Séries de Fourier
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1.13 Series de Fourier de funcoes definidas em IR
Anteriormente representamos uma funcao real de variavel real em serie de potencias.
Por exemplo, vimos que, para todo o x IR,
ex = 1 + x+x2
2!+x3
3!+ . . .+
xn
n!+ . . . =
+n=0
xn
n!.
Vamos agora ver como poderemos representar funcoes reais de variavel real e
periodicas em series de Fourier. Por exemplo, os sons produzidos por instrumen-
tos musicais sao sempre combinacoes lineares de sinusoidais (seno ou coseno) com
diversas frequencias e amplitudes. O som que pode ser representado por uma unica
sinusoide (seno ou coseno) com uma dada frequencia e amplitude diz-se um som puro.
O mesmo se aplica a sinais periodicos. E possvel criar quase todos os sinais
periodicos a` custa de combinacoes lineares (infinitas) de sinais sinusoidais (seno ou
coseno) com diversas frequencias e amplitudes.
Em primeiro lugar, vamos recordar algumas definicoes.
Funcao periodica: Seja f uma funcao real de variavel real. Dizemos que f e
periodica de perodo T , com T > 0, se f(x+ T ) = f(x) para todo x IR e alem disso
T e o menor de todos os numeros reais positivos L que verificam f(x+L) = f(x) para
todo x IR.
Verifica-se facilmente que se f for periodica de perodo T , entao f(x + mT ) =
f(x) para todo x IR e todo m IN. Por exemplo,
f(x+ 2T ) = f((x+ T ) + T ) = f(x+ T ) = f(x), x IR.
A frequencia fundamental de uma funcao f periodica de perodo T e dada por1
T. Se a variavel x representar o tempo, a frequencia fundamental vem em Hertz (ciclos
por segundo). Quanto menor for o perodo de uma funcao, maior sera a sua frequencia
fundamental.
Muitas vezes tambem se usa a frequencia circular de uma funcao f periodica de
perodo T , que e dada por =2pi
T. Se a variavel x representar o tempo, a frequencia
circular vem em radianos por segundo.
Definicao: Seja f : IR IR uma funcao periodica de perodo T e suponhamos
que f admite apenas um numero finito de descontinuidades de primeira especie em
cada um dos intervalos [d, d + T ], com d IR. A serie de Fourier de f definida em IR
e dada por,
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+bnsen
(n2pix
T
))=
a0
2+
+n=1
(an cos (nx) + bnsen (nx)) ,
onde
a0 =2
T
d+Td
f(x) dx,
1
-
an =2
T
d+Td
f(x) cos(n2pix
T) dx =
2
T
d+Td
f(x) cos(nx) dx, n IN,
bn =2
T
d+Td
f(x)sen(n2pix
T) dx =
2
T
d+Td
f(x)sen(nx) dx, n IN,
qualquer que seja a escolha de d IR. Usualmente, consideramos ou d = T2ou d = 0.
Aos valores an, n IN0, e bn, n IN, chamamos coeficientes de Fourier da funcao f .
Exemplo: Considere a funcao f periodica, de perodo 2pi, definida por f(x) = x,
se x [0, 2pi[. Temos que f(x + 2pi) = f(x), x IR. Apresentamos a seguir a
representacao grafica da restricao da funcao ao intervalo [4pi, 4pi].
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2pi 4pi2pi2pi4pi
2pi
0
f
Vamos determinar os coeficientes de Fourier. Usando as formulas, temos
a0 =1
pi
2pi
0
f(x) dx =1
pi
2pi
0
x dx =1
pi
(x2
2
]2pi0
= 2pi.
Para cada n IN, resulta
an =1
pi
2pi
0
f(x) cos(nx) dx =1
pi
2pi
0
x cos(nx) dx
=1
pi
(xsen(nx)
n+
cos(nx)
n2
]2pi0
(integracao por partes)
=1
pi
(2pi
nsen(2npi) +
1
n2cos(2npi)
1
n2
)= 0.
