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<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> y <strong>sus</strong> <strong>aplicaciones</strong> a <strong>las</strong><br />

<strong>ecuaciones</strong> diferenciales<br />

José Salvador Cánovas Peña<br />

8 <strong>de</strong> enero <strong>de</strong> 2008


Índice General<br />

1 <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> 5<br />

1.1Funcionescontinuasatrozos.Función<strong>de</strong>Heavisi<strong>de</strong> .............. 5<br />

1.2 Definición<strong>de</strong><strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>..................... 6<br />

1.2.1 Definiciónyprimerosejemplos...................... 6<br />

1.2.2 Dominio <strong>de</strong> <strong>de</strong>finición<strong>de</strong>la<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>......... 8<br />

1.3Propieda<strong>de</strong>s<strong>de</strong>la<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong> .................. 9<br />

1.3.1Linealidad................................. 10<br />

1.3.2<strong>Transformada</strong><strong>de</strong>la<strong>de</strong>rivada....................... 11<br />

1.3.3<strong>Transformada</strong><strong>de</strong>laintegral ....................... 12<br />

1.3.4<strong>Transformada</strong><strong>de</strong>laconvolución..................... 13<br />

1.3.5PrimerTeorema<strong>de</strong>Traslación...................... 14<br />

1.3.6SegundoTeorema<strong>de</strong>Traslación ..................... 15<br />

1.4Propieda<strong>de</strong>s<strong>de</strong>lafunción<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>.............. 16<br />

1.4.1Derivabilidad<strong>de</strong>la<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>.............. 16<br />

1.4.2Teoremas<strong>de</strong>lvalorinicial ........................ 17<br />

1.4.3 Teorema <strong>de</strong>l valor final.......................... 18<br />

1.5<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>inversa ........................ 19<br />

1.5.1Inyectividad<strong>de</strong>la<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong> .............. 19<br />

1.5.2<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>inversa .................... 20<br />

1.5.3Fórmula<strong>de</strong>inversióncompleja...................... 20<br />

2 Aplicaciones 23<br />

2.1Unaprimeraaproximaciónalproblema..................... 23<br />

2.2 Uso <strong>de</strong> la convolución............................... 24<br />

2.3 Sistemas <strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong>.............................. 24<br />

2.4Problemasconfuncionesdiscontinuas...................... 26<br />

2.5 Funciones <strong>de</strong> impulso............................... 27<br />

i


Índice general<br />

2.6 Una aplicación concreta ............................. 29<br />

2.7 Funciones <strong>de</strong> transferencia. Estabilidad y control <strong>de</strong> sistemas eléctricos . . . 30<br />

ii


Introducción<br />

Vamos a <strong>de</strong>sarrollar un tema sobre la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> y su aplicación a la resolución<br />

<strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong> y sistemas <strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong> diferenciales lineales con coeficientes constantes.<br />

Estas <strong>ecuaciones</strong> surgen <strong>de</strong> manera natural en el contexto <strong>de</strong> los circuitos eléctricos.<br />

Consi<strong>de</strong>remos por ejemplo el típico circuito LRC <strong>de</strong> la figura<br />

don<strong>de</strong> la inductancia L, la resistencia R y la capacidad <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsador C se consi<strong>de</strong>ran<br />

constantes. Se tiene entonces que la carga q(t) que circula por el circuito está dada por la<br />

ecuación<br />

Lq 00 (t)+Rq 0 (t)+q(t)/C = V (t),<br />

y dado que la intensidad I(t) es la <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> la carga, ésta pue<strong>de</strong> calcularse por la ecuación<br />

LI 0 Z t<br />

(t)+RI(t)+ I(s)ds/C = V (t),<br />

o equivalentemente con la ecuación diferencial<br />

0<br />

LI 00 (t)+RI 0 (t)+I(t)/C = V 0 (t),<br />

en el caso en que V (t) sea una función <strong>de</strong>rivable.<br />

1


Introducción<br />

De forma similar, si tenemos un circuito con varias ramas y más elementos, como por<br />

ejemplo<br />

po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>ducir a partir <strong>de</strong> <strong>las</strong> leyes <strong>de</strong> Kirchoff que <strong>las</strong> intensida<strong>de</strong>s que circulan por los<br />

hilos eléctricos <strong>de</strong>l circuito vienen dadas por<br />

⎧<br />

⎪⎨ 0=I1 − I2 − I3,<br />

V<br />

⎪⎩<br />

0 (t) =I0 1R1 + I1/C1 + I0 2R2,<br />

0=−I 0 2R2 + I 00<br />

3 L + I3/C2,<br />

Si suponemos los elementos <strong>de</strong>l circuito constantes, salvo a lo mejor el voltaje V (t), que<br />

supondremos una función <strong>de</strong>rivable, tenemos un sistema <strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong> diferenciales lineales<br />

con coeficientes constantes.<br />

La <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> es una herramienta que permite transformar los problemas<br />

anteriores en problemas algebraicos y, una vez resuelto este problema algebraico más fácil<br />

a priori <strong>de</strong> resolver, calcular a partir <strong>de</strong> la solución <strong>de</strong>l problema algebraico la solución <strong>de</strong>l<br />

problema <strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong> diferenciales.<br />

Esta es la forma en que los ingenieros abordan el estudio <strong>de</strong> estos problemas, como pone<br />

<strong>de</strong> manifiesto <strong>las</strong> referencias [Oga1], [Sen] o [Jam]. A<strong>de</strong>más este método es explicado en<br />

algunos libros <strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong> diferenciales como [BoPr], [Bra], [Jef] o [MCZ].<br />

Sin embargo, para enten<strong>de</strong>r en su justa dimensión la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> hay que<br />

2


Introducción<br />

dominar contenidos básicos <strong>de</strong> variable compleja que nuestros alumnos ya han estudiado durante<br />

el curso (ver por ejemplo [Mur]). Así, vamos a presentar la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

en un primer lugar usando los conocimientos que el alumno tiene <strong>de</strong> funciones <strong>de</strong> variable<br />

compleja y una vez explicada ésta, proce<strong>de</strong>remos a indicar algunas <strong>aplicaciones</strong> a <strong>las</strong> <strong>ecuaciones</strong><br />

y sistemas citadas anteriormente. Nuestros alumnos también <strong>de</strong>ben conocer y dominar<br />

contenidos relativos a integrales impropias que fueron explicados en la asignatura <strong>de</strong> primer<br />

curso fundamentos matemáticos <strong>de</strong> la ingeniería.<br />

A modo <strong>de</strong> introducción histórica, diremos que la expresión<br />

Z +∞<br />

F (z) = e −zt f(t)<br />

−∞<br />

fué acuñada en primer lugar por Pierre—Simon <strong>Laplace</strong> en 1782. Su utilización <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong><br />

la técnica se <strong>de</strong>be en su forma rigurosa a Thomas Bromwich, el cual formalizó utilizando<br />

<strong>las</strong> funciones <strong>de</strong> variable compleja y la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> un cálculo operacional<br />

inventado por Oliver Heavisi<strong>de</strong> para la resolución <strong>de</strong> circuitos eléctricos.<br />

3


Introducción<br />

4


Capítulo 1<br />

<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

1.1 Funciones continuas a trozos. Función <strong>de</strong> Heavisi<strong>de</strong><br />

Previamente a introducir la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong>, hemos <strong>de</strong> concretar qué tipo <strong>de</strong><br />

funciones vamos a consi<strong>de</strong>rar para nuestros problemas. Las funciones que van a ser <strong>de</strong> importancia<strong>de</strong>ntro<strong>de</strong>laingenieríasonaquel<strong>las</strong>llamadascontinuas<br />

a trozos,queacontinuación<br />

<strong>de</strong>finimos.<br />

Dadoslosnúmerosrealesa


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Físicamente, la función <strong>de</strong> Heavisi<strong>de</strong> realiza la función <strong>de</strong> interruptor, <strong>de</strong> manera que si<br />

f :[0, +∞) → C es una función continua se tiene que ha · f es la función<br />

(<br />

0 si t


<strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> f en z ∈ C como<br />

<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Z +∞<br />

L[f](z) = e −zt f(t)dt, (1.1)<br />

0<br />

siempre que tal integral impropia exista. Como el alumno <strong>de</strong>be conocer, la convergencia <strong>de</strong><br />

la integral<br />

Z +∞<br />

|e −zt f(t)|dt<br />

0<br />

implica la convergencia <strong>de</strong> la integral (1.1). Denotaremos por Df el dominio <strong>de</strong> L[f], es<br />

<strong>de</strong>cir, el subconjunto <strong>de</strong>l plano complejo don<strong>de</strong> la expresión (1.1) tiene sentido.<br />

