拉普拉斯反轉換一題(續問)

2010-09-06 11:21 pm
之前我曾經問過一模一樣的一題

不過後來看了網友的回覆,似乎我少考慮一些東西

我是問 L‾¹ { (c(s - 1)^k)/s^(k + 1) } 這題


想請問各位如果K不是整數那麼做法會有不一樣嗎?該怎麼做呢?

若是又繼續分類,K是非整數中的正數和負數會影響結果嗎?


謝謝大家
更新1:

doraemonpaul大大您好 其實我一直覺得您的case3有問題 不太知道為何您的convolution的上下限 會由0到t變成0到1 我不管怎麼想,都覺得說不通,雖然您是做變數變換,但好像不會到上下限是0到1 另外就是您的case3最後三步驟gamma function,為何會跑出sin(-k*pi) 還是我誤會錯了呢? 謝謝您的解惑

回答 (3)

2010-09-07 6:46 am
✔ 最佳答案
以下作法對任意k值都成立

(s-1)^k/s^(k+1)
=(1/s)(1- 1/s)^k
=Σ[n=0~∞] C(k,n)/s^(n+1) (conv. uniformly for s>1)
故L^(-1){c(s-1)^k/s^(k+1)}
=cΣ[n=0~∞] C(k,n)t^n /n! (for any value t) ------(*)

其中C(k,n)=k(k-1)(k-2)...(k-n+1)/n!, n=0,1,2,3,...

註:若k為正整數或0,則(*)式為t之k次多項式

2010-09-07 18:12:27 補充:
1. Laplace transform本質即對s夠大而言才有意義,那有討論|s|<1的問題?不懂就別亂發言!
2. 以上作法並不限k為整數或分數,正數或負數,有何問題?

2010-09-08 18:00:03 補充:
Laplace transform 只針對exponetial type的函數作處理,
本題當然假設s>1,否則L{e^t}= 1/(s-1)何來
求inverse function,討論|s|<1,有何意義呢?

2010-09-10 19:47:30 補充:
請問d大:
您的作法case1: k為整數時,例k=2時, 答案是什麼? L^(-1){(s-1)^2/s^3}=0 ?(因sin(2π)=0)

2010-09-10 19:58:27 補充:
我的答案少一項,修正如下:
(s-1)^k/s^(k+1)=(1/s)(1- 1/s)^k=Σ[n=0~∞] C(k,n)(-1)^n/s^(n+1) (conv. uniformly for s>1)
故L^(-1){c(s-1)^k/s^(k+1)}=cΣ[n=0~∞] C(k,n)(-t)^n /n! (for any value t)
k=2時,答案是c(1-2t+t^2/2)

2010-09-13 08:22:39 補充:
L{t^a}=∫[0~∞] t^n exp(-st)dt, 當n<=-1時是發散無意義的
這是數學本質的問題,不會因為一個軟體的執行結果而改變
gamma function Γ(x)可以用無窮乘積定義x<0,且非整數的case,
但L{t^n} 對n<= -1時,本質就無意義與gamma function的無窮乘積無關

L{t^n}的計算,是由 Γ(x)=}=∫[0~∞] t^(x-1)exp(-t)dt 定義求之的,
與 Γ(x)的無窮乘積推廣定義不能相混

2010-09-16 02:11:15 補充:
To: 002
1. 您不再堅持http://tw.knowledge.yahoo.com/question/article?qid=1710090201370, case3的論點了嗎?
2. 修改影像檔的內容,而沒保留原始作答,請問以上的討論,有意義嗎?
3. 您新的作答,有比較簡單或好看嗎?
4. 我訂正您觀念上的錯誤,您一句表示都沒有,是否有失厚道呢?
2010-09-13 1:44 am
To:香港朋友
Laplace inverse{ 1/s^(k+1)}= t^k/Γ(k+1)
Laplace inverse{ 1/(s-1)^(-k)}= t^(-k-1)e^t/Γ(-k)
兩式同時成立,會有很大的適用性問題,
若k>0,則Γ(-k)的積分定義是發散的
若k<-1,則Γ(k+1)也是發散的
2010-09-10 11:50 pm
不知這兩個做法又有沒有問題?

我的做法(case 1和case 2應該沒有問題,但我想你們確認一下case 3):
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/article?qid=1710090201370

天助的做法(從「指責」後面開始,我不明白為甚麼他要把k分拆成整數部分和指數部分?不這樣分拆有甚麼問題?):
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1610020810715

2010-09-07 12:43:13 補充:
Lotus的做法是一條式過,不用分case,雖然看上去好像沒有問題,但當然是問題處處:
1. 二項式分解的缺憾就是收歛範圍是限制的而不是全部,結果他只做了|s| > 1那邊。那麼|s| < 1那邊呢?結果亦是一樣要分case。

2010-09-07 12:45:14 補充:
2. Lotus的做法只顯示出只有非負整數k的時候才有美妙的結果,卻忽視了原來負整數k的時候亦有美妙的結果(請看http://tw.knowledge.yahoo.com/question/article?qid=1710090201370就知道),雖然這個美妙的結果是多項式乘上e^t,不像非負整數k的時候那樣完全是多項式,須知道我們不應該只重視多項式,而應該重視所有解析函數。

2010-09-08 08:00:22 補充:
回Lotus:
1. 本題不是應用題,只是要求你純粹解決L‾¹{(c(s - 1)^k)/s^(k + 1)},所以完全無須考慮寫出來的東西有甚麼實際用途,因此你認為|s|<1的個案沒有意義所以不考慮在這題來說是自作主張的表現。
2. 做數學題除了要講求「正確」,還要講求「好」、「簡化」等東西。你的回答不可以說你錯,但肯定不夠「好」和「簡化」,因為至少你沒有把「負整數k的時候有解析函數解」這個訊息「突顯」出來。這亦顯示出你沒有善用分case。

2010-09-08 08:00:30 補充:
分case的精粹就是要突顯可進一步化簡的情況。例如你發現在k = n/2(n是整數)的時候有特別化得更簡的結果,那麼你就要分開一個case講述在k = n/2的情況,這才算是善用分case。

2010-09-08 15:24:30 補充:
回出擊小子:
或許是我偷懶,為了省去轉換dummy variable的部分,在變數變換中直接轉換成同一個dummy variable,令到你很混淆。我現在再寫清楚一點:

For∫(0 to t) x^(- k - 1) (t - x)^k e^x dx ,
Let x = tu,
Then dx = t du

When x = 0 , u = 0
When x = t , u = t/t = 1

2010-09-08 15:24:51 補充:
∴∫(0 to t) x^(- k - 1) (t - x)^k e^x dx
=∫(0 to 1) (tu)^(- k - 1) (t - tu)^k e^(tu) d(tu)
=∫(0 to 1) t^(- k - 1) u^(- k - 1) t^k (1 - u)^k e^(tu) t du
=∫(0 to 1) u^(- k - 1) (1 - u)^k e^(tu) du
=∫(0 to 1) x^(- k - 1) (1 - x)^k e^(tx) dx

2010-09-08 15:25:44 補充:
這是源自一條很著名的公式:Γ(n)Γ(1 - n) = π/sin nπ。
這條公式並不是三言兩語就可以證明出來,因為當中涉及路徑積分,詳見http://www.math.utah.edu/~milicic/zeta.pdf的第3頁至第5頁。

2010-09-09 06:56:12 補充:
事實上,Lotus所做的是級數解,而我在http://tw.knowledge.yahoo.com/question/article?qid=1710090201370所做的是積分解。

2010-09-09 06:56:27 補充:
若你再用心搜尋資料,你就會發現該個積分正是屬於Confluent Hypergeometric Function of the First Kind。(http://en.wikipedia.org/wiki/Confluent_hypergeometric_function#Integral_representations)(http://mathworld.wolfram.com/ConfluentHypergeometricFunctionoftheFirstKind.html)

2010-09-09 07:25:04 補充:
這題的討論尚未完結,因為我現在發現在k = n/2(n是奇數)的時候其結果的化簡程度可超越那個Confluent Hypergeometric Function of the First Kind的水平。無論是http://eqworld.ipmnet.ru/en/auxiliary/inttrans/LapInv3.pdf還是http://en.wikipedia.org/wiki/Confluent_hypergeometric_function#Special_cases,都彷彿正在暗示這個訊息。但這個general form尚在研究中。

