7.6 反演公式留数与有理函数|数学物理方法

数学物理方法 · 7.6 反演公式留数与有理函数
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第七章 / 7.6

反演公式留数与有理函数

教材184—190页

7.6 · 教材184—190页

26 竖直反演积分:从下往上,在线右侧选实部

沿取,把7.1的加权傅里叶关系反演,便得到

选在收敛半平面内;对本章有理像函数,可以取在全部极点右侧。路径从下往上,且,这就是系数的来源。

教材在连续点陈述公式;跳跃处在常见的分段光滑条件下得到左右极限的平均值。普通拉氏变换不区分只在有限个点上不同的函数,因此逆变换应按分段连续代表理解。

做题需要会用并解释路径,不必每题重写这条无穷积分。 绝大多数本章计算题更适合查表、部分分式或留数。

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27 为什么$t>0$时往左闭合

核的模为。当,左侧衰减,故把向上的竖线从顶部沿左侧回到底部,得到逆时针闭路。

在辅助弧积分消失的条件下,

对严格真有理函数,即分子次数小于分母次数、有限个极点,可用这种留数反演。求留数的对象是,不是单独的。 后者会把所有时间信息丢掉。

对于带的式子,核变成,应先用延迟定理;在时不能不加判断地仍往左闭合。一般非有理函数还可能有分支切口,需要额外的切口积分,不能只数极点。

图 7-11 反演线向上走;t>0时在左边闭合
Re p=σ向上积分e^(pt)t>0:左边衰减,逆时针闭合反演线选在所有极点右侧,闭路内部包含需要求和的极点。

竖线向上,左弧从上回到底部,整体逆时针,留数求和取正号。

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28 简单极点、重极点与共轭成对

若,为的简单零点且未被分子约去,

若为阶极点,写,其中解析,则

这里阶乘系数与整个导数相乘。重极点通常产生乘一个的多项式;最基本的一对是。

若为实系数,多项式的非实根共轭出现。对实,两个对应的简单极点贡献互为共轭,合为一个贡献的,这样结果自然是实函数。

图 7-12 极点的实部、虚部与重数,分别决定增长、频率与多项式因子
简单实极点 a1/(p-a)↓e^(at)实部决定增长或衰减共轭极点 a±ib(p-a)²+b²↓e^(at)·sin/cos(bt)虚部决定振荡频率m阶极点 a1/(p-a)^m↓t^(m-1)e^(at)/(m-1)!重数带来多项式因子逆变换求的是 F(p)e^(pt) 的留数,指数不能省略。先约去公因子,再判断实际极点阶数;实系数时共轭贡献可以合并。

极点位置和阶数给出本函数形状的线索;具体系数还需查表、部分分式或留数计算。

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29 原书反演例1:留数法与部分分式给同一答案

给定

极点为。在处贡献;在处,

共轭成对取两倍实部,得到

部分分式更容易手算:

逐项查表便得到同一结果。作为因果函数,其收敛域为;两个阻尼振荡项不会抵消带来的增长。

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30 原书反演例2:三阶极点要对整个乘积求导

给定

为简单极点,贡献。在处令

得到。三阶极点留数为

故

核对原书该页中间式时,三阶极点的系数应为;若扫描排版看成,应按留数公式改正。结果可以再变换回去检查,不能靠中间字形决定系数。

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31 原书反演例3:两个二次因子与参数重合

对,

所以

关键是先把乘积化成两项的差,而不是强行展开四个复极点。参数重合时回到重极点式:

若,按极限理解,不能只把分母0代进去。第一轮先练非退化参数,再补这些极限情形。

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32 原书反演例4:方程组先相加相减

原方程组为,初值。变换后

相加与相减:

因此令,有。分解

所以

初值分别为2、4;正是相减后得到的独立衰减模式。不要看到方程组就急着逐个复杂消元,对称结构先相加相减会明显简化。

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33 原书反演例5:延迟先拆出来,双曲函数别认错

求

先令,因为。故

时只有第一项;时减去延迟后的同一波形。此处不是,因为分母是减号。原书本例先查表的中间行与最后的形式要按这个对应关系核对。

延迟不等于“到4以后令整个解为0”;这里是减去一份延迟响应。只有本函数等特殊形状才会在第二个开关后完全抵消。

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。