Transformada de Laplace

Definição, domínio, inversão, translações, degraus, convolução e resolução de problemas de valor inicial.

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Definição e primeiras transformadas

Para resolver y′′+3y′+2y=e−ty''+3y'+2y=e^{-t} com dados em t=0t=0, a transformada de Laplace vai converter as derivadas numa equação algébrica para Y(s)Y(s), começando pela exponencial do lado direito. A definição é o integral impróprio

F(s)=∫0∞e−stf(t) dt,F(s)=\int_0^{\infty}e^{-st}f(t)\,dt,

para os valores reais de ss em que converge. Se ff é contínua por partes em cada intervalo finito e tem ordem exponencial, isto é, ∣f(t)∣≤Meαt|f(t)|\le Me^{\alpha t} para tt suficientemente grande, a transformada existe para s>αs>\alpha.

Esta condição é apenas suficiente: não significa que a transformada deixe necessariamente de existir para outros valores, por isso o domínio deve ser verificado na função concreta.

Para f(t)=eatf(t)=e^{at},

F(s)=lim⁡R→∞∫0Re−(s−a)tdt=lim⁡R→∞1−e−(s−a)Rs−a.\begin{gathered} F(s)=\lim_{R\to\infty}\int_0^Re^{-(s-a)t}dt\\ =\lim_{R\to\infty}\frac{1-e^{-(s-a)R}}{s-a}. \end{gathered}

O limite é 1/(s−a)1/(s-a) quando s>as>a. Para s=as=a, o integral é ∫0R1 dt=R\int_0^R1\,dt=R; para s<as<a, cresce exponencialmente. Ambos divergem.

Para f(t)=tf(t)=t, usa partes no integral definido: u=tu=t, dv=e−stdtdv=e^{-st}dt. Se s>0s>0, o termo de fronteira te−stte^{-st} tende para zero e fica L{t}=1/s2\mathcal L\{t\}=1/s^2. Repetir partes dá L{tn}=n!/sn+1\mathcal L\{t^n\}=n!/s^{n+1}.

Tabela de consulta

f(t)f(t)F(s)F(s)Região suficiente
111/s1/ss>0s>0
tnt^n, n∈N0n\in\mathbb N_0n!/sn+1n!/s^{n+1}s>0s>0
eate^{at}1/(s−a)1/(s-a)s>as>a
cos⁡(ωt)\cos(\omega t)s/(s2+ω2)s/(s^2+\omega^2)s>0s>0
sin⁡(ωt)\sin(\omega t)ω/(s2+ω2)\omega/(s^2+\omega^2)s>0s>0
cosh⁡(at)\cosh(at)s/(s2−a2)s/(s^2-a^2)s>∣a∣s>\lvert a\rvert
sinh⁡(at)\sinh(at)a/(s2−a2)a/(s^2-a^2)s>∣a∣s>\lvert a\rvert

A transformada é linear: L{af+bg}=aF+bG\mathcal L\{af+bg\}=aF+bG. Em geral, a transformada de um produto não é o produto das transformadas.

Transformada inversa

Reconhece a tabela depois de decompor frações ou completar quadrados. Para

F(s)=3s2−4s+13=3(s−2)2+9,\begin{gathered} F(s)=\frac{3}{s^2-4s+13}\\ =\frac{3}{(s-2)^2+9}, \end{gathered}

reconhecemos e2tsin⁡(3t)e^{2t}\sin(3t), porque o numerador coincide com a frequência 33.

Para 2/(s−3)52/(s-3)^5, usa n=4n=4. Como 4!=244!=24,

L−1{2(s−3)5}=112t4e3t.\mathcal L^{-1}\left\{\frac2{(s-3)^5}\right\} =\frac1{12}t^4e^{3t}.

Esquecer o fatorial ou a frequência altera o resultado. Se F(s)=(s+3)/[(s+1)(s+2)]F(s)=(s+3)/[(s+1)(s+2)], as frações simples dão 2/(s+1)−1/(s+2)2/(s+1)-1/(s+2), logo f(t)=2e−t−e−2tf(t)=2e^{-t}-e^{-2t}.

