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hola y bienvenidos a otro vídeo de mate
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fácil en este vídeo vamos a ver cómo
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calcular la serie de fourier de la
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función ftx igual a x en el intervalo
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que va de menos pi a pitt y al final
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cuando les muestre la serie también les
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voy a mostrar la gráfica para algunos de
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esos términos de la serie para que así
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ustedes puedan ver como una serie de
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fourier se aproxima a una función para
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que lo puedan ver geométricamente para
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empezar recordemos la definición de la
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serie de fourier que es una serie de
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este tipo donde los coeficientes a 0 a
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nn se calculan con estas fórmulas así
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que lo que tenemos que hacer en primer
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lugar es calcular estos coeficientes o
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sea realizar las integrales que aquí se
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nos están indicando hay que recordar que
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la l
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bueno son los límites del intervalo
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recordando que el intervalo pues se
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encuentra centrado en el 0 o sea se usan
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estas fórmulas para intervalos que van
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de menos l a l en nuestro caso vale
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menos pick-up y eso significa que el es
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igual a pi en nuestro caso así que vamos
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a empezar calculando el primer
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coeficiente el acero el cual se calcula
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entonces sustituyendo aquí en la fórmula
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como uno sobre pi de la integral de
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menos pick-up y de la función que es x
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por de x entonces es una integral
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definida muy sencilla la integral de x
00:01:30
es x cuadrada sobre 2 y hay que evaluar
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de menos pick-up y evaluamos primero en
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pi y nos queda pi cuadradas sobre 2 y
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luego le restamos la función evaluada en
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el límite inferior o sea menos pie al
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cuadrado sobre 2
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cuando elevamos menos pie al cuadrado
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eso nos da pie al cuadrado positivo pero
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como aquí teníamos el menos de la resta
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que se hace cuando evaluamos en el
00:01:56
límite inferior pues nos queda pie al
00:01:58
cuadrado sobre dos menos pie al cuadrado
00:02:00
sobre dos lo cual se hace cero entonces
00:02:03
al final nos queda que a cero es igual a
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cero todo esto es simplemente realizar
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una integral definida muy sencilla bueno
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vamos a calcular ahora el coeficiente a
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n
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entonces para a n
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hacemos bueno igual sustituimos en la
00:02:21
fórmula nos queda uno sobre pi de la
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integral de menos pi de la función que
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es x por el coseno dnp x sobre l que
00:02:33
nuestro caso speed entonces es n px
00:02:35
sobre pi ahora este de aquí con este de
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aquí se cancelan y nos queda simplemente
00:02:40
coseno de nx bueno hay que calcular
00:02:44
ahora esta integral la cual se hace
00:02:47
