C·07

翻哪一个?例 15.13 的两种做法

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交换律(C·03)说翻谁都行,但两种选择的工作量可以差很多。这一节先用 Alexander 例 15.13 的两种做法做比较,总结出"翻平的那个";再介绍和 uu 卷积的捷径 running integral;最后做一个正弦段和矩形的例子。

例题

例 1 Alexander 例 15.13:斜坡段 g(t) 与 u(t)

g(t)=tg(t) = t(0<t<10\lt t\lt 1),其他为 0。求 y=g∗uy = g * u。

方法 1:翻转 gg。g(t−λ)=t−λg(t-\lambda) = t-\lambda,在 t−1<λ<tt-1 \lt \lambda \lt t 上不为 0;固定的 u(λ)u(\lambda) 在 λ>0\lambda \gt 0 上为 1。临界时刻:滑动右边 tt 碰 0 → t=0t = 0;滑动左边 t−1t-1 碰 0 → t=1t = 1。

-1 1 2 3 1 0 λ u(λ) g(t−λ)
① 0<t<10\lt t\lt 1:乘积是底 tt、高 tt 的三角形 → y=t2/2y = t^2/2
-1 1 2 3 1 0 λ u(λ) g(t−λ)
② t>1t\gt 1:整个三角形都在 uu 里,底 1、高 1 → y=1/2y = 1/2

用积分做同样的事:0<t<10 \lt t \lt 1 时 ∫0t(t−λ) dλ=t2/2\int_0^t (t-\lambda)\,d\lambda = t^2/2;t>1t \gt 1 时重叠 [t−1,t][t-1, t],代入下限 t−1t-1 要展开 (t−1)2=t2−2t+1(t-1)^2 = t^2 - 2t + 1:

y=[tλ−λ22]t−1t=t22−[t(t−1)−t2−2t+12]=t22−t2−12=12\begin{aligned} y &= \Big[t\lambda - \tfrac{\lambda^2}{2}\Big]_{t-1}^t \\ &= \frac{t^2}{2} - \Big[t(t-1) - \frac{t^2-2t+1}{2}\Big] \\ &= \frac{t^2}{2} - \frac{t^2 - 1}{2} = \frac12 \end{aligned}

方法 2:翻转 uu。u(t−λ)=1u(t-\lambda) = 1 当 λ<t\lambda \lt t,否则为 0。所以乘积 g(λ) u(t−λ)g(\lambda)\,u(t-\lambda) 就是 g(λ)g(\lambda) 本身,只是在 λ=t\lambda = t 处被截断:

-1 1 2 3 1 0 λ g(λ) = λ u(t−λ)
① 0<t<10\lt t\lt 1:截下 gg 的 [0, t][0,\ t] → ∫0tλ dλ=t2/2\int_0^t \lambda\,d\lambda = t^2/2
-1 1 2 3 1 0 λ g(λ) = λ u(t−λ)
② t>1t\gt 1:gg 整段被盖住 → ∫01λ dλ=1/2\int_0^1 \lambda\,d\lambda = 1/2
1 2 3 1/2 0 t y(t)
两种方法结果相同:t2/2t^2/2 然后停在 1/21/2。
查连续

t=1t=1:12/2=1/21^2/2 = 1/2,和 t>1t>1 段的 1/21/2 相等 ✓。终值 1/21/2 = gg 的面积 ✓。

方法 2 的积分里只有 λ\lambda,没有 t−λt - \lambda,代入上下限也不用展开平方,明显更省事。

经验:翻转平的那一个

两个函数里有一个是 uu 或矩形("平的")时,翻它。平的函数翻过来还是平的,乘上去只起"截取一段"的作用,积分里只剩另一个函数本身。

翻转的是 uu 时,这个"截取"有一个专门的名字:

running integral(累积积分),Alexander 性质 7 f(t)∗u(t)=∫−∞tf(λ) dλf(t) * u(t) = \int_{-\infty}^{t} f(\lambda)\,d\lambda

为什么:u(t−λ)=1  ⟺  λ<tu(t-\lambda) = 1 \iff \lambda \lt t,所以 ∫f(λ) u(t−λ) dλ\int f(\lambda)\,u(t-\lambda)\,d\lambda 就是把 ff 从 −∞-\infty 一直积到 tt,即"从头积到现在"。在 Davis 的记号里,1/p1/p 正是 ∫−∞t\int_{-\infty}^t(不加积分常数),所以 f⊗u=1pff \otimes u = \frac{1}{p}f。例:u∗u=∫0t1 dλ=tu * u = \int_0^t 1\,d\lambda = t(C·04例 1 ✓);例 1 的 g∗ug * u 就是 gg 的 running integral。

例题

例 2 一个周期的正弦 * 不从 0 开始的矩形

f1(t)=sin⁡(πt)f_1(t) = \sin(\pi t)(0<t<20\lt t\lt 2,正好一个周期),f2(t)=1f_2(t) = 1(1<t<21 \lt t \lt 2),其他为 0。求 y=f1∗f2y = f_1 * f_2。

-1 1 2 3 4 -1 1 0 t f1(t)
f1(t)=sin⁡(πt)f_1(t) = \sin(\pi t)(0<t<20\lt t\lt 2),其他为 0。
-1 1 2 3 4 -1 1 0 t f2(t)
f2(t)=1f_2(t) = 1(1<t<21\lt t\lt 2),其他为 0。

