Enunciado

Determine F (s) dado que

f (t) = {[[5 t , 0 < t < 1],[- 5 t , 1 < t < 2],[0 , c a s o c o n t r á r i o]])

Passo 1

A primeira coisa a se fazer em um problema como esse daí é desenhar essa f (t) colocando todas essa funções aí no plano x y :

Beleza, então para encontrar a transformada de Laplace de uma função definida por partes como essa da, devemos buscar a notação dela em forma de degrau.

Como dá para perceber no desenho, a função f tem 4 diferentes trechos:

  1. Trecho de - oo até 0
  2. Trecho de 0 até 1 .
  3. Trecho de 1 até 2 , e;
  4. Trecho de 2 até oo .

Vamos aqui analisando trecho por trecho e construindo a função f , ok?

Passo 2

TRECHO DE - oo ATÉ 1 & TRECHO DE 0 A 1 :

Bem, perceba que de - oo até 0 a função vale 0 e depois de 0 (antes de 1 ) ela começa a crescer de acordo com a reta 5 t . Isso pode ser escrito assim:

f (t) = 5 t u (t)

Passo 3

TRECHO DE 1 ATÉ 2 :

SHOW! Depois de 1 até chegar no 2 ela para de crescer com 5 t começa a decrescer com - 5 t . A forma de anotar isso usando degrau é assim:

  • Ela Para de Crescer com 5 t em t = 1 :
  • f (t) = 5 t u (t) - 5 t u_1 (t)

    Ora, isso significa que assim que t atinge 1 , esse segundo degrau vira 1 , e f (t) = 5 t - 5 t = 0 . Ou seja, a função de fato para de crescer, saca?

  • Ela Começa a Decrescer com - 5 t em t = 1 :
  • f (t) = 5 t u (t) - 5 t u_1 (t) - 5 t u_1 (t)

    Perceba então que além dela parar de crescer, ela começa a decrescer em t = 1 , e de fato isso acontece subtraindo novamente 5 t u_1 (t) , afinal, em t = 1 , todos os degrais são 1 : f (t) = 5 t - 5 t - 5 t = - 5 t

    Passo 4

    TRECHO DE 2 ATÉ O oo :

    Ora! Depois de t = 2 , a função para de decrescer novamente fica pra sempre 0 .

    Antes de 2 , ela decrescia de acordo com - 5 t , então, para faze-la parar de decrescer:

  • Função para de decrescer - 5 t em t = 2 :

f (t) = 5 t u (t) - 5 t u_1 (t) - 5 t u_1 (t) + 5 t u_2 (t)

Perceba que de fato está fazendo sentido, pois antes de t = 2 , o degrau em negrito ali é 0 , então ele não influencia em nada, mas depois de t = 2 , todos os degrais são 1 :

f (t) = 5 t - 5 t - 5 t + 5 t = 0

Passo 4

PRONTINHO! Podemos concluir então que a função f (t) é:

f (t) = {[[5 t , 0 < t < 1],[- 5 t , 1 < t < 2],[0 , c a s o c o n t r á r i o]]) o u

f (t) = 5 t u (t) - 5 t u_1 (t) - 5 t u_1 (t) + 5 t u_2 (t) =

5 t u (t) - 10 t u_1 (t) + 5 t u_2 (t)

Passo 5

Agora vamos aplicar a transformada de Laplace nela!

L {f (t)} = L {5 t u (t) - 10 t u_1 (t) + 5 t u_2 (t)} =

5 L {t u (t)} - 10 L {t u_1 (t)} + 5 L {t u_2 (t)}

Ora, a transformada de qualquer função vezes t é...

L {t f (t)} = - (d)/(d s) (L {f (t)})

Logo...

L {f (t)} = 5 (- (d)/(d s) (L {u (t)})) - 10 (- (d)/(d s) (L {u_1 (t)})) + 5 (- (d)/(d s) (L {u_2 (t)}))

Então para calcular essas transformadas ali, precisamos saber quem é a transformada da função degrau:

L {u_c (t)} = (e^(- c s))/(s)

Então...

L {f (t)} = 5 (- (d)/(d s) ((e^0)/(s))) - 10 (- (d)/(d s) ((e^(- s))/(s))) + 5 (- (d)/(d s) ((e^(- 2 s))/(s))) ->

L {f (t)} = - 5 (d)/(d s) ((1)/(s)) + 10 (d)/(d s) ((e^(- s))/(s)) - 5 (d)/(d s) ((e^(- 2 s))/(s)) ->

Derivando o primeiro...

L {f (t)} = (5)/(s^2) + 10 (d)/(d s) ((e^(- s))/(s)) - 5 (d)/(d s) ((e^(- 2 s))/(s)) ->

Derivando o segundo e o terceiro aplicando a regra da fração...

L {f (t)} = (5)/(s^2) + 10 (((e^(- s))^' (s) - (e^(- s)) (s) ')/(s^2)) - 5 (((e^(- 2 s))^' (s) - (e^(- 2 s)) (s) ')/(s^2)) ->

L {f (t)} = (5)/(s^2) + 10 ((- s e^(- s) - e^(- s))/(s^2)) - 5 ((- 2 s e^(- s) - e^(- 2 s))/(s^2)) ->

Simplificando agora...

L {f (t)} = (5)/(s^2) + 10 (- (e^(- s))/(s) - (e^(- s))/(s^2)) - 5 (- 2 (e^(- 2 s))/(s) - (e^(- 2 s))/(s^2)) ->

L {f (t)} = (5)/(s^2) - 10 (e^(- s))/(s) - 10 (e^(- s))/(s^2) + 10 (e^(- 2 s))/(s) + 5 (e^(- 2 s))/(s^2)

Resposta

L {f (t)} = (5)/(s^2) - 10 (e^(- s))/(s) - 10 (e^(- s))/(s^2) + 10 (e^(- 2 s))/(s) + 5 (e^(- 2 s))/(s^2)

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