A continuación vamos a ver ejemplos <strong>de</strong> <strong>Transformada</strong>s <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> algunas funciones<br />

elementales.<br />

• Función <strong>de</strong> Heavisi<strong>de</strong>.Seaa≥0y consi<strong>de</strong>remos la función <strong>de</strong> Heavisi<strong>de</strong> ha <strong>de</strong>finida<br />

anteriormente. Entonces para todo z ∈ C tal que Re z>0 se verifica<br />

Z +∞<br />

L[ha](z) = e<br />

0<br />

−zt Z +∞<br />

ha(t)dt = e<br />

a<br />

−zt dt<br />

=<br />

Z x<br />

lim e<br />

x→+∞<br />

−zt µ <br />

−za e e−zx<br />

dt = lim − =<br />

x→+∞ z z<br />

e−za<br />

z .<br />

En particular, cuando a =0obtenemos<br />

a<br />

L[h0](z) = 1<br />

z .<br />

• Función exponencial.Seaω∈Cy consi<strong>de</strong>remos la función exponencial f(t) =eωt .<br />

Se verifica entonces para todo z ∈ C tal que Re z>Re ω<br />

Z +∞<br />

L[f](z) = e<br />

0<br />

−zt e ωt Z +∞<br />

dt = e<br />

0<br />

−(z−ω)t dt<br />

=<br />

Z x<br />

lim e<br />

x→+∞<br />

−(z−ω)t µ <br />

1 e−(z−ω)x<br />

dt = lim − =<br />

x→+∞ z − ω z − ω<br />

1<br />

z − ω .<br />

0<br />

En particular, si ω =0se verifica que f(t) =1,conloquenuevamente<br />

L[ha](z) = 1<br />

para todo z ∈ C tal que Re z>0.<br />

z<br />

• Potencias. Sea n un número natural y consi<strong>de</strong>remos la función fn(t) =tn . Vamos<br />

ver que la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> fn viene dada por la expresión<br />

L[fn](z) = n!<br />

para todo z ∈ C tal que Re z>0.<br />

zn+1 7


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Para ver esto proce<strong>de</strong>mos por inducción calculando en primer lugar la <strong>Transformada</strong><br />

<strong>de</strong> f1. Integrando por partes obtenemos<br />

Z +∞<br />

L[f1](z) = e<br />

0<br />

−tz Z x<br />

tdt = lim e<br />

x→+∞<br />

0<br />

−tz =<br />

tdt<br />

µ −xz xe 1 − e−xz<br />

lim +<br />

x→+∞ z z2 <br />

= 1<br />

,<br />

z2 A continuación, por la hipótesis <strong>de</strong> inducción supongamos que L[fn](z) =n!/zn+1 y<br />

calculemos la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> fn+1. Consi<strong>de</strong>remos<br />

Z +∞<br />

Z x<br />

L[fn+1](z) =<br />

e −tz t n+1 dt. (1.2)<br />

Tomando partes en la expresión anterior<br />

Z x<br />

0<br />

0<br />

e −tz t n+1 dt = xn+1 e −xz<br />

e −tz t n+1 dt = lim<br />

x→+∞<br />

−z<br />

Combinando (1.2) y (1.3) concluimos que<br />

L[fn+1](z) =<br />

+ n +1<br />

z<br />

0<br />

Z x<br />

n +1<br />

z L[fn](z)<br />

(n +1)!<br />

=<br />

zn+2 .<br />

0<br />

e −tz t n dt. (1.3)<br />

• Funciones periódicas. Las funciones periódicas son bastante importantes en ingeniería<br />

<strong>de</strong>bido a que su periodicidad <strong>las</strong> hace controlables. Sea f :[0, +∞) → C una<br />

función periódica con periodo T . Entonces<br />

Z nT<br />

e −tz Xn−1<br />

Z (j+1)T<br />

f(t)dt =<br />

e −tz Xn−1<br />

f(t)dt = e −jzT<br />

Z T<br />

e −tz f(t)dt<br />

0<br />

j=0<br />

jT<br />

realizando cambios <strong>de</strong> variable en <strong>las</strong> integrales y usando que la función es periódica<br />

<strong>de</strong> periodo T . Tomando límites cuando n → +∞, severificapara todo z ∈ C tal que<br />

Re z>0 la relación<br />

1<br />

L[f](z) =<br />

1 − e−zT Z T<br />

e −tz f(t)dt.<br />

1.2.2 Dominio <strong>de</strong> <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Los ejemplos que anteriormente hemos explicado ponen <strong>de</strong> manifiesto que la función <strong>Transformada</strong><br />

<strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> una función f :[0, +∞) → C no tiene porque estar <strong>de</strong>finida en todo<br />

el plano complejo. Vamos a estudiar con precisión cómo es el dominio <strong>de</strong> <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> estas<br />

funciones, pero consi<strong>de</strong>raremos una c<strong>las</strong>e especial <strong>de</strong> funciones que tienen lo que llamaremos<br />

or<strong>de</strong>n exponencial.<br />

8<br />

0<br />

j=0<br />

0


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Una función f :[0, +∞) → C se dice que tiene or<strong>de</strong>n exponencial si existen constantes<br />

A>0 y B ∈ R <strong>de</strong> manera que para todo t ≥ 0 se satisface la condición<br />

|f(t)| ≤ Ae tB . (1.4)<br />

Denotaremos por E el conjunto <strong>de</strong> funciones continuas a trozos con or<strong>de</strong>n exponencial, que<br />

serán <strong>las</strong> funciones con <strong>las</strong> que trabajaremos a partir <strong>de</strong> ahora. El siguiente resultado ofrece<br />

una primera aproximación sobre el dominio <strong>de</strong> <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong><br />

funciones con or<strong>de</strong>n exponencial.<br />

Proposition 1 Sea f :[0, +∞) → C unafuncióncontinuaatrozoscumpliendolacondición<br />

(1.4). Entonces L[f](z) está <strong>de</strong>finida para todo número complejo z tal que Re z>B.<br />

Proof. Vamos a ver que la función e−ztf(t) es absolutamente integrable para todo complejo<br />

z tal que Re z>B. Para ello consi<strong>de</strong>ramos<br />

Z +∞<br />

|e<br />

0<br />

−zt Z +∞<br />

f(t)|dt = e<br />

0<br />

− Re zt |f(t)|dt<br />

Z +∞<br />

≤ A e<br />

0<br />

−(Re z−B)t dt<br />

= lim<br />

x→+∞ A<br />

Z x<br />

e<br />

0<br />

−(Re z−B)t =<br />

dt<br />

µ<br />

z−B)<br />

1 e−x(Re 1<br />

A lim<br />

− =<br />

x→+∞ B − Re z B − Re z B − Re z ,<br />

con lo que la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> existe en el subconjunto {z ∈ C :Rez>B}.<br />

Este resultado prueba que {z ∈ C :Rez>B} ⊂ Df. Si<strong>de</strong>finimos<br />

y <strong>de</strong>notamos por<br />

ρ =inf{B ∈ R : ∃A >0 con |f(t)| ≤ Ae Bt para todo t ≥ 0},<br />

La Proposición 1 nos asegura que D ∗ f<br />

D ∗ f = {z ∈ C :Rez>ρ}.<br />

⊆ Df.<br />

1.3 Propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Una vez estudiada la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> y caracterizadas algunas condiciones<br />

para que una función f tenga <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> L[f] <strong>de</strong>finida en un dominio<br />

<strong>de</strong>l plano complejo Df, pasamos a estudiar algunas propieda<strong>de</strong>s básicas <strong>de</strong> esta transformada<br />

integral. La primera propiedad que vamos a estudiar es la linealidad.<br />

9


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

1.3.1 Linealidad<br />

Esta propiedad será muy útil para resolver <strong>ecuaciones</strong> diferenciales lineales con coeficientes<br />

constantes, a la vez que permitirá el cálculo <strong>de</strong> la transformada <strong>de</strong> algunas funciones.<br />

Theorem 2 Sean f,g ∈ E y a, b ∈ C. Entoncesparatodoz ∈ Df ∩ Dg se verifica que<br />

L[af + bg](z) =aL[f](z)+bL[g](z).<br />

Proof. La <strong>de</strong>mostración se sigue inmediatamente <strong>de</strong> la linealidad <strong>de</strong> la integral. Consi<strong>de</strong>remos<br />

Z +∞<br />

L[af + bg](z) = e<br />

0<br />

−zt (af(t)+bg(t))dt<br />

Z x<br />

= lim<br />

x→+∞<br />

e<br />

0<br />

−zt (af(t)+bg(t))dt<br />

Z x<br />

= a lim<br />

x→+∞<br />

0<br />

e −zt Z x<br />

f(t)dt + b lim<br />

x→+∞<br />

0<br />

e −zt g(t)dt<br />

= aL[f](z)+bL[g](z),<br />

loqueconcluyelaprueba.<br />

A partir <strong>de</strong> la linealidad <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> po<strong>de</strong>mos obtener nuevas <strong>Transformada</strong>s<br />

<strong>de</strong> funciones elementales, como muestran los siguientes ejemplos.<br />

• Función seno.Seaω ∈ R y consi<strong>de</strong>remos la función<br />

Entonces<br />

siempre que Re z>0.<br />

f(t) =sin(ωt) = eiωt − e −iωt<br />

L[f](z) = 1 ¡ ¢<br />

itω −itω<br />

L[e ](z) − L[e ](z)<br />

2i<br />

= 1<br />

2i<br />

2i<br />

µ <br />

1 1<br />

− =<br />

z − iω z + iω<br />

• Función coseno.Seaω ∈ R y consi<strong>de</strong>remos la función<br />

f(t) =cos(ωt) = eiωt + e −iωt<br />

De forma análoga a la anterior se obtiene que<br />

siempre que Re z>0.<br />

L[f](z) =<br />

10<br />

2<br />

z<br />

z 2 + ω 2<br />

.<br />

.<br />

ω<br />

z 2 + ω 2


• Función seno hiperbólico. Seaω ∈ R y consi<strong>de</strong>remos la función<br />

Entonces<br />

si Re z>|ω|.<br />

f(t) =sinh(ωt) = eωt − e −ωt<br />

L[f](z) = 1 ¡ ¢<br />

ωt −ωt<br />

L[e ](z) − L[e ](z)<br />

2<br />

= 1<br />

2<br />

2<br />

µ <br />

1 1<br />

− =<br />

z − ω z + ω<br />

<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

.<br />

ω<br />

z 2 − ω 2<br />

• Función coseno hiperbólico. Seaω ∈ R y consi<strong>de</strong>remos la función<br />

f(t) =cosh(ωt) = eωt + e −ωt<br />

De forma análoga a la anterior se obtiene que<br />

siempre que Re z>|ω|.<br />

L[f](z) =<br />

1.3.2 <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> la <strong>de</strong>rivada<br />

2<br />

z<br />

z 2 − ω 2<br />

Se dice que la función f ∈ E es <strong>de</strong>rivable a trozos si es continua, existen <strong>las</strong> <strong>de</strong>rivadas<br />

laterales <strong>de</strong> f en cada punto <strong>de</strong> [0, +∞) y en cada subintervalo [a, b] ⊂ [0, +∞) existen a<br />

lo sumo una cantidad finita <strong>de</strong> puntos don<strong>de</strong> f no es <strong>de</strong>rivable. Si f es <strong>de</strong>rivable a trozos,<br />

<strong>de</strong>finimos f 0 :[0, +∞) → C como f 0 (x) =f 0 +(x) para todo x ∈ [0, +∞). Es claro entonces<br />

que f 0 es una función continua a trozos, que coincidirá en casi todos los puntos con la <strong>de</strong>rivada<br />

ordinaria. Se tiene entonces el siguiente resultado.<br />

Theorem 3 Bajo <strong>las</strong> condiciones anteriores se verifica para todo z ∈ D ∗ f<br />

Proof. Sean z ∈ D ∗ f<br />

L[f 0 ](z) =zL[f](z) − f(0). (1.5)<br />

y x>0 yconsi<strong>de</strong>remos<br />

0


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

lospuntos<strong>de</strong>discontinuidad<strong>de</strong>f0 en el intervalo (0,x) y fijemos x0 =0y xn = x. Entonces,<br />

dividiendo el intervalo <strong>de</strong> integración y utilizando la fórmula <strong>de</strong> integración por partes<br />

Z x<br />

nX<br />

Z xi<br />

0<br />

e −zt f 0 (t)dt =<br />

i=1<br />

xi−1<br />

e −zt f 0 (t)dt<br />

nX<br />

=<br />

i=1<br />

= e −zx Z x<br />

f(x) − f(0) + z e −zt f(t)dt.<br />

[e −zxi f(xi) − e −zxi−1 f(xi−1)] + z<br />

0<br />

nX<br />

Z xi<br />

i=1<br />

xi−1<br />

e −zt f(t)dt<br />

Tomando límites cuando x → +∞, y teniendo en cuenta que z ∈ D∗ f y que por tanto existen<br />

A, B ∈ R, A>0, Re z>B,talesque<br />

obtenemos inmediatamente (1.5).<br />

|f(x)e −zx | ≤ Ae (B−Re z)x → 0 si x → +∞,<br />

Procediendo por inducción a partir <strong>de</strong> la fórmula (1.5) se prueba una fórmula general<br />

para la <strong>de</strong>rivada k—ésima <strong>de</strong> la función f en el caso <strong>de</strong> que f k−1) sea <strong>de</strong>rivable a trozos para<br />

k ∈ N. Estafórmulavienedadaparatodoz∈D∗ f por<br />

L[f k) ](z) =z k L[f](z) − z k−1 f(0) − z k−2 f 0 (0) − ... − zf k−2) (0) − f k−1) (0), (1.6)<br />

don<strong>de</strong> <strong>las</strong> <strong>de</strong>rivadas sucesivas <strong>de</strong> f en 0 se entien<strong>de</strong>n como <strong>de</strong>rivadas por la <strong>de</strong>recha.<br />

Las fórmu<strong>las</strong> 1.5 y 1.6 serán claves para resolver <strong>ecuaciones</strong> y sistemas diferenciales<br />

lineales con coeficientes constantes, como veremos en el apartado <strong>de</strong> <strong>aplicaciones</strong> <strong>de</strong> este<br />

tema.<br />

1.3.3 <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> la integral<br />

Sea f ∈ E y<strong>de</strong>finamos la función<br />

Z t<br />

g(t) = f(s)ds,<br />

0<br />

que obviamente está bien <strong>de</strong>finida y es continua para todo t ∈ [0, +∞). La relación entre<br />

<strong>las</strong> <strong>Transformada</strong>s <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> ambas funciones viene dada por el siguiente resultado.<br />

Theorem 4 En <strong>las</strong> condiciones anteriores, para todo z ∈ D∗ f ∩{z ∈ C :Rez>0} se verifica<br />

L[g](z) = L[f](z)<br />

. (1.7)<br />

z<br />

12


Proof. Sea x>0 yconsi<strong>de</strong>remos<br />

0=x0


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Proof. En primer lugar, existen números reales B y Ai > 0, i =1, 2, <strong>de</strong> manera que para<br />

todo t ≥ 0 se verifica<br />

|f(t)| ≤ A1e Bt y |g(t)| ≤ A2e Bt .<br />

Entonces para todo t ≥ 0<br />

|(f ∗ g)(t)| =<br />

¯Z<br />

¯<br />

¯ t<br />

¯<br />

¯ f(t − s)g(s)ds ¯<br />

0<br />

≤<br />

Z t<br />

|f(t − s)||g(s)|ds<br />

0<br />

≤ A1A2e Bt<br />

Z t<br />

ds = A1A2te Bt ,<br />

0<br />

con lo que se ve fácilmente que e−zt (f ∗ g)(t) es absolutamente integrable para todo Re z><br />

B, conloqueL[f∗g](z) existe para todo z con Re z > B. Por otra parte, como <strong>las</strong><br />

funciones e −zt f(t) y e −zt g(t) también son absolutamente integrables para todo Re z>B,<br />

por el Teorema <strong>de</strong> Fubini (ver [PiZa, pag. 187]) se tiene que<br />

Z +∞<br />

L[f ∗ g](z) = e<br />

0<br />

−zt<br />

∙Z t<br />

¸<br />

f(t − s)g(s)ds dt<br />

Z +∞ ∙Z t<br />

0<br />

=<br />

e<br />

0 0<br />

−z(t−s) f(t − s)e −zs ¸<br />

g(s)ds dt<br />

Z +∞ ∙Z +∞<br />

=<br />

e<br />

0 s<br />

−z(t−s) f(t − s)e −zs ¸<br />

g(s)dt ds<br />

Z +∞ ∙Z +∞<br />

=<br />

e<br />

0 s<br />

−z(t−s) ¸<br />

f(t − s)dt e −zs g(s)ds<br />

Z +∞ ∙Z +∞<br />

=<br />

e<br />

0 0<br />

−zu ¸<br />

f(u)du e −zs g(s)ds<br />

Z +∞<br />

= L[f](z)e −zs g(s)ds = L[f](z)L[g](z),<br />

conloqueterminalaprueba.<br />

0<br />

La <strong>de</strong>mostración <strong>de</strong> este resultado no la haremos a los alumnos, <strong>de</strong>bido a que pensamos<br />

que <strong>sus</strong> conocimientos le impedirán compren<strong>de</strong>rla completamente. No obstante la fórmula<br />

será bastante útil en <strong>las</strong> <strong>aplicaciones</strong>.<br />

1.3.5 Primer Teorema <strong>de</strong> Traslación<br />

Fijemos un número complejo a yconsi<strong>de</strong>remosf ∈ E. El primer teorema <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazamiento<br />

hace referencia a la transformada <strong>de</strong> la función e at f(t) yafirma lo siguiente.<br />