设置。f2f_2 是平的,翻它:f2(t−λ)=1f_2(t-\lambda) = 1 在 [t−2, t−1][t-2,\ t-1] 上,是一个宽 1 的窗口。固定 f1f_1 在 [0,2][0, 2]。结果从 0+1=10 + 1 = 1 开始、到 2+2=42 + 2 = 4 结束,临界时刻 1、2、3、4。被积函数就是 sin⁡(πλ)\sin(\pi\lambda),原函数 −cos⁡(πλ)/π-\cos(\pi\lambda)/\pi。每一段一张图(紫色 = 被积函数,在 0 以下的部分算负面积):

-1 1 2 3 4 -1 1 0 λ f2(t−λ) f1(λ)
① 1<t<21\lt t\lt 2:窗口盖住 [0, t−1][0,\ t-1] → y=(1+cos⁡πt)/πy = (1+\cos\pi t)/\pi
-1 1 2 3 4 -1 1 0 λ f2(t−λ) f1(λ)
② 2<t<32\lt t\lt 3:窗口整个在 f1f_1 上,[t−2, t−1][t-2,\ t-1] → y=2cos⁡(πt)/πy = 2\cos(\pi t)/\pi
-1 1 2 3 4 -1 1 0 λ f2(t−λ) f1(λ)
③ 3<t<43\lt t\lt 4:窗口剩 [t−2, 2][t-2,\ 2] → y=(cos⁡πt−1)/πy = (\cos\pi t - 1)/\pi

化简用到 cos⁡(π(t−1))=−cos⁡πt\cos(\pi(t-1)) = -\cos\pi t、cos⁡(π(t−2))=cos⁡πt\cos(\pi(t-2)) = \cos\pi t。t<1t\lt 1 或 t>4t \gt 4:不重叠,y=0y = 0。

1 2 3 4 5 −2/π 2/π 0 t y(t) = f1 * f2
结果:在 t=2t = 2 到 2/π2/\pi,在 t=3t = 3 到 −2/π-2/\pi。
查连续和面积

t=1t = 1:(1+cos⁡π)/π=0(1 + \cos\pi)/\pi = 0 ✓。t=2t = 2:2/π2/\pi 和 2/π2/\pi ✓。t=3t = 3:−2/π-2/\pi 和 −2/π-2/\pi ✓。t=4t = 4:0 ✓。面积:f1f_1 是整整一个周期,面积 0,所以 yy 的面积也该是 0;三段分别是 1/π1/\pi、0、−1/π-1/\pi,合计 0 ✓。

看中间那段。2πcos⁡πt=2πsin⁡(π(t−1.5))\tfrac{2}{\pi}\cos\pi t = \tfrac{2}{\pi}\sin\big(\pi(t - 1.5)\big):还是同一个正弦,只是缩小到 2/π≈0.642/\pi \approx 0.64 倍、晚了 1.5 秒(窗口中心在 1.5)。宽 1 的窗口把正弦"抹平"了一些。

另一种做法:running integral + 分配律。f2=u(t−1)−u(t−2)f_2 = u(t-1) - u(t-2)。设 F=f1∗u=∫−∞tf1F = f_1 * u = \int_{-\infty}^t f_1:F=(1−cos⁡πt)/πF = (1 - \cos\pi t)/\pi(0<t<20 \lt t \lt 2),t>2t \gt 2 时为 0(一个整周期积完回到 0)。和 u(t−1)u(t-1) 卷 = FF 晚 1(C·09的平移规则),所以 y=F(t−1)−F(t−2)y = F(t-1) - F(t-2)。检查 2<t<32 \lt t \lt 3:1+cos⁡πtπ−1−cos⁡πtπ=2cos⁡πtπ\tfrac{1+\cos\pi t}{\pi} - \tfrac{1-\cos\pi t}{\pi} = \tfrac{2\cos\pi t}{\pi} ✓。

练习 反过来:已知 running integral,求原来的函数

某个只在 0<t<10\lt t\lt 1 上不为 0 的函数 ff,和 u(t−1)u(t-1) 卷积的结果是:t<1t \lt 1 时 0;1<t<21 \lt t \lt 2 时 3(t−1)2−2(t−1)33(t-1)^2 - 2(t-1)^3;t>2t \gt 2 时 1。求 ff。

提示

f∗u(t−1)f * u(t-1) 是 running integral F=f∗uF = f * u 晚 1 秒。先把结果提前 1 秒得到 FF,再想 running integral 的反操作是什么。

f∗u(t−1)=F(t−1)f * u(t-1) = F(t-1),所以 F(t)=3t2−2t3F(t) = 3t^2 - 2t^3(0<t<10\lt t\lt 1),t>1t\gt 1 时为 1。F=∫−∞tfF = \int_{-\infty}^t f,反操作是求导:f=F′=6t−6t2=6t(1−t)f = F' = 6t - 6t^2 = 6t(1-t)(0<t<10\lt t\lt 1),一个抛物线形的鼓包。检查:∫016t(1−t) dt=3−2=1\int_0^1 6t(1-t)\,dt = 3 - 2 = 1 = 结果的终值 ✓(running integral 的终值 = ff 的总面积)。

容易错
  • 翻平的那个以后,被积函数是另一个函数本身(例 2 里是 sin⁡πλ\sin\pi\lambda),不是 sin⁡(π(t−λ))\sin(\pi(t-\lambda))。
  • running integral 积的是从 −∞-\infty 到 tt:ff 有限长时,tt 超过 ff 的终点以后结果是常数(ff 的总面积),不一定回到 0(例 2 回到 0,是因为一个周期的面积正好是 0)。