרים לזמן וקוראים את הקטבים

    ההתמרה ההפוכה מחליפה כל שבר באקספוננט שלו. הקוטב באפס יוצר קבוע; הקטבים −1 ו־−2 הם אופני הדעיכה של המערכת.

    y(t)=1/2−e^(−t)+(1/2)e^(−2t)
  8. מזיזים מקור בזמן

    אם G(s) היא התמרת g(t), כפל ב־e^(−Ts) דוחה את האות לזמן T ומכבה אותו לפני T.

    e^(−Ts)G(s) ↔ u(t−T)g(t−T); 𝓛{δ(t−T)}=e^(−Ts)

עכשיו רואים את השיטה בפעולה

דוגמאות פתורות, צעד אחר צעד

דוגמה 1

מקור מדרגה במנוחה

פתרו y″+3y′+2y=1 עם y(0)=y′(0)=0.

  1. מתמירים: (s²+3s+2)Y=1/s.

  2. מפרקים את המכנה: s²+3s+2=(s+1)(s+2), ולכן Y=1/[s(s+1)(s+2)].

  3. פירוק לשברים נותן 1/(2s)−1/(s+1)+1/[2(s+2)].

  4. הטבלה מחזירה y=1/2−e^(−t)+(1/2)e^(−2t).

התוצאה ומה היא אומרת

קיבלנו בדיוק את תגובת הקונבולוציה משיעור 2.6 בדרך אלגברית.

y(t)=1/2−e^(−t)+(1/2)e^(−2t)
דוגמה 2

הלם מושהה

פתרו y″+3y′+2y=δ(t−2) ממנוחה.

  1. התמרת המקור היא e^(−2s), ולכן Y=e^(−2s)/[(s+1)(s+2)].

  2. ללא גורם ההזזה, 1/[(s+1)(s+2)]=1/(s+1)−1/(s+2).

  3. ההתמרה ההפוכה הבסיסית היא g(t)=e^(−t)−e^(−2t).

  4. משפט ההזזה מחליף t ב־t−2 ומכפיל ב־u(t−2).

התוצאה ומה היא אומרת

אין תגובה לפני t=2; ברגע ההלם המהירות קופצת וההעתק נשאר רציף.

y=u(t−2)[e^(−(t−2))−e^(−2(t−2))]

איפה זה פוגש את העולם

יישום

בניתוח מעגלי RLC ומערכות בקרה, מדרגה, הלם ותנאי התחלה נכנסים לאותו חישוב אלגברי. מיקום הקטבים מאפשר לזהות יציבות, קצב דעיכה ותנודה עוד לפני ההתמרה ההפוכה.

מלכודת נפוצה

מה כדאי לבדוק

לכתוב 𝓛{y″}=s²Y ולמחוק את תנאי ההתחלה. טעות נפוצה נוספת היא לבלבל בין מדרגה, שהתמרתה 1/s, לבין הלם δ(t), שהתמרתו 1.

בודקים שהרעיון יושב

תרגול ומשוב

בדיקת הבנה

בחרו תשובה ורק אז בדקו את עצמכם

מהי התמרת לפלס של y″ כאשר y(0)=y₀ ו־y′(0)=v₀?

בחרו אחת מהאפשרויות כדי להמשיך.

עכשיו אתם

אתגר קצר

פתרו בעזרת לפלס את y″+3y′+2y=0 עם y(0)=1 ו־y′(0)=0. זהו את התרומה של כל תנאי התחלה למונה.

רמז ראשון

הציבו 𝓛{y″}=s²Y−s ו־𝓛{y′}=sY−1, ואז אספו את כל איברי Y בצד אחד.

הצגת דרך הפתרון
  1. ההתמרה נותנת (s²Y−s)+3(sY−1)+2Y=0, ולכן (s²+3s+2)Y=s+3.
  2. Y=(s+3)/[(s+1)(s+2)]=2/(s+1)−1/(s+2).
  3. לכן y=2e^(−t)−e^(−2t). בדיקה: y(0)=1 ו־y′(0)=−2+2=0.

מימוש הנושא

קוד שאפשר לקחת לניסוי

הקוד מיישם את אותו רעיון מתמטי. ב־JavaScript אפשר להריץ אותו כאן; גרסת Python זמינה להשוואה ולהעתקה.

הקשר למתמטיקה

simpleResidues מחשבת מקדמים של קטבים פשוטים; inverseLaplace מחברת את האקספוננטים המתאימים בתחום הזמן.

פלט צפוי

יודפסו השאריות [0.5,−1,0.5] והערכים בקירוב y(0)=0,‏ y(1)=0.1998 ו־y(3)=0.4515.

ניסוי המשך

שנו את הקוטב −2 ל־−3. נבאו מן השארית בקוטב 0 לאיזה ערך קבוע תתקרב התגובה.

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function simpleResidues(poles) {
  if (new Set(poles).size !== poles.length) {
    throw new RangeError("simpleResidues requires distinct simple poles");
  }
  return poles.map((pole, k) => 1 / poles.reduce(
    (product, other, j) => j === k ? product : product*(pole-other),
    1
  ));
}

function inverseLaplace(t, poles, residues) {
  return residues.reduce(
    (sum, residue, k) => sum + residue*Math.exp(poles[k]*t),
    0
  );
}

const poles = [0, -1, -2];
const residues = simpleResidues(poles);
console.log(residues); // [0.5, -1, 0.5]
console.log([0, 1, 3].map(
  (t) => ({ t, y: inverseLaplace(t, poles, residues) })
));

לפני שממשיכים

מה לוקחים מהשיעור

  • התמרת לפלס הופכת נגזרות לכפל ב־s, אך שומרת את תנאי ההתחלה כאיברי תיקון.
  • טבלת התמרות ושברים חלקיים מחזירים את הפתרון לתחום הזמן.
  • קטבים מקודדים את אופני המערכת ואת יציבותם.
  • כפל ב־e^(−Ts) מייצג מקור או תגובה שמתחילים רק בזמן T.

משימת מעבדה לשיעור הזה

תחנה 4 — זמן, הלם וקטבים

בחרו הלם או מדרגה מושהים, עקבו אחר תגובת הזמן והתאימו כל אופן דעיכה לקוטב שלו במישור s.

לפתיחת התחנה
מקורות להעמקה בלבד — השיעור עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 71–80

ספר הלימוד: עמ׳ 139–152