Series de Fourier Eduardo Ibarra Garcí a Padilla El producto interior En clase vimos las siguiente relaciones: 1 Π Ù sinHnxL sinHmxL dx = ∆mn Π -Π 1 Π Ù cosHnxL cosHmxL dx = ∆mn Π -Π 1 Π Ù sinHnxL cosHmxL dx = 0 Π -Π Donde ∆mn es la delta de Kronecker, la cual vale 0 si m¹n, y 1 si m=n. Esas tres relaciones son un producto interior de las funciones sin(x) y cos(x) y nos dicen que las funciones sin(x) y cos(x) son ortogonales. Esto lo verán con mayor claridad en álgebra lineal, pero por ahora digamos que si dos funciones son ortogonales, no existe proyección del sin(x) sobre el cos(x) y viceversa, i.e. que no podemos expresar al cos(x) como una suma de sin(x) ni viceversa. Coincido en que sin(x) = cos(x- Π/2) pero no es a esto a lo que me refiero, sino a que no puedo escribir: cos(nx)=Ú¥ n=1 an sinHnxL La magia de la Serie de Fourier Teorí a La serie de Fourier es una herramienta súper poderosa para descomponer funciones en té rminos de senos y cosenos. La idea escribir una función periódica como una suma de senos y cosenos: f HxL = ao 2 + Ú¥ n=1 an cosHnxL + bn sinHnxL donde ao = an = bn = 1 Π Ù f HxL dx Π -Π 1 Π Ù f HxL cosHnxL dx Π -Π 1 Π Ù f HxL sinHnxL dx Π -Π Printed by Wolfram Mathematica Student Edition f HxL = 2 ao 2 + Ú¥ n=1 an cosHnxL + bn sinHnxL serie de fourier.nb donde ao = an = bn = 1 Π Ù f HxL dx Π -Π 1 Π Ù f HxL cosHnxL dx Π -Π 1 Π Ù f HxL sinHnxL dx Π -Π Ejemplo Hagamos un ejemplo, una función cuadrada que valga 1 de 0 a Π y -1 de -Π a 0 y se extiende periódicamente con periodo 2Π. En este caso, como la función es impar, todos los té rminos an = 0 para n=0,1,2,...,¥ Basta calcular los té rminos bn , los cuales son: 0 bn = 1 A- Ù-Π sinHnxL dx + Ù0 sinHnxL dxE Π Π 0 Π 1 @cos HnxLD-Π - 1 @cos HnxLD0 nΠ nΠ bn = 2 @1 - cosHnΠLD nΠ bn = 2 A1 - H-1Ln E nΠ bn = 2 A1 + H-1Ln+1 E nΠ bn = De aquí podemos inferir que sólo sobreviven los té rminos impares, i.e. bH2 n+1L = Por lo tanto la serie se lee como: f HxL = +Ú¥ n=0 J 4 N sin@H2 n + 1L xD H2 n+1L Π Grafiquemos N In[229]:= 4 f@N_, x_D := â n=0 Sin@H2 n + 1L xD H2 n + 1L Π Printed by Wolfram Mathematica Student Edition 4 H2 n+1L Π serie de fourier.nb In[256]:= 3 Plot@8f@1, xD, f@3, xD, f@5, xD, f@50, xD<, 8x, - 2 Π, 2 Π<, PlotLabel ® "Serie de Fourier la Onda Cuadrada", AxesLabel ® 8"x", "fHxL"<, ImageSize ® Large, PlotLegends ® Placed@8"N=1", "N=3", "N=5", "N=50"<, 80.87, 0.8<D, BaseStyle ® 8FontSize ® 16<D Serie de Fourier la Onda Cuadrada fHxL N=1 1.0 N=3 N=5 0.5 N=50 Out[256]= -6 -4 -2 2 4 6 x -0.5 -1.0 Pueden ver que conforme tomemos más té rminos, la serie converge a la función deseada. El efecto de borde que es donde existe la discontinuidad es un tema que hoy en dí a se sigue estudiando en las matemáticas. Fin Printed by Wolfram Mathematica Student Edition