Serie de Fourier

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La serie de Fourier nos permite representar cualquier función periódica mediante una suma de senos y cosenos.

Función periódica:

f(t+T)=f(t)f(t+kT)=f(t),k

Representación trigonométrica

f(t)=a02+n=1ancos(2πnTt)+n=1bnsin(2πnTt) ω=2πTan=2TT/2T/2f(t)cos(2πnTt)tbn=2TT/2T/2f(t)sin(2πnTt)ta0=2TT/2T/2f(t)t

También tiene una REPRESENTACION EXPONENCIAL como se verá mas adelante

Teorema de Dirichlet

f(t+T)=f(t)={continua trozos I=[T2,T2]t0I, limtt0 f(t) finito

Por lo que la serie de Fourier correspondiente a f es convergente y su suma vale:

f(t), en punto continuof(t+)+f(t)2, en punto discontinuo

Observaciones:

f(t) par f(t)=f(t)  bbf(t)t=20bf(t)tf(t) impar f(t)=f(t)  bbf(t)t=0

f(t) g(t) f(t)xg(t) o f(t)/g(t)
Par Par Par
Impar Impar Par
Par Impar Impar

Forma exponencial o compleja de la serie de Fourier

f(t)=k=Ckej2πTktCk=1TT2T2f(t)ej2πTktt

Demostración parcial:


{anbn}=2TT/2T/2f(t){cos(ωnt)sin(ωnt)}tf(t)=a02+n=1ancos(ωnt)ejωnt+ejωnt2+n=1bnsin(ωnt)ejωntejωnt2j ω=2πTf(t)=a02+n=1ejωnt(an2jbn2)+ejωnt(an2+jbn2)an2±jbn2=1TT/2T/2f(t)[cos(ωnt)±jsin(ωnt)]t=1TT/2T/2f(t)e±jωntt



Ejercicio de ejemplo:(FALTA DIBUJO DE MATHEMATICA)


f(t)={1, 1t01, 0<t<1 f(t+2)=f(t), funcion imparωn=2πnT=πna0=0 (por ser impar)an=2TT/2T/2f(t)imparcos(πnt)parimpart=0f(t)=n=1bnsin(πnt)bn=2TT/2T/2f(t)imparsin(2πnTt)imparpart=22T0T/2f(t)sin(2πnTt)t|T=2=201f(t)1sin(πnt)t=201sin(πnt)t=2(cos(πnt)πn)|01=2πn(cos(πn)(1)n=±11)={0, n=2k,k4πn,n=1,3,5...=2k+1,kf(t)=n=1(4πn)sin(πnt) para n impar =k=0(4π(2k+1))sin(π(2k+1)t) 



Ej:cos(t+1); T=2πf(t)=n=Cnej2πTntCn=1TT2T2f(t)ej2πTnttωn=2πTn=2π2πn=nf(t)=n=Cnejntf(t)=cos(t+1)=ej(t+1)+ej(t+1)2=12ejejtn=1+12ejejtn=1C1=12ej=τ1 (τn=Cn*)C1=12ejCn=0,n±1

(FALTA DIBUJO DE MATHEMATICA)



Ej:f(t)={t,1t10,|t|>1f(t)=n=Cnejωnt ω=2πT=2=πCn=1TT2T2f(t)ej2πTntt=121+1tejπntt{u=t u=tv=ejπntt v=1jπnejπnt}12tjπnejπnt|11121jπn1+1ejπntt=12tjπnejπnt|11121jπnejπntjπn|11=12ejπn(1)n(1)e+jπn(1)njπn12ejπnt(jπn)2|11=j(1)nπn12ejπnejπn0(jπn)2=j(1)nπn n0C0=1TT2T2f(t)t=1211ttIMPAR=0f(t)={n=j(1)nπnejπnt,n00, n=0

Probemos ahora a poner esta misma función en la forma trigonometrica:


f(t)={n=j(1)nπnejπnt,n00, n=0j(1)nπn=22(1)njπn=12j2(1)nπnsinωt=ejωtejωt2jf(t)=12j2πejπtn=1+12j2πejπntn=1+12j2π2ejπ2tn=2+12j2π2ejπ2tn=2+12j2π3ejπ3tn=3+12j2π3ejπ3tn=3+...f(t)=2πsin(πt)+1πsin(2πt)+2π3sin(3πt)+12πsin(4πt)+...+n=12(1)nπnsin(nπt)


Como reglas generales para saber si hemos hecho bien la serie de Fourier, tenemos:

  • En la forma trigonometrica (sumas de senoides) todos los coeficientes deben ser números reales (no puede haber j), ya que, como es lógico, nuestra función a representar es real
  • Si los coeficientes de mismo valor pero signo opuestos (+-1,+-2,etc..) no son iguales o complejos conjugados es que hemos hecho algo mal

Para este ejercicio en concreto al ser la función impar, el sumatorio estará compuesto por funciones impares, esto es, sin().