Série de Fourier: a onda quadrada feita de senos
Uma onda quadrada tem cantos vivos. Um seno é a curva mais lisa que existe. E mesmo assim dá pra montar a primeira somando só a segunda.
começar ↓Toda função periódica razoável é uma soma de senos e cossenos de frequências múltiplas da fundamental. Os coeficientes dizem quanto de cada frequência a função tem.
A soma que imita um canto vivo
A onda quadrada de período \(2\pi\) vale \(1\) entre \(0\) e \(\pi\) e \(-1\) entre \(-\pi\) e \(0\). A série dela tem só senos, e só os de índice ímpar:
Cada termo novo corrige o erro dos anteriores: arredonda menos os cantos e aplaina mais o topo. Mexa no desenho e veja.
Como achar os coeficientes
Para uma função de período \(2\pi\), cada coeficiente é uma integral:
A razão de funcionar é a ortogonalidade:
O mesmo vale para os cossenos, e seno com cosseno dá sempre zero. Multiplicar a série inteira por \(\operatorname{sen}nx\) e integrar apaga todos os termos, menos o \(b_n\pi\). O \(\tfrac12\) no \(a_0\) é só para a mesma fórmula servir também para \(n=0\).
Os coeficientes da onda quadrada
- 1Os cossenos somem de graçaA onda é ímpar e o cosseno é par: o produto é ímpar e integra a zero. Logo \(a_n=0\), inclusive \(a_0\).
- 2O seno: o produto é par, dobro a metade\[ b_n=\frac2\pi\int_0^{\pi}\operatorname{sen}nx\,dx=\frac{2}{n\pi}\big(1-\cos n\pi\big) \tag{16.5} \]
- 3Usar \(\cos n\pi=(-1)^n\)\[ b_n=\begin{cases}0, & n\ \text{par}\\[2pt] \dfrac{4}{n\pi}, & n\ \text{ímpar}\end{cases} \tag{16.6} \]
O dente de serra, f(x) = x
- 1Também é ímpar: só senos\[ b_n=\frac2\pi\int_0^{\pi}x\,\operatorname{sen}nx\,dx \tag{16.7} \]
- 2Por partes: \(u=x\), \(dv=\operatorname{sen}nx\,dx\)\[ \int x\,\operatorname{sen}nx\,dx=-\frac{x\cos nx}{n}+\frac{\operatorname{sen}nx}{n^2} \tag{16.8} \]
- 3Nos limites de 0 a π\[ b_n=\frac2\pi\cdot\left(-\frac{\pi(-1)^n}{n}\right)=\frac{2(-1)^{n+1}}{n} \tag{16.9} \]
Quando a série converge, e o pico que não some
Parseval, e uma soma famosa de brinde
- 1A identidade de Parseval\[ \frac1\pi\int_{-\pi}^{\pi}f^2\,dx=\frac{a_0^2}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\big(a_n^2+b_n^2\big) \tag{16.10} \]
- 2Lado esquerdo\(f^2=1\) em todo lugar, então \(\tfrac1\pi\cdot2\pi=2\).
- 3Lado direito\[ \sum_{n\ \text{ímpar}}\frac{16}{n^2\pi^2}=\frac{16}{\pi^2}\Big(1+\frac19+\frac1{25}+\cdots\Big) \tag{16.11} \]
- 4Igualar\[ 2=\frac{16}{\pi^2}S\ \Longrightarrow\ S=\frac{\pi^2}{8} \tag{16.12} \]
Por que isso é engenharia: harmônicos
Na série de uma onda de frequência \(f\), o termo \(n\) vibra a \(n\cdot f\): é o \(n\)-ésimo harmônico. A mesma nota num violão e numa flauta tem a mesma fundamental, com harmônicos em proporções diferentes. Na rede elétrica, uma corrente não senoidal carrega harmônicos que esquentam cabo e transformador sem entregar potência útil.
- 1Os tamanhos relativos\(b_n/b_1=1/n\): 3º harmônico, 33% da fundamental; 5º, 20%; 7º, 14%.
- 2A distorção harmônica total\[ \mathrm{THD}=\frac{\sqrt{b_3^2+b_5^2+\cdots}}{b_1}=\sqrt{\frac19+\frac1{25}+\frac1{49}+\cdots} \tag{16.13} \]
- 3Usar o Parseval\[ \frac19+\frac1{25}+\cdots=\frac{\pi^2}8-1\approx0{,}2337\ \Longrightarrow\ \mathrm{THD}\approx0{,}483 \tag{16.14} \]
Por isso inversor de onda quadrada esquenta motor e faz barulho em aparelho. Compare: a onda triangular, com harmônicos caindo com \(1/n^2\), tem \(\mathrm{THD}=\sqrt{\pi^4/96-1}\approx12\%\). Canto vivo custa harmônico; quanto mais lisa a onda, mais rápido os coeficientes caem.
A mesma decomposição, feita num sinal medido, é o espectro: é o que o painel da sala de Vibração mostra quando separa a rotação do motor das outras frequências.
Os erros e a correção
Exercícios
Função periódica = soma de senos e cossenos. A ortogonalidade dá os coeficientes; a simetria corta metade da conta. No salto, a série dá a média. Os coeficientes são os harmônicos: o espectro de som, sinal e vibração.
Cálculo 2 · aula 16 · explicação, contas, desenho e exercícios escritos para o site; todos os números conferidos numericamente