background image

 

 

  

 

 

 

Uni

 

Electro

 

 

iversity of
omechani

Energy 

 

 

f Technolo

cal Depar

Branch

ogy

tment

 

Advance Mathematics

Laplace Transformation

2     Class

nd

Lecture 6

Page 1 of 37


background image

 
Definition 

Suppose that f(t) is a piecewise continuous function.  The Laplace transform of f(t) is 
denoted 

( )

{

}

f t

L

 and defined as 

 

( )

{

}

( )

0

st

f t

f t dt

¥ -

=

ò

e

L

 

(1) 

 
There is an alternate notation for Laplace transforms.  For the sake of convenience we will often 
denote Laplace transforms as, 

 

( )

{

}

( )

f t

F s

=

L

 

 

Example 1  

If 

0

c

¹

, evaluate the following integral. 

 

0

ct

dt

¥

ò

e

 

Solution 
Remember that you need to convert improper integrals to limits as follows, 

 

0

0

lim

n

n

ct

ct

dt

dt

¥

®¥

=

ò

ò

e

e

 

 
Now, do the integral, then evaluate the limit. 

 

0

0

0

lim

1

lim

1

1

lim

n

n

n

n

n

ct

ct

ct

cn

dt

dt

c

c

c

¥

®¥

®¥

®¥

=

æ

ö

=

ç

÷

è

ø

æ

ö

=

-

ç

÷

è

ø

ò

ò

e

e

e

e

 

 
Now, at this point, we’ve got to be careful.  The value of c will affect our answer.  We’ve already 
assumed that c was non-zero, now we need to worry about the sign of c.  If c is positive the 
exponential will go to infinity.  On the other hand, if c is negative the exponential will go to zero. 
 

So, the integral is only convergent (i.e. the limit exists and is finite) provided c<0.  In this case 
we get, 

 

0

1

provided 

0

ct

dt

c

c

¥

= -

<

ò

e

 

(2) 

 
Now that we remember how to do these, let’s compute some Laplace transforms.  We’ll start off 
with probably the simplest Laplace transform to compute. 

Example 2  

Compute 

L{1}. 

Solution 
There’s not really a whole lot do here other than plug the function f(t) = 1 into (1) 

{ }

0

1

st

dt

¥ -

=

ò

e

L

 

Now, at this point notice that this is nothing more than the integral in the previous example with 

c

s

= -

.  Therefore, all we need to do is reuse (2) with the appropriate substitution.  Doing this 

gives, 

{ }

0

1

1

provided 

0

st

dt

s

s

¥ -

=

= -

- <

-

ò

e

L

 

Or, with some simplification we have, 

{ }

1

1

provided 

0

s

s

=

>

L

 

Laplace Transformation

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 2 of 37


background image

 

Example 3  

Compute 

{ }

at

e

L

 

 
Solution 
Plug the function into the definition of the transform and do a little simplification. 

 

{ }

(

)

0

0

a s t

at

st at

dt

dt

¥

¥

-

-

=

=

ò

ò

e

e e

e

L

 

 
Once again, notice that we can use (2) provided 

c a s

= -

.  So let’s do this. 

 

{ }

(

)

0

1

provided 

0

1

provided 

a s t

at

dt

a s

a s

s a

¥

-

=

= -

- <

-

=

>

ò

e

e

L

 

Example 4  

Compute 

L{sin(at)}. 

 
Solution 
Note that we’re going to leave it to you to check most of the integration here.  Plug the function 
into the definition.  This time let’s also use the alternate notation. 

 

( )

{

}

( )

( )

( )

0

0

sin

sin

lim

sin

st

n

st

n

at

F s

at dt

at dt

¥ -

-

®¥

=

=

=

ò

ò

e

e

L

 

 
Now, if we integrate by parts we will arrive at, 

 

( )

( )

( )

0

0

1

lim

cos

cos

n

n

st

st

n

s

F s

at

at dt

a

a

-

-

®¥

æ

ö

æ

ö

=

-

-

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

ò

e

e

 

 
Now, evaluate the first term to simplify it a little and integrate by parts again on the integral.  
Doing this arrives at, 

 

( )

( )

(

)

( )

( )

0

0

1

1

lim

1

cos

sin

sin

n

n

sn

st

st

n

s

s

F s

an

at

at dt

a

a

a

a

-

-

-

®¥

æ

ö

æ

ö

æ

ö

ç

÷

=

-

-

+

ç

÷

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

è

ø

ò

e

e

e

 

 
Now, evaluate the second term, take the limit and simplify. 

s-a

 

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

0

0

2

2

0

1

1

lim

1

cos

sin

sin

1

sin

1

sin

n

sn

sn

st

n

st

st

s

s

F s

an

an

at dt

a

a a

a

s s

at dt

a a a

s

at dt

a a

-

-

-

®¥

¥ -

¥ -

æ

ö

æ

ö

=

-

-

+

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

æ

ö

= - ç

÷

è

ø

= -

ò

ò

ò

e

e

e

e

e

 

 

 
Now, simply solve for F(s) to get, 

 

( )

{

}

( )

2

2

sin

provided 

0

a

at

F s

s

s

a

=

=

>

+

L

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 3 of 37


background image

Fact 
Given f(t) and g(t) then, 

 

( )

( )

{

}

( )

( )

af t

bg t

a F s

bG s

+

=

+

L

 

for any constants a and b

1  

Find the Laplace transforms of the given functions. 

Example 

 
(a) 

( )

5

3

3

6

5

9

t

t

f t

t

-

=

+

+

-

e

e

 

( )

( )

3 1

4

1

1

3!

1

6

5

9

5

3

6

1

30 9

5

3

F s

s

s

s

s

s

s

s

s

+

=

+

+

-

- -

-

=

+

+

-

+

-

 

(b) 

( )

( )

( )

( )

4cos 4

9sin 4

2cos 10

g t

t

t

t

=

-

+

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

4

9

2

4

4

10

4

36

2

16

16

100

s

s

G s

s

s

s

s

s

s

s

s

=

-

+

+

+

+

=

-

+

+

+

+

 

 

(c) 

( )

( )

( )

3sinh 2

3sin 2

h t

t

t

=

+

 

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

2

2

6

6

4

4

H s

s

s

s

s

=

+

-

+

=

+

-

+

 

 
(d) 

( )

( )

( )

3

3

cos 6

cos 6

t

t

g t

t

t

=

+

-

e

e

 

( )

( ) (

) ( )

(

)

2

2

2

2

2

2

1

3

3

6

3

6

1

3

3

36

3

36

s

s

G s

s

s

s

s

s

s

s

s

-

=

+

-

-

+

-

+

-

=

+

-

-

+

-

+

 

 

Example 2  

Find the transform of each of the following functions. 

(a)  

( )

( )

cosh 3

f t

t

t

=

 

( )

( )

{

}

( )

( )

( )

,

where 

cosh 3

F s

tg t

G s

g t

t

¢

=

= -

=

L

 

 
So, we then have, 

 

( )

( )

(

)

2

2

2

2

9

9

9

s

s

G s

G s

s

s

+

¢

=

= -

-

-

 

Using #30 we then have, 

 

( )

(

)

2

2

2

9

9

s

F s

s

+

=

-

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

*

Multiply by t

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 4 of 37


background image

(b) 

( )

( )

2

sin 2

h t

t

t

=

 

 
This part will also use 

#30

 in the table.  In fact we could use #30 in one of two ways.  We could 

use it with 

1

n

=

. 

 

( )

( )

{

}

( )

( )

( )

,

where 

sin 2

H s

tf t

F s

f t

t

t

¢

=

= -

=

L

 

 
Or we could use it with 

2

n

=

 

( )

( )

{

}

( )

( )

( )

2

,

where 

sin 2

H s

t f t

F s

f t

t

¢¢

=

=

=

L

 

 
Since it’s less work to do one derivative, let’s do it the first way.  So using 

#9

 we have, 

 

( )

(

)

( )

(

)

2

2

3

2

2

4

12

16

4

4

s

s

F s

F s

s

s

-

¢

=

= -

+

+

 

The transform is then, 

 

( )

(

)

2

3

2

12

16

4

s

H s

s

-

=

+

 

(c) 

( )

3

2

g t

t

=

 

 
This part can be done using either 

#6

 (with 

2

n

=

) or 

#32

 (along with 

#5

).  We will use #32 so 

we can see an example of this.  In order to use #32 we’ll need to notice that 

 

3

3

2

2

0

0

2

3

3

2

t

t

v dv

t

t

v dv

=

Þ

=

ò

ò

 

Now, using #5, 

 

( )

( )

3

2

2

f t

t

F s

s

p

=

=

 

we get the following. 

 

( )

5

3

2

2

3

1

3

2

4

2

G s

s

s

s

p

p

æ

öæ ö

=

=

ç

÷ç ÷

ç

֏ʿ

è

ø

 

 
This is what we would have gotten had we used #6. 

(d) 

( ) ( )

3

2

10

f t

t

=

 

 

( )

3

2

g t

t

 

then 

 

( )

( )

10

f t

g

t

=

 

 
Therefore, the transform is. 

 

( )

5

2

3

2

5

2

1

10

10

1

3

10

4

10

3

10

4

s

F s

G

s

s

p

p

æ

ö

=

ç

÷

è

ø

æ

ö

ç

÷

ç

÷

=

ç

÷

æ

ö

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

=

 

 
(e)  

( )

( )

f t

tg t

¢

=

 

 
This final part will again use 

#30

 from the table as well as 

#35

. 

