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Análise de Fourier - Um Livro Colaborativo

4.1 Forma harmônica


A forma harmônica, também chamada de forma amplitude-fase, da série de Fourier de uma função f(t) é dada conforme a seguir:

f(t) = A0 + ∑ n=1∞A n cos ⁡ (wnt − 𝜃n), (4.1)

onde wn = 2πn T , An são constantes não negativas chamadas de amplitude e 𝜃n são ângulos de fase. Para relacionar esta representação com a forma trigonométrica, usamos a identidade trigonométrica

cos ⁡ (a − b) = cos ⁡ (a) cos ⁡ (b) + sen ⁡ (a) sen ⁡ (b), (4.2)

com a = wnt e b = 𝜃n. Assim temos: f(t) = A0 + ∑ n=1∞A n cos ⁡ (wnt − 𝜃n) = A0 + ∑ n=1∞A n cos ⁡ (wnt) cos ⁡ (𝜃n) + sen ⁡ (wnt) sen ⁡ (𝜃n) = A0︸ a0∕2 + ∑ n=1∞[A n cos ⁡ (𝜃n)︸ an cos ⁡ (wnt) + An sen ⁡ (𝜃n)︸ bn sen ⁡ (wnt)]

Comparando os termos da representação trigonométrica, temos que: a0 2 = A0 an = An cos ⁡ (𝜃n) bn = An sen ⁡ (𝜃n)

Observe que

an2 + b n2 = A n2 (4.3)

e, como An ≥ 0 por hipótese, temos que

An = an 2 + bn 2. (4.4)

Também temos cos ⁡ (𝜃n) = an an 2 + bn 2 sen ⁡ (𝜃n) = bn an 2 + bn 2

Observe que sempre é possível converter uma forma na outra e os ângulos de fase estão unicamente definidos em cada volta do ciclo trigonométrico.

Exemplo 4.1.1. Considere um função periódica (T = 4) dada pelo gráfico


PIC


Os coeficientes de Fourier são dados por a0 2 = 1 4 ∫ 04f(t)dt = 1 4 ∫ 011dt = 1 4

an = 2 4 ∫ 04f(t) cos ⁡ (w nt)dt = 1 2 ∫ 01 cos ⁡ πn 2 tdt = 1 πn sen ⁡ πn 2 t01 = 0, npar 1 πn(−1)n−1 2 nímpar

bn = 2 4 ∫ 04f(t) sen ⁡ (w nt)dt = 1 2 ∫ 01 sen ⁡ πn 2 tdt = 1 πn − cos ⁡ πn 2 t01 = 1 πn, nímpar 1 πn 1 − (−1)n 2 npar







n an bn An 𝜃n





0 1 2 0 1 4





1 1 π 1 π 2 π π 4





2 0 1 π 1 π π 2





3 − 1 3π 1 3π 2 3π 3π 4





4 0 0 0





5 1 5π 1 5π 2 5π π 4






Tabela 4.1:

Para escrever a forma harmônica da série de Fourier da função f(t) calculamos as amplitudes An e as fases 𝜃n. Para n = 0, temos a0 = 1 2 e, portanto, A0 = a0 2 = 1 4. Para n = 1, temos a1 = b1 = 1 π e, consequentemente, A1 = 1 π2 + 1 π2 = 2 π e 𝜃1 = π 4 . Os cálculos foram repetidos de forma análoga para n = 2,3,4 e 5 e apresentados na tabela 4.1. Portanto, f(t) = 1 4 + 1 π 2 cos ⁡ π 2t − π 4 + cos ⁡ πt − π 2 + + 2 3 cos ⁡ 3π 2 t − 3π 4 + 2 5 cos ⁡ 5π 2 t − π 4 + ⋯

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