TP MATHEMATIQUES TRANSFORMEE DE LAPLACE BTS2GO-2008-2009 Exercice 1
U est la fonction échelon unité définie de dans par : ( ) 0( ) 1tt si tsi t00 U
U .
La réponse y t( )d’un système soumis à une excitation x t( )est telle que : ( ) 1 ( ) 1 2
p p
e e
Y p X p
p p
Le signal de sortie y est tel que : Y p( ) X p( )H p( )où X et Y sont les transformées de Laplace de x et de y. On rappelle que la fonction ueuait une approximation affine au voisinage de 0 à l’ordre 1 de la forme : eu 1 u u u( )avec ulim ( ) 00 u
Déterminer ,en fonction de , la limite , quand ttend vers , de la réponse y t( ), lorsque le système est Soumis à l’excitation x t( )U ( )t ( échelon unité ). On pourra appliquer le théorème de la valeur finale Exercice 2
U est la fonction échelon unité définie de dans par : ( ) 0( ) 1tt si tsi t00 U
U .
La réponse y t( )d’un système soumis à une excitation x t( )est telle que : Y p( )X p( )H p( ) X et Y sont les transformées de Laplace de x et de y et Hla fonction de transfert du système . Dans cet exercice , 2 1
( ) 1
H p p
p p
et le signal d’entrée est la fonction rampe définie par : x t( )tU ( )t . 1°. Calculer Y p( ).En déduire 0
0
(0 ) lim ( )
tt
y y t
. On pourra appliquer le théorème de la valeur initiale . 2°. Déterminer la transformée de Laplace Y p1( )de la dérivée y'de y.
En déduire 0 0
'(0 ) lim '( )
tt
y y t
. Puis calculer 0
0
lim "( )
tt
y t
en utilisant la méthode que précédemment.
Exercice 3
On considère le système «entrée-sortie» représenté ci-contre :
e(t) Système s(t)
On note
s
le signal de sortie associé au signal d’entrée e. Les fonctionss
et e sont des fonctions causales, c’est à dire qu’elles sont nulles pour t0. On admet que les fonctionss
et e admettent des transformées de Laplace, notées respectivement S et E.La fonction de transfert H du système est définie par : S p( )H p( )E p( ).
Dans cet exercice, le filtre considéré a une fonction de transfert H définie sur 0; par ( ) 2 1 H p p
p p
. Première partie : recherche du lieu de transfert
On note j le nombre complexe de module 1 et d’argument / 2. 1°. Soit un nombre réel strictement positif .Montrer que
( ) 1 1 1 H j
j
.
2°. b. Le « lieu de transfert » du filtre est la courbe décrite, dans un plan rapporté à un repère ( ; , )O i j , par le point M d’affixeZ H j( )lorsquedécrit l’intervalle [0;[. Soit A le point d’affixe 1
2. Calculer 1
( )
H j 2 .En déduire que le « lieu de transfert » du filtre est inclus dans un cercle C dont on précisera le centre et le rayon .Représenter graphiquement les ensembles C1et C .
Deuxième partie : réponse du filtre à une excitation particulière
La fonction échelon unité U est définie de dans par : ( ) 0( ) 1tt si tsi t00 U
U .
Le signal d’entrée est un créneau défini par : ( ) 1 [0;1[
0 [1; [
e t si t si t
1°. Donner la représentation graphique de la fonction edans un repère orthogonal .Vérifier à l’aide d’un tableau que e t( )U ( )t U (t1). Donner la transformée de Laplace de la fonction e
2°. Déterminer la transformée de Laplace S p( )du signal de sortie puis l’expression de s t( )en remarquant que p2 p 1
p1/ 2
23/ 4Exercice 4
tdésigne la variable réelle positive , on se propose de chercher la solution ( ; )x y du système différentiel x ty t'( )'( ) 2 ( )x t( ) 2 ( )x ty ty t( ) vérifiant : x(0 ) 2 et y(0 ) 4
1°.Première méthode : utilisation de la transformation de Laplace
a. Déterminer les réels a b c et d, , tels que : (p2(3)(pp3)1) pa3 pb1 et (p3)(4pp1) pc3 pd1. b. On suppose que les fonctions xet yadmettent des transformées de Laplace notées respectivement X p( ) et Y p( ) .Grâce à la transformation de Laplace , trouver la solution du système vérifiant le conditions initiales imposées
2°. Résolution d’une équation différentielle du second ordre
a. Montrer que la solution t x t( ) cherchée satisfait à l’équation différentielle : ( ) : "( ) 2 '( ) 3 ( ) 0E x t x t x t
b. Résoudre l’équation différentielle( )E . En déduire la solution du système vérifiant le conditions initiales imposées
Exercice 5
On considère le circuit ci-dessus et on se propose d’étudier en fonction du temps t( exprimé en secondes ), l’intensité du courant i t( )( exprimée en Ampères ) suivant la force électromotrice f t( )( exprimée en Volts) appliquée aux bornes.
On sait que l’équation différentielle régissant le circuit est : ( ) :1 '( ) 10 ( ) ( ) E 2i t i t f t 1.Première partie : on suppose que f t( ) 5
a. Déterminer la solution i t1( )de l’équation ( ) :E vérifiant i1(0) 0
b. Etudier le sens de variation de la fonction i1sur l’intervalle [0;[. Représenter graphiquement i1dans un repère orthonormal pour 0 t 0,5( on prendra pour unité graphique 20 cm )
2. deuxième partie
On suppose maintenant que la force électromotricef t( )est définie par
0 ] ;0[
( ) 5 [0;0,5[
0 [0,5; [
si t f t si t si t
a. Montrer que, pour tout t, on a : f t( ) 5
U ( )t U (t1/ 2)
, oùU représente la fonction échelon unité En déduire la transformée de Laplace de fb. Déterminer les réels a et btels que pour tout réel p0, on ait : p p( 1020) ap pb20 En déduire les originaux de Laplace des fonctions définies par : 1
( ) 10
( 20) F p p p
et 2( ) 10 / 2 ( 20)
e p
F p p p
c. Déterminer la solution i t2( ) de l’équation différentielle ( ) :E vérifiant i2(0) 0 en utilisant la transformation de Laplace
d. Montrer que cette solution peut s’écrire :
1
2 10 20
( ) [0;0,5[
( ) 1
1 [0,5; [
2
t
i t si t
i t e e si t
Exercice 6
On se propose de déterminer la fonction f de la variable réelle t, définie sur ,qui vérifie : a. f t( ) 0 pour t0 ;
b. f est deux fois dérivable sur [0;[ ;
c. f t"( ) 2 '( ) 5 ( ) f t f t etsin(3 )t pour tout t[0;[ ; d. f(0 ) 0 et f '(0 ) 0 .
1. première partie
a. Résoudre , sur [0;[, l’équation différentielle : (E0) : "( ) 2 '( ) 5 ( ) 0y t y t y t
b. Déterminer le réel ktel que la fonction hdéfinie par : h t( )ketsin(3 )t soit solution sur [0;[, de l’équation différentielle ( ) : "( ) 2 '( ) 5 ( )E y t y t y t etsin(3 )t .
c. Donner la solution générale de l’équation différentielle ( )E . d. Déduire des questions précédentes la fonction f cherchée . 2. Deuxième partie
On admet que la fonctionf et ses dérivées ont des transformées de Laplace , et l’on note F p( )L ( ( ))f t a. Préciser les transformées de Laplace de :
la fonction f ' la fonction f"
la fonction g définie sur par g t( )etsin(3 )tU ( )t , oùU représente la fonction échelon unité b. Déterminer la transformée Fde f
c. Déterminer les réels a et btels que pour tout réel p0, on ait :
2 3 2 2 2
[( 1) 4][( 1) 9] ( 1) 4 ( 1) 9
a b
p p p p
.Déterminer alors la fonction f .
Exercice 2006
On considère le système «entrée-sortie» représenté ci-contre :
e(t) Système s(t)
On note e t( )le signal d’entrée et s t( )le signal de sortie . Un système du 1er ordre est un système régi par une équation différentielle du type : ( ) :E T s t'( )s t( )K e t( ), où T et K sont des constantes réelles positives On note pE p( )L ( ( ))e t et pS p( )L ( ( ))s t où L est la transformation de Laplace .
La fonction de transfert Hd’un système est définie par :S p( )H p( )E p( ). Partie A
1°. Recherche de la fonction de transfert
En appliquant la transformation de Laplace L aux deux membres de l’équation différentielle( )E et en supposant que s(0 ) 0 ( le système est initialement au repos , montrer que ( )
1 H p K
Tp
Dans le reste de l’exercice , on prendra K T 1
2°. Recherche du signal de sortie dans un cas particulier On suppose que le signal d’entrée est e t( ) 2 U (t3)
a ) Représenter sur la feuille de copie la fonction e dans un repère orthogonal pour t [ 1;6]
b) Calculer E p( )
c) Montrer que 1 1 3
( ) 2
1
S p e p
p p
d) En déduire l’expression du signal de sortie s t( )L 1( ( ))S p Partie B
On se propose dans cette question de déterminer le « lieu de transfert » associé à la fonction de transfert H.On note jle nombre complexe de module 1 et d’argument / 2et on pose p j avec ]0; [
On a alors : 1
( ) H j 1
j
millimétré avec un repère orthonormal ( ; , )O i j
d’unité graphique cinq centimètres
On appelle Mle point d’affixe z 1 jet Nle point d’affixeH j( )pour tout ]0; [ On lit sur l’écran d’une calculatrice que les valeurs deH j( )pour 3
4 . 1 et 3
3 16 12
4 25 25
H j j
;
1 1H j 2 2 j ; H
3j 14 43 j.Placer sur une figure les points Met N pour 3
4,1 puis 3
b) Tracer sur la figure du 3°a ,l’ensemble C1des points Mdu planP, d’affixe z 1 j quanddécrit l’intervalle [0;[.
c) Soit A le point d’affixe 1 2. Calculer 1
( )
H j 2 .En déduire que le « lieu de transfert » du filtre est inclus dans un demi- cercle C dont on précisera le centre et le rayon .
Représenter graphiquement sur la figure du 3°a l’ensembles C décrit par le pointN lorsquedécrit l’intervalle [0;[.
.
0 1
1
x y
A
N1/2 N3/4 N
M1 M2 M3
O
N' N'1/2N'3/4
Exercice 1
( ) 1 ( )
1 2
p p
e e
Y p X p
p p
, comme xx t( ) est la fonction échelon unité , on a :
2 2 2
(1 ) 1 (1 ) 1 2 1 (1 ) 3 (1 ) 3
( ) 1
1 2 1 2 1 2 1 2
p p p p p p p p
Y p p p p p p p p p
on applique le théorème de la valeur finale ; on a : limp0pF p( )tlim ( ) f t donc limp0pY p( )tlim ( )y t :
0 0 0
(1 ) 3 3
lim ( ) lim lim (1 )
1 2 1 2
p p p
pY p p p p
p p p
or lim(1p0 p) 1 et limp01 2 3 p 3 limp01 2 1 p 3 , donc limp0pY p( ) 3 d’où tlim ( ) 3y t Exercice 2
1. Y p( )X p( )H p( ) ; 2 1
( ) 1
H p p
p p
x t( )tU ( )t donc 12 ( ( ))x t (t ( ))t
p
L L U
et ( ) 12 2 1 1 Y p p
p p p
lim ( ) (0 )
p pY p y
, donc
2 2 1 1 2 1 3 12
lim ( ) lim lim lim lim 0
1 1
p p p p p
p p p p
pY p p p p p p p p p
y(0 ) 0 .
Y p1( )L ( '( ))y t pY p( )y(0 ) , donc 1 2
1 1
( ) ( )
1 Y p pY p p
p p p
lim 1( ) '(0 )
p pY p y
, donc
1 2 2 2
1 1 1
lim ( ) lim lim lim lim 0
1 1
p p p p p
p p p p
pY p p p p p p p p
. y'(0 ) 0 Y p2( )L ( ''( ))y t p Y p2 ( )py'(0 ) y(0 ) p Y p2 ( ), donc 2 2 2
( ) ( ) 1
1 Y p p Y p p
p p
lim 2( ) ''(0 )
p pY p y
, donc
2
2 2 2
( 1)
lim ( ) lim lim 1
1
p p p
p p p
pY p p p p
. y''(0 ) 1 Exercice 3
Partie 1
1.
21 1
( )
1 1
1 1 1
H j j
j j j j
j
, puisque 1 j j .
Donc 1
( )
1 ( )
H j jf
, avec 1
( ) f
2. la fonction f , définie sur l’intervalle ]0 ;[ par 1 ( )
f
, est dérivable sur ]0 ;[
et 12 221
'( ) 1 0
f
.la fonction f est donc strictement croissante sur ]0 ;[.
lim0 0
et
0
lim 1
, donc lim ( )0 f
.
lim
et 1
lim 0
, donc lim f( )
.
0
'( ) f
( ) f
. +
3a. lorsque décrit l’intervalle ]0 ;[ ; Z1 1 jf( ) a une partie réelle fixe et égale à 1, sa partie imaginairef( ) parcourt ..
Donc l’ensemble C1des points m1du planP, d’affixe Z1 1 jf( ) lorsquedécrit l’intervalle [0;[ est la droite d’équation :x1.
3b.
1 1
2 1 1
1 1 1 1 1
( )
1 1 1
2 1 2 2 1 21
2 2
j j
H j
j j j
, 1
1
1 1
( )
2 2
H j Z
Z
donc 1 1
1 1
1 1 1
( )
2 2 2 2
Z Z
H j Z Z , on sait que l’ensemble du point M d’affixe Ztel que Z a r est le cercle C de centre A d’affixe a et de rayon r.donc l’ensemble du point M d’affixeZ H j( ) est le cercle C de centre A d’affixe 1
2et de rayon 1 r2. Partie 2
2. e t( )U ( )t U (t1). 1
( ( )) ( ( ) ( 1)) ( ( )) ( ( 1)) e p
e t t t t t
p p
L L U U L U L U
2 2 2 2 2
1 1
( ) ( ) ( )
1 1 1 ( 1/ 2) 3/ 4 ( 1/ 2 3/ 4
1
)
p p p
S p H p E p p
p p p p
e e e
p p p p
p p
Or ( sin( )) 2 2
( )
e at t
p a
L ( formulaire ) et ( ( )sin( ( ))) 2 2
( )
a t p
e t e
p a
L ( théorème du retard ) , donc on obtient
1 1 (1/ 2)
2 2
1 2 3 / 2 2 3
sin 2
3 3
( 1/ 2) 3/ 4 ( 1/ 2) 3 ( )
/ 4
e t t
p t
p
L L U
1 1 (1/ 2)( 1)
2 2
2 3 / 2 2 3
sin ( 1) ( 1)
3 3 2
( 1/ 2) 3/ 4 ( 1/ 2) 3/ 4
p t
e p
e e t t
p p
U
L L
(1/ 2) (1/ 2)( 1)
2 3 2 3
( ) sin () sin ( 1) ( 1)
2 2
3 3
t t
s t e t t e t t
U U . Exercice 3
1.(p2(3)(pp3)1) pa3 pb1a p((p 1)3)(b pp(1)3) (a b p(p)3)(p(a1)3 )b , donc 2 4 4
3 6 2
a b b
a b a b
1 3 b a
et (p3)(4pp1) pc3 pd1c p((p 1)3)(d pp(1)3)(c d p c(p)3)( p1)3d .donc 4
3 0
c d c d
4 4
3 d
c d
1 3 d c
donc on a : 2( 3) 3 1
( 3)( 1) 3 1
p
p p p p
et 4 3 1
( 3)( 1) 3 1
p
p p p p
.
2. '( ) ( ) 2 ( ) ( ) (0 ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) 2 ( 1) ( ) 2 ( ) 2 '( ) 2 ( ) ( ) ( ) (0 ) 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) 4 ( 1) ( ) 2 ( ) 4
x t x t y t pX p x X p Y p pX p X p Y p p X p Y p
y t x t y t pY p y X p Y p pY p X p Y p p Y p X p
( 1) ( ) 2 ( ) 2 ( 1) ( 1)2 ( ) 2( 1) ( ) 2( 1)
( 1) ( ) 2 ( ) 4 2 2( 1) ( ) 4 ( ) 8
p X p Y p p p X p p Y p p
p Y p X p p Y p X p
, on obtient
[(p1)24] ( ) 2(X p p 1) 8 [(p 1 2)(p 1 2)] ( ) 2(X p p 3) [(p3)(p1)] ( ) 2(X p p3)
D’où X p( )(p2(3)(pp3)1).
2
2( 1) ( ) 4 ( ) 4 ( 1) ( ) 2 ( ) 2 2
( 1) ( ) 2 ( ) 4 ( 1) ( 1) ( ) 2( 1) ( ) 4( 1)
p X p Y p
p X p Y p
p Y p X p p p Y p p X p p
, on obtient
[(p1)24] ( ) 4(Y p p 1) 4 [(p3)(p1)] ( ) 4X p p ; D’où X p( )(p3)(4pp1)
1 1 3 1 1 1 1 1
( ) 3
3 1 3 1
X p p p p p
L L L L , or on sait que 1
(e at ( ))t
p a
L U On applique la formule avec a 3 et a1 , on obtient ainsi : x t( )
3e3tet
U ( )t .
1 1 3 1 1 1 1 1
( ) 3
3 1 3 1
Y p p p p p
L L L L , on obtient ainsi : y t( )
3e3t et
U ( )t .2. '( ) ( ) 2 ( ) '( ) 2 ( ) ( ) x t x t y t y t x t y t
, on dérive la première équation par rapport à t , on obtient : x t''( )x t'( ) 2 '( ) y t Puis on remplace y t'( )et y t( )par leur expression en fonction de x t'( )et x t( ), on obtient :
''( ) '( ) 4 ( ) 2 ( )
x t x t x t y t , puis x t''( )x t'( ) 4 ( ) 2 ( ) x t y t , 2 ( )y t x t'( )x t( ), on déduit ''( ) '( ) 4 ( ) '( ) ( ) 2 '( ) 3 ( )
x t x t x t x t x t x t x t et enfin x t''( ) 2 '( ) 3 ( ) 0 x t x t qui a pour solution
1 2
1 2
( ) rt r t
x t k e k e . Pour résoudre cette équation différentielle, on cherche à résoudre son polynôme caractéristique qui est sous la forme r22r 3 0, on trouve r13 et r2 1, donc x t( )k e1 3tk e2 t
1 3
3 3
1 2
1 2 2
2 ( )y t x t'( )x t( ) 3 k e t k et k e t k et 2k e t 2k et, d’où y t( )k e1 3t k e2 t On applique les conditions initiales et on a :
1
1 2 1 2
1
1 2
2 2
(
(0) 4
3 1
0) 2
y k k k
x k k k
k k et k
k
D’où x t( ) 3 e3t et et y t( ) 3 e3t et. Exercice 5
1.( ) :1 '( ) 10 ( ) ( )
E 2i t i t f t soit ( ) :1 '( ) 10 ( ) 5 E 2i t i t ( 0) :1 '( ) 10 ( ) 0
E 2i t i t une solution homogène est de la forme i tH( )ke20t. On cherche une solution particulière 1
( ) 2
i tP qui vérifie l’équation différentielle ( )E . On obtient donc la solution générale 1 1 20
( ) 2
i t ke t, on sait que i1(0) 0 ,d’où 1
k 2 et i t1( )12
1e20t
2.
f t( )
5
( )t ( 1/ 2)t
5
( )t
5
( 1/ 2)t
5 5e p/ 2p p
L L U U L U L U
3. p p( 1020) ap pb20 a p(p p(20)20)bp (a b pp p( )20)20a, d’où 1
a2 et 1
b 2. p p( 1020)1/ 2p p1/ 220. 1
( ) 10
( 20) F p p p
: 1
1
1 1 1 1
( )
) 2 2 2
( 0
f t F p
p p
L L L . 1 1 1 20
( ) ( )
2 2
( ) t e t
f t U U t
/ 2 2
( ) 10
( 20) e p
F p p p
f t2( )
F p2( )
p p10(ep20)/ 2
F p e1( ) p/ 2
f t1( 1/ 2) ( 1/ 2t )
L L L U
Donc 2 1 1 1 20( 1/ 2)
( 1/ 2) ( 1/ 2) ( 1/ 2) ( 1/ 2
( )
2 2
) f t t t t
t e t
f U U U
4.( ) : 1 '( ) 10 ( )
( )
E 2i t i t f t
L L ( ) :1
'( )
10
10 ( )
( )
E 2L i t L i t L f t ( ) :1 ( ) 10 ( ) 5 5 / 2
2
E pI p I p e p
p p
( ) : (1 20) ( ) 5 5 / 2
2
E p I p e p
p p
I p( ) p p( 1020)
1ep/ 2
( ) 1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2 / 2
20 20
I p e p
p p p p
i t2( )L
I p( )
L
F p1( )
L
F p2( )
f t1( ) f t2( )Donc 2 1 1 20 1 1 20( 1/ 2)
( ) ( ) ( 1/ 2) ( 1
( / 2)
2 2 2 2
) t e t t t e t
i t U U U U t