A transformada de Laplace
Os logaritmos transformam multiplicações em somas: para multiplicar dois números, soma-se os seus logaritmos e volta-se. A transformada de Laplace faz algo parecido com as equações diferenciais: troca derivadas por multiplicações. Resolve-se uma equação de álgebra e depois se volta.
A origem
Laplace chegou a essa ideia pela probabilidade. Na Teoria analítica das probabilidades, de 1812, ele organizou os seus cálculos com funções geradoras: em vez de trabalhar com uma sequência de probabilidades, trabalhava com uma única função que guardava todas elas. A versão contínua dessa ideia é uma integral que Euler já tinha usado antes, mas que Laplace explorou sistematicamente:
$$F(s) = \int_0^{\infty} e^{-st} f(t)\,dt.$$Cada função $f(t)$ vira uma nova função $F(s)$, a sua transformada de Laplace, que escrevemos $\mathcal{L}\{f\}$.
Alguns exemplos
Para a constante $f(t) = 1$:
$$\mathcal{L}\{1\} = \int_0^{\infty} e^{-st}\,dt = \left[-\frac{e^{-st}}{s}\right]_0^{\infty} = \frac{1}{s} \quad (s > 0).$$Para a exponencial $f(t) = e^{at}$, as exponenciais se juntam:
$$\mathcal{L}\{e^{at}\} = \int_0^{\infty} e^{-(s-a)t}\,dt = \frac{1}{s-a} \quad (s > a).$$Derivadas viram multiplicações
A propriedade que torna a transformada útil vem de uma integração por partes:
$$\mathcal{L}\{f'\} = \int_0^{\infty} e^{-st} f'(t)\,dt = \Big[e^{-st}f(t)\Big]_0^{\infty} + s\int_0^{\infty} e^{-st} f(t)\,dt = sF(s) - f(0).$$Derivar $f$ corresponde a multiplicar $F$ por $s$ (e descontar o valor inicial). Uma equação diferencial vira uma equação de álgebra, e o valor inicial já entra na conta.
Um circuito
Num circuito com um resistor e um capacitor ligado a uma bateria, a tensão $y(t)$ no capacitor obedece, em unidades convenientes, a
$$y' + y = 1, \qquad y(0) = 0.$$Aplicando a transformada aos dois lados: $sY - 0 + Y = \frac{1}{s}$, ou seja,
$$Y(s) = \frac{1}{s(s+1)} = \frac{1}{s} - \frac{1}{s+1}.$$Agora basta reconhecer as transformadas da tabela: $\frac{1}{s}$ vem de $1$ e $\frac{1}{s+1}$ vem de $e^{-t}$. Logo
$$y(t) = 1 - e^{-t}.$$O capacitor carrega e se aproxima da tensão da bateria, como se observa no laboratório.
A volta pela engenharia
Por muito tempo a transformada ficou esquecida como um truque de probabilidade. No fim do século XIX o engenheiro inglês Oliver Heaviside inventou um “cálculo operacional” para circuitos elétricos, em que tratava a derivada como um número que se pode multiplicar e dividir. Os resultados estavam certos, mas os matemáticos não entendiam por quê. Na década de 1910 Thomas Bromwich e outros mostraram que o método de Heaviside era, no fundo, a transformada de Laplace, e nos anos 1930 Gustav Doetsch a pôs em bases rigorosas. Desde então ela está em todos os cursos de engenharia, em controle, sinais e circuitos.
Exercício: a transformada de t
Calcule $\mathcal{L}\{t\}$.
Integrando por partes, com $u = t$ e $dv = e^{-st}dt$:
$$\int_0^{\infty} t\,e^{-st}\,dt = \left[-\frac{t\,e^{-st}}{s}\right]_0^{\infty} + \frac{1}{s}\int_0^{\infty} e^{-st}\,dt = 0 + \frac{1}{s}\cdot\frac{1}{s} = \frac{1}{s^2}.$$Também se pode usar a regra da derivada: $t$ tem derivada 1 e vale 0 em $t = 0$, então $s\,\mathcal{L}\{t\} = \mathcal{L}\{1\} = \frac{1}{s}$.
Exercício: crescimento exponencial
Resolva $y' = 3y$ com $y(0) = 2$ usando a transformada.
Transformando: $sY - 2 = 3Y$, então $Y = \frac{2}{s-3}$. Pela tabela, $\frac{1}{s-3}$ vem de $e^{3t}$, e portanto $y(t) = 2e^{3t}$.
Fontes: Pierre-Simon Laplace, Théorie analytique des probabilités (1812), livro I · Michael A. B. Deakin, “The Development of the Laplace Transform, 1737–1937”, Archive for History of Exact Sciences 25 (1981) e 26 (1982) · Gustav Doetsch, Theorie und Anwendung der Laplace-Transformation (1937) · Paul J. Nahin, Oliver Heaviside: Sage in Solitude (1988).
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