Aplicaciones de la Serie Fourier

Documentos relacionados
1 Ejercicios Resueltos

y = c n x n : Sustituyendo en la ecuación de partida obtenemos n=0 Si escribimos todas las potencias con el mismo exponente se obtiene:

SERIES E INTEGRALES DE FOURIER

SERIES E INTEGRALES DE FOURIER

Trabajo Práctico Nro. 9 ECUACIONES DIFERENCIALES EN DERIVADAS PARCIALES Y SERIES DE FOURIER

Series de Fourier Aplicación: Análisis de Señales

[e j N 2 e j N 2 ]...} (22)

α β la cual puede presentar

Prueba Integral Lapso / Área de Matemática Fecha: MODELO DE RESPUESTA (Objetivos del 01 al 11)

METODO DE ITERACION DE NEWTON

Composición de fundamental con tercera armónica Onda fundamental. Onda resultante

RESUMEN DE RESULTADOS IMPORTANTES ACERCA DE SUCESIONES Y SERIES

Unidad 1: Las Ecuaciones Diferenciales y Sus Soluciones

CUADRATURA GAUSSIANA

1. Sucesiones y series numéricas

UNIDAD 1 Ecuaciones Diferenciales de Primer Orden

INTRODUCCIÓN A LAS ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS

UNIDAD 2 Ecuaciones Diferenciales Lineales de Orden Superior

INTEGRAL INDEFINIDA. MÉTODOS DE INTEGRACIÓN

5.6 Serie de Fourier de funciones pares e impares (desarrollo cosenoidal o senoidal)

UNA APLICACIÓN ACÚSTICA DE LAS FUNCIONES DE BESSEL DE ORDEN ENTERO Y DE PRIMERA ESPECIE.

EJERCICIOS DE SERIES DE FUNCIONES

INTEGRAL INDEFINIDA. MÉTODOS DE INTEGRACIÓN 2 1+ x dx

Series alternadas Introducción

Ingeniería Industrial. Curso Departamento de Matemática Aplicada II. Universidad de Sevilla. Lección 5. Series.

Programa de Acceso Inclusivo, Equidad y Permanencia PAIEP. Universidad de Santiago de Chile. Series

R. Urbán Introducción a los métodos cuantitativos. Notas de clase Sucesiones y series.

SERIES POTENCIALES. 1.- Hallar el campo de convergencia de la serie potencial: 3 2 n. n n. 2 n = = ( ) ( 1)

Departamento de Matemáticas

Intervalos de Confianza basados en una muestra. Instituto de Cálculo

Sesión No. 6. Contextualización. Nombre: Funciones exponenciales y logarítmicas y el uso de las MATEMÁTICAS. progresiones aritméticas y geométricas.

3. Volumen de un sólido.

Series de números reales

una sucesión de funciones de A. Formemos una nueva sucesión de funciones {S n } n=1 de A de la forma siguiente:

Hoja de Problemas Tema 3. (Sucesiones y series)

Teoremas de convergencia. Integral sobre... Convergencia... Convergencia...

FUNCIÓN DE ONDA Y ECUACIÓN DE ONDA EN UNA DIMENSIÓN

Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (No Lineales)

Introducción al Método de Fourier. Grupo

Guía Semana 9 1. RESUMEN. Universidad de Chile. Ingeniería Matemática

Raices de Polinomios. Jorge Eduardo Ortiz Triviño

ECUACIONES DIFERENCIALES Problemas de Valor Frontera

6. Sucesiones y Series numéricas Series numéricas DEFINICIONES Y PROPIEDADES

Sucesiones. Límite de una

Definición 13.1 Llamamos serie trigonométrica a una serie de funciones reales, de la forma. + n +ib n

Técnicas para problemas de desigualdades

TRABAJO DE GRUPO Series de potencias

Identificación de Sistemas

Sucesiones. f : {1,2,...,r} S. Por ejemplo, la sucesión finita, (de longitud 4) de números primos menores que 10: 2,3,5,7

LÍMITES DE FUNCIONES REALES CON TENDENCIA A REAL

Sucesiones y series de números reales

Capítulo 9. Método variacional

Guía de estudio Fracciones parciales Unidad A: Clase 19 y 20

MÓDULO 1 INTEGRALES INDEFINIDAS

4.- Aproximación Funcional e Interpolación

L lim. lim. a n. 5n 1. 2n lim. lim. lim. 1 Calcula: Solución: a) 2

Sumatoria, Progresiones y Teorema del Binomio

SOLUCIONES EN UN CASO TÍPICO UNIDIMENSIONAL: EL POZO CUADRADO INFINITO

INECUACIONES. Ejemplo: La desigualdad 2x+l>x+5, es una inecuación por que tiene una incógnita "x" que se verifica para valores mayores que 4.

