Lezione 9 · Canale 1 · martedì 13 ottobre 2026

Trasformata di Laplace e antitrasformazione

Sistemi Dinamici

L'idea

Nel dominio ss l'uscita è Y(s)=Ψ(s) x0+W(s) U(s)Y(s)=\Psi(s)\,x_0+W(s)\,U(s). Per tornare a y(t)y(t) servono le trasformate dei segnali che compaiono, cioè i modi naturali e gli ingressi, e un modo di antitrasformare senza integrali nel campo complesso. Si costruisce una piccola tabella di trasformate, i cui integrali si calcolano una volta sola, poi si scompone ogni F(s)F(s) in pezzi della tabella: la funzione del tempo si legge pezzo per pezzo.

Per esempio, con W(s)=1/(s+1)W(s)=1/(s+1) e ingresso u(t)=sin⁡ωtu(t)=\sin\omega t la risposta forzata è

Yf(s)=1s+1⋅ωs2+ω2Y_f(s)=\frac{1}{s+1}\cdot\frac{\omega}{s^2+\omega^2}

Una grandezza fisica, per esempio una tensione, si vuole però nel tempo: serve l'antitrasformata.

Esponenziale, seno e coseno

Con λ\lambda numero complesso, l'integrale è quello del gradino con s−λs-\lambda al posto di ss:

L[eλt]=∫0+∞e−(s−λ)t dt=1s−λ\mathcal L[e^{\lambda t}]=\int_0^{+\infty}e^{-(s-\lambda)t}\,dt=\frac1{s-\lambda}

Converge se Re⁡(s)>Re⁡(λ)\operatorname{Re}(s)>\operatorname{Re}(\lambda). Con λ=0\lambda=0 si ritrova 1/s1/s. D'ora in poi si lavora in un dominio dove tutte le trasformate considerate esistono, quindi la convergenza non si ricontrolla a ogni calcolo.

Seno e coseno, con ω\omega reale, si scrivono come combinazioni di esponenziali complessi, e si usa la linearità:

sin⁡ωt=eiωt−e−iωt2icos⁡ωt=eiωt+e−iωt2\begin{gathered} \sin\omega t=\frac{e^{\mathrm i\omega t}-e^{-\mathrm i\omega t}}{2\mathrm i}\\ \cos\omega t=\frac{e^{\mathrm i\omega t}+e^{-\mathrm i\omega t}}{2} \end{gathered} L[sin⁡ωt]=12i(1s−iω−1s+iω)=12i⋅2iωs2+ω2=ωs2+ω2\begin{aligned} \mathcal L[\sin\omega t]&=\frac1{2\mathrm i}\Bigl(\frac1{s-\mathrm i\omega}-\frac1{s+\mathrm i\omega}\Bigr)\\ &=\frac1{2\mathrm i}\cdot\frac{2\mathrm i\omega}{s^2+\omega^2}=\frac{\omega}{s^2+\omega^2} \end{aligned} L[cos⁡ωt]=12(1s−iω+1s+iω)=12⋅2ss2+ω2=ss2+ω2\begin{aligned} \mathcal L[\cos\omega t]&=\frac12\Bigl(\frac1{s-\mathrm i\omega}+\frac1{s+\mathrm i\omega}\Bigr)\\ &=\frac12\cdot\frac{2s}{s^2+\omega^2}=\frac{s}{s^2+\omega^2} \end{aligned}

Gli esponenti ±iω\pm\mathrm i\omega hanno parte reale nulla, quindi per entrambe la condizione è Re⁡(s)>0\operatorname{Re}(s)>0.

