Series de fourier

Universidad de Santiago de Chile Autores: Miguel Martínez Concha
Facultad de Ciencia Carlos Silva Cornejo
Departamento de Matemática y CC Emilio Villalobos Marín

1 Ejercicios Resueltos
(ejemplar de prueba)

Mediante la inclusión de ejercicios resueltos se espera que los es-
tudiantes tengan portunidad de movilizar sus capacidades para bus-
car, analizar, procesar, representar y comunicar diferentes tipos de
información, decodi…cando y traduciendo la información contenida
en las funciones, grá…cos, series de Fourier, integrales de Fourier y
sus propiedades.

1.1 Problema 1.
i) Desarrollar en serie de Fourier la función periódica de período 2 .Representar
gra…camente y estudiar la convergencia de la serie en R:

0 si x 0
f (x) =
x si 0 x

Solución:
i) Calculo de los coe…cientes de Fourier.
" #
1
R 1
R
0 R 1
R
a0 = 2 f (x)dx = 2 f (x)dx + f (x)dx = 2 xdx
0 0
h 2i
1 x
a0 = 2 2 = 4
0
R R
an = 1 f (x) cos(nx)dx = 1 x cos(nx)dx
0
Usando hel método de integración h partes se tiene: i
i por
n
1 x cos(nx) cos(nx)
an = n + n2 = 1
0 0 + ( n1)
2
1
n2
0
( 1)n 1 0 para n par
an = n2 = 2
n2 para n impar
así:
a2n = 0 8n
a2n 1 = (2n 21)2 8 n:
R R
bn = 1 f (x) sin(nx)dx = 1 x sin(nx)dx
0
h i
x cos(nx) sin(nx)
= 1
n + n2 = cos(n )
n
0
luego el coe…ciente es:
n+1
bn = ( 1)n

1

Por lo tanto, la serie de Fourier será:
1
" #
X 2 ( 1)
n+1
+ 2 cos ((2n 1) x) + sin(nx)
4 n=1 (2n 1) n

En todos los puntos de continuidad la serie converge a f (x) y en los puntos
de discontinuidad del tipo x = + 2n con n 2 Z, la serie converge a 2 :

ii) A partir del resultado anterior obtenga la suma de la serie:
1
X 1
n=1
(2n 1)2

Solución.(ii)
Evaluando en x = 0 se tiene

2 1 1 1
0= + 2 + 2 + :::
4 12 3 5
de donde
2 1 1 1
= 2
+ 2 + 2 + :::
4 1 3 5
y de aquí
1
X 2
1
=
n=1
(2n 1)2 8

1.2 Problema 2
i) Desarrollar en serie de Fourier la función periódica de período 2 , de…nida
por:

f (x) = x2 ; x
ii) A partir del resultado obtenido calcular la suma de:
1
X 1

n=1
n2
1
X 1
iiI) Determine la convergencia de la serie
n=1
n4
Solución:
i) La función f es par por lo cual obtendremos una serie de cosenos, que
tiene la forma:
1
X
a0 + an cos (nx)
n=1

2

R R h i
1 1 1 x3 2
a0 = f (x)dx = x2 dx = 3 = 3
0 0 0

2
R 2
R
an = f (x) cos(nx)dx = x2 cos(nx)dx
h 0 i 0
x2 sin(nx) 4( 1)n
an = n + 2x cos(nx)
n2 = 4 cos(n )
n2 = n2
0
Luego, la serie es:
2 1
X ( 1)n
+4 cos (nx)
3 n=1
n2
Como la función es continua en R ,entonces:
2 1
X ( 1)n
x2 = +4 cos (nx) ; todo x real.
3 n=1
n2

Solución (ii)

2
La serie numérica se puede obtener haciendo x = y f( ) = ;
2
2 1 1 1
= 4 :::
3 12 22 32

de donde
1
X 1 2 2
1
= =
n=1
n2 4 3 6

iii) Como la función f es seccionalmente suave para x y f( )=
f ( ) se cumplen
las condiciones de su…ciencia de la identidad de Parseval entonces
Z 2 1
X 4 ( 1)n 2
1 2
x2 dx = 2 + =)
3 n=1
n2
1
X 16
1 x5 2 4
= + =)
5 9 n=1
n4
1
X 1 4
=
n=1
n2 90

1.3 Problema 3

Sea f (x) = x(sin x); si < x < ; entonces:

i) Determine la serie de esta función.

