证:单位冲激函数(连续)和单位脉冲函数(离散)的拉普拉斯/Z变换 皆为 “1”

本文主要是介绍证:单位冲激函数(连续)和单位脉冲函数(离散)的拉普拉斯/Z变换 皆为 “1”,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

输入信号 ( x(t) = \delta(t) ) 的拉普拉斯变换为 ( X(s) = 1 ) 是因为单位冲激函数 (\delta(t)) 的拉普拉斯变换有一个特殊且重要的性质。【在离散时间系统中,拉普拉斯变换的离散对应物是Z变换。】

单位冲激函数 (\delta(t)) 的定义

单位冲激函数(Dirac Delta 函数) (\delta(t)) 的定义是:

  1. (\delta(t)) 在 ( t = 0 ) 处具有无限大值,但在 ( t \neq 0 ) 处为零。
  2. (\delta(t)) 的面积为 1,即:
    ∫ − ∞ ∞ δ ( t ) d t = 1 \int_{-\infty}^{\infty} \delta(t) \, dt = 1 δ(t)dt=1

拉普拉斯变换的定义

拉普拉斯变换的定义为:
X ( s ) = ∫ 0 ∞ x ( t ) e − s t d t X(s) = \int_{0}^{\infty} x(t) e^{-st} \, dt X(s)=0x(t)estdt

计算 (\delta(t)) 的拉普拉斯变换

对于 ( x(t) = \delta(t) ),我们将其代入拉普拉斯变换的定义:
X ( s ) = ∫ 0 ∞ δ ( t ) e − s t d t X(s) = \int_{0}^{\infty} \delta(t) e^{-st} \, dt X(s)=0δ(t)estdt

根据单位冲激函数的性质,(\delta(t)) 只有在 ( t = 0 ) 处有值,其值为无限大,但其积分面积为1。由于 (\delta(t)) 仅在 ( t = 0 ) 处有值,积分的上限可以变为 (\epsilon)((\epsilon) 是一个非常小的正数),所以:
X ( s ) = ∫ 0 ϵ δ ( t ) e − s t d t X(s) = \int_{0}^{\epsilon} \delta(t) e^{-st} \, dt X(s)=0ϵδ(t)estdt

因为 ( e^{-st} ) 在 ( t = 0 ) 处等于 1(( e^{0} = 1 )),且 (\delta(t)) 在 ( t = 0 ) 处的积分面积为1,所以我们可以将 ( e^{-st} ) 看作一个常数1,提到积分外面:
X ( s ) = e 0 ∫ 0 ϵ δ ( t ) d t X(s) = e^{0} \int_{0}^{\epsilon} \delta(t) \, dt X(s)=e00ϵδ(t)dt
X ( s ) = 1 ⋅ ∫ 0 ϵ δ ( t ) d t X(s) = 1 \cdot \int_{0}^{\epsilon} \delta(t) \, dt X(s)=10ϵδ(t)dt

根据单位冲激函数的定义,(\delta(t)) 的积分面积为1:
X ( s ) = 1 ⋅ 1 X(s) = 1 \cdot 1 X(s)=11
X ( s ) = 1 X(s) = 1 X(s)=1

因此,单位冲激函数 (\delta(t)) 的拉普拉斯变换为 ( X(s) = 1 )。

这个性质是因为单位冲激函数在时域上具有独特的特性,即在 ( t = 0 ) 处有一个无穷大的值,但其面积为1,所以它的拉普拉斯变换非常简单,就是常数1。

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