BAB 4 : TRANSFORMASI LAPLACE - Transformasi Laplace.pdf

BAB 4 : TRAN SFORM ASI LAPLACE
Tu j u a n I n st r u k sion a l Kh u su s :
Mahasiswa diharapkan dapat m enuliskan definisi Transform asi Laplace,
m encari t ransform asi laplace fungsi- fungsi sederhana, m encari inver s
t ransform asi
laplace,
m enent ukan
derivat if
t ransform asi
dan
t ransform asi derivat if sert a m eny elesaikan Masalah Syarat Bat as
dengan t ransform asi laplace.

4 .1 . Pe nda hulua n
Pem bicaraan t ent ang Transform asi Laplace t idak lepas dari
beberapa

konsep,

kekont inuan


di

fungsi

ant aranya
dan

:

kekonvergenan,

persam aan

diferensial,

int egral,

khususnya

Masalah Syarat Bat as ( Boundary Value Problem ) .

Hingga saat ini, Transform asi Laplace m erupakan suat u alat
( m et ode) am puh unt uk m enyelesaikan Masalah Syarat Bat as.
Hal ini ak an lebih t erlihat j ika m asalah syarat bat as t ersebut
m em uat fungsi- fungsi t akkont inu ( discont inuous) at au fungsifungsi periodik.
Secara um um , di dalam bab ini akan dit inj au Transform asi
Laplace dan sifat - sifat nya, I nvers Transform asi Laplace dan
Transform asi Derivat if. I nvers Transform asi dan Transform asi
Derivat if

sangat

berperan

di

dalam

penyelesaian

suat u


persam aan diferensial. Pada bagian t erapan akan dit inj au suat u
m odel Masalah Syarat Bat as unt uk lendut an balok dan sist em
pegas- m assa.

Tr a nsfor m a si La pla ce

1

4 .2 . Tr a nsfor m a si La pla ce
D e finisi 1
Jika f fungsi t erdefinisi unt uk t > 0, m aka fungsi F yang
didefinisikan :
F(s ) =



∫e

− st


f (t ) dt

0

sedem ikian hingga int egral t ersebut ada, disebut
Transform asi Laplace fungsi f.
Transform asi Laplace disim bolkan dengan { .} . Dengan
dem ikian m aka { f} = F yait u { f( t ) } = F( s) .

4 .3 . Tr a nsfor m a si La pla ce Fungsi- Fungsi
Se de r ha na
Berikut t ransform asi laplace fungsi- fungsi sederhana :

1. f( t ) = 1, t > 0 m aka {f (t )} =



∫e
0


− st

1
⋅ 1 dt =
s



∫e

−x

0

dx =

1
1
Γ(1 ) =

s
s

2. f( t ) = t , t > 0 m aka
{f (t )} =



∫e

− st

0

1
t dt = 2
s




∫e

−x

x dx =

0

1
1
Γ(2 ) = 2
2
s
s

3. f( t ) = t p , t > 0, p> 0, m aka
{f (t )} =




∫e
0

− st



p

1
 x  dx
t dt = ∫ e  
= p + 1 Γ(p + 1 )
s
s s
0
p

−x


Akibat : Jika p bulat posit if, m aka { t p } =

p!
sp +1

4. f( t ) = e at , t > 0, a konst ant a, m aka
Tr a nsfor m a si La pla ce

2

{f (t )} =





0

0


− st
at
∫ e e dt =

− (s − a )t
dt =
∫e



1
1
e − x dx =

s−a
s−a0

5. f( t ) = sin at , t > 0, a konst ant a, m aka
{f (t )} =




=

(

 1
e − st sin at dt =  −  lim ∫ sin at d e − st

M→ ∞
 s  M→ ∞ 0
0

− st
∫ e sin at dt = lim
0

M

M

a
, dengan peng int egralan parsial
s + a2
2

6. f( t ) = cos at , t > 0, a konst ant a, m aka


{f (t )} = ∫ e
0

=

− st

M

cos at dt = lim ∫ e
M→ ∞

0

− st

( )

 1
cos at dt =  −  lim ∫ cos at d e − st
 s  M→ ∞ 0
M

s
, dengan peng int egralan parsial
s + a2
2

D e finisi 2 :
Fungsi f dikat akan kont inu sepot ong- sepot ong ( piecewise
cont inuous) pada int erval I , j ika I dapat dipart isi m enj adi
sej um lah berhingga subint erval, sedem ikian hingga :
1. f kont inu pada t it ik dalam ( int erior point ) t iap- t iap
subint erval t ersebut , dan
2. lim it f( t ) berhingga ( finit e) , unt uk t m endekat i
m asing- m asing t it ik uj ung t iap- t iap subint erval.

Te or e m a 1
Diket ahui fungsi f dengan sifat :
1. f kont inu sepot ong- sepot ong pada int erval 0t < 
2. Tedapat konst ant a c, M> 0 dan t 0 > 0, sedem ikian hingga
| f( t ) | Me ct , t > t 0
m aka { f( t ) } = F( s) ada unt uk s> c.

Tr a nsfor m a si La pla ce

3

)

Cat at an :

 Fungsi f yang m em enuhi syarat no 2 pada t eorem a 1
biasa disebut fungsi dengan sifat eksponent ial t ingkat c.

 Teorem a t ersebut m enyat akan syarat cukup eksist ensi
t ransform asi

laplace

suat u

fungsi,

t et api

t idak

m enyebut kan syarat perlu dari eksist ensi t ersebut . Hal
ini berart i suat u fungsi yang t idak m em enuhi salah sat u
syarat

t eorem a it u m asih dim ungk inkan m em punyai

t ransform asi laplace.

Te or e m a 2 :
Jika f 1 dan f 2 m asing- m asing fungsi yang m em punyai
t ransform asi laplace dan c1 , c2 m asing- m asing konst ant a
sebarang, m aka :
{ c1 f 1 ( t ) + c2 f 2 ( t ) } = c1 { f 1 ( t ) } + c2 { f 2 ( t ) }
Bukt i
{c 1 f1 (t ) + c 2 f 2 (t )} =



∫ e (c f (t ) + c f (t )) dx
1 1

2 2

0



=

− st



e − st (c 1 f1 (t )) dx +



∫ e (c f (t )) dx
− st

2 2

0

0



= c1 ∫ e

− st

0



f1 (t ) dx + c 2 ∫ e − st f 2 (t ) dx
0

= c 1 {f1 (t )} + c 2 {f 2 (t )}

Cont oh
{ sin 2 at } = { - cos( 2at ) } = { 1} - { cos( 2at ) }
=

1
s

2
2 s 2 s + 4 a2

=

2 a2
s s 2 + 4 a2

(

(

Tr a nsfor m a si La pla ce

)

)
4

4 .4 . I nve r s Tr a nsform a si La pla ce
Dari definisi t ransform asi laplace t elah diket ahui :
{ f( t ) } = F( s)
I nvers t ransform asi laplace berlaku sebaliknya, yait u: 
- 1 { F( s) } = f( t ) .
Cont oh :

{

}

Karena  sin 2 at =

2 a2
, m aka
s s 2 + 4 a2

(

)



2 a2
= sin 2 at
 −1  2
2 
+
s
s
4
a



(

)

Te or e m a 3 :
Jika F1 dan F2 m asing- m asing t ransform asi laplace suat u
fungsi dan c1 , c2 m asing- m asing konst ant a sebarang, m aka
- 1 { c1 F1 ( s) + c2 F2 ( s) } = c1 - 1 { F1 ( s) } + c2 - 1 { F2 ( s) } .

Te or e m a 4 :
Jika F adalah t ransform asi laplace fungsi f dan a konst ant a
sebarang, m aka : - 1 { F( s- a) } = e at - 1 { F( s) } .
Bukt i

F(s ) =



∫e

− st

0

F(s − a) =

f (t ) dt = {f (t )}





0

0

− ( s − a) t
f (t ) dt =
∫e

∫e

− st

- 1 { F( s- a) } = e at f( t ) = e at - 1 { F( s) }

Tr a nsfor m a si La pla ce

{

}

e at f (t ) dt =  e at f (t ) , sehingga


5

Cont oh

s +1
s +1
s +3 −1 


-1 
-1 
- 1  2

=  
=   2
2
 s + 6 s + 25 
( s + 3) + 16 
( s + 6 s + 9 ) + 16 
s +3 −1
=  - 1 {F(s + 3 )} , dengan F(s + 3 ) =
( s + 3) 2 + 16
 s−2 
= e - 3t  - 1  2

 s + 16 

s
2



-1 
= e - 3t   - 1  2

−  2
 s + 16 
 s + 16 


= e - 3t [cos 4 t −

1
2

sin 4 t ]