Falta determinar bn, para cada n IN. Dado n IN, temos
bn =1
pi
2pi
0
f(x) sen(nx) =1
pi
2pi
0
xsen(nx) dx
=1
pi
(x
cos(nx)
n+
sen(nx)
n2
]2pi0
(integracao por partes)
=1
pi
(2pi
ncos(2npi)
)(porque sen(2npi) = sen0 = 0)
= 2
n(porque cos(2npi) = 1)
Consequentemente, a serie de Fourier da funcao f e a serie de funcoes definida por
pi
+n=1
2
nsen(nx), x IR.
2
-
Podemos formular a seguinte questao: em que circunstancias e que a serie de
Fourier de uma dada funcao converge (pontualmente)? E se convergir, qual o valor da
sua soma para cada x IR?
Consideremos por exemplo a sucessao de funcoes das somas parciais da serie do
exemplo anterior, isto e, para cada n IN, consideremos
Sn(x) = pi
nk=1
2
ksen(kx), x IR.
Facamos a representacao grafica de alguns elementos da sucessao de funcoes Sn(x), no
intervalo 4pi x 4pi, ou seja, vamos representar S2(x), S5(x) e S40(x).
15 10 5 0 5 10 150
1
2
3
4
5
6
15 10 5 0 5 10 151
0
1
2
3
4
5
6
7
15 10 5 0 5 10 151
0
1
2
3
4
5
6
7
S2(x) = pi
2k=1
2
ksen(kx) S5(x) = pi
5k=1
2
ksen(kx) S40(x) = pi
40k=1
2
ksen(kx)
Observe que a` medida que aumentamos o valor de n em Sn, a funcao Sn aproxima-
se de f nos pontos onde f e contnua. E nos pontos onde f e descontnua? Nos pontos
de descontinuidade x0 parece que a sucessao (Sn(x0)) converge muito lentamente (veja
nos graficos anteriores quando x0 = 4pi, x0 = 2pi, x0 = 0, x0 = 2pi e x0 = 4pi) e ha
uma certa oscilacao. Este fenomeno e conhecido como fenomeno de Gibbs.
Vamos agora apresentar um resultado que nos garante a convergencia da serie de
Fourier.
Teorema de Fourier: Seja f uma funcao de domnio IR periodica, de perodo
T , e com um numero finito de descontinuidades de primeira especie em cada um dos
intervalos [d, d + T ], com d IR. (E suficiente analisar as descontinuidades num
intervalo, pois f e periodica; normalmente analisamos no intervalo [T2, T
2] ou no
intervalo [0, T ]). Se, para todo o x0 IR, existirem os limites laterais
limxx
0
f(x) f(x0)
x x0e lim
xx+0
f(x) f(x0+)
x x0,
onde
f(x0) = limxx
0
f(x) e f(x0+) = limxx+
0
f(x),
entao a serie de Fourier converge para cada x IR. Temos ainda que, a serie de Fourier
no ponto x converge para a media aritmetica dos limites laterais de f no ponto x, isto
e, paraf(x) + f(x+)
2
3
-
e, portanto, converge para f(x) se f for contnua em x. Tem-se, para cada x IR
f(x) + f(x+)
2=
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+ bnsen
(n2pix
T
)).
Como a funcao f do ultimo exemplo esta nas condicoes do Teorema de Fourier,
para cada x IR, temos
pi
+n=1
2
nsen(nx) =
f(x), x 6= 2kpi, k ZZ
2pi + 0
2= pi, x = 2kpi, k ZZ
Em particular, para x [0, 2pi], temos
pi +n=1
2
nsen(nx) =
x, 0 < x < 2pi
2pi + 0
2= pi, x = 0, x = 2pi
Antes de apresentarmos mais exemplos de series de Fourier, vamos observar o
seguinte:
(a) Se g e uma funcao integravel e par em ]L,L[, isto e, g(x) = g(x), x ]L,L[,
entao LL
g(x)dx = 2
L0
g(x)dx;
(b) Se g e uma funcao integravel e mpar em ] L,L[, isto e, g(x) = g(x),
x ] L,L[, entao LL
g(x)dx = 0;
(c) O produto de duas funcoes pares ou de duas funcoes mpares e uma funcao
par, enquanto que o produto de uma funcao par por uma funcao mpar e uma funcao
mpar.
