12.6 Aufgaben zur Laplace-Transformation
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- Reinhold Wolf
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1 Aufgaben zu linearen Gleichungen 12.6 Aufgaben zur Laplace-Tranformation A B C D Man löe die folgenden Anfangwertprobleme durch Laplace-Tranformation: 1) ẍ ẋ x = ; x() = ẋ() = 1 2) x (3) 6ẍ + 12ẋ 8x = e 2t ; x() = ẋ() = ẍ() = 3) ẍ + 4x = H(t π) ; x() = ẋ() = Man löe die folgenden Syteme durch Laplace-Tranformation: 1) 2) ẋ + 2y = e t ẏ + 2x = e t ; x() = y() = ẍ + ẏ + 3x = 1 ÿ 4ẋ + 3y = ; x() = y() = ẋ() = ẏ() = Man löe die Euler-Gleichung tẍ ẋ = durch Laplace-Tranformation. Sei f: [, [ IR in jedem endlichen Intervall abolut integrierbar und höchten von exponentiellem Wachtum. D.h. e gibt Kontanten M, k IR mit f(t) M e kt für alle t ab einem T >. Man beweie: 1) f(t) it L-tranformierbar und da Laplace-Integral konvergiert für > k abolut. 2) Konvergiert da Laplace-Integral für abolut, o konvergiert e im Intervall [, [ gleichmäßig. 3) Die L-Tranformierte von f(t) trebt gegen für. E Laplace-Tranformation periodicher Funktionen: Sei f: [, [ IR L-tranformierbar und periodich mit der Periode T >. Zeigen Sie, daß dann L{f(t)} = F () = F Beweien Sie den Differentiationatz 6.2.(8). G 1 1 e T e t f(t) dt. Finden Sie außerdem ein Beipiel einer L-tranformierbaren Funktion f(t), deren Ableitung nicht L-tranformierbar it. Grenzwerte von Bild und Urbild: Sei f(t) für t > differenzierbar. Man beweie: 1) It f (t) L-tranformierbar, o gilt lim F () = lim f(t) =: f(+). t + 2) It f (t) in [, [ abolut integrierbar, o gilt lim F () = lim t f(t).
2 12.6 Laplace-Tranformation 293 H Sei f(t) := { für t < ln ln 3 ( 1) n e et /2 für ln ln n t < ln ln(n + 1) (n 3) Zeigen Sie, daß da Laplace-Integral und für alle IR abolut divergiert. Löungen: e t f(t) dt für alle IR konvergiert A Zur Laplace-Tranformation iehe Abchnitt 6. Eine kleine Tabelle von L- Tranformierten finden Sie im Anhang. (A.1) ẍ ẋ x = ; y() = ẋ() = 1 Laplace-Tranformation liefert L{ẍ ẋ x} = L{ẍ} L{ẋ} L{x} = ( 2 X() x() ẋ() ) ( X() x() ) X() = ( 2 1) X() =. Mit a 1 := 1 2 (1 + 5) und a 2 := 1 2 (1 5) gilt 2 1 = ( a 1 )( a 2 ). Auflöen nach X() und Rücktranformation nach Tabelle liefert: X() = 2 1 = = 1 1 (5 + 5) }{{} =:A 1 x(t) = A 1 e a1t + A 2 e a2t. ( a 1 )( a 2 ) 1 a (5 5) }{{} =:A 2 1 a 2 Hier gibt e übrigen einen Zuammenhang mit den Fibonacci-Zahlen F k (iehe z.b. [RA 1, E]). Für die Löung x(t) gilt ẍ = ẋ+x. n-malige Differenzieren liefert x (n+2) = x (n+1) + x (n). Wegen x() = ẋ() = 1 folgt F k = x (k) (). Anderereit it x (k) (t) = A 1 a k 1 e a1t + A 2 a k 2 e a2t und daher F k = x (k) () = A 1 a k 1 + A 2 a k 2. (A.2) x (3) 6ẍ + 12ẋ 8x = e 2t ; x() = ẋ() = ẍ() = E ind homogene Anfangbedingungen gegeben. L-Tranformation liefert: 3 X() 6 2 X() + 12 X() 8 X() = L{ e 2t } ( 2) 3 X() = 1 2 ; X() = x(t) = 1 3! t3 e 2t. 1 ( 2) 4
