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GABARITO DA LISTA DE S�ERIE DE FOURIER
1:
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 1:
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6
y
x
Figura 1
(b)
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =1
2
Z 2
�2
f (x)dx =) a0 =1
2
Z 2
0
dx =) a0 =1
2[x]
2
0=) a0 = 1: ((1))
� C�alculo de an:
Temos que:
an =1
2
Z 2
�2
f (x) cosn�x
2dx =) an =
1
2
Z 2
0
cosn�x
2dx =) an =
1
n�
hsin
n�x
2
i20
=) an = 0: ((2))
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn =1
2
Z 2
�2
f (x) sinn�x
2dx =) bn =
1
2
Z 2
0
sinn�x
2dx =) bn = � 1
n�
hcos
n�x
2
i20
:
Logo:
bn =1
n�[1� (�1)n] :
((3))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
1
2+
1
�
1Pn=1
[1� (�1)n]n
sinn�x
2:
((4))
1
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((5))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [�2; 2] e T = 4:
A fun�c~ao f �e descont��nua em x = �2; x = 0 e x = 2: Ent~ao, pelo Terema de Fourier
temos que se:
(i) x = �2 =) a s�erie de Fourier converge paraf (�2+) + f (�2�)
2=
0 + 1
2=
1
2;
(ii) x = 0 =) a s�erie de Fourier converge paraf (0+) + f (0�)
2=
1 + 0
2=
1
2;
(iii) x = 2 =) a s�erie de Fourier converge paraf (2+) + f (2�)
2=
0 + 1
2=
1
2:
Por outro lado, nos pontos onde f �e cont��nua pelo Terema de Fourier temos que a s�erie
converge para f (x):
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 2:
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-2 -1 0 1 2 3 4 5 6
y
x
Figura 2
2:
(a) O gr�a�co da f �e esbo�cado na Figura 3:
2
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
y
x
Figura 3
(b) A fun�c~ao f �e par. Portanto:
bn = 0: ((6))
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 = 2
Z 1
0
f (x)dx =) a0 = 2
Z 1
0
(1� x)dx =) a0 = 2
�[x]
1
0� 1
2
�x2�10
�=) a0 = 1: ((7))
� C�alculo de an:
Temos que:
an = 2
Z 1
0
f (x) cosn�xdx =) an = 2
Z 1
0
(1� x) cosn�xdx: ((8))
� C�alculo daR 10(1� x) cosn�xdx:
Sejam:
�����u = 1� x =) du = �dx;
dv = cosn�xdx =) v =1
n�sinn�x:
Logo:
Z 1
0
(1� x) cosn�xdx =1
n�[(1� x) sinn�x]
1
0+
1
n�
Z 1
0
sinn�xdx;
ou equivalentemente,
Z 1
0
(1 + x) cosn�xdx = � 1
n2�2[cosn�x]
1
0=
1
n2�2[1� (�1)n] ((9))
Substituindo (9) em (8) resulta que:
3
an =2
n2�2[1� (�1)n] :
((10))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
1
2+
2
�2
1Pn=1
[1� (�1)n]n2
cosn�x:((11))
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((12))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f �e cont��nua e f 0 �e cont��nua por partes no intervalo [�1; 1] e T = 2:
Como f em �e cont��nua [�1; 1] segue pelo Terema de Fourier que a s�erie converge para
f (x); ou seja:
f (x) =3
2+
2
�2
1Pn=1
[1� (�1)n]n2
cosn�x:((13))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 4.
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
y
x
Figura 4
3:
(a) O gr�a�co da f �e esbo�cado na Figura 5:
4
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 5
(b)
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =1
�
Z �
��
f (x)dx =) a0 =1
�
Z �=2
0
dx =) a0 =1
�[x]
�=20
=) a0 =1
2:
((14))
� C�alculo de an:
Temos que:
an =1
�
Z �
��
f (x) cosnxdx =) an =1
�
Z �=2
0
cosnxdx =) an =1
n�[sinnx]
�=20
=) an =1
n�sin
n�
2:
Logo:
a2n�1 =(�1)n+1(2n� 1)�
:((15))
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn =1
�
Z �
��
f (x) sinnxdx =) bn =1
�
Z �=2
0
sinnxdx =) bn = � 1
n�[cosnx]
�=20
:
Logo:
bn =[1� cosn�=2]
n� ((16))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
1
4+
1
�
1Pn=1
(�1)n+1(2n� 1)
cosnx+1
�
1Pn=1
[1� cosn�=2]
nsinnx:
((17))
5
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((18))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [��; �] e T = 2�:
A fun�c~ao f �e descont��nua em x = 0 e x =�
2: Ent~ao, pelo Terema de Fourier temos que
se:
(i) x = 0 =) a s�erie de Fourier converge paraf (0+) + f (0�)
2=
1 + 0
2=
1
2;
(ii) x =�
2=) a s�erie de Fourier converge para
f (�=2+) + f (�=2�)2
=0 + 1
2=
1
2:
Por outro lado, nos pontos onde f �e cont��nua pelo Terema de Fourier temos que a s�erie
converge para f (x):
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 6:
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 6
4:
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 7.
