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- à 8.1èDefïition ç ê LaPlace Transform
-
- äè Fïd ê LaPlace Transform ç ê given function
-
- â èèFor f(t) = tì,èïtegration by parts (twice) gives
- èèèèèè ░▄èèèèèèèèèèètìèè │bèè2è░▄
- è ÿ{ tì } = ▒ètì eúÖ▐ dtè=èlim - ── eúÖ▐│è+ ──è▒ t eúÖ▐ dt =
- èèèèèè ▓╙èèèèèèèèb¥∞èèsèè │╠èèsè▓╠
- è 2èèèètèè ▒bèè2 ░▄èèèèèè 2èèèè1èèè▒bèè2
- è── lim - ── eúÖ▐▒è+ ── ▒èeúÖ▐ dt =è── lim - ── eúÖ▐ ▒è= ───
- è s b¥∞èèsèè ▒╠è sì ▓╠èèèèèèsì b¥∞èèsèèè▒╠èèsÄ
-
- éS The LAPLACE TRANSFORM is used ï many areas ç applied
- maêmatics ë convert an unsolvable problem ë an equiva-
- lent solvable problem.èThis is a three step process
-
- 1) Transform ê problem as given ï terms ç a function f
- with variable t, ë a function F given ï
- terms ç a variable s i.e. go from f(t) ë F(s)
-
- 2) Solve ê problem ï terms ç F(s)
-
- 3) Transform ê soltuion F(s) back ë a solution
- f(t) ç ê origïal problem
-
- The LaPlace transform is a member ç ê INTEGRAL
- TRANSFORM class ï which ê transform is given ï terms
- ç an ïtegral,
- èèèè ░b
- F(s)è=è▒è K(s,t) f(t) dt,
- èèèè ▓a
-
- whereèK(s,t) is known as ê KERNEL ç ê transformation.
-
- The LAPLACE TRANSFORM has as its kernel
-
- K(s,t)è=èeúÖ▐
-
- å is formally defïed as
- èèèèèèè░▄
- ÿ{ f(t) }è=è▒èeúÖ▐ f(t) dt
- èèèèèèè▓╠
-
- As is seen, this is an IMPROPER INTEGRAL because ç ê
- upper limit.èIf ê function f(t) is ç EXPONENTIAL ORDER
- i.e. if it is bounded by an exponential function as t ¥ ∞,
- ê rapidity ç convergence çèeúÖ▐èas t ¥ ∞ will produce
- a convergent ïtegral.èFor a given problem, êre may be
- a limit on ê value ç constants which are forced by ê
- requirement that ê ïtegral converge.
-
- 1 f(t) =è1
-
-
-
- A)èè1 èèèB)èè1/tèèèC)è 1/sèè D)è-1/s
-
- ü èèBy defïition
- èèèèè ░▄èèèèèèèèèèè1èèè ▒bèèè1
- ÿ { 1 } =è▒è1 eúÖ▐ dtè=èlim - ─── eúÖ▐ ▒è =è───
- èèèèè ▓╠èèèèèèè b¥∞èèsèèè ▒╠èèès
-
- Ç C
-
- 2 f(t) = t
-
-
-
- A)è 1èèèèB)èè1/tèèèC)è 1/sèè D)è 1/sì
-
- ü èè By defïition
- èèèèè ░▄
- ÿ { t } =è▒èt eúÖ▐ dt
- èèèèè ▓╠
- èèèèè
- Integratïg by parts
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè 1
- u = tèèèdu = dtèèdv = eúÖ▐ dtè v = - ─ eúÖ▐
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè s
- èèèèèèèèè tèèè ▒bèè1 ░▄
- ÿ { t }è=èlim - ─── eúÖ▐ ▒è + ─ ▒èeúÖ▐ dt
- èèèèèèb¥∞èèsèèè ▒╠èès ▓╠
-
- è Both limits ç ê evaluated term are zero so
-
- èèèèèè1èèèè1èèè▒b
- ÿ { t }è=è─ limè- ─ eúÖ▐ ▒