( )

{

}

{ }

( ) ( )

{

}

( )

( )

(

)

( )

( )

0

0

d

tg t

g

ds

d

sG s

g

ds

G s

sG s

G s

sG s

¢

¢

= -

= -

-

¢

= -

+

-

¢

= -

-

L

L

 

 
Remember that g(0) is just a constant so when we differentiate it we will get zero! 

 
For this part we’ll will use 

#24

 along with the answer from the previous part.  To see this note 

that if 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 5 of 37


background image

*

Dividing by t

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 6 of 37


background image

Laplace Transformation of periodic Function

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 7 of 37


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 8 of 37


background image

Ch64-H8152.tex

23/6/2006

15: 16

Page 631

K

3. (a) 5e

3t

(b) 2e

−2t

(a)

5

s

− 3

(b)

2

s

+ 2

4. (a) 4 sin 3(b) 3 cos 2t

(a)

12

s

2

+ 9

(b)

3s

s

2

+ 4

5. (a) 7 cosh 2(b)

1

3

sinh 3t

(a)

7s

s

2

− 4

(b)

1

s

2

− 9

6. (a) 2 cos

2

(b) 3 sin

2

2x

(a)

2(s

2

+ 2)

s(s

2

+ 4)

(b)

24

s(s

2

+ 16)

7. (a) cosh

2

(b) 2 sinh

2

2θ

(a)

s

2

− 2

s(s

2

− 4)

(b)

16

s(s

2

− 16)

8. 4 sin(at

b), where and are constants

4

s

2

a

2

(cos b

sin b)

9. 3 cos(ωt

− α), where ω and α are constants

3

s

2

ω

2

(cos α

ω sin α)

10. Show that

L

(cos

2

3t

− sin

2

3t)

=

s

s

2

+ 36

1. (a) 2t

− 3 (b) 5t

2

+ 4− 3

(a)

2

s

2

3

s

(b)

10

s

3

+

4

s

2

3

s

2. (a)

t

3

24

− 3+ 2 (b)

t

5

15

− 2t

4

+

t

2

2

(a)

1

4s

4

3

s

2

+

2

s

(b)

8

s

6

48

s

5

+

1

s

3

laplace Home work

1. (a) 2te

2t

(b) t

2

e

(a)

2

(s

− 2)

2

(b)

2

(s

− 1)

3

2. (a) 4t

3

e

−2t

(b)

1

2

t

4

e

−3t

(a)

24

(s

+ 2)

4

(b)

12

(s

+ 3)

5

3. (a) e

t

cos (b) 3e

2t

sin 2t

(a)

s

− 1

s

2

− 2+ 2

(b)

6

s

2

− 4+ 8

4. (a) 5e

−2t

cos 3(b) 4e

−5t

sin t

(a)

5(s

+ 2)

s

2

+ 4+ 13

(b)

4

s

2

+ 10+ 26

5. (a) 2e

t

sin

2

(b)

1

2

e

3t

cos

2

t


(a)

1

s

− 1

s

− 1

s

2

− 2+ 5

(b)

1

4

1

s

− 3

+

s

− 3

s

2

− 6+ 13


6. (a) e

t

sinh (b) 3e

2t

cosh 4t

(a)

1

s(s

− 2)

(b)

3(s

− 2)

s

2

− 4− 12

7. (a) 2e

t

sinh 3(b)

1

4

e

−3t

cosh 2t

(a)

6

s

2

+ 2− 8

(b)

s

+ 3

4(s

2

+ 6+ 5)

8. (a) 2e

t

( cos 3t

− 3 sin 3t)

(b) 3e

−2t

( sinh 2t

− 2 cosh 2t)

(a)

2(s

− 10)

s

2

− 2+ 10

(b)

−6(+ 1)

s(s

+ 4)

1

1

1

1

1

1

1

1

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 9 of 37


background image

 

Inverse Laplace Transforms 

 

( )

( )

{

}

1

f t

F s

-

=

L

 

 
As with Laplace transforms, we’ve got the following fact to help us take the inverse transform. 
 
Fact 
Given the two Laplace transforms F(s) and G(s) then 

 

( )

( )

{

}

( )

{

}

( )

{

}

1

1

1

aF s

bG s

a

F s

b

G s

-

-

-

+

=

+

L

L

L

 

for any constants a and b
 

Example 1  

Find the inverse transform of each of the following. 

(a) 

( )

6

1

4

8

3

F s

s

s

s

= -

+

-

-

 

 

 

 

 

 

 

( )

( ) ( )

( )

8

3

8

3

1

1

1

6

4

8

3

6 1

4

6

4

t

t

t

t

F s

s s

s

f t

=

-

+

-

-

=

-

+

= -

+

e

e

e

e

 

(b)  

( )

5

19

1

7

2 3

5

H s

s

s

s

=

-

+

+

-

 

( )

( )

(

)

( )

4!

4!

4 1

5

3

4 1

5

3

7

19

1

2

3

1

1 1

7 4!

19

2

3

4!

H s

s

s

s

s

s

s

+

+

=

-

+

- -

-

=

-

+

- -

-

 

( )

5

3

2

4

1

7

19

3

24

t

t

h t

t

-

=

-

+

e

e

 

 

(c)  

( )

2

2

6

3

25

25

s

F s

s

s

=

+

+

+

 

 

( )

( )

( )

( )

( )

5

5

2

2

2

2

2

2

2

2

3

6

5

5

3

5

6

5

5

5

s

F s

s

s

s

s

s

=

+

+

+

=

+

+

+

 

gives, 

( )

( )

( )

3

6 cos 5

sin 5

5

f t

t

t

=

+

 

 

(d)  

( )

2

2

8

3

3

12

49

G s

s

s

=

+

+

-

 

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 10 of 37


background image

( )

( )( )

( )

( )

2

2

7

7

2

2

2

2

1

8

3

3

4

49

4 2

3

1
3

2

7

G s

s

s

s

s

=

+

+

-

=

+

+

-

 

( )

( )

( )

4

3

sin 2

sinh 7

3

7

g t

t

t

=

+

 

Example 2  

Find the inverse transform of each of the following. 

 

(a)  

( )

2

6

5

7

s

F s

s

-

=

+

 

( )

( )

( )

( )

7
7

2

2

5

6

7

7

5

6 cos

7

sin

7

7

s

F s

s

s

f t

t

t

=

-

+

+

=

-

 

 

(b)  

( )

2

1 3

8

21

s

F s

s

s

-

=

+

+

 

 

(

)

2

2

2

2

8

21

8

16 16 21

8

16 5

4

5

s

s

s

s

s

s

s

+

+

=

+

+

- +

=

+

+

+

= +

+

 

( )

(

)

2

1 3

4

5

s

F s

s

-

=

+

+

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

1 3

4 4

4

5

1 3

4

12

4

5

3

4

13

4

5

s

F s

s

s

s

s

s

-

+ -

=

+

+

-

+ +

=

+

+

-

+

+

=

+

+

 

(       )

 

( )

(

)

(

)

( )

( )

( )

5
5

2

2

4

4

13

4

3

4

5

4

5

13

3

cos

5

sin

5

5

t

t

s

F s

s

s

f t

t

t

-

-

+

= -

+

+

+

+

+

= -

+

e

e

 

 

(c)  

( )

2

3

2

2

6

2

s

G s

s

s

-

=

-

-

 

( )

(

)

(

)

2

2

9

9

4

4

2

3

13

2

4

3

2

2

3

1

1

3

2

2

3

1

1

3

2

2

s

G s

s

s

s

s

s

s

s

-

=

- -

-

=

- + - -

-

=

-

-

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 11 of 37


background image

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

( )

3

3

2

2

3

3

2

2

2

3

13

2

4

3

5

2

2

2

3

13

2

4

13

5

3

2

2

13

2

2

3

13

3

13

2

4

2

4

3

2

1
2

3

1
2

3

1
2

1

13

5

13

3

cosh

sinh

2

2

2

13

t

t

s

G s

s

s

s

s

s

s

g t

t

t

- + -

=

-

-

- +

=

-

-

æ

ö

-

ç

÷

=

+

ç

÷

-

-

-

-

è

ø

æ

ö

æ

ö

æ

ö

=

+

ç

÷

ç

÷

ç

÷

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

è

ø

e

e

 

 

(d)  

( )

2

7

3

10

s

H s

s

s

+

=

- -

 

( ) ( )( )

7

2

5

s

H s

s

s

+

=

+

-

 

( )

2

5

A

B

H s

s

s

=

+

+

-

 

(

)(

)

(

)

(

)

(

)(

)

5

2

7

2

5

2

5

A s

B s

s

s

s

s

s

- +

+

+

=

+

-

+

-

 

(

)

(

)

7

5

2

s

A s

B s

+ =

- +

+

 

( )

( )

5

5

7

0

7

A

B

A

=

- +

Þ = -  

 picking s.  We can B in the same way if we chos

( )

( )

12

12

0

7

7

A

B

B

=

+

Þ

=

 

t when it does it will usually simplify the work c

transform becomes, 

( )

5

12

7

7

2

5

H s

s

s

-

=

+

+

-

 

( )

2

5

5

12

7

7

t

t

h t

-

= -

+

e

e  

Factor in 

denominator 

Term in partial 

fraction decomposition 

ax b

+

 

A

ax b

+

 

(

)

k

ax b

+

 

(

)

(

)

1

2

2

k

k

A

A

A

ax b

ax b

ax b

+

+ +

+

+

+

L

 

2

ax

bx c

+

+

 

2

Ax B

ax

bx c

+

+

+

 

(

)

2

k

ax

bx c

+

+

 

(

)

(

)

1

1

2

2

2

2

2

2

k

k

k

A x B

A x B

A x B

ax

bx c

ax

bx c

ax

bx c

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

L

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 12 of 37


background image

Example 3  

Find the inverse transform of each of the following. 

