(7.4) Operational Properties II
Transcription
(7.4) Operational Properties II
(7.4) Operational Properties II
DERIVATIVES OF A TRANSFORM:
THEOREM 7.4.1 (Derivatives of Translations)
If ๐น (๐ ) = โ {๐ (๐ก )} and ๐ = 1, 2, 3, โฆ , then
โ {๐ก ๐ ๐(๐ก )} = (โ1)๐
EXAMPLE 1
Evaluate
(๐) โ {๐ก๐(๐ก )}
๐๐
๐น (๐ ).
๐๐ ๐
(๐) โ {๐ก 2 ๐ (๐ก )}
(๐ ) โ {๐ก๐ 3๐ก }
Solution:
๐
๐
๐น (๐ ) = โ ๐น (๐ )
๐๐
๐๐
2
๐
๐2
2
2
(๐) โ {๐ก ๐(๐ก )} = (โ1)
๐น (๐ ) = 2 ๐น (๐ )
๐๐ 2
๐๐
(๐ ) โ{๐ก๐ 3๐ก }
(๐) โ{๐ก๐(๐ก )} = (โ1)1
By Section 7.3,
โ{๐ก๐ 3๐ก } = โ {๐ก }|๐ โ๐ โ3 =
By Section 7.4,
โ{๐ก๐ 3๐ก } = (โ1)1
1
1
|
=
๐ 2 ๐ โ๐ โ3 (๐ โ 3)2
(0) โ (1)
๐
๐
1
1
)=โ
โ {๐ 3๐ก } = โ (
=
.
2
(๐ โ 3)
(๐ โ 3)2
๐๐
๐๐ ๐ โ 3
EXAMPLE 2 (Using Theorem 7.4.1)
Evaluate
โ {๐ก sin ๐๐ก }.
Solution:
With ๐(๐ก ) = sin ๐๐ก, ๐น (๐ ) = โ {๐(๐ก )} = โ {sin ๐๐ก } =
โ {๐ก sin ๐๐ก } = โ
๐
๐ 2 +๐ 2
, and ๐ = 1, Theorem 7.4.1 gives
๐
๐
๐
2๐๐
)
โ {sin ๐๐ก } = โ ( 2
=
.
(๐ 2 + ๐ 2 )2
๐๐
๐๐ ๐ + ๐ 2
TRANSFORMS OF INTEGRALS:
CONVOLUTION:
If functions ๐ and ๐ are piecewise continuous on the interval [0, โ), then a special product,
denoted by ๐ โ ๐, is defined by the integral
๐ก
๐ โ ๐ = โซ ๐ (๐)๐(๐ก โ ๐)๐๐
โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ (1)
0
๐ก
= โซ ๐(๐)๐ (๐ก โ ๐)๐๐ = ๐ โ ๐
0
and is called the convolution of ๐ and ๐. The convolution ๐ โ ๐ is a function of ๐ก.
For example,
129
(7.4) Operational Properties II
๐ก
๐ก
๐ โ sin ๐ก = โซ ๐ ๐ sin(๐ก โ ๐) ๐๐ =
0
1
(โ sin ๐ก โ cos ๐ก + ๐ ๐ก ).
2
THEOREM 7.4.2 (Convolution Theorem)
If ๐ (๐ก ) and ๐(๐ก ) are piecewise continuous on [0, โ) and of exponential order, then
โ {๐ โ ๐} = โ {๐ (๐ก )}. โ {๐(๐ก )} = ๐น (๐ )๐บ (๐ ).
Remark 1:
๐ก
๐ก
โ {๐(๐ก ) โ ๐(๐ก )} = โ {๐ (๐ก )}. โ {๐(๐ก )} = โ {โซ ๐(๐)๐ (๐ก โ ๐)๐๐} = โ {โซ ๐(๐)๐(๐ก โ ๐)๐๐}
0
0
= โ {๐(๐ก ) โ ๐ (๐ก )}
EXAMPLE 3 (Transform of Convolution)
Evaluate
๐ก
โ {โซ ๐ ๐ sin(๐ก โ ๐) ๐๐}.
0
Solution:
With ๐(๐ก ) = ๐ ๐ก and ๐(๐ก ) = sin ๐ก, the convolution theorem states that the Laplace transform of the
convolution of ๐ and ๐ is the product of their Laplace transforms:
๐ก
1
1
1
โ {โซ ๐ ๐ sin(๐ก โ ๐) ๐๐} = โ {๐ ๐ก }. โ {sin ๐ก } =
. 2
=
.
๐ โ 1 ๐ + 1 (๐ โ 1)(๐ 2 + 1)
0
Remark 2: (Inverse Form of Theorem 7.4.2)
โ โ1 {๐น(๐ ). ๐บ(๐ )} = ๐ โ ๐. โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ (2)
TRANSFORM OF AN INTEGRAL:
1
When ๐(๐ก ) = 1 and โ {๐(๐ก )} = ๐บ (๐ ) = , the convolution theorem implies that the Laplace
transform of the integral of ๐ is
๐
๐ก
1 ๐น (๐ )
โ {โซ ๐ (๐)๐๐} = โ {๐(๐ก ) โ 1} = โ {๐(๐ก )}. โ {1} = ๐น (๐ ). =
.
๐
๐
0
โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ (3)
The inverse form of (3),
๐ก
โซ ๐ (๐)๐๐ = โโ1 {
0
๐น (๐ )
}.
๐
โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ (4)
VOLTERRA INTEGRAL EQUATION:
The convolution theorem and the result in (3) are useful in solving other types of equations in which
an unknown function appears under an integral sign. In the next example we solve a Volterra
integral equation for ๐ (๐ก ),
130
(7.4) Operational Properties II
๐ก
๐ (๐ก ) = ๐(๐ก ) + โซ ๐ (๐)โ(๐ก โ ๐)๐๐ . โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ (5)
0
The functions ๐(๐ก ) and โ(๐ก ) are known. Notice that the integral in (5) has the convolution form (1)
with the symbol โ playing the part of ๐.
EXAMPLE 4 (An Integral Equation )
Solve:
๐ก
๐ (๐ก ) = 3๐ก 2 โ ๐ โ๐ก โ โซ ๐ (๐)๐ ๐กโ๐ ๐๐
for ๐(๐ก ).
0
Solution:
In the integral we identify โ(๐ก โ ๐) = ๐ ๐กโ๐ so that โ(๐ก ) = ๐ ๐ก . We take the Laplace transform of
each term; in particular, by Theorem 7.4.2 the transform of the integral is the product of โ {๐ (๐ก )} =
1
๐น (๐ ) and โ {๐ ๐ก } =
:
๐ โ1
๐น (๐ ) = 3.
2
1
1
(
)
โ
โ
๐น
๐
.
.
๐ 3 ๐ + 1
๐ โ1
After solving the last equation for ๐น (๐ ) and carrying out the partial fraction decomposition, we find
๐น (๐ ) =
6
6 1
2
โ 4+ โ
.
3
๐
๐
๐ ๐ +1
The inverse transform then gives
โ1
๐ (๐ก ) = 3โ
2!
3!
1
1
{ 3 } โ โโ1 { 4 } + โโ1 { } โ 2โโ1 {
} = 3๐ก2 โ ๐ก3 + 1 โ 2๐โ๐ก .
๐
๐
๐
๐ +1
TRANSFORM OF A PERIODIC FUNCTION:
PERIODIC FUNCTION:
If a periodic function has period ๐, ๐ > 0, then ๐ (๐ก + ๐) = ๐ (๐ก ). The next theorem shows that the
Laplace transform of a periodic function can be obtained by integration over one period.
THEOREM 7.4.3 (Transform of a Periodic Function)
If ๐ (๐ก ) is piecewise continuous on [0, โ), of exponential order, and periodic with period ๐, then
โ {๐(๐ก )} =
๐
1
โซ
๐ โ๐ ๐ ๐ (๐ก )๐๐ก.
โ๐ ๐
1โ๐
0
Exercises 7.4: Pages 289-290
(๐) Use Theorem 7.4.1 to evaluate the given Laplace transform.
โ {๐ก 3 ๐ ๐ก }.
Solution:
With ๐(๐ก ) = ๐ ๐ก , ๐น (๐ ) = โ {๐ (๐ก )} = โ {๐ ๐ก } =
1
, and ๐ = 3, Theorem 7.4.1 gives
๐ โ1
131
(7.4) Operational Properties II
โ {๐ก 3 ๐ ๐ก } = (โ1)3
๐3
๐3
1
6
6
๐ก}
{
(
) = โ (โ
)=
โ
๐
=
โ
.
3
3
4
(๐ โ 1)
(๐ โ 1)4
๐๐
๐๐ ๐ โ 1
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
(๐๐) Use Theorem 7.4.2 to evaluate the given Laplace transform. Do not evaluate the integral
before transforming.
โ{๐2๐ก โ sin ๐ก}.
Solution:
With ๐(๐ก ) = ๐ 2๐ก and ๐(๐ก ) = sin ๐ก, the convolution theorem states that the Laplace transform of the
convolution of ๐ and ๐ is the product of their Laplace transforms:
โ {๐ 2๐ก โ sin ๐ก } = โ {๐ 2๐ก }. โ {sin ๐ก } =
1
1
1
. 2
=
.
๐ โ 2 ๐ + 1 (๐ โ 2)(๐ 2 + 1)
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------(๐๐) Use the Laplace transform to solve the given integral equation or integrodifferential
equation.
๐ก
๐(๐ก) + โซ ๐(๐) ๐๐ = 1.
0
Solution:
๐ก
โ {๐(๐ก )} + โ {โซ ๐(๐) ๐๐} = โ {1},
0
๐น (๐ ) 1
= ,
๐
๐
1
1
๐น (๐ ) [1 + ] = ,
๐
๐
๐ +1
1
(
) ๐น (๐ ) = ,
๐
๐
1
๐น (๐ ) =
.
๐ +1
๐น (๐ ) +
The inverse transform then gives
โ1
๐ (๐ก ) = โ
{
1
} = ๐โ๐ก .
๐ +1
132
(7.4) Operational Properties II
Exercises 7.4: Pages 289-290
(๐) Use Theorem 7.4.1 to evaluate the given Laplace transform.
โ {๐ก cos 2๐ก }.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
(๐๐) Use Theorem 7.4.2 to evaluate the given Laplace transform. Do not evaluate the integral
before transforming.
โ{๐โ๐ก โ ๐๐ก cos ๐ก}.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
In the following problems, use the Laplace transform to solve the given integral equation or
integrodifferential equation.
๐ก
(๐๐) ๐(๐ก) = ๐ก๐ + โซ ๐๐(๐ก โ ๐) ๐๐.
๐ก
0
๐ก
8
(๐๐) ๐(๐ก) = 1 + ๐ก โ โซ (๐ โ ๐ก)3 ๐(๐) ๐๐.
3
0
133