La transformada de Laplace

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1 Capíulo 8 La ransformada de Laplace 8.. Inroducción a las ransformadas inegrales En ese aparado aprenderemos un méodo alernaivo para resolver el problema de valores iniciales (4.5.) y (x) + py (x) + qy(x) = f(x), p, q R, y(x ) = y, y (x ) = y. (8..) La idea consise en converir de alguna forma la EDO en una ecuación algebraica en general más sencilla de resolver y luego inverir el proceso de forma que obengamos la solución buscada. Es posible y si lo es, cómo hacerlo? La respuesa la da una conocida ransformada inegral. Para ener una idea de que es una rasformada inegral consideraremos, por ejemplo, el espacio R a,b de las funciones f(x) inegrables según Riemann en a, b y sea K(x, ) una función inegrable en a, b, para odo A R. Enonces podemos definir para cada una de las funciones de R a,b podemos definir un funcional 2 T f al que T f = b a K(x, )f(x)dx = F (). La función K(x, ) se suele denominar núcleo de la ransformación y a F () ransformada de la función f. Una propiedad inmediaa de ésas ransformadas es que son lineales, es decir, cuales quiera sean los números α y β y las funciones f(x) y g(x) de R a,b, T αf + βg = αt f + βt g La ransformada inegral de Laplace Vamos a inroducir ahora una ransformada inegral de especial imporancia: la ransformada de Laplace Definición 8.2. Sea f una función definida en, ). La ransformada de Laplace F() es la ransformada inegral F() = f() = f o e x f(x)dx, (8.2.) Es similar a la idea que llevó a la apariación de los logarimos. O sea, converir una operación complicada en ora más sencilla para luego, al inverir dicha operación obener el resulado. Es fácil comprobar que muliplicar dos números cualesquiera es mucho más complicado que sumarlos, de ahí la uilidad e imporancia que uvieron las primeras ablas de logarimos. 2 Un funcional no es más que una función definida sobre el espacio de funciones 53

2 54 Inroducción a las EDOs donde la inegral se eniende en el senido impropio, o sea z e x f(x)dx = lím e x f(x)dx. z Anes de coninuar debemos ener en cuena que esa inegral a diferencia de la ransformada T f anerior puede no esar definida para cieras funciones coninuas pues aunque exisa la inegral z e x f(x)dx para odo z puede que el límie no exisa, o bien, que exisa no para odo R. Por ejemplo, e ax () = a, > a, e x2 () = e x2 x dx =, R., s a Una preguna naural es por ano que clase de funciones ienen ransformadas de Laplace. En ese curso nos resringiremos a las funciones de orden exponencial. Definición Diremos que una función f es de orden exponencial si exisen dos consanes no negaivas c y M ales que f(x) Me cx para odo x. Teorema Si f es una función coninua a rozos de orden exponencial enonces f iene ransformada de Laplace para odo suficienemene grande. Demosración: Tenemos, para > c, Pero la inegral e x f(x) = e x f(x) Me x+cx = Me x( c). z e x( c) dx = lím e x( c) dx = lím M e(c )z = M z z c c, luego por el crierio de comparación de Weiersrass para las inegrales impropias la inegral e x f(x)dx es absoluamene convergene, y por ano converge. Nóese además que de la prueba se deduce que la ransformada de Laplace exise para odo > c. La siguiene abla de Transformadas de Laplace es de gran inerés. En ella esán las principales ransformadas de Laplace que usaremos incluida la de la función escalón χ c (s) definida como si x, c y en el reso. Proposición Si F() = f() enonces. f () = f() f() = F() f(), 2. f (n) () = n F() n k= k f (n k ) () = n F() n f() n 2 f () f (n ) (), 3. e ax f(x)() = F( a), 4. xf(x)() = F (), 5. x n f(x)() = ( ) n F (n) (), 6. χ c (x)f(x c)() = e c F(), 7. χ c (x)f(x)() = e c f(x + c)().

3 La ransformada de Laplace 55 f(x) F() = f() c c x n n! n+ e ax a, sen(ax) cos(ax) senh(ax) cosh(ax) a 2 + a a 2 a 2 a 2, 2 a 2, > a > a > a x /2 π, > χ c (x) e c, > Tabla 8.: Transformadas de Laplace de algunas funciones Demosración: Usando la inegración por pares para la inegral impropia enemos f () = e x f (x)dx = e x f(x) = F() f(). (e x ) f(x) = f() + e x f(x)dx Supongamos que es ciera para n, enonces ( ) n f (n+) () = (f (n) ) = f (n) () f (n) () = n F() k f (n k ) () f (n) () k= n = n+ F() k+ f (n k ) () f (n) () = n+ F() k= por ano lo es para n + y por inducción se deduce 2. Para probar 3 basa noar que e ax f(x)() = e ( a)x f(x)dx = F( a). n k f (n k) (), Para probar 4 basa derivar (8.2.) respeco a. 3 Derivando n veces se deduce 5. La propiedad 7 se deduce fácilmene de 6 y ésa, a su vez, es consecuencia de las igualdades χ c (x)f(x c) = c f(x c)e x dx = k= f(ξ)e (c+ξ) dξ = e c F(). 3 No siempre se puede hacer esa operación, no obsane en ese caso es posible.

