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数学
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[题目]求 (s)=(s+4)/(2(s)^2+3s+1) 的拉普拉斯-|||-反变换-|||-(s)=dfrac (s+4)(2{s)^2+3s+1}

题目解答

答案

解析

考查要点:本题主要考查拉普拉斯反变换的计算,特别是通过部分分式展开法将有理分式分解为简单分式,再利用标准拉普拉斯变换对求解原函数。

解题核心思路:

  1. 因式分解分母:将分母二次多项式分解为一次因式的乘积,便于后续分解为部分分式。
  2. 部分分式展开:将原分式表示为简单分式的线性组合,通常形式为$\frac{A}{s+a} + \frac{B}{s+b}$。
  3. 求解待定系数:通过代数方法(如代入特定值或比较系数)确定部分分式的系数。
  4. 反变换求解:利用标准拉普拉斯变换对$\mathcal{L}^{-1}\left\{\frac{1}{s+a}\right\} = e^{-at}$,逐项求反变换并组合结果。

破题关键点:

  • 正确分解分母:确保二次多项式因式分解无误。
  • 待定系数求解:准确计算部分分式的系数,避免符号或计算错误。
  • 反变换公式应用:注意分母系数对结果的影响,如$\frac{B}{2s+1}$需转化为$\frac{B}{2(s+\frac{1}{2})}$后再求反变换。

步骤1:因式分解分母
原函数为:
$F(s) = \frac{s+4}{2s^2 + 3s + 1}$
分母分解为:
$2s^2 + 3s + 1 = (2s + 1)(s + 1)$

步骤2:部分分式展开
设:
$\frac{s+4}{(2s+1)(s+1)} = \frac{A}{s+1} + \frac{B}{2s+1}$
两边同乘分母得:
$s + 4 = A(2s + 1) + B(s + 1)$

步骤3:求解待定系数

  • 代入特定值:
    令$s = -1$,得:
    $-1 + 4 = A(2(-1) + 1) \implies 3 = -A \implies A = -3$
    令$s = -\frac{1}{2}$,得:
    $-\frac{1}{2} + 4 = B\left(2\left(-\frac{1}{2}\right) + 1\right) \implies \frac{7}{2} = B(0) \quad \text{(此方法不适用,改用系数比较)}$

  • 比较系数:
    展开右边:
    $s + 4 = (2A + B)s + (A + B)$
    比较系数得方程组:
    $\begin{cases} 2A + B = 1 \\ A + B = 4 \end{cases}$
    解得:
    $A = -3, \quad B = 7$

步骤4:反变换求解
部分分式为:
$F(s) = \frac{-3}{s+1} + \frac{7}{2s+1}$
逐项求反变换:

  1. $\mathcal{L}^{-1}\left\{\frac{-3}{s+1}\right\} = -3e^{-t}$
  2. $\mathcal{L}^{-1}\left\{\frac{7}{2s+1}\right\} = \frac{7}{2}e^{-\frac{1}{2}t}$

最终结果:
$f(t) = -3e^{-t} + \frac{7}{2}e^{-\frac{1}{2}t}$

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