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Friday, 26 July 2024

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Relation entre la transformation bilatérale et la transformation monolatérale [ modifier | modifier le code] Théorie élémentaire [ modifier | modifier le code] Soit une fonction définie dans un voisinage ouvert de, continue en 0, et admettant une transformée de Laplace bilatérale. Sa transformée monolatérale de Laplace, que nous noterons ici, est donnée par où est la fonction de Heaviside. On a par conséquent d'où la formule classique Généralisation [ modifier | modifier le code] Soit une distribution à support positif, une fonction indéfiniment dérivable dans un intervalle ouvert contenant, et. En posant, est une distribution à support positif, dont la transformée de Laplace est (en notation abusive) où est l'abscisse de convergence. Les distributions et ont même restriction à tout intervalle ouvert de la forme dès que est suffisamment petit. On peut donc écrire pour tout entier. D'autre part, avec et, d'après la « théorie élémentaire » ci-dessus,. Finalement, En procédant par récurrence, on obtient les formules générales de l'article Transformation de Laplace.

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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.

Formalisation [ 2] (fin) Définissons maintenant la relation d'équivalence suivante: et désignant deux distributions telles que ci-dessus, nous écrirons si et ont même restriction à l'intervalle dès que est suffisamment petit. Alors ne dépend que de la classe d'équivalence de et qui est appelée un « germe » de fonction généralisée définie dans un voisinage de, et, par abus de langage, une « fonction généralisée à support positif » (voir l'article Transformation de Laplace). On écrira. Notons enfin que si, et seulement si. Applications [ modifier | modifier le code] La transformation de Laplace bilatérale est utilisée notamment pour la conception de filtres analogiques classiques ( Butterworth, Tchebychev, Cauer, etc. ) [ 3], pour le filtre optimal de Wiener, en statistiques où elle définit la fonction génératrice des moments d'une distribution, elle joue un rôle essentiel dans la formulation à temps continu de la factorisation spectrale causale directe et inverse, elle est très utilisée enfin pour résoudre les équations intégrales (voir l'article Opérateur intégral).