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Niveau Licence Maths 1e ann
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Transformée de Laplace

Posté par
H_aldnoer
10-10-08 à 21:18

Bonsoir,


encore un exercice d'intégration!
Soit \Large f : \bb R ^+ \to \bb C une fonction continue. Pour \Large x\in\bb R, on pose \Large L_f(x)=\Bigint_0^{\bb{R}^+}f(t)exp(-xt)dt.


1. Montrer que si \Large L_f(x)=\Bigint_0^{\bb{R}^+}f(t)exp(-xt)dt converge, alors \Large L_f(x)=\Bigint_0^{\bb{R}^+}f(t)exp(-yt)dt converge pour \Large y > x.
2. Quelle est la nature de l'ensemble de définition de \Large L_f ?
3. On suppose \Large f bornée. Montrer que \Large \lim_{x\to +\infty} L_f(x)=0.



Alors, voici ou j'en suis :
1. Déjà, je me demande si on intègre sur \Large{]0,+\infty[} ou \Large{[0,+\infty[} ? Si \Large x<y, on a \Large exp(-yt)<exp(-xt). Maintenant, je ne vois pas comment comparer les complexes! Sauf erreur, par d'ordre dans \Large{\bb{C}}.

2. Je ne comprend pas la question, ici.

3. Je passe par la caractérisation séquentielle :
On prend une suite \Large{(x_n)_n} qui tend vers \Large +\infty. Il s'agit donc de montrer que \Large \lim_{n\to +\infty} L_f(x_n)=0.
On a \Large L_f(x_n)=\Bigint_0^{\bb{R}^+}f(t)exp(-x_nt)dt. Posons \Large{(f_n)_n} la suite définies pour chaque \Large n par la relation \Large f_n(t)=f(t)exp(-x_nt).
Clairement, la convergence simple a \Large t fixé vers 0 est assurée, car \Large t>0. A priori, on ne peut pas appliquer Beppo-Lévi car on a pas d'autres informations sur la suite (elle est quelconque). Donc, je me dis qu'il faut utiliser la convergence dominée. Mais trouver une fonction intégrable positive qui domine univormément \Large f_n

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 10-10-08 à 21:49

Une idée pour la question 3.


On a \Large |f_n(t)|=|f(t)exp(-x_nt)|=|f(t)|exp(-x_nt). Puisque \Large f est bornée, il existe un réel \Large M tel que \Large |f_n(t)|\le M exp(-x_nt).

Après, je suis pas certain : comme la suite \Large (x_n)_n tend vers \Large +\infty, à partir d'un certain rang, elle est plus grande que 1. Par conséquent,  on a la majoration uniforme \Large |f_n(t)|\le M exp(-t). Ce qui permet de conclure.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 10:28

Je saisi un peu mieux la question 2.


Par continuité de la fonction \Large{t\in[0,+\infty[ \to f(t)e^{-xt}, c'est localement intégrable.

Au voisinage de \Large{+\infty}, l'exponentielle impose sa limite. On a \Large{f(t)exp(-xt)=o(\frac{1}{t^2})} et la fonction \Large{ t\in ]0,+\infty[\to\frac{1}{t^2} } est intégrable au voisinage de \Large{+\infty}.

En \Large{0} , on a \Large{f(t)exp(-xt)\sim f(t)} et la fonction \Large{f} est continue donc pas de souci en ce voisinage.


L'ensemble de définition de \Large L_f est donc l'intervalle de \Large{\mathbb{R}} : \Large{ [0,+\infty[ }.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 10:34

Et pour la question 1., je me suis dit que si je me ramené a l'absolue convergence, j'aurai le résultat sur la convergence.


Comme dit précédemment, \Large exp(-yt)<exp(-xt) et par conséquent \Large |f(t)|exp(-yt)<|f(t)|exp(-xt). La monotonie de l'intégrale assure que \Large{ \Bigint_{[0,+\infty[}|f(t)|exp(-yt)dt < \Bigint_{[0,+\infty[}|f(t)|exp(-xt)dt.

Et c'est la que je fais un petit bug : l'hypothèse de cette question est que \Large{ \Bigint_{[0,+\infty[}f(t)exp(-xt)dt converge et non pas que qu'elle converge absolument !


Bref, en dernier recours, j'avais pensé écrire que \Large{ \Bigint_{[0,+\infty[}f(t)exp(-xt)dt=\Bigint_{[0,+\infty[}Re(f(t))exp(-xt)dt+i\Bigint_{[0,+\infty[}Im(f(t))exp(-xt)dt mais bon, je n'en vois pas l'intérêt.

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 13:33

Bonjour,
pourquoi parles tu d'ordre dans les complexes ?

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 14:09

Bonjour otto,

relis bien ce que j'ai dis :

Citation :
Maintenant, je ne vois pas comment comparer les complexes! Sauf erreur, par d'ordre dans \Large{\bb{C}}.






Sinon, as-tu une idée ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 14:19

J'ai bien lu et je te repose la question, pourquoi veux tu comparer des complexes ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 14:22

Pour la 3, il me semble que c'est trivial, si f est bornée par M disons, alors
|Lf(x)|<M/x non ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 14:24

Pour la question 2 j'imagine qu'on veut savoir à quoi ressemble le domaine de définition, est ce qu'il est connexe, ouvert etc.

C'est facile de voir que c'est un intervalle d'après la question 1.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 18:51

Et sinon, ce que j'ai proposé, tu en penses quoi ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:21

A propos de ?

Pour la convergence dominée ce n'est pas un problème, il me semble que Mexp(-t) majore toutes tes fonctions non ? Du moins à partir d'un certain rang ...

Mais on n'a clairement pas besoin de toute cette machinerie ici ...

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:26

Citation :
Mais on n'a clairement pas besoin de toute cette machinerie ici ...



Il peut exister 36000 façons de le montrer, je me met juste au même niveau que mon prof : application concrète des théorèmes de convergence.
Que penses-tu de ce que j'ai écris pour la question 2. ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:29

Je pense que c'est faux, si f est positive non intégrable ton résultat est faux ...

Exemple f=1...

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:30

Il peut exister 36 000 facons, mais si tu en essaies une trop compliquée et que tu n'y arrives pas ...

Tu perds un peu la philosophie de ces théorèmes lorsque tu as un cas aussi simple qui se calcule à la main.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:33

Hum, oui tu as raison.

Mais c'est quand même localement intégrable, par continuité de \Large{t\in[0,+\infty[ \to f(t)e^{-xt} ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:34

Oui c'est localement intégrable, mais ca ne suffit pas, puisque l'existence de la transformée de Laplace en 0 équivaut en fait à la convergence de l'intégrale de f.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:37

Donc en fait, sans aucune autre information sur \Large{f} (hormis la continuité), on ne sait rien dire sur \Large L_f(0) ?



Par conséquent, comme je pense avoir bien prouvé qu'il n'y a pas de souci au voisinage de \Large +\infty, je dis l'ensemble de définition de \Large L_f est l'ouvert \Large ]0,+\infty[.


Qu'en dis-tu ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:43

C'est encore faux, il suffit de prendre une fonction qui n'est pas convergente avant un certain xo et de se ramener à envoyer xo sur 0 via une translation.
Un truc du genre f(x-xo) n'aura pas de transformation de Laplace avant x=xo.

Ce qu'on veut savoir c'est surtout à quoi ressemble le domaine de définition, par exemple est-ce un intervalle ? Doit il être ouvert, fermé ?etc.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:50

Ok, ça se précise.


Faudrait que je fasse la question 1. avant alors.
Comment procéder ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 21:55

Travailles tu avec l'intégrale de Riemann ou avec l'intégrale de Lebesgue ?
Avec l'intégrale de Lebesgue la convergence équivaut à l'intégrabilité ce qui permet de conclure rapidement avec un argument tel que celui que tu as utilisé.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 22:02

Moi, c'est plutôt Lebesgue.


Dire que \Large L_f(x)=\Bigint_0^{\bb{R}^+}f(t)exp(-xt)dt converge signifie donc que \Large L_f(x)=\Bigint_0^{\bb{R}^+}|f(t)exp(-xt)|dt converge.

Par conséquent, si \Large x<y alors \Large{ \Bigint_{[0,+\infty[}|f(t)|exp(-yt)dt < \Bigint_{[0,+\infty[}|f(t)|exp(-xt)dt ce qui implique donc \Large{ \Bigint_{[0,+\infty[}|f(t)|exp(-yt)dt < +\infty.



Qu'en dis-tu ?

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 22:12

Dans la définition de la transformée de laplace, est-ce qu'il faut lire :

\Large L_f(x)=\Bigint_{[0,+\infty[}f(t)exp(-xt)dt ou \Large L_f(x)=\Bigint_{]0,+\infty[}f(t)exp(-xt)dt ou bien ?

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 22:18

otto m'ayant abandonné, y'a-t-il quelqu'un pour m'aider ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 23:13

C'est à peu près l'idée.
Sinon qu'est ce que ca change que l'on intègre sur [0,+oo[ ou ]0,+oo[ ?

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 23:16

Pourquoi "à peu près" ?



Sinon, il est vrai qu'un point est de mesure de Lebesgue nulle; ma question était de savoir quelle était la définition de la transformée de Laplace : 0 est-il inclus ou pas? cela dépend?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 23:29

Prend la définition que tu veux elles sont équivalentes de toute façon ...

A peu près parce que j'aurais juste voulu montrer que |f| est intégrable si f est convergente.

En fait c'est ta définition de convergence de l'intégrale de f qui m'enerve un peu, je ne sais pas ce que tu entends par là, en général c'est pour l'intégration de Riemann, sinon c'est équivalent dans le cas de l'intégrale de Lebesgue, non ?

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 23:35

Au sens de Lebesgue en tout cas, voici ce qui figure dans mon cours : on dit qu'une fonction est intégrable si elle est mesurable et de module intégrable.


Pour être plus complet, on considère un espace mesuré \Large (E,t,u) et la fonction \Large f : E \to \mathbb{R}. D'une part la fonction \Large f est \Large (E,t)-(\mathbb{R},\mathcal{B}) mesurable et d'autre part \Large \Bigint_{E}|f(t)|du(t) <+\infty.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 11-10-08 à 23:39

Après, je me demande si \Large L_f(x)=\Bigint_0^{\bb{R}^+}f(t)exp(-xt)dt converge \Large \Leftrightarrow la fonction \Large t\to f(t)exp(-xt) est intégrable ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 12-10-08 à 13:46

Ca veut dire quoi que l'intégrale converge ?

Dans le cadre de la théorie de Lebesgue il me semble que l'on étudie que les fonctions dont la partie positive et la partie négative ne sont pas simultanément d'intégrale infinie. J'imagine que ce que l'on appelle intégrale convergente dans ce cas (et à la différence avec l'intégration de Riemann) est le fait que les parties positives et négatives soient toutes 2 intégrables.

Si tel est le cas, alors c'est équivalent à l'intégrabilité de f.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 15:26

Oups, j'avais pas vu ta réponse otto.


Ce que tu appelles partie positive et partie négative d'une fonction \Large f, c'est bien les deux fonctions \Large f^+:=sup(f,0) et \Large f^-:=sup(-f,0) ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 15:30

Effectivement.

Il me semble que l'on définit les intégrales de fonctions non positives par ce petit truc.
L'intégrale de f est la différence de celle de f+ et de celle de f-, il faut donc que les 2 ne soient pas simultanément non intégrables, sinon on ne sait pas donner du sens à l'intégrale de f.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 15:35

Ok, je vois.
On a montré qu'en fait, pour la théorie de Lebesgue, \Large f intégrable \Large\Leftrightarrow \Large f^{\pm} intégrable.

Dans ce cas, dire \Large\Bigint_0^{\bb{R}^+}f(t)exp(-xt)dt converge, ça signifie que les parties positives et négatives de la fonction \Large t\to f(t)exp(-xt) sont intégrable ie que la fonction \Large t\to f(t)exp(-xt) est intégrable.

Qu'en dis-tu ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 15:53

En fait c'est un peu ce que je te demande. Quand on parle d'intégrale convergente, parfois on ne sait pas bien quelle définition on a.

Souvent, on définit la convergence comme l'existence de la limite

\lim \int_0^s F(x)dx

Ce n'est pas équivalent à l'intégrabilité.

Par exemple, si F(x)=sin(x)/x n'est pas intégrable mais est convergente avec la définition de convergence que je donne ci-dessus.

Ainsi, je pense que tu devrais être sur de la définition de la convergence que tu as.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 15:59

Dans mon cours, mon prof dit la chose suivante : \Large \Bigint_{0}^{+\infty}\frac{sin(u)}{u}du est une intégrable semi-convergente mais non convergente au sens de Lebesgue.


Je pense donc que c'est bien cela car \Large \Bigint_{0}^{+\infty}|\frac{sin(u)}{u}|du=+\infty sauf erreur.

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 16:04

Ok, terminologie bizarre que de dire intégrable semi convergente, mais dans ce cas alors ce qu'il appelle convergent est ce que j'appelle intégrable depuis le début et ton idée de départ est bonne.

a+

Posté par
Rodrigo
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 16:08

Bonjour,
Je met mon grain de sel...En general la notion d'integrabilité que l'on considère c'est plutot si l'intégrale de |f| est finie ou non cela dit comme |f|=f+ + f- on s'y retrouve...

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 13-10-08 à 22:19

Ok, merci pour vos précisions.
Pourrai-t-on me guider pour la question 2. ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 00:01

Utilise la 1.
Est-il possible que tu aies un truc de la forme [a,b]U[c,d] ?

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 01:14

Déjà, ça ne peut être un intervalle du genre compact \Large [a,b] car si \Large x\in [a,b], en prenant \Large y=b+1 >x, on a aussi la convergence de l'intégrale.

Donc je dirais que c'est déjà non borné à droite.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 01:16

Donc nécessairement, c'est soit :

\Large ]-\infty,+\infty[ , \Large ]x_0,+\infty[ ou \Large [x_0,+\infty[\Large x_0\in\mathbb{R}.


Je n'arrive pas à décider ensuite lequel des trois!

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 14:26

Salut,
peu importe, ce qui compte est que ce soit un intervalle non borné à droite.

D'ailleurs il me semble que plusieurs configurations sont possibles.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 18:36

Citation :
D'ailleurs il me semble que plusieurs configurations sont possibles.

Peux-tu être plus précis stp ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 19:48

Tu peux aussi bien avoir un intervalle de convergence de la forme
[0,+oo) que de la forme (0,+oo) par exemple.

En fait, 0 appartient au domaine de convergence si et seulement si f est intégrable.

Si par exemple f(x)=1/(x^2+sqrt(x)) alors le domaine de convergence pour f sera de la forme [0,+oo) (sauf erreur).

Pour f(x)=1, le domaine de convergence sera (0,+oo).

Donc les deux configurations sont possibles.

Posté par
H_aldnoer
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 19:51

Ok, et existe-t-il des cas ou le domaine de converge est \Large\bb R tout entier ?

Posté par
otto
re : Transformée de Laplace 14-10-08 à 20:16

Une fonction à support compact doit fonctionner, non ?



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