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⭐Transformada de Laplace y sus aplicaciones a las ecuaciones diferenciales. José Salvador Cánovas Peña
Transformada de Laplace y sus aplicaciones a las ecuaciones diferenciales. José Salvador Cánovas Peña
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María Soledad Saavedra Cortés
1 Transformada de Laplace y sus aplicaciones a las ecuaciones diferenciales José Salvador Cánovas Peña 8 de enero de 282 Índice General 1 Transformada de Laplace Funcionescontinuasatrozos.FuncióndeHeaviside DefinicióndeTransformadadeLaplace Definiciónyprimerosejemplos Dominio de definicióndelatransformada delaplace PropiedadesdelaTransformadadeLaplace Linealidad Transformadadeladerivada Transformadadelaintegral Transformadadelaconvolución PrimerTeoremadeTraslación SegundoTeoremadeTraslación PropiedadesdelafunciónTransformadadeLaplace DerivabilidaddelaTransformadadeLaplace Teoremasdelvalorinicial Teorema del valor final TransformadadeLaplaceinversa InyectividaddelaTransformadadeLaplace TransformadadeLaplaceinversa Fórmuladeinversióncompleja Aplicaciones Unaprimeraaproximaciónalproblema Uso de la convolución Sistemas de ecuaciones Problemasconfuncionesdiscontinuas Funciones de impulso i3 Índice general 2.6 Una aplicación concreta Funciones de transferencia. Estabilidad y control de sistemas eléctricos... 3 ii4 Introducción Vamos a desarrollar un tema sobre la Transformada de Laplace y su aplicación a la resolución de ecuaciones y sistemas de ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes. Estas ecuaciones surgen de manera natural en el contexto de los circuitos eléctricos. Consideremos por ejemplo el típico circuito LRC de la figura donde la inductancia L, la resistencia R y la capacidad de condensador C se consideran constantes. Se tiene entonces que la carga q(t) que circula por el circuito está dada por la ecuación Lq (t)+rq (t)+q(t)/c = V (t), y dado que la intensidad I(t) es la derivada de la carga, ésta puede calcularse por la ecuación LI (t)+ri(t)+ Z t I(s)ds/C = V (t), o equivalentemente con la ecuación diferencial LI (t)+ri (t)+i(t)/c = V (t), en el caso en que V (t) sea una función derivable. 15 Introducción De forma similar, si tenemos un circuito con varias ramas y más elementos, como por ejemplo podemos deducir a partir de las leyes de Kirchoff que las intensidades que circulan por los hilos eléctricos del circuito vienen dadas por =I 1 I 2 I 3, V (t) =I1R 1 + I 1 /C 1 + I2R 2, = I2R 2 + I3 L + I 3 /C 2, Si suponemos los elementos del circuito constantes, salvo a lo mejor el voltaje V (t), que supondremos una función derivable, tenemos un sistema de ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes. La Transformada de Laplace es una herramienta que permite transformar los problemas anteriores en problemas algebraicos y, una vez resuelto este problema algebraico más fácil a priori de resolver, calcular a partir de la solución del problema algebraico la solución del problema de ecuaciones diferenciales. Esta es la forma en que los ingenieros abordan el estudio de estos problemas, como pone de manifiesto las referencias [Oga1], [Sen] o [Jam]. Además este método es explicado en algunos libros de ecuaciones diferenciales como [BoPr], [Bra], [Jef] o [MCZ]. Sin embargo, para entender en su justa dimensión la Transformada de Laplace hay que 26 Introducción dominar contenidos básicos de variable compleja que nuestros alumnos ya han estudiado durante el curso (ver por ejemplo [Mur]). Así, vamos a presentar la Transformada de Laplace en un primer lugar usando los conocimientos que el alumno tiene de funciones de variable compleja y una vez explicada ésta, procederemos a indicar algunas aplicaciones a las ecuaciones y sistemas citadas anteriormente. Nuestros alumnos también deben conocer y dominar contenidos relativos a integrales impropias que fueron explicados en la asignatura de primer curso fundamentos matemáticos de la ingeniería. A modo de introducción histórica, diremos que la expresión F (z) = e zt f(t) fué acuñada en primer lugar por Pierre Simon Laplace en Su utilización dentro de la técnica se debe en su forma rigurosa a Thomas Bromwich, el cual formalizó utilizando las funciones de variable compleja y la Transformada de Laplace un cálculo operacional inventado por Oliver Heaviside para la resolución de circuitos eléctricos. 37 Introducción 48 Capítulo 1 Transformada de Laplace 1.1 Funciones continuas a trozos. Función de Heaviside Previamente a introducir la Transformada de Laplace, hemos de concretar qué tipo de funciones vamos a considerar para nuestros problemas. Las funciones que van a ser de importanciadentrodelaingenieríasonaquellasllamadascontinuas a trozos,queacontinuación definimos. Dadoslosnúmerosrealesa<b,sedicequelafunciónf :[a, b] C es continua a trozos si existe una partición de [a, b], a = t <t 1 <...<t n = b, demaneraquef es continua en (t i,t i+1 ), i<n,yexistenysonfinitos los límites laterales de f en cada uno de los puntos t i, i n. Una función f :[, + ) C se dice que es continua a trozos si para cada intervalo compacto [a, b] [, + ) se verifica que f :[a, b] C es continua a trozos. Uno de los primeros ejemplos de función continua a trozos es h a :[, + ) C, donde a es un número real mayor o igual que cero. Esta función está definida por ( si t<a, h a (t) = 1 si t a, y se conoce en ingeniería con el nombre de función de Heaviside. 59 Transformada de Laplace Físicamente, la función de Heaviside realiza la función de interruptor, de manera que si f :[, + ) C es una función continua se tiene que h a f es la función ( si t<a, (h a f)(t) = f(t) si t a, lo que representa que la función h a enciende a la función o señal f en el instante de tiempo t = a. Adicionalmente, si consideramos a<bylafunciónh a h b :[, + ) C, ésta tiene la forma ( si t/ [a, b), (h a h b )(t) = 1 si t [a, b). Así, si tomamos ahora la función h a f h b f, lafunciónh b tiene el efecto físico de apagar la función f, yaque si t<a, (h a f h b f)(t) = f(t) si a t<b, si b t. Además de estas interpretaciones físicas, la función de Heaviside es útil para describir funciones continuas a trozos que a su vez sean continuas por la derecha. Por ejemplo, la función t si t<1, f(f) = t 1 si 1 t<3, sin t si 3 t, puede escribirse como f(t) =t [h (t) h 1 (t)] + (t 1) [h 1 (t) h 3 (t)] + sin t h 3 (t). Esta forma de describir funciones continuas a trozos será útil en los siguientes apartados del tema debido a las propiedades de la Transformada de Laplace que posteriormente estudiaremos. Por otra parte hemos de comentar que al venir la Transformada de Laplace definida como una integral, la condición de ser la función continua por la derecha es irrelevante y todas las funciones pueden tomarse de esta forma. 1.2 Definición de Transformada de Laplace Definición y primeros ejemplos Sea f : [, + ) C una función localmente integrable, esto es, existe la integral de Riemann de f en todo intervalo compacto [,a] [, + ). Se define la Transformada de 610 Transformada de Laplace Laplace de f en z C como L[f](z) = e zt f(t)dt, (1.1) siempre que tal integral impropia exista. Como el alumno debe conocer, la convergencia de la integral e zt f(t) dt implica la convergencia de la integral (1.1). Denotaremos por D f el dominio de L[f], es decir, el subconjunto del plano complejo donde la expresión (1.1) tiene sentido. A continuación vamos a ver ejemplos de Transformadas de Laplace de algunas funciones elementales. Función de Heaviside.Seaa y consideremos la función de Heaviside h a definida anteriormente. Entonces para todo z C tal que Re z> se verifica L[h a ](z) = = lim