3

ii) Pruebe la convergencia de la serie:
1
X ( 1)n 1
=
n=1
n2 1 4

Solución:
i) La función f (x) es par, es decir f (x) = f ( x) 8 x 2 ( ; ); entonces:
bn = 0
R R R
a0 = 1 f (x)dx = 1 x sin xdx = 1 [x ( cos x)]0 + cos xdx = 1
0 0 0
2
R 2
R
an = f (x) cos(nx)dx = x sin x cos(nx)dx
0 0
Para n 6= 1
R 2( 1)n+1
an = 1 x [sin ((n + 1) x) sin ((n 1) x)] dx = n2 1
0
Para n = 1
R R
a1 = 2 x sin x cos xdx = 1
x sin(2x)dx = 1
2
0 0
Por lo tanto, la serie es:
1
X ( 1)n+1
1
x sin x = 1 cos x + 2 cos (nx)
2 n=2
n2 1

ii) En x = 0 hay un punto de continuidad de la función, entonces la serie
converge a f (0)
1
X ( 1)n+1
1
f (0) = 0 = 1 cos 0 + 2 cos (0)
2 n=2
n2 1
Finalmente
1
X ( 1)n+1 1
=
n=2
n2 1 4

1.4 Problema 4
i) Para f (x) = e [x] , 0 x 2 obtener su serie de Fourier en cosenos, periódica
de período 4.
ii) Del resultado determinar la convergencia de:
1
X ( 1)n 1

n=1
2n 1

Solución: Evaluando la función parte entera tenemos

4

8
<
1 si 0 x < 1
f (x) = e 1 si 1 x < 2
:
e 2 si x=2
Con extensión par fp (x) de f (x) se obtiene la serie:
1
X n x
a0 + an cos
n=1
2

1
R
1 R
2
1 1 1
a0 = 2 1dx + e dx = 2 1+e
0 1
R
1 R
2
sin n x
1 sin
n x
an = cos n2 x dx + e 1
cos n2 x dx = n
2
j1 + e
0 n
2
j2
1
2 2
0 1
sin n 1 sin n sin n
sin n 1
=2 n
2
+ 2e n
2
=2 n
2
1 e

Finalmente, la serie es:
1 1
X sin n
1+e 1 2 n x
+ 2(1 e ) cos
2 n=1
n 2
1
ii) Convergencia de x0 = 2 punto de discontinuidad con límites laterales e
se tiene convergencia:
1 1
X sin n
1 1+e 1 2
e = + 2(1 e ) cos n
2 n=1
n
1 1
X sin n
e 1 1 2
= 2(1 e ) cos n
2 n=1
n
1
X 1
=
n=1
2n 1 4

1.5 Problema 5

Utilice la serie de Fourier para demostrar la identidad trigonométrica
3 1
sin3 (x) = sin(x) sin(3x)
4 4
Solución:
Se calcula la serie de Fourier de f (x) = sin3 (x) en [ ; ] : Como f (x) es
impar la serie será:
1
X Z
2
bn sin n con bn = sin3 (x) sin(nx)dx
n=1 0

5

En primer lugar, calculemos la integral para n 6= 1
R R
sin3 x sin nxdx = sin3 x cos nx j0 + n sin2 x cos x cos nxdx
n
3
0 0
Usando la identidad trigométrica: cos x cos nx = cos(n 1)x
2
cos(n+11)x

R
= 2n sin2 x [cos(n 1)x cos(n + 1)x] dx
3
(1)
0

En segundo lugar, calculemos el valor del coe…ciente b1 para n = 1 en (1)
R R R
b1 = 1 3 sin2 x cos 2xdx = 43 (1 cos 2x) cos 2xdx = 43 1 cos 4x dx
2 2
0 0 0
23 3
b1 = 4 2 = 4

En tercer lugar, para n > 1 en (1)
sin(n+1)x sin(n 1)x R sin(n+1)x sin(n 1)x
bn = 3
2n sin2 x n+1 + n 1 j0 n+1 + n 1 sin 2xdx
0
3
R sin(n+1)x sin(n 1)x
bn = 2n n+1 + n 1 sin 2xdx
0
Usando la identidad trigonometrica
3 1 1
R
bn = 2n n+1 2 (cos(n + 1)x cos(n + 3)x) dx
0
3 1 1
R
2n n 1 2 (cos(n 3)x cos(n + 1)x)dx = 0; 8 n 6= 3
0

Para n = 3 el cálculo directo, produce:
b3 = 2 3 2 2 2 = 1
3
4
Por lo tanto, la serie de Fourier resultante es:
3 1
sin(x) sin(3x)
4 4
Luego, por el teorema de la convergencia dada la continuidad de f se tiene
lo requerido.

1.6 Problema 6

Halle la representación de la integral de Fourier de la función f (t) = e at si
t > 0 considerando una extensión par de f (t) y estudie la convergencia en R:
Solución:
e at si t > 0
Sea fp (t) = ;así de…nida es una función par, luego:
eat si t < 0

6

Z1 Z1
au
A(w) = 2 f (u) cos(wu)du = 2 e cos(wu)du
0 0
Zb
au
= 2 lim e cos(wu)du
b!1
0
au b
e
= 2 lim ( a cos(wu) + w sin(wu))
b!1 a2 + w2 0
ab
e a
= 2 lim ( a cos(wb) + w sin(wb)) +
b!1 a2 + w2 a2 + w2
2a
=
a2 + w2
Entonces la integral de Fourier de f (t) es:
Z1 Z1
1 2a 2a cos(wx)
cos(wx)dw = dw
a2 + w2 a2 + w2
0 0
Como la funcion es continua en R;aplicando el criterio de la convergencia, la
integral converge a f (t):
Z1
cos(wx) ax
dw = e
a2 + w2 2a
0

1.7 Problema 7
jxj
Halle la representación de la integral de Fourier de la función f (x) = xe si
x 2 ( 1; 1) y estudie su convergencia en R:

Solución:
Se tiene que f (x) es una función impar. Examinemos, si se cumplen las
condiciones de existencia de integral de Fourier.
En primer lugar

Z1 Z1
jxj x
xe dx = 2 xe dx
1 0
2 3
Z1

= 2 4 xe x 1
j0 + e x
dx5
0
= 2 1=2

7

Además, f es continua y diferenciable 8x.
Los coe…cientes de Fourier de f son:

A(w) = 0 ya que f es una función impar
Z1
4w
B(w) = ue juj sin(wu)du = 2
(1 + w2 )
1

Entonces, para todo x la integral de Fourier converje a:
Z1
x 4 w
xe = 2 sin(wx)dw
(1 + w2 )
0

1.8 Problema 8
Sea f la función pulso rectangular unitario de período 2 de…nida
1
2 si <x<
por f (x) = a) Representar gra…ca-
0 si 1 x< ó <x 1
mente f (x)
b) Obtener la serie de Fourier de f (x) .
c) Si an ( ) es el coe…ciente n-ésimo de la serie anterior, calcular los límites:

lim ( lim+ (an ( )) ; lim+ ( lim (an ( )))
n!1 !0 !0 n!1

Solución:
b) Como f es una función par de período 2 ,entonces :

Z1 Z
1 1
a0 = f (x) dx = dx =
2 2
0 0
Z1 Z
1 1 sen(n )
an = 2 f (x) cos(n x)dx = 2 cos (n x) dx = = an ( )
2 n
0 0
bn = 0 8n

Luego, se tiene que:
1
1 1 X sen(n )
f (x) + cos (n x) ; x 2 [ 1; 1]
2 n=1
n

c) En primer lugar calculemos:

8

1 sen(n )
lim+ ( lim (an ( ))) = lim+ ( lim ) = lim+ (0) = 0
!0 n!1 !0 n!1 n !0
n!1

