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� www.etep.edu.br � Apostila de Matemática Aplicada Objetivo(s) da apostila: O aluno deverá reconhecer os conceitos de Série de Fourier, Teorema da Integração, Transformada de Laplace e Teorema da Derivada. Professor: Peterson Ricardo Rodrigues Curso: Engenharia Disciplina: Matemática Aplicada E-MAIL: peterson.rodrigues@etep.edu.br Objetivo da seção: O aluno deverá reconhecer os conceitos introdutórios da Série de Fourier, e identificar os coeficientes de Fourier para funções periódicas. Em matemática, uma série de Fourier é a representação de uma função periódica como uma soma de funções periódicas. A história das séries de Fourier ilustra como a solução de um problema físico acaba gerando novas fronteiras na matemática. Fourier foi levado a desenvolver suas séries ao estudar a propagação de calor em corpos sólidos. Admitindo que essa propagação deveria se dar por ondas de calor e levando em conta que a forma mais simples de uma onda é uma função senoidal, Fourier mostrou que qualquer função, por mais complicada que seja, pode ser decomposta como a soma de várias funções cossenos e senos, com amplitudes, fases e períodos escolhidos convenientemente. Jean B. Fourier, no livro “Théorie Analytique de la Chaleur” escrito em 1822, introduziu o conceito conhecido atualmente como Série de Fourier, que é muito utilizado nas ciências em geral, principalmente nas áreas envolvidas com: Matemática, Engenharia, Computação, Música, Ondulatória, Sinais Digitais, Processamento de Imagens, etc, foi isso que Fourier descobriu, no início do século 19. Definição: I) Série de Fourier para f(x) definida no intervalo [-(,(]. Seja f(x) = f(x+2(), uma função integrável, definida sobre o intervalo [-(,(] e n (N. A Série de Fourier de f(x) é a série trigonométrica, com período P = : 2(, dada por: onde ao, an e bn são os coeficientes de Fourier definidos por: ao = an = bn = Note que as expressões acima são válidas se o período da função for 2(. II) Série de Fourier para f(x) definida no intervalo [- T,T]. Para uma função f(x) definida no intervalo de -T a T, será periódica de período P = 2.T, que podemos reescrever como: f(x)= onde ao, an e bn são os coeficientes de Fourier definidos por: ao = an = bn = O termo constante é chamado de valor médio. III) Série de Fourier generalizada, para f(x) definida num intervalo qualquer [a,b], será periódica de período , se desenvolvida por: f(x)= ao = an = bn = Exemplo: Para ilustrar, vamos fazer o desenvolvimento em série de Fourier de uma função periódica simples, a chamada "onda quadrada" cujo gráfico é mostrado na figura abaixo: � Inicialmente devemos calcular os coeficientes ao , an e bn, usando as expressões, conforme for mais conveniente. Observe na função mostrada que o período é de 2(. Desta forma 2T = 2( ou T = (. Além disso, tanto faz analisar no intervalo -( a + ( ou no intervalo 0 a 2 (. Visualmente pode-se identificar que o valor médio desta função é zero, porém podemos calcular pela fórmula do ao, e analisando nos intervalos de -( a 0 e 0 a +(. ao = = + = = = 0. Calculando os coeficientes an e bn : an = = + = = + = 0. bn= = �� EMBED Equation.3 = Lembrando que cos (n() = cos (-n()= -1 , para n impar , e igual a +1 para n par. bn= = para n impar ( bn= , para n par ( bn= = 0. Logo só existe valores de bn para n ímpar, portanto usando a expressão f(x)= f(x) = f(x) = . Expandindo a expressão de f(x), para valores de n ímpar fica: Trocando x por wt => 2( ft, caso tenhamos a variável independente como t, podemos dizer que o primeiro termo da expressão corresponde ao sinal de amplitude e menor freqüência (f) => sinal (a) O segundo termo tem amplitude e período 3 vezes menor => sinal (b) Os demais termos correspondem aos outros sinais mostrados ao lado até n = 15. Quanto maior o numero de termos usados na série, melhor a aproximação com a forma da função original. Na figura abaixo, temos os sinais até o 5º termo da expansão da série da onda quadrada mostrada também na figura. A figura foi plotada usando o Matlab. Como exercício propõe-se plotar as formas de onda dos termos até n=15 e o sinal resultante da somatória. Função periódica Definição: Uma função é dita periódica quando para existe um tal que para qualquer , onde o é denominado período. Se é um inteiro, tem-se , e que se existirem duas funções periódicas e então , isto é, possui o mesmo período. Observação: Funções constantes também são periódicas, pois satisfazem . As funções trigonométricas seno e co-seno são exemplos típicos de funções periódicas. Exemplo: Série de Fourier Uma função é dita periódica quando ela é definida para qualquer , existe um número positivo . ( para inteiro também é uma período e inteiro Exemplo: Se for e possuem o mesmo período e se constante Assim, as funções trigonométricas e tem um mesmo período . na função : para e é uma série periódica trigonométrica, isto é, Supondo a série trigonométrica: é integrando no intervalo , tem-se : Donde : Porém, multiplicando a função por , tem-se : �� EMBED Equation.2 mas , multiplicando a função , por , tem-se : �� EMBED Equation.2 “Fórmulas de Euler” e a série é denominada de Série de Fourier, e os coeficientes � podem ser calculados pelas Fórmulas de Euler, denominados de “Coeficientes de Fourier”. Exemplo: Determinar os coeficientes de Fourier para a função periódica , onde � Porém, o que ocorre em sistemas mecânicas em forças eletromotrizes em circuitos, etc. A área sob a curva de entre e , é nulo, por isso , isto é, � � � � � para na média Exercício: Determinar os coeficientes de Fourier para a função periódica , onde � Objetivo da seção: O aluno deverá reconhecer os teoremas relacionados à Série de Fourier, considerando simetrias de forma de onda. Teorema 1 Se uma função periódica em período é contínua no intervalo e possui derivadas à direita e à esquerda em cada ponto do intervalo, então a série de Fourier correspondente é convergente, e sua soma é , exceto no ponto em que a função é descontínua, caso em que a soma da série é a média dos limites à esquerda e à direita de em . Demonstração: 1a integrando por partes: 2a integração por partes: (constante e adequado ) 3a integração (por partes): ( da mesma forma : Funções Pares e Ímpares Uma função é dita “par” se : E é dita “ímpar” se : Assim se é uma função par, então Se é uma função ímpar, então : Observação: O produto de uma função par por uma função ímpar é ímpar, pois : Se for par : é ímpar e Se for impar : é ímpar e Teorema 2 A série de Fourier de uma função periódica par que possui período , é uma série de Fourier de cossenos, isto é, com coeficientes e A série de Fourier de uma função ímpar que possui período é uma série de Fourier de senos, isto é, com coeficientes . Teorema 3 Os coeficientes de Fourier de uma função sãoos senos dos coeficientes de Fourier de e . Exercício: Provar as seguintes séries numéricas : Sugestão : Use a função Ou podem se empregar se as fórmulas diretamente, isto é, como: e o intervalo de integração, fica : e a série de Fourier E o intervalo de integração pode ser multiplicado por um comprimento , por exemplo, pelo intervalo . Exemplo (Retificador de meia onda): Uma tensão senoidal atravessa um retificador de meia - onda que observa a porção negativa de onda. A função periódica resultante é: Exercício: Mostrar que a função no intervalo pode ser representado pela série de co-senos de Fourier: Funções com Período Arbitrário Se tem período pode-se fazer uma mudança de variável tal que, ( Se então o que significa que tem período e uma série de Fourier de forma : , onde , e . Podem-se empregar estas expressões diretamente, mas a mudança para simplifica os cálculos. Como , e o intervalo de integração correspondente será . Consequentemente as novas fórmulas de Euler serão: , e . E a série de Fourier expressa em função de , será: Teorema: A série de Fourier de uma função par que possui período é uma série de Fourier de cossenos, par com coeficientes , . A série de Fourier de uma função impar que possui período é uma série de Fourier de senos, impar com coeficientes . Exemplo: Determinar a série de Fourier da função . Como é par, Desta forma quando é par, quando e quando . Assim, Desenvolvimento para Meio Período Seja de período . Se for “par” ob ém-se a série de cossenos: Com coeficientes Se for ímpar Com coeficientes E são denominados de desenvolvimento de meio período da função f(t), podendo ter prolongamento “par” ou “ímpar”. Exemplo : Determinar os desenvolvimentos de meio período da função : onde, integrando por partes e ( ( , , ,... para quando . E a série : Representa o prolongamento par de meio período, isto é, Já , onde integrando por partes Os termos em coseno se desaparecem e tem-se: . Que representa o prolongamento ímpar de meio período, isto é , Determinação dos Coeficientes de e de Fourier sem Integração Seja uma função que possui período e que pode ser representado por polinômios, por trechos, no intervalo , ou seja: para para para Os coeficientes de Fourier podem ser determinados como segue : Integrando por partes, tem-se : onde, Reunindo os termos em função dos senos, tem-se : Devido à periodicidade tem-se que : e . Assim, o primeiro e o último termos podem ser combinados, isto é, Denominando as diferenças e . Tem-se, . Aplicando o mesmo processo às integrais no segundo membro, obtém-se : , onde são as diferenças entre os derivados polinômios. Prossegue-se desta forma até os derivados dos polinômios se anularem, pois, o derivador de ordem “(r+1)” de um polinômio de grau “r” é identicamente nula, atingindo-se um ponto no qual não existem mais integrais, e os coeficientes de Fourier são dados por : A série da forma de onda dente de serra mostrada na figura 1, além do termo constante, contem apenas termos em seno. Outras formas de onda conterão apenas termos em cosseno e, às vezes, existem apenas harmônicas ímpares. Isso resulta de certos tipos de simetria associados à forma