mediante integración por partes
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entonces usamos esta fórmula la de
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integración por partes usamos que sea
00:02:54
igual a x que debe sea igual al coseno
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de nx por de x luego calculamos de eeuu
00:03:00
que va a ser igual a de x y calculamos v
00:03:03
integrando esto simplemente hay que
00:03:05
recordar que la integral del coseno de a
00:03:07
x es 1 sobre a del seno de a x así que
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nuestro caso como la n es la y bueno
00:03:14
pues pulsamos aquí en la fórmula y nos
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queda uno sobre n del seno de nx bueno
00:03:20
sustituimos ahora en la fórmula
00:03:23
y no hay que olvidarnos de multiplicar
00:03:25
por 1 sobre pi así que vamos a poner el
00:03:27
uno sobre pi y entre paréntesis ponemos
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por v que es x por 1 sobre en el seno de
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nx es esto de aquí y hay que colocar que
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vamos a evaluar todavía de menos pick-up
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y porque es una integral definida y
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luego es menos la integral de v por dv
00:03:45
entonces nos queda menos la integral de
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esto de aquí por de x pero el 1 sobre n
00:03:53
es una constante que podemos sacar de
00:03:55
una vez de la integral así que nos queda
00:03:57
menos 1 sobre n de la integral de menos
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pi del seno de nx por de x y ahora esta
00:04:04
integral de aquí la podemos calcular muy
00:04:06
fácilmente
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entonces primero vamos a pasar el 1
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sobre pi
00:04:11
ponemos los paréntesis y empezamos
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evaluando los límites de integración
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sobre esta función entonces primero
00:04:19
evaluamos la pi y nos queda uno sobre n
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piceno de np y luego va a ser menos la
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función evaluada en menos pi entonces
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queda uno sobre n por menos pi por el
00:04:30
seno de menos
00:04:32
np ahora para esta integral de aquí
00:04:35
tenemos una fórmula similar a ésta la
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integral de seno de a x es menos 1 sobre
00:04:41
a del coseno de ax entonces usamos la
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fórmula en este caso nos va a quedar
00:04:46
aquí 1 sobre n pero aquí ya tenemos un 1
00:04:50
sobre n también este menos por este
00:04:53
menos nos va a dar más así que nos va a
00:04:55
quedar más 1 sobre n al cuadrado porque
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se multiplica el 1 sobre n de aquí con
00:05:00
el 1 sobre n que nos va a surgir de
00:05:02
integrar esta función de aquí así que se
00:05:05
hace 1 sobre n al cuadrado y nos queda
00:05:07
coseno d
00:05:09
y todavía hay que evaluar de menos pick
00:05:12
up
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ahora aquí hay que recordar que el seno
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de cualquier múltiplo de pi vale 0 eso
00:05:20
es un resultado trigonométrico muy
00:05:22
sencillo que el seno de n p es cero
00:05:25
porque n es aquí un número entero
00:05:28
entonces seno de cero seno de 180 grados
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seno de 360 grados que es lo mismo que
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seno de cero seno de pi seno de dos etc
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es cero así que estas se cancelan y
00:05:40
ahora hay que evaluar aquí en los
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límites de integración al coseno
00:05:45
entonces al multiplicar por el n
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cuadrado pues queda aquí
00:05:49
en el cuadrado luego evaluamos en pi y
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queda coseno dnp luego - jose no
00:05:55
evaluado en el límite inferior entonces
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queda coseno de menos
00:05:59
np y aquí ahora vamos a recordar que el
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coste no es una función para eso
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significa que coseno de - cnp es lo
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mismo que coseno dnp y al restar este
00:06:11
coseno con este coseno esto se hace cero
00:06:13
así que el coeficiente a n es cero
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finalmente hay que calcular el
00:06:19
coeficiente bn que es la misma integral
00:06:22
