






Study with the several resources on Docsity
Earn points by helping other students or get them with a premium plan
Prepare for your exams
Study with the several resources on Docsity
Earn points to download
Earn points by helping other students or get them with a premium plan
Community
Ask the community for help and clear up your study doubts
Discover the best universities in your country according to Docsity users
Free resources
Download our free guides on studying techniques, anxiety management strategies, and thesis advice from Docsity tutors
The existence and properties of Laplace transforms. It explains the conditions for the existence of Laplace transforms and provides a theorem and proof for the same. It also discusses the first translation property and provides an example to find Laplace transforms of different functions. relevant for students studying mathematics, engineering, and physics.
Typology: Summaries
1 / 10
This page cannot be seen from the preview
Don't miss anything!
1.4: Existence of Laplace Transforms
The Laplace transform of any function ๐(๐ก) will exist if the integral in Section
(1.1) is convergent. For the purpose, the whole integrand ๐
โ๐ ๐ก
๐(๐ก) goes to zero
fast enough as ๐ก โ โ, at least like an exponential function with a negative
exponent. This implies that ๐(๐ก) itself should not grow faster than, ๐
๐๐ก
This motivates the inequality (1.2) given in the following theorem:
Theorem 1.1: Let ๐(๐ก) be a function that is piecewise continuous on every finite
interval in the range ๐ก โฅ 0 and satisfies
๐๐ก
for all ๐ก โง 0 , โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ โฆ ( 1. 2 )
and for some constants ๐ and ๐. Then the Laplace transform of ๐(๐ก) exists
for all ๐ > ๐.
Proof: Since ๐(๐ก) is continuous, the integrand ๐
โ๐ ๐ก
๐(๐ก) is integrable over any
finite interval on the t-axis.
From (1.2), assuming that ๐ > ๐, we obtain
โ๐ ๐ก
โ
0
โ
0
โ๐ ๐ก
โ
0
๐๐ก
โ๐ ๐ก
where the condition ๐ > ๐ was needed for the existence of the last integral.
This completes the proof of the theorem.
1.5: Properties of Laplace Transform
1.5.1: First Translation Property or First Shifting Property
Statement: If ๐ฟ
(๐ ), then ๐ฟ
โ๐๐ก
Proof: ๐ฟ{๐
โ๐๐ก
โ๐ ๐ก
โ
0
โ๐๐ก
โ
( ๐ +๐
)
โ
0
Corollary: If ๐ฟ{๐(๐ก)} = ๐
(๐ ), then ๐ฟ{๐
๐๐ก
Example 1.2: Find the Laplace Transforms of
(i) (๐ + ๐ ๐
โ๐
๐
(ii) ๐
โ๐๐
(๐๐จ๐ฌ ๐๐ + ๐ ๐ฌ๐ข๐ง ๐๐) (iii) ๐
โ๐
๐
(iv) ๐
