12 CHAPITRE 1 TRANSFORMATION DE LAPLACE AU SENS DES FONCTIONS D Formule de Bromwich-Wagner Soit G une fonction holomorphe donnée
Previous PDF | Next PDF |
[PDF] table de transformées de Laplace
Table de transformées de Laplace f (t) F(s) P1 1 ou u(t) 1 s P2 t 1 s2 P3 tn (n entier positif ) n sn+1 P4 e−a t 1 s +a P5 t e−a t 1 (s +a)2 P6 sin(ωt) ω
[PDF] TD 5, Transformation de Laplace
14 oct 2016 · On appelle transformée de Laplace de f la fonction de variable réelle ou complexe Si l'on fait tendre h vers 0+ dans cette formule, on obtient :
[PDF] Transformation de Laplace
On appelle transformée de Laplace l'application définie par : de Laplace est analytique sur le domaine de sommabilité {z ∈ C/Re(z) > s0} et on a la formule :
[PDF] Transformées de Laplace des fonctions et des distributions
12 CHAPITRE 1 TRANSFORMATION DE LAPLACE AU SENS DES FONCTIONS D Formule de Bromwich-Wagner Soit G une fonction holomorphe donnée
[PDF] Transformation de Laplace
30 avr 2003 · La transformée de Laplace est un opérateur linéaire : L(f + g) = L(f) + L(g) l' original est donné par la formule de Heaviside : f(t) = n ∑ i=1
[PDF] Transformation de Laplace Table
I Impulsion δ(t) de durée t0 → 0, d'amplitude A et d'intensité I = A t0 e -τp Impulsion unitaire retardée δ(t-τ) 1 p Echelon unitaire u(t) E p Echelon d' amplitude
[PDF] la transformée de Laplace
On utilise aussi l'expression F(s) pour décrire la transformée de Laplace : F(s) = L {f (t)} (1 2) 1 Page 2 CHAPITRE 1 LA TRANSFORM ´EE DE LAPLACE Cette
[PDF] 1 Les transformées de Laplace
Pour les Transformée de Laplace, le signal ne commence son existence qu'à un On prétend que cette formule est gravée sur la tombe de Boltzmann
[PDF] Transformation de Laplace - Mathématiques du Cnam
Condition nécessaire d'existence de la transformée de Laplace : La formule (1) est valide lorsque Re(p) > α0, où α0 est l'abscisse de convergence, avec
[PDF] Largeur d'un Ravin
[PDF] Largeur d'une rivière
[PDF] largeur d'épaule
[PDF] largeur d'un rectangle
[PDF] largeur épaule femme
[PDF] largeur épaule moyenne homme
[PDF] largeur epaule taille 36
[PDF] largeur longueur
[PDF] largeur synonyme
[PDF] largeur voiture avec retroviseur
[PDF] larp algorithme telecharger
[PDF] LART EST IL INUTILE
[PDF] las casas et sepulveda point commun
[PDF] las dos fridas
Transform´ees de Laplace
des fonctions et des distributionsCours et exercices
IFIPS-Universit´e de Paris-Sud - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr 2 Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.frChapitre 1Transformation de Laplaceau sens des fonctionsIntroductionD´efinition de la transform´ee de LaplaceCaract´erisation et holomorphiePropri´et´es de la transform´ee de LaplaceComportements asymptotiquesInversion de la transform´ee de LaplaceExercices1.1 Introduction
La transform´ee de Laplace appartient `a la famille tr`es vaste des transform´ees int´egrales, qui ´etablissent une relation entre une fonctionfet sa transform´eeF sous la forme :F(ω) =?
IK(ω,t)f(t)dt
Une transform´ee particuli`ere n´ecessite donc la d´efinition du noyauK(ω,t) et de l"intervalle d"int´egrationI. Les transformations les plus utilis´ees sont celles deFourier, pour laquelle on a :
I=RetK(ω,t) =e-iωt, ω?R(Fourier),
et celles de Laplace, pour laquelle on a : I=R+etK(ω,t) =e-ωt, ω=ωr+iωi?C(Laplace). Puisqueωest complexe, la tranformation de Laplace peut ˆetre vue comme une g´en´eralisation de la transformation de Fourier, restreinteaux fonctions d´efinies sur 34CHAPITRE 1. TRANSFORMATION DE LAPLACE
AU SENS DES FONCTIONS
R +. La restriction `aR+n"est gu`ere contreignante dans les applications r´ealistes o`uf(t) repr´esente un signal physique `a l"instanttqui ne peut exister de toute ´eternit´e. Il est en effet toujours possible de choisir l"instanto`u on d´emarre les mesures comme l"origine des temps. De ce point de vue, l"analysede Fourier est plus adapt´ee `a l"´etude des r´egimes forc´es, tandis que l"analyse de Laplace convient davantage pour l"´etude des r´egimes transitoires. En revanche, il est extrˆemement b´en´efique de passer de la variable r´eelle `a la variable complexe qui rajoute le facteur de convergence e-ωrtdans l"int´egrale, au moins dans une partie du plan complexe. Il en r´esulte qu"ungrand nombre de fonctions admettent une transform´ee de Laplace, ce qui n"est pas le cas des transform´ees de Fourier. Pour peu qu"ils soient lin´eaires, la transform´ee de Laplace est un outil tr`es simple d"emploi pour r´esoudre les probl`emes d"´evolution (´equations diff´erentiellesou aux d´eriv´ees partielles, ´equations aux diff´erences ouint´egrales ...). Le prin-
cipe g´en´eral d"action de la transform´ee de Laplace sur les op´erateurs d"´evolution
consiste en une r´eduction de l"ordre des op´erateurs. Par transform´ee de Laplace, les ´equations diff´erentielles deviennent des ´equationsalg´ebriques, tandis que les´equations aux d´eriv´ees partielles se transforment en des ´equations diff´erentielles.
Il en r´esulte une simplification efficace des probl`emes qui permet souvent leur r´esolution analytique.1.2 D´efinition de la transform´ee de Laplace
D´efinition 1.2.1Soitfune fonction de la variable r´eelle, la trans- form´ee de Laplace def, lorsqu"elle existe, est la fonctionFde la variable complexezd´efinie par l"int´egrale :F(z)≡?
R +f(t)e-ztdtRemarques
1. On appellef,l"originaleet sa transform´eeF,l"image.
2. Les notations utilis´ees pour les transform´ees de Laplace sont tr`es vari´ees et
d´ependent du domaine d"application. Afin de souligner sa nature d"´el´ement deC, nous avons not´e la variable ind´ependante parz. Les lettrespetssont´egalement utilis´ees.
3. On remarquera que les valeurs defpoutt <0 n"interviennent pas dans la
d´efinition. Une fonctionfest ditecausalesif(t) = 0 pourt <0. On peut toujours rendre une fonction causale en la multipliant par lafonction de Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr1.2. D´EFINITION DE LA TRANSFORM´EE DE LAPLACE 5
HeavisideH, ce que nous ferons couramment dans la suite. La transform´ee de Laplace d"une fonction n"existe en g´en´eral que dans une partie du plan complexe. Pozonsz=x+iy, l"existence deF(z) impose que : t?→ |f(t)e-zt|=|f(t)|e-xt?L1(R+) Introduisons d"abord la notion d"abcisse de sommabilit´e.D´efinition 1.2.2Le nombre r´eel :
x0≡inf{x?R|t?→f(t)e-xt?L1(R+)}
est appel´e l"abcisse de sommabilit´e def. On peut maintenant donner le th´eor`eme d"existence suivant : Th´eor`eme 1.2.1Sifest une fonction d"abcisse de sommabilit´ex0, alors, la transform´ee de LaplaceFexiste dans le demi-plan ouvert?z > x0.En effet, posonsz=x+iy,
R +|f(t)|e-xtdt R +|f(t)|e-x0tdt <+∞, pour?z=x > x0.En cons´equence,Fest born´ee pour?z > x0.
?Exemples1.Fonction de HeavisideH.
L"abcisse de sommabilit´e estx0= 0, puisquet?→H(t)e-xt?L1(R+) pourx >0. Le calcul de la transform´ee est imm´ediat : f(t) =H(t)L-→F(z) =? R +e -ztdt=1 zpour?z >0.2.Fonction puissancet?→tn.
Commen¸cons par le cas lin´eaire :t?→te-xt?L1(R+) pourx >0. On effectue le calcul par parties : f(t) =tL-→F(z) =? R +t e-ztdt=1 z? R +1 e-ztdt=1z2pour?z >0.Puis, par r´ecurrence, pourn?N,
f(t) =tnL-→F(z) =? R +t ne-ztdt=n z? R +t n-1e-ztdt=n!zn+1pour?z >0. Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr6CHAPITRE 1. TRANSFORMATION DE LAPLACE
AU SENS DES FONCTIONS
3.Fonction exponentiellet?→eat.
