Calculus · real student question

Resolver mediante la transformada de Laplace el problema de valor inicial y'' - y = 4*delta(t - 2) + t^2 con y(0) = 0 y y'(0) = 2, donde delta es la delta de Dirac.

Question

Resolver el problema de valor inicial

yy=4δ(t2)+t2,y(0)=0,y(0)=2y'' - y = 4\delta(t-2) + t^2, \qquad y(0)=0,\quad y'(0)=2

donde δ\delta denota la delta de Dirac.

Step-by-step solution

  1. Elegir la transformada de Laplace precisamente por el impulso. El término forzante contiene δ(t2)\delta(t-2), que no es una función integrable por los métodos habituales; ni los coeficientes indeterminados ni la variación de parámetros sirven aquí. La transformada de Laplace convierte el impulso en la exponencial ordinaria e2se^{-2s}, con lo que todo el problema se reduce a álgebra.

  2. Transformar ambos miembros incorporando las condiciones iniciales. Con L{y}=s2Y(s)sy(0)y(0)\mathcal{L}\{y''\} = s^2Y(s) - sy(0) - y'(0), y(0)=0y(0)=0, y(0)=2y'(0)=2, y las transformadas estándar L{δ(ta)}=eas\mathcal{L}\{\delta(t-a)\} = e^{-as} y L{t2}=2/s3\mathcal{L}\{t^2\} = 2/s^3:

    s2Y2Y=4e2s+2s3s^2Y - 2 - Y = 4e^{-2s} + \frac{2}{s^3}

  3. Despejar Y(s)Y(s). Sacando YY como factor común en el miembro izquierdo:

    Y(s)=2s21+4e2ss21+2s3(s21)Y(s) = \frac{2}{s^2-1} + \frac{4e^{-2s}}{s^2-1} + \frac{2}{s^3(s^2-1)}

    Los tres sumandos se antitransforman por separado: ésa es la ventaja de trabajar en el dominio ss.

  4. Descomponer en fracciones parciales el tercer término, que es el incómodo. Escribiendo 1s3(s21)=As+Bs2+Cs3+Ds+Es21\dfrac{1}{s^3(s^2-1)} = \dfrac{A}{s} + \dfrac{B}{s^2} + \dfrac{C}{s^3} + \dfrac{Ds+E}{s^2-1} e igualando coeficientes se obtiene A=1A = -1, B=0B = 0, C=1C = -1, D=1D = 1, E=0E = 0, de modo que

    2s3(s21)=2s2s3+2ss21\frac{2}{s^3(s^2-1)} = -\frac{2}{s} - \frac{2}{s^3} + \frac{2s}{s^2-1}

  5. Antitransformar cada término. Usando L1{1/(s21)}=sinht\mathcal{L}^{-1}\{1/(s^2-1)\} = \sinh t, L1{s/(s21)}=cosht\mathcal{L}^{-1}\{s/(s^2-1)\} = \cosh t, L1{2/s3}=t2\mathcal{L}^{-1}\{2/s^3\} = t^2 y el segundo teorema de traslación L1{easF(s)}=u(ta)f(ta)\mathcal{L}^{-1}\{e^{-as}F(s)\} = u(t-a)f(t-a):

    y(t)=2sinht+2coshtt22+4u(t2)sinh(t2)y(t) = 2\sinh t + 2\cosh t - t^2 - 2 + 4u(t-2)\sinh(t-2)

  6. Simplificar y comprobar. Como 2sinht+2cosht=2et2\sinh t + 2\cosh t = 2e^{t},

    y(t)=2ett22+4u(t2)sinh(t2)y(t) = 2e^{t} - t^2 - 2 + 4u(t-2)\sinh(t-2)

    Comprobación: y(0)=202=0y(0) = 2 - 0 - 2 = 0 y y(0)=20=2y'(0) = 2 - 0 = 2, ambos correctos. Para t<2t<2 el término de Heaviside está inactivo y yy=(2et2)(2ett22)=t2y'' - y = (2e^t - 2) - (2e^t - t^2 - 2) = t^2, como se pedía. En t=2t=2 el impulso hace que yy' salte exactamente 44 mientras yy se mantiene continua: la firma física de un impulso de intensidad 44.

Answer

y(t)=2ett22+4u(t2)sinh(t2)y(t) = 2e^{t} - t^2 - 2 + 4u(t-2)\sinh(t-2)

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