6
-3
-2
-1
0
1
2
3
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 7
(b) A fun�c~ao f �e ��mpar a menos da origem. Portanto:
a0 = an = 0: ((19))
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn =2
�
Z �
0
f (x) sinnxdx =) bn =1
2
Z �
0
sinnxdx =) bn = � 1
2n[cosnx]
�0;
ou equivalentemente,
bn =[1� (�1)n]
2n: ((20))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
1
2
1Pn=1
[1� (�1)n]n
sinnx:((21))
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((22))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [��; �] e T = 2�:
A fun�c~ao f �e descont��nua em x = 0; x = �� e x = �: Ent~ao, pelo Terema de Fourier
7
temos que se:
(i) x = �� =) a s�erie de Fourier converge paraf (��+) + f (���)
2=��=4 + �=4
2= 0;
(ii) x = 0 =) a s�erie de Fourier converge paraf (0+) + f (0�)
2=
�=4� �=4
2= 0;
(iii) x = � =) a s�erie de Fourier converge paraf (�+) + f (��)
2=��=4 + �=4
2= 0:
Por outro lado, nos pontos onde f �e cont��nua pelo Terema de Fourier temos que a s�erie
converge para f (x):
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 8:
-3
-2
-1
0
1
2
3
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 8
5:
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 9:
-4-3-2-1 0 1 2 3 4
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 9
(b)
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =1
�
Z �
��
f (x)dx =) a0 =1
�
���
Z 0
��
dx+
Z �
0
xdx
�;
ou equivalentemente,
8
a0 =1
�
��� [x]
0
�� +1
2
�x2��0
�=) a0 = ��
2:
((23))
� C�alculo de an:
an =1
�
Z �
��
f (x) cosnxdx =) an =1
�
���
Z 0
��
cosnxdx+
Z �
0
x cosnxdx
�;
ou equivalentemente,
an =1
�
���
n[sinnx]
0
�� +
Z �
0
x cosnxdx
�=) an =
1
�
Z �
0
x cosnxdx: ((24))
� C�alculo daR �0x cosnxdx:
Sejam:
�����u = x =) du = dx;
dv = cosnxdx =) v =1
nsinnx:
Logo:
Z �
0
x cosnxdx =1
n[x sinnx]
�0+
1
n
Z �
0
sinnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
x cosnxdx = � 1
n2[cosnx]
�0=
1
n2[1� (�1)n] ((25))
Substituindo (25) em (24) resulta que:
an =1
n2�[1� (�1)n] :
((26))
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn =1
�
Z �
��
f (x) sinnxdx =) bn =1
�
���
Z 0
��
sinnxdx+
Z �
0
x sinnxdx
�;
ou equivalentemente,
bn =1
�
��
n[cosnx]
0
�� +
Z �
0
x sinnxdx
�=) bn =
1
�
�� [1� (�1)n]
n+
Z �
0
x sinnxdx:
�((27))
9
� C�alculo daR �0x sinnxdx:
Sejam:
�����u = x =) du = dx;
dv = sinnxdx =) v = � 1
ncosnx:
Logo:
Z �
0
x sinnxdx = � 1
n[x cosnx]
�0+
1
n
Z �
0
cosnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
x sinnxdx =�(�1)n+1
n+
1
n2[sinnx]
�0=
�(�1)n+1n
((28))
Substituindo (28) em (27) resulta que:
bn =[1� (�1)n] + (�1)n+1
n:
((29))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
��
4+
1
�
1Pn=1
[1� (�1)n]n2
cosnx+1Pn=1
�[1� (�1)n] + (�1)n+1
n
�sinnx:
((30))
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((31))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [��; �] e T = 2�:
A fun�c~ao f �e descont��nua em x = ��; x = 0 e x = �: Ent~ao, pelo Terema de Fourier
temos que se:
(i) x = �� =) a s�erie de Fourier converge paraf (��+) + f (���)
2=�� + �
2= 0;
10
(ii) x = 0 =) a s�erie de Fourier converge paraf (0+) + f (0�)
2=
0� �
2= ��
2;
(iii) x = � =) a s�erie de Fourier converge paraf (�+) + f (��)
2=�� + �
2= 0:
Por outro lado, nos pontos onde f �e cont��nua pelo Terema de Fourier temos que a s�erie
converge para f (x):
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 10.
-4-3-2-1 0 1 2 3 4
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 10
6:
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 11.
0 2 4 6 8
10 12 14
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 11
(b)
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =1
�
Z �
��
f (x)dx =) a0 =1
�
Z �
0
x2dx;
ou equivalentemente,
a0 =1
3�
�x3��0=) a0 =
�2
3:
((32))
11
� C�alculo de an:
an =1
�
Z �
��
f (x) cosnxdx =) an =1
�
Z �
0
x2 cosnxdx: ((33))
� C�alculo daR �0x2 cosnxdx:
Sejam:
�����u = x2 =) du = 2xdx;
dv = cosnxdx =) v =1
nsinnx:
Logo:
Z �
0
x2 cosnxdx =1
n
�x2 sinnx
��0� 2
n
Z �
0
x sinnxdx =)Z �
0
x2 cosnxdx = � 2
n
Z �
0
x sinnxdx ((34))
� C�alculo daR �0x sinnxdx:
Sejam:
�����u = x =) du = dx;
dv = sinnxdx =) v = � 1
ncosnx:
Portanto:
Z �
0
x sinnxdx = � 1
n[x cosnx]
�0+
1
n
Z �
0
cosnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
x sinnxdx =�(�1)n+1
n+
1
n2[sinnx]
�0=
�(�1)n+1n
: ((35))
Substituindo (35) em (34) resulta que:
Z �
0
x2 cosnxdx =2�(�1)n+2
n2: ((36))
Substituindo (36) em (33) resulta que:
an =2(�1)n+2
n2:
((37))
� C�alculo de bn:
Temos que:
12
bn =1
�
Z �
��
f (x) sinnxdx =) bn =1
�
Z �
0
x2 sinnxdx: ((38))
� C�alculo daR �0x2 sinnxdx:
Sejam:
�����u = x2 =) du = 2xdx;
dv = sinnxdx =) v = � 1
ncosnx:
Logo:
Z �
0
x2 sinnxdx = � 1
n
�x2 cosnx
��0+
2
n
Z �
0
x cosnxdx =�2(�1)n+1
n+
2
n
Z �
0
x cosnxdx: ((39))
� C�alculo daR �0x cosnxdx:
Sejam: �����u = x =) du = dx;
dv = cosnxdx =) v =1
nsinnx:
Logo:
Z �
0
x cosnxdx =1
n[x sinnx]
�0� 1
n
Z �
0
sinnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
x cosnxdx =1
n2[cosnx]
�0=
[(�1)n � 1]
n2((40))
Substituindo (40) em (39) resulta que:
Z �
0
x2 sinnxdx =�2(�1)n+1
n+
2 [(�1)n � 1]
n3: ((41))
Portanto:
bn =�(�1)n+1
n+
2 [(�1)n � 1]
�n3:
((42))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
�2
6+ 2
1Pn=1
(�1)n+2n2
cosnx+1Pn=1
��(�1)n+1
n+
2 [(�1)n � 1]
�n3
�sinnx:
((43))
13
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((44))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [��; �] e T = 2�:
A fun�c~ao f �e descont��nua em x = �� e x = �: Ent~ao, pelo Terema de Fourier
temos que se:
(i) x = �� =) a s�erie de Fourier converge paraf (��+) + f (���)
2=
0 + �2
2=
�2
2;
(ii) x = � =) a s�erie de Fourier converge paraf (�+) + f (��)
2=
0 + �2
2=
�2
2:
Por outro lado, nos pontos onde f �e cont��nua pelo Terema de Fourier temos que a s�erie
converge para f (x):
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 12.
0 2 4 6 8
10 12 14
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 12
7:
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 13.
14
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
y
x
Figura 13
(b) A fun�c~ao f �e par. Portanto:
bn = 0: ((45))
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =3
�
Z �=3
��=3
f (x)dx =) a0 =6
�
Z �=3
0
cos 2xdx;
ou equivalentemente,
a0 =3
�[sin 2x]
�=30
=) a0 =3p3
2�:
((46))
� C�alculo de an:
an =3
�
Z �=3
��=3
f (x) cosn�x
�=3dx =) an =
6
�
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx: ((47))
� C�alculo daR �=30
cos 2x cos 3nxdx:
Sejam:
�����u = cos 2x =) du = �2 sin 2xdx;
dv = cos 3nxdx =) v =1
3nsin 3nx:
Logo:
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx =1
3n[cos 2x sin 3nx]
�=30
+2
3n
Z �=3
0
sin 2x sin 3nxdx;
ou equivalentemente,
15
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx =2
3n
Z �=3
0
sin 2x sin 3nxdxdx: ((48))
� C�alculo daR �=30
sin 2x sin 3nxdxdx:
Sejam:
�����u = sin 2x =) du = 2 cos 2xdx;
dv = sin 3nxdx =) v = � 1
3ncos 3nx:
Logo:
Z �=3
0
sin 2x sin 3nxdxdx = � 1
3n[sin 2x cos 3nx]
�=30
+2
3n
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx;
ou equivalentemente,
Z �=3
0
sin 2x sin 3nxdxdx =(�1)n+1p3
6n+
2
3n
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx: ((49))
Substituindo (49) em (48) resulta que:
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx =2
3n
((�1)n+1p3
6n+
2
3n
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx
);
ou equivalentemente,
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx� 2
3n
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx =(�1)n+1p3
9n2;
ou equivalentemente,
Z �=3
0
cos 2x cos 3nxdx =(�1)n+1p3
3n(3n� 2): ((50))
Substituindo (50) em (47) resulta que:
an =2(�1)n+1p3
n�(3n� 2):
((51))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
3p3
4�+
2p3
�
1Pn=1
(�1)n+1n(3n� 2)
cos 3nx:((52))
16
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((53))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [��=3; �=3] eT = 2�=3: A fun�c~ao f �e cont��nua em todos os pontos. Ent~ao, pelo Terema de Fourier
temos:
cos 2x =3p3
4�+
2p3
�
1Pn=1
(�1)n+1n(3n� 2)
cos 3nx:((54))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 14.
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
y
x
Figura 14
8.
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 15.