de onda. O conhecimento dessa simetria acarreta simplificação nos cálculos para a determinação da série. Fig. 1, onda dente de serra = . a) FUNÇÃO PAR: Uma função f(x) diz-se par se f(x) = f(-x) O cosseno é uma função par. A soma de duas ou mais funções pares é uma função par e a adição de uma constante mantém a natureza par da função. O produto de duas funções pares é uma função par. O produto de uma função par por uma função ímpar é uma função par. Na figura 2, as forma de onda representam funções pares. Observe a simetria em relação ao eixo vertical: Fig. 2, Funções pares. b) FUNÇÃO ÍMPAR: Uma função f(x) diz-se ímpar se f(x) = - f(-x). O seno é uma função ímpar. A soma de duas ou mais funções ímpares é uma função ímpar, porém a adição de uma constante elimina a natureza ímpar da função. O produto de duas funções ímpares é uma função par. O produto de uma função ímpar por uma função par é uma função par. Na figura 3, as formas de onda representam funções ímpares: Fig. 3, Funções ímpares. Quando o tipo de simetria de uma onda é determinado, chega-se às seguintes conclusões: I) Se a forma de onda é par, todos os termos da série correspondente são cossenoidais, além de, possivelmente, uma constante, caso a forma de onda possua um valor médio. Portanto, não há necessidade de calcularem-se as integrais para o coeficiente , pois não podem existir termos em seno, ou seja: a série de Fourier para f(x) definida no intervalo [- T,T], será periódica de período P = 2.T desenvolvida por: , onde os coeficientes de Fourier, são determinados por: ou . II) se é ímpar, a série contém, apenas, termos em seno. A onda pode ser ímpar somente depois de eliminado o termo constante, caso em que sua representação conterá apenas essa constante e uma série de termos senoidais. Caso a onda possua simetria de meia-onda, existem apenas harmônicos ímpares. A figura 4 mostra exemplos de sinais com simetria de meia-onda. Note que f(x)=-f(x+T/2): Fig. 4, Formas de onda com simetria de meia-onda. Salvo na hipótese em que a função seja também par ou ímpar, a série conterá termos em seno e em cosseno; em qualquer caso, e são nulos para n = 2, 4, 6, ... em toda forma de onda que possua simetria de meia-onda. Determinadas formas de ondas podem ser pares ou ímpares, dependendo da localização do eixo vertical. A onda quadrada da fig. 5.a satisfaz a condição de função par, isto é f(x) = f(-x). Um deslocamento do eixo vertical para a posição indicada na fig. 5.b resulta numa função ímpar, onde f(x) =-f(-x). Se o eixo vertical estiver situado em qualquer outro ponto que não os indicados na fig. 5, a onda quadrada não será nem par nem ímpar e sua série conterá termos em seno e cosseno, ou seja: a série de Fourier para f(x) definida no intervalo [- T,T], será periódica de período P = 2.T e senoidal, se desenvolvida por: , onde os coeficientes de Fourier, são determinados por: ou . Assim, na análise de funções periódicas, desde que a forma da onda o permita, o eixo vertical deve ser convenientemente escolhido, de modo a acarretar uma função par ou uma função ímpar. Exemplos: Ex. 1) ONDA DENTE DE SERRA: tem série de Fourier senoidal: f(t) = �� EMBED Equation.DSMT4 . Note que esta onda é ímpar, mas não tem simetria de meia-onda, ou seja, contem todos termos em seno. O valor médio é zero. Ex.2) ONDA QUADRADA: tem série de Fourier senoidal: f(t) = �� EMBED Equation.DSMT4 . Note que esta onda quadrada é ímpar e tem simetria de meia-onda, ou seja, contem apenas termos ímpares em seno. O valor médio é zero. Resumo - Série de Fourier I) Série de Fourier para f(x) definidano intervalo simétrico [-(,(]. Seja f(x) = f(x+2(), uma função integrável, definida sobre o intervalo [-(,(] e n (N. A Série de Fourier de f(x) é a série trigonométrica, com período P = 2(, dada por: , onde ao, an e bn são os coeficientes de Fourier obtidos por: ao = , an = , bn = II) Série de Fourier generalizada, para f(x) definida num intervalo qualquer [a,b], será periódica de período , se desenvolvida por: f(x)= , onde ao, an e bn são os coeficientes de Fourier obtidos por: ao = , an = , bn = III) Série de Fourier para f(x) definida no intervalo simétrico [- T,T]. Para uma função f(x) definida no intervalo de (-T a T), será periódica de período P = 2T que podemos re-escrever como: f(x)= , onde ao, an e bn são os coeficientes de Fourier obtidos por: ao = , an = , bn = Série de Fourier de Função Par e Função Ímpar, definidas em intervalo simétrico: IV-a) A série de Fourier para f(x) PAR definida no intervalo simétrico [- T,T], será periódica de período P = 2.T, com termos somente cossenoidal, se desenvolvida por: f(x)= terá bn = , ao = , ou IV-b) A série de Fourier para f(x) ÍMPAR,definida no intervalo simétrico [- T,T], será periódica de período P = 2.T e com termos somente senoidal, se desenvolvida por: f(x)= terá ao = , an = 0 ou Exemplos: 1) ONDA DENTE DE SERRA: tem série de Fourier senoidal: f(t) = �� EMBED Equation.DSMT4 Note que esta onda é ímpar, mas não