A Transformada de Laplace

Definições e Propriedades

Uma transformada integral é uma transformação do tipo \(f(t)\rightarrow F(s)\) obtida da seguinte forma

$$
F(s)=\int_{\alpha}^{\beta}K(s,t)f(t)dt.
$$

Dizemos que \(F\) é a transformada de \(f\), \(K\) é o núcleo da transformação. Se tomarmos o núcleo como \(K(s,t)=\text{e}^{-st}\) obtemos uma transformação particular, denominada a transformada de Laplace, definida por

(1)

$$
L\{f(t)\}=F(s)=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}f(t)dt.\label{eq51}
$$

(1) Consulte o Apêndice para uma revisão sobre métodos de integração.

\(F(s)\) é denominada a de transformada de Laplace da função \(f(t)\). Estas transformadas permitem a elaboração de um método muito útil na solução de equações diferenciais com valores iniciais que surgem em diversos contextos da matemática aplicada à física e engenharia. Para estudar este método faremos antes uma revisão sobre as integrais impróprias1.

Definição Uma integral é dita imprópria quando o integrando não é limitado dentro dos limites de integração ou quando o domínio de integração não é limitado. O último caso será de especial importância para nosso estudo das transformadas de Laplace. Precisaremos resolver integrais como a usada em (1). Estas integrais são definidas por meio de um limite:

$$
\int_{a}^{\infty}f(t)dt=\lim_{A\rightarrow\infty}\int_{a}^{A}f(t)dt.
$$
Se o limite existe dizemos que a integral converge. Caso contrário ela diverge.

Exemplo 1. Vamos calcular a seguinte integral imprópria, onde \(r\) é uma constante real:

$$
\int_{0}^{\infty}\text{e}^{rt}dt=\lim_{A\rightarrow\infty}\int_{0}^{A}\text{e}^{rt}dt=\lim_{A\rightarrow\infty}\frac{\text{e}^{rt}}{r}|_{0}^{A}=\lim_{A\rightarrow\infty}\frac{1}{r}(\text{e}^{rA}-1).
$$
Vemos, portanto, que a integral pode convergir ou divergir, dependendo do sinal de \(r\):
$$
\int_{0}^{\infty}\text{e}^{ll}dt=\left\{
\begin{array}{ll} -1/r & \text{ (converge) se } \; r\lt 0, \\
\infty & \text{(diverge) se } \; r\geq 0.\\
\end{array}
\right.
$$
Observe que, se \(r=0\) temos \(\lim_{A\rightarrow\infty}\int_{0}^{A}dt=\infty\), ou seja, a integral diverge.

Exemplo 2. Para resolver a integral
$$
\int_{1}^{\infty}t^{-r}dt
$$
temos que distinguir dois casos. Se \(r=1\) temos

$$
\int_{1}^{\infty}\frac{dt}{t}=\lim_{A\rightarrow\infty}\ln A=\infty;
$$
Caso contrário, para \(r\neq1\),

$$
\int_{1}^{\infty}t^{-r}dt=\lim_{A\rightarrow\infty}\int_{1}^{A}t^{-r}dt=\lim_{A\rightarrow\infty}\frac{1}{1-r}(A^{1-r}-1)=
$$
$$
=\left\{
\begin{array}{ll} \infty, & r<1, \\ 1/(r-1), & r>1.
\end{array}\right.
$$

Resumindo,
$$
\int_{1}^{\infty} t^{-r}dt = \left\{
\begin{array}{l} \text{ converge se } \; r\leq1, \\
\text{ diverge se } \; r \gt 0.\\
\end{array}
\right.
$$

Como veremos, as transformadas de Laplace são particularmente importantes na solução de equações diferenciais que involvem funções descontínuas ou com derivadas descontínuas. Estas descontinuidades geralmente aparecem nas funções de entrada, a parte não homogênea das equações lineares, e podem representar, por exemplo, um efeito que é ligado e desligado sobre o sistema estudado ou uma ação externa que atua em um intervalo de tempo finito. Matematicamente as transformadas podem ser aplicadas à funções que envolvem um número finito de descontinuidades na região de interesse. A seguinte definição será útil:

Definição Uma função \(f(t)\) é seccionalmente contínua, ou contínua por partes, no intervalo \(\alpha\leq t\leq\beta\) se existir uma partição do intervalo \(\alpha=t_{0}\leq t_{1}\leq\cdots\leq t_{n}=\beta\) de forma que \(f\) é contínua em cada subintervalo aberto \(t_{i}\leq t\leq t_{i+1}\), além de possuir limite finito nas fronteiras de cada subintervalo. Isto equivale a dizer que \(f\) é uma função com um número finito de descontinuidades. Observe que, se \(f(t)\) é seccionalmente contínua no intervalo \(a\leq t\leq A\), então \(\int_{a}^{A}f(t)dt\) é finita para qualquer valor de \(A\), ainda que a integral imprópria \(\int_{a}^{\infty}f(t)dt\) possa divergir. O seguinte teorema fornece um teste de convergência.

Teorema 1. Seja \(f(t)\) uma função seccionalmente contínua para \(t\geq a,\; g(t)\) outra função qualquer, e \(M\) uma constante positiva. Então

(i) se \(|f(t)|\leq g(t) \text{ para } t\geq M \text{ e } \int_{M}^{\infty}g(t)dt \;\;\text{ converge então }\;\; \int_{a}^{\infty}f(t)dt\) converge.

(ii) se \(f(t)\geq g(t)\geq 0 \text{ para } t\geq M \text{ e } \int_{M}^{\infty}g(t)dt\;\;\text{ diverge então }\;\; \int_{a}^{\infty}f(t)dt\) diverge.

Teorema 2. Seja \(f(t)\) uma função seccionalmente contínua no intervalo \(0\leq t\leq A\) para qualquer \(A\) positivo. Se \(|f(t)|\leq K\text{e}^{at}\) quando \(t\geq M\), onde \(K\) e \(M\) são constantes positivas e \(a\) uma constante real qualquer então a integral definida pela expressão (1) converge e existe a transformada de Laplace \(F(s)=L\{f(t)\}\).

Demonstração Buscamos mostrar a convergência da integral

$$
\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}f(t)dt=\int_{0}^{M}\text{e}^{-st}f(t)dt+\int_{M}^{\infty}\text{e}^{-st}f(t)dt.
$$
A primeira integral é convergente pois \(f\) é seccionalmente contínua. Como, por hipótese, temos que \(|f(t)|\leq K\text{e}^{at}\) então

$$
|\text{e}^{-st}f(t)|\leq K\text{e}^{-st}\text{e}^{at}=K\text{e}^{(a-s)t}
$$
e a segunda integral

$$
\int_{M}^{\infty}\text{e}^{-st}f(t)dt\leq K\int_{M}^{\infty}\text{e}^{(a-s)t}dt
$$
que converge quando \(a \lt s\), como foi mostrado no exemplo 1. Pelo teorema 1, \(\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}f(t)dt\) converge.

Funções que satisfazem as condições do teorema 2 são seccionalmente contínuas e ditas funções de ordem exponencial. Trataremos apenas destas funções neste capítulo. Mostraremos a seguir alguns exemplos de funções que possuem transformadas de Laplace.

