Matemáticas II · Tema 4 · Sección 4.2

Ejercicios resueltos de coeficientes de Fourier

4 ejercicios resueltos paso a paso del tema 4 de Matemáticas II (Series de Fourier y ecuaciones diferenciales parciales). El enunciado está a la vista y la solución, plegada: intenta cada ejercicio antes de abrirla.

Ejercicio 1

Dificultad: Básico

Encontrar la serie de Fourier de la función f(x)=∣x∣f(x) = |x| en [−π,π][-\pi, \pi].

Ver solución paso a paso6 pasos
  1. Paso 1
    Determinar la simetría de la función

    f(x)=∣x∣f(x) = |x| es una función par, por lo que bn=0b_n = 0 para todo nn.

  2. Paso 2
    Calcular a0a_0

    a0=1π∫−ππ∣x∣dx=2π∫0πxdx=2π[x22]0π=2π⋅π22=πa_0 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi |x| dx = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi x dx = \frac{2}{\pi}\left[\frac{x^2}{2}\right]_0^\pi = \frac{2}{\pi} \cdot \frac{\pi^2}{2} = \pi

  3. Paso 3
    Calcular ana_n para n≥1n \geq 1

    an=1π∫−ππ∣x∣cos⁡(nx)dx=2π∫0πxcos⁡(nx)dxa_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi |x|\cos(nx) dx = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi x\cos(nx) dx

  4. Paso 4
    Integrar por partes

    Sea u=xu = x, dv=cos⁡(nx)dxdv = \cos(nx)dx, entonces du=dxdu = dx, v=sin⁡(nx)nv = \frac{\sin(nx)}{n}:

    an=2π[xsin⁡(nx)n]0π−2π∫0πsin⁡(nx)ndxa_n = \frac{2}{\pi}\left[x\frac{\sin(nx)}{n}\right]_0^\pi - \frac{2}{\pi}\int_0^\pi \frac{\sin(nx)}{n} dx

    =2π⋅0−2nπ[−cos⁡(nx)n]0π= \frac{2}{\pi} \cdot 0 - \frac{2}{n\pi}\left[-\frac{\cos(nx)}{n}\right]_0^\pi

    =2n2π[cos⁡(nπ)−1]= \frac{2}{n^2\pi}[\cos(n\pi) - 1]

  5. Paso 5
    Evaluar según la paridad de nn

    Para nn par: an=0a_n = 0

    Para nn impar: an=−4n2πa_n = -\frac{4}{n^2\pi}

  6. Paso 6
    Escribir la serie de Fourier

    ∣x∣=π2−4π∑n imparcos⁡(nx)n2=π2−4π[cos⁡(x)+cos⁡(3x)9+cos⁡(5x)25+⋯ ]|x| = \frac{\pi}{2} - \frac{4}{\pi}\sum_{n \text{ impar}} \frac{\cos(nx)}{n^2} = \frac{\pi}{2} - \frac{4}{\pi}\left[\cos(x) + \frac{\cos(3x)}{9} + \frac{\cos(5x)}{25} + \cdots\right]

Ejercicio 2

Dificultad: Intermedio

Desarrollar en serie de Fourier la función periódica f(x)=x2f(x) = x^2 en [−2,2][-2, 2] con período 44.

Ver solución paso a paso6 pasos
  1. Paso 1

    Identificar el período 2L=42L = 4, por lo tanto L=2L = 2

  2. Paso 2
    Determinar la simetría

    f(x)=x2f(x) = x^2 es par, entonces bn=0b_n = 0 para todo nn.

  3. Paso 3
    Calcular a0a_0

    a0=1L∫−LLf(x)dx=12∫−22x2dx=12⋅2∫02x2dxa_0 = \frac{1}{L}\int_{-L}^L f(x) dx = \frac{1}{2}\int_{-2}^2 x^2 dx = \frac{1}{2} \cdot 2\int_0^2 x^2 dx

    =12⋅2⋅[x33]02=83= \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot \left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2 = \frac{8}{3}

  4. Paso 4
    Calcular ana_n para n≥1n \geq 1

    an=1L∫−LLf(x)cos⁡(nπxL)dx=12∫−22x2cos⁡(nπx2)dxa_n = \frac{1}{L}\int_{-L}^L f(x)\cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) dx = \frac{1}{2}\int_{-2}^2 x^2\cos\left(\frac{n\pi x}{2}\right) dx

    =∫02x2cos⁡(nπx2)dx= \int_0^2 x^2\cos\left(\frac{n\pi x}{2}\right) dx

  5. Paso 5
    Integrar por partes dos veces

    Primera integración: u=x2u = x^2, dv=cos⁡(nπx2)dxdv = \cos\left(\frac{n\pi x}{2}\right)dx

    an=[x2⋅2sin⁡(nπx/2)nπ]02−∫022x⋅2sin⁡(nπx/2)nπdxa_n = \left[x^2 \cdot \frac{2\sin(n\pi x/2)}{n\pi}\right]_0^2 - \int_0^2 2x \cdot \frac{2\sin(n\pi x/2)}{n\pi} dx

    =0−4nπ∫02xsin⁡(nπx2)dx= 0 - \frac{4}{n\pi}\int_0^2 x\sin\left(\frac{n\pi x}{2}\right) dx

    Segunda integración: u=xu = x, dv=sin⁡(nπx2)dxdv = \sin\left(\frac{n\pi x}{2}\right)dx

    an=−4nπ[−x⋅2cos⁡(nπx/2)nπ+2nπ∫02cos⁡(nπx2)dx]a_n = -\frac{4}{n\pi}\left[-x \cdot \frac{2\cos(n\pi x/2)}{n\pi} + \frac{2}{n\pi}\int_0^2 \cos\left(\frac{n\pi x}{2}\right) dx\right]

    =8n2π2[2cos⁡(nπ)−0]=16(−1)nn2π2= \frac{8}{n^2\pi^2}[2\cos(n\pi) - 0] = \frac{16(-1)^n}{n^2\pi^2}

  6. Paso 6
    Serie de Fourier final

    x2=43+16π2∑n=1∞(−1)nn2cos⁡(nπx2)x^2 = \frac{4}{3} + \frac{16}{\pi^2}\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n^2}\cos\left(\frac{n\pi x}{2}\right)

Ejercicio 3

Dificultad: Avanzado

Para la función onda triangular f(x)=1−2∣x∣πf(x) = 1 - \frac{2|x|}{\pi} en [−π,π][-\pi, \pi], calcular los primeros 5 coeficientes no nulos de su serie de Fourier y analizar la convergencia.