tem simetria de meia-onda, ou seja, contem todos termos em seno. O valor médio é zero. 2) ONDA QUADRADA tem série de Fourier senoidal: f(t) = �� EMBED Equation.DSMT4 . Note que esta onda quadrada é ímpar e tem simetria de meia-onda, ou seja, contem apenas termos ímpares em seno. O valor médio é zero. � Objetivo da seção: O aluno deverá reconhecer os conceitos introdutórios de Transformada de Laplace. A transformação de Laplace consiste em três etapas: A equação diferencial, no espaço real , é transformada em uma equação algébrica, no espaço complexo conjugado , denominada equação subsidiária, através das transformadas de Laplace. A equação subsidiária, no plano complexo conjugado, é resolvida por métodos puramente algébricos. A solução da equação subsidiária, no plano complexo conjugado, é transformada, através das transformadas inversas de Laplace em uma resultado pertencente ao espaço real . Transformada de Laplace Seja uma função definida para todo , então se for multiplicada por e integrado, de a , em relação ao , então se a integral existe tem-se que é a Transformada de Laplace, isto é, , ou seja, a Transformada de Laplace é dada pela função no plano complexo conjugado. Exemplo: Dê a Transformada de Laplace de . Resposta: . Exercício: Encontre a Transformada de Laplace da função . Resposta: . Exercício: Dê a Inversa da Transformada de Laplace de . Resposta:. Teorema da Linearidade A transformada de Laplace é uma operação linear, isto é, para quaisquer funções e cujas transformadas de Laplace existam e quaisquer constantes e tem-se , onde e são constantes. Exemplo: Usando o Teorema da Linearidade encontre a Transformada de Laplace de . Resposta: . Exercício: Usando o Teorema da Linearidade encontre a Transformada de Laplace de . Exercício: Usando o Teorema da Linearidade encontre a Transformada de Laplace de . Teorema do deslocamento Se quando , segue-se que para ; isto é, a substituição de por na transformada corresponde à multiplicação da função original por . Exemplo: Usando o Teorema do Deslocamento encontre a Transformada de Laplace de para . Resposta: . Exercício: Usando o Teorema do Deslocamento encontre a Transformada de Laplace de para . Resposta: . Teorema da derivada Supondo que seja contínua para , satisfaça e possua uma derivada contínua em intervalos sobre qualquer intervalo finito situado em . Então, a transformada de Laplace da derivada existe, quando , e quando , a derivada de segunda ordem será: , a derivada de terceira ordem será: , etc. Exemplo do Teorema da derivada: Seja , determinar . Então , e assim , como , obtém-se . Por tanto, , , donde . Teorema da Integração Se é contínua em intervalos e satisfaz à condição para qualquer , para determinados e , então Donde , isto é, Exemplo: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale , da tabela tem-se Solução: Aplicando-se o teorema da integral segue-se que: , e resolvendo a integral por partes, tem-se , Por tanto, tem-se: e finalmente, , ou seja, Resposta: . Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale . Solução: Aplicando-se o teorema da integral segue-se que: Resposta: A transformada de Laplace transforma equações diferenciais e integrais do espaço real, em equações algébricas no plano complexo, onde elas podem ser resolvidas algebricamente, para depois retonar o resultado ao plano real através da transformada de Laplace inversa. Transformação de Laplace Se é contínua em intervalos e satisfaz à condição para qualquer, para determinados e, então Tabela das Principais Transformadas � Exercícios 1o Exercício: Determinar os zeros e pontos singulares da função . 2o Exercício: Usando o Teorema da Linearidade encontre a Transformada de Laplace de . 3o Exercício: Usando o Teorema do Deslocamento encontre a Transformada de Laplace de para . 4o Exercício: Empregando o teorema da linearidade a transformada de . Resposta: Teorema da derivada Teorema da derivada: Supondo que seja contínua para , satisfaça e possua uma derivada contínua em intervalos sobre qualquer intervalo finito situado em . Então, a transformada de Laplace da derivada existe, quando , e quando , a derivada de segunda ordem será: , a derivada de terceira ordem será: , etc. Exemplo: Seja , determinar . Então , e como, , da , obtém-se , donde . Exemplo: Seja , determinar . Então , e assim , como , obtém-se . Por tanto, , Observação: Obtenção de , também usando ao teorema da derivada: , e , , , , donde . Exercício: Usando o Teorema da Derivada encontre a Transformada de Laplace de . Solução: Usando o Teorema da derivada, isto é, A derivada de primeira ordem é: , e a derivada de segunda ordem é: , faz-se �� EMBED Equation.2 , �� EMBED Equation.2 e da , obtém-se , donde Resposta: . Objetivo da seção: O aluno deverá reconhecer os conceitos do teorema da derivada e da integração para encontrar a Transformada de Laplace. Teorema da derivada Supondo que seja contínua para , satisfaça e possua uma derivada contínua em intervalos sobre qualquer intervalo finito situado em . Então, a transformada de Laplace da derivada existe, quando , e quando , a derivada de segunda ordemserá: , a derivada de terceira ordem será: , etc. Exemplo: Seja , determinar . Então , e como, , da , obtém-se , donde . Exemplo: Seja , determinar . Então , e assim , como , obtém-se . Por tanto, , Observação: Obtenção de , também usando ao teorema da derivada: , e , , , , donde . Exercício: Usando o Teorema da Derivada encontre a Transformada de Laplace de . Solução: Usando o Teorema da derivada, isto é, A derivada de primeira ordem é: , e a derivada de segunda ordem é: , faz-se �� EMBED Equation.2 , �� EMBED Equation.2 e da , obtém-se , donde Resposta: . Transformada Inversa de Laplace Seja uma função definida no plano complexo conjugado então a função é a função primitiva, no espaço real , que teria gera a função no plano complexo conjugado, então as quais deve-se obter em tabelas onde constam as Transformas de Laplace e suas inversas ou primitivas . Exemplo: Seja , para obter-se a sua inversa deve se obter a transformada da primitiva, o que normalmente é feito através de tabelas, ou então, , donde Exercícios 1o Exercício: Usando o Teorema da Derivada encontre a Transformada de Laplace de . 2o Exercício: Usando o Teorema da Derivada encontre a Transformada de Laplace de . Se é contínua em intervalos e satisfaz à condição para qualquer , para determinados e , então Supondo que seja contínua em intervalos e satisfaz à condição para qualquer , para determinados e . Então a integral é contínua e empregando , obtém-se: E como, , exceto nos pontos descontínuos de . Donde, é contínua em intervalos sobre qualquer intervalo finito e, de acordo com os Teoremas da Linearidade e da Derivada, tem-se: . Evidentemente, , já que , e por tanto, , ou seja, donde , isto é, Exemplo: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale , da tabela tem-se . Solução: Aplicando-se o teorema da integral a primeira vez, segue-se que: , Aplicando-se novamente o teorema da integral segue-se que: , e finalmente, , ou seja, Resposta: . Exemplo: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale , da tabela tem-se Solução: Aplicando-se o teorema da integral segue-se que: , e , resolvendo a integral por partes, tem-se ��EMBED Equation.3��EMBED Equation.3, Portanto, tem-se: e finalmente, , ou seja, Resposta: . Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale . Solução: Aplicando-se o teorema da integral segue-se que: Resposta: Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale . Solução: Aplicando-se o teorema da integral a primeira vez, segue-se que: Aplicando-se novamente o teorema da integral segue-se que: Resposta: Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale . Solução: Aplicando-se o teorema da integral segue-se que: Resposta: Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale . Solução: Aplicando-se o teorema da integral a primeira vez, segue-se que: Aplicando-se novamente o teorema da integral segue-se que: e finalmente: , Resposta: Exercícios 1o Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale 2o Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale 3o Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale . 4o Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale , da tabela tem-se . 5o Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale , da tabela tem-se . � Objetivo da seção: O aluno deverá reconhecer os conceitos do Teorema da Integração e o método das frações parciais para resolução de exercícios de Transformada de Laplace. Método das frações parciais Fator Complexo não Repetido Quando um fator é complexo conjugado, isto é, faz-se: donde e a transformada inversa de Laplace será dada por , onde são obtidos como segue: para Exemplo: Determinar as oscilações livres amortecidas que correspondem ao problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para obter a equação subsidiária, obtém-se: . Assim, e onde são obtidos por: , isto é, donde, , e finalmente tem-se: . Exercício: Determinar as oscilações livres amortecidas que correspondem ao problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para obter a equação subsidiária, obtém-se: . Assim, e onde são obtidos por: , isto é, donde, , e finalmente tem-se: . Transformação de equações diferenciais ordinárias As equações lineares ordinárias com coeficientes constantes podem ser reduzidas a equações algébricas, onde a incógnita é a transformada. Considerando-se por exemplo a equação onde e são dados. Aplicando a transformada de Laplace e empregando o teorema da derivada, obtém-se onde é a transformada de Laplace da função incógnita e é a transformada de Laplace de . Esta equação algébrica é denominada equação subsidiária da equação diferencial dada. E sua solução será . Note-se que fica completamente determinado para e . A última etapa do processo consiste em determinar a inversa , que então será a solução procurada. Exemplo: Empregando a transformada de Laplace resolver o seguinte problema de valor inicial : . Exercício: Empregando a transformada de Laplace resolver o seguinte problema de valor inicial : . Exercício: Empregando a transformada de Laplace resolver o seguinte problema de valor inicial : . Exemplo: Problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para as derivadas de segunda e de primeira ordem têm-se: . Onde, pelo fato de haver , isto é, um fator repetido, isto é, faz-se , isto é, Exercícios 1o Exercício: Dê a Transformada Inversa da Transformada de Laplace empregando o método de frações parciais de . 