Chapitre 5 : calcul opérationnel ou transformation de Laplace

Math´ematiques appliqu´ees 2016-2017 Cl. Gabriel
Chapitre 5 : calcul op´erationnel ou transformation de Laplace
1 Transform´ee de Laplace
1.1 D´efinition
Definition (Transform´ee de Laplace) :
Soit F(t) une fonction de t, d´efinie pour t > 0. On d´efinit et on note L{F(t)}=f(s) la transform´ee de
Laplace de F(t) comme suit :
L{F(t)}=f(s) = Z
0
estF(t)dt(1)
o`u sest une variabe quelconque r´eelle ou complexe. Si sest dans C, on notera xet yses parties r´eelle et ima-
ginaire, donc s=x+jy.
La transform´ee de Laplace de F(t) existe si l’int´egrale pr´ec´edente converge pour certaines valeurs de s.
Exemples :
Si F(t)=1t>0
L{1}=f(s) = Z
0
est.1dt=1
sest
0
=1
she(x+jy)ti
0=1
snlim
t→∞ extejyt 1o
=1
ssi x > 0
donc on a :
L{1}=1
spour sC|Re(s) = x > 0 (2)
Si F(t) = tt>0
L{t}=f(s) = Z
0
esttdt
En inegrant par parties,
u=t
v0=est u0= 1
v=1
sest
on obtient :
Z
0
esttdt=1
stest
0
+1
sZ
0
estdt
=1
snlim
t→∞ te(x+jy)t0o+1
s1
sest
0
=1
s2(0 1) = 1
s2si x > 0
donc on a :
L{t}=1
s2pour sC|Re(s) = x > 0 (3)
1
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1.2 Conditions suffisantes d’existence de la transform´ee de Laplace
Th´eor`eme 1.1 (Existence de la transform´ee de Laplace) :
Si F(t)est continue par morceaux sur chaque intervalle fini 06t6Net si F(t)est d’ordre exponentiel γ
pour t>N, alors la transform´ee de Laplace f(s)existe stel que Re(s)> γ.
1.2.1 Hypoth`ese 1 : continuit´e par morceaux
Une fonction est dite continue par morceaux sur un intervalle α6t6βsi l’intervalle peut ˆetre subdivis´e
en un nombre fini d’intervalles sur lesquels la fonction est continue et a des limites `a droite et `a gauche finies
(mais non ´egales) en les points de la subdivision. On parle aussi de discontinuit´es de premi`ere esp`ece dans
ce cas.
Exemple :
1.2.2 Hypoth`ese 2 : fonction d’ordre exponentiel
Si des constantes r´eelles M > 0 et γtelles que t > N , |eγtF(t)|< M ou encore |F(t)|< Meγt on dit
que F(t)est une fonction d’ordre exponentiel γquand t→ ∞ ou plus simplement que F(t) est d’ordre
exponentiel.
Intuitivement, cela veut dire qu’`a partir d’une certaine valeur de t(= N), F(t) ne peut croˆıtre plus vite qu’une
exponentielle Meγt, donc que lim
t→∞ eγtF(t) = 0.
Exemples :
F(t) = t2est d’ordre exponentiel 1,2,3,··· puisque :
t2< et< e2t< e3t<··· ∀t > 0
F(t) = et3n’est pas d’ordre exponentiel puisque |eγtet3|=et3γt peut devenir aussi grand qu’on veut
lorsque taugmente (t3croˆıt plus vite que γt quand t→ ∞).
F(t) = eat est d’ordre exponentiel aRpuisque :
eat < eγt γ > a
2
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Remarque :
Le th´eor`eme (1.1) donne des conditions suffisantes pour garantir l’existence de la transform´ee de Laplace, mais
ces conditions ne sont pas n´ecessaires. La transform´ee de Laplace peut donc exister ou non si elles ne sont pas
v´erifi´ees.