e zt h a (t)dt = a e zt dt = En particular, cuando a =obtenemos a lim L[h ](z) = 1 z. e zt dt µ e za z e zx = e za z z. Función exponencial.seaω C y consideremos la función exponencial f(t) =e ωt. Se verifica entonces para todo z C tal que Re z>re ω L[f](z) = = lim e zt e ωt dt = e (z ω)t dt = e (z ω)t dt lim µ 1 z ω e (z ω)x z ω En particular, si ω =se verifica que f(t) =1,conloquenuevamente = 1 z ω. L[h a ](z) = 1 z para todo z C tal que Re z>. Potencias. Sea n un número natural y consideremos la función f n (t) =t n. Vamos ver que la Transformada de Laplace de f n viene dada por la expresión L[f n ](z) = n! para todo z C tal que Re z>. zn+1 711 Transformada de Laplace Para ver esto procedemos por inducción calculando en primer lugar la Transformada de f 1. Integrando por partes obtenemos L[f 1 ](z) = = lim e tz tdt = µ xe xz z lim + 1 e xz z 2 e tz tdt = 1 z, 2 A continuación, por la hipótesis de inducción supongamos que L[f n ](z) =n!/z n+1 y calculemos la Transformada de f n+1.consideremos L[f n+1 ](z) = Tomando partes en la expresión anterior e tz t n+1 dt = lim e tz t n+1 dt. (1.2) e tz t n+1 dt = xn+1 e xz z Combinando (1.2) y (1.3) concluimos que + n +1 z e tz t n dt. (1.3) L[f n+1 ](z) = n +1 (n +1)! L[f n ](z) =. z z n+2 Funciones periódicas. Las funciones periódicas son bastante importantes en ingeniería debido a que su periodicidad las hace controlables. Sea f :[, + ) C una función periódica con periodo T. Entonces Z nt Xn 1 e tz f(t)dt = j= Z (j+1)t jt Xn 1 Z T e tz f(t)dt = e jzt e tz f(t)dt realizando cambios de variable en las integrales y usando que la función es periódica de periodo T. Tomando límites cuando n +, severifica para todo z C tal que Re z> la relación Z 1 T L[f](z) = e tz f(t)dt. 1 e zt Dominio de definición de la Transformada de Laplace Los ejemplos que anteriormente hemos explicado ponen de manifiesto que la función Transformada de Laplace de una función f :[, + ) C no tiene porque estar definida en todo el plano complejo. Vamos a estudiar con precisión cómo es el dominio de definición de estas funciones, pero consideraremos una clase especial de funciones que tienen lo que llamaremos orden exponencial. 8 j=12 Transformada de Laplace Una función f :[, + ) C se dice que tiene orden exponencial si existen constantes A> y B R de manera que para todo t se satisface la condición f(t) Ae tb. (1.4) Denotaremos por E el conjunto de funciones continuas a trozos con orden exponencial, que serán las funciones con las que trabajaremos a partir de ahora. El siguiente resultado ofrece una primera aproximación sobre el dominio de definición de la Transformada de Laplace de funciones con orden exponencial. Proposition 1 Sea f :[, + ) C unafuncióncontinuaatrozoscumpliendolacondición (1.4). Entonces L[f](z) está definida para todo número complejo z tal que Re z>b. Proof. Vamos a ver que la función e zt f(t) es absolutamente integrable para todo complejo z tal que Re z>b. Para ello consideramos e zt f(t) dt = A e Re zt f(t) dt e (Re z B)t dt = lim A e (Re z B)t dt µ 1 = A lim B Re z e x(re z B) B Re z = 1 B Re z, con lo que la Transformada de Laplace existe en el subconjunto {z C :Rez>B}. Este resultado prueba que {z C :Rez>B} D f.sidefinimos ρ =inf{b R : A > con f(t) Ae Bt para todo t }, y denotamos por D f = {z C :Rez>ρ}. La Proposición 1 nos asegura que D f D f. 1.3 Propiedades de la Transformada de Laplace Una vez estudiada la definición de Transformada de Laplace y caracterizadas algunas condiciones para que una función f tenga Transformada de Laplace L[f] definida en un dominio del plano complejo D f, pasamos a estudiar algunas propiedades básicas de esta transformada integral. La primera propiedad que vamos a estudiar es la linealidad. 