2o Exercício: Empregando a transformada de Laplace resolver o seguinte problema de valor inicial: . 3o Exercício: Empregando a transformada de Laplace resolver o seguinte problema de valor inicial: . Exemplo: Seja uma transformada de Laplace, determinar a sua transformada inversa . O denominador possui três raízes, ou fatores lineares distintos, assim , donde Resolvido este sistema de três equações a três incógnitas, obtém-se , donde Exercício: Dê a Transformada Inversa da Transformada de Laplace empregando o método de frações parciais de . Em muitos casos de resolução de equações diferenciais,a equação subsidiária de uma equação diferencial será da forma , onde e são polinômios em . Casos nos quais é possível determinar exprimindo em termos de frações parciais, onde e não possuem fatores em comum, possuem coeficientes reais e o grau de é menor que o grau de . Seja uma raiz . Então, a transformada inversa da fração (ou frações) parcial que corresponde a na representação de em termos de frações parciais, são obtidas como segue: Fator não repetido Neste caso onde indica a soma das frações parciais que correspondem a todos o fatores lineares (repetidos ou não) de que não estão sendo levados em conta. E a transformada inversa é onde é dado por uma das duas expressões ou e é a função que resta após a remoção do fator de em , isto é, O índice inferior em acentua o fato de que depende apenas de e ao ser modificado passa-se de um fator linear para outro. Exemplo: determinar a transformada inversa de , resolvendo , isto é, , o denominador passa para três fatores distintos , correspondentes às raízes , e . Assim, , e Assim, três incógnitas podem ser encontradas diretamente, ou seja, Assim, a transformada inversa será: . Exercício: determinar a transformada inversa de , resolvendo , isto é, , o denominador passa para dois fatores distintos , correspondentes às raízes e . Assim, , e Assim, três incógnitas podem ser encontradas diretamente, ou seja, Assim, a transformada inversa será: . Fator Repetido Quando um fator é repetido vezes, isto é, faz-se: a transformada inversa será onde é dado pela expressão: onde , neste caso, é a função que resta após a remoção dos fatores de em , isto é, . Exercício: Problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para as derivadas de segunda e de primeira ordem têm-se: . Onde, pelo fato de haver , isto é, um fator repetido, isto é, faz-se , isto é, Fator Complexo não Repetido Quando um fator é complexo conjugado, isto é, faz-se: donde e a transformada inversa de Laplace será dada por , onde são obtidos como segue: para Exemplo: Determinar as oscilações livres amortecidas que correspondem ao problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para obter a equação subsidiária, obtém-se: . Assim, e onde são obtidos por: , isto é, donde, , e finalmente tem-se: . Exercício: Determinar as oscilações livres amortecidas que correspondem ao problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para obter a equação subsidiária, obtém-se: . Assim, E onde são obtidos por: , isto é, donde, , e finalmente tem-se: . � Objetivo da seção: O aluno deverá identificar métodos de resolução de equações diferenciais, através da solução de exercícios práticos. Em muitos casos de resolução de equações diferenciais, a equação subsidiária de uma equação diferencial será da forma , onde e são polinômios em . Casos nos quais é possível determinar exprimindo em termos de frações parciais, onde e não possuem fatores em comum, possuem coeficientes reais e o grau de é menor que o grau de . Seja uma raiz . Então, a transformada inversa da fração (ou frações) parcial que corresponde a na representação de em termos de frações parciais, são obtidas como segue: Fator não repetido s-a: Neste caso onde indica a soma das frações parciais que correspondem a todos o fatores lineares (repetidos ou não) de que não estão sendo levados em conta. E a transformada inversa é onde é dado por uma das duas expressões ou e é a função que resta após a remoção do fator de em , isto é, O índice inferior em acentua o fato de que depende apenas de e ao ser modificado passa-se de um fator linear para outro. Exemplo: determinar a transformada inversa de , resolvendo , isto é, , o denominador passa para três fatores distintos , correspondentes às raízes , e . Assim, , e Assim, três incógnitas podem ser encontradas diretamente, ou seja, Assim, a transformada inversa será: . Exercício: determinar a transformada inversa de , resolvendo , isto é, , o denominador passa para dois fatores distintos , correspondentes às raízes e . Assim, , e Assim, três incógnitas podem ser encontradas diretamente, ou seja, Assim, a transformada inversa será: . Fator Repetido Quando um fator é repetido vezes, isto é, faz-se: a transformada inversa será onde é dado pela expressão: onde , neste caso, é a função que resta após a remoção dos fatores de em , isto é, . Exemplo: Problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para as derivadas de segunda e de primeira ordem têm-se: . Onde, pelo fato de haver , isto é, um fator repetido, isto é, faz-se , isto é, Exercício: Problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para as derivadas de segunda e de primeira ordem têm-se: . Onde, pelo fato de haver , isto é, um fator repetido, isto é, faz-se , isto é, Fator Complexo s-a não Repetido Quando um fator é complexo conjugado, isto é, faz-se: donde e a transformada inversa de Laplace será dada por , onde são obtidos como segue: para Exemplo: Determinar as oscilações livres amortecidas que correspondem ao problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para obter a equação subsidiária, obtém-se: . Assim, e onde são obtidos por: , isto é, donde, , e finalmente tem-se: . Exercício: Determinar as oscilações livres amortecidas que correspondem ao problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para obter a equação subsidiária, obtém-se: . Assim, e onde são obtidos por: , isto é, donde, , e finalmente tem-se: . Exercício: Determinar as oscilações forçadas e a ressonância que correspondem ao problema de valor inicial (vide Figura) A equação que governa oscilações forçadas de um corpo de massa “ ” ligado à extremidade inferior de uma mola elástica, de coeficiente de elasticidade “ ”, cuja extremidade superior está fixa, e é a força aplicada. Fazendo, e a equação diferencial pode ser rescrita, como segue: Transformação de Laplace (Resumo) A transformação de Laplace consiste em três etapas: A equação diferencial, no espaço real , é transformada em uma equação algébrica, no espaço complexo conjugado , denominada equação subsidiária, através das transformadas de Laplace. A equação subsidiária,no plano complexo conjugado, é resolvida por métodos puramente algébricos. A solução da equação subsidiária, no plano complexo conjugado, é transformada, através das transformadas inversas de Laplace em uma resultado pertencente ao espaço real . Transformada de Laplace: Seja uma função definida para todo , então se for multiplicada por e integrado, de a , em relação ao , então se a integral existe tem-se que é a Transformada de Laplace, isto é, , ou seja, a Transformada de Laplace é dada pela função no plano complexo conjugado. Exemplo: Dê a Transformada de Laplace de . Resposta: . Exercício: Encontre a Transformada de Laplace da função . Resposta: . Exercício: Dê a Inversa da Transformada de Laplace de . Resposta:. Teorema da Linearidade A transformada de Laplace é uma operação linear, isto é, para quaisquer funções e cujas transformadas de Laplace existam e quaisquer constantes e tem-se , onde e são constantes. Exemplo: Usando o Teorema da Linearidade encontre a Transformada de Laplace de . Resposta: . Exercício: Usando o Teorema da Linearidade encontre a Transformada de Laplace de . Exercício: Usando o Teorema da Linearidade encontre a Transformada de Laplace de . Teorema do deslocamento Se quando , segue-se que para ; isto é, a substituição de por na transformada corresponde à multiplicação da função original por . Exemplo: Usando o Teorema do Deslocamento encontre a Transformada de Laplace de para . Resposta: . Exercício: Usando o Teorema do Deslocamento encontre a Transformada de Laplace de para . Resposta: . Teorema da derivada Supondo que seja contínua para , satisfaça e possua uma derivada contínua em intervalos sobre qualquer intervalo finito situado em . Então, a transformada de Laplace da derivada existe, quando , e quando , a derivada de segunda ordem será: , a derivada de terceira ordem será: , etc. Exemplo do Teorema da derivada: Seja , determinar . Então , e assim , como , obtém-se . Por tanto, , , donde . Teorema da Integração Se é contínua em intervalos e satisfaz à condição para qualquer , para determinados e , então donde , isto é, Exemplo: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale , da tabela tem-se Solução: Aplicando-se o teorema da integral segue-se que: , e resolvendo a integral por partes, tem-se , Por tanto, tem-se: e finalmente, , ou seja, Resposta: . Exercício: Usando o teorema da integral determinar quando a Transformada de Laplace vale . Solução: Aplicando-se o teorema da integral segue-se que: Resposta: Método das frações parciais Exemplo: Seja uma transformada de Laplace, determinar a sua transformada inversa . O denominador possui três raízes, ou fatores lineares distintos, assim , donde