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Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología — Volumen 4, Número 3, Diciembre 2013. Página 211—
Transformadas de Laplace y z, su implicancia en las ciencias
experimentales
Navarro Silvia I.; Juarez Gustavo A.; Humana Teresita E. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales – Universidad Nacional de Catamarca
El aporte de la historia en el desarrollo de las ciencias, es indudablemente muy importante, porque permite conocer como surgen los conceptos matemáticos. En particular aquí consideramos las Transformadas tanto de Laplace como Zeta, para permitir entender y aplicarlo a los nuevos desafíos que nos presenta actualmente las Ciencias Experimentales, cuando queremos analizar un sistema que puede ser controlado en tiempo continuo o en tiempo discreto. En este contexto es posible también emplear, como elemento auxiliar, la modelización matemática y la simulación para el estudio de la diversidad de fenómenos presentes en la enseñanza de la Física.
El objetivo de este trabajo, es analizar los principales aspectos de la evolución de conceptos que dieron origen a la forma particular de la
Transformada de Laplace tfL y de su complementaria
Transformada Zeta kxZ , donde surgen como herramienta operacional para resolver problemas que involucran una metodología de solución de ecuaciones diferenciales y en diferencias.
El desarrollo de este trabajo busca que el estudiante universitario no fracase a la hora que se le enseñe los conceptos de Transformadas, sino más bien lograr relacionar los nuevos conocimientos adquiridos de dichas Transformadas con un enfoque interdisciplinario.
Palabras claves: Transformada de Laplace, Transformada Z, Ecuaciones Diferenciales Ordinarias, Ecuaciones en Diferencias, Enseñanza
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ciencias experimentales.
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Transformed Laplace and z, their implications in the experimental
sciences
The contribution of the history in the development of the sciences, is undoubtedly very important, because he/she allows to know like the mathematical concepts arise. In particular here we consider those Transformed point of Laplace like Zed, to allow to understand and to apply it to the new challenges that it presents us at the moment the Experimental Sciences, when we want to analyze a system that can be controlled in continuous time or in discreet time. In this context it is possible also to use, as auxiliary element, the mathematical model ling and the simulation for the study of the diversity of present phenomena in the training of the Physics.
The objective of this work, is to analyze the main aspects of the evolution of concepts that gave origin to the form peculiar of the one
Transformed of Laplace tfL and of its complementary Transformed
Z kxZ , where they arise as operational tool to solve problems that involve a methodology of solution of differential equations and in differences.
The development of this work looks for that the university student doesn't fail at the hour that is taught the concepts of having Transformed, but rather to be able to relate the new acquired knowledge of Transformed happiness with an interdisciplinary focus.
Key Words: Transformed of Laplace, Transformed Z, Ordinary Differential Equations, Difference Equations, Teaching.
INTRODUCCIÓN
En las carreras de Física y Matemáticas en los últimos veinte años,
los cursos de ecuaciones diferenciales tratan la Transformada de Laplace tfL ,
como una forma operacional de resolver ecuaciones diferenciales lineales ordinarias
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en tiempo continuo, y en forma equivalente, para la resolución de ecuaciones en
diferencias de tipo lineal en tiempo discreto, por el método basado en la
Transformada Zeta kxZ . Esto, a diferencia de temas curriculares como las
derivadas o las integrales, que son tratados por los libros de texto y los profesores
de física y matemáticas, a través de las experiencias didácticas previas para que el
estudiante construya y atribuya significados a los conceptos, esto no sucede con las
transformadas de tfL y kxZ , por el contrario, surgen de manera artificiosa
como un instrumento, cuyas propiedades formales son útiles porque resuelven
ciertos tipos de problemas. [7]
Ante la intencionalidad de su enseñanza, cualquier elemento de
construcción o de reconstrucción de significados carece de claridad o está ausente.
Si bien es cierta que las Transformadas de tfL y kxZ pueden ser interpretada
por una función y una sucesión, éstas pertenecen a una clase de operaciones
diferentes de las experiencias previas del estudiante. Este hecho, difícilmente podría
ser entendido si sólo partimos de la estructura matemática que aparece en los
textos para ambas transformadas.
Por esta razón, la investigación se orientó a dos aspectos: uno de
carácter histórico donde nos planteamos ¿cuáles fueron las ideas y problemas que
dieron origen y significado a las Transformadas de tfL y kxZ ?, y otro de
carácter cognitivo que responde a ¿cómo se aplicarían estas ideas para su
incorporación a la enseñanza de las ciencias experimentales?