Moltiplicare per un esponenziale

Se f(t)f(t) ha trasformata F(s)F(s), si raccoglie l'esponenziale nell'integrando:

L[eλtf(t)]=∫0+∞f(t) e−(s−λ)t dt=F(s−λ)\begin{aligned} \mathcal L[e^{\lambda t}f(t)]&=\int_0^{+\infty}f(t)\,e^{-(s-\lambda)t}\,dt\\ &=F(s-\lambda) \end{aligned}

Un esponenziale nel tempo sposta la trasformata: dove c'era ss si scrive s−λs-\lambda. Con f=1f=1 si ritrova 1/(s−λ)1/(s-\lambda). Con f=sin⁡ωtf=\sin\omega t o f=cos⁡ωtf=\cos\omega t e λ=α\lambda=\alpha reale si hanno la quarta e la quinta riga della tabella qui sotto. Con f=tn/n!f=t^n/n!, di trasformata 1/sn+11/s^{n+1}, l'ultima.

f(t)f(t)F(s)F(s)Condizione
eλte^{\lambda t}1/(s−λ)1/(s-\lambda)Re⁡(s)>Re⁡(λ)\operatorname{Re}(s)>\operatorname{Re}(\lambda)
sin⁡ωt\sin\omega tω/(s2+ω2)\omega/(s^2+\omega^2)Re⁡(s)>0\operatorname{Re}(s)>0
cos⁡ωt\cos\omega ts/(s2+ω2)s/(s^2+\omega^2)Re⁡(s)>0\operatorname{Re}(s)>0
eαtsin⁡ωte^{\alpha t}\sin\omega tω/((s−α)2+ω2)\omega/((s-\alpha)^2+\omega^2)Re⁡(s)>α\operatorname{Re}(s)>\alpha
eαtcos⁡ωte^{\alpha t}\cos\omega t(s−α)/((s−α)2+ω2)(s-\alpha)/((s-\alpha)^2+\omega^2)Re⁡(s)>α\operatorname{Re}(s)>\alpha
eλt tn/n!e^{\lambda t}\,t^n/n!1/(s−λ)n+11/(s-\lambda)^{n+1}Re⁡(s)>Re⁡(λ)\operatorname{Re}(s)>\operatorname{Re}(\lambda)

Una funzione complicata si può approssimare con un tratto della sua serie di Taylor o, se è periodica, con una somma di seni, coseni o esponenziali, e trasformare termine a termine con queste righe.

Ritardo nel tempo

Se più sistemi partono in istanti diversi, serve la trasformata di una funzione ritardata di T≥0T\ge0. Si ritarda il segnale f(t) δ−1(t)f(t)\,\delta_{-1}(t), nullo prima di 00, e il risultato è nullo prima di TT. Senza il gradino, f(t−T)f(t-T) sposterebbe anche la parte di ff precedente a 00. L'integrando è nullo prima di TT, quindi l'integrale parte da TT, e con θ=t−T\theta=t-T diventa:

L[f(t−T) δ−1(t−T)]=∫T+∞f(t−T) e−st dt=∫0+∞f(θ) e−s(θ+T) dθ=e−sTF(s)\begin{aligned} \mathcal L[f(t-T)\,\delta_{-1}(t-T)]&=\int_T^{+\infty}f(t-T)\,e^{-st}\,dt\\ &=\int_0^{+\infty}f(\theta)\,e^{-s(\theta+T)}\,d\theta\\ &=e^{-sT}F(s) \end{aligned}

Il fattore e−sTe^{-sT} non dipende da θ\theta, quindi esce dall'integrale e resta F(s)F(s). C'è una simmetria: un esponenziale nel tempo è una traslazione in ss, una traslazione nel tempo è un esponenziale in ss.

Un segnale e la sua versione ritardata

012345600,20,40,60,811,21,4
  • senza gradino, prima di
Spostando il segnale scorre a destra senza cambiare forma e resta nullo prima di . Senza il gradino comparirebbe anche la parte di precedente a .

Antitrasformare

I modi naturali sono combinazioni delle funzioni della tabella, e lo sono anche gli ingressi usuali: costanti, sinusoidi. A parte l'impulso, le loro trasformate sono rapporti di polinomi con il numeratore di grado minore del denominatore (funzioni razionali strettamente proprie), e somme e prodotti di funzioni così lo restano. Quindi F(s)F(s) si scompone in fratti semplici, che si trovano nella tabella, e si antitrasforma termine a termine. L'antitrasformata non si calcola: si trova. Alla fine si moltiplica per δ−1(t)\delta_{-1}(t), per ricordare che la funzione è nulla prima di 00.

