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Introducción a la Transformada de Laplace: Aplicaciones en Física Matemática, Monografías, Ensayos de Física Matemática

La transformada de Laplace puede ser usada para resolver Ecuaciones Diferenciales Lineales y Ecuaciones Integrales.

Tipo: Monografías, Ensayos

2018/2019

Subido el 14/06/2019

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INTRODUCCIÓN
Puede decirse que los métodos clásicos para la resolución de problemas de valores en la
frontera en la Física Matemática se derivan del trabajo precursor de Fourier. Una nueva
técnica, la de las transformadas integrales, cuyo origen se encuentra en los trabajos de
Heaviside (electrotécnico inglés de fines del siglo pasado), ha sido desarrollada durante los
´últimos años, y tiene ciertas ventajas sobre el método clásico. Heaviside
(aproximadamente 1.890) se interesó originalmente en la resolución de E.D.O. con
coeficientes constantes que aparecen en la teoría de circuitos eléctricos. Más tarde, ´el
mismo extendió su método a las E.D.P. que aparece en electromagnetismo y conducción de
calor. Fue tal el poder de su método, que resolvió muchos problemas hasta entonces
irresolubles y obtuvo soluciones a problemas ya resueltos en una forma más adaptable al
Calculo Numérico. Posteriores investigaciones efectuadas por Bronwich, Carson y Van der
Pool, fundamentaron el cálculo de Heaviside sobre una base más sólida. En un trabajo
reciente, efectuado por Doetsch y otros, sobre la transformación de Laplace, se unifica la
teoría desarrollada por Heaviside, Bronwich y Carson. General mente, el empleo de una
transformada integral reducirá una E.D.P. en n variables independientes a una con n 1
variables, reduciendo por lo tanto, la dificultad del problema en estudio. En algunos casos,
operaciones sucesivas de este tipo pueden reducir el problema a la resolución de una
E.D.O. cuya teoría ha sido ampliamente desarrollada. De hecho, operaciones sucesivas
podían reducir el problema a la resolución de una ecuación algebraica, pero sólo algunas
veces merece la pena hacerlo. Aun cuando la transformada de Laplace es de empleo más
común y es particular (conveniente para problemas regidos por E.D.O. y para problemas
sobre la conducción de calor), otras transformaciones integrales pueden ser de gran utilidad
en la resolución de problemas de valores en la frontera en la Física Matemática. En la
resolución de este tipo de problemas se han empleado con éxito diferentes transformaciones
integrales y no existe razón alguna para que el método no pueda extenderse mediante el uso
de otros núcleos
Pierre Simon Marquéz de Laplace (1749-1827) matemático y
astrónomo francés tan famoso en su tiempo que se le conocía como el
Newton de Francia. Sus principales campos de interés fueron la Mecánica
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¡Descarga Introducción a la Transformada de Laplace: Aplicaciones en Física Matemática y más Monografías, Ensayos en PDF de Física Matemática solo en Docsity!

INTRODUCCIÓN

Puede decirse que los métodos clásicos para la resolución de problemas de valores en la frontera en la Física Matemática se derivan del trabajo precursor de Fourier. Una nueva técnica, la de las transformadas integrales, cuyo origen se encuentra en los trabajos de Heaviside (electrotécnico inglés de fines del siglo pasado), ha sido desarrollada durante los ´últimos años, y tiene ciertas ventajas sobre el método clásico. Heaviside (aproximadamente 1.890) se interesó originalmente en la resolución de E.D.O. con coeficientes constantes que aparecen en la teoría de circuitos eléctricos. Más tarde, ´el mismo extendió su método a las E.D.P. que aparece en electromagnetismo y conducción de calor. Fue tal el poder de su método, que resolvió muchos problemas hasta entonces irresolubles y obtuvo soluciones a problemas ya resueltos en una forma más adaptable al Calculo Numérico. Posteriores investigaciones efectuadas por Bronwich, Carson y Van der Pool, fundamentaron el cálculo de Heaviside sobre una base más sólida. En un trabajo reciente, efectuado por Doetsch y otros, sobre la transformación de Laplace, se unifica la teoría desarrollada por Heaviside, Bronwich y Carson. General mente, el empleo de una transformada integral reducirá una E.D.P. en n variables independientes a una con n − 1 variables, reduciendo por lo tanto, la dificultad del problema en estudio. En algunos casos, operaciones sucesivas de este tipo pueden reducir el problema a la resolución de una E.D.O. cuya teoría ha sido ampliamente desarrollada. De hecho, operaciones sucesivas podían reducir el problema a la resolución de una ecuación algebraica, pero sólo algunas veces merece la pena hacerlo. Aun cuando la transformada de Laplace es de empleo más común y es particular (conveniente para problemas regidos por E.D.O. y para problemas sobre la conducción de calor), otras transformaciones integrales pueden ser de gran utilidad en la resolución de problemas de valores en la frontera en la Física Matemática. En la resolución de este tipo de problemas se han empleado con éxito diferentes transformaciones integrales y no existe razón alguna para que el método no pueda extenderse mediante el uso de otros núcleos

