Diferansiyel Denklemler · 5. Ünite: Laplace Dönüşümleri

Ters Laplace Dönüşümleri

Laplace yöntemiyle bir başlangıç değer problemi çözüldüğünde eldeki sonuç $Y(s)$ gibi bir rasyonel ifadedir; asıl aranan ise $y(t)$'dir. Bu yolun son ve en çok hata yapılan adımı ters Laplace dönüşümüdür (inverse Laplace transform). Bu konuda $F(s)$'i tablodaki basit parçalara ayırmayı (kısmi kesirler, tam kareye tamamlama, $s$-ötelemesi) öğrenecek, ayrıca $F(s)$'in paydasının köklerine, yani kutuplara (poles) bakarak $f(t)$'nin sönüp sönmeyeceğini, salınıp salınmayacağını çözmeden okuyabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Çözümün Son Adımı

  2. Tanım, Lineerlik ve Tablodan Okuma

  3. Kısmi Kesirler: Ayrık Gerçel Kutuplar ve Heaviside Yöntemi

  4. Tekrarlı Kutuplar

  5. Karmaşık Kutuplar: Tam Kareye Tamamlama ve s-Ötelemesi

  6. Kutupların Konumu ve f(t) Davranışı

  7. Derece Koşulu, Polinom Bölme ve Tekillik

  8. Çözümlü Örnekler

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Simülasyonda Dene

Anahtar terimler

Ters Laplace dönüşümü (inverse Laplace transform)
$F(s) = \mathcal{L}\{f\}$ olan $f(t)$'yi veren işlem; lineerdir ve $t \geq 0$ için sürekli fonksiyonlar arasında tektir.
Kutup (pole)
$F(s) = N/D$'nin paydasının kökü; $f(t)$'deki $e^{pt}$ terimlerini ve davranışı belirler.
Sıfır (zero)
$F(s)$'in payının kökü; katsayıları ve fazı etkiler, zarfın türünü etkilemez.
Kısmi kesirler (partial fractions)
Rasyonel $F(s)$'in tablo terimlerine ayrıştırılması.
Heaviside örtme yöntemi (cover-up method)
Ayrık kutuplarda $A_k = N(p_k)/D'(p_k)$ ile katsayı bulma; $(s-p_k)$ çarpanını örtüp $s = p_k$ alma.
Katlı kutup (repeated pole)
Paydada $(s-p)^m$ çarpanı; $f(t)$'ye $t^{k}e^{pt}$ terimleri getirir.
Tam kareye tamamlama (completing the square)
$s^2 + bs + c = (s-\sigma)^2 + \omega^2$ yazılışı; karmaşık kutuplu paydalarda $s$-ötelemesini mümkün kılar.
s-ötelemesi (first shifting theorem)
$\mathcal{L}\{e^{at}f(t)\} = F(s-a)$; $e^{at}\sin\omega t$ ve $e^{at}\cos\omega t$ tablo satırlarının kaynağı.
Dirac delta (Dirac delta)
$\mathcal{L}\{\delta(t)\} = 1$; pay derecesi paydadan küçük olmayan $F(s)$'te polinom kısmının zaman karşılığı.
Lerch teoremi (Lerch's theorem)
İki sürekli fonksiyon aynı Laplace dönüşümüne sahipse özdeştir; ters dönüşüm tekliği.

Örnek soru

$F(s) = \dfrac{4}{s^3} - \dfrac{2}{s+5}$ ise $\mathcal{L}^{-1}\{F(s)\}$ aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $4t^2 - 2e^{-5t}$
  2. $2t^2 - 2e^{5t}$
  3. $\tfrac{2}{3}t^3 - 2e^{-5t}$
  4. $2t^2 - 2e^{-5t}$
  5. $2t^2 - 2e^{-t/5}$

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Lineerlikten $\mathcal{L}^{-1}$ terim terim uygulanır.
2. Tabloda $\mathcal{L}\{t^n\} = n!/s^{n+1}$ olduğundan $s^3$ için $n = 2$ ve $\mathcal{L}^{-1}\{4/s^3\} = 4\cdot\dfrac{t^2}{2!} = 2t^2$.
3. $\mathcal{L}^{-1}\{1/(s+5)\} = e^{-5t}$ (kutup $s = -5$ olduğundan üs $-5t$), dolayısıyla ikinci terim $-2e^{-5t}$.
Cevap: D. A seçeneği $n!$ bölmesini unutur. B seçeneği $s+5$'ten üssü $+5t$ okur. C seçeneği $s^3$'ten $n = 3$ çıkarır; oysa $n+1 = 3$'tür. E seçeneği sabiti üsse taşır.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular