t のラプラス変換

ここでは \(f(t)=t\) のラプラス変換を計算してみます。

ラプラス変換の結果だけ知りたい、という人は ラプラス変換表 をみてください。

ラプラス変換表から直ちに \( \mathcal{L}[t] = \dfrac{1}{s^2} \) とわかりますし、 あるいは \( \mathcal{L}[t^n] = \dfrac{n!}{s^{n+1}} \) で \(n=1\) のときと考えてもいいでしょう。

以下では、ゴリゴリと計算してみましょう。

ラプラス変換の定義から・・・

\[ \begin{aligned} \mathcal{L}[f(t)] &= \int_0^{\infty} f(t) e^{-st} dt \\ &= \int_0^{\infty} t e^{-st} dt \\ \end{aligned} \]

で、これを計算します。ただし、\(s \gt 0\) とします。

部分積分することを念頭において、\(f(t) = t\)、\(g'(t) = e^{-st}\) とすると \(f'(t) = 1\)、 \(g(t) = -\dfrac{e^{-st}}{s}\) なので、 次のように計算できます。

\[ \begin{aligned} \mathcal{L}[t] &= \int_0^{\infty} f(t) e^{-st} dt \\ &= \int_0^{\infty} fg' dt \\ &= \Big[ fg \Big]_0^{\infty} - \int_0^{\infty} f'g dt \\ &= \Big[ t \cdot (-\frac{e^{-st}}{s}) \Big]_0^{\infty} - \int_0^{\infty} 1 \cdot (-\frac{e^{-st}}{s}) dt \\ &= -\frac{1}{s} \Big[ \frac{t}{e^{st}} \Big]_0^{\infty} + \frac{1}{s} \int_0^{\infty} e^{-st} dt \\ \end{aligned} \]

ここで、\(e^0 = 1\) なので

\[ \begin{aligned} \Big[ \frac{t}{e^{st}} \Big]_0^{\infty} &= \lim_{x \to \infty} \Big[ \frac{t}{e^{st}} \Big]_0^{x} \\ &= \lim_{x \to \infty} \Big( \frac{x}{e^{sx}} - \frac{0}{e^0} \Big) \\ &= \lim_{x \to \infty} \frac{x}{e^{sx}} \end{aligned} \]

\(s \gt 0\) で \(x \to \infty\) のときに \(\dfrac{\infty}{\infty}\) なので、ロピタルの定理が使えます。

\[ \begin{aligned} \lim_{x \to \infty} \frac{x}{e^{sx}} &= \lim_{x \to \infty} \frac{(x)'}{(e^{sx})'} \\ &= \lim_{x \to \infty} \frac{1}{s e^{sx}} \\ &= 0 \end{aligned} \]

さらに、

\[ \begin{aligned} \int_0^{\infty} e^{-st} dt &= \Big[ -\frac{e^{-st}}{s} \Big]_0^{\infty} \\ &= -\frac{1}{s} \lim_{x \to \infty} \Big[ \frac{1}{e^{st}} \Big]_0^{x}\\ &= -\frac{1}{s} \lim_{x \to \infty} \Big( \frac{1}{e^{sx}} - \frac{1}{e^0} \Big) \\ &= \frac{1}{s} \end{aligned} \]

となるので、上の計算にもどると、

\[ \begin{aligned} \mathcal{L}[t] &= \cdots \\ &= -\frac{1}{s} \Big[ \frac{t}{e^{st}} \Big]_0^{\infty} + \frac{1}{s} \int_0^{\infty} e^{-st} dt \\ &= -\frac{1}{s} \cdot 0 + \frac{1}{s} \cdot \ \frac{1}{s} \\ &= \frac{1}{s^2} \end{aligned} \]

となって、\( \mathcal{L}[t] = \dfrac{1}{s^2} \) が計算できました。

ラプラス変換表

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