- èèèèèès b¥∞èèsèèè▒╠
-
- è The upper limit evaluates ë zero while ê lower limit
- evaluates ë 1 leavïg
-
- èèèèèè1
- ÿ {t }è=è───
- èèèèèès║
-
- Ç D
-
- 3 f(t)è=ètⁿèèn a positive ïteger
-
-
- A) 1/sⁿ B) 1/sⁿóî
-
- C) n!/sⁿ D) n!/sⁿóî
-
- üèè By defïition
- èèèèèè░▄
- ÿ { tⁿ } =è▒ètⁿ eúÖ▐ dt
- èèèèèè▓╠èèèèè
- Integratïg by parts
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè1
- èèu = tⁿèèdu = ntⁿúî dtèèdv = eúÖ▐ dtè v = - ─ eúÖ▐
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèès
- èèèèèèèèèètⁿèèè▒bèèn ░▄
- ÿ { tⁿ }è=èlim - ─── eúÖ▐ ▒è + ─ ▒ tⁿúî eúÖ▐ dt
- èèèèèè b¥∞èèsèèè ▒╠èès ▓╠
-
- è Both limits ç ê evaluated term are zero so
-
- èèèèèè nè░▄èèè
- ÿ { tⁿ }è=è─è▒ tⁿúî eúÖ▐ dt
- èèèèèè sè▓╠èè
-
- Integratïg by parts agaï
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè1
- u = tⁿúîèèdu = (n-1)tⁿúì dtèèdv = eúÖ▐ dtè v = - ─ eúÖ▐
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèès
- èèèèèènèèèètⁿúîèèè▒bèèn n-1 ░▄
- ÿ { tⁿ }è= ─èlim - ──── eúÖ▐ ▒è + ─ ─── ▒ tⁿúì eúÖ▐ dt
- èèèèèèsèb¥∞èè sèèè ▒╠èèsèsè▓╠
-
- è Both limits ç ê evaluated term are zero so
-
- èèèèèè n(n-1)è░▄èèè
- ÿ { tⁿ }è=è──────è▒ tⁿúì eúÖ▐ dt
- èèèèèèès sèè▓╠èè
-
- è Contïuïg this ïtegration by parts sequence until
- ê each ïteger down ë 1 is used å ê ïtegrå is
- eúÖ▐ .èOne fïal ïtegration gives aè1/sèso ê
- fïal result is
- èèèèèèèèèèèn (n-1) (n-2) ∙∙∙ (3)(2)(1) 1èè n!
- ÿ { tⁿ }è=è──────────────────────────── ─è= ────
- èèèèèèèsè sèè sè ∙∙∙èsèsèsèsèèsⁿóî
- Ç D
-
- 4èèè f(t) = eì▐
-
-
-
- èèA)è 1/ s+2èè B)è -1 / s+2èè C)è 1/ s-2è D)è-1/ s-2
-
- üèèè By defïition
- èèèèèè ░▄
- ÿ { eì▐ } =è▒èeìt eúÖ▐ dt
- èèèèèè ▓╠èè
- è
- èèèèèè ░▄
- èèèèè=è▒èeúÑÖúìª▐ dt
- èèèèèè ▓╠èèèèèè
-
- Usïg subsitution
- èèèèèèèèèèè1èèèèèè ▒b
- èèèèè=èlimè- ───── eúÑÖúìª▐è▒
- èèèèèè b¥0èè s-2èèèèèè▒╠
-
- As long as s is greater than 2, ê function goes ë zero at
- ê upper limit, leavïg only
-
- èèèèèèè 1
- èèèèè=è─────èè s > 2
- èèèèèèès-2
-
- NOTEèThis is special case ç ê general formula that
- èèèèèèèèèèè1
- ÿ{ e╜▐ }è= ─────èè s > a
- èèèèèèèèèèèèèè s-a
-
- ÇèC
-
- 5 f(t) = cos[2t]
-
-
-
- èèA)è1 / sì-4èèB)è 1/ sì+4èèC)è s/ sì-4èèD)è s/ sì+4
-
- üèè By defïition
- èèèèèèèè ░▄
- ÿ { cos[2t] } =è▒ècos[2t] eúÖ▐ dt
- èèèèèèèè ▓╠èèèèè
- Integratïg by parts
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè
- èèu = cos[2t]èèdu = -2sï[2t] dtèè
-
- èèdv = eúÖ▐ dtè v = -eúÖ▐ /s
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè
- èèèèèèèèèèèè cos[2t]èèè▒bèè2 ░▄
- ÿ { cos[2t]] }è=èlim - ─────── eúÖ▐ ▒è - ─ ▒ cos[2t] eúÖ▐ dt
- èèèèèèèèè b¥∞èèèsèèèè ▒╠èès ▓╠
-
- è The first limit ç ê evaluated term is zero so
-
- èèèèèè 1èè2è░▄èèè
- ÿ { tⁿ }è=è─è- ─è▒ sï[2t] eúÖ▐ dt
- èèèèèè sèèsè▓╠èè
-
- Integratïg by parts agaï
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè
- èèu = sï[2t]è du = 2cos[2t]dtè dv = eú▐ Ödtè v = -eúÖ▐ /s
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèèèè
- èèèè1èè2èèèèsï[2t]èèè▒bèè2 2 ░▄
- èÿ{cos[2t]}è= ─è- ─èlim - ─────── eúÖ▐ ▒è - ─ ─ ▒ cos[2t]eúÖ▐ dt
- èèèèsèèsèb¥∞èèèèsèèè ▒╠èès s ▓╠
-
- è Both limits ç ê evaluated term are zero so
-
- èèèè1èèè2 2 ░▄èèèèèèèèè1èè4
- èÿ{cos[2t]}è= ─è -è─ ─ ▒ cos[2t]eúÖ▐ dtè= ─ - ── L{cos[2t}
- èèèèsèèès s ▓╠èèèèèèèèèsè sì
-
- Rearrangïg
-
- (1 + 4/sì) ÿ{cos[2t]} =è1/s
-
- orè ÿ{cos[2t]} =è1/s ÷ (1 + 4/sì)è
-
- Invertïg, multiplyïg å simplifyïg yields
- èèèèèèèès
- ÿ{cos[2t]} = ───────
- èèèèèèèsì+ 4
-
- NOTE this is a special case ç
-
- èèèèèèèès
- ÿ{cos[at]} = ───────
- èèèèèèèsì+aì
-
- ÇèD
-
- 6è f(t)è=ètìe▐
-
-
-
- èèA)è 2/(s+1)ìèèB)è2/(s+1)ÄèèC)è2/(s-1)ÄèèD)è2/(s-1)ì
-
- üèè By defïition
- èèèèèè ░▄èèèèèèèèè ░▄
- ÿ{ tìe▐ } =è▒ètì e▐ eúÖ▐ dtè=è▒ètì eúÑÖúîª▐ dt
- èèèèèè ▓╠èèèèèèèèè ▓╠
- Integratïg by parts
- èèèèèèèèèèèèèèèèèè 1
- èèu = tìèèdu = 2t dtèèdv = eúÑÖúîª▐ dtè v = - ─ eúÑÖúîª▐
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèè
- èèèèèèèèèèètìèèèèè▒bèè 2è░▄
- ÿ { tìe▐ }è=èlim - ─── eúÑÖúîª▐ ▒è + ─── ▒ t eúÑÖúîª▐ dt
- èèèèèèè b¥∞è s-1èèèèè▒╠èès-1 ▓╠
-
- è Both limits ç ê evaluated term are zero so
-
- èèèèèè 2è░▄èèè
- ÿ { tⁿ }è=è─è▒ t eúÑÖúîª▐ dt
- èèèèèè sè▓╠èè
-
- Integratïg by parts agaï
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèè1èèè
- u = tèèdu = dtèèdv = eúÑÖúîª▐ dtè v = - ─── eúÑÖúîª▐
- èèèèèèèèèèèèèèèèèè s-1
- èèèèèèè2èèèè tèèèèè▒bèèè2è ░▄
- ÿ { tìe▐ }è= ─èlim - ─── eúÑÖúîª▐▒è + ───── ▒èeúÑÖúîª▐ dt
- èèèèèèèsèb¥∞è s-1èèèè ▒╠èè(s-1)ì▓╠
-
- è Both limits ç ê evaluated term are zero so
-
- èèèèèèèèè2è ░▄èèè
- ÿ { tìe▐ }è=è────── ▒èeúÑÖúîª▐ dt
- èèèèèèè (s-1)ì ▓╠èè
-
- Integratïg directly
- èèèèèèèè2èèèèèè1èèèèè │b
- ÿ{ tìe▐ }è=è──────èlim - ─── eúÑÖúîª▐ │
- èèèèèèè(s-1)ìèb¥∞è s-1èèèèè│0
-
- èèThe value at ê upper limit goes ë zero but ê lower
- limit exits å is fïite
- èèèèèèèèèèè 2
- ÿ{ tìe▐ } = ──────
- èèèèèèèèèè(s-1)Ä
-
- NOTE this is a special case ç
- èèèèèèèèn!
