Propiedades de la transformada de Fourier

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Definición de la transformada de Fourier

𝔽[f(t)]=F(ω)=f(t)eiωtt𝔽1[F(ω)]=f(t)=12πF(ω)e+iωtω

Tabla resumen de propiedades

Propiedad Definición
Linealidad 𝔽[αf(t)+βg(t)]=αF(ω)+βG(ω)
Dualidad 𝔽[F(t)]=2πf(ω)
Cambio de escala 𝔽[f(at)]=1|a|F(ωa)
Inversión el tiempo 𝔽[f(t)]=F(ω)
Traslación en el tiempo 𝔽[f(tt0)]=F(ω)ejωt0
Traslación en frecuencia 𝔽[f(t)ejω0t]=F(ωω0)
Derivación en el tiempo 𝔽[nf(t)tn]=(jω)nF(ω)
Derivación en la frecuencia 𝔽[(jt)nf(t)]=nF(ω)ωn
Transformada de la integral 𝔽[tf(τ)τ]=F(ω)jω+πF(0)δ(ω)
Transformada de la convolución 𝔽[f(t)*g(t)]=𝔽[f(τ)g(tτ)τ]=F(ω)G(ω)
Teorema de Parseval |f(t)|2t=12π|F(ω)|2ω

Demostraciones

Linealidad

𝔽[αf(t)+βg(t)] = αF(ω)+βG(ω)
𝔽[αf(t)+βg(t)] = (αf(t)+βg(t))ejωtt=(αf(t)ejωt)+(βg(t)ejωt)t=
= αf(t)ejωtt+βg(t)ejωtt=αf(t)ejωtt+βg(t)ejωtt=αF(ω)+βG(ω)

Dualidades

𝔽[F(t)] = 2πf(ω)
𝔽[F(t)] = F(t)ejωtt𝔽[F(t)]=F(t)ejωtt=
= 2π12πF(t)ejωtt=2πf(ω)

Cambio de escala

𝔽[f(at)] = 1|a|F(ωa)
𝔽[f(at)] = f(at)ejωtt{u=att=uau=att=ua}
{sia>0f(u)ejωuaua=1af(u)ejωauu=1aF(ωa)sia<0f(u)ejωuaua=1af(u)ejωauu=1aF(ωa)}=1|a|F(ωa)

Inversión del tiempo

𝔽[f(t)]=F(ω)

𝔽[f(t)]=x(t)ejwtt{τ=tt=ττ=tt=τ

𝔽[f(t)]=x(τ)ejw(τ)τ=x(τ)ej(w)ττF(w)

𝔽[f(t)]=F(w)

Traslación en el tiempo

𝔽[f(tt0)]=ejωt0F(ω)𝔽[f(tt0)]=f(tt0)ejωtt{u=tt0t=u+t0u=t}𝔽[f(tt0)]=f(u)ejω(u+t0)u=ejωt0f(u)ejωuuF(ω)

Traslacion en frecuencia

Analogamente:

𝔽[e+jω0tf(t)g(t)]=F(ωω0)g(t)=12πF(ωω0)ejωtω{u=ωω0ω=u+ω0u=ω}12πF(u)ej(u+ω0)tug(t)=ejω0t12πF(u)ejutuf(t)

Derivación en el tiempo

𝔽[nf(t)tn]=(jω)nF(ω)𝔽[f'(t)]=f'(t)ejωttuv=uvvu{u=ejωt u=jωejωttv=f'(t)t v=f(t)}𝔽[f'(t)]=ejωtf(t)|0+jωf(t)ejωttlimt± f(t)=0 si f(t) continua y abs. integrable

Derivación en la frecuencia

Analogamente:

𝔽[(jt)nf(t)g(t)]=nF(ω)ωng(t)=12πF'(ω)e+jωtωuv=uvvu{u=e+jωt u=jte+jωtωv=F'(ω)ω v=F(ω)}g(t)=12πe+jωtF(ω)|012πjtF(ω)e+jωtω

Convolución

La convolución de dos señales se define como:

f(t)*g(t)=f(τ)g(tτ)τ=g(τ)f(tτ)τ

de modo que:

τ=τ=f(τ)g(tτ)τ{τ0=tτ τ=tτ0τ0=τ }τ0=τ0=f(tτ0)g(τ0)(τ0)=τ0=τ0=f(tτ0)g(τ0)τ0

Integración en el tiempo

𝔽[tf(τ)τ]f(t)*u(t)=τ=τ=f(τ)u(tτ)τu(tτ)={1,tτ00,tτ<0tτ0tττ=τ=f(τ)u(tτ)u(tτ)=1tτ>0τ<tτ=tf(τ)τ𝔽[tf(τ)τ]=𝔽[f(t)*u(t)]=F(ω).[1jω+πδ(ω)]=F(ω)jω+πF(0)δ(ω)

Transformada de la convolución

𝔽[f(t)*g(t)]=𝔽[f(τ)g(tτ)τ]=[f(τ)g(tτ)τ]ejωtt=f(τ)g(tτ)ejωttτ=f(τ)g(tτ)ejωttG(ω)ejωττ=f(τ)G(ω)ejωττ=G(ω)f(τ)ejωττ=G(ω)F(ω)

Teorema de Parseval

El teorema de Parseval es una solución particular de la propiedad:

f(t)g*(t)t=12πF(ω)G*(ω)ω

|f(t)|2t=f(t)f*(t)tf(t)=g(t)f(t)g*(t)t{f(t)=12πF(ω)ejωtω}[12πF(ω)ejωtω]g*(t)tCambiandoorden deintegracion12πF(ω)ejωtg*(t)tω=12π[g*(t)ejωtt]F(ω)ω=12π[g(t)ejωttG(ω)]*F(ω)ω=12πG*(ω)F(ω)ωf(t)=g(t)12πF*(ω)F(ω)ω=12π|F(ω)|2ω

Consejo general

Finalmente, puede ser muy común que tengamos que aplicar mas de una propiedad para una misma función, en ese caso, lo mejor es usar funciones auxiliares y cambios de variable.

Ej:𝔽[f(atb)]?g(t)=f(tb)g(at)=f(atb)𝔽[g(at)]=1|a|G(ωa)𝔽[g(t)]=𝔽[f(tb)]G(ω)=F(ω)ejωbG(ωa)=F(ωa)ej(ωa)b𝔽[g(at)]=𝔽[f(atb)]=1|a|G(ωa)=1|a|F(ωa)ej(ωa)b𝔽[f(atb)]=1|a|F(ωa)ej(ωa)b

También podemos aplicar las propiedades en otro orden que esta a continuación:

𝔽[f(atb)]?g(t)=f(at)g(tb)=f(a(tb))=f(atab)f(atb)g(tba)=f(a(tba))=f(atb)𝔽[g(tba)]=G(ω)ejωbag(t)=f(at)G(ω)=1|a|F(ωa)𝔽[f(atb)]=𝔽[g(tba)]=G(ω)ejωba=1|a|F(ωa)ejωba