Transformada de Laplace

Sea f(t) una función definida en el intervalo [0, ∞). La transformada de Laplace F(s) de f(t) se define:

F(s)= ∫ 0 ∞ e −st f(t)dt

Transformada de Laplace de algunas funciones

1.-Transformada de Laplace de f(t)=1

F(s)= ∫ 0 ∞ e −st dt =− 1 s e −st | 0 ∞ = 1 s  (s>0)

>> ft=sym('1');
>> Fs=laplace(ft)
Fs =1/s

2.-Transformada de Laplace de f(t)=exp(at)

F(s)= ∫ 0 ∞ e −st e at dt = ∫ 0 ∞ e (a−s)t dt = 1 a−s e (a−s)t | 0 ∞ = 1 s−a  (s>a)

>> syms a t;
>> ft=exp(a*t);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =-1/(a - s)

Vamos a comprobar la propiedad de linealidad de la transformada de Laplace

g(t)= c 1 f 1 (t)+ c 2 f 2 (t) G(s)= c 1 F 1 (s)+ c 2 F 2 (s)

G(s) es la transformada de Laplace de g(t). F1(s) y F2(s) son las transformdas de Laplace de f1(t) y f2(t) respectivamente. Calculamos la transformada de Laplace de cosh(at)

g(t)=cosh(at)= 1 2 ( e at + e −at ) G(s)= 1 2 ( 1 s−a + 1 s+a )= s s 2 − a 2 g(t)=sinh(at)= 1 2 ( e at − e −at ) G(s)= 1 2 ( 1 s−a − 1 s+a )= a s 2 − a 2

>> syms a t;
>> ft=cosh(a*t);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =-s/(a^2 - s^2)
>> ft=sinh(a*t);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =-a/(a^2 - s^2)

3. Transformada de Laplace de f(t)=exp(iωt)

∫ 0 ∞ e i ω t e − s t d t = ∫ 0 ∞ e − ( s − i ω ) t d t = − 1 s − i ω e − ( s − i ω ) t | 0 ∞ = 1 s − i ω = s s 2 + ω 2 + i ω s 2 + ω 2 e i ω t = cos ( ω t ) + i sin ( ω t ) f ( t ) = cos ( ω t )   F ( s ) = s s 2 + ω 2 f ( t ) = sin ( ω t )   F ( s ) = ω s 2 + ω 2

>> syms t w;
>> ft=cos(w*t);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =s/(s^2 + w^2)
>> ft=sin(w*t);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =w/(s^2 + w^2)

4.-Transformada de Laplace de f(t)=exp(at)·exp(iωt)=exp((a+iω)t)

∫ 0 ∞ e (a+iω)t e −st dt= 1 s−(a+iω) = 1 (s−a)−iω = s−a (s−a) 2 + ω 2 +i ω (s−a) 2 + ω 2 e (a+iω)t = e at · e iωt = e at ( cos(ωt)+isin(ωt) ) f(t)= e at cos(ωt) F(s)= s−a (s−a) 2 + ω 2 f(t)= e at sin(ωt) F(s)= ω (s−a) 2 + ω 2

>> syms a w t;
>> ft=exp(a*t)*sin(w*t);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =w/(w^2 + (a - s)^2)
>> ft=exp(a*t)*cos(w*t);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =-(a - s)/(w^2 + (a - s)^2)

5.-Transformada de Laplace de f(t)=tn

∫ 0 ∞ t n e −st dt= − 1 s e −st t n | 0 ∞ + n s ∫ 0 ∞ t n−1 e −st dt= n s n−1 s ∫ 0 ∞ t n−2 e −st dt= ... n s n−1 s ... 1 s ∫ 0 ∞ e −st dt= n! s n 1 s = n! s n+1

>> syms t n;
>> ft=t^n;
>> Fs=laplace(ft)
Fs =piecewise([-1 < Re(n), gamma(n + 1)/s^(n + 1)])
>> ft=t^6;
>> Fs=laplace(ft)
Fs =720/s^7

6.-Transformada de Laplace de f(t)=tn·exp(at)

Como se puede fácilmente comprobar

f(t)= e at t n  F(s)= n! (s−a) n+1

>> syms t a;
>> ft=exp(a*t)*t^6;
>> Fs=laplace(ft)
Fs =-720/(a - s)^7 

En general, tendremos que

F(s−a)= ∫ 0 ∞ e −(s−a)t f(t)dt= ∫ 0 ∞ e −st ( e at f(t) )dt

Función escalón

Sea u(t) la función escalón, o función de Heaviside, definida del siguiente modo

u ( t ) = { 1   t ≥ 0 0   t < 0

La función u(t-a), es una traslación a de la función escalón, se define de forma análoga

u(t−a)={ 1 t≥a 0 t<a

La transformada de Laplace de esta función es

∫ 0 ∞ e −st u(t−a)dt= ∫ a ∞ e −st dt=− 1 s e −st | a ∞ = e −as s

>> syms t;
>> laplace(heaviside(t-2))
ans =exp(-2*s)/s
>> syms a positive;
>> laplace(heaviside(t-a))
ans =exp(-a*s)/s

Fijarse en la forma de obtener la transformda de Laplace de la la función Heaviside u(t-a), hay que especificar que a es una variable simbólica positiva, en caso contrario, no sabe calcular su transformada de Laplace.

