Antes da leitura desta página, recomendo vivamente a visualização do seguinte vídeo, e se possível,
de todos os episódios sobre este tema.
A Série de Fourier é uma ferramenta muito útil que nos irá permitir reescrever funções como
uma soma (infinita) de senos e cossenos.
A Série de Fourier é periódica, ou seja, podemos limitar-nos a definir a função num intervalo (estendendo essa definição por periodicidade ao resto do domínio).
Note-se que isto significa que funções não periódicas não podem ser representadas por uma série de Fourier, mas qualquer restrição de uma função a um intervalo pode.
Geralmente, as funções com que trabalharemos são então do tipo f:[−L,L]→R, em que L corresponde a metade do período da função.
Definição
A Série de Fourier de uma função f:[−L,L]→R é
SFf(x)=Seˊrie de Fourier de f(x)2a0+n=1∑+∞(ancos(Lnπx)+bnsin(Lnπx))
em que:
a0=L1∫−LLf(x)dx
an=L1∫−LLf(x)cos(Lnπx)dx
bn=L1∫−LLf(x)sin(Lnπx)dx
Note-se que na expressão acima passámos o termo n=0 para fora da série e trocamos a0 por 2a0. Isto é feito para que a fórmula do an se aplique também ao a0.
A expressão resultante, SFf(x) vai corresponder exatamente a f nos pontos em ]−L,L[ em que f é contínua.
Aliás, uma das grandes vantagens da Série de Fourier é a função não precisar de ser contínua, apenas seccionalmente contínua (e ter derivada seccionalmente contínua).
Nos pontos de descontinuidade (e nas "pontas" do intervalo, −L e L), a expressão da Série de Fourier equivale ao ponto médio entre os valores da função a vir de ambas as direções. Traduzindo isto para um sistema, obtemos o Teorema da Convergência Pontual da Série de Fourier:
SFf(x)=⎩⎨⎧f(x)2f(x+)+f(x−)2f(L−)+f(−L+)sendo x um ponto de continuidade de fsendo x um ponto de descontinuidade de fsendo x=−L∨x=L
Como já foi referido, a Série de Fourier, SFf(x) é periódica em R com período 2L, ao contrário de f que pode não o ser.
Por outro lado, se considerarmos a extensão periódica, f, de f∣]−L,L], isto é, pegarmos no intervalo ]−L,L] e "repetirmos" a função com período 2L,
ficamos com a seguinte equivalência:
SFf(x)=⎩⎨⎧f(x)2f(x+)+f(x−)2f(L−)+f(−L+)sendo x um ponto de continuidade de fsendo x um ponto de descontinuidade de fsendo x=−L∨x=L
Exemplo
Determine a Série de Fourier da função f:[−1,1]→R definida por
f(x)={−ππse x∈[−1,0[se x∈[0,1]
Atendendo ao domínio, temos que, segundo a definição acima, L=1.
Portanto, vamos ter a seguinte expressão para a Série de Fourier de f:
SFf(x)=2a0+n=1∑+∞(ancos(nπx)+bnsin(nπx))
O próximo passo é determinar an e bn. O valor de an é simples de determinar,
visto que f é uma função ímpar.
Como o produto de uma função par (o cosseno)
com uma função ímpar (f) é também uma função ímpar, temos um integral de uma função ímpar num intervalo do tipo [−L,L],
que é nulo:
an=∫−11f(x)cos(nπx)dx=0,∀n∈N
Mais ainda, a0 também será 0, já que teríamos ∫−11f(x)dx: o integral de uma função ímpar num intervalo do tipo [−L,L] é 0.
Por outro lado, para bn, já temos de fazer mais cálculos, embora seja possível simplificá-los
se repararmos que o produto de duas funções ímpares (o seno e f) é uma função par, sabemos que o seu
integral num intervalo simétrico, é o dobro do integral numa das "metades" do intervalo:
Podemos fazer ainda mais uma simplificação que nos irá ser útil no futuro.
Se repararmos, cos(nπ) é igual a −1 quando n é ímpar, e igual a 1 quando n é par.
Ou seja, sabemos que cos(nπ)=(−1)n.
Então:
bn=n2(1−(−1)n)
Determinámos assim a Série de Fourier de f:
SFf(x)=n=1∑∞n2(1−(−1)n)sin(nπx)
No entanto, podemos ainda reparar que 1−(−1)n=0 para todo o n par.
Como se trata de uma soma infinita, podemos "ignorar" todos os termos com n par,
tomando que n=2k−1.
SFf(x)=k=1∑∞2k−14sin((2k−1)πx)
Abaixo encontra-se uma visualização desta solução, à medida que se incrementa N:
Considerando então a soma infinita, temos que, em [−1,1], a soma da Série de Fourier de f será dada por:
Como x é função ímpar e cos(nx) é função par, o produto de ambas vai resultar numa função ímpar, que está a ser integrada num intervalo simétrico, pelo que:
an=π1∫−ππxcos(nx)dx=0
Mais ainda, visto que x é ímpar, tal como visto mais acima, a0=∫−ππxdx=0.
Para determinarmos bn, já necessitamos mais cálculos:
Então, obtemos a expressão da Série de Fourier de f:
SFf(x)=n=1∑+∞n2(−1)n+1sin(nx)
Série de Senos
Como já deves ter reparado, se determinarmos a Série de Fourier de uma função ímpar,
vamos ter sempre que an≡0, eliminado os termos com cosseno.
Podemos então fazer uma definição mais explícita neste caso, e até a estender a funções que não são ímpares.
Para isto, ao contrário da Série de Fourier, consideramos apenas um dos "lados" do intervalo simétrico, e efetuamos a extensão ímpar de f.
Definição
Sendo L>0 e f:[0,L]→R uma função seccionalmente contínua e de derivada seccionalmente contínua em ]0,L[,
pode-se associar a f a Série de Senos
Ssinf(x)=n=1∑∞bnsin(Lnπx)
em que
bn=L2∫0Lf(x)sin(Lnπx)dx
Se repararmos, a Série de Senos de f em [0,L] corresponde à Série de Fourier
da sua extensão ímpar a [−L,L], g(x):
g(x)=⎩⎨⎧f(x)0−f(−x)se x∈]0,L]se x=0se x∈[−L,0[
Exemplo
Determine a Série de Senos da função f:[0,2]→R definida por
f(x)={1−x0se x∈[0,1[se x∈[1,2]
Atendendo ao domínio, temos que, segundo a definição acima, L=2.
Portanto, vamos ter a seguinte expressão para a Série de Senos de f:
De forma semelhante à Série de Senos, se determinarmos a Série de Fourier de uma função par,
vamos ter sempre que bn≡0, eliminado os termos com seno.
Podemos então fazer uma definição mais explícita neste caso, e até a estender a funções que não são pares.
Para isto, ao contrário da Série de Fourier, consideramos apenas um dos "lados" do intervalo simétrico, e efetuamos a extensão par de f.
Definição
Sendo L>0 e f:[0,L]→R uma função seccionalmente contínua e de derivada seccionalmente contínua em ]0,L[,
pode-se associar a f a Série de Cossenos
Scosf(x)=2a0+n=1∑∞ancos(Lnπx)
em que
a0=L2∫0Lf(x)dx
e
an=L2∫0Lf(x)cos(Lnπx)dx
Se repararmos, a Série de Cossenos de f em [0,L] corresponde à Série de Fourier
da sua extensão par a [−L,L], g(x):