-0.5
0
0.5
1
1.5
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 15
17
(b) A fun�c~ao f �e par. Portanto:
bn = 0: ((55))
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =1
�
Z �
��
f (x)dx =) a0 =2
�
(Z �=2
0
cosxdx�Z �
�=2
cosxdx
);
ou equivalentemente,
a0 =2
�[sinx]
�=20
� 2
�[sinx]
��=2 =)
a0 =4
�:
((56))
� C�alculo de an; para n 6= 1:
Temos que:
an =1
�
Z �
��
f (x) cosnxdx =) an =2
�
(Z �=2
0
cosx cosnxdx�Z �
�=2
cosx cosnxdx
): ((57))
� C�alculo daR �=20
cosx cosnxdx; para n 6= 1:
Sejam:
�����u = cosx =) du = � sinxdx;
dv = cosnxdx =) v =1
nsinnx:
Logo:
Z �=2
0
cosx cosnxdx =1
n[cosx sinnx]
�=20
+1
n
Z �=2
0
sinx sinnxdx;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
cosx cosnxdx =1
n
Z �=2
0
sinx sinnxdx: ((58))
� C�alculo daR �=20
sinx sinnxdx:
Sejam:
�����u = sinx =) du = cosxdx;
dv = sinnxdx =) v = � 1
ncosnx:
18
Logo:
Z �=2
0
sinx sinnxdx = � 1
n[sinx cosnx]
�=20
+1
n
Z �=2
0
cosx cosnxdx;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
sinx sinnxdx = � 1
ncos
n�
2+
1
n
Z �=2
0
cosx cosnxdx: ((59))
Substituindo (59) em (58) resulta que:
Z �=2
0
cosx cosnxdx = � 1
n2cos
n�
2+
1
n2
Z �=2
0
cosx cosnxdx;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
cosx cosnxdx� 1
n2
Z �=2
0
cosx cosnxdx = � 1
n2cos
n�
2;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
cosx cosnxdx =n2
(n2 � 1)
�� 1
n2cos
n�
2
�;
ou equivalentemente,
R �=20
cosx cosnxdx = � 1
(n2 � 1)cos
n�
2:
((60))
� C�alculo daR ��=2
cosx cosnxdx; para n 6= 1:
Do que foi exposto obtemos:
Z �
�=2
cosx cosnxdx =1
n[cosx sinnx]
��=2 +
1
n
Z �
�=2
sinx sinnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
�=2
cosx cosnxdx =1
n
Z �
�=2
sinx sinnxdx: ((61))
� C�alculo daR ��=2
sinx sinnxdx:
Do que foi exposto resulta que:
Z �
�=2
sinx sinnxdx = � 1
n[sinx cosnx]
��=2 +
1
n
Z �
�=2
cosx cosnxdx;
19
ou equivalentemente,
Z �
�=2
sinx sinnxdx =1
ncos
n�
2+
1
n
Z �
�=2
cosx cosnxdx: ((62))
Substituindo (62) em (61) resulta que:
Z �
�=2
cosx cosnxdx =1
n2cos
n�
2+
1
n2
Z �
�=2
cosx cosnxdx;
ou equivalentemente, Z �
�=2
cosx cosnxdx� 1
n2
Z �
�=2
cosx cosnxdx =1
n2cos
n�
2;
ou equivalentemente,
R ��=2
cosx cosnxdx =1
(n2 � 1)cos
n�
2:
((63))
Substituindo (60) e (63) em (57) resulta que:
an =2
�
�� 1
(n2 � 1)cos
n�
2� 1
(n2 � 1)cos
n�
2
�;
ou equivalentemente,
an = � 4
�(n2 � 1)cos
n�
2; n = 2; 3; :::
((64))
� C�alculo de a1:
Temos que:
a1 =
Z �=2
0
cos2 xdx�Z �
�=2
cos2 xdx: ((65))
� C�alculo daR �=20
cos2 xdx:
Temos que:
Z �=2
0
cos2 xdx =1
2
(Z �=2
0
dx+
Z �=2
0
cos 2xdx
);
ou equivalentemente, Z �=2
0
cos2 xdx =1
2
�[x]
�=20
+1
2[sin 2x]
�=20
�;
20
ou equivalentemente,
Z �=2
0
cos2 xdx =�
4: ((66))
� C�alculo daR ��=2
cos2 xdx:
Temos que:
Z �
�=2
cos2 xdx =1
2
�[x]
��=2 +
1
2[sin 2x]
��=2
�;
ou equivalentemente, Z �
�=2
cos2 xdx =�
4: ((67))
Substituindo (66) e (67) em (65) resulta que:
a1 =�
4� �
4= 0:
((68))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
2
�+
4
�
1Pn=1
(�1)n+14n2 � 1
cos 2nx:((69))
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((70))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [��; �] e T = 2�:
A fun�c~ao f �e cont��nua em todos os pontos. Ent~ao, pelo Teorema de Fourier temos:
jcosxj = 2
�+
4
�
1Pn=1
(�1)n+14n2 � 1
cos 2nx:((71))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 16.
21
-0.5
0
0.5
1
1.5
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 16
9.
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 17.
0
5
10
15
20
25
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 17
(b)
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =1
3
Z 3
�3
f (x)dx =) a0 =1
3
Z 3
�3
exdx;
ou equivalentemente,
a0 =1
3[ex]
3
�3=) a0 =
e3 � e�3
3:
((72))
� C�alculo de an:
an =1
3
Z 3
�3
f (x) cosn�x
3dx;
ou equivalentemente,
an =1
3
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx ((73))
22
� C�alculo daR 3�3
ex cosn�x
3dx:
Sejam:
�����u = ex =) du = exdx;
dv = cosn�x
3dx =) v =
3
n�sin
n�x
3:
Logo:
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx =
3
n�
hex sin
n�x
3
i3�3
� 3
n�
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx;
ou equivalentemente,
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx = � 3
n�
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx: ((74))
� C�alculo daR 3�3
ex sinn�x
3dx:
Sejam:
�����u = ex =) du = exdx;
dv = sinn�x
3dx =) v = � 3
n�cos
n�x
3:
Logo:
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx = � 3
n�
hex cos
n�x
3
i3�3
+3
n�
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx;
ou equivalentemente,
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx =
3(�1)nn�
�e�3 � e3
�+
3
n�
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx: ((75))
Substituindo (75) em (74) resulta que:
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx = � 3
n�
�3(�1)nn�
�e�3 � e3
�+
3
n�
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx
�;
ou equivalentemente,
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx+
9
n2�2
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx =
9(�1)n+1n2�2
�e�3 � e3
�;
ou equivalentemente,
23
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx =
9(�1)n+1(n2�2 + 9)
�e�3 � e3
�: ((76))
Substituindo (76) em (73) resulta que:
an =3(�1)n+1(n2�2 + 9)
�e�3 � e3
�:
((77))
� C�alculo de bn:
bn =1
3
Z 3
�3
f (x) sinn�x
3dx;
ou equivalentemente,
bn =1
3
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx ((78))
� C�alculo daR 3�3
ex sinn�x
3dx:
Sejam:
�����u = ex =) du = exdx;
dv = sinn�x
3dx =) v = � 3
n�cos
n�x
3:
Logo:
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx = � 3
n�
hex cos
n�x
3
i3�3
+3
n�
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx;
ou equivalentemente,
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx =
3(�1)nn�
�e�3 � e3
�+
3
n�
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx ((79))
� C�alculo daR 3�3
ex cosn�x
3dx:
Sejam:
�����u = ex =) du = exdx;
dv = cosn�x
3dx =) v =
3
n�sin
n�x
3:
Logo:
24
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx =
3
n�
hex sin
n�x
3
i3�3
� 3
n�
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx;
ou equivalentemente,
Z 3
�3
ex cosn�x
3dx = � 3
n�
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx: ((80))
Substituindo (80) em (79) resulta que:
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx =
3(�1)nn�
�e�3 � e3
�� 9
n2�2
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx;
ou equivalentemente,
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx+
9
n2�2
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx =
3(�1)nn�
�e�3 � e3
�;
ou equivalentemente,
Z 3
�3
ex sinn�x
3dx =
3n�(�1)n(n2�2 + 9)
�e�3 � e3
�: ((81))
Substituindo (81) em (78) resulta que:
bn =n�(�1)n+1(n2�2 + 9)
�e�3 � e3
�:
((82))
Portanto, a s�erie de Fourier da fun�c~ao f �e da forma:
e3 � e�3�1
6� 3
1Pn=1
(�1)n+1(n2�2 + 9)
cosn�
3x� �
1Pn=1
n(�1)n+1(n2�2 + 9)
sinn�
3x
�:
((83))
(c)
Teorema de Fourier: Suponha que f e f 0 s~ao cont��nuas por partes no intervalo [�L;L] :Suponha tamb�em que f est�a de�nida fora do intervalo [�L;L] ; de modo a ser peri�odica
com per��odo T = 2L: Ent~ao, f tem uma s�erie de Fourier
a02
+
1Xn=1
an cosn�x
L+
1Xn=1
bn sinn�x
L: ((84))
Al�em disso, a s�erie de Fourier converge para f (x) em todos os pontos onde f �e
cont��nua e converge paraf (x+) + f (x�)
2em todos os pontos onde f �e descont��nua.
25
No nosso caso f e f 0 satisfazem as hip�oteses do teorema no intervalo [�3; 3] e T = 6:
A fun�c~ao f �e descont��nua em x = �3 e x = 3: Ent~ao, pelo Terema de Fourier temos que
se:
(i) x = �3 =) a s�erie de Fourier converge paraf (�3+) + f (�3�)
2=
e�3 + e3
2;
(ii) x = 3 =) a s�erie de Fourier converge paraf (3+) + f (3�)
2=
e�3 + e3
2:
Por outro lado, nos pontos onde f �e cont��nua pelo Terema de Fourier temos que a s�erie
converge para f (x):
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 18.
0
5
10
15
20
25
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 18
10.
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 19.
-10
-5
0
5
10
-2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 19
(b) A fun�c~ao f �e ��mpar. Portanto:
a0 = an = 0: ((85))
� C�alculo de bn:
Temos que:
26
bn =1
�
Z �
��
f(x) sinnxdx;
ou equivalentemente,
bn = � 7
�
Z �
��
sin 15x sinnxdx: ((86))
Temos o seguinte resultado (ver Boyce-Diprima - se�c~ao 10:2):
Z L
�L
sinm�x
Lsin
n�x
Ldx =
���� 0; se m 6= n;L; se m = n:
((87))
No nosso caso m = n = 15 e L = �: Disto e de (87) resulta que:
b15 = �7 e b1 = b2 = ::: = b14 = b16 = ::: = 0 ((88))
Portanto, s�o o termo b15 �e diferente de zero. A s�erie �e igual a pr�opria fun�c~ao.
11.
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 20.
-4
-2
0
2
4
-1 0 1 2 3 4
y
x
Figura 20
(b) A fun�c~ao f �e par. Portanto:
bn = 0: ((89))
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =2
�
Z �=2
��=2
f(x)dx;
ou equivalentemente,
27
a0 =8
�
Z �=2
0
cos 2xdx; ((90))
ou equivalentemente ,
a0 =4
�[sin 2x]
�=20
=) a0 = 0: ((91))
� C�alculo de an:
Temos que:
an =2
�
Z �=2
��=2
f(x) cos 2nxdx;
ou equivalentemente,
an =4
�
Z �=2
��=2
cos 2x cos 2nxdx: ((92))
Temos o seguinte resultado (ver Boyce-Diprima - se�c~ao 10:2):
Z L
�L
cosm�x
Lcos
n�x
Ldx =
���� 0; se m 6= n;L; se m = n:
((93))
No nosso caso m = n = 1 e L = �=2: Disto e de (93) resulta que:
a1 = 4 e a2 = a3 = a4 = ::: = an = ::: = 0 ((94))
Portanto, s�o o termo a1 �e diferente de zero. A s�erie �e igual a pr�opria fun�c~ao.
12.
(a) O gr�a�co de f �e esbo�cado na Figura 21.
-0.5
0
0.5
1
1.5
-1 0 1 2 3 4
y
x
Figura 21
28
(b)
Os coe�cientes de Fourier de uma fun�c~ao de�nida em um intervalo [a; b] s~ao dados por:
a0 =2
b� a
Z b
a
f(x)dx; ((95))
an =2
b� a
Z b
a
f(x) cos2n�x
b� adx; ((96))
bn =2
b� a
Z b
a
f(x) sin2n�x
b� adx ((97))
No nosso caso o per��odo T = b� a = � =) L =�
2: A seguir calcularemos cada coe�ciente de
Fourier utilizando as f�ormulas (95); (96) e (97):
� C�alculo de a0:
De (95) temos que:
a0 =2
�
Z �
0
sin2 xdx;
ou equivalentemente,
a0 =1
�
�Z �
0
dx�Z �
0
cos 2xdx
�;
ou equivalentemente,
a0 =1
�
�[x]
�0� 1
2[sin 2x]
�0
�=) a0 = 1: ((98))
� C�alculo de an; para n 6= 1:
De (96) temos que:
an =2
�
Z �
0
sin2 x cos 2nxdx;
ou equivalentemente,
an =1
�
�Z �
0
cos 2nxdx�Z �
0
cos 2x cos 2nxdx
�;
ou equivalentemente,
29
an =1
�
�1
2n[sin 2nx]
�0�Z �
0
cos 2x cos 2nxdx
�;
ou equivalentemente,
an = � 1
�
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx: ((99))
� C�alculo daR �0cos 2x cos 2nxdx; para n 6= 1:
Sejam:
�����u = cos 2x =) du = �2 sin 2xdx;
dv = cos 2nxdx =) v =1
2nsin 2nx:
Logo:
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx =1
2n[cos 2x sin 2nx]
�0+
1
n
Z �
0
sin 2x sin 2nxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx =1
n
Z �
0
sin 2x sin 2nxdx: ((100))
� C�alculo daR �0sin 2x sin 2nxdx:
Sejam:
�����u = sin 2x =) du = 2 cos 2xdx;
dv = sin 2nxdx =) v = � 1
2ncos 2nx:
Logo:
Z �
0
sin 2x sin 2nxdx = � 1
2n[sin 2x cos 2nx]
�0+
1
n
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
sin 2x sin 2nxdx =1
n
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx: ((101))
Substituindo (101) em (100) resulta que:
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx =1
n2
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx;
30
ou equivalentemente,
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx� 1
n2
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx = 0;
ou equivalentemente,
Z �
0
cos 2x cos 2nxdx = 0: ((102))
Substituindo (102) em (99) resulta que:
an = 0; para n 6= 1: ((103))
� C�alculo de a1:
Temos que:
a1 =2
�
Z �
0
sin2 x cos 2xdx;
ou equivalentemente,
a1 =1
�
�Z �
0
cos 2xdx�Z �
0
cos2 2xdx
�;
ou equivalentemente,
a1 =1
�
�1
2[sin 2x]
�0� 1
2
Z �
0
[1 + cos 4x] dx
�;
ou equivalentemente,
a1 = � 1
2�
�[x]
�0+
1
4[sin 4x]
�0
�;
ou equivalentemente,
a1 = �1
2:
((104))
� C�alculo de bn; para n 6= 1:
De (97) temos que:
bn =2
�
Z �
0
sin2 x sin 2nxdx;
ou equivalentemente,
31
bn =1
�
�Z �
0
sin 2nxdx�Z �
0
cos 2x sin 2nxdx
�;
ou equivalentemente,
bn =1
�
�� 1
2n[cos 2nx]
�0�Z �
0
cos 2x sin 2nxdx:
�; ((105))
ou equivalentemente,
bn = � 1
�
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx:; ((106))
� C�alculo daR �0cos 2x sin 2nxdx; para n 6= 1:
Sejam:
�����u = cos 2x =) du = �2 sin 2xdx;
dv = sin 2nxdx =) v = � 1
2ncos 2nx:
Logo:
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx = � 1
2n[cos 2x cos 2nx]
�0+
1
n
Z �
0
sin 2x cos 2nxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx =1
n
Z �
0
sin 2x cos 2nxdx: ((107))
� C�alculo daR �0sin 2x cos 2nxdx:
Sejam:
�����u = sin 2x =) du = 2 cos 2xdx;
dv = cos 2nxdx =) v =1
2nsin 2nx sin 2nx:
Logo:
Z �
0
sin 2x cos 2nxdx =1
2n[sin 2x sin 2nx]
�0� 1
n
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
sin 2x cos 2nxdx = � 1
n
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx: ((108))
32
Substituindo (108) em (107) resulta que:
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx = � 1
n2
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx; ((109))
ou equivalentemente,
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx� 1
n2
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx = 0;
ou equivalentemente,
Z �
0
cos 2x sin 2nxdx = 0: ((110))
Substituindo (110) em (106) resulta que:
bn = 0; para n 6= 1: ((111))
� C�alculo de b1:
Temos que:
b1 =2
�
Z �
0
sin2 x sin 2xdx;
ou equivalentemente,
b1 =1
�
�Z �
0
sin 2xdx�Z �
0
cos 2x sin 2xdx
�;
ou equivalentemente,
b1 =1
�
��1
2[cos 2x]
�0+
1
2
�sin2 2x
��0
�;
ou equivalentemente,
b1 = 0:
Portanto, o gr�a�co da s�erie �e igual a pr�opria fun�c~ao, ou seja:
sin2 x =1
2� 1
2cos 2x:
((112))
13.
