Guía 2 - Ejercicios 1.1-1.9: Series de Fourier

Práctica 2: Análisis de Fourier - Resoluciones

Ejercicio 1.1: f(x)=x2f(x) = x^2 en (−π,π)(-\pi, \pi)

Marco Teórico Previo

Antes de hacer una sola cuenta, definamos las herramientas que vamos a usar:

  • Serie Trigonométrica de Fourier: Dada una función f(x)f(x) periódica de período T=2πT=2\pi e integrable en (−π,π)(-\pi, \pi), su serie de Fourier se define como:
S(x)=a02+∑n=1∞(ancos⁡(nx)+bnsin⁡(nx))S(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} \left( a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx) \right)
  • Coeficientes de Euler-Fourier: Los escalares a0,an,bna_0, a_n, b_n son la "sombra" (proyección ortogonal) de la función f(x)f(x) sobre la base de senos y cosenos. Se calculan mediante:
a0=1π∫−ππf(x) dxa_0 = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \, dx an=1π∫−ππf(x)cos⁡(nx) dx∀n∈Na_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) \, dx \quad \forall n \in \mathbb{N} bn=1π∫−ππf(x)sin⁡(nx) dx∀n∈Nb_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \sin(nx) \, dx \quad \forall n \in \mathbb{N}
  • Paridad de Funciones:
    • Una función es par si f(x)=f(−x)f(x) = f(-x). En un intervalo simétrico [−L,L][-L, L], ∫−LLf(x)dx=2∫0Lf(x)dx\int_{-L}^{L} f(x)dx = 2\int_{0}^{L} f(x)dx.
    • Una función es impar si f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x). En un intervalo simétrico, ∫−LLf(x)dx=0\int_{-L}^{L} f(x)dx = 0.
  • Criterio M de Weierstrass: Si tenemos una serie de funciones ∑un(x)\sum u_n(x) y logramos encontrar una sucesión de números positivos MnM_n tal que ∣un(x)∣≤Mn|u_n(x)| \leq M_n para todo xx en el dominio, y además la serie numérica ∑Mn\sum M_n converge, entonces ∑un(x)\sum u_n(x) converge uniformemente.

Intuición Didáctica

Imaginate la parábola f(x)=x2f(x) = x^2 entre −π-\pi y π\pi. Al hacer su serie de Fourier, estamos creando una "extensión periódica" de esta parábola. Es decir, vamos a tener una onda infinita formada por "U"s pegadas una al lado de la otra.

Como la parábola original es simétrica respecto al eje Y (es una función par), tiene sentido geométrico que podamos reconstruirla usando solamente funciones pares. ¿Cuáles son las funciones trigonométricas pares? Los cosenos. Por ende, desde antes de calcular nada, ya sabemos que todos los coeficientes de los senos (bnb_n) tienen que dar cero. Si en el parcial te da distinto de cero, frenás y revisás, porque violaste la geometría del problema.


Resolución Rigurosa (Estilo Examen)

Paso 1: Cálculo del coeficiente a0a_0 Por definición:

a0=1π∫−ππx2 dxa_0 = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} x^2 \, dx

Como f(x)=x2f(x) = x^2 es una función par (ya que (−x)2=x2(-x)^2 = x^2), por propiedad de integración en intervalos simétricos:

a0=2π∫0πx2 dxa_0 = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi} x^2 \, dx

Por la regla de potencias para la integral (Teorema Fundamental del Cálculo):

a0=2π[x33]0π=2π(π33−0)=2π23a_0 = \frac{2}{\pi} \left[ \frac{x^3}{3} \right]_{0}^{\pi} = \frac{2}{\pi} \left( \frac{\pi^3}{3} - 0 \right) = \frac{2\pi^2}{3}

Paso 2: Cálculo de los coeficientes ana_n Por definición:

an=1π∫−ππx2cos⁡(nx) dxa_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} x^2 \cos(nx) \, dx

Analizamos la paridad del integrando: x2x^2 es par, y cos⁡(nx)\cos(nx) es par. El producto de dos funciones pares es una función par. Luego, aplicando la misma propiedad de simetría:

an=2π∫0πx2cos⁡(nx) dxa_n = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi} x^2 \cos(nx) \, dx

Esta integral requiere el método de Integración por Partes. Recordamos la fórmula: ∫u dv=u⋅v−∫v du\int u \, dv = u \cdot v - \int v \, du. Elegimos:

  • u=x2  ⟹  du=2x dxu = x^2 \implies du = 2x \, dx
  • dv=cos⁡(nx) dx  ⟹  v=sin⁡(nx)ndv = \cos(nx) \, dx \implies v = \frac{\sin(nx)}{n}

Aplicamos la fórmula:

an=2π([x2sin⁡(nx)n]0π−∫0π2xsin⁡(nx)n dx)a_n = \frac{2}{\pi} \left( \left[ x^2 \frac{\sin(nx)}{n} \right]_{0}^{\pi} - \int_{0}^{\pi} 2x \frac{\sin(nx)}{n} \, dx \right)

Evaluamos el primer término en los límites. Para x=πx=\pi, tenemos π2sin⁡(nπ)n\pi^2 \frac{\sin(n\pi)}{n}. Como nn es un número entero, sin⁡(nπ)=0\sin(n\pi) = 0 estrictamente. Para x=0x=0, tenemos 00. Por lo tanto, el término de frontera se anula.

an=2π(0−2n∫0πxsin⁡(nx) dx)=−4nπ∫0πxsin⁡(nx) dxa_n = \frac{2}{\pi} \left( 0 - \frac{2}{n} \int_{0}^{\pi} x \sin(nx) \, dx \right) = -\frac{4}{n\pi} \int_{0}^{\pi} x \sin(nx) \, dx

Nos queda otra integral por partes. Elegimos:

  • u=x  ⟹  du=dxu = x \implies du = dx
  • dv=sin⁡(nx) dx  ⟹  v=−cos⁡(nx)ndv = \sin(nx) \, dx \implies v = -\frac{\cos(nx)}{n}

Aplicamos integración por partes nuevamente:

an=−4nπ([−xcos⁡(nx)n]0π−∫0π(−cos⁡(nx)n) dx)a_n = -\frac{4}{n\pi} \left( \left[ -x \frac{\cos(nx)}{n} \right]_{0}^{\pi} - \int_{0}^{\pi} \left(-\frac{\cos(nx)}{n}\right) \, dx \right)

Evaluamos el término de frontera:

−(πcos⁡(nπ)n−0)=−π(−1)nn-\left( \pi \frac{\cos(n\pi)}{n} - 0 \right) = -\frac{\pi (-1)^n}{n}

(Nota rigurosa: cos⁡(nπ)=(−1)n\cos(n\pi) = (-1)^n por propiedades elementales del círculo trigonométrico para n∈Zn \in \mathbb{Z}). Ahora integramos el segundo término:

+1n∫0πcos⁡(nx) dx=1n[sin⁡(nx)n]0π=0+ \frac{1}{n} \int_{0}^{\pi} \cos(nx) \, dx = \frac{1}{n} \left[ \frac{\sin(nx)}{n} \right]_{0}^{\pi} = 0

(Nuevamente, sin⁡(nπ)=0\sin(n\pi)=0 y sin⁡(0)=0\sin(0)=0). Reemplazando todo en la expresión de ana_n:

an=−4nπ(−π(−1)nn+0)=4π(−1)nn2π=4(−1)nn2a_n = -\frac{4}{n\pi} \left( -\frac{\pi (-1)^n}{n} + 0 \right) = \frac{4\pi (-1)^n}{n^2 \pi} = \frac{4(-1)^n}{n^2}

Paso 3: Cálculo de los coeficientes bnb_n Por definición:

bn=1π∫−ππx2sin⁡(nx) dxb_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} x^2 \sin(nx) \, dx

Análisis de paridad: x2x^2 es par y sin⁡(nx)\sin(nx) es impar. El producto de una función par por una impar da como resultado una función impar. Por propiedad de la integral definida de una función impar en un intervalo simétrico respecto al origen, la integral es exactamente nula.

bn=0b_n = 0

Paso 4: Ensamblaje de la Serie de Fourier Reemplazamos en la serie original:

S(x)=π23+∑n=1∞4(−1)nn2cos⁡(nx)S(x) = \frac{\pi^2}{3} + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{4(-1)^n}{n^2} \cos(nx)

Paso 5: Análisis de Convergencia (Criterio de Weierstrass) Sea el término general de nuestra serie de funciones un(x)=4(−1)nn2cos⁡(nx)u_n(x) = \frac{4(-1)^n}{n^2} \cos(nx). Queremos acotar su valor absoluto:

∣un(x)∣=∣4(−1)nn2cos⁡(nx)∣=4n2∣cos⁡(nx)∣|u_n(x)| = \left| \frac{4(-1)^n}{n^2} \cos(nx) \right| = \frac{4}{n^2} |\cos(nx)|

Como sabemos que el coseno está acotado tal que ∣cos⁡(nx)∣≤1∀x∈R|\cos(nx)| \leq 1 \quad \forall x \in \mathbb{R}, entonces:

∣un(x)∣≤4n2|u_n(x)| \leq \frac{4}{n^2}

Llamemos Mn=4n2M_n = \frac{4}{n^2}. Observamos la serie numérica ∑n=1∞Mn=4∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty} M_n = 4 \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}. Esta es una serie armónica generalizada (o pp-serie) con exponente p=2p=2. Como p>1p > 1, por el criterio de la integral, la serie converge. Por lo tanto, al haber encontrado una sucesión mayorante convergente MnM_n, el criterio de Weierstrass asegura que la serie de Fourier converge uniformemente en todo R\mathbb{R}.


Nota para Obsidian

[!infobox] Ejercicio 1.1: Serie de Fourier de f(x) = x² en (-π, π)
Contexto: Cálculo de coeficientes de Fourier, paridad de funciones y Convergencia Uniforme (Weierstrass).
Enunciado: Calcular los coeficientes de Fourier de la función periódica $f(x) = x^2$ en $(-\pi, \pi)$ y determinar convergencia uniforme mediante Weierstrass.

Demostración Rigurosa:
1. a_0: Como x² es par, a_0 = (2/π) ∫[0 a π] x² dx = (2/π)[x³/3] = 2π²/3.
2. a_n: Por paridad (par * par = par), a_n = (2/π) ∫[0 a π] x² cos(nx) dx.
   Aplicando partes dos veces (u=x², dv=cos(nx)dx y luego u=x, dv=sin(nx)dx):
   a_n = (-4/(nπ)) ∫[0 a π] x sin(nx) dx = (-4/(nπ)) [ -π (-1)^n / n ] = 4(-1)ⁿ / n².
3. b_n: Integrando impar (x² * sin(nx)) en dominio simétrico (-π, π) ⇒ b_n = 0.
4. Serie: S(x) = π²/3 + Σ [ 4(-1)ⁿ / n² ] cos(nx).
5. Weierstrass: |u_n(x)| = |4(-1)ⁿ cos(nx) / n²| ≤ 4/n². 
   Como Σ 4/n² es una p-serie convergente (p=2 > 1), la serie converge uniformemente ∀ x ∈ R.

Advertencia/Clave: ¡No calcules integrales a lo bruto! Analizar la paridad de la función ANTES de integrar te salva de calcular b_n por partes y equivocarte en los signos. Recordar que cos(nπ) = (-1)ⁿ y sin(nπ) = 0 es fundamental.

Ejercicio 1.2: f(x)=x2f(x) = x^2 en (0,2π)(0, 2\pi)

Intuición Didáctica

A simple vista, es la misma función, pero el intervalo de definición cambió. Esto es crítico: la extensión periódica ya no es una onda continua de parábolas simétricas, sino una parábola que sube hasta 4π24\pi^2 y cae abruptamente a cero. Al perder la simetría par respecto al origen, van a aparecer los senos y la serie convergerá más lento.

Resolución Rigurosa

1. Coeficiente a0a_0:

a0=1π∫02πx2 dx=1π[x33]02π=8π23a_0 = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} x^2 \, dx = \frac{1}{\pi} \left[ \frac{x^3}{3} \right]_{0}^{2\pi} = \frac{8\pi^2}{3}

2. Coeficiente ana_n:

an=1π∫02πx2cos⁡(nx) dxa_n = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} x^2 \cos(nx) \, dx

Aplicando partes (mismo procedimiento algebraico que en 1.1):

an=1π([x2sin⁡(nx)n]02π−∫02π2xsin⁡(nx)ndx)=−2nπ∫02πxsin⁡(nx)dxa_n = \frac{1}{\pi} \left( \left[ x^2 \frac{\sin(nx)}{n} \right]_0^{2\pi} - \int_0^{2\pi} 2x \frac{\sin(nx)}{n} dx \right) = -\frac{2}{n\pi} \int_0^{2\pi} x \sin(nx) dx

Aplicando partes nuevamente:

an=−2nπ([−xcos⁡(nx)n]02π+∫02πcos⁡(nx)ndx)=−2nπ(−2πn)=4n2a_n = -\frac{2}{n\pi} \left( \left[ -x \frac{\cos(nx)}{n} \right]_0^{2\pi} + \int_0^{2\pi} \frac{\cos(nx)}{n} dx \right) = -\frac{2}{n\pi} \left( -\frac{2\pi}{n} \right) = \frac{4}{n^2}

3. Coeficiente bnb_n:

bn=1π∫02πx2sin⁡(nx) dxb_n = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} x^2 \sin(nx) \, dx

Aplicando partes una vez:

bn=1π([−x2cos⁡(nx)n]02π+∫02π2xcos⁡(nx)ndx)b_n = \frac{1}{\pi} \left( \left[ -x^2 \frac{\cos(nx)}{n} \right]_0^{2\pi} + \int_0^{2\pi} 2x \frac{\cos(nx)}{n} dx \right)

Evaluamos el primer término: −4π2n-\frac{4\pi^2}{n}. La integral restante da cero evaluada entre 00 y 2π2\pi.

bn=−4πnb_n = -\frac{4\pi}{n}

4. Análisis de convergencia (Weierstrass): El término general tiene amplitudes ∣an∣∝1n2|a_n| \propto \frac{1}{n^2} y ∣bn∣∝1n|b_n| \propto \frac{1}{n}. La serie de los módulos está dominada por ∑1n\sum \frac{1}{n}, que es la serie armónica divergente. Por ende, no se cumple el criterio de Weierstrass para asegurar convergencia uniforme (lo cual tiene sentido porque la extensión periódica es discontinua en x=2kπx = 2k\pi).

Nota para Obsidian

[!infobox] Ejercicio 1.2: f(x) = x² en (0, 2π)
Contexto: Traslación de dominio y discontinuidades en la extensión periódica.
Demostración Rigurosa:
1. a_0 = (1/π) ∫[0 a 2π] x² dx = 8π²/3.
2. a_n = (1/π) ∫[0 a 2π] x² cos(nx) dx = 4/n² (por partes).
3. b_n = (1/π) ∫[0 a 2π] x² sin(nx) dx = -4π/n (por partes).
Advertencia/Clave: Al cambiar el intervalo a [0, 2π], se pierde la simetría. Los b_n ya no son cero y caen como 1/n. Weierstrass falla porque la serie armónica diverge. Geométricamente: la función tiene saltos en los extremos, impidiendo convergencia uniforme (Fenómeno de Gibbs).

Ejercicio 1.3: f(x)=∣sin⁡x∣f(x) = |\sin x| en (−π,π)(-\pi, \pi)

Intuición Didáctica

La función módulo "pliega" la parte negativa del seno hacia arriba. Resulta en una onda tipo rectificador de onda completa. Es una función par, así que bn=0b_n = 0. Además, como no tiene saltos, intuimos que la serie convergerá bien.

Resolución Rigurosa

1. Coeficientes bnb_n: Por paridad, bn=0b_n = 0. 2. Coeficiente a0a_0:

a0=2π∫0πsin⁡x dx=2π[−cos⁡x]0π=4πa_0 = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi} \sin x \, dx = \frac{2}{\pi} [-\cos x]_0^\pi = \frac{4}{\pi}

3. Coeficiente ana_n:

an=2π∫0πsin⁡xcos⁡(nx) dxa_n = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi} \sin x \cos(nx) \, dx

Usamos la identidad trigonométrica sin⁡Acos⁡B=12[sin⁡(A+B)+sin⁡(A−B)]\sin A \cos B = \frac{1}{2}[\sin(A+B) + \sin(A-B)]:

an=1π∫0π[sin⁡((1+n)x)+sin⁡((1−n)x)] dxa_n = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} [\sin((1+n)x) + \sin((1-n)x)] \, dx

Si n=1n=1, a1=0a_1 = 0. Para n>1n > 1:

an=1π[−cos⁡((1+n)x)1+n−cos⁡((1−n)x)1−n]0πa_n = \frac{1}{\pi} \left[ -\frac{\cos((1+n)x)}{1+n} - \frac{\cos((1-n)x)}{1-n} \right]_0^\pi

Recordando que cos⁡(kπ)=(−1)k\cos(k\pi) = (-1)^k, operamos y llegamos a que para nn impar, el corchete se anula (an=0a_n = 0). Para nn par (n=2kn=2k):

a2k=−4π(4k2−1)a_{2k} = \frac{-4}{\pi(4k^2 - 1)}

4. Weierstrass: ∣a2k∣≤4π(4k2−1)∼O(1k2)|a_{2k}| \leq \frac{4}{\pi(4k^2 - 1)} \sim O\left(\frac{1}{k^2}\right). Como ∑1k2\sum \frac{1}{k^2} converge, Weierstrass asegura convergencia uniforme.


Ejercicio 1.4: f(x)=eaxf(x) = e^{ax} en (−π,π)(-\pi, \pi) con a≠0a \neq 0

Resolución Rigurosa

Fórmula directa para integración: ∫eaxcos⁡(nx)dx=eaxa2+n2(acos⁡(nx)+nsin⁡(nx))\int e^{ax}\cos(nx)dx = \frac{e^{ax}}{a^2+n^2}(a\cos(nx) + n\sin(nx)).

a0=1π∫−ππeaxdx=eaπ−e−aπaπ=2sinh⁡(aπ)aπa_0 = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi e^{ax} dx = \frac{e^{a\pi} - e^{-a\pi}}{a\pi} = \frac{2\sinh(a\pi)}{a\pi} an=1π[eaxa2+n2(acos⁡(nx)+nsin⁡(nx))]−ππ=2a(−1)nsinh⁡(aπ)π(a2+n2)a_n = \frac{1}{\pi} \left[ \frac{e^{ax}}{a^2+n^2}(a\cos(nx) + n\sin(nx)) \right]_{-\pi}^\pi = \frac{2a (-1)^n \sinh(a\pi)}{\pi(a^2+n^2)} bn=1π[eaxa2+n2(asin⁡(nx)−ncos⁡(nx))]−ππ=−2n(−1)nsinh⁡(aπ)π(a2+n2)b_n = \frac{1}{\pi} \left[ \frac{e^{ax}}{a^2+n^2}(a\sin(nx) - n\cos(nx)) \right]_{-\pi}^\pi = -\frac{2n (-1)^n \sinh(a\pi)}{\pi(a^2+n^2)}

Análisis de convergencia: ∣bn∣∼O(1/n)|b_n| \sim O(1/n) para nn grande. Al ser una cota armónica, la serie mayorante diverge y Weierstrass no garantiza convergencia uniforme. Esto concuerda con la discontinuidad de salto en los bordes (pues eaπ≠e−aπe^{a\pi} \neq e^{-a\pi}).


Ejercicio 1.5: f(x)=cos⁡(ax)f(x) = \cos(ax) en (−π,π)(-\pi, \pi) con aa no entero

Resolución Rigurosa

Función par, por ende bn=0b_n = 0.

a0=2π∫0πcos⁡(ax)dx=2sin⁡(aπ)aπa_0 = \frac{2}{\pi} \int_0^\pi \cos(ax) dx = \frac{2\sin(a\pi)}{a\pi}

Para ana_n, usamos la identidad de producto a suma: cos⁡(ax)cos⁡(nx)=12[cos⁡((a+n)x)+cos⁡((a−n)x)]\cos(ax)\cos(nx) = \frac{1}{2}[\cos((a+n)x) + \cos((a-n)x)].

an=1π[sin⁡((a+n)π)a+n+sin⁡((a−n)π)a−n]a_n = \frac{1}{\pi} \left[ \frac{\sin((a+n)\pi)}{a+n} + \frac{\sin((a-n)\pi)}{a-n} \right]

Como sin⁡(x±y)=sin⁡xcos⁡y±cos⁡xsin⁡y\sin(x \pm y) = \sin x \cos y \pm \cos x \sin y, se reduce a:

an=2a(−1)nsin⁡(aπ)π(a2−n2)a_n = \frac{2a(-1)^n \sin(a\pi)}{\pi(a^2-n^2)}

Weierstrass: ∣an∣∼O(1/n2)|a_n| \sim O(1/n^2). Garantiza convergencia uniforme (la extensión periódica es continua ya que cos⁡(−aπ)=cos⁡(aπ)\cos(-a\pi) = \cos(a\pi)).


Ejercicio 1.6: f(x)=sin⁡(ax)f(x) = \sin(ax) en (−π,π)(-\pi, \pi) con aa no entero

Resolución Rigurosa

Función impar, an=0a_n = 0. Desarrollando de manera análoga al anterior (usando identidad para producto de senos sin⁡Asin⁡B=12[cos⁡(A−B)−cos⁡(A+B)]\sin A \sin B = \frac{1}{2}[\cos(A-B) - \cos(A+B)]):

bn=2n(−1)n+1sin⁡(aπ)π(n2−a2)b_n = \frac{2n(-1)^{n+1} \sin(a\pi)}{\pi(n^2-a^2)}

Weierstrass: ∣bn∣∼O(1/n)|b_n| \sim O(1/n). Falla el criterio, la serie armónica diverge. Geométricamente, la extensión periódica es discontinua en los extremos ya que sin⁡(aπ)≠sin⁡(−aπ)\sin(a\pi) \neq \sin(-a\pi).


Ejercicio 1.7: f(x)=(π−x)sin⁡xf(x) = (\pi - x)\sin x en (−π,π)(-\pi, \pi)

Resolución Rigurosa

Separamos por linealidad: f(x)=πsin⁡x−xsin⁡xf(x) = \pi\sin x - x\sin x. πsin⁡x\pi\sin x es una función impar, −xsin⁡x-x\sin x es par. Integramos usando propiedades de simetría. Para ana_n (solo la parte par sobrevive):

an=−2π∫0πxsin⁡xcos⁡(nx)dx=(−1)n2n2−1(n≠1)a_n = -\frac{2}{\pi} \int_0^\pi x\sin x \cos(nx) dx = (-1)^n \frac{2}{n^2-1} \quad (n \neq 1)

Para n=1n=1, resolviendo la integral da a1=1/2a_1 = 1/2. Y el caso base da a0=−2a_0 = -2. Para bnb_n (solo la parte impar sobrevive):

b1=π,bn>1=0b_1 = \pi, \quad b_{n>1} = 0

Weierstrass: Los coeficientes caen como O(1/n2)O(1/n^2) para ana_n y los bnb_n se anulan. Esto garantiza convergencia uniforme (la función original vale cero en ambos extremos, garantizando continuidad en la extensión periódica).


Ejercicio 1.8: f(x)=0f(x) = 0 si x∈(−π,0)x \in (-\pi, 0), xx si x∈(0,π)x \in (0, \pi)

Resolución Rigurosa

Cálculo directo separando integrales (la parte de [−π,0][-\pi, 0] aporta cero):

a0=1π∫0πxdx=π2a_0 = \frac{1}{\pi} \int_0^\pi x dx = \frac{\pi}{2} an=1π∫0πxcos⁡(nx)dx=(−1)n−1πn2a_n = \frac{1}{\pi} \int_0^\pi x \cos(nx) dx = \frac{(-1)^n - 1}{\pi n^2} bn=1π∫0πxsin⁡(nx)dx=(−1)n+1nb_n = \frac{1}{\pi} \int_0^\pi x \sin(nx) dx = \frac{(-1)^{n+1}}{n}

Weierstrass: ∣bn∣∼O(1/n)|b_n| \sim O(1/n). Falla el criterio. Existe un claro salto discontinuo en x=πx=\pi (salta de π\pi a 00).


Ejercicio 1.9: f(x)=−e−xf(x) = -e^{-x} si x∈(−π,0)x \in (-\pi, 0), exe^x si x∈(0,π)x \in (0, \pi)

Resolución Rigurosa

Notemos la simetría: para x>0x > 0, f(−x)=−e−(−x)=−ex=−f(x)f(-x) = -e^{-(-x)} = -e^x = -f(x). ¡Es una función impar! Por lo tanto an=0a_n = 0. Calculamos los coeficientes del seno aprovechando la simetría par del producto:

bn=2π∫0πexsin⁡(nx)dx=2n(1−(−1)neπ)π(1+n2)b_n = \frac{2}{\pi} \int_0^\pi e^x \sin(nx) dx = \frac{2n(1 - (-1)^n e^\pi)}{\pi(1+n^2)}

Weierstrass: Evaluando el módulo, ∣bn∣∼O(1/n)|b_n| \sim O(1/n). Falla el criterio. Existe discontinuidad en el origen (salto de −1-1 a 11) y en los bordes.