913 Transformada de Laplace Linealidad Esta propiedad será muy útil para resolver ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes, a la vez que permitirá el cálculo de la transformada de algunas funciones. Theorem 2 Sean f,g E y a, b C. Entoncesparatodoz D f D g se verifica que L[af + bg](z) =al[f](z)+bl[g](z). Proof. La demostración se sigue inmediatamente de la linealidad de la integral. Consideremos L[af + bg](z) = loqueconcluyelaprueba. = lim = a lim e zt (af(t)+bg(t))dt = al[f](z)+bl[g](z), e zt (af(t)+bg(t))dt e zt f(t)dt + b lim e zt g(t)dt A partir de la linealidad de la Transformada de Laplace podemos obtener nuevas Transformadas de funciones elementales, como muestran los siguientes ejemplos. Función seno.seaω R y consideremos la función f(t) =sin(ωt) = eiωt e iωt. 2i Entonces L[f](z) = 1 L[e itω ](z) L[e itω ](z) 2i = 1 µ 1 2i z iω 1 ω = z + iω z 2 + ω 2 siempre que Re z>. Función coseno.seaω R y consideremos la función f(t) =cos(ωt) = eiωt + e iωt. 2 De forma análoga a la anterior se obtiene que siempre que Re z>. L[f](z) = 1 z z 2 + ω 214 Transformada de Laplace Función seno hiperbólico. Sea ω R y consideremos la función Entonces si Re z> ω. f(t) =sinh(ωt) = eωt e ωt. 2 L[f](z) = 1 L[e ωt ](z) L[e ωt ](z) 2 = 1 µ 1 2 z ω 1 ω = z + ω z 2 ω 2 Función coseno hiperbólico. Sea ω R y consideremos la función f(t) =cosh(ωt) = eωt + e ωt. 2 De forma análoga a la anterior se obtiene que siempre que Re z> ω. L[f](z) = z z 2 ω Transformada de la derivada Se dice que la función f E es derivable a trozos si es continua, existen las derivadas laterales de f en cada punto de [, + ) y en cada subintervalo [a, b] [, + ) existen a lo sumo una cantidad finita de puntos donde f no es derivable. Si f es derivable a trozos, definimos f :[, + ) C como f (x) =f+(x) para todo x [, + ). Es claro entonces que f es una función continua a trozos, que coincidirá en casi todos los puntos con la derivada ordinaria. Se tiene entonces el siguiente resultado. Theorem 3 Bajo las condiciones anteriores se verifica para todo z D f L[f ](z) =zl[f](z) f(). (1.5) Proof. Sean z D f y x> yconsideremos <x 1 <x 2 <... < x n 1 <x 1115 Transformada de Laplace lospuntosdediscontinuidaddef en el intervalo (,x) y fijemos x =y x n = x. Entonces, dividiendo el intervalo de integración y utilizando la fórmula de integración por partes nx i e zt f (t)dt = e zt f (t)dt i=1 x i 1 nx nx i = [e zx i f(x i ) e zx i 1 f(x i 1 )] + z e zt f(t)dt x i 1 i=1 = e zx f(x) f() + z e zt f(t)dt. Tomando límites cuando x +, y teniendo en cuenta que z Df y que por tanto existen A, B R, A>, Re z>b,talesque f(x)e zx Ae (B Re z)x si x +, obtenemos inmediatamente (1.5). Procediendo por inducción a partir de la fórmula (1.5) se prueba una fórmula general para la derivada k ésima de la función f en el caso de que f k 1) sea derivable a trozos para k N. Estafórmulavienedadaparatodoz Df por L[f k) ](z) =z k L[f](z) z k 1 f() z k 2 f ()... zf k 2) () f k 1) (), (1.6) donde las derivadas sucesivas de f en se entienden como derivadas por la derecha. Las fórmulas 1.5 y 1.6 serán claves para resolver ecuaciones y sistemas diferenciales lineales con coeficientes constantes, como veremos en el apartado de aplicaciones de este tema. i= Transformada de la integral Sea f E ydefinamos la función g(t) = Z t f(s)ds, que obviamente está bien definida y es continua para todo t [, + ). La relación entre las Transformadas de Laplace de ambas funciones viene dada por el siguiente resultado. Theorem 4 En las condiciones anteriores, para todo z Df {z C :Rez>} se verifica L[g](z) = L[f](z). (1.7) z 1216 Transformada de Laplace Proof. Sea x> yconsideremos =x <x 1 <...<x n 1 <x n = x de manera que f no es continua en x i para 1 i<n. Obviamente g es derivable en (x i,x i+1 ) para 1 i<n. Entonces e zt g(t)dt = = Xn 1 i= n 1 X i= i+1 x i e zt g(t)dt µ g(x i ) e zx i z = g(x) e zx z + 1 z g(x i+1 ) e zx i Xn 1 z z e zt f(t)dt, i= i+1 teniendo en cuenta la continuidad de g y g() =. Vamos a comprobar que lim g(x)e zx =. x i e zt f(t)dt Para ello y dado que f E, existirán reales B y A> de manera que f(t) Ae Bt para todo t. Sea g(x)e zx Bt x Re z e e zx f(t)dt A µ e = Ae x Re z Bx B 1 si x +. B Entonces tomando límites en la expresión anterior obtenemos (??) Transformada de la convolución Sean f,g E ydefinamos f(t) =g(t) =para todo t<. Sedefine la convolución de f y g como la función (f g)(t) = f(t s)g(s)ds = Z t f(t s)g(s)ds. Puede verse con el cambio de variable y = t s que f g = g f. El principal interés de la convolución respecto a la Transformada de Laplace se concreta en el siguiente resultado. Theorem 5 En las condiciones anteriores, para todo z Df D g se verifica la fórmula L[f g](z) =L[f](z)L[g](z). 1317 Transformada de Laplace Proof. En primer lugar, existen números reales B y A i >, i =1, 2, de manera que para todo t se verifica f(t) A 1 e Bt y g(t) A 2 e Bt. Entonces para todo t (f g)(t) = Z t f(t s)g(s)ds Z t Z t A 1 A 2 e Bt ds = A 1 A 2 te Bt, f(t s) g(s) ds con lo que se ve fácilmente que e zt (f g)(t) es absolutamente integrable para todo Re z> B, conloquel[f g](z) existe para todo z con Re z > B. Por otra parte, como las funciones e zt f(t) y e zt g(t) también son absolutamente integrables para todo Re z>b, por el Teorema de Fubini (ver [PiZa, pag. 187]) se tiene que Z t L[f g](z) = e zt f(t s)g(s)ds dt Z t = e z(t s) f(t s)e zs g(s)ds dt = e z(t s) f(t s)e zs g(s)dt ds s = e z(t s) f(t s)dt e zs g(s)ds s = e zu f(u)du e zs g(s)ds = L[f](z)e zs g(s)ds = L[f](z)L[g](z), conloqueterminalaprueba. La demostración de este resultado no la haremos a los alumnos, debido a que pensamos que sus conocimientos le impedirán comprenderla completamente. No obstante la fórmula será bastante útil en las aplicaciones Primer Teorema de Traslación Fijemos un número complejo a yconsideremosf E. El primer teorema de desplazamiento hace referencia a la transformada de la función e at f(t) yafirma lo siguiente. Theorem 6 Bajo las condiciones anteriores L[e at f(t)](z) =L[f](z a) (1.8) 1418 Transformada de Laplace para todo z D f +Rea := {ω +Rea : ω D f }. Proof. Sea e zt e at f(t)dt = lim de donde se deduce inmediatamente (1.8). e (z a)t f(t)dt = e (z a)t f(t)dt, A partir de este resultado podemos obtener las Transformadas de las funciones siguientes: f(t) =e at sin(ωt), ω R, cuya Transformada de Laplace para todo número complejo z tal que Re z>re a es ω L[f](z) = (z a) 2 + ω. 2 f(t) =e at cos(ωt), ω R, cuya Transformada de Laplace para todo número complejo z tal que Re z>re a es z a L[f](z) = (z a) 2 + ω. 2 f(t) =e at sinh(ωt), ω R. SiRe z> ω +Rea, entonces L[f](z) = ω (z a) 2 ω 2. f(t) =e at cosh(ωt), ω R. SiRe z> ω +Rea, entonces f(t) =e at t n con n N. Entonces siempre que Re z>re a. L[f](z) = L[f](z) = z a (z a) 2 ω 2. n! (z a) n Segundo Teorema de Traslación Sea ahora a> un número real y supongamos que f E está definida por f(t) =para todo t<. Recordemos que h a es la función de Heaviside. Entonces tenemos el siguiente resultado. Theorem 7 Bajo las anteriores condiciones se verifica para todo z D f L[h a (t)f(t a)](z) =e az L[f](z). (1.9) 1519 Transformada de Laplace Proof. Tomamos e zt h a (t)f(t a)dt = lim = lim a a x = lim e zt h a (t)f(t a)dt e zt f(t a)dt e z(s+a) f(s)ds = e za e zs f(s)ds, haciendo el cambio de variable s = t a. De aquí se obtiene inmediatamente (1.9). Este resultado es útil para obtener la Transformada de Laplace de funciones continuas a trozos. Por ejemplo consideremos la función ( t si t<1, f(t) = si t 1. Esta función puede describirse como Entonces f(t) =t[h (t) h 1 (t)]. L[f](z) = L[h (t)t](z) L[h 1 (t)t](z) =L[t](z) e z L[t +1](z) = 1 µ 1 z 2 e z z + 1 = 1 z +1 2 e z, z z2 z 2 para todo z C tal que Re z>. 