Guía 2 - Ejercicios 15-19: Transformada de Fourier

Práctica 2: Análisis de Fourier - Resoluciones (Ej. 15 a 19)

La Transformada de Fourier

Marco Teórico Previo

Pasamos del dominio de series (espectro discreto para señales periódicas) al dominio de transformadas (espectro continuo para señales aperiódicas).

  • Transformada de Fourier (Convención Estándar en Matemática/Modelado):
F{f(x)}(ξ)=f^(ξ)=∫−∞∞f(x)e−2πixξ dx\mathcal{F}\{f(x)\}(\xi) = \hat{f}(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{-2\pi i x \xi} \, dx
  • Fórmula de Inversión:
f(x)=∫−∞∞f^(ξ)e2πixξ dξf(x) = \int_{-\infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) e^{2\pi i x \xi} \, d\xi
  • Propiedades Esenciales de Derivación:
    1. Transformada de la derivada: F{f′(x)}=(2πiξ)f^(ξ)\mathcal{F}\{f'(x)\} = (2\pi i \xi) \hat{f}(\xi)
    2. Derivada de la transformada: ddξf^(ξ)=F{−2πixf(x)}  ⟹  F{xf(x)}=i2πddξf^(ξ)\frac{d}{d\xi}\hat{f}(\xi) = \mathcal{F}\{-2\pi i x f(x)\} \implies \mathcal{F}\{x f(x)\} = \frac{i}{2\pi} \frac{d}{d\xi}\hat{f}(\xi)

Ejercicio 15: Integral Gaussiana de e−πx2e^{-\pi x^2} en (0,∞)(0, \infty)

Intuición Didáctica

La campana de Gauss e−πx2e^{-\pi x^2} es la función reina del análisis armónico. Su integral no tiene primitiva expresable mediante funciones elementales. El "truco" de elevarla al cuadrado para pasar al plano R2\mathbb{R}^2 y usar Fubini para convertirla en coordenadas polares es uno de los recursos analíticos más elegantes de la matemática. Vamos a demostrarlo por dos vías distintas.

Resolución Rigurosa

Llamemos I=∫0∞e−πx2 dxI = \int_0^\infty e^{-\pi x^2} \, dx. Como el integrando es siempre positivo, sabemos que I>0I > 0.

Método 1: Coordenadas Polares (El Clásico) Multiplicamos la integral por sí misma, cambiando la variable muda (variable de integración) para no mezclar:

I2=(∫0∞e−πx2 dx)(∫0∞e−πy2 dy)I^2 = \left( \int_0^\infty e^{-\pi x^2} \, dx \right) \left( \int_0^\infty e^{-\pi y^2} \, dy \right)

Por el Teorema de Fubini (podemos aplicarlo ya que el integrando e−π(x2+y2)e^{-\pi(x^2+y^2)} es medible y absolutamente integrable en el primer cuadrante R+×R+\mathbb{R}^+ \times \mathbb{R}^+), reescribimos el producto como una integral doble:

I2=∫0∞∫0∞e−π(x2+y2) dx dyI^2 = \int_0^\infty \int_0^\infty e^{-\pi(x^2 + y^2)} \, dx \, dy

Realizamos un cambio a coordenadas polares. El dominio es el primer cuadrante, por lo que:

  • x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θx = r \cos\theta, \quad y = r \sin\theta
  • x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2
  • El diferencial de área (Jacobiano) es dx dy=r dr dθdx \, dy = r \, dr \, d\theta
  • Los límites: r∈[0,∞)r \in [0, \infty) y θ∈[0,π/2]\theta \in [0, \pi/2].

Sustituyendo:

I2=∫0π/2∫0∞e−πr2r dr dθI^2 = \int_0^{\pi/2} \int_0^\infty e^{-\pi r^2} r \, dr \, d\theta

Como los límites son constantes y el integrando es separable, resolvemos primero la integral en θ\theta:

I2=(∫0π/2dθ)(∫0∞re−πr2 dr)=π2∫0∞re−πr2 drI^2 = \left( \int_0^{\pi/2} d\theta \right) \left( \int_0^\infty r e^{-\pi r^2} \, dr \right) = \frac{\pi}{2} \int_0^\infty r e^{-\pi r^2} \, dr

Ahora aplicamos sustitución simple en rr: sea u=πr2  ⟹  du=2πr dr  ⟹  r dr=du2πu = \pi r^2 \implies du = 2\pi r \, dr \implies r \, dr = \frac{du}{2\pi}. Límites: si r=0→u=0r=0 \to u=0; si r→∞→u→∞r \to \infty \to u \to \infty.

I2=π2∫0∞e−udu2π=14[−e−u]0∞I^2 = \frac{\pi}{2} \int_0^\infty e^{-u} \frac{du}{2\pi} = \frac{1}{4} \left[ -e^{-u} \right]_0^\infty

Evaluando los límites, en el infinito e−u→0e^{-u} \to 0 y en cero vale 11:

I2=14(0−(−1))=14I^2 = \frac{1}{4} (0 - (-1)) = \frac{1}{4}

Como I>0I > 0, tomamos la raíz positiva: I=1/2I = 1/2. (Nota: La integral en (−∞,∞)(-\infty, \infty) vale el doble, o sea 11, demostrando que e−πx2e^{-\pi x^2} tiene área unitaria).

Método 2: Teorema de Fubini sobre una función auxiliar f(x,y)=ye−π(x2+1)y2f(x,y) = y e^{-\pi(x^2+1)y^2} Consideremos la integral doble en el cuadrante positivo:

J=∫0∞∫0∞ye−π(x2+1)y2 dx dyJ = \int_0^\infty \int_0^\infty y e^{-\pi(x^2+1)y^2} \, dx \, dy

Integraremos de dos formas distintas intercambiando el orden (válido por Fubini/Tonelli).

Forma A (Integramos primero respecto a yy):

J=∫0∞(∫0∞ye−π(x2+1)y2 dy)dxJ = \int_0^\infty \left( \int_0^\infty y e^{-\pi(x^2+1)y^2} \, dy \right) dx

Sea la sustitución u=π(x2+1)y2  ⟹  du=2π(x2+1)y dy  ⟹  y dy=du2π(x2+1)u = \pi(x^2+1)y^2 \implies du = 2\pi(x^2+1)y \, dy \implies y \, dy = \frac{du}{2\pi(x^2+1)}.

J=∫0∞[∫0∞e−udu2π(x2+1)]dx=∫0∞12π(x2+1)[−e−u]0∞dxJ = \int_0^\infty \left[ \int_0^\infty e^{-u} \frac{du}{2\pi(x^2+1)} \right] dx = \int_0^\infty \frac{1}{2\pi(x^2+1)} \left[ -e^{-u} \right]_0^\infty dx J=∫0∞12π(x2+1)(1) dx=12π[arctan⁡(x)]0∞J = \int_0^\infty \frac{1}{2\pi(x^2+1)} (1) \, dx = \frac{1}{2\pi} \left[ \arctan(x) \right]_0^\infty

Sabemos que lim⁡x→∞arctan⁡(x)=π/2\lim_{x\to\infty} \arctan(x) = \pi/2 y arctan⁡(0)=0\arctan(0) = 0.

J=12π(π2)=14J = \frac{1}{2\pi} \left( \frac{\pi}{2} \right) = \frac{1}{4}

Forma B (Integramos primero respecto a xx):

J=∫0∞(∫0∞ye−πy2x2e−πy2 dx)dyJ = \int_0^\infty \left( \int_0^\infty y e^{-\pi y^2 x^2} e^{-\pi y^2} \, dx \right) dy

Podemos sacar constantes respecto a xx:

J=∫0∞ye−πy2(∫0∞e−π(yx)2 dx)dyJ = \int_0^\infty y e^{-\pi y^2} \left( \int_0^\infty e^{-\pi(yx)^2} \, dx \right) dy

Hacemos la sustitución t=yx  ⟹  dt=y dx  ⟹  dx=dt/yt = yx \implies dt = y \, dx \implies dx = dt/y. (Notar que para x=0,t=0x=0, t=0; para x→∞,t→∞x\to\infty, t\to\infty).

∫0∞e−π(yx)2 dx=∫0∞e−πt2dty=1y∫0∞e−πt2 dt=1yI\int_0^\infty e^{-\pi(yx)^2} \, dx = \int_0^\infty e^{-\pi t^2} \frac{dt}{y} = \frac{1}{y} \int_0^\infty e^{-\pi t^2} \, dt = \frac{1}{y} I

Sustituyendo esto en la integral exterior:

J=∫0∞ye−πy2(1yI)dy=I∫0∞e−πy2 dy=I⋅I=I2J = \int_0^\infty y e^{-\pi y^2} \left( \frac{1}{y} I \right) dy = I \int_0^\infty e^{-\pi y^2} \, dy = I \cdot I = I^2

Igualando los resultados de ambas formas: I2=1/4  ⟹  I=1/2I^2 = 1/4 \implies I = 1/2.

[!infobox] Ejercicio 15: Integral Gaussiana de 0 a ∞
Contexto: Cálculo de área bajo la campana de Gauss mediante Teorema de Fubini.
Demostración Rigurosa: 
Por la simetría par, la integral en todo R es el doble que en [0, ∞).
Método 1 (Polares): I² = ∫∫ e^(-π(x²+y²)) dx dy. Se pasa a polares: Jacobiano es r dr dθ. El dominio en el primer cuadrante da θ ∈ [0, π/2]. La integral r*e^(-πr²) sale por sustitución u=πr². I² = 1/4 => I = 1/2.
Método 2 (Función Auxiliar): Usando J = ∫∫ y e^(-π(x²+1)y²) dx dy.
Si integramos dy primero, sale por sustitución u=π(x²+1)y², dejando un arctan(x) que evalúa a 1/4.
Si integramos dx primero, por sustitución t=yx aparece un 1/y que cancela la y externa, dejando el producto de dos integrales gaussianas separadas => I².
Igualando: I² = 1/4 => I=1/2.
Advertencia/Clave: Es vital no olvidar el Jacobiano 'r' al pasar a polares, es lo que "salva" a la integral permitiendo la sustitución que baja el grado del exponente.

Ejercicio 16: Transformada de Fourier de f(x)=e−πx2f(x) = e^{-\pi x^2}

Intuición Didáctica

La Gaussiana estándar e−πx2e^{-\pi x^2} es su propia Transformada de Fourier. Es el punto fijo (autofunción) del operador de Fourier. Demostrar esto es un hito monumental en la carrera. Haremos la demostración primero con expansiones formales y luego resolviendo un Problema de Valor Inicial (PVI) de variable compleja.

Resolución Rigurosa

Queremos calcular f^(ξ)=∫−∞∞e−πx2e−2πixξ dx\hat{f}(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi x^2} e^{-2\pi i x \xi} \, dx.

Método 1: Serie de Taylor e Integración Término a Término Usamos la expansión en serie de Maclaurin de la exponencial: e−2πixξ=∑n=0∞(−2πixξ)nn!e^{-2\pi i x \xi} = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-2\pi i x \xi)^n}{n!}. Sustituyendo en la integral:

f^(ξ)=∫−∞∞e−πx2∑n=0∞(−2πixξ)nn! dx\hat{f}(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi x^2} \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-2\pi i x \xi)^n}{n!} \, dx

Intercambiamos suma con integral (justificado por el Teorema de Convergencia Dominada o convergencia uniforme en compactos y decaimiento gaussiano abrumador):

f^(ξ)=∑n=0∞(−2πiξ)nn!∫−∞∞xne−πx2 dx\hat{f}(\xi) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-2\pi i \xi)^n}{n!} \int_{-\infty}^{\infty} x^n e^{-\pi x^2} \, dx

Analizamos la integral: Mn=∫−∞∞xne−πx2 dxM_n = \int_{-\infty}^{\infty} x^n e^{-\pi x^2} \, dx.

  • Si nn es impar, el integrando xne−πx2x^n e^{-\pi x^2} es una función impar en un dominio simétrico, por lo que Mimpar=0M_{impar} = 0. ¡Desaparecen las potencias impares y la unidad imaginaria 'i'!
  • Si nn es par (n=2kn=2k), el integrando es par: M2k=2∫0∞x2ke−πx2 dxM_{2k} = 2 \int_0^\infty x^{2k} e^{-\pi x^2} \, dx. Calculamos M2kM_{2k} por recurrencia mediante integración por partes. Para M2M_2: ∫x2e−πx2dx\int x^2 e^{-\pi x^2} dx. Elegimos u=x  ⟹  du=dxu = x \implies du = dx, y dv=xe−πx2dx  ⟹  v=−12πe−πx2dv = x e^{-\pi x^2} dx \implies v = \frac{-1}{2\pi} e^{-\pi x^2}. El término límite uv evaluado en ±∞\pm\infty da 0 porque la gaussiana mata cualquier polinomio. Nos queda ∫vdu=12π∫e−πx2dx=12π(1)=12π\int v du = \frac{1}{2\pi} \int e^{-\pi x^2} dx = \frac{1}{2\pi} (1) = \frac{1}{2\pi}. En general, la recurrencia para la integral de Gauss de grado superior (o usando la Función Gamma) da: M2k=(2k)!k!(4π)kM_{2k} = \frac{(2k)!}{k! (4\pi)^k}. Sustituyendo en la sumatoria (sabiendo que solo sobreviven los n=2kn=2k):
f^(ξ)=∑k=0∞(−2πiξ)2k(2k)!(2k)!k!(4π)k\hat{f}(\xi) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-2\pi i \xi)^{2k}}{(2k)!} \frac{(2k)!}{k! (4\pi)^k}

Simplificando el factoriales (2k)!(2k)!:

f^(ξ)=∑k=0∞(−1)k(2π)2k(i2)kξ2kk!4kπk\hat{f}(\xi) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k (2\pi)^{2k} (i^2)^k \xi^{2k}}{k! 4^k \pi^k}

Recordando que i2=−1i^2 = -1, el producto (−1)k(i2)k=(−1)k(−1)k=1k=1(-1)^k (i^2)^k = (-1)^k (-1)^k = 1^k = 1. Agrupando términos: (2π)2k4kπk=4kπ2k4kπk=πk\frac{(2\pi)^{2k}}{4^k \pi^k} = \frac{4^k \pi^{2k}}{4^k \pi^k} = \pi^k.

f^(ξ)=∑k=0∞πkξ2kk!=∑k=0∞(πξ2)kk!\hat{f}(\xi) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{\pi^k \xi^{2k}}{k!} = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(\pi \xi^2)^k}{k!}

Identificamos esta serie como la expansión de Taylor de la exponencial alternante, pero ojo que nos olvidamos de distribuir el signo original del (−2πiξ)n(-2\pi i \xi)^n. Revisemos el álgebra de signos: El término era (−2πiξ)2k=(−1)2k(2)2k(π)2k(i)2k(ξ)2k=1⋅4k⋅π2k⋅(−1)k⋅ξ2k(-2\pi i \xi)^{2k} = (-1)^{2k} (2)^{2k} (\pi)^{2k} (i)^{2k} (\xi)^{2k} = 1 \cdot 4^k \cdot \pi^{2k} \cdot (-1)^k \cdot \xi^{2k}. Aha! Nos queda el (−1)k(-1)^k vivo.

f^(ξ)=∑k=0∞(−1)k(πξ2)kk!=∑k=0∞(−πξ2)kk!=e−πξ2\hat{f}(\xi) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k (\pi \xi^2)^k}{k!} = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-\pi \xi^2)^k}{k!} = e^{-\pi \xi^2}

(Demostración completada).

Método 2: Completando Cuadrados y Teorema Integral de Cauchy A partir de la integral original, agrupamos los exponentes:

f^(ξ)=∫−∞∞e−π(x2+2ixξ) dx\hat{f}(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi(x^2 + 2ix\xi)} \, dx

Para completar cuadrados, sumamos y restamos π(iξ)2=−πξ2\pi (i\xi)^2 = -\pi \xi^2:

−π(x2+2ixξ)=−π(x2+2ixξ+(iξ)2−(iξ)2)=−π(x+iξ)2+π(iξ)2=−π(x+iξ)2−πξ2-\pi(x^2 + 2ix\xi) = -\pi(x^2 + 2ix\xi + (i\xi)^2 - (i\xi)^2) = -\pi(x + i\xi)^2 + \pi(i\xi)^2 = -\pi(x + i\xi)^2 - \pi\xi^2

Sustituyendo en la integral y sacando factor constante (respecto de x):

f^(ξ)=e−πξ2∫−∞∞e−π(x+iξ)2 dx\hat{f}(\xi) = e^{-\pi \xi^2} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi (x + i\xi)^2} \, dx

Llamamos a la integral h(ξ)=∫−∞∞e−π(x+iξ)2 dxh(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi (x + i\xi)^2} \, dx. Derivamos h(ξ)h(\xi) respecto a ξ\xi (lícito ingresar la derivada por el Teorema de Leibniz/Dominada):

h′(ξ)=∫−∞∞∂∂ξe−π(x+iξ)2 dx=∫−∞∞e−π(x+iξ)2(−2π(x+iξ)⋅i) dxh'(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{\partial}{\partial \xi} e^{-\pi (x + i\xi)^2} \, dx = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi (x + i\xi)^2} (-2\pi(x+i\xi) \cdot i) \, dx

Por otro lado, calculemos la derivada del integrando pero respecto a xx:

∂∂xe−π(x+iξ)2=e−π(x+iξ)2(−2π(x+iξ))\frac{\partial}{\partial x} e^{-\pi (x + i\xi)^2} = e^{-\pi (x + i\xi)^2} (-2\pi(x+i\xi))

Notamos que el integrando de h′(ξ)h'(\xi) es exactamente la derivada respecto a xx multiplicada por ii:

h′(ξ)=i∫−∞∞[∂∂xe−π(x+iξ)2] dxh'(\xi) = i \int_{-\infty}^{\infty} \left[ \frac{\partial}{\partial x} e^{-\pi(x+i\xi)^2} \right] \, dx

Aplicando el Teorema Fundamental del Cálculo:

h′(ξ)=i[e−π(x+iξ)2]x→−∞x→∞h'(\xi) = i \left[ e^{-\pi(x+i\xi)^2} \right]_{x \to -\infty}^{x \to \infty}

Como Re(−π(x+iξ)2)=−π(x2−ξ2)\text{Re}(-\pi(x+i\xi)^2) = -\pi(x^2 - \xi^2), cuando x→±∞x \to \pm\infty, la parte real del exponente se va a −∞-\infty, haciendo que la exponencial decaiga a 00. Por ende, h′(ξ)=0  ⟹  h(ξ)=Ch'(\xi) = 0 \implies h(\xi) = C (una constante!). Para hallar CC, evaluamos en ξ=0\xi=0: h(0)=∫−∞∞e−π(x+0)2dx=∫−∞∞e−πx2dx=1h(0) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi(x+0)^2} dx = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-\pi x^2} dx = 1 (Demostrado en Ej 15). Por lo tanto, h(ξ)=1h(\xi) = 1 para todo ξ\xi. Sustituyendo de vuelta:

f^(ξ)=e−πξ2⋅1=e−πξ2\hat{f}(\xi) = e^{-\pi \xi^2} \cdot 1 = e^{-\pi \xi^2}

(De nuevo, demostración completada de forma magistral).

[!infobox] Ejercicio 16: La Gaussiana es Autofunción de Fourier
Contexto: F(e^(-πx²)) = e^(-πξ²).
Demostración Rigurosa:
Método de completar cuadrados: Al agrupar el núcleo complejo con el argumento de la Gaussiana, queda e^(-πξ²) * h(ξ). 
Para demostrar que h(ξ)=1, se deriva bajo el signo integral respecto a ξ, y se comprueba que equivale a derivar respecto a x (regla de la cadena).
Al aplicar TFC, se evalúa la Gaussiana en infinito, lo que da cero. 
Por ende h'(ξ)=0 => h(ξ) es constante. 
Al evaluarla en ξ=0, se recupera la integral estándar gaussiana que vale 1. 
Advertencia/Clave: El paso crítico es demostrar analíticamente que integrar en una "línea compleja" paralela al eje real (x + iξ) es equivalente a integrar sobre el eje real. La derivación bajo la integral evita tener que usar Análisis Complejo (Teorema de los Residuos y contornos rectangulares).

Ejercicio 17: Fórmula de Inversión para una función Real

Intuición Didáctica

La fórmula de inversión pura de Fourier se expresa en el plano complejo y expone un número imaginario ii. Sin embargo, si sabemos a priori que f(x)f(x) es una función estrictamente real en el dominio del tiempo, la matemática dictamina que las componentes imaginarias deben colapsar a cero.

Resolución Rigurosa

Arrancamos con la fórmula de inversión de la Transformada de Fourier:

f(x)=∫−∞∞f^(ξ)e2πixξ dξf(x) = \int_{-\infty}^{\infty} \hat{f}(\xi) e^{2\pi i x \xi} \, d\xi

Sabemos a su vez, por definición, que f^(ξ)=∫−∞∞f(y)e−2πiyξ dy\hat{f}(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} f(y) e^{-2\pi i y \xi} \, dy (cambiamos xx por yy para que sea variable muda interna). Sustituyendo esto dentro de la inversión:

f(x)=∫−∞∞(∫−∞∞f(y)e−2πiyξ dy)e2πixξ dξf(x) = \int_{-\infty}^{\infty} \left( \int_{-\infty}^{\infty} f(y) e^{-2\pi i y \xi} \, dy \right) e^{2\pi i x \xi} \, d\xi

Agrupando las exponenciales mediante propiedad de exponentes de misma base:

f(x)=∫−∞∞∫−∞∞f(y)e2πiξ(x−y) dy dξf(x) = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(y) e^{2\pi i \xi (x - y)} \, dy \, d\xi

Aplicamos la Fórmula de Euler para expandir la exponencial compleja: eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta.

f(x)=∫−∞∞∫−∞∞f(y)[cos⁡(2πξ(x−y))+isin⁡(2πξ(x−y))] dy dξf(x) = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(y) \left[ \cos(2\pi\xi(x-y)) + i\sin(2\pi\xi(x-y)) \right] \, dy \, d\xi

Por linealidad de la integral, podemos separarlo en dos bloques:

f(x)=∫−∞∞∫−∞∞f(y)cos⁡(2πξ(x−y)) dy dξ+i∫−∞∞∫−∞∞f(y)sin⁡(2πξ(x−y)) dy dξf(x) = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(y) \cos(2\pi\xi(x-y)) \, dy \, d\xi + i \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(y) \sin(2\pi\xi(x-y)) \, dy \, d\xi

Dado que el enunciado asegura que f(x)f(x) es una función real, el lado izquierdo de esta ecuación es real. Por consiguiente, el lado derecho debe ser real también. Esto obliga axiomáticamente a que la parte imaginaria sea exactamente cero.

∫−∞∞∫−∞∞f(y)sin⁡(2πξ(x−y)) dy dξ=0\int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(y) \sin(2\pi\xi(x-y)) \, dy \, d\xi = 0

(Nota: Otra forma analítica de probar que esto es 0, sin el axioma, es observar que la función seno es IMPAR respecto a la variable de integración exterior ξ\xi. Al integrarla en un dominio simétrico (−∞,∞)(-\infty, \infty), toda la integral doble colapsa a cero independientemente de f(y)f(y)). Habiendo descartado la parte imaginaria, nos queda:

f(x)=∫−∞∞∫−∞∞f(y)cos⁡(2πξ(x−y)) dy dξf(x) = \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(y) \cos(2\pi\xi(x-y)) \, dy \, d\xi

Ahora, observemos el integrando respecto a ξ\xi. El coseno es una función par: cos⁡(θ)=cos⁡(−θ)\cos(\theta) = \cos(-\theta). Por ende, cos⁡(2πξ(x−y))\cos(2\pi\xi(x-y)) es PAR respecto de la variable ξ\xi. La integral de una función par en (−∞,∞)(-\infty, \infty) es equivalente a 22 veces la integral en (0,∞)(0, \infty). Aplicando esta propiedad sobre la integral exterior:

f(x)=2∫0∞∫−∞∞f(y)cos⁡(2π(x−y)ξ) dy dξf(x) = 2 \int_0^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f(y) \cos(2\pi(x-y)\xi) \, dy \, d\xi

(Queda rigurosamente demostrado el postulado).

[!infobox] Ejercicio 17: Inversión en Dominio Real
Contexto: Simplificación de la Antitransformada para funciones reales.
Demostración Rigurosa:
Al agrupar la transformada dentro de la antitransformada, queda la doble integral de f(y) * e^(2πiξ(x-y)). 
Al abrir por Euler en coseno + i*seno:
1. La parte imaginaria da 0 porque el seno es impar respecto a ξ y se integra sobre todo R.
2. La parte real sobrevive. El coseno es par respecto a ξ, permitiendo reducir la integral exterior de (-∞, ∞) a 2*∫[0, ∞).
Advertencia/Clave: Es crucial dominar la paridad del seno y coseno respecto a las variables de integración mudas. Lo que es impar en ξ no necesariamente es impar en y, pero la integración exterior mata todo el término.

Ejercicio 18: Condiciones para que f^\hat{f} sea puramente real o imaginaria

Intuición Didáctica

La Transformada de Fourier mezcla las partes reales e imaginarias de una función mediante una rotación de fase (Euler). Si queremos que la salida (espectro) no tenga parte imaginaria, debe haber un balance o simetría perfecta en la entrada que cancele las contribuciones de los senos cruzados.

Resolución Rigurosa

Por definición: f^(ξ)=∫−∞∞f(x)e−2πixξ dx\hat{f}(\xi) = \int_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{-2\pi i x \xi} \, dx. Calculamos el complejo conjugado del espectro f^(ξ)‾\overline{\hat{f}(\xi)}:

f^(ξ)‾=∫−∞∞f(x)e−2πixξ dx‾=∫−∞∞f(x)‾e2πixξ dx\overline{\hat{f}(\xi)} = \overline{\int_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{-2\pi i x \xi} \, dx} = \int_{-\infty}^{\infty} \overline{f(x)} e^{2\pi i x \xi} \, dx

Hacemos un cambio de variable u=−x  ⟹  du=−dxu = -x \implies du = -dx. Límites se invierten de ∞\infty a −∞-\infty, y el negativo del diferencial los vuelve a acomodar.

f^(ξ)‾=∫−∞∞f(−u)‾e−2πiuξ du=∫−∞∞f(−x)‾e−2πixξ dx\overline{\hat{f}(\xi)} = \int_{-\infty}^{\infty} \overline{f(-u)} e^{-2\pi i u \xi} \, du = \int_{-\infty}^{\infty} \overline{f(-x)} e^{-2\pi i x \xi} \, dx

(Renombramos uu a xx porque es variable muda).

Caso 1: Condición para que f^\hat{f} sea puramente real. Un número complejo zz es real si y solo si z=z‾z = \overline{z}. Requerimos f^(ξ)=f^(ξ)‾\hat{f}(\xi) = \overline{\hat{f}(\xi)}.

∫−∞∞f(x)e−2πixξ dx=∫−∞∞f(−x)‾e−2πixξ dx\int_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{-2\pi i x \xi} \, dx = \int_{-\infty}^{\infty} \overline{f(-x)} e^{-2\pi i x \xi} \, dx

Como esto debe cumplirse para todo ξ\xi (y el núcleo de Fourier forma una base completa), los integrandos deben ser idénticos en casi todo punto:

f(x)=f(−x)‾f(x) = \overline{f(-x)}

A esta condición se la llama Simetría Hermítica par. Corolario: Si la función original f(x)f(x) ya sabíamos que era estrictamente real (es decir, f(x)=f(x)‾f(x) = \overline{f(x)}), entonces la condición se reduce simplemente a f(x)=f(−x)f(x) = f(-x). Es decir, toda función real y par tiene una Transformada puramente real.

Caso 2: Condición para que f^\hat{f} sea imaginaria pura. Un número complejo zz es puramente imaginario si y solo si z=−z‾z = -\overline{z}. Requerimos f^(ξ)=−f^(ξ)‾\hat{f}(\xi) = -\overline{\hat{f}(\xi)}.

∫−∞∞f(x)e−2πixξ dx=−∫−∞∞f(−x)‾e−2πixξ dx\int_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{-2\pi i x \xi} \, dx = -\int_{-\infty}^{\infty} \overline{f(-x)} e^{-2\pi i x \xi} \, dx

Al igual que en el caso anterior, igualando los núcleos:

f(x)=−f(−x)‾f(x) = -\overline{f(-x)}

A esta condición se la llama Simetría Hermítica impar. Corolario: Si asumimos que f(x)f(x) toma exclusivamente valores reales, entonces la condición se reduce a f(x)=−f(−x)f(x) = -f(-x). O sea, toda función real e impar tiene una Transformada puramente imaginaria.

[!infobox] Ejercicio 18: Simetrías del Espectro
Contexto: Relación de paridad entre el dominio del tiempo y la fase espectral.
Demostración Rigurosa:
Al operar con el conjugado de la definición de F[f] y aplicando un cambio de variable u = -x, se obtiene que el conjugado de la transformada es la transformada de f*(-x).
Para que F[f] ∈ R => z = z* => f(x) = f*(-x) (Simetría Hermítica Par). Si f es real, requiere que f sea PAR.
Para que F[f] ∈ I => z = -z* => f(x) = -f*(-x) (Simetría Hermítica Impar). Si f es real, requiere que f sea IMPAR.
Advertencia/Clave: No asuman que "f" siempre es real. El análisis de señales de telecomunicaciones a menudo trabaja en banda base compleja (I/Q), donde la simetría conjugada f*(-x) es lo que realmente rige el universo, no la simple paridad.

Ejercicio 19: Cálculo Analítico de Transformadas

Intuición Didáctica

Calcular transformadas por definición (resolviendo integrales de la forma xe−x2e−2πixξxe^{-x^2}e^{-2\pi i x \xi}) es engorroso y propenso a errores. Como ingenieros y analistas, usamos el catálogo de propiedades. Particularmente, el teorema multiplicativo de la derivada: multiplicar en el tiempo por "x" equivale (salvo constantes) a derivar el espectro en la frecuencia.

Recordatorio del teorema multiplicativo: Si F{f(x)}=f^(ξ)\mathcal{F}\{f(x)\} = \hat{f}(\xi), entonces F{x⋅f(x)}=i2πddξf^(ξ)\mathcal{F}\{x \cdot f(x)\} = \frac{i}{2\pi} \frac{d}{d\xi} \hat{f}(\xi).

Resolución Rigurosa

(a) Transformada de xe−∣x∣x e^{-|x|}

Sea g(x)=e−∣x∣g(x) = e^{-|x|}. Su transformada tabular (que sale fácil integrando por partes o sabiendo que es un pulso laplaciano) es: g^(ξ)=21+(2πξ)2=21+4π2ξ2\hat{g}(\xi) = \frac{2}{1 + (2\pi \xi)^2} = \frac{2}{1 + 4\pi^2\xi^2}. La función pedida es f(x)=x⋅g(x)f(x) = x \cdot g(x). Aplicando la propiedad de derivación frecuencial:

F{xe−∣x∣}=i2πddξ(21+4π2ξ2)\mathcal{F}\{x e^{-|x|}\} = \frac{i}{2\pi} \frac{d}{d\xi} \left( \frac{2}{1 + 4\pi^2\xi^2} \right)

Derivamos usando regla de la cadena y del cociente (u=2,v=1+4π2ξ2  ⟹  v′=8π2ξu = 2, v = 1 + 4\pi^2\xi^2 \implies v' = 8\pi^2\xi):

ddξ(2(1+4π2ξ2)−1)=−2(1+4π2ξ2)−2(8π2ξ)=−16π2ξ(1+4π2ξ2)2\frac{d}{d\xi} \left( 2(1 + 4\pi^2\xi^2)^{-1} \right) = -2(1 + 4\pi^2\xi^2)^{-2} (8\pi^2\xi) = \frac{-16\pi^2\xi}{(1 + 4\pi^2\xi^2)^2}

Multiplicando por la constante del teorema:

f^(ξ)=i2π(−16π2ξ(1+4π2ξ2)2)=−8πiξ(1+4π2ξ2)2\hat{f}(\xi) = \frac{i}{2\pi} \left( \frac{-16\pi^2\xi}{(1 + 4\pi^2\xi^2)^2} \right) = \frac{-8\pi i \xi}{(1 + 4\pi^2\xi^2)^2}

(Nota de control de cordura: la original xe−∣x∣x e^{-|x|} es impar y real. El resultado nos dio imaginario puro e impar. ¡Cumple perfectamente lo demostrado en el Ejercicio 18!).

(b) Transformada de xe−x2x e^{-x^2}

Sea g(x)=e−x2g(x) = e^{-x^2}. Necesitamos su transformada base. Ojo que no es la Gaussiana estándar (e−πx2e^{-\pi x^2}). Aplicando propiedad de escalado F{f(ax)}=1∣a∣f^(ξa)\mathcal{F}\{f(ax)\} = \frac{1}{|a|} \hat{f}(\frac{\xi}{a}): Si h(x)=e−πx2h(x) = e^{-\pi x^2}, sabemos que h^(ξ)=e−πξ2\hat{h}(\xi) = e^{-\pi \xi^2}. Nuestra g(x)=e−π(xπ)2=h(xπ)g(x) = e^{-\pi (\frac{x}{\sqrt{\pi}})^2} = h(\frac{x}{\sqrt{\pi}}). Entonces a=1πa = \frac{1}{\sqrt{\pi}}.

g^(ξ)=11/πh^(πξ)=πe−π(πξ)2=πe−π2ξ2\hat{g}(\xi) = \frac{1}{1/\sqrt{\pi}} \hat{h}(\sqrt{\pi}\xi) = \sqrt{\pi} e^{-\pi (\sqrt{\pi}\xi)^2} = \sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2}

Ahora, la función pedida es x⋅g(x)x \cdot g(x). Aplicamos nuevamente el teorema multiplicativo:

F{xe−x2}=i2πddξ(πe−π2ξ2)\mathcal{F}\{x e^{-x^2}\} = \frac{i}{2\pi} \frac{d}{d\xi} \left( \sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2} \right)

Derivamos la exponencial:

ddξ(πe−π2ξ2)=πe−π2ξ2(−2π2ξ)=−2π5/2ξe−π2ξ2\frac{d}{d\xi} (\sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2}) = \sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2} (-2\pi^2 \xi) = -2\pi^{5/2} \xi e^{-\pi^2 \xi^2}

Sustituyendo:

f^(ξ)=i2π(−2π5/2ξe−π2ξ2)=−iπ3/2ξe−π2ξ2\hat{f}(\xi) = \frac{i}{2\pi} (-2\pi^{5/2} \xi e^{-\pi^2 \xi^2}) = -i \pi^{3/2} \xi e^{-\pi^2 \xi^2}

(De nuevo: original impar y real -> transformada imaginaria e impar. Check!).

(c) Transformada de (4x2−2)e−x2(4x^2 - 2)e^{-x^2}

Esta expresión tiene términos cuadráticos. Recordemos que multiplicar por x2x^2 equivale a aplicar la propiedad derivada espectral dos veces: F{x2g(x)}=i2πddξ(i2πg^′(ξ))=−14π2d2dξ2g^(ξ)\mathcal{F}\{x^2 g(x)\} = \frac{i}{2\pi} \frac{d}{d\xi} \left( \frac{i}{2\pi} \hat{g}'(\xi) \right) = -\frac{1}{4\pi^2} \frac{d^2}{d\xi^2} \hat{g}(\xi). Aprovechemos el resultado del ítem anterior, donde ya calculamos la primera derivada: F{xe−x2}=−iπ3/2ξe−π2ξ2\mathcal{F}\{x e^{-x^2}\} = -i \pi^{3/2} \xi e^{-\pi^2 \xi^2}. Calculemos ahora la transformada de x2e−x2x^2 e^{-x^2}. Volvemos a aplicar el operador derivación i2πddξ\frac{i}{2\pi} \frac{d}{d\xi} sobre el espectro de xe−x2x e^{-x^2}:

F{x2e−x2}=i2πddξ(−iπ3/2ξe−π2ξ2)=π3/22πddξ(ξe−π2ξ2)=π2ddξ(ξe−π2ξ2)\mathcal{F}\{x^2 e^{-x^2}\} = \frac{i}{2\pi} \frac{d}{d\xi} \left( -i \pi^{3/2} \xi e^{-\pi^2 \xi^2} \right) = \frac{\pi^{3/2}}{2\pi} \frac{d}{d\xi} \left( \xi e^{-\pi^2 \xi^2} \right) = \frac{\sqrt{\pi}}{2} \frac{d}{d\xi} \left( \xi e^{-\pi^2 \xi^2} \right)

Regla del producto en la derivación (u=ξ,v=e−π2ξ2u = \xi, v = e^{-\pi^2 \xi^2}):

=π2[1⋅e−π2ξ2+ξ⋅(−2π2ξ)e−π2ξ2]=π2(1−2π2ξ2)e−π2ξ2= \frac{\sqrt{\pi}}{2} \left[ 1 \cdot e^{-\pi^2 \xi^2} + \xi \cdot (-2\pi^2 \xi) e^{-\pi^2 \xi^2} \right] = \frac{\sqrt{\pi}}{2} (1 - 2\pi^2 \xi^2) e^{-\pi^2 \xi^2}

Ese es el espectro de x2e−x2x^2 e^{-x^2}. Nuestra función total pedida es f(x)=4x2e−x2−2e−x2f(x) = 4x^2 e^{-x^2} - 2e^{-x^2}. Por linealidad de Fourier, la transformada total es:

f^(ξ)=4⋅F{x2e−x2}−2⋅F{e−x2}\hat{f}(\xi) = 4 \cdot \mathcal{F}\{x^2 e^{-x^2}\} - 2 \cdot \mathcal{F}\{e^{-x^2}\}

Reemplazamos con lo calculado y con g^(ξ)\hat{g}(\xi) de base (ítem b):

f^(ξ)=4(π2(1−2π2ξ2)e−π2ξ2)−2(πe−π2ξ2)\hat{f}(\xi) = 4 \left( \frac{\sqrt{\pi}}{2} (1 - 2\pi^2 \xi^2) e^{-\pi^2 \xi^2} \right) - 2 \left( \sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2} \right)

Desarrollando:

f^(ξ)=2π(1−2π2ξ2)e−π2ξ2−2πe−π2ξ2\hat{f}(\xi) = 2\sqrt{\pi} (1 - 2\pi^2 \xi^2) e^{-\pi^2 \xi^2} - 2\sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2}

Factor común:

f^(ξ)=2πe−π2ξ2[1−2π2ξ2−1]=2πe−π2ξ2[−2π2ξ2]\hat{f}(\xi) = 2\sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2} [ 1 - 2\pi^2 \xi^2 - 1 ] = 2\sqrt{\pi} e^{-\pi^2 \xi^2} [ -2\pi^2 \xi^2 ]

Resultado final:

f^(ξ)=−4π5/2ξ2e−π2ξ2\hat{f}(\xi) = -4\pi^{5/2} \xi^2 e^{-\pi^2 \xi^2}
[!infobox] Ejercicio 19: Transformadas por Derivación Espectral
Contexto: Uso del Teorema Multiplicativo: F[x f(x)] = (i / 2π) * d/dξ F[f(x)].
Demostración Rigurosa:
(a) Partiendo de F[e^(-|x|)] = 2 / (1 + 4π²ξ²), se aplica el operador derivada, obteniendo -8πiξ / (1 + 4π²ξ²)².
(b) Partiendo de F[e^(-x²)] = √π e^(-π²ξ²) (consecuencia de escala sobre la estándar), la derivada da -i π^(3/2) ξ e^(-π²ξ²).
(c) Para (4x²-2)e^(-x²), se usa la segunda derivada espectral para hallar la transformada de x²e^(-x²), y luego se compone linealmente. El álgebra produce cancelaciones milagrosas dando -4π^(5/2) ξ² e^(-π²ξ²).
Advertencia/Clave: ¡Las reglas de escala y derivada son tus mejores amigas! Ni se te ocurra meter (4x² - 2) en la integral e intentar resolverla a mano por partes; te vas a llenar de variables y perderás valioso tiempo de examen.