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Ecuaciones Diferenciales Tema 2. Trasformada de Laplace - PDF
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Rosa María Espejo Alvarado
1 Ecuaciones Diferenciales Tema 2. Trasformada de Laplace Ester Simó Mezquita Matemática Aplicada IV 12 1. Transformada de Laplace de una función admisible 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace 4. Tabla de transformadas de Laplace. Transformada inversa 5. Solución general de una EDO lineal 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace 23 1. Transformada de Laplace de una función admisible El concepto de transformada encierra la idea de convertir una función dada en otra función Ya estamos familiarizados con diversas transformadas 1. La derivada asigna a una función diferenciable [definida en algún intervalo ] una nueva función 2. La integral asigna a una función continua (definida en un intervalo ) una nueva función 34 1. Transformada de Laplace de una función admisible Consideremos una función definida para La transformada de Laplace (unilateral) de definida por la integral impropia es la función La función original es una transformada inversa de y se denota por Notemos que la transformada de Laplace toma una función de y devuelve una función de, y como que la variable acostumbra a ser el tiempo se denomina así a los dominios de definición de esas funciones: dominio temporal dominio frecuencial o transformado 45 1. Transformada de Laplace de una función admisible Recordemos que las integrales impropias sobre regiones no acotadas como se definen mediante un límite Ejemplo:, suponiendo 56 1. Transformada de Laplace de una función admisible Ejemplo:, suponiendo Por tanto, 67 1. Transformada de Laplace de una función admisible Diremos que una función es continua a trozos en si es continua en o si, en cualquier intervalo acotado, tiene como máximo un número finito de discontinuidades de salto Ejemplo: Una señal de pulso cuadrado. En cualquier intervalo acotado tiene un número finito de discontinuidades de salto, aunque en tiene infinitas 78 1. Transformada de Laplace de una función admisible Diremos que una función es de orden exponencial si existen constantes y tales que En otras palabras, una función es de orden exponencial si, a partir de cierto momento, su tamaño es menor que el de alguna exponencial es de orden exponencial para cualquier, ya que la gráfica de con está por encima de la de para t>0 no es de orden exponencial, ya que no hay ningún valor de ni de tales que esté por encima de para grande 89 1. Transformada de Laplace de una función admisible Resultado que garantiza la existencia de la transformada de Laplace Si es de orden exponencial y continua a trozos en, entonces existe para todo A las funciones que verifican estas dos condiciones (orden exponencial y continua a trozos) las llamaremos funciones admisibles Continua a trozos: garantiza la existencia de la integral sobre cada intervalo Orden exponencial: garantiza que al multiplicar por con bastante grande, el producto resultante decaiga deprisa para que exista la integral impropia 910 1. Transformada de Laplace de una función admisible Ejemplos de funciones no admisibles no es de orden exponencial y se puede demostrar que no existe para ningún valor de es de orden exponencial pero tiene una discontinuidad asintótica en. Se puede demostrar que no existe para ningún valor de 1011 1. Transformada de Laplace de una función admisible Sin embargo, la función sí que tiene transformada de Laplace, a pesar de no cumplir las condiciones de admisibilidad (Presenta una discontinuidad asintótica en ) Con esto demostramos que la condición de admisibilidad es suficiente pero no necesaria En este curso sólo consideraremos funciones admisibles 1112 1. Transformada de Laplace de una función admisible Ahora calculemos algunas transformadas de Laplace El límite existe sólo cuando, que es cuando la exponencial tiende a 0 1213 1. Transformada de Laplace de una función admisible En realidad no llevaremos a cabo estas integraciones. El método habitual para calcular a partir de (o viceversa) es consultar una tabla de parejas y utilizar las propiedades que iremos desarrollando 1314 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace A continuación vamos a presentar algunas propiedades de la transformada de Laplace que nos permitirán 1. calcular nuevas transformadas y antitransformadas a partir de otras conocidas, 2. convertir la resolución de EDO lineales de coeficientes constantes en un problema algebraico 1415 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace P0 Límite cuando Si es una función admisible con transformada entonces Demostración: Por el teorema del valor absoluto de la integral Como es admisible, tales que 1516 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace P0 Límite