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Análise de Fourier - Um Livro Colaborativo

3.2 Séries de Fourier


Definição 3.2.1. Seja T > 0, definimos polinômio trigonométrico de grau N uma função do tipo:

f(t) = a0 2 + ∑ n=1N a n cos ⁡ (wnt) + bn sen ⁡ (wnt) (3.9)

onde wn = 2πn T .

Definição 3.2.2. Seja T > 0, definimos série trigonométrica toda função do tipo:

f(t) = a0 2 + ∑ n=1∞ a n cos ⁡ (wnt) + bn sen ⁡ (wnt) (3.10)

onde wn = 2πn T .

Exemplo 3.2.1. Mostre que T é um período para séries e polinômios trigonométricos acima definidos.

Teorema 3.2.1 (Relações de ortogonalidade). As funções trigonométricas admitem as seguintes relações de ortogonalidade:

∫ 0T sen ⁡ 2πnt T sen ⁡ 2πmt T dt = 0, n≠m T 2 , n = m≠0 (3.11a) ∫ 0T cos ⁡ 2πnt T cos ⁡ 2πmt T dt = 0, n≠m T 2 , n = m≠0 T , n = m = 0 (3.11b) ∫ 0T cos ⁡ 2πnt T sen ⁡ 2πmt T dt = 0 (3.11c)

aqui n e m são inteiros não negativos.

Demonstração. Para obter (3.11a), usamos a seguinte identidade trigonométrica:
sen ⁡ (a) sen ⁡ (b) = cos ⁡ (a − b) − cos ⁡ (a + b) 2 (3.12)

com a = 2πnt T e b = 2πmt T , isto é:

sen ⁡ 2πnt T sen ⁡ 2πmt T = cos ⁡ 2π(n−m)t T − cos ⁡ 2π(n+m)t T 2 (3.13)

Se n = m≠0, temos:

∫ 0T sen ⁡ 2πnt T sen ⁡ 2πmt T dt = 1 2 ∫ 0T 1 − cos ⁡ 4πnt T dt = T 2 (3.14)

Se n≠m, temos:

∫ 0T sen ⁡ 2πnt T sen ⁡ 2πmt T dt = 1 2 ∫ 0T cos ⁡ 2π(n − m)t T − cos ⁡ 2π(n + m)t T dt = 0 (3.15)

Para obter (3.11b), usamos a seguinte identidade trigonométrica:

cos ⁡ (a) cos ⁡ (b) = cos ⁡ (a − b) + cos ⁡ (a + b) 2 (3.16)

com a = 2πnt T e b = 2πmt T , isto é:

cos ⁡ 2πnt T cos ⁡ 2πmt T = cos ⁡ 2π(n−m)t T + cos ⁡ 2π(n+m)t T 2 (3.17)

Se n = m≠0, temos:

∫ 0T cos ⁡ 2πnt T cos ⁡ 2πmt T dt = 1 2 ∫ 0T 1 + cos ⁡ 4πnt T dt = T 2 (3.18)

Se n≠m, temos: Caso n = m = 0, então cos ⁡ 2πnt T = 1, isto é:

∫ 0T cos ⁡ 2πnt T cos ⁡ 2πmt T dt = ∫ 0T 1dt = T (3.19)

Para obter (3.11c), usamos a seguinte identidade trigonométrica:

cos ⁡ (a) sen ⁡ (b) = sen ⁡ (a + b) + sen ⁡ (a − b) 2 (3.20)

com a = 2πnt T e b = 2πmt T , isto é:

cos ⁡ 2πnt T sen ⁡ 2πmt T = sen ⁡ 2π(n+m)t T + sen ⁡ 2π(n−m)t T 2 (3.21)

E integrando conforme feito para os casos anteriores, temos o resultado.

