Ejercicio 1Dificultad: BásicoEncontrar la serie de Fourier de la función f(x)=∣x∣f(x) = |x|f(x)=∣x∣ en [−π,π][-\pi, \pi][−π,π].Ver solución paso a paso6 pasosPaso 1Determinar la simetría de la funciónf(x)=∣x∣f(x) = |x|f(x)=∣x∣ es una función par, por lo que bn=0b_n = 0bn=0 para todo nnn.Paso 2Calcular a0a_0a0a0=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} = \pia0=π1∫−ππ∣x∣dx=π2∫0πxdx=π2[2x2]0π=π2⋅2π2=πPaso 3Calcular ana_nan para n≥1n \geq 1n≥1an=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) dxan=π1∫−ππ∣x∣cos(nx)dx=π2∫0πxcos(nx)dxPaso 4Integrar por partesSea u=xu = xu=x, dv=cos(nx)dxdv = \cos(nx)dxdv=cos(nx)dx, entonces du=dxdu = dxdu=dx, v=sin(nx)nv = \frac{\sin(nx)}{n}v=nsin(nx):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} dxan=π2[xnsin(nx)]0π−π2∫0πnsin(nx)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=π2⋅0−nπ2[−ncos(nx)]0π=2n2π[cos(nπ)−1]= \frac{2}{n^2\pi}[\cos(n\pi) - 1]=n2π2[cos(nπ)−1]Paso 5Evaluar según la paridad de nnnPara nnn par: an=0a_n = 0an=0Para nnn impar: an=−4n2πa_n = -\frac{4}{n^2\pi}an=−n2π4Paso 6Escribir 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]∣x∣=2π−π4∑n imparn2cos(nx)=2π−π4[cos(x)+9cos(3x)+25cos(5x)+⋯]
Ejercicio 2Dificultad: IntermedioDesarrollar en serie de Fourier la función periódica f(x)=x2f(x) = x^2f(x)=x2 en [−2,2][-2, 2][−2,2] con período 444.Ver solución paso a paso6 pasosPaso 1Identificar el período 2L=42L = 42L=4, por lo tanto L=2L = 2L=2Paso 2Determinar la simetríaf(x)=x2f(x) = x^2f(x)=x2 es par, entonces bn=0b_n = 0bn=0 para todo nnn.Paso 3Calcular a0a_0a0a0=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 dxa0=L1∫−LLf(x)dx=21∫−22x2dx=21⋅2∫02x2dx=12⋅2⋅[x33]02=83= \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot \left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2 = \frac{8}{3}=21⋅2⋅[3x3]02=38Paso 4Calcular ana_nan para n≥1n \geq 1n≥1an=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) dxan=L1∫−LLf(x)cos(Lnπx)dx=21∫−22x2cos(2nπx)dx=∫02x2cos(nπx2)dx= \int_0^2 x^2\cos\left(\frac{n\pi x}{2}\right) dx=∫02x2cos(2nπx)dxPaso 5Integrar por partes dos vecesPrimera integración: u=x2u = x^2u=x2, dv=cos(nπx2)dxdv = \cos\left(\frac{n\pi x}{2}\right)dxdv=cos(2nπx)dxan=[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} dxan=[x2⋅nπ2sin(nπx/2)]02−∫022x⋅nπ2sin(nπx/2)dx=0−4nπ∫02xsin(nπx2)dx= 0 - \frac{4}{n\pi}\int_0^2 x\sin\left(\frac{n\pi x}{2}\right) dx=0−nπ4∫02xsin(2nπx)dxSegunda integración: u=xu = xu=x, dv=sin(nπx2)dxdv = \sin\left(\frac{n\pi x}{2}\right)dxdv=sin(2nπx)dxan=−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]an=−nπ4[−x⋅nπ2cos(nπx/2)+nπ2∫02cos(2nπx)dx]=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}=n2π28[2cos(nπ)−0]=n2π216(−1)nPaso 6Serie de Fourier finalx2=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)x2=34+π216∑n=1∞n2(−1)ncos(2nπx)