En segundo lugar

1 sen(n )
lim ( lim+ (ak ( )) = lim ( lim+ ) = lim (1) = 1
n!1 !0 n!1 !0 n n!1

1.9 Problema 9.

Dada la función f (x) = xe x con x > 0;
a) Veri…que que considerando las extensiones par e impar de la función f :
Z 1 Z 1
1 w2 2w
2 )2
cos wx dw = senwx dw
0 (1 + w 0 (1 + w2 )2
b) Estudiar la convergencia de la IF parar deducir que:
Z 1 Z 1
1 w2
dw = dw
0 (1 + w2 )2 0 (1 + w2 )2
Solución
Consideremos para f (x) = xex con x > 0 la extensión par

xe x si x > 0
fp (x) = =)
xex si x < 0
Z
1 Z
1
1 x
fp (x) A (w) cos wxdw con A (w) = 2 xe cos wx dx
0 0

Ahora, consideremos la extensión impar de f

xe x si x > 0
fi (x) = =)
xex si x < 0
Z
1 Z
1
1 x
fi (x) B (w) senwxdw con B (w) = 2 xe senwx dx
0 0

Podemos calcular los coe…cientes A (w) y B (w) integrando por partes:

9

Z
1
x
A (w) = 2 xe cos wx dx =)
0
" #1
x
xe x
( cos wx + wsenwx) e ( 1 w2 cos wx 2wsenwx)
A (w) = 2 2
(1 + w2 ) (1 + w2 ) 0
2
1 w
A(w) = 2
(1 + w2 )2

Z
1
x
B (w) = 2 xe senwx dx =)
0
" #1
x
xe x
( senwx w cos wx) e ( 1 w2 senwx + 2w cos wx)
B (w) = 2 2
(1 + w2 ) (1 + w2 ) 0
2w
B(w) = 2
(1 + w2 )2

Construyendo las respectivas integrales de Fourier y aplicando el teorema
de la convergencia , puesto que f es una función seccionalmente 8x > 0 ,se tiene
que :

Z
1
x 2 1 w2
xe = cos wxdw
(1 + w2 )2
0
Z
1
x 2 2w
xe = senwxdw
(1 + w2 )2
0

Por lo tanto, las extensiones son iguales:
Z
1 Z
1
1 w2 2w
cos wx dw = senwx dw
(1 + w2 )2 (1 + w2 )2
0 0

b) En x = 0 se tiene un punto en que estas extensiones son continuas, luego
ambas integrales convergen a f (0) = 0
Z
1 Z
1 Z
1
1 w2 1 w2
dw = 0 =) dw = dw
(1 + w2 )2 (1 + w2 )2 (1 + w2 )2
0 0 0

10

1.10 Problema 10.
Z
1
1
Si f (x)es una función par ,con integral de Fourier f (x) = A (w) cos(wx)dw,
0
Z
1
1 dA(w)
demuestre que: a) xf (x) = A (w) cos(wx)dw; donde A (w) = dw
0
Z
1
1 d2 A(w)
b) x2 f (x) = A (w) cos(wx)dw; donde A (w) = dw2
0
Solución
Z
1
1
a) Se tiene que xf (x) = A (w) sen(wx)dw; es una función impar,
0
Z
1

entonces A (w) = 2 v f (v) sen(wv)dv (1):
0
Z
1 Z
1
1
Como f (x) = A (w) cos(wx)dw con A (w) = 2 f (v) cos(wv)dv:
0 0
Z
1
dA(w)
Entonces, derivando el coe…ciente queda dw = 2 vf (v) sen(wv)dv (2)
0
Por lo tanto, comparando (1) y (2) se tiene dA(w) = A (w)
dw
Z
1

b) Como x2 f (x) = 1 A (w) cos(wx)dw; es una función par,
0
Z
1
2
entonces A (w) = v 2 f (v) cos(wv)dv (1)
0
Z
1 Z
1
1
Como, f (x) = A (w) cos(wx)dw con A (w) = 2 f (v) cos(wv)dv:
0 0
Z
1
dA(w)
Por consiguiente dw = 2 vf (v) sen(wv)dv =)
0
Z
1
2
d A(w)
dw2 = 2 v 2 f (v) cos(wv)dv (2)
0
2
Por lo tanto, comparando (1) y (2)se tiene d dw2 =
A(w)
A (w) :

11

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