MATE1214 -Calculo Integral Parcial -3

Entonces el volumen del k-ésimo cilindro es. n n) πar2 k 2. k 2 = πar2 k 2 n(n + 1)(2n + 1) 6

APUNTES DE FÍSICA I Profesor: José Fernando Pinto Parra UNIDAD 11 DINÁMICA DEL MOVIMIENTO ROTACIONAL

LIMITES DE FUNCIONES. Ejemplo: Sea la función F(x) = 3X 2, evalúe la función para valores de X cercanos a 2, es decir

TRABAJO PRÁCTICO N O 1. SÍNTESIS DE SEÑALES Y ANÁLISIS DE SISTEMAS

Una ecuación diferencial lineal de orden superior general tendría la forma. (1) dx dx

Resolución de ecuaciones no lineales

Criterios de Convergencia

4.- Series. Criterios de convergencia. Series de Taylor y Laurent

Sistemas de Ecuaciones Lineales. M. en I. Gerardo Avilés Rosas

1. Relaciones de recurrencia homogéneas con coeficiente

Límite y Continuidad de Funciones.

Set de Ejercicios N 4. Ayudantías MAT-022.

Unidad 1: Números Complejos

Este documento es de distribución gratuita y llega gracias a El mayor portal de recursos educativos a tu servicio!

El método de Monte Carlo

DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICAS Mate1203 Cálculo Diferencial Parcial 3 (27/10/2010)

EJERCICIOS DE RECURRENCIA

PALABRAS CLAVES: Cadena de Markov, Martingala y Valores propios.

Métodos Numéricos (SC 854) Ajuste a curvas. 2. Ajuste a un polinomio mediante mínimos cuadrados

SERIES DE FOURIER Y PROBELMA DE LA CUERDA VIBRANTE. Complementos de análisis. I.P.A. Trabajo final Profesor: Federico de Olivera

INTEGRALES DE RIEMANN

Métodos Numéricos/ Calculo Numérico/ Análisis Numérico. Raíces de ecuaciones Teoría General de la iteración

Matemáticas 1 1 EJERCICIOS RESUELTOS: Funciones de una variable. Elena Álvarez Sáiz. Dpto. Matemática Aplicada y C. Computación

CÁLCULO Ejercicios Resueltos Semana 1 30 Julio al 3 Agosto 2007

6. Sucesiones y Series numéricas Sucesiones numéricas DEFINICIONES

TEORÍA DE CÁLCULO I. Para Grados en Ingeniería. Capítulo 3: Sucesiones y series. Domingo Pestana Galván José Manuel Rodríguez García

Apellidos y Nombre: Aproximación lineal. dy f x dx

Criterios de Convergencia

Símbolo del inversor autónomo.

4 - DESIGUALDAD DE CHEBYSHEV- LEY DE LOS GRANDES NUMEROS

Factorizar es escribir o representar una expresión algebraica como producto de sus factores: Factor común:

MATEMÁTICA LIC. Y PROF. EN CS. BIOLÓGICAS

CLAVES DE CORRECCIÓN GUÍA DE EJERCITACIÓN FACTORES Y PRODUCTOS PREGUNTA ALTERNATIVA Nivel

Sistema de ecuaciones lineales

Práctica de Laboratorio. Respuesta de los Instrumentos de Medida ante Distintas Señales de Tensión y Frecuencia.

LECTURA 5 TRANSFORMADA RÁPIDA DE FOURIER FFT

Departamento de Matemáticas

ESTADISTICA UNIDIMENSIONAL

DERIVADA DE FUNCIONES DEL TIPO f ( x) c, donde c es una constante, la derivada de esta función es siempre cero, es decir:

CAPÍTULO I. Conceptos Básicos de Estadística

Transcripción:

Uiversidad de Satiago de Chile Autores: Miguel Martíez Cocha Facultad de Ciecia Carlos Silva Corejo Departameto de Matemática y CC Emilio Villalobos Marí Part I Aplicacioes de la Serie Fourier. Problema. Oda cuadrada alta frecuecia Ua aplicació simple de la Serie de Fourier la podemos ecotrar e el aálisis de circuitos electróicos que so diseñados para maejar pulsos variables agudos, tales como, ua oda cuadrada o u "diete de sierra".supogamos que ua oda cuadrada está de ida por la fució: ; < x < h; < x < h A partir de la de ició, de los coe cietes podemos ecotrar: a = a = hdt = h h cos tdt = ; b = hsetdt = h ( b = h ; impar =) b = b = ; par uego la serie resultate es: De itio X h ( ) se ( ) x = h sex + cos ) h ( ) + se3x 3 + se5x 5 + ::: Es importate decir que el primer térmio represeta el promedio de f(x) sobre el itervalo [ ; ]y que todos los térmios e base coseo se aula. Además h f (x) es ua fució impar, luego,teemos ua serie de fourier solo co base seo. Por otra parte, los co cietes b decrece iversamete proporcioal co :Fisicamete esto sigi ca que la oda cuadrada debe coteer muchos compoetes de alta frecuecia.si el aparato electróico o deja pasar estos compoetes, la oda cuadrada resultate emerge más o meos redodeada.

. Problema. Recti cador de oda completa. Cosideremos ahora la salida de u recti cador de oda completa, que produce corriete cotiua pulsate como muestra la gura. El recti cador se puede modelar como u dispositivo que se alimeta co ua oda seoidal,que deja pasar los los pulsos positivos, e ivierte los pulsos egativos. Esto produce: se!x; <!x < se!x; <!x < Puesto que f (x) es ua fució par, es decir f (x) = f ( x), la serie de fourier será coseoidal a = se!td(!t) + se!td(!t) = a = se!t cos!t d(!t); a = ; par =) a = 4 4 a = ; impar b = ; 8 Por lo tato, la serie resultate es: 4 X (4 cos (!x) ) se!td(!t) = a frecuecia de oscilacio más baja es!:as compoetes de alta frecuecia decae iversamete co ; lo que muestra que el recti cador de oda completa hace u bue trabajo para producir u modelo aproximado de la corriete cotiua..3 Problema 3. Ecuacio de calor uidimesioal El ujo uidimesioal de calor e u cuerpo material homogéeo está modelado por la ecuació @ u(x;t) @x = @u(x;t) dode u(x; t) es la @t temperatura del cuerpo y c la costate de difusió del calor. E el caso de ua barra aislada, que se prologa hacia el i ito e ambos setidos, la solució geeral esta dada por u(x; t) = (A (w) cos(wx) + B (w) se(wx) ) e c w t dw: Si se aplica la codicio iicial u(x; ) = f (x) ; - < x <,dode f(x) es la tem-

peratura iicial, se obtiee que u(x; ) = f (x) = (A (w) cos(wx) + B (w) se(wx) ) dw es ua itegral de Fourier co coe cietes A (w) = f (v) cos(wv) dv y B (w) = f (v) se(wv) dv a) Determie la itegral de Fourier, si la fució temperatura iicial es e x = :- < x < y la solució de está ecuació: Solució: Como f es ua fució par se tiee I p = ; y B (w) = luego A (w) cos(wx) dw; co A (w) = e v = cos(wv) dv =) A (w) = ve v = se(wv) dv Itegrado por partes se tiee A (w) = 4 e v = se(wv) + w 3 e v = se(wv) dv5 Evaluado la itegral y resolviedo EDO() A (w) = h + w( i A (w) A (w) = Ce w = ; C costate =) A (w) = wa (w) uego la IF es: 3

e x = = C e w = cos(wx) dw Por tato, la solució queda: u(x; t) = C (e w = cos(wx)) e c w t dw.4 Problema 4. ) a fució adjuta sirve para modelar la salida de u recti - cador de media oda: se!x;!x ;!x a) Represete gra camete la señal de salida si ésta se extiede periodicamete co periodo : b) Determie la serie de Fourier que la represeta. Solució: + se!x X (4 cos (!x) ).5 Problema 5. Ua oda triágular se represeta por la fució: x; < x < x; < x < h 4