Bedakan j ika fungsi pem bilang dapat difakt orkan, sepert i
cont oh berikut :
Cont oh


3
3
3/7


-1 
-1  3 / 7

-1  2

=  
=  
s − 3 s + 4 
 s + s − 12 
( s − 3 ) ( s + 4 ) 
3
1  3 3 t
 1 
-1 
e − e −4t
=  - 1 
 =
− 
7
 s + 4  7
s − 3 

(

)

Te or e m a 5 : ( Te or e m a Konvolusi)
Jika f dan g m asing- m asing fungsi kont inu sepot ongsepot ong pada set iap int erval t ert ut up [ 0,b] dan t erdapat
bilangan real M dan N sedem ikian hingga | f( t ) | Me αt dan
| g( t ) | Ne αt , unt uk suat u konst ant a α dengan t ∈[ 0,b] , m aka

{f ( t ) ∗ g( t )} = {f ( t )}{g( t )}
dengan
t

f ( t ) ∗ g( t ) =

∫ f ( τ) g( t

− τ) d τ

0

dan disebut konvolusi dari fungsi f dan g.

Tr a nsfor m a si La pla ce

6

Bukt i :
Dengan asum si F( s) = { f( t ) } dan G( s) = { g( t ) }
Diam bil : F(s ) =



∫e

− sτ

f (τ) d τ dan G( s) =

0



∫e

− sρ

g(ρ) d ρ

0

diperoleh:

 ∞ − sτ
  ∞ − sρ
F(s )G(s ) =  ∫ e f (τ) d τ  ∫ e g(ρ) d ρ
0
 0

∞ ∞

=

∫ ∫e

− s( τ + ρ )

f (τ) g(ρ) d τ d ρ

0 0


=

t

∫ ∫e

− st

f (τ)g(t − τ) d τ dt , dengan subst . t = τ + ρ dari

t =0 τ=0

sist em koordinat τρ ke sist em koordinat τt


=



t =0


 t
e − st  ∫ f (τ)g(t − τ) d τ dt

τ = 0

 t

=   ∫ f (τ)g(t − τ) d τ
τ = 0



Terbukt i

Cat at an
Teorem a 5 di at as j uga m enyat akan :
- 1 { F( s) G( s) } = f ( t ) ∗ g( t )
Sifa t k om ut a t if : f ( t ) ∗ g( t ) = g( t ) ∗ f ( t )
Bukt i :
f ( t ) ∗ g( t ) =

t

0

0

t

∫ f ( τ) g( t − τ) d τ = − ∫ f ( t − ρ) g( ρ) d ρ , ρ = t − τ
t

=

∫ g( ρ) g( t

− ρ) d ρ = g( t ) ∗ f ( t )

0

Tr a nsfor m a si La pla ce

7

Selanj ut nya unt uk { f( t ) } = F( s) dan { g( t ) } = G( s) , m aka
berdasarkan t eorem a konvolusi diperoleh
{f ( t ) ∗ g( t )} = F( s) G( s)

⇔  - 1 {F( s) G( s)} = f ( t ) ∗ g( t )

Cont oh


1
1 
- 1 1
- 1  2

= 
2
s s + 1 
s s + 1 

(

)

= - 1 { F(s )G(s ) } , dengan F(s ) =

1
1
dan G(s ) = 2
s +1
s

= f ( t ) ∗ g( t )
= g( t ) ∗ f ( t ) , sebab kom ut at if
t

= ∫ sin τ ⋅ 1 d τ = 1 − cos t
0

4 .5 . D e r iva t if Tr a nsfor m a si
Pada bagian ini akan dit urunkan suat u rum usan dari
derivat if suat u hasil t ransform asi.
Diperhat ikan :

F(s ) =



∫e

− st

f (t ) dt

0





d
d
F(s ) =
e − st f (t ) dt =
ds
ds ∫0



d − st
∫0 ds e f (t ) dt =



∫ (− t )e f (t ) dt
− st

0

= {( −t ) f (t )}

Serupa dengan cara di at as, dapat diperoleh j uga

d
d2
F(s ) =
2
ds
ds





0

0

2 − st
− st
∫ (− t )e f (t ) dt = ∫ (− t ) e f (t ) dt

Secara um um , unt uk n= 1,2,3,... m aka

Tr a nsfor m a si La pla ce

{

}

=  ( −t ) 2 f (t )

{

}

dn
F(s ) =  ( −t ) n f (t )
n
ds

8

Cont oh

{t sin at } = −
=

(s

d  a 


ds  s 2 + a2 
2 as
2

+ a2

)

2

4 .6 . Tr a nsfor m a si De r iva t if da n M a sa la h Sya r a t
Ba t a s
Te or e m a 6 :
Diket ahui f( t ) fungsi kont inu dan f’( t ) kont inu sepot ongsepot ong pada int erval 0t T. Jika | f( t ) | Me ct unt uk t > T
dengan M dan c m asing- m asing suat u konst ant a, m aka
{ f’( t ) } = s{ f( t ) } – f( 0)
Bukt i
Karena f’( t ) kont inu sepot ong- sepot ong pada int erval 0t T,
m aka t erdapat bilangan bulat posit if N sedem ikian hingga
f’( t ) kont inu pada sub- sub int erval : 0< t < T1 , T1 < t < T2 , ...,
TN< t < T. Diperoleh :
T

∫e

− st

f ′( t ) dt =

T1

∫e

− st

f ′( t ) dt +

0

0

=

T1

∫e

T2

∫e

− st

f ′( t ) dt + ... +

T1
− st

df ( t ) +

0

T

∫e

− st

T2

− st
∫ e df ( t ) + ... +

T1

T

∫e

− st

df ( t )

TN

 
+ s ∫ e f ( t ) dt  + e − st f ( t )
0
0
 
T


T
 + e − st f ( t )
+ s ∫ e − st f ( t ) dt 
TN
TN




= e − st f ( t )


T1

T1

f ′( t ) dt

TN

− st

T2
T1


+ s ∫ e − st f ( t ) dt  +
T1

T2

Mengingat f( t ) kont inu, m aka :

Tr a nsfor m a si La pla ce

9

T

∫e

− st

0

T1

 − sT1
f ′( t ) dt = e f ( T1 ) − f ( 0 ) + s ∫ e − st f ( t ) dt  +
0


T2

 − sT
− sT1
− st
2
e
f
(
T
)
e
f
(
T
)
s
e
f
(
t
)
dt

+

 +
2
1

T1


T


+ e − sT f ( T) − e − sTN f ( TN ) + s ∫ e − st f ( t ) dt 


TN

=e

− sT

T

f ( T) − f ( 0 ) + s ∫ e − st f ( t ) dt
0

Selanj ut nya, karena | e - sTf( T) | | e - sTMe cT| = Me - ( s- c) T, m aka
T

 − sT
− st
− st



e
f
(
t
)
dt
lim
e
f
(
T
)
f
(
0
)
s
e
f
(
t
)
dt
=

+


T →∞ ∫
T →∞ 
0
0


T

lim






− st
− sT
− st
∫ e f ′( t ) dt = lim e f ( T) − f ( 0) + s ∫ e f ( t ) dt
0

T →∞

⇔ {f ′( t )} = 0 − f ( 0 ) + s{f ( t )}

0



Terbukt i .

Bent uk um um t eorem a 6 yait u t ransform asi laplace unt uk
t urunan ke- n fungsi f( t ) dinyat akan oleh t eorem a 7 berikut :

Te or e m a 7 :
Diket ahui fungsi f( t ) dengan f ( n- 1) ( t ) kont inu dan f ( n) ( t )
kont inu sepot ong- sepot ong pada int erval 0t T. Jika
| f ( k) ( t ) | Me ct , k= 0,1,2,...,n- 1 unt uk t > T dengan M dan c
m asing- m asing suat u konst ant a, m aka :
{ f ( n) ( t ) } = sn { f( t ) } – sn- 1 f( 0) – sn- 2 f’( 0) – sn- 3 f” ( 0) –... – f ( n- 1) ( 0)

Teorem a 7 sangat

berguna unt uk

m enyelesaikan beberapa

m asalah syarat bat as ( boundary value problem ) , sepert i cont ohcont oh berikut :

Tr a nsfor m a si La pla ce

10

Cont oh
1.

Tent ukan penyelesaian y” + 4y’+ 3y= 0, j ika y( 0) = 3 dan
y’( 0) = 1
Penyelesaian:
{ y” + 4y’+ 3y } = { 0}

2.