Exemplo 3. A transformada de \(f(t)=1\), \(t\geq0\), é

$$
L\{1\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}dt=\lim_{A\rightarrow\infty}\frac{1}{s}(1-\text{e}^{-sA})=\frac{1}{s},\;\text{ se }\;s\gt 0.
$$

Exemplo 4. A transformada de \(f(t)=t,\; t\geq0\):
$$
L\{t\}=\int_{0}^{\infty}t\text{e}^{-st}dt=\lim_{A\rightarrow\infty}t\text{e}^{-st}|_{0}^{A}-\frac{1}{s}\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}dt=
$$
$$
=\lim_{A\rightarrow\infty}-\frac{1}{s^{2}}(\text{e}^{-st})|_{0}^{A}=\frac{1}{s^{2}},\;\text{ se }\;s\gt 0.
$$

Exemplo 5. Já calculamos a transformada de \(f(t)=\text{e}^{at}, \; t\geq0\):
$$
L\{\text{e}^{at}\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}\text{e}^{at}dt=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{(a-s)t}dt=\frac{1}{s-a},\;\text{ se }\;s\lt a.
$$

Exemplo 6. A transformada de \(f(t)=\text{sen }at,\; t\geq 0\), é:

$$
F(s)=L\{\text{sen }at\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}\text{sen }atdt=\lim_{A\rightarrow\infty}\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}\text{sen }atdt.
$$
Integrando por partes temos

$$
\left.F(s)=\lim_{A\rightarrow\infty}\left[\frac{-\text{e}^{-st}\cos at}{a}\right|_{0}^{A}-\frac{s}{a}\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}\cos atdt\right]=
$$

$$
=\frac{1}{a}-\frac{s}{a}\lim_{A\rightarrow\infty}\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}\cos atdt.
$$
Avaliando a integral restante, novamente por partes,

$$
\left.F(s)=\frac{1}{a}-\frac{s}{a}\lim_{A\rightarrow\infty}\left[\frac{-\text{e}^{-st}\text{sen }at}{a}\right|_{0}^{A}+\frac{s}{a}\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}\text{sen }atdt\right],
$$
obtemos, portanto,
$$
F(s)=\frac{1}{a}-\frac{s^{2}}{a^{2}}F(s)\Rightarrow L\{\text{sen }at\}=\frac{a}{a^{2}+s^{2}}.
$$

Antes de passar para mais um exemplo observaremos que a transformada de Laplace é um operador linear, pois:

$$
L\{c_{1}f_{1}+c_{2}f_{2}\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}(c_{1}f_{1}+c_{2}f_{2})dt=
$$

$$
c_{1}\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}f_{1}dt+c_{2}\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}f_{2}dt=c_{1}L\{f_{1}\}+c_{2}L\{f_{2}\}.
$$

Exemplo 7. Podemos encontrar as transformada das funções seno e cosseno de modo mais simples usando a linearidade da transformada e a transformada da exponencial encontrada no exemplo 5:

$$
L\{\text{e}^{iat}\}=\frac{1}{s-ia}=\frac{s+ia}{(s-ia)(s+ia)}=\frac{s+ia}{s^{2}+a^{2}}.
$$
Por outro lado, pela linearidade da transformação,
$$
L\{\text{e}^{iat}\}=L\{\cos at+i\text{sen }at\}=L\{\cos at\}+iL\{\text{sen }at\}.
$$
Identificando as partes real e imaginária das equações temos

$$
L\{\cos at\}=\frac{s}{a^{2}+s^{2}},
$$

$$
L\{\text{sen }at\}=\frac{a}{a^{2}+s^{2}}.
$$

Para considerar o uso das transformadas de Laplace para a solução de equações diferenciais com valores de contorno definidos precisaremos encontrar a transformada das derivadas de uma função. Disto trata o teorema seguinte.

Teorema 3. Seja \(f\) uma função contínua com derivada \(f^{\prime}\) seccionalmente contínua no intervalo \(0\leq t\leq A\), satisfazendo \(|f(t)|\leq K\text{e}^{at} \text{ para } t\geq M\) (uma função de ordem exponencial). Então \(L\{f^{\prime}(t)\}\) existe e dada por
$$
L\{f^{\prime}(t)\}=sL\{f(t)\}-f(0).
$$
Demonstração. A transformada da derivada, por definição, é
$$
L\{f^{\prime}(t)\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}f^{\prime}(t)dt.
$$
Vamos denotar por \(t_{1},\,t_{2}, \ldots, \, t_{n}\) os pontos onde \(f^{\prime}\) é descontínua no intervalo \(0\leq t\leq A\). Dai
$$
\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}f^{\prime}(t)dt=\int_{0}^{t_{1}}\text{e}^{-st}f^{\prime}(t)dt+\int_{t_{1}}^{t_{2}}\text{e}^{-st}f^{\prime}(t)dt+\ldots+\int_{t_{n}}^{A}\text{e}^{-st}f^{\prime}(t)dt.
$$
Cada uma das integrais pode ser resolvida por partes, fazendo
$$
u=\text{e}^{-st},\,\,\,du=-s\text{e}^{-st}dt;\,\,\,dv=f^{\prime}dt,\,\,\,v=f.
$$
Assim
$$
\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}f^{\prime}(t)dt=\text{e}^{-st}f|_{0}^{t_{1}}+\text{e}^{-st}f|_{t_{1}}^{t_{2}}+\ldots+\text{e}^{-st}f|_{t_{n}}^{A}+
$$
$$
s\int_{0}^{t_{1}}\text{e}^{-st}f(t)dt+s\int_{t_{1}}^{t_{2}}\text{e}^{-st}f(t)dt+\ldots+s\int_{t_{n}}^{A}\text{e}^{-st}f(t)dt.
$$
Como \(f\) é contínua o primeiro grupo de somas resulta simplesmente em \(\text{e}^{-st}f|_{0}^{A}\) enquanto a soma das integrais pode ser escrita como a integral sobre todo o domínio \(0\leq t\leq A\). Resulta, portanto, que

$$
\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}f^{\prime}(t)dt=s\int_{0}^{A}\text{e}^{-st}f(t)dt+\text{e}^{-st}f|_{0}^{A}.
$$
O teorema fica demonstrado quando tomamos o limite \(A\rightarrow\infty\), lembrando que \(f\) é uma função de ordem exponencial.

Como consequência direta deste teorema podemos calcular a transformada da derivada segunda de uma função.

Corolário. Se \(f^{\prime} \text{ e } f^{\prime\prime} \) satisfazem as condições do teorema 3, então
$$
L\{f^{\prime\prime}(t)\}=sL\{f^{\prime}(t)\}-f^{\prime}(0)=s[sL\{f(t)\}-f(0)]-f^{\prime}(0),
$$
ou seja,

$$
L\{f^{\prime\prime}(t)\}=s^{2}L\{f(t)\}-sf(0)-f^{\prime}(0).
$$

Generalizando este procedimento podemos encontrar as transformadas de derivadas de qualquer ordem. Se \(f,\,f^{(1)},\ldots,\,f^{(n-1)}\) são funções contínuas e \(f^{(n)}\) seccionalmente contínua, todas elas de ordem exponencial, então

$$
L\{f^{(n)}(t)\}=s^{n}L\{f(t)\}-s^{n-1}f(0)-\ldots-sf^{(n-2)}(0)-f^{(n-1)}(0).
$$

Exemplo 8. Podemos usar o teorema 3 para calcular a transformada de funções se conhecemos a transformada de sua derivada. Por exemplo fazemos

$$
f(t)=t^{2},\,\,f^{\prime}(t)=2t,\,\,f(0)=0,
$$
no teorema para obter

$$
L\{2t\}=sL\{t^{2}\}\Rightarrow L\{t^{2}\}=\frac{2}{s^{3}}.
$$
De modo similar temos que

$$
L\{3t^{2}\}=sL\{t^{3}\}\Rightarrow L\{t^{3}\}=\frac{3!}{s^{4}}.
$$
Podemos mostrar por indução que

$$
L\{t^{n}\}=\frac{n!}{s^{n+1}},
$$
para \(n\) inteiro positivo.

Exemplo 9. Embora já tenhamos encontrado as transformadas das funções seno e cosseno podemos usar uma forma alternativa para encontrar suas transformadas através do corolário do teorema 3. Na equação

$$
L\{f^{\prime\prime}(t)\}=s^{2}L\{f(t)\}-sf(0)-f^{\prime}(0)
$$
fazemos \(f(t)=\cos at\) e, portanto, \(f(0)=1\), \(f^{\prime}(0)=0\) para obter

$$
-a^{2}L\{\cos at\}=s^{2}L\{\cos at\}-s\Rightarrow L\{\cos at\}=\frac{s}{s^{2}+a^{2}}.
$$
Procedimento análogo nos leva à transformada da função seno.

