Cálculo IV · Laplace inversa

Convolução na prática

Um jeito de inverter uma transformada que é o produto de duas coisas da tabela. Você troca fração parcial por uma integral.

A ideia em uma linha

Se você sabe inverter $F(s)$ e $G(s)$ separadas, a inversa do produto é esta integral:

$$\L^{-1}\{F(s)\cdot G(s)\}=\int_0^t f(t-u)\,g(u)\,du$$

Essa integral se chama convolução e se escreve $(f*g)(t)$. Não é multiplicar $f$ por $g$. É somar, para cada instante $u$ entre $0$ e $t$, o valor de $g$ em $u$ vezes o valor de $f$ no tempo que falta até $t$.

Pense em ecos

Imagine que g(u) é a força de uma batida no instante $u$, e que f diz quanto de uma batida ainda se ouve depois de passado um tempo. No instante $t$, a batida dada em $u$ já tem idade $t-u$, então ela contribui com g(u) · f(t−u). O som total em $t$ é a soma de todos esses ecos: a integral de $0$ a $t$.

Veja acontecendo

Escolha um exemplo e arraste o $t$. A área vermelha do gráfico de cima é o valor da convolução naquele $t$, e ela desenha a curva verde de baixo.

dentro da integral (eixo u, de 0 até t)
g(u) f(t−u): f espelhada e arrastada até t produto (a área é a resposta)
Área vermelha (integral numérica)0
Fórmula final calculada em t0
resultado (f∗g)(t) (eixo t)

Os dois números são sempre iguais: a fórmula que sai da conta no papel é exatamente a área que você está vendo.

Receita de 4 passos

Exemplo completo com a 2(a) da lista 4.4: $\;\L^{-1}\left\{\dfrac{1}{s^4(s^2+1)}\right\}$

  1. Separe em dois fatores da tabela

    $$\frac{1}{s^4(s^2+1)}=\frac{1}{s^4}\cdot\frac{1}{s^2+1}$$
  2. Inverta cada fator sozinho

    $$\frac{1}{s^4}\to\frac{t^3}{6}\qquad\qquad\frac{1}{s^2+1}\to\sen t$$

    O $6$ aparece porque $\L\{t^3\}=3!/s^4=6/s^4$.

  3. Monte a integral

    Numa função troque $t$ por $t-u$. Na outra, troque $t$ por $u$.

    $$\int_0^t\frac{(t-u)^3}{6}\,\sen u\;du$$

    Tanto faz qual das duas leva o $t-u$. Aqui foi o polinômio, porque ele some depois de três derivadas.

  4. Integre em u, com t fixo

    Por partes três vezes: derive o polinômio, integre o seno ou cosseno. Cada colchete zera em $u=t$.

    $$\frac{t^3}{6}-\int_0^t\frac{(t-u)^2}{2}\cos u\,du$$ $$\int_0^t\frac{(t-u)^2}{2}\cos u\,du=\int_0^t(t-u)\sen u\,du=t-\sen t$$
    $$\L^{-1}\left\{\frac{1}{s^4(s^2+1)}\right\}=\frac{t^3}{6}-t+\sen t$$

    É o segundo exemplo do gráfico acima. Confira lá que a área bate.

Três cuidados que evitam erro

Quando usar cada método

Cara do denominadorMétodo
Fatora em lineares, como $s(s-4)$Frações parciais
Não fatora (delta negativo), como $s^2+4s+5$Completar quadrado
Produto de dois pedaços da tabela, ou a questão pedeConvolução

Convolução só serve para voltar de um produto em $s$. Ela não transforma produto de funções em $t$, como $t^5\cdot5^t$.

Treine

Tente no papel antes de abrir a resposta.

1. $\L^{-1}\left\{\dfrac{1}{s(s+3)}\right\}$

Ver resolução

Fatores: $\dfrac1s\to1$ e $\dfrac{1}{s+3}\to e^{-3t}$. Deixe o $1$ com o $t-u$ (ele não muda):

$$\int_0^t 1\cdot e^{-3u}\,du=\frac{1-e^{-3t}}{3}$$

2. $\L^{-1}\left\{\dfrac{1}{s^2(s-1)}\right\}$

Ver resolução

Fatores: $\dfrac{1}{s^2}\to t$ e $\dfrac{1}{s-1}\to e^{t}$. O $t-u$ vai no polinômio:

$$\int_0^t(t-u)\,e^{u}\,du=\Big[(t-u)e^{u}\Big]_0^t+\int_0^t e^{u}\,du=-t+e^{t}-1$$

Resposta: $e^{t}-t-1$.

3. $\L^{-1}\left\{\dfrac{1}{(s^2+1)^2}\right\}$

Ver resolução

Os dois fatores são $\dfrac{1}{s^2+1}\to\sen t$. Use $\sen a\,\sen b=\tfrac12[\cos(a-b)-\cos(a+b)]$ com $a=u$ e $b=t-u$:

$$\int_0^t\sen u\,\sen(t-u)\,du=\frac12\int_0^t\big[\cos(2u-t)-\cos t\big]du=\frac{\sen t-t\cos t}{2}$$

Essa não sai por fração parcial nos reais. É o caso em que a convolução é o caminho natural.