(i)
L ( y ′ ′ + 2 y ′ + y ) = L ( e − t ) L(y''+2y'+y)=L(e^{-t}) L ( y ′′ + 2 y ′ + y ) = L ( e − t )
s 2 L ( y ) − s y ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + 2 ( s L ( y ) − y ( 0 ) ) + L ( y ) s^2L(y)-sy(0)-y'(0)+2(sL(y)-y(0))+L(y) s 2 L ( y ) − sy ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + 2 ( s L ( y ) − y ( 0 )) + L ( y )
= 1 s + 1 =\dfrac{1}{s+1} = s + 1 1
s 2 L ( y ) − s − 3 + 2 s L ( y ) − 2 + L ( y ) = 1 s + 1 s^2L(y)-s-3+2sL(y)-2+L(y)=\dfrac{1}{s+1} s 2 L ( y ) − s − 3 + 2 s L ( y ) − 2 + L ( y ) = s + 1 1
( s 2 + 2 s + 1 ) L ( y ) = s 2 + 5 s + s + 5 + 1 s + 1 (s^2+2s+1)L(y)=\dfrac{s^2+5s+s+5+1}{s+1} ( s 2 + 2 s + 1 ) L ( y ) = s + 1 s 2 + 5 s + s + 5 + 1
L ( y ) = s 2 + 6 s + 6 ( s + 1 ) 3 L(y)=\dfrac{s^2+6s+6}{(s+1)^3} L ( y ) = ( s + 1 ) 3 s 2 + 6 s + 6
s 2 + 6 s + 6 ( s + 1 ) 3 = s 2 + 2 s + 1 + 4 s + 4 + 1 ( s + 1 ) 3 \dfrac{s^2+6s+6}{(s+1)^3}=\dfrac{s^2+2s+1+4s+4+1}{(s+1)^3} ( s + 1 ) 3 s 2 + 6 s + 6 = ( s + 1 ) 3 s 2 + 2 s + 1 + 4 s + 4 + 1
= 1 ( s + 1 ) + 4 ( s + 1 ) 2 + 1 ( s + 1 ) 3 =\dfrac{1}{(s+1)}+\dfrac{4}{(s+1)^2}+\dfrac{1}{(s+1)^3} = ( s + 1 ) 1 + ( s + 1 ) 2 4 + ( s + 1 ) 3 1 Taking the inverse transform then gives
y ( t ) = e − t + 4 t e − t + 1 2 t 2 e − t y(t)=e^{-t}+4te^{-t}+\dfrac{1}{2}t^2e^{-t} y ( t ) = e − t + 4 t e − t + 2 1 t 2 e − t
(ii)
L ( y ′ ′ + y ) = L ( t 2 sin t ) L(y''+y)=L(t^2\sin t) L ( y ′′ + y ) = L ( t 2 sin t )
s 2 L ( y ) − s y ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + L ( y ) = ( − 1 ) 2 d 2 d s 2 ( 1 s 2 + 1 ) s^2L(y)-sy(0)-y'(0)+L(y)=(-1)^2\dfrac{d^2}{ds^2}(\dfrac{1}{s^2+1}) s 2 L ( y ) − sy ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + L ( y ) = ( − 1 ) 2 d s 2 d 2 ( s 2 + 1 1 )
d d s ( 1 s 2 + 1 ) = − 2 s ( s 2 + 1 ) 2 \dfrac{d}{ds}(\dfrac{1}{s^2+1})=-\dfrac{2s}{(s^2+1)^2} d s d ( s 2 + 1 1 ) = − ( s 2 + 1 ) 2 2 s
d 2 d s 2 ( 1 s 2 + 1 ) = − 2 ( s 2 + 1 ) 2 − 2 s ( 2 ( s 2 + 1 ) ( 2 s ) ) ( s 2 + 1 ) 4 \dfrac{d^2}{ds^2}(\dfrac{1}{s^2+1})=-\dfrac{2(s^2+1)^2-2s(2(s^2+1)(2s))}{(s^2+1)^4} d s 2 d 2 ( s 2 + 1 1 ) = − ( s 2 + 1 ) 4 2 ( s 2 + 1 ) 2 − 2 s ( 2 ( s 2 + 1 ) ( 2 s ))
= − 2 ( s 2 + 1 − 4 s 2 ) ( s 2 + 1 ) 3 = 2 ( 3 s 2 − 1 ) ( s 2 + 1 ) 3 =-\dfrac{2(s^2+1-4s^2)}{(s^2+1)^3}=\dfrac{2(3s^2-1)}{(s^2+1)^3} = − ( s 2 + 1 ) 3 2 ( s 2 + 1 − 4 s 2 ) = ( s 2 + 1 ) 3 2 ( 3 s 2 − 1 )