4 56 Inroducción a las EDOs Veamos como usar las propiedades aneriores para resolver el problema de valores iniciales y ay + by = f(x), y() = y, y () = y. Usando que y = y y(), y = 2 y y() y (), y denoando por F() = f, enemos que la EDO anerior se ransforma en la siguiene ecuación algebraica 2 y y y + a y ay + b F() de donde se deduce que ransformada de la solución iene la forma F() + ( + a)y + y 2. (8.2.2) + a + b Así solo nos resa saber como enconrar la inversa de la ransformada anerior, es decir enconrar la función y(x) al que y. Ese problema no es sencillo de resolver y de hecho requiere un gran conocimieno de la eoría de funciones de variables complejas por lo que sólo nos limiaremos a adivinar muchas de ellas usando las propiedades anes descrias así como la abla de ransformadas conocidas. Definición Dada la función F(), diremos que la función f(x) es la aniransformada de F() si F() = f(), y lo denoaremos por f(x) = F(). Ejemplo Enconrar las aniransformadas de ( + a) 2 + b 2, ( + a) 2 + b 2. En el primer caso enemos sen(bx) = b/( 2 + b 2 ), luego e ax b sen(bx) = ( + a) 2 + b 2 ( + a) 2 + b 2 = b e ax sen(bx). Análogamene, cos(bx) = /( 2 + b 2 ), luego e ax cos(bx) = +a (+a) 2 +b 2, por ano ( + a) 2 + b 2 = + a ( + a) 2 + b 2 a ( + a) 2 + b 2 = e ax cos(bx) a b e ax sen(bx), de donde deducimos ( + a) 2 + b 2 = e ax b cos(bx) a sen(bx). b Ejemplo Calcular la aniransformada de e c ( + a) 2 + b 2. Como e ax sen(bx) = b (+a) 2 +b 2, enonces usando la propiedad 6 de la proposición enemos χ c (x)e a(x c) sen(b(x c) = e c e ax sen(bx), por ano, e c ( + a) 2 + b 2 = b χ c(x)e a(x c) sen(b(x c). Veamos ahora algunos ejemplos de aplicación a EDOs lineales de orden 2. Comenzaremos mosrando como resolver dos casos pariculares de la EDO homogénea.

5 La ransformada de Laplace 57 Ejemplo Resolver la EDO y + 3y + 2y = con y() = y e y () = y. Usando (8.2.2) enemos que en fracciones simples nos da ( 3)y + y , A + + B + 2. Ahora bien, como e x = /( + ) y e 2x = /( + 2), enemos A + + B + 2 = A ex + B e 2x = Ae x + Be 2x = y(x) = Ae x + Be 2x. Ejemplo Resolver la EDO y + 2y + y = con y() = y e y () = y. Usando (8.2.2) y aplicando el méodo de fracciones simples obenemos A + + B ( + ) 2. Como anes enemos e x = /(+) y nos fala enconrar la función f cuya ransformada es f = /( + ) 2. Exisen diversas formas de dar con esa función. Por ejemplo, combinando la propiedad 3 de la proposición y la ransformada x = / 2 enemos que xe ax = /( a) 2, por ano, escogiendo a = enemos xe x = /( + ) 2 y por ano A + + B ( + ) 2 = A e x +B xe x = Ae x +Bxe x = y(x) = Ae x +Be x. El mismo resulado se obiene si usamos la propiedad 4 de la proposición (8.2.4) escogiendo f(x) = e x. Ejemplo 8.2. Resolver el PVI y 3y + 2y = e 3x con y() =, y () =. Aplicamos la fórmula (8.2.2) y obenemos Ahora bien, luego ( 3)( ) ( 3)( ) = , = 2 + 2, = 2 e3x 2 e 2x ex, de donde deducimos que la solución es y(x) = e 3x /2 2e 2x + 5e x /2. 4 Ejercicio 8.2. Resolver el PVI y + 4y = 4x con y() =, y () =. Es imporane desacar que la ransformada de Laplace no sólo esá bien definida para muchas funciones coninuas, sino que ambién lo esá para funciones coninuas a rozos lo cual nos permiirá resolver direcamene el PVI (8..) cuando la función f sea coninua a rozos. 4 Resolverlo por el méodo del aparado anerior y comprobar que la solución es la misma.

