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F(ks)のラプラス逆変換 📂微分方程式

F(ks)のラプラス逆変換

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関数 f(t)f(t)のラプラス変換 L{f(t)}=0estf(t)dt=F(s)\mathcal{L} \left\{ f(t) \right\} = \displaystyle \int _{0} ^\infty e^{-st}f(t)dt = F(s)s>a0s>a \ge 0であるとしよう。それならば、正の数 k>0k> 0に対して、F(ks)F(ks)のラプラス逆変換は以下のようになる。

L1{F(ks)}=1kf(tk),s>ak \mathcal{L^{-1}} \left\{ F(ks) \right\} =\dfrac{1}{k}f\left(\frac{t}{k}\right),\quad s>\frac{a}{k}

導出

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f(ct)f(ct)のラプラス変換

L{f(ct)}=1cF(sc),s>ca \mathcal{L} \left\{ f(ct) \right\} =\dfrac{1}{c}F\left(\dfrac{s}{c}\right), \quad s>ca

上記の式で ccの代わりに1k\dfrac{1}{k}を代入すると

L{f(tk)}=kF(ks)    F(ks)=1kL{f(tk)}=L{1kf(tk)} \begin{align*} \mathcal{L} \left\{ f\left(\frac{t}{k}\right) \right\} &= kF(ks) \\ \implies F(ks) &= \dfrac{1}{k} \mathcal{L} \left\{ f\left(\frac{t}{k}\right) \right\} =\mathcal{L} \left\{\dfrac{1}{k} f\left(\frac{t}{k}\right) \right\} \end{align*}

だから

L1{F(ks)}=1kf(tk) \mathcal{L^{-1}} \left\{ F(ks) \right\} =\dfrac{1}{k}f\left(\frac{t}{k}\right)

ccの時の条件が s>cas>caだったので、条件は自然とs>aks>\dfrac{a}{k}に変わる。

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ラプラス変換の定義により、

L{1kf(tk)}=1k0estf(tk)dt \mathcal{L} \left\{ \frac{1}{k} f\left( \frac{t}{k} \right) \right\} =\dfrac{1}{k}\int _{0} ^\infty e^{-st}f \left( \frac{t}{k} \right) dt

ここでtk=τ\dfrac{t}{k}=\tauと置き換える。するとst=skτst=sk\tauであり、dt=kdτdt=kd\tauなので

L{1kf(tk)}=0eskτf(τ)dτ=F(ks) \begin{align*} \mathcal{L} \left\{ \frac{1}{k} f\left( \frac{t}{k} \right) \right\} &=\int _{0} ^\infty e^{-sk\tau}f \left(\tau \right) d\tau \\ &= F(ks) \end{align*}

参照


  1. ウィリアム・E・ボイス, Boyce’s Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems (11版, 2017), p263 ↩︎