Para a utilização destas transformadas na solução de equações diferenciais necessitamos ainda definir a transformada inversa de Laplace. Se \(L\{f(t)\}=F(s)\) então chamamos \(f(t)\) a transformada inversa de \(F(s)\) e denotamos

$$
L^{-1}\{F(s)\}=f(t).
$$
O problema geral de encontrar transformadas inversas é bem definido mas involve a teoria de funções de variáveis complexas e não será aqui considerado. No entanto é possível mostrar que existe uma relação biunívoca entre as funções e suas transformadas e a transformada inversa é também um operador linear. Se \(F(s)\) é composto pela soma de \(n\) funções

$$
F(s)=F_{1}(s)+F_{2}(s)+\cdots+F_{n}(s)
$$
e as transformadas de cada uma das \(n\) funções são conhecidas

$$
f_{1}(t)=L^{-1}\{F_{1}(s)\},\cdots,f_{n}(t)=L^{-1}\{F_{n}(s)\}
$$
então

$$
L^{-1}\{F(s)\}=L^{-1}\{F_{1}(s)\}+\cdots+L^{-1}\{F_{n}(s)\}=f_{1}(t)+\cdots+f_{n}(t).
$$
Alem disto, se \(a\) é uma constante qualquer, então

$$
L^{-1}\{aF(s)\}=af(t).
$$
Portanto, para encontrar a transformada inversa de uma função nos a transformaremos até que ela possa ser reconhecida como a transformada de alguma função conhecida, como mostrado nos exemplos a seguir. Algumas transformadas mais usuais e propriedades estão listadas no final deste capítulo.

Exemplo 10. Procuramos a transformada inversa da função

$$
F(s)=\frac{3s+1}{s^{2}+9}.
$$
Esta função pode ser reescrita como

$$
F(s)=\frac{3s}{s^{2}+9}+\frac{1}{3}\frac{3}{s^{2}+9}.
$$
Lembrando, ou olhando na tabela, que as transformadas do seno e cosseno são

$$
L\{\text{sen }at\}=\frac{a}{s^{2}+a^{2}},\,\,\,\,L\{\cos at\}=\frac{s}{s^{2}+a^{2}}
$$
temos que

$$
f(t)=L^{-1}\left\{ \frac{3s}{s^{2}+9}+\frac{1}{3}\frac{3}{s^{2}+9}\right\} =3\cos3t+\frac{1}{3}\text{sen }3t.
$$

Exemplo 11. Vamos encontrar a transformada inversa da função

$$
F(s)=\frac{s+3}{s^{2}+3s+2}.
$$
Devemos expressar esta função como soma de funções que são transformadas conhecidas e dai obter a transformada inversa. Notando que as raizes do denominador são \(-1\) e \(-2\) escrevemos \(s^{2}+3s+2=(s+1)(s+2)\) e decompomos \(F\) em termos de frações parciais

$$
F(s)=\frac{s+3}{(s+1)(s+2)}=\frac{a}{(s+1)}+\frac{b}{(s+2)}=\frac{a(s+2)+b(s+1)}{(s+1)(s+2)}.
$$
\(a\) e \(b\) constantes. Para que o numerador seja o mesmo devemos ajustar \(a\) e \(b\):
$$
\left.(a+b)s+2a+b=s+3\Rightarrow
\begin{array}{c}a+b=1 \\ 2a+b=3 \\ \end{array}
\right\} \Rightarrow\begin{array}{c} a=2 \\ b=-1 \\ \end{array}
$$
ou seja

$$
F(s)=\frac{2}{(s+1)}-\frac{1}{(s+2)}.
$$
A transformada inversa procurada é

$$
f(t)=L^{-1}\{F(s)\}=2L^{-1}\left\{ \frac{1}{s+1}\right\} -L^{-1}\left\{ \frac{1}{s+2}\right\} .
$$
Lembrando que a transformada de \(L\{\text{e}^{at}\}=1/(s-a)\) e, portanto
$$
L^{-1}\left\{ \frac{1}{s-a}\right\} =\text{e}^{at},
$$
temos

$$
f(t)=L^{-1}\left\{ \frac{s+3}{s^{2}+3s+2}\right\} =2\text{e}^{-t}-\text{e}^{-2t}.
$$

Exercícios 1

1. Calcule as transformadas de Laplace das funções

a. \(t^{2}-2\) b. \(a+bt+ct^{2}\) c. \(4t^{3}+t^{2}\)
d. \(\text{e}{}^{at+b}\) e. \(a\cos2t\) f. \(\cos^{2}t\)
g. \(\text{sen }2t\) h. \(\text{e}^{-2t}\cos t\) i. \(2\cos(\omega t+\delta)\)
j. \(C\text{e}^{-at}\text{sen }(\omega t+\delta)\) k. \(e ^{-t}\cos^{2}t\) l. \(\cosh at\)
m. \(\text{senh}at\) n. \(3\cosh^{2}at\).

2. Encontre as transformadas inversas de

a. \(\frac{3}{s+2}\) b. \(\frac{1}{s^{2}+9}\)
c. \(\frac{2s+1}{s^{2}-4}\) d. \(\frac{3s-2}{s^{2}+1}\)
e. \(\frac{1}{s^{n}},n=1,2,\ldots\) f. \(\frac{1}{s^{2}-16}\)
g. \(\frac{1}{s^{2}+3s}\) h. \(\frac{1}{(s-a)(s-b)}\)
i. \(\frac{a_{1}}{s}+\frac{a_{2}}{s^{2}}+\ldots+\frac{a_{n}}{s^{n}}\) j. \(\frac{s}{s^{2}+2s-3}\)
k. \(\frac{1}{s^{2}+s-20}\) l. \(\frac{1}{s^{2}(s+4)}\)
m. \(\frac{s-1}{s^{2}(s^{2}+1)}\) n. \(\frac{s}{s(s^{2}+4)(s+2)}\)
o. \(\frac{1}{s^{4}-9}\) p. \(\frac{1}{(s^{2}+1)(s^{2}+4)}\)
q. \(\frac{6s+3}{(s^{2}+1)(s^{2}+4)}\)

3. Mostre que

a. \(L\{\cosh at\,\cos at\}=\frac{s^{3}}{s^{4}+4a^{4}}\) b. \(L\{\text{senh }at\,\text{sen }at\}=\frac{2a^{2}s}{s^{4}+4a^{4}}\)
c. \(L\{\cosh at\,\text{sen }\,at\}=\frac{as^{2}+2a^{3}}{s^{4}+4a^{4}}\) d. \(L\{\text{senh }at\,\cos at\}=\frac{as^{2}-2a^{3}}{s^{4}+4a^{4}}\)

4. Mostre que, se existe a transformada \(L\{f(t)\}=F(s)\), então

a. \(L\{f(at)\}=\frac{1}{a}F\left(\frac{s}{a}\right), \text{ para } a\gt 0\).

b. \(L^{-1}\{F(ks)\}=\frac{1}{k}F\left(\frac{t}{k}\right)\), para \(k\gt 0\).

c. \(L^{-1}\{F(as+b)\}=\frac{1}{a}\text{e}^{-bt/a}F\left(\frac{t}{a}\right), \text{ para } a \text { e } b\) constantes, \(a\gt 0\).