OBJETIVO
Analizar los principales aspectos de la evolución de conceptos que
dieron origen a la forma particular de la Transformada de Laplace tfL y de su
complementaria Transformada Zeta kxZ , donde surgen como una herramienta
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operacional para resolver problemas que involucran una metodología de solución de
ecuaciones diferenciales y en diferencias.
MARCO TEÓRICO
Aspectos históricos
Transformada de Laplace
La Transformada de Laplace (en adelante TL) fue presentada por
Pierre Simón de Laplace (1749 – 1827), prestigioso matemático, que ya a los 24 años
se le conocía como el Newton de Francia. Entre sus trabajos se destaca su Tratado
de Mecánica Celeste, obra que publicó en cinco volúmenes entre 1799 y 1825, y que
suele considerarse como la culminación de la teoría newtoniana de la gravitación.
Otro gran aporte, fue dentro del campo de la Teoría de Probabilidades. La primera
edición de la Teoría Analítica de las Probabilidades fue publicada en 1812, y en ella
consideró las probabilidades desde varios puntos de vista: presenta el método de los
mínimos cuadrados, (el método de regresión fue una expresión basada en su trabajo
de altura que denominó regreso a la mediocridad), el problema de la aguja de Bufón,
aplicaciones a la mortalidad, expectativa de vida y a problemas legales; incluye
también aplicaciones para determinar la masa de Júpiter, Saturno y Urano, métodos
de triangulación y un método para determinar el meridiano de Francia. Y contiene lo
que hoy conocemos como la Transformada de Laplace.
La TL aparece por primera vez en el trabajo de Euler (1769) titulado
Institutiones Calculi Integralis, al resolver la ecuación UyN´yM"yL . Durante
el siglo XIX, se le conocía con el nombre de Método de Laplace y aunque hubo
muchos matemáticos que contribuyeron a la teoría, fue Poincaré quien desarrolla de
nuevo la TL. Sin embargo, la TL como la conocemos hoy, se debe al trabajo de
Gustav Doetsch de 1937. [10] y [11]
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Así, la TL se ha utilizado desde hace mucho tiempo para resolver
ecuaciones diferenciales con coeficientes constantes (continuas en el tiempo).
Transformada Zeta
La Transformada Zeta (en adelante TZ), presenta algo inusual al
tener un nombre asociado a una letra del alfabeto, en lugar del apellido de un
famoso matemático. En efecto, la transformada de Fourier debe su nombre al Barón
Jean Baptiste Joseph Fourier (1768-1830), la transformada Hadamard (también
conocida como la transformada Walsh-Hadamard, transformada Hadamard-
Rademacher-Walsh, transformada Walsh o transformada Walsh-Fourier) es un
ejemplo de una clase generalizada de transformadas de Fourier que deben sus
nombres al matemático francés Jacques Solomon Hadamard (1865-1963), al
matemático alemán Hans Adolph Rademacher (1892-1969) y al matemático
americano Joseph Leonard Walsh (1895-1973), la TL gracias a Pierre Simón de
Laplace (1749-1827) y la transformada de Hilbert a David Hilbert (1862-1943).
De acuerdo con Strum and Kirk (1994, p.420) del texto
Contemporary Linear Systems expresa:
A method for solving linear, constant coeficient difference equations by
Laplace transforms was introduced to graduate engineering students by
Gardner and Barnes in the early 1940s. They applied their procedure, which
was based on jump functions, to ladder networks, transmission lines, and
applications involving Bessel functions. This approach is quite complicated
and in a separate attempt to simplify matters, a transform of a sampled
signal or sequence was de ned in 1947 by W. Hurewicz as:
0k
kZkTfkTfZ which was later denoted in 1952 as a “Z-
transform" by a sampled-data control group at Columbia University led by
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professor John R. Raggazini and including L.A. Zadeh, E.I. jury, R.E. Kalman,
J.E. Bertram, B. Friedland, and G.F. Franklin.
La ecuación de Hurewicz, está expresada como una función de la
secuencia de datos muestreados f en lugar del número complejo z (pero la
relación es clara), y las aplicaciones fueron similares desde el principio. Quizá por
esto, la TZ debería realmente ser llamada la Transformada HurewicZ (pero ya es
demasiado tarde para cambiarle el nombre). En cualquier caso, al parecer no fue un
accidente que la TZ fuera creada en la misma época que los computadores digitales.
[6] y [7]
Comparación funcional entre las Transformadas
La idea básica del uso de las transformadas integrales, como la TL y
la TZ consiste en lo siguiente: supongamos que estudiamos un determinado
fenómeno físico, el cual se lo describe por medio de un modelo matemático. Dicho
modelo estará formado por una o varias ecuaciones diferenciales (ordinarias o en
diferencias), con sus correspondientes condiciones iniciales y/o de contorno.
El problema consiste en resolver dicho modelo matemático, es
decir, a partir de la Ecuación Diferencial Ordinaria (en adelante EDO) a la que se le
aplica las propiedades de las transformadas integrales, en particular la TL, en la que
convierte dicha EDO en una ecuación algebraica (que resulta más fácil de resolver
que la ecuación diferencial de partida). Aplicando la propiedad de transformación
inversa se obtiene la solución de nuestra EDO, la cual ésta permite posteriormente
realizarle la simulación, donde se verifican los resultados del fenómeno físico
planteado.
Para el caso de la TZ, se realiza el mismo procedimiento anterior,
pero discretizando la EDO planteada en nuestro problema en forma de una Ecuación
en Diferencia (en adelante EED), y así obtener una solución. Pero para éste trabajo,
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solamente se realizó la discretización de la EDO que caracteriza al fenómeno físico
que se esta estudiando.
A continuación, se detallan las características que prevalecen en
cada transformada:
Transformada de Laplace
Definición: La transformada de Laplace de una función tf definida para todos los
números positivos 0t , es la función sF , definida por:
0
dtetftfLsF ts (1)
Donde: tf función en el plano real, t variable de tiempo, sF función en el plano
complejo, s variable compleja, tal que jwrs con r parte real y j unidad
imaginaria y L : operador de TL.
Propiedades del Operador:
Transformada inversa: sFLtf 1 (2)
Linealidad: tgLtfLtgtfL (3)
Derivación: 000 121 nnnnn f...´fsfsfLstfL (4)
Traslación: asFtfeL t cuando as (5)
Transformada Zeta
Definición: La transformada Z de una sucesión kx está definida, en general como:
0k
kzkxkxZzX
(6)
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siempre que exista la sumatoria y donde z es una variable compleja todavía indefinida.
kxZ representa el operador de Transformada Z.
Propiedades:
Transformada inversa: zXLkx 1 (7)
Linealidad: zYzXkykxZ (8)
Valor inicial: zXlímxz
0 (9)
Convolución:
k
i
kfkuikfkuzFzUZ0
1 (10)
Ecuaciones diferenciales y en diferencia. Aplicación a sistemas
La principal relación de las ecuaciones diferenciales, consiste en el
hecho de que todo sistema físico viene representado por una EDO. Como un sistema
viene dado por la relación entre la señal de entrada y la de salida, esta descripción es
muy adecuada. A partir de este concepto, se llega al de función de transferencia o
respuesta en frecuencia del sistema.
Por tanto, los sistemas quedan descritos por una EDO que relaciona
la variable de la señal de entrada con la variable de la señal de salida. En el caso de
sistemas discretos, quedan caracterizados por una EED. [3]
En lugar de abordarlas por métodos clásicos de matemáticas, la
solución preferida es la de aplicar alguna transformación integral que simplifique los
operadores involucrados (una derivada se transforma en un producto). Las más
habituales son la TL y la TZ. Una vez resuelta la ecuación en el dominio
transformado, es necesario antitransformar dicha solución para obtener el resultado
en el dominio del tiempo. [6]
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METODOLOGÍA
Modelización Matemática y su Simulación Dinámica
Se presentará el proceso que involucra la formulación de un Modelo
Matemático usando las Transformadas, que facilitarán la visualización del fenómeno
en estudio.
Entendiendo por Modelo Matemático a una representación de un
fenómeno real, basada en relaciones matemáticas, estos ayudan a entender mejor
los fenómenos que describen, desarrollando nuestra intuición sobre su
funcionamiento. Además, al mismo tiempo, nos sirve para predecir lo que pasaría en
la situación real, tanto en condiciones normales como al modificar algún factor que
intervenga en el modelo. [3]
Este proceso, desde el punto de vista físico resulta interesante, ya
que para elaborar un modelo además del conocimiento matemático, se debe tener
una cantidad significativa de intuición y creatividad para interpretar el fenómeno,
discernir qué contenido matemático se adapta mejor, y tener sentido lúdico para
jugar con las variables involucradas, permitiendo así formular, resolver y elaborar
expresiones que sirvan no sólo para una solución particular, sino también,
posteriormente como soporte para otras aplicaciones y teorías.
