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 u 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)=t(0<t<1),其他为 0。求 y=g∗u。
方法 1:翻转 g。g(t−λ)=t−λ,在 t−1<λ<t 上不为 0;固定的 u(λ) 在 λ>0 上为 1。临界时刻:滑动右边 t 碰 0 → t=0;滑动左边 t−1 碰 0 → t=1。
① 0<t<1:乘积是底 t、高 t 的三角形 → y=t2/2② t>1:整个三角形都在 u 里,底 1、高 1 → y=1/2
用积分做同样的事:0<t<1 时 ∫0t(t−λ)dλ=t2/2;t>1 时重叠 [t−1,t],代入下限 t−1 要展开 (t−1)2=t2−2t+1:
y=[tλ−2λ2]t−1t=2t2−[t(t−1)−2t2−2t+1]=2t2−2t2−1=21
方法 2:翻转 u。u(t−λ)=1 当 λ<t,否则为 0。所以乘积 g(λ)u(t−λ) 就是 g(λ) 本身,只是在 λ=t 处被截断:
① 0<t<1:截下 g 的 [0, t] → ∫0tλdλ=t2/2② t>1:g 整段被盖住 → ∫01λdλ=1/2
两种方法结果相同:t2/2 然后停在 1/2。
查连续
t=1:12/2=1/2,和 t>1 段的 1/2 相等 ✓。终值 1/2 = g 的面积 ✓。
方法 2 的积分里只有 λ,没有 t−λ,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 u 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 u 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)dλ
为什么:u(t−λ)=1⟺λ<t,所以 ∫f(λ)u(t−λ)dλ 就是把 f 从 −∞ 一直积到 t,即"从头积到现在"。在 Davis 的记号里,1/p 正是 ∫−∞t(不加积分常数),所以 f⊗u=p1f。例:u∗u=∫0t1dλ=t(C·04例 1 ✓);例 1 的 g∗u 就是 g 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)(0<t<2,正好一个周期),f2(t)=1(1<t<2),其他为 0。求 y=f1∗f2。
f1(t)=sin(πt)(0<t<2),其他为 0。f2(t)=1(1<t<2),其他为 0。
设置。f2 是平的,翻它:f2(t−λ)=1 在 [t−2, t−1] 上,是一个宽 1 的窗口。固定 f1 在 [0,2]。结果从 0+1=1 开始、到 2+2=4 结束,临界时刻 1、2、3、4。被积函数就是 sin(πλ),原函数 −cos(πλ)/π。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<t<2:窗口盖住 [0, t−1] → y=(1+cosπt)/π② 2<t<3:窗口整个在 f1 上,[t−2, t−1] → y=2cos(πt)/π③ 3<t<4:窗口剩 [t−2, 2] → y=(cosπt−1)/π
化简用到 cos(π(t−1))=−cosπt、cos(π(t−2))=cosπt。t<1 或 t>4:不重叠,y=0。
结果:在 t=2 到 2/π,在 t=3 到 −2/π。
查连续和面积
t=1:(1+cosπ)/π=0 ✓。t=2:2/π 和 2/π ✓。t=3:−2/π 和 −2/π ✓。t=4:0 ✓。面积:f1 是整整一个周期,面积 0,所以 y 的面积也该是 0;三段分别是 1/π、0、−1/π,合计 0 ✓。
看中间那段。π2cosπt=π2sin(π(t−1.5)):还是同一个正弦,只是缩小到 2/π≈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)。设 F=f1∗u=∫−∞tf1:F=(1−cosπt)/π(0<t<2),t>2 时为 0(一个整周期积完回到 0)。和 u(t−1) 卷 = F 晚 1(C·09的平移规则),所以 y=F(t−1)−F(t−2)。检查 2<t<3:π1+cosπt−π1−cosπt=π2cosπt ✓。
练习 反过来:已知 running integral,求原来的函数
某个只在 0<t<1 上不为 0 的函数 f,和 u(t−1) 卷积的结果是:t<1 时 0;1<t<2 时 3(t−1)2−2(t−1)3;t>2 时 1。求 f。
提示
f∗u(t−1) 是 running integral F=f∗u 晚 1 秒。先把结果提前 1 秒得到 F,再想 running integral 的反操作是什么。
f∗u(t−1)=F(t−1),所以 F(t)=3t2−2t3(0<t<1),t>1 时为 1。F=∫−∞tf,反操作是求导:f=F′=6t−6t2=6t(1−t)(0<t<1),一个抛物线形的鼓包。检查:∫016t(1−t)dt=3−2=1 = 结果的终值 ✓(running integral 的终值 = f 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 sinπλ),不是 sin(π(t−λ))。
- running integral 积的是从 −∞ 到 t:f 有限长时,t 超过 f 的终点以后结果是常数(f 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)。