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La Transformée de Laplace - Exercices corrigés 4 pdf

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Academic year: 2022

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(1)

Transform´ ee de Laplace Exercices Simples

1) Laplace

Calculer les transform´ees de Laplace suivantes : a) L h

t2+t−e−3t

U(t)i

b) L h

t+ 2

U(t) + t+ 3

U(t−2)i c) L h

t2+t+ 1

e−2t U(t)i

2) Laplace inverse

Calculer les originaux suivants : a) L−1

p+ 2 (p+ 3)(p+ 4)

b) L−1

3 (p+ 5)2

c) L−1

p−1 (p2+ 2p+ 5)

3) Equations diff´ ´ erentielles

Utiliser la transform´ee de Laplace pour d´eterminer la solution particuli`ere de chacune des

´equations diff´erentielles suivantes :

a) x0(t) +x(t) =t U(t)−tU(t−1) condition initiale : x(0) = 0 b) x00(t) +x0(t) = U(t) conditions initiales :

x(0) = 0 x0(0) = 0 c) x00(t) + 4x(t) = 2 U(t) conditions initiales :

x(0) = 0 x0(0) = 1 d) x00(t) + 5x0(t) + 4x(t) = e−2tU(t) conditions initiales :

x(0) = 1 x0(0) = 0 e) x00(t) + 2x0(t) + 2x(t) = 0 conditions initiales :

x(0) = 1 x0(0) = 1

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1 / 2 LATEX 2ε

(2)

Transform´ ee de Laplace Exercices d’entraˆınement

1) Calculer les transform´ ees de Laplace suivantes :

a) L [cos(t)e−tU(t)] b) L [(5t)2e−5tU(t)]

c) L [(cos(2t)−sin(t))e−3t U(t)] d) L [(t2+t+ 1)e−2tU(t)]

2) Calculer les originaux suivants :

a) L−1 3

p+ 2 − 1 p3

b) L−1

−2 (p+ 3)2

c) L−1

5

(p+ 3)(p2+ 3p+ 5)

d) L−1

p p2+ 4p+ 6

e) L−1 p

(p+ 1)2

f ) L−1

2p+ 3 2p2+ 4p+ 5

3) Equations diff´ ´ erentielles

Utiliser la transform´ee de Laplace pour r´esoudre les ´equations suivantes :

a) x00(t) + 3x0(t) + 2x(t) = 0 avec : x(0) = 1 et x0(0) = 0 b) x00(t) + 6x0(t) + 9x(t) = e−2tU(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 0 c) x00(t)−x(t) = (3e−2t+t2+ 1)U(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 0 d) x00(t)−4x(t) = (3e−t−t2)U(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 1 e) x00(t) +x(t) =etcos(t)U(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 0 f ) x00(t) +x(t) = U(t)− U(t−1) avec : x(0) = 2 et x0(0) = 0

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2 / 2 LATEX 2ε

(3)

Exercices Simples (Solutions)

1) Laplace

Calculer les transform´ees de Laplace suivantes : a) L h

t2+t−e−3t

U(t)i f(t) =

t2+t−e−3t

U(t) = t2 U(t) +tU(t)−e−3t U(t) F(p) = 2

p3 + 1

p2 − 1 p+ 3 b) L h

t+ 2

U(t) + t+ 3

U(t−2)i f(t) = t+ 2

U(t) + t+ 3

U(t−2) = t+ 2

U(t) + (t−2) + 5

U(t−2) L

t+ 5

U(t)

= 1 p2 +5

p L

t+ 2

U(t)

= 1 p2 +2

p L

(t−2) + 5

U(t−2)

= 1

p2 + 5 p

e−2p = 2p+ 1

p2 F(p) = 2p+ 1

p2 + 1

p2 +5 p

e−2p

c) L h

t2+t+ 1

e−2t U(t)i

f(t) =

t2+t+ 1

e−2t U(t) L h

t2+t+ 1

U(t)i

= 2 p3 + 1

p2 + 1

p = p2 +p+ 2 p3 L h

t2+t+ 1

e−2t U(t)i

= (p+ 2)2+ (p+ 2) + 2 (p+ 2)3

F(t) = p2+ 5p+ 8 (p+ 2)3

2) Laplace inverse

Calculer les originaux suivants : a) L−1

p+ 2 (p+ 3)(p+ 4)

F(p) = p+ 2

(p+ 3)(p+ 4) = 2

p+ 4 + −1 p+ 3 f(t) =

2e−4t−e−3t U(t)

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(4)

b) L−1

3 (p+ 5)2

F(p) = 3 (p+ 5)2 L−1

3 p2

= 3tU(t) f(t) = 3t e−5tU(t) c) L−1

p−1 (p2+ 2p+ 5)

F(p) = p−1

(p2+ 2p+ 5) = p+ 1

(p+ 1)2+ 22 − 2 (p+ 1)2+ 22 L−1

p

p2+ 22 − 2 p2+ 22

=

cos(2t)− sin(2t) U(t) f(t) =

cos(2t)− sin(2t)

e−tU(t)