(a)  

( ) ( )( )( )

86

78

3

4 5

1

s

G s

s

s

s

-

=

+

-

-

 

( )

3

4 5

1

A

B

C

G s

s

s

s

=

+

+

+

-

-

 

(

)(

)

(

)(

)

(

)(

)

86

78

4 5

1

3 5

1

3

4

s

A s

s

B s

s

C s

s

-

=

-

- +

+

- +

+

 

 
As with the last example, we can easily get the constants by correctly picking values of s

 

( )(

)

( )( )

3

336

7

16

3

1

304

16

19

5

5

5

5

5

4

266

7 19

2

s

A

A

s

C

C

s

B

B

= -

-

=

-

-

Þ

= -

æ

öæ

ö

=

-

=

-

Þ

=

ç

֍

÷

è

øè

ø

=

=

Þ

=

 

 
So, the partial fraction decomposition for this transform is, 

 

( )

3

2

5

3

4 5

1

G s

s

s

s

= -

+

+

+

-

-

 

 

( )

( )

5

1

5

3

4

3

2

1

3

4

3

2

t

t

t

G s

s

s

s

g t

-

= -

+

+

+

-

-

= -

+

+

e

e

e

 

 

(b)  

( )

(

)

(

)

2

2 5

6

11

s

F s

s

s

-

=

-

+

 

 
So, for the first time we’ve got a quadratic in the denominator.  Here’s the decomposition for thi
part. 

 

( )

2

6

11

A

Bs C

F s

s

s

+

=

+

-

+

 

 
Setting numerators equal gives, 

 

(

)

(

)(

)

2

2 5

11

6

s

A s

Bs C s

-

=

+

+

+

-

 

 

(

)

(

)(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2 5

11

6

11

6

6

6

11

6

s

A s

Bs C s

As

A Bs

B Cs

C

A B s

B C s

A

C

-

=

+

+

+

-

=

+

+

-

+

-

=

+

+ -

+

+

-

 

2

1

0

:

0

28

28

67

:

6

5

,

,

47

47

47

: 11

6

2

s

A B

s

B C

A

B

C

s

A

C

ü

+ =

ï

-

+ = -

Þ

= -

=

= -

ý

ï

-

=

þ

 

( )

2

11
11

2

2

1

28

28

67

47

6

11

67

1

28

28

47

6

11

11

s

F s

s

s

s

s

s

s

-

æ

ö

=

-

+

ç

÷

-

+

è

ø

æ

ö

=

-

+

-

ç

÷

ç

÷

-

+

+

è

ø

 

   

( )

( )

( )

6

1

67

28

28cos 11

sin

11

47

11

t

f t

t

t

æ

ö

=

-

+

-

ç

÷

è

ø

e

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 13 of 37


background image

 

(c)  

( )

(

)

3

2

25

4

5

G s

s s

s

=

+

+

 

 

( )

2

3

2

4

5

A

B

C

Ds E

G s

s

s

s

s

s

+

= +

+

+

+

+

 

 
Setting numerators equal and multiplying out gives. 

 

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

3

4

3

2

25

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5

4

5

As s

s

Bs s

s

C s

s

Ds E s

A D s

A B E s

A

B C s

B

C s

C

=

+

+ +

+

+ +

+

+ +

+

=

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

 

3

2

1

0

:

0

: 4

0

11

11

24

,

4,

5,

,

: 5

4

0

5

5

5

:

5

4

0

:

5

25

s

A D

s

A B E

A

B

C

D

E

s

A

B C

s

B

C

s

C

+ =

ï

+ + =

ïï

Þ

=

= -

=

= -

= -

+

+ = ý

ï

+

= ï

ï

=

þ

 

( )

2

3

2

1 11 20 25

11

24

5

4

5

s

G s

s

s

s

s

s

+

æ

ö

=

-

+

-

ç

÷

+

+

è

ø

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

3

2

2

2

3

2!

2!

2

2

2

3

1 11 20 25

11

24

5

4

5

11

2 2

24

1 11 20 25
5

2

1

11

2

25

1 11 20

2

5

2

1

2

1

s

G s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

+

æ

ö

=

-

+

-

ç

÷

+

+

è

ø

æ

ö

+ - +

=

-

+

-

ç

÷

ç

÷

+

+

è

ø

æ

ö

+

=

-

+

-

-

ç

÷

ç

÷

+

+

+

+

è

ø

 

 then. 

( )

( )

( )

2

2

2

1

25

11 20

11

cos

2

sin

5

2

t

t

g t

t

t

t

t

-

-

æ

ö

=

-

+

-

-

ç

÷

e

e

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 14 of 37


background image

 

Step Functions 

Before proceeding into solving differential equations we should take a look at one more function.  
Without Laplace transforms it would be much more difficult to solve differential equations that 
involve this function in g(t)
 
The function is the Heaviside function and is defined as, 

 

( )

0 if 

1 if 

c

t c

u t

t c

<

ì

= í

³

î

 

 
Here is a graph of the Heaviside function. 

 

 
Heaviside functions are often called step functions.  Here is some alternate notation for Heaviside 
functions. 

 

( )

(

)

(

)

c

u t

u t c

H t c

=

-

=

 

Example 1  

Write the following function (or switch) in terms of Heaviside functions. 

 

( )

4

if 

6

25

if 6

8

16

if 8

30

10

if 

30

t

t

f t

t

t

-

<

ì

ï

£ <

ï

= í

£ <

ï

ï

³

î

 

Solution 
There are three sudden shifts in this function and so (hopefully) it’s clear that we’re going to need 
three Heaviside functions here, one for each shift in the function.  Here’s the function in terms of 
Heaviside functions. 

 

( )

( )

( )

( )

6

8

30

4 29

9

6

f t

u t

u t

u

t

= - +

-

-

 

 
It’s fairly easy to verify this. 
 
In the first interval, t < 6 all three Heaviside functions are off and the function has the value 

 

( )

4

f t

= -  

Notice that when we know that Heaviside functions are on or off we tend to not write them at all 
as we did in this case. 
 
In the next interval, 

6

8

t

£ <

 the first Heaviside function is now on while the remaining two are 

still off.  So, in this case the function has the value. 

 

( )

4 29 25

f t

= - +

=

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 15 of 37


background image

 
In the third interval, 

8

30

t

£ <

 the first two Heaviside functions are one while the last remains 

off.  Here the function has the value. 

 

( )

4 29 9 16

f t

= - +

- =

 

 
In the last interval, 

30

t

³

all three Heaviside function are one and the function has the value. 

 

( )

4 29 9 6 10

f t

= - +

- - =

 

 
So, the function has the correct value in all the intervals. 
 

Using Heaviside functions this switch can be wrote as   

 

( )

( ) (

)

c

g t

u t f t c

=

 

 

( ) (

)

{

}

( ) (

)

(

)

0

c

c

c

st

st

u t f t c

u t f t c dt

f t c dt

¥ -

¥ -

-

=

-

=

-

ò
ò

e

e

L

 

.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Now use the substitution u = t – c and the integral becomes, 

 

( ) (

)

{

}

(

)

( )

( )

0

0

c

s u c

su

cs

u t f t c

f u du

f u du

¥ -

¥ -

-

+

-

=

=

ò
ò

e

e e

L

 

 
The second exponential has no u’s in it and so it can be factored out of the integral.  Note as well 
that in the substitution process the lower limit of integration went back to 0. 

 

( ) (

)

{

}

( )

0

c

c s

su

u t f t c

f u du

¥

-

-

-

=

ò

e

e

L

 

 
Now, the integral left is nothing more than the integral that we would need to compute if we were 
going to find the Laplace transform of f(t).  Therefore, we get the following formula 

 

( ) (

)

{

}

( )

c

c s

u t f t c

F s

-

-

e

L

 

(2) 

 

 

1

c

cs

F s

u t f t c

-

-

=

-

e

L

 

(3) 

( )

{

}

( ) (

)

 
We can use (2) to get the Laplace transform of a Heaviside function by itself.  To do this we will 
consider the function in (2) to by f(t) = 1.  Doing this gives us 

 

( )

{

}

( )

{

}

{ }

1

1

1

c

c

c s

cs

c s

u t

u t

s

s

-

-

-

=

=

=

=

e

e

e

g

L

L

L

 

 

Putting all of this together leads to the following two formulas. 

 

( )

{

}

( )

1

c

c

c s

c s

u t

u t

s

s

-

-

-

ì

ü

=

=

í

ý

î

þ

e

e

L

L

 

(4) 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 16 of 37


background image

Example 2  

Find the Laplace transform of each of the following. 

 
(a)  

( )

( ) (

) ( )

(

)

( )

3

12 3

12

6

4

10

2

6

7

t

g t

u

t

t

u t

u t

-

=

+

-

- - e

 

  are using the following function, 

 

( )

(

) (

)

3

3

2

6

2

6

f t

t

f t

t

=

Þ

-

=

-

 

and this has been shifted by the correct amount. 
 
The third term uses the following function, 

 

( )

(

)

( )

3

4

3

12 3

7

4

7

7

t

t

t

f t

f t

-

-

-

-

= -

Þ

-

= -

= -

e

e

e

 

which has also been shifted by the correct amount. 
 
With these functions identified we can now take the transform of the function. 

 

( )

( )

12

6

4

3 1

12

6

4

3 1

2 3!

10

7

1

3

10

12

7

1

3

s

s

s

s

s

s

G s

s

s

s

s

s

s

s

s

-

-

-

+

-

-

-

+

æ

ö

=

+

-

-

ç

÷

+

è

ø

æ

ö

=

+

-

-

ç

÷

+

è

ø

e

e

e

e

e

e

 

 
(b) 

( )

( )

( ) ( )

2

3

5

cos

f t

t u t

t u t

= -

+

 

.  Here they are. 

( )

(

) ( )

(

) ( )

2

3

5

3 3

cos

5 5

f t

t

u t

t

u t

= - - +

+

- +

 

( )

(

)

(

)

(

)

cos

5

5

cos

5 5

g t

t

g t

t

=

+

Þ

-

=

- +

 

 
This will make our life a little easier so we’ll do it this way. 
 
Now, breaking up the first term and leaving the second term along gives us, 

 

( )

(

)

(

)

(

)

( )

(

) ( )

2

3

5

3

6

3

9

cos

5 5

f t

t

t

u t

t

u t

= -

-

+

- +

+

- +

 

 
Okay, so it looks like the two functions that have been shifted here are 

 

( )
( )

(

)

2

6

9

cos

5

g t

t

t

g t

t

= + +
=

+

 

Taking the transform then gives, 

 

( )

( )

( )

3

5

3

2

2

cos 5

sin 5

2

6

9

1

s

s

s

F s

s

s

s

s

-

-

-

æ

ö

æ

ö

= -

+

+

+ ç

÷

ç

÷

+

è

ø

è

ø

e

e  

 

(c)  

( )

4

4

if 

5

1

3sin

if 

5

10 2

t

t

h t

t

t

t

ì

<

ï

= í

æ

ö

+

-

³

ç

÷

ï

è

ø

î

 

 
This one isn’t as bad as it might look on the surface.  The first thing that we need to do is writ
in terms of Heaviside functi ons. 

 

( )

( )

( )

(

)

4

5

4

5

1

3

sin

10 2

1

3

sin

5

10

t

h t

t

u t

t

u t

t

æ

ö

= +

-

ç

÷

è

ø

æ

ö

= +

-

ç

÷

è

ø

 

 
All we need to do now is to take the transform. 

 

( )

( )

( )

5

1

10

2

5

2

1

10

5

3

10

5

2

1

1

00

3

4!

24

s

s

H s

s

s

s

s

-

-

=

+

+

=

+

+

e

e

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 17 of 37


background image

(d) 

( )

(

)

2

if 

6

8

6

if 

6

t

t

f t

t

t

<

ìï

= í

- + -

³

ïî

 

 
Again, the first thing that we need to do is write the function in terms of Heaviside functions. 

 

( )

(

)

(

)

( )

2

6

8

6

f t

t

t

t

u t

= + - - + -

 

   

Here is the corrected function. 

 

( )

(

) (

)

(

)

( )

(

)

(

)

(

)

( )

(

) (

)

(

)

( )

2

6

2

6

2

6

8

6 6

6

8

6

6

6

14

6

6

f t

t

t

t

u t

t

t

t

u t

t

t

t

u t

= + - - - + + -

= + - - - - + -

= + - - - + -

 

 
So, in the second term it looks like we are shifting 

 

( )

2

14

g t

t

t

= - -

 

 
The transform is then, 

 

( )

6

2

3

2

1

2

1

14

s

F s

s

s

s

s

-

æ

ö

=

+

-

-

ç

÷

è

ø

e

 

 

Example 3  

Find the inverse Laplace transform of each of the following. 

 

(a)  

( ) (

)(

)

4

3

2

2

s

s

H s

s

s

-

=

+

-

e

 

( )

(

)(

)

( )

4

4

3

2

2

s

s

s

H s

F s

s

s

-

-

=

=

+

-

e

e

 

 

( )

3

2

2

A

B

F s

s

s

=

+

+

-

 

 
Setting numerators equal gives, 

 

(

)

(

)

2

3

2

s

A s

B s

=

- +

 

 
We’ll find the constants here by selecting values of s.  Doing this gives, 

 

1

2

2 8

4

2

2

8

1

3

3

3

4

s

B

B

s

A

A

=

=

Þ

=

= -

- = -

Þ

=

 

 
So, the partial fraction decomposition becomes, 

 

( )

(

)

1

1

4

4

2

3

3

2

F s

s

s

=

+

+

-

 

 

Notice that we factored a 3 out of the denominator in order to actually do the inverse transform.  
The inverse transform of this is then, 

 

( )

2

3

2

1

1

12

4

t

t

f t

-

=

+

e

e  

  Now, let’s go back and do the actual problem.  The original transform was, 

 

( )

( )

4s

H s

F s

-

e

 

 

( )

( ) (

)

4

4

h t

u t f t

=

 

where, f(t) is, 

( )

2

3

2

1

1

12

4

t

t

f t

-

=

+

e

e  

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 18 of 37


background image

(b) 

( )

(

)

(

)

6

11

2

5

3

2

9

s

s

G s

s

s

-

-

-

=

+

+

e

e

 

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

6

11

2

2

5

3

2

9

2

9

s

s

G s

s

s

s

s

-

-

=

-

+

+

+

+

e

e

 

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

6

11

2

2

1

1

5

3

2

9

2

9

s

s

G s

s

s

s

s

-

-

=

-

+

+

+

+

e

e

 

 

( )

(

)

(

)

( )

6

11

6

11

2

1

5

3

5

3

2

9

s

s

s

s

G s

F s

s

s

-

-

-

-

=

-

=

-

+

+

e

e

e

e

 

(

)

(

)

and now we will just partial fraction F(s)
 
Here is the partial fraction decomposition. 

 

( )

2

2

9

A

Bs C

F s

s

s

+

=

+

+

+

 

 
Setting numerators equal and combining gives us, 

 

(

)

(

)(

)

(

)

(

)

2

2

1

9

2

2

9

2

A s

s

Bs C

A B s

B C s

A

C

=

+ + +

+

=

+

+

+

+

+

 

  Setting coefficient equal and solving gives, 

 

2

1

0

:

0

1

1

2

: 2

0

,

,

13

13

13

: 9

2

1

s

A B

s

B C

A

B

C

s

A

C

ü

+ =

ï

+ =

Þ

=

= -

=

ý

ï

+

= þ

 

 
Substituting back into the transform gives and fixing up the numerators as needed gives, 

 

( )

2

3

3

2

2

1

1

2

13

2

9

2

1

1

13

2

9

9

s

F s

s

s

s

s

s

s

- +

æ

ö

=

+

ç

÷

+

+

è

ø

æ

ö

=

-

+

ç

÷

+

+

+

è

ø

 

little simpler.  Taking the inverse transform then gives, 

 

( )

( )

( )

2

1

2

cos 3

sin 3

13

3

t

f t

t

t

-

æ

ö

=

-

+

ç

÷

è

ø

e

 

 
At this point we can go back and start thinking about the original problem. 

 

( )

(

)

( )

( )

( )

6

11

6

11

5

3

5

3

s

s

s

s

G s

F s

F s

F s

-

-

-

-

=

-

=

-

e

e

e

e

 

 
We’ll also need to distribute the F(s) through as well in order to get the correct 
Recall that in order to use (3) to take the inverse transform you must have a si
times a single transform.  This means that we must multiply the F(s) through t
can now take the inverse transform, 

 

( )

( ) (

)

( ) (

)

6

11

5

6

3

11

g t

u t f t

u t f t

=

- -

-

 

where, 

( )

( )

( )

2

1

2

cos 3

sin 3

13

3

t

f t

t

t

-

æ

ö

=

-

+

ç

÷

è

ø

e

 

 

(c)  

( ) ( )( )

4

1

2

s

s

F s

s

s

-

+

=

-

+

e

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 19 of 37


background image

 
In this case, unlike the previous part, we will need to break up the transform since one term has a 
constant in it and the other has an s.  Note as well that we don’t consider the exponential in this, 
only its coefficient.  Breaking up the transform gives, 

 

( ) ( )( ) ( )( ) ( )

( )

4

1

1

2

1

2

s

s

s

F s

G s

H s

s

s

s

s

-

-

=

+

=

+

-

+

-

+

e

e

 

 
We will need to partial fraction both of these terms up.  We’ll start with G(s)

 

( )

1

2

A

B

G s

s

s

=

+

-

+

 

 
Setting numerators equal gives, 

 

(

)

(

)

4

2

1

s

A s

B s

=

+

+

 

 
Now, pick values of s to find the constants. 

 

8

2

8

3

3
4

1

4 3

3

s

B

B

s

A

A

= -

- = -

Þ

=

=

=

Þ

=

 

 
So G(s) and its inverse transform is, 

 

( )

( )

8

4

3

3

2

1

2

4

8

3

3

t

t

G s

s

s

g t

-

=

+

-

+

=

+

e

e

 

 
Now, repeat the process for H(s).  