5. Supondo conhecida apenas \(L\{\cos at\}\) encontre \(L\{\text{sen }at\}\) usando o teorema 3.


Algumas Soluções

1.a \(\frac{2}{s^{3}}-\frac{2}{s}\) 1.c \(\frac{24}{s^{2}}+\frac{2}{s^{3}}\)
1.e \(\frac{as}{s^{2}+4}\) 1.f \(\frac{s^{2}+2}{s(s^{2}+4)}\)
1.h \(\frac{s+2}{s^{2}+4s+5}\) 1.i \(\frac{2s\cos\theta-2\omega\text{sen }\theta}{s^{2}+\omega^{2}}\)
1. k \(\frac{1}{2s+2}+\frac{s+1}{2s^{2}+4s+10}\) 1.m \(\frac{3s}{2s^{2}-8a^{2}}+\frac{3}{2s}\)
2.b \(\frac{1}{3}\text{sen }3t\) 2.d \(3\cos t-2 \text{sen }t\)
2.f \(\frac{1}{4}\text{senh }4t\) 2.h \((\text{e}^{at}-\text{e}^{bt})/(a-b)\)
2.j \(\frac{3}{4}\text{e}^{-3t}+\frac{1}{4}\text{e}^{t}\) 2.l \(\frac{t}{4}-\frac{1}{8}\text{sen }2t\)
2.n \(-\frac{1}{4}\text{e}^{-2t}+\frac{1}{4}\cos2t+\frac{1}{4}\text{sen }2t\) 2.p \(\frac{1}{3}\text{sen }t-\frac{1}{6}\text{sen }2t\)

O Problema de Valor Inicial

Queremos resolver agora um problema de contorno do tipo

$$
y^{\prime\prime}+ay^{\prime}+by=r(t),\,\,\,\,y(0)=y_{0},\,\,\,\,y^{\prime}(0)=y_{0}^{\prime}.
$$
Caso os valores de contorno não estejam definidos no ponto \(x_{0}=0\) basta fazer uma translação do eixo de coordenadas colocando o contorno na origem das coordenadas. Se a função \(r(x)\) é de ordem exponencial possuindo, portanto, transformada de Laplace bem definida admitiremos que a solução \(y(t)\) é também de ordem exponencial e que suas derivadas satisfazem as condições do teorema 3 e seu corolário. Tomamos a transformada de ambos os lados da equação acima,

$$
L\{y^{\prime\prime}+ay^{\prime}+by\}=L\{r(t)\},
$$
para obter, pela linearidade da transformação,

$$
L\{y^{\prime\prime}\}+aL\{y^{\prime}\}+bL\{y\}=L\{r(t)\}.
$$
Denotando por \(R(s)=L\{r(t)\}\) e \(Y(s)=L\{y(t)\}\), temos

$$
s^{2}Y-sy(0)-y^{\prime}(0)+saY-ay(0)+bY=R\Rightarrow
$$

$$
Y(s)=\frac{R+(s+a)y_{0}+y_{0}^{\prime}}{s^{2}+sa+b}.
$$
\(Y(s)\) representa a transformada da solução procurada, já incorporadas as condições de contorno. O próximo passo é o de encontrar a transformada inversa, representada pela solução \(y(t)\), da forma tratada na seção anterior.

Exemplo 12. Vamos resolver pelo método de transformadas de Laplace a seguinte equação diferencial com valores de contorno:

$$
y^{\prime\prime}+3y^{\prime}+2y=0,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=0.
$$
Transformando ambos os lados da equação e usando a linearidade obtemos

$$
L\{y^{\prime\prime}+3y^{\prime}+2y\}=L\{y^{\prime\prime}\}+3L\{y^{\prime}\}+2L\{y\}=0.
$$
Denotamos agora \(L\{y(t)\}=Y(s)\) e usamos as transformadas das derivadas
$$
L\{y^{\prime}\}=sY(s)-y(0)\;\text{ e }\;L\{y^{\prime\prime}\}=s^{2}Y(s)-sy(0)-y^{\prime}(0)
$$
para transformar a equação diferencial em uma equação algébrica (ou seja, uma equação sem derivadas)
$$
s^{2}Y(s)-s+3sY(s)-3+2Y(s)=0\Rightarrow
$$
$$
Y(s)=\frac{s+3}{s^{2}+3s+2}.
$$
A transformada inversa desta função foi encontrada no exemplo 5.11 da seção anterior,

$$
y(t)=L^{-1}\left\{ \frac{s+3}{s^{2}+3s+2}\right\} =2\text{e}^{-t}-\text{e}^{-2t}
$$
o que é a solução do problema, já incorporadas as condições de contorno fornecidas.

O tratamento das equações não homogêneas não acrescenta dificuldades extras no uso do método das transformadas da Laplace, como se mostra no exemplo seguinte.

Exemplo 13. Considere a equação não homogênea,

$$
y^{\prime\prime}+y=\text{sen }2t,\,\,y(0)=2,\,\,y^{\prime}(0)=1.
$$
Transformando a equação temos

$$
L\{y^{\prime\prime}+y\}=L\{y^{\prime\prime}\}+L\{y\}=L\{\text{sen }2t\}
$$
ou, usando a propriedade da derivada da derivada e a transformado do seno,

$$
s^{2}Y(s)+Y(s)-2s-1=\frac{2}{s^{2}+4}.
$$
Dai

$$
Y(s)=\frac{2s^{3}+s^{2}+8s+6}{(s^{2}+1)(s^{2}+4)}.
$$
Decompondo esta última expressão em frações parciais temos

$$
Y(s)=\frac{as+b}{s^{2}+1}+\frac{cs+d}{s^{2}+4}
$$
e determinamos que as constantes são \(a=2,\,\,b=5/3,\,\,c=0\) e \(d=-2/3\). Então

$$
Y(s)=\frac{2s}{s^{2}+1}+\frac{5/3}{s^{2}+1}-\frac{2/3}{s^{2}+4}.
$$
Lembrando que as transformadas do seno e cosseno são

$$
L\{\text{sen }at\}=\frac{a}{a^{2}+s^{2}},\,\,\,\,L\{\cos at\}=\frac{s}{a^{2}+s^{2}}
$$
temos a solução

$$
y(t)=2\cos t+\frac{5}{3}\text{sen }t-\frac{1}{3}\text{sen }2t.
$$
Em resumo, o método da transformada de Laplace é muito útil para o tratamento de equações que surgem em aplicações, especialmente em problemas de mecânica e na solução de circuitos elétricos. A transformação da equação diferencial leva a uma equação algébrica e sua transformada inversa fornece a solução procurada para o problema de valor inicial, seja ela homogênea ou não. A solução obtida desta forma já leva em consideração os valores do contorno apresentados no problema.

Exercícios 2

1. Determine as soluções de

a. \(y^{\prime\prime}+9y=0,\,\,\,y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=2\)b. \(y^{\prime\prime}+y^{\prime}-2y=0,\,\,\,y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=3\)

c. \(y^{\prime\prime}-2y^{\prime}-3y=0,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=7\)

d. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}-8y=0,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=8\)

e. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}-3y=0,\,\,\,y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=4\)

f. \(4y^{\prime\prime}+4y^{\prime}-3y=0,\,\,\,y(0)=8,\,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

g. \(y^{\prime\prime}-4y^{\prime}+5y=0,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=3\)

h. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+5y=0,\,\,\,y(0)=2,\,\,\,y^{\prime}(0)=-4\)

i. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+y=0,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=-2\)

j. \(y^{\prime\prime}-4y^{\prime}+4y=0,\,\,\,y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=2\)

2. Determine as soluções das equações não homogêneas
a. \(y^{\prime\prime}-y=1,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=2\)

b. \(y^{\prime\prime}-3y^{\prime}+2y=6\text{e}^{-t},\,\,\,y(0)=3,\,\,\,y^{\prime}(0)=3\)

c. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}-3y=10\text{senh }2t,\,\,\,y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=4\)

d. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+2y=10 \text{sen }2t,\,\,\,y(0)=-1,\,\,\,y^{\prime}(0)=-3\)

e. \(y^{\prime\prime}-2y^{\prime}+5y=8\text{sen }t-4\cos t,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=3\)

f. \(y^{\prime\prime}+y=-2\text{sen }t,\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=1\)

g. \(y^{\prime\prime}+9y=6\cos3t,\,\,\,y(0)=2,\,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

h. \(y^{\prime\prime}+4y=4(\cos2t-\text{sen }2t),\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=3\)


