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La Transformada de Laplace Exposición (Real)

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UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABÍ

FACULTAD INGENIERIA INDUSTRIAL

La Transformada de Laplace

Integrantes: Docente:
• Erick Cedeño Quiroz Ing. Jouber Azua
• Bryan Rodríguez Mendoza
• Bryan Saltos Sornoza

Curso:
• 9no “B”
La Transformada de Laplace

Es una de las
herramientas matemáticas
más usadas para resolver
ecuaciones diferenciales

Las soluciones, tanto


homogénea
particular de Convierte la ecuación
como diferencial en
ecuaciones
las ecuaciones algebraicas
diferenciales con el operador s,
obtienen
se en una sola
operación.
Definición de la transformada de Laplace

Sea f(t) una función continua en [0, ∞] La transformada de Laplace de f(t) es la


función f(s) definida mediante la integral:

𝑓 𝑠 = න𝑓 ( 𝑡 ) 𝑒 − 𝑠 𝑡 𝑑𝑡
0

Dónde:
𝑓 = 𝑒 𝑠 𝑢 𝑛 𝑎 𝑣 𝑎 𝑟 𝑖 𝑎 𝑏 𝑙 𝑒
𝑡 𝑑 𝑒 𝑡 𝑖 𝑒 𝑚 𝑝 𝑜
𝑓 = 𝑒 𝑠 𝑙𝑎
𝑠𝑠 = 𝑡𝑣 𝑟𝑎 𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑏 𝑠𝑙 𝑓𝑒 𝑜𝑑 𝑟𝑒 𝑚 𝑎 𝑑 𝑎 𝑑 𝑒
𝑡 𝑟 𝑎𝐿 𝑛𝑎 𝑝𝑠 𝑓𝑙 𝑎𝑜 𝑐𝑟 𝑒𝑚 𝑎 𝑑 𝑎 𝑑 𝑒
𝐿 𝑎 𝑝 𝑙 𝑎 𝑐 𝑒
Propiedades y Teoremas de la
transformada de Laplace

Linealidad ℒ[𝑎 𝑓 (𝑡 )]=a ℒ[𝑓 𝑡


]
La transformada de Laplace de una constante por una función es igual a la
constante multiplicada por la transformada de Laplace de la función

𝑓 𝑠 = න
𝑓 (𝑡 )𝑒 − 𝑠 𝑡 𝑑𝑡
0

ℒ[𝑎 𝑓 (𝑡 )]= න
𝑎 𝑓 (𝑡 )𝑒 − 𝑠 𝑡 𝑑 𝑡
0

ℒ [ 𝑎 𝑓 (𝑡 ) ]= 𝑎 න
𝑓 (𝑡 )𝑒 − 𝑠 𝑡 𝑑 𝑡
0
Traslación
ℒ[𝑒 𝑎 𝑡 𝑓 (𝑡 )]=ℒ[𝑓 𝑡 ]

La transformada de Laplace se convierte en un factor exponencial en una


traslación en la variable s
Derivada de una Función f ´(t)

ℒ[𝑓´(𝑡)]=sℒ − 𝑓 (0)
𝑓 𝑡

La transformada de Laplace se convierte en un factor exponencial en una


traslación en la variable s

න𝑢 𝑑 𝑣 = 𝑢 𝑣 −
ℒ[𝑓´(𝑡)]= න 𝑓
න𝑣 𝑑 𝑢
´(𝑡 )𝑒 − 𝑠 𝑡 𝑑 𝑡
0 ∞
ℒ[𝑓´ 𝑡 ] = 𝑒 −𝑠 𝑡 𝑓 0𝑡 | ∞ 0− ‫) 𝑡 ( 𝑓 ׬‬ 𝑑 𝑢 =
𝑢 =
(lim
−𝑠 𝑒 − 𝑠 𝑡
)𝑑 𝑡
−𝑠 𝑒 − 𝑠 𝑡 𝑑 𝑡
− 𝑒 − 𝑠 0 𝑓 ( 0 ) +0s ‫׬‬

𝑑𝑒 𝑣− 𝑠 =𝑡 𝑓 𝑣 = 𝑓
𝑒 − 𝑠 𝑡 𝑓 𝑡
𝑡 →∞
− 𝑠 𝑡
´ 𝑡 𝑑 𝑡 𝑡
𝑓 ( 𝑡 ) 𝑒 𝑑 𝑡
= − 𝑓 0 +sℒ
𝑓 𝑡
Transformada de la Integral
𝒕

𝓛 න 𝒇 (𝒕 ) 𝒅 𝒕 =
𝓛 𝒇 𝒕
𝟎
t

ℒ න
𝑒 𝑡 𝑐 𝑜 𝑠 (𝑡 )
ℒ[𝑒 𝑎 𝑡 𝑓 𝑡 ] = ℒ[𝑓 (𝑡 )]
𝑑 𝑡
=0 ℒ
� 𝑠
cos 𝑡
1�1 𝑠 ℒ [cos 𝑎 𝑡 ] =
= ( 2 ) 𝑠 2 + 𝑎 2
𝑠 𝑠
+1
1 𝑠
= ( − 12 )
𝑠 (𝑠 −1)
+1
Teorema
Valor final.- Si 𝑓 ( 𝑡 ) y su derivada son transformables y si el límite de
𝑓 (𝑡 )
cunado t tiende al infinito existe entonces:

Es decir, el comportamiento de 𝑓 ( 𝑡 ) en las proximidades de 𝑡 = infinito está


ligado al comportamiento de 𝑠 𝐹 ( 𝑠 ) en el entorno de 𝑠 =0.

Valor inicial. Si la función 𝑓 ( 𝑡 ) y su derivada son transformable y existe


el
límite de 𝑠 𝐹 ( 𝑠 ) para el tiempo tendiendo a infinito, entonces:
Inversa de la transformada de Laplace
Definición de transformada inversa de Laplace
Sea una función F(s) . Si existe una función f(t) que sea seccionalmente
continua en el intervalo [0, ∞) y satisfaga la relación:

ℒ−1 𝐹 𝑠 = 𝑓 (𝑡 )

entonces 𝑓 ( 𝑡 ) es la transformada inversa de Laplace de F(s) .

Ejemplo:
Determinar la transformada inversa de Laplace ℒ−1 𝐹 𝑠
6 6 3!
1. → 𝑠 ℒ−1 = 𝑠 4 = 𝑡3
,𝐹donde: 𝑠 4
4 6
2.
𝑠 = ℒ−1
→ = 𝑒 2𝑡
(𝑠 −2)2+36
𝐹 sen(6𝑡 )
( 𝑠 − 26) 2 + 3 6
𝑠 = 
Método de fracciones parciales

Este método consiste en expresar una función 𝐹 𝑠 de la


forma
𝑃 𝑠 /𝑄 𝑠 (función racional),
donde 𝑃 𝑠 y 𝑄 𝑠 son polinomios en
𝑠,
y donde el grado de 𝑃 𝑠 es menor que el grado de 𝑄 𝑠 .
Debemos
considerar tres casos:
1. Raíces reales diferentes.
2. Raíces reales repetidas.
3. Raíces de factores cuadráticos.
1. Raíces reales diferentes

Si podemos expresar 𝑄 𝑠 en factores lineales distintos (factorización de


polinomios) de la forma:
𝑄 𝑠 = 𝑠
− 𝑟1 𝑠 −
donde los valores 𝑟 𝑖 , 𝑖 = 1,2, …, 𝑛 son números reales,
𝑟2 …( 𝑠
podemos representar la
− 𝑟𝑛 )
función en fracciones parciales
𝑃 ( 𝑠como:
) 𝐴 1 𝐴 2
𝐹 𝐴 𝑛
𝑠 = = + + ⋯+
𝑄 𝑠 𝑠 − 𝑟1 𝑠 − 𝑟2 𝑠
donde las constantes 𝐴 𝑖 , 𝑖−=𝑟 1,2,
𝑛 …, 𝑛 son números
reales.
Ejemplo
Determinar la transformada inversa de Laplace ℒ−1 𝐹 1 𝑠 , si

= 5𝑠 + 3
𝐹
𝑠 3 + 7𝑠 2 + 14𝑠 +
𝑠 8
la cual podemos expresar de la siguiente manera:
5𝑠 + 3 𝐴
𝐹 𝐵 𝐶
𝑠 = = + +
𝑠 3 + 7𝑠 2 + 14𝑠 + 8 𝑠 + 1 𝑠 + 2 𝑠
+ 4 ambos lados de la ecuación por 𝑠 − 𝑠 𝑛 siendo 𝑠 𝑛
Se calculan multiplicando
la raíz de 𝑠 que le corresponde a cada constante y se le asigna el valor de 𝑠 𝑛
a 𝑠 , es decir,
𝑠 + 1 𝐹 𝑠 |𝑠 5𝑠 se+ muestra
=𝐴 𝐴 , como 3 −2
a continuación:
=1 ቤ −→ 𝐴
𝑠 + 2 (𝑠 + 𝑠 3
= =
4) =−1
5𝑠 + −7 7
𝐵 ቤ −→ 𝐵 =
𝑠 +3 1 ( 𝑠 + 𝑠 −2 2
= =
4) =−2
5𝑠 + − 17
𝐶 ቤ −→ 𝐶
𝑠 +3 1 ( 𝑠 + 𝑠 6
= =
2) =−4
Por lo tanto,
5𝑠 + 3

=
� 𝑠 3 + 7 𝑠 2 + 14 𝑠 +
2 8 1 7 1 17 1

= −𝑠 ∗ + ∗ −
� 3 𝑠 + 1 2 𝑠 + 2

Por último, 6la transformada inversa de Laplace ℒ −1 𝐹
1 𝑠
𝑠 + 4
es: 𝑠 2 7𝑒 17
− + −2 − 𝑒− 4 ,
𝑓 𝑒𝑡 = − 2 6
𝑡
3 𝑝 𝑎 𝑟 𝑎 𝑡 > 0𝑡
𝑡
2. Raíces reales repetidas

Sea 𝑠 − 𝑟 1 un factor lineal repetido de 𝑄 𝑠 y


𝑠 − 𝑟 1�
supongamos

la máxima potencia de 𝑄 𝑠
es que .
desarrollo
Entonces en
la fracciones
parte parciales
del de:


𝑄� corresponde al término 𝑠 − 1𝑟 𝑚 ,
𝑠(𝑠 es:
) 𝐴 1 𝐴
+ + ⋯+ ,
𝑠 𝐴− 2𝑟 1 𝑠 𝑠 𝑛−
− 𝑟1 𝑟 1𝑛
donde los 𝐴 𝑖 son números
reales.
3. Raíces de factores cuadráticos

Para este caso podemos expresar a 𝑄 𝑠 en factores cuadráticos


de la
forma: 𝑄 𝑠 = 2 +
𝑠 − 𝛼
𝛽 2
3.1 Método de factores cuadráticos
Se factoriza 𝑄 𝑠 usando completación cuadrados de la
de forma
𝑠 − 𝛼 2 + 𝛽 2.
Luego se construye la fracción parcial de la forma,
𝐴 (𝑠 −
𝑓
𝑠 𝛼− 𝛼 2 + )𝛽 2 + 𝑠 2 +
𝑠
− 𝐵𝛼 (𝛽 )
donde los valores de= A y B se 𝛽determinan
2 por el álgebra básica.

La trasformada inversa es:


𝑓 𝑡 =
𝐴 𝑒 𝛼 𝑡 𝑐 𝑜 𝑠 (𝛽 𝑡 ) +
𝐵 𝑒 𝛼 𝑡 𝑠 𝑒 𝑛 (𝛽 𝑡 )
EJEMPLIFICACIÓN DE LA TRANFORMADA DE LAPLACE

• La trasformada de Laplace L, es un operador lineal que cambia de una


función de un dominio a otro.

f(t) TL F(s)

Función en el dominio en (t) Función en el dominio en (s)


Aplicaciones de la transformada de Laplace

La transformada de Laplace es
una técnica, empleada tanto en
ingeniería como en ciencias,
para resolver ecuaciones
diferenciales lineales con
coeficientes constantes y
condiciones iniciales.
Aplicaciones de la transformada de Laplace en el
ámbito domestico

El control de procesos que


lo podemos aplicar, por
ejemplo: en el ámbito
doméstico (para controlar
temperaturas humedad en
edificios etc.)
Aplicaciones de la transformada de Laplace en la transportación

En la transportación,
para controlar que autos
o aviones se muevan de
un lugar a otro de forma
segura y exacta.
Aplicaciones de la transformada de Laplace en la industria
electrónica

En la ingeniería electrónica la
transformada de la place sirve para
resolver fácilmente una ecuación
diferencial, en electrónica es
fundamental ya que todos los
elementos que se utilizan en la
electricidad responden conforme
este tipo de ecuaciones.
Aplicaciones de la transformada de Laplace en la ingeniería
química

En la ingeniería química tienen


especial importancia, en control de
procesos en necesario obtener las
funciones de transferencia de los
distintos de un lazo de control,
estas funciones de transferencias
se expresan en el dominio de
Laplace
Ejercicio de aplicación
• Una industria de tratamiento de aguas residuales desea saber que
tiempo se necesita para llegar al 50% de eficiencia en la
neutralización química de HCL (ácido clorhídrico) con NAOH
(Hidróxido de sodio). Se realiza pruebas de laboratorio a
pequeña escala. Se comienza con un proceso de 4 moles de HCL
y durante la neutralización se observa que a los 5 segundos solo
el 30% de la solución a reaccionado. Calculemos el tiempo en
que demora llegar al 50%.
• 1 objetivo:
Determinar el tiempo en que demora llegar al 50%
• 2 Esquema:

Ácido clorhídrico (Hcl) Hidróxido de sodio (NaOH)


4 moles

t=5s
Ejercicio de aplicación

• Variables:
Y= numero de moles sin reaccionar
T= tiempo de reacción
K= constante
Dato: 4 moles(0.3)=1.2 moles
reaccionados
4-1.2 = 2.8 moles sin reaccionar
Nuestra ecuación quedaría de la
siguiente forma:
𝑑 𝑦 = 𝐾 𝑌
𝑑 𝑡

Luego aplicamos la transformada de


Laplace
Ejercicio de aplicación
• 3. Cálculos
1
𝐿 (𝑒 𝑎 𝑡 )= 𝑆
y’-KY=0 −

L[Y’] = 𝐾 𝑌 𝑆 − 𝑌0 Aplicando latransformada

L[KY] = 𝐾 𝑌 inversa.
𝑆

→ S𝑌 𝑆 − 𝑌0 -
(SK𝑌𝑌𝑆𝑆 )−=40 − 𝐾 𝑌 𝑆 = 0.𝑙 𝑢 𝑒 𝑔 𝑜
𝑓 𝑎 𝑐 𝑡 𝑜 𝑟 𝑖 𝑧 𝑎 𝑚 𝑜 𝑠 𝑌𝑆

𝑌�
𝑌4 𝑆 𝑆 − 1𝐾
→= 4  Propiedad de logaritmo
𝑆 → 𝑆
� = − − m=n
Y= � �
 𝐿 (𝑒 𝑎 𝑡 ) ln m = ln n
𝑒𝑘 𝑡�
4Hallamos la constante K,
� como dato sabemos:

2.8 → 𝑙 𝑛 0.7 = ln ( 𝑒 𝑘 5 ) →
4 = 𝐿−1
K = -00.71
Resolvemos el resto para llegar al 50% ¿cuál es el tiempo?
4
2=𝑒 4𝑘 𝑒5− 0 . 0 7 1 𝑡
ln(2 = − 0.071 Propiedad de logaritmo
ln(𝑒)
𝑡
)
4 ln 𝑒 𝑥 = x
t = 9,76 s
Ejercicio de aplicación
4. Conclusión del ejercicio:
• El tiempo que demoro dicha solución en llegar al 50% fue de 9,76 s
5. Conclusión general:
• La transformada de Laplace es un operador lineal muy útil para la
resolución de ecuaciones diferenciales. Laplace demostró cómo
transformar las ecuaciones lineales no homogéneas en ecuaciones
algebraicas que pueden resolverse por medios algebraicos. Así, logramos
dar solución a problemas sencillos como el que hemos resuelto.
Bibliografía
• Zill, D. G. (2000). Ecuaciones diferenciales, con aplicaciones de modelado (6.a
ed.). Séneca 53, Col. Polanco, México, D. F., C. P. 11560: Thomson.
• G. James, Matemáticas Avanzadas para Ingeniería, Pearson Educación, 2002, pp.
130-135.
• G. Calandrini, Guía de Definiciones y Teoremas estudiados en el curso de
Funciones de Variable Compleja. 1er. cuatrimestre 2011, pp. 56-63

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