1.4 Propiedades de la función Transformada de Laplace En esta sección estudiamos la propiedades de la función Transformada de Laplace considerándola como una función de variable compleja definida en un semiplano {z C :Rez>x}, x R. Dividimos la sección en tres subsecciones Derivabilidad de la Transformada de Laplace Consideremos una función f E y su Transformada de Laplace L[f] :{z C :Rez>ρ} C. 1620 Transformada de Laplace Theorem 8 Bajo la notación anterior, la función L[f] esholomorfaparatodoz C tal que Re z>ρ yademásseverifica d L[f](z) = te zt f(t)dt. dz En las condiciones del resultado anterior, obtenemos por inducción la fórmula para la derivada n ésima de la Transformada de Laplace d n L[f](z) =( 1)n t n e zt f(t)dt. dzn Claramente la demostración de este resultado no es apropiada para hacerla en clase, pues presupone muchos contenidos que no hemos explicado en la misma. Nos centraremos en que el alumno entienda el resultado y sepa aplicarlo. Por ejemplo, calculando las Transformadas de las siguientes funciones. f(t) =t n sin(at), n N y a R. Se tiene siempre que Re z> la relación µ L[f](z) =( 1) n dn dn a L[sin(at)](z) =( 1)n. dzn dz n z 2 + a 2 f(t) =t n cos(at), n N y a R. Se tiene análogamente siempre que Re z> µ L[f](z) =( 1) n dn dn z L[cos(at)](z) =( 1)n. dzn dz n z 2 + a 2 De forma similar se obtienen fórmulas equivalentes para el coseno y seno hiperbólicos Teoremas del valor inicial Estos resultados hacen alusión a aspectos cualitativos de la Transformada de Laplace de funciones de la clase E. Theorem 9 Sea f E. Entonces lim L[f](z) =. (1.1) Re z + Proof. Sea z Df. Existen números reales A> y B de manera que f(t) AeBt para todo t. Entonces L[f](z) lim = lim e tz f(t) dt A lim A(e x(b Re z 1) B Re z 17 = A Re z B, e t(b Re z) dt21 Transformada de Laplace de donde claramente obtenemos (1.1) al hacer Re z +. Continuamos esta sección con otro resultado que estudia cuestiones cualitativas de la Transformada de Laplace. Theorem 1 Asumamos que f E es derivable a trozos y que f E. Entonces Proof. Sea z Df. Por el Teorema 3 tenemos que lim zl[f](z) =f(). (1.11) Re z + zl[f](z) =f() + L[f ](z). (1.12) Aplicando el Teorema 9 a (1.12) se tiene que lim Re z + L[f ](z) =, de donde se deduce inmediatamente (1.11). Losresultadosanterioresmuestranquenotodaslasfuncionesdevariablecomplejapueden ser Transformadas de Laplace de funciones de E. Por ejemplo, la función 1/ z no puede serlo al tenerse que z =. z lim Re z Teorema del valor final Al igual que los resultados de la sección anterior el Teorema del valor final aporta informacióncualitativadelatransformadadelaplaceenconexióndirectaconlafuncióndelacual es transformada. Theorem 11 Sea f E una función derivable a trozos tal que f E. Supongamos que Df yqueexisteyesfinito lim t + f(t). Entonces Proof. Por el Teorema 3, lim zl[f](z) = lim f(t). z t + zl[f](z) f() = L[f ](z) = e zt f (t)dt. Por el Teorema 8, L[f ](z) es derivable y por lo tanto continua. Entonces lim z L[f ](z) =L[f ]() = lo cual concluye la demostración. 18 f (t)dt = lim f(t) f(), t +22 1.5 Transformada de Laplace inversa Inyectividad de la Transformada de Laplace Transformada de Laplace Al intervenir en la definición de Transformada de Laplace la integración, está claro que puede haber infinitas funciones en E teniendo la misma Transformada, por lo que la ésta no será inyectiva. Sin embargo este problema puede paliarse en parte para así poder hablar de la Transformada inversa de una función holomorfa definida en un semiplano complejo. Como veremos en las aplicaciones del tema, este punto será de vital importancia. Consideremos f :[, + ) C una función localmente integrable. Diremos que f es nula o nula casi por todas partes si para todo x (, + ) se verifica que f(t) dt =. Dos funciones f,g :[, + ) C localmente integrables se dirán