1 のラプラス変換

ここでは 1 をラプラス変換しましょう。

ラプラス変換表をみれば\(\mathcal{L}[1]\) は \(\dfrac{1}{s}\) であることはスグ分かるわけですが、 本当にそうなるか計算してみましょう。

そもそも \(f(t)\) のラプラス変換とは定義から次のようなものです。

\[ F(s) = \int_{0}^{\infty} e^{-st} f(t) dt \]

今は 1 のラプラス変換を計算しようとしているので、\( f(t) = 1 \) ですから、上の式で \(f(t)\) を 1 にした次を計算すれば良いことになります。

\[ F(s) = \int_{0}^{\infty} e^{-st} dt \]

\(\infty\) があると、厄介なのでちょっと書き直します。

\[ \begin{aligned} F(s) &= \int_{0}^{\infty} e^{-st} dt \\ &= \lim_{c \to \infty} \int_{0}^{c} e^{-st} dt \end{aligned} \]

というわけで、まずは \( \int_{0}^{c} e^{-st} dt \) を計算すれば良いですね。

ここでちょっと、指数関数の微分積分の復習をしておきます。 \( f(t)=e^{at} \) \( (a \gt 0) \) のときに、これを \( t \) で微分すると、

\[ \frac{df(t)}{dt} = ae^{at} \]

でしたね。これを思い出せば、不定積分が次であることもすぐに確認できます。

\[ \int e^{at} dt = \frac{e^{at}}{a} + C\]

ですから、 \( \int_{0}^{c} e^{-st} dt \) に話を戻すと、この不定積分は上の式の \(a\) を \(-s\) にしたものなので、次のように計算できることがわかります。

\[ \begin{aligned} \int_{0}^{c} e^{-st} dt &= \left[ - \frac{e^{-st}}{s} \right]_{0}^{c} \\ &= -\frac{1}{s} \left[ \frac{1}{e^{st}} \right]_{0}^{c} \\ &= -\frac{1}{s} \left( \frac{1}{e^{sc}} - \frac{1}{e^{0}} \right) \\ &= -\frac{1}{s} \left( \frac{1}{e^{sc}} - 1 \right) \\ &= \frac{1}{s} - \frac{1}{e^{sc}} \end{aligned} \]

従って、最初から書き直すと 1 のラプラス変換 \(\mathcal{L}[1]\) は次のようになります。

\[ \begin{aligned} F(s) &= \int_{0}^{\infty} e^{-st} dt \\ &= \lim_{c \to \infty} \int_{0}^{c} e^{-st} dt \\ &= \lim_{c \to \infty} \left( \frac{1}{s} - \frac{1}{e^{sc}} \right) \\ &= \frac{1}{s} \end{aligned} \]

この結果は必ず覚えておきましょう。

ラプラス変換表

ここまでお読みいただき、誠にありがとうございます。SNS 等でこの記事をシェアしていただけますと、大変励みになります。どうぞよろしくお願いします。

© 2024 基礎からの数学入門