cuando Si es una función admisible con transformada entonces Demostración: está sólo definida para 1617 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace P1 Linealidad Si son dos funciones con transformadas, entonces con constantes arbitrarias Demostración: El resultado se basa en la linealidad de la integral 1718 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace Ejemplo: Calculemos la transformada de Laplace de Aplicando P1 linealidad El resultado es válido si (la intersección entre y ) 1819 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace P2 Derivada Si y su derivada son funciones admisibles, entonces la transformada de Laplace de es Demostración: Integrando por partes obtendremos Por ser admisible, el límite tiende a 0 1920 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace P2 Derivada Si y su derivada son funciones admisibles, entonces la transformada de Laplace de es Esta fórmula es particularmente simple si las condiciones iniciales son cero porque se sigue que la transformada de la derivada se corresponde con la multiplicación de la transformada por s 2021 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace Ejemplo: Calculemos la transformada de Laplace de Sabemos que la transformada de Laplace de es (Linealidad) (P2) si 2122 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace Ejemplo: Calculemos la transformada de Laplace de partir de la transformada de Laplace de a 2223 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace P3 Derivada segunda Si y sus derivadas son funciones admisibles, entonces la transformada de Laplace de es Demostración: Aplicando dos veces la propiedad P2 Derivada 2324 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace Ejemplo: Vamos a calcular la transformada de Laplace de Aplicando P1 Por la propiedad P3 Derivada segunda Igualando 2425 2. Propiedades básicas de la transformada de Laplace Las propiedades P2 Derivada y P3 Derivada segunda se pueden generalizar a derivadas de orden arbitrario Estas propiedades nos indican que en el dominio de las transformadas la derivación en se convierte en multiplicación por 2526 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P4 Integral Si es una función continua, con transformada de Laplace, entonces Por tanto, en el dominio de las funciones transformadas, integrar respecto a quiere decir dividir por 2627 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P4 Integral Sabemos Por P4 2728 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P5 Multiplicación por Si es una función con transformada de Laplace, entonces Esta propiedad es la recíproca de la P2 Derivación: Salvo el signo, derivar en el dominio transformado equivale a multiplicar por en el dominio temporal. 2829 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P5 Multiplicación por Sabemos Por P5 2930 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P6 División por Si es una función con transformada de Laplace, entonces Si derivar en el dominio transformado equivale a multiplicar por t en el dominio temporal Dividir por t en el dominio temporal se ha de corresponder con una integral en el dominio transformado 3031 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P6 División por Sabemos P6 3132 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P7 Translación en el dominio transformado Si es de orden exponencial con transformada de Laplace para todo Sabemos Aplicando P7 3233 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P7 Translación en el dominio transformado Si tiene transformada de Laplace para, entonces para todo Sabemos Aplicando P7 3334 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P8 Cambio de escala Si es una función con transformada de Laplace y, entonces 3435 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P9 Funciones periódicas Si es una función periódica de periodo, es decir,, entonces su transformada, si existe, se puede calcular como Esta propiedad permite calcular la transformada de Laplace de una función periódica, calculando sólo una integral sobre un periodo, en lugar de la integral de 0 a 3536 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P9 Funciones periódicas Ejemplo: Función periódica de periodo 3637 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P9 Funciones periódicas Ejemplo: Aplicando P9 3738 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace P10 Teoremas del valor final y del valor inicial Si y su derivada son funciones admisibles, entonces siempre que los límites existan Estos resultados indican que valores de s pequeños están asociados a valores de t grandes, y al revés 3839 3. Otras propiedades de la transformada de Laplace 3940 4. Tabla de transformadas de Laplace 4041 5. Solución general de una EDO lineal Se llama ecuación diferencial lineal de primer orden a la que es lineal con respecto a la función