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ÁLGEBRA LINEAL Y
ECUACIONES DIFERENCIALES
FORMACIÓN POR COMPETENCIAS
Transformada de
Laplace
OBJETIVOS
Definir la transformada de Laplace.
Identificar las condiciones para la existencia
de la transformada de Laplace.
Calcular la transformada de Laplace usando
la definición.
Identificar las propiedades a usar para calcular la
transformada de Laplace.
Aplicar los métodos estudiados a diferentes
problemas aplicativos del contexto real.
Definición
Sea 𝒇 una función definida en 𝟎;∞ . La transformada
de Laplace de 𝒇 es la función 𝑭 definida mediante la
integral:
El dominio de 𝑭 está formado por los valores de 𝒔, para los que la integral en (1) existe.
𝑭 𝒔 = 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔) = 𝒆−𝒔𝒕∞
𝟎
𝒇 𝒕 𝒅𝒕 … (𝟏)
• 1
• Determine la transformada de Laplace de
• 𝒇 𝒕 = 𝒆𝟐𝒕
• Solución:
• Usamos la definición (1) de transformada de
Laplace
•
•
𝐅 𝐬 = 𝐞−𝐬𝐭 𝐞𝟐𝐭 𝐝𝐭∞
𝟎
= 𝒆(𝟐−𝒔)𝒕𝒅𝒕∞
𝟎
= −𝒆 𝟐−𝒔 𝒕
(𝟐−𝒔) 𝟎
+∞
=𝟏
(𝒔 − 𝟐)
• Determine la transformada de Laplace de:
• a) 𝒇 𝒕 = 𝒔𝒆𝒏(𝒕)
• b) 𝒇 𝒕 = 𝒕𝟑
• c) 𝒇 𝒕 = 6
Linealidad de la transformada de Laplace
Sean 𝒇𝟏 y 𝒇𝟐 dos funciones cuyas transformada de
Laplace existen para 𝒔 > 𝜶 además sean 𝒂 y 𝒃 dos
constantes, entonces para 𝒔 > 𝜶
ℒ 𝑎𝑓1 𝑡 + 𝑏𝑓2 𝑡 (𝑠) = 𝑎ℒ 𝑓1 𝑡 (𝑠) + 𝑏ℒ 𝑓2 𝑡 (𝑠)
• 1
• Calcule la transformada de Laplace de
• 𝒇 𝒕 = 𝟑𝒆𝟐𝒕 + 𝟓𝒕
• Solución:
Aplicamos la definición de transformada de Laplace y
la linealidad
𝑭 𝒔 = 𝒆−𝒔𝒕 𝟑𝒆𝟐𝒕 + 𝟓𝒕 𝒅𝒕∞
𝟎
= 𝟑 𝒆(𝟐−𝒔)𝒕𝒅𝒕 +∞
𝟎 𝟓 𝒆−𝒔𝒕𝒕𝒅𝒕 +
∞
𝟎
=𝟑
(𝒔−𝟐)+
𝟓
𝒔𝟐
Continuidad por partes o tramos
Una función 𝒇 es continua por partes en un intervalo
finito 𝒂; 𝒃 , si 𝒇 es continua en cada punto de 𝒂; 𝒃
excepto en un número finito de puntos donde 𝒇 tiene
una discontinuidad de salto.
Una función 𝒇 es continua por partes en 𝟎;∞ si 𝒇 es
continua por partes en 𝟎;𝑵 para todo 𝑵 > 𝟎.
• 1
• 1
𝑎 𝑏
Función continua por partes en el intervalo 𝒂, 𝒃
• 3
• 4
• Dada la siguiente función:
• 𝒇 𝒕 = 𝒆−
𝒕
𝟐 𝒔𝒊 𝟐𝒏 < 𝒕 ≤ 𝟐𝒏 + 𝟏 𝟎 𝒔𝒊 𝟐𝒏 + 𝟏 < 𝒕 ≤ 𝟐𝒏 + 𝟐
𝟏 𝒔𝒊 𝒕 > 𝟖
• 𝒏 = 𝟎; 𝟏; 𝟐; 𝟑,….
• Grafique 𝐟
Función de orden exponencial
Una función 𝒇 es de orden exponencial 𝜶, si existen
constantes positivas 𝜶;𝑴 y 𝑻 tal que:
Observación:
Una función 𝒇 es de orden exponencial 𝜶 si:
𝑓(𝑡) ≤ 𝑀𝑒𝛼𝑡 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑡 ≥ 𝑇
lim𝑡→∞
𝑓(𝑡)
𝑒𝛼𝑡= 0
• 1
• Verifique si la función 𝒇 𝒕 = 𝒆𝒕𝟐es de orden
exponencial
• Solución:
• No es de orden exponencial pues si existieran
𝜶 ∈ ℝ, 𝒕𝟎> 𝑴, tales que
• 𝒇 𝒕 < 𝑴𝒆𝜶𝒕 para todo 𝒕 > 𝒕𝟎,
• entonces 𝒆𝒕𝟐−𝜶𝒕 < 𝑀 lo cual es absurdo pues
• 𝒕𝟐 − 𝜶𝒕 → +∞ cuando 𝑡 → +∞.
Condiciones de existencia para la
Transformada de Laplace
Si 𝒇 es una función continua por partes en 𝟎;∞ y de
orden exponencial 𝜶, entonces
𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔) existe para 𝑠 > 𝛼
• 1
• ¿Existe la transformada de Laplace de
𝒇 𝒕 = 𝒕𝟑 ?