La función escalón u(t-a) es importante para definir funciones por intervalos, como el pulso rectangular

La función representada en la figura se escribe

f(t)=u(t−a)−u(t−b)={ 0 t<a 1 a≤t≤b 0 t>b

La transformada de Laplace de esta función es la diferencia

F(s)= e −as a − e −bs b

Consideremos ahora, que la función f(t) es una sucesión de pulsos rectangulares, tal como se muestra en la figura

f(t)= ∑ n=0 ∞ { u( t−2na )−u( t−(2n+1)a ) }

La transformada de Laplace es la suma

F(s)= ∑ n=0 ∞ { exp(−2nas) s − exp(−(2n+1)as) s } = 1−exp(−as) s ∑ n=0 ∞ ( exp( −2as ) ) n = 1−exp(−as) s 1 1−exp(−2as) = 1− e −as s( 1− e −2as )

Se ha utilizado la fórmula de la suma de los infinitos términos de una progresión geométrica cuyo primer término es 1 y la razón es exp(-2as)

La función u(t-a) cumple la siguiente propiedad

∫ 0 ∞ e −st u(t−a)f(t−a)dt= ∫ a ∞ e −st f(t−a)dt= ∫ 0 ∞ e −s(τ+a) f(τ)dτ= e −as ∫ 0 ∞ e −sτ f(τ)dτ= e −as ∫ 0 ∞ e −st f(t)dt= e −as F(s)

Sea la función f(t) cualesquiera que toma valores distintos de cero en el intervalo [a,b] se escribe

( u(t−a)−u(t−b) )f(t)={ 0 t<a f(t) a≤t≤b 0 t>b

Consideremos la función

f(t)={ 2t 0<t<2 4 2≤t f(t)=( u(t−0)−u(t−2) )(2t)+u(t−2)·4= 2t−2(t−2)·u(t−2) t>0

Cuya representación gráfica es

>> f=@(t) 2*t+2*(2-t).*heaviside(t-2);
>> fplot(f,[0,10])
>> ylim([0 5])

La transformada de Laplace de la función f(t) es

F(s)=2 1! s 2 −2 e −2s 1! s 2 = 2 s 2 ( 1− e −2s )

>> syms t;
>> ft=2*t+2*(2-t)*heaviside(t-2);
>> Fs=laplace(ft)
Fs =2/s^2 - 2/(s^2*exp(2*s))

8.-Transformada de Laplace de la función delta de Dirac, δ(t-a)

δ(t−a)={ ∞ t=a 0 t≠a   ∫ 0 ∞ δ(t−a)dt =1

Consideremos la función denominada impulso unidad, cuya área es la unidad

f(t)={ 1 k  a≤t≤a+k 0 t<a t>a+k f(t)= 1 k ( u(t−a)−u(t−(a+k)) )

La transformada de Laplace de esta función es

F(s)= 1 k ( e −as s − e −(a+k)s s )= e −as 1− e −ks ks lim k→0 ( 1− e −ks ks )= lim k→0 ( s e −ks s )= lim k→0 e −ks =1 lim k→0 f(t,a)=δ(t−a) limF(s) k→0 = e −as

Para calcular el límite cuando k tiende a cero en la segunda línea hemos aplicado la regla de L'Hôpital.

>> syms t a;
>> laplace(dirac(t-a))
ans =exp(-a*s)

Transformada de Laplace de una función periódica

Una función f(t) es periódica de periodo p, si cumple que f(t+p)=f(t). La función sin(t) es periódica de periodo 2π y la función sin(ωt) es periódica de periodo p=2π/ω.

∫ 0 ∞ e −st f(t)dt = ∫ 0 p e −st f(t)dt + ∫ p 2p e −st f(t)dt + ∫ 2p 3p e −st f(t)dt +...= ∫ 0 p e −st f(t)dt + ∫ 0 p e −s(t+p) f(t+p)dt + ∫ 0 p e −s(t+2p) f(t+2p)dt +...= ∫ 0 p e −st f(t)dt + ∫ 0 p e −s(t+p) f(t)dt + ∫ 0 p e −s(t+2p) f(t)dt +...= ∫ 0 p e −st f(t)dt + e −sp ∫ 0 p e −st f(t)dt + e −2sp ∫ 0 p e −st f(t)dt +...= ( 1+ e −sp + e −2sp + e −3sp +... ) ∫ 0 p e −st f(t)dt = 1 1− e −sp ∫ 0 p e −st f(t)dt

Entre paréntesis tenemos la suma de infinitos términos de una progresión geométrica cuyo primer término es 1 y cuya razón es e-sp.