 

( )

1

2

A

B

H s

s

s

=

+

-

+

 

 
Setting numerators equal gives, 

 

(

)

(

)

1

2

1

A s

B s

=

+ +

 

 
Now, pick values of s to find the constants. 

 

1

2

1

3

3

1

1

1 3

3

s

B

B

s

A

A

= -

= -

Þ

= -

=

=

Þ

=

 

 
So H(s) and its inverse transform is, 

 

( )

( )

1

1

3

3

2

1

2

1

1

3

3

t

t

H s

s

s

h t

-

=

-

-

+

=

-

e

e

 

 
Putting all of this together gives the following, 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( ) (

)

1

1

s

F s

G s

H s

f t

g t

u t h t

-

=

+

=

+

-

e

 

where, 

( )

( )

2

2

4

8

1

1

and

3

3

3

3

t

t

t

t

g t

h t

-

-

=

+

=

-

e

e

e

e  

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 20 of 37


background image

(d)  

( )

(

)

20

3

7

2

3

8

2

6

3

s

s

s

s

s

G s

s s

-

-

-

+

-

+

=

+

e

e

e

 

 
This one looks messier than it actually is.  Let’s first rearrange the numerator a little. 

 

( )

(

) (

)

(

)

3

20

7

2

3 2

8

6

3

s

s

s

s

G s

s s

-

-

-

-

+

+

=

+

e

e

e

 

 
In this form it looks like we can break this up into two pieces that will require partial fractions.  
When we break these up we should always try and break things up into as few pieces as possible 
for the partial fractioning.  Doing this can save you a great deal of unnecessary work.  Breaking 
up the transform as suggested above gives, 

 

( )

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

( )

(

)

( )

3

20

7

2

3

20

7

1

1

3 2

8

6

3

3

3 2

8

6

s

s

s

s

s

s

G s

s s

s s

F s

H s

-

-

-

-

-

-

= -

+

+

+

+

= -

+

+

e

e

e

e

e

e

 

 
Note that we canceled an s in F(s).  You should always simplify as much a possible before doing 
the partial fractions.   
 
Let’s partial fraction up F(s) first. 

( )

3

A

B

F s

s

s

=

+

+

 

 
Setting numerators equal gives, 

 

(

)

1

3

A s

Bs

=

+ +

 

 
Now, pick values of s to find the constants. 

 

1

3

1

3

3

1

0

1 3

3

s

B

B

s

A

A

= -

= -

Þ

= -

=

=

Þ

=

 

 
So F(s) and its inverse transform is, 

 

( )

( )

1

1

3

3

3

3

1 1
3 3

t

F s

s s

f t

-

= -

+

= - e

 

 
Now partial fraction H(s)

( )

2

3

A

B

C

H s

s

s

s

=

+

+

+

 

 
Setting numerators equal gives, 

 

(

)

(

)

2

1

3

3

As s

B s

Cs

=

+ +

+ +

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 21 of 37


background image

 
Pick values of s to find the constants. 

 

1

3

1 9

9

1

0

1 3

3

13

1

1

1 4

4

4

9

9

s

C

C

s

B

B

s

A

B C

A

A

= -

=

Þ

=

=

=

Þ

=

=

=

+

+ =

+

Þ

= -

 

 
So H(s) and its inverse transform is, 

 

( )

( )

1

1

1

9

3

9

2

3

3

1 1

1

9 3

9

t

H s

s s

s

h t

t

-

= - +

+

+

= - +

e

 

 
Now, let’s go back to the original problem, remembering to multiply the transform through the 
parenthesis. 

 

( )

( )

( )

( )

( )

3

20

7

3

2

8

6

s

s

s

G s

F s

F s

H s

H s

-

-

-

=

-

+

+

e

e

e

 

 
Taking the inverse transform gives, 

 

( )

( )

( ) (

)

( ) (

)

( ) (

)

3

20

7

3

2

3

8

20

6

7

g t

f t

u t f t

u

t h t

u t h t

=

-

- +

-

+

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 22 of 37


background image

Ch66-H8152.tex

23/6/2006

15: 16

Page 640

1. (a)

7

s

(b)

2

s

− 5

[(a) 7 (b) 2e

5t

]

2. (a)

3

2s

+ 1

(b)

2s

s

2

+ 4

(a)

3

2

e

1
2

t

(b) 2 cos 2t

3. (a)

1

s

2

+ 25

(b)

4

s

2

+ 9

(a)

1

5

sin 5t

(b)

4

3

sin 3t

4. (a)

5s

2s

2

+ 18

(b)

6

s

2

(a)

5

2

cos 3t

(b) 6t

5. (a)

5

s

3

(b)

8

s

4

(a)

5

2

t

2

(b)

4

3

t

3

6. (a)

3s

1

2

s

2

− 8

(b)

7

s

2

− 16

(a) 6 cosh 4t

(b)

7

4

sinh 4t

7. (a)

15

3s

2

− 27

(b)

4

(s

− 1)

3

(a)

5

3

sinh 3t

(b) 2 e

t

t

2

8. (a)

1

(s

+ 2)

4

(b)

3

(s

− 3)

5

(a)

1

6

e

−2t

t

3

(b)

1

8

e

3t

t

4

9. (a)

s

+ 1

s

2

+ 2+ 10

(b)

3

s

2

+ 6+ 13

(a) e

t

cos 3t

(b)

3

2

e

−3t

sin 2t

10. (a)

2(s

− 3)

s

2

− 6+ 13

(b)

7

s

2

− 8+ 12

(a) 2e

3t

cos 2t

(b)

7

2

e

4t

sinh 2t

11. (a)

2s

+ 5

s

2

+ 4− 5

(b)

3s

+ 2

s

2

− 8+ 25


(a) 2e

−2t

cosh 3t

+

1

3

e

−2t

sinh 3t

(b) 3e

4t

cos 3t

+

14

3

e

4t

sin 3t


Inverse Laplace Transformation

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 23 of 37


background image

 

Solving IVP’s with Laplace Transforms 

 
Fact 
Suppose that ff’, f”,…f

(n-1)

 are all continuous functions and f

(n)

 is a piecewise continuous 

function.  Then, 

 

( )

{ }

( )

( )

( )

(

)

( )

(

)

( )

2

1

1

2

0

0

0

0

n

n

n

n

n

n

f

s F s

s

f

s

f

sf

f

-

-

-

-

¢

=

-

-

- -

-

L

L

 

 
Since we are going to be dealing with second order differential equations it will be convenient to 
have the Laplace transform of the first two derivatives. 

 

{ }

( ) ( )

{ }

( )

( )

( )

2

0

0

0

y

sY s

y

y

s Y s

sy

y

¢ =

-

¢¢

¢

=

-

-

L

L

 

Example 1  

Solve the following IVP. 

 

( )

( )

10

9

5 ,

0

1

0

2

y

y

y

t

y

y

¢¢

¢

¢

-

+

=

= -

 

 
Solution 
The first step in using Laplace transforms to solve an IVP is to take the transform of every term in 
the differential equation. 

 

{ }

{ }

{ }

{ }

10

9

5

y

y

y

t

¢¢

¢

-

+

=

L

L

L

L

 

 
Using the appropriate formulas from our 

table of Laplace transforms

 gives us the following. 

( )

( )

( )

( ) ( )

(

)

( )

2

2

5

0

0

10

0

9

s Y s

sy

y

sY s

y

Y s

s

¢

-

-

-

-

+

=

 

 
Plug in the initial conditions and collect all the terms that have a Y(s) in them. 

 

(

)

( )

2

2

5

10

9

12

s

s

Y s

s

s

-

+

+ -

=

 

Solve

 

for Y (s)

( )

(

)(

) (

)(

)

2

5

12

9

1

9

1

s

Y s

s s

s

s

s

-

=

+

-

-

-

-

 

Combining the two terms gives, 

 

( )

(

)(

)

2

3

2

5 12

9

1

s

s

Y s

s s

s

+

-

=

-

-

 

 
The partial fraction decomposition for this transform is, 

 

( )

2

9

1

A

B

C

D

Y s

s

s

s

s

= +

+

+

-

-

 

 
Setting numerators equal gives, 

 

(

)(

)

(

)(

)

(

)

(

)

2

3

2

2

5 12

9

1

9

1

1

9

s

s

As s

s

B s

s

Cs s

Ds s

+

- =

-

- +

-

- +

- +

 

 

Picking appropriate values of s and solving for the constants gives, 

 

5

0

5 9

9

1

16

8

2

31

9

248 648

81

4345

50

2

45

14

81

81

s

B

B

s

D

D

s

C

C

s

A

A

=

=

Þ

=

=

= -

Þ

= -

=

=

Þ

=

=

= -

+

Þ

=

 

 
Plugging in the constants gives, 

 

( )

50

5

31

81

9

81

2

2

9

1

Y s

s

s

s

s

=

+

+

-

-

-

 

 
Finally taking the inverse transform gives us the solution to the IVP. 

 

( )

9

50 5

31

2

81 9

81

t

t

y t

t

=

+

+

-

e

e  

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 24 of 37


background image

Example 2  

Solve the following IVP. 

 

( )

( )

2

2

3

2

,

0

0

0

2

t

y

y

y t

y

y

-

¢¢

¢

¢

+

-

=

=

= -

e

 

Solution 
As with the first example, let’s first take the Laplace transform of all the terms in the differential 
equation.  We’ll the plug in the initial conditions to get, 

 

( )

( )

( )

(

)

( ) ( )

(

)

( )

(

)

(

)

( )

(

)

2

2

2

2

1

2

0

0

3

0

2

2

1

2

3

2

4

2

s Y s

sy

y

sY s

y

Y s

s

s

s

Y s

s

¢

-

-

+

-

-

=

+

+

-

+ =

+

 

 
Now solve for Y(s)

 

( )

(

)(

) (

)(

)

3

1

4

2

1

2

2

1

2

Y s

s

s

s

s

=

-

-

+

-

+

 

 
Now, as we did in the last example we’ll go ahead and combine the two terms together as we will 
have to partial fraction up the first denominator anyway, so we may as well make the numerator a 
little more complex and just do a single partial fraction.  This will give, 

 

( )

(

)

(

)(

)

(

)(

)

2

3

2

3

1 4

2

2

1

2

4

16

15

2

1

2

s

Y s

s

s

s

s

s

s

-

+

=

-

+

-

-

-

=

-

+

 

 

( )

(

) (

)

2

3

2

1

2

2

2

A

B

C

D

Y s

s

s

s

s

=

+

+

+

-

+

+

+

 

 
Setting numerator equal gives, 

 

(

)

(

)(

)

(

)(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

3

2

2

3

2

4

16

15

2

2

1

2

2

1

2

2

1

2

6

7

2

12

4

3

2

8

4

2

s

s

A s

B s

s

C

s

s

D s

A

B s

A

B

C s

A

B

C

D s

A

B

C D

-

-

-

=

+

+

-

+

+

-

+

+

-

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

 

 
In this case it’s probably easier to just set coefficients equal and solve the resulting system of 
equation rather than pick values of s.  So, here is the system and its solution. 

 

3

2

1

0

:

2

0

192

96

:

6

7

2

4

125

125

2

1

:12

4

3

2

16

25

5

: 8

4

2

15

s

A

B

A

B

s

A

B

C

s

A

B

C

D

C

D

s

A

B

C D

ü

+

=

= -

=

ï

+

+

= - ï

Þ

ý

+

+

+

= - ï

= -

= -

ï

-

-

- = - þ

 

 
We will get a common denominator of 125 on all these coefficients and factor that out when we 
go to plug them back into the transform.  Doing this gives, 

 

( )

(

)

(

) (

)

2!

2!

2

3

1

2

25

1

192

96

10

125 2

2

2

2

Y s

s

s

s

s

æ

ö

-

=

+

-

-

ç

÷

ç

÷

-

+

+

+

è

ø

 

 
Taking the inverse transform then gives, 

 

( )

2

2

2

2

2

1

25

96

96

10

125

2

t

t

t

t

y t

t

t

-

-

-

æ

ö

=

-

+

-

-

ç

÷

è

ø

e

e

e

e

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 25 of 37


background image

Example 3  

Solve the following IVP. 

 

( )

( )

( )

6

15

2sin 3 ,

0

1

0

4

y

y

y

t

y

y

¢¢

¢

¢

-

+

=

= -

= -  

Solution 
Take the Laplace transform of everything and plug in the initial conditions. 

 

( )

( )

( )

( ) ( )

(

)

( )

(

)

( )

2

2

2

2

3

0

0

6

0

15

2

9

6

6

15

2

9

s Y s

sy

y

sY s

y

Y s

s

s

s

Y s

s

s

¢

-

-

-

-

+

=

+

-

+

+ - =

+

 

 
Now solve for Y(s) and combine into a single term as we did in the previous two examples. 

 

( )

(

)(

)

3

2

2

2

2

9

24

9

6

15

s

s

s

Y s

s

s

s

- +

-

+

=

+

-

+

 

Now, do the partial fractions on this.  First let’s get the partial fraction decomposition. 

 

( )

2

2

9

6

15

As B

Cs D

Y s

s

s

s

+

+

=

+

+

-

+

 

 
Now, setting numerators equal gives, 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

3

2

2

2

3

2

2

9

24

6

15

9

6

15

6

9

15

9

s

s

s

As B s

s

Cs D s

A C s

A B D s

A

B

C s

B

D

- +

-

+

=

+

-

+

+

+

+

=

+

+ -

+ +

+

-

+

+

+

 

 
Setting coefficients equal and solving for the constants gives, 

 

3

2

1

0

:

1

1

1

:

6

2

10

10

11

5

:15

6

9

9

10

2

:

15

9

24

s

A C

A

B

s

A B D

s

A

B

C

C

D

s

B

D

ü

+ = -

=

=

ï

-

+ + = ï

Þ

ý

-

+

= - ï

= -

=

ï

+

=

þ

 

 
Now, plug these into the decomposition, complete the square on the denominator of the second 
term and then fix up the numerators for the inverse transform process. 

 

( )

(

)

(

)

2

2

2

2

1

1

11

25

10

9

6

15

11

3 3

25

1

1

10

9

3

6

s

s

Y s

s

s

s

s

s

s

s

+

-

+

æ

ö

=

+

ç

÷

+

-

+

è

ø

æ

ö

-

- + +

+

=

+

ç

÷

ç

÷

+

-

+

è

ø

 

(

)

(

)

(

)

6

3

6

3

2

2

2

2

8

11

3

1

1

10

9

9

3

6

3

6

s

s

s

s

s

s

æ

ö

-

=

ç

+

-

-

÷

ç

÷

+

+

-

+

-

+

è

ø

 
Finally, take the inverse transform. 

 

( )

( )

( )

( )

( )

3

3

1

1

8

cos 3

sin 3

11 cos

6

sin

6

10

3

6

t

t

y t

t

t

t

t

æ

ö

=

+

-

-

ç

÷

è

ø

e

e

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 26 of 37


background image

Ch67-H8152.tex

23/6/2006

15: 16

Page 648

1. A first order differential equation involving

current in a series R

circuit is given by:

di

dt

+ 5=

E

2

and i

= 0 at time = 0.

Use Laplace transforms to solve for i
when (a) E

= 20 (b) = 40 e

−3t

and (c)

E

= 50 sin 5t.


(a) i

= 2(1 − e

−5t

)

(b) i

= 10( e

−3t

− e

−5t

)

(c) i

=

5

2

( e

−5t

− cos 5+ sin 5t)


In Problems 2 to 9, use Laplace transforms to
solve the given differential equations.

2. 9

d

2

y

dt

2

− 24

dy

dt

+ 16= 0, given y(0) = 3

and y

(0)

= 3.

y

= (3 − t) e

4
3

t

3.

d

2

x

dt

2

+ 100= 0, given x(0) = 2 and

x

(0)

= 0.

[x

= 2 cos 10t]

4.

d

2

i

dt

2

+ 1000

di

dt

+ 250000= 0, given

i(0)

= 0 and i

(0)

= 100. [= 100e

−500t

]

5.

d

2

x

dt

2

+ 6

dx

dt

+ 8= 0, given x(0) = 4 and

x

(0)

= 8.

[x

= 4(3e

−2t

− 2e

−4t

)]

6.

d

2

y

dx

2

− 2

dy

dx

= 3 e

4x

, given y(0)

= −

2

3

and y

(0)

= 4

1

3

y

= (4− 1) e

x

+

1

3

e

4x

7.

d

2

y

dx

2

+ 16= 10 cos 4x, given y(0) = 3 and

y

(0)

= 4.

y

= 3 cos 4+ sin 4+

5

4

sin 4x

8.

d

2

y

dx

2

+

dy

dx

− 2= 3 cos 3− 11 sin 3x,

given y(0)

= 0 and y

(0)

= 6

[y

= e

x

− e

−2x

+ sin 3x]

9.

d

2

y

dx

2

− 2

dy

dx

+ 2= 3 e

x

cos 2x, given

y(0)

= 2 and y

(0)

= 5

y

= 3e

x

( cos x

+ sin x) − e

x

cos 2x

 Home Work

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 27 of 37


background image

Table of Laplace Transforms 

 

( )

( )

{

}

1

f t

F s

-

=

L

 

( )

( )

{

}

F s

f t

=

L

 

 

( )

( )

{

}

1

f t

F s

-

=

L

 

( )

( )

{

}

F s

f t

=

L

 

1. 

1

s

 

2. 

at

e

 

1

s a

-

 

3. 

,

1, 2,3,

n

t

n

=

K

 

1

!

n

n

s

+

 

4. 

p

t

p > -1 

(

)

1

1

p

p

s

+

G

+

 

5. 

t

 

3

2

2s

p

 

6. 

1

2

,

1, 2,3,

n

t

n

-

=

K

 

(

)

1

2

1 3 5

2

1

2

n

n

n

s

p

+

× ×

-

L

 

7. 

( )

sin at

 

2

2

a

s

a

+

 

8. 

( )

cos at

 

2

2

s

s

a

+

 

9. 

( )

sin

t

at

 

(

)

2

2

2

2as

s

a

+

 

10. 

( )

cos

t

at

 

(

)

2

2

2

2

2

s

a

s

a

-

+

 

11. 

( )

( )

sin

cos

at

at

at

-

 

(

)

3

2

2

2

2a

s

a

+

 

12. 

( )

( )

sin

cos

at

at

at

+

 

(

)

2

2

2

2

2as

s

a

+

 

13. 

( )

( )

cos

sin

at

at

at

-

 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

s s

a

s

a

-

+

 

14. 

( )

( )

cos

sin

at

at

at

+

 

(

)

(

)

2

2

2

2

2

3

s s

a

s

a

+

+

 

15. 

(

)

sin at b

+

 

( )

( )

2

2

sin

cos

s

b

a

b

s

a

+

+

  16. 

(

)

cos at b

+

 

( )

( )

2

2

cos

sin

s

b

a

b

s

a

-

+

 

17. 

( )

sinh at

 

2

2

a

s

a

-

 

18. 

( )

cosh at

 

2

2

s

s

a

-

 

19. 

( )

sin

at

bt

e

 

(

)

2

2

b

s a

b

-

+

 

20. 

( )

cos

at

bt

e

 

(

)

2

2

s a

s a

b

-

-

+

 

21. 

( )

sinh

at

bt

e

 

(

)

2

2

b

s a

b

-

-

 

22. 

( )

cosh

at

bt

e

 

(

)

2

2

s a

s a

b

-

-

-

 

23. 

,

1, 2,3,

n at

t

n

=

e

K

 

(

)

1

!

n

n

s a

+

-

 

24. 

( )

f ct

 

1

s

F

c

c

æ ö

ç ÷

è ø

 

25. 

( )

(

)

c

u t

u t c

=

-

 

Heaviside Function

 

cs

s

-

e

 

26. 

(

)

t c

-

 

Dirac Delta Function

 

cs

-

e

 

27. 

( ) (

)

c

u t f t c

-

 

( )

cs

F s

-

e

 

28. 

( ) ( )

c

u t g t

 

(

)

{

}

cs

g t c

-

+

e

L

 

29. 

( )

ct

f t

e

 

(

)

F s c

-

 

30. 

( )

,

1, 2,3,

n

t f t

n

=

K

 

( )

( )

( )

1

n

n

F

s

-

 

31. 

( )

1

f t

t

 

( )

s

F u du

¥

ò

 

32. 

( )

0

t

f v dv

ò

 

( )

F s

s

 

33. 

(

) ( )

0

t

f t

g

d

t

t t

-

ò

 

( ) ( )

F s G s

 

34. 

(

)

( )

f t T

f t

+

=

 

( )

0

1

T

st

sT

f t dt

-

-

-

ò

e

e

 

35. 

( )

f t

¢

 

( )

( )

0

sF s

f

-

 

36. 

( )

f t

¢¢

 

( )

( )

( )

2

0

0

s F s

sf

¢

-

-

 

37. 

( )

( )

n

f

t

 

( )

( )

( )

(

)

( )

(

)

( )

2

1

1

2

0

0

0

0

n

n

n

n

n

s F s

s

f

s

f

sf

f

-

-

-

-

¢

-

-

-

-

L

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 28 of 37


background image

The solution of simultaneous differential equations using

Laplace transforms

It is sometimes necessary to solve simultaneous dif-ferential equations. An example occurs when two

electrical circuits are coupled magnetically where the equations relating the two currents i

1

and i

2

are

typically:

L

1

di

1

dt

M

di

2

dt

R

1

i

1

E

1

L

2

di

2

dt

M

di

1

dt

R

2

i

2

= 0

where represents inductance, resistance, mutual inductance and E

1

the p.d. applied to one

of the circuits.

(i) Take the Laplace transform of both sides of each simultaneous equation by applying the formu-

lae for the Laplace transforms of derivatives (i.e.

(ii) Put in the initial conditions, i.e. x(0), y(0), x

(0), y

(0).

(iii) Solve the simultaneous equations for

L

{y} and

L

{x} by the normal algebraic method.

(iv) Determine and by using, where necessary, partial fractions, and taking the inverse of each term.

Procedure

y

dt

= 1

dx

dt

− + 4e

t

= 0

given that at t

= 0, = 0 and = 0.

Using the above procedure:

(i)

L

dy

dt

+

L

{x} =

L

{1}

(1)

L

dx

dt

L

{y} + 4

L

{e

t

} = 0

(2)

Equation (1) becomes:

[s

L

{y} − y(0)] +

L

{x} =

1

s

(1

)

from equation (3), page 634 and Table 64.1,

Example(1):- solve the following pair of simultaneous differential equation

Equation (2) becomes:

[s

L

{x} − x(0)] −

L

{y} = −

4

s

− 1

(2

)

(ii) x(0)

= 0 and y(0) = 0 hence

Equation (1

) becomes:

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 29 of 37


background image

s

L

{y} +

L

{x} =

1

s

(1

)

and equation (2

) becomes:

s

L

{x} −

L

{y} = −

4

s

− 1

or

L

{y} + s

L

{x} = −

4

s

− 1

(2

)

(iii) 1

× equation (1

) and s

× equation (2

) gives:

s

L

{y} +

L

{x} =

1

s

(3)

s

L

{y} + s

2

L

{x} = −

4s

s

− 1

(4)

Adding equations (3) and (4) gives:

(s

2

+ 1)

L

{x} =

1

s

4s

s

− 1

=

(s

− 1) − s(4s)

s(s

− 1)

=

−4s

2

− 1

s(s

− 1)

from which,

L

{x} =

−4s

2

− 1

s(s

− 1)(s

2

+ 1)

(5)

Using partial fractions

−4s

2

− 1

s(s

− 1)(s

2

+ 1)

A

s

+

B

(s

− 1)

+

Cs

D

(s

2

+ 1) =

A(s

− 1)(s

2

+ 1) + Bs(s

2

+ 1)

+ (Cs D)s(− 1)

s(s

− 1)(s

2

+ 1)

Hence

−4s

2

− 1 = A(− 1)(s

2

+ 1) + Bs(s

2

+ 1) + (Cs D)s(− 1)

When s

= 0, −1 = −hence = 1 When = 1, −4 = 2B

hence B

= −2

Equating s

3

coefficients:

0

hence = 1 (since = 1 and = −2)

Equating s

2

coefficients:

−4 = −− hence = −2 (since = 1 and = 1)

Thus

L

{x} =

−4s

2

− 1

s(s

− 1)(s

2

+ 1)

=

1

s

2

(s

− 1)

+

s

− 2

(s

2

+ 1)

(iv) Hence

x

=

L

−1

1

s

2

(s

− 1)

+

s

− 2

(s

2

+ 1)

=

L

−1

1

s

2

(s

− 1)

+

s

(s

2

+ 1)

2

(s

2

+ 1)

i.e.

x

= 1 − 2e

t

+ cos − 2 sin t,

From the second equation given in the question,

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 30 of 37


background image

dx

dt

− + 4 e

t

= 0

from which,

y

=

dx

dt

+ 4 e

t

=

d

dt

(1

− 2 e

t

+ cos − 2 sin t) + 4 e

t

= −2 e

t

− sin − 2 cos + 4 e

t

i.e. y

= 2e

t

− sin − 2 cos t

[Alternatively, to determine y, return to equations (1

) and (2

)]

3

dx

dt

− 5

dy

dt

+ 2= 6

2

dy

dt

dx

dt

− = −1

given that at t

= 0, = 8 and = 3.

Using the above procedure:

(i) 3

L

dx

dt

− 5

L

dy

dt

+ 2

L

{x} =

L

{6}

(1)

2

L

dy

dt

L

dx

dt

L

{y} =

L

{−1}

(2)

Example(2):- solve the following pair of simultaneous differential equation

Equation (1) becomes:

3[s

L

{x} − x(0)] − 5[s

L

{y} − y(0)] + 2

L

{x} =

6

s

3s

L

{x} − 3x(0) − 5s

L

{y} + 5y(0) + 2

L

{x} =

6

s

.

(3s

+ 2)

L

{x} − 3x(0) − 5s

L

{y}+ 5y(0) =

6

s

(1

)

Equation (2) becomes:

2[s

L

{y} − y(0)] − [s

L

{x} − x(0)] −

L

{y} = −

1

s

2s

L

{y} − 2y(0) − s

L

{x}+ x(0) −

L

{y} = −

1

s

(2s

− 1)

L

{y} − 2y(0) − s

L

{x} + x(0) = −

1

s

(2

)

(ii)

x(0)

= 8 and y(0) = 3, hence equation (1

) becomes

(3s

+ 2)

L

{x} − 3(8) − 5s

L

{y}+ 5(3) =

6

s

(1

)

and equation (2

) becomes

(2s

− 1)

L

{y} − 2(3) − s

L

{x} + 8 = −

1

s

(2

)

i.e.