pero ahora con seno en lugar de coseno
00:06:25
entonces nos va a quedar uno sobre pi de
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la integral de menos pick-up y de x por
00:06:31
el seno de mpx sobre pi
00:06:35
bueno aquí está esta piedra aquí arriba
00:06:38
con esta de aquí abajo se cancelan y
00:06:39
entonces queda seno de nx y otra vez hay
00:06:42
que aplicar integración por partes
00:06:44
entonces aplicamos esta fórmula hacemos
00:06:46
que u sea igual a equis que debe ser
00:06:48
seno de nx entonces dvd x para v hay que
00:06:53
integrar este seno con esta fórmula y
00:06:56
nos queda entonces que v es menos 1
00:06:57
sobre n coseno de nx sustituimos en la
00:07:01
fórmula y nos queda entonces el 1 sobre
00:07:03
piqué teníamos afuera multiplicando a 1
00:07:06
por v o sea x por esto de aquí que nos
00:07:09
da esto de aquí menos 1 sobre nx coseno
00:07:12
de nx evaluado de menos piatti y luego
00:07:15
va a ser menos integral de v por dv pero
00:07:18
este menos de aquí con el menos de la ub
00:07:21
se hace más también el 1 sobre n que es
00:07:24
constante lo sacamos de una vez de la
00:07:25
integral y nos queda simplemente la
00:07:27
integral de menos pi del coseno de nx
00:07:30
bueno otra vez escribimos eeuu nos
00:07:33
sobreponemos los paréntesis y evaluamos
00:07:36
los límites de integración en esta
00:07:38
función
00:07:39
primero evaluamos pi entonces qué
00:07:41
- 1 sobre n p coseno de np y luego a eso
00:07:46
hay que restarle la función evaluada en
00:07:48
menos pi
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pero cuando hacemos la resta s menos con
00:07:51
este menos se hace más y nos queda
00:07:54
entonces 1 sobre n de bueno de menos pi
00:07:57
estamos sustituyendo en la equis y luego
00:07:59
coseno de menos
00:08:01
np ahora hay que calcular esta integral
00:08:04
con esta fórmula como aquí ya tenemos un
00:08:07
1 sobre n y aquí va a salir otro 1 sobre
00:08:10
n ponemos más 1 sobre n al cuadrado del
00:08:14
seno de nx y evaluamos de menos pick-up
00:08:19
ahora aquí
00:08:21
estos cosenos los podemos sumar porque
00:08:23
recordemos otra vez
00:08:25
jose no es una función par así que este
00:08:28
de aquí es lo mismo que coseno de gnp
00:08:30
así que aquí es como tener menos 1 sobre
00:08:33
n pico seno dnp y luego aquí también
00:08:35
menos 1 sobre n pico seno de np entonces
00:08:39
sumamos estos dos y nos quedan menos dos
00:08:42
pick sobre n coseno de gnp de sumar
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estos dos de aquí y en este equipo es
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evaluamos los límites de integración que
00:08:50
da uno sobre en el cuadrado seno de np -
00:08:53
la función evaluado en menos y entonces
00:08:55
quedan menos 1 sobre n cuadrado seno de
00:08:57
menos n p y otra vez recordamos que ese
00:09:00
no de cualquier múltiplo entero de pi es
00:09:03
cero así que estos términos se cancelan
00:09:05
y únicamente nos queda este de aquí x 1
00:09:09
sobre pi aquí vamos a recordar también
00:09:11
otra fórmula bueno otro resultado
00:09:14
trigonométrico que nos dice que el coste
00:09:17
no dnp es igual a menos 1 elevado a la n
00:09:20
porque recuerden que pues coseno de 0
00:09:23
nos da 1 coseno de pinos al menos 1
00:09:26
coseno de dos pinos vuelve a dar 1
00:09:28
y así entonces se va alternando en 1 - 1
00:09:31
1 1 por eso coseno dnp es lo mismo que
00:09:34
menos 1 a la n es importante que
00:09:36
recuerden este resultado porque se va a
00:09:38
estar usando mucho en las series de
00:09:39
fourier bueno entonces en lugar de
00:09:42
coseno dnp aquí ponemos menos 1 show
00:09:44
menos 1 elevado a la n iv éste pide aquí
00:09:47
con este de aquí se cancelan y entonces
00:09:48
nos queda simplemente menos 2 sobre n
00:09:51
por menos 1 elevado a la n ahora este
00:09:54
menos de aquí lo podemos multiplicar con
00:09:56
este menos 1 a la n iv entonces nos
00:09:59
queda menos 1 elevado a n 1 es como
00:10:02
imaginarnos que aquí había un -1 y se
00:10:04
multiplica por este menos 1 a la n pues
00:10:06
nos queda menos 1 elevado a n más 1 este
00:10:10
ese entonces el coeficiente bn bueno
00:10:13
ahora vamos a sustituir todo eso en
00:10:15
nuestra fórmula para la serie de fourier
00:10:17
nos quedó que a cero es cero que a n es
00:10:20
cero y que ven es 2 sobre n por menos 1
00:10:23
elevado a n 1 entonces al sustituir en
00:10:27
lugar de fx ponemos la equis y nos queda
00:10:30
igual
00:10:31
bueno el acero es cero así que este
00:10:33
término se cancela a n cero así que éste
00:10:36
también lo quitamos y únicamente nos va
00:10:37
a quedar la serie de senos y aquí quiero
00:10:40
que noten una cosa la función f x con la
00:10:43
que empezamos es una función impar si no
00:10:46
recuerdan o no saben lo que es una
00:10:48
función para una función impar les voy a
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dejar el enlace en la descripción a un
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vídeo que hice en el que expliqué ya
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esos conceptos y entonces quiero que
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vean que la función con la que empezamos
00:10:59
que es f x igual a x es es una función
00:11:02
impar y la función seno también es una
00:11:05
función impar no es casualidad que
00:11:08
cuando tengamos una función impar nos va
00:11:10
a quedar únicamente una serie de senos y
00:11:12
lo mismo va a ocurrir cuando tengamos
00:11:14
una función par cuando tengamos una
00:11:16
función par nos va a quedar únicamente
00:11:18
la serie de cosenos junto con el
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coeficiente a cero eso nos va a ahorrar
00:11:23
algunos cálculos más adelante todo esto
00:11:25
ya lo iré explicando en otros vídeos
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entonces nos queda la suma de uno a
00:11:31
infinito de
00:11:33
n que es 2 sobre n de 1 elevado a n 1
00:11:36
por el seno de nx bueno sería n px sobre
00:11:41
pib pero otra vez cancelamos picón pi y
00:11:43
entonces queda seno de nx y ésta de aquí
00:11:46
es entonces la serie de fourier para
00:11:47
esta función en este intervalo y ahora
00:11:50
les mostraré la gráfica de esta serie de
00:11:53
fourier pero antes fíjense qué
00:11:57
aquí podemos escribir algunos términos
00:12:00
de la serie o sea el 2 que está aquí lo
00:12:04
podemos factorizar lo podemos sacar y
00:12:07
entonces al ir sustituyendo los valores
00:12:09
empezamos con el 1 nos queda 1 sobre 1
00:12:12
de menos 1 elevado al cuadrado entonces
00:12:13
queda positivo y queda seno de x
00:12:16
simplemente el primer término y luego
00:12:18
sustituimos el 2 entonces nos queda
00:12:20
menos 1 elevado a la 3 así que queda el
00:12:23
término negativo queda 1 sobre 2 del
00:12:25
seno de 2x y así podemos ir sustituyendo
00:12:28
varios enteros para ir escribiendo
00:12:30
algunos términos de la serie y ya
00:12:32
después esto de aquí podemos tomar los
00:12:35
términos que nosotros queramos para
00:12:36
obtener pues una serie que se parezca
00:12:38
mucho a esta función y poder ver la
00:12:41
gráfica entonces voy a mostrarles ahora
00:12:43
la gráfica para algunos de estos
00:12:45
términos de la serie
00:12:47
bueno aquí estamos en geogebra y aquí
00:12:50
tenemos la gráfica de la función fx
00:12:53
igual a equis para el intervalo de menos
00:12:56
pick-up y es únicamente un segmento de
00:12:59
recta que va pues de menos pick-up y
00:13:02
bueno si nosotros tomamos un solo
00:13:05
término de la serie de fourier que
00:13:07
recordemos que es la función 2 por el
00:13:10
seno de x obtenemos pues esta gráfica de
00:13:13
aquí es simplemente la función seno de x
00:13:16
multiplicada por dos
00:13:17
podemos ver que bueno pues se parece un
00:13:19
poco a este segmento de recta aquí en
00:13:23
esta región de aquí pero todavía pues un
00:13:26
poco bueno hay bastante diferencia no
00:13:29
entre la función seno y la función fx
00:13:33
igual a x si nosotros tomamos ahora dos
00:13:35
términos de la serie de fourier los dos
00:13:38
primeros términos que les mostré al
00:13:40
final
00:13:41
bueno pues tenemos esta gráfica en rojo
00:13:44
voy a quitar la gráfica en verde que
00:13:46
podemos ver que ya se va apareciendo más
00:13:48
al segmento de recta
00:13:50
podemos tomar más términos por ejemplo
00:13:52
tomar tres términos
00:13:54
y tendríamos esta gráfica en morado que
00:13:57
vemos que se va apareciendo todavía más
00:13:59
al segmento de recta para poder ver que
00:14:02
está que esta serie de senos se aproxima
00:14:05
mucho a la recta tenemos que tomar
00:14:07
muchos términos por ejemplo si ahora
00:14:09
tomamos 10 los 10 primeros términos de
00:14:12
la serie de senos obtenemos esta gráfica
00:14:15
en gris que podemos ver que ya se parece
00:14:18
bastante más al segmento y por supuesto
00:14:20
si tomamos muchos más términos pues
00:14:22
iremos viendo que se parece más entonces
00:14:24
esto es lo que quería que vieran
00:14:26
geométricamente ahora que ya vimos cómo
00:14:29
calcular series de fourier les dejo a
00:14:31
ustedes el siguiente ejercicio calcular
00:14:34
la serie de fourier de la función f x
00:14:36
definida a trozos la función vale 1 en
00:14:39
el intervalo que va de menos 3 a 0 y
00:14:42
vale 2 en el intervalo que va de 0 a 3
00:14:44
para calcular la serie de fourier como
00:14:47
está aquí definida a trozos lo que van a
00:14:48
tener que hacer es dividir cada integral
00:14:51
por ejemplo cuando calculen el
00:14:53
coeficiente a cero pues van a integrar
00:14:55
primero de menos tres a cero la función
00:14:58
y luego a eso le van a sumar
00:15:00
integral de la función que va de 0 a 3 y
00:15:03
lo mismo va a ocurrir con los
00:15:04
coeficientes nn simplemente tienen que
00:15:07
partir la integral en una suma de
00:15:09
integrales una que va a ir de menos 3 a
00:15:11
0 y la otra de 0 a 3 los invito a que
00:15:14
intenten hacerlo en el siguiente vídeo
00:15:16
les muestro el procedimiento completo
00:15:17
para que verifiquen su respuesta si les
00:15:20
gustó este vídeo apoyen me regalándome
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