3) Equations diff´ ´ erentielles

a) x0(t) +x(t) =t U(t)−tU(t−1) condition initiale : x(0) = 0 x0(t) +x(t) = tU(t)− (t−1) + 1

U(t−1) (p X(p)−0) +X(p) = 1

p2 − 1

p2 +1 p

e−p (p+ 1)X(p) = 1

p2 − p+ 1 p2 e−p X(p) = 1

p2(p+ 1) − 1 p2 e−p X(p) = 1

p2 − 1 p+ 1

p+ 1 − 1 p2 e−p x(t) = t−1 +e−t

U(t)− t−1

U(t−1)

b) x00(t) +x0(t) = U(t) conditions initiales :

x(0) = 0 x0(0) = 0 (p2X(p)−0−0) + (p X(p)−0) = 1

p (p2+p)X(p) = 1 p X(p) = 1

p(p2+p) = 1 p2 −1

p + 1 p+ 1 x(t) =

t−1 +e−t U(t)

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(5)

c) x00(t) + 4x(t) = 2 U(t) conditions initiales :

x(0) = 0 x0(0) = 1 (p2X(p)−0−1) + 4X(p) = 2

p (p2+ 4)X(p) = 2

p + 1 X(p) = p+ 2

p(p2 + 4) =

1 2

p +−12p+ 1 p2+ 4

= 1 2

1

p− p

p2+ 4 + 2 p2+ 4

x(t) = 1 2

1−cos(2t) + sin(2t) U(t)

d) x00(t) + 5x0(t) + 4x(t) = e−2tU(t) conditions initiales :

x(0) = 1 x0(0) = 0 (p2X(p)−p−0) + 5(p X(p)−1) + 4X(p) = 1

p+ 2 (p2+ 5p+ 4)X(p) = 1

p+ 2 +p+ 5 X(p) = p2+ 7p+ 11

(p+ 2)(p2+ 5p+ 4) = p2+ 7p+ 11 (p+ 2)(p+ 1)(p+ 4)

= 5/3

p+ 1 + −1/2

p+ 2 +−1/6 p+ 4 x(t) =

5e−t

3 − e−2t

2 − e−4t 6

U(t)

e) x00(t) + 2x0(t) + 2x(t) = 0 conditions initiales :

x(0) = 1 x0(0) = 1 (p2X(p)−p−1) + 2(p X(p)−1) + 2X(p) = 0

(p2+ 2p+ 2)X(p) =p+ 3 X(p) = p+ 3

p2+ 2p+ 2

= p+ 1

(p+ 1)2+ 12 + 2 (p+ 1)2+ 12 x(t) =

cos(t) + 2 sin(t)

e−tU(t)

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(6)

Exercices d’entraˆınement (Solutions)

1) Calculer les transform´ ees de Laplace suivantes :

a) L [cos(t)e−tU(t)]

L [cos(t)U(t)] = p p2+ 12 L

cos(t)e−tU(t)

= (p+ 1) (p+ 1)2+ 12 F(p) = p+ 1

p2+ 2p+ 2 b) L [(5t)2e−5tU(t)]

L

25t2 U(t)

= 252!

p3 L

(5t)2e−5t U(t)

= 25 2 (p+ 5)3 F(p) = 50

(p+ 5)3 c) L [(cos(2t)−sin(t))e−3tU(t)]

L [(cos(2t)−sin(t)) U(t)] = p

p2+ 22 − 1 p2+ 12 L

(cos(2t)−sin(t))e−3tU(t)

= (p+ 3)

(p+ 3)2+ 22 − 1 (p+ 3)2+ 12 F(p) = p+ 3

p2+ 6p+ 13 − 1 p2+ 6p+ 10 d) L [(t2+t+ 1)e−2t U(t)]

L

(t2+t+ 1)U(t)

= 2 p3 + 1

p2 + 1 p L

(t2+t+ 1)e−2tU(t)

= 2

(p+ 2)3 + 1

(p+ 2)2 + 1 p+ 2 F(p) = 2

(p+ 2)3 + 1

(p+ 2)2 + 1 p+ 2

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(7)

2) Calculer les originaux suivants :

a) L−1 3

p+ 2 − 1 p3

f(t) =

3e−2t−t2 2

U(t)

b) L−1

−2 (p+ 3)2

f(t) =−2t e−3t U(t)

c) L−1

5

(p+ 3)(p2+ 3p+ 5)

F(p) = 5

(p+ 3)(p2+ 3p+ 5) = 1

p+ 3 − p p2+ 3p+ 5

= 1

p+ 3 − p

(p+32)2+ (

11 2 )2

= 1

p+ 3 − p+32 (p+32)2+ (

11 2 )2

3 2

(p+32)2+ (

11 2 )2

!

= 1

p+ 3 − p+32 (p+32)2+ (

11 2 )2

− 3 2

√2 11

11

2

(p+32)2 + (

11 2 )2

!

f(t) =

e−3t− cos(

11

2 t)− 3

11sin(

11 2 t)

e32t U(t)

d) L−1

p p2+ 4p+ 6

F(p) = p

p2+ 4p+ 6 = p (p+ 2)2+ 2

= p+ 2

(p+ 2)2+ (√

2)2 − 2

(p+ 2)2+ (√ 2)2

= p+ 2

(p+ 2)2+ (√ 2)2

√2×√ 2 (p+ 2)2+ (√

2)2 f(t) =

cos(√

2t)−√

2 sin(√ 2t)

e−2tU(t)

e) L−1 p

(p+ 1)2

=L−1

−1

(p+ 1)2 + 1 p+ 1

f(t) = (−t+ 1)e−tU(t)

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(8)

f ) L−1

2p+ 3 2p2+ 4p+ 5

F(p) = 2p+ 3

2p2+ 4p+ 5 = p+ 32

p2+ 2p+ 52 = p+ 32 (p+ 1)2+32

= p+ 1

(p+ 1)2+

3 2

2 +

1 2

(p+ 1)2+

3 2

2

= p+ 1

(p+ 1)2+

6 2

2 + 1 2

√2 6

6 2

(p+ 1)2+

6 2

2

= p+ 1

(p+ 1)2+

6 2

2 +

√6 6

6 2

(p+ 1)2+

6 2

2

f(t) =

cos(

6 2 t) +

6 6 sin(

6 2 t)

e−t U(t)

3) Equations diff´ ´ erentielles

Utiliser la transform´ee de Laplace pour r´esoudre les ´equations suivantes :

a) x00(t) + 3x0(t) + 2x(t) = 0 avec : x(0) = 1 et x0(0) = 0 (p2X(p)−p−0) + 3(p X(p)−1) + 2X(p) = 0

(p2 + 3p+ 2)X(p) =p+ 3 X(p) = p+ 3

p2+ 3p+ 2 = p+ 3 (p+ 1)(p+ 2)

= 2

p+ 1 + −1 p+ 2 x(t) =

2e−t−e−2t U(t)

b) x00(t) + 6x0(t) + 9x(t) = e−2tU(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 0 (p2X(p)−0−0) + 6(p X(p)−0) + 9X(p) = 1

p+ 2 (p2+ 6p+ 9)X(p) = 1

p+ 2

X(p) = 1

(p+ 2)(p2+ 6p+ 9) = 1

(p+ 2)(p+ 3)2

= 1

p+ 2 − 1

(p+ 3)2 − 1 p+ 3 x(t) =

e−2t−(t+ 1)e−3t U(t)

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(9)

c) x00(t)−x(t) = (3e−2t+t2+ 1)U(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 0 (p2 X(p)−0−0)−X(p) = 3

p+ 2 + 2 p3 + 1

p (p2−1)X(p) = 4p3+ 2p2+ 2p+ 4

(p+ 2)p3 X(p) = 4p2+ 4p+ 4

(p2−1)(p+ 2)p3

= 1

p+ 2 + 2

p−1 − 2 p3 − 3

p x(t) = e−2t+ 2et−t2−3

U(t)

d) x00(t)−4x(t) = (3e−t−t2)U(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 1 (p2X(p)−0−1)−4X(p) = 3

p+ 1 − 2 p3 (p2−4)X(p) = 3

p+ 1 − 2 p3 + 1 X(p) = p4+ 4p3−2p−2

(p+ 1)(p+ 2)(p−2)p3

= 7/16

p+ 2 + 7/16

p−2− 1

p+ 1 +1/2

p3 + 1/8 p

x(t) = 7e2t

16 +7e−2t

16 −e−t+t2 4 + 1

8

U(t)

e) x00(t) +x(t) =etcos(t)U(t) avec : x(0) = 0 et x0(0) = 0 (p2 X(p)−0−0) +X(p) = (p−1)

(p−1)2+ 1 (p2+ 1)X(p) = p−1

p2−2p+ 2

X(p) = p−1

(p2−2p+ 2)(p2+ 1)

=

1

5(p+ 1) (p−1)2+ 1 −

1

5(p+ 3) p2+ 1

= 1 5

p−1

(p−1)2 + 1 + 2

(p−1)2+ 1 − p

p2+ 1 − 3 p2+ 1

x(t) = 1 5

cos(t)et+ 2 sin(t)et−cos(t)−3 sin(t) U(t)

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(10)

f ) x00(t) +x(t) = U(t)− U(t−1) avec : x(0) = 2 et x0(0) = 0 (p2X(p)−2p−0) +X(p) = 1

p − e−p p (p2+ 1)X(p) = 1

p + 2p− e−p p X(p) = 2p2+ 1

p(p2+ 1) − e−p p(p2+ 1)

= 1

p+ p p2 + 1

− 1

p− p p2+ 1

e−p

x(t) =

1 + cos(t)

U(t)−

1−cos(t−1)

U(t−1)

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