{ y” } + 4{ y’} + 3{ y} = 0



s2 { y} –sy( 0) –y’( 0) + 4[ s{ y} –y( 0) ] + 3{ y} = 0



s2 { y} –3s–1+ 4[ s{ y} –3] + 3{ y} = 0



[ s2 + 4s+ 3] { y} –3s–13= 0



{ y} = (3 s + 13 ) ( s 2 + 4 s + 3)



 −2
5 
+
y =  -1 (3 s + 13 ) ( s 2 + 4 s + 3) =  -1 

( s + 3) ( s + 1) 



y = - 2e - 3t + 5e - t

{

}

Tent ukan penyelesaian y” + y= 2t , j ika y( π 4 ) = π 2 dan
y’( π 4 ) = 2−√2
Penyelesaian:
{ y” + y } = { 2t }


s2 { y} –sy( 0) –y’( 0) + { y} = 2 s 2



[ s2 + 1] { y} –sA–B= 2 s 2 , dengan A= y( 0) dan B= y’( 0)



{ y} =




2
s ( s + 1)
2

2

+

s
1
A+ 2
B
s +1
s +1
2

1 
s
1
1
{ y} = 2  2 − 2
A+ 2
B
+ 2
s +1 s +1
s +1
s
y = 2t – 2 sin( t ) + A cos( t ) + B sin( t )

Tr a nsfor m a si La pla ce

11

Dengan subst it usi y ( π 4 ) = π 4 dan y’( π 4 ) = 2−√2 diperoleh
nilai A= B= 1.

3.

Jika x= f( t ) dan y= g( t ) , selesaikanlah sist em persam aan
diferensial :

x ′ − 6 x + 3 y = 8 e t

t
y ′ − 2 x − y = 4 e
dengan syarat x( 0) = - 1 dan y( 0) = 0.
Penyelesaian:

{ }
{ }



{x ′ − 6 x + 3 y } =  8 e t

t
{y ′ − 2 x − y } =  4 e



s{x } − x ( 0 ) − 6 {x } + 3 {y } = 8 ( s − 1)

s{y } − y ( 0 ) − 2 {x } − {y } = 4 ( s − 1)



s{x } + 1 − 6 {x } + 3 {y } = 8 ( s − 1)

s{y } − 0 − 2 {x } − {y } = 4 ( s − 1)



( s - 6) {x } + 3 {y } = ( 9 − s) ( s − 1)

- 2 {x } + ( s - 1) {y } = 4 ( s − 1)



( 9 − s) ( s − 1)
3
4 ( s − 1)
s −1
1
−2
+
{x } =
=
s −1 s − 4
s−6
3
−2

s −1

s − 6 ( 9 − s) ( s − 1)
4 ( s − 1)
−2
−2 3
23
+
{y } =
=
s −1 s − 4
s−6
3
−2 s −1


x= - 2e t + e 4t dan y= ( - e t + e 4t ) .

Tr a nsfor m a si La pla ce

12

4 .7 . Fungsi Unda k da n Fungsi Pe riodik
D e finisi 3 :
Unt uk set iap bilangan real a0, Fungsi Undak Sat uan ( unit
st ep funct ion) a didefinisikan :
0, t < a
 a( t ) = 
1, t > a
Grafik fungsi undak sat uan adalah :

o

1

o

t

a

Transform asi Laplace fungsi undak sat uan adalah

{ a ( t )} =
=
=



∫e
0

− st

 a ( t ) dt

a



0

a

− st
− st
∫ e ⋅ 0 dt + ∫ e ⋅ 1 dt

1 − as
e
s

D e finisi 4 :
Suat u fungsi f disebut fungsi undak j ika t erdapat bilanganbilangan real c1 , c2 ,…, cn dan bilangan- bilangan real non
negat if a 1 , a 2 ,…, a n sedem ikian hingga :
f( t ) = c 1  a1 ( t ) + c 2  a2 ( t ) +  + c n  an ( t )

Tr a nsfor m a si La pla ce

13

Transform asi Laplace fungsi undak adalah

{

{f ( t )} =  c 1  a1 ( t ) + c 2  a2 ( t ) +  + c n  an ( t )

{

}

{

}

{

}

= c 1   a1 ( t ) + c 2   a2 ( t ) +  + c n   an ( t )
=

(

1
c 1 e − a1s + c 2 e − a2 s +  + c n e − an s
s

}

)

Cont oh :
Tent ukan t ransform asi laplace fungsi- fungsi undak berikut :
 0 , 0 < t