■

Teorema 3.2.2. Seja f(t) uma função definida por uma série trigonométrica da forma

f(t) = a0 2 + ∑ n=1∞ a n cos ⁡ (wnt) + bn sen ⁡ (wnt) (3.22)

Então sob determinadas hipóteses de convergência, os coeficientes an e bn são dados pelas seguintes expressões:

a0 = 2 T∫ 0T f(t)dt = 2 T∫ −T∕2T∕2f(t)dt (3.23a) an = 2 T∫ 0T f(t) cos ⁡ (w nt)dt = 2 T∫ −T∕2T∕2f(t) cos ⁡ (w nt)dt (3.23b) bn = 2 T∫ 0T f(t) sen ⁡ (w nt)dt = 2 T∫ −T∕2T∕2f(t) sen ⁡ (w nt)dt (3.23c)

onde wn = 2πn T .

Demonstração.Multiplicamos a equação (3.22) por cos ⁡ (wmt) e obtemos
cos ⁡ (wmt)f(t) = a0 2 cos ⁡ (wmt)+∑ n=1∞ a n cos ⁡ (wnt) cos ⁡ (wmt) + bn sen ⁡ (wnt) cos ⁡ (wmt) . (3.24)

Seguimos integrando em [0,T] e temos: ∫ 0T cos ⁡ (w mt)f(t)dt = ∫ 0T a0 2 cos ⁡ (wmt)dt + ∑ n=1∞ a n ∫ 0T cos ⁡ (w nt) cos ⁡ (wmt)dt + bn ∫ 0T sen ⁡ (w nt) cos ⁡ (wmt)dt.

Pelo teorema 3.2.1, se m≠n, as parcelas do lado direito são nulas. A única parcela não nula é aquela onde m = n. Supondo m = n≠0, temos:

∫ 0T cos ⁡ (w mt)f(t)dt = amT 2 , (3.25)

onde obtemos a expressão (3.23b). Supondo m = n = 0, obtemos a expressão (3.23a). Um argumento análoga para calcular bn.

■

Observação 3.2.1. Observe que como cos ⁡ (0) = 1, a fórmula de an com n = 0 recai na fórmula para a0.

Definição 3.2.3. Seja f(t) uma função T-periódica integrável em [0,T]. Definimos como a série de Fourier associada à função f, a série trigonométrica cujos coeficientes são dados por (3.23).

Observe que a série de Fourier de uma função f(t) não é necessariamente igual a função f(t). De fato, não se pode se quer garantir que a série de Fourier associada a uma função integrável seja convergente. Estas questões teóricas fogem do escopo do nosso curso e são normalmente tratadas em cursos de análise matemática (veja, por exemplo, [?], [?] e [?]).

Teorema 3.2.3. Seja f uma função periódica de período T, suave por partes e descontínua no máximo em um número finito de saltos dentro de cada intervalo, então a série de Fourier converge em cada ponto t para

f(t+) + f(t−) 2 , (3.26)

onde f(t+) e f(t−) são os limites laterais à direita e à esquerda, respectivamente. Observe que nos pontos t onde f(t) é contínua, então f(t+) = f(t−) e a série de Fourier converge para f(t).

Exemplo 3.2.2. Seja f(t) uma função dada por f(t) = |t|, − 1 ≤ t < 1 f(t + 2) = f(t),∀ ⁡t ∈ ℝ.

Essa função é suave por partes e contínua em todos os pontos. Portanto se aplica o teorema 3.2.3.

PIC

Observamos que essa é uma função par, ou seja, f(t) = f(−t). A fim de explorar essa simetria, utilizaremos as fórmulas (3.23) envolvendo integrais simétricas, isto é, a0 = 2 T∫ −T∕2T∕2f(t)dt an = 2 T∫ −T∕2T∕2f(t) cos ⁡ (w nt)dt bn = 2 T∫ −T∕2T∕2f(t) sen ⁡ (w nt)dt

onde T = 2 e wn = 2πn T = πn. Logo,

a0 = ∫ −11|t|dt = 2 ∫ 01tdt = 2 t2 2 01 = 1

an = ∫ −11|t| cos ⁡ (πnt)dt = 2 ∫ 01t cos ⁡ (πnt)dt = 2 t sen ⁡ (πnt) πn 01 − 2 ∫ 01 sen ⁡ (πnt) πn dt = 2 t sen ⁡ (πnt) πn + cos ⁡ (πnt) π2n2 01 = 2(−1)n − 1 π2n2

bn = ∫ −11|t| sen ⁡ (πnt)dt = 0.

onde se usou que |t|, |t| cos ⁡ (πnt) são funções pares em t e |t| sen ⁡ (πnt) é ímpar em t. Assim, temos

f(t) = 1 2 − 4 π2 cos ⁡ (πt) + 1 32 cos ⁡ (3πt) + 1 52 cos ⁡ (5πt) + ⋯ (3.27)

Observe que, quando t = 0, obtemos como subproduto da série de Fourier da f(t) a soma da seguinte série numérica:

1 + 1 32 + 1 52 + ⋯ = π2 8 . (3.28)

A figura 3.1 apresenta os gráficos da série que representa a função f(t) com um termo, dois termos e três termos.


PIC


Figura 3.1: Gráficos de f0(t) = 1 2 (azul), f1(t) = 1 2 − 4 π2 cos ⁡ (πt) (verde) e f2(t) = 1 2 − 4 π2 cos ⁡ (πt) + 1 32 cos ⁡ (3πt) (vermelho).


Exemplo 3.2.3. Seja g(t) uma função dada por g(t) = −1, − 1 < t < 0 g(t) = 0,t = 0out = 1 g(t) = 1,0 < t < 1 g(t + 2) = g(t),∀ ⁡t ∈ ℝ.

Essa função é suave por partes e contínua em todos os pontos exceto por saltos nos inteiros, onde a função vale a média aritmética dos limites laterais. Portanto se aplica o teorema 3.2.3.


PIC


Observamos que essa é uma função ímpar, ou seja, f(t) = −f(−t). Novamente, utilizaremos as fórmulas (3.23) envolvendo integrais simétricas:

a0 = ∫ −11g(t)dt = 0

an = ∫ −11g(t) cos ⁡ (πnt)dt = 0

bn = ∫ −11g(t) sen ⁡ (πnt)dt = 2 ∫ 01g(t) sen ⁡ (πnt)dt = 2 ∫ 01 sen ⁡ (πnt)dt = 2 πn − cos ⁡ (πnt) 01 = 21 − (−1)n πn

Logo,

g(t) = 4 π sen ⁡ (πt) + 1 3 sen ⁡ (3πt) + 1 5 sen ⁡ (5πt) + ⋯. (3.29)

A figura 3.2 apresenta os gráficos da série que representa a função g(t) com um termo, dois termos, três termos e quatro termos.


PIC


Figura 3.2: Gráficos de g0(t) = 4 π sen ⁡ (πt) (azul), g1(t) = 4 π sen ⁡ (πt) + 1 3 sen ⁡ (3πt) (verde), g2(t) = g(t) = 4 π sen ⁡ (πt) + 1 3 sen ⁡ (3πt) + 1 5 sen ⁡ (5πt) (vermelho) e g3(t) = g(t) = 4 π sen ⁡ (πt) + 1 3 sen ⁡ (3πt) + 1 5 sen ⁡ (5πt) + 1 7 sen ⁡ (7πt) (preto).


Exemplo 3.2.4. Seja h(t) uma função dada por f(t) = t,0 < t < 1 f(t) = 1 2,t = 1 f(t + 1) = f(t),∀ ⁡t ∈ ℝ.

Essa função é suave por partes e contínua exceto por salto nos inteiros onde h(t) assume o valor médio dos limites laterais. Portanto se aplica o teorema 3.2.3.


PIC


Utilizaremos as fórmulas (3.23) envolvendo integrais no intervalo [0,1], isto é,

a0 = 2 ∫ 01tdt = 2 t2 2 01 = 1

an = 2 ∫ 01t cos ⁡ (2πnt)dt = = 2 t sen ⁡ (2πnt) 2πn 01 − 2 ∫ 01 sen ⁡ (2πnt) 2πn dt = 2 t sen ⁡ (2πnt) 2πn + cos ⁡ (2πnt) 4π2n2 01 = 0

bn = 2 ∫ 01t sen ⁡ (2πnt)dt = = 2 −t cos ⁡ (2πnt) 2πn 01 + 2 ∫ 01 cos ⁡ (2πnt) 2πn dt = 2 −t cos ⁡ (2πnt) 2πn + sen ⁡ (2πnt) 4π2n2 01 = − 1 πn

Logo,

h(t) = 1 2 − 1 π sen ⁡ (2πt) + 1 2 sen ⁡ (4πt) + 1 3 sen ⁡ (6πt) + ⋯. (3.30)

Observação 3.2.2. Os coeficiente bn da série de Fourier de uma função par são nulos bem como os coeficiente an da série de Fourier de uma função ímpar também o são.

