О сингуларисном разложении скачкообразной функции

A singular expansion for the jump-like function is given. This expansion includes an exponentially increasing function and the exponentially decreasing sum of harmonic functions.

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2008
Main Author: Божко, А.Е.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2008
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4115
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:О сингуларисном разложении скачкообразной функции / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 42-47. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859716671483150336
author Божко, А.Е.
author_facet Божко, А.Е.
citation_txt О сингуларисном разложении скачкообразной функции / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 42-47. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
collection DSpace DC
description A singular expansion for the jump-like function is given. This expansion includes an exponentially increasing function and the exponentially decreasing sum of harmonic functions.
first_indexed 2025-12-01T08:12:25Z
format Article
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 2 • 2008 IНФОРМАТИКА ТА КIБЕРНЕТИКА УДК 62-501.7 © 2008 Член-корреспондент НАН Украины А.Е. Божко О сингуларисном разложении скачкообразной функции A singular expansion for the jump-like function is given. This expansion includes an exponenti- ally increasing function and the exponentially decreasing sum of harmonic functions. В работах [1–3] рассмотрены фрагменты, касающиеся особого разложения скачкообразной функции 1(t) = { 1 при t > 0, 0 при t < 0, при использовании его для решения задач по переходным процессам в электроцепях. На латыни слово “особое” пишется как “singularis”, поэтому в дальнейшем считаем целесооб- разным применить к особому разложению название “сингуларисное” разложение. Здесь это разложение будем рассматривать в аспекте преобразований функции 1(t). Рассмотрим скачкообразную функцию E · 1(t), где E — заданное число. Вначале при- ведем графоматематический вывод предлагаемого сингуларисного разложения функции E ·1(t). Кстати, уже имеется применение леммы Жордана к единичной функции 1(t) и пред- ставление ее в виде интеграла Фурье, получаемого из формулы ряда Фурье путем предель- ного перехода периода T к бесконечности [4]. График функции E · 1(t) изображен на рис. 1, а. В соответствии с рис. 1, б представим функцию E · 1(t) = F1(0, τ) + F2(t − τ) = E1(0, τ) + E1(t − τ). Согласно рис. 1, в, проведем экспоненту, такую, чтобы E · 1(t) = E(1 − ℓ−αt) + Eℓ−αt. На графиках рис. 1, г, д функции E(1 − ℓ−αt) = f1(t), Eℓ−αt = f2(t). Здесь t — время; α — коэффициент затухания (обычно α значительно больше коэффициентов затухания реальных электрических цепей или других физических систем). 42 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2 Рис. 1 Далее представляем f2(t) = Eℓ−αt разложением на сумму затухающих гармоник (S(ω) — рис. 1, е)) в виде Eℓ−αt = ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt, Uak = Ua1 k , Ua1 = E πω1 , ωk = ω1k, n ∑ k=1 Uak = E, где Uak — амплитуда k-й гармоники; ωk, k = 1, n, — круговая частота k-й гармоники (ωk = = 2πfk, fk = [Гц] — частота). Таким образом, имеем следующее представление скачкообразной функции: E1(t) = E(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt, n ∑ k=1 Uak = E. (1) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 43 Это представление, или разложение, как было отмечено, назовем сингуларисным, т. е. осо- бым разложением скачкообразной функции. Далее рассмотрим некоторые преобразования над функцией E · 1(t) и соответственно над ее сингуларисным разложением (1). 1. Изменение знака E обусловливает изменение знаков в слагаемых разложения ±E1(t) = ±E(1 − ℓ−αt) ± ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt. 2. При t = 0 E1(t) = E. В разложении n ∑ k=1 Uak = E, т. е. полное соответствие скачко- образной функции E1(t). 3. При t = ∞ E1(t) = E. Согласно (1), разложение равно E. 4. При α = 0 разложение равно бесконечному незатухающему спектру n ∑ k=1 Uak cos ωkt. 5. При α = ∞ разложение равно E. 6. Сумма и разность E11(t) ± E21(t) = (E1 ± E2)(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt ( n ∑ k=1 U1ak cos ωkt ± n ∑ k=1 U2ak cos ωkt ) , n ∑ k=1 U1ak = E1, n ∑ k=1 U2ak = E2. 