๐๐
๐
๐ (v) ๐
โ๐๐
๐
Solution: (i) Let ๐(๐ก) = ( 1 + ๐ก ๐
โ๐ก
3
โ 3 ๐ก
3
โ๐ก
โ 2 ๐ก
2
โ๐ก
3
โ 3 ๐ก
3
โ๐ก
โ 2 ๐ก
2
โ 3 ๐ก
3
โ๐ก
โ 2 ๐ก
2
4
2
3
4
2
3
(ii) Let ๐
โ 3 ๐ก
cos 4 ๐ก + 3 sin 4 ๐ก
โ 3 ๐ก
cos 4 ๐ก + 3 ๐
โ 3 ๐ก
sin 4 ๐ก
โ 3 ๐ก
โ 3 ๐ก
cos 4 ๐ก + 3 ๐
โ 3 ๐ก
sin 4 ๐ก}
โ 3 ๐ก
cos 4 ๐ก
โ 3 ๐ก
sin 4 ๐ก}
2
2
2
2
(iii) Let ๐
โ๐ก
sin
2
๐
โ๐ก
2
1 โ cos 2 ๐ก
โ๐ก
โ๐ก
cos 2 ๐ก]
โ๐๐ก
โ๐ก
โ๐ก
cos 2 ๐ก}]
2
(iv) Let ๐
= sin
4
3
8
1
8
cos 4 ๐ก โ
1
2
cos 2 ๐ก
Proof: ๐ฟ
โ๐ ๐ก
โ
0
โ๐ ๐ก
๐
0
โ๐ ๐ก
โ
๐
โ๐ ๐ก
๐
0
โ๐ ๐ก
โ
๐
โ๐ ๐ก
โ
๐
Let ๐ก โ ๐ = ๐, giving ๐๐ก = ๐๐
at ๐ก = ๐, ๐ = 0 & ๐ก = โ, ๐ = โ
โด From (1), we obtain
โ๐
( ๐+๐
)
โ
0
โ๐๐
โ๐ ๐
โ
0
โ๐๐
Example 1.3: (i) Find ๐ณ{๐ญ(๐)} where ๐ญ(๐) = {
๐
๐
๐
๐
๐
๐
(ii) Find ๐ณ{๐ญ(๐)} where ๐ญ(๐) = {
๐
(iii) Find ๐ณ{๐ญ(๐)} where ๐ญ(๐) = {
๐โ๐
(iv) Find ๐ณ
where ๐ญ
๐๐
๐
๐๐
๐
๐๐
๐
Solution: (i) Here ๐(๐ก โ ๐) = sin (๐ก โ
๐
3
) and ๐ =
๐
3
) = sin (๐ก โ
= sin ๐ก
โด ๐ฟ{๐(๐ก)} = ๐ฟ{sin ๐ก} =
2
Hence ๐ฟ{๐น(๐ก)} = ๐
โ๐๐
โ
๐
3
๐
2
โ
๐
3
๐
2
(ii) Here ๐
2
2
2
2
3
๐
๐+ 1
Hence ๐ฟ{๐น(๐ก)} = ๐
โ๐๐
โ( 1 )๐
3
โ๐
3
(iii) Here ๐(๐ก โ ๐) = ๐
๐กโ๐
๐ก
Hence ๐ฟ{๐(๐ก)} = ๐ฟ{๐
๐ก
1
๐ โ 1
โ๐๐
โ๐๐
โ๐๐
(iv) Here ๐
= cos (๐ก โ
2 ๐
3
) and ๐ =
2 ๐
3
2 ๐
3
) = cos (๐ก โ
2 ๐
3
) or, ๐
= cos ๐ก
cos ๐ก
2
Hence, ๐ฟ{๐น(๐ก)} = ๐
โ๐๐
โ
2 ๐
3
๐
2
1.5.3 Change of Scale Property:
Statement: If ๐ฟ
(๐ ), then ๐ฟ
1
๐
๐
๐
Proof:
โ๐ ๐ก
โ
0
Let ๐๐ก = ๐, then ๐ ๐๐ก = ๐๐, giving ๐๐ก =
1
๐
At ๐ก = 0 : ๐ = 0 & ๐ก = โ: ๐ = โ
From (1.3), we obtain
โ๐ (
๐
๐
)
โ
0
โ(
๐
๐
)๐
โ
0
โ
0
โ๐ ๐ก
โ
๐
after changing the order of integration.
โ
0
โ๐ ๐ก
โ
0
โ๐ ๐ก
โ๐ ๐ก
โ
0
Example 1.5: Find the Laplace Transform of ๐ญ(๐) , where (i) ๐ญ(๐) =
๐
๐๐
โ๐๐จ๐ฌ ๐๐
๐
(ii) ๐ญ
๐
โ๐๐
โ๐
โ๐๐
๐
(iii) ๐ญ
๐ฌ๐ข๐ง ๐๐
๐
(iv) ๐ญ
๐ฌ๐ข๐ง
๐
๐
๐
(v) ๐ญ
๐
๐
โ๐๐จ๐ฌ ๐
๐
(vi) ๐ญ
๐ฌ๐ข๐ง ๐๐ ๐๐จ๐ฌ ๐
๐
Solution: (i) Let ๐(๐ก) = ๐
๐๐ก
โ cos ๐๐ก, then
๐๐ก
โ cos ๐๐ก
๐๐ก
cos ๐๐ก
1
๐ โ๐
๐
๐
2
+๐
2
๐๐ก
โ cos ๐๐ก
โ
๐
2
2
โ
๐
= [log
log
2
2
= [log
2
2
= โ log
2
2
= log
2
2
(ii) Let ๐
โ๐๐ก
โ๐๐ก
, then
โ๐๐ก
โ๐๐ก
โ๐๐ก
โ๐๐ก
โ๐๐ก
โ๐๐ก
โ
๐
โ
๐
log
โ log
= [log (
= โ log (
) = log (
(iii) Let ๐
= sin 2 ๐ก, then
๐ฟ{๐(๐ก)} = ๐ฟ{sin 2 ๐ก} =
2
sin 2 ๐ก
โ
๐
2
โ
๐
= [tan
โ 1
= tan
โ 1
(โ) โ tan
โ 1
โ tan
โ 1
(vi) Let ๐
= sin 3 ๐ก cos ๐ก =
1
2
sin 4 ๐ก + sin 2 ๐ก
, then
sin 4 ๐ก + sin 2 ๐ก
sin 4 ๐ก
sin 2 ๐ก
2
2
sin 3 ๐ก cos ๐ก
โ
๐
โ
๐
2
2
[tan
โ 1
) + tan
โ 1
tan
โ 1
โ 1
โ {tan
โ 1
) + tan
โ 1
} โ {tan
โ 1
) + tan
โ 1
[๐ โ tan
โ 1
) โ tan
โ 1