miércoles, 10 de agosto de 2022

Series deFourier

 

Jardín, septiembre 2022

 

 1.    Series de Fourier

 Las series de Fourier son series de términos coseno y seno. Sirven para representar funciones periódicas generales. Su aplicación es sencilla. Las funciones periódicas discontinuas pueden desarrollarse en serie de Fourier, pero, desde luego, no tienen representaciones en serie de Taylor. Las series de Fourier (y las integrales de Fourier) son uno de los mayores avances de la física matemática.

La pregunta básica que se me ocurrió, desde que me enseñaron las series de Fourier, es como se demuestra que la fórmula básica, que veremos más adelante, realmente representa la función en el intervalo escogido. Ni mi profesor supo explicarme y tampoco he encontrado respuesta convincente en los libros de ecuaciones diferenciales que he consultado.


2.    Función par e impar


Función f es par si se cumple que f(x) = f(-x) (nos indica simetría, respecto del eje y)

Ejemplos       f(x) = x^2; f(x) = cos x        (sabemos que cos(x) = cos(-x)

Función f es impar si se cumple que f(x) = -f(-x) (nos indica simetría, respecto del eje origen)

Ejemplos       f(x) = x^3; f(x) = sin(x)        (sabemos que sin(x) = -sin(-x)

En el caso de las funciones impares, periódicas, con un periodo T la integral definida entre -T/2 y T/2 de f(x) es igual a 0, porque las áreas donde la f es positiva, es igual al área donde la función es negativa.

Si f es par y g es par, h(x) = f(x)g(x) también es par;         h(-x) = f(-x)g(-x) = f(x)(x)= h(x)

Si f es par y g impar, h(x) = f(x)g(x) es impar h(-x) = f(-x)g(-x) = f(x)(-(g(x)) = - f(x)g(x)= -h(x)

Igualmente, si f es impar y g es impar entonces h(x) es par

Además, sin(np)=0 si n pertenece a los enteros

cos(np) = (-1) ^n               para todo n que pertenece a los enteros.


3.    Fórmula de la serie de Fourier, aplicada a funciones periódicas, periodo T = [-p, p]

Sea f(x) una función periódica, definida en el intervalo [-p, p], esta función se puede representar de la siguiente manera:



Las ecuaciones (1) a (4) permiten desarrollar expresiones que se aproximen a funciones periódicas, definidas en el intervalo [-p, p]

Antes de hacer un ejemplo, que nos permita utilizar las fórmulas (1) a (4), para desarrollar funciones periódicas de acuerdo con Fourier, hay una tabla pequeña de integrales, que se utiliza en ejercicios de la serie de Fourier.


Ejemplo 1

f(x) = {-1 si -p<x<0

            1 si 0<x<p                   (5)

(Función definida por trozos o tramos) Ver gráfica en la figura 1 en rojo en periodo [-p, p]


Figura 1 Aproximación en serie de Fourier, de la función definida en (5)

Lo primero que debemos analizar es si la función es par o impar o no entra en esta clasificación.

En este caso la función por trozos es impar        f(x) = -f(-x) (además, se ve la simetría respecto del origen.


Veamos la serie de Fourier y calculemos sumas parciales S1a S9


Como se puede ver en la gráfica de la figura 1, ya S9 está marcando una tendencia y la parte casi horizontal de la serie, se va ajustando a la función por trozos definida en el ejemplo 1.

Si pudiéramos llegar a S100, ya prácticamente la función definida por la serie estaría acomodada sobre la función definida a trozos.

 

Ejemplo 2

 

f(x) = {p+x              si -p<x<0

          x                    si 0<x<p



Figura 2

La función periódica en estudio no es par ni impar. El periodo es [-p, p]

Debe tener coeficientes ao, an y bn

El valor de p en la fórmula general es p = p


Podemos calcular S8, S100 y mientras más grande sea n, la serie se aproxima más a la función.

En la gráfica de la figura (2) ya vemos que S6 se aproxima bastante a la función con la que hemos tratado en este ejemplo.

 

Ejemplo 3

 

Sea la función f(x)= x                      sólo en el intervalo [-p, p]

Esta función es impar, por tanto, en el período T = 2p

Al ser impar, ao y an son iguales a 0.

Sólo calcularemos a bn


Utilizamos las fórmulas de integrales útiles en el tema de Fourier

 S1=-(2p/1) sinx

S2= - (2p/1) sinx+(2p/2) sin(2x)

S3= - (2p/1) sinx+ (2p/2) sin (2x) -(2p/3) sin(3x)

S4= - (2p/1) sinx+ (2p/2) sin (2x) - (2p/3) sin(3x) + (2p/4) sin(4x)

S5= - (2p/1) sinx+ (2p/2) sin (2x) - (2p/3) sin(3x) + (2p/4) sin(4x) - (2p/5) sin(5x)


 

Figura 3  f(x) representada por S5 de la serie de Fourier.

Si en vez de S5, llegáramos a S10, la aproximación sería mucho mejor.

Para terminar, ni me enseñaron, ni he encontrado en los libros de ecuaciones diferenciales que, he consultado, una respuesta razonable para la validez de la ecuación (1)

 

 

Juan Fernando Sanín E

juanfernando.sanin@gmail.com

 

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