incógnita y su derivada. Tiene la forma donde y son funciones continuas en la región que se pida integrar la ecuación diferencial Si la ecuación diferencial se llama lineal no homogénea Si la ecuación diferencial se llama lineal homogénea Variables separables 41 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas42 5. Solución general de una EDO lineal Dada una EDO lineal de primer orden no homogénea siempre podemos obtener la EDO homogénea asociada, haciendo EDO lineal completa EDO lineal homogénea asociada Ejemplo 42 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas43 5. Solución general de una EDO lineal Propiedades Linealidad 1. Si es una solución de también lo es con una constante cualquiera. Demostración Notar: La propiedad no es cierta para la EDO lineal completa si 43 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas44 5. Solución general de una EDO lineal Propiedades Si y la suma es una solución particular de es una solución de la EDO lineal homogénea asociada, entonces es una solución de la EDO lineal completa Demostración 44 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas45 5. Solución general de una EDO lineal Propiedades Si y la suma es una solución particular de es una solución de la EDO lineal homogénea asociada, entonces es una solución de la EDO lineal completa Consecuencia Si hacemos que asociada, entonces EDO lineal completa sea la solución general de la homogénea será la solución general de la La solución general de la EDO lineal completa de orden 1 se obtiene añadiendo una solución particular de la EDO completa a la solución general de la EDO lineal homogénea asociada 45 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas46 5. Solución general de una EDO lineal Si es una solución particular de y es una solución general de la EDO lineal homogénea asociada, entonces la suma es una solución general de la EDO lineal completa 46 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas47 5. Solución general de una EDO lineal Una EDO lineal de orden 2 es toda relación entre una función incógnita, sus derivadas primera y segunda, y y la variable independiente que se puede escribir de la forma donde y son funciones continuas en la región que se pide integrar la ecuación diferencial son los coeficientes de la ecuación es el término independiente Si Si EDO lineal de orden 2 homogénea EDO lineal de orden 2 no homogénea 47 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas48 5. Solución general de una EDO lineal Veamos algunos ejemplos Cuál es lineal/no lineal? Cuál es homogénea/no homogénea? Cuál tiene los coeficientes constantes/no constantes? 48 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas49 5. Solución general de una EDO lineal Dada una EDO lineal de segundo orden no homogénea siempre podemos obtener la EDO homogénea asociada, haciendo EDO lineal completa EDO lineal homogénea asociada Ejemplo 49 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas50 5. Solución general de una EDO lineal Propiedades Linealidad 2. Si y son soluciones de también lo es con y dos constantes cualquiera. Demostración Sumando ambas expresiones 50 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas51 5. Solución general de una EDO lineal Propiedades Si es una solución particular de y la suma es una solución de la EDO lineal homogénea asociada, entonces es una solución de la EDO lineal completa Consecuencia Si hacemos que asociada, entonces EDO lineal completa sea la solución general de la homogénea será la solución general de la La solución general de la EDO lineal completa de orden 2 se obtiene añadiendo una solución particular de la EDO completa a la solución general de la EDO lineal homogénea asociada 51 Tema 3. Análisis de las soluciones de sistemas52 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Resolvamos el siguiente problema de Cauchy aplicando la transformada de Laplace Transformemos los dos miembros de la EDO Apliquemos linealidad Apliquemos P2 (Derivada) y la transformada del seno Despejando 5253 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes 5354 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Poniéndolo todo junto se obtiene la solución al problema de Cauchy Solución de la EDO homogénea con Solución particular de la EDO completa 5455 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Resolvamos el siguiente problema de Cauchy Transformemos los dos miembros de la EDO Apliquemos linealidad Apliquemos P2 (Derivada) y P3(Derivada segunda) Agrupando los términos 5556 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Aislando Descompongamos la primera fracción en fracciones simples Anti-transformando Descompongamos la segunda fracción en fracciones simples 5657 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes 5758 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Sumando todos los resultados