Algumas Soluções

1.a \(y=\frac{2}{3}\text{sen }3t\) 1.c \(y=-\text{e}^{-t}+2\text{e}^{3t}\)
1.e \(y=-\text{e}^{-3t}+\text{e}^{t}\) 1.g \(y=\text{e}^{2t}(\cos t+\text{sen }t)\)
1.i \(y=\) \((1-t)\text{e}^{-t}\) 2.b \(y=2\text{e}^{2t}+\text{e}^{-t}\)
2.d \(y=\text{e}^{-t}\cos t-2\cos2t-\text{sen }2t\) 2.g \(y=2\cos3t+t\text{sen }3t\)

Outras Propriedades da Transformada de Laplace

Função Degrau Unitário e sua Transformada

Para prosseguirmos com o estudo das propriedades da transformada de Laplace será necessário definir a função degrau unitário:

$$
u_{a}(t)=\left\{
\begin{array}{ll} 0, & t\lt a \\
1, & t\geq a, \\
\end{array}\right.
$$
onde \(a\) é uma constante. Em diversas aplicações surgem funções não contínuas como parte de uma equação diferencial. Um exemplo destas aplicações é a corrente elétrica em um circuito simples onde a tensão pode ser ligada e desligada. A corrente em uma lâmpada, ignorados efeitos indutivos e capacitivos do circuito, ligada aos polos de uma bateria no instante \(t=2\) e desligada em \(t=4\) é descrita por
$$
i(t)=u_{2}(t)-u_{4}(t),
$$
como ilustrado na figura.

Figura: Degrau unitário

A função degrau pode ser usada para descrever fenômenos que se iniciam (ou terminam) após um determinado tempo ou para introduzir descontinuidades quaisquer. Por exemplo, se \(h(t)\) é uma função qualquer, defina
$$
g(t)=\left\{
\begin{array}{ll} 0, & t \lt a, \\
h(t-a), & t\geq a, \\
\end{array}\right.
$$
o que representa uma translação de \(h\) na direção de \(t\) positivo. Usando a função degrau ela pode ser escrita em forma compacta
$$
g(t)=u_{a}(t)h(t-a).
$$
A transformada de Laplace da função degrau unitário pode ser facilmente obtida:

$$
L\{u_{a}(t)\}=\int_{0}^{\infty}u_{a}(t)\text{e}^{-st}dt=\int_{a}^{\infty}\text{e}^{-st}dt=
$$
$$
=-\frac{1}{s}\lim_{A\rightarrow\infty}\text{e}^{-st}|_{a}^{A}=\frac{\text{e}^{-as}}{s},\;\text{ para }\;s\gt 0.
$$

A “Função” Delta de Dirac

Outro tipo de descontinuidade frequente em equações diferenciais pode ser representado por meio da função delta de Dirac, que pode ser definida da seguinte forma:
$$
\delta(t)=0\text{ se } t\neq 0, \text{ e }
$$
$$
\int_{-\infty}^{\infty}f(t)\delta(t)dt=f(0).
$$
A função \(\delta(t-a)\) pode ser entendida como um pico fortemente concentrado em torno de \(x=a\), de forma que
$$
\int_{\alpha}^{\beta}f(t)\delta(t-a)dt=
\left\{ \begin{array}{ll} f(a), & \text{ se } \; \alpha\lt a \lt \beta, \\
0, & \text{ caso contrário}.
\end{array}\right.
$$
A transformada da função delta é
$$
L\{\delta(t-a)\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}\delta(t-a)dt=\text{e}^{-sa},\;\; a\gt 0.
$$

Esta função foi introduzida por P. A. M. Dirac e não é, na verdade, uma função mas sim uma distribuição ou uma função generalizada.

Teoremas de Translação

Estamos agora preparados para enunciar dois teoremas que descrevem propriedades da transformada de Laplace e que serão úteis na soluções de equações diferenciais.

 

Figura: Translações

Teorema 4: Seja \(f(t)\) uma função que possui transformada de Laplace \(F(s)=L\{f(t)\}\). Então

$$
L\{u_{a}(t)f(t-a)\}=\text{e}^{-as}F(s),\;\;s\gt 0,\,\,\,a\gt 0.
$$
Demonstração:
$$
L\{u_{a}(t)f(t-a)\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}u_{a}(t)f(t-a)dt=\int_{a}^{\infty}\text{e}^{-st}f(t-a)dt.
$$
Denotando \(t-a=w\), temos \(t=a+w\) e \(w=0\) quando \(t=a\). A transformada procurada é

$$
\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-s(a+w)}f(w)dw=\text{e}^{-sa}\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-sw}f(w)dw=\text{e}^{-as}F(s),
$$
como afirmado.

Exemplo 14. Encontraremos a transformada de
$$
f(t)=\left\{ \begin{array}{ll} \text{sen }t, & 0 \leq t \lt \pi/4, \\ \text{sen }t+\cos\left(t-\frac{\pi}{4}\right), & t\geq\pi/4. \\ \end{array}\right.
$$

Figura: \(f(t)=\text{sen }t+u_{\pi/4}\cos(t-\pi/4)\)

Usamos a função degrau para reescrever esta função como \(f(t)=\text{sen }t+u_{\pi/4}\cos(t-\pi/4)\) e dai obter a sua transformada,

$$
L\{f(t)\}=L\{\text{sen }t\}+L\{u_{\pi/4}\cos(t-\pi/4)\}=
$$

$$
L\{\text{sen }t\}+\text{e}^{-\pi s/4}L\{\cos t\}=\frac{1}{1+s^{2}}+\frac{s\text{e}^{-\pi s/4}}{1+s^{2}}=\frac{1+s\text{e}^{-\pi s/4}}{s^{2}+1}.
$$

Teorema 5 Seja \(f(t)\) uma função que possui transformada de Laplace \(F(s)=L\{f(t)\}\). Então
$$
L\{\text{e}^{at}f(t)\}=F(s-a),\,\,\,s>a,\,\,\,a\gt 0.
$$
Vale também a transformada inversa
$$
L^{-1}\{F(s-a)\}=\text{e}^{at}f(t).
$$

Demonstração.
$$
L\{\text{e}^{at}f(t)\}=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}\text{e}^{at}f(t)dt=\int_{a}^{\infty}\text{e}^{-(s-a)t}f(t)dt=F(s-a).
$$

A condição \(s\gt a\) serve para garantir a convergência da última integral, desde que \(f\) seja de ordem exponencial.

Exemplo 15. A transformada inversa de \((s^{2}-4s+5)^{-1}\) é, completando quadrados,
$$
L^{-1}\left\{ \frac{1}{s^{2}-4s+5}\right\} =L^{-1}\left\{ \frac{1}{(s-2)^{2}+1}\right\} =L^{-1}\{F(s-2)\}
$$
onde \(F(s)=1/(s^{2}+1),\) que é a transformada da função \(\text{sen }t\). Então
$$
L^{-1}\{F(s-2)\}=\text{e}^{2t}\text{sen }t
$$
como se pode concluir pelo Teorema 2.

Exemplo 16. Vamos tratar do seguinte problema de valor inicial:

$$
y^{\prime\prime}-2y^{\prime}+2y=0,y(0)=0,y^{\prime}(0)=1.
$$
Pela linearidade da transformada de Laplace temos
$$
L\{y^{\prime\prime}\}-2L\{y^{\prime}\}+2L\{y\}=0,
$$
ou, escrevendo
$$
L\{y(t)\}=Y(s)
$$
e

$$
L\{y^{\prime\prime}\}=s^{2}Y(s)-1,\,\,\,L\{y^{\prime}\}=sY(s),
$$
obtemos

$$
s^{2}Y(s)-1-2sY(s)+2Y(s)=0\Rightarrow
$$

$$
Y(s)=\frac{1}{s^{2}-2s+2}=\frac{1}{(s-1)^{2}+1}.
$$
No último passo foi completado o quadrado do denominador. Usando o teorema 2 chegamos à solução

$$
y(t)=L^{-1}\left\{ \frac{1}{(s-1)^{2}+1}\right\} =\text{e}^{t}\text{sen }t.
$$

Transformadas de Funções Periódicas

Definição Uma função é dita periódica de período \(T\) se

$$
f(t+T)=f(t).
$$

Teorema 6 Se \(f\) é uma função periódica, com período \(T\) então sua transformada de Laplace é

$$
L\{f(t)\}=\frac{1}{1-\text{e}^{-sT}}\int_{0}^{T}f(t)\text{e}^{-st}dt.
$$

Demonstração escrevemos a transformada como a soma de duas integrais

$$
L\{f(t)\}=\int_{0}^{\infty}f(t)\text{e}^{-st}dt=\int_{0}^{T}f(t)\text{e}^{-st}dt+\int_{T}^{\infty}f(t)\text{e}^{-st}dt.
$$
Fazendo a substituição de variáveis, \(t\rightarrow\tau=t-T\), a última destas integrais pode ser escrita como

$$
\int_{T}^{\infty}f(t)\text{e}^{-st}dt=\int_{0}^{\infty}f(\tau+T)\text{e}^{-s(\tau+T)}dt=\text{e}^{-sT}\int_{0}^{\infty}f(\tau)\text{e}^{-s\tau}dt=\text{e}^{-sT}L\{f(t)\},
$$
onde foi usado o fato de que \(f\) é periódica. A transformada procurada é, portanto,

$$
L\{f(t)\}=\int_{0}^{T}f(t)\text{e}^{-st}dt+\text{e}^{-sT}L\{f(t)\},
$$
ou seja,

$$
L\{f(t)\}=\frac{1}{1-\text{e}^{-sT}}\int_{0}^{T}f(t)\text{e}^{-st}dt,
$$
ficando assim mostrado o teorema.

Exemplo 17. Dada a função periódica, definida por
$$
\begin{array}{ll} f(t)=\frac{1}{2}t, & 0\leq t\lt 2, \\ f(t+2)=f(t) & \text{ fora deste intervalo,} \\ \end{array}
$$

 

Figura: Função dente de serra

 

procuramos sua transformada de Laplace. Esta é a função dente de serra que tem inúmeras aplicações, particularmente em circuitos eletrônicos. Usando o teorema 6 obtemos sua transformada de Laplace como

$$
L\{f(t)\}=\frac{1}{1-\text{e}^{-2s}}\int_{0}^{2}f(t)\text{e}^{-st}dt=\frac{1}{2}\frac{1}{1-\text{e}^{-2s}}\int_{0}^{2}t\text{e}^{-st}dt.
$$
Integrando por partes temos
$$
L\{f(t)\}=\frac{1}{2}\frac{1}{1-\text{e}^{-2s}}\left[\left.-\frac{t\text{e}^{-st}}{s}\right|_{0}^{2}++\frac{1}{s}\int_{0}^{2}\text{e}^{-st}dt\right]
$$

$$
\frac{1}{2}\frac{1}{1-\text{e}^{-2s}}\left[\frac{-2\text{e}^{-st}}{s}-\frac{1}{s^{2}}\left(\text{e}^{-2s}-1\right)\right]=\frac{1}{s}\left(\frac{1}{2s}+\frac{1}{1-\text{e}^{2s}}\right).
$$

Exercícios 3

1 Faça um esboço do gráfico das funções e encontre suas transformadas de Laplace:
a. \(f(t)=\left\{ \begin{array}{ll} 0, & t\lt 2 \\ (t-2)^{2}, & t\geq2 \\ \end{array}.\right.\)

b. \(f(t)=\left\{ \begin{array}{ll} 0, & t\lt 1 \\ t^{2}-2t+2, & t\geq1 \\ \end{array}.\right.\)

c. \(f(t)=\left\{ \begin{array}{ll} 0, & t\lt \pi \\ t-\pi, & \pi\leq t \leq2\pi \\ 0, & t\gt 2\pi \\ \end{array}.\right.\)

d. \(f(t)=u_{1}(t)+2u_{3}(t)-6u_{4}(t)\)

e. \(f(t)=(t-3)u_{2}(t)-(t-2)u_{3}(t)\)

f. \(f(t)=t-u_{1}(t)(t-1),t\geq0\)

2. Determine as transformadas inversas:

a. \(F(s)=\frac{1}{(s-3)^{2}}\) b. \(F(s)=\frac{s+2}{(s+2)^{2}+\omega^{2}}\)
c. \(F(s)=\frac{3!}{(s-2)^{2}}\) d. \(F(s)=\frac{\text{e}^{-2s}}{s^{2}+s-2}\)
e. \(F(s)=\frac{2(s-1)\text{e}^{-2s}}{s^{2}-2s+2}\) f. \(F(s)=\frac{\text{e}^{-2s}}{s^{2}-4}\)
g. \(F(s)=\frac{(s-2)\text{e}^{-s}}{s^{2}-4s+3}\) h. \(F(s)=\frac{1}{S}(\text{e}^{-s}+\text{e}^{-2s}-\text{e}^{-3s}-\text{e}^{-4s})\)

3. Faça um esboço das funções periódicas e calcule suas transformadas:

a. \(f(t)=1\;\text{se}\;0\leq t\lt a,f(t)=-1\;\text{se}\;a\leq t\lt 2a\), \(f(t+2a)=f(t)\).

b. \(f(t)=1\;\text{se}\;0\leq t\lt a,f(t)=0\;\text{se}\;a\leq t\lt 2a\), \(f(t+2a)=f(t)\). (onda quadrada)

c. \(f(t)=t\;\text{se}\;0\leq t\lt 1,f(t)=2-t\;\text{se}\;a\leq t\lt 2a\), \(f(t+2)=f(t)\). (onda triangular)

d. \(f(t)=\text{sen }t\;\text{se}\;0\leq t\lt \pi\),período \(T=\pi\). (seno retificado)

e. \(f(t)=\text{sen }t\;\text{se}\;0\leq t\lt \pi,f(t)=0\;\text{se}\;\pi\leq t\lt 2\pi, \text{ período } T=2\pi\). (seno semi-retificado)

f. \(f(t)=\text{sen }t, \text{ período } T=2\pi\).


Algumas Soluções

Obs.: \(\coth x=\cosh x/\text{senh }x\)
1.a \(F(s)=\frac{2\text{e}^{-2s}}{s^{3}}\) 1.c \(F(s)=\frac{\text{e}^{-\pi s}}{s^{2}}-\frac{\text{e}^{-2\pi s}}{s^{2}}(1+\pi s)\)
1.e \(F(s)=s^{-2}[(1-s)\text{e}^{-2s}-(1+s)^{-3s}]\) 2.a \(f(t)=\text{e}^{-2t}\cos\omega t\)
2.c \(f(t)=t^{3}\text{e}^{2t}\) 2.e \(f(t)=2u_{2}(t)\text{e}^{t-2}\cos(t-2)\)
2.g \(f(t)=u_{1}(t)\text{e}^{2(t-1)}\cosh(t-1)\) 3.a \(\frac{1-\text{e}^{-as}}{s(1+\text{e}^{-as})}\)
3.d \(\frac{\coth(\pi s/2)}{s^{2}+1}\)

Equações Diferenciais com Entradas Descontínuas

A transformada de Laplace é apropriada para o tratamento de uma equação diferencial com um termo não homogêneo, também denominado a função de entrada, descontínua, como já mencionado.

