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Sunday, 4 August 2024

On dispose aussi du théorème suivant pour inverser la transformée de Laplace. Théorème (formule d'inversion de Bromvitch): Soit F(z)=F(x+iy), analytique pour x>x 0, une fonction sommable en y, pour tout x>x 0. Alors F est une transformée de Laplace, dont l'original est donné par: Cette dernière intégrale se calcule souvent en utilisant le théorème des résidus. Application de la transformée de Laplace à la résolution d'équations différentielles: Soit à résoudre, pour $t>0$, $$f^{(3)}(t)+f''(t)+f'(t)+f(t)=te^t$$ avec $f'(0)=f''(0)=f^{(3)}(0)=0$. On suppose que $f$ admet une transformée de Laplace $F$, et on prend la transformée de Laplace de l'équation précédente: $$z^3F(z)+z^2 F(z)+zF(z)+F(z)=\frac1{(z-1)^2}. $$ L'equation différentielle en $f$ se transforme en équation algébrique en $F$. On résout cette équation pour en déduire $F(z)$, et retrouver $f$ par transformée de Laplace inverse! (ce qui n'est pas forcément simple). La transformation de Laplace a été introduite par le marquis Pierre Simon de Laplace en 1812, dans son ouvrage Théorie analytique des probabilités, afin de caractériser diverses lois de probabilités.

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Il peut tout aussi bien s'exprimer à partir de la transformation de Laplace, et on obtient alors l'énoncé suivant: (1) Théorème de Paley-Wiener: Pour qu'une fonction entière soit la transformée de Laplace d'une fonction indéfiniment dérivable sur de support inclus dans la "boule" fermée de centre et de rayon, notée, il faut et il suffit que pour tout entier, il existe une constante tels que pour tout appartenant à, où désigne le produit scalaire usuel dans de et de. (2) Théorème de Paley-Wiener-Schwartz: Pour qu'une fonction entière soit la transformée de Laplace d'une distribution sur de support inclus dans, il faut et il suffit qu'il existe un entier et une constante tels que pour tout appartenant à,. Un théorème dû à Jacques-Louis Lions donne d'autres informations sur le support d'une distribution à partir de sa transformée de Laplace. Dans le cas d'une seule variable, il prend la forme suivante (voir Inversion): Pour qu'une fonction holomorphe sur soit la transformée de Laplace d'une distribution sur à support dans la demi-droite, il faut et il suffit que soit majorée, lorsque le réel est assez grand, par un polynôme en.

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2. Propriétés 1. Linéarité \[f(t)=f_1(t)+f_2(t)\quad \rightarrow \quad F(p)=F_1(p)+F_2(p)\] 1. Dérivation et Intégration \[f'(t)\quad \rightarrow \quad F'(p)=p~F(p)\] Le calcul rigoureux (dérivation sous le signe \(\int\) conduit à: \[F'(p)~=~p~F(p)+f(0)\] En pratique, les fonctions que nous considérons n'apparaissent qu'à l'instant \(t\) et sont supposées nulles pour \(t<0\) avec \(f(0)=0\): \[f'(t)\quad \rightarrow \quad F'(p)=p~F(p)\] Inversement, une intégration équivaut à une multiplication par \(1/p\) de l'image. En effectuant une deuxième dérivation: \[F''(p) = p~F'(p)-f'(0)\] Et comme \(f'(0)=0\), suivant l'hypothèse précédente: \[F''(p)=p^2~F(p)\] 1. 3. Théorème des valeurs initiale et finale Théorème de la valeur initiale: \[f(0) = \lim_{p~\to~\infty}\{p~F(p)\}\] Théorème de la valeur finale: \[f(+\infty) = \lim_{p~\to~0}\{p~F(p)\}\] 1. Détermination de l'original La fonction image se présente généralement comme le quotient de deux polynômes, le degré du dénominateur étant supérieur à celui du numérateur.

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La transformation dite mono-latérale (intégration de 0 à + l'infini) de Pierre Simon de Laplace (1749-1827) a conduit au calcul opérationnel, utile dans l'étude des asservissements et des circuits de l'électronique. Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768-1830) est bien sûr connu pour ses fameuses séries. On lui doit la transformation intégrale dite de Fourier (intégration de – à + l'infini) dont les champs d'application privilégiés sont la théorie et le traitement du signal. Laplace a été le professeur de Fourier à l'École normale de l'an III (1795), nouvellement créée et ancêtre de l'École normale supérieure, rue d'Ulm. 1. Transformation monolatérale de Laplace 1. 1. Définition La transformation monolatérale de Laplace s'applique particulièrement à toute fonction \(f(t)\) nulle pour \(t<0\). C'est une fonction \(F(p)\) de la variable complexe \(p=\sigma + j\omega\): \[f(t)\quad \rightarrow \quad F(p)~= \int_0^{+\infty}e^{-p~t}~f(t)~dt\] \(f(t)\) est l'original, \(F(p)\) en est l'image. 1.

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En analyse, la transformation bilatérale de Laplace est la forme la plus générale de la transformation de Laplace, dans laquelle l' intégration se fait à partir de moins l'infini plutôt qu'à partir de zéro. Définition [ modifier | modifier le code] La transformée bilatérale de Laplace d'une fonction de la variable réelle est la fonction de la variable complexe définie par: Cette intégrale converge pour, c'est-à-dire pour appartenant à une bande de convergence dans le plan complexe (au lieu de, désignant alors l'abscisse de convergence, dans le cas de la transformation monolatérale). De façon précise, dans le cadre de la théorie des distributions, cette transformée « converge » pour toutes les valeurs de pour lesquelles (en notation abusive) est une distribution tempérée et admet donc une transformation de Fourier. Propriétés élémentaires [ modifier | modifier le code] Les propriétés élémentaires (injectivité, linéarité, etc. ) sont identiques à celles de la transformation monolatérale de Laplace.

Coefficients des séries de Fourier 3. Forme réelle La fonction (périodique) à décomposer: \[f(x)~=~a_0~+~\sum_{n=1}^{n=\infty} a_n\cos n\omega x~+~\sum_{n=1}^{n=\infty} b_n\sin n\omega x\] Les expressions des coefficients (réels): \[\begin{aligned} &a_0~=~\frac{1}{T} ~\int_0^Tf(t)~dt\\ &a_n~=~\frac{2}{T}~\int_0^T~f(t)\cos n\omega t~dt\\ &b_n~=~\frac{2}{T}~\int_0^T~f(t)\sin n\omega t~dt\end{aligned}\] 3. Forme complexe La fonction (périodique) à décomposer: \[f(x)~=~\sum_{n=-\infty}^{n=+\infty} c_n~e^{jn\omega x}\] Les expressions des coefficients (complexes): \[c_n~=~\frac{a_n+jb_n}{2}~=~\frac{1}{T}\int_0^T f(t)~e^{-jn\omega t}~dt\]

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