Breve tabla de la Transformada de Laplace
𝒇 𝒕 𝑭 𝒔 = 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔) 𝟏 𝟏
𝒔, 𝒔 > 𝟎
𝒆𝒂𝒕 𝟏
𝒔 − 𝒂, 𝒔 > 𝒂
𝒕𝒏, 𝒏 = 𝟏; 𝟐;… 𝒏!
𝒔𝒏+𝟏, 𝒔 > 𝟎
𝒔𝒆𝒏 𝒂𝒕 𝒂
𝒔𝟐 + 𝒂𝟐, 𝒔 > 𝟎
𝒄𝒐𝒔(𝒂𝒕) 𝒔
𝒔𝟐 + 𝒂𝟐, 𝒔 > 𝟎
𝒔𝒆𝒏𝒉(𝒂𝒕) 𝒂
𝒔𝟐 − 𝒂𝟐, 𝒔 > 𝒂
𝒄𝒐𝒔𝒉(𝒂𝒕) 𝒔
𝒔𝟐 − 𝒂𝟐, 𝒔 > 𝒂
Ejercicios
Use las fórmulas para obtener la transformada de
Laplace de las siguientes funciones:
a) 𝒇 𝒕 = 𝒕𝟔
b) 𝒇(𝒕) = (𝒕 − 𝟐)𝟐
c) 𝒇(𝒕) = 𝒔𝒆𝒏𝟐(𝒕)
Solución:
Propiedades de la Transformada de
Laplace
Teorema 1:Traslación en 𝐬 (Primer teorema de
traslación)
Si 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔)=𝑭 𝒔 existe, entonces para 𝒔 > 𝜶
𝓛 𝒆𝒂𝒕𝒇 𝒕 𝒔 = 𝑭 𝒔 − 𝒂 para 𝑠 > 𝛼 + 𝑎
• 1
• Determine: 𝓛 𝒆𝟒𝒕𝒕𝟑
Teorema 2: Derivada de la Transformada de
Laplace
Si 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔)=𝑭 𝒔 existe, entonces para 𝒔 > 𝜶
𝓛 𝒕𝒏𝒇 𝒕 𝒔 = (−𝟏)𝒏𝒅𝒏
𝒅𝒔𝒏𝑭 𝒔
• 1
• Determine: ℒ 𝑡2𝑠𝑒𝑛(𝑡)
Teorema 3: Transformada de Laplace de la
integral
Si 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔)=𝑭 𝒔 existe, entonces para 𝒔 > 𝜶
𝓛 𝒇 𝒖 𝒅𝒖𝒕
𝟎
𝒔 =𝑭(𝒔)
𝒔
• 1
• Determine: 𝓛 𝒆−𝟐𝒖𝒖𝒕
𝟎𝒔𝒆𝒏(𝒖)
Teorema 4: Transformada de Laplace de 𝒇(𝒕)
𝒕
Si 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔)=𝑭 𝒔 existe, entonces para 𝑠 > 𝛼
𝓛𝒇(𝒕)
𝒕𝒔 = 𝑭 𝒖 𝒅𝒖
∞
𝒔
• 1
• Determine: 𝓛𝒔𝒆𝒏(𝒕)
𝒕
Teorema 5:Transformada de Laplace de la
derivada
Si 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔)=𝑭 𝒔 existe y 𝒇′(𝒕) continua por
tramos por partes en 𝟎,∞ y de orden
exponencial 𝜶, entonces para 𝒔 > 𝜶, entonces:
𝓛 𝒇′ 𝒕 𝒔 = 𝒔𝑭 𝒔 − 𝒇(𝟎)
• 1
• Aplique la transformada de Laplace al P.V.I
• 𝒚′ − 𝒚 = 𝒔𝒆𝒏𝒕
𝒚 𝟎 = 𝟎
Forma general de la Transformada de Laplace
de la derivada
Sean 𝒇 𝒕 ; 𝒇′ 𝒕 ; 𝒇′′ 𝒕 ; … ; 𝒇 𝒏−𝟏 (𝒕) continuas en 𝟎;∞
y sea 𝒇 𝒏 (𝒕) continua por partes en 𝟎;∞ , con todas
estas funciones de orden exponencial 𝜶, entonces
para 𝒔 > 𝜶,
𝓛 𝒇(𝒏) 𝒕 𝒔 = 𝒔𝒏𝑭 𝒔 − 𝒔𝒏−𝟏𝒇 𝟎 − 𝒔𝒏−𝟐𝒇′ 𝟎 −⋯− 𝒔𝒇 𝒏−𝟐 𝟎 − 𝒇 𝒏−𝟏 𝟎
𝒅𝒐𝒏𝒅𝒆 𝓛 𝒇 𝒕 (𝒔)=𝑭 𝒔
Ejercicios
Determine la transformada de Laplace de las
siguientes funciones:
a) 𝒇 𝒕 = 𝒆−𝟐𝒕𝐜𝐨𝐬(𝟒𝒕)
𝐛) 𝒇 𝒕 = 𝒆𝟒𝒕𝒕 𝒆−𝟒𝒖𝒔𝒆𝒏(𝟑𝒖)
𝒖𝒅𝒖
𝒕
𝟎
Solución:
Bibliografía
2. Differential Equations For Engineers – Wei Chau Xie
3. Fundamentals of Differential Equations – Nagle,Kent; Saff, Edward; Snider, Arthur
1. Ecuaciones diferenciales con aplicaciones de modelado-
Dennis G. Zill
4. Ecuaciones diferenciales con aplicaciones – Jaime
Escobar A.