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On dispose aussi du théorème suivant pour inverser la transformée de Laplace. Théorème (formule d'inversion de Bromvitch): Soit F(z)=F(x+iy), analytique pour x>x 0, une fonction sommable en y, pour tout x>x 0. Alors F est une transformée de Laplace, dont l'original est donné par: Cette dernière intégrale se calcule souvent en utilisant le théorème des résidus. Application de la transformée de Laplace à la résolution d'équations différentielles: Soit à résoudre, pour $t>0$, $$f^{(3)}(t)+f''(t)+f'(t)+f(t)=te^t$$ avec $f'(0)=f''(0)=f^{(3)}(0)=0$. On suppose que $f$ admet une transformée de Laplace $F$, et on prend la transformée de Laplace de l'équation précédente: $$z^3F(z)+z^2 F(z)+zF(z)+F(z)=\frac1{(z-1)^2}. $$ L'equation différentielle en $f$ se transforme en équation algébrique en $F$. On résout cette équation pour en déduire $F(z)$, et retrouver $f$ par transformée de Laplace inverse! (ce qui n'est pas forcément simple). La transformation de Laplace a été introduite par le marquis Pierre Simon de Laplace en 1812, dans son ouvrage Théorie analytique des probabilités, afin de caractériser diverses lois de probabilités.
Généralisation au cas de plusieurs variables [ modifier | modifier le code] La transformation bilatérale de Laplace se généralise au cas de fonctions ou de distributions à plusieurs variables, et Laurent Schwartz en a fait la théorie complète. Soit une distribution définie sur. L'ensemble des appartenant à pour lesquels (en notation abusive) est une distribution tempérée sur, est cette fois un cylindre de la forme où est un sous-ensemble convexe de (dans le cas d'une variable, n'est autre que la bande de convergence évoquée plus haut). Soit alors pour dans la distribution (de nouveau en notation abusive). Cette distribution est tempérée. Notons sa transformation de Fourier. La fonction est appelée la transformée de Laplace de (notée) et, avec, est notée. Ces remarques préliminaires étant faites, la théorie devient assez semblable à celle correspondant aux distributions d'une variable. Considérations sur les supports [ modifier | modifier le code] Le théorème de Paley-Wiener et sa généralisation due à Schwartz sont couramment énoncés à partir de la transformation de Fourier-Laplace (voir infra).
Définition: Si $f$ est une fonction (localement intégrable), définie sur, on appelle transformée de Laplace de $f$ la fonction: En général, la convergence de l'intégrale n'est pas assurée pour tout z. On appelle abscisse de convergence absolue de la transformée de Laplace le réel: Eventuellement, on peut avoir. On montre alors que, si, l'intégrale converge absolument. est alors une fonction définie, et même holomorphe, dans le demi-plan. Transformées de Laplace usuelles: Règles de calcul: Soit $f$ (resp. $g$) une fonction, $F$ (resp. $G$) sa transformée de Laplace, d'abscisse de convergence (resp. ). Propriétés: Sous réserve de certaines conditions sur la fonction $f$, on a: Inversion de la transformée de Laplace: Pour inverser la transformée de Laplace, on utilise en général les tables et les règles précédentes, en lisant de droite à gauche. Par exemple, pour le calcul de l'inverse de la transformée de Laplace d'une fraction rationnelle, on décompose en éléments simples, et on cherche dans les tables.
Relation entre la transformation bilatérale et la transformation monolatérale [ modifier | modifier le code] Théorie élémentaire [ modifier | modifier le code] Soit une fonction définie dans un voisinage ouvert de, continue en 0, et admettant une transformée de Laplace bilatérale. Sa transformée monolatérale de Laplace, que nous noterons ici, est donnée par où est la fonction de Heaviside. On a par conséquent d'où la formule classique Généralisation [ modifier | modifier le code] Soit une distribution à support positif, une fonction indéfiniment dérivable dans un intervalle ouvert contenant, et. En posant, est une distribution à support positif, dont la transformée de Laplace est (en notation abusive) où est l'abscisse de convergence. Les distributions et ont même restriction à tout intervalle ouvert de la forme dès que est suffisamment petit. On peut donc écrire pour tout entier. D'autre part, avec et, d'après la « théorie élémentaire » ci-dessus,. Finalement, En procédant par récurrence, on obtient les formules générales de l'article Transformation de Laplace.
Il peut tout aussi bien s'exprimer à partir de la transformation de Laplace, et on obtient alors l'énoncé suivant: (1) Théorème de Paley-Wiener: Pour qu'une fonction entière soit la transformée de Laplace d'une fonction indéfiniment dérivable sur de support inclus dans la "boule" fermée de centre et de rayon, notée, il faut et il suffit que pour tout entier, il existe une constante tels que pour tout appartenant à, où désigne le produit scalaire usuel dans de et de. (2) Théorème de Paley-Wiener-Schwartz: Pour qu'une fonction entière soit la transformée de Laplace d'une distribution sur de support inclus dans, il faut et il suffit qu'il existe un entier et une constante tels que pour tout appartenant à,. Un théorème dû à Jacques-Louis Lions donne d'autres informations sur le support d'une distribution à partir de sa transformée de Laplace. Dans le cas d'une seule variable, il prend la forme suivante (voir Inversion): Pour qu'une fonction holomorphe sur soit la transformée de Laplace d'une distribution sur à support dans la demi-droite, il faut et il suffit que soit majorée, lorsque le réel est assez grand, par un polynôme en.
1. Racines simples au dénominateur \[F(p)~=~\frac{N(p)}{(p-p_1)~(p-p_2)\cdots(p-p_n)}\] On a alors: \[\begin{aligned} F(p)~&=~\sum_{j=1}^n~\frac{C_j}{p-p_j}\\ C_j~&=~\lim_{p~\to~p_j}\frac{N(p)~(p-p_j)}{D(p)}\end{aligned}\] Et par suite: \[f(t)~=~\sum_{j=1}^n~C_j~e^{p_j~t}\] 1. Racines multiples au dénominateur Supposons que l'un de ces types de facteurs soit de la forme \((p-p_q)^m\), donc d'ordre \(m\). Le développement se présentera alors sous la forme: \[F(p)~=~\frac{C_m}{(p-p_q)^m}~+~\frac{C_{m-1}}{(p-p_q)^{m-1}}~+~\cdots ~+~\frac{C_1}{(p-p_1)}~+~\cdots\] 1. 4.
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