se obtiene la solución Cauchy al problema de 5859 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Resolvamos el siguiente problema de Cauchy Transformemos los dos miembros y apliquemos linealidad Agrupando los términos Despejando 5960 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Descompongámoslo en suma de fracciones simples Ahora anti-transformemos 6061 6. Solución de EDO lineales con coeficientes constantes Recordemos Ahora anti-transformamos Sumando 6162 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside La función de Heaviside o función escalón Está definida a trozos, sólo toma los valores 0 y 1, depende de un parámetro que indica dónde está el punto de salto, en, cuando el argumento vale 0, la función no está definida 6263 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside La transformada de Laplace de la función de Heaviside para:64 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside Aplicación de la función de Heaviside La principal aplicación de la función de Heaviside para el cálculo de transformadas de Laplace es que permite expresar de manera compacta funciones definidas a trozos que además pueden tener discontinuidades 6465 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside Aplicación de la función de Heaviside Se puede expresar de forma compacta 1. Si 2. Si 6566 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside La siguiente propiedad permite calcular la transformada de Laplace de una función definida a trozos a partir de las transformadas de las funciones que intervienen en la definición P11 Translación en el dominio temporal Si es una función con transformada de Laplace y, Demostración 6667 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside Ejemplo Calculemos la transformada de Laplace de la función De manera compacta se puede escribir como Para calcular la transformada del segundo término lo transformaremos P11 P11 6768 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside Aplicación a la resolución de EDO lineales con coeficientes constantes Resolvamos Transformando 6869 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside Aplicación a la resolución de EDO lineales con coeficientes constantes Anti-transformando Aplicando P11 P11 6970 7. Solución de una EDO con entradas discontinuas. La función de Heaviside Aplicación a la resolución de EDO lineales con coeficientes constantes Poniendo todas las antitransformadas juntas Si evaluamos la expresión anterior para y tenemos 7071 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace El método de la transformada de Laplace se puede aplicar también a sistemas de EDO lineales con coeficientes constantes. Veamos un ejemplo. Resolvamos el sistema de EDO lineales con coeficientes constantes de orden 3 con las condiciones iniciales Aplicando la transformada de Laplace a cada ecuación, 7172 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace Escribiéndolo en forma matricial El determinante del sistema es 7273 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace Aplicando la regla de Cramer para resolverlo, obtenemos 7374 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace Descomponiendo los resultados en fracciones simples obtendremos Finalmente, anti-transformando obtendremos la solución al sistema de EDO lineales con las condiciones iniciales dadas 7475 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace Caso especial Sistema de EDO de primer orden con las derivadas aisladas En notación matricial, donde 7576 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace Calculando la transformada de Laplace, transformando componente a componente, pero manteniendo la notación matricial, obtenemos donde Teniendo en cuenta que donde es la matriz identidad, 7677 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace Aislando La matriz inversa coeficientes el determinante de en la variable contiene en el denominador de todos sus que es un polinomio de grado al que llamaremos polinomio característico del sistema de EDO 7778 8. Solución de sistemas de EDO lineales mediante la transformada de Laplace Para calcular la anti-transformada, por lo general, previamente se ha de hacer una descomposición en fracciones simples de términos que tienen en el denominador el polinomio característico Cada factor con una raíz con parte real dará lugar a una fracción simple cuya anti-transformada vendrá dada por una exponencial acompañada o no de potencias de o de senos o cosenos 7879 9. Bibliografía 1. Simmons, G.F., Krantz, S.G., Ecuaciones diferenciales. Teoría, técnica y práctica. McGraw-Hill Interamericana, ISBN Batlle, C., Massana, I., Zaragozá, M., Àlgebra i Equacions diferencials, Edicions UPC, ISBN X 3. Batlle, C, Apunts tema 2 Transformada de Laplace, Atenea-Campus Digital, Documentos relacionados
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