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Fórmulas de Euler-Fourier para coeficientes

1822
  • Leonhard Euler
  • Jean-Baptiste Joseph Fourier
Matemático calculando coeficientes de Fourier en una sala de estudio de época.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

The coefficients for the Fourier series of a function [latex]s(x)[/latex] with period [latex]P[/latex] are calculated using integral formulas. The DC component is [latex]a_0 = \frac{2}{P} \int_{P} s(x) , dx[/latex]. The cosine coefficients are [latex]a_n = \frac{2}{P} int_{P} s(x) \cos\left(\frac{2pi n x}{P}\right) , dx[/latex], and the sine coefficients are [latex]b_n = \frac{2}{P} \int_{P} s(x) \sin\left(\frac{2\pi n x}{P}\right) , dx[/latex] for [latex]n ge 1[/latex].

These formulas, often called the Euler-Fourier formulas, are the mechanism for determining the contribution of each harmonic to the overall periodic function. They are derived by exploiting the orthogonality property of the trigonometric functions. Specifically, the integral of the product of two different sine or cosine functions (or a sine and a cosine) over a full period is zero. For example, [latex]int_{0}^{P} sin(frac{2pi n x}{P}) cos(frac{2pi m x}{P}) , dx = 0[/latex] for all integers [latex]n, m[/latex].

To find a specific coefficient, say [latex]a_k[/latex], one multiplies the entire Fourier series expansion of [latex]s(x)[/latex] by [latex]cos(frac{2pi k x}{P})[/latex] and then integrates over the period [latex]P[/latex]. Due to orthogonality, all terms in the infinite sum become zero except for the term involving [latex]a_k[/latex]. This isolates [latex]a_k[/latex], allowing it to be solved for. The same process is applied with [latex]sin(frac{2pi k x}{P})[/latex] to find [latex]b_k[/latex]. This analytical method provides the exact amplitudes needed to reconstruct the original function from its sinusoidal components, effectively transforming the function from the time domain to the frequency domain.

UNESCO Nomenclature: 1201
- Álgebra

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Leonhard Euler’s work on trigonometric series
  • principios de ortogonalidad de funciones
  • cálculo integral desarrollado por Newton y Leibniz
  • Daniel Bernoulli’s solution to the wave equation

Aplicaciones

  • procesamiento de señales digitales (DSP)
  • compresión de imagen (jpeg)
  • síntesis de audio
  • resolver ecuaciones diferenciales
  • análisis espectral

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

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Related to: Fourier coefficients, Euler-Fourier formulas, orthogonality, integral, harmonic analysis, spectral components, DC component, sine, cosine, frequency domain.

Contexto histórico

Fórmulas de Euler-Fourier para coeficientes

1780
1805
1822
1822
1828
1848
1850
1777
1799
1812
1822
1827
1829
1850
1854

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

Invención, innovación y principios técnicos relacionados.

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