ejercicios resuelstos transformada inversa

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  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    1/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 1

    Ejercicios de Transformada inversa de Laplace

    Encontrar la Transformada inversa de Laplace de las siguientes funciones:

    E-1.2

    2

    1

     s F s

     s s

    +=

    −( )

    ( ),

    a) 1ª forma: Observamos que:2

    1 1

     s F s

     s s s

    +=

    + −( )

    ( )( ), el denominador B( s) posee 3 raíces distintas

    que son: s1 = 0, s2 = −1 y s3 = 1. Por lo tanto, la descomposición en fracciones parciales (DFP) será:

    31 2

    1 1

     K  K K  F s

     s s s= + +

    + −( )

    ( ) ( ), Recordando que: ( )

    ( )

    ( )i

    i n i

     s s

     A s K b s s

     B s=

    ⎡ ⎤= −⎢ ⎥

    ⎣ ⎦, y en nuestro caso bn = 1:

    1

     s K   =

      ( )2 s

     s

    +

    0

    21 1

     s s s

    =

    = −+ −( )( )

    ;( )

    2

    1 s K 

    +=

      ( )

    ( )

    2

    1

     s

     s s

    +

    +1

    1

    21 s

     s=−

    =−( )

    ;( )

    3

    1 s K 

    −=

      ( )

    ( )

    2

    1 1

     s

     s s s

    +

    + −( )1

    3

    2 s=

    = ,

    * por lo tanto:

    312 2 2

    1 1 F s  s s s

    = + + ⇒+ −( ) ( ) ( )

    1 3

    2 2 2

    t t 

     f t e e u t −⎛ ⎞

    = − + + ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠( ) ( )  

    b) 2 ª forma: Como:

    31 2

    2

    2

    1 1 1

     K  K K  s F s

     s s s s s

    += = + +

    − + −( )

    ( ) ( ) ( )

    ( ) ( )

    2

    1 2 3

    2

    1 2 3 3 2 1

    1 1

    2 1 1 1

    2

     s s s

     s s K s s K s s K 

     s K K K s K K s K 

    × + −

    + = − + − + +

    + = + + + − −

    ( )( )

    ( ) ( ) ( )  

    Igualando coeficientes de s de igual potencia de ambos miembros de esta última igualdad:

    2

    1 2 3

    2 31

    3

    2

    2

    0

    1

    3 2

    1 3

    12

    23

    2

    02

    11

    2

     s K K K  K K 

     s K K  K K 

     s K 

     K 

     K 

     K 

    ⇒ = + + = +⇒ = − ⇒

    == −   ⇒ ⇒

    = −−   =⇒ =

     

    (A continuación sigue igual que *)

    E-2. 2

    1

    2 2 5

     s s e

     s s

    −−  ⎧ ⎫⋅

    ⎨ ⎬+ +⎩ ⎭

    ℒ ; Se elige: 1 2( ) 2 5

     s F s

     s s=

    + +, tal que { }1 11 12( ) ( )2 5

     s F s f t 

     s s

    − −  ⎧ ⎫= =⎨ ⎬+ +⎩ ⎭

    ℒ ℒ ,

    y luego (por teorema de traslación temporal), será: { }1 2 1 1( ) ( ) ( 2) s f t e F s f t − −= = −ℒ .

    El denominador de F 1( s), (que es el mismo de F ( s) ) tiene las siguientes raíces:

    12

    2

    1 2( ) 2 5 0

    1 2

     s j B s s s

     s j

    = − +⎧= + + = ⇒   ⎨

    = − −⎩, luego, la DFP de F 1( s) será:

    1 21 2( )

    2 5 ( 1 2) ( 1 2)

     K K  s F s

     s s s j s j= = +

    + + + − + +  ( )

    ( ) ( ) ( )

    2

    1 2

    1 2 1 2

    2 5

    ( 1 2) ( 1 2)

    1 2 1 2

     s s

     s K s j K s j

     s K K s K j K j

    × + +

    = + + + + −

    = + + + + −

     

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    2/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 2

