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Series de Fourier. "Series de Fourier, Transformadas de Fourier y Aplicaciones", Genaro González

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(1)

1

Series de Fourier

"Series de Fourier, Transformadas de Fourier y Aplicaciones", Genaro González

(2)

2

...

3

)

3

(

2

)

2

(

)

(

)

(

2

)

(

1

+

+

+

=

=

=

∞ =

t

sen

t

sen

t

sen

n

nt

sen

t

t

f

n

π

La primera serie de Fourier de la historia

Euler 1744 escribe en una carta a un amigo:

¿Es cierto?

Observemos que en t = 0

hay problemas → π/2 = 0 ¡¡

(3)

3

Funciones Periódicas

Una

función periódica

f(t)

cumple que para todo

valor de

t

:

f(t) = f(t

+ T)

.

Al valor mínimo, mayor que cero, de la constante

T

que cumple lo anterior se le llama el

periodo

fundamental

(o simplemente periodo) de la

función.

Observa que:

f(t) = f(t

+ nT)

, donde

n = 0,

±

1,

±

2,

±

3,...

(4)

4

Ejemplo: ¿Cuál es el periodo de la función

Si f(t) es periódica se debe cumplir:

Como cos(t + 2kπ) = cos(t) para cualquier entero k,

entonces, para que se cumpla la igualdad, se requiere que:

T/3 = 2k1π y T/4 = 2k2π.

Es decir:

T = 6k1π = 8k2π

con k1 y k2 enteros.

El valor mínimo de T se obtiene con k1= 4, k2= 3, es

decir, T = 24π.

?

cos

cos

(

3

)

(

4

)

f(t)

=

t

+

t ) ( ) ( T) f(t t T t T 4 3 cos cos + + + = + f(t) ( t ) ( t ) 4 3 cos cos + = =

(5)

5 Gráfica de la función 0 50 100 150 200 -3 -2 -1 0 1 2 3 f(t)=cos(t/3)+cos(t/4) t f(t) 24π T

)

(

)

(

f(t)

t t 4 3

cos

cos

+

=

(6)

6

¿Es la suma de dos funciones

periódicas una función periódica?

Depende. Consideremos la función:

f(t) = cos(

ω

1

t) + cos(

ω

2

t).

Para que sea periódica se requiere encontrar dos enteros m, n tales que:

ω

1T = 2

π

m y

ω

2T = 2

π

n. Es decir, que cumplan:

T = m/ (2

π ω

1) = n/ (2

π ω

2)

n

m

=

2 1

ω

ω

(7)

7

Ejemplo: para la función cos(3t) + cos((

π

+3)t)

tenemos que ¿Es periódica? + π = ω ω 3 3 2 1 0 5 10 15 20 25 30 -2 -1 0 1 2 f(t)=cos(3t)+cos((3+π)t) t f(t)

(8)

8

Para que exista periodicidad ω

1

/

ω

2

debe ser

un

número racional (n/m)

.

Ejercicios

: Encontrar el periodo de las

siguientes funciones, si es que son periódicas:

1)

f(t) = sen(nt)

, donde n es un entero.

2)

f(t) = sen

2

(2

π

t)

3)

f(t) = sen(t) + sen(t

+

π/2

)

4)

f(t) = sen(

ω

1

t) + cos(

ω

2

t)

(9)

9

Si f1 (t) tiene periodo T1 y f2 (t) tiene periodo T2 , ¿es posible que f1 (t) + f2 (t) tenga periodo

T < min(T1 ,T2 )?

T1 = 5

T2 = 5

(10)

10

Podemos construir incluso un ejemplo de dos funciones de

igual periodo, cuya suma puede tener un periodo tan

pequeño como queramos. Sea N un entero, y definamos:

⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ < < ≤ ≤ = 1 1 , 0 1 0 ), 2 ( ) ( 1 t N N t t N sen t f π ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ < < ≤ ≤ = 1 1 ), 2 ( 1 0 , 0 ) ( 2 t N t N sen N t t f π

extendida periódicamente con T = 1:

+∞ < < ∞ − + = f t t t f1( ) 1( 1),

extendida periódicamente con T = 1:

+∞ < < ∞ − + = f t t t f2( ) 2( 1), ⎩ ⎨ ⎧ +∞ < < ∞ − + + + < ≤ = + t t f t f t t N sen t f t f ), 1 ( ) 1 ( 1 0 , ) 2 ( ) ( ) ( 2 1 2 1 π N N T 1 2 2 2 = = = π π ω π

(11)

11

¿Puede una función f(t) cumplir la condición

f(t) = f(t + T) para todo t y no tener un periodo fundamental?

=

entero

un

es

no

si

0

entero

un

es

si

1

)

(

1

t

t

t

f

1

enteros

son

no

y

si

0

enteros

son

y

si

1

)

(

)

(

1 1

=

+

+

=

+

=

T

T

t

t

T

t

t

T

t

f

t

f

(12)

12

=

entero

un

es

o

irracional

es

si

0

entero

un

no

pero

racional

es

si

1

)

(

2

t

t

t

f

1 enteros o es irracional son y si 0 enteros no pero racionales son y si 1 ) ( ) ( 2 2 = ⇒ ⎩ ⎨ ⎧ + + = + = T T t t T t t T t f t f

=

+

irracional

es

si

0

racional

es

si

1

)

(

)

(

2 1

t

t

t

f

t

f

T = ?

(13)

13 ... 3 ) 3 ( 2 ) 2 ( 2 = + + + − sen t sen t t sen t π ¿Cómo lo alcanzó? Volvamos al resultado de Euler: ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ + + = + + + = ... ) ( ... ) ( 3 2 3 2 t i t i it t i t i it e e t S e e e e t S t t sen i e e t S it it cos 1 2 1 2 1 1 ) ( − + − = − =

{

(2 ) (3 ) ...

}

... ) 3 cos( ) 2 cos( cos ... ) ( 2 1 3 2 + + + + + + + = + + + = − t sen t sen t sen i t t t e e e t S it i t i t 2 ; 4 ... 7 1 5 1 3 1 1 2 2 1 ... 3 ) 3 ( 2 ) 2 ( 4 π π π π = + − = + − + − → = + − = + + + C C t C t t sen t sen t sen Integrando término a término: Utilizando la fórmula de Euler para cada término:

Particularizamos t

(14)

14

Fourier series java applet

(

http://www.falstad.com/fourier/

)

...

3

)

3

(

2

)

2

(

2

=

+

+

+

sen

t

sen

t

t

sen

t

π

...

3

)

3

(

2

)

2

(

)

(

2

2

...

3

)

3

(

2

)

2

(

)

(

2

=

+

+

+

+

=

+

t

sen

t

sen

t

sen

t

t

sen

t

sen

t

sen

t

π

π

(15)

15

(1) La función de Euler es periódica de periodo T = 2

π

.

(2) La serie es una función impar.

No es sorprendente, pues se trata de suma de senos de periodos enteros.

(3) En el intervalo 0 < t < 2

π

, la serie aproxima a (π-t)/2.

Pero no fuera del intervalo...

(4) Da saltos bruscos entre valores positivos y negativos. (5) La aproximación no es buena en "los extremos"...

Ninguna de estas dos últimas cuestiones era conocida o sospechada ni por Euler, ni por Fourier...

(16)
(17)
(18)
(19)

19

Joseph Fourier

En diciembre de 1807 Joseph

Fourier presentó un sorprendente artículo a la Academia de Ciencias en París. En él afirmaba que

cualquier función puede escribirse en forma de serie trigonométrica semejante al ejemplo de Euler.

Polémica: Joseph-Louis Lagrange (1736-1813)

era uno de los muchos que opinaba que algo así era simplemente imposible...

Jean Baptiste Joseph Fourier 1768-1830

(20)
(21)

21

Fourier basó su trabajo en el estudio físico de la ecuación del calor o de difusión:

Describe cómo el calor o una gota de tinta se difunden en un medio.

Lord Kelvin (1736-1813): electricidad por los cables trasatlánticos, edad de la Tierra,...

t

u

k

x

u

=

1

2 2

(22)

22

Serie trigonométrica de Fourier

Algunas funciones periódicas

f(t)

de periodo

T

pueden expresarse por la siguiente serie,

llamada

serie trigonométrica de Fourier

Donde ω

0

= 2

π

/T

se denomina frecuencia

fundamental.

]

)

(

)

cos(

[

)

(

1 0 0 0 2 1

∞ =

+

+

=

n n n

n

t

b

sen

n

t

a

a

t

f

ω

ω

...

)

3

(

)

2

(

)

(

...

...

)

3

cos(

)

2

cos(

)

cos(

)

(

0 3 0 2 0 1 0 3 0 2 0 1 0 2 1

+

+

+

+

+

+

+

+

=

t

sen

b

t

sen

b

t

sen

b

t

a

t

a

t

a

a

t

f

ω

ω

ω

ω

ω

ω

(23)

23

...

3

)

3

(

2

)

2

(

2

=

+

+

+

sen

t

sen

t

t

sen

t

π

]

)

(

)

cos(

[

)

(

1 0 0 0 2 1

∞ =

+

+

=

n n n

n

t

b

sen

n

t

a

a

t

f

ω

ω

a

0

= 0, a

1

= 0, a

2

= 0 ...

b

1

= 1, b

2

= 1/2, b

3

= 1/3,...

(24)

24

¿Cómo calcular los coeficientes de la serie?

Dada una función periódica

f(t),

¿cómo se

obtiene su serie de Fourier?

Necesitamos calcular los coeficientes

a

0

,a

1

,a

2

,...,b

1

,b

2

,...

Lo haremos gracias a la

ortogonalidad

de

las funciones seno y coseno.