iguales casi por todas partes si f g es nula. Se tiene entonces el siguiente resultado. Proposition 12 Sean f,g E iguales casi por todas partes. Entonces L[f](z) =L[g](z) para todo z D f D g. Proof. Sea x> y z D f D g. Por el Teorema del Valor Medio del Cálculo Integral existe ρ (,x) tal que e zt f(t) e zt g(t) dt = e ρ Re z f(t) g(t) dt =. Así L[f](z) L[g](z) = lim lo que termina la demostración. e zt f(t)dt e zt g(t)dt lim e ρ Re z f(t) g(t) dt =, El siguiente resultado establece una especie de recíproco para el resultado anterior. Theorem 13 (Lerch) Sean f,g E tales que L[f](z) =L[g](z) para todo z D f D g. Entonces f y g son iguales salvo a lo mejor en los puntos de discontinuidad de ambas, con lo que además D f = D g. La demostración de este resultado no la haremos en clase y no lo hemos incluido en la lección ya que no puede obtenerse de forma autocontenida con las técnicas que tenemos a nuestra disposición. 1923 Transformada de Laplace Transformada de Laplace inversa Consideremos la función L : E L(E). El Teorema 13 permite definirclasesdeequivalenciaene del siguiente modo. Dadas f,g E se dirá que ambas están relacionadas, f g siysólosisonigualessalvoalosumoenlos puntos de discontinuidad de ambas. Podemos definir entonces la Transformada de Laplace inversa L 1 : L(E) E/ para F L(E) como L 1 [F ]=[f] donde [f] denota la clase de f E de manera que L[f] =F. En general con nuestros alumnos tenderemos a identificar clases con funciones que normalmente podrán ser calculadas. Así diremos que dada F L(E) su Transformada inversa es una función L 1 [F ](t) =f(t) de forma que L[f] =F, aunque está perfectamente claro que tal f no es única. En este contexto, destacamos las siguiente propiedades de Transformada inversa que serán especialmente interesantes a la hora de las aplicaciones. Linealidad. DadasF, G L(E) y α, β C se verifica L 1 [αf + βg](t) =αl 1 [F ](t)+βl 1 [G](t). Traslación.DadaF L(E) y a> se cumple la relación L 1 [e az F (z)](t) =h a (t)l 1 [F ](t a). Convolución. Dadas F, G L(E) se cumple L 1 [FG](t) =(L 1 [F ] L 1 [G])(t). Estas propiedades son particularmente interesantes a la hora de obtener Transformadas inversas de Laplace una vez conocidas las Transformadas directas Fórmula de inversión compleja Aparte de las técnicas estudiadas en el apartado anterior para hallar Transformadas inversas, estudiaremos la siguiente fórmula de inversión compleja. 224 Transformada de Laplace Theorem 14 Supongamos que F (z) es holomorfa en C \{z 1,z 2,..., z n },yqueexisteσ R tal que F es holomorfa en {z C :Rez>σ}. Supongamos además que existen constantes positivas M, R y β tales que F (z) M si z R. (1.13) z β Para t sea nx f(t) = Res(e tz F (z),z i ). Entonces i=1 L[f](z) =F (z) si Re z>σ. Proof. Sea α > σ y consideremos el rectángulo Γ de la figura, suficientementegrandepara que las singularidades de F estén contenidas en su interior y además todo z Γ cumpla la condición z >R. Separamos Γ en la suma de dos caminos cerrados γ 1 y γ 2 divididos por la recta Re z = α. Como las singularidades de F están contenidas en el interior de γ 1,pordefinición de f tenemos que Z e zt F (z)dz =2πif(t). γ 1 Entonces 2πiL[f](z) = lim e zt e Zγ ωt F (ω)dω dt 1 2125 Transformada de Laplace Z = lim γ 1 aplicando el Teorema de Fubini. Por integración directa Z 2πiL[f](z) = lim e (ω z)t F (ω)dt dω, γ 1 e (ω z)x 1 F (ω) ω z dω. Para z fijo en el semiplano Re z > α, eltérminoe (ω z)x converge uniformemente a si x + y el integrando converge a F (ω)/(ω z) en γ 1.Así Z Z Z F (ω) 2πiL[f](z) = γ 1 ω z dω = F (ω) γ 2 ω z dω F (ω) Γ ω z dω Z F (ω) = 2πiF (z) ω z dω. Γ Por otra parte, sea τ(t) =ρe it, t [, 2π] una circunferencia de radio ρ >Ryconteniendo a Γ. Entonces Z Z F (ω) Γ ω z dω = F (ω) τ ω z dω, de donde Z τ F (ω) ω z dω M 2πρ si ρ +. ρ β (ρ R) Así Z F (ω) dω = Γ ω z