Como la transformada de Laplace se define en términos de una integral impropia que puede ser divergente, existen funciones para las cuales no existe dicha transformada, incluso hay funciones discontinuas, como la del ejemplo anterior, que pueden tener transformada; entonces, ¿ qué condiciones una funciones tienen transformada de Laplace ?. Antes de dar una respuesta a esta pregunta debemos dar algunas definiciones.


está definida y es continua en todo
, salvo en un finito de
, para
- Para cada los límites :


existen. Note que, solamente de estos límites es pertinente si es uno de los extremos de
.

En general, el requisito de que estos límites sean finitos en todos los puntos
implica que las únicas discontinuidades de
son discontinuidades de salto, del que aparecen en la figura



Intuitivamente podríamos pensar que las funciones continuas a trozos son contínuas o que no son demasiado discontínuas.
Otra de las ideas importantes en el estudio de la existencia de la transformada de Laplace es que entendemos porqué una función no crezca demasiado rápido.







para
.

Intuitivamente esto significa que la función
esta por debajo de una función exponencial, como se muestra en la figura.


Observación: algunas veces, para verificar que una función
es de orden exponencial, conviene calcular el siguiente límite:


para algún valor de
. Si
es finito, entonces
puede ser cualquier número que
(y este determina
). Por otro lado, si
,
no es de orden exponencial.







Ejemplo
Compruebe que
es de orden exponencial.

Solución
Para comprobar esto, apliquemos tres veces la regla de L'Hôpital :

para cualquier número positivo
. Por lo tanto, si
es suficientemente grande
, y así
es de orden exponencial.




Ejemplo
Compruebe que la función
es de orden exponencial para cualquier valor de
.


Solución
Calculando el límite

siempre y cuando
. De donde,
para
grande.



Observación: no es difícil comprobar que cualquier polinomio de grado
o función trigonométrica como Sen(bt), Cos(bt), con
constante, son de orden exponencial, así como, las sumas y productos de un número finito de estas funciones. En general, si
y
son de orden exponencial la suma
y el producto
son de orden exponencial.






Ejemplo
Compruebe que la función
no es de orden exponencial.

Solución
Calculando el límite tenemos que

para cualquier valor de
, con lo cual la función
no es de orden exponencial.


El siguiente resultado enuncia un resultado que parece obvio.
FUNCIONES ACOTADAS
Sea

una función acotada, entonces es de orden exponencial.



Demostración
Como
es acotada
para todo
. Entonces :




para cualquier
, con lo cual
es de orden exponencial.


Observación: como
y
son acotadas, son de orden exponencial.


Una vez definidos los conceptos de función continua a trozos y función de orden exponencial ya estamos listos para enunciar una condición necesaria para la existencia de la transformada de Laplace.
EXISTENCIA DE LA TRANSFORMADA
Sea

una función continua a trozos y de orden exponencial, entonces la transformada de Laplace de
existe. Es decir, existe un número
tal que
existe para
.







Demostración
Por ser
de orden exponencial existen números no negativos
,
y
tales que
, para






Así que:
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La primera integral es una integral definida, por tanto existe. Para la segunda integral note que
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Ahora, como

siempre y cuando
, tenemos que la integral


existe y con ello la transformada.
Observación: el teorema anterior enuncia una condición suficiente y no necesaria para la existencia de la transformada de Laplace, es decir, puede darse el caso de una función
que no cumpla las hipótesis del teorema, pero aún así tenga transformada, como lo muestra el siguiente ejemplo.

Ejemplo
Compruebe que la transformada

existe, aún cuando
no cumple las hipótesis del teorema de existencia anterior.

Solución
Claramente
tiene una discontinuidad infinita en
, con lo cual no es continua a trozos en el intervalo
; pero ;



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Para calcular esta última integral sea

con lo cual

Ahora note que
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Donde
es el cuadrado de lado
, que se muestra en la figura. Observe que si
y
son las regiones que se muestran en la figura entonces:




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Con lo cual, tomando el límite

Y así,
. Por lo tanto


El siguiente ejemplo muestra una función para la cual no existe la transformada de Laplace.
Ejemplo
Compruebe que no existe.
Solución
Usando la definición
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Y puesto que la integral impropia

diverge, la transformada no existe.
Observación: la otra integral

es convergente para
, pues


La integral

diverge, pues, por el criterio de comparación

para toda
, con lo cual ambas integrales convergen o divergen; pero


diverge.
Así como hay tablas de integrales para facilitar la solución de problemas de integración, utilizaremos las tablas de transformadas de Laplace para agilizar la solución de problemas de ecuaciones diferenciales lineales no homogéneas, que en el tema anterior resolvimos por el método de coeficientes indeterminados. A continuación se presentan las transformadas de Laplace más comunes que utilizaremos, en la solución de problemas algebraicos y en los problemas de aplicación.
TRANSFORMADAS DE LAPLACE
Ahora vamos a enunciar algunas propiedades de la transformada.
A ) Linealidad de la transformada
Si
y
existen entonces:



para cualquier constante real.
Demostración
Es una consecuencia directa de la convergencia de la suma en integrales impropias.

Ejemplo
Calcule
.

Solución







Calcule




Aplicando el teorema anterior para
, tenemos que

Primero aplicamos el teorema de multiplicación por
y luego el de traslación

Por el teorema de multiplicación por
, tenemos que














Como
por la propiedad de linealidad

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Con la idea de aplicar la transformada de Laplace a la solución de ecuaciones diferenciales necesitamos calcular la transformada de una derivada.
B ) Transformada de una derivada
Si
es contínua a trozos y de orden exponencial en el intervalo
, entonces:



Demostración
Integrando por partes
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Con un argumento similar podemos demostrar que
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Ejemplo
Use el resultado anterior para calcular

SoluciónHaciendo
, tenemos que

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y de aquí concluimos que :

El siguiente resultado generaliza la transformada de una derivada.
Transformada de una derivada generalizada
Si
son continuas a trozos y de orden exponencial en el intervalo
, entonces :


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El siguiente teorema trata sobre el efecto que tiene en una transformada la escalación de una función
.

C ) Propiedad de cambio de escala
Sea
una función continua a trozos y de orden exponencial en
, si
entonces:




Demostración
Para comprobar esta propiedad basta hacer un cambio de variable, 

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Ejemplo
Si
:
Si

calcule
.

Solución
Usando la propiedad de escalamiento
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Teoremas de traslación
No es adecuado utilizar la definición cada vez que se quiera calcular una transformada, por ejemplo, la integración por partes involucrada al calcular
, es bastante tediosa. Por esta razón vamos a enunciar algunos teoremas que ahorran trabajo en el cálculo de este tipo de transformadas.

Si conocemos que
, podemos calcular la transformada de
como una traslación, de
a
, como lo enuncia el siguiente teorema




Primer teorema de traslación
Si
es un número real y
existe, entonces



Donde 

Ejemplo
Calcule

Solución
Usando el primer teorema de traslación
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Segundo teorema de traslación
Si
y
, entonces



Demostración
Usando la definición
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Ejemplo
Calcule

Solución
Para poder usar el segundo teorema de traslación debemos completar
a 
Para poder usar el segundo teorema de traslación debemos completar


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Como lo muestran los ejemplos anteriores algunas veces es necesario sumar y restar algunos términos con la idea de poder usar el segundo teorema de traslación. Pero existe una forma alternativa que nos evita el tener que hacer esto.
Forma alternativa al segundo teorema de traslación
Sea

una función continua a trozos y de orden exponencial en
, entonces





Demostración
Usando la definición
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Ejemplo
Calcule

Solución
Usando la forma alternativa del segundo teorema de traslación
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Teorema Multiplicación por 

Sea

una función continua a trozos y de orden exponencial en
, entonces





Ejemplo
Calcule

Solución
Aplicando el teorema anterior para

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El siguiente ejemplo muestra una combinación del primer teorema de traslación y el teorema anterior.
Ejemplo
Calcule

Solución
Primero aplicamos el teorema de multiplicación por

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Ejemplo
Calcule el valor de la siguiente integral
Calcule el valor de la siguiente integral

Solución
Por el teorema de multiplicación por

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De donde obtenemos que

y tomando 


Teorema División por 

Sea

una función continua a trozos y de orden exponencial en
tal que el límite





existe, entonces

Demostración
Sea

entonces aplicando transformada de Laplace a ambos lados tenemos que

Integrando

es decir,

Observación: la constante de integración debe escogerse de forma de tal que
.

El siguiente ejemplo muestra una aplicación de este teorema.
Ejemplo
Calcule

Solución
Tenemos que

con lo cual
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Ejemplo
Calcule el valor de la siguiente integral
Calcule el valor de la siguiente integral

Solución
Si
Si

entonces
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De donde

y tomando el límite cuando
, tenemos que


BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA:
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