Exemplo 18. Considere a equação diferencial

$$
y^{\prime\prime}+y^{\prime}+\frac{5}{4}y=g(t),\,\,\,y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=0,
$$
onde \(g(t)=1-u_{\pi}(t)\), uma função descontínua. Transformando a equação obtemos

$$
s^{2}Y(s)+sY(s)+\frac{5}{4}Y(s)=L\{1\}-L\{u_{\pi}(t)\}=\frac{1}{s}(1-\text{e}^{\pi s}),
$$
e, portanto,

$$
Y(s)=\frac{1-\text{e}^{\pi s}}{s\left(s^{2}+s+\frac{5}{4}\right)}.
$$
Vamos denotar \(H(s)\) a transformada de \(h(t)\), onde

$$
H(s)=\frac{1}{s\left(s^{2}+s+\frac{5}{4}\right)},\,\,\,\,h(t)=L^{-1}\{H(s)\}.
$$
Então, com esta notação,

$$
Y(s)=(1-\text{e}^{\pi s})H(s)
$$
e, pelo teorema 4 da seção anterior,

$$
y(t)=L^{-1}\{H(s)-\text{e}^{\pi s}H(s)\}=h(t)-u_{\pi}(t)h(t-\pi).
$$
Resta então encontrar \(L^{-1}\{H(s)\}\). Para fazer isto escrevemos \(H\) em termos das frações parciais

$$
H(s)=\frac{a}{s}+\frac{bs+c}{s^{2}+s+\frac{5}{4}}
$$
e encontramos as constantes \(a=4/5,\,\,b=-4/5\) e \(c=-4/5,\) portanto

$$
H(s)=\frac{4}{5}\frac{1}{s}-\frac{4}{5}\frac{s+1}{s^{2}+s+\frac{5}{4}}.
$$
Usando as transformadas conhecidas e suas propriedades encontramos

$$
h(t)=\frac{4}{5}-\frac{4}{5}\left(\cos t+\frac{1}{2}\text{sen }t\right)\text{e}^{-t/2}
$$
e, portanto,

$$
y(t)=\left\{ \begin{array}{ll} \frac{4}{5}-\frac{4}{5}\left(\cos t+\frac{1}{2}\text{sen }t\right)\text{e}^{-t/2}, t<\pi
-\frac{4}{5}(1+\text{e}^{\pi/2})\left(\cos t+\frac{1}{2}\text{sen }t\right)\text{e}^{-t/2}, t\geq\pi. \end{array}\right.
$$

Exemplo 19. Veremos como utilizar a transformada acima para resolver uma equação diferencial que tem como função de entrada uma distribuição delta. Considere o problema

$$
y^{\prime\prime}+y=4\delta(t-2\pi),\,\,\,y(0)=1,\,\,\,y^{\prime}(0)=0.
$$
Este problema pode ser visto como a equação de movimento de uma partícula presa a uma mola com constante elástica unitária e em um meio sem atrito, submetida a uma força de curta duração, como uma colisão, no momento \(t=2\pi\). Ela parte afastada de uma unidade de distância da posição de equilíbrio no instante \(t=0\) e tem velocidade inicial nula. Transformando toda a equação temos

$$
s^{2}Y(s)-s+Y(s)=4\text{e}^{-2\pi s}
$$
ou seja

$$
Y(s)=\frac{s}{s^{2}+1}+\frac{4\text{e}^{-2\pi s}}{s^{2}+1}.
$$
Utilizando os teoremas e transformadas inversas pertinentes temos

$$
y(t)=\cos t+4\text{sen }(t-2\pi)u_{2\pi}(t).
$$
Como o seno é periódica com período \(T=2\pi\) temos \(\text{sen }(t-2\pi)=\text{sen }(t)\) e
$$
y(t)=\left\{ \begin{array}{ll} \cos t, 0\leq t\leq2\pi,
\cos t+4\text{sen }t, t\geq2\pi. \end{array}.\right.
$$

Função do exemplo 19

 

O gráfico desta solução mostra que a mola oscila com amplitude \(1\) até o instante \(t=2\pi\). Depois disto passa a oscilar com maior amplitude, devido ao impulso sofrido.

Exercícios 4

Encontre a solução dos problemas de valor inicial
1. \(y^{\prime\prime}+y=f(t),\; y(0)=0,y^{\prime}(0)=1 \text{ onde }
f(t)=\left\{ \begin{array}{ll} 1, & 0\leq t \lt \pi/2 \\
0, & t\geq\pi/2.\\
\end{array}\right.\)2. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+2y=f(t),\; y(0)=0,\;y^{\prime}(0)=1 \,\,\, \text{ onde } f(t)=\left\{ \begin{array}{ll} 1, & \pi\leq t\lt2\pi
\\0, & 0\leq t\lt\pi\text{e}t\geq2\pi. \\ \end{array}\right.\)

3. \(y^{\prime\prime}+4y=\text{sen }t-u_{2\pi}(t)\text{sen }(t-2\pi), \,\,\, y(0)=0,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

4. \(y^{\prime\prime}+4y=\text{sen }t+u_{\pi}(t)\text{sen }(t-\pi), \,\,\, y(0)=0,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

5. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+y=f(t),\,\,\, y(0)=1,\,\,y^{\prime}(0)=0 \,\,\text{ onde } f(t)=\left\{ \begin{array}{ll} 1, 0\leq t\lt 1
0, t\geq1. \end{array}\right.\)

Encontre a solução dos problemas de valor inicial involvendo deltas de Dirac:

6. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+2y=\delta(t-\pi), \,\,\, y(0)=1,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

7. \(y^{\prime\prime}+4y=\delta(t-\pi)-\delta(t-2\pi), \,\,\, y(0)=0,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

8. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+y=\delta(t)+u_{2\pi}(t),\,\,\, y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=1\)

9. \(y^{\prime\prime}-y=2\delta(t-1),\,\,\, y(0)=1,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

10. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+3y=\text{sen }t+\delta(t-\pi), \,\,\, y(0)=0,\,\,\,y^{\prime}(0)=1\)

11. \(y^{\prime\prime}+\omega^{2}y=\delta(t-\pi/\omega),\,\,y(0)=1,\,\,y^{\prime}(0)=1.\)


Algumas soluções:
1. \(y=1-\cos t+\text{sen }t-u_{\pi/2}(t)(1-\text{sen }t)\)

3. \(y=\frac{1}{6}[1-u_{2\pi}(t)](2\text{sen }t-\text{sen }2t)\)

5. \(y=1-u_{1}(t)[1-\text{e}^{-(t-1)}-(t-1)\text{e}^{-(t-1)}]\)

6. \(y=\text{e}^{t}\cos t+\text{e}^{-t}\text{sen }t-u_{\pi}(t)\text{e}^{-(t-\pi)}\text{sen }t\)

7. \(y=\frac{1}{2}u_{\pi}(t)\text{sen }2t-\frac{1}{2}u_{2\pi}(t)\text{sen }2t\)

9. \(y=\cosh t+2u_{1}(t)\text{sen }h(t-1)\)

11. \(y=\cos\omega t-\omega^{-1}u_{\pi/\omega}(t)\text{sen }\omega t\)

A Integral de Convolução

Pode ocorrer, na solução de uma equação diferencial, que a solução transformada \(Y(s)\) seja dada em termos do produto de duas transformadas conhecidas. Se \(F(s)=L\{f(t)\} \text { e } G(s)=L\{g(t)\}\) queremos saber qual é a transformada inversa do produto \(H(s)=F(s)G(s)\), ou seja \(L^{-1}\{F(s)G(s)\}\). O teorema da convolução nos fornece a transformada inversa deste produto.

Teorema 7. Seja \(f(t) \text { e } g(t)\) duas funções que possuem transformadas de Laplace, e \(F(s)=L\{f(t)\},\,\,G(s)=L\{g(t)\}\) as suas transformadas. Se \(H(s)=F(s)G(s)\) é o produto das transformadas então sua transformada inversa, \(h(t)=L^{-1}\{H(s)\}\) é

$$
h(t)=\int_{0}^{t}f(t^{\prime}-\tau)g(\tau)d\tau=\int_{0}^{t}f(\tau)g(t^{\prime}-\tau)d\tau.
$$
\(h(t)\) é a convolução de \(f\) e \(g\) e as integrais são chamadas de integrais de convolução.