S ∞ = a 0 1−r = 1 1− e −sp

Calcular la transformada de Laplace de la función

f(t)={ sin(ωt) 0≤t≤π/ω 0  π/ω<t<2π/ω f(t)=f( t+ 2π ω ) F(s)= 1 1− e −sp ∫ 0 p e −st f(t)dt = 1 1− e −2πs/ω ∫ 0 π/ω e −st sin(ωt)dt 1 1− e −2πs/ω ( − e −st ωcos(ωt)+ssin(ωt) ω 2 + s 2 ) | 0 π/ω = ω ( ω 2 + s 2 )( 1− e −πs/ω )

Se ha integrado dos veces por partes exp(-st)·sin(ωt)

Tomando ω=2

t=linspace(0,pi,100);
x=sin(2*t).*(t>=0 & t<=pi/2);
t=linspace(0,4*pi,400);
xx=[x x x x]; %se repite la función cuatro veces
plot(t,xx)
ylim([-0.1 1.1])
set(gca,'xtick',0:pi/2:4*pi)
set(gca,'xticklabel',{'0','\pi/2','\pi','3\pi/2','2\pi','5\pi/2',
'3\pi','7\pi/2','4\pi'})
grid on

Calculamos la transformada de Laplace del siguiente modo:

>> syms pi s t w;
>> g=int(exp(-s*t)*sin(w*t),t,0,pi/w)/(1-exp(-2*pi*s/w))
g =-(w*(1/exp((pi*s)/w) + 1))/((s^2 + w^2)*(1/exp((2*pi*s)/w) - 1))
>> simplify(g)
ans =(w*exp((pi*s)/w))/((s^2 + w^2)*(exp((pi*s)/w) - 1))

Transformada de Laplace de derivadas e integrales

1.-Transformada de Laplace de una derivada

∫ 0 ∞ f ' ( t ) e − s t d t = e − s t f ( t ) | 0 ∞ + s ∫ 0 ∞ f ( t ) e − s t d t = s ∫ 0 ∞ f ( t ) e − s t d t − f ( 0 ) ∫ 0 ∞ f ' ' ( t ) e − s t d t = s ∫ 0 ∞ f ' ( t ) e − s t d t − f ' ( 0 ) = s ( s ∫ 0 ∞ f ( t ) e − s t d t − f ( 0 ) ) − f ( 0 ) = s 2 ∫ 0 ∞ f ( t ) e − s t d t − s f ( 0 ) − f ' ( 0 ) ∫ 0 ∞ f ( n ) ( t ) e − s t d t = s n ∫ 0 ∞ f ( t ) e − s t d t − s n − 1 f ( 0 ) − s n − 2 f ( 1 ) ( 0 ) − f ( n − 1 ) ( 0 )

Vamos a aplicar la transformada de Laplace a una ecuación diferencial con las condiciones iniciales especificadas. En la siguiente página aprenderemos a obtener la solución de la ecuación diferencial, aplicando la transformada inversa de Laplace.

d 2 x d t 2 + 4 d x d t + 3 x = 0   t = 0 { x = 3 d x d t = 1 ( s 2 F ( s ) − s x ( 0 ) − x ' ( 0 ) ) + 4 ( s F ( s ) − x ( 0 ) ) + 3 F ( s ) = 0 ( s 2 F ( s ) − 3 s − 1 ) + 4 ( s F ( s ) − 3 ) + 3 F ( s ) = 0 s 2 F ( s ) + 4 s F ( s ) − 3 s − 13 + 3 F ( s ) = 0 F ( s ) = 3 s + 13 s 2 + 4 s + 3

2.-Transformada de Laplace de una integral

Sea la función

g(t)= ∫ 0 t f(τ)dτ

La transformada de Laplace se calcula del siguiente modo

∫ 0 ∞ e −st f(t)dt= ∫ 0 ∞ e −st g'(t)dt= s ∫ 0 ∞ e −st g(t)dt−g(0) =s ∫ 0 ∞ e −st g(t)dt ∫ 0 ∞ e −st g(t)dt= 1 s ∫ 0 ∞ e −st f(t)dt

Comprobamos esta relación con el siguiente ejemplo

f(t)=cos(ωt) F(s)= s s 2 + ω 2 g(t)= ∫ 0 t cos(ωt)dt= 1 ω sin(ωt) G(s)= 1 s 2 + ω 2