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Transformada de Laplace - Um Livro Colaborativo

4.3 A função de Heaviside


A função de Heaviside ou função degrau unitário é nula para argumento negativo e vale 1 para argumento positivo. Quando o argumento é zero a função não precisa estar definida (ou pode-se definir qualquer valor, dependendo do contexto, por exemplo 1∕2). Observe que esta é uma função contínua por partes:

u(t) = 0, t < 0 1, t > 0. (4.34)

A função de Heaviside com descontinuidade em t = a é da forma

u(t−a) = 0, t < a 1, t > a. (4.35)

A figura 4.3 apresenta os gráficos de u(t) e u(t − a) para a > 0.


PIC PIC


Figura 4.3:


Observe que a representação gráfica em t = a não está com o rigor matemático para funções, pois deveria estar esboçado bolinhas abertas indicando que em t = a a função não está definida. Esse tipo de representação gráfico é usado no contexto de transformada de Laplace. Quando realmente for necessário definir um transição em t = 0, toma-se uma aproximação linear e contínua para a função de Heaviside, chamada de função rampa:

g𝜖(t) = 0, t < −𝜖 1 2𝜖t + 1 2, − 𝜖 ≤ t ≤ 𝜖 1, t > 𝜖, (4.36)

para 𝜖 << 1. A figura 4.4 ilustra o gráfico de g𝜖(t) para 𝜖 = 1∕2.


PIC


Figura 4.4:


A função de Heaviside é o limite de g𝜖(t) se t≠0:

lim ⁡ 𝜖→0g𝜖(t) = u(t),t≠0. (4.37)

Uma função importante em aplicações é a função pulso, definida por:

fp(t) = 0, t < a 1, a < t < b 0, t > b., (4.38)

com a < b A figura 4.5 apresenta uma representação gráfica para a função pulso.


PIC


Figura 4.5:


A função pulso normalmente é representada em termos da diferença de duas funções de Heaviside:

fp(t) = u(t − a) − u(t − b),a < b. (4.39)

A função pulso geralmente indica uma chave “liga-desliga”. Por exemplo, o produto fp(t)f(t) significa que f estava “desligada” para t < a, f foi “ligada” em t = a e “desligada” em t = b. Analogamente, o produto u(t − a)f(t) indica que a função foi ligada em t = a. Observe o gráfico de u(t − 1) sen ⁡ (t) na figura 4.6.


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Figura 4.6: Gráfico da função u(t − 1) sen ⁡ (t).


Exemplo 4.3.1. Representar algebricamente em termos da função de Heaviside a função dada no gráfico da figura 4.7.


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Figura 4.7:


Observe que podemos representar f(t) da seguinte forma:

f(t) = 0, t < 1 2, 1 < t < 3 − 3, 3 < t < 5 0, t > 5. (4.40)

Para representar em termos da função de Heaviside, olhe para o gráfico pensando em dois pulsos: 2(u(t − 1) − u(t − 3)) e − 3(u(t − 3) − u(t − 5)). A soma deles é a função desejada:

f(t) = 2(u(t − 1) − u(t − 3)) − 3(u(t − 3) − u(t − 5)). (4.41)

A transformada de Laplace da função de Heaviside é obtida direto da definição. Primeiro considere a ≥ 0: L{u(t − a)} = ∫ 0∞u(t − a)e−stdt = ∫ a∞e−stdt = 1 − se−st a∞ = e−as s . (4.42)

Se a < 0, então

L{u(t − a)} = L{1} = 1 s. (4.43)

Exercícios


E 4.3.1. Esboce o gráfico da função f(t) = (u(t) − u(t − 2π)) sen ⁡ (t).

E 4.3.2. Escreva uma expressão em termos da função de Heaviside para a função dada no gráfico 4.8.


PIC


Figura 4.8:


E 4.3.3. Esboce o gráfico das seguintes funções:

  • (t − π)u(t − π)
  • tu(t − 2)
  • (sen ⁡ t)u(t − π)
  • f(t) = u(t − 1) + 3u(t − 3) − 4u(t − 5)
  • f(t) = tu(t) + (t2 − t)u(t − 1) + (6 − t − t2)u(t − 2) + (t − 6)u(t − 6)
  • f(t) = u(t) + u(t − 1) 2
  • f(t) = u(t − 1) 1 − u(t − 2)

Resposta.
  • (t − π)u(t − π)

    PIC

  • tu(t − 2)

    PIC

  • (sen ⁡ t)u(t − π)

    PIC

  • f(t) = u(t − 1) + 3u(t − 3) − 4u(t − 5)

    PIC

  • f(t) = tu(t) + (t2 − t)u(t − 1) + (6 − t − t2)u(t − 2) + (t − 6)u(t − 6)

    PIC

  • f(t) = u(t) + u(t − 1) 2 = u(t) + 3u(t − 1)

    PIC

  • f(t) = u(t − 1) 1 − u(t − 2) = u(t − 1) − u(t − 2)

    PIC

E 4.3.4. Escreva uma expressão para cada função em termos da função de Heaviside.

  •  

    PIC

  •  

    PIC

  •  

    PIC

  •  

    PIC

Resposta.
  • f(t) = u(t − 1) − 3u(t − 3) + 2u(t − 5)
  • f(t) = tu(t) + (1 − t)u(t − 1) + −3 2t + 9 2 u(t − 3) + 3 2t − 11 2 u(t − 5)
  • f(t) = ∑ ⁡ n=0∞(−1)nu(t − n)
  • f(t) = ∑ ⁡ n=0∞u(t − 2n)

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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