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Transformada de Laplace - Um Livro Colaborativo

6.3 Séries de potências


6.3.1 Transformada de Laplace inversa de funções envolvendo expansão em séries de potências


Em algumas situações, é conveniente expandir em séries de potência um termo de uma função para calcular sua transformada inversa. Vejamos alguns exemplos.

Exemplo 6.3.1. Vamos calcular a transformada inversa da função F(s) = 1 (s+1)(1−e−s), usando o fato que

1 1 − e−s = 1 + e−s + e−2s + e−3s + ⋯. (6.32)

E, portanto, temos:

F(s) = 1 s + 1 1 + e−s + e−2s + e−3s + ⋯ (6.33)

Como, pelo item 7 da tabela de transformadas L−1 1 s+1 = e−t. Aplicando a propriedade do deslocamento no eixo t, temos:

f(t) = e−t + u(t − 1)e−(t−1) + u(t − 2)e−(t−2) + u(t − 3)e−(t−3) + ⋯. (6.34)

O gráfico desta função é apresentado na figura 6.6.


PIC


Figura 6.6:


Exemplo 6.3.2. Vamos calcular a transformada inversa da função F(s) = e−s s2 1−e−s2 1−e−3s , usando o fato que

1 1 − e−3s = 1 + e−3s + e−6s + e−9s + ⋯. (6.35)

Agora observamos que se g(t) = L−1 e−s1−e−s2 s2 , então: g(t) = L−1 e−s1 − e−s 2 s2 = L−1 e−s 1 − 2e−s + e−2s s2 = L−1 e−s − 2e−2s + e−3s s2 = u(t − 1)(t − 1) + u(t − 2)(4 − 2t) + u(t − 3)(2t − 4)

Desta forma, pela propriedade do deslocamento em t, podemos escrever f(t) = g(t) + u(t − 3)g(t − 3) + u(t − 6)g(t − 6) + u(t − 9)g(t − 9) + ⋯ = g(t) + g(t − 3) + g(t − 6) + g(t − 9) + ⋯ = ∑ k=0∞g(t − 3k)

o que implica

f(t) = ∑ k=0∞g(t−3k) = ∑ k=0∞ u(t − 1 − 3k)(t − 1 − 3k) + u(t − 2 − 3k)(4 − 2t + 6k) + u(t − 3 − 3k)(2t − 4 − 6k) (6.36)

O gráfico desta função é apresentado na figura 6.7.


PIC


Figura 6.7:


6.3.2 Transformada de Laplace de funções envolvendo expansão em séries de potências


Nesta seção, vamos calcular a transformada de Laplace usando a série de potências das funções e a linearidade da transformada.

Exemplo 6.3.3. Vamos calcular L{J0(at)} (item 31 da tabela A.2), onde J0(at) é a função de Bessel de ordem zero dada por

J0(at) = 1 − at 2 2 + 1 (2!)2 at 2 4 − 1 (3!)2 at 2 6 + ⋯. (6.37)

Aplicando o item 3 da tabela A.1, temos: LJ0(at) = L1 − a 2 2Lt2 + 1 (2!)2 a 2 4Lt4 − 1 (3!)2 a 2 6Lt6 + ⋯ = 1 s − a 2 2 2! s3 + 1 (2!)2 a 2 4 4! s5 − 1 (3!)2 a 2 6 6! s7 + ⋯ = 1 s 1 − 1 2 a s2 + 1 2 ⋅ 3 2 ⋅ 1 2! a s4 − 1 2 ⋅ 3 2 ⋅ 5 2 ⋅ 1 3! a s6 + ⋯

A série acima está apresentada no item 10 da tabela A.4, onde usamos m = −1 2 e x = a s 2. Logo, LJ0(at) = 1 s 1 + a s2 −1 2

Exemplo 6.3.4. Novamente usamos séries de potências para calcular L{J0(2kt)}, k > 0 (item 34 da tabela A.2). Aplicando o item 3 da tabela A.1, temos: LJ0(2kt) = L1 − 2kt 2 2 + 1 (2!)2 2kt 2 4 − 1 (3!)2 2kt 2 6 + ⋯ = L1 − kLt + k2 (2!)2Lt2 − k3 (3!)2Lt3 + ⋯ = 1 s − k s2 + k2 (2!)2 2! s3 − k3 (3!)2 3! s4 + ⋯ = 1 s 1 − k s1 + 1 2! k s2 − 1 3! k s3 + ⋯ = 1 s 1 + −k s1 + 1 2! −k s2 + 1 3! −k s3 + ⋯

A série acima está apresentada no item 3 da tabela A.4, onde usamos x = −k s. Logo, LJ0(2kt) = 1 se−k s

Exercícios


E 6.3.1. Use o método das séries de potência e as propriedades da função Γ para mostrar que

L cos ⁡ (2t) t = π se−1 s . (6.38)

E 6.3.2. Use o método das séries de potências para mostrar que

L{sen ⁡ t} = πe−1∕4s 2s3∕2 .

Sugestão: Use que

Γn + 3 2 = (2n + 1)! n!22n+1 π.

Resposta. f(t) = sen ⁡ t = ∑ n=0∞(−1)n t(2n+1)∕2 (2n + 1)! F(s) = Lf(t) = ∑ n=0∞ (−1)n (2n + 1)!Lt(2n+1)∕2 = ∑ n=0∞ (−1)n (2n + 1)!Lt(2n+1)∕2 = ∑ n=0∞ (−1)n (2n + 1)!Γ (2n + 3)∕2 1 s(2n+3)∕2 = ∑ n=0∞ (−1)n (2n + 1)! (2n + 1)! n! π 22n+1 1 s(2n+3)∕2 = π 2s3∕2 ∑ n=0∞(−1)n 1 n! 1 22n 1 sn = π 2s3∕2 ∑ n=0∞ 1 n! − 1 4sn = π 2s3∕2e− 1 4s

Para mostrar a identidade Γn + 3 2 = (2n+1)! n!22n+1π , usamos a relação de recorrência

Γ(x + 1) = xΓ(x) (6.39)

e o fato bem conhecido de que

Γ(1∕2) = π (6.40)

Para obter Γ(3∕2) = Γ(1 + 1∕2) = 1 2Γ(1∕2) = π 2 Γ(5∕2) = Γ(1 + 3∕2) = 3 2Γ(3∕2) = 3π 22 Γ(7∕2) = Γ(1 + 5∕2) = 5 2Γ(5∕2) = 5 ⋅ 3π 23 Γ(9∕2) = Γ(1 + 7∕2) = 7 2Γ(7∕2) = 7 ⋅ 5 ⋅ 3π 24

E generalizando, temos: Γ 2n + 1 2 = Γ 1 + 2n − 1 2 = 2n − 1 2 Γ 2n − 1 2 = (2n − 1)(2n − 3)⋯3π 2n = (2n − 1)(2n − 2)(2n − 3)⋯3 ⋅ 2 ⋅ 1 (2n − 2)(2n − 4)⋯2 π 2n = (2n − 1)(2n − 2)(2n − 3)⋯3 ⋅ 2 ⋅ 1 2n−1(n − 1)(n − 2)⋯1 π 2n = (2n − 1)! (n − 1)! π 22n−1

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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