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Enunciado

Cálculo - Dennis G. Zill - Equações Diferenciais - Vol 1- Ed: 3º - Capítulo 7.6 - Ex. 9

Nos problemas 1-12, use a transformada de Laplace para resolver a equação diferencial dada sujeita às condições iniciais indicadas

y ' ' + 4 y ' + 5 y = δ t - 2 π ,       y 0 = 0 ,   y ' 0 = 0

Passo 1

Vamo que vamo

Temos essa equação diferencial:

y ' ' + 4 y ' + 5 y = δ t - 2 π ,       y 0 = 0 ,   y ' 0 = 0

E para encontrar y ( t ) , vamos usar a transformada de Laplace ta bom, então o passo a passo é: fazer a transformada da equação inteira, isolar Y ( s ) e fazer a transformada inversa do que encontrarmos, fechou?

Ah, só pra lembrar, aqui tem algumas transformadas que podemos utilizar:

L y t = Y ( s )

L y ' t = s . Y s - y ( 0 )

L y ' ' t = s 2 . Y s - s . y 0 - y ' ( 0 )

L 1 = 1 s

L t n = n ! s n + 1

L e α t = 1 s - α

L c o s ⁡ ( k t ) = s s 2 + k ²

L s e n ⁡ ( k t ) = k s 2 + k ²

L δ ( t + k ) = e k s

E também pode ser útil a propriedade de translação:

L e α . f t = F ( s - α )

Agora bora lá!

Passo 2

Vamos fazer a transformada da equação:

y ' ' + 4 y ' + 5 y = δ t - 2 π

s 2 . Y s - s . y 0 - y ' ( 0 ) + 4 s . Y s - y 0 + 5 Y ( s ) = e - 2 π s

Sabemos que y 0 = 0 e y ' 0 = 0 :

s 2 . Y s - s . 0 - 0 + 4 s . Y s - 0 + 5 Y ( s ) = e - 2 π s

Y s . s 2 + 4 s + 5 = e - 2 π s

Então:

Y s = e - 2 π s s 2 + 4 s + 5

Agora precisamos encontrar a transformada inversa disso, beleza?

Passo 3

Temos

Y s = e - 2 π s s 2 + 4 s + 5

Podemos escrever isso assim:

Y s = e - 2 π s s 2 + 4 s + 4 + 1

Fatorando s 2 + 4 s + 4 :

Y s = e - 2 π s ( s + 2 ) ² + 1

O e - 2 π s está representando a função degrau u atrasada em   2 π , então tudo que tiver t vai ter um - 2 π depois

Além disso, por termos uma translação ( s + 2 ) no denominador, vamos multiplicar tudo por e - 2 t

Então temos:

y t = e - 2 t - 2 π . s e n t - 2 π u ( t - 2 π )

Showww, vamos pros próximos!!

Resposta

y t = e - 2 t - 2 π . s e n t - 2 π u ( t - 2 π )

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Use (7) para obter (3)
Nos problemas 1-12, use a transformada de Laplace para resolver a equação diferencial dada sujeita às condições iniciais indicadas y ' ' - 7 y ' + 6 y = e t + δ t - 2 + δ ( t - 4 ) ,y 0 = 0 ,y ' 0 = 0
Nos problemas 1-12, use a transformada de Laplace para resolver a equação diferencial dada sujeita às condições iniciais indicadas y ' - 3 y = δ t - 2 ,y 0 = 0
Nos problemas 1-12, use a transformada de Laplace para resolver a equação diferencial dada sujeita às condições iniciais indicadas y ' ' + 2 y ' + y = δ t - 1 ,y 0 = 0 ,y ' 0 = 0