2010-09-09 07:28:24 補充:
k = 1/2:
http://www.wolframalpha.com/input/?i=inverse+laplace+transform+%28s-1%29%5E%281%2F2%29%2Fs%5E%283%2F2%29

k = 3/2:
http://www.wolframalpha.com/input/?i=inverse+laplace+transform+%28s-1%29%5E%283%2F2%29%2Fs%5E%285%2F2%29

2010-09-09 07:29:50 補充:
k = 5/2:
http://www.wolframalpha.com/input/?i=inverse+laplace+transform+%28s-1%29%5E%285%2F2%29%2Fs%5E%287%2F2%29

k = - 1/2:
http://www.wolframalpha.com/input/?i=inverse+laplace+transform+%28s-1%29%5E%28-1%2F2%29%2Fs%5E%281%2F2%29

2010-09-09 07:32:24 補充:
k = - 3/2:
http://www.wolframalpha.com/input/?i=inverse+laplace+transform+%28s-1%29%5E%28-3%2F2%29%2Fs%5E%28-1%2F2%29

2010-09-10 15:50:50 補充:

圖片參考:http://i212.photobucket.com/albums/cc82/doraemonpaul/yahoo_knowledge/inverselt/notableinverselt19.jpg

參考資料:
my wisdom of maths + results from http://www.wolframalpha.com/input/?i=inverse+laplace+transform+1%2F%28s%5E2-s%29%5E%281%2F2%29 + http://www.wolframalpha.com/input/?i=inverse+laplace+transform+1%2F%28s%5E2%2Bs%29%5E%281%2F2%29

2010-09-13 05:07:43 補充:
1. Γ(k)在k < 0是發散的?但是根據http://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_function和http://mathworld.wolfram.com/GammaFunction.html,Γ(k)在負非整數k仍是收歛,只有在非正整數k才是真正發散。

2010-09-13 05:09:01 補充:
2. 雖然http://eqworld.ipmnet.ru/en/auxiliary/inttrans/laplace2.pdf聲稱L{tⁿ} = Γ(n + 1)s‾ⁿ‾¹這個結果只適用於當n > - 1的時候,但是http://www.wolframalpha.com/input/?i=laplace+transform+t%5E%28-4%2F3%29卻顯示縱使在n < - 1且非整數的時候仍然適用。

2010-09-14 15:22:45 補充:
+ http://tw.knowledge.yahoo.com/question/article?qid=1710090201370 + http://en.wikipedia.org/wiki/Floor_and_ceiling_functions#Notation + http://en.wikipedia.org/wiki/Floor_and_ceiling_functions#Relations_among_the_functions

2010-09-20 05:04:11 補充:
回021:
1. 當然不再堅持啦,否則即是誤導了出擊小子。雖然出擊小子事實上是因為看不明白化簡過程,當我在非整數k那部分沒有做過才發問這題,我相信他也不知道這樣直接取convolution對於k的適用範圍會產生這樣大的問題,但如果我繼續堅持,那即是我教錯的東西給出擊小子?這會對不住我自己的良心!
2. 趁發問者未發現回答者有該種問題的回答的時候把有該種問題的回答收回本是沒有問題的事,但既然你不喜歡我這樣的處理手法,我唯有把該「原始回答」改成「常犯錯誤」。

2010-09-20 05:33:29 補充:
3. 我一向都不太喜歡好像http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1610020810715(由更正那行開始)這樣另設參數,想盡量只以題目已有的參數表示結果,所以才弄出這麼多的floor function、ceiling function和{}的符號。
論好看,我這個新的作答當然比http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1610020810715(由更正那行開始)的好看很多,因為後者只是舉出方向而沒有親自行動進行化簡,根本上並不是算是完成。


收錄日期: 2021-05-04 00:46:30
原文連結 [永久失效]:
https://hk.answers.yahoo.com/question/index?qid=20100906000016KK03752

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