Use o botão abaixo para reportar erros ou dar sugestões.

Análise de Fourier - Um Livro Colaborativo

8.1 Propriedades


Teorema 8.1.1 (Linearidade ou superposição). Dadas duas funções f(t) e g(t) com transformadas de Fourier F(w) e G(w), respectivamente, e α e β duas constantes reais ou complexas, então

F αf(t) + βg(t) = αF{f(t)} + βF{g(t)} = αF(w) + βG(w) (8.1)

Demonstração. O resultado é direto da linearidade da integral: F αf(t) + βg(t) = ∫ −∞∞ αf(t) + βg(t) e−iwtdt = ∫ −∞∞αf(t)e−iwtdt + ∫ −∞∞βg(t)e−iwtdt = α∫ −∞∞f(t)e−iwtdt + β∫ −∞∞g(t)e−iwtdt = αF(w) + βG(w)

■

Exemplo 8.1.1. As transformadas das funções f(t) = e−|t| e g(t) = 1 2πe−t2 4 são F(w) = 2 w2+1 e G(w) = e−w2, respectivamente. Logo,

F 5f(t) − 3g(t) = 5 2 w2 + 1 − 3e−w2 (8.2)

Teorema 8.1.2 (Transformada da derivada). Dada uma função diferenciável f(t) tal que

lim ⁡ t→±∞f(t) = 0 (8.3)

e sua transformada de Fourier F(w), então

F{f′(t)} = iwF(w) (8.4)

Demonstração. De fato, usando integração por partes, temos F f′(t) = ∫ −∞∞f′(t)e−iwtdt = f(t)e−iwt −∞∞ −∫ −∞∞ − iwf(t)e−iwtdt = iw∫ −∞∞f(t)e−iwtdt = iwF(w)

■

Observação 8.1.1. Essa propriedade reflete o fato de que a transformada de Fourier decompõe a função f(t) em funções do tipo eiwt cuja derivada é iweiwt. De fato, esta propriedade poderia ter sido deduzida a partir da representação de f(t) em sua integral de Fourier, isto é:

f(t) = 1 2π∫ −∞∞F(w)eiwtdw. (8.5)

Diferenciando em t, obtemos

f′(t) = 1 2π∫ −∞∞F(w)iweiwtdw = 1 2π∫ −∞∞ iwF(w) eiwtdw. (8.6)

Exemplo 8.1.2. Considere a função f(t) = e−at2, a > 0, e sua transformada de Fourier (ver exercício 6.2.2 da página 166):

F(w) = π ae−w2 4a (8.7)

Usando a propriedade 8.1.2, a transformada de Fourier da derivada f′(t) = −2ate−at2 é dada por:

F{−2ate−at2 } = iwF(w) = iwπ ae−w2 4a . (8.8)

Usando a linearidade, encontramos a transformada de Fourier da função te−at2:

F{te−at2 } = −iw π 2aae−w2 4a . (8.9)

Compare com o exercício 7.2.1 da página 184.

Observação 8.1.2. As derivadas de ordem superior são calculadas a partir da propriedade 8.1.2: F{f″ ⁡(t)} = F d dt f′(t) = iwF f′(t) = (iw)2F f(t) = (iw)2F(w).

De modo geral, F{f(n)(t)} = (iw)nF(w).

Teorema 8.1.3 (Deslocamento no eixo w). Dada uma função f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

F eatf(t) = F(w + ia). (8.10)

Demonstração. De fato, F eatf(t) = ∫ −∞∞f(t)eate−iwtdt = ∫ −∞∞f(t)e(a−iw)tdt = ∫ −∞∞f(t)e−i(ia+w)tdt = F(w + ia)

■

Exemplo 8.1.3. Do exemplo 8.1.2 temos que a transformada de Fourier da função f(t) = te−at2, a > 0, é dada por

F(w) = −iw π 2aae−w2 4a . (8.11)

Logo, a transformada G(w) da função g(t) = tebt−at2, b > 0, é dada por G(w) = F tebt−at2 = F ebtte−at2 = F(w + ib) = −i(w + ib) π 2aae−(w+ib)2 4a = (b − iw) π 2aae−w2+2wib−b2 4a = w2 + b2e−i arctan ⁡ w b π 2aae−w2−b2 4a e−iwb 2a = w2 + b2 π 2aae−w2−b2 4a e−iwb 2a +arctan ⁡ w b = |G(w)|eiϕ(w),

onde |G(w)| = π 2aae−b2 4a w2 + b2e−w2 4a e ϕ(w) = −wb 2a + arctan ⁡ w b

Veja os diagramas de espectro de G(w) quando a = b = 1 na figura 8.1.