Poli reali distinti

Se il denominatore ha radici reali distinte s1,…,sns_1,\dots,s_n, ogni fratto ha denominatore di primo grado. Deve essere strettamente proprio come FF: con un fratto solo proprio, nemmeno la somma lo sarebbe. Quindi il numeratore è una costante:

F(s)=∑i=1nRis−siF(s)=\sum_{i=1}^{n}\frac{R_i}{s-s_i}

Le radici sis_i del denominatore sono i poli di FF e i numeri RiR_i i residui: lo sviluppo in fratti semplici si chiama anche sviluppo in poli e residui. Un esempio:

F(s)=s(s+1)(s+2)=R1s+1+R2s+2F(s)=\frac{s}{(s+1)(s+2)}=\frac{R_1}{s+1}+\frac{R_2}{s+2}

Il metodo diretto prende il denominatore comune: il numeratore deve valere ss, e si uguagliano i coefficienti dei polinomi.

R1(s+2)+R2(s+1)=(R1+R2) s+2R1+R2=sR_1(s+2)+R_2(s+1)=(R_1+R_2)\,s+2R_1+R_2=s

Da R1+R2=1R_1+R_2=1 e 2R1+R2=02R_1+R_2=0 segue R1=−1R_1=-1, R2=2R_2=2. Con un denominatore di grado 2121 servirebbe un sistema lineare di 2121 equazioni.

Conviene un'altra strada. Si moltiplica F(s)F(s) per s−sis-s_i e si fa tendere ss a sis_i: tutti gli altri termini hanno ancora il fattore s−sis-s_i a numeratore e si annullano, e resta soltanto RiR_i.

Ri=lim⁡s→si(s−si) F(s)R_i=\lim_{s\to s_i}(s-s_i)\,F(s)

Sono nn limiti, non un sistema. Ciascuno è la formula del residuo dell'analisi complessa. Nell'esempio:

R1=lim⁡s→−1ss+2=−1R2=lim⁡s→−2ss+1=2\begin{aligned} R_1&=\lim_{s\to-1}\frac{s}{s+2}=-1\\ R_2&=\lim_{s\to-2}\frac{s}{s+1}=2 \end{aligned}

Dalla prima riga della tabella, Ri/(s−si)R_i/(s-s_i) ha antitrasformata RiesitR_ie^{s_it}, quindi

f(t)=∑i=1nRi esit δ−1(t)f(t)=\sum_{i=1}^{n}R_i\,e^{s_it}\,\delta_{-1}(t)

e nell'esempio f(t)=(−e−t+2e−2t) δ−1(t)f(t)=(-e^{-t}+2e^{-2t})\,\delta_{-1}(t).

Un segnale come somma di due modi

00,511,522,533,54−1−0,500,511,52
  • , con
  • , con
Il segnale è la somma delle leggi dei due poli, ciascuna moltiplicata per il proprio residuo.

Poli multipli

Se s1s_1 ha molteplicità rr, nello sviluppo compaiono tutte le potenze del suo fattore, da rr fino a 11:

F(s)=∑k=1rR1k(s−s1)k+⋯F(s)=\sum_{k=1}^{r}\frac{R_{1k}}{(s-s_1)^k}+\cdots

I puntini sono gli altri poli. Con la sola potenza rr il numeratore sarebbe un polinomio, e i suoi coefficienti non si separano con i limiti. Un numeratore di grado minore di rr si riscrive invece in potenze di s−s1s-s_1, e ciascuna semplifica il denominatore: scrivendo tutte le potenze ogni numeratore è una costante.

Gli altri poli si trattano come prima. Per s1s_1 si pone G(s)=(s−s1)rF(s)G(s)=(s-s_1)^rF(s), regolare in s1s_1, dove (⋯ )(\cdots) indica i termini degli altri poli:

G(s)=∑k=1rR1k (s−s1)r−k+(s−s1)r (⋯ )G(s)=\sum_{k=1}^{r}R_{1k}\,(s-s_1)^{r-k}+(s-s_1)^r\,(\cdots)

Derivando r−kr-k volte, i termini con potenza di s−s1s-s_1 minore di r−kr-k spariscono e quelli con potenza maggiore valgono zero in s1s_1: resta solo (r−k)! R1k(r-k)!\,R_{1k}, quindi

R1k=1(r−k)! d r−kGds r−k∣s=s1R_{1k}=\frac1{(r-k)!}\,\frac{d^{\,r-k}G}{ds^{\,r-k}}\Big|_{s=s_1}

Per k=rk=r è il limite di GG, per k=r−1k=r-1 la derivata prima, e così via. Dall'ultima riga della tabella, 1/(s−s1)k1/(s-s_1)^k ha antitrasformata

tk−1(k−1)! es1t\frac{t^{k-1}}{(k-1)!}\,e^{s_1t}

quindi un polo multiplo dà potenze di tt davanti all'esponenziale.

Se la scomposizione dà

F(s)=2(s+1)3+1(s+1)2−3s+1+2s+2\begin{aligned} F(s)={}&\frac{2}{(s+1)^3}+\frac{1}{(s+1)^2}\\ &-\frac{3}{s+1}+\frac{2}{s+2} \end{aligned}

ogni termine si legge nella tabella, con gli stessi coefficienti. Il primo dà 2 (t2/2) e−t=t2e−t2\,(t^2/2)\,e^{-t}=t^2e^{-t}:

f(t)=((t2+t−3) e−t+2e−2t) δ−1(t)f(t)=\bigl((t^2+t-3)\,e^{-t}+2e^{-2t}\bigr)\,\delta_{-1}(t)

Leggi di un polo triplo in

01234567800,20,40,60,81
La potenza di sposta più avanti il massimo, ma l'esponenziale prevale e ogni legge tende a zero.

Poli complessi coniugati

Con coefficienti reali, i poli complessi sono coppie coniugate s1=α+iωs_1=\alpha+\mathrm i\omega e s1∗=α−iωs_1^*=\alpha-\mathrm i\omega, come per le righe del seno e del coseno. Se sono radici semplici, in campo complesso sono due poli distinti, quindi

F(s)=R1s−s1+R2s−s1∗+⋯F(s)=\frac{R_1}{s-s_1}+\frac{R_2}{s-s_1^*}+\cdots

I residui si calcolano con i limiti, in campo complesso, e in generale sono complessi (in L[cos⁡ωt]\mathcal L[\cos\omega t] valgono però 1/21/2). Poiché FF è reale per ss reale, F(s∗)=F(s)∗F(s^*)=F(s)^* e i due limiti sono coniugati: R2=R1∗R_2=R_1^*. Se ne calcola uno solo, che si scrive R1=Ra+iRbR_1=R_a+\mathrm iR_b. La somma delle due antitrasformate è reale:

R1e(α+iω)t+R1∗e(α−iω)t=2eαt(Racos⁡ωt−Rbsin⁡ωt)\begin{aligned} &R_1e^{(\alpha+\mathrm i\omega)t}+R_1^*e^{(\alpha-\mathrm i\omega)t}\\ &=2e^{\alpha t}\bigl(R_a\cos\omega t-R_b\sin\omega t\bigr) \end{aligned}

Lo stesso risultato si ottiene restando in ss, con i termini della tabella:

R1s−s1+R1∗s−s1∗=2Ra(s−α)−2Rb ω(s−α)2+ω2\frac{R_1}{s-s_1}+\frac{R_1^*}{s-s_1^*}=\frac{2R_a(s-\alpha)-2R_b\,\omega}{(s-\alpha)^2+\omega^2}

I due termini del numeratore sono le righe del coseno e del seno, e per ogni coppia complessa si ragiona così. In un esercizio R1R_1 è un numero: davanti al coseno compare il doppio della sua parte reale, e non serve ricordare la formula, perché esce dai conti.

Poli e legge nel tempo

Poli nel piano

−3−2,5−2−1,5−1−0,500,511,52−3−2,5−2−1,5−1−0,500,511,522,53ReIm
  • convergenza

Antitrasformata della coppia,

00,511,522,533,544,555,56−2−1,5−1−0,500,511,52
  • inviluppo
Trascinando il polo, regola decadimento o crescita e l'oscillazione della legge nel tempo. La trasformata converge a destra dei poli.

Matrice di transizione e polinomio minimo

Lo sviluppo vale anche per una matrice di funzioni: i residui hanno le sue dimensioni, perché i termini Ri/(s−si)R_i/(s-s_i) sommati devono dare FF, e si calcolano con gli stessi limiti, elemento per elemento.

La matrice Φ(s)=[sI−A]−1=L[eAt]\Phi(s)=[sI-A]^{-1}=\mathcal L[e^{At}] permette di calcolare eAte^{At} per qualunque AA, senza autovalori né autovettori: si inverte sI−AsI-A e si antitrasforma. Vale anche per AA non diagonalizzabile, ma dà le leggi, non gli autospazi né le direzioni dei modi.

Φ(s)=adj⁡(sI−A)d(s)d(s)=det⁡(sI−A)\begin{gathered} \Phi(s)=\frac{\operatorname{adj}(sI-A)}{d(s)}\\ d(s)=\det(sI-A) \end{gathered}

d(s)d(s) è il polinomio caratteristico e le sue radici sono gli autovalori. Un fattore comune al determinante e a tutti gli elementi dell'aggiunta si semplifica: il denominatore che resta è il polinomio minimo m(s)m(s). Ha le stesse radici di d(s)d(s), con molteplicità minori o uguali: la molteplicità di una radice in m(s)m(s) si chiama anche indice dell'autovalore. Nessuna radice sparisce, perché eAte^{At} contiene la legge eλite^{\lambda_it} di ogni autovalore.

Se tutte le radici di m(s)m(s) sono semplici, eAte^{At} contiene solo esponenziali semplici e AA è diagonalizzabile. Confrontando con la forma in tt, il residuo di λi\lambda_i è la somma dei prodotti uijviju_{ij}v_{ij} sui suoi autovettori:

eAt=∑ieλit RiRi=∑juijvij\begin{gathered} e^{At}=\sum_ie^{\lambda_it}\,R_i\\ R_i=\sum_ju_{ij}v_{ij} \end{gathered}

In questo caso il residuo ha rango uguale alla molteplicità algebrica di λi\lambda_i: la molteplicità che m(s)m(s) perde si legge nel rango del residuo. Se m(s)m(s) ha una radice multipla compaiono potenze di tt e AA non è diagonalizzabile.

Un caso con autovalore doppio è A=IA=I:

d(s)=det⁡(sI−A)=(s−1)2Φ(s)=(s−1) I(s−1)2=1s−1 I\begin{gathered} d(s)=\det(sI-A)=(s-1)^2\\ \Phi(s)=\frac{(s-1)\,I}{(s-1)^2}=\frac{1}{s-1}\,I \end{gathered}

L'aggiunta è (s−1) I(s-1)\,I e il fattore s−1s-1 si semplifica: resta m(s)=s−1m(s)=s-1, con radice semplice come per ogni matrice diagonalizzabile. Il residuo II ha rango 22, la molteplicità algebrica.

Funzione di trasferimento e modi

Dall'inversa seguono le altre matrici in ss:

Ψ(s)=CΦ(s)H(s)=Φ(s)BW(s)=CΦ(s)B+D\begin{gathered} \Psi(s)=C\Phi(s)\\ H(s)=\Phi(s)B\\ W(s)=C\Phi(s)B+D \end{gathered}

Moltiplicare per CC o per BB combina gli elementi di Φ(s)\Phi(s), e il numeratore può acquisire fattori del denominatore, che si semplificano. Ogni radice che resta dà, antitrasformando, una legge nel tempo, e Ψ(t)=CeAt\Psi(t)=Ce^{At} contiene solo le leggi dei modi osservabili, H(t)=eAtBH(t)=e^{At}B solo quelle dei modi eccitabili. Quindi:

  • In Ψ(s)=CΦ(s)\Psi(s)=C\Phi(s) restano i modi osservabili, quelli che si vedono nell'uscita.
  • In H(s)=Φ(s)BH(s)=\Phi(s)B restano i modi eccitabili, quelli che l'ingresso può attivare.
  • In W(s)W(s) restano, con autovalori distinti, i modi che sono insieme osservabili ed eccitabili.