Theorem 6 Bajo <strong>las</strong> condiciones anteriores<br />

L[e at f(t)](z) =L[f](z − a) (1.8)<br />

14


para todo z ∈ Df +Rea := {ω +Rea : ω ∈ Df}.<br />

Proof. Sea Z +∞<br />

0<br />

e −zt e at f(t)dt = lim<br />

x→+∞<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong> se <strong>de</strong>duce inmediatamente (1.8).<br />

<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Z x<br />

e −(z−a)t Z +∞<br />

f(t)dt = e −(z−a)t f(t)dt,<br />

0<br />

A partir <strong>de</strong> este resultado po<strong>de</strong>mos obtener <strong>las</strong> <strong>Transformada</strong>s <strong>de</strong> <strong>las</strong> funciones siguientes:<br />

• f(t) =eat sin(ωt), ω ∈ R, cuya <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> para todo número complejo<br />

z tal que Re z>Re a es<br />

ω<br />

L[f](z) =<br />

(z − a) 2 .<br />

+ ω2 • f(t) =eat cos(ωt), ω ∈ R, cuya <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> para todo número complejo<br />

z tal que Re z>Re a es<br />

z − a<br />

L[f](z) =<br />

(z − a) 2 .<br />

+ ω2 • f(t) =e at sinh(ωt), ω ∈ R. SiRe z>|ω| +Rea, entonces<br />

L[f](z) =<br />

ω<br />

(z − a) 2 .<br />

− ω2 • f(t) =e at cosh(ωt), ω ∈ R. SiRe z>|ω| +Rea, entonces<br />

• f(t) =e at t n con n ∈ N. Entonces<br />

siempre que Re z>Re a.<br />

L[f](z) =<br />

L[f](z) =<br />

1.3.6 Segundo Teorema <strong>de</strong> Traslación<br />

z − a<br />

(z − a) 2 .<br />

− ω2 n!<br />

(z − a) n+1<br />

Sea ahora a>0 un número real y supongamos que f ∈ E está <strong>de</strong>finida por f(t) =0para<br />

todo t


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Proof. Tomamos<br />

Z +∞<br />

0<br />

e −zt Z x<br />

ha(t)f(t − a)dt = lim e<br />

x→+∞<br />

0<br />

−zt ha(t)f(t − a)dt<br />

Z x<br />

= lim e<br />

x→+∞<br />

a<br />

−zt f(t − a)dt<br />

Z x−a<br />

= lim e<br />

x→∞<br />

0<br />

−z(s+a) f(s)ds<br />

= e −za<br />

Z +∞<br />

e −zs f(s)ds,<br />

haciendo el cambio <strong>de</strong> variable s = t − a. De aquí se obtiene inmediatamente (1.9).<br />

Este resultado es útil para obtener la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> funciones continuas a<br />

trozos. Por ejemplo consi<strong>de</strong>remos la función<br />

(<br />

t si 0 ≤ t0.<br />

1.4 Propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la función <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

En esta sección estudiamos la propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la función <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> consi<strong>de</strong>rándola<br />

como una función <strong>de</strong> variable compleja <strong>de</strong>finida en un semiplano {z ∈ C :Rez>x},<br />

x ∈ R. Dividimos la sección en tres subsecciones.<br />

1.4.1 Derivabilidad <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Consi<strong>de</strong>remos una función f ∈ E y su <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

L[f] :{z ∈ C :Rez>ρ} → C.<br />

16<br />

0


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Theorem 8 Bajo la notación anterior, la función L[f] esholomorfaparatodoz∈C tal<br />

que Re z>ρ ya<strong>de</strong>másseverifica<br />

Z +∞<br />

d<br />

L[f](z) =− te<br />

dz 0<br />

−zt f(t)dt.<br />

En <strong>las</strong> condiciones <strong>de</strong>l resultado anterior, obtenemos por inducción la fórmula para la<br />

<strong>de</strong>rivada n—ésima <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

dn Z +∞<br />

L[f](z) =(−1)n t<br />

dzn 0<br />

n e −zt f(t)dt.<br />

Claramente la <strong>de</strong>mostración <strong>de</strong> este resultado no es apropiada para hacerla en c<strong>las</strong>e, pues<br />

presupone muchos contenidos que no hemos explicado en la misma. Nos centraremos en que<br />

el alumno entienda el resultado y sepa aplicarlo. Por ejemplo, calculando <strong>las</strong> <strong>Transformada</strong>s<br />

<strong>de</strong> <strong>las</strong> siguientes funciones.<br />

• f(t) =t n sin(at), n ∈ N y a ∈ R. Se tiene siempre que Re z>0 la relación<br />

L[f](z) =(−1)<br />

n dn<br />

dz<br />

dz n<br />

n L[sin(at)](z) =(−1)n dn<br />

µ a<br />

z 2 + a 2<br />

• f(t) =t n cos(at), n ∈ N y a ∈ R. Se tiene análogamente siempre que Re z>0<br />

L[f](z) =(−1)<br />

n dn<br />

dz<br />

dz n<br />

n L[cos(at)](z) =(−1)n dn<br />

µ z<br />

z 2 + a 2<br />

De forma similar se obtienen fórmu<strong>las</strong> equivalentes para el coseno y seno hiperbólicos.<br />

1.4.2 Teoremas <strong>de</strong>l valor inicial<br />

Estos resultados hacen alusión a aspectos cualitativos <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong><br />

funciones <strong>de</strong> la c<strong>las</strong>e E.<br />

Theorem 9 Sea f ∈ E. Entonces<br />

<br />

.<br />

<br />

.<br />

lim L[f](z) =0. (1.10)<br />

Re z→+∞<br />

Proof. Sea z ∈ D∗ f . Existen números reales A>0 y B <strong>de</strong> manera que |f(t)| ≤ AeBt para<br />

todo t ≥ 0. Entonces<br />

Z x<br />

|L[f](z)| ≤ lim<br />

x→+∞<br />

|e −tz Z x<br />

f(t)|dt ≤ A lim<br />

x→+∞<br />

e t(B−Re z) dt<br />

= lim<br />

x→+∞<br />

0<br />

A(e x(B−Re z − 1)<br />

B − Re z<br />

17<br />

=<br />

0<br />

A<br />

Re z − B ,


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong> claramente obtenemos (1.10) al hacer Re z → +∞.<br />

Continuamos esta sección con otro resultado que estudia cuestiones cualitativas <strong>de</strong> la<br />

<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong>.<br />

Theorem 10 Asumamos que f ∈ E es <strong>de</strong>rivable a trozos y que f 0 ∈ E. Entonces<br />

Proof. Sea z ∈ D∗ f . Por el Teorema 3 tenemos que<br />

lim zL[f](z) =f(0). (1.11)<br />

Re z→+∞<br />

zL[f](z) =f(0) + L[f 0 ](z). (1.12)<br />

Aplicando el Teorema 9 a (1.12) se tiene que limRe z→+∞ L[f 0 ](z) =0, <strong>de</strong> don<strong>de</strong> se <strong>de</strong>duce<br />

inmediatamente (1.11).<br />

Losresultadosanterioresmuestranquenotodas<strong>las</strong>funciones<strong>de</strong>variablecomplejapue<strong>de</strong>n<br />

ser <strong>Transformada</strong>s <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> funciones <strong>de</strong> E. Por ejemplo, la función 1/ √ z no pue<strong>de</strong><br />

serlo al tenerse que<br />

z<br />

√ = ∞.<br />

z<br />

lim<br />

Re z→+∞<br />

1.4.3 Teorema <strong>de</strong>l valor final<br />

Al igual que los resultados <strong>de</strong> la sección anterior el Teorema <strong>de</strong>l valor final aporta informacióncualitativa<strong>de</strong>la<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>enconexióndirectaconlafunción<strong>de</strong>lacual<br />

es transformada.<br />

Theorem 11 Sea f ∈ E una función <strong>de</strong>rivable a trozos tal que f 0 ∈ E. Supongamos que<br />

0 ∈ D∗ f yqueexisteyesfinito limt→+∞ f(t). Entonces<br />

lim zL[f](z) = lim<br />

z→0 t→+∞ f(t).<br />

Proof. Por el Teorema 3,<br />

zL[f](z) − f(0) = L[f 0 Z +∞<br />

](z) =<br />

0<br />

e −zt f 0 (t)dt.<br />

Por el Teorema 8, L[f 0 ](z) es <strong>de</strong>rivable y por lo tanto continua. Entonces<br />

lim<br />

z→0 L[f 0 ](z) =L[f 0 Z +∞<br />

](0) = f 0 (t)dt = lim f(t) − f(0),<br />

t→+∞<br />

lo cual concluye la <strong>de</strong>mostración.<br />

0<br />

18


1.5 <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> inversa<br />

1.5.1 Inyectividad <strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Al intervenir en la <strong>de</strong>finición <strong>de</strong> <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> la integración, está claro que<br />

pue<strong>de</strong> haber infinitas funciones en E teniendo la misma <strong>Transformada</strong>, por lo que la ésta<br />

no será inyectiva. Sin embargo este problema pue<strong>de</strong> paliarse en parte para así po<strong>de</strong>r hablar<br />

<strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> inversa <strong>de</strong> una función holomorfa <strong>de</strong>finida en un semiplano complejo.<br />

Como veremos en <strong>las</strong> <strong>aplicaciones</strong> <strong>de</strong>l tema, este punto será <strong>de</strong> vital importancia.<br />

Consi<strong>de</strong>remos f :[0, +∞) → C una función localmente integrable. Diremos que f es<br />

nula o nula casi por todas partes si para todo x ∈ (0, +∞) se verifica que<br />

Z x<br />

|f(t)|dt =0.<br />

0<br />

Dos funciones f,g :[0, +∞) → C localmente integrables se dirán iguales casi por todas partes<br />

si f − g es nula. Se tiene entonces el siguiente resultado.<br />

Proposition 12 Sean f,g ∈ E iguales casi por todas partes. Entonces L[f](z) =L[g](z)<br />

para todo z ∈ Df ∩ Dg.<br />

Proof. Sea x>0 y z ∈ Df ∩ Dg. Por el Teorema <strong>de</strong>l Valor Medio <strong>de</strong>l Cálculo Integral<br />

existe ρ ∈ (0,x) tal que<br />

Z x<br />

|e −zt f(t) − e −zt Z x<br />

−ρ Re z<br />

g(t)|dt = e |f(t) − g(t)|dt =0.<br />

Así<br />

0<br />

|L[f](z) − L[g](z)| = lim<br />

lo que termina la <strong>de</strong>mostración.<br />

x→+∞<br />

Re z<br />

≤ lim e−ρ<br />

x→+∞<br />

0<br />

¯Z<br />

¯ x<br />

¯ e<br />

0<br />

−zt Z x<br />

f(t)dt − e<br />

0<br />

−zt ¯<br />

g(t)dt ¯<br />

Z x<br />

|f(t) − g(t)|dt =0,<br />

El siguiente resultado establece una especie <strong>de</strong> recíproco para el resultado anterior.<br />

Theorem 13 (Lerch) Sean f,g ∈ E tales que L[f](z) =L[g](z) para todo z ∈ Df ∩ Dg.<br />

Entonces f y g son iguales salvo a lo mejor en los puntos <strong>de</strong> discontinuidad <strong>de</strong> ambas, con<br />

lo que a<strong>de</strong>más Df = Dg.<br />

La <strong>de</strong>mostración <strong>de</strong> este resultado no la haremos en c<strong>las</strong>e y no lo hemos incluido en la<br />

lección ya que no pue<strong>de</strong> obtenerse <strong>de</strong> forma autocontenida con <strong>las</strong> técnicas que tenemos a<br />

nuestra disposición.<br />

19<br />

0


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

1.5.2 <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> inversa<br />

Consi<strong>de</strong>remos la función<br />

L : E → L(E).<br />

El Teorema 13 permite <strong>de</strong>finirc<strong>las</strong>es<strong>de</strong>equivalenciaenE<strong>de</strong>l siguiente modo. Dadas f,g ∈ E<br />

se dirá que ambas están relacionadas, f ∼ g siysólosisonigualessalvoalosumoenlos<br />

puntos <strong>de</strong> discontinuidad <strong>de</strong> ambas. Po<strong>de</strong>mos <strong>de</strong>finir entonces la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

inversa<br />

L −1 : L(E) → E/ ∼<br />

para F ∈ L(E) como L−1 [F ]=[f] don<strong>de</strong> [f] <strong>de</strong>nota la c<strong>las</strong>e <strong>de</strong> f ∈ E <strong>de</strong> manera que<br />

L[f] =F . En general con nuestros alumnos ten<strong>de</strong>remos a i<strong>de</strong>ntificar c<strong>las</strong>es con funciones<br />

que normalmente podrán ser calculadas. Así diremos que dada F ∈ L(E) su <strong>Transformada</strong><br />

inversa es una función L−1 [F ](t) =f(t) <strong>de</strong> forma que L[f] =F , aunque está perfectamente<br />

claro que tal f no es única.<br />

En este contexto, <strong>de</strong>stacamos <strong>las</strong> siguiente propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> <strong>Transformada</strong> inversa que<br />

serán especialmente interesantes a la hora <strong>de</strong> <strong>las</strong> <strong>aplicaciones</strong>.<br />

• Linealidad. DadasF, G ∈ L(E) y α, β ∈ C se verifica<br />

L −1 [αF + βG](t) =αL −1 [F ](t)+βL −1 [G](t).<br />

• Traslación.DadaF ∈ L(E) y a>0 se cumple la relación<br />

L −1 [e −az F (z)](t) =ha(t)L −1 [F ](t − a).<br />

• Convolución. Dadas F, G ∈ L(E) se cumple<br />

L −1 [FG](t) =(L −1 [F ] ∗ L −1 [G])(t).<br />

Estas propieda<strong>de</strong>s son particularmente interesantes a la hora <strong>de</strong> obtener <strong>Transformada</strong>s<br />

inversas <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> una vez conocidas <strong>las</strong> <strong>Transformada</strong>s directas.<br />

1.5.3 Fórmula <strong>de</strong> inversión compleja<br />

Aparte <strong>de</strong> <strong>las</strong> técnicas estudiadas en el apartado anterior para hallar <strong>Transformada</strong>s inversas,<br />

estudiaremos la siguiente fórmula <strong>de</strong> inversión compleja.<br />

20


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

Theorem 14 Supongamos que F (z) es holomorfa en C \{z1,z2, ..., zn}, yqueexisteσ∈R tal que F es holomorfa en {z ∈ C :Rez>σ}. Supongamos a<strong>de</strong>más que existen constantes<br />

positivas M, R y β tales que<br />

|F (z)| ≤ M<br />

|z| β si |z| ≥ R. (1.13)<br />

Para t ≥ 0 sea<br />

nX<br />

f(t) = Res(e tz F (z),zi).<br />

Entonces<br />

i=1<br />

L[f](z) =F (z) si Re z>σ.<br />

Proof. Sea α > σ y consi<strong>de</strong>remos el rectángulo Γ <strong>de</strong> la figura, suficientementegran<strong>de</strong>para<br />

que <strong>las</strong> singularida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> F estén contenidas en su interior y a<strong>de</strong>más todo z ∈ Γ cumpla la<br />

condición |z| >R. Separamos Γ en la suma <strong>de</strong> dos caminos cerrados γ1 y γ2 divididos por<br />

la recta Re z = α.<br />

Como <strong>las</strong> singularida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> F están contenidas en el interior <strong>de</strong> γ1,por<strong>de</strong>finición <strong>de</strong> f<br />

tenemos que Z<br />

Entonces<br />

γ 1<br />

2πiL[f](z) = lim<br />

x→+∞<br />

e zt F (z)dz =2πif(t).<br />

Z x<br />

0<br />

21<br />

e −zt<br />

∙Z<br />

γ 1<br />

e ωt ¸<br />

F (ω)dω dt


<strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

= lim<br />

x→+∞<br />

Z<br />

γ1 ∙Z x<br />

0<br />

e (ω−z)t ¸<br />

F (ω)dt dω,<br />

aplicando el Teorema <strong>de</strong> Fubini. Por integración directa<br />

Z<br />

¡ ¢ (ω−z)x F (ω)<br />

2πiL[f](z) = lim e − 1<br />

x→+∞<br />

ω − z dω.<br />

γ 1<br />

Para z fijo en el semiplano Re z > α, eltérminoe (ω−z)x converge uniformemente a 0 si<br />

x → +∞ y el integrando converge a −F (ω)/(ω − z) en γ1.Así Z<br />

Z<br />

Z<br />

F (ω) F (ω) F (ω)<br />

2πiL[f](z) = − dω = dω −<br />

γ ω − z 1<br />

γ ω − z 2<br />

Γ ω − z dω<br />

Z<br />

F (ω)<br />

= 2πiF (z) −<br />

ω − z dω.<br />

Γ<br />

Por otra parte, sea τ(t) =ρeit , t ∈ [0, 2π] una circunferencia <strong>de</strong> radio ρ >Ryconteniendo<br />

a Γ. Entonces Z<br />

Z<br />

F (ω)<br />

dω =<br />

Γ ω − z τ<br />

F (ω)<br />

ω − z dω,<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong> ¯Z ¯¯¯<br />

τ<br />

F (ω)<br />

ω − z dω<br />

¯ ≤<br />

M<br />

|ρ| β 2πρ → 0 si ρ → +∞.<br />

(ρ − R)<br />

Así Z<br />

F (ω)<br />

dω =0<br />

Γ ω − z<br />

ycomoαera arbitrario, la fórmula L[f](z) =F (z) es válida para todo Re z>σ.<br />

Remarquemos aquí que la condición (1.13) <strong>de</strong>l resultado anterior se cumple para funciones<br />

<strong>de</strong> la forma F (z) =P (z)/Q(z) don<strong>de</strong> P y Q son polinomios tales que <strong>de</strong>g Q ≥ 1+<strong>de</strong>gP ,<br />

don<strong>de</strong> <strong>de</strong>g P <strong>de</strong>nota el grado <strong>de</strong> P . Así por ejemplo, la <strong>Transformada</strong> inversa <strong>de</strong> la función<br />

F (z) = z<br />

z2 +1<br />

pue<strong>de</strong> calcularse como<br />

L −1 [F ](t) = f(t)<br />

= Res(e tz F (z),i)+Res(e tz F (z), −i)<br />

it i<br />

= e<br />

2i + e−it i<br />

−2i =cost.<br />

22


Capítulo 2<br />

Aplicaciones<br />

2.1 Una primera aproximación al problema<br />

La <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> es una herramienta útil para resolver <strong>ecuaciones</strong> y sistemas<br />

<strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong> diferenciales lineales con coeficientes constantes. Como comentamos en la<br />

introducción <strong>de</strong>l tema, estas <strong>ecuaciones</strong> aparecen <strong>de</strong> forma natural en la teoría <strong>de</strong> circuitos<br />

eléctricos. Para ilustrar el método, consi<strong>de</strong>remos el siguiente ejemplo: la ecuación<br />

junto con <strong>las</strong> condiciones iniciales<br />

y 00 + y =cost (2.1)<br />

y(0) = 0; y 0 (0) = 1. (2.2)<br />

Básicamente se trata <strong>de</strong> aplicar la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> y <strong>sus</strong> propieda<strong>de</strong>s a (2.1) <strong>de</strong><br />

manera que teniendo en cuenta (2.2), nuestro problema se convierte en el problema algebraico<br />

z 2 L[y](z) − zy(0) − y 0 (0) + L[y](z) = z<br />

z2 +1 ,<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong><br />

L[y](z) = z2 + z +1<br />

(z2 .<br />

+1) 2<br />

Una vez obtenida L[y], hemos <strong>de</strong> usar la <strong>Transformada</strong> inversa para volver atrás y recuperar<br />

la solución <strong>de</strong>l problema y. Enestecaso,L[y] satisface <strong>las</strong> condiciones <strong>de</strong>l Teorema 14, por<br />

lo que<br />

y(t) =<br />

µ<br />

Res e tz z2 + z +1<br />

(z2 µ<br />

,i +Res e<br />

+1) 2 tz z2 + z +1<br />

(z2 <br />

, −i<br />

+1) 2<br />

= (1+t/2) sin t,<br />

una vez realizados los cálculos.<br />

23


Aplicaciones<br />

2.2 Uso <strong>de</strong> la convolución<br />

Otra forma <strong>de</strong> abordar el problema anterior, sin necesidad <strong>de</strong> tener que calcular la <strong>Transformada</strong><br />

<strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> la función coseno es la siguiente. Consi<strong>de</strong>remos los cálculos realizados<br />

anteriormente, pero sin obtener L[f](z) don<strong>de</strong> f(t) =cost. Nos quedará entonces la ecuación<br />

algebraica<br />

z 2 L[y](z) − 1+L[y](z) =L[f](z),<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong><br />

Entonces<br />

L[y](z) = 1<br />

z2 1<br />

+<br />

+1 z2 +1 L[f](z).<br />

y(t) = L −1 [1/(z 2 +1)](t)+L −1 [L[f](z)/(z 2 +1)](t)<br />

que era la solución obtenida anteriormente.<br />

= sint +(L −1 [L[f](z)] ∗ L −1 [1/(z 2 + 1)])(t)<br />

Z t<br />

= sint + sin(t − s)cossds<br />

=<br />

=<br />

0<br />

∙ ¸t 1<br />

sint + (cos(2s − t)+2ssin t<br />

4 0<br />

sint + t<br />

sin t =(1+t/2) sin t,<br />

2<br />

Así, el uso <strong>de</strong>l producto <strong>de</strong> convolución presenta una vía alternativa para la resolución<br />

<strong>de</strong> estos problemas, aunque a veces el cálculo <strong>de</strong> <strong>las</strong> integrales que aparecen en el producto<br />

<strong>de</strong> convolución pue<strong>de</strong>n ser bastante complicado.<br />

2.3 Sistemas <strong>de</strong> <strong>ecuaciones</strong><br />

Supongamosquetenemosunsistema<strong>de</strong><strong>ecuaciones</strong>lineales<strong>de</strong>laforma<br />

y 0 (t) =A · y(t)+f(t) (2.3)<br />

don<strong>de</strong> A es una matriz cuadrada <strong>de</strong> n fi<strong>las</strong> por n columnas con coeficientes reales, f =<br />

(f1,f2, ..., fn) t don<strong>de</strong> fi son funciones dadas e y =(y1,y2, ..., yn) t es la función vectorial<br />

incógnita. Supongamos a<strong>de</strong>más <strong>las</strong> condiciones iniciales<br />

y(0) = y0<br />

24<br />

(2.4)


don<strong>de</strong> y0 =(y 0 1,y 0 2, ..., y 0 n) t con y 0 i númerosrealespara1 ≤ i ≤ n. Sea<br />

L[y](z) =(L[y1](z), L[y2](z), ..., L[yn](z)) t .<br />

Aplicaciones<br />

Entonces, tomando la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> en (2.3) y teniendo en cuenta (2.4) obtenemos<br />

que<br />

zL[y](z) − y0 = A ·L[y](z)+L[f](z),<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong>, si In <strong>de</strong>nota la matriz i<strong>de</strong>ntidad,<br />

y<strong>de</strong>aquí<br />

(zIn − A) ·L[y](z) =y0 + L[f](z),<br />

L[y](z) =(zIn − A) −1 · (y0 + L[f](z)). (2.5)<br />

Una vez calculada <strong>de</strong> este modo L[y](z) obtendremos y tomando la <strong>Transformada</strong> inversa.<br />

Por ejemplo consi<strong>de</strong>remos el sistema<br />

Ã<br />

0 y1 ! Ã<br />

2<br />

=<br />

3<br />

−3<br />

2<br />

y 0 2<br />

!Ã y1<br />

junto con <strong>las</strong> condiciones iniciales<br />

à ! à !<br />

y1(0) 2<br />

= .<br />

y2(0) −1<br />

De (2.5)<br />

à !<br />

L[y1](z)<br />

L[y2](z)<br />

=<br />

=<br />

=<br />

y2<br />

! Ã !<br />

1<br />

+<br />

0<br />

Ã<br />

z − 2 3<br />

! −1 Ã<br />

2+<br />

−3 z − 2<br />

1<br />

z<br />

!<br />

1<br />

−1<br />

z2 Ã<br />

z − 2 −3<br />

!Ã<br />

2z+1<br />

z<br />

− 4z +13<br />

!<br />

3 z − 2 −1<br />

.<br />

à 2z 2 −2<br />

z(z 2 −4z+13)<br />

−z 2 +8z+3<br />

z(z 2 −4z+13)<br />

Entonces la solución <strong>de</strong>l problema viene dada por<br />

à !<br />

y1(t)<br />

y2(t)<br />

=<br />

Ã<br />

−1 2z L [ 2−2 z(z2−4z+13) ](t)<br />

L−1 [ −z2 +8z+3<br />

z(z2−4z+13) ](t)<br />

=<br />

!<br />

1<br />

Ã<br />

28e<br />

13<br />

2t cos(3t)+16e2tsin(3t) − 2<br />

28e2t sin(3t) − 16e2t !<br />

.<br />

cos(3t)+3<br />

25<br />

!


