Download presentation
Presentation is loading. Please wait.
1
Laplace Transforms
2
Definition Given an integrable function ๐: โ โฅ0 โโ we define the Laplace Transform of ๐ ๐น=โ๐ to be the function ๐น:๐ทโโ ๐น ๐ = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐๐ก Where ๐ท, the domain of โ๐, is the domain of ๐ for which the integral converges.
3
Example Compute the Laplace Transform of the function ๐ ๐ก =1
Solution Let ๐น=โ๐ be the Laplace Transform, and by definition we have: ๐น ๐ = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐๐ก = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก = โ 1 ๐ ๐ โ๐ ๐ก ๐ก=0 ๐ก=โ = 1 ๐ Thus we have our first Laplace Transform formula: โ 1 = 1 ๐
4
Example Compute the Laplace Transform of ๐ ๐ก = ๐ ๐๐ก
Solution โ ๐ ๐๐ก = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐๐ก ๐๐ก = 0 โ ๐ ๐โ๐ ๐ก ๐๐ก = 1 ๐โ๐ ๐ ๐โ๐ ๐ก ๐ก=0 ๐กโโ = 1 ๐ โ๐ , ๐ >๐ โ ๐ ๐๐ก = 1 ๐ โ๐
5
Example Suppose ๐ is a differentiable function on โ โฅ0 whose Laplace Transform ๐น=โ๐ is known. Then compute the Laplace Transform of the derivative ๐โฒ. Solution Integrate by parts: ๐ข= ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ฃ= ๐ โฒ ๐ก ๐๐ก ๐๐ข=โ๐ ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก ๐ฃ=๐(๐ก) โ ๐ โฒ ๐ก = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ โฒ ๐ก ๐๐ก = ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐ก=0 ๐กโโ + 0 โ ๐ ๐ ๐ก ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก =โ๐ 0 +๐ โ ๐ ๐ก =โ๐ 0 +๐ ๐น(๐ ) โ ๐ โฒ ๐ก =๐ ๐น ๐ โ๐(0) where ๐น=โ๐
6
Example Compute the Laplace Transform of the second derivative ๐ โฒโฒ ๐ก Solution Recall from the previous problem that โ ๐ โฒ ๐ก =๐ 0 +๐ โ ๐ ๐ก Let ๐=๐โฒ and this formula becomes โ ๐ โฒโฒ ๐ก =โ ๐ โฒ 0 +๐ โ ๐ โฒ ๐ก =โ ๐ โฒ 0 +๐ โ๐ 0 +๐ ๐น ๐ = ๐ 2 ๐น ๐ โ๐ ๐ 0 โ๐โฒ(0) โ ๐ โฒโฒ ๐ก = ๐ 2 ๐น ๐ โ๐ ๐ 0 โ๐โฒ(0)
7
Example Prove that the Laplace Transform โ is a linear operator: for constants ๐ and ๐ and functions ๐ and ๐: โ ๐๐ ๐ก +๐๐ ๐ก =๐โ ๐ ๐ก ++๐โ ๐ ๐ก Solution โ ๐๐ ๐ก +๐๐ ๐ก = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ ๐ก +๐๐ ๐ก ๐๐ก =๐ 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐๐ก +๐ 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐๐ก =๐โ ๐ ๐ก +๐โ ๐ ๐ก โ ๐๐ ๐ก +๐๐ ๐ก =๐๐น ๐ +๐๐บ(๐ )
8
Example Compute the Laplace Transforms of ๐ ๐ก = sin ๐๐ก and ๐ ๐ก = cos ๐๐ก Solution โ sin ๐๐ก = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก sin ๐๐ก ๐๐ก = โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ cos ๐๐ก +๐ sin ๐๐ก ๐ 2 + ๐ 2 ๐ก=0 ๐กโโ = ๐ ๐ 2 + ๐ 2 = ๐ โ๐ ๐ก โ๐ cos ๐๐ก +๐ sin ๐๐ก ๐ 2 + ๐ 2 ๐ก=0 ๐กโโ โ cos ๐๐ก = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก cos ๐๐ก ๐๐ก = ๐ ๐ 2 + ๐ 2 โ sin ๐๐ก = ๐ ๐ 2 + ๐ 2 โ cos ๐๐ก = ๐ ๐ 2 + ๐ 2
9
Example (Power Rule for Laplace Transforms)
Compute the Laplace Transform of ๐ ๐ก = ๐ก ๐ for positive integers ๐. Solution Integrate by parts: ๐ข= ๐ก ๐ ๐๐ฃ= ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก ๐๐ข=๐ ๐ก ๐โ1 ๐ฃ=โ 1 ๐ ๐ โ๐ ๐ก โ๐ ๐ = 0 โ ๐ก ๐ ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก = โ 1 ๐ ๐ก ๐ ๐ โ๐ ๐ก ๐ก=0 ๐ก=โ + ๐ ๐ 0 โ ๐ก ๐โ1 ๐ โ๐ ๐ก = ๐ ๐ โ ๐ก ๐โ1 (๐ ) This is a recursive formula for โ ๐ก ๐ in terms of โ ๐ก ๐โ1 . Since โ 1 = 1 ๐ , we conclude that โ ๐ก ๐ = ๐! ๐ ๐+1 (this formula can be proved by induction)
10
The last several slides were preparation.
Now an application, to give a taste of how the Laplace Transform is used.
11
Example Use Laplace Transforms to solve the differential equation/initial value problem ๐ฆ โฒโฒ +3๐ฆ= ๐ โ๐ก , ๐ฆ 0 =1, ๐ฆ โฒ 0 =2 Solution We begin by taking the Laplace Transform of both sides, letting ๐=โ๐ฆ โ ๐ฆ โฒโฒ +3๐ฆ =โ ๐ โ๐ก โ ๐ฆ โฒโฒ +3โ ๐ฆ = 1 ๐ +1 โ sin ๐๐ก = ๐ ๐ 2 + ๐ 2 โ cos ๐๐ก = ๐ ๐ 2 + ๐ 2 ๐ 2 ๐ ๐ โ๐ ๐ฆ 0 โ๐ฆโฒ(0) +3๐ ๐ = 1 ๐ +1 ๐(๐ )= ๐ 2 +3๐ +3 ( ๐ 2 +3)(๐ +1) Solve for ๐(๐ ). Recall ๐ฆ 0 =1, ๐ฆ โฒ 0 =2: โ ๐ ๐๐ก = 1 ๐ โ๐ Break apart the right-hand-side with partial fractions and simplify: ๐ ๐ = 1/4 ๐ +1 + 9/4 ๐ /4 ๐ ๐ 2 +3 = ๐ โ(โ1) ๐ ๐ ๐ 2 +3 * ๐ฆ ๐ก = 1 4 ๐ โ๐ก sin ๐ก cos ๐ก Conclude that
12
Laplace Transforms allow us to work more easily with โuglyโ piecewise-defined functions.
13
Example Compute the Laplace Transform of the Heaviside Step Function at ๐ ๐ข ๐ ๐ก = 0 0โค๐ก<๐ 1 ๐โค๐ก Solution โ ๐ข ๐ ๐ก = 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ข ๐ ๐ก ๐๐ก = 0 ๐ ๐ โ๐ ๐ก 0 ๐๐ก + ๐ โ ๐ โ๐ ๐ก 1 ๐๐ก = ๐ โ๐๐ ๐ โ ๐ข ๐ ๐ก = ๐ โ๐๐ ๐
14
Example (t-Shift-Rule for Laplace Transforms) Suppose we know the Laplace Transform โ ๐ ๐ก =๐น(๐ ) of a function ๐. Find the Laplace Transform of the shifted function (where ๐ is a number ๐โฅ0) ๐ ๐ ๐ ๐ก = ๐ข ๐ ๐ก ๐ ๐กโ๐ Solution โ ๐ ๐ ๐(๐ก) = 0 โ ๐ ๐ ๐(๐ก) ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก = ๐ โ ๐ ๐กโ๐ ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก Substitute ๐ข=๐กโ๐, ๐๐ข=๐๐ก = 0 โ ๐ ๐ข ๐ โ๐ ๐ข+๐ ๐๐ข = ๐ โ๐๐ 0 โ ๐ ๐ข ๐ โ๐ ๐ข ๐๐ข = ๐ โ๐๐ ๐น(๐ ) โ ๐ ๐ ๐ ๐ก = ๐ โ๐๐ ๐น(๐ ) Where ๐ ๐ ๐ ๐ก = ๐ข ๐ ๐ก ๐ ๐กโ๐
15
Example Compute the Laplace Transform of the floor function ๐ ๐ก = ๐ก Solution Notice that we can write ๐ ๐ก = ๐=1 โ ๐ข ๐ ๐ก Therefore โ๐ ๐ = ๐=1 โ ๐ โ๐๐ ๐ = 1 ๐ ๐=0 โ ๐ โ๐ ๐ โ๐ ๐ = 1 ๐ ๐ โ๐ 1โ ๐ โ๐ Here we used the Geometric Series formula ๐=0 โ ๐ ๐ ๐ = ๐ 1โ๐
16
