Ecuaciones Diferenciales II. Series de Fourier

Documentos relacionados
La función, definida para toda, es periódica si existe un número positivo tal que

Series de potencias y de Fourier

Lección: Ortogonalidad y Series de Fourier

Series de Fourier Trigonométricas

Índice. Tema 8: Series de Fourier. Funciones periódicas. Algunas funciones periódicas. Marisa Serrano, José Ángel Huidobro

2. Método de separación de variables

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE MATEMÁTICA SERIES DE FOURIER. Ramón Bruzual Marisela Domínguez

Integral de Fourier y espectros continuos

Cuartas Jornadas de Jóvenes Investigadores UNT - CONICET Tucumán, 22, 23 y 24 de Junio de 2010

CAPÍTULO 2. INTEGRALES: INTRODUCCIÓN Y PROPIEDADES 2.1. Introducción 2.2. Teorema 2.3. Propiedades 2.4. Ejemplos 2.5. Integración de una función

Razón de cambio. f(x 2 ) f(x 1 ) x 2 x 1. dt = lím f(x 2 ) f(x 1 )

Teoremas de convergencia y derivación bajo el signo integral

x (0) si f (x) = 2s 1, s > 1 d) f 3. Analizar la existencia de derivadas laterales y de derivada en a = 0, para las siguientes funciones:

Observación: Aceptaremos que la función f no este definida para un número finito de términos como por ejemplo f(n) = n 5.

Principio de acotación uniforme

Resumen de Análisis Matemático IV

1. Continuidad. Universidad de Chile Subsucesiones. Ingeniería Matemática

Sucesiones y series de funciones

1. Se trata en primer lugar de calcular la transformada de Fourier F[f]. Para ello

1 Repaso. Cálculo I. 1 o Matemáticas. Curso 2002/2003. Cálculo de Primitivas. (5x 6) f(x) 1 2 f (x) dx, que es inmediata: + 1 x 1

Universidad Simón Bolívar Departamento de Matemáticas Puras y Aplicadas Enero - Marzo, 2008

TEMA 1 Métodos Matemáticos en Física L4C: Series Fourier (SF)

Capítulo 6 Series de Fourier.

8. Consecuencias de la Teoría de Cauchy.

BORRADOR. Series de potencias y de funciones Sucesiones de funciones

Derivadas laterales. Derivabilidad y continuidad en un punto. Derivabilidad y continuidad en un intervalo

Maestría en Matemática Pura

En esta sección vamos a tratar de expresar una función f : R R periódica como suma de una cierta serie.

CÁLCULO II. Grado M+I. Sucesiones y series de funciones. Sucesiones y series de funciones 1 / 27. Grado M+I () CÁLCULO II

Para qué x de ese intervalo alcanza F su valor máximo? Y el valor mínimo?

1. Algunas deniciones y resultados del álgebra lineal

xy si corresponde a la diferencial de alguna función f ( x, y ). Una ecuación diferencial de primer orden de la forma

Apéndice 2: Series de Fourier.

f : R R Definición 2. Se llama dominio de una función f (lo denotaremos por Dom f) al conjunto de valores para los que está bien definida f(x) :

Derivada de la función compuesta. Regla de la cadena

1. Para la función f(x) = x sen x, halle su polinomio de Taylor de orden 2 en a = 0. x x3 3!, x x3

Introducción. { x si x [0,

ANÁLISIS PROF. GUSTAVO FRANCO

CÁLCULO ELEMENTAL PROBLEMAS. Valor absoluto. Funciones y sus gráficas

LA TRANSFORMADA DE FOURIER

Escuela Universitaria Politécnica Examen de Cálculo - Febrero - Curso 01/02

Ecuaciones Diferenciales Ordinarias

Teorema de Existencia y Unicidad Ecuaciones Diferenciales Ordinarias.

