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Lição 18 — Séries de Fourier

Séries de Fourier trigonométricas: coeficientes de Fourier, convergência pontual, fenômeno de Gibbs, séries em cossenos e senos, parceval e aplicações a EDPs.

Usado em: Cálculo 2 — Unidade 2 · USP MAT0112 · ITA MA-012

f(x)=a02+∑n=1∞(ancos⁡nπxL+bnsin⁡nπxL),an=1L∫−LLf(x)cos⁡nπxL dxf(x) = \frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty\left(a_n\cos\frac{n\pi x}{L}+b_n\sin\frac{n\pi x}{L}\right),\quad a_n=\frac{1}{L}\int_{-L}^L f(x)\cos\frac{n\pi x}{L}\,dx

Qualquer função razoavelmente suave e periódica com período 2L2L se expande em séries de senos e cossenos. Os coeficientes an,bna_n, b_n medem a "quantidade" de cada harmônica na função.

Escolha sua porta

Notação rigorosa, derivação completa, hipóteses

Definição e propriedades

Coeficientes de Fourier

Para ff periódica com período 2L2L, integrável em [−L,L][-L,L]:

a0=1L∫−LLf(x) dx,an=1L∫−LLf(x)cos⁡nπxL dx,bn=1L∫−LLf(x)sin⁡nπxL dxa_0 = \frac{1}{L}\int_{-L}^L f(x)\,dx, \quad a_n = \frac{1}{L}\int_{-L}^L f(x)\cos\frac{n\pi x}{L}\,dx, \quad b_n = \frac{1}{L}\int_{-L}^L f(x)\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx

Teorema de convergência de Dirichlet

Se ff é periódica de período 2L2L, seccionalmente suave (contínua por partes com derivada contínua por partes), então a série de Fourier converge:

  • Para f(x)f(x) onde ff é contínua.
  • Para f(x+)+f(x−)2\dfrac{f(x^+)+f(x^-)}{2} nos pontos de descontinuidade.

Ortogonalidade

∫−LLcos⁡mπxLcos⁡nπxL dx=Lδmn,∫−LLsin⁡mπxLsin⁡nπxL dx=Lδmn\int_{-L}^L\cos\frac{m\pi x}{L}\cos\frac{n\pi x}{L}\,dx = L\delta_{mn}, \quad \int_{-L}^L\sin\frac{m\pi x}{L}\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx = L\delta_{mn} ∫−LLcos⁡mπxLsin⁡nπxL dx=0para todo m,n.\int_{-L}^L\cos\frac{m\pi x}{L}\sin\frac{n\pi x}{L}\,dx = 0 \quad \text{para todo } m, n.

Identidade de Parseval

1L∫−LL∣f(x)∣2 dx=a022+∑n=1∞(an2+bn2)\frac{1}{L}\int_{-L}^L|f(x)|^2\,dx = \frac{a_0^2}{2}+\sum_{n=1}^\infty(a_n^2+b_n^2)

Séries em cossenos e senos

  • ff par: bn=0b_n = 0; expande apenas em cos⁡(nπx/L)\cos(n\pi x/L).
  • ff ímpar: an=0a_n = 0; expande apenas em sin⁡(nπx/L)\sin(n\pi x/L).

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Cálculo de coeficientes

Bloco B — Parseval e aplicações

Bloco C — Nível ITA/USP

Para continuar

  • Guidorizzi, H.L. — Um Curso de Cálculo, vol. 3, §9.9 — LTC, 5ª ed.
  • Apostol, T.M. — Calculus, vol. 1, §10.26–10.27 — Wiley, 2ª ed.
  • OpenStax — Calculus II, §6.4 — CC-BY (openstax.org)
  • Demidovich, B. — Problemas e Exercícios de Análise Matemática, §5.8 — Mir
  • Stewart, J. — Cálculo, vol. 2, §11.10 (suplemento Fourier) — Cengage, 8ª ed.

Atualizado em 2026-05-28 · Autor(es): Clube da Matemática

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