Pierre Simon Marquéz de Laplace (1749-1827) matemático y

astrónomo francés tan famoso en su tiempo que se le conocía como el Newton de Francia. Sus principales campos de interés fueron la Mecánica

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Celeste, o movimiento planetario, la teoría de probabilidades, y el progreso personal. Prueba de sus talentos son:

  1. Mécanique Céleste monumental tratado en sobre cuestiones de gravitación publicado en cinco volúmenes entre los anos de 1799 y 1825. El principal legado de esta publicación reside en el desarrollo de la teoría de potencial, con implicaciones de largo alcance en ramas de la Física que van desde la gravitación, la mecánica de fluídos, el magnetismo y la física atómica.
  2. (^) Théorie Analytique des Probabilités que se considera la más grande contribución a esa parte de las matemáticas. Como anécdota, el libro inicia con palabras que más o menos dicen "En el fondo, la teoría de probabilidades no es, s no el sentido común reducido a cálculos ", puede ser que sí, pero las 700 páginas que le siguen a esas palabras son un análisis intrincado, en el cual usa a discreción la transformada de Laplace, las funciones generatrices, y muchas otras técnicas no triviales.
  3. Tras la Revolución Francesa, el talento político y la ambición de Laplace alcanzaron su cenit; Laplace se adaptaba demasiado fácilmente cambiando sus principios; yendo y viniendo entre lo republicano y monárquico emergiendo siempre con una mejor posición y un nuevo título.
  4. Uno de los defectos principales que se le han atribuido en detrimento de su reputación es la omisión de toda referencia a los descubrimientos de sus predecesores y contemporáneos, dejando entrever que las ideas eran suyas del todo.
  5. La ayuda prestada a los jóvenes talentos científicos fue un gran acierto; entre esos jóvenes se encuentran: el químico Gay-Lussac, el naturalista Humboldt, el físico Poisson, y al joven Cauchy, que estaría destinado a convertirse en uno de los artífices principales de las matemáticas del siglo XIX

Contexto

La Transformada de Laplace es una técnica Matemática que forma parte de ciertas transformadas integrales como la transformada de Fourier, la transformada de Hilbert, y la transformada de Mellin entre otras. Estas transformadas están definidas por medio de una integral impropia y cambian una función en una variable de entrada en otra función en otra variable. La transformada de Laplace puede ser usada para resolver Ecuaciones

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Lo que establece la condición es que la función f(t) no crece más rápido que la función exponencial en el intervalo

3.2. Continua a trozos Continuidad a Pedazos Para motivos prácticos puede pensar a una función así como una función seccionada continua en cada una de las secciones pero que posiblemente no es continua en los puntos donde se unen dichas secciones. Los problemas que tiene la función son puntos aislados; no intervalos.

Estas funciones tienen graficas similares a:

Definición de la Transformada Inversa

La Transformada inversa de una función en s , digamos F(s) es una función de t cuya transformada es precisamente F(s) , es decir

si es que acaso

Esta definición obliga a que se cumpla:

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y

Tabla de Transformadas

  1. Obtención
  2. Obtención
  3. Obtención
  4. Obtención Para n entero
  1. Obtención Para
  2. Obtención Para s > a
  3. (^) Obtención
  4. Obtención

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  1. Primer Teorema de Traslación

donde

Idea La transformada de Laplace se convierte un factor exponencial en una traslación en la variable s. Versión para la inversa:

  1. Teorema de la transformada de la derivada

Idea La transformada de Laplace cancela la derivada multiplicando por la variable s.

  1. Teorema de la transformada de la integral
  2. Teorema de la integral de la transformada

Siempre y cuando exista

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  1. Teorema de la derivada de la transformada
  2. (^) Transformada de la función escalón Si representa la función escalón unitario entonces
  3. Segundo teorema de Traslación
  4. Transformada de una función periódica Si f(t) es una función periódica con período T :
  • Teorema de la Convolución Si f * g representa la convolución entre las funciones^ f^ y^ g^ entonces

Técnicas para la Transformada Inversa

  1. Separación de Fracciones,
  2. (^) Primer Teorema de Traslación,
  3. Fracciones Parciales
  4. Segundo Teorema de Traslación
  5. Convolución,

Método de Solución A ED basado en Laplace

Pasos

  1. Aplicar la transformada de Laplace en ambos miembros de la ED

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