Example Solve the differential equation ๐ฆ โฒ = ๐ก , ๐ฆ 0 =0 Solution We take the Laplace Transform of both sides, using the previous problem for the right-hand-side. โ ๐ฆ โฒ =โ ๐ก ๐ฆ 0 +๐ ๐ ๐ = ๐=1 โ ๐ โ๐๐ ๐ ๐ ๐ = ๐=1 โ ๐ โ๐๐ ๐ 2 We now take the inverse Laplace Transform of both sides: ๐ฆ ๐ก = ๐=1 โ ๐ข ๐ ๐ก ๐กโ๐
17
Example (Laplace Transform of Periodic Functions)
Compute โ๐ where ๐ is a periodic function of period ๐ฟ Solution = ๐=0 โ ๐๐ฟ ๐+1 ๐ฟ ๐ ๐ก ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก = ๐=0 โ 0 ๐ฟ ๐ ๐ข ๐ โ๐ ๐ข+๐๐ฟ ๐๐ข โ๐ ๐ = 0 โ ๐ ๐ก ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก = ๐=0 โ ๐ โ๐ ๐๐ฟ 0 ๐ฟ ๐ ๐ข ๐ โ๐ ๐ข ๐๐ข = 0 โ ๐ โ๐ ๐๐ฟ โ ๐ (๐ ) Where ๐ ๐ก = ๐(๐ก) 0โค๐กโค๐ฟ 0 ๐ฟ<๐ก Although the last formula appears โcleanerโ, the penultimate formula is more useful in practice: = โ ๐ ๐ 1โ ๐ โ๐ ๐ฟ If ๐ is ๐ฟ-periodic, then โ๐(๐ )= ๐=0 โ ๐ โ๐ ๐๐ฟ 0 ๐ฟ ๐ ๐ก ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก
18
Example Find the Laplace Transform of the square-wave function of period 2๐
Solution Using the periodic function formula with ๐ฟ=2๐ If ๐ is ๐ฟ-periodic, then โ๐(๐ )= ๐=0 โ ๐ โ๐ ๐๐ฟ 0 ๐ฟ ๐ ๐ก ๐ โ๐ ๐ก ๐๐ก Where 0 2๐ ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐๐ก = 1 ๐ 1โ ๐ โ๐๐ 2 = 1 ๐ โ 2 ๐ โ๐๐ ๐ + ๐ โ2๐๐ ๐ Obtain โ๐ ๐ = ๐=0 โ ๐ โ2๐๐๐ 1 ๐ โ 2 ๐ โ๐๐ ๐ + ๐ โ2๐๐ ๐ โ๐ ๐ = ๐=0 โ ๐ โ2๐๐๐ ๐ โ 2 ๐ โ 2๐+1 ๐๐ ๐ + ๐ โ 2๐+2 ๐๐ ๐ โ๐ ๐ =โ 1 ๐ + 2 ๐ ๐=0 โ ๐ โ2๐๐๐ โ ๐ โ 2๐+1 ๐๐ Where ๐ is the unit square-wave of period 2๐
19
Example (s-shift formula)
Suppose we know the Laplace transform of ๐(๐ก) is ๐น(๐ ). Find a function whose Laplace transform is ๐น ๐ +๐ , where ๐ is a real number. Solution We are looking for a function ๐ ๐ก with โ ๐ ๐ =๐น ๐ +๐ Write out the definition of the Laplace Transform: 0 โ ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐๐ก = 0 โ ๐ โ ๐ +๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐๐ก Set the integrands equal to each other to find that ๐ โ๐ ๐ก ๐ ๐ก = ๐ โ ๐ +๐ ๐ก ๐ ๐ก ๐ ๐ก = ๐ โ๐๐ก ๐ ๐ก Conclude: If โ๐=๐น, then โ ๐ โ๐๐ก ๐ ๐ก =๐น ๐ +๐