7. Умножение или деление E · 1(t) на число C±m, где m — показатель степени, (3) C±mE1(t) = C±mE(1 − ℓ−αt) + C±mℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt. 8. Умножение E11(t) × E21(t) = [ E1(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 U1ak cos ωkt ] × × [ E2(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 U2ak cos ωkt ] , n ∑ k=1 U1ak = E1, n ∑ k=1 U2ak = E2. При t = 0 E11(t)×E21(t) = ( n ∑ k=1 U1ak ) × ( n ∑ k=1 U2ak ) , при t = ∞ E11(t)×E2 1(t) = E1×E2, что соответственно подтверждается. 9. Возведение в степень l [E11(t)] l = [ E(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ]l . Например, при l = 1 будет разложение (1), при l = 2 имеем [E(1 − ℓ−αt)]2 + ℓ−2αt ( n ∑ k=1 Uak cos ωkt ) 2 + 2E(1 − ℓ−αt) × ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt. При t = 0 разложение равно ( n ∑ k=1 Uak )2 , при t = ∞ — E2. 44 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2 10. Дифференцирование по t E · 1(t) dE1(t) dt = Eδ(t) = +Eαℓ−αt − αℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt − ℓ−αt n ∑ k=1 ωkUak sin ωkt, где δ(t) — дельта-импульс. При t = 0 производная по t разложения равна нулю. Казалось бы, в этом случае имеется несоответствие данного разложения функции E·1(t). Но если считать, что 1(t) = 1 при t > 0, то в этом случае d1(t)/dt = 0. Кроме того, из графика рис. 1 видно, что E1(t) = f1(t) + f2(t) = E(1 − ℓ−αt) + Eℓ−αt. Производные df1(t)/dt = αEℓ−αt; df2(t)/dt = −αEℓ−αt, а это значит, что dE1(t) dt = d dt [f1(t) + f2(t)] = 0. Эти выводы математически верны. Физически же при наличии бесконечно малого пе- реднего фронта функции 1(t) производная по времени d1(t)/dt = δ(t). В таком случае надо искусственно принимать при сигнале в виде 1(t) его производную в виде δ(t). Чтобы убедится в том, что в данном разложении при его дифференцировании по вре- мени t может быть при t = 0 функция δ(t), считаем, что E1(t) есть сумма E − Eℓ−αt + + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt. Передний фронт первого слагаемого E имеет бесконечно малый промежуток време- ни ∆t. Поэтому можно предположить, что физически dE/dt = Eδ(t) и тогда dE1(t) dt = d(разлож.) dt = Eδ(t) + Eαℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt − ℓ−αt n ∑ k=1 ωkUak sin ωkt. При таком выражении при t = 0 производная разложения равна δ(t). 11. Интегрирование E1(t) по t и ее данное разложение t ∫ 0 E1(t)dt + Et, t ∫ 0 [ E(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] dt = = Et + E α ℓ−αt + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak 1 + αωk ( sinωkt ωk − ωk cos ωkt ) . При t = 0 t ∫ 0 E1(t) = E · 0 = 0. ∫ разлож. = Et|0 + E α − n ∑ k=1 Uak α = 0, так как n ∑ k=1 Uak = E, и α ≫ 1/ωk, k = 1, n. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 45 При t = ∞ оба интеграла равны ∞, т. е. также имеется соответствие между E1(t) и пред- ставленным разложением. Как было отмечено в работе [5], сингуларисное разложение может быть применимо к описанию дискретных алгоритмов оптимального управления динамическими объектами. Эти алгоритмы в общем виде описываются выражением Uопт(t) = ±Umax sign f(t), где sign — знак функции f(t)    sign f(t) = 1 при f(t) > 0 0 при f(t) = 0 −1 при f(t) < 0    . В этом случае Uопт(t) = [ Umax(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] sign f(t), n ∑ k=1 Uak = Umax. Сингуларисное разложение скачкообразной функции можно распространить на входные гармонические сигналы (воздействия) электроцепей, радиоцепей переменного тока, механи- ческих звеньев и др. При этом заметим, что сигнал должен иметь вид Uвх = Ua sin(ωt ± ϕ) при ϕ 6= (0, π). Как видно из этого выражения, при t = 0 Uвх = Ua sin(±ϕ), т. е. в этот мо- мент функция Ua sin(±ϕ) является скачкообразной, а именно, Ua1(t) sin(±ϕ). Это значит, что функцию Uвх = Ua sin(ωt ± ϕ) при ϕ 6= (0, π) можно представить в виде следующего разложения: Uвх = Ua sin(ωt ± ϕ) = Ua sin(ωt ± ϕ)(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt sin(±ϕ) n ∑ k=1 Uak cos ωkt, (2) где Ua1 = Ua πω1 ; Uk = Ua1 · ω1 ωk ; n ∑ k=1 Uak = Ua. Проверим это разложение. При t = 0 Uвх = sin(±ϕ) n ∑ k=1 Uak = Ua sin(±ϕ), при t = ∞ Uвх = Ua sin(ωt ± ϕ). Как видим, разложение (2) соответствует Ua sin(ωt ± ϕ). В работе [6] к селектирующим функциям si(t) относятся функции sgn f(t), а также  sg f(t) = 1 при f(t) > 0 0,5 при f(t) = 0 0 при f(t) < 0   . 