Q1: Séries de Fourier

o que é?

Simplifica a visualização e manipulação de funções complexas

forma geral da série:

Uma forma de série trigonométrica usada para representar funções infinitas e periódicas complexas dos processos físicos, na forma de funções simples como seno e cosseno

onde os coeficientes a0, an e bn variam de acordo com a função que será representada, no período fundamental 2L.

r(t)=a02+n=1[ancos(nπtL)+bnsen(nπtL)]

Esses coeficientes são as amplitudes de cada onda em série.

São obtidos pelas seguintes fórmulas:

$$ a_0 = \frac{1}{L}\int\limits_{c}^{c+2L} f(t)dt $$

$$ a_n = \frac{1}{L} \int\limits_{c}^{c+2L}f(t)cos(\frac{n \pi t}{L})dt$$

$$ b_n = \frac{1}{L} \int\limits_{c}^{c+2L}f(t)sen(\frac{n\pi t}{L})dt $$

exemplo

aplicações

Criada em 1807 por Jean Baptiste Joseph Fourier

"Matemático francês reconhecido por iniciar a investigação sobre a decomposição de funções periódicas em séries trigonométricas convergentes, as chamadas séries de Fourier."

(1768-1830)

Técnicas de compactação digital

reprodução de músicas digitais por streaming

visualização de imagens online de rápido carregamento

cancelamento de ruído nos fones de ouvido

Propriedades

Funções pares e ímpares

Fenômeno de Gibbs

Teorema de Parseval

Considerando uma função f(t), com período T e representável por uma série de Fourier, a seguinte identidade é válida:

$$ \frac{1}{T}\int\limits_{0}^{T} |f(t)|^2 dt = \sum\limits_{n=-\infty}^{\infty} |C_n|^2 $$

A paridade das funções nas séries de Fourier transparecem nos coeficientes:

f(t) = função ímpar

$$a_0=0 $$

$$a_n=0, n\geq 1$$

$$ b_n=\frac{2}{L}\int\limits_{0}^{L}f(t)sen(\frac{n\pi t}{L})dt, n\geq 1 $$

f(t) = função par

Sinais discretos

Aplicações na matemática

Linearidade

Transformada da derivada e da integral

Simetria ou dualidade

Inversão temporal

Deslocamento na frequência

Deslocamento no tempo

Conjulgação

Modulação

Mudança de escala

"A convergência das somas parciais de séries de Fourier de funções suaves por partes em torno de um salto, encontra-se oscilações cujas amplitudes não convergem para zero."

$$b_n=0, n \geq 1$$

$$a_n=\frac{2}{L}\int\limits_{0}^{L}f(t)cos(\frac{n\pi t}{L})dt, n\geq0$$

A expansão da função f(x) que tem período 2π

image

coeficientes:

logo:

$$ f(x)=\frac{\pi}{2} + \sum\limits_{n=1}^{\infty}(\frac{2}{2n-1}sen[(2n-1)x]) $$

$$a_0=\pi$$

$$a_n=0$$

$$b_n=0, n=par$$

$$b_n=\frac{2}{n}, n=impar$$