7.5 卷积定理与积分方程|数学物理方法

数学物理方法 · 7.5 卷积定理与积分方程
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第七章 / 7.5

卷积定理与积分方程

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22 卷积:每个过去时刻的贡献累加到现在

两个因果函数的卷积定义为

遍历过去时刻,给出当时输入,给出经过时间后的作用,把这些乘积累加起来。这是系统响应的基本结构。

卷积不是逐点乘积。 通常;正确关系是。

通过换元可证交换律,在适当可积条件下还有结合律、分配律。做计算时先选让积分更简单的写法,尤其是一个函数为1或指数时。

图 7-9 卷积通过重叠长度累积;矩形卷积成为三角形
f 与 g 都是区间[0,1]上的单位矩形u0绿色 g(u) 固定;橙色 f(t-u) 随t滑动。乘积积分 = 重叠长度 = 0.60t∈[0,1] 时卷积为t;t∈[1,2] 时为2-t;区间外为0。

当前t=0.6,重叠区间[0.00,0.60],卷积值0.60。

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23 卷积定理为什么成立:换积分次序

把定义代入:

积分区域是。交换次序,先从0到,再从到;令,被积函数分裂成

在绝对收敛保证下,二重积分变成两个积分的乘积:

为什么要保留这段证明?它能让你识别积分方程中的卷积,知道积分上下限为何是0和,以及为什么乘积的逆变换不能直接写成。第一轮会画积分区域、会分离变量即可,增长估计的全部细节可第二轮补。

图 7-10 交换积分次序后,三角区域变成两个独立的非负变量
原变量 (t,u)tuu=t0≤u≤t换元 v=t-uvuu≥0,v≥0e^(-pt)=e^(-pu)e^(-pv)变量范围独立后,二重积分分离为两个拉氏积分,相乘得到F·G。

原三角区域在换元后成为第一象限;绝对可积保证交换次序合法。

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24 原书例7:误差函数从卷积自然出现

求,。先拆成三个因子:

已知逆变换分别为常数、与。用卷积:

令,得到

这两个显示公式里的系数都与后面的积分相乘。误差函数就是高斯积分的一种命名,不是突然增加了一种运算。第一轮知道定义、能认出这个逆变换即可,不必手算误差函数的小数值。

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25 乘积的逆变换,能用部分分式也能用卷积

例如

时积分为;时退化为。前者可以部分分式,后者是重极点。不要把的公式直接在分母为0时硬代。

若,则

这就是卷积积分方程的代数化。求完仍需逆变换,并代回初始时刻与原式检查。

原书习题9写作,于是

把含的项收集到左侧,解得。令,在下,

耦合常数改变振动频率,这就是保留此例的物理意义。

来源、编排与掌握要求

依据用户提供的严镇军《数学物理方法》扫描本第七章整理;正文印刷页169—190;附表191—197上部,章末习题197下部—201。扫描PDF文件页序等于印刷页码加6。按原书节序覆盖各主题,以重新讲解、推导主线和例题说明组织,未逐字复制原文。自编检查题与原书习题分开编号,原书题号可在本章习题路线中查找;本文件不声称是全部原书习题的逐题答案册。

第一轮优先掌握能独立做题所需的概念、步骤和适用条件;背景、证明及拓展均说明用途和暂缓深究的边界。第七章含24道自编检查题及完整解析。公式与SVG内嵌,可离线阅读;屏幕答案默认折叠,打印时自动展开。整理日期:2026年10月22日。