46 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №2 Видно, что эти функции отображаются скачкообразной функцией C1(t), где C = 0; 0,5; 1. А это значит, что, используя правило п. 7, можно селектирующие функции si(t) в некоторых случаях представлять в виде сингуларисного разложения (1). Однако сле- дует заметить, что если обратить внимание на работы [1–3], то началом формирования представляемого разложения скачкообразной функции E1(t) послужила попытка привести в соответствие результаты решения задач по переходным процессам в электроцепях к ре- альности, т. е. математически показать наличие в начале переходного процесса любой цепи участка медленного нарастания тока с последующим быстрым изменением скорости нарас- тания этого тока. Физика такого процесса связана с тем, что во входном скачкообразном сигнале внутренне имеется ряд затухающих гармоник, сопротивление электроцепи которым в начальный момент переходного процесса значительно больше (имеется в виду RL-цепь), чем в последующие моменты. Это связано с эффектом реструктуризации электроцепи при полигармоническом и входном воздействиях [7–9]. На наш взгляд, предлагаемое разложе- ние скачкообразной функции как математически, так и при проверке в эксперименте, более точно отражает решение задачи по переходным процессам как в электроцепях, так и в ме- ханических системах при внешнем ударном воздействии. 1. Божко А. Е. К концепции о переходных процессах в электроцепях / Доп. НАН України. – 2003. – № 12. – С. 72–75. 2. Божко А.Е. Новая интерпретация переходных процессов в электрических цепях // Там само. – 2004. – № 9. – С. 83–87. 3. Божко А.Е. О новой трактовке переходных процессов в электрических цепях переменного тока // Там само. – 2005. – № 4. – С. 81–86. 4. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. – Москва: Наука, 1965. – 780 с. 5. Божко А. Е. О некоторых особенностях в реализации дискретных оптимальных управлений колеба- тельными системами // Доп. НАН України. – 2007. – № 1. – С. 40–43. 6. Мищенко В.А. Метод селектирующих функций в нелинейных задачах контроля и управления. – Москва: Сов. радио, 1973. – 184 с. 7. Божко А.Е. Об автоматической реструктуризации электрических цепей с реактивными элементами при полигармонических входных сигналах // Доп. НАН України. – 2002. – № 11. – С. 101–103. 8. Божко А. Е. Эффект автоматической реструктуризации механических систем, работающих в усло- виях действия полигармонических вибраций и ударов // Там само. – 2005. – № 1. – С. 47–49. 9. Божко А. Е. Об условных сопротивлениях электроцепей при полигармонических входных сигналах // Там само. – 2007. – № 2. – С. 87–89. Поступило в редакцию 10.04.2007Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №2 47
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4115
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-01T08:12:25Z
publishDate 2008
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Божко, А.Е.
2009-07-15T13:54:30Z
2009-07-15T13:54:30Z
2008
О сингуларисном разложении скачкообразной функции / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2008. — № 2. — С. 42-47. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4115
62-501.7
A singular expansion for the jump-like function is given. This expansion includes an exponentially increasing function and the exponentially decreasing sum of harmonic functions.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Інформатика та кібернетика
О сингуларисном разложении скачкообразной функции
Article
published earlier
spellingShingle О сингуларисном разложении скачкообразной функции
Божко, А.Е.
Інформатика та кібернетика
title О сингуларисном разложении скачкообразной функции
title_full О сингуларисном разложении скачкообразной функции
title_fullStr О сингуларисном разложении скачкообразной функции
title_full_unstemmed О сингуларисном разложении скачкообразной функции
title_short О сингуларисном разложении скачкообразной функции
title_sort о сингуларисном разложении скачкообразной функции
topic Інформатика та кібернетика
topic_facet Інформатика та кібернетика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4115
work_keys_str_mv AT božkoae osingularisnomrazloženiiskačkoobraznoifunkcii