1.3 Transform´ees de Laplace des fonctions ´el´ementaires
On a d´ej`a montr´e que :
L{1}=1
spour sC|Re(s) = x > 0
L{t}=1
s2pour sC|Re(s) = x > 0
On va g´en´eraliser et montrer que :
Si F(t) = tnt>0,L{tn}=n!
sn+1 pour sC|Re(s) = x > 0nN
En effet :
L{tn}=f(s) = Z
0
esttndt
Par parties : u=tn
v0=est u0=ntn1
v=1
sest
on obtient :
Z
0
esttndt=1
stnest
0+n
sZ
0
tn1estdt
= 0 + n
sLtn1pour sC|Re(s) = x > 0
=n(n1)
s2Ltn2
=···
=n!
snL{1}par r´ecurrence sur n
=n!
sn+1
donc :
L{tn}=n!
sn+1 pour sC|Re(s) = x > 0nN(4)
Si F(t) = eat t>0a=x0+jy0C,
Leat=f(s) = Z
0
esteatdt
=Z
0
e(sa)tdt
=1
sahe(sa)ti
0
=1
sahe(xx0)tej(yy0)ti
0
=1
sa{01}si xx0>0x>x0
=1
sa
donc :
Leat=1
sapour sC|Re(s)>Re(a) (5)
3
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Si F(t) = sin at t>0a=x0+jy0C,
L{sin at}=f(s) = Z
0
est sin atdt
= lim
P→∞ ZP
0
est sin atdt
= lim
P→∞ est(ssin at acos at)
s2+a2P
0
= lim
P→∞ a
s2+a2esP
s2+a2(ssin aP +acos aP
=a
s2+a2si Re(s)>0 (6)
Remarque : on a utilis´e la primitive suivante :
Zeαt sin βtdt=eαt(αsin βt βcos βt)
α2+β2
qui s’obtient par une double int´egration par parties.
Si F(t) = cos at t>0a=x0+jy0C,
L{cos at}=f(s) = Z
0
est cos atdt
= lim
P→∞ ZP
0
est cos atdt
= lim
P→∞ est(scos at +asin at)
s2+a2P
0
= lim
P→∞ s
s2+a2esP
s2+a2(scos aP asin aP
=s
s2+a2si Re(s)>0 (7)
Remarque : on a utilis´e la primitive suivante :
Zeαt cos βtdt=eαt(αcos βt +βsin βt)
α2+β2
qui s’obtient par une double int´egration par parties.
1.3.1 esum´e des transform´ees de Laplace des fonctions ´el´ementaires
F(t)f(s) = L{F(t)}
11
s
t1
s2
tnn!
sn+1 n= 0,1,2,···
eat 1
sa
sin at a
s2+a2
cos at s
s2+a2
sinh at a
s2a2
cosh at s
s2a2
Remarque : les deux derni`eres lignes de ce tableau seront prouv´ees ult´erieurement mais peuvent d´ej`a ˆetre
comprises `a l’aide des transformations suivantes :
sinh at =eat eat
2=ej2at e+j2at
2=ej(ajt)ej(ajt)
2=ej(ajt)ej(ajt)
2== jsin(jat)
cosh at =eat +eat
2=ej2at +e+j2at
2=ej(ajt)+ej(ajt)
2= cos(jat)
4
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donc :
L{sinh at}=jL{sin(jat)}=jja
s2+ (ja)2=a
s2a2
L{cosh at}=L{cos(jat)}=s
s2+ (ja)2=s
s2a2
1.3.2 Exercices : transform´ees de Laplace des fonctions ´el´ementaires
Exercice 1
Trouver la transform´ee de Laplace des fonctions suivantes et sp´ecifier les valeurs de spour lesquelles elle existe :
2e4t
3e2t
5t3
2t2et
3 cos 5t
10 sin 6t
6 sin 2t5 cos 2t
t2+ 12
(sin tcos t)2
3 cosh 5t4 sinh 5t
Exercice 2
Calculer :
• Ln5e2t32o
• L4 cos22t
• Lcosh24t
Exercice 3
Trouver L{F(t)}si :
F(t) = 0 pour 0 <t<2
4 pour t > 2
F(t) = 2tpour 0 6t65
1 pour t > 5
Exercice 4
Montrer que :
L{tn}=n!
sn+1 n= 1,2,3,···
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