Universidad De La Amazonia

Parcial 3
Matem´ticas De Control Y
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Comunicaci´n
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Author:
Miguel Leonardo
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Sanchez Fajardo...
1. Para f (x) =

PREGUNTAS

 0, si −π ≤ x ≤ 0


x, si 0 ≤ x ≤ π

a) Escriba la serie de Fourier de f en [−π, π] y prueb...
1. Para f (x) =

DESARROLLO

 0, si −π ≤ x ≤ 0


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a) Escriba la serie de Fourier de f en [−π, π] y prue...
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2. Sea f (x) = x sen x , para −π ≤ x ≤ π.
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Pero como son 3 funciones impares entonces
impar ∗ impar ∗ impar = par ∗ impar = impar
Las funciones impares son = 0. Por ...
• Comprobamos que existan los l´
ımites en los extremos.
f (−π + ) = 0
f (π − ) = 0
• Como f (x) es continua entonces no h...
∞

3. Encuentre la suma de la serie
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SUGERENCIA: Desarrolle sen x en una serie en cosenos en [0, π] y
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  1. 1. Universidad De La Amazonia Parcial 3 Matem´ticas De Control Y a Comunicaci´n o Author: Miguel Leonardo ´ Sanchez Fajardo Supervisor: ˜ Prof. Jorge E. Trivino Macias 17 de octubre de 2013
  2. 2. 1. Para f (x) = PREGUNTAS   0, si −π ≤ x ≤ 0  x, si 0 ≤ x ≤ π a) Escriba la serie de Fourier de f en [−π, π] y pruebe que esta serie converge a f en (−π, π). b) Pruebe que esta serie se puede integrar t´rmino a t´rmino. e e c) Use los resultados obtenidos en (a) y (b) para obtener un desarrollo x f (t) dt en [−π, π] en series trigonom´trica para e −π 2. Sea f (x) = x sen x , para −π ≤ x ≤ π. a) Escriba la serie de Fourier para f en [−π, π]. b) Pruebe que la serie se puede diferenciar t´rmino a t´rmino y utilice e e ´ste hecho para obtener el desarrollo de Fourier de: sen x + x cos x e en [−π, π]. ∞ 3. Encuentre la suma de la serie n=1 (−1)n . 4n2 − 1 SUGERENCIA: Desarrolle sen x en una serie en cosenos en [0, π] y escoja un valor adecuado de x. OBSERVACION: El documento fu´ elaborado mediante el software e a EX y las gr´ficas fueron realizadas y editadas mediante Geogeobra 4.2. Los ejercicios fueron hechos con las f´rmulas del libro Matem´ticas Avano a zadas para Ingenieria - Peter O’Neil - 5ta Edici´n con el fin de evitar o problemas, mal entendidos (copia del trabajo), discusiones. A LT 1
  3. 3. 1. Para f (x) = DESARROLLO   0, si −π ≤ x ≤ 0  x, si 0 ≤ x ≤ π a) Escriba la serie de Fourier de f en [−π, π] y pruebe que esta serie converge a f en [−π, π]. RESPUESTA: ∞ 1 bn sen f (x) = a0 + 2 n=1 1 L 1 = π x2 = 2π π = 2 u = x; an = = = = = L f (x) cos −L + an cos nπx L π f (x) dx a0 = 1 an = L nπx L −π 0 1 0 dx + π −π π x dx 0 π 0 nπx L dx du = dx | dv = cos(nx) dx; v= 0 π 1 nπx 1 0 cos dx + x cos π −π π π 0 π π 1 1 x sen(nx) − sen(nx)dx nπ 0 0 nπ π 1 cos(nx) n2 π 0 1 cos(nπ) − 1 n2 π 1 (−1)n − 1 . 2 π n 2 1 sen(nx) n nπx π dx