Translações e degrau unitário

Multiplicar por uma exponencial desloca ss:

L{eatf(t)}=F(s−a).\mathcal L\{e^{at}f(t)\}=F(s-a).

Assim, L{e−2tsin⁡3t}=3/[(s+2)2+9]\mathcal L\{e^{-2t}\sin3t\}=3/[(s+2)^2+9] para s>−2s>-2.

O degrau unitário u(t−a)u(t-a) vale zero antes de aa e um depois. O seu valor exatamente em aa não altera o integral. Para a≥0a\ge0,

L{u(t−a)f(t−a)}=e−asF(s).\mathcal L\{u(t-a)f(t-a)\}=e^{-as}F(s).

É um atraso no tempo. Não confundas f(t)f(t) com f(t−a)f(t-a). Para transformar u(t−2)tu(t-2)t, reescreve t=(t−2)+2t=(t-2)+2:

L{u(t−2)t}=e−2s(1s2+2s).\mathcal L\{u(t-2)t\}=e^{-2s}\left(\frac1{s^2}+\frac2s\right).

Uma função que vale tt até t=1t=1 e 11 depois pode escrever-se f(t)=t−u(t−1)(t−1)f(t)=t-u(t-1)(t-1). A transformada é (1−e−s)/s2(1-e^{-s})/s^2. Também podes obtê-la separando a definição em integrais de 00 a 11 e de 11 a infinito.

Derivadas e integrais

Para a primeira fórmula, supomos ff contínua, derivável por partes, e f,f′f,f' de ordem exponencial. Para a segunda, exigimos também f′f' contínua, derivável por partes, e f′′f'' de ordem exponencial. Para ss suficientemente grande,

L{f′}=sF−f(0)L{f′′}=s2F−sf(0)−f′(0).\begin{gathered} \mathcal L\{f'\}=sF-f(0)\\ \mathcal L\{f''\}=s^2F-sf(0)-f'(0). \end{gathered}

A primeira fórmula vem de partes no integral da definição: integrar e−stf′e^{-st}f' produz o termo de fronteira −f(0)-f(0). Os valores são os do lado t=0+t=0^+.

Se ff tiver saltos, a derivada comum por partes não inclui esses saltos. Não a uses diretamente nesta fórmula como se ff fosse contínua.

Outras propriedades são

L{∫0tf(τ)dτ}=F(s)sL{tf(t)}=−F′(s).\begin{gathered} \mathcal L\bigl\{\int_0^tf(\tau)d\tau\bigr\}=\frac{F(s)}s\\ \mathcal L\{tf(t)\}=-F'(s). \end{gathered}

Por exemplo, de L{cos⁡t}=s/(s2+1)\mathcal L\{\cos t\}=s/(s^2+1) resulta

L{tcos⁡t}=−ddsss2+1=s2−1(s2+1)2.\begin{gathered} \mathcal L\{t\cos t\}=-\frac d{ds}\frac{s}{s^2+1}\\ =\frac{s^2-1}{(s^2+1)^2}. \end{gathered}

Se f(t)/tf(t)/t é integrável perto de zero e as integrações convergem absolutamente para o ss considerado,

L{f(t)/t}=∫s∞F(v) dv.\mathcal L\{f(t)/t\}=\int_s^{\infty}F(v)\,dv.

Para f(t)=sin⁡tf(t)=\sin t, o quociente prolonga-se continuamente em zero. Obtemos L{sin⁡t/t}=∫s∞dv/(v2+1)=π/2−arctan⁡s\mathcal L\{\sin t/t\}=\int_s^{\infty}dv/(v^2+1)=\pi/2-\arctan s, para s>0s>0.

Convolução, impulsos e periodicidade

A convolução é uma nova função,

(f∗g)(t)=∫0tf(τ)g(t−τ) dτ.(f*g)(t)=\int_0^tf(\tau)g(t-\tau)\,d\tau.

Sob as condições usuais de existência, L{f∗g}=F(s)G(s)\mathcal L\{f*g\}=F(s)G(s): é a convolução, não o produto ponto a ponto, que corresponde ao produto das transformadas. Para F(s)=1/[s(s+1)]F(s)=1/[s(s+1)], toma f=1f=1 e g=e−tg=e^{-t}:

(f∗g)(t)=∫0te−(t−τ)dτ=1−e−t.(f*g)(t)=\int_0^te^{-(t-\tau)}d\tau=1-e^{-t}.

É a inversa de 1/[s(s+1)]1/[s(s+1)] sem decompor em frações.

Um impulso ideal em a>0a>0 é representado por δ(t−a)\delta(t-a). O delta de Dirac é uma distribuição, não uma função comum com “valor infinito” num ponto. A propriedade de seleção dá L{δ(t−a)}=e−as\mathcal L\{\delta(t-a)\}=e^{-as}.

Num problema com impulso, aplicamos esta propriedade e a convenção causal das condições iniciais. Por exemplo, y′′+y=δ(t−1)y''+y=\delta(t-1) com y(0)=y′(0)=0y(0)=y'(0)=0 dá (s2+1)Y=e−s(s^2+1)Y=e^{-s}, logo Y=e−s/(s2+1)Y=e^{-s}/(s^2+1). A translação no tempo inverte para y(t)=u(t−1)sin⁡(t−1)y(t)=u(t-1)\sin(t-1).

Antes de t=1t=1, a solução é zero. Depois, oscila como um seno iniciado nesse instante. Derivar por intervalos confirma a equação fora do instante do impulso.

Se ff é periódica de período T>0T>0 e contínua por partes,

F(s)=∫0Te−stf(t)dt1−e−sT,s>0.F(s)=\frac{\int_0^Te^{-st}f(t)dt}{1-e^{-sT}},\qquad s>0.

Dividir o integral em períodos gera uma série geométrica de razão e−sTe^{-sT}. Para a onda que vale 11 em [0,1[[0,1[ e zero em [1,2[[1,2[, repetida com período 22,

F(s)=(1−e−s)/s1−e−2s=1s(1+e−s).F(s)=\frac{(1-e^{-s})/s}{1-e^{-2s}} =\frac1{s(1+e^{-s})}.

Resolver EDOs com Laplace

Para y′′+3y′+2y=e−ty''+3y'+2y=e^{-t}, y(0)=0y(0)=0, y′(0)=1y'(0)=1, escreve Y=L{y}Y=\mathcal L\{y\}. A transformação dá

(s2Y−1)+3sY+2Y=1s+1.(s^2Y-1)+3sY+2Y=\frac1{s+1}.

Logo (s+1)(s+2)Y=1+1/(s+1)=(s+2)/(s+1)(s+1)(s+2)Y=1+1/(s+1)=(s+2)/(s+1), e

Y=1(s+1)2⟹y(t)=te−t.Y=\frac1{(s+1)^2}\quad\Longrightarrow\quad y(t)=te^{-t}.

Temos y′=e−t(1−t)y'=e^{-t}(1-t), y′′=e−t(t−2)y''=e^{-t}(t-2). Substituir dá y′′+3y′+2y=e−ty''+3y'+2y=e^{-t} e confirma as duas condições iniciais.

Com uma força atrasada, y′+y=u(t−2)y'+y=u(t-2) e y(0)=0y(0)=0, obtemos

Y=e−2ss(s+1)⟹y(t)=u(t−2)[1−e−(t−2)].\begin{gathered} Y=\frac{e^{-2s}}{s(s+1)}\\ \Longrightarrow y(t)=u(t-2)[1-e^{-(t-2)}]. \end{gathered}

Antes de 22, a solução é zero. Depois, responde à força aplicada nesse instante. A fórmula de atraso permite resolver sem introduzir constantes diferentes manualmente em cada intervalo.

0126tforça u(t−2)resposta y(t)
Tracejado: força aplicada em t = 2. Contínuo: resposta de y′ + y = u(t−2), com y(0) = 0. A força salta; a resposta mantém-se contínua.