Resolvido este sistema de três equações a três incógnitas, obtém-se , donde � Fator não repetido s-a: Neste caso onde indica a soma das frações parciais que correspondem a todos o fatores lineares (repetidos ou não) de que não estão sendo levados em conta. E a transformada inversa é onde é dado por uma das duas expressões ou e é a função que resta após a remoção do fator de em , isto é, O índice inferior em acentua o fato de que depende apenas de e ao ser modificado passa-se de um fator linear para outro. Exemplo: determinar a transformada inversa de , resolvendo , isto é, , o denominador passa para três fatores distintos , correspondentes às raízes , e . Assim, , e Assim, três incógnitas podem ser encontradas diretamente, ou seja, Neste caso onde indica a soma das frações parciais que correspondem a todos o fatores lineares (repetidos ou não) de que não estão sendo levados em conta. E a transformada inversa é onde é dado por uma das duas expressões ou e é a função que resta após a remoção do fator de em , isto é, O índice inferior em acentua o fato de que depende apenas de e ao ser modificado passa-se de um fator linear para outro. Exemplo: determinar a transformada inversa de , resolvendo , isto é, , o denominador passa para três fatores distintos , correspondentes às raízes , e . Assim, , e Assim, três incógnitas podem ser encontradas diretamente, ou seja, . Onde, pelo fato de haver , isto é, um fator repetido, isto é, faz-se , isto é, Fator Complexo s-a não Repetido Quando um fator é complexo conjugado, isto é, faz-se: donde e a transformada inversa de Laplace será dada por , onde são obtidos como segue: para Exemplo: Determinar as oscilações livres amortecidas que correspondem ao problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para obter a equação subsidiária, obtém-se: . Assim, e onde são obtidos por: , isto é, donde, , e finalmente tem-se: . Transformação de equações diferenciais ordinárias As equações lineares ordinárias com coeficientes constantes podem ser reduzidas a equações algébricas, onde a incógnita é a transformada. Considerando-se por exemplo a equação onde e são dados. Aplicando a transformada de Laplace e empregando o teorema da derivada, obtém-se onde é a transformada de Laplace da função incógnita e é a transformada de Laplace de . Esta equação algébrica é denominada equação subsidiária da equação diferencial dada. E sua solução será . Note-se que fica completamente determinado para e . A última etapa do processo consiste em determinar a inversa , que então será a solução procurada. Exemplo: Problema de valor inicial Aplicando o teorema da derivada para as derivadas de segunda e de primeira ordem têm-se: . Onde, pelo fato de haver , isto é, um fator repetido, isto é, faz-se , isto é, � Objetivo da seção: O aluno deverá exercitar todos os conceitos adquiridos nas seções anteriores. 1) Calcule L{f(t)}, sendo: a) f(t) = 4t3 + 5e-3t –6t +5cos(6t) –2 b) f(t) = 5e3t cos(2t) +4sen(5t) – 4e-tsen(4t) 2) Completando primeiro o quadrado, ache a transformada inversa de Laplace das seguintes funções: a) b) c) d) 3) Use o método de frações parciais para decompor as funções e encontre as Transformadas Inversas de Laplace em cada função: a) b) � 4) Calcule a L-1{F(s)}, sendo: a) F(s) = b) F(s) = c) F(s) = d) F(s) = e) F(s) = f) F(s) = g) F(s) = 5) Resolva as seguintes equações diferenciais: , Resp.: , Resp.: , Resp.: ,Resp.: , e Resp.: , Resp.: � Objetivo da seção: O aluno deverá identificar as transformadas de Laplace. Transformada de Laplace - Definição: L{ } = Tabela das Transformadas de Laplace: f(t) F(s) L{ } 1-a 0 0 b k c 1 d t e f g h 2.a b 3 4 5 6 7.a b c d e f g h i j 8 9 10.a x(t) X(s) b s X(s) – x(0) c d Seção 01 -2( Matemática Aplicada Prof. Peterson Ricardo Rodrigues -( 2( ( 1 -1 f(x) 2( x a b Onda quadrada até o 5º termo � � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� � EMBED Equation.3 ��� Seções 02 e 03 � � � � Seção 04 � EMBED Equation.3 ��� (� EMBED Equation.3 ��� variável real)� � EMBED Equation.3 ��� (� EMBED Equation.3 ��� variável complexa)� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���(� EMBED Equation.3 ��� real)� � EMBED Equation.3 ���� � � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � � EMBED Equation.3 ��� (� EMBED Equation.3 ��� inteiro positivo)� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � � EMBED Equation.3 ��� (� EMBED Equation.3 ��� real positivo)� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � EMBED Equation.3 ���� � Seção 05 Seção 06 Seções 07 e 08 � � Exercícios extras Tabela das Transformadas de Laplace � _1097316177.unknown _1318253649.unknown _1319597528.unknown _1319947003.unknown _1320408553.unknown _1322183155.unknown _1322186456.unknown _1348492090.unknown _1348492179.unknown _1348492501.unknown _1348492537.unknown _1348492105.unknown _1348491698.unknown _1348491748.unknown _1322187706.unknown _1322187858.unknown _1322188037.unknown 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