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Transformada de Laplace - Um Livro Colaborativo

2.3 A transformada inversa de Laplace


Se F(s) = L{f(t)}é a transformada de Laplace de f(t), então dizemos que f(t) = L−1{F(s)} é a transformada inversa de Laplace da função F(s). Essa definição só faz sentido se a transformação definida no conjunto de funções que possuem transformada de Laplace for "bijetora", ou seja, cada função f(t) está relacionada a uma única transformada F(s). É fácil observar que duas funções iguais a partir de t = 0 possuem a mesma transformada de Laplace. Porém, se duas transformadas são iguais para s > s0, por exemplo, F(s) = G(s), então

∫ 0∞f(t)e−stdt = ∫ 0∞g(t)e−stdt (2.17)

ou seja,

∫ 0∞(f(t) − g(t))e−stdt = 0 (2.18)

para cada s > s0. Mas, o fato dessa integral ser nula, não significa que a função f(t) − g(t) é nula. Tome como exemplo a função

h(t) = 0, 0 ≤ t < 3, 1, t = 3, 0, t > 3, (2.19)

que não é nula, mas a integral

∫ 0∞h(t)e−stdt = 0∀ ⁡s > s 0. (2.20)

No entanto, a função f(t) − g(t) não pode ser diferente de zero em um conjunto muito grande. Basta tomar como exemplo uma função que não se anula em um intervalo pequeno:

h(t) = 1, 0 ≤ t < 𝜖, 0, t ≥ 𝜖 (2.21)

para 0 < 𝜖 << 1. Por menor que seja 𝜖, a integral (2.20) não se anula para s > 0. Existe um conceito que diz que duas funções h1(t) e h2(t) são iguais quase-sempre em [a,b] se

∫ ab|h 1(t) − h2(t)|dt = 0. (2.22)

Observe que o módulo no conceito é importante, pois podemos tomar uma função diferente de zero em intervalos grandes e com integral zero, por exemplo,

h3(t) = 1, 0 ≤ t < 1, − 1, 1 ≤ t < 2, 0, t ≥ 2, . (2.23)

Observe que a integral (2.20) deverá ser zero para todo s > s0, o que compensa a falta do módulo. Por exemplo, a integral (2.20) aplicada a função (2.23) não é zero: ∫ 0∞h 3(t)e−stdt = ∫ 0𝜖e−stdt −∫ 𝜖2𝜖e−stdt = e−st − s0𝜖 − e−st − s𝜖2𝜖 = 1 s − e−s𝜖 s − e−s𝜖 s + e−2s𝜖 s ≠0,s > 0.

Usando esse conceito, se duas transformadas de Laplace são iguais, as respectivas inversas são iguais quase-sempre. Nesse sentido, uma função que possui transformada de Laplace está contida numa classe de funções que possuem a mesma transformada de Laplace. Se olharmos cada classe de funções como um elemento de um conjunto, então a transformada de Laplace é "bijetora". Isso significa que a transformada inversa está bem definida, mesmo que não escrevemos uma forma integral fechada para ela. Uma forma integral fechada para a transformada inversa de Laplace aparecerá naturalmente na teoria de transformada de Fourier. Aqui temos a tabela 2.1 das transformadas de Laplace que calculamos na seção 2.1 e suas respectivas inversas. Observe que cada função da segunda coluna representa uma classe de funções iguais quase-sempre. As tabelas A.1 e A.2 do apêndice A.1 estão mais completas. As tabelas de transformadas são úteis quando estamos resolvendo uma equação diferencial, pois na prática, consultamos uma tabela para calcular a inversa.




F(s) = L{f(t)} f(t) = L−1{F(s)}


1 s 1


1 s2 t


1 sn,(n = 1,2,3,...) tn−1 (n −1)!


w w2 + s2 sen ⁡ (wt)


1 s + a e−at



Tabela 2.1:

Exemplo 2.3.1. Para calcular a transformada inversa da função F(s) = 10 100+s2, fixamos a = 10 na quarta linha da tabela 2.1 e obtemos

L−1 10 100 + s2 = sen ⁡ (10t) (2.24)

Exemplo 2.3.2. Da mesma forma, para calcular a transformada inversa da função F(s) = 1 s30, fixamos n = 30 na terceira linha da tabela 2.1 e obtemos

L−1 1 s30 = t29 29!. (2.25)

Exercícios


E 2.3.1. Use a tabela A.1 para calcular a transformada Inversa de Laplace das funções:

  • F(s) = 1 s2+4
  • F(s) = 1 s2−4
  • F(s) = s s2−9
  • F(s) = − s s2+2s+1 − 1 s2+2s+1
  • F(s) = 1 (s2+2s+1)(s+1)

Resposta.
  • f(t) = 1 2 sen ⁡ (2t)
  • f(t) = 1 2 senh ⁡ (2t)
  • f(t) = cosh ⁡ (3t)
  • f(t) = −e−t
  • f(t) = t2e−t 2

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