  4. 4. bn = u = x; 1 L L f (x) sen −L nπx L du = dx | dv = sen(nx) dx; dx. 1 v = − cos(nx) n π 1 0 sen(nx)dx + x sen(nx)dx π 0 −π π π 1 1 x cos(nx) + =− cos(nx) dx nπ 0 nπ 0 π 1 1 π cos(nπ) − 0 + 2 sen(nx) =− nπ n π 0 1 1 = − cos(nπ) + 2 sen(nπ) − 0 n nπ 1 = (−1)n+1 . n 1 bn = π 0 La serie general de fourier para f (x) es: ∞ f (x) = π (−1)n+1 (−1)n − 1 + sen(nx) + cos(nx) 4 n=1 n n2 π Para probar la convergencia de la serie de fourier de f (x) es necesario comprobar que f sea continua a tramos. Para ello, es necesario graficar la funci´n dada y comprobar las hip´tesis del teorema de convergencia o o de serie de fourier. Comprobamos si f (x) es continua a tramos. 3
  5. 5. • Comprobamos que tenga un l´ ımite finito de discontinuidades. En este caso, f (x) tiene un punto de discontinuidad que es x0 = 0. • Comprobamos que existan los l´ ımites en los extremos. Entonces + f (−π ) = 0. f (π − ) = π. • Comprobamos que existan los l´ ımites laterales en el punto de discontinuidad. f (0− ) = 0. f (0+ ) = 0. Dado que f (x) cumple las 3 hip´tesis del teorema, podemos decir con o seguridad que f (x) es continua a tramos. Luego f (x) converge a la funci´n Φ que est´ dada por: o a Φ=   0, −π ≤ x ≤ 0.        0, x = 0.    x, 0 < x ≤ π.       π    , x ± π. 2 b) Pruebe que esta serie se puede integrar t´rmino a t´rmino. e e RESPUESTA: La serie se puede integrar t´rtmino a t´rmino porque e e f (x) es una funci´n continua a tramos en [−L, L], con serie de Fourier: o ∞ 1 f (x) = a0 + an cos 2 n=1 nπx L + bn sen nπx L . c) Use los resultados obtenidos en (a) y (b) para obtener un desarrollo en x series trigonom´trica para e f (t) dt en [−π, π] −π RESPUESTA: Entonces para cada x con −L ≤ x ≤ L: 4
  6. 6. x ∞ x π dt + 4 n=1 f (t) dt = −L −π x π f (t) dt = 4 −L x f (t) dt = −L ∞ x dt + −π π t 4 n=1 ∞ x + −π n=1 x −π (−1)n − 1 cos(nt)dt + n2 π (−1)n − 1 n2 π x cos(nt)dt + −π (−1)n − 1 sen(nt) n3 π x + −π x −π (−1)n+1 sen(nt)dt n (−1)n+1 n x sen(nt)dt −π (−1)n+2 cos(nt) n2 x −π ∞ x π (−1)n+1 + 1 f (t) dt = x+π + sen(nx) + sen(nπ) 4 n3 π −L n=1 + x (−1)n+2 cos(nx) − cos(nπ) n2 ∞ (−1)n+1 + 1 (−1)n+2 π(x + π) + cos(nx) − (−1)n . f (t) dt = sen(nx) + 3π 2 4 n n −L n=1 5
  7. 7. 2. Sea f (x) = x sen x , para −π ≤ x ≤ π. a) Escriba la serie de Fourier para f en [−π, π]. RESPUESTA: ∞ f (x) = 1 nπx nπx a0 + bn sen + an cos 2 L L n=1 π 1 a0 = L 1 = π 2 = π u = x; x sen x dx −π π x sen x dx 0 du = dx | dv = sen x dx; 2 π 2 =− π 2 =− π 2 =− π = 2. a0 = − π + x cos x 0 2 π v = − cos x π cos xdx 0 2 (π) cos(π) − (0) cos(0) + sen x π 2 (π) cos(π) + sen(π) − sen(0) π π 0 [−π] 1 L 1 = π 2 = π L an = u = x; f (x) dx −π π f (x) cos −L π nπx L dx x sen(x) cos(nx)dx −π π x sen(x) cos(nx)dx 0 du = dx | dv = sen(x(1 ± n)) dx; 6 v=− 1 cos(x(1 ± n)) n±1
  8. 8. 1 π 1 = π π x sen(x(1 + n)) + sen(x(1 − n)) dx an = 0 π x sen(x(1 + n)) dx + 0 1 π π x sen(x(1 − n)) dx 0 π π 1 1 =− x cos(x(1 + n)) + cos(x(1 + n)) dx π(1 + n) 0 π(1 + n) 0 π π 1 1 x cos(x(1 − n)) + cos(x(1 − n)) dx − π(1 − n) 0 π(1 − n) 0 π 1 1 =− (π) cos(π(1 + n)) − (0) cos(0(1 + n)) + sen(x(1 + n)) π(1 + n) π(1 + n)2 0 π 1 1 − (π) cos(π(1 − n)) − (0) cos(0(1 + n)) + sen(x(1 − n)) π(1 + n) π(1 − n)2 0 1 1 =− π cos(π(1 + n)) + sen(π(1 + n)) − sen(0(1 + n)) π(1 + n) π(1 + n)2 1 1 − (π) cos(π(1 − n)) + sen(π(1 − n)) − sen(0(1 − n)) π(1 + n) π(1 − n)2 1 1 (π) cos(π(1 + n)) + =− sen(π(1 + n)) π(1 + n) π(1 + n)2 1 1 (π) cos(π(1 − n)) + sen(π(1 − n)) − π(1 + n) π(1 − n)2 1 1 =− (π)(−1)n cos(π) + (−1)n sen(π) π(1 + n) π(1 + n)2 1 1 − π(−1)n cos(π) + (−1)n sen(π) π(1 + n) π(1 − n)2 (−1)n+1 . = 2 n −1 1 L 1 = π L bn = f (x) sen −L π nπx L dx x sen(x) sen(nx)dx −π Como los l´ ımites son sim´tricos y la funci´n es impar dado que x y sen e o son funciones impares y seg´n las f´rmulas u o impar ∗ impar = par 7
  9. 9. Pero como son 3 funciones impares entonces impar ∗ impar ∗ impar = par ∗ impar = impar Las funciones impares son = 0. Por lo tanto: bn = 0 La serie general de fourier para f (x) es: ∞ f (x) = 1 + n=1 (−1)n+1 cos(nx) n2 − 1 b) Pruebe que la serie se puede diferenciar t´rmino a t´rmino y utilice ´ste e e e hecho para obtener el desarrollo de Fourier de: sen x + x cos x en [−π, π] RESPUESTA: Comprobamos si f (x) es continua a tramos. Para ello, es necesario comprobar si cumple las 3 hip´tesis del teorema. o • Comprobamos que tenga un l´ ımite finito de discontinuidades. En este caso, f (x) tiene cero puntos de discontinuidad. 8
  10. 10. • Comprobamos que existan los l´ ımites en los extremos. f (−π + ) = 0 f (π − ) = 0 • Como f (x) es continua entonces no hay problema en el punto de discontinuidad. Por lo tanto, comprobamos que f (x) es continua a tramos. Adem´s a f (−π) = f (π). Luego el siguiente paso es encontrar la derivada de f (x). f (x) = x cos x + sen x en[−π, π]. Comprobamos si f (x) es continua a tramos. • Comprobamos que tenga un l´ ımite finito de discontinuidades. En este caso, f (x) tiene cero puntos de discontinuidad. • Comprobamos que existan los l´ ımites en los extremos. + f (−π ) = 0 f (π − ) = 0 Comprobamos que f (x) es continua a tramos. Despues, comprobamos la existencia de f (x). Entonces: f (x) = 2 cos x − x sen x en [−π, π]. Entonces f (x) es igual a la serie de fourier para [−π, π]. ∞ f (x) = n=1 nπx nπx nπ −an sen + bn cos L L L ∞ x cos x + sen x = − n n=1 9 (−1)n+1 sen(nx) n2 − 1
  11. 11. ∞ 3. Encuentre la suma de la serie n=1 (−1)n 4n2 − 1 SUGERENCIA: Desarrolle sen x en una serie en cosenos en [0, π] y escoja un valor adecuado de x. RESPUESTA: ∞ Serie de Cosenos: =⇒ nπx 1 a0 + an cos . 2 L n=1 a0 = 2 π π sen(x)dx 0 π 2 cos(x) π 0 2 = − cos(π) − cos(0) π 2 = − (1 − 1) π =0 =− 10 π 0
  12. 12. an = = = = = = = = = 2 L 2 π 1 π 1 π 1 π 1 π 1 π 1 π 1 π L f (x) cos 0 nπx L dx π sen(x) cos(nx)dx 0 π sen(x + nx) + sen(x − nx) dx 0 π sen(x(1 + n)) + sen(x(1 − n)) dx 0 π −1 1 cos(x(1 + n)) − cos(x(1 − n)) 1+n 1−n 0 −1 1 1 cos(π(1 + n)) − cos(0) + cos(π(1 − n)) − cos(0) 1+n π 1−n −1 1 1 (−1)1+n − 1 + (−1)1−n − 1 1+n π 1−n (−1)2+n 1 1 (−1)−n 1 + + + 1+n 1+n π 1−n 1−n 2+n −n (−1) 2 (−1) + 1+n 1 + n2 1 − n Serie de Cosenos: ∞ 1 (−1)2+n 1 2 (−1)−n (0) + + + cos(nx) 2 π 1+n 1 − n2 1−n n=1 ∞ n=1 1 (−1)2+n 2 (−1)−n + + cos(nx) π 1+n 1 − n2 1−n Si x = π, entonces ∞ n=1 ∞ n=1 1 (−1)2+n 2 (−1)−n + + cos(nπ) π 1+n 1 − n2 1−n 1 (−1)2+n 2 (−1)−n + + (−1)n 2 π 1+n 1−n 1−n 11

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