Encontre a solução do problema de valor inicial dado.

Desenhe os gráficos da solução e do termo não homogêneo; explique a relação entre eles.

y'' + y = u_{3π}(t); y(0) = 1, y'(0) = 0

Passo 1

Como a EDO é linear, a transformação de Laplace pode ser aplicada para resolvê-lo. A transformada de Laplace de uma função y(t) é definida aqui como:

Y ( s )   =   ℒ { y ( t ) } = ∫ 0 ∞ e - s t y ( t )   d t

Consequentemente, a primeira e a segunda derivadas se transformam da seguinte maneira.

ℒ { d y d t } = s Y ( s )   -   y ( 0 )

ℒ { d ² y d t ² } = s ² Y ( s )   -   s y ( 0 ) - y ' ( 0 )

Aplique a conversão Laplace nos dois lados da EDO:

ℒ { y ' ' + y } = ℒ { u 3 π ( t ) }

ℒ { y ' ' } + ℒ { y } = ℒ { u 3 π ( t ) }

[ s ² Y ( s )   -   s y ( 0 ) - y ' ( 0 ) ] + Y ( s ) = ∫ 0 ∞ e - s t [ u 3 π ( t ) ] d t

Passo 2

Aplique as condições iniciais, y ( 0 ) =   1 e y ' ( 0 ) = 0 .

[ s ² Y ( s ) - s ] + Y ( s ) = ∫ 3 π ∞ e - s t d t

Como resultado da aplicação da transformada de Laplace, a EDO reduziu a uma equação algébrica para Y, (a solução transformada):

( s ² + 1 ) Y ( s ) = 1 s e - 3 π s + s

Y ( s ) = ( 1 s - s s ² + 1 ) e - 3 π s + s s ² + 1

Passo 3

Agora, basta resolver esta equação e achar sua inversa!

y ( t ) = ℒ - 1 { Y ( s ) } = ℒ - 1 { ( 1 s - s s ² + 1 ) e - 3 π s + s s ² + 1 }

Chegando em:

y ( t ) = ( 1 + c o s ( t )   )   u 3 π ( t )   +   c o s ( t )

Passo 4

Abaixo está o gráfico de y(t) versus t sobreposto no gráfico de f(t) versus t.

Resposta

y ( t ) = ( 1 + c o s ( t )   )   u 3 π ( t )   +   c o s ( t )

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