Exemplo 3.2.5. Demonstre a observação 3.2.2.

Exercícios


E 3.2.1. Considere a função periódica de período T dada na região (−T∕2,T∕2) por

f(t) = 0, − T∕2 ≤ t < −d∕2, 1, − d∕2 ≤ t ≤ d∕2, 0, d∕2 < t ≤ T∕2. (3.31)

onde d é uma constante entre 0 e T. Estude a paridade desta função. Encontre sua representação em série de Fourier.

Resposta. a0 2 = 1 T∫ −T∕2T∕2f(t)dt = 1 T∫ −d∕2d∕2dt = d T an = 2 T∫ −T∕2T∕2f(t) cos ⁡ (w nt)dt = 2 T∫ −d∕2d∕2 cos ⁡ (w nt)dt = 2 T sen ⁡ (wnt) wn −d∕2d∕2 = 4 wnT sen ⁡ (wnd∕2)

Como wn = 2πn T , temos an = 2 πn sen ⁡ πnd T e, portanto

f(t) = d T + ∑ n=1∞a n cos ⁡ (wnt) = d T + 2 π∑ n=1∞1 n sen ⁡ πnd T cos ⁡ (wnt) (3.32)

E 3.2.2. Calcule a soma da série

f(t) = ∑ n=0∞bn sen ⁡ (nt) (3.33)

onde 0 < b < 1 e mostre que

f(t) = b sen ⁡ (t) 1 − 2b cos ⁡ (t) + b2. (3.34)

Com base neste resultado, obtenha o valor da integral definida dada por

∫ 02π b sen ⁡ (t) sen ⁡ (kt) 1 − 2b cos ⁡ (t) + b2dt. (3.35)

Resposta. Dica: Lembre que sen ⁡ (x) = eix−e−ix 2i

E 3.2.3. Considere a função periódica de período T dada para − T∕2 < t < T∕2 por

f(t) = t, |t|≤ d∕2, 0, d∕2 < |t| < T∕2, (3.36)

onde 0 < d ≤ T. Calcule sua representação em série de Fourier. Estude o caso particular d = T. Dica: ∫ ⁡u cos ⁡ (u)du = cos ⁡ (u) + u sen ⁡ (u) + C e ∫ ⁡u sen ⁡ (u)du = sen ⁡ (u) − u cos ⁡ (u) + C

Resposta. bn = 4 T ∫ ⁡0d∕2t sen ⁡ (w nt)dt = T sen ⁡ πdn T −dnπ cos ⁡ πdn T π2n2

E 3.2.4. Trace o gráfico e obtenha a representação em série de Fourier das seguintes funções:

  • f(t) = | sen ⁡ (πt)|
  • g(t) = ∑ ⁡ n=−∞∞δ(t − nT) onde T > 0.

Resposta.
  • f(t) = 2 π − 4 π ∑ ⁡ n=1∞ cos ⁡ (2nπt) 4n2−1

    PIC

  • g(t) = 1 T + 2 T ∑ ⁡ n=1∞ cos ⁡ 2πn T t

    PIC

E 3.2.5. Use o item a do exercício anterior para obter uma representação em Série de Fourier da função

h(t) = | cos ⁡ (πt)|. (3.37)

Resposta. h(t) = f 1 2 − t = 2 π − 4 π∑ n=1∞ cos ⁡ nπ − 2nπt 4n2 − 1 = 2 π − 4 π∑ n=1∞(−1)n cos ⁡ 2nπt 4n2 − 1

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