    Igualando coeficientes de s de igual potencia en la última identidad:

    ( ) ( )

    1

    1 2

    0

    1 2

    1 (1)

    (2)0 1 2 1 2

     s K K 

     s K j K j

    ⇒ = +   ⎧⇒   ⎨

    ⇒ = + + −   ⎩

    ( ) ( )

    ( )

    1 2 1 2

    1 2 1 2

    de (2): 0 2

    1con (1): 0 1 2

    2

     K K j K K 

     j K K K K j

    ⇒ = + + −

    ⇒ = + − ⇒ − = 

    Por lo tanto:

    ( ) ( )

    1 21 2

    1 21 2

    1 12 1 2 1

    4

    1 12 1 2 11

    (1 )̀ 2 2(1̀ ) (2`) ; (1̀ ) (2`)1

    (2`)2

    4 K j K j

     K j K j K K 

     K K j

    ⎧ ⎧= + = −+ =   ⎪ ⎪⎪

    = + = −

    ⎪+ ⇒ − ⇒⎨ ⎨

    − = ⎪ ⎪⎪ ⎪⎩ ⎩

     

    Luego:

    1

    1 2 1 2 1( )

    4 ( 1 2) ( 1 2)

     j j F s

     s j s j

    ⎡ ⎤+ −= +⎢ ⎥+ − + +⎣ ⎦

     

    { } ( ) ( )

    ( ) ( )

    1 ( 1 2) ( 1 2)

    1 1

    2 2 2 2

    1

    1

    1

    ( ) ( ) 2 1 2 1 ( )4

    1( ) 2 ( )

    4

    1( ) 2 cos 2 sen2

    4

     j t j t 

    t j t j t j t j t  

     f t F s j e j e u t 

     f t e e e j e e u t 

     f t e t j t 

    − − + − −

    − − −

    ⎡ ⎤= = + + − ⋅⎣ ⎦

    ⎡ ⎤= + + − ⋅⎣ ⎦

    = +

    cos 2 sen2t j t + −( ) cos2 j t + sen2 cos 2 j t t + −( )

    ( )1

    sen2 ( )

    1( ) 2cos 2 sen2 ( )

    2

     j t u t 

     f t e t t u t −

    ⎡ ⎤+ ⋅⎣ ⎦

    = − ⋅

     

    Luego: ( ) ( ) ( )1

    ( ) 2cos 2 2 sen2 2 22

    t  f t e t t u t − ⎡ ⎤= − − − ⋅ −⎣ ⎦  

    b) 2 ª forma: Se puede hacer más corto si se completa el cuadrado del binomio en el denominador:

    ( )   ( ) ( )1 2 22 2 2( )

    2 5 2 1 4 1 4 1 2

     s s s s F s

     s s  s s  s s= = = =

    + +   + + +   + + + + 

    ( ) ( )1 2 22 2

    1 1 2( )

    21 2 1 2

     s F s

     s s

    += −

    + + + + 

    De aquí, directo de las tablas, con la aplicación de la traslación compleja, se obtienen:

    { }

    1

    1 1

    1( ) ( ) cos 2 sen2 ( )

    2

    t t  f t F s e t e t u t − − −⎛ ⎞= = − ⋅ ⇒

    ⎜ ⎟⎝ ⎠ℒ

      ( )11

    ( ) 2cos 2 sen2 ( )2

    t  f t e t t u t −= − ⋅  

    Luego, por la propiedad traslación real, se obtiene, 1( ) ( 2) f t f t = − , igual que primera forma.

    Casos de raíces repetidas.

    E-3.( ) ( )

    1

    2

    2

    1 3

     s

     s s s

    − ⎧ ⎫+⎪ ⎪⎨ ⎬

    + +⎪ ⎪⎩ ⎭ℒ , hay dos raíces simples s = 0 ; s = −3 y una raíz repetida (doble) s = −1

    La DFP es:( ) ( ) ( )   ( ) ( )

    31 22 21

    2 2

    2( )

    1 31 3 1

     K  K K K  s F s

     s s s s s s s

    += = + + +

    + ++ + + 

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    3/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 3

    Donde:

    ( ) ( )

    ( )( )

    ( )( ) ( ) ( )

    ( )

    ( )( )

    1 2

    00

    2

    22

    1 1

    21 22

    1 1

    3 2

    33

    ( ) 2 2

    ( ) 31 3

    ( ) 2 11

    ( ) 3 2

    3 2 2 32 3

    3 43

    ( ) 2 13

    ( ) 121

     s s

     s  s

     s  s

     s s

     A s s K s

     B s  s s

     A s s K s

     B s s s

     s s s sd s K 

    ds s s  s s

     A s s K s

     B s  s s

    = =

    =−  =−

    =−   =−

    =− =−

    += = =

    + +

    += + = = −

    +

    ⎛ ⎞   + − + ++= = = −⎜ ⎟⎜ ⎟+   +⎝ ⎠

    += + = =

    +

     

    Luego:( )   ( ) ( )

    2

    23

    31 12 4 12( )

    1 31 F s

     s s s s= − − +

    + ++ 

    De aquí: 32 1 3 13 2 4 12

    t t t  f t t e e e u t − − −⎡ ⎤= − ⋅ − + ⋅⎢ ⎥⎣ ⎦

    ( ) ( ) , ó: 32 1 3 13 2 2 12

    t t  f t t e e u t − −⎡ ⎤⎛ ⎞= − + + ⋅⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

    ( ) ( )  

    E-4. ( )

    1

    2 2

    1

    3 4 s s

    − ⎧ ⎫⎪ ⎪⎨ ⎬

    +⎪ ⎪⎩ ⎭

    ℒ , Hay 4 raíces: una doble s = 0, más dos imaginarias conjugadas s = j2, s = − j2

    El DFP en este caso es:

    ( )312 11 2

    22 2

    1 1

    3 2 23 4

     K  K K K 

     s s s j s j s s

    ⎡ ⎤= + + +⎢ ⎥− ++   ⎣ ⎦

     

     K 2 y K 3 son complejos conjugados. Conviene juntar los dos últimos términos:( ) ( )

    ( )( ) ( )

    ( )( ) ( )

    2 3 2 3 2 332

    2 2

    2 3 1 2 3 2

    2 2 2

    2 2 4 4

      (real); 2 (real)

     K s j K s j K K s j K K  K  K 

     s j s j  s s

     K K C j K K C 

    + + − + + −+ = =

    − +   + +

    + −

     

    ( ) ( )12 11 1 2

    22 2 2

    1 1

    33 4 4

     K K C s C 

     s s s s s

    ⎡ ⎤+⎢ ⎥= + +

    + +⎢ ⎥⎣ ⎦( )23 4 s× +  

    ( ) ( )   ( )

    ( ) ( )

    2 2 2

    12 11 1 2

    3 211 1 12 2 11 12

    1 4 4

    1 4 4

     K s K s s C s C s

     K C s K C s K s K 

    = + + + + +

    = + + + + +  

    0

    12 12

    1

    11 11

    2

    12 2 2 12

    3

    11 1 1 11

    14 14

    4 0 0

    104

    0 0

     s K K 

     s K K 

     s K C C K 

     s K C C K 

    ⇒ = ⇒ =

    ⇒ = ⇒ =

    ⇒ + = ⇒ = − = −

    ⇒ + = ⇒ = − =

     

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    4/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 4

     

    ( ) ( )2 22 2 21 1

    1 1 1 1 24 4( )3 12 24 2

     F s s s s s

    ⎡ ⎤   ⎡ ⎤⎢ ⎥   ⎢ ⎥= − = − ⇒⎢ + ⎥ +⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦

    1

    2

    1( ) sen2 ( )

    12 f t t t u t 

    ⎛ ⎞= − ⋅⎜ ⎟

    ⎝ ⎠ 

    E-5. ( )

    3

    22 2

    3( )2

     s

    e F s s s

    =+

     

    Este ejemplo muestra la aplicación de linealidad y desplazamiento en el tiempo, para el caso de 6raíces: una raíz repetida real y dos raíces repetidas imaginarias conjugadas, es decir:

    raíz real:  s1 = 0 repetida 2 veces

    raíz imaginaria 2 2 s j= −  repetida 2 veces

    raíz imaginaria 3 2 s j=  repetida 2 veces

    Analizaremos:

    ( )

    1 122 2

    1( ) ( )

    2 F s f t 

     s s= ⇒

    + y luego: 1

    1( ) 3 ( )3

     f t f t = −  

    ( )   ( )   ( )   ( )   ( )32 3112 11 22 21

    1 2 2 222 2

    1( )

    2 22 2 2

     K K  K K K K  F s

     s s  s j s j s s  s j s j= = + + + + +

    + −+   + −  (*)

    a) Primera forma: (forma convencional) para cada raíz “i”, (en nuestro caso i = 1, 2, 3) demultiplicidad “ p” (en nuestro caso p = 2), aplicando el método clásico para obtener los coeficientes

    correspondientes a raíces repetidas:

    ( ) ( )1 2 1i

     p j pn

    ij i p j

     s s

    b d A s K s s j p p p

     p j ds B s

    =

    ⎡ ⎤⎧ ⎫= − = − −⎨ ⎬⎢ ⎥

    −   ⎩ ⎭⎣ ⎦

    ( )

    ( )

    ( )( ) , , , , ,

    ( )! ( )  

    2

    12

     s K    =

    2 s   ( )

    2

    1122

    0

    1,

    42 s

    d s K 

    ds s=

    = =+ 2 s   ( )

    ( )

    ( )

    2

    2 42 2

    0 0

    2 2 20

    2 2 s s

     s s

     s s= =

    ⎡ ⎤ − +⎢ ⎥   = =⎢ ⎥+ +⎣ ⎦

     

    ( ) ( )22 2 2

    2

    2

    1 1 1

    162 2 2 2 s j

     K  s s j j

    =−

    = = =− − −

     

    ( )21 2

    2

    2

    21

    2 s j

     sd 

     K  ds  s s j=−

    ⎡ ⎤   −

    ⎢ ⎥= =⎢ ⎥−⎢ ⎥⎣ ⎦

    ( )2

    2 s j− 2 s+   ( )2 2 s j−

    4 s

    ⎡ ⎤⎢ ⎥

    ⎣ ⎦( )3

    4

    2 s j−

    ( ) ( )

    2

    21 3 3 3

    3

    2

    4 2 2 4 2 2 2 6 2 3 2

    4 322 2 2 2

     s j

     s j

     s j j j j K j

     s s j j j

    =−

    =−

    − + += = = = −

    −⎡ ⎤ ⎡ ⎤− − −⎣ ⎦ ⎣ ⎦

     

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    5/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 5

    ( ) ( )32 2 2

    2

    2

    1 1 1

    162 2 2 2 s j

     K  s s j j

    =

    = = =+ −

     

    ( )31 22

    2

    21

    2 s j

     sd 

     K ds  s s j

    =

    ⎡ ⎤   −⎢ ⎥= =⎢ ⎥+⎢ ⎥⎣ ⎦

    ( )2

    2 s j+ 2 s+   ( )2 2 s j+

    4 s

    ⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦

    ( )34

    2 s j+

    ( ) ( )

    2

    3 3 3

    2

    3

    31

    4 2 2 4 2 2 2 6 2 3 2

    4 322 2 2 2

     s j

     s j

     s j j j j K j

     s s j j j

    =

    =

    − − − − −= = = =

    ⎡ ⎤ ⎡ ⎤+⎣ ⎦ ⎣ ⎦

     

    Por lo tanto:

    ( )   ( )   ( )   ( )

    ( ) ( )   ( ) ( )

    1 2 22

    1 2 22

    3 2 3 21 1116 32 16 324( )

    2 22 2

    1 8 2 2 3 2 3 2( )

    32 2 22 2

     j j

     F s s  s j s j s j s j

     j j F s

     s  s j s j s j s j

    = + − + ++ −+ −

    ⎡ ⎤⎢ ⎥= + + − +⎢ ⎥+ −+ −⎢ ⎥⎣ ⎦

     

    Tomando la ℒ-1

     de cada término se obtiene:

    2 2 2 2

    1

    1( ) 8 2 2 3 2 3 2 ( )

    32

     j t j t j t j t  f t t te te j e j e u t − −⎡ ⎤= + + − + ⋅⎣ ⎦  

    Recordando las expresiones para seno y coseno derivadas de la relación de Euler, se obtiene:

    1

    1( ) 8 4 cos 2 6 2 2 ( )

    32 f t t t t sen t u t ⎡ ⎤= + − ⋅⎣ ⎦  

    Como la función original es: 11( ) 3 ( )

    3 f t f t = − , ordenando, finalmente se llega a:

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( )3 1 1 1 1 1( ) 4 2 cos 2 3 2 23 3 3 3 316 f t t t t sen t u t ⎡ ⎤= − + − − − − ⋅ −⎣ ⎦

     

    b) Segunda forma. También se puede hacer de la siguiente manera (similar que en el ejercicio E-4):

    ( )   ( )3 4 5 612 11

    1 22 22( )

    22

    C s C C s C   K K  F s

     s s  s s

    + += + + +

    ++  (**),

    (Nota: Esto corresponde a juntar dos términos correspondientes a raices conjugadas en (*), por

    ejemplo, el último término de (**) viene de juntar:

    ( ) ( )( ) ( )

    ( )( )21 31 21 313121

    2

    2 2

    22 2

     K s j K s j  K K  K  K 

     s s j s j

    − + +   ++ = =

    ++ −

    ( )

    ( )

    ( ) ( )

    0

    31 21

    2

    5 62 2

    2

    2

    3 20 2 316 38 0, )

    82 2

     s K K j

     s

     j s j

    C C  s s

    + −=

    +

    ⎛ ⎞+   ⎜ ⎟

    ⎝ ⎠= = − ⇒ = =+ +

     

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    6/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 6

    Para resolver (encontrar los coeficientes de **), se hace lo siguiente:

    ( ) ( )   ( )3 4 5 612 11

    1 2 22 22 2 2

    1( )

    22 2

    C s C C s C   K K  F s

     s s  s s s s

    + += = + + +

    ++ +  ( )

    ( ) ( )   ( ) ( )   ( )

    22 2

    2 22 2 2 2 2

    12 11 3 4 5 6

    2

    1 2 2 2

     s s

     K s K s s C s C s C s C s s

    × +

    = + + + + + + + +

     

    Luego se ordena el segundo miembro como un polinomio con potencias decrecientes de s y se igualanlos coeficientes de las mismas potencias del primer y segundo miembro (como se hizo en ejemplos

    anteriores). A partir del conjunto de ecuaciones así obtenidas, se resuelve para encontrar los

    coeficientes de la DFP (ec. **). Finalmente, se aplica las ℒ-1

     a cada término del desarrollo.Tarea:

    hacerlo de esta manera. Lo interesante de esta forma de resolver es que evita tener que trabajar con

    complejos y puede resultar mucho más corto.

    Ejemplos simples de aplicación a sistemas.

    E-6. Al sistema masa-amortiguador de la figura inicialmente en reposo, se le aplica una fuerza f (t )

    constituída por un pulso de amplitud A [New] y duración T  [seg], Determine la expresión analítica de la

    velocidad v(t ). Dibuje aproximadamente a escala el grafico de v(t) resultante si M  = 0,5 [Kg], B = 1[New-seg/m], T  = 1 [seg] y A = 10 [New].