3 Aufgaben zu linearen Gleichungen (A.3) ẍ + 4x = H(t π) ; x() = ẋ() = Dabei it H(t) die Heaviide-Funktion. Laplace-Tranformation nach Tabelle und Verchiebungatz ergibt X() = e π 1 co 2(t π) x(t) = 4 H(t π) = in2 t 2 H(t π). B (B.1) ẋ + 2y = e t ẏ + 2x = e t ; x() = y() = Wegen der homogenen Anfangbedingungen ergibt Laplace-Tranformation da Sytem X() + 2 Y () = L{ e t } = X() + Y () = L{ e t } = 1 +1 Auflöen und Partialbruchzerlegung liefert X() = 2 +2 ( 2 1)( 2 4) = 1 ( ) 2 Y () = ( 2 1)( 2 4) = 1 ( ) 2 Rücktranformation liefert die Löung de Sytem: x(t) = 1 ( 3 2 e t e t 2 e 2t + e 2t) y(t) = 1 ( 3 e t + 2 e t 2 e 2t e 2t). (B.2) ẍ + ẏ + 3x = 1 ÿ 4ẋ + 3y = ; x() = y() = ẋ() = ẏ() = Laplace-Tranformation ergibt da Gleichungytem ( 2 + 3) X() + Y () = 1 4 X() + ( 2 + 3)Y () = Auflöung, Partialbruchzerlegung und Rücktranformation liefert X() = 2 +3 ( 2 +9)( 2 +1) = 1/3 / /4 2 +1
4 12.6 Laplace-Tranformation 295 Y () = 4 ( 2 +9)( 2 +1) = 1/ / x(t) = co 3t 1 4 co t y(t) = 1 6 in 3t in t C tẍ ẋ = L-Tranformation liefert mit Regeln (6.2.1) und (6.2.9) d d L{ẍ} L{ẋ} = d ( d 2 X() x() ẋ() ) ( X() x() ) = 2X() 2 X () + x() X() + x() = 3X() 2 X () + 2x() = Diee lineare Differentialgleichung für X() beitzt die allgemeine Löung X() = x() + C 3 (C IR) Rücktranformation liefert die allgemeine Löung der Auganggleichung x(t) = x() + C 2 t2. Man hätte diee Dgl natürlich auch ander löen können, etwa al Euler-Dgl oder durch Reduktion auf eine lineare Dgl 1. Ordnung mit Hilfe der Subtitution u(t) := ẋ(t). D Nach Vorauetzung it f: [, [ IR in jedem endlichen Intervall abolut integrierbar und e gibt Kontanten M, k IR mit f(t) M e kt für alle t ab einem T >. (D.1) Für > k gilt dann e t f(t) dt e t f(t) dt + M f(t) dt + M k <. T e t e kt dt Beachte, daß f(t) in endlichen Intervallen [, T ] abolut integrierbar it. Alo it da Laplace-Integral von f(t) für > k abolut konvergent und die L- Tranformierte F () von f(t) exitiert mindeten im Intervall ]k, [.
5 Aufgaben zu linearen Gleichungen (D.2) Sei f(t) L-tranformierbar und da Laplace-Integral von f(t) konvergiere für = abolut. Dann gibt e zu vorgegebenem ε > ein T > mit alle T > T. Dann gilt für alle >, T > T : e t f(t) dt < e t f(t) dt < ε. T T T e t f(t) dt < ε für Alo konvergiert da L-Integral von f(t) gleichmäßig im Intervall [, [. Da Reultat gilt unter chwächeren Vorauetzungen (iehe Doetch). (D.3) Für > zerlegen wir da L-Integral von f(t) in F () = 1 e t f(t) dt + 2 e t f(t) dt + e t f(t) dt. T 1 T 2 Zu vorgegebenem ε > wähle man T 1 > o klein, daß für gilt 1 1 e t f(t) dt f(t) dt ε 3. Nach Teil (D.2) kann man T 2 > T 1 o groß wählen, daß für > e t f(t) dt ε 3. T 2 Schließlich wähle man 1 > o groß, daß für 1 gilt 2 2 e t f(t) dt f(t) dt ε e 1T1 3. T 1 T 1 Alo it F () < ε für > 1. E Laplace-Tranformation periodicher Funktionen: Sei f: [, [ IR L-tranformierbar und periodich mit der Periode T >. Sei f(t) : für t <. Nach dem Verchiebungatz 6.2.(4) it dann mit f(t) auch f(t T ) tranformierbar und e gilt L{f(t)} = F () = L{f(t T )} = e T F (). { f(t) für t < T Nun it f(t) f(t T ) = und daher für t T ( 1 e T ) F () = L{f(t) f(t T )}() = Die Behauptung folgt. e t f(t).