Exemplo: Considere a funcao f periodica de perodo 2 definida por f(x) = x,
para x [1, 1[, e f(x+ 2) = f(x), x IR.
(a) Determine a serie de Fourier da funcao f .
(b) Determine a funcao soma da serie de Fourier em [1, 1] e em [1, 3].
(c) Faca a representacao grafica da serie de Fourier no intervalo [3, 3].
Resolucao:
(a) Em primeiro lugar note que T = 2. Por outro lado, a funcao f e uma funcao
mpar em ]1, 1[. Consequentemente, g1 definida por g1(x) = x cos(npix), x ]1, 1[,
e mpar em ] 1, 1[ e a funcao g2 definida por g2(x) = xsen(npix), x ] 1, 1[, e par
em ] 1, 1[. Portanto,
a0 =2
2
1
1
x dx = 0; an =2
2
1
1
x cos(npix) dx = 0, n IN;
4
-
bn =2
2
1
1
xsen(npix) dx = 2
1
0
xsen(npix) dx = 2
((x
cos(npix)
npi
]10
+
1
0
cos(npix)
npidx
)
= 2
(cos(npi)
npi+
(sen(npix)
(npi)2
]10
)= 2
(1)n
npi= 2
(1)n+1
npi, n IN.
A serie de Fourier de x e a serie de funcoes definida por
+n=1
2(1)n+1
npisen(npix), x IR.
(b) Como a funcao esta nas condicoes do Teorema de Fourier, para x [1, 1],
temos+n=1
2(1)n+1
npisen(npix) =
{x, se 1 < x < 1
0, se x = 1, x = 1
Para x [1, 3], temos
+n=1
2(1)n+1
npisen(npix) =
{x 2, se 1 < x < 3
0, se x = 1, x = 3
(c) Representacao grafica da serie no intervalo [3, 3].
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21 3123
Exemplo: Considere a funcao f periodica de perodo 2 definida por f(x) = |x|,
se x [1, 1[.
(a) Determine a serie de Fourier da funcao f .
(b) Determine a funcao soma da serie de Fourier em [1, 1].
(c) Calcule tambem a soma da serie numerica
+n=0
1
(2n + 1)2.
Resolucao:
(a) Em primeiro lugar note que T = 2. Por outro lado, a funcao f e uma funcao
par em [1, 1]. Consequentemente, g1 definida por g1(x) = |x| cos(npix), x [1, 1], e
par em [1, 1] e a funcao g2 definida por g2(x) = |x|sen(npix), x [1, 1], e mpar em
[1, 1]. Portanto,
a0 =
1
1
|x| dx = 2
1
0
x dx = 1;
5
-
an =
1
1
|x| cos(npix) dx = 2
1
0
x cos(npix) dx
= 2
n2 pi2+ 2
cos(npi)
n2 pi2+
sen(npi)
npi= 2
(1)n 1
n2 pi2, n IN.
bn =
1
1
|x|sen(npix) dx = 0, n IN.
A serie de Fourier e a serie de funcoes definida por
1
2+
+n=1
(2(1)n 1
n2 pi2cos(npix)
)=
1
2+
+n=0
4
(2n+ 1)2 pi2cos((2n + 1)pix), x IR.
Observe que (1)n 1 = 0, se n for par, e (1)n 1 = 2, se n for mpar.
(b) Como a funcao esta nas condicoes do Teorema de Fourier e e contnua, para
x [1, 1], temos
|x| =1
2 4
+n=0
1
(2n + 1)2 pi2cos((2n + 1)pix)
(c) Em particular, para x = 0, temos
0 =1
2 4
+n=0
1
(2n + 1)2 pi2cos(0) =
1
2 4
+n=0
1
(2n + 1)2 pi2.
Logo,+n=0
1
(2n + 1)2=
pi2
8.
