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Derivando la transformada de Laplace del polinomio de Laguerre

Se me dio esta definición para los polinomios de Laguerre: $$L_n(t)=\frac{e^t}{n!}\frac{d^n}{dt^n}\left[t^ne^{-t}\right],~\text{para }n=0,1,2...$$ y tengo que demostrar que la transformada de Laplace es $$\frac{1}{s}\left(\frac{s-1}{s}\right)^n$$ Mi primer intento fue encontrar una fórmula para la $n$-ésima derivada de $t^ne^{-t}$, que encontré que es $$\frac{d^n}{dt^n}\left[t^ne^{-t}\right]=e^{-t}\sum_{k=0}^n\frac{n!}{(n-k)!}\binom nk (-t)^{n-k}$$

Entonces desde aquí intenté hacer la transformada: $$\begin{align*}\mathcal{L}_s\left\{\frac{e^t}{n!}\frac{d^n}{dt^n}\left[t^ne^{-t}\right]\right\}&=\frac{1}{n!}\mathcal{L}_{s-1}\left\{e^{-t}\sum_{k=0}^n\frac{n!}{(n-k)!}\binom nk (-t)^{n-k}\right\}\end{align*}$$ donde $\mathcal{L}_s\{f(t)\}=F(s)$ y $\mathcal{L}_s\{e^tf(t)\}=\mathcal{L}_{s-1}\{f(t)\}=F(s-1)$ (en caso de que la notación sea desconocida). No estoy seguro de cómo continuar con esto. El factor de $e^{-t}$ parece deshacer el desplazamiento a $s-1$, y no estoy seguro si eso es un problema o no.

No creo que haya cometido un error con la fórmula de la $n$-ésima derivada, pero creo que podría haber una forma diferente de expresarla que haría más fácil el cálculo. ¡Cualquier ayuda es apreciada!

5voto

Silynn Puntos 1572

¿Has considerado usar las propiedades de la transformada de Laplace para simplificar cálculos?

Las que estoy pensando son:

$$\mathcal{L}(e^{at}f(t))=F(s-a)$$

y,

$$\mathcal{L}\left(\frac{d^n}{dt^n}f(t)\right)=s^nF(s)-\sum_{i=1}^ns^{i-1}f^{(n-i)}(0)$$

donde $F(s)=\mathcal{L}(f(t))$ y $f^{(n)}$ es la n-ésima derivada de $f$. El $\frac{1}{n!}$ es una constante, por lo que puedes sacarlo de la integral.

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Drew Puntos 1722

No creo que sea conveniente usar la fórmula de Rodrigues aquí. Si se comienza desde la representación estándar en forma cerrada de los polinomios de Laguerre $$L_n(x)=\sum_{k=0}^n {{n} \choose {k}} (-1)^k \frac{x^k}{k!}$$ tenemos el cálculo bastante sencillo

$$\mathcal L_s(L_n(x)))=\int_0^\infty e^{-sx}L_n(x) dx=\sum_{k=0}^n {{n} \choose {k}} \frac{(-1)^k}{k!} \int_0^\infty x^k e^{-sx}dx=\sum_{k=0}^n {{n} \choose {k}} (-1)^k s^{-k-1}= \\ s^{-1}\sum_{k=0}^n {{n} \choose {k}} (-s^{-1})^{k} =\left(\frac{s-1}{s} \right)^n \frac{1}{s} $$

habiendo utilizado la relación de la función Gamma $$\int_0^\infty x^k e^{-sx}dx= k! s^{-k-1}.$$

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