Para interpretar un Modelo Matemático, es necesario analizar las
implicaciones de la solución derivada del modelo, la cual permite comprobar la
adecuación del mismo evaluando cuán significativa y relevante es la solución, a
través de la simulación que lo proporciona la Dinámica de Sistemas, cuyo objetivo
básico es llegar a comprender las causas estructurales que provocan el
comportamiento de dicho sistema.
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Planteo del Modelo Matemático a un problema físico
Paralelamente al planteo matemático, se considera un problema
físico el cual se planifica a través de una propuesta experimental referida al
Movimiento Armónico Simple (M.A.S.), esta temática ofrece la ventaja de, además
de ser accesible para los alumnos, permite la construcción de dispositivos
experimentales sencillo utilizando materiales de bajo costo y alta disponibilidad.
Se destaca, que los modelos matemáticos cobran vital importancia
en la explicación científica actual de muchos fenómenos físicos. El conocimiento del
modelo matemático ondulatorio aplicando las propiedades de las TL y la TZ, resulta
indispensable para interpretar los fundamentos de diversas aplicaciones
tecnológicas, más aún, si se tiene en cuenta que estos importantes conceptos
matemáticos, se aplican al análisis de sistemas que pueden ser controlados en
tiempo continuo o en tiempo discreto.
De hecho, existen diversas situaciones que corresponden a este
modelo matemático, siendo una de las más conocidas aquellas vinculadas a la
ingeniería. Ante esta importantísima vinculación que existe entre los avances
tecnológicos y las ciencias experimentales, se trata de encontrar una forma sencilla y
eficaz de enseñar al alumno, vinculando lo teórico con lo práctico, motivando su
creatividad, a fin de desarrollar y potenciar sus capacidades. De esta manera, se
intenta educar al alumno permitiéndole pensar, con el propósito de lograr un
individuo creativo, crítico, autocrítico, autónomo y flexible, donde el mismo sea el
responsables de dar una definición de M. A. S., a partir de valores obtenidos
experimentalmente, para así poder posteriormente realizar la simulación en -
Dinámica de Sistemas - reconociendo las variables que intervienen, identificando la
dependencia e independencia entre ellas.
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Descripción experimental
Se trabajó con una metodología experimental, la cual permitió
confrontar los valores obtenidos con la formulación matemática del modelo
propuesto a través de la TL y su posterior simulación usando la TZ.
El objetivo de la experiencia fue verificar los conceptos del M.A.S, a
partir del registro de valores experimentales y de valores simulados de las variables
intervinientes, que se determinará por medio de la Dinámica de Sistemas a través de
su simulación correspondiente.
El dispositivo experimental consta de un péndulo de longitud
cmL 20 con un embudo de acrílico en su extremo; una pista óptica de dimensiones
m.m. 200800 , montada sobre un carro que se mueve con una cierta velocidad
debido a la pendiente de dicha pista. (Figura 7)
El embudo se carga de sal fina, de modo que al oscilar el péndulo
describe una trayectoria que queda registrada en la lámina, a medida que ésta se
desliza describiendo la grafica característica del M.A.S. (Figura 8). Además, con la
ayuda de un cronometro se midió el periodo de oscilación de la onda. Luego, se
realiza el registro de datos del movimiento y se toma también como información los
valores de la amplitud (Figura 9) y la longitud de la onda obtenida (Figura 10).
Posteriormente con estos resultados, se realizó la simulación
correspondiente al modelo matemático obtenido a través de la TL que represente la
situación planteada.
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Figura 7: Esquema del dispositivo experimental construida por Humana T.E.
Figura 8: Fotos de la onda coseinoidal obtenida por Humana T.E.
Figura 9: Medida de la amplitud de la onda obtenida por Humana T.E.
Figura 10: Medida de la longitud de la onda obtenida por Humana T.E.
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Es importante aclarar, que no fue fácil obtener la gráfica
característica del M.A.S. ya que al realizar la experiencia se tuvo que considerar
varios factores que influyeron en la obtención de dicha gráfica. Los factores que más
se destacaron fueron:
La longitud del péndulo: se tuvo que variar la misma hasta encontrar la
adecuada, para que se pudiera registrar sin defectos la gráfica en la pista
deslizante.
El orificio del embudo de acrílico: fue modificado para que la sal fina no cayera
demasiado rápido.
El peso colocado en el portapesas: debió ser graduado para evitar que el carro
montado sobre la pista no corriese muy rápidamente.
El porcentaje de humedad: a la hora de realizar la experiencia se debió
considerar que esta no fuera alta, pues producía que la sal fina se tornara
con cierta humedad e impedía que no saliera del embudo.
Secuencia de las mediciones. Las mediciones debieron realizarse el mismo día
para no alterar los resultados de las variables obtenidas.
Por otro lado, después de cada medición se debió proceder a limpiar
la pista óptica, ya que provocaba la interrupción en el desplazamiento del carro
móvil.
Finalmente, teniendo en cuenta éstas consideraciones se procedió a
obtener varias curvas del M.A.S., y se registraron en cada de ella los datos del
movimiento y los errores que se comenten durante la medición por exceso o por
defecto, para posteriormente permitir realizar la simulación correspondiente al
modelo que representa la situación física planteada.
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Medición del desplazamiento de la onda
Para medir la longitud que forma la onda, se utilizó un cronómetro
cuya apreciación es de 0,01(s) y una regla milimetrada cuya apreciación es de 1(mm).
Estos valores se obtuvieron experimentalmente, por tanto deben tenerse en cuenta,
tanto las variables climatológicas, como las variables geográficas características de
la provincia de Catamarca del mes de junio de 2012: Temperatura: 18,4 (°C), Presión:
956,4(HPa), Altitud: 65°46´ 58,22”, Latitud: 28°27´33,68” y la Gravedad:
2190785169
s
m,,
(extraído de [1]). A continuación, se detallan las tablas que
contienen la variación de las variables características de una onda (amplitud,
longitud de onda, periodo, frecuencia y frecuencia angular) y la aplicación de la
Teoría de Errores de Gauss a cada una de ellas:
Tabla 1: Variaciones de las amplitudes de una onda.
n Amplitud A
(cm) Promedio de
A (cm)
Error cuadrático medio (cm)
Error cuadrático medio del promedio E (cm)
Lectura final (cm)
1 6,20
5,78 0,28 0,07 070785 ,,
2 5,80 3 6,00 4 5,70 5 5,50 6 5,59 7 5,58 8 5,50 9 5,,80 10 6,00
Fuente: datos obtenidos experimentalmente por Humana T.E. (2012).
Tabla 2: Variaciones de longitudes de onda
n
Longitud
de onda
(cm)
Promedio de
(cm)
Error cuadrático medio (cm)
Error cuadrático medio del promedio E (cm)
Lectura final (cm)
1 27,50 27,30 0,43 0,10 1003027 ,,
2 26,00
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3 28,00 4 27,50 5 27,50 6 27,50 7 27,500 8 27,00 9 28,00 10 26,50
Fuente: datos obtenidos experimentalmente por Humana T.E. (2012).
Tabla 3: Variaciones de los periodos de las ondas
n Período T
(s) Promedio de
T (s)
Error cuadrático medio (s)
Error cuadrático medio del promedio E (s)
Lectura final (s)
1 2,79
2,79 0,04 0,01 010792 ,,
2 2,85, 3 2,76 4 2,80 5 2,85 6 2,80 7 2,80 8 2,79 9 2,75 10 2,85
Fuente: datos obtenidos experimentalmente por Humana T.E. (2012).
Tabla 4: Variaciones de las frecuencias de las ondas
n Frecuencia
f (Hz) Promedio de
f (Hz)
Error cuadrático medio (Hz)
Error cuadrático medio del promedio E (Hz)
Lectura final (Hz)
1 0,357
0,356 0,004 0,001 00103560 ,,
2 0,351 3 0,361 4 0,356 5 0,351 6 0,356 7 0,356 8 0,357 9 0,364 10 0,351
Fuente: datos obtenidos experimentalmente por Humana T.E. (2012).
Tabla 5: Variaciones de las frecuencias angulares de las ondas
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n
Frecuencia
s
rad
Promedio de
s
rad
Error cuadrático medio
s
rad
Error cuadrático medio
del promedio E
s
rad
Lectura final
s
rad
1 2,243
2,235 0,026 0,008 00802352 ,,
2 2,204 3 2,267 4 2,237 5 2,204 6 2,237 7 2,237 8 2,243 9 2,286 10 2,204
Fuente: datos obtenidos experimentalmente por Humana T. (2012).
