La transformada de Laplace

La transformada de Laplace Sea f(t) una función definida para t ≥ 0, su transformada de Laplace se define como: donde s es una variable compleja Se dice que la transformada de Laplace de f(t) existe si la integral converge.

Pierre-Simon Laplace (1749 - 1827) "Podemos mirar el estado presente del universo como el efecto del pasado y la causa de su futuro. Se podría condensar un intelecto que en cualquier momento dado sabría todas las fuerzas que animan la naturaleza y las posiciones de los seres que la componen, si este intelecto fuera lo suficientemente vasto para someter los datos al análisis, podría condensar en una simple fórmula el movimiento de los grandes cuerpos del universo y del átomo más ligero; para tal intelecto nada podría ser incierto y el futuro así como el pasado estarían frente sus ojos." Pierre-Simon Laplace (1749 - 1827)

Notación: Observa que la transformada de Laplace es una integral impropia, uno de sus límites es infinito: Notación:

Condiciones suficientes de existencia de la TL Si f(t) es continua a trozos en [0, ∞) y Es decir, f(t) es de orden exponencial en el infinito: Entonces: L{f(t)} = F(s) existe s > a.

Unicidad de la TL Si f1(t) y f2(t) poseen la misma TL: L{f1(t) } = L{f2(t) }= F(s), entonces el teorema de Lerch garantiza que

Calcula la transformada de f(t) = 1: Nota: Obviamente L{a} = a/s y L{0} = 0.

Calcula la transformada de f(t) = tn:

Calcula la transformada de f(t) = e-t:

Calcula la transformada de f(t) = Aeat:

Calcula la transformada de f(t) = sen(at): Ejercicio: calcula F(s) para f(t) = cos(at)

Calculemos la transformada de f(t) = eiat:

La función Heaviside o escalón unidad: 1 1 c c t

Función delta de Dirac área = 1 Sea la función parametrizada: Observemos que

Así la transformada de la función delta de Dirac es:

Funciones periódicas Supongamos que f (t) es una función periódica de periodo T. Entonces: donde F1(s) es la transformada de Laplace de la función f(t) sobre el primer periodo y cero fuera. T

Demostración

Ejemplo: onda cuadrada

Tabla de transformadas de Laplace ( ) a s e n t at + - 1 ! 2 d

La TF es un caso particular de la TL Supongamos que  es complejo:  =  + i Antitransformando tendríamos:

todo  perteneciente a la región en rojo. Haciendo s = i( + i) Recordemos que  =  + i: Im() es analítica para Re () todo  perteneciente a la región en rojo. Haciendo s = i( + i) llegamos a la transformada de Laplace. -γ 

Transformada inversa de Laplace Al proceso inverso de encontrar f(t) a partir de F(s) se le conoce como transformada inversa de Laplace y se obtiene mediante: conocida también como integral de Bromwich o integral de Fourier-Mellin.

γ determina un contorno vertical en el plano complejo, tomado de Im(s) γ γ determina un contorno vertical en el plano complejo, tomado de tal manera que todas las singularidades de F(s) queden a su izquierda. Re(s) Con condiciones de existencia:

Por ejemplo, determinemos: Puesto que la función a invertir tiene un polo en s = -1, entonces basta con tomar γ > -1. Tomemos γ = 0 y el contorno de integración C de la figura. Im(s) R C1 γ=0 -1 Re(s) -R Haciendo R→∞ y utilizando teoría de residuos: 0 por la desigualdad ML cuando R→∞ con t≥0.

Sea F(s) una función analítica, salvo en un número finito de polos que se encuentran a la izquierda de cierta vertical Re(s) = γ. Y supongamos que existen m, R, k > 0 tq. para todo s del semiplano Re(s)  γ y |s| > R, tenemos que Entonces si t > 0: En particular, sea F(s) = N(s)/D(s), con N(s) y D(s) polinomios de grado n y d respectivamente, d > n; entonces podemos usar la igualdad anterior.