(3s

+ 2)

L

{x} − 5s

L

{y} =

6

s

+ 9

(1

)

(3s

+ 2)

L

{x} − 5s

L

{y} =

6

s

+ 9

(1

)

− s

L

{x} + (2− 1)

L

{y} = −

1

s

− 2

(2

)


(A)

(iii)

s

× equation (1

) and (3s

+2) × equation (2

)

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 31 of 37


background image

Ch68-H8152.tex

23/6/2006

15: 16

Page 652

gives:

s(3s

+ 2)

L

{x} − 5s

2

L

{y} = s

6

s

+ 9

(3)

s(3+ 2)

L

{x} + (3+ 2)(2− 1)

L

{y} = (3+ 2)

1

s

− 2

(4)

i.e.

s(3s

+ 2)

L

{x} − 5s

2

L

{y} = 6 + 9(3

)

s(3+ 2)

L

{x} + (6s

2

− 2)

L

{y} = −6

2

s

− 7

(4

)

Adding equations (3

) and (4

) gives:

(s

2

− 2)

L

{y} = −1 + 3

2

s

=

+ 3s

2

− 2

s

from which,

L

{y} =

3s

2

− − 2

s(s

2

− 2)

Using partial fractions

3s

2

− − 2

s(s

2

− 2)

A

s

+

B

(s

+ 2)

+

C

(s

− 1)

=

A(s

+ 2)(− 1) + Bs(− 1) + Cs(+ 2)

s(s

+ 2)(− 1)

3s

2

− − 2 = A(+ 2)(− 1) + Bs(− 1) + Cs(+ 2) When = 0, −2 = −2A, hence = 1

When

s

= 1, 0 = 3C, hence = 0

When

s

= −2, 12 = 6B, hence = 2

Thus

L

{y} =

3s

2

− − 2

s(s

2

− 2)

=

1

s

+

2

(s

+ 2)

(iv) Hence

y

=

L

−1

1

s

+

2

s

+ 2

1 + 2e

−2t

Returning to equations (A) to determine

L

{x} and hence x:

(2s

− 1) × equation (1

) and 5s

× (2

) gives:

(2s

− 1)(3+ 2)

L

{x} − 5s(2− 1)

L

{y} = (2− 1)

6

s

+ 9

(5)

and

s(5s)

L

{x} + 5s(2− 1)

L

{y} = 5s

1

s

− 2

(6)

(6s

2

− 2)

L

{x} − 5s(2− 1)

L

{y} = 12 + 18

6

s

− 9

(5

)

and

−5s

2

L

{x} + 5s(2− 1)

L

{y} = −5 − 10s

(6

)

Adding equations (5

) and (6

) gives:

(s

2

− 2)

L

{x} = −2 + 8

6

s

=

−2+ 8s

2

− 6

s

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 32 of 37


background image

Ch68-H8152.tex

23/6/2006

15: 16

Page 653

K

from which,

L

{x} =

8s

2

− 2− 6

s(s

2

− 2) =

8s

2

− 2− 6

s(s

+ 2)(− 1)

Using partial fractions

8s

2

− 2− 6

s(s

+ 2)(− 1)

A

s

+

B

(s

+ 2)

+

C

(s

− 1) =

A(s

+ 2)(− 1) + Bs(− 1) + Cs(+ 2)

s(s

+ 2)(− 1)

8s

2

− 2− 6 = A(+ 2)(− 1) + Bs(− 1) + Cs(+ 2)

When s

= 0, −6 = −2A

,

hence A

= 3 When = 1, 0 = 3C, hence = 0 When = −2, 30 = 6B, hence = 5

Thus

L

{x} =

8s

2

− 2− 6

s(s

+ 2)(− 1)

=

3

s

+

5

(s

+ 2)

Hence

x

=

L

−1

3

s

+

5

s

+ 2

= 3 + 5e

−2t

Therefore the solutions of the given simultaneous differential equations are

y

= 1 + 2e

−2t

and

x

= 3 + 5e

−2t

(These solutions may be checked by substituting the expressions for and into the original equations.)

d

2

x

dt

2

− y

d

2

y

dt

2

= −x

given that at t

= 0, = 2, = −1,

dx

dt

= 0

and

dy

dt

= 0.

Using the procedure:

(i) [s

2

L

{x} − sx(0) − x

(0)]

L

{x} =

L

{y}

(1)

[s

2

L

{y} − sy(0) − y

(0)]

+

L

{y} = −

L

{x} (2)

(ii) x(0)

= 2, y(0) = −1, x

(0)

= 0 and y

(0)

= 0

hence

s

2

L

{x} − 2

L

{x} =

L

{y}

(1

)

s

2

L

{y} + +

L

{y} = −

L

{x}

(2

)

(iii) Rearranging gives:

(s

2

− 1)

L

{x} −

L

{y} = 2s

(3)

L

{x} + (s

2

+ 1)

L

{y} = −s

(4)

Equation (3)

× (s

2

+ 1) and equation (4) × 1 gives:

(s

2

+ 1)(s

2

− 1)

L

{x} − (s

2

+ 1)

L

{y}= (s

2

+ 1)2s

(5)

L

{x} + (s

2

+ 1)

L

{y} = −s

(6)

Example(3):- solve the following pair of simultaneous differential equation

Adding equations (5) and (6) gives:

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 33 of 37


background image

[(s

2

+ 1)(s

2

− 1) + 1]

L

{x} = (s

2

+ 1)2− s

i.e.

s

4

L

{x} = 2s

3

s(2s

2

+ 1)

from which,

L

{x} =

s(2s

2

+ 1)

s

4

=

2s

2

+ 1

s

3

=

2s

2

s

3

+

1

s

3

=

2

s

+

1

s

3

(iv) Hence

x

=

L

−1

2

s

+

1

s

3

i.e.

x

= 2 +

1

2

t

2

Returning to equations (3) and (4) to deter-mine y:

1

× equation (3) and (s

2

− 1) × equation (4)

gives:

(s

2

− 1)

L

{x} −

L

{y} = 2s

(7)

(s

2

− 1)

L

{x} + (s

2

− 1)(s

2

+ 1)

L

{y} = −s(s

2

− 1)

(8)

Equation (7)

− equation (8) gives:

[

−1 − (s

2

− 1)(s

2

+ 1)]

L

{y} = 2s(s

2

− 1)

i.e.

s

4

L

{y} = s

3

s

and

L

{y} =

s

3

s

s

4

= −

1

s

1

s

3

from which,

y

=

L

−1

1

s

1

s

3

i.e.

y

= −1 −

1

2

t

2

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 34 of 37


background image

Solve the following pairs of simultaneous dif- ferential equations:

1.

2

dx

dt

+

dy

dt

= 5 e

t

dy

dt

− 3

dx

dt

= 5

given that when t

= 0, = 0 and = 0

[x

e

t

− − 1 and = 2− 3 + 3e

t

]

2.

2

dy

dt

− +

dx

dt

− 5 sin = 0

3

dy

dt

− + 2

dx

dt

− e

t

= 0

given that at t

= 0, = 0 and = 0

x

= 5 cos + 5 sin − e

2t

− e

t

− 3 and

y

e

2t

+ 2e

t

− 3 − 5 sin t

3.

d

2

x

dt

2

+ 2y

Further Problem

answer

answer

d

2

y

dt

2

+ 2x

given that at t

= 0, = 4, = 2,

dx

dt

= 0

and

dy

dt

= 0

x

= 3 cos + cos (

t) and

y

= 3 cos − cos (

t)

answer

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 35 of 37


background image

Home Work

1. Find the Laplace transforms of the following functions:

(a) 2t

3

− 4+ 5 (b) 3e

−2t

− 4 sin 2t

(c) 3 cosh 2t

(d) 2t

4

e

−3t

(e) 5e

2t

cos 3t

(f) 2e

3t

sinh 4t

2. Find the inverse Laplace transforms of the fol- lowing functions:

(a)

5

2s

+ 1

(b)

12

s

5

(c)

4s

s

2

+ 9

(d)

5

s

2

− 9

(e)

3

(s

+ 2)

4

(f)

s

− 4

s

2

− 8− 20

(g)

8

s

2

− 4+ 3

3. Use partial fractions to determine the following:

(a)

L

−1

5s

− 1

s

2

− − 2

(b)

L

−1

2s

2

+ 11− 9

s(s

− 1)(+ 3)

(c)

L

−1

13

− s

2

s(s

2

+ 4+ 13)

4. In a galvanometer the deflection θ satisfies the differential equation:

d

2

θ

dt

2

+ 2

dθ

dt

θ = 4 Use Laplace transforms to solve the equation for

θ

given that when t

= 0, θ = 0 and

dθ

dt

= 0

5. Solve the following pair of simultaneous differ- ential equations:

3

dx

dt

= 3+ 2y

2

dy

dt

+ 3= 6y

given that when t

= 0, = 1 and = 3

Dr Muhammad 

A R Yass

Page 36 of 37


background image

 

Table Notes 

1.  This list is not inclusive and only contains some of the more commonly used Laplace 

transforms and formulas. 
 

2.  Recall the definition of hyperbolic functions. 

 

( )

( )

cosh

sinh

2

2

t

t

t

t

t

t

-

-

+

-

=

=

e

e

e

e

 

 

 

3.  Be careful when using “normal” trig function vs. hyperbolic functions.  The only 

difference in the formulas is the “+ a

2

” for the “normal” trig functions becomes a “- a

2

” 

for the hyperbolic functions! 
 

4.  Formula #4 uses the Gamma function which is defined as 

 

( )

1

0

x t

t

x dx

¥ -

-

G

=

ò

e

 

 

If n is a positive integer then, 

 

(

)

1

!

n

n

G + =  

 
The Gamma function is an extension of the normal factorial function.  Here are a couple 
of quick facts for the Gamma function 
 

 

(

)

( )

(

)(

) (

)

(

)

( )

1

1

2

1

1
2

p

p

p

p n

p p

p

p n

p

p

G

+ = G

G

+

+

+

+ - =

G

æ ö

G

=

ç ÷

è ø

L

 

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 37 of 37




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام عضوان و 160 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل