Séries de Fourier
Coeficientes, simetria, períodos gerais, saltos e extensões de seno ou cosseno em meio intervalo.
Funções periódicas e a forma da série
O dente de serra sobe como entre e e volta ao início em cada período. Para o representar, somamos senos e cossenos com frequências múltiplas da fundamental. Ao contrário de Taylor, os coeficientes usam a função num período inteiro, através de integrais.
Uma função tem período se . Para uma função de período , a série de Fourier é
O símbolo associa a função à sua série. Só escrevemos igualdade nos pontos onde a soma coincide com a função. Cada termo é uma harmónica de frequência múltipla da fundamental.
Coeficientes: as fórmulas de Euler
As funções , e são ortogonais em . O integral do produto de duas funções distintas deste sistema é zero. Para , os integrais de e valem , enquanto .
Formalmente, assumindo convergência uniforme para trocar soma e integral, multiplicar por e integrar deixa apenas o termo . Por isso os coeficientes são
O fator acomoda a norma diferente da função constante. É o valor médio de num período.
Se é par, é ímpar e . Se é ímpar, . Para uma função par, os integrais dos cossenos podem escrever-se como o dobro do integral de a . Verifica a paridade antes de começar as contas.
Dente de serra
Considera a extensão periódica de em . É ímpar, logo todos os coeficientes são zero. O integrando é par:
Por partes, com e ,
Nos extremos, os senos anulam-se e . Então
A série é . Na figura, compara a soma finita (linha contínua) com a extensão periódica (tracejado) e observa o que acontece perto dos saltos e exatamente nos extremos, porque é aí que a convergência se comporta de forma diferente; o vídeo mostra a contribuição de cada harmónica para essa reconstrução progressiva:
Tracejado: dente de serra. Linha contínua: soma das primeiras N harmónicas. Os pontos em ±π marcam a soma zero, a média dos limites laterais, para qualquer N.
Convergência e o teorema da representação
Uma condição suficiente é que seja periódica e continuamente diferenciável por partes num período, com limites laterais finitos. A série converge para
Onde é contínua, isto é . Num salto, é a média dos limites laterais, independentemente do valor escolhido para no ponto. No dente de serra, em , os limites periódicos são e , logo a série soma zero. Todas as somas parciais também são zero nesse ponto, porque .
As somas finitas apresentam uma ultrapassagem perto dos saltos, o fenómeno de Gibbs. A zona torna-se mais estreita quando acrescentamos termos, mas a ultrapassagem relativa não desaparece. Não há convergência uniforme num intervalo que contenha o salto de uma função descontínua, porque as somas parciais são contínuas.
Função par: quadrado
Para a extensão periódica de em , temos e
Para , integra por partes com e . Como , o termo integrado anula-se e resta
Uma segunda integração por partes dá , logo o integral vale .
Logo e
A extensão é contínua nos extremos, por isso a igualdade também vale aí. Em , , portanto
Aqui deduzimos a soma da série numérica a partir da representação de Fourier.
Função por partes sem simetria
A função -periódica que vale zero em e em não tem simetria par nem ímpar, por isso precisa de ambas as famílias. Como a função é zero no ramo negativo, os integrais reduzem ao intervalo . O termo constante é , por isso a série começa em . Integrar por partes dá
Em , os dois limites laterais são zero e a série soma zero. Em , a média do limite esquerdo com o direito periódico zero dá , o que confere com os senos anulados e .
Período geral
Para período , com , substitui por :
A fórmula de usa cosseno igual a um. Se o intervalo dado tem comprimento mas começa noutro ponto, podes integrar nesse período completo com a mesma frequência.
Por exemplo, a função de período que vale zero em e um em tem . Para ,
Assim . Nos pontos de salto, a série soma .
Extensões em meio intervalo
Uma função dada apenas em não determina uma única extensão periódica. Temos de escolher a extensão.
Para a extensão par, a série só tem cossenos e
Para a extensão ímpar, só tem senos e . Ambas representam no interior onde é contínua, mas podem ter valores diferentes nos extremos.
Para em com período , o desenho mostra as duas extensões. Na ímpar, os limites em são e , e a série de senos soma . Na par, os dois limites são , e a série de cossenos soma .
Para em , a extensão par é a constante , sem harmónicas. Na extensão ímpar,
Obtemos para . Nos extremos, a série de senos soma zero. Sem especificar a extensão, um enunciado em meio intervalo admite respostas distintas.
Exercícios
Onda quadrada de amplitude dois
Desenvolve em Fourier a função 2π-periódica que vale −2 em e 2 em . Indica a soma nos saltos.
Pista
A função é ímpar fora dos pontos de salto.
Mais uma pista
Calcula .
Solução
Temos e
Logo só há índices ímpares e . Nos saltos em múltiplos de π, os limites são −2 e 2 e a série soma zero.
Confere a tua resposta:
- Usei a paridade.
- Obtive coeficientes oito sobre n pi nos índices ímpares.
- Indiquei soma zero nos saltos.
Erros frequentes
O valor constante é a_0/2. Uma função ímpar não tem termo constante. A média nos saltos não é o valor escolhido arbitrariamente no ponto.
Dente de serra com período quatro
A função tem período 4 e vale em . Obtém a série e a soma em . Compara esse valor com o da série de cossenos da extensão par de em , também de período .
Pista
Usa L=2 e frequências nπ/2.
Mais uma pista
A simetria elimina os cossenos. O coeficiente de seno é .
Solução
A função é ímpar, logo . Por partes,
Portanto . Em , a média dos limites e é zero. A extensão par é em : os dois limites periódicos em são , por isso a série de cossenos soma . As extensões coincidem em , mas têm limites periódicos diferentes no extremo.
Confere a tua resposta:
- Usei L=2.
- Obtive a frequência n pi sobre dois.
- Calculei os coeficientes e a soma zero no extremo.
- Comparei com a extensão par de x em zero a dois, cuja série soma dois em x=2.
Erros frequentes
O período altera tanto a frequência como a normalização dos coeficientes. Não copies sin(nx) de um período 2π.
Uma função par e uma soma numérica
Obtém a série de Fourier de em , com extensão periódica. Usa o valor em zero para calcular .
Pista
A função é par. Em zero é contínua.
Mais uma pista
Integra x cos(nx) por partes e usa cos(nπ)=(-1)^n.
Solução
Temos , e
Assim . Em zero, , portanto .
Confere a tua resposta:
- Calculei a constante e os coeficientes dos cossenos com a paridade.
- Anulei os coeficientes pares.
- Deduzi a soma pi²/8 sem a assumir.
Erros frequentes
A série é igual à função em zero porque é contínua aí. Não confundas a soma só dos índices ímpares com a soma de todos os 1/n².
Coeficientes de uma função sem paridade
A função -periódica vale zero em e em . Calcula os coeficientes de Fourier e a soma da série em zero e em .
Pista
Os integrais só contribuem de zero a . A função não é par nem ímpar. Nos coeficientes de seno, integra por partes duas vezes.
Solução
O termo , logo a constante é . A conta dos cossenos é metade da conta para a função par , pois não podemos dobrar o integral:
Para os senos, por partes,
A parcela de fronteira vale . Na restante, , logo
Assim, . A série é . Em zero os dois limites são zero. Em , o limite esquerdo é e o direito, vindo do início do período seguinte, é zero. As somas são respetivamente e .
Confere a tua resposta:
- Calculei a₀=π²/3, aₙ=2(−1)ⁿ/n² e os coeficientes de seno.
- Usei π²/6 como termo constante da série.
- Obtive soma zero em zero e π²/2 em π com limites periódicos.