Aplicaciones<br />

2.4 Problemas con funciones discontinuas<br />

Supongamos que el problema<br />

(<br />

00 y + y = f(t);<br />

y(0) = 0, y0 (0) = 1;<br />

viene dada ahora con la función discontinua<br />

(<br />

t si 0 ≤ t


yasí<br />

y(t) = L −1<br />

∙<br />

1<br />

z2 ¸<br />

(t)+L −1<br />

∙<br />

e −πz<br />

+L −1<br />

∙<br />

e −πz z<br />

(z 2 +4)(z 2 +1)<br />

1<br />

z 2 (z 2 +1)<br />

¸<br />

(t)<br />

Aplicaciones<br />

¸<br />

(t)+πL −1<br />

∙<br />

e −πz 1<br />

z(z2 ¸<br />

(t)<br />

+1)<br />

= t + f1(t − π)hπ(t)+πf2(t − π)hπ(t)+f3(t − π)hπ(t),<br />

don<strong>de</strong> <strong>las</strong> funciones f1, f2 y f3 se <strong>de</strong>terminan <strong>de</strong> la siguiente manera.<br />

f1(t) =L −1<br />

∙<br />

1<br />

z2 (z2 ¸<br />

(t) =L<br />

+1)<br />

−1<br />

∙<br />

1<br />

z2 ¸<br />

(t) − L −1<br />

∙<br />

1<br />

z2 ¸<br />

(t) =t − sin t.<br />

+1<br />

f2(t) =L −1<br />

∙<br />

1<br />

z(z2 ¸<br />

(t) =L<br />

+1)<br />

−1<br />

∙ ¸<br />

1<br />

(t) − L<br />

z<br />

−1<br />

∙<br />

z<br />

z2 ¸<br />

(t) =1− cos t.<br />

+1<br />

Entonces<br />

f3(t) = L −1<br />

∙<br />

= 1<br />

3 L−1<br />

(z 2 +4)(z 2 +1)<br />

∙<br />

¸<br />

z<br />

(t)<br />

z<br />

z2 ¸<br />

(t) −<br />

+1<br />

1<br />

3 L−1<br />

∙<br />

z<br />

z2 ¸<br />

(t) =<br />

+4<br />

1 1<br />

cos t −<br />

3 3 cos(2t).<br />

y(t) = t + hπ(t)[(t − π) − sin(t − π)+π − π cos(t − π)+ 1<br />

1<br />

cos(t − π) − cos(2t − 2π)]<br />

3 3<br />

= (1−hπ(t))t + hπ(t)[2t +sint +(3π− 1)/3cost− cos(2t)/3],<br />

oequivalentemente<br />

(<br />

t si 0 ≤ t0, <strong>de</strong>finimos<br />

la “función” <strong>de</strong>lta <strong>de</strong> Dirac por<br />

(<br />

+∞ si t = a;<br />

δa(t) =<br />

0 si t 6= a.<br />

27


Aplicaciones<br />

Esta “función” pue<strong>de</strong> obtenerse a partir <strong>de</strong>l límite funcional obtenido a partir <strong>de</strong> la sucesión<br />

∆ a (<br />

1/(2n) si |t − a| < 1/n;<br />

n(t) =<br />

0 si |t − a| > 1/n.<br />

Nótese que<br />

Z +∞<br />

∆ a n(t)dt =1,<br />

−∞<br />

por lo que se conviene formalmente que<br />

Z +∞ Z +∞<br />

δa(t)dt = lim<br />

n→+∞ ∆a Z +∞<br />

n(t)dt = lim<br />

n→+∞<br />

∆ a n(t)dt =1.<br />

−∞<br />

−∞<br />

A<strong>de</strong>más, si f ∈ E es una función continua en a, setieneque<br />

Z +∞<br />

f(t)δa(t)dt = f(a), (2.6)<br />

−∞<br />

cuya justificación formal pue<strong>de</strong> hacerse a partir <strong>de</strong>l Teorema <strong>de</strong>l Valor Medio <strong>de</strong>l Cálculo<br />

Integral. De (2.6) obtenemos que para todo z ∈ C se verifica<br />

Z +∞<br />

L[δa](z) = e −zt δa(t)dt = e −az<br />

y en particular si <strong>de</strong>notamos δ0 por δ, entonces<br />

0<br />

L[δ](z) =1.<br />

La “función” <strong>de</strong>lta tiene su aplicación en el contexto <strong>de</strong> <strong>las</strong> <strong>ecuaciones</strong> diferenciales lineales<br />

con coeficientes constantes. Consi<strong>de</strong>remos por ejemplo el problema formal <strong>de</strong> condiciones<br />

iniciales (<br />

y00 + y = δ(t);<br />

y(0) = 0, y0 (0) = 0.<br />

Aplicando formalmente la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> obtenemos que<br />

L[y](z) = 1<br />

,<br />

1+z2 <strong>de</strong> don<strong>de</strong> la solución<br />

yδ(t) =sint<br />

recibe el nombre <strong>de</strong> respuesta al impulso δ. Nótese que yδ no satisface <strong>las</strong> condiciones iniciales<br />

<strong>de</strong>l problema. Sin embargo esta solución es útil ya que si f ∈ E, <strong>las</strong>olución<strong>de</strong><br />

(<br />

00 y + y = f(t);<br />

y(0) = 0, y 0 (0) = 0;<br />

28<br />

−∞


es <strong>de</strong> la forma<br />

y(t) =(f ∗ yδ)(t).<br />

Por ejemplo, si f(t) =cost la solución <strong>de</strong>l problema sería<br />

y(t) = 1<br />

t sin t,<br />

2<br />

que como vemos si satisface <strong>las</strong> condiciones iniciales.<br />

2.6 Una aplicación concreta<br />

Aplicaciones<br />

En la referencia [DoSv, pag. 754] se propone el siguiente problema. “El transbordador<br />

Atlantis, <strong>de</strong> Estados Unidos, se acopló con la cosmonave Mir, <strong>de</strong> Rusia, el 28 <strong>de</strong> junio <strong>de</strong> 1995.<br />

Para activarse y abrir una puerta <strong>de</strong> carga <strong>de</strong>l transbordador estadouni<strong>de</strong>nse, el electroimán<br />

consume 0.1 A antes <strong>de</strong> activarse. El diagrama eléctrico <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong>l electroimán se ve<br />

en la siguiente figura, don<strong>de</strong> la bobina <strong>de</strong>l imán se representa con L.<br />

La corriente <strong>de</strong> activación es i1(t). El intervalo en el que i1 llega a 0.1 A <strong>de</strong>be ser menor que<br />

3 segundos. Comprobar L =1H es un valor a<strong>de</strong>cuado para conseguir este objetivo.”<br />

Inicialmente el circuito estaba según el diagrama<br />

por lo que inicialmente i1(0) = i2(0) = 0 A y vC(0) = 1 V . Una vez que se cierran los dos<br />

29


Aplicaciones<br />

interruptores el circuito pasa a ser <strong>de</strong> la forma<br />

y <strong>las</strong> <strong>ecuaciones</strong> <strong>de</strong>l mismo son<br />

( 1=4i1(t)+i 0 1(t)+vC(0) + 2 R t<br />

0 (i1(s) − i2(s))ds,<br />

0=4i2(t)+i 0 2(t) − vC(0) − 2 R t<br />

0 (i1(s) − i2(s))ds,<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong> teniendo en cuenta <strong>las</strong> condiciones iniciales y tomando la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong><br />

obtenemos (<br />

0=L[i1](z)(4 + z + 2)<br />

− 2L[i2](z)/z,<br />

z<br />

1/z = −2L[i1](z)/z + L[i2](z)(4 + z + 2<br />

z ).<br />

Despejando L[i2] en función <strong>de</strong> L[i1] en la primera ecuación y <strong>sus</strong>tituyendo en la segunda<br />

tenemos que<br />

2<br />

L[i1](z) =<br />

,<br />

z(z +4)(z +2) 2<br />

porloquetomandola<strong>Transformada</strong><strong>de</strong><strong>Laplace</strong>inversa<br />

i1(t) = 1 1<br />

−<br />

8 8 e−4t − 1<br />

2 te−2t A, t ≥ 0.<br />

Observamos que la función i1 es creciente si t ≥ 0 yquei1(2) ≈ 0.106 A, porloqueelvalor<br />