ycomoα era arbitrario, la fórmula L[f](z) =F (z) es válida para todo Re z>σ. Remarquemos aquí que la condición (1.13) del resultado anterior se cumple para funciones de la forma F (z) =P (z)/q(z) donde P y Q son polinomios tales que deg Q 1+degP, donde deg P denota el grado de P. Así por ejemplo, la Transformada inversa de la función puede calcularse como L 1 [F ](t) = f(t) F (z) = z z 2 +1 = Res(e tz F (z),i)+res(e tz F (z), i) = e it i 2i + e it i 2i =cost. 2226 Capítulo 2 Aplicaciones 2.1 Una primera aproximación al problema La Transformada de Laplace es una herramienta útil para resolver ecuaciones y sistemas de ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes. Como comentamos en la introducción del tema, estas ecuaciones aparecen de forma natural en la teoría de circuitos eléctricos. Para ilustrar el método, consideremos el siguiente ejemplo: la ecuación junto con las condiciones iniciales y + y =cost (2.1) y() = ; y () = 1. (2.2) Básicamente se trata de aplicar la Transformada de Laplace y sus propiedades a (2.1) de manera que teniendo en cuenta (2.2), nuestro problema se convierte en el problema algebraico z 2 L[y](z) zy() y () + L[y](z) = z z 2 +1, de donde L[y](z) = z2 + z +1 (z 2 +1). 2 Una vez obtenida L[y], hemos de usar la Transformada inversa para volver atrás y recuperar la solución del problema y. Enestecaso, L[y] satisface las condiciones del Teorema 14, por lo que y(t) = µ µ Res e tz z2 + z +1 (z 2 +1),i +Res e tz z2 + z +1 2 (z 2 +1), i 2 = (1+t/2) sin t, una vez realizados los cálculos. 2327 Aplicaciones 2.2 Uso de la convolución Otra forma de abordar el problema anterior, sin necesidad de tener que calcular la Transformada de Laplace de la función coseno es la siguiente. Consideremos los cálculos realizados anteriormente, pero sin obtener L[f](z) donde f(t) =cost. Nos quedará entonces la ecuación algebraica z 2 L[y](z) 1+L[y](z) =L[f](z), de donde Entonces L[y](z) = 1 z z 2 +1 L[f](z). y(t) = L 1 [1/(z 2 +1)](t)+L 1 [L[f](z)/(z 2 +1)](t) = sint +(L 1 [L[f](z)] L 1 [1/(z 2 + 1)])(t) = sint + = sint + Z t sin(t s)cossds 1 (cos(2s t)+2s sin t 4 = sint + t sin t =(1+t/2) sin t, 2 que era la solución obtenida anteriormente. Así, el uso del producto de convolución presenta una vía alternativa para la resolución de estos problemas, aunque a veces el cálculo de las integrales que aparecen en el producto de convolución pueden ser bastante complicado. t 2.3 Sistemas de ecuaciones Supongamosquetenemosunsistemadeecuacioneslinealesdelaforma y (t) =A y(t)+f(t) (2.3) donde A es una matriz cuadrada de n filas por n columnas con coeficientes reales, f = (f 1,f 2,..., f n ) t donde f i son funciones dadas e y =(y 1,y 2,..., y n ) t es la función vectorial incógnita. Supongamos además las condiciones iniciales y() = y (2.4) 2428 Aplicaciones donde y =(y 1,y 2,..., y n) t con y i númerosrealespara1 i n. Sea L[y](z) =(L[y 1 ](z), L[y 2 ](z),..., L[y n ](z)) t. Entonces, tomando la Transformada de Laplace en (2.3) y teniendo en cuenta (2.4) obtenemos que zl[y](z) y = A L[y](z)+L[f](z), de donde, si I n denota la matriz identidad, (zi n A) L[y](z) =y + L[f](z), ydeaquí L[y](z) =(zi n A) 1 (y + L[f](z)). (2.5) Una vez calculada de este modo L[y](z) obtendremos y tomando la Transformada inversa. Por ejemplo consideremos el sistema Ã! Ã y = 3 2 y 2!Ã y1 y 2! Ã 1 +! junto con las condiciones iniciales Ã y 1 () y 2 ()! Ã = 2 1!. De (2.5) Ã! L[y 1 ](z) L[y 2 ](z) = = = Ã! 1 Ã! z z 3 z 2 Ã 1 1 z 2 3 z 2 4z +13 Ã! 3 z 2. 2z 2 2 z(z 2 4z+13) z 2 +8z+3 z(z 2 4z+13)!Ã 2z+1 z 1 Entonces la solución del problema viene dada por Ã! Ã y 1 (t) L 1 2z [ 2 2 = ](t)! z(z 2 4z+13) y 2 (t) L 1 [ z2 +8z+3 ](t) z(z 2 4z+13) Ã! = 1 28e 2t cos(3t)+16e 2t sin(3t) e 2t sin(3t) 16e 2t cos(3t)+3! 25 Mostrar más
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