s 2 L ( y ) − 0 − 0 + L ( y ) = 2 ( 3 s 2 − 1 ) ( s 2 + 1 ) 3 s^2L(y)-0-0+L(y)=\dfrac{2(3s^2-1)}{(s^2+1)^3} s 2 L ( y ) − 0 − 0 + L ( y ) = ( s 2 + 1 ) 3 2 ( 3 s 2 − 1 )
( s 2 + 1 ) L ( y ) = 2 ( 3 s 2 − 1 ) ( s 2 + 1 ) 3 (s^2+1)L(y)=\dfrac{2(3s^2-1)}{(s^2+1)^3} ( s 2 + 1 ) L ( y ) = ( s 2 + 1 ) 3 2 ( 3 s 2 − 1 )
L ( y ) = 2 ( 3 s 2 − 1 ) ( s 2 + 1 ) 4 L(y)=\dfrac{2(3s^2-1)}{(s^2+1)^4} L ( y ) = ( s 2 + 1 ) 4 2 ( 3 s 2 − 1 )
2 ( 3 s 2 − 1 ) ( s 2 + 1 ) 4 = 2 ( 3 s 2 + 3 − 4 ) ( s 2 + 1 ) 4 \dfrac{2(3s^2-1)}{(s^2+1)^4}=\dfrac{2(3s^2+3-4)}{(s^2+1)^4} ( s 2 + 1 ) 4 2 ( 3 s 2 − 1 ) = ( s 2 + 1 ) 4 2 ( 3 s 2 + 3 − 4 )
= 6 ( s 2 + 1 ) 3 − 8 ( s 2 + 1 ) 4 =\dfrac{6}{(s^2+1)^3}-\dfrac{8}{(s^2+1)^4} = ( s 2 + 1 ) 3 6 − ( s 2 + 1 ) 4 8 Taking the inverse transform then gives
y ( t ) = 6 ( − 1 8 t 2 sin t − 3 8 t cos t + 3 8 sin t ) y(t)=6(-\dfrac{1}{8}t^2\sin t-\dfrac{3}{8}t\cos t+\dfrac{3}{8}\sin t) y ( t ) = 6 ( − 8 1 t 2 sin t − 8 3 t cos t + 8 3 sin t )
− 8 ( 1 48 t 3 cos t − 1 8 t 2 sin t − 5 16 t cos t + 5 16 sin t ) -8(\dfrac{1}{48}t^3\cos t-\dfrac{1}{8}t^2\sin t-\dfrac{5}{16}t\cos t+\dfrac{5}{16}\sin t) − 8 ( 48 1 t 3 cos t − 8 1 t 2 sin t − 16 5 t cos t + 16 5 sin t )
y ( t ) = − 1 6 t 3 cos t + t 2 sin t + 5 2 t cos t − 5 2 sin t y(t)=-\dfrac{1}{6}t^3\cos t+t^2\sin t+\dfrac{5}{2}t\cos t-\dfrac{5}{2}\sin t y ( t ) = − 6 1 t 3 cos t + t 2 sin t + 2 5 t cos t − 2 5 sin t
− 3 4 t 2 sin t − 9 4 t cos t + 9 4 sin t -\dfrac{3}{4}t^2\sin t-\dfrac{9}{4}t\cos t+\dfrac{9}{4}\sin t − 4 3 t 2 sin t − 4 9 t cos t + 4 9 sin t
y ( t ) = − 1 6 t 3 cos t + 1 4 t 2 sin t + 1 4 t cos t − 1 4 sin t y(t)=-\dfrac{1}{6}t^3\cos t+\dfrac{1}{4}t^2\sin t+\dfrac{1}{4}t\cos t-\dfrac{1}{4}\sin t y ( t ) = − 6 1 t 3 cos t + 4 1 t 2 sin t + 4 1 t cos t − 4 1 sin t
(iii)
L ( y ′ ′ + 3 y ′ + 7 y ) = L ( cos t ) L(y''+3y'+7y)=L(\cos t) L ( y ′′ + 3 y ′ + 7 y ) = L ( cos t )
s 2 L ( y ) − s y ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + 3 ( s L ( y ) − y ( 0 ) ) + 7 L ( y ) s^2L(y)-sy(0)-y'(0)+3(sL(y)-y(0))+7L(y) s 2 L ( y ) − sy ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + 3 ( s L ( y ) − y ( 0 )) + 7 L ( y )
= s s 2 + 1 =\dfrac{s}{s^2+1} = s 2 + 1 s
s 2 L ( y ) − 0 − 2 + 3 s L ( y ) − 0 + 7 L ( y ) = s s 2 + 1 s^2L(y)-0-2+3sL(y)-0+7L(y)=\dfrac{s}{s^2+1} s 2 L ( y ) − 0 − 2 + 3 s L ( y ) − 0 + 7 L ( y ) = s 2 + 1 s
( s 2 + 3 s + 7 ) L ( y ) = 2 s 2 + 2 + s s 2 + 1 (s^2+3s+7)L(y)=\dfrac{2s^2+2+s}{s^2+1} ( s 2 + 3 s + 7 ) L ( y ) = s 2 + 1 2 s 2 + 2 + s
L ( y ) = 2 s 2 + s + 2 ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) L(y)=\dfrac{2s^2+s+2}{(s^2+1)(s^2+3s+7)} L ( y ) = ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) 2 s 2 + s + 2
2 s 2 + s + 2 ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) = A s + B s 2 + 1 + C s + D s 2 + 3 s + 7 \dfrac{2s^2+s+2}{(s^2+1)(s^2+3s+7)}=\dfrac{As+B}{s^2+1}+\dfrac{Cs+D}{s^2+3s+7} ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) 2 s 2 + s + 2 = s 2 + 1 A s + B + s 2 + 3 s + 7 C s + D
= A s 3 + 3 A s 2 + 7 A s + B s 2 + 3 B s + 7 B ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) =\dfrac{As^3+3As^2+7As+Bs^2+3Bs+7B}{(s^2+1)(s^2+3s+7)} = ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) A s 3 + 3 A s 2 + 7 A s + B s 2 + 3 B s + 7 B
+ C s 3 + C s + D s 2 + D ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) +\dfrac{Cs^3+Cs+Ds^2+D}{(s^2+1)(s^2+3s+7)} + ( s 2 + 1 ) ( s 2 + 3 s + 7 ) C s 3 + C s + D s 2 + D s 3 : A + C = 0 s^3: A+C=0 s 3 : A + C = 0
s 2 : 3 A + B + D = 2 s^2: 3A+B+D=2 s 2 : 3 A + B + D = 2
s 1 : 7 A + 3 B + C = 1 s^1: 7A+3B+C=1 s 1 : 7 A + 3 B + C = 1
s 0 : 7 B + D = 2 s^0: 7B+D=2 s 0 : 7 B + D = 2
A = 2 B , C = − 2 B , D = 2 − 7 B A=2B, C=-2B, D=2-7B A = 2 B , C = − 2 B , D = 2 − 7 B
14 B + 3 B − 2 B = 1 = > B = 1 15 14B+3B-2B=1=>B=\dfrac{1}{15} 14 B + 3 B − 2 B = 1 => B = 15 1
A = 2 15 , C = − 2 15 , D = 23 15 A=\dfrac{2}{15}, C=-\dfrac{2}{15}, D=\dfrac{23}{15} A = 15 2 , C = − 15 2 , D = 15 23
L ( y ) = 1 15 ( 2 s + 1 s 2 + 1 ) + 1 15 ( − 2 s + 23 s 2 + 3 s + 7 ) L(y)=\dfrac{1}{15}(\dfrac{2s+1}{s^2+1})+\dfrac{1}{15}(\dfrac{-2s+23}{s^2+3s+7}) L ( y ) = 15 1 ( s 2 + 1 2 s + 1 ) + 15 1 ( s 2 + 3 s + 7 − 2 s + 23 )
Taking the inverse transform then gives
y ( t ) = 1 15 ( sin t + 2 cos t ) y(t)=\dfrac{1}{15}(\sin t+2\cos t) y ( t ) = 15 1 ( sin t + 2 cos t )
+ e − 3 t / 2 15 ( 52 19 sin ( 19 t 2 ) − 38 cos ( 19 t 2 ) 19 ) +\dfrac{e^{-3t/2}}{15}(\dfrac{52\sqrt{19}\sin(\dfrac{\sqrt{19}t}{2})-38\cos(\dfrac{\sqrt{19}t}{2})}{19}) + 15 e − 3 t /2 ( 19 52 19 sin ( 2 19 t ) − 38 cos ( 2 19 t ) )