Le radici del denominatore di W(s)W(s) sono i poli della funzione di trasferimento, e il grado di quel denominatore è al più nn. Sono autovalori di AA, ma non tutti: un autovalore che non è polo appartiene a un modo che non compare nella risposta forzata in uscita. Un polo può anche avere in W(s)W(s) molteplicità minore che in d(s)d(s).

Per esempio, se AA ha autovalori distinti −1,0,1,2-1,0,1,2, allora m(s)=d(s)=(s+1) s (s−1)(s−2)m(s)=d(s)=(s+1)\,s\,(s-1)(s-2). Se i modi osservabili sono quelli di −1,0,1-1,0,1 e gli eccitabili quelli di −1,2-1,2, dopo le semplificazioni restano questi denominatori:

Ψ(s): (s+1) s (s−1)H(s): (s+1)(s−2)W(s): s+1\begin{gathered} \Psi(s):\ (s+1)\,s\,(s-1)\\ H(s):\ (s+1)(s-2)\\ W(s):\ s+1 \end{gathered}

Formulario

Esponenziale, Re⁡(s)>Re⁡(λ)\operatorname{Re}(s)>\operatorname{Re}(\lambda)

L[eλt]=1s−λ\mathcal L[e^{\lambda t}]=\frac1{s-\lambda}

Seno e coseno, Re⁡(s)>0\operatorname{Re}(s)>0

L[sin⁡ωt]=ωs2+ω2L[cos⁡ωt]=ss2+ω2\begin{gathered} \mathcal L[\sin\omega t]=\frac{\omega}{s^2+\omega^2}\\ \mathcal L[\cos\omega t]=\frac{s}{s^2+\omega^2} \end{gathered}

Traslazione in ss

L[eλtf(t)]=F(s−λ)\mathcal L[e^{\lambda t}f(t)]=F(s-\lambda)

Potenze con esponenziale

L[eλttnn!]=1(s−λ)n+1\mathcal L\Bigl[e^{\lambda t}\frac{t^n}{n!}\Bigr]=\frac1{(s-\lambda)^{n+1}}

Ritardo, T≥0T\ge0

L[f(t−T) δ−1(t−T)]=e−sTF(s)\begin{aligned} &\mathcal L[f(t-T)\,\delta_{-1}(t-T)]\\ &=e^{-sT}F(s) \end{aligned}

Residuo di un polo semplice

Ri=lim⁡s→si(s−si)F(s)R_i=\lim_{s\to s_i}(s-s_i)F(s)

Antitrasformata, poli semplici

f(t)=∑iRi esit δ−1(t)f(t)=\sum_iR_i\,e^{s_it}\,\delta_{-1}(t)

Polo di molteplicità rr, G=(s−s1)rFG=(s-s_1)^rF

R1k=1(r−k)!d r−kGds r−k∣s1R_{1k}=\frac1{(r-k)!}\frac{d^{\,r-k}G}{ds^{\,r-k}}\Big|_{s_1} L−1[1(s−s1)k]=tk−1(k−1)!es1t\begin{aligned} &\mathcal L^{-1}\Bigl[\frac1{(s-s_1)^k}\Bigr]\\ &=\frac{t^{k-1}}{(k-1)!}e^{s_1t} \end{aligned}

Coppia s1=α+iωs_1=\alpha+\mathrm i\omega, R1=Ra+iRbR_1=R_a+\mathrm iR_b

R1es1t+R1∗es1∗t=2eαt(Racos⁡ωt−Rbsin⁡ωt)\begin{aligned} &R_1e^{s_1t}+R_1^*e^{s_1^*t}\\ &=2e^{\alpha t}\bigl(R_a\cos\omega t\\ &\quad-R_b\sin\omega t\bigr) \end{aligned}

Matrice di transizione

Φ(s)=[sI−A]−1=adj⁡(sI−A)d(s)\begin{gathered} \Phi(s)=[sI-A]^{-1}\\ =\frac{\operatorname{adj}(sI-A)}{d(s)} \end{gathered}

Funzione di trasferimento

W(s)=CΦ(s)B+DW(s)=C\Phi(s)B+D