Seja f uma funcao periodica e de perodo T , com um numero finito de
descontinuidades de primeira especie em cada um dos intervalos [d, d+T ], com d IR
(portanto, e integravel em cada um desses intervalos).
Se f for uma funcao par em ] T2, T
2[, entao
a0 =2
T
T/2T/2
f(x) dx =4
T
T/20
f(x) dx;
an =2
T
T/2T/2
f(x) cos(n2pix
T) dx
=4
T
T/20
f(x) cos(n2pix
T) dx, n IN;
bn = 0, n IN.
Se f for uma funcao mpar em ] T2, T
2[, entao
a0 = 0;
an = 0, n IN;
bn =2
T
T/2T/2
f(x)sen(n2pix
T) dx
=4
T
T/20
f(x)sen(n2pix
T) dx, n IN.
cErclia Sousa 2009
6
-
1.14 Series de Fourier de funcoes definidas num intervalo
limitado
Em determinadas condicoes, vimos que uma funcao periodica admite uma repre-
sentacao em serie de Fourier. E se a funcao nao for periodica? Neste caso tal repre-
sentacao nao e possvel em IR. Contudo, podemos representar em serie de Fourier uma
funcao f definida num intervalo do tipo [d,D[ (ou do tipo ]d,D] ou do tipo [d,D]),
com d < D. Como? Consideramos uma extensao periodica de perodo T = D d > 0
a IR da funcao f . Seja f essa extensao periodica, isto e,
f(x) = f(x), x [d,D[= [d, d+ T [ (ou x ]d,D] =]d, d+ T ])
e
f(x+ T ) = f(x), x IR.
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d + Td
f
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d + Td
d 2T d T
d 3T
d + Td
f
d + 2T d + 3T
. . .. . .
Se f estiver definida no intervalo fechado [d,D], podemos ignorar a definicao da
funcao num dos extremos e procedemos como se f estivesse apenas definida num
intervalo do tipo [d,D[ ou do tipo ]d,D].
A serie de Fourier da funcao f definida em IR periodica, de perodo T , e dada por
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+ bnsen
(n2pix
T
))
onde
a0 =2
T
d+Td
f(x) dt =2
T
d+Td
f(x) dx,
an =2
T
d+Td
f(x) cos(n2pix
T) dx =
2
T
d+Td
f(x) cos(n2pix
T) dx, n IN,
bn =2
T
d+Td
f(x)sen(n2pix
T) dx =
2
T
d+Td
f(x)sen(n2pix
T) dx, n IN.
Definicao: Seja f uma funcao definida em I com I = [d,D[= [d, d + T [ ou
I =]d,D] =]d, d + T ] (note que T = D d). Suponhamos que f e limitada e que
tem um numero finito de descontinuidades de primeira especie em I. Entao, a serie
de Fourier de f e a restricao da serie de Fourier de f a [d,D[= [d, d + T [, onde f e a
extensao periodica de perodo T de f a IR, isto e, e a serie
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+ bnsen
(n2pix
T
)),
7
-
para x [d,D] = [d, d+ T ], onde
a0 =2
T
d+Td
f(x) dx,
an =2
T
d+Td
f(x) cos(n2pix
T) dx n IN,
bn =2
T
d+Td
f(x)sen(n2pix
T) dx n IN.
Aos valores an e bn, chamamos coeficientes de Fourier da funcao f .
Temos a seguir o Teorema de Fourier para funcoes definidas em intervalos
limitados.
Teorema: Seja f uma funcao definida em I com I = [d, d + T [. Suponhamos
que f e limitada e que tem apenas um numero finito de descontinuidades de primeira
especie em I. Se, para todo x0 [d, d+ T ], existirem os limites laterais
limxx
0
f(x) f(x0)
x x0e lim
xx+0
f(x) f(x0+)
x x0,
com
f(x0) = limxx
0
f(x) e f(x0+) = limxx+
0
f(x),
(se x0 = d, apenas consideramos o limite a` direita e se x0 = d+T , apenas consideramos
o limite a` esquerda), entao, para cada x ]d, d+ T [, temos
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+ bnsen
(n2pix
T
))=
f(x) + f(x+)
2
que e igual a f(x) se f for contnua em x. Para x = d ou x = d+ T , temos
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+ bnsen
(n2pix
T
))=
f(d+) + f((d+ T ))
2.
