CAPITULO 8. LA TRANSFORMADA DE LAPLACE La transformada de Laplace

Transcripción

1 CAPITULO 8. LA TRANSFORMADA DE LAPLACE 8.1. La transformada de Laplace Definición 1.Sea f (t) una función definida para t 0. Se define la transformada de Laplace de f (t) de la forma, - s es un parámetro real tal que esta integral sea convergente 8.2. Tabla de transformadas de Laplace f(t) L[f(t)] 1 t s > 0 s >0 s >a Sen at s >0 Cos at s >0 Shat s > a Chat s > a 1

2 Definición 2.Una función es continua a trozos en un intervalo a t b, si es posible partir dicho intervalo en un numero finito de subintervalos de tal manera que la función sea continua en cada uno de ellos y tenga limite a la izquierda y derecha Definición 3.Una función se dice de orden exponencial γ cuando t, si existen constantes reales, M >0 y γ tales que para t > N se verifica < M, es de orden exponencial 3, =, t >0 es de orden exponencial ya que +. Para γ >0, de donde se obtiene. Por tanto es de orden exponencial con Teorema 1. Condiciones suficientes para que exista la transformada de Laplace Se demuestra que si f (t) es continua a trozos en cada intervalo finito 0 t N, de orden exponencial γ t > N, entonces existe la transformada de Laplace, s > γ 8.3. Transformada inversa de Laplace Definición 4. Si L[f(t)]=F(s), entonces f(t) es la transformada inversa de Laplace y la expresamos por f(t)= L -1 {F(s)} la transformada de Laplace de la función nula N(t) es cero, por tanto si Entonces L [f (t)]=f(s) 2

3 L[f(t)+N(t)]=F(s) Por tanto puede haber dos funciones diferentes con la misma transformada de Laplace Ejemplo 1.Sean las funciones, { Si consideramos las funciones nulas la transformada inversa de Laplace no es única Sin embargo, es única cuando se trabaja con funciones no nulas. Las funciones nulas no tienen interés físico 8.4. Propiedades de la transformada de Laplace Propiedad de linealidad. Supongamos que L [f 1 (t)]=f 1 (s), que L [f 2 (t)]=f 2 (s) y sean c 1, c 2 constantes. Entonces se verifica L[c 1 f 1 (t)+c 2 f 2 (t)]=c 1 L[f 1 (t)]+ c 2 L[f 2 (t)]= c 1 F 1 (s)+c 2 F 2 (s) Ejemplo 1. Calcular, -3 sen 4 t+ 2 cos 2 t] = Primera propiedad de la traslación Si L[f(t)]=F(s), entonces se verifica, - Ejemplo 2.Calcular [ ], Segunda propiedad de la traslación. Si L [ f(t)]=f(s) y 3

4 { Se verifica:, - Ejemplo 3. Sea { Sabemos que: L [ -. Por tanto, Propiedad del cambio de escala. Si L [f (t)]=f(s), se verifica, - F Transformada de Laplace de las derivadas Si L[ f(t)]=f(s), se verifica, - (1) siendo f(t) continua para 0 t N y de orden exponencial γ para t >N, f (t) continua a trozos en 0 t N Observaciones 1.Si f(t) no es continua en t = 0, pero existe aunque no sea igual f(0), entonces se verifica, - 2. Si f (t) deja de ser continua en t = a, entonces se verifica, - - * + Generalizando se tiene: 4

5 , - Si f (t), f (t),... son continuas para 0 t N y de orden exponencial para t > N, además, es continua a trozos para 0 t N Transformada de Laplace en integrales Si L [f(t)]=f(s), entonces se verifica, - Ejemplo 4.Calcular, Multiplicación por potencias de t. Si L [f (t)]=f(s), entonces se verifica, - Ejemplo 5. Calcular L [t sen a t] Sabemos que: L [sen at] = Por tanto:, División por t. Si L [f (t)]=f(s). Entonces se verifica [ ] Ejemplo 6. Calcular 0 1, - -arc tang s=arc tang 5

6 8.5. Teoremas del valor inicial y final Teorema del valor inicial Teorema del valor final. Ejemplo 7. Demostrar que, ]=, ]= Cambio: s t = u Ejemplo 8. Calcular 0 1, s > 0 Haciendo en la expresión anterior.la función no satisface las condiciones suficientes de la transformada de Laplace, sin embargo la transformada de Laplace existe Ejemplo 9. Demostrar que 0 1 Sea:, -, -, - 6

7 Integrando, - Por el teorema del valor inicial Ejemplo 10. Calcular, - [ -, - Para s = 2, se obtiene 8.6. Función escalón de Heaviside y función delta de Dirac La función escalón de Heaviside se define como { Esta función nos permite expresar en forma compacta las funciones que son cero para t a la izquierda de. Por tanto para cualquier función f(t) se tiene 7