RESULTADOS
Resolución del problema con valor inicial (PVI)
Este PVI describe el Movimiento oscilatorio no amortiguado, tal lo
descrito en el experimento. De manera que la masa oscila perpendicularmente
respecto al plano horizontal, desde la posición de equilibrio impulsada por una
fuerza y con velocidad inicial. La expresión matemática que describe este proceso
es:
tyy 4cos4" con 10´,00 yy
(11)
Resolviendo el problema planteado, se aplicará las propiedades de
la TL y la TZ, para ello se dispone:
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1°) Se aplica la TL: donde se considera que el sistema es lineal cuando los
coeficientes de la ED que lo representa son constantes o sólo dependen de la
variable independiente y además si cumple el principio de superposición. De lo
cual resulta:
22
1
2
11
222
2
2
2
2
44
2
2
1
44
1
414
4400
s
sL
sLsYL
s
s
ssY
s
sssY
s
ssYyyssYs
Cuya solución de la onda en el estado continuo será:
tsent
tsenty 24
22
1
(12)
2°) Se aplica la TZ: Para este caso de la experiencia desde el punto de vista
discreto, se considera que el módulo de la transformada representa el
amortiguamiento de la señal, entonces la fase de la TZ indica la amplitud de
oscilación de la señal que se la obtiene discretizando la ec. (11) por método de
Euler, la cual resulta:
kyyy kkk 4cos52 12 con 10 10 y,y (13)
A continuación, se procede a realizar la simulación dinámica usando el software
VENSIN 5.1, que permite mediante los resultados obtenidos en la experiencia,
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aplicarlo a los valores del módulo de la transformada que varían respecto a la
amplitud considerada, la misma oscilara respecto al tiempo en un rango de 6
cm. Si son menores de éste valor indica que la señal se amortigua (curva color
verde), si es igual a éste valor, la señal se mantiene (curva color roja) y si es
mayor que éste valor se amplifica (curva azul) (Figura 1).
Figura 1: Simulación dinámica de la Amplitud de oscilación de la onda.
CONCLUSIONES
La realización de este trabajo nos permitió dar un significado
histórico a los conceptos matemáticos de las TL y TZ, y también proporciona
evidencias que sirven a la didáctica para presentar estos conceptos en el aula, y
llevar al estudiante a construir o al menos a intuir el porqué de las expresiones de
éstas transformadas tal como se dan en las definiciones.
Destacamos, que la experiencia de laboratorio y la simulación
computacional revisten importancia en la explicación científica de muchos
fenómenos físicos que llevan a verificar la validez del desarrollo matemático, y su
conocimiento resulta ineludible en la interpretación de los fundamentos de diversas
aplicaciones interdisciplinarias.
6
3
0
-3
-6
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 Time (Second)
funcion y : experi1 funcion y : experi2 funcion y : experi4
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Enfatizamos que la modelización matemática, la simulación
computacional y de laboratorio del M.A.S., revisten gran importancia en la
explicación científica de diversos fenómenos físicos, que llevan a comprobar la
validez del desarrollo teórico, y su conocimiento resulta necesario en la
interpretación de los fundamentos de diversas aplicaciones tecnológicas.
REFERENCIAS
[1] Alvarado P. (2005). Transformada Z (Capitulo 5) Uso exclusivo ITCR.
[2] Boice W.E., Diprima R.C. (1997). Ecuaciones diferenciales y problemas con
valores en la frontera. Editorial Limusa Wiley. (3ª Edición)
[3] Glyn J. (2002) Matemáticas avanzadas para ingeniería. Editorial Prentice -Hall
(2° Edición).
[4] Kreiszig Erwin (2001). Matemática avanzada para ingeniería (Tomo I y II).
Editorial Limusa Wiley (3° Edición).
[5] Kurmyshev E. (2003). Fundamentos de Métodos Matemáticos para física e
Ingeniería. Editorial Limusa Noriega Editores
[6] Miranda, E. (2001) Entendimiento de la transformada de Laplace. Caso de una
descomposición genética. Departamento de Matemática Educativa, IPN-Cinvestav.
México
[7] Moreno J.S.M., Perucha V.T., Juarez I.U. (2005) Métodos Matemáticos: Aplicación de
Matemáticas para Ciencias e Ingeniería. Editorial Thomson.
[8] Simmons G. (1993). Ecuaciones Diferenciales con aplicaciones. Editorial McGraw-
Hill.
[9] Spiegel M. (1994). Transformada de Laplace. Editorial McGraw -Hill
[10] Zill D. (1997). Ecuaciones Diferenciales con aplicaciones de modelado.
Editorial International Thomson Editores. (6 ta Edición)