Exercícios Resolvidos de Série de Fourier apenas em senos ou cossenos

Ver Teoria

Enunciado

Determine c 1 , c 2 ∈ R de modo que

∫ 0 π cos ⁡ x - c 1 sen ⁡ x - c 2 sen ⁡ 2 x 2 d x

Seja mínimo.

Passo 1

b)

Galera, pensa comigo, pra minimizar aquela integral que ele quer, basta minimizar o cara ao quadrado

cos ⁡ x - c 1 sen ⁡ x - c 2 sen ⁡ 2 x

Repara que o período da integral é de 0 a π , isso nos dá uma ideia de que queremos uma extensão da função na verdade, isso porque ela só está definida naquele intervalo que ele deu.

𝐴 gente pode pensar no seguinte, a gente usa série de Fourier para aproximar funções, certo?

E se fizemos essa função que esta subtraindo de cos ⁡ x tender a ela mesma, opa, então esse cara vai tender a ser cada vez menor, estamos minimizando!

Então vamos calcular os coeficientes da série de Fourier da extensão de cos ⁡ x e eles serão c 1 e c 2 !

O primeiro detalhe é, mas qual a extensão que vamos tomar, a par ou a ímpar? Como queremos que apareça só seno ali vamos pegar a extensão ímpar daquela função.

Mas cuidado, estamos fazendo isso porque o termo que tá dentro da integral está a cara da série de Fourier, mas perceba que são os termos do somatório em 1 e 2 .

Assim

c 1 = b 1

c 2 = b 2

Sempre que ele pedir para minimizar essa parada é só fazer desse jeito.

Passo 2

A primeira coisa a fazer é a extensão ímpar daquela função, vamos chamar f ~ essa extensão ímpar.

Nesse caso só queremos os coeficientes da série de Fourier, então não vamos nos preocupar em achar o gráfico dessa extensão nem nada. Lembrando que quando pegamos uma extensão ímpar de f x vamos ter

a n = 0

E

b n = 2 L ∫ 0 L f x sen ⁡ n x d x

A grande questão é, qual o limite dessa parada? Repara que eu falei de uma extensão ímpar daquela função que está no intervalo de 0 à π , então o nosso período vai ser 2 π , isso nos diz que

2 L = 2 π

E

L = π

Então

b n = 2 π ∫ 0 π cos ⁡ x sen ⁡ n x d x

Passo 3

Vamos agora achar b 1 e b 2 , começando com b 1

b 1 = 2 π ∫ 0 π cos ⁡ x sen ⁡ x d x

Podemos escrever essa integral assim

b 1 = 2 π ∫ 0 π 2 cos ⁡ x sen ⁡ x d x - 2 π ∫ π 2 π cos ⁡ x sen ⁡ x d x

Lembrando que

cos ⁡ x sen ⁡ x = sen ⁡ 2 x 2

Vamos ter

b 1 = 2 π ∫ 0 π 2 sen ⁡ 2 x 2 d x - 2 π ∫ π 2 π sen ⁡ 2 x 2 d x

b 1 = 2 π - cos ⁡ 2 x 4 0 π / 2 - 2 π - cos ⁡ 2 x 4 π / 2 π

b 1 = 2 π - cos ⁡ π 4 - - cos ⁡ 0 4 - 2 π - cos ⁡ 2 π 4 - - cos ⁡ π 4

b 1 = 2 π 1 4 + 1 4 - 2 π - 1 4 - 1 4

b 1 = 2 π 1 2 + 2 π 1 2

b 1 = 2 π

Passo 4

Vamos agora achar b 2

b 2 = 2 π ∫ 0 π cos ⁡ x sen ⁡ 2 x d x

Podemos escrever essa integral assim

b 2 = 2 π ∫ 0 π 2 cos ⁡ x sen ⁡ 2 x d x - 2 π ∫ π 2 π cos ⁡ x sen ⁡ 2 x d x

Lembrando que

cos ⁡ x sen ⁡ 2 x = sen ⁡ 3 x + sen ⁡ x 2

Vamos ter

b 2 = 2 π ∫ 0 π 2 sen ⁡ 3 x + sen ⁡ x 2 d x - 2 π ∫ π 2 π sen ⁡ 3 x + sen ⁡ x 2 d x

b 2 = 2 π - cos ⁡ 3 x 6 - cos ⁡ x 2 0 π / 2 - 2 π - cos ⁡ 3 x 6 - cos ⁡ x 2 π / 2 π

b 2 = 2 π - cos ⁡ 3 π 2 6 - cos ⁡ π 2 2 - - cos ⁡ 0 6 - cos ⁡ 0 2 - 2 π - cos ⁡ 3 π 6 - cos ⁡ π 2 - - cos ⁡ 3 π 2 6 - cos ⁡ π 2 2

b 2 = 2 π 1 6 + 1 2 - 2 π 1 6 + 1 2

b 2 = 0

Passo 5

Então vamos ter

c 1 = 2 π

c 2 = 0

Resposta

c 1 = 2 π

c 2 = 0

Exercícios de Livros Relacionados

(a) Sejam v 1 ,v 2 e v 3 três vetores ortogonais dois a dois em três dimensões, e seja u qualquer vetor tridimensional. Mostre que u = a 1 v 1 + a 2 v 2 + a 3 v 3 , Em que a i = u ∙ v i v i ∙ v i , i
f x = x 2 2 ,- 2 ≤ x2 f x + 4 = f ( x ) (a) Esboce o gráfico da função dada por três períodos.(b) Encontre a série de Fourier para a equação dada.(c) Faça o gráfico da soma parcial s m ( x ) em função
Considere a função f definida no problema 21, e seja e m = f x - s m ( x ) . f x = x 2 2 ,- 2 ≤ x2 f x + 4 = f ( x ) (a) Faça o gráfico de e m ( x ) em função de x para 0 ≤ x ≤ 2 para diversos valores
f x = x ,- 1 ≤ x1 f x + 2 = f ( x ) (a) Esboce o gráfico da função dada por três períodos.(b) Encontre a série de Fourier para a equação dada.(c) Faça o gráfico da soma parcial s m ( x ) em função de
Em cada um dos problemas de 1 a 8, determine se a função dada é periódica. Se for, encontre seu período fundamental. x 2