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Análise de Fourier - Um Livro Colaborativo
3.1 Funções periódicas
Definição 3.1.1.Uma função édita periódica de período (também chamada de T-periódica) se existe uma constante positivatalque
(3.1)
para todo
Observação 3.1.1.Se uma função
é periódica de
período , então,
também é
periódica de período
onde ,
já que
(3.2)
Exemplo 3.1.1.As funções
e
são periódicas de período .
Exemplo 3.1.2.A função constante
é periódica e admite qualquer
como período.
Definição 3.1.2.Algumas funções periódicas admitem um menor período,chamado de período fundamental. A frequência fundamental éentãodada por e a frequência angular fundamental édada por .
Proposição 3.1.1.O período fundamental das funções e é.
Demonstração. Para provar isso, supomos que
é um
período de ,
isto é, para
todo . Em
especial, para ,
temos:
(3.3)
Logo, , onde
é um natural
positivo. Observe que
não pode ser o período fundamental, pois tomando
,
temos
(3.4)
Como, por construção do círculo trigonométrico, temos:
(3.5)
então é o período
fundamental. Observe que
é a frequência angular fundamental. Um raciocínio análogo vale para
.
Exemplo 3.1.3.Vamos calcular o período fundamental da função
. Ambas as parcelas
que compõem são
periódicas, com períodos
e , onde
e
são inteiros positivos.
A função é
periódica se existirem
e tais que
, ou seja,
. Isso implica em
. Essa identidade
só é possível se
for racional, pois
e
são inteiros. Por exemplo,
se
e ,
então
e os menores inteiros positivos que satisfazem a identidade são
e .
Logo, o período fundamental da função
é
e a frequência angular fundamental é ;
se
e ,
então
e os menores inteiros positivos que satisfazem a identidade são
e .
Logo, o período fundamental da função
é
e a frequência angular fundamental é ;
a função
não é periódica, pois não existem inteiros positivos
e
que satisfazem .
Teorema 3.1.1.Se éumafunção integrável -periódica,então o valor da integral definida dentro de um período não depende do pontoinicial, isto é:
(3.6)
não depende do valor .Em especial, vale a identidade:
(3.7)
Demonstração. Primeiro, escrevemos
, isto é, como um número
inteiro mais uma parte
fracionária e concluímos
que podemos escrever ,
onde ,
isto é .
Inserimos a mudança de variáveis
e :
(3.8)
Da periodicidade, temos que
e :
Como e
são
variáveis mudas, as integrais envolvidas podem ser escritas em termos de
da
seguinte forma:
Exercícios
E 3.1.1.Verifique as seguintes afirmações são verdadeiras e justifique:
1.
A soma de funções periódicas é uma função periódica.
2.
Toda função periódica possui uma representação em série de
Fourier.
3.
Séries de Fourier convergentes são contínuas.
4.
Seja
uma função real ímpar, então .
5.
Seja
uma função real par, então .
6.
Seja
uma função real ímpar diferenciável, então .
7.
Seja
uma função real par diferenciável, então .
8.
Seja
uma função real par diferenciável, então
é uma função ímpar.
9.
Seja
uma função real ímpar diferenciável, então
é uma função par.
10.
Seja
uma função real par integrável, então
é uma função ímpar.
11.
Seja
uma função real ímpar integrável, então
é uma função par.
12.
A única função real par e ímpar é a função .
13.
Toda função real pode ser escrita de forma única como a soma de
uma função ímpar e outra par.
Resposta. São verdadeiras: 4, 7, 8,9,10,11,12 e 13.
E 3.1.2.Identifique a paridade das seguintes funções. Verifique quais delas
são periódicas.
1.
.
2.
.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Resposta. São pares: 1,2,5,7, 8 e 10. É ímpar: 9. São periódicas:
2,3,5,6,7,8, 9 e 10.
E 3.1.3.Seja
um função periódica integrável de período
e .
Encontre uma condição necessária e suficiente para que
seja periódica de período .
Resposta. A condição é .
Lembre-se que você deve verificar que esta condição é necessária e
suficiente.
E 3.1.4. Encontre a frequência angular fundamental das seguintes funções
periódicas: