Determine a série de Fourier da função dada:

(d) f (x) = x^3 , - pi <= x <= pi

Passo 1

Bom, primeiro devemos saber que uma série de Fourier é uma forma de expressarmos uma função qualquer em termos de séries infinitas de senos e cossenos.

Recomendo que você tente esboçar o gráfico para ver como ele irá se comportar; ao fazer isso você irá perceber que temos uma função ímpar, pois o gráfico é simétrico em relação à ORIGEM.

Se ainda não estiver convencido disso, realize o seguinte teste:

f (- x) = - f (x)

Por exemplo:

f (- 1) = - 1 = - f ( x )

Essa é, na verdade, a definição de função ímpar.

Feito isso, vamos então introduzir a fórmula geral de uma série de Fourier:

f (x) = (a_0)/(2) + sum_(n = 1)^(oo) a_n cos ((n pi x)/(l)) + sum_(n = 1)^(oo) b_n sin ((n pi x)/(l))

Onde a_0 , a_n e b_n são os coeficientes da série e - pi <= l <= pi .

Agora vamos encontrar todos os coeficientes sabendo que eles possuem fórmulas específicas

Passo 2

  1. Cálculo de a_0 :
  2. a_0 = (1)/(l) int_(- l)^l f ( x ) d x

    È muito importante que você se lembre da propriedade que diz:

    int_(- a)^a f_í m p a r = 0

    Ela pode te poupar bastante tempo.

    Como você percebeu que nossa f ( x ) é uma função ímpar, fica fácil ver que:

    a_0 = 0

  3. Cálculo de a_n :
  4. a_n = (1)/(l) int_(- l)^l f (x) cos ((n pi x)/(l)) d x

    Outra sacada que pode te dar um tempo a mais nas provas, é que o produto de uma função ímpar por uma função par, resulta em outra função ímpar.

    Sabendo que f ( x ) é ímpar e a função cosseno é par, teremos que f (x) cos ((n pi x)/(l)) = f u n ç ã o í m p a r .

    E então:

    int_(- l)^l f (x) cos ((n pi x)/(l)) d x = 0

    Portanto,

    a_n = 0

    Passo 3

    Só nos resta um último passo, percebeu como saber essas propriedades agiliza o processo?

    Então:

  5. Cálculo de b_n :

b_n = (1)/(l) int_(- l)^l f ( x ) sin ((n pi x)/(l)) d x

Dessa vez não teremos escapatória da integral, pois temos o produto de duas funções ímpares.

Então:

b_n = (1)/(pi) int_(- pi)^(pi) f ( x ) sin ((n pi x)/(pi)) d x

b_n = (1)/(pi) int_(- pi)^(pi) x^3 sin (n x) d x

Você já deve ter notado que teremos que realizar 3 integrações por partes; então pega o terço aí e vamo na fé:

{[[u,=,x^3],[d,u,=,3,x^2,d,x],[d,v,=,sin (n x),d,x],[v,=,-,(cos (n x))/(n)]])

int_(- pi)^(pi) x^3 sin (n x) d x = u v - int v d u = - [(x^3 cos (n x))/(n)] (pi)/(- pi) + (3)/(n) underset(I_1)(ubrace int_(- pi)^(pi) x^2 cos (n x) d x)

Repare que,

- [(x^3 cos (n x))/(n)] (pi)/(- pi) = - (2 pi^3)/(n) (- 1)^n

Próxima integral por partes:

I_1 = int_(- pi)^(pi) x^2 cos (n x) d x

{[[u,=,x^2],[d,u,=,2,x,d,x],[d,v,=,cos (n x),d,x],[v,=,(sin (n x))/(n)]])

I_1 = int_(- pi)^(pi) x^2 cos (n x) d x = u v - int v d u = [(x^2 sin (n x))/(n)] (pi)/(- pi) - (2)/(n) underset(I_2)(ubrace int_(- pi)^(pi) x sin (n x) d x)

Note que,

[(x^2 sin (n x))/(n)] (pi)/(- pi) = 0

Pois de acordo com o ciclo trigonométrico, sin (n pi) = 0 quando n é inteiro.

Última integral por partes (eu acho):

I_2 = int_(- pi)^(pi) x sin (n x) d x

{[[u,=,x],[d,u,=,d,x],[d,v,=,sin (n x),d,x],[v,=,-,(cos (n x))/(n)]])

Então,

I_2 = int_(- pi)^(pi) x sin (n x) d x = u v - int v d u = - [(x cos (n x))/(n)] (pi)/(- pi) + (1)/(n) int_(pi)^(pi) cos (n x) d x

Teremos,

I_2 = - (2 pi)/(n) (- 1)^n + (1)/(n) [(sin (n x))/(n)] (pi)/(- pi)

Perceba que o segundo termo é zero.

I_2 = - (2 pi)/(n) (- 1)^n

Vamos retomar agora:

I_1 = I_1 = int_(- pi)^(pi) x^2 cos (n x) d x = u v - int v d u = [(x^2 sin (n x))/(n)] (pi)/(- pi) - (2)/(n) underset(I_2)(ubrace int_(- pi)^(pi) x sin (n x) d x)

Vimos que o primeiro termo zera, e então substituindo I_2 :

I_1 = + (4 pi)/(n^2) (- 1)^n

Agora,

int_(- pi)^(pi) x^3 sin (n x) d x = u v - int v d u = - [(x^3 cos (n x))/(n)] (pi)/(- pi) + (3)/(n) underset(I_1)(ubrace int_(- pi)^(pi) x^2 cos (n x) d x)

Então,

int_(- pi)^(pi) x^3 sin (n x) d x = - (2 pi^3)/(n) (- 1)^n + (3)/(n) [(4 pi)/(n^2) (- 1)^n]

int_(- pi)^(pi) x^3 sin (n x) d x = ((12 pi)/(n^3) - (2 pi^3)/(n)) (- 1)^n

Finalmente,

b_n = (1)/(pi) int_(- pi)^(pi) x^3 sin (n x) d x

b_n = ((12)/(n^3) - (2 pi^2)/(n)) (- 1)^n

Por último só nos resta substituir os coeficientes na fórmula geral:

f (x) = sum_(n = 1)^(oo) ((12)/(n^3) - (2 pi^2)/(n)) (- 1)^n sin (n x)

Resposta

Nessas horas a gente nem olha o gabarito, então acredito que a série de Fourier para a função deve ser algo do tipo:

f (x) = f (x) = sum_(n = 1)^(oo) ((12)/(n^3) - (2 pi^2)/(n)) (- 1)^n sin (n x)

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