L =1H es perfectamente válido en el diseño <strong>de</strong>l circuito.<br />

2.7 Funciones <strong>de</strong> transferencia. Estabilidad y control<br />

<strong>de</strong> sistemas eléctricos<br />

Supongamos un sistema dado por la ecuación<br />

any n) + an−1y n−1) + ... + a1y 0 + a0y = bmf m) + bm−1f m−1) + ... + b1f 0 + b0f, (2.7)<br />

don<strong>de</strong> m


Aplicaciones<br />

Aplicando formalmente la transformada <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> a (2.7) con todas <strong>las</strong> condiciones iniciales<br />

nu<strong>las</strong> obtenemos<br />

Qn(z)L[y](z) =Pm(z)L[f](z),<br />

don<strong>de</strong> Qn es un polinomio <strong>de</strong> grado n y Pm es un polinomio <strong>de</strong> grado m. La función <strong>de</strong><br />

transferencia <strong>de</strong>l sistema, se<strong>de</strong>fine como<br />

T (z) = L[y](z) Pm(z)<br />

=<br />

L[f](z) Qn(z) .<br />

La estabilidad <strong>de</strong>l sistema pue<strong>de</strong> estudiarse a partir <strong>de</strong> los polos <strong>de</strong> la función <strong>de</strong> transferencia,<br />

entendiendo por estabilidad <strong>de</strong> un sistema lo siguiente. El sistema será asintóticamente<br />

estable si en ausencia <strong>de</strong> excitación (f =0) y para cualquier condición inicial que<br />

consi<strong>de</strong>remos se verifica que |y(t)| → 0 si t → +∞. Será estable si existen K>0 y t0 > 0<br />

tales que |y(t)|


Aplicaciones<br />

Supongamos en primer lugar que Re βj < 0 para todo j =1, 2, ..., r. Entonces, sean<br />

cuales fueran <strong>las</strong> condiciones (2.9) se tiene que la solución <strong>de</strong>l problema es <strong>de</strong> la forma<br />

y(t) =<br />

=<br />

rX<br />

nj X<br />

j=1 kj=1<br />

rX<br />

nj X<br />

j=1 kj=1<br />

A kj<br />

j L−1 [1/(z − β j) kj ](t)<br />

A kj<br />

j<br />

t kj−1<br />

(kj − 1)! etβ j,<br />

don<strong>de</strong> los coeficientes A kj<br />

j , 1 ≤ j ≤ r, 1 ≤ kj ≤ nj vienen <strong>de</strong>terminados a partir <strong>de</strong> <strong>las</strong><br />

condiciones iniciales <strong>de</strong>l problema. Como Re β j < 0, esclaroquelimt→+∞ |y(t)| =0.<br />

Supongamos ahora que existe j ∈ {1, 2, ..., r} <strong>de</strong> manera que Re βj > 0. ComoBes una<br />

base, existen condiciones iniciales <strong>de</strong> manera que para <strong>las</strong> mismas la solución y(t) contiene<br />

un término <strong>de</strong> la forma<br />

AL −1 [1/(z − βj)](t) =Ae tβj con A ∈ C \{0}. Entonces claramente limt→+∞ |y(t)| =+∞.<br />

Consi<strong>de</strong>remos ahora que toda raíz <strong>de</strong> Qn(z), βj con Re βj =0tiene multiplicidad uno<br />

(nj =1) y <strong>las</strong> restantes raíces tienen parte real negativa. Entonces para cualquier condición<br />

inicial la solución y(t) verifica que si Re βj =0,entoncesexisteAj∈Ctal que<br />

AjL −1 [1/(z − β j)](t) =Aje tβ j = Aj(cos(t Im β j)+i sin(t Im β j)),<br />

aparece en la solución. Teniendo en cuenta que todas <strong>las</strong> raíces tienen parte real menor o<br />

igual que cero y el primer apartado, existirá ε > 0 tal que si t es suficientemente gran<strong>de</strong> se<br />

verifica<br />

|y(t)| ≤ X<br />

|Aj| + ε,<br />

lo que prueba que el sistema es estable.<br />

Re β j =0<br />

Por último, supongamos que existe una raíz <strong>de</strong> Qn(z), βj con Re βj =0y con multiplicidad<br />

mayor que uno. En estas condiciones existen condiciones iniciales <strong>de</strong> manera que y(t)<br />

contieneuntérminononulo<strong>de</strong>laforma<br />

AL −1 [1/(z − β j) 2 ](t) =Ate tβ j = At(cos(t Im β j)+i sin(t Im β j)),<br />

obviamente limt→+∞ |y(t)| =+∞.<br />

32


Aplicaciones<br />

En ingeniería es usual <strong>de</strong>scribir los sistemas lineales mediante <strong>sus</strong> funciones <strong>de</strong> transferencia<br />

en vez <strong>de</strong> con <strong>sus</strong> <strong>ecuaciones</strong> diferenciales <strong>de</strong> la forma (2.7). Por ejemplo el siguiente<br />

sistema <strong>de</strong> control mediante retroalimentación, dado por el siguiente diagrama<br />

En este sistema buscamos obtener la solución transformada Y (z) mediante el siguiente proceso.<br />

Inicialmente obtenemos X(z) a partir <strong>de</strong>l sistema dado por la función <strong>de</strong> transferencia<br />

F (z). La función X(z) se transforma en el sistema dado por G(z) obteniéndose S(z). Finalmente<br />

E(z) =Y (z) − S(z), que a su vez vuelve a ser utilizada para obtener una nueva<br />

X(z) mediante el proceso dado por la función <strong>de</strong> transferencia F (z). Buscamos la función<br />

<strong>de</strong> transferencia<br />

T (z) = X(z)<br />

Y (z) .<br />

Para ello utilizamos que<br />

X(z) =F (z)E(z),<br />

Como E(z) =Y (z) − S(z),<br />

S(z) =G(z)X(z).<br />

X(z) =F (z)(Y (z) − S(z)) = F (z)(Y (z) − G(z)X(z)),<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong><br />

F (z)<br />

T (z) =<br />

1+F (z)G(z) .<br />

A partir <strong>de</strong> esta función <strong>de</strong> transferencia pue<strong>de</strong> la estabilidad <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> control por<br />

retroalimentación planteado calculando los polos <strong>de</strong> T (z).<br />

Por ejemplo, supongamos que F (z) =1/(z2 +1)y G(z) =1/(z− 1). Esinmediatover<br />

que<br />

z − 1<br />

T (z) =<br />

z3 − z2 + z<br />

33


Aplicaciones<br />

y resolviendo la ecuación<br />

z 3 − z 2 + z =0<br />

obtenemos como posibles raíces 0 y 1±i√ 3<br />

2 , por lo que el sistema será inestable en virtud <strong>de</strong>l<br />

Teorema 15. A<strong>de</strong>más, po<strong>de</strong>mos expresar la ecuación diferencial lineal que <strong>de</strong>fine el sistema<br />

teniendo en cuenta que<br />

<strong>de</strong> don<strong>de</strong><br />

X(z)<br />

Y (z) =<br />

z − 1<br />

z 3 − z 2 + z<br />

X(z)(z 3 − z 2 + z) =Y (z)(z − 1),<br />

y<strong>de</strong>finiendo x = L−1 [X] e y = L−1 [Y ] y sabiendo como se construye la función <strong>de</strong> transferencia,<br />

tenemos que el sistema vendrá dado por <strong>las</strong> <strong>ecuaciones</strong><br />

x 000 − x 00 + x 0 = y 0 − y.<br />

Para finalizar, po<strong>de</strong>mos comprobar el carácter inestable <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> retroalimentación<br />

<strong>de</strong>l ejemplo anterior consi<strong>de</strong>rando la función rampa<br />

cuya gráfica es<br />

Entonces su <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> es<br />

(<br />

t si t ∈ [0, 1),<br />

y(t) =<br />

1 si t ≥ 1,<br />

Y (z) = L[y](z) =L[th0(t)](z)+L[(t − 1)h1(t)](z)<br />

= 1 e−z<br />

−<br />

z2 z2 =(1−e−z )/z 2 ,<br />

34


<strong>de</strong> don<strong>de</strong> la <strong>Transformada</strong> <strong>de</strong> <strong>Laplace</strong> <strong>de</strong> x viene dada por<br />

X(x) = L[x](z) =T (z)Y (z)<br />

=<br />

z − 1<br />

(z2 − z +1)z3 (1 − e−z ).<br />

Obtenemos su <strong>Transformada</strong> inversa<br />

x(t) = L −1<br />

∙<br />

z − 1<br />

(z2 − z +1)z3 (1 − e−z =<br />

¸<br />

) (t)<br />

L −1<br />

∙<br />

z − 1<br />

(z2 − z +1)z3 ¸<br />

(t) − L −1<br />

∙<br />

z − 1<br />

(z2 ¸<br />

e−z (t)<br />

− z +1)z3 = g(t)+g(t − 1)h1(t),<br />

don<strong>de</strong><br />

g(t) =1− t2<br />

2<br />

La gráfica <strong>de</strong> la función x en en intervalo [1, 20] es<br />

4000<br />

2000<br />

-2000<br />

-4000<br />

³<br />

et/2<br />

+ √ sin(t<br />

3<br />

√ 3/2) − √ 3cos(t √ ´<br />

3/2) .<br />

5 10 15 20<br />

lo cual ejemplifica la inestabilidad <strong>de</strong> este sistema concreto.<br />

35<br />

Aplicaciones


Aplicaciones<br />

36


Bibliografía<br />

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37

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