Una parte interesante de la serie de Fourier es acerca de su convergencia, y para ello se introduce lo que son las condiciones de Dirichlet. Esas condiciones son

  1. La función f(t) tiene un número finito de discontinuidades en un período.
  2. La función f(t) tiene un número finito de máximos y mínimos en un período.
  3. La integral del valor absoluto de f(t) en un período es finita, es decir

\displaystyle \int_{-T/2}^{T/2}{|f(t)| \, dt} = finita < \infty

Una función f(t) se dice que es continua a tramos en el intervalo finito [-T/2 , T/2] si satisfacen las dos primeras condiciones de Dirichlet.

funcion a tramos
Figura 1.7.1 Función continua por tramos y representación de los límites a la izquierda y a la derecha. (P. Hsu, Hwei, 1970).

En un punto de discontinuidad, como se observa en la figura 1.7.1, el cual se denota como t=t_1, la serie de Fourier converge a

\displaystyle \frac{1}{2} [f(t_1 -) + f(t_1 +)]

donde f(t_1 -) es el límite de f(t) cuando t se aproxima a t_1 por la izquierda, y f(t_1 +) es el límite de f(t) cuando t se aproxima a t_1 por la derecha.

Sucesiones de los coeficientes de f(t)

Si a_n y b_n son las suceciones de los coeficientes de f(t), a continuación, se demostrará que

\displaystyle \lim_{k \rightarrow \infty}{a_n} = \lim_{k \rightarrow \infty}{b_n} = 0

Comenzando a partir de la desigualdad (vista en el tema 1.7)

\displaystyle \frac{1}{T} \int_{-T/2}^{T/2}{[f(t)]^2 \, dt} \ge \frac{1}{2} a_0^2 + \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{k}{(a_n^2+b_n^2)}

Invirtiendo la desigualdad y todos sus términos

\displaystyle \frac{1}{2} a_0^2 + \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{k}{(a_n^2+b_n^2)} \le \frac{1}{T} \int_{-T/2}^{T/2}{[f(t)]^2 \, dt}

Y puesto que la serie del miembro izquierdo es convergente entonces es necesario que

\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty}{(a_n^2 + b_n^2)} = 0

lo cual implica que

\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty}{a_n^2} = \lim_{n \rightarrow \infty}{b_n^2} = 0

Si una función es continua por tramos y la integral del valor absoluto de f(t) es finita en el intervalo -T/2 < t < T/2, entonces

\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty}{a_n^2} = \lim_{n \rightarrow \infty}{b_n^2} = 0

\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty}{\left[\frac{2}{T} \int_{-T/2}^{T/2}{f(t) \cos{n \omega_0 t} \, dt} \right]} = \lim_{n \rightarrow \infty}{ \left[\frac{2}{T} \int_{-T/2}^{T/2}{f(t) \sin{n \omega_0 t} \, dt} \right]} = 0

O mejor dicho

\displaystyle \lim_{n \rightarrow \infty}{\int_{-T/2}^{T/2}{f(t) \cos{n \omega_0 t} \, dt}} = \lim_{n \rightarrow \infty}{\int_{-T/2}^{T/2}{f(t) \sin{n \omega_0 t} \, dt}} = 0


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