Continuidad de las funciones. Derivadas

Convergencia y existencia de la serie de Fourier

CONTENIDO PRÓLOGO LAS FUNCIONES... 5

Ejercicios resueltos de cálculo Febrero de 2016

Tema 5. Series de Potencias

Ejercicios de Análisis Funcional

Tema 3. Análisis de Fourier de señales y sistemas de tiempo continuo.

r r a) Clasificar el sistema x = Ax en función del parámetro r R.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA VICERRECTORADO ACADÉMICO SUBPROGRAMA DE DISEÑO ACADÉMICO ÁREA MATEMATICA PLAN DE CURSO

APLICACIONES DE LAS SERIES DE FOURIER

Capítulo 1. Espacios de Hilbert Introducción

Variable Compleja I ( ) Ejercicios resueltos. Las convergencias puntual y uniforme de sucesiones y series de funciones

Matemáticas I - 1 o de Bachillerato Convocatoria Extraordinaria de Septiembre - 2 de septiembre de 2011

EXAMEN DE MATEMÁTICAS I. Test

LECCIONES SOBRE LAS SERIES Y TRANSFORMADAS DE FOURIER. Javier Duoandikoetxea

TEMA 4. Series de potencias

Ejercicios de Análisis I

Soluciones de los ejercicios del examen de Cálculo del 29 de junio de 2007 Primero de Ingeniería de Telecomunicación

Ecuaciones Diferenciales Tema 4. Series de Fourier

Órdenes de la convergencia de sucesiones. Condiciones de la convergencia lineal y cuadrática del método de iteración simple

a) Producto interno: Si y son vectores de, definimos su producto punto, producto interno o producto escalar como

Tema 7: Derivada de una función

PRÁCTICA SERIES DE FOURIER CURSO CÁLCULO II. Práctica 7 (14/04/2015)

Sucesiones y Series de Funciones

Funciones trigonométricas

Problemas Tema 3 Solución a problemas de Derivabilidad - Hoja 11 - Todos resueltos

Las funciones sen 1 x, cos 1 x y otros ejemplos relacionados c

INDICE Capitulo 1. Números Capitulo 2. Secuencias Capitulo 3. Funciones, Límites y Continuidad

Reglas de l Hôpital Teorema del Valor Medio Generalizado. Tema 5

EXAMEN EXTRAORDINARIO 8 de julio de 2016

Problemas Regulares de Sturm-Liouville

TEOREMAS DE FUNCIONES DERIVABLES

Cálculo I (Grado en Ingeniería Informática) Problemas adicionales resueltos

Un resumen de la asignatura. Junio, 2015

Cálculo I. Índice Derivada. Julio C. Carrillo E. * 1. Introducción La derivada Derivadas de orden superior

1. Algunas primitivas inmediatas (o casi inmediatas).

Teorema del Valor Medio

CÁLCULO Primer curso de Ingeniero de Telecomunicación Examen Final. 7 de Julio de 2000 Primera parte

11.1. Funciones uniformemente continuas

Práctica 4 Límites, continuidad y derivación

DERIVADA DE UNA FUNCIÓN

TEMA 3: CONTINUIDAD Y DERIVABILIDAD DE FUNCIONES REALES DE UNA VARIABLE REAL. f : R R

CÁLCULO Primer curso de Ingeniero de Telecomunicación Examen Final. 19 de Junio de 2004 Primera parte

Ecuaciones en Derivadas Parciales y Análisis Numérico

FUNCIONES DE UNA VARIABLE

El Teorema de la Convergencia Dominada

Soluciones en series de potencias

1 Método de la bisección. 1.1 Teorema de Bolzano Teorema 1.1 (Bolzano) Contenido

Ecuaciones diferenciales Profesores: Eusebio Valero (grupos A y B) Bartolo Luque (grupos C y D)

TEMA 2 FUNCIONES ONTINUIDAD.

(x a) f (n) (a) Los polinomios de Taylor en el punto a = 0, suelen denominarse polinomios de McLaurin. n,a(a) = f (k) (a):

3 LÍMITE - Teoría y Ejemplos

José Humberto Serrano Devia Página 1

Lección 1.- Ecuaciones Diferenciales de Primer Orden

1. INTEGRALES DEFINIDAS E IMPROPIAS

Funciones en R n Conceptos métricos y topológicos Límites y continuidad en R 2. Funciones en R n : nociones topológicas

Transcripción:

Ecuaciones Diferenciales II Series de Fourier José C. Sabina de Lis Universidad de La Laguna La Laguna, 9 de noviembre de 23

. Problemas de Contorno y series de autofunciones. A) Series de Fourier en senos. El problema: x = λx t [, π] x() = x(π) =, λ n = n 2 π 2, n =, 2,..., ψ n = sen nt. Proposición. Toda f C 2 [, π] tal que f() = f(π) = se representa en la forma: f(t) = π b n sen nt, b n = 2 f(t) sen nt dt, π siendo la serie uniformemente convergente en [, π]. El desarrollo converge en media cuadrática si f(t) R[, π], sin más restricciones sobre f.

