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Matem´aticas
Avanzadas
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Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Matem´aticas Avanzadas para Ingenier´ıa:
Series de Fourier
Departamento de Matem´aticas
MA3002
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Convergencia
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Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Intro
Las Series de trigonom´etricas de Fourier, o simplemente series
de Fourier fueron desarrolladas por el matem´atico franc´es
Jean-Baptiste Joseph Fourier (21 de marzo de 1768 en Auxerre -
16 de mayo de 1830 en Par´ıs).
La idea que subyace en las series de Fourier es la
descomposici´on de una se˜nal peri´odica en t´erminos de se˜nales
peri´odicas b´asicas (senos y cosenos) cuyas frecuencias son
m´ultiplos de la se˜nal original.
La idea de descomposici´on es un proceso fundamental en el
area cient´ıfica en general: la descomposici´on permite el an´alisis
de las propiedades y la s´ıntesis de los objetos o fen´omenos.
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Hechos 1
Compacta
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Complejas
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Serie de Fourier
La serie de Fourier de una funci´on peri´odica f (x) de per´ıodo T,
tambi´en conocida como se˜nal, definida en un intervalo de
longitud T est´a dada por:
f (x) =
a0
2
+
∞
n=1
(an cos (n ω0 x) + bn sen (n ω0 x))
donde
ω0 = 2 π
T la frecuencia fundamental
a0 =
1
T/2 T
f (x) dx
an =
1
T/2 T
f (x) cos (n ω0 x) dx
bn =
1
T/2 T
f (x) sen (n ω0 x) dx
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Hechos 1
Compacta
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Sumas parciales
Para la serie de Fourier de una funci´on f (x) peri´odica definida
en un intervalo de longitud T la k-´esima suma parcial,
representada por Sk(x) est´a dada por:
Sk(x) =
a0
2
+
k
n=1
(an cos (n ω0 x) + bn sen (n ω0 x))
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TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
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Ejemplo 1
Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
π−π
π
O
Aqu´ı ω0 = 2 π
2 π = 1.
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Convergencia
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TI:f
TI:Uso
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Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) dx
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a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) dx
=
1
π
π x −
x2
2
π
0
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a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
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0 dx +
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(π − x) dx
=
1
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π x −
x2
2
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a0 =
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2
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Compacta
Hechos 2
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a0 =
1
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π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) dx
=
1
π
π x −
x2
2
π
0
a0 =
π
2
an =
1
π
π
−π
f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
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Compacta
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1
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f (x) dx =
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) dx
=
1
π
π x −
x2
2
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a0 =
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an =
1
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f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
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0
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0 dx +
π
0
(π − x) cos(n x) dx
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a0 =
1
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−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
0 dx +
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0
(π − x) dx
=
1
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π x −
x2
2
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a0 =
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an =
1
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f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
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0 dx +
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0
(π − x) cos(n x) dx
=
1
π n2
[(π sen(n x) − cos(n x) − n x sen(n x))]π
0
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a0 =
1
π
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−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) dx
=
1
π
π x −
x2
2
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a0 =
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1
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f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) cos(n x) dx
=
1
π n2
[(π sen(n x) − cos(n x) − n x sen(n x))]π
0
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1 − (−1)n
π n2
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bn =
1
π
π
−π
f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
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1
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−π
f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) sen(n x) dx
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bn =
1
π
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f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) sen(n x) dx
=
1
π n2
[(−π n cos(n x) − sen(n x) + n x cos(n x))]π
0
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Compacta
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bn =
1
π
π
−π
f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
0 dx +
π
0
(π − x) sen(n x) dx
=
1
π n2
[(−π n cos(n x) − sen(n x) + n x cos(n x))]π
0
bn =
1
n
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Algunas sumas parciales:
S1 = π
4 + 2
π cos(x) + sen(x)
S2 = π
4 + 2
π cos(x) + sen(x) + 1
2 sen(2 x)
S3 = π
4 + 2
π cos(x) + sen(x) + 1
2 sen(2 x)+
2
9 π cos(3 x) + 1
3 sen(3 x)
S4 = π
4 + 2
π cos(x) + sen(x) + 1
2 sen(2 x)+
2
9 π cos(3 x) + 1
3 sen(3 x) + 1
4 sen(4 x)
S5 = π
4 + 2
π cos(x) + sen(x) + 1
2 sen(2 x)+
2
9 π cos(3 x) + 1
3 sen(3 x) + 1
4 sen(4 x)+
2
25 π cos(5 x) + 1
5 sen(5 x),
S6 = π
4 + 2
π cos(x) + sen(x) + 1
2 sen(2 x)+
2
9 π cos(3 x) + 1
3 sen(3 x) + 1
4 sen(4 x)+
2
25 π cos(5 x) + 1
5 sen(5 x) + 1
6 sen(6 x)
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Las aproximaciones a f (x) mediante las sumas parciales
quedan de la siguiente manera:
π−π
π
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Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
n
Las aproximaciones a f (x) mediante las sumas parciales
quedan de la siguiente manera:
π−π
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
n
Las aproximaciones a f (x) mediante las sumas parciales
quedan de la siguiente manera:
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
n
Las aproximaciones a f (x) mediante las sumas parciales
quedan de la siguiente manera:
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
n
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quedan de la siguiente manera:
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
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quedan de la siguiente manera:
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
n
Las aproximaciones a f (x) mediante las sumas parciales
quedan de la siguiente manera:
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Complejas
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Ejemplo 1
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 =
π
2
, an =
1 − (−1)n
n2 π
, bn =
1
n
Las aproximaciones a f (x) mediante las sumas parciales
quedan de la siguiente manera:
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Ejemplo 2
Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
π−π
2
−1
O
Aqu´ı ω0 = 2 π
2 π = 1.
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a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
−1 dx +
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0
2 dx
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TI:Uso
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Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
−1 dx +
π
0
2 dx
=
1
π
[−x]0
−π + [2 x]π
0
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Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
−1 dx +
π
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2 dx
=
1
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[−x]0
−π + [2 x]π
0
a0 = 1
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Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
a0 =
1
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f (x) dx =
1
π
0
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−1 dx +
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2 dx
=
1
π
[−x]0
−π + [2 x]π
0
a0 = 1
an =
1
π
π
−π
f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
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TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
−1 dx +
π
0
2 dx
=
1
π
[−x]0
−π + [2 x]π
0
a0 = 1
an =
1
π
π
−π
f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
−1 cos(n x) dx +
π
0
2 cos(n x) dx
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
−1 dx +
π
0
2 dx
=
1
π
[−x]0
−π + [2 x]π
0
a0 = 1
an =
1
π
π
−π
f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
−1 cos(n x) dx +
π
0
2 cos(n x) dx
=
1
π
−
sen(n x)
n
0
−π
+ 2
sen(n x)
n
π
0
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
a0 =
1
π
π
−π
f (x) dx =
1
π
0
−π
−1 dx +
π
0
2 dx
=
1
π
[−x]0
−π + [2 x]π
0
a0 = 1
an =
1
π
π
−π
f (x) cos(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
−1 cos(n x) dx +
π
0
2 cos(n x) dx
=
1
π
−
sen(n x)
n
0
−π
+ 2
sen(n x)
n
π
0
an = 0
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
bn =
1
π
π
−π
f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
bn =
1
π
π
−π
f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
−1 sen(n x) dx +
π
0
2 sen(n x) dx
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
bn =
1
π
π
−π
f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
−1 sen(n x) dx +
π
0
2 sen(n x) dx
=
1
π
cos(n x)
n
0
−π
+ −2
cos(n x)
n
π
0
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
bn =
1
π
π
−π
f (x) sen(ω0 n x) dx recuerde ω0 = 1
=
1
π
0
−π
−1 sen(n x) dx +
π
0
2 sen(n x) dx
=
1
π
cos(n x)
n
0
−π
+ −2
cos(n x)
n
π
0
bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Algunas sumas parciales:
S1 = S2 = 1
2 + 6
π sen(x)
S3 = S4 = 1
2 + 6
π sen(x) + 2
π sen(3 x)
S5 = S6 = 1
2 + 6
π sen(x) + 2
π sen(3 x) + 6
5 π sen(5 x)
S7 = S8 = 1
2 + 6
π sen(x) + 2
π sen(3 x) + 6
5 π sen(5 x)+
6
7 π sen(7 x)
S9 = S10 = 1
2 + 6
π sen(x) + 2
π sen(3 x) + 6
5 π sen(5 x)+
6
7 π sen(7 x) + 2
3 π sen(9 x)
S11 = S12 = 1
2 + 6
π sen(x) + 2
π sen(3 x) + 6
5 π sen(5 x)+
6
7 π sen(7 x) + 2
3 π sen(9 x) + 6
11 π sen(11 x)
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
π−π
2
−1
O
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S1
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S3
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S5
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S7
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S9
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S11
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S13
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 2
Resumen: Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =
−1 para −π < x < 0
2 para 0 ≤ x < π
Los coeficientes de la serie de Fourier quedaron:
a0 = 1, an = 0, bn =
3 (1 − (−1)n)
n π
π−π
2
−1
O
S15
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Condiciones de convergencia
Sea f (x) una funci´on peri´odica definida en un intervalo de
longitud T continua, excepto posiblemente en un n´umero finito
de puntos donde tiene discontinuidades finitas y que posee
derivada continua tambi´en excepto en n´umero finito de puntos
donde tiene discontinuidades finitas. Entones, la serie de
Fourier para f (x) converge a f (x) en todo punto de
continuidad y en los puntos de discontinuidad la serie de
Fourier converge a
f (x+) + f (x−)
2
donde f (x+) representa el l´ımite por la derecha a x y f (x−)
representa el l´ımite por la izquierda a x.
