5. SERIES DE FOURIER 5.1. Funciones ortogonales
5. SERIES DE FOURIER 5.1. Funciones ortogonales
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<strong>5.</strong>1. <strong>Funciones</strong> <strong>ortogonales</strong><br />
<strong>5.</strong> <strong>SERIES</strong> <strong>DE</strong> <strong>FOURIER</strong>
<strong>5.</strong>2. Conjuntos <strong>ortogonales</strong> y conjuntos ortonormales.
<strong>5.</strong>3. Definición de serie de Fourier
<strong>5.</strong>4. Convergencia de una serie de Fourier<br />
<strong>5.</strong><strong>5.</strong> Series de Fourier de una función de periodo arbitrario
<strong>5.</strong>6. Serie de Fourier de funciones pares e impares (desarrollo cosenoidal<br />
o senoidal)
<strong>5.</strong>7. Serie de Fourier en medio intervalo
<strong>5.</strong>8. Forma compleja de la serie de Fourier<br />
Antes de entrar al estudio de la serie de Fourier compleja de una función periódica,<br />
hagamos un breve repaso de algunos conceptos básicos y propiedades de los números<br />
complejos C, que usaremos continuamente en estas secciones.<br />
Los números complejos se definen como:<br />
donde<br />
La forma polar de un número complejo es:<br />
donde:<br />
Si usamos la identidad de Euler,<br />
entonces la forma polar se abrevia simplemente como .<br />
Tenemos algunas identidades importantes, ya que:<br />
Y por lo tanto obtenemos que,<br />
y<br />
Como no pretendemos adentrarnos de lleno en el estudio de los números complejos, con<br />
esto es suficiente, y en todo caso si algo se necesita mas adelante, lo mencionaremos de<br />
manera explícita.
Sea periódica con período fundamental p , y sea<br />
; por lo tanto la serie de Fourier de es:<br />
Usando las identidades anteriores, tenemos que equivale a:<br />
Si definimos:<br />
Entonces la serie de Fourier se puede escribir como:<br />
Ahora bien, sabemos que:<br />
y
Análogamente se ve que:<br />
Así pues, la serie de Fourier queda como sigue:<br />
O lo que es lo mismo:
En resumen, hemos podido escribir a la serie de Fourier de f(x) como sigue:<br />
Definición. (Serie de Fourier Compleja).<br />
Sea con período p sea . Definimos la<br />
serie de Fourier compleja de como sigue:<br />
donde:<br />
También se tiene el criterio de convergencia correspondiente.<br />
Definició. (Espectro de Frecuencias).<br />
El espectro de frecuencias de una función periodica es una gráfica de los puntos<br />
…<br />
para<br />
Ejemplo 1.<br />
Calcular la serie de Fourier compleja de la siguiente función, y tambien dibujar el<br />
espectro de frecuencias.<br />
Solución.<br />
-8 0 8<br />
6<br />
Tenemos que y para<br />
. De aquí que:
Como<br />
Por lo tanto, la serie de Fourier Compleja de f(x) es:<br />
La cual converge converge a:<br />
, entonces:<br />
Y por ser f(x) periódica, tiene el mismo comportamiento en los intervalos<br />
,…<br />
El espectro de frecuencias se ve como sigue:<br />
Ejemplo 2.<br />
Calcular la serie de Fourier compleja de<br />
Solución:<br />
constantes.<br />
,…<br />
con E ,<br />
En este caso, tenemos que (por qué?) y de aquí que<br />
Por lo tanto, los coeficientes quedan como sigue:
Pero sabemos que:
Por lo tanto,<br />
Por lo tanto, la serie de Fourier compleja de f(x) es:<br />
y esto, válido