f(t) =eatL-→F(z) =? R +e ate-ztdt=1 z-apour?z >?a.4.Fonctiont?→1/⎷
t. t -1/2e-xt≂t-1/2quandt→0 ett-1/2e-xt≂e-xtquandt→+∞, doncF(z) converge pourx=?z >0. f(t) =1 ⎷tL-→F(z) =? R +1⎷te-ztdt=? R e -zu2du=? zpour?z >0,(la derni`ere ´egalit´e est obtenue en calculant le carr´e de l"int´egrale). Pour le calcul
dez1/2, on choisira la d´etermination principale du logarithme detelle sorte qu"on obtienne le r´esultat usuel sizest r´eel.1.3 Holomorphie
Commen¸cons par pr´eciser la relation entre la transform´ee de Fourier et la transform´ee de Laplace. Six0est l"abcisse de sommabilit´e def, la fonctiont?→ H(t)f(t)e-xtest sommable surRpourx > x0. La transform´ee de Laplace de fpeut alors s"´ecrire comme une transform´ee de Fourier. En effet, posonsz= x+i2πy:F(x+i2πy) =?
R +f(t)e-xte-i2πytdt=? R?H(t)f(t)e-xt?e-i2πytdt
soit encore :F(x+i2πy) =F?H(t)f(t)e-xt?(y),pourx > x0
o`uFd´esigne la transform´ee de Fourier. Cette remarque facilitera certaines d´emonstrations. Ainsi une transposition directe du r´esultat connu sur les transform´ees de Fou- rier conduit au r´esultat suivant, important dans la pratique, l"´egalit´e des images par TL implique l"´egalit´e des originaux (presque partout 1) :F(z) =G(z) pour?z > x0,?f(t) =g(t) (p.p.),
o`ux0est la plus grande des 2 abcisses de sommabilit´e des fonctionsfetg.1C"est-`a-dire `a l"exception d"un ensemble de mesure nulle.
Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr1.4. PROPRI´ET´ES DE LA TRANSFORM´EE DE LAPLACE 7
Concernant les propri´et´es d"holomorphie, on a le r´esultat suivant : Th´eor`eme 1.3.1Soitfune fonction d"abcisse de sommabilit´ex0: - L"abcisse de sommabilit´e de la fonctiont?R+?→(-t)mf(t)estx0. -Fest holomorphe dans le demi-plan?z > x0, et dF m(z) dzm=? R +(-t)mf(t)e-ztdt En effet, les 2 fonctionst?→f(t)e-xtett?→(-t)mf(t)e-xtont le mˆeme comportement `al"infini, donc la mˆeme abcisse de sommabilit´e. Il faut justifier la d´erivation sous le signe somme,
ce qui r´esulte de l"in´egalit´e : pour toutz=x+iytel quex > x0. La fonction majorante ´etant int´egrable, on peut permuterla d´erivation et le signe int´egral, d"o`u le r´esultat.F?(z) est fini en tant que TL : on en d´eduit
donc l"holomorphie deF. ?Exemples1.1(z+a)2=-ddz?
1z+a?L←-f(t) =te-at.
2. sintL-→=1
z2+1donc,tsintL-→ -ddz?1z2+1?
=2z(z2+1)2.1.4 Propri´et´es de la transform´ee de Laplace
Outre la propri´et´e de lin´earit´e qui d´ecoule de la d´efinition int´egrale de la
transform´ee de Laplace, les propri´et´es de translation, conjugaison et dilatation qui suivent sont obtenues par de simples changements de variables (le v´erifier). ?Lin´earit´e λf(t) +μg(t)L-→λF(z) +μG(z),avecλ,μ?C. ?Translation2H(t-t0)f(t-t0)L-→e-zt0F(z), t0?R+.
e -atf(t)L-→F(z+a). ?Conjugaison¯f(t)L-→
F(¯z).
2Les propri´et´es associ´ees `a la translation des variables sont parfois appel´ees " th´eor`emes du
retard ". Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr8CHAPITRE 1. TRANSFORMATION DE LAPLACE
AU SENS DES FONCTIONS
?Dilatationλ >0, f(λt)L-→1
λF?zλ?
?Exemples1.Fonctiont?→tneat.
t n n!L-→1zn+1, donctneatn!L-→1(z-a)n+1, et pour finirtneatL-→n!(z-a)n+1.2.Original de1
z2-2z+5. 1 z2-2z+5=1(z-1)2+4L←-etsin2t2.3.Fonctiont?→e-atsinat.
e -tsintL-→1 (z+1)2+1, donce-atsinatL-→1a1(z/a+1)2+1=a(z+a)2+a2 ?D´erivation Une des applications importantes de la transformation de Laplace ´etant la r´esolution des ´equations diff´erentielles, le th´eor`eme suivant est capital. Th´eor`eme 1.4.1Soitfune fonction continue surR+, sauf ´eventuellement ent= 0o`ulimt→0+f(t)≡f(0+)existe. On suppose en outre quef?est une fonction continue par morceaux qui admet une transform´ee de Laplace, alors : f ?(t)L-→zF(z)-f(0+),La d´emonstration se fait par parties.