Exemplo: Considere a funcao f : [1, 2] IR definida por f(x) = x, se x [1, 2].
(a) Determine a serie de Fourier da funcao f .
(b) Determine a funcao soma da serie de Fourier.
(c) Faca a representacao grafica da serie de Fourier.
Resolucao: (a) Em primeiro lugar note que T = 2 1 = 1. Apresentamos a seguir
a representacao grafica da funcao f .
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21
Vamos determinar os coeficientes de Fourier. Usando as formulas, temos
a0 =2
1
2
1
f(x) dx =2
1
2
1
x dx = 3.
8
-
an =2
1
2
1
f(x) cos(n2pix) dx =2
1
2
1
x cos(n2pix) dx = . . . = 0, n IN
bn =2
1
2
1
f(x) sen(n2pix) dx = . . . =2
1
2
1
xsen(n2pix) dx = 1
npi, n IN.
Consequentemente, a serie de Fourier da funcao f e a serie de funcoes definida por
3
2
+n=1
1
npisen(2pinx), x [1, 2].
(b) Como a funcao f esta nas condicoes do Teorema de Fourier e e contnua em
]1, 2[, temos
3
2
+n=1
1
npisen(2pinx) =
x, 1 < x < 2
3
2, se x = 1, x = 2.
(c) Apresentamos a seguir a representacao grafica da serie de Fourier de f .
.......................................................................
.........................................................................................................................................................................................
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21
3/2
cErclia Sousa 2009
9
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1.15 Serie de Cossenos e Serie de Senos
Suponhamos que temos uma funcao f definida no intervalo [0, L], limitada e com
apenas um numero finito de descontinuidades de primeira especie. Pelo que foi exposto
na ultima seccao,
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
L
)+ bnsen
(n2pix
L
)), x [0, L],
com
a0 =2
L
L0
f(x) dx,
an =2
L
L0
f(x) cos(n2pix
L) dx, n IN,
bn =2
L
L0
f(x)sen(n2pix
L) dx, n IN.
Contudo, nesta situacao ainda poderemos ter mais dois tipos de series. Series
apenas com cossenos, se fizermos uma extensao par de f ao intervalo [L,L], e series
apenas com senos, se fizermos uma extensao mpar de f ao intervalo [L,L].
Serie de Cossenos
Suponhamos que temos uma funcao f definida no intervalo [0, L], limitada e com
apenas um numero finito de descontinuidades de primeira especie. Podemos estender
esta funcao ao intervalo [L,L] de modo a que esta extensao seja uma funcao par.
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L0
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L0
L
f
A extensao par f de f ao intervalo [L,L] e definida por
f(x) =
{f(x), 0 x L
f(x), L x < 0
Como f e limitada em [0, L] e tem apenas um numero finito de descontinuidades
de primeira especie em [0, L], a funcao f tambem e limitada em [L,L] e tem apenas
um numero finito de descontinuidades de primeira especie. Vamos considerar a serie
de Fourier de f , definida no intervalo [L,L], com T = 2L. Para todo o x [L,L],
temos
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+bnsen
(n2pix
T
))=
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
2L
)+bnsen
(n2pix
2L
))
=a0
2+
+n=1
(an cos
(npixL
)+bnsen
(npixL
)),
10
-
onde
a0 =2
2L
LL
f(x) dx =2
L
L0
f(x) dx
an =2
2L
LL
f(x) cos(n2pix
2L) dx =
2
L
L0
f(x) cos(npix
L) dx, n IN,
bn =2
2L
LL
f(x)sen(n2pix
2L) dx = 0, n IN.
Note que f e uma funcao par.
Dada uma funcao f definida e limitada em [0, L] com apenas um numero finito
de descontinuidades de primeira especie em [0, L], a sua serie de cossenos (que e a
restricao ao intervalo [0, L] da serie de Fourier da extensao par de f com T = 2L) e
dada por
a0
2+n=1
an cos(npix
L), x [0, L], (1)
com
a0 =2
L
L0
f(x)dx
an =2
L
L0
f(x) cos(npix
L)dx, n IN.