Ver solución paso a paso7 pasos
  1. Paso 1
    Analizar la simetría de la función

    f(x)f(x) es par, por lo tanto bn=0b_n = 0 para todo nn.

  2. Paso 2
    Calcular a0a_0

    a0=1π∫−ππ(1−2∣x∣π)dx=2π∫0π(1−2xπ)dxa_0 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi \left(1 - \frac{2|x|}{\pi}\right) dx = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi \left(1 - \frac{2x}{\pi}\right) dx

    =2π[x−x2π]0π=2π[π−π]=0= \frac{2}{\pi}\left[x - \frac{x^2}{\pi}\right]_0^\pi = \frac{2}{\pi}[\pi - \pi] = 0

  3. Paso 3
    Calcular ana_n para n≥1n \geq 1

    an=2π∫0π(1−2xπ)cos⁡(nx)dxa_n = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi \left(1 - \frac{2x}{\pi}\right)\cos(nx) dx

    =2π∫0πcos⁡(nx)dx−4π2∫0πxcos⁡(nx)dx= \frac{2}{\pi}\int_0^\pi \cos(nx) dx - \frac{4}{\pi^2}\int_0^\pi x\cos(nx) dx

  4. Paso 4
    Evaluar cada integral

    Primera integral: ∫0πcos⁡(nx)dx=sin⁡(nπ)n=0\int_0^\pi \cos(nx) dx = \frac{\sin(n\pi)}{n} = 0 para n≥1n \geq 1

    Segunda integral (por partes):

    ∫0πxcos⁡(nx)dx=[xsin⁡(nx)n]0π−∫0πsin⁡(nx)ndx\int_0^\pi x\cos(nx) dx = \left[\frac{x\sin(nx)}{n}\right]_0^\pi - \int_0^\pi \frac{\sin(nx)}{n} dx

    =0+1n2[cos⁡(nx)]0π=cos⁡(nπ)−1n2= 0 + \frac{1}{n^2}[\cos(nx)]_0^\pi = \frac{\cos(n\pi) - 1}{n^2}

  5. Paso 5
    Calcular ana_n

    an=−4π2⋅cos⁡(nπ)−1n2a_n = -\frac{4}{\pi^2} \cdot \frac{\cos(n\pi) - 1}{n^2}

    Para nn par: an=0a_n = 0

    Para nn impar: an=8n2π2a_n = \frac{8}{n^2\pi^2}

  6. Paso 6
    Primeros 5 coeficientes no nulos

    a1=8π2a_1 = \frac{8}{\pi^2}, a3=89π2a_3 = \frac{8}{9\pi^2}, a5=825π2a_5 = \frac{8}{25\pi^2}, a7=849π2a_7 = \frac{8}{49\pi^2}, a9=881π2a_9 = \frac{8}{81\pi^2}

  7. Paso 7
    Análisis de convergencia

    La serie ∑n impar1n2\sum_{n \text{ impar}} \frac{1}{n^2} converge (serie p con p=2>1p = 2 > 1), garantizando convergencia uniforme de la serie de Fourier.

Ejercicio 4

Dificultad: Experto

Demostrar la identidad de Parseval para la función f(x)=xf(x) = x en [−π,π][-\pi, \pi] usando su serie de Fourier, y calcular el valor de ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}.

Ver solución paso a paso7 pasos
  1. Paso 1
    Recordar la serie de Fourier de f(x)=xf(x) = x

    De ejercicios anteriores: x=2∑n=1∞(−1)n+1nsin⁡(nx)x = 2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{n}\sin(nx)

  2. Paso 2
    Aplicar la identidad de Parseval

    1π∫−ππf2(x)dx=a022+∑n=1∞(an2+bn2)\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f^2(x) dx = \frac{a_0^2}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} (a_n^2 + b_n^2)

  3. Paso 3
    Calcular el lado izquierdo

    1π∫−ππx2dx=1π⋅2π33=2π23\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi x^2 dx = \frac{1}{\pi} \cdot \frac{2\pi^3}{3} = \frac{2\pi^2}{3}

  4. Paso 4
    Calcular el lado derecho

    Para f(x)=xf(x) = x: a0=0a_0 = 0, an=0a_n = 0, bn=2(−1)n+1nb_n = \frac{2(-1)^{n+1}}{n}

    ∑n=1∞bn2=∑n=1∞4n2=4∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty} b_n^2 = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{4}{n^2} = 4\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}

  5. Paso 5
    Igualar ambos lados

    2π23=4∑n=1∞1n2\frac{2\pi^2}{3} = 4\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}

  6. Paso 6
    Resolver para la serie

    ∑n=1∞1n2=2π23⋅14=π26\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{2\pi^2}{3} \cdot \frac{1}{4} = \frac{\pi^2}{6}

  7. Paso 7
    Conclusión

    La identidad de Parseval se verifica y obtenemos el famoso resultado de Euler: ∑n=1∞1n2=π26\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}.