6 58 Inroducción a las EDOs Ejemplo Resolver el PVI y + 4y = {, x 4, x > 4 con y() = 3, y () = 2. Aplicamos a la EDO y obenemos, usando (8.2.2) Ahora bien, y() = Y() = e 4 ( 2 + 4). ( 2 + 4) = 4 4( 2 + 4) = ( 4 así que la propiedad 6 de la proposición nos da e 4 ( 2 + 4) Además, es fácil comprobar que sen(2x) ), = 4 (χ 4(x) + χ 4 (x) sen(2x 8)) = 3 cos(2x) 2 sen(2x), + 4 luego χ 4 (x) Y() = 3 cos(2x) 2 sen(2x) + ( sen(2x 8)). 4 Ejemplo Resolver y + 3y + 2y = χ (x)e 3x con y() =, y () =. Al igual que en el ejemplo anerior enemos, usando (8.2.2) Ahora bien, Y() = e 3 e ( 3)( + )( + 2) ( + )( + 2). + 4 ( + )( + 2) = = 3e x 2e 2x, ( 3)( + )( + 2) = 2 ( 3) 4 ( + ) + 5 ( + 2) = Enonces, usando la propiedad 6 de la proposición obenemos e 3 e ( 3)( + )( + 2) = e3 e 2 e3x 4 e x + 5 e 2x 2 e3x 4 e x + 5 e 2x. = e 3 χ (x) 2 e3x 3 4 e x+ + 5 e 2x+2, luego y(x) = Y() = 3e x 2e 2x + χ (x) 2 e3x 4 e x e 2x+5. La úlima propiedad que consideraremos es la ransformada de una convolución de funciones. Definición Dadas dos funciones inegrables f y g, definiremos la convolución (f g) de ambas a la función

7 La ransformada de Laplace 59 (f g)(x) = x f(x z)g(z)dz. Si además, f y g son de orden exponencial siendo F() y G() las ransformadas de Laplace de f y g, respecivamene, enonces exise la ransformada de Laplace de (f g)(x) y Para comprobarlo basa noar que f g = = ( x e x f(x z)g(z)dz f g = F() G(). (8.2.3) ) dx = ( g(z) χ x (z)f(x z)e x dx ) dz = e x ( ) χ x (z)f(x z)g(z)dz dx g(z))e z F()dz = F()G(). Ejemplo Usando lo anerior calcula /( 2 + ) 2. Como sen x = F() = /( 2 + ), enemos ( 2 + ) 2 = = F()F(), luego, ( 2 + ) 2 = (sen x) (sen x) = x sen(x z) sen zdz = 2 x cos x + sen x. 2 Ejercicio Calcula /( a) /( b). Lo anerior nos permie ambién resolver las EDOs de orden dos de una forma direca al y como se muesra en el siguiene ejemplo Ejemplo Resuelve el PVI y + 5y + 4y = g(x), y() = y () =. Tomamos la ransformada de Laplace de forma que usando (8.2.2) enemos Y() = G() ( + )( + 4) = ( + )( + 4) G(). Si denoamos por y h (x) la aniransformada de /( + )( + 4) (cuyo valor en ese caso es /3e x + /3e 4x ), enonces la solución del PVI se puede escribir de la forma y(x) = x g(x z)y h (z)dz. (8.2.4) Ejemplo Resuelve el PVI y + 5y + 4y = g(x), y() =, y () = Problemas Problema 8.3. Calcula las ransformadas de Laplace de las funciones de la abla 8.2. Problema Calcula las ransformadas de Laplace de las funciones x cos(ωx) y x sen(ωx) y prueba que 2 ( 2 + ω 2 ) 2 = 2ω sen(ωx) + xω cos(ωx). Usando lo anerior encuenra la ransformada de la función ( 2 + ω 2 ) 2. Como aplicación resuelve el PVI

8 6 Inroducción a las EDOs y + ω 2 y = f sen(ωx), y() = y () =. Problema Calcula las aniransformadas de las siguienes funciones ( + a) 2, ( + a) n, ( 2 + a 2 )( 2 + b 2 ), e c ( + a) 2 + b 2. Problema Encuenra la solución de las EDOs. y 5y + 4y =, y() =, y () =, 2. y 4y + 4y =, y() =, y () =, 3. y + y = xe x, y() = y () =, 4. y + 2y + 5y = 3e x sen x, y() =, y () =, 5. y + 2y + y = χ π/2 (x) sen(2x), y() =, y () =, 6. y + 3y + 2y = χ π/2 (x)e 3x, y() =, y () =. Problema La EDO xy + y + xy =, se conoce como ecuación de Bessel de orden. Prueba que si Y() es la ransformada de Laplace de la solución de esa EDO con y() =, prueba que enonces Y saisface la EDO ( 2 + )Y () + Y() =. Prueba que la solución de la EDO anerior se puede expresar en serie como Y() = c n= ( ) n (2n)! 2 2n (n!) 2 2n+. A parir de lo anerior deduce la función y(x) solución de la EDO de Bessel. Problema Usar la ransformada de Laplace para resolver los siguienes PVI de SEDO: ( ) ( ) Y 3 = Y, Y () =, ( ) ( ) ( ) Y 4 = Y + e x 2, Y () =, ( ) ( ) ( ) Y 3 2 χπ (x) = Y +, Y () =. 2 2