PIC PIC


Figura 8.1:


Teorema 8.1.4 (Deslocamento no eixo t). Dada uma função f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

F f(t − a) = e−iawF(w). (8.12)

Demonstração. De fato, F f(t − a) = ∫ −∞∞f(t − a)e−iwtdt = ∫ −∞∞f(s)e−iw(s+a)ds = ∫ −∞∞f(s)e−iwae−iwsds = e−iwa ∫ −∞∞f(s)e−iwsds = e−iawF(w)

■

Exemplo 8.1.4. Do exemplo 6.1.1 da página 151 temos que a transformada de Fourier da função f(t) = e−|t| é dada por F(w) = 2 w2+1. Logo, a transformada de Fourier da função g(t) = e−|t−2| é

G(w) = 2 w2 + 1e−2iw (8.13)

Observação 8.1.3. Um deslocamento real no tempo não altera o módulo da transformada de Fourier, pois |e−iaw| = 1 sempre que a e w são reais.

Teorema 8.1.5 (Transformada da integral). Dada uma função integrável f(t) tal que sua transformada de Fourier F(w) satisfaça F(0) = 0, então

F ∫ −∞tf(τ)dτ = 1 iwF(w). (8.14)

Demonstração. Definimos g(t) = ∫ ⁡−∞tf(τ)dτ e, usando o teorema fundamental do cálculo, temos g′(t) = f(t). Aplicamos a transformada de Fourier na igualdade e temos:
F{g′(t)} = F{f(t)}, (8.15)

ou seja,

F{g′(t)} = F(w). (8.16)

Observe que

lim ⁡ t→∞g(t) = ∫ −∞∞f(τ)dτ = ∫ −∞∞f(τ)ei⋅0⋅τdτ = F(0) = 0 (8.17)

e

lim ⁡ t→−∞g(t) = ∫ −∞−∞f(τ)dτ = 0, (8.18)

portanto, podemos usar a propriedade 8.1.2 da transformada de Fourier da derivada e obter:

F{g′(t)} = iwF{g(t)}. (8.19)

Assim,

F(w) = iwF ∫ −∞tf(τ)dτ. (8.20)

Portanto,

F ∫ −∞tf(τ)dτ = 1 iwF(w). (8.21)

■

Teorema 8.1.6 (Teorema da modulação). Dada uma função f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

F f(t) cos ⁡ (w0t) = 1 2F(w − w0) + 1 2F(w + w0), (8.22)

para w0 ∈ ℝ.

Demonstração. De fato, F f(t) cos ⁡ (w0t) = F f(t) eiw0t + e−iw0t 2 = ∫ −∞∞f(t)eiw0t + e−iw0t 2 e−iwtdt = 1 2 ∫ −∞∞f(t)e−i(w−w0)tdt + 1 2 ∫ −∞∞f(t)e−i(w0+w)tdt = 1 2F(w − w0) + 1 2F(w + w0)

■

Exemplo 8.1.5. Considere a função f(t) = cos ⁡ (w0t)e−a|t|, a > 0. Podemos obter a transformada de Fourier de f(t) a partir da transformada de Fourier da função g(t) = e−a|t|. Basta aplicar o teorema da modulação à função g(t), cuja transformada de Fourier é dada por G(w) = 2a w2+a2: F g(t) cos ⁡ (w0t) = 1 2G(w − w0) + 1 2G(w + w0) = 1 2 2a (w − w0)2 + a2 + 1 2 2a (w + w0)2 + a2 = a (w − w0)2 + a2 + a (w + w0)2 + a2

Teorema 8.1.7 (Teorema da convolução). Dadas duas funções f1(t) e f2(t) com suas respectivas transformadas de Fourier, F1(w) e F2(w), então

  • (Convolução no tempo)
    F{(f1 ∗ f2)(t)} = F1(w)F2(w), (8.23)
  • (Convolução na frequência)
    (F1 ∗ F2)(w) = 2πF{f1(t)f2(t)} (8.24)

    ou

    F−1{(F 1 ∗ F2)(w)} = 2πf1(t)f2(t), (8.25)

onde ∗ indica a convolução de duas funções:

(f1 ∗ f2)(t) = ∫ −∞∞f 1(τ)f2(t − τ)dτ (8.26)

Demonstração.
  • Usando as definições de transformada de Fourier e convolução de duas funções, temos: F{(f1 ∗ f2)(t)} = ∫ −∞∞(f 1 ∗ f2)(t)e−iwtdt = ∫ −∞∞ ∫ −∞∞f 1(τ)f2(t − τ)dτe−iwtdt = ∫ −∞∞ f 1(τ) ∫ −∞∞f 2(t − τ)e−iwtdtdτ (8.27)

