quinta-feira, 13 de setembro de 2018

Séries de Fourier Trigonométrica - Introdução

Séries de Fourier Trigonométrica - Introdução

Jean Baptiste Joseph Fourier, ou simplesmente Fourier, foi o nome de um matemático e físico francês que viveu no século XIX e deixou notável contribuição para a matemática. Em particular para a decomposição de um sinal periódico em uma série trigonométrica que levou o seu nome: Série de Fourier.

series-de-fourier-trigonometrica-introducao



Basicamente o que diz o Teorema de Fourier é que se temos uma função $f:\mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R}$ periódica (vamos supor que o período seja $T=2L$) que seja seccionalmente diferenciável e possíveis descontinuidades do primeiro tipo (aquelas em que os limites laterais existam) e em uma quantidade finita destas descontinuidades. Então,

\begin{equation}\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\left[a_n \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right)+b_n \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\right]\end{equation} 

em que
$$a_0=\frac{1}{L}\int_{-L}^{L}f(x)\,dx$$
$$a_n=\frac{1}{L}\int_{-L}^{L}f(x)\cos\left(\frac{n \pi x}{L}\right)\,dx$$
$$b_n=\frac{1}{L}\int_{-L}^{L}f(x)\sin\left(\frac{n \pi x}{L}\right)\,dx$$

converge para $f(x)$ se $x$ for um ponto de continuidade e para $$\frac{f(x_0^+)+f(x_0^-)}{2}$$ se há uma descontinuidade (do tipo 1) no ponto $x=x_0$. Lembrando que $f(x_0^+)$ representa o limite lateral à direita em $x_0$ e $f(x_0^-)$ o limite lateral à esquerda em $x_0$.

Uma discussão completa e a demonstração desse teorema o leitor poderá encontrar no livro Análise de Fourier e Equações Diferenciais Parciais do prof. Djairo Guedes Figueiredo.

No vídeo seguinte, não fazemos a demonstração desse teorema, mas mostramos como podemos, olhando para os pontos de continuidade em que é esperado que

\begin{equation}f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\left[a_n \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right)+b_n \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\right]\end{equation}  

encontrar os candidatos 'naturais' a ser $a_0,\,a_n\,\,\mbox{e}\,\,b_n$, mostrados logo acima.

Além disso, resolvemos um exemplo que consiste em encontrar a Série de Fourier para a função

\begin{equation}
f(x)=\left\{\begin{array}{rcl}
0&\mbox{se}&x\in [-4,0)\\
x&\mbox{se}&x\in[0,4]
\end{array} \right.
\end{equation}

A aula leva cerca de 1h e assim é interessante que você puxe uma cadeira, pegue o caderninho e tente anotar as partes importantes. Tente fazer também o que foi deixado como tarefa, que é algo relativamente simples. Trata-se de mostrar que
1) $\int_{-L}^{L}\sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\,dx=0\,\,\forall n\in \mathbb{N}$
2) $\int_{-L}^{L}\cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\,dx=0\,\,\forall n\in \mathbb{N}$
3) $\int_{-L}^{L}\sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\cos\left(\frac{m\pi x}{L}\right)\,dx=0\,\,\forall n\in \mathbb{N}$
4) $\int_{-L}^{L}\cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\cos\left(\frac{m\pi x}{L}\right)\,dx=\left\{\begin{array}{rcl}0&\mbox{se}& m\neq n\\ 0 &\mbox{se}&m=n\,\mbox{com }m,n\in \mathbb{N}\end{array}\right.$
5) $\int_{-L}^{L}\sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right)\sin\left(\frac{m\pi x}{L}\right)\,dx=\left\{\begin{array}{rcl}0&\mbox{se}& m\neq n\\ 0 &\mbox{se}&m=n\,\mbox{com }m,n\in \mathbb{N}\end{array}\right.$

No vídeo seguinte há dicas de como pode mostrar cada uma das relações anteriores.


Exercícios Resolvidos em Vídeos

A seguir estarão exercícios sobre esse assunto. A ideia é que esta postagem não seja exatamente estática. Sempre que eu resolver algum exercício em sala e postar no Canal Mipedes do YouTube, pretendo adicioná-lo aqui de modo que o leitor possa ter vários exercícios resolvidos logo em seguida.

..


[Exercício resolvido será colocado aqui]

Alguma dúvida, crítica ou sugestão, use o campo de comentário abaixo.

Exercícios Resolvidos em Texto

Nesta seção quero deixar alguns exercícios resolvidos em texto que podem ajudá-los.

  1. Página ligada à UFRGS que trata de Séries de Fourier

Aplicações

Este será outra seção que devo modificar sempre que encontrar uma aplicação para esse assunto. Eis algumas aplicações:

  1. Aplicações e Utilizações de Séries de Fourier na Engenharia Elétrica.
  2. Aplicação de Séries de Fourier para análise de retornos de ativos financeiros
  3. Aplicação da análise harmônica por séries de Fourier para a previsão  de produtividade da cultura do café no estado de Minas Gerais.
  4.  





Grande abraço
Luís Cláudio LA

Compartilhe:


Algum link quebrado? Por favor, entre em contato para reportar esse erro.

Postar um comentário

Whatsapp Button works on Mobile Device only

Digite no campo abaixo e tecle ENTER para pesquisar.