B) Series de Fourier en cosenos. El problema: x = λx t [, π] x () = x (π) =, λ n = n 2 π 2, n =,, 2,..., ψ n = cos nt. Proposición 2. Toda f C 2 [, π] tal que f () = f (π) = se representa en la forma: f(t) = a 2 + π a n cos nt, a n = 2 f(t) cos nt dt, π siendo la serie uniformemente convergente en [, π]. El desarrollo converge en media cuadrática si f(t) R[, π], sin más restricciones sobre f.

C) Series de Fourier en cosenos & senos. Las funciones 2πperiódicas son el mejor ejemplo de las funciones del siguiente resultado. Proposición 3. Sea f C 2 [ π, π] tal que f( π) = f(π), f ( π) = f (π). Entonces: f(t) = a 2 + a n cos nt + b n sen nt, b n = π π π f(t) sen nt dt, a n = π π π f(t) cos nt dt a = π π π f(t) dt, siendo la serie uniformemente convergente en [ π, π]. El desarrollo converge en media cuadrática si f(t) R[ π, π], sin más restricciones sobre f.

Demostración. Para reducir el caso periódico a los anteriores escribimos: donde: f(t) = g(t) + h(t) f(t) + f( t) f(t) f( t) g(t) = h(t) =. 2 2 Al desarrollarlas en el intervalo [, π]: g(t) = a 2 + h(t) = a n cos nt, () b n sen nt, (2) donde, al converger uniformemente en [, π] también lo hacen en [ π, π].

Denición. Para f R[, π], f(t) = b n sen nt, t [, π] se denomina el desarrollo de Fourier de f en senos, en el intervalo [, π], f(t) = a 2 + a n cos nt, t [, π] es el desarrollo de Fourier de f en cosenos, en el intervalo [, π]. Para f R[ π, π], f(t) = a 2 + a n cos nt + b n sen nt, es simplemente el desarrollo en serie de Fourier de f, en el intervalo [ π, π]

Relación entre los tres desarrollos Si f R[ π, π] es par en [ π, π] su desarrollo de Fourier: f(t) = a 2 + a n cos nt + b n sen nt = a 2 + a n cos nt. π a n = 2 f(t) cos nt dt. π que coincide con el desarrollo de Fourier en cosenos de su restricción al intervalo [, π]. Si f R[ π, π] es impar en [ π, π] su desarrollo de Fourier: f(t) = a 2 + a n cos nt + b n sen nt = b n sen nt

π b n = 2 f(t) sen nt dt. π que coincide con el desarrollo de Fourier en senos de su restricción al intervalo [, π]. Si f R[, π] es una función arbitraria y f es su extensión par al intervalo [ π, π], el desarrollo de f en el intervalo [ π, π] : f(t) = ā 2 + = a 2 + ā n cos nt + b n sen nt a n cos nt pues b n = y ā n = π 2 π f(t) cos nt dt, que es el desarrollo en serie de cosenos de f en [, π].

Análogamente, si f R[, π] y ˆf es su extensión impar al intervalo [ π, π], el desarrollo de ˆf en el intervalo [ π, π] : ˆf(t) = â n cos nt + ˆb n sen nt = b n sen nt pues â n = y ˆb n = π 2 π f(t) sen nt dt, que es el desarrollo en serie de senos de f en [, π]. Ejemplo. El desarrollo de f(t) = t en serie de cosenos en [, π]: t = π 2 4 π cos(2n )t. (2n ) 2 El desarrollo de Fourier de f(t) = t en [ π, π] : t = π 2 4 π cos(2n )t. (2n ) 2

Ejemplo. El desarrollo de f(t) = en serie de senos en [, π]: f(t) = 4 π 2n sen(2n )t. El desarrollo de Fourier de ˆf(t) = signo(t) en [ π, π] : ˆf(t) = 2 ( ) n sen nt. n

2. Identidad de Parseval. Teorema (Identidades de Parseval). Sean f, g funciones en R[ π, π] se tiene que: a) π π f(t)g(t) dt = π { a â 2 + } a n â n + b nˆb n, b) { π a π f(t) 2 2 dt = π 2 + } a 2 n + b 2 n. Si f, g en en R[, π] se tiene que: c) π f(t)g(t) dt = π 2 { a â 2 + } a n â n, d) π f(t) 2 dt = π { a 2 2 2 + } a 2 n, mientras: e) π f(t)g(t) dt = π 2 { b nˆb n }, f) π f(t) 2 dt = π 2 { b 2 n }.

