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Serie de Fourier

1822
  • Jean-Baptiste Joseph Fourier
Estudio antiguo con ecuaciones de la serie de Fourier, pluma y compás en un entorno de época.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

A Fourier descompone cualquier función o señal periódica en una suma de funciones oscilantes simples, a saber, senos y cosenos. Para una función [latex]s(x)[/latex] con periodo [latex]P[/latex], la serie viene dada por [latex]s(x) \approx \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} \left[ a_n \cos\left(\frac{2\pi n x}{P}\right) + b_n \sin\left(\frac{2\pi n x}{P}\right)\right][/latex]. Los términos [latex]a_n[/latex] y [latex]b_n[/latex] son los coeficientes de Fourier.

El concepto de serie de Fourier es la piedra angular del análisis armónico. Postula que una amplia clase de funciones periódicas puede representarse o aproximarse mediante una suma infinita de funciones seno y coseno. Esta idea fue introducida formalmente por Joseph Fourier en sus trabajos sobre la conducción del calor. La función [latex]s(x)[/latex] debe ser periódica en un intervalo de longitud [latex]P[/latex]. El término [latex]frac{a_0}{2}[/latex] representa la componente CC, o el valor medio de la función a lo largo de un período. Cada término subsiguiente en la suma, indexado por [latex]n[/latex], es un armónico. El término [latex]n=1[/latex] es la frecuencia fundamental, y los valores superiores de [latex]n[/latex] corresponden a sus múltiplos enteros, o armónicos.

The coefficients [latex]a_n[/latex] and [latex]b_n[/latex] determine the amplitude of each cosine and sine wave, respectively. They are calculated by integrating the product of the original function [latex]s(x)[/latex] with the corresponding basis function (cosine or sine) over one period. This process leverages the orthogonality of the sine and cosine functions over the interval [latex][0, P][/latex]. The convergence of the series to the original function is not guaranteed for all functions but holds under certain conditions, such as the Dirichlet conditions. This decomposition is powerful because it transforms a problem in the time or spatial domain into the frequency domain, where analysis can often be simplified.

UNESCO Nomenclature: 1201
- Álgebra

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Trabajo sobre series trigonométricas de Leonhard Euler
  • Soluciones a la ecuación de onda de Daniel Bernoulli
  • obra sobre cuerdas vibrantes de Jean Le Rond d'Alembert
  • Fundamentos del cálculo de Isaac Newton y Gottfried Leibniz

Aplicaciones

  • procesamiento de señales (audio, imagen)
  • Resolver ecuaciones diferenciales parciales (calor, olas)
  • análisis de vibraciones
  • acústica
  • mecánica cuántica

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

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Related to: Fourier series, periodic function, harmonic analysis, sine, cosine, Fourier coefficients, signal decomposition, frequency domain, heat equation, Joseph Fourier.

Contexto histórico

Serie de Fourier

1777
1799
1812
1822
1827
1829
1850
1763-12-23
1780
1805
1822
1822
1828
1848
1850

(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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