a) Represete gra camete la fució. b) Represete f(x) mediate ua serie de Fourier. c) Estudie la covergecia de la serie e x = ; x = ; y x = X d) Muestre que: Solució: ( ) = 8 b) 4 X cos ( ) x ( ).6 Problema 5. Coducció del calor. Cosideremos ua varilla delgada, aislada, situada a lo largo del eje x, desde x = hasta x = a;y supogamos que la coducció de calor desde la varilla hacia el exterior se da solamete por los extremos de ella, los cuales se matiee a temperatura cero. E física se muestra que si e tiempo t = la temperatura u a lo largo de la varilla es igual a u(x; ) = b sex, dode b = cte y +, etoces para el tiempo t > la temperatura es igual a u(x; t) = b (sex) e t ; dode > es ua costate positiva. Asimismo, hay u pricipo de superposicio que os permite añadir los efectos de diferetes distribucioes iiciales de temperatura. Por lo tato, si la temperatura iicial es: X u(x; ) = f (x) = b sex etoces e tiempo t >, se tiee: X u(x; t) = b (sex) e t para x a De acuerdo co todo esto, hallar la temperatura para t > las siguietes temperaturas iiciales dadas. para 5

a) u(x; ) = f (x) = 3sex + 5sex: Que tipo de extesió de f(x)se requiere e este caso? b) u(x; ) = f (x) = e x sex: Que tipo de extesió de f(x)se requiere e este caso? Solucioes. a) u(x; t) = f (x) = 3sexe t + 5sexe 4t b) u(x; t) = 4 X ( ) e sex e t + 4.7 Problema 6 as series de fourier se costituye e ua herramieta poderosa e el aálisis del comportamieto de los sistemas físicos sujetos a pertubacioes periódicas f(t). El valor de la raíz media cuadrática ó RMC de ua fució f(t), sobre u itervalo (a; b) ;se de e como: s R b a hf(t)i = f (t) dt b a a) Sea f (t) ua fució de ida x [a; b], co u período fudametal T = b a. Pruebe que aplicado la idetidad de Parseval el valor RMC se reduce a la formula: 6

v u hf(t)i = t a + X [a + b ] b) Determie RMC de f(t) = E se!t, co E y! costates positivas. Solució: b) El período fudametal de la fució f(t) = E se!t, es!. Etoces el valor RMC de f(t) es: hf(t)i = s (=!)! E se (!t) dt = E p.8 Problema 7. U resorte vibra libremete co ambos estremos jos e x = y x = : a) Si su movimieto esta descrito por la ecuació de oda: @ u (x; t) @t = v @ u (x; t) @x co las codicioes iiciales: u (x; t) = f (x) y @u (x; ) @t = g(x) Supoga que la solució de esta ecuació es ua serie de Fourier de la forma: X u(x; t) = b (t) se( x ) 7

sustituya esta solució e la ecuacio aterior y determie los coe cietes b (t) : b) Cosidere la presecia de u medio resistivo que amortigua las vibracioes de acuerdo co la ecuació @ u (x; t) @t = v @ u (x; t) @u (x; t) @x k @t Supoga que rige la solució aterior co las mismas codicioes iiciales y uevamete determie el coe ciete b (t), supoiedo que k el amortiguamieto es pequeño, es decir > c) Repita los calculos pero supoiedo que el amortiguamieto es k grade es decir <. Solucioes: a) b (t) = A cos( t ) + B se( t ) A = x f (x) se dx; B = g (x) se x dx b) b (t) = e k t (A cos(! t) + B se(! t)) A = x f (x) se dx; B =! k dode,! = > g (x) se x dx + k A! c) 8

b (t) = e k t (A cosh( t) + B seh( t)) A = x f (x) se dx; B = k dode, = < g (x) se x dx + k A.9 Problema 8 E ua placa circular de radio =, cuyas seccioes superior e iferior está aisladas, se matiee la mitad de su periferia superior a ua temperatura costate T y la otra mitad a ua temperatura costate T :Ecotrar la temperatura de la placa e codicioes estacioarias. a) a ecuació de difusió del calor, e coordeadas polares (; ),e codicioes estacioarias esta dada por @ @ + @ @ + @ = ;dode @ (; ) es la fucio temperatura. Supoga que (; ) ;se puede separar como (; ) = M () N ()y pruebe que la ecuació se trasforma e M M + M M = N N : b) A partir del resultado aterior, haga cada lado de la ecuació igual a y ecuetre las EDO() N" () + N () = M" () + M() + M () = b) Pruebe que N () = A cos +A se y M () = B +B so solucioes de las correspodietes ecuacioes ateriores. c) Pruebe que la solució geeral es (; ) = M () N () = X T + T (T T ) ( cos ) se 9