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La Transformada de Laplace

Enviado por Blue J



Partes: 1, 2, 3

  1. Condición suficiente para la existencia de la transformada de Laplace.
  2. Funciones continuas a trozos
  3. Funciones de orden exponencial
  4. Funciones acotadas
  5. Existencia de la transformada
  6. Transformadas de Laplace
  7. Teoremas de traslación
  8. Función de Heaviside
  9. Función Gamma
  10. La transformada inversa de Laplace
  11. Teorema del valor inicial
  12. Teorema del valor final
  13. Teorema Linealidad de la transformada inversa
  14. Teorema Forma inversa del primer teorema de traslación
  15. Forma inversa del segundo teorema de traslación
  16. Ecuaciones Integrales
  17. Sistemas de ecuaciones diferenciales
  18. La transformada de Laplace en Economía
  19. Bibliografía

La transformada de Laplace se define como:

Siendo f(t) una función continua para ; s>0; s>so ; siendo "s" un parámetro real; y so un valor fijo de "s".

La integral impropia se define como:

y se dice que si el límite existe también existe la transformada de Laplace; y decimos que la integral converge.

Se puede representar la actividad de la transformada de Laplace mediante el siguiente esquema:

Ejemplo 1: Obtener la transformada de Laplace de

;para s>a. Resultado.

Ejemplo 2: Obtener la transformada de Laplace de f (t)= t.

aplicando la integración por partes:

L{t} =

  Resultado

Y en general : L{ } =

Condición suficiente para la existencia de la transformada de Laplace.

Como la transformada de Laplace se define en términos de una integral impropia que puede ser divergente, existen funciones para las cuales no existe dicha transformada, incluso hay funciones discontinuas, como la del ejemplo anterior, que pueden tener transformada; entonces, ¿ bajo qué condiciones una funciones tienen transformada de Laplace ?. Antes de dar una respuesta parcial a esta pregunta debemos dar algunas definiciones.

FUNCIONES CONTINUAS A TROZOS:

Decimos que una función es continua a trozos si:

  1. está definida y es continua en todo , salvo en un número finito de puntos , para
  2. Para cada los límites :

existen. Note que, solamente uno de estos límites es pertinente si es uno de los extremos de .

En general, el requisito de que estos límites sean finitos en todos los puntos implica que las únicas discontinuidades de son discontinuidades de salto, del tipo que aparecen en la figura

Intuitivamente podríamos pensar que las funciones continuas a trozos son casi contínuas o que no son demasiado discontínuas.

Otra de las ideas importantes en el estudio de la existencia de la transformada de Laplace es que entendemos porqué una función no crezca demasiado rápido.

FUNCIONES DE ORDEN EXPONENCIAL

Decimos que la función     es de orden exponencial si existen números , y tales que :

para  .

Intuitivamente esto significa que la función esta por debajo de una función exponencial, como se muestra en la figura.

Observación: algunas veces, para verificar que una función es de orden exponencial, conviene calcular el siguiente límite:

para algún valor de . Si es finito, entonces puede ser cualquier número mayor que (y este determina ). Por otro lado, si , no es de orden exponencial.

Ejemplo

Compruebe que es de orden exponencial.

Solución

Para comprobar esto, apliquemos tres veces la regla de L'Hôpital :

para cualquier número positivo . Por lo tanto, si es suficientemente grande , y así es de orden exponencial.

 

Ejemplo

Compruebe que la función es de orden exponencial para cualquier valor de .

Solución

Calculando el límite

siempre y cuando . De donde, para grande.

Observación: no es difícil comprobar que cualquier polinomio de grado o función trigonométrica como Sen(bt), Cos(bt), con constante, son de orden exponencial, así como, las sumas y productos de un número finito de estas funciones. En general, si y son de orden exponencial la suma y el producto son de orden exponencial.

Ejemplo

Compruebe que la función no es de orden exponencial.

Solución

Calculando el límite tenemos que

para cualquier valor de , con lo cual la función no es de orden exponencial.

El siguiente resultado enuncia un resultado que parece obvio.

FUNCIONES ACOTADAS

Sea     una función acotada, entonces es de orden exponencial.

Demostración

Como es acotada para todo . Entonces :

para cualquier , con lo cual es de orden exponencial.

Observación: como y son acotadas, son de orden exponencial.

Una vez definidos los conceptos de función continua a trozos y función de orden exponencial ya estamos listos para enunciar una condición necesaria para la existencia de la transformada de Laplace.

EXISTENCIA DE LA TRANSFORMADA

Sea     una función continua a trozos y de orden exponencial, entonces la transformada de Laplace de existe. Es decir, existe un número tal que existe para .

Demostración

Por ser de orden exponencial existen números no negativos , y tales que , para . Así que:

 

La primera integral

es una integral definida, por tanto existe. Para la segunda integral note que

 

 

 

Ahora, como

siempre y cuando , tenemos que la integral

existe y con ello la transformada.  

Observación: el teorema anterior enuncia una condición suficiente y no necesaria para la existencia de la transformada de Laplace, es decir, puede darse el caso de una función que no cumpla las hipótesis del teorema, pero aún así tenga transformada, como lo muestra el siguiente ejemplo.

  Ejemplo

Compruebe que la transformada

existe, aún cuando no cumple las hipótesis del teorema de existencia anterior.

Solución

Claramente tiene una discontinuidad infinita en , con lo cual no es continua a trozos en el intervalo ; pero ;

 

 

Para calcular esta última integral sea

con lo cual

Ahora note que

 

 

Donde es el cuadrado de lado , que se muestra en la figura. Observe que si y son las regiones que se muestran en la figura entonces:

Con lo cual, tomando el límite

Y así, . Por lo tanto

El siguiente ejemplo muestra una función para la cual no existe la transformada de Laplace.

  Ejemplo


Compruebe que no existe.

 

Solución

Usando la definición

 

Y puesto que la integral impropia

diverge, la transformada no existe.

Observación: la otra integral

es convergente para , pues

La integral

diverge, pues, por el criterio de comparación

para toda , con lo cual ambas integrales convergen o divergen; pero

diverge.

Así como hay tablas de integrales para facilitar la solución de problemas de integración, utilizaremos las tablas de transformadas de Laplace para agilizar la solución de problemas de ecuaciones diferenciales lineales no homogéneas, que en el tema anterior resolvimos por el método de coeficientes indeterminados. A continuación se presentan las transformadas de Laplace más comunes que utilizaremos, en la solución de problemas algebraicos y en los problemas de aplicación.

TRANSFORMADAS DE LAPLACE      

= L {f (t)}=F(s)

FORMULAS

_____________________|____________________________

 ; s>a

  ; s>0

  ; s>0

  ; s>0

  ; s>0

  ; s>a

  ; s>a

Ahora vamos a enunciar algunas propiedades de la transformada.

A ) Linealidad de la transformada

Si y existen entonces:

para cualquier constante real.

Demostración

Es una consecuencia directa de la convergencia de la suma en integrales impropias.

Ejemplo

Calcule .

Solución

Como por la propiedad de linealidad

 

 

 

Con la idea de aplicar la transformada de Laplace a la solución de ecuaciones diferenciales necesitamos calcular la transformada de una derivada.

B ) Transformada de una derivada

Si es contínua a trozos y de orden exponencial en el intervalo , entonces:

Demostración

Integrando por partes

 

 

 


Con un argumento similar podemos demostrar que

 

 

Ejemplo
Use el resultado anterior para calcular

Solución
Haciendo , tenemos que

y de aquí concluimos que :

El siguiente resultado generaliza la transformada de una derivada.

Transformada de una derivada generalizada

Si son continuas a trozos y de orden exponencial en el intervalo , entonces :

 

 

El siguiente teorema trata sobre el efecto que tiene en una transformada la escalación de una función .

C ) Propiedad de cambio de escala

Sea una función continua a trozos y de orden exponencial en , si entonces:

Demostración

Para comprobar esta propiedad basta hacer un cambio de variable,

 

 


Ejemplo
Si :

calcule .

Solución

Usando la propiedad de escalamiento

 

 

Teoremas de traslación

No es adecuado utilizar la definición cada vez que se quiera calcular una transformada, por ejemplo, la integración por partes involucrada al calcular , es bastante tediosa. Por esta razón vamos a enunciar algunos teoremas que ahorran trabajo en el cálculo de este tipo de transformadas.

Si conocemos que , podemos calcular la transformada de como una traslación, de a , como lo enuncia el siguiente teorema

Primer teorema de traslación

Si es un número real y existe, entonces

Donde

Ejemplo

Calcule

Solución

Usando el primer teorema de traslación

 

 

Segundo teorema de traslación

Si y , entonces

Demostración
Usando la definición

 

 

 

 

 

 

Ejemplo
Calcule

Solución
Para poder usar el segundo teorema de traslación debemos completar a

 

 

Como lo muestran los ejemplos anteriores algunas veces es necesario sumar y restar algunos términos con la idea de poder usar el segundo teorema de traslación. Pero existe una forma alternativa que nos evita el tener que hacer esto.

Forma alternativa al segundo teorema de traslación

Sea     una función continua a trozos y de orden exponencial en , entonces

Demostración

Usando la definición

 

 

 

 

 

Ejemplo
Calcule

Solución

Usando la forma alternativa del segundo teorema de traslación

 

 

Teorema  Multiplicación por

Sea     una función continua a trozos y de orden exponencial en , entonces

Ejemplo
Calcule

Solución
Aplicando el teorema anterior para , tenemos que

 

 


El siguiente ejemplo muestra una combinación del primer teorema de traslación y el teorema anterior.

Ejemplo
Calcule

Solución
Primero aplicamos el teorema de multiplicación por y luego el de traslación

 

 

 

Ejemplo
Calcule el valor de la siguiente integral

Solución
Por el teorema de multiplicación por , tenemos que

 

 


De donde obtenemos que

y tomando

Teorema División por

Sea     una función continua a trozos y de orden exponencial en tal que el límite

existe, entonces

Demostración

Sea

entonces aplicando transformada de Laplace a ambos lados tenemos que

Integrando

es decir,

Observación: la constante de integración debe escogerse de forma de tal que .

El siguiente ejemplo muestra una aplicación de este teorema.

Ejemplo
Calcule

Solución

Tenemos que

con lo cual

 

 


Ejemplo
Calcule el valor de la siguiente integral

Solución
Si

entonces

 

 

De donde

y tomando el límite cuando , tenemos que

 

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