20
Example A mass-spring system with resistance is acted upon by a alternating force modelled by the square wave function ๐(๐ก) with period 2๐ฟ and (semi-)amplitude ๐ด. Solve the differential equation assuming the mass starts at rest at ๐ฅ=0. Assume underdamping ( ๐ฝ 2 โ4๐๐<0) Solution ๐ ๐ฅ โฒโฒ +๐ฝ ๐ฅ โฒ +๐๐ฅ=๐ ๐ก Take the Laplace Transform of both sides ๐ ๐ 2 ๐+๐ฝ๐ ๐+๐๐=โ ๐ด ๐ + 2๐ด ๐ ๐=0 โ ๐ โ2๐๐๐ โ ๐ โ 2๐+1 ๐๐ ๐=โ ๐ด ๐ ๐ ๐ 2 +๐ฝ๐ +๐ + 2๐ด ๐ ๐ ๐ 2 +๐ฝ๐ +๐ ๐=0 โ ๐ โ2๐๐๐ โ ๐ โ 2๐+1 ๐๐ ๐พ= ๐ฝ 2๐ ๐= 4๐๐โ ๐ฝ 2 2๐ Write ๐ ๐ 2 +๐ฝ๐ +๐=๐ ๐ +๐พ 2 + ๐ 2 , where ๐พ= ๐ฝ 2๐ and ๐= 4๐๐โ ๐ฝ 2 2๐ = โ๐ด/๐ ๐ ๐ +๐พ 2 + ๐ ๐ด/๐ ๐ ๐ +๐พ 2 + ๐ 2 ๐=0 โ ๐ โ2๐๐ฟ๐ โ ๐ โ 2๐+1 ๐ฟ๐ Apply partial fractions. = ๐ด ๐ ๐พ 2 + ๐ ๐ โ ๐ +2๐พ ๐ +๐พ 2 + ๐ 2 โ1+2 ๐=0 โ ๐ โ2๐๐ฟ๐ โ ๐ โ 2๐+1 ๐ฟ๐
21
Example A mass-spring system with resistance is acted upon by a alternating force modelled by the square wave function ๐(๐ก) with period 2๐ฟ and (semi-)amplitude ๐ด. Solve the differential equation assuming the mass starts at rest at ๐ฅ=0. Assume underdamping ( ๐ฝ 2 โ4๐๐<0) Solution ๐(๐ )= ๐ด ๐ ๐พ 2 + ๐ ๐ โ ๐ +2๐พ ๐ +๐พ 2 + ๐ 2 โ1+2 ๐=0 โ ๐ โ2๐๐ฟ๐ โ ๐ โ 2๐+1 ๐ฟ๐ โ sin ๐๐ก = ๐ ๐ 2 + ๐ 2 โ cos ๐๐ก = ๐ ๐ 2 + ๐ 2 = ๐ด ๐ ๐พ 2 + ๐ ๐ โ ๐ +๐พ ๐ +๐พ 2 + ๐ 2 โ ๐พ ๐ ๐ ๐ +๐พ 2 + ๐ 2 โ1+2 ๐=0 โ ๐ โ2๐๐ฟ๐ โ ๐ โ 2๐+1 ๐ฟ๐ Let ๐ ๐ก =1โ ๐ โ๐พ๐ก cos ๐๐ก โ ๐พ ๐ sin ๐๐ก and ๐ต= ๐ด ๐ ๐พ 2 + ๐ 2 If โ๐=๐น, then โ ๐ โ๐๐ก ๐ ๐ก =๐น ๐ +๐ ๐ฅ(๐ก)=โ๐ต๐(๐ก)+2๐ต ๐=0 โ ๐ 2๐๐ฟ ๐ ๐ก โ ๐ 2๐+1 ๐ฟ ๐(๐ก) โ ๐ ๐ ๐ ๐ก = ๐ โ๐๐ ๐น(๐ ) Where ๐ ๐ ๐ ๐ก = ๐ข ๐ ๐ก ๐ ๐กโ๐
22
Example Plot the solution to the previous problem with ๐=2.3 kg, ๐ฝ=0.4 kg/s, ๐=25 N/m, ๐ด=20 N, ๐ฟ=3 s.
23
Example Same example: ๐=0.3 kg, ๐ฝ=1.2 kg/s, ๐=30 N/m, ๐ด=40 N, ๐ฟ=12 s
Similar presentations
© 2025 SlidePlayer.com. Inc.
All rights reserved.