Serie de Senos
Suponhamos que temos uma funcao f definida num intervalo [0, L], limitada e com
apenas um numero finito de descontinuidades de primeira especie. Podemos estender
esta funcao ao intervalo [L,L] de modo a que esta extensao seja uma funcao mpar.
Cuidado com a origem!! Qualquer funcao mpar e nula na origem!
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L0
L
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A extensao mpar f de f ao intervalo [L,L] e definida por
f(x) =
f(x), 0 < x L
0, x = 0
f(x), L x < 0
Como f e limitada em [0, L] e tem apenas um numero finito de descontinuidades
de primeira especie em [0, L], a funcao f , extensao mpar de f , tambem e limitada em
[L,L] e tem apenas um numero finito de descontinuidades de primeira especie em
[L,L]. Vamos considerar a serie de Fourier de f , definida no intervalo [L,L], com
11
-
T = 2L. Para todo o x [L,L], temos
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
T
)+bnsen
(n2pix
T
))=
a0
2+
+n=1
(an cos
(n2pix
2L
)+bnsen
(n2pix
2L
))
=a0
2+
+n=1
(an cos
(npixL
)+bnsen
(npixL
))
onde
a0 =2
2L
LL
f(x) dx = 0 (f e uma funcao mpar.)
an =2
2L
LL
f(x) cos(n2pix
2L) dx = 0, n IN,
bn =2
2L
LL
f(x)sen(n2pix
2L) dx =
2
L
L0
f(x)sen(npix
L) dx, n IN.
Dada uma funcao f definida e limitada em [0, L] com apenas um numero finito de
descontinuidades de primeira especie em [0, L], a sua serie de senos (que e a restricao
ao intervalo [0, L] da serie de Fourier da extensao mpar de f com T = 2L) e dada por
n=1
bnsen(npix
L), x [0, L], (2)
com
bn =2
L
L0
f(x)sen(npix
L) dx, n IN.
Exemplo: Considere a funcao f : [0, 2] IR definida por
f(x) =
{1, 0 x 1
0, 1 < x 2
(a) Determine a serie de Fourier de f .
(b) Determine a serie dos cossenos de f .
(c) Determine a serie dos senos de f .
Resolucao:
(a) Vamos determinar a serie de Fourier de f . Como T = 2, temos
a0 =2
2
2
0
f(x) dx =
1
0
1 dx = 1
an =2
2
2
0
f(x) cos(n2pix
2) dx =
1
0
cos(npix) dx
=
(sen(npix)
npi
]10
=sen(npi)
npi
0
npi= 0, n IN
bn =2
2
2
0
f(x)sen(n2pix
2) dx =
1
0
sen(npix) dx =
(cos(npix)
npi
]10
= cos(npi) + 1
npi
=1 (1)n
npi, n IN.
12
-
A serie de Fourier de f , para todo x [0, 2], e dada por
1
2+
+n=1
1 (1)n
npisen (npix) =
1
2+
+k=0
2
(2k + 1)pisen ((2k + 1)pix) .
(b) Vamos determinar a serie de cossenos de f . Como consideramos a extensao
par de f , temos f com T = 4. Assim
a0 =2
4
2
2
f(x) dx =4
4
2
0
f(x) dx =
1
0
1 dx = 1
an =2
4
2
2
f(x) cos(n2pix
4) dx =
4
4
2
0
f(x) cos(n2pix
4) dx
=
1
0
cos(npix
2) dx =
(2sen(npix
2)
npi
]10
= 2sen
(npi2
)npi
, n IN
A serie de cossenos de f , para todo x [0, 2], e dada por
1
2+
+n=1
2sen
(npi2
)npi
cos(npix
2
)=
1
2+
+k=0
2(1)k
(2k + 1)picos
((2k + 1)pix
2
).
(c) Serie dos senos de f fica como exerccio.
cErclia Sousa 2009
13