Ejercicio 3Dificultad: AvanzadoPara la función onda triangular f(x)=1−2∣x∣πf(x) = 1 - \frac{2|x|}{\pi}f(x)=1−π2∣x∣ en [−π,π][-\pi, \pi][−π,π], calcular los primeros 5 coeficientes no nulos de su serie de Fourier y analizar la convergencia.Ver solución paso a paso7 pasosPaso 1Analizar la simetría de la funciónf(x)f(x)f(x) es par, por lo tanto bn=0b_n = 0bn=0 para todo nnn.Paso 2Calcular a0a_0a0a0=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) dxa0=π1∫−ππ(1−π2∣x∣)dx=π2∫0π(1−π2x)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=π2[x−πx2]0π=π2[π−π]=0Paso 3Calcular ana_nan para n≥1n \geq 1n≥1an=2π∫0π(1−2xπ)cos(nx)dxa_n = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi \left(1 - \frac{2x}{\pi}\right)\cos(nx) dxan=π2∫0π(1−π2x)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=π2∫0πcos(nx)dx−π24∫0πxcos(nx)dxPaso 4Evaluar cada integralPrimera integral: ∫0πcos(nx)dx=sin(nπ)n=0\int_0^\pi \cos(nx) dx = \frac{\sin(n\pi)}{n} = 0∫0πcos(nx)dx=nsin(nπ)=0 para n≥1n \geq 1n≥1Segunda 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∫0πxcos(nx)dx=[nxsin(nx)]0π−∫0πnsin(nx)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}=0+n21[cos(nx)]0π=n2cos(nπ)−1Paso 5Calcular ana_nanan=−4π2⋅cos(nπ)−1n2a_n = -\frac{4}{\pi^2} \cdot \frac{\cos(n\pi) - 1}{n^2}an=−π24⋅n2cos(nπ)−1Para nnn par: an=0a_n = 0an=0Para nnn impar: an=8n2π2a_n = \frac{8}{n^2\pi^2}an=n2π28Paso 6Primeros 5 coeficientes no nulosa1=8π2a_1 = \frac{8}{\pi^2}a1=π28, a3=89π2a_3 = \frac{8}{9\pi^2}a3=9π28, a5=825π2a_5 = \frac{8}{25\pi^2}a5=25π28, a7=849π2a_7 = \frac{8}{49\pi^2}a7=49π28, a9=881π2a_9 = \frac{8}{81\pi^2}a9=81π28Paso 7Análisis de convergenciaLa serie ∑n impar1n2\sum_{n \text{ impar}} \frac{1}{n^2}∑n imparn21 converge (serie p con p=2>1p = 2 > 1p=2>1), garantizando convergencia uniforme de la serie de Fourier.
Ejercicio 4Dificultad: ExpertoDemostrar la identidad de Parseval para la función f(x)=xf(x) = xf(x)=x en [−π,π][-\pi, \pi][−π,π] usando su serie de Fourier, y calcular el valor de ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}∑n=1∞n21.Ver solución paso a paso7 pasosPaso 1Recordar la serie de Fourier de f(x)=xf(x) = xf(x)=xDe ejercicios anteriores: x=2∑n=1∞(−1)n+1nsin(nx)x = 2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{n}\sin(nx)x=2∑n=1∞n(−1)n+1sin(nx)Paso 2Aplicar la identidad de Parseval1π∫−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)π1∫−ππf2(x)dx=2a02+∑n=1∞(an2+bn2)Paso 3Calcular el lado izquierdo1π∫−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}π1∫−ππx2dx=π1⋅32π3=32π2Paso 4Calcular el lado derechoPara f(x)=xf(x) = xf(x)=x: a0=0a_0 = 0a0=0, an=0a_n = 0an=0, bn=2(−1)n+1nb_n = \frac{2(-1)^{n+1}}{n}bn=n2(−1)n+1∑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}∑n=1∞bn2=∑n=1∞n24=4∑n=1∞n21Paso 5Igualar ambos lados2π23=4∑n=1∞1n2\frac{2\pi^2}{3} = 4\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}32π2=4∑n=1∞n21Paso 6Resolver 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}∑n=1∞n21=32π2⋅41=6π2Paso 7ConclusiónLa 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}∑n=1∞n21=6π2.