Kl. 13

Laplace-Rechner

Wähle, was Du berechnen möchtest: die Laplace-Transformierte $F(s)$ einer Funktion $f(t)$, die Originalfunktion zu einer Bildfunktion $F(s)$ oder die Lösung eines Anfangswertproblems $a\,y'' + b\,y' + c\,y = r(t)$. Jeder Weg wird Schritt für Schritt gezeigt und zum Schluss geprüft.

Was möchtest Du berechnen?
Ein Bruch aus Polynomen in s. Für eine Verschiebung den Faktor ganz vorne schreiben, z. B. e^(-2s)/(s^2 + 1).
Neu

Schreibweise: t^2, e^(-3t) oder exp(-3t), sin(2t), cos(t); in F(s) z. B. (s+1)/(s^2+4). Dezimalzahlen mit Komma.

Ergebnis

Originalfunktion zu $F(s) = e^{-2s}\cdot \frac{1}{s^{2}}$:

\[f(t) = \mathcal{L}^{-1}\{F(s)\} = u(t - 2)\cdot \left(t - 2\right)\]
Zum Rechenweg

Rechenweg

  1. Faktor e^(−as): Verschiebungssatz

    Ein Faktor $e^{-as}$ bedeutet eine Verschiebung um $a$ nach rechts: Ist $g(t)$ die Originalfunktion zu $G(s)$, dann gehört $e^{-as}G(s)$ zu $u(t - a)\,g(t - a)$. Dabei ist $u$ die Sprungfunktion ($u(t) = 0$ für $t < 0$, $u(t) = 1$ für $t \ge 0$). Transformiere also zuerst nur $G(s)$ zurück:

    \[G(s) = \frac{1}{s^{2}}\]
  2. Nenner zerlegen

    Die Nullstellen des Nenners (die Pole) bestimmen, welche Bausteine in $f(t)$ vorkommen: reelle Pole $s = a$ geben $e^{at}$, Paare $s = \alpha \pm \omega i$ geben $e^{\alpha t}\cos(\omega t)$ und $e^{\alpha t}\sin(\omega t)$, mehrfache Pole zusätzlich Faktoren $t, t^2, \ldots$

    \[G(s) = \frac{1}{s^{2}}\]
  3. Partialbruchzerlegung

    Zerlege in einfache Brüche (Ansatz mit unbestimmten Koeffizienten, Koeffizientenvergleich bzw. Einsetzen der Pole):

    \[G(s) = \frac{1}{s^{2}}\]
  4. Jeden Bruch zurücktransformieren

    Mit der Korrespondenztabelle (quadratische Nenner vorher quadratisch ergänzen: $s^2 + 2s + 5 = (s + 1)^2 + 4$, dann Dämpfungssatz):

    \[\text{"1/s^2}\;\longmapsto\; \text{t"}\]
  5. Ergebnis

    Zurückverschieben um $2$:

    \[f(t) = u(t - 2)\cdot \left(t - 2\right)\]
  6. Probe

    Numerisch: $\int_0^\infty e^{-1,5t}\,g(t)\,\mathrm{d}t \approx 0{,}444444$ und $G(1{,}5) \approx 0{,}444444$ – passt.

123456712345f(t)
Die Originalfunktion f(t) – bis t = 2 ist sie 0 (Verschiebungssatz).

So rechnet der Rechner

ModusVorgehen
f(t) → F(s)Summe in Summanden zerlegen (Linearität), jeden Summanden mit Tabelle bzw. Dämpfungssatz transformieren, Ergebnis numerisch mit $\int_0^\infty e^{-st} f(t)\,\mathrm{d}t$ prüfen.
F(s) → f(t)Nenner zerlegen, Partialbrüche, jeden Bruch zurück; ein Faktor $e^{-as}$ vorne wird mit dem Verschiebungssatz zu $u(t - a)\,g(t - a)$.
AnfangswertproblemAbleitungssatz einsetzen, nach $Y(s)$ auflösen, Partialbrüche, zurücktransformieren, Probe durch Einsetzen in die Gleichung.

Tipp

Die Pole von $F(s)$ – die Nullstellen des Nenners – verraten schon vorher, wie $f(t)$ aussieht: Pole links von 0 ($s < 0$) gehören zu abklingenden Anteilen, Pole rechts davon zu wachsenden, rein imaginäre Paare $\pm\omega i$ zu ungedämpften Schwingungen.

Die Erklärung mit Korrespondenztabelle, Rechenregeln und Übungen findest Du unter Laplace-Transformation. Für Partialbrüche allein gibt es die Seite Partialbruchzerlegung, für Differentialgleichungen ohne Laplace den DGL-Rechner.

Weiterlesen: Laplace-Transformation bei Wikipedia

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