    Uma das integrais pode ser calculada fazendo uma mudança de variável: ∫ −∞∞f 2(t − τ)e−iwtdt = ∫ −∞∞f 2(s)e−iw(s+τ)ds = e−iwτ ∫ −∞∞f 2(s)e−iwsds = e−iwτF 2(w) (8.28)

    Substituindo a equação (8.28) na equação (8.27), temos F{(f1 ∗ f2)(t)} = ∫ −∞∞ f 1(τ) ∫ −∞∞f 2(t − τ)e−iwtdtdτ = ∫ −∞∞ f 1(τ)e−iwτF 2(w) dτ = F2(w) ∫ −∞∞ f 1(τ)e−iwτ dτ = F1(w)F2(w)

  • Analogamente, usando as definições, temos: F−1{(F 1 ∗ F2)(w)} = 1 2π∫ −∞∞(F 1 ∗ F2)(w)eiwtdw = 1 2π∫ −∞∞ ∫ −∞∞F 1(v)F2(w − v)dveiwtdw = 1 2π∫ −∞∞ F 1(v) ∫ −∞∞F 2(w − v)eiwtdwdv (8.29)

    Também, ∫ −∞∞F 2(w − v)eiwtdw = ∫ −∞∞F 2(y)ei(y+v)tdy = eivt ∫ −∞∞F 2(y)eiytdy = 2πeivtf 2(t) (8.30)

    Substituindo a equação (8.30) na equação (8.29), temos F−1{(F 1 ∗ F2)(w)} = 1 2π∫ −∞∞ F 1(v) ∫ −∞∞F 2(w − v)eiwtdwdv = 1 2π∫ −∞∞F 1(v)eivt2πf 2(t)dv = f2(t) ∫ −∞∞F 1(v)eivtdv = 2πf1(t)f2(t)

■

Exemplo 8.1.6. Considere as funções f(t) = te−t2 e g(t) = e−a|t|, a > 0 e suas respectivas transformadas de Fourier F(w) = −iwπ 2 e−w2 4 e G(w) = 2a w2+a2. A transformada de Fourier da função

h(t) = ∫ −∞∞f(t − τ)g(τ)dτ = ∫ −∞∞(t − τ)e−(t−τ)2 e−a|τ|dτ (8.31)

é calculada usando o teorema da convolução e é dada por

H(w) = F(w)G(w) = −iwa π w2 + a2e−w2 4 (8.32)

Teorema 8.1.8 (Conjugação). Dada uma função real f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

F(w)¯ = F(−w) (8.33)

Demonstração. De fato, F(w)¯ = ∫ −∞∞f(t)e−iwtdt¯ = ∫ −∞∞f(t)e−iwt¯dt,poisf(t)¯ = f(t) = ∫ −∞∞f(t)eiwtdt = ∫ −∞∞f(t)e−i(−w)tdt = F(−w)

■

Observação 8.1.4. Se f(t) não é uma função real, esta propriedade não se aplica.

Exemplo 8.1.7. Considere as funções f(t) = te−t2 e sua transformada de Fourier F(w) = −iwπ 2 e−w2 4 . Então,

F(−w) = iwπ 2 e−w2 4 (8.34)

e

F(w)¯ = − iwπ 2 e−w2 4 ¯ = iwπ 2 e−w2 4 . (8.35)

Teorema 8.1.9 (Inversão temporal). Dada uma função f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

F f(−t) = F(−w). (8.36)

Demonstração. F f(−t) = ∫ −∞∞f(−t)e−iwtdt

procedemos com a mudança de variáveis τ = −t: F f(−t) = ∫ −∞∞f(−t)e−iwtdt = ∫ ∞−∞f(τ)eiwτ(−dτ) = ∫ −∞∞f(τ)eiwτdτ = ∫ −∞∞f(τ)e−i(−w)τdτ = F(−w)

■

Teorema 8.1.10 (Simetria ou dualidade). Dada uma função f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

f(−w) = 1 2πF{F(t)} (8.37)

Demonstração. Da definição de transformada de Fourier, temos
f(t) = 1 2π∫ −∞∞F(w)eiwtdw (8.38)

Podemos trocas t e w e calcular f(w) em função de F(t):

f(w) = 1 2π∫ −∞∞F(t)eitwdt. (8.39)

Ou seja,

f(−w) = 1 2π∫ −∞∞F(t)e−itwdt = 1 2πF{F(t)}. (8.40)

■

Teorema 8.1.11 (Mudança de escala). Dada uma função f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

