martes, 2 de febrero de 2021

Solución de ecuaciones diferenciales por Transformada de Laplace

 

Jardín, febrero 2021

 

 

Solución de ecuaciones diferenciales por medio de la Transformada de Laplace

 

Siempre que estemos ante una ecuación diferencial, lo primero que debemos intentar es separación de variables; es decir, después de las simplificaciones algebraicas, llevar la ecuación a una expresión como:

 

h(y)dy = g(x)dx

 

Y luego se resuelve por integración.

 

No obstante, aunque gran parte de las ecuaciones diferenciales que aparecsen en física e ingeniería, terminan siendo de este tipo (separación de variables), hay mucho tipo de ecuaciones diferenciales, en las cuales no es posible esta simplificación.

 

Uno de esos múltiples tipos de ecuaciones diferenciales, no separables, son las llamadas ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes constantes, como se indica en la ecuación (1).

 

Anyn+An-1yn-1+…………. +A1y’+Aoy+B=0                                                       (1)

 

Transformación (transformada) de Laplace de una función.

 

f(x) está definida para todos los puntos 0<x< ∞

f(x) es continua o continua a trozos, en cualquier intervalo 0 < x < b.

f(x) es de orden exponencial a, lo cual significa que, para todo x, A y a reales

│f(x)│<Aeax

La Transformada de Laplace de una función f(x) con las características arriba indicadas se define como:

 


Así definida, como una integral, la transformada de una función f(x) cumple las típicas propiedades de linealidad:

 

L(f(x)+g(x))=L(f(x))+L(g(x))


L(cf(x))=cL(f(x))

 

Tablas de Transformada de Laplace

 

(x o t no importa el nombre de la variable de la función f. Si es importante tratar de llamar la función transformada F como F(s)






Tabla 1

Implícitamente, queda definida la función L-1, que debe cumplir la propiedad de las funciones inversas:

 

L-1(F(s)) =f(x)    si x es la variable principal de f

L-1(L(f(x)) =f(x)

 

No vamos a definir L-1; sólo utilizaremos la tabla para encontrar L-1 partiendo de L y L partiendo de L-1

 

Ahora si veamos, cómo funciona este método. (Sólo para ecuaciones diferenciales del tipo (1) ) y se reduce a aquellas con una limitación adicional y es que los puntos en los que se conocen la función y sus derivadas, deben ser en x = 0.

 

 

¿Cómo funciona?

 

1.      Ejemplo 1

 

y’’-2y’-3y=1                                                                                                                   (3)

y (0) =1

y’(0)=-1

 

A la ecuación (3) le aplicamos la transformada de Laplace

 

L(y’’-2y’-3y) =L (1)

L(y’’) +L(-2y’) +L(-3y) =L (1)                              aplicando la propiedad lineal

L(y’’)-2L(y’)-3L(y)=L (1)

 

Vamos a la tabla:

 

s2F(s)-sf(0)-f’(0)-2(sF(s)-f(0))-3F(s)=1/s

 

s2F(s)-s+1-2(sF(s)-1)-3F(s)=1/s

 

F(s)(s2-2s-3) =(1/s)-3+s

 

F(s)=(s2-3s+1)/(s(s-3) (s+1))

 

Esta es una fracción polinómica propia. (grado del numerador 2 < grado del denominador 3). Esta fracción se puede separar en fracciones parciales así:

 

(s2-3s+1)/(s(s-3) (s+1)) =A/s +B/(s-3) + C/(s+1) =(A(s-3) (s+1) +s(-2A+B-3C) – 3A)/(s(s-3) (s+1))

 

Reducimos a común denominador el lado derecho. Las fracciones de izquierda y derecha quedan con igual denominador y son iguales. Los numeradores (polinómicos) también serán iguales y así podemos determinar A, B y C

 

Coef de s2                                                               A + B + C =1

Coef de s                                                              -2A + B -3C =-3

Termino independiente                                           -3A                = 1

 

A=-1/3

B=1/12

C=5/4

 

F(s) = -1/(3s) + (1/(12(s-3)) +5/ (4(s +1))

 

Y aplicamos L-1  y utilizando las propiedades de la linealidad:

 

L-1(F(s)) =-1/3 L-1(1/s) +(1/12) L-1(1/ (s- 3)) + (5/4) L-1(1/ (s + 1)) = f(x)

 

f(x) = -1/3 + (1/12) e3x + (5/4) e-x

 

Podemos chequear si llegamos bien a f(x), recordando f (0) =1

 

f(0) = -1/3 + (1/12) e0 + (5/4) e0= -1/3 + 1/12 + 5/4 = (-4+1 +15) /12 =12/12 =1,

 

que era uno de los datos. y(0)=1

 

 

Ejemplo 2

 

el problema:  y’ – 2y = 2x + 1                                                                             (4)

 

que satisface y (1) =2            :

 

Puesto que las condiciones no son en x=0, lo que hacemos es un cambio de variable y corrimiento de la forma x = t+ a

Donde t es una nueva variable independiente; lo que requerimos es que cuando t=0 coincida con x=1, para ello cambiamos: x=t +1 o t = x -1

Con este cambio el problema inicial se cambia por: y’ – 2y = 2(t +1) + 1 = 2t + 3

que satisface:

x=1, t=0, y (0) =2    Aquí hablamos de y=2, cuando   t = 0,

Y ahora si, continuamos con la metodología del ejemplo anterior: Aplicando la transformada en ambos miembros tenemos:  

 y’ – 2y =  2t + 3  (ahora la función y es de t y no de x)

L (y’ – 2y) = L (2t + 3)

 

L(y’) – 2L(y) = 2L(t) + 3L (1)

 

sF(s) -f (0) -2F(s) = 2/s2 + 3/s  de acuerdo con las fórmulas de la tabla (1)

 

sF(s) -2 -2F(s) = 2/s2 + 3/s

 

Despejamos F(s)

 

F(s) = (2 + 3s +2s2)/((s2(s – 2))                                                                                        (5)

 

F(s) = A/(s – 2) + B/s + C/s2

 

(As2 + Bs(s – 2) + C(s -2))/ ((s2(s – 2))                                                                            (6)

 

Igualamos los numeradores son iguales: Por tanto:

 

-2C=2                             C=-1

 

-2B + C =3                     B=-2

 

A + B =2                         A = 4

 

Veamos L-1(1/s2)

 

La fórmula (5) de la table   L(tneat) = n! / (s -a) n+1

 

Para este caso a = 0 y n = 1

 

L-1(1/s2) = t

 

L-1(F(s)) = g(t) = 4e2t – 2 – t 

 

Recordemos que   x =t + 1   por tanto t=x -1. Al cambiar t por x, g(t) se nos convierte en f(x), que es la que estamos buscando.

 

f(x) = 4e 2(x – 1) – 1  x

 

Conclusión

 

El método de Transformada de Laplace, para resolver ecuaciones, es muy limitado y se reduce a ecuaciones de la familia de la ecuación (1), con una limitación adicional, y es que los puntos que se conocen, deben ser en x = 0

Se deben conocer f’’ (0), f’ (0) y, f (0). Cuando las condiciones no se dan en x=0 hay que hacer un cambio de la variable x por otra  t, de tal manera que podamos conocer los valores de g’’(t), g’(t) y g(t) en t = 0

 

Finalmente recordemos que hay una diferencia entre F y f

 

F(s) = L(f(t))

 

 

Nota: Sin pretender hacer un repaso de la materia “Ecuaciones Diferenciales”, en los próximos blogs voy a tratar el tema de las ecuaciones diferenciales lineales y de las homogéneas y no homogéneas, exactas e inexactas.

 

 

 

Juan Fernando Sanin E

juanfernando.sanin@gmail.com


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