No gráfico, a força salta para um em t=2t=2, mas a resposta parte de zero e cresce para 11: y′=e−(t−2)y'=e^{-(t-2)} e y′+y=1y'+y=1 para t>2t>2. A equação vale por intervalos, com continuidade no instante do salto.

Exercícios

Transformada pela definição

Calcula pela definição L{te−3t}\mathcal L\{te^{-3t}\} e o domínio real de convergência.

Pista

Combina as exponenciais do integrando.

Mais uma pista

Integra te−(s+3)tte^{-(s+3)t} por partes e exige s+3>0.

Solução

Escrevemos k=s+3k=s+3. Se k>0k>0,

∫0Rte−ktdt=[−te−ktk−e−ktk2]0R⟶1k2.\begin{gathered} \int_0^Rte^{-kt}dt=\bigl[-\frac{te^{-kt}}k-\frac{e^{-kt}}{k^2}\bigr]_0^R\\ \longrightarrow\frac1{k^2}. \end{gathered}

Portanto F(s)=1/(s+3)2F(s)=1/(s+3)^2 para s>−3s>-3. Em s=−3s=-3 temos ∫0Rtdt=R2/2\int_0^Rtdt=R^2/2; para s<−3s<-3 o integrando cresce. Não há convergência nesses casos.

Confere a tua resposta:

  • Usei a definição e partes.
  • Obtive 1/(s+3)².
  • Justifiquei s>-3 e a divergência nos restantes valores.

Erros frequentes

O fator te−ktte^{-kt} só desaparece no infinito quando k>0k>0. A expressão racional não confirma sozinha o domínio do integral.

Voltar à explicação
Completar o quadrado para inverter

Calcula L−1{(2s+5)/(s2+2s+5)}\mathcal L^{-1}\{(2s+5)/(s^2+2s+5)\}.

Pista

Completa o quadrado no denominador.

Mais uma pista

O denominador é (s+1)²+4 e o numerador é 2(s+1)+3.

Solução

A fração separa-se em

2s+1(s+1)2+4+322(s+1)2+4.2\frac{s+1}{(s+1)^2+4} +\frac32\frac2{(s+1)^2+4}.

A translação em s corresponde ao fator e−te^{-t}. Assim,

f(t)=2e−tcos⁡2t+32e−tsin⁡2t.f(t)=2e^{-t}\cos2t+\frac32e^{-t}\sin2t.

O fator 3/2 corrige o numerador para a frequência 2 da tabela.

Confere a tua resposta:

  • Completei o quadrado e reescrevi o numerador.
  • Reconheci as duas transformadas.
  • Mantive a exponencial e o coeficiente 3/2.

Erros frequentes

Para o cosseno deslocado, o numerador é s+1, não s. Para o seno, o numerador é a frequência.

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Resposta a uma força atrasada

Resolve com Laplace y′+2y=u(t−1)y'+2y=u(t-1), y(0)=0y(0)=0. Escreve o comportamento antes e depois de t=1.

Pista

A transformada do degrau é e−s/se^{-s}/s.

Mais uma pista

Isola Y e decompõe 1/[s(s+2)].

Solução

A equação transformada é (s+2)Y=e−s/s(s+2)Y=e^{-s}/s. Como 1/[s(s+2)]=(1/2)(1/s−1/(s+2))1/[s(s+2)]=(1/2)(1/s-1/(s+2)), a translação no tempo dá

y(t)=12u(t−1)[1−e−2(t−1)].y(t)=\frac12u(t-1)[1-e^{-2(t-1)}].

Antes de um, y=0y=0. Depois, y=(1−e−2(t−1))/2y=(1-e^{-2(t-1)})/2, e a derivada mais duas vezes a solução é um. A função é contínua no instante de aplicação. A EDO é interpretada por intervalos, pois o dado tem um salto.

Confere a tua resposta:

  • Incluí o atraso na transformada.
  • Fiz as frações simples.
  • Escrevi a solução causal e verifiquei os dois intervalos.

Erros frequentes

A exponencial depois da inversão depende de t−1. Não multipliques e−se^{-s} por uma função de tt antes de inverter.

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