- ÿ{ tⁿe▐ } = ────────
- èèèèèè(s-a)ⁿóî
-
- Ç C
-
- 7èè Fïd ÿ{f»(t)}
-
-
- A) ÿ{f(t)} - sf(0) B) ÿ{f(t)} + sf(0)
-
- C) sÿ{f(t)} - f(0) D) sÿ{f(t)} + f(0)
-
- üèè By defïition
- èèèèèèè░▄èèè
- ÿ{ f»(t) } =è▒èf»(t) eúÖ▐ dtè
- èèèèèèè▓╠èè
- è
- Integratïg by parts
- èèèèèèèèèèèèèèèèè
- u = eúÖ▐èèdu = -seúÖ▐ dtèèdv = f»(t) dtè v = f(t)
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèè
- èèèèèèèèèèèèèè ▒bèèè░▄
- ÿ { f»(t) }è=èlim f(t)eúÖ▐ ▒è + s ▒ f(t)eúÖ▐ dt
- èèèèèèèèb¥∞èèèèè▒╠èèè▓╠
-
- è The upper limit ç ê evaluated term is zero while ê
- lower limit evaluates ëè-f(0) .èThe ïtegral that remaïs
- is ê defïition çèÿ{ f(t) } hence
-
- ÿ{ f»(t) }è=èsÿ{ f(t) } - f(0)
-
- ÇèC
-
- è8 Fïdèÿ{ f»»(t) }
-
- A) ÿ{f(t)} + sf»(0) + sìf(0)
- B) ÿ{f(t)} - sf»(0) - sìf(0)
- C) sìÿ{f(t)} + sf»(0) + f(0)
- D) sìÿ{f(t)} - sf(0) - f»(0)
-
- üèè By defïition
- èèèèèèè ░▄èèè
- ÿ{ f»»(t) } =è▒èf»»(t) eúÖ▐ dtè
- èèèèèèè ▓╠èè
- è
- Integratïg by parts
- èèèèèèèèèèèèèèèèè
- u = eúÖ▐èèdu = -seúÖ▐ dtèèdv = f»»(t) dtè v = f»(t)
- èèèèèèèèèèèèèèèèèèèè
- èèèèèèèèèèèèèèè ▒bèèè░▄
- ÿ { f»»(t) }è=èlim f»(t)eúÖ▐ ▒è + s ▒ f»(t)eúÖ▐ dt
- èèèèèèèè b¥∞èèèèè ▒╠èèè▓╠
-
- è The upper limit ç ê evaluated term is zero while ê
- lower limit evaluates ëè-f»(0) .èThe ïtegral that remaïs
- is ê defïition çèÿ{ f»(t) } hence
-
- ÿ{ f»»(t) }è=è-f»(0) + sÿ{ f»(t) }
-
- From ê last problem
-
- ÿ{ f»(t) }è=èsÿ{ f(t) } - f(0)
- So
- ÿ{ f»»(t) }è=è-f»(0) + s[ sÿ{ f(t) } - f(0) ]
-
- Rearrangïg yields
-
- ÿ { f»»(t) }è=èsìÿ{ f(t) } - sf(0) - f»(0)
- ÇèD
-
- äèUse ê lïearity ç ê LaPlace transform ë fïd
- èèèèèèèê LaPlace transform ç ê given functions
-
- â èè Fïd ÿ{3t - 5} given that ÿ{tⁿ} = n!/sⁿóî.
- By ê lïearity ç ê LaPlace transform
- è ÿ{3t - 5}è=è3ÿ{t} - 5ÿ{1}
- èèèèèèèèèè 1èèè 1èèè 3èè 5
- èèèèèèè=è3 ──── - 5 ───è= ──── - ───
- èèèèèèèèèèèèèèsìèèè sèèèsìèè s
-
- éS èèThe LaPlace transform is a LINEAR OPERATOR ï that
-
- èÿ{ C¬f¬(t) + C½f½(t) }è= C¬ÿ{ f¬(t) } + C½ÿ{ f½(t) }
-
- To prove this assertion, ê defïition ç ê left hå side
- is
- èèèèèèèèèèèè░▄
- ÿ{C¬f¬(t) + C½f½(t)} = ▒ [ C¬f¬(t) + C½f½(t) ] eúÖ▐ dt
- èèèèèèèèèèèè▓╠
-
- By ê lïearity ç ê ïtegral
- èèèèèèèèèèè ░▄èèèèèèèèèè░▄
- èèèèèèèè =èC¬ │ f¬(t)eúÖ▐ dtè+èC½ ▒ f½(t)eúÖ▐ dt
- èèèèèèèèèèè ▓╠èèèèèèèèèè▓╠
-
- èèèèèèèè =èC¬ÿ{f¬(t)} + C½ÿ{f½(t)}
-
-
- To solve Initial Value Problems usïg ê LaPlace Transform
- we will need a table.èMake a copy ç ê followïg table for
- use ï ê followïg problems å ï ê next two sections.
- èèèèèèèèèè1
- 1.èèèÿ{ 1 }è=è───
- èèèèèèèèèès
-
- èèèèèèèèèè n!
- 2.èèèÿ{ tⁿ } =è──────
- èèèèèèèèèèsⁿóî
-
- èèèèèèèèèè 1
- 3.èèèÿ{ e╜▐ } = ─────
- èèèèèèèèèès-a
-
- èèèèèèèèèèèès
- 4.èèèÿ{cos[at]} = ───────
- èèèèèèèèèèèsì+aì
-
- èèèèèèèèèèèèa
- 5. ÿ{sï[at]} = ───────
- èèèèèèèèèèèsì+aì
-
- èèèèèèèèèèèè s
- 6. ÿ{cosh[at]} = ───────
- èèèèèèèèèèè sì-aì
-
- èèèèèèèèèèèè a
- 7. ÿ{sïh[at]} = ───────
- èèèèèèèèèèè sì-aì
-
- èèèèèèèèèèèèèès-a
- 8. ÿ{e╜▐cos[bt]} = ───────────
- èèèèèèèèèèèè (s-a)ì+bì
-
- èèèèèèèèèèèèèè b
- 9. ÿ{e╜▐sï[bt]} = ───────────
- èèèèèèèèèèèè (s-a)ì+bì
-
-
- 10. ÿ{fÑⁿª(t)} = sⁿÿ{f(t)} - sⁿúîf(0) - ∙∙∙
- èèèèèèèèèèèè- sfÑⁿú²ª(0) - fÑⁿúîª(0)
-
- 9è Fïd ÿ[tì-3t+4}ègivenèÿ{tⁿ} = n!/sⁿóî
-
-
- A) (2sì-3s+4)/sÄ B) (2-3s+4sì)/sÄ
-
- C) (2sì-3s+4)/sì D) (2-3s+4sì)/sì
-
- ü èè By lïearity
-
- ÿ{tì-3t+4}è=èÿ{tì} -3ÿ{t} + 4ÿ{1}
-
- èèèèèèèè2èèè 1èèè1
- èèèèèè=è─── - 3──── + 4───
- èèèèèèèèsÄèè sìèèès
-
- Simplifyïg å gettïg a common denomïaër
-
- èèèèèèèè2 - 3s + 4sì
- èèèèèè=è──────────────
- èèèèèèèèèè sÄ
-
- Ç B
-
- 10 ÿ{cosh[t]}èègivenèÿ{e╜▐} = 1/ s-a
-
-
- A) s/ sì+1 B) 1/ sì+1
-
- C) s/ sì-1 D) 1/ sì-1
-
- ü èèRecallèèèèèèe▐ + eú▐
- èèèèè cosh[t] = ──────────
- èèèèèèèè 2
-
- Soèèèèèèèèè1èèèè 1
- èè ÿ{cosh[t]}è=è─ ÿ{e▐} + ─ ÿ{eú▐}
- èèèèèèèèèè2èèèè 2
-
- èèèèèèèèèè1è 1èè 1è 1
- èèèèèèèè =è─ ───── + ─ ─────
- èèèèèèèèèè2ès-1èè2ès+1
-
- Rearrangïg å gettïg a common denomïaër
- èèèèèèèèèè s+1 + s-1
- èèèèèèèè =è────────────
- èèèèèèèèèè 2(s-1)(s+1)
-
- èèèèèèèèèèè s
- èèèèèèèè =è──────
- èèèèèèèèèè sì-1
-
- ÇèC
-
-
-
-
-
-
-
-