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
C´odigo en la TI para a0
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
C´odigo en la TI para an
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
C´odigo en la TI para bn
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Formato para la funci´on de entrada
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Uso de las funciones
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 3
Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =



1 para −2 π ≤ x < −π
0 para −π ≤ x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
x − π para π ≤ x < 2 π
1
−2 π −π
π
π 2 π0
Aqu´ı ω0 = 2 π
4 π = 1/2.
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 4
Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =



0 para −2 ≤ x < −1
−2 para −1 ≤ x < 0
1 para 0 ≤ x < 1
0 para 1 ≤ x < 2
0−2 −1 1 2
1
−2
Aqu´ı ω0 = 2 π
4 = π/2.
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Cosas a recordar
• Las funciones sen(x) y cos(x) son funciones peri´odicas con
periodo 2 π.
• Si f (x) es peri´odica con periodo T entonces f (a x) es
peri´odica con periodo S = T/a: Pues se necesita que
f (a (x + S)) = f (a x + a S) = f (a x): a S = T. En
t´erminos de la frecuencia, tenemos que la frecuencia de
f (a x) es a-veces la frecuencia de f (x).
• Si f (x) es peri´odica con periodo T y g(x) es peri´odica con
periodo S entonces f (x) + g(x) ser´a peri´odica sii existen
enteros positivos n y m tales que n · T = m · S. Pues se
necesita encontrar un cierto n´umero de veces que ambos
periodos se repitan.
• Si f (x) es peri´odica con periodo T entonces para
cualquier entero positivo n, f (x) + f (n x) es una funci´on
peri´odica con periodo T.
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Forma compacta de la series Fourier
La serie de Fourier:
a0
2
+
∞
n=1
an cos
2 π n
T
x + bn sen
2 π n
T
x
se puede escribir en la forma compacta:
A0 +
∞
n=1
An cos
2 π n
T
x + φn
donde
A0 = a0/2, An = a2
n + b2
n, φn = −tan−1 bn
an
Es m´as conveniente calcular: φn = −Arg (an + bn i)
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 5
Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) = e−x para 0 < x < 0.5
0.5
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Problema anterior realizado mediante la calculadora.
Matem´aticas
Avanzadas
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Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Amplitud y fase del ejemplo 5
ω
ω
An
φnφn
4 π 8 π 12 π 16 π 20 π 24 π
4 π 8 π 12 π 16 π 20 π 24 π
A0 ≈ 0.787
A1 ≈ 0.125
−π/2
Matem´aticas
Avanzadas
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Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ideas
Usando la f´ormula de Euler ea i = cos(a) + sen(a) i y su
variante e−a i = cos(a) − sen(a) i, tenemos:
cos(a) =
ea i + e−a i
2
y sen(a) =
ea i − e−a i
2 i
por tanto, el t´ermino
fk(x) = akcos(k ω0 x) + bksen(k ω0 x)
puede escribirse como
fk(x) = ak
ek ωo x i+e−k ωo x i
2 + bk
ek ωo x i−e−k ωo x i
2 i
= 1
2 (ak − bk i) ek ωo x i + 1
2 (ak + bk i) e−k ωo x i
si definimos los coeficientes de las exponenciales ek ωo x i y de
e−k ωo x i como
ck =
1
2
(ak − bk i) y c−k =
1
2
(ak + bk i)
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Entonces la serie de Fourier
f (x) =
a0
2
+
∞
n=1
(an cos (n ω0 x) + bn sen (n ω0 x))
podr´ıa escribirse como:
f (x) =
a0
2
+
∞
n=1
cn en ωo x i
+ c−n e−n ωo x i
=
a0
2
+
∞
n=1
cn en ωo x i
+
∞
n=1
c−n e−n ωo x i
=
a0
2
+
∞
n=1
cn en ωo x i
+
−∞
n=−1
cn en ωo x i
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Series complejas de Fourier
La serie compleja de Fourier de una funci´on f (x) per´ıodica
definida en el intervalo de longitud T est´a dada por la f´ormula
+∞
n=−∞
cn en ωo x i
donde
ω0 = 2 π
T
cn =
1
T T
f (x) e−n ω0 x i
dx para n = 0, ±1, ±2, ±3, . . .
Relaci´on entre la forma compacta y la compleja:
An = 2 |cn| , φn = −tan−1 (cn − c−n) i
cn + c−n
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo 6
Expanda en una Serie de Fourier la funci´on:
f (x) =



0 para −1/2 < x < −1/4
1 para −1/4 < x < 1/4
0 para 1/4 < x < 1/2
0−1/2 −1/4 1/4 1/2
1
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
C´odigo en la TI para cn
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Ejemplo para cn
Matem´aticas
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Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
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Complejas
TI:cn
c0 mediante l´ımites
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Series de
Fourier
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de
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Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
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TI:cn
Varios ci
Matem´aticas
Avanzadas
para
Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Potencia media
La potencia media de una se˜nal peri´odica f (x) con per´ıodo T
se define como:
Pmedia
.
=
1
T T
|f (x)|2
dx
La relaci´on de Parseval para las series de Fourier en el caso de
la serie de Fourier compleja se expresa como:
Pmedia =
+∞
n=−∞
|cn|2
y en el caso de la serie de Fourier real:
Pmedia =
1
2
a2
o
2
+
+∞
n=1
a2
n + b2
n
Matem´aticas
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Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
de
Matem´aticas
Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
Hechos 2
Complejas
TI:cn
Para poder responder la pregunta:
¿cu´antos t´erminos de la serie de Fourier se deben
tomar para aproximar razonablemente una funci´on
peri´odica?
La clave puede estar en la potencia media. Se calcula la
potencia media y establece un nivel en el cual se desea
aproximarla. Digamos un 95% o un 99%. Con esto se van
realizando sumas parciales de la f´ormula de Parseval hasta
alcanzar el nivel de aproximaci´on deseado. Aunque ser´ıa
deseable determinar anal´ıticamente para un nivel de
aproximaci´on el valor no en el cual se obtiene la aproximaci´on,
en general, es muy dif´ıcil tener dicho valor.
Matem´aticas
Avanzadas
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Ingenier´ıa:
Series de
Fourier
Departamento
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Intro
Serie de
Fourier
Sk
Convergencia
TI:ao
TI:an
TI:bn
TI:f
TI:Uso
Hechos 1
Compacta
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Complejas
TI:cn
Ejemplo
Para la funci´on
f (x) =
0 para −π < x < 0
π − x para 0 ≤ x < π
determine el porcentaje de la potencia media que aproxima
tomar la 20-´esima suma parcial.
π−π
π
O
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Fourier
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Intro
Serie de
Fourier
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Convergencia
TI:ao
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Compacta
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Complejas
TI:cn
Definici´on de la funci´on
Definiremos la funci´on en el formato requerido y
aprovecharemos que cuando aplicamos fa0(f 2) entrega
1
T/2 T
f (x)2
dx = 2
1
T T
f (x)2
dx = 2 Pmedia
Matem´aticas
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Fourier
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Serie de
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Determinaci´on de a0, an y bn
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Generaci´on de a1 a a20 y b1 a b20
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Potencia media en S20 y su comparaci´on contra
la de f (x): Tenemos una aproximaci´on del 98%

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