Demonstração por definição temos as expressões para \(F\) e \(G\),

$$
F(s)=\int_{0}^{\infty}f(u)\text{e}^{-su}du,\,\,\,\,G(s)=\int_{0}^{\infty}g(v)\text{e}^{-sv}dv,
$$

$$
H(s)=F(s)G(s)=\int_{0}^{\infty}g(v)\text{e}^{-sv}dv\int_{0}^{\infty}f(u)\text{e}^{-su}du=\int_{0}^{\infty}g(v)\left[\int_{0}^{\infty}f(u)\text{e}^{-s(u+v)}du\right]dv.
$$
Para avaliar esta última integral introduzimos a variável \(u = t + v\). Neste caso \(t=v\) quando \(u=0\) e \(du=dt\), o que permite escrever

$$
H(s)=\int_{0}^{\infty}g(v)\left[\int_{v}^{\infty}f(t-v)\text{e}^{-st}dt\right]dv.
$$
Admitindo que a ordem de integração pode ser invertida, integramos primeiro em \(v\). Observe que os limites de integração, inicialmente \(v \lt t \lt \infty\), passam a ser \(0 \lt v \lt t\) (veja figura) e temos

 

Figura: Região de integração para a integral de convolução

$$
H(s)=\int_{0}^{\infty}\text{e}^{-st}\left[\int_{0}^{t}f(t-v)g(v)dv\right]dt.
$$

Concluimos que \(H(s)\) é a transformada da função \(h(t)\), dentro dos colchetes, ou seja, \(H(s)=L\{h(t)\}\) onde

$$
h(t)=\int_{0}^{t}f(t-v)g(v)dv.
$$

Observação É usada também a seguinte notação para a integral de convolução

$$
h(t)=\int_{0}^{t}f(t-\tau)g(\tau)d\tau=(f\ast g)(t).
$$

Exemplo 20. Vamos usar o teorema da convolução para encontrar a transformada inversa de

$$
F(s)=\frac{1}{(s^{2}+a^{2})^{2}},\thinspace\,\,a=\text{ constante}.
$$
Como conhecemos a transformada inversa

$$
L^{-1}\left\{ \frac{1}{s^{2}+a^{2}}\right\} =\frac{1}{a}\text{sen }at,
$$
podemos encontrar

$$
I=L^{-1}\left\{ \frac{1}{s^{2}+a^{2}}\frac{1}{s^{2}+a^{2}}\right\} =\frac{1}{a^{2}}\int_{0}^{t}\text{sen }(at)\text{sen }a(t-\tau)d\tau.
$$
Para calcular esta integral usamos a relação trigonométrica

$$
\text{sen }a\,\text{sen }b=\frac{1}{2}[\cos(a-b)+\cos(a+b)]
$$
ou, no caso presente

$$
\text{sen }a\tau\text{sen }a(t-\tau)=\frac{1}{2}[\cos a(2\tau-t)-\cos at]
$$
para obter

$$
I=\frac{1}{2a^{2}}\left[\int_{0}^{t}\cos a(2\tau-t)d\tau-\cos at\int_{0}^{t}d\tau\right]=\frac{1}{2a^{3}}(\text{sen }at-at\cos at).
$$
A primeira integral pode ser avaliada por meio de uma substituição de variáveis, \(u=a(2\tau-t)\), \(du=2ad\tau\).

Exercícios 5

1. Determine as transformadas inversas:

c. \(F(s)=\frac{1}{(s+1)^{3}(s^{2}+4)}\)d. \(F(s)=\frac{G(s)}{s^{2}+1}\)

a. \(F(s)=\frac{1}{s^{4}(s^{2}+1)}\) b. \(F(s)=\frac{s}{(s+1)(s^{2}+4)}\)

Encontre a solução dos problemas de valor inicial

2. \(y^{\prime\prime}+\omega^{2}y=g(t), \,\, y(0)=0,\,\,y^{\prime}(0)=1\)

3. \(y^{\prime\prime}+2y^{\prime}+y=\text{sen }at, \,\,y(0)=0,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

4. \(4y^{\prime\prime}+4y^{\prime}+17y=g(t), \,\, y(0)=0,\,\,y^{\prime}(0)=0\)

5. \(y^{\prime\prime}+y^{\prime}+5/4y=1-u_{\pi}(t), \,\, y(0)=1,\,\,y^{\prime}(0)=-3\)

6. \(y^{\prime\prime}+4y^{\prime}+4y=g(t), \,\,y(0)=2,\,\,y^{\prime}(0)=-3\).

Prove as seguintes propriedades da integral de convolução
7. \(f\ast g=g\ast f\)

8. \(f\ast(g_{1}+g_{2})=f\ast g_{1}+f\ast g_{2}\)

9. \(f\ast(g\ast h)=(f\ast g)\ast h\)


Algumas soluções:
1a. \(f(t)=\frac{1}{6}\int_{0}^{t}(t-\tau)^{3}\text{sen }\tau d\tau\)

1b. \(f(t)=\int_{0}^{t}\text{e}^{-(t-\tau)}\cos2\tau d\tau\)

1c. \(f(t)=\frac{1}{2}\int_{0}^{t}(t-\tau)\text{e}^{-(t-\tau)}\text{sen }2\tau d\tau\)

1d. \(f(t)=\int_{0}^{t}\text{sen }(t-\tau)g(\tau)d\tau\)

2. \(y=\frac{1}{\omega}\text{sen }\omega t+\frac{1}{\omega}\int_{0}^{t}\text{sen }\omega(t-\tau)g(\tau)d\tau\)

3. \(y=\int_{0}^{t}\text{e}^{-(t-\tau)}\text{sen }(t-\tau)\text{sen }a\tau d\tau\)

4. \(y=\frac{1}{8}\int_{0}^{t}\text{e}^{-(t-\tau)/2}\text{sen }2(t-\tau)g(\tau)d\tau\)

5. \(y=\text{e}^{-t/2}\cos t-\frac{1}{2}\text{e}^{-t/2}\text{sen }t+\int_{0}^{t}\text{e}^{-(t-\tau)/2}\text{sen }(t-\tau)[1-u_{\pi}(\tau)]d\tau\)

Algumas Transformadas de Laplace e Propriedades

Listamos nesta seção um resumo das principais transformadas e as propriedades mais importantes.

Para \(n\) um inteiro positivo
$$
\begin{array}{lll}
L\{1\}=\frac{1}\{s\} & L\{\cosh at\}=\frac{s}{s^{2}-a^{2}} & L\{t\}=\frac{1}{s^{2}} \\
L\{\text{senh }at\}=\frac{a}{s^{2}-a^{2}} & L\{t^{n}\}=\frac{n!}{s^{n+1}} & L\{t\text{e}^{at}\}=\frac{1}{(s-a)^{2}} & L\{\text{e}^{at}\}=\frac{1}{s-a} \\
L\{t^{n}\text{e}^{at}\}=\frac{n!}{(s-a)^{n+1}} & L\{\text{sen }at\}=\frac{a}{s^{2}+a^{2}} & L\{u_{a}(t)\}=\frac{\text{e}^{-as}}{s} \\
L\{\cos at\}=\frac{s}{s^{2}+a^{2}} & L\{\delta(t-a)\}=\text{e}^{-sa} & \\
\end{array}
$$

Denotando \(F(s)=L\{f(t)\}\):

\begin{array}{ll}
L\{\text{e}^{at}f(t)\}=F(s-a)\Rightarrow & L^{-1}\{F(s-a)\}=\text{e}^{at}f(t) \\
L\{u_{a}(t)f(t-a)\}=\text{e}^{-as}F(s)\Rightarrow & L\{\text{e}^{-as}F(s)\}=u_{a}(t)f(t-a). \\
\end{array}

Se \(f\) é função periódica, \(f(t+T)=f(t)\) então
\begin{array}{l}
L\{f(t)\}=\frac{1}{1-\text{e}^{-sT}}\int_{0}^{T}f(t)\text{e}^{-st}dt.\\
\end{array}

Transformada das derivadas:
\begin{array}{l}
L\{f(t)\}=sL\{f(t)\}-f(0), \\ L\{f^{\prime\prime}(t)\}=s^{2}L\{f(t)\}-sf(0)-f^{\prime}(0). \\
\end{array}.
Integral de Convolução:
\begin{array}{l} h(t)=L^{-1}[F(s)G(s)]=\int_{0}^{t}f(t-\tau)g(\tau)d\tau \\ \end{array}.

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *