TU Wien:Analysis 2 UE (diverse)/Übungen SS23/Beispiel 217

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Man zeige mittels partieller Integration, dass

ℒ{f′(t)}=sF(s)−f(0+)

gilt, wobei F(s) die Laplace-Transformierte von f(t) bezeichnet und f(0+) für den rechtsseitigen Grenzwert steht. (Die Funktion f(t) und f′(t) seien Laplace-transformierbar und f(t) sei stetig auf ℝ+.)

Durch vollständige Induktion gewinne man daraus die entsprechende Regel für ℒ{f(n)(t)}.

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Partielle Integration
Partielle Integration[Bearbeiten, Wikipedia, 5.41 Satz]

∫udv=uv−∫vdu alias ∫u(x)v′(x)=u(x)v(x)−∫u′(x)v(x)

Lösungsvorschlag

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ℒ{f′(t)}=∫0∞f′(t)e−stdt=f(t)e−st|0∞−∫0∞f(t)⋅(−se−st)dt=f(t)e−st|0∞+s∫0∞f(t)e−stdt=f(t)e−st|0∞+sF(s)=f(∞)e−s∞⏟=0−f(0)e−s0⏟=1+sF(s)=sF(s)−f(0)

NOTE: Da f(t) auf ℝ+ stetig ist, betrachten wir nur den stetigen Grenzwert f(0+).

Vollständige Induktion

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ℒ{f′(t)}=sF(s)−f(0)

Durch Rekursive Anwendung dieser vorigen Vorschrift:

ℒ{f″(t)}=ℒ{(f′)′(t)}=sℒ{f′(t)}−f′(0)=s(sℒ{f(t)}−f(0))−f′(0)=s2ℒ{f(t)}−sf(0)−f′(0)

Und daraus:

ℒ{f(n)(t)}=snF(s)−sn−1f(0)−sn−2f′(0)−sn−3f″(0)−…−s0f(n−1)(0)=snF(s)−∑i=0n−1sn−1−if(i)(0)=snF(s)−sn−1∑i=0n−1s−if(i)(0)

ℒ{f(n+1)(t)}=sℒ{f(n)(t)}−f(n)(0)=s(snF(s)−sn−1∑i=0n−1s−if(i)(0))−f(n)(0)=sn+1F(s)−sn∑i=0n−1s−if(i)(0)−f(n)(0)=sn+1F(s)−sn∑i=0ns−if(i)(0)