background image

 

 

Laplace Transform

Pierre Simon de Laplace

Oliver Heaviside 

Laplace transform definition

Convergence region for Laplace 
transform

Laplace transform – analytic function

Laplace transform examples

Laplace transform properties

Time differentiation

Initial condition and value theorems

Summary

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Pierre Simone de 
LAPLACE (

1749

 - 

1827)

Laplace was a mathematician and astronomer. Laplace 
initially made an impact by 

solving a complex problem of 

mutual gravitation

 that had eluded both Euler and 

Lagrange.  Laplace was among the most influential 
scientists of his time and was called the Newton of France 
for his study of and contributions to the 

understanding of 

the stability of the solar system

. Laplace generalized the 

laws of mechanics for their application to the motion and 
properties of the heavenly bodies.  He is also famous for 
his great treatises entitled 

Mécanique céleste

 and 

Théorie 

analytique des probabilités

.  They were advanced in large 

part by the mathematical techniques that Laplace 
developed; most notably among those techniques are 

generating functions, differential operators, and definite 
integrals

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Oliver HEAVISIDE

He then conducted private electrical research in a state of 
near poverty. His views on 

using inductance coils for 

improving the performance of long-distance cables

 

ultimately proved correct. In 1901 he predicted the 

existence of the ionosophere

. Heaviside formulated a 

basis 

for operational calculus

 converting linear differential 

equations into algebraic ones the solution of which can be 
accomplished by relatively simple methods.

The Royal Society refused to publish his paper and Lord 
Rayleigh once wrote to him „In the form, as it is, I am 
afraid that your paper may not be of use to anyone”.

(

1850

 - †

1925)

Oliver Heaviside, English mathematical physicist and
electrical engineer,  made important contributions to
electromagnetic theory and measurement and anticipated
several advanced developments in mathematics and
electrical engineering. Heaviside had a brief career as
a telegrapher until growing deafness forced him to retire.

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Laplace transform 
definition

Fourier transform

 

 



dt

e

t

x

j

X

t

j

Laplace transform

 

 

 

 

0

0

signal)

 

(causal

 

0

for 

 

0

dt

e

e

t

x

dt

e

t

x

s

X

j

s

t

t

x

t

j

t

st

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

 

 

 

 

t

x

s

X

dt

e

t

x

s

X

st

L



0

background image

 

 

Laplace transform
definition – comment #1

 

 

 

 

0

0

signal)

 

(causal

 

0

for 

 

0

dt

e

e

t

x

dt

e

t

x

s

X

j

s

t

t

x

t

j

t

st

Laplace transform

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

 

t

j

e

t

x

s

X

F

Laplace transform can be interpreted as a Fourier transform
of an original signal x
(t) attenuated by an decaying
exponential term 

exp(-j

t), 

  > 0

. Therefore, one can expect

that a broader class of signals is Laplace-transformable.

background image

 

 

Laplace transform
definition – comment #2

 

 

 

 

0

0

signal)

 

(causal

 

0

for 

 

0

dt

e

e

t

x

dt

e

t

x

s

X

j

s

t

t

x

t

j

t

st

Laplace transform

„Signal Theory” Zdzisław Papir

The lower limit in the Laplace integral allows for
inclusion any Dirac pulses 

(t)

.

background image

 

 

Inverse Laplace transform

 

 

 

 

 

s

X

t

x

ds

e

s

X

j

ds

e

s

X

j

t

x

j

j

st

j

j

st

1

-

L

lim

2

1

2

1

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Laplace transform 
definition – comment 
#3

 An efficient method for obtaining the inverse Laplace
transform employs the 

partial fraction expansion

of a Laplace transform being a 

rational function

 in s.

 Laplace transform without any 

essential singularities

are rational function

 in s.

background image

 

 

Convergence region for 
Laplace transform

 

 

 

 

0

,

1

0

0

a

a

j

j

X

j

a

e

dt

e

e

j

X

e

t

t

x

t

j

a

t

j

at

at

1

Fourier transform

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier transform

 (integral) is 

convergent for a < 0

 only,

moreover, it is convergent on the imaginary 

j

 axis solely.

background image

 

 

 

 

 

 

a

a

s

s

X

s

a

e

e

s

a

e

dt

e

e

s

X

e

t

t

x

t

j

t

a

t

s

a

st

at

at

,

1

0

0

0

1

Laplace transform

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Convergence region for 
Laplace transform

Laplace transform

 (integral) is 

convergent for any a

in a complex halfplane 

Re

(s) = 

 > a.

background image

 

 

Convergence regions
compared

„Signal Theory” Zdzisław Papir

j

j

s

L

 > a

a < 0

F

 = 0

a

Fourier transform

 (integral) is 

convergent for a < 0

 only,

moreover, it is convergent on the imaginary 

j

 axis solely.

Laplace transform

 (integral) is 

convergent for any a

in a complex halfplane 

Re

(s) = 

 > a.

background image

 

 

 

 

 



0

0

dt

e

e

t

x

dt

e

t

x

s

X

t

j

t

st

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Convergence regions
compared

j

j

s

L

 > a

a < 0

F

 = 0

a

Laplace transform can be interpreted as a Fourier transform
of an original signal x
(t) attenuated by an decaying
exponential term 

exp(-j

t), 

  > 0

. As result, 

a broader class of signals is Laplace-transformable.

background image

 

 

Exponential growth index

Signal x(t) is said to be of 
exponential order if:

 

 

.

0

lim

 

for 

 

:

0

,

t

t

t

Me

t

x

t

Me

t

x

M

Signal x(t) does not grow faster than
some exponential signal; 

 is called a

growth index of x(t).

t

Me

 

t

x

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Convergence abscissa

 

 

 

 

 

 





0

0

0

0

0

0

dt

Me

dt

e

Me

dt

e

t

x

dt

e

e

t

x

s

X

dt

e

e

t

x

dt

e

t

x

s

X

t

t

t

t

t

j

t

t

j

t

st



0

a

dt

Me

t

j

j

s

L

 > 

 < 0

Exponential growth index 

 

Convergence abscissa 

 for Laplace transform.

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Laplace transform
– analytic function

Function 

C

  f(s), s  

C

  is analytic if its derivative exists no

matter which path s is approaching s

0

.

 

 

 

0

0

0

0

lim

s

s

s

X

s

X

s

X

s

s

j

j

s

0

s

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Laplace transforms

 are 

analytic functions

 (for 

Re

s  

) so

important results are valid based on a 

complex function

analysis

.

background image

 

 

Cauchy integral theorem

 

L

0

ds

s

X

j

j

s

L

L

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Laplace transform
– analytic function – Cauchy 
theorem

background image

 

 

j

j

s

L

Cauchy integral formula

 

 



L

ds

s

s

s

X

j

s

X

0

0

2

1

Value of an analytic function in any point s

0

  L can be determined

 if its values on an area boundary L are known.

L

0

s

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Laplace transform
– analytic function – Cauchy 
formula

background image

 

 

Laplace transform 
examples

 

 

 

 

 

 

a

s

e

s

t

s

n

t

s

t

s

s

t

at

n

n

t

t

t

t

t

1

1

1

!

sin

cos

1

2

0

2

0

0

2

0

2

0

1

1

1

1

1

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Some signals that are not Fourier-transformable
(in an ordinary sense) are Laplace-transformable.

background image

 

 

Laplace transform 
properties

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

   

 

0

,

0

a

s

X

e

a

t

x

s

Y

s

X

t

y

t

x

a

s

X

t

x

e

s

s

X

d

x

a

a

s

X

at

x

s

bY

s

aX

t

by

t

ax

as

at

t

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Laplace transform properties are similar
to Fourier transform properties; the difference is
in convergence regions.

background image

 

 

Time differentiation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

sX

x

e

x

dt

e

t

x

s

e

t

x

dt

e

t

x

t

x

Me

x

s

s

X

st

st

st

0

lim

 

as

 ,

0

0

0

0

 

 

 

 



L

 

   

0

x

s

sX

t

x

L

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Time differentiation is a significant property as it replaces

differentiation in the time domain

 to an 

ordinary multi-

plication by s

 in the complex frequency domain.

background image

 

 

Time differentiation

 

   

 

 

   

 

 

 

   







0

0

0

0

0

0

2

3

2

x

x

s

x

s

s

X

s

t

x

x

x

s

s

X

s

t

x

x

s

sX

t

x

L

L

L

Time differentiation is quite significant property as:

 differential equations can be solved using
  

algebraic techniques 

(d()/dt operator is replaced

  by s-operator),

 

initial conditions

 are included automatically,

 initial values and initial conditions have not to be
  distinguished 

(initial/final value theorem)

.

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Time differentiation
(Fourier transform)

 

 

 

 

 

 

 

 

 



j

X

j

x

e

x

dt

e

t

x

j

e

t

x

dt

e

t

x

t

x

x

j

j

X

t

j

t

j

t

j



0

lim

0

for 

 ,

0

0

0

0

 

 

 

 

F

Fourier transform

 makes 

algebraic solving differential

equations possible as well, however:

• assumptions are more restrictive

 is not convenient as consecutive derivative operators are:
  (j

, - 

2

, -j 

3

4

...) as opposed to the Laplace transform

  (ss

2

s

3

s

4

s

5

...).

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Initial condition
& value theorems

x(t)

t

continuous signal

discontinuous signal

x(0–)

x(0+)

x(0–) = x(0+) = x(0)

x(0–) – 

initial 

condition

x(0+) – 

initial 

value

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Initial conditions can differ from initial values

 when:

 signal driving an electric network changes stepwise

 electric network structure is subjected to a change
of its structure and was not deenergized right before.

background image

 

 

Initial value theorem

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Consider a signal x(t)  either continuous or 

having

a finite discontinuity

 at t = 0.

 

 

   

 

s

sX

x

t

x

s

X

t

x

s

t

lim

0

lim

0

The 

initial value theorem

 emphasizes the fact

that the 

initial value

 of a signal is to be determined

from 

knowledge of its transform 

(no matter if there is

a discontinuity x(0–)  x(0+) at t = 0).

background image

 

 

Final value theorem

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Let the Laplace transform x(t X(s) be analytic
in a right halfplane (

Re

s  0)

 

 

 

 

s

sX

t

x

s

X

t

x

s

t

0

lim

lim

The 

final value theorem

 emphasizes the fact

that the 

steady state value

 of a signal is to be determined

from 

knowledge of its transform

.

background image

 

 

Initial condition
(an inductor)

Voltage source

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Current source

 

 

 

 

 

 

 

 

s

i

Ls

s

U

s

I

Li

s

LsI

s

U

dt

t

di

L

t

u

0

0

Li(0–)

Ls

I(s)

U(s)

1/Ls

i(0–)/s

U(s)

I(s)

Initial energy storage in
an inductor is accounted for
by additional equivalent
sources (voltage/current).

background image

 

 

Initial condition
(a capacitor)

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Voltage source

Current source

 

 

 

 

 

   

 

s

u

Cs

s

I

s

U

Cu

s

CsU

s

I

dt

t

Cdu

t

i

0

0

Initial energy storage in
an inductor is accounted for
by additional equivalent
sources (voltage/current).

Cs

Cu(0–)

I(s)

U(s)

u(0–)/s 

1/Cs

I(s)

U(s)

background image

 

 

 

 

 

 

t

L

R

A

t

i

t

R

U

t

i

exp

T

F

1

Example (a classic 
approach)

 

   

R

U

I

A

I

i

i

i

i

A

i

0

0

F

T

)

0

(

)

0

(

0

0

0

 

 

 

 

 

t

L

R

t

R

U

I

t

R

U

t

i

exp

0

1

1

Li(0–) = 
LI

0

L

 

t

U

1

R

i(t)

 

 

 

 

 

response

 

 transient

response

 

forced

 

T

F

T

F

t

i

t

i

t

i

t

i

t

i

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Example  (Laplace 
transform)

 

 

 

 

 

 

  

Ls

R

LI

Ls

R

s

U

s

I

LI

s

LsI

s

RI

s

U

dt

t

di

L

t

Ri

t

u

0

0

L

 

 

 

 

 

 

t

L

R

t

R

U

I

t

R

U

t

i

Ls

R

LI

Ls

R

R

L

s

R

U

s

I

exp

1

0

0

1

1

Li(0–) = 
LI

0

L

 

t

U

1

R

i(t)

„Signal Theory” Zdzisław Papir

t = 0

t

I

0

i(t)

U/R

background image

 

 

Summary

 Laplace transform is a convenient tool for solving 
models of linear,
time-invariant systems (a set of fixed coefficients, 
ordinary differential equations) as:
  - it replaces the d
()/dt operator by an algebraic s-

operator,
  - yields a full solution comprising of a decaying 
transient response (to initial conditions) and a forced 
response (to external excitations).

 Class of Laplace-transformable signals is broader 
than a class
Fourier-transformable signals due to a attenuating 
term in the Laplace
transform kernel.

 Laplace transform are analytic functions (from 
complex function analysis point of view) so we are 
supported by a powerful technical apparatus (most 
spectacular result are Hilbert relationships).

Telecommunication signals modeling is interested in a steady state in
most cases, therefore, more emphasis has been placed on the Fourier
transform which is more easy for a physical interpretation.

„Signal Theory” Zdzisław Papir


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