8 { Por tanto la función puede ser interpretada como un mecanismo para que la función entre en funcionamiento para Fig.1.Función escalón Heaviside Las funciones periódicas se pueden representar por una serie de términos que implican funciones escalón, por ejemplo * + Fig.2.Gráfica de H(t)-H(t-1)+H(t-2)-H(t-3)+.. Se define la función delta de Dirac como { Fig.3.Gráfica de 8

9 La definición implica que no es una función en el sentido usual, pero la Fig.3 la hace más comprensible.. La función dt =1 Vamos a ver una importante propiedad de la función delta de Dirac, dada una función f(t) continua en t = a (1) Si ponemos a=0 y f(t)=1, se obtiene también Un resultado equivalente a la ecuación (1) es Siendo cualquier numero positivo Se define la función t a 1 0 t a 0 t a, t a Veamos se transformada de Laplace, - [ - Se puede definir L [ ] de la siguiente forma 9

10 Entonces, -, - Cuando a = 0, se tiene la función de Dirac. Por tanto L[ (t)]= Tabla de transformadas inversas de Laplace F(s) * + 1 t Chat 8.8. Propiedades de la transformada inversa de Laplace Propiedad de linealidad, - = Ejemplo 11. Calcular 0 1, ]= 10

11 2 cos 3 t / = Primera propiedad de la traslación. Si L [f (t)]=f(s) y L[ ]=F(s-a) entonces se verifica, Segunda propiedad de la traslación. Si f t a si t a g t 0 si t a y se verifica L[g(t)]=F(s-a), entonces se tiene [F(s-a)]=g(t) Propiedad del cambio de escala. Si, - F entonces se verifica, F ]=f(a t) Transformada inversa de las derivadas. Si, f(t)]= Entonces se verifica, Transformada inversa de integrales. Si [ ] Entonces se verifica, - 11

12 8.9. Teorema de la convolución Sean f (t ) y g (t ) dos funciones definidas en [0, ).Las convolución de f y g es la función definida por, t 0 El teorema de la convolución nos dice que la transformada de Laplace de la convolución de dos funciones, es el producto de las transformadas de Laplace de las funciones Teorema 2. Sea L [f (t)] =F(s) y L[g(t)]=G(s). Se demuestra que L[f* g]= F(s). G(s) Métodos para hallar la transformada inversa de Laplace Método de las fracciones parciales Sea la función, siendo grado P(s) < grado Q(s), entonces esta función se puede escribir como una suma de funciones racionales del tipo r =1, 2,3. Al calcular la transformada inversa de Laplace, se obtiene Ejemplo 12. Calcular, - + = + 12

13 Formula de Heaviside Sea Q(s) es un polinomio con n ceros diferentes α 1, α 2.. α n podemos poner = Multiplicando ambos miembros por, haciendo que, y aplicando L Hospital (s )= Por tanto +..+ Finalmente 0 1 Ejercicios de aplicación 1. Calcular [ ] =-1,. Transformada inversa Calcular [ ] = i, =- i 13

14 =2, =, [ ] = 2 3. Demostrar por el teorema de la convolución que Sabemos que Consideremos la función dx Apliquemos el teorema de la convolución, -, -, - Aplicando [ ] Para t = 1, se tiene la demostración 4. Resolver el sistema { con las condiciones y (0)=1, z(0)=

15 Aplicando la transformada de Laplace se obtiene el sistema (1) (2) De la ecuación (2) se tiene Sustituyendo en la ecuación (1) se tiene, - Integrando la ecuación diferencial se obtiene Aplicando el teorema del valor inicial Aplicando la transformada inversa de Laplace [ ] =y(t)=, - 5. Resolver el sistema 15

16 { con las condiciones x (0) =1, y (0) = 0, z (0)=1 = Calculando la transformada inversa de Laplace se tiene 6. Calcular Sea g (t) la función, - dx = dt [ ] =, - [ ] 16

17 Para t =1, se obtiene la integral pedida 7. Calcular aplicando el teorema de la convolución, ] Sea Ahora bien como 0 1,, -= [ ( - 8. Calcular aplicando el teorema de la convolución, Sabemos que - 0 1, t-2 9. Resolver el sistema } con las condiciones iniciales : x(0) =35, x (0) = - 48, y(0) = 27, y (0) =

18 Aplicando la transformada inversa 10. Resolver t, con las condiciones iniciales: y(0) = 0, y (0) = 0 [ ] = - Integrando esta ecuación diferencial Transformada inversa de Laplace, Condiciones iniciales: ( 11. Resolver, condición inicial y(0) = 1 Supongamos: cte 18

19 Ecuación diferencial lineal Aplicando la transformada inversa, - Siendo K C 32 19