F{f(at)} = 1 |a|F w a ,∀ ⁡a≠0. (8.41)

Demonstração. Da definição de transformada de Fourier, temos
F{f(at)} = ∫ −∞∞f(at)e−iwtdt (8.42)

Fazendo a mudança τ = at, distinguindo dois casos: a > 0 e a < 0. Para o caso a > 0, temos: F{f(at)} = ∫ −∞∞f(at)e−iwtdt = ∫ −∞∞f(τ)e−iwτ a dτ a = 1 a∫ −∞∞f(τ)e−iwτ a dτ

Para o caso a < 0, temos: F{f(at)} = ∫ −∞∞f(at)e−iwtdt = ∫ ∞−∞f(τ)e−iwτ a dτ a = −1 a∫ −∞∞f(τ)e−iwτ a dτ

Em ambos os casos, temos: F{f(at)} = 1 |a|∫ −∞∞f(τ)e−iwτ a dτ = 1 |a|F w a

■

Observação 8.1.5. A propriedade da inversão temporal (propriedade 8.1.9) é um caso particular desta propriedade quando a = −1.

Exercícios


E 8.1.1. O diagrama de magnitudes da transformada de Fourier F(w) de uma função f(t) é dado na figura (8.2). Esboce o diagrama de magnitudes da transformada de Fourier da função f′(t).


PIC


Figura 8.2:


E 8.1.2. Faça o diagrama de espectro da transformada de Fourier do exemplo 8.1.4 da página 203.

Resposta.Ver figura abaixo.

PIC PIC

E 8.1.3. Em geral não é verdade que módulo da soma é igual a soma dos módulos, isto é, |x + y| = |x| + |y|, x,y ∈ ℂ.

  • Encontre um caso particular onde |x + y| = |x| + |y| com |x|≠0 e |y|≠0.
  • Encontre um caso particular onde |x + y| = 0 com |x|≠0 e |y|≠0. Mostre que, nesse caso, x = −y.
  • Encontre um caso particular onde |x + y| = 1 com |x| = |y| = 1.
  • Mostre que |x + y| = |x| + |y| sempre que xy = 0.

Observe que não é possível, em geral, conhecer o diagrama de magnitudes da soma de duas funções, F(w) e G(w), conhecendo apenas seus diagramas de magnitudes. As fases precisam ser levadas em conta. Um exceção é quando, para todos w, ou F(w) = 0 ou G(w) = 0.

E 8.1.4. Mostre que, dada uma função f(t) e sua transformada de Fourier F(w), então

F f(t) sen ⁡ (w0t) = i 2F(w + w0) − i 2F(w − w0), (8.43)

para w0 ∈ ℝ.

E 8.1.5. Considere uma função real f(t) tal que o diagrama de magnitude é dado na figura abaixo.

PIC

  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(t − a) onde a é uma constante real.
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(2t).
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(−t).
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = 3f(t).
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(t) cos ⁡ (1000t).
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(t) cos ⁡ 2(1000t).
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(t) sen ⁡ (1000t).
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(t)| sen ⁡ (1000t)|. [Dica: Use a expansão em Série de Fourier do retificador de onda completa1 ]
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f′(t).
  • Trace o diagrama de magnitude do espectro de g(t) = f(t) ∗ f(t).
  • Calcule o valor da energia do sinal dada por
    ∫ −∞∞f(t)2dt. (8.44)
  • Calcule o módulo do valor médio do sinal dado por
    ∫ −∞∞f(t)dt. (8.45)

Resposta.
  • F g(t) = F f(t − a) = F f(t) e−iaw F g(t) = |F(w)||e−iaw| = |F(w)|

    Onde se usou a propriedade 8.1.4 Logo o diagrama de magnitude é o mesmo do de f(t).

  • F g(t) = F f(2t) = 1 2F w 2 F g(t) = 1 2 F w 2 .

    Onde se usou a propriedade 8.1.11.

    PIC

  • F g(t) = F f(−t) = F −w F g(t) = F −w = F w¯ = F w.

    Onde se usou a propriedade 8.1.9 e, depois, 8.1.8.

    PIC

  • F g(t) = F 3f(t) = 3F w F g(t) = 3 F w.

    Onde se usou a propriedade 8.1.1.

  • F g(t) = F f(t) cos ⁡ (1000t) = 1 2 F(w − 1000) + F(w + 1000)

    PIC

  • F g(t) = F f(t) cos ⁡ 2(1000t) = F f(t) 1 + cos ⁡ (2000t) 2 = 1 2F(w) + 1 4 F(w − 2000) + F(w + 2000)

    PIC

  • F g(t) = F f(t) sen ⁡ (1000t) = i 2 F(w + 1000) − F(w − 1000)

    Veja o diagrama de magnitudes no gráfico abaixo.

  • g(t) = f(t)| sen ⁡ (1000x)| = f(t) 2 π − 4 π cos ⁡ (2000x) 1 ⋅ 3 + cos ⁡ (4000x) 3 ⋅ 5 + cos ⁡ (6000x) 5 ⋅ 7 + ⋯ (8.46)

    F{g(t)} = 2 πF(w) − 2 3π(F(w + 2000) + F(w − 2000)) − 2 15π(F(w + 4000) + F(w − 4000)) − 2 35π(F(w + 6000) + F(w − 6000)) + ⋯

    Veja o diagrama de magnitudes no gráfico abaixo.

    PIC

  • Usamos a propriedade 8.1.2 para obter F{g(t)} = iwF(w).

    Veja o diagrama de magnitudes no gráfico abaixo.

    PIC

  • F{g(t)} = F{f(t) ∗ f(t)} = F(w)2 |G(w)| = |F(w)|2.

    Onde se usou a propriedade da convolução 8.1.7. Veja o diagrama de magnitudes no gráfico abaixo.

    PIC

  • ∫ −∞∞f(t)2dt = ∫ −∞∞|f(t)|2dt = 1 2π∫ −∞∞|F(w)|2dw = 1 π∫ 025010 1 − w 250 2dw = 100 π ∫ 10u2 −250 du = 25000 π ∫ 01u2du = 25000 π u3 3 01dw = 25000 3π

  • ∫ −∞∞f(t)dt = F(0) ∫ −∞∞f(t)dt = |F(0)| = 10

E 8.1.6. Considere o sinal f(t) associado ao seguinte diagrama de espectro:

PIC

  • Calcule o valor de ∫ ⁡−∞∞f(t)dt.
  • Obtenha o valor aproximado da frequência fundamental em Hz e identifique a nota.
  • Trace o diagrama de amplitudes do sinal g(t) = f′(t) 5000
  • Trace o diagrama de amplitudes do sinal g(t) = f(−t).
  • Trace o diagrama de amplitudes do sinal g(t) = f(t − 2).
  • Trace o diagrama de amplitudes do sinal g(t) = f(1.12t), obtenha o valor aproximado da frequência fundamental em Hz e identifique a nota.
  • Calcule o valor da "taxa de aceleração", a > 0, para que o sinal g(t) = f(at) represente a nota sol na mesma oitava.

Resposta.
  • 0
  • ff = 2070rad/s = 329.6Hz, equivalente à nota mi.
  • O diagrama é dada na figura abaixo.

    PIC

  • Idêntico ao original.
  • Idêntico ao original.
  • Veja o diagrama abaixo.

    PIC

  • a = 392 329.6 = 1.19 (8.47)

E 8.1.7. Trace o gráfico das seguintes funções, calcule sua transformada de Fourier e trace o diagrama de magnitudes:

  • f(t) = e−|t| cos ⁡ (10t).
  • g(t) = e−t2∕2 cos ⁡ (10t).
  • h(t) = 0, t < −4, cos ⁡ (10t), − 4 ≤ t ≤ 4, 0, t > 4.

Resposta. Use o teorema da modulação. No caso c), considere h(t) = u(t − 4) − u(t + 4) cos ⁡ (10t).

E 8.1.8. Considere uma aproximação do diagrama de espectro de magnitudes de uma nota tocada por um instrumento musical e representado por uma função f(t):

PIC

  • Identifique a frequência fundamental wf (em rad/s) e ff (em Hz).
  • Identifique a nota musical correspondente a acelerar em 1,5 a velocidade de reprodução do sinal.
  • Identifique a nota musical correspondente a modular o sinal na frequência 1110π rad/s (f(t) cos ⁡ (1100πt)).
  • Identifique a nota musical correspondente à função f(2t).
  • Identifique a nota musical correspondente à função g(t) = f(t) + f(2t). Qual a sensação fisiológica produzida?

Resposta.
  • wf = 220π rad/s e ff = 110 Hz, equivalente ao Lá da escala 1.
  • Mi da escala 2.
  • Lá da escala 1.
  • Lá da escala 2.
  • Lá da escala 1. Percebe-se alteração na composição harmônica da nota, isto é, identicamos como uma alteração de timbre.

Creative Commons License Este texto é disponibilizado nos termos da licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada (CC-BY-SA 3.0). Página gerada em 26/7/2022 às 15:19:5.

Informe erros ou edite você mesmo!