디랙 델타 함수의 라플라스 변환

디랙 델타 함수의 라플라스 변환

정리1

디랙 델타 함수라플라스 변환은 다음과 같다.

$$ \mathcal{L} \left\{ \delta(t-t_0) \right\} = e^{-st_0} $$

증명

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위 그림과 같이 $d_\tau (t) = \dfrac{1}{2\tau}$ $-\tau \le t \le \tau$라고 정의하자. 그러면 아래의 극한은 디랙 델타 함수와 같다.

$$ \lim \limits_{\tau \to 0^+}d_\tau (t)=\delta(t) \\ \lim \limits_{\tau \to 0^+}d_\tau (t-t_0)=\delta(t-t_0) $$

그러면 $\mathcal{L} \left\{ \delta(t-t_0) \right\}=\mathcal{L} \left\{ \lim \limits_{ \tau \to 0^+}d_\tau (t-t_0) \right\}$이다.따라서

$$ \begin{align*} \int_0^\infty e^{-st}\delta(t-t_0)dt &=\lim_{\tau \to 0^+} \int_0 ^\infty e^{-st}d_\tau(t-t_0)dt \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} \int_0 ^\infty e^{-st}d_\tau(t-t_0)dt \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} \int_{t_0-\tau}^{t_0+\tau}e^{-st}d_\tau(t-t_0)dt \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} \int_{t_0-\tau}^{t_0+\tau}e^{-st}\dfrac{1}{2\tau}dt \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} \dfrac{1}{2\tau}\dfrac{-1}{s}\left[ e^{-st} \right]_{t_0-\tau}^{t_0+\tau} \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} \dfrac{1}{2s\tau }\left( e^{-s(t_0-\tau)}-e^{-s(t_0+\tau)}\right) \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} \dfrac{1}{2s\tau }e^{-st_0}\left( e^{s\tau}-e^{-s\tau}\right) \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} e^{-st_0}\dfrac{1}{s\tau }\dfrac{e^{s\tau}-e^{-s\tau}}{2} \\ &= \lim_{\tau \to 0^+} e^{-st_0}\dfrac{1}{s\tau }\sinh (s\tau) \end{align*} $$

이 때 로피탈 정리에 의해

$$ \lim \limits_{\tau \to 0^+}\dfrac{\sinh (s\tau) }{s\tau}=\lim \limits_{\tau \to 0^+} \dfrac { s\cosh (s\tau)}{s}=1 $$

따라서

$$ \int_0^\infty e^{-st}\delta(t-t_0)dt =e^{-st_0} $$

같이보기


  1. William E. Boyce, Boyce’s Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems (11th Edition, 2017), p270-272 ↩︎

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