6 12.6 Laplace-Tranformation 297 F Bewei de Differentiationatze: Sei f(t) im Intervall ], [ differenzierbar und die Ableitung f (t) L-tranformierbar. Nach Definition it dann f (t) in jedem endlichen Intervall [, T ] (ogar abolut) integrierbar und e gilt f (t) dt = lim ε + ε f (t) dt = lim f(t ) f(ε) = f(t ) lim f(ε). ε + ε + Alo exitiert der Grenzwert f( + ) := lim f(t). t + Setzt man vorau, daß f(t) höchten exponentielle Wachtum hat, o folgt für alle hinreichend großen mit partieller Integration: e t f (t) dt = e t f(t) t + t= }{{} = e t f(t) dt. Allgemeiner kann man o chließen: Sei > und da L-Integral Sei ψ(x) := x e t f (t) dt der Ableitung konvergent. e t f(t) dt, g(x) := e x ψ(x) und h(x) := e x. Zu zeigen it: Der Grenzwert F () = lim gilt F () + f( + ) = e t f (t) dt. x g(x) ψ(x) = lim x h(x) exitiert und e ψ, g und h ind differenzierbar, denn f it tetig. E gilt h (x) und h(x) für x. Ferner gilt g (x) h (x) = 1 [ ψ(x) + ψ (x) ] = 1 [ x ] e t f(t) dt + e x f(x) = 1 [ x ] e t f(t) t=x + e t f (t) dt + e x f(x) t= = 1 [ x ] e t f (t) dt + f( + ) 1 [ ] e t f (t) dt + f( + ). l Hopital liefert die Behauptung. Zuätzlich erhält man lim x ψ (x) = lim x e x f(x) =. Unter den gemachten Vorauetzungen kann alo f(t) nur von höchten exponentiellem Wachtum ein.
7 Aufgaben zu linearen Gleichungen G Beipiel 1: f(t) := ln t it L-tranformierbar, denn f(t) it in jedem endlichen Intervall [, T ] abolut integrierbar und der Logarithmu wächt nicht mal linear, gechweige denn exponentiell. Die Ableitung f (t) = 1/t it nicht L-tranformierbar, da da uneigentliche Integral 1 e t /t dt für alle IR divergiert. Beipiel 2: Für f(t) := 1 e t it f (t) = e t. Da Laplace-Integral von f (t) konvergiert für > 1, da L-Integral von f(t) nur für >. Beipiel 3: Für f(t) := e t in t 2 it f (t) = e t (in t 2 + 2t co t 2 ). Da Laplace-Integral von f(t) konvergiert für = 1, da L-Integral von f (t) divergiert für = 1. Beipiel 4: Für f(t) := e et in e et it f (t) = e t e et (in e et + e et co e et ). Da Laplace-Integral von f(t) konvergiert für > 1, da L-Integral von f (t) divergiert für alle. Grenzwerte von Bild und Urbild: f(t) erfüllt in beiden Auagen die Vorauetzungen de Differentiationatze 6.2.(8). Inbeondere exitiert lim t + f(t) =: f(+ ) und e it L{f (t)}() = e t f (t) dt = F () f( + ). (1) Nach Aufgabe 12.6.D.3 gilt L{f (t)}() für. Alo folgt die Behauptung (G.1): lim Exitiert zuätzlich da Laplace-Integral e t f (t) dt für =, o exitiert der Grenzwert f( ) := F () = lim f(t) =: f(+). t + lim f(t) = t t lim f (τ) dτ. t Nach dem Differentiationatz konvergiert da Laplace-Integral F () von f(t) für >. Nach Aufgabe 12.6.D.2 konvergiert da Laplace Integral von f (t) für ogar gleichmäßig. Man kann in Gleichung (1) den Lime für + mit dem Integral vertauchen und erhält lim + e t f (t) dt = Alo wie behauptet f (t) dt = f( ) f( + ) = lim F () = lim t f(t). lim F () f( + ). +
8 12.6 Laplace-Tranformation 299 H Sei f(t) := { für t < ln ln 3 ( 1) n e et /2 für ln ln n t < ln ln(n + 1) (n 3). Da Laplace-Integral von f(t) it icherlich für kein IR abolut konvergent, denn e t f(t) dt = exp ( t + e t /2 ) dt und e it e t /2 > t für alle t ab einem gewien t. Zur Unteruchung der einfachen Konvergenz betrachten wir zunächt I n := = ln ln(n+1) ln ln n n+1 n exp ( t + e t /2 ) dt (ln x) 1 x 1/2 dx. Dabei wurde ln x = e t ubtituiert. Der Integrand nimmt ab einer Stelle monoton gegen Null ab. Alo gilt I n für n und I n > I n+1 ab einem n. Die alternierende Reihe der Integrale ( 1) n I n konvergiert daher nach dem n=3 Leibnizkriterium. Dann konvergiert auch da Integral für ln ln n < u < ln ln(n + 1) gilt e t f(t) dt, denn u e t f(t) dt = = ln ln n n 1 ( 1) k I k + k=3 u e t f(t) dt + u ln ln n ln ln n e t f(t) dt e t f(t) dt und da letzte Integral it betragmäßig kleiner al I n. Für die Beipiel it die Konvergenzabzie σ = und die Abzie der aboluten Konvergenz σ a = +.
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