Ce r´esulat se g´en´eralise ais´ement (par r´ecurrence) pour les d´eriv´ees d"ordres
sup´erieurs : f (n)(t)L-→znF(z)-zn-1f(0+)-zn-2f?(0+)- ··· -f(n-1)(0+). L"apparente complication de la formule vient des sauts possibles `a l"origine et de ses d´eriv´ees. On verra que ces termes sont pris automatiquement en compte dans le cadre des distributions. Notons enfin que l"hypoth`ese de continuit´e pour les (n-1) premi`eres d´eriv´ees pourt?= 0 est obligatoire pour une utilisation correcte de cette formule (cf. exercices). ?Exemple Soit `a r´esoudre l"´equation diff´erentielle y ??(t) +y(t) = cost, y(0) = 1, y?(0) = 0. Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr1.4. PROPRI´ET´ES DE LA TRANSFORM´EE DE LAPLACE 9
La transform´ee de LaplaceY(z) s"´ecrit
Y(z) =z
z2+ 1+z(z2+ 1)2?y(t) =H(t)? cost+t2sint? ?Int´egration Ainsi, prendre la TL d"une d´eriv´ee revient essentiellement `amultiplier parz. On ne sera pas surpris du r´esultat r´eciproque : une division parzcorrespond `a une int´egration de la fonction.Th´eor`eme 1.4.2Soit?t
0f(t?)dt?la primitive defqui s"annule en0, alors
t 0 f(t?)dt?L-→F(z) z,Posonsg(t)≡?t
0f(t?)dt?. On a manifestementg?(t) =f(t) etg(0) = 0. On a donc `a la fois
f(t)L-→F(z) etg?(t)L-→zG(z) par application du th´eor`eme pr´ec´edent. L"identifica-
tion de ces 2 r´esultats conduit au th´eor`emeg(t)L-→G(z) =F(z)/z. ?ExempleOriginal de1z⎷z
1 z⎷z=1/⎷ z zL←-?t01⎷πt?dt?= 2?
t ?Convolution Venons en maintenant au propri´et´es li´ees au produit de convolution. On rappelle que le produit de convolutionf ? gde 2 fonctions int´egrablesf etgest d´efini par la relation : (f ? g)(t)≡? R f(t?)g(t-t?)dt? Supposons maintenant quefetgsoient des fonctions causales. On a doncf(t?) =0 poutt?<0 etg(t-t?) = 0 pourt?> t. Le domaine d"int´egration est donc
restreint `a l"intervalle [0,t] dans le cas de fonctions causales : (f ? g)(t) =t 0 f(t?)g(t-t?)dt?(f et g causales). Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr10CHAPITRE 1. TRANSFORMATION DE LAPLACE
AU SENS DES FONCTIONS
On remarquera quef ? gest elle-mˆeme causale, puisquef(t?) = 0 pourt?<0.Le th´eor`eme central est le suivant.
Th´eor`eme 1.4.3Soientfetg2 fonctions causales qui admettent des TL, alors (f ? g)(t)L-→F(z).G(z)pour?z > x0, o`ux0est la plus grande des 2 abcisses de sommabilit´es defetg. C"est une cons´equence du th´eor`eme de Fubini. ?Exemples1.Calcul deH(t)t ? H(t)t2.
t ? t2L-→1
z2.2z3=2z5L←-2t44!=t4122.Original de1
(z-1)(z-2). 1 (z-1)(z-2)=1z-1.1z-2L←-et?e2t=?t0e2(t-u)eudu=e2t-et.
1.5 Comportements asymptotiques
?Comportement `a l"infini On sait d´ej`a que les transform´ees de Laplace sont born´ees etholomorphes pour?z > x0. Montrons en outre que la transform´ee de Laplace tend vers 0 `a l"infini. Th´eor`eme 1.5.1Soitfune fonction d"abcisse de sommabilit´ex0, alors lim |z|→+∞F(z) = 0,pour?z > x0. En effet, posonsz=x0+Reiθ. Prenons d"abord|θ|< π/2, alors lim|z|→+∞|f(t)e-zt|= limR→+∞|f(t)|e-x0te-Rcosθt= 0, puisque cosθ >0. On obtient le r´esultat par application du
th´eor`eme de convergence domin´ee. Lorsqueθ=π/2, on exprime la TL comme une TF et on utilise le lemme de Riemann-Lebesgue. ?Th´eor`eme de la valeur finale Comme pour la transform´ee de Fourier, il existe une correspondance entre le comportement d"une fonctionfent= +∞(ou ent= 0), et le comportement Transform´ees de Laplace - 2008 - raimbault@lptp.polytechnique.fr