Análise Matemática IV

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Mauro Pedro Valente Beretta
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1 Análie Maemáica IV Problema para a Aula Práica Semana. Calcule a ranformada de Laplace e a regiõe de convergência da funçõe definida em 0 pela expreõe eguine: a f = cha b f = ena Reolução: a Aendendo a que c f = e a cob d f = en cha = ea + e a 2 e à linearidade da Tranformada de Laplace, em-e Vio e em-e que L{cha} = L{ ea + e a } = 2 2 = 2 a + = + a L{e a } = a L{e a } = + a L{cha} = b Aendendo a que para n N e e, > 0 L{e a } + L{e a } 2 a 2 Re > a Re > a 2 a 2 e Re > a em-e que Vio em-e d n d n L{f} = n L{ n f} L{ ena} = d d L{ena} = d a d 2 + a = 2 L{ena} = L{ ena} = 2 + a 2 e Re > 0 2a 2 + a 2 2 e Re > 0 2a 2 + a 2 2

e a cob d f = en cha = ea + e a 2 e à linearidade da Tranformada de Laplace, em-e Vio e em-e que L{cha} = L{ ea + e a } = 2 2 = 2 a + = + a L{e a } = a L{e

2 Análie Maemáica IV 2 c Aendendo a que em-e que L{e a f} = L{f} a L{e a cob} = L{cob} a = válido para Re a > 0, ou eja, Re > a. d Vio não e coneguir calcular, por primiivação, o inegral { en } L = 0 en e d a a 2 + b 2 eremo que uilizar uma da propriedade da Tranformada de Laplace. Aim endo, noe-e que d L d { en, inegrando em } { = L en } = L{en } = 2 + { en } L = arcg + c Para calcular o valor conane, conideramo a equação anerior no cao epecial = 0: É conhecido que c = π 2 e 0 en en d = c d = π { en } L = arcg + π 2 2. Calcule a invera da Tranformada de Laplace de a 2 2 b Reolução: c d + 4 a Para calcular a invera da Tranformada de Laplace, vamo eparar a função em fracçõe imple, io é 2 = = A 2 + B + C Calculando a conane, em-e enão que 2 = D + 2

Aim endo, noe-e que d L d { en, inegrando em } { = L en } = L{en } = 2 + { en } L = arcg + c Para calcular o valor conane, conideramo a equação anerior no cao epecial = 0: É conhecido que c = π 2 e 0

3 Análie Maemáica IV 3 É óbvio que Por ouro lado, vio = L{e } 2 = d d e + = L{e } = d d L{e } mai uma vez por aplicação da propriedade, eremo e de modo análogo e conclui que Finalmene b Noe-e que 2 = L{e } + 2 = L{e } 2 = { 2 4 L e + e + e + e } L = e + e + e + e = 0 2 = 9 ou 2 = = = A + B C + D Calculando a conane, em-e enão que = = 3 L{en } L{en 3} L 6 = en en 3 4 c Mai uma vez eparando em fraçõe imple = = = 3L{e 2 } + 2L{e 3 } d Noe-e que + 4 = 3 + L = e2 + 2e 3 = 6 d d + 3 d 3 d 3 + = 3 2 = 6 d 2 d d 3 L{e } d 3

+ + C + D 2 + 9 Calculando a conane, em-e enão que 6 4 + 0 2 + 9 = 3 4 2 + = 3 L{en } 2 + 9 4 3 L{en 3} L 6 = 3 4 + 0 2 + 9 4 en en 3 4 c Mai uma vez eparando em

4 Análie Maemáica IV 4 e por aplicação de Enão + 4 = 6 3 L{ 3 e } L = e 3. Uilizando a Tranformada de Laplace reolva o eguine problema de valor inicial: a y y 6y = 0, y0 =, y 0 = b y + ω 2 y = co2, ω 2 0, y0 =, y 0 = 0 c y + 2y + 2y = h, y0 = 0, y 0 = endo { e π < 2π h = 0 e 0 < π e 2π Reolução: a Para a reolução do problema de valor inicial, iremo uilizar a propriedade que em como conequência imediaa L{f } = f0 + L{f} 2 L{f } = f 0 f0 + 2 L{f} Aplicando a Tranformada de Laplace a ambo o membro da equação, uilizando 2 e denoando Y = L{y}, obem-e y 0 y0 + 2 Y y0 + Y 6Y = 0 2 6Y + 2 = 0 onde uilizámo o faco de y0 = y 0 =. Enão Y = = = 4L{e 2 } + L{e 3 } 3 5 a olução do PVI é y = 4e 2 + e 3 5 b Aplicando a Tranformada de Laplace a ambo o membro da equação, uilizando 2 e denoando Y = L{y}, obém-e y 0 y0 + 2 Y + ω 2 Y = onde uilizámo o faco de y0 = e y 0 = 0. Enão Y = ω 2 Y = ω ω H + H 2 2 S Não há dúvida que H 2 = L{co ω}

e 0 < π e 2π Reolução: a Para a reolução do problema de valor inicial, iremo uilizar a propriedade que em como conequência imediaa L{f } = f0 + L{f} 2 L{f } = f 0 f0 + 2 L{f} Aplicando a Tranformada

5 Análie Maemáica IV 5 Relaivamene a H, é fundamenal noar que o reulado depende do valor de ω. Se ω 2 4 enão, decompondo H em fracçõe imple: H = ω ω 2 Aim: H = { } L{co 2} L{co ω} = L co 2 co ω ω 2 4 ω 2 4 Logo, a olução do PVI no cao ω 2 4 ou eja, ω 2 e ω 2 é: Se ω = 2 ou ω = 2, enão: H = y = co ω + co 2 co ω ω = 2 e mai uma vez por aplicação de, em-e Finalmene a olução do PVI nee cao é: Nee cao ocorre reonância. d = d H = 4 L{ en 2} y = en 2 + co 2 4 d d 2 L{en 2} c Aplicando a Tranformada de Laplace a ambo o membro da equação, uilizando 2 e denoando Y = L{y}, obem-e y 0 y0 + 2 Y + 2 y0 + Y + 2Y = e π e 2π Y = e π e 2π onde uilizámo o faco de y0 = 0 e y 0 =. Enão Y = e π e 2π H + H 2 S + H 3 Para calcular a Tranformada de Laplace invera de H 3 poderemo uilizar um do doi méodo eguine:

enão: H = y = co ω + co 2 co ω ω 2 4 2 + 4 2 = 2 e mai uma vez por aplicação de, em-e Finalmene a olução do PVI nee cao é: Nee cao ocorre reonância.

6 Análie Maemáica IV 6 i Noe-e que endo Uilizando a propriedade podemo concluir ii Aendendo a que H 3 = H = 2 + podemo eparar em fraçõe imple = H + = L{en } L{e a f} = L{f} + a 3 H 3 = L{en } + = L{e en } = 0 = + i ou = i = A + i + B i = 2i + i i = L{e +i } L{e i } 2i = 2i L{e e i e i } = L{e en } Por ouro lado, para calcular a invera da Tranformada de Laplace de H e H 2 podemo uilizar a propriedade: L{H af a} = e a L{f} 4 Noe-e que = onde uilizámo a propriedade 3. Enão: = 2 L{} 2 L{e co } L{e en } H = e π L{ 2 2 e co e en } = L{H π 2 2 e π co π e π en π }

i } = L{e en } Por ouro lado, para calcular a invera da Tranformada de Laplace de H e H 2 podemo uilizar a propriedade: L{H af a} = e a L{f} 4 Noe-e que

7 Análie Maemáica IV 7 onde uilzámo a propriedade 4. De igual modo e mora que H 2 = e 2π = e 2π = e 2π L{ 2 2 e co e en } = L{H 2π 2 2 e 2π co 2π e 2π en 2π } Finalmene a olução do PVI é y = H π e π co + e π en H 2π 2 2 e 2π co e 2π en + e en 4. Deigna-e por δ a diribuição de Dirac com upore na origem. Uilizando a ranformada de Laplace, reolva o eguine problema de valor inicial: a y + 2y + 2y = δ π, y0 =, y 0 = 0 b y + y = δ π δ 2π, y0 = 0, y 0 = 0 c y + y = δ π co, y0 = 0, y 0 = Reolução: a Aplicando a Tranformada de Laplace a ambo o membro da equação, uilizando 2 e denoando Y = L{y}, obem-e y 0 y0 + 2 Y + 2 y0 + Y + 2Y = L{δ π} o que é equivalene a Y 2 = e π onde uilizámo o faco de y0 =, y 0 = 0 e L{δ 0 } = e 0, 0 > 0 Enão 2 + Y = e π H + H 2 S Por méodo análogo ao uilizado na alínea c do problema 3: H = Uilizando a propriedade 4: = L{e co + e en } H 2 S = e π L{e en } = L{H πe π en π} = L{ H πe π en }

2 e 2π co e 2π en + e en 4. Deigna-e por δ a diribuição de Dirac com upore na origem.

8 Análie Maemáica IV 8 Finalmene a olução do PVI é y = e co + en H πe π en b Aplicando a Tranformada de Laplace a ambo o membro da equação, uilizando 2 e denoando Y = L{y}, obem-e o que é equivalene a y 0 y0 + 2 Y + Y = L{δ π δ 2π} 2 + Y = e π e 2π onde uilizámo o faco de y0 = 0, y 0 = 0 e L{δ 0 } = e 0, 0 > 0 Enão Y = e π 2 + e 2π 2 + H + H 2 S, ulizando a propriedade 4 e H = e π L{en } = L{H π en π} H 2 = e 2π L{en } = L{H 2π en 2π} Finalmene a olução do PVI é y = H π en H 2π en c Aplicando a Tranformada de Laplace a ambo o membro da equação, uilizando 2 e denoando Y = L{y}, obem-e o que é equivalene a y 0 y0 + 2 Y + Y = L{δ π co } 2 + Y = e π onde uilizámo o faco de y0 = 0, y 0 = e Enão Finalmene, a olução do PVI é δ 0 f d = f 0 Y = 2 + e π 2 + = L{en } e π L{en } = L{en } L{H π en π} y = en + H π en

en π} H 2 = e 2π L{en } = L{H 2π en 2π} Finalmene a olução do PVI é y = H π en H 2π en c Aplicando a Tranformada de Laplace a ambo o membro da equação, uilizando 2 e denoando Y = L{y}, obem-e o que é

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