    Como: ( )dv

     Bv f t dt 

    + = , y [ ]1 1

    ( ) ( ) ( ) ( ) Ts f t A u t u t T F s A e s s

    −⎡ ⎤= − − ⇒ = −⎢ ⎥⎣ ⎦, tendremos:

    ( )1 1 1

    ( ) 1 ( ) ( )Ts Ts

    Ts

     B M 

     A A e A eV s Ms B e V s V s

     s s Ms B M s  s

    − −− ⎡ ⎤⎡ ⎤− −⎢ ⎥⎡ ⎤+ = − ⇒ = ⇒ =⎢ ⎥⎣ ⎦ +   ⎢ ⎥+⎣ ⎦ ⎣ ⎦

    (1)

    Por conveniencia, definamos la función:

    ( )1

    ( ) B

     M 

    G s s s

    =+

     , de modo que (1) puede escribirse como:

    ( ) ( ) 1 Ts A

    V s G s e M 

    −⎡ ⎤= −⎣ ⎦   (2)

    Aplicando la DFP a G( s) en la forma habitual:

    ( )

    1 1

    1 2 0

    2 2

    1

    1( )

    1

     s

     B s

     M 

     B M 

     B B M  M 

     K K  B s K K 

    G s s  s s s

     K K  s B

    =

    =−

    ⎧⎪   = ⇒ =⎪   +⎪

    = = + ⇒   ⎨++   ⎪

    = ⇒ = −⎪⎪⎩

     

    Luego: 1( ) 1 ( ) B

    t  M 

     M M  B B

     B M 

     M  g t e u t 

     s B s

    −−

    ⎧ ⎫ ⎛ ⎞⎪ ⎪= − = −⎨ ⎬   ⎜ ⎟

    +   ⎝ ⎠⎪ ⎪⎩ ⎭

    ℒ   (3)

     M f (t )

    v(t )

     B

    0  T t  

     A

      f (t )

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    7/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 7

     

    De (2) y (3), aplicando las propiedades lineal y traslación temporal:

    [ ]( ) ( ) ( ) A

    v t g t g t T   M 

    = − − ⇒  ( )

    ( ) 1 ( ) 1 ( ) B B

    t t T  M M 

     Av t e u t e u t T  

     B

    − − −⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − − − −⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟

    ⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ 

    Reemplazando los valores numéricos M  = 0,5 [Kg], B = 1 [New-seg/m], T  = 1 [seg] y A = 10 [New]:

    ( )1 1

    10,5 0,510( ) 1 ( ) 1 ( 1)

    1

    t t 

    v t e u t e u t  − − −⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞

    = − − − − ⇒⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦( )   ( )( )2 12( ) 10 1 ( ) 1 ( 1)t t v t e u t e u t  − −−⎡ ⎤= − − − −⎣ ⎦  

    O lo que es igual: ( )2( ) 10 1 , para 0 1segt v t e t  −= − ≤ ≤   (a)

    y: ( )2 2( 1)( ) 10 , para 1segt t v t e e t  − − −= − + ≥   (b)

    Simplificando (b): ( )2 2( 1) 2( 1)( ) 10 1 8,647 , para 1segt t v t e e e t  − − − − −= − + ≅ ≥   (b`)

    Ambas expresiones (a) y (b) tienen el mismo valor en t = 1 seg, que es: v(t  =1 seg) = 8,647 [m/seg]

    El gráfico de v(t) dado por (a) y (b`) resulta aproximadamente:

    E-7. Encuentre la expresión analítica de la velocidad v(t ) en el intervalo 0 < t  < T /2 del sistema masa-amortiguador sometido a una fuerza periódica f (t ) con forma de onda rectangular que se muestra,considerando que el sistema se encuentra en régimen permanente en t  = 0.

    En general: ( )

    dv

     Bv f t dt  + = , en particular para 0 < t  < T /2 :

    dv Bv A

    dt + = , tomando la ℒ :

    [ ]( ) (0) ( ) A

     M sV s v BV s s

    − + = , de donde:

     M f (t )

    v(t )

     B

    0  T=1 seg  

    8,647

    v(t ) 

    0 T/2 T t 

     A

    -A

      f (t )

     · · · · · ·

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    8/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 8

    ( )

    ( ) ( )

    ( ) (0)

    (0)( ) ( ) 1 (0) ;0

    2

     B Bt t 

     M M 

     B B M M 

     AV s Ms B Mv

     s

     A v A T V s v t e v e t   B Ms s s

    − −

    + = +

    ⎛ ⎞= + ⇒ = − + ≤ ≤⎜ ⎟

    + +   ⎝ ⎠

     

    Por estar en régimen permanente, se debe cumplir:2

    ( ) (0)T v v= − , reemplazando esta condición en la

    expresión de v(t ) anterior, se obtiene:

    22 2

    2

    1(0) 1 (0) (0)

    1

     B T  B T B T   M  M M 

     B T 

     M 

     A A ev e v e v

     B Be

    −− −

    ⎡ ⎤⎛ ⎞   −⎢ ⎥− = − + ⇒ =⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎝ ⎠ +⎢ ⎥⎣ ⎦

    , reemplazando en v(t ):

    2

    2

    2( ) 1 ;0

    21

     BT  B M  t  M 

     BT 

     M 

     A e T v t e t   B

    e

    −−

    ⎡ ⎤⎢ ⎥= − ≤ ≤⎢ ⎥

    +⎢ ⎥⎣ ⎦

     

    El gráfico de v(t ) es de la forma:

    E-8. Encuentre la expresión del voltaje ec(t ) en el condensador del circuito R-C  de la figura, cuando se

    aplica una tensión ei(t ) constituída por un pulso rectangular que se inicia en t 0 y que tiene una amplitud

     A [Volts] y duración T  [seg], el condensador está inicialmente descargado.

    La ℒ de la tensión aplicada ei(t ) es:

    { } { }   [ ]( ){ }   ( )000 01 1

    ( ) ( ) ( s t T  st 

    i i E s e t A u t t u t t T A e e s s

    − +−⎡ ⎤⎡ ⎤= = − − − + = −⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ℒ ℒ ℒ  

    0( ) 1 st   sT 

    i

     A E s e e

     s

    −   −⎡ ⎤= −⎣ ⎦   (1)

    La ecuación de equilibrio del sistema es:1

    ( ) ( ) ( )i Ri t i t dt e t C 

    + =∫ , (2)

     pero como:( )

    ( ) cd e t 

    i t C dt 

    =  y1

    ( ) ( )ci t dt e t  C 

    =∫ , la ec. (2) quedará:

    0  T/2 T t  

    -v(0)

    v 0

    v(t ) 

    · · · · · ·

    C  

    ei(t ) ec(t )

     R 

    i(t )

     _  

    ei(t) 

     A

    0 t 0  t 0+T t

  • 8/15/2019 Ejercicios Resuelstos Transformada Inversa

    9/9

    Ej emplos de Transformada de Laplace J. Benavides S. 9

     ( )

    ( ) ( )c c id e t 

     RC e t e t dt 

    + =   (3)

    Aplicando ℒ a la ec. (3) y con (1):

    ( ) (0 )c c RC s E s e  +− 0( ) 1 st   sT c

     A E s e e

     s

    −   −⎡ ⎤   ⎡ ⎤+ = −⎣ ⎦⎣ ⎦, de donde:

    ( ) ( ) ( )

    00 0( )

    1 1

    1( )

    1

     st   sT   st s t T 

    c

     RC RC 

     Ae e  A e e E s

     s RCs RC   s s s s

    −   − − − +⎡ ⎤⎡ ⎤−⎣ ⎦   ⎢ ⎥= = −⎢ ⎥+   + +⎣ ⎦

    ,

    Aplicando ℒ-1

     , se llega a:

    ( )( )

    [ ]( )00

    0 0( ) 1 1

    t t T t t 

     RC RC ce t A e u t t e u t t T  

    − +−− −⎡ ⎤⎛ ⎞⎛ ⎞

    = − − − − − +⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠   ⎝ ⎠⎣ ⎦ 

    (Observación: se puede resolver para un pulso que se inicia en el orígen con duración T  y luego

    desplazar la solución en t 0. Comparar el resultado obtenido con el del ejemplo E-6)

    0  t 0  t 0+T t  

    ec(t )