]

t)

sen(n

ω

b

t)

(n

ω

[a

a

f(t)

n n n

∞ =

+

+

=

1 0 0 0 2 1

cos

(25)

25

Ortogonalidad

Se dice que las funciones del conjunto

{f

k

(t)}

son

ortogonales

en el intervalo

a < t < b

si

dos funciones cualesquiera

f

m

(t), f

n

(t)

de

dicho conjunto cumplen:

=

=

f

(t)f

(t)

dt

r

para

para

m

m

n

n

n b a n m

0

(26)

26

Ejemplo: las funciones t y t2 son ortogonales en el

intervalo –1 < t < 1, ya que:

Ejemplo: Las funciones sen t y cos t son

ortogonales en el intervalo

π

< t <

π

, ya que

0

4

1 1 4 1 1 3 1 1 2

=

=

=

− − −

t

dt

t

dt

t

t

0

2

cos

2

=

=

− −

π π π π

t

sen

tdt

sent

(27)

27

Ortogonalidad de senos y cosenos

Aunque los ejemplos anteriores se limitaron a un par de funciones, el siguiente es un conjunto de una infinidad de funciones ortogonales en el

intervalo -T/

2< t < T/2:

{1, cos(

ω

0

t), cos(2

ω

0

t), cos(3

ω

0

t),...,

sen(

ω

0

t), sen2

ω

0

t, sen3

ω

0

t,...}

(28)

28

Vamos a verificarlo probándolo a pares: 1.- f(t) = 1 vs. cos(mω0t): Ya que m es un entero.

0

)

2

2

2

cos

1

0 0 0 2 2 0 0 2 2 0

=

=

=

=

=

− −

m

ω

sen(m

π

m

ω

)

T/

sen(m

ω

m

ω

t)

sen(m

ω

t)dt

(m

ω

T/ T/ T/ T/ ω0= 2π/Τ

(29)

29 2.- f(t) = 1 vs. sen(mω0t): 3.- cos(mω0t) vs. cos(nω0t): 0 2 cos 2 cos 1 cos 1 0 0 0 2 2 0 0 2 2 0 = − = = − = − −

)] T/ (mω )-T/ (mω [ t) (mω t)dt sen(mω T/ T/ T/ T/ ⎩ ⎨ ⎧ ≠ = ≠ =

− / 2 0 0 t)dt t)cos(n cos(m 2 / 2 / 0 0 n m para T n m para T T

ω

ω

cos A cos B = ½[cos(A+B)+cos(A-B)] cos2θ = ½ (1+cos2θ)

(30)

30 4.- sen(mω0t) vs. sen(nω0t): 5.- sen(mω0t) vs. cos(nω0t):

m,n

cualquier

para

t)dt

(n

ω

t)

sen(m

ω

T/ T/

0

cos

2 2 0 0

=

=

=

2

0

0

2 2 0 0

n

m

para

T/

n

m

para

t)dt

t)sen(n

ω

sen(m

ω

T/ T/

sen A sen B = ½[-cos(A+B)+cos(A-B)] sen2 A =½ (1-cos2θ)

(31)

31

¿Cómo calcular los coeficientes de la serie?

Vamos a aprovechar la ortoganilidad

que

acabamos de demostrar del conjunto de

funciones:

{1, cos(

ω

0t), cos(2

ω

0t), cos(3

ω

0t),..., sen(

ω

0t), sen2

ω

0t, sen3

ω

0t,...}

con ω

0

= 2

π/Τ, en el intervalo

-

T

/

2

< t <

T

/

2

,

para calcular los coeficientes a

0

,a

1

,a

2

,... ,

b

1

,b

2

,... de la serie de Fourier:

]

t)

sen(n

ω

b

t)

(n

ω

[a

a

f(t)

n n n

∞ =

+

+

=

1 0 0 0 2 1

cos

(32)

32

Multiplicando ambos miembros de la igualdad por

cos(m

ω

0t) e integrando de –T/2 a T/2, obtenemos:

,...

3

,

2

,

1

)

cos(

)

(

2 / 2 / 0 2

=

=

m

dt

t

m

t

f

a

T T T m

ω

∑ ∫

∑ ∫

∞ = ∞ = − −

+

+

=

1 2 / 2 / 0 0 1 2 / 2 / 0 0 2 / 2 / 0 0 2 1 2 / 2 / 0

cos

cos

cos

cos

)

cos(

)

(

n T T n n T T n T T T T

t)dt

(m

ω

t)

sen(n

ω

b

t)dt

(m

ω

t)

(n

ω

a

t)dt

(m

ω

a

dt

t

m

t

f

ω

0 0, si m ≠ 0 0, si m ≠ 0 T/2, si m = n

(33)

33

Observa que el caso anterior no incluye a a0, m = 0

que debemos tratar a parte:

=

2 / 2 / 0

(

)

2

T T

dt

t

f

T

a

T

a

t)dt

(m

ω

t)

sen(n

ω

b

t)dt

(m

ω

t)

(n

ω

a

t)dt

(m

ω

a

dt

t

m

t

f

n T T n n T T n T T T T 0 1 2 / 2 / 0 0 1 2 / 2 / 0 0 2 / 2 / 0 0 2 1 2 / 2 / 0

2

1

cos

cos

cos

cos

)

cos(

)

(

=

+

+

=

∑ ∫

∑ ∫

∞ = ∞ = − −

ω

0 T, si m = 0 0, si m ≠ 0 T/2, si m = n

(34)

34

Similarmente, multiplicando por sen(m

ω

0t) e integrando de –T/2 a T/2, obtenemos:

,...

3

,

2

,

1

)

(

)

(

2 / 2 / 0 2

=

=

m

dt

t

m

sen

t

f

b

T T T m

ω

∑ ∫

∑ ∫

∞ = ∞ = − −

+

+

=

1 2 / 2 / 0 0 1 2 / 2 / 0 0 2 / 2 / 0 0 2 1 2 / 2 / 0

cos

)

(

n T T n n T T n T T T T

t)dt

t)sen(m

ω

sen(n

ω

b

t)dt

t)sen(m

ω

(n

ω

a

t)dt

sen(m

ω

a

dt

t)

sen(m

ω

t

f

0 0 0, si m ≠ 0 T/2, si m = n

(35)

35

Un ejemplo históricamente importante:

Encontrar la serie de Fourier para la función

de onda cuadrada de periodo

T

:

La expresión para

f(t)

en

–T

/

2

< t <

T

/

2

es:

1 f(t) t . . . -T/ 2 0 T/2 T . . . -1 ⎩ ⎨ ⎧ < < < < − − = 2 2 0 1 0 1 ) ( T T t para t para t f

ω

0

= 2

π/Τ

(36)

36

Coeficiente

a

0

:

− = 2 / 2 / 1 0 ( ) T T T f t dt a

+

=

− 2 / 0 0 2 / 2 0 T T T

dt

dt

a

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − = − 0 2 / 2 / 0 2 T T T t t

=

0

⎩ ⎨ ⎧ < < < < − − = 2 2 0 1 0 1 ) ( T T t para t para t f

(37)

37

Coeficientes

a

n

:

− = /2 2 / 0 2 ( )cos( ) T T T n f t n t dt a ω ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⋅ + ⋅ − =

− 2 / 0 0 0 2 / 0 2 1 cos( ) 1 cos( ) T T T n n t dt n t dt a

ω

ω

0 ) ( 1 ) ( 1 0 2 / 0 0 2 / 0 0 0 2 = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − = − T T T sen n t n t n sen nω ω ω ω 0 para n ≠ ⎩ ⎨ ⎧ < < < < − − = 2 2 0 1 0 1 ) ( T T t para t para t f

(38)

38

Coeficientes b

n

:

− = /2 2 / 0 2 ( ) ( ) T T T n f t sen n t dt b

ω

= ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − =

− 2 / 0 0 0 2 / 0 2 ( ) ( ) T T T n sen n t dt sen n t dt b

ω

ω

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = − 0 2 / 0 0 2 / 0 0 0 2 1 cos( ) 1 cos( ) T T T n t n t n nω ω ω ω

[

(1 cos( )) (cos( ) 1)

]

1 − − − =

π

π

π

n n n

[

1 ( 1) )

]

para 0 2 ≠ − − = n n n

π

⎩ ⎨ ⎧ < < < < − − = 2 2 0 1 0 1 ) ( T T t para t para t f

(39)

39

Finalmente, la serie de Fourier queda como

En la siguiente figura se muestran: la

componente fundamental y los armónicos 3,

5 y 7, así como la suma parcial de estos

primeros cuatro términos de la serie para

ω

0

=

π (

ω

0

= 2

π/Τ), es decir, T = 2:

[

]

(

)

∞ =

=

+

+

+

=

1 0 0 5 1 0 3 1 0

)

)

1

2

(

1

2

1

4

)

(

...

)

5

(

)

3

(

)

(

4

)

(

n

t

n

sen

n

t

f

t

sen

t

sen

t

sen

t

f

ω

π

ω

ω

ω

π

(40)

40 -1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

1.5 Componentes de la Serie de Fourier

t Componentes Suma fundamental tercer armónico quinto armónico séptimo armónico

[

( ) (3 ) (5 ) ...

]

4 ) ( 15 0 0 3 1 0 + + +

= sen t sen t sen t t

f

ω

ω

ω

π

(41)

41

Nota:

Para expresarse como serie de Fourier

f(t),

no necesita estar centrada en el origen.

Simplemente debemos tomar el intervalo,

donde está definida, como el periodo de la

serie.

La ortogonalidad

de las funciones seno y

coseno no sólo se da en el intervalo de

–T/2 a T/2, sino en cualquier intervalo que

cubra un periodo completo:

de t

0

a t

0

+ T, con t

0

arbitrario,

con el mismo resultado.

(42)

42

Habíamos calculado los coeficientes para:

⎩ ⎨ ⎧ < ≤ − < ≤ = T t T para T t para t f 2 / 1 2 / 0 1 ) ( ⎩ ⎨ ⎧ < < < < − − = 2 / 0 1 0 2 / 1 ) ( T t para t T para t f

Si los calculamos para la misma función desplazada tienen que ser los mismos:

1 f(t) t . . . -T/ 2 0 T/2 T . . . -1 1 f(t) t . . . -T/ 2 0 T/2 T . . . -1

(43)

43

De hecho si repetimos para cualquier intervalo de longitud el periodo T de la función, será lo mismo: 1 f(t) t . . . t 0 t0 +T . . . -1

= = = = + − T T T t t T T T T T T f t dt f t dt f t dt f t dt a ( ) ( ) 2 ( ) 2 ( ) 0 2 2 / 2 / 1 0 0 0

=

=

=

T T T T T n

f

t

n

t

dt

f

t

n

t

dt

a

(

)

cos(

)

...

2

(

)

cos(

0

)

2 / 2 / 0 2

ω

ω

=

=

=

T T T T T n

f

t

sen

n

t

dt

f

t

sen

n

t

dt

b

(

)

(

)

...

2

(

)

(

0

)

2 / 2 / 0 2

ω

ω

(44)

44

Ejercicio: encontrar la serie de Fourier para

2

)

(

t

t

f

=

π

la función con la que empezamos el tema. O sea, demostrar que Euler tenía razón.

(45)

45 ) 3 cos( 1 ) ( ) cos( 1 ) ( definitiva en todo para 0 ) ( )) 3 cos( 1 ( 3 ) ( ) ( 2 1 si , 0 1 si , 1 ) cos( )) 3 cos( 1 ( 3 ) cos( ) ( 2 2 )) 3 cos( 1 ( 3 ) ( 2 0 1 0 1 3 2 0 0 0 3 2 0 0 0 3 2 0 0 t t n sen b t n a t f n dt t n sen t dt t n sen t f T b n n dt t n t dt t n t f T a dt t dt t f T a n n n n T n T n T + = + + = = + = = ⎩ ⎨ ⎧ ≠ = = + = = = + = =

∞ = ∞ = ω ω ω π ω ω π ω π π π π 3 2 periodo de ) 3 cos( 1 ) (t = + t T = π f

Calcula la serie de Fourier de la función periódica:

La serie es la propia función...

(46)

46

Nota: a partir de ahora entenderemos que f(t) está definida sólo en el intervalo que especifiquemos. Y que la serie de Fourier la extiende periódicamente, con periodo T igual al intervalo de definición. En muchos libros se habla de

extender de forma par o impar una función. La serie de

Fourier extenderá periódicamente los patrones siguientes:

t

t

Extensión par

(47)

47

Funciones Pares e Impares

Una función (periódica o no) se dice

función par

(o con simetría par) si su

gráfica es simétrica respecto al eje vertical,

es decir, la función f(t) es par si

f(t) = f(-t)

π 2π f(t) t −π −2π

(48)

48

En forma similar, una función f(t) se dice

función impar

(o con simetría impar), si su

gráfica es simétrica respecto al origen, es

decir, si cumple lo siguiente:

-f(t) = f(-t)

π 2π

f(t)

t

−π −2π

(49)

49

Ejemplo

: ¿Las siguientes funciones son

pares o impares?

f(t) = t + 1/t ,

g(t) = 1/(t

2

+1).

Solución:

Como

f(-t) = -t -

1/t = -

f(t),

por lo tanto

f(t)

es

función impar.

Como

g(-t) = 1/((-t)

2

+1) = 1/(t

2

+1) = g(t),

por

lo tanto

g(t)

es función par.

(50)

50

Ejemplo

: ¿La función

h(t) = f(1+t

2

)

es par o

impar? (

f

es una función arbitraria).

Solución:

Sea g(t) = 1 + t

2

. Entonces h(t) = f(g(t)).

Por lo tanto h(-t) = f(g(-t)).

Pero g(-t) = 1+(-t)

2

= 1 + t

2

= g(t),

finalmente h(-t) = f(g(t)) = h(t), de modo que

h(t) es función par, sin importar como sea

f(t).

(51)

51

Ejemplo

: De acuerdo al ejemplo anterior,

todas las funciones siguientes son pares:

h(t) = sen (1+t

2

)

h(t) = exp(1+t

2

) + 5/ (1+t

2

)

h(t) = cos (2+t

2

) + 1

h(t) = (10+t

2

) -

(1+t

2

)

1/2

etc...

(52)

52

Si

f

(

x

)

es

par:

=

a

dx

x

f

0

)

(

2

a a

dx

x

f

(

)

a

f

x

dx

0

)

(

a -a

a a

dx

x

f

(

)

(53)

53

Si

f

(

x

)

es

impar:

0

=

a a

dx

x

f

(

)

a -a

a a

dx

x

f

(

)

(54)

54

Como la función

sen

(n

ω

0

t)

es una función

impar

para todo

n

y la función

cos

(n

ω

0

t)

es

una función par

para todo

n

, es de esperar

que:

Si

f(t)

es par, su serie de Fourier no

contendrá

términos seno, por lo tanto

b

n

= 0

para todo

n

.

Si

f(t)

es impar, su serie de Fourier no

contendrá

términos coseno, por lo tanto

(55)

55

Por

ejemplo

, la señal cuadrada, que hemos

analizado:

Es una función impar, por ello su serie de

Fourier no contiene términos coseno:

1 f(t) t . . . -T/ 2 0 T/2 T . . . -1

[

(

)

(

3

)

(

5

)

...

]

4

)

(

51 0 0 3 1 0

+

+

+

=

sen

t

sen

t

sen

t

t

f

ω

ω

ω

(56)

56

P2. Septiembre 2005

a) Obtener el desarrollo en serie de Fourier de las funciones

π π ≤ ≤ − = = x g x x x x f ( ) sin y ( ) cos en Respuesta.

[

]

∞ =

+

+

=

1 0

cos(

)

sin(

)

2

)

(

n n n

nx

b

nx

a

a

x

f

f(x) = |sen(x)|, x є [-π,π], 2π periódica

(57)

57

[

]

[

cos(

1

)

1

]

1

2

1

)

1

sin(

)

1

sin(

1

)

cos(

sin

2

)

cos(

)

(

1

2 0 0

=

=

+

+

=

=

=

=

π

π

π

π

π

π π π π

n

n

dx

x

n

x

n

dx

nx

x

dx

nx

x

f

a

n

impar

n

,

0

par;

n

,

)

1

(

4

;

4

2 0

=

=

=

n

a

n

n

a

a

π

π

(58)

58

1

4

)

2

cos(

4

2

sin

2 1

=

∞ =

n

nx

x

n

π

π

f(x) = |cos(x)|, x є [-π,π], 2π periódica

Función par → desarrollo en cosenos, bn = 0

[

]

+

+

=

=

=

=

− 2 / 0 2 / 0

)

1

cos(

)

1

cos(

2

)

cos(

cos

4

)

cos(

)

(

1

π π π π

π

π

π

dx

x

n

x

n

dx

nx

x

dx

nx

x

g

a

n

(59)

59

impar

n

,

0

par;

n

,

)

1

(

4

;

4

2 0

=

±

=

=

n

a

n

n

a

a

π

π

1

4

)

2

cos(

)

1

(

4

2

cos

2 1

=

∞ =

n

nx

x

n n

π

π

(60)

60

Onda

triangular

(Triangle Wave)

+

+

+

2 2 2

"

5

5

cos

3

3

cos

1

cos

4

2

x

x

x

π

π

(61)

61

Right Triangular Wave

+

"

3

3

sin

2

2

sin

1

sin

2

x

x

x

(62)

62

Saw Tooth Wave

+

+

+

"

3

3

sin

2

2

sin

1

sin

2

x

x

x

π

(63)

63

Ejercicio: demostrar que la serie de Fourier para

π

π

α

<

<

=

t

t

t

f

(

)

cos(

),

con periodo T = 2π (frecuencia fundamental

ω0 = 1) y α un número real no entero, es:

+

=

∞ =

)

cos(

)

1

(

2

1

)

(

)

cos(

1 2 2

t

n

n

sen

t

n n

α

α

α

π

π

α

α

(64)

64

Observa que si tomamos t = 0 entonces:

+

=

∞ =

)

cos(

)

1

(

2

1

)

(

)

cos(

1 2 2

t

n

n

sen

t

n n

α

α

α

π

π

α

α

y con α = 1/2.

∞ =

+

=

1 2 2

)

1

(

2

1

)

(

n n

n

sen

α

π

α

α

α

π

∞ = ∞ =

+

=

+

=

1 2 1 2 2

1

4

)

1

(

4

2

)

2

/

1

(

)

1

(

2

n n n n

n

n

π

π

π

<

<

t

(65)

65

O que si tomamos t = π entonces:

+

=

∞ =

)

cos(

)

1

(

2

1

)

(

)

cos(

1 2 2

t

n

n

sen

t

n n

α

α

α

π

π

α

α

π

π

<

<

t

+

=

∞ =1 2 2

1

2

1

)

(

)

cos(

n

n

sen

α

α

α

π

π

α

π

α

n

t

)

(

1

)

cos(

π

=

∞ =

+

=

1 2 2

1

2

1

)

tan(

α

π

α

α

n

α

n

π

(66)

66

Que la integral traspase los sumatorios en la

deducción de las fórmulas para los coeficientes de la serie de Fourier, equivale a asumir que la serie converge uniformemente... Recordemos

qué es convergencia uniforme.

Sea la serie infinita:

y definamos sus sumas parciales como:

Convergencia uniforme

∞ =

=

1

)

(

)

(

n n

x

u

x

S

=

=

k n n k

x

u

x

S

1

)

(

)

(

(67)

67

Diremos que S converge a f(x) en un intervalo si

∀ε > 0 existe para todo x del intervalo un N > 0 tq.:

N

k

x

f

x

S

k

(

)

(

)

<

ε

siempre

que

>

Observemos que en general N dependerá de ε y

del punto x (convergencia puntual).

Si N solo depende de ε, pero no de x, decimos que la convergencia es uniforme.

Que la serie sea uniformemente convergente es "bueno" porque:

(68)

68

(1) Si cada término un(x) de una serie es

continuo en (a, b) y la serie es uniformemente convergente a f(x), entonces:

(a) f(x) es también continua en (a, b).

(b)

∫ ∑

∑∫

∞ = ∞ =

=

1 1

)

(

)

(

n b a n b a n n

x

dx

u

x

dx

u

(2) Si cada término un(x) de una serie posee derivada en (a, b) y la serie derivada es

uniformemente convergente, entonces:

∞ = ∞ =

=

1 1

)

(

)

(

n n n n

u

x

dx

d

x

u

dx

d

(69)

69

¿Cómo probar la convergencia uniforme de una serie? (1) Encontrar una expresión "cerrada" para Sk(x) y

aplicar la definición o

(2) utilizar la prueba M de Weierstrass:

Si existe {Mn}n = 1, 2,... tq. |un(x)|

Mn y además

∞ = ∞ = ⇒ 1 1 nte uniformeme converge ) ( converge n n n n u x M

(70)

70

nte

uniformeme

converge

6

1

1

)

(

1

)

,

(

en

)

(

)

(

2 1 2 2 2 2 1 2

S

n

n

n

nx

sen

n

M

n

nx

sen

x

S

n n n

=

=

=

∞ = ∞ =

π

π

π

Ejemplo:

(71)

71

Condiciones de Dirichlet

Condiciones de convergencia de la serie de Fourier de f(x), suficientes pero no necesarias.

(1) f(x) tiene un número finito de discontinuidades en un periodo.

(2) f(x) tiene un número finito de máximos y mínimos en un periodo. (3)

<

T

dx

x

f

(

)

(72)

72

Si se cumplen las condiciones de Dirichlet, entonces la serie de Fourier converge a f(x) si x es un punto de continuidad y a: si x es un punto de discontinuidad.

(

(

)

(

)

)

2

1

+

+

f

x

x

f

(73)

73 ⎩ ⎨ ⎧ < ≤ − < < − =

π

π

π

x x x x f 0 , 0 , 0 ) (

2

2

1

)

(

0

1

)

(

2

2

2

0 2 0 0 0

π

π

π

π

π

π

π

π π π π π

=

=

⎥⎦

⎢⎣

+

=

=

=

− −

x

x

dx

x

dx

dx

x

f

a

T

Desarrolla en serie de Fourier:

(74)

74 π π π π π π π π π π π π π π π π 2 2 0 0 0 0 0 ) 1 ( 1 1 cos cos 1 sin 1 sin ) ( 1 cos ) ( 0 1 cos ) ( 1 n n n n nx n dx nx n n nx x dx nx x dx dx nx x f a n n − − = + − = − = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + = =

− − n nxdx x bn 1 ( )sin 1 0 − = =

π

π

π

∞ = ⎭⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + − − + = 1 2 sin 1 cos ) 1 ( 1 4 ) ( n n nx n nx n x f

π

π

(75)

75

La función f es continua en (−π, π) excepto en x = 0. Así su

serie de Fourier converge en x = 0 a:

La serie es una extensión periódica de la

función f. Las discontinuidades en x = 0,

±2π, ±4π, … convergen a: 2 2 ) 0 ( ) 0 ( + + f=

π

f Y las discontinuidades en x = ±π, ±3π, … convergen a: 2 2 0 2 ) 0 ( ) 0 ( + + f= π + = π f 0 2 ) 0 ( ) ( + + f= f

π

(76)

76 x x x S x x S S sin 2 2 1 sin cos 2 4 , sin cos 2 4 , 4 2 3 1 = = + + = + π + + π π π π

(77)
(78)
(79)
(80)
(81)
(82)
(83)
(84)
(85)
(86)
(87)
(88)
(89)
(90)
(91)
(92)
(93)
(94)
(95)
(96)
(97)

97

Ejercicio de examen: Obtener el desarrollo en serie de Fourier de la función

[ ]

0

,

1

,

1

)

(

t

=

t

2

t

f

de modo que converja uniformemente a f(t) en [0,1].

Respuesta.

Para que el desarrollo de Fourier se pueda definir debe ser 2L-periódica.

Para que converja uniformemente, se debe extender f(t) a de

modo que: 1. sea continua en [-L,L].

2. sea continua a trozos en [-L,L].

) ( ~ t f ) ( ~ t f ) ( ~ t f

(98)

98

La continuidad se consigue con la extensión par de f (f´ = -2t es continua en [-L,L] ) con L = 1. Re (z) Im (z)

par

función

ser

por

0

sin

cos

2

)

(

~

1 0

=

⎟⎟

⎜⎜

+

+

=

∞ = n n n n

b

t

L

n

b

t

L

n

a

a

t

f

π

π

1 -1

(99)

99

N

3

4

3

2

2

)

1

(

2

)

1

(

)

(

)

1

(

4

)

cos(

)

1

(

2

)

cos(

)

1

(

1 0 2 1 1 2 0 2 1 0 2 1 1 par ~ 2

=

=

=

=

=

=

=

=

− −

dt

t

dt

t

a

n

dt

t

n

t

dt

t

n

t

a

n f n

π

π

π

( )

n

t

n

t

f

n n

π

π

cos

)

1

(

4

3

2

)

(

~

1 2 2

∞ =

=

[ ] = = ∈0,1 ) ( ~ ) ( t t f t f

(100)

100

P2. Septiembre 2006

a) (4 puntos)

1. Obtener el desarrollo en serie de Fourier de la función f(x) = x2 -π ≤ x ≤ π, con f(x) = f(x + 2π)

2. Estudiar si el desarrollo obtenido converge uniformemente a f(x) en [-π,π]

3. Basándose en los resultados obtenidos, calcular la suma de la serie numérica

4. A partir del desarrollo de Fourier de la función f(x), obtener el desarrollo en serie de Fourier de la función

g(x) = x(x2 π2) -π ≤ x ≤ π, con g(x) = g(x + 2π)

=1 4

1

(101)

101

Respuesta.

1. f(x) = x2, x є [-π,π], 2π periódica

Función par → desarrollo en cosenos, bn = 0:

=

=

=

=

=

+

=

− ∞ = π π π π

π

π

π

π

0 2 2 2 0 2 0 1 0

)

cos(

2

)

cos(

1

3

2

2

)

cos(

2

)

(

dx

nx

x

dx

nx

x

a

dx

x

a

nx

a

a

x

f

n n n

(102)

102 n

n

nx

n

nx

x

n

nx

x

n

)

1

(

2

2

)

sin(

2

)

cos(

2

)

sin(

1

2

2 0 3 0 2 0 2

=

=

+

=

π

π

π

π π π

)

cos(

)

1

(

4

3

)

(

1 2 2

nx

n

x

f

n n

∞ =

+

=

π

n n

n

a

=

4

2

(

1

)

(103)

103

[

]

(

-

,

)

hay

convergenc

ia

uniforme

en

continua

,

-en

continua

π

π

π

π

f

f

[

]

(

)

5 5 2 2 1 2 2 2 0 2

5

2

5

1

)

(

2

)

(

1

π

π

π π π π π π

=

=

+

+

=

− − ∞ = −

x

dx

x

b

a

a

dx

x

f

n n n 2.

(104)

104

∞ =

+

=

1 4 2 2 4

16

1

2

1

3

2

5

2

n

n

π

π

90

1

2 1 4

π

=

∞ = n

n

4.

(

)

[

]

)

cos(

)

1

(

12

)

(

3

3

)

(

periódica

2

,

,

,

)

(

1 2 2 2 2 2

nx

n

x

f

x

x

g

x

x

x

x

g

n n

∞ =

=

=

=

=

π

π

π

π

π

π

) sin( ) 1 ( 12 ) ( : uniforme ia convergenc Por 1 3 nx n x g n n

∞ = − =

(105)

105

Fenómeno de Gibbs

Si la serie de Fourier para una función f(t) se

trunca para lograr una aproximación en suma

finita de senos y cosenos, es natural pensar que a

medida que agreguemos más armónicos, el sumatorio se aproximará más a f(t).

Esto se cumple excepto en las discontinuidades

de f(t), en donde el error de la suma finita no

tiende a cero a medida que agregamos armónicos. Por ejemplo, consideremos el tren de pulsos u onda cuadrada:

[

(

)

(

3

)

(

5

)

...

]

4

)

(

15 0 0 3 1 0

+

+

+

=

sen

t

sen

t

sen

t

t

f

ω

ω

ω

(106)

106 -1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

1.5 Serie con 1 arm ónico

[

( )

]

4 ) (t sen 0t f

ω

π

=

(107)

107 -1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

1.5 Serie con 3 arm ónicos

[

(

)

(

3

)

(

5

)

]

4

)

(

51 0 0 3 1 0

t

sen

t

sen

t

sen

t

f

ω

ω

ω

π

+

+

=

(108)

108 -1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

(109)

109 -1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

(110)

110 -1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

(111)

111

Fenómeno de

Fenómeno de

Gibbs

Gibbs

-1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

(112)

112

Fenómeno de

Fenómeno de

Gibbs

Gibbs

-1 -0.5 0 0.5 1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

(113)
(114)

114

Forma compleja de la serie de Fourier

Consideremos la serie de Fourier para una

función periódica

f(t),

con periodo

T = 2

π

/

ω

0

.

Es posible obtener una forma alternativa

usando las fórmulas de Euler:

]

)

(

)

cos(

[

)

(

1 0 0 0 2 1

∞ =

+

+

=

n n n

n

t

b

sen

n

t

a

a

t

f

ω

ω

)

(

)

(

)

(

)

cos(

0 0 0 0 21 0 2 1 0 t in t in i t in t in

e

e

t

n

sen

e

e

t

n

ω ω ω ω

ω

ω

− −

=

+

=

(115)

115

Sustituyendo:

Y usando el hecho de que 1/i = -i:

Y definiendo: ] ) ( ) ( [ ) ( 1 21 2 1 0 2 1

0 0 0 0 ∞ = − − + + + = n t in t in i n t in t in n e e b e e a a t f ω ω ω ω ] ) ( ) ( [ ) ( 1 2 1 2 1 0 2 1

0 0 ∞ = − + + − + = n t in n n t in n n ib e a ib e a a t f ω ω

)

(

),

(

,

21 2 1 0 2 1 0

a

c

n

a

n

ib

n

c

n

a

n

ib

n

c

+

∞ −∞ =

=

n t in n

e

c

t

f

(

)

ω0 T 2 0 π ω =

Referencias

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