Ejemplo, determinar:

Propiedades 1. Linealidad: Si c1 y c2 son constantes, f1(x) y f2(x) son funciones cuyas transformadas de Laplace son F1(x) y F2(x), respectivamente; entonces: La transformada de Laplace es un operador lineal.

Demostración:

ò ò ò ò ( ) 2. Desplazamiento temporal F ( s ) = e f ( t ) dt X ( s ) ¥ ò F ( s ) = e - st f ( t ) dt ¥ X ( s ) = ò e - st f ( t - t ) u ( t - t ) dt ¥ = ò e - st f ( t - t ) dt ( ) l = t - t t ¥ = - st ò e e - s l f ( l ) d l = - e st F ( s )

Ejemplo: t 3

3. Desplazamiento en frecuencias Ejemplo:

4. Cambio de escala en tiempo

5. Derivada de la transformada de Laplace

6. Transformada de Laplace de las derivadas de una función La transformada de Laplace de la derivada de una función está dada por: donde f(0) es el valor de f(t) en t = 0. La transformada de Laplace de la segunda derivada de una función está dada por:

En forma similar: Demostración:

Supongamos que: Entonces:

Gracias a esta propiedad y a la linealidad de la TL podemos convertir una ec. diferencial como Resolver para y(t) en una ec. algebraica Resolver para Y(s)

Ec. Diferencial Transformada de Laplace Ec. Algebraica

Si resolvemos la ec. algebraica: y encontramos la transformada inversa de Laplace de la solución, Y(s), encontraremos la solución de la ec. diferencial.

Ec. Algebraica Inversa de la Transformada de Laplace Solución de la Ec. Diferencial

La transformada inversa de Laplace de: es

De modo que: es la solución de la ec. diferencial:

Para conseguirlo hemos aplicado: Primero, que la TL y su inversa son lineales: Y segundo, la TF de las derivadas de una función son: etc...

A este método se le conoce como cálculo de Heaviside. Por ejemplo: Y antitransformando obtendremos la solución.

Veamos un ejemplo concreto: Resolver la ec. diferencial

Ejemplo Resolver

Ejemplo: Resolver

7. Transformada de Laplace de la integral de una función Si existe la TL de f(t) cuando Re(s) > p ≥ 0, entonces: para Re(s) > p.

8. Transformada de Laplace de f(t)/t Ejemplo:

9. TF de f(t)cos(at) y f(t)sen(at) Ejemplo:

10. Teorema del valor final Si existe, entonces: 11. Teorema del valor inicial El valor inicial f(0) de la función f(t) cuya transformada de Laplace es F(s), es:

como la convolución de y y se denota como 12. Integral de convolución Recordemos que la operación se conoce como la convolución de y y se denota como La transformada de Laplace de esta operación está dada por:

Si trabajamos con funciones que son cero para para t < 0, entonces la convolución queda: Así que para estas funciones podemos definirla convolución como:

Ejemplo: Verificar que funciona para f(t) = t y g(t) = e-2t con valores 0 para t < 0.

De hecho, podemos utilizar la convolución para encontrar transformadas inversas de Laplace:

Resolver la ec.integro-diferencial:

Antitransformando:

Desarrollo en fracciones parciales: Se utiliza para facilitar el cálculo de la transformada inversa, descomponiendo la función en componentes más sencillos. Raíces del denominador D(s) o polos de F(s): Caso I – Polos reales simples Caso II – Polos reales múltiples Caso III – Polos complejos conjugados Caso IV – Polos complejos conjugados múltiples

Caso I – Polos reales simples Ejemplo

método alternativo y resolver...

La transformada inversa de Laplace es:

Otro ejemplo Transformada inversa de Laplace:

Caso II – Polos reales múltiples Ejemplo Polos reales múltiples Polos reales simples

Transformada inversa de Laplace:

En general, para polos reales múltiples:

Caso III – Polos complejos conjugados conjugados complejos ejemplo Transformada inversa de Laplace:

ejemplo Transformada inversa de Laplace: donde

Caso IV – factores complejos conjugados múltiples Se trata de repetir los métodos usados en los casos II y III, teniendo en cuenta que trabajamos con complejos.