(iv)
L ( y ′ ′ + y ′ + y ) = L ( t 3 ) L(y''+y'+y)=L(t^3) L ( y ′′ + y ′ + y ) = L ( t 3 )
s 2 L ( y ) − s y ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + ( s L ( y ) − y ( 0 ) ) + L ( y ) s^2L(y)-sy(0)-y'(0)+(sL(y)-y(0))+L(y) s 2 L ( y ) − sy ( 0 ) − y ′ ( 0 ) + ( s L ( y ) − y ( 0 )) + L ( y )
= 6 s 4 =\dfrac{6}{s^4} = s 4 6
s 2 L ( y ) − 2 s − 0 + s L ( y ) − 2 + L ( y ) = 6 s 4 s^2L(y)-2s-0+sL(y)-2+L(y)=\dfrac{6}{s^4} s 2 L ( y ) − 2 s − 0 + s L ( y ) − 2 + L ( y ) = s 4 6
( s 2 + s + 1 ) L ( y ) = 2 s 5 + 2 s 4 + 6 s 4 (s^2+s+1)L(y)=\dfrac{2s^5+2s^4+6}{s^4} ( s 2 + s + 1 ) L ( y ) = s 4 2 s 5 + 2 s 4 + 6
L ( y ) = 2 s 5 + 2 s 4 + 6 s 4 ( s 2 + s + 1 ) L(y)=\dfrac{2s^5+2s^4+6}{s^4(s^2+s+1)} L ( y ) = s 4 ( s 2 + s + 1 ) 2 s 5 + 2 s 4 + 6
2 s 5 + 2 s 4 + 6 s 4 ( s 2 + s + 1 ) = A s + B s 2 + s + 1 \dfrac{2s^5+2s^4+6}{s^4(s^2+s+1)}=\dfrac{As+B}{s^2+s+1} s 4 ( s 2 + s + 1 ) 2 s 5 + 2 s 4 + 6 = s 2 + s + 1 A s + B
+ C s + D s 2 + E s 3 + F s 4 +\dfrac{C}{s}+\dfrac{D}{s^2}+\dfrac{E}{s^3}+\dfrac{F}{s^4} + s C + s 2 D + s 3 E + s 4 F
2 s 5 + 2 s 4 + 6 = A s 5 + B s 4 + C s 5 + C s 4 + C s 3 2s^5+2s^4+6=As^5+Bs^4+Cs^5+Cs^4+Cs^3 2 s 5 + 2 s 4 + 6 = A s 5 + B s 4 + C s 5 + C s 4 + C s 3
+ D s 4 + D s 3 + D s 2 + E s 3 + E s 2 + E s + F s 2 + F s + F +Ds^4+Ds^3+Ds^2+Es^3+Es^2+Es+Fs^2+Fs+F + D s 4 + D s 3 + D s 2 + E s 3 + E s 2 + E s + F s 2 + F s + F s 5 : A + C = 2 s^5: A+C=2 s 5 : A + C = 2
s 4 : B + C + D = 2 s^4: B+C+D=2 s 4 : B + C + D = 2
s 3 : C + D + E = 0 s^3: C+D+E=0 s 3 : C + D + E = 0
s 2 : D + E + F = 0 s^2: D+E+F=0 s 2 : D + E + F = 0
s 1 : E + F = 0 s^1: E+F=0 s 1 : E + F = 0
s 0 : F = 6 s^0: F=6 s 0 : F = 6
F = 6 , E = − 6 , D = 0 , C = 6 , B = − 4 , A = − 4 F=6, E=-6, D=0, C=6, B=-4, A=-4 F = 6 , E = − 6 , D = 0 , C = 6 , B = − 4 , A = − 4
L ( y ) = − 4 s + 1 s 2 + s + 1 + 6 s − 6 s 3 + 6 s 4 L(y)=-4\dfrac{s+1}{s^2+s+1}+\dfrac{6}{s}-\dfrac{6}{s^3}+\dfrac{6}{s^4} L ( y ) = − 4 s 2 + s + 1 s + 1 + s 6 − s 3 6 + s 4 6
Taking the inverse transform then gives
y ( t ) = − 4 3 e − t / 2 ( 3 sin ( 3 t 2 ) + 3 cos ( 3 t 2 ) ) y(t)=-\dfrac{4}{3}e^{-t/2}(\sqrt{3}\sin(\dfrac{\sqrt{3}t}{2})+3\cos(\dfrac{\sqrt{3}t}{2})) y ( t ) = − 3 4 e − t /2 ( 3 sin ( 2 3 t ) + 3 cos ( 2 3 t ))
+ 6 − 3 t 2 + t 3 +6-3t^2+t^3 + 6 − 3 t 2 + t 3
Comments