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Transformada de Laplace - Um Livro Colaborativo

5.1 A função Delta de Dirac


Muitos fenômenos físicos exigem a representação de uma força muito grande em um intervalo de tempo muito pequeno, por exemplo:

  • um circuito elétrico recebe uma força eletromotriz grande em um curto intervalo de tempo.
  • um sistema massa-mola é atingido por uma martelo.
  • uma bola de futebol parada recebe um chute, ou seja, uma força quase instantânea, que a coloca em movimento.
  • um avião é atingido por um raio.

Para representar essa força, vamos tomar a função pulso unitário em um curto intervalo de tempo [𝜖,𝜖] em torno da origem, isto é, um pulso com integral unitária:

δ𝜖(t) = 1 2𝜖 u(t + 𝜖) u(t 𝜖) = 0, t < 𝜖 1 2𝜖, 𝜖 < t < 𝜖 0, t > 𝜖. (5.1)

Um pulso unitário em torno de t = a é representado por

δ𝜖(ta) = 1 2𝜖 u(t (a 𝜖)) u(t (a + 𝜖)) = 0, t < a 𝜖 1 2𝜖, a 𝜖 < t < a + 𝜖 0, t > a + 𝜖. (5.2)

Observe que δ 𝜖(t a) = 1 para qualquer 𝜖 > 0. A figura 5.1 apresenta o gráfico de δ𝜖(t a) para a > 0 e 𝜖 = 1, 𝜖 = 1 2, 𝜖 = 1 4, 𝜖 = 1 8 e 𝜖 = 1 12. A função que representa uma grande força instantânea é chamada de função impulso ou função Delta de Dirac e pode ser definida pelo limite das funções pulsos:

δ(t a) = lim 𝜖0δ𝜖(t a). (5.3)

Este limite não pode ser interpretado pontualmente, isto é, como o limite usual de funções reais, mas apenas no contexto de uma integral, como veremos. A figura 5.1 apresenta o gráfico de δ𝜖(t a) quando 𝜖 diminui e uma representação gráfica para δ(t a).


PIC PIC PIC

PIC PIC PIC


Figura 5.1:


Observação 5.1.1. A função delta de Dirac pode ser definida como limite de outras sequências de funções com propriedades análogas a sequência de pulsos. Por exemplo, podemos definir δ(t) como limite das funções

f𝜖(t) = 1 𝜖πet2 𝜖2 (5.4)

A função Impulso é zero em todo ponto, exceto em t = a:

δ(ta) = 0, ta , t = a (5.5)

e

δ(t a)dt = 1 (5.6)

A função Delta de Dirac deve ser sempre compreendida como o limite de funções reais no contexto de uma integração, isto conduz à chamada propriedade da filtragem, que define totalmente a Delta da Dirac: Se f(t) for um função contínua em torno de t = a, então

δ(t a)f(t)dt = f(a). (5.7)

Para chegar a esta conclusão, definimos F(t) =atf(τ)dτ e calculamos: δ(t a)f(t)dt = lim 𝜀0+δ 𝜀(t a)f(t)dt = 1 2𝜀𝜀𝜀f(t)dt = F(𝜀) F(𝜀) 2𝜀 = F(0) = f(a).

5.1.1 Delta de Dirac como derivada distribucional da função Heaviside


Na equação (5.2) definimos a função Delta de Dirac como

δ(t a) = lim 𝜖0 1 2𝜖 u(t (a 𝜖)) u(t (a + 𝜖)) . (5.8)

Por outro lado, usamos a definição de derivada para escrever

lim 𝜖0 1 2𝜖 u((t a) + 𝜖)) u((t a) 𝜖)) = d dtu(t a) (5.9)

ou seja,

δ(t a) = d dtu(t a). (5.10)

Observe que as funções de Heaviside e de Dirac não são funções no sentido do cálculo diferencial e integral. Naturalmente, a derivada acima também vale somente num sentido generalizado, mas é coerente quando olhamos a função de Heaviside como limite de funções rampas (ver figura 4.4), pois na origem a derivada tende ao infinito. A transformada de Laplace de função Delta de Dirac é obtido pela propriedade da filtragem dada na equação (5.7):

L{δ(t a)} =0δ(t a)estdt = eas. (5.11)

Exercícios


E 5.1.1. Encontre

  • Ltu(t 1) + t2δ(t 1)
  • L(cos t)(ln t)δ(t π)
  • Lδ(t 1)et

Resposta.
  • es(s2 + s + 1) s2
  • eπs ln π
  • e1s

E 5.1.2. Considere as funções f𝜀(t) e g𝜀(t) dadas por f𝜀(t) = t 𝜀2, 0 t < 𝜀 2𝜀t 𝜀2 , 𝜀 t < 2𝜀 0, t 2𝜀 g𝜀(t) = 1 𝜀2, 0 t < 𝜀 1 𝜀2, 𝜀 < t < 2𝜀 0, t > 2𝜀

onde 𝜀 é um parâmetro positivo.

  • Esboce sob o mesmo plano cartesiano o gráfico da função f𝜀 para 𝜀 = 1, 𝜀 = 1 2 e 𝜀 = 1 4. Faça o mesmo em outro plano cartesiano para a função g𝜀(t). Lembre de indicar os eixos e pontos notáveis (ex. pontos de zero e máximo)
  • Calcule as transformada de Laplace, F𝜀(s) = Lf𝜀(t) e G𝜀(s) = Lg𝜀(t). Aqui 𝜀 é um parâmetro positivo genérico.
  • Estude o comportamento das funções f𝜀(t), g𝜀(t), F𝜀(s) e G𝜀(s) no limite 𝜀 0+. Discuta os resultados obtidos analisando as função no domínio tempo e no domínio frequência (s). Qual a relação que se observa entre f𝜀(t) e g𝜀(t) e entre suas transformadas de Laplace?

Creative Commons License Este texto é disponibilizado nos termos da licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada (CC-BY-SA 3.0). Página gerada em 26/7/2022 às 15:19:21.

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