Calculadora de transformada de Laplace inversa (frações parciais)

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Resultado

f(t)2e−t − e−2t
Polos−1, −2
Fraçãoprópria

Encontre a transformada de Laplace inversa de uma função racional F(s) = N(s)/D(s). Digite os coeficientes do numerador e do denominador, com a maior potência de s primeiro. A calculadora cancela fatores comuns, divide uma fração imprópria, encontra os polos, calcula cada coeficiente das frações parciais (para polos distintos, repetidos e complexos) e escreve f(t) como uma soma de exponenciais, potências de t, senos e cossenos.

Solução passo a passo

Escreva F(s) como uma razão de polinômios

F(s) = (s + 3)/(s² + 3s + 2)

Polos: raízes do denominador

D(s) = (s + 1)(s + 2)
s = −1
s = −2

Frações parciais

s = −1: A = [(s + 1)·F(s)]s = −1 = 2
s = −2: A = [(s + 2)·F(s)]s = −2 = −1
F(s) = 2/(s + 1) − 1/(s + 2)

Pares de transformadas usados

1/(s − a) ↔ eat

Transformada de Laplace inversa

f(t) = 2e−t − e−2t
válida para t ≥ 0 (f(t) = 0 para t < 0)

Como encontrar uma transformada de Laplace inversa com frações parciais

  1. Verifique se F(s) é própria: se o grau do numerador não for menor que o do denominador, divida primeiro. A parte polinomial gera impulsos δ(t), δ′(t) e assim por diante.
  2. Fatore o denominador para encontrar os polos: um polo real a dá um fator (s − a), um par complexo a ± bj dá (s − a)² + b².
  3. Escreva F(s) como uma soma de frações parciais e encontre os coeficientes. Para um polo simples, A = [(s − a)·F(s)] em s = a (método de Heaviside); polos repetidos exigem derivadas.
  4. Transforme cada termo com a tabela: 1/(s − a) ↔ e^(at), 1/(s − a)ⁿ ↔ tⁿ⁻¹·e^(at)/(n − 1)! e (s − a)/((s − a)² + b²) ↔ e^(at)·cos bt.
  5. Some os termos para obter f(t) para t ≥ 0.

Perguntas e respostas

Como digito F(s)?

Digite os coeficientes de cada polinômio da maior potência de s para baixo, separados por espaços, com zeros nas potências ausentes. (s + 3)/(s² + 3s + 2) tem numerador 1 3 e denominador 1 3 2; 1/(s³ + 4s) tem numerador 1 e denominador 1 0 4 0. Frações como 1/2 e decimais são permitidos.

O que é o método de Heaviside (cover-up)?

Para um polo simples em s = a, multiplique F(s) por (s − a), cancele e substitua s = a. Para F(s) = (s + 3)/((s + 1)(s + 2)) isso dá 2/1 = 2 em s = −1 e 1/(−1) = −1 em s = −2, logo f(t) = 2e^(−t) − e^(−2t).

Como os polos complexos são tratados?

Um par de polos a ± bj dá um termo (B(s − a) + C·b)/((s − a)² + b²), cuja inversa é e^(at)·(B cos bt + C sen bt). A calculadora encontra B e C a partir do coeficiente complexo A em a + bj: B = 2·Re A e C = −2·Im A.

E se o grau do numerador for alto demais?

Então F(s) é imprópria. A divisão de polinômios dá F(s) = Q(s) + R(s)/D(s). O polinômio Q(s) se transforma em impulsos: uma constante c dá c·δ(t), c·s dá c·δ′(t) e assim por diante. A parte própria R(s)/D(s) é expandida em frações parciais como de costume.

Qual a exatidão dos resultados?

Fatores comuns e fatores repetidos são encontrados exatamente, com frações. As raízes e os coeficientes são então calculados numericamente com cerca de 14 dígitos e mostrados com 4 algarismos significativos, de modo que polos irracionais, como os de s² + s + 1, aparecem como decimais.

Por que f(t) só vale para t ≥ 0?

A transformada de Laplace unilateral usa apenas os valores de f para t ≥ 0. A rigor, o resultado é f(t)·u(t), com u o degrau unitário, de modo que f(t) = 0 para t < 0.

Pratique você mesmo

Pratique Transformadas de Laplace

Uma calculadora dá a resposta. Na prova você precisa do método: pratique-o com exercícios novos, dicas e soluções resolvidas.

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