Teorema 2 (Principio de identidad). Sean f y g funciones continuas en [ π, π] con desarrollos en serie de Fourier : f(t) = a 2 + g(t) = ā 2 + a n cos nt + b n sen nt, ā n cos nt + b n sen nt. Entonces f(t) = g(t) si y sólo si a n = ā n & b n = b n para todo n. Demostración. Recuérdese que las igualdades precedentes se entienden en media cuadráctica.

Teorema 3 (Integración término a término). Sea f R[ π, π] entonces para t jo y cada t [ π, π] se tiene que: t t f(s) ds = a 2 (t t )+ t a n t cos ns ds + b n t t sen ns ds, siendo la convergencia uniforme en [ π, π]. Análogamente, para f R[, π]: t t f(s) ds = t b n t sen ns ds, t t f(s) ds = a 2 (t t ) + t a n t cos ns ds, en donde t, t [, π] y la convergencia es uniforme en [, π].

Ejemplo/Ejercicio. La función f(t) = se representa en serie de senos en el intervalo [, π]: = 4 π 2n sen(2n )t. Por tanto: De aquí sale que: (2n ) 2 = π2 8. n 2 = π2 6.

Ejemplo/Ejercicio. La función f(t) = se representa en serie de senos en el intervalo [, π]: = 4 π 2n sen(2n )t. Al integrar la serie término a término obtenemos: t = 4 π (2n ) 2 4 π (2n ) 2 cos(2n )t, es decir: t = π 2 4 { } cos 3t cos 5t cos t + π 3 2 + 5 2 +. Por el momento sólo sabemos que la primera serie converge en media cuadrática, mientras la segunda converge uniformemente en [, π]. Nota. Obsérvese que f(t) = t no cumple las condiciones f = en t =, π. Sin embargo la serie converge uniformemente.

3. Convergencia puntual. Para estudiar la convergencia puntual, la serie de referencia es: f(t) = a 2 + donde suponemos que: es 2πperiódica: a n cos nt + b n sen nt f(t) R[ π, π] f(t + 2π) = f(t). Funciones como f(t) = t, f(t) = e t, etc, se extienden periódicamente fuera de [ π, π]. Para estudiar la serie de Fourier en senos de f R[, π], primero se la extiende impar a [ π, π] y después 2πperiódicamente a R. Para estudiar la serie de Fourier en cosenos de f R[, π], primero se la extiende par a [ π, π] y después 2πperiódicamente a R.

Extensiones periódicas: funciones denidas[ π, π]. 2.5 2.5.5.5.5 2 2.5 5 5 Extensión 2π periódica de f(t) = signo(t)

4 3 2 2 3 4 5 5 Extensión 2π periódica de f(t) = t

2 5 5 5 5 Extensión 2π periódica de f(t) = e t

3.5 3 2.5 2.5.5 5 5 Extensión 2π periódica de f(t) = t

8 6 4 2 5 5 Extensión 2π periódica de f(t) = t 2

3 2.5 2.5.5.5 5 5 Extensión 2π periódica de f(t) = t

Extensiones periódicas: funciones denidas[, π]. 2 5 5 5 5 Extensión par 2π periódica de f(t) = e t

2 5 5 5 5 2 5 5 Extensión impar 2π periódica de f(t) = e t

4 3 2 2 3 4 5 5 Extensión impar 2π periódica de f(t) = π 2 + x 2

4 3 2 2 3 4 5 5 Extensión par 2π periódica de f(t) = π 2 + x 2

Teorema 4. Sea f(t) una función 2πperiódica que es C a trozos en [ π, π]. Entonces: f(t) = a 2 + a n cos nt + b n sen nt, en cada punto t R donde f sea continua. En particular, la identidad es cierta t [ π, π] si f es continua en R. La continuidad de f en t = t no basta para que: f(t ) = a 2 + a n cos nt + b n sen nt. El teorema requiere la derivabilidad en un entorno reducido de t donde las derivadas admiten límites laterales. Contraejemplos: L. Fejér (9), C. Jordan, principios del siglo XX.

La serie de Fourier de las funciones f(t) = t, f(t) = t 2, f(t) = t o f(t) = e t converge puntualmente en ( π, π). Las extensiones 2πperiódicas de f(t) = t 2 y f(t) = t son continuas sus series convergen puntualmente en [ π, π]. Las series de Fourier de f(t) = t y f(t) = e t también convergen en t = ±π. No lo hacen a los valores f(±π).

Teorema 5. En las condiciones precedentes: f(t+) + f(t ) 2 = a 2 + a n cos nt + b n sen nt, donde f(t+), f(t ) son los límites laterales de f en t por la derecha y por la izquierda, respectivamente. Si f es C a trozos la serie de Fourier converge al valor medio de la discontinuidad de salto.

3.5 3 f(t) s(t) s(t) s2(t) 2.5 2.5.5.5.5 2 2.5 3 3.5 t Las tres primeras sumas parciales de la serie de Fourier en cosenos de f(t) = t y en el intervalo [, π]. La primera es s (t) = π/2, luego vienen s (t) y s 2 (t) = t.

4 f(t)=t 4 s(t) 3 3 2 2 2 3 4 2 3 4 4 s (t) 4 s2(t) 3 3 2 2 2 3 4 2 3 4 Las tres primeras sumas parciales de la serie de Fourier en cosenos de f(t) = t en el intervalo [, π], s (t) = π/2, s (t) y s 2 (t) = t.

3.5 3 2.5 2.5.5 4 3 2 2 3 4 Las tres primeras sumas parciales de la serie de Fourier de f(t) = t en el intervalo [ π, π], s (t) = π/2, s (t) y s 2 (t) = t.

f(t) s(t) 4 2 2 4 4 2 2 4 s2(t) s3(t) 4 2 2 4 4 2 2 4 s4(t) s5(t) 4 2 2 4 4 2 2 4 Las cinco primeras sumas parciales de la serie de Fourier de la función signo(t) en el intervalo [ π, π].

.5 f(t) s7(t).5.5.5 4 3 2 2 3 4 Suma parcial s 7 (t) de la serie de Fourier de la función signo(t) en el intervalo [ π, π].

.5 s7(t).5.5.5 5 5 2 25 Suma parcial s 7 (t) de la serie de Fourier de la función signo(t) en el intervalo [, 7π].

5 5 2 4 6 8 5 5 2 4 6 8 5 5 2 4 6 8 5 5 2 4 6 8 5 5 2 4 6 8 5 5 2 4 6 8 5 5 2 4 6 8 5 5 2 4 6 8 Las siete primeras sumas parciales de la serie de Fourier de la función f(t) = t. Se han dibujado en el intervalo [, 2π].

4 3 f(t) s2(t) 2 2 3 4 2 3 4 5 6 7 La suma parcial s 2 (t) de la serie de Fourier de la función f(t) = t. Se ha dibujado en el intervalo [, 2π] para resaltar el salto en el punto t = π. Se observa la formación incipiente del fenómeno de Gibbs.

. Convergencia uniforme. Un teorema de convergencia uniforme para series trigonométricas Teorema 6. Sea f(t) una función continua y C a trozos en el intervalo [ π, π] que cumple: f( π) = f(π). Entonces la serie de Fourier de f converge uniformemente a f en el intervalo [ π, π]: f(t) = a 2 + a n cos nt + b n sen nt. Teorema 7. En las condiciones del teorema anterior: f(t) S N (t) π 2 6 N n 2 /2 π π π f (t) 2 dt N n 2 (a 2 n + b2 n ) /2.

Ejercicio Hallar la serie de Fourier de f(t) = t. a) Estimar el error cometido al substituir f por s 3. b) Hallar N para que el error se menor que,. Solución. t = π 2 4 π cos(2n )t. (2n ) 2 Llamamos E N al error asociado a S N (t). Entonces E 2,..., E 5 :,3868.2375,297,558 mientras E 6,..., E :,434,58,88.922,877. Vemos pues que con nueve términos N = 9 bajamos de,.

Ejercicio. Hallar la serie de Fourier de f(t) = t 4. Determinar el error cometido al substituir f por s 3. Solución. t 4 = π4 5 + ( ) n8(π2 n 2 6) n 4 cos nt. s 3 (t) = π4 5 8(π2 6) cos t+ 8(π 2 2 2 6) 2 4 cos 2t 8(π2 3 2 6) 3 4 cos 3t. El factor: a := π 2 6 N /2 n 2 N=3 =,5328. b := π π π f (t) 2 dt N n 2 (a 2 n + b2 n ) /2 N=3

b 2 = 32π6 7 82 (π 2 6) 2 8 2 (4π 2 6) 2 2 6 82 (9π 2 6) 2 3 6 = 4,3947 2. El error es: E 3 = ab = 22.53.