33
(a)
Temos pelo problema 4 que a s�erie de Fourier �e da forma:
1
2
1Xn=1
�1� (�1)n
n
�sinnx: ((113))
� Considere x =�
2: Ent~ao pelo teorema de Fourier e de (113) obtemos que:
�
4=
1
2
1Xn=1
�1� (�1)n
n
�sin
n�
2;
ou equivalentemente,
�
4=
1
2
1Xn=1
2(�1)n(2n� 1)
;
ou equivalentemente,
�
4=
1Xn=1
(�1)n(2n� 1)
= 1� 1
3+
1
5� 1
7+
1
9� 1
11:::+
(�1)n+1(2n� 1)
: ((114))
(b)
� Considere x =�
6: Ent~ao pelo teorema de Fourier e de (113) obtemos que:
�
4=
1
2
1Xn=1
�1� (�1)n
n
�sin
n�
6;
ou equivalentemente,
�
4=
1
2
1Xn=1
2
(2n� 1)sin
(2n� 1)�
6
ou equivalentemente,
�
4= sin
�
6+
1
3sin
3�
6+
1
5sin
5�
6+
1
7sin
7�
6+
1
9sin
9�
6+
1
11sin
11�
6:::;
ou equivalentemente,
�
4=
1
2+
1
3+
1
2:5� 1
2:7� 1
9� 1
2:11+ ::: ((115))
Adicionando (115) �a (114) resulta que:
34
2�
4=
3
2+
3
2:5� 3
2:11+
3
2:13+
3
2:17� :::;
ou equivalentemente,
� = 3
�1 +
1
5� 1
11+
1
13+
1
17� :::;
�
ou equivalentemente,
�
3=
�1 +
1
5� 1
11+
1
13+
1
17� :::
�((116))
(c)
� Considere x =�
3: Ent~ao pelo teorema de Fourier e de (113) obtemos que:
�
4=
1
2
1Xn=1
�1� (�1)n
n
�sin
n�
3;
ou equivalentemente,
�
4=
1
2
1Xn=1
2
(2n� 1)sin
(2n� 1)�
3;
ou equivalentemente,
�
4= sin
�
3+
1
3sin
3�
3+
1
5sin
5�
3+
1
7sin
7�
3+
1
9sin
9�
3+
1
11sin
11�
3:::;
ou equivalentemente,
�
4=
p3
2�p3
2:5+
p3
2:7�p3
2:11+
p3
2:13�p3
2:17:::; ((117))
ou equivalentemente,
�
2p3= 1� 1
5+
1
7� 1
11+
1
13� 1
17:::;
ou equivalentemente,
�p3
6= 1� 1
5+
1
7� 1
11+
1
13� 1
17::: ((118))
14.
35
Temos pelo problema 5 que a s�erie de Fourier �e da forma:
��
4+
1
�
1Xn=1
[1� (�1)n]n2
cosnx+
1Xn=1
�[1� (�1)n] + (�1)n+1
n
�sinnx: ((119))
� Considere x = 0: Ent~ao pelo teorema de Fourier e de (119) obtemos que:
0 = ��
4+
1
�
1Xn=1
[1� (�1)n]n2
;
ou equivalentemente,
�
4=
1
�
1Xn=1
2
(2n� 1)2;
ou equivalentemente,
�2
8=
1Xn=1
1
(2n� 1)2: ((120))
15.
Temos pelo problema 6 que a s�erie de Fourier �e da forma:
�2
6+ 2
1Xn=1
(�1)n+2n2
cosnx+
1Xn=1
��(�1)n+1
n+
2 [(�1)n � 1]
n3�
�sinnx: ((121))
� Considere x = �: Ent~ao pelo teorema de Fourier e de (121) obtemos que:
�2
2=
�2
6+ 2
1Xn=1
(�1)n+2(�1)nn2
;
ou equivalentemente,
�2
2� �2
6= 2
1Xn=1
(�1)2n+2n2
;
ou equivalentemente,
�2
6=
1Xn=1
1
n2: ((122))
36
16.
A fun�c~ao g(x) = x2 �e par e a fun�c~ao h(x) = sinx �e ��mpar. Logo, por um resultado conhecido a fun�c~aof(x) = g(x)h(x) = x2 sinx �e ��mpar.
17. A fun�c~ao g(x) = sin2 x �e par e a fun�c~ao h(x) = sinx �e ��mpar. Logo, por um resultado
conhecido a fun�c~ao f(x) = g(x)h(x) = (sinx)3 �e ��mpar.
18. Seja f(x) = x+ x2 + x3 =) f(�x) = �x+ (�x)2 + (�x)3 =) f(�x) = �x+ x2 � x3: Por
outro lado temos que �f(�x) = x� x2 + x3: Como, f(x) 6= f(�x) e f(x) 6= �f(�x); ent~aoa fun�c~ao f n~ao �e par e nem ��mpar.
19. Seja f(x) = sinx2 =) f(�x) = sin(�x)2 = sinx2: Como, f(x) = f(�x) a fun�c~ao f �e par.
20. Seja f(x) = ln1 + x
1� x=) f(x) = ln(1 + x)� ln(1� x) =) f(�x) = ln(1� x)� ln(1 + x) =)
=) f(x) = �f(�x): Logo, a fun�c~ao f �e ��mpar.
21. Seja f(x) = ex =) f(�x) = e�x: Como, f(x) 6= f(�x) e f(x) 6= �f(�x); ent~ao a fun�c~ao f
n~ao �e par e nem ��mpar.
22.
Denotemos por g(x) a extens~ao par e peri�odica de�nida por:
g(x) =
���� f(x); 0 < x 6 2;f(�x); � 2 < x < 0:
; g(x+ 4) = g(x)
Logo :
g(x) =
��������2; 0 < x 6 1;0; 1 < x 6 2;2; � 1 6 x < 0;0; � 2 < x < �1:
; g(x+ 4) = g(x) ((123))
O gr�a�co de g(x) �e esbo�cado na Figura 22.
37
-1-0.5
0 0.5
1 1.5
2 2.5
3
-6 -4 -2 0 2 4 6
y
x
Figura 22
Denotemos por h(x) a extens~ao ��mpar e peri�odica de�nida por:
h(x) =
������f(x); 0 < x < 2;
0; x = 0 e x = 2;� f(�x); � 2 < x < 0:
; h(x+ 4) = h(x)
Logo :
h(x) =
����������
2; 0 < x 6 1;0; 1 < x < 2;0; x = 0 e x = 2;
�2; � 1 < x < 0;0; � 2 < x < �1:
; h(x+ 4) = h(x) ((124))
O gr�a�co de h(x) �e esbo�cado na Figura 23.
-3
-2
-1
0
1
2
3
-6 -4 -2 0 2 4 6
y
x
Figura 23
23.
Denotemos por g(x) a extens~ao par e peri�odica de�nida por:
g(x) =
���� f(x); 0 6 x 6 1;f(�x); � 1 < x < 0:
; g(x+ 2) = g(x)
Logo :
38
g(x) =
���������x+ 1=4; 0 < x < 1=2;x� 3=4; 1=2 6 x 6 1;x+ 1=4; � 1=2 < x < 0
�x� 3=4; � 1 < x 6 �1=2:; g(x+ 2) = g(x): ((125))
O gr�a�co de g(x) �e esbo�cado na Figura 24.
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
-3 -2 -1 0 1 2 3
y
x
Figura 24
24.
Denotemos por h(x) a extens~ao ��mpar e peri�odica de�nida por:
h(x) =
������f(x); 0 < x < �;
0; x = 0 e x = �;� f(�x); � � < x < 0:
; h(x+ 2�) = h(x)
Logo :
h(x) =
������ex; 0 < x < �;0; x = 0 e x = �;
�e�x; � � < x < 0:;h(x+ 2�) = g(x): ((128))
O gr�a�co de h(x) �e esbo�cado na Figura 25.
-20
-10
0
10
20
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 25
25.
39
Denotemos por g(x) a extens~ao par e peri�odica de�nida por:
g(x) =
���� f(x); 0 6 x 6 1;f(�x); � 1 < x < 0:
; g(x+ 2) = g(x)
Logo:
g(x) =
���� x2 � x+ 1=6; 0 6 x 6 1;x2 + x+ 1=6; � 1 < x < 0:
; g(x+ 2) = g(x) ((129))
O gr�a�co de g(x) �e esbo�cado na Figura 26.
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
-3 -2 -1 0 1 2 3
y
x
Figura 26
26.
Denotemos por g(x) a extens~ao par e peri�odica de�nida por:
g(x) =
���� f(x); 0 < x < �;f(�x); � � < x < 0:
; g(x+ 2�) = g(x)
Logo:
g(x) =
��������x; 0 < x 6 �=2;� � x; �=2 < x < �;�x; � �=2 6 x < 0;� + x; � � < x < ��=2:
; g(x+ 2�) = g(x) ((131))
O gr�a�co de g(x) �e esbo�cado na Figura 27.
0
0.5
1
1.5
2
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 27
40
Denotemos por h(x) a extens~ao ��mpar e peri�odica de�nida por:
h(x) =
������f(x); 0 < x < �;
0; x = 0 e x = �;� f(�x); � � < x < 0:
; h(x+ 2�) = h(x)
Logo:
h(x) =
����������
x; 0 < x 6 �=2;� � x; �=2 < x < �;0; x = 0 e x = �;x; � �=2 6 x < 0;�� � x; � � < x < ��=2:
; h(x+ 2�) = h(x) ((132))
O gr�a�co de h(x) �e esbo�cado na Figura 28.
-2-1.5
-1-0.5
0 0.5
1 1.5
2
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 28
27.
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =
Z 2
0
f(x)dx =) a0 = 2
Z 1
0
dx =) a0 = 2 [x]1
0=) a0 = 2: ((133))
� C�alculo de an:
Temos que:
an =
Z 2
0
f(x) cosn�x
2dx =) an = 2
Z 1
0
cosn�x
2dx;
ou equivalentemente,
an =4
n�
hsin
n�x
2
i10
=) an =4
n�sin
n�
2 ((134))
41
De (133) e (134) resulta que a s�erie de cossenos da fun�c~ao f �e da forma:
1 +4
�
1Pn=1
sinn�
2n
:((135))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 29.
-1-0.5
0 0.5
1 1.5
2 2.5
3
-6 -4 -2 0 2 4 6
y
x
Figura 29
28.
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn = 2
Z 1
0
f(x) sinn�xdx =) bn = 2
(Z 1=2
0
�1
4� x
�sinn�xdx+
Z 1
1=2
�x� 3
4
�sinn�xdx
): ((136))
� C�alculo daR 1=20
�1
4� x
�sinn�xdx:
Sejam:
�������u =
1
4� x =) du = �dx;
dv = sinn�xdx =) v = � 1
n�cosn�x:
Logo:
Z 1=2
0
�1
4� x
�sinn�xdx = � 1
n�
��1
4� x
�cosn�x
�1=20
� 1
n�
Z 1=2
0
cosn�xdx;
ou equivalentemente,
42
Z 1=2
0
�1
4� x
�sinn�xdx =
1
4ncos
n�
2+
1
4n�� 1
n2�2[sinn�x]
1=20
;
ou equivalentemente,
Z 1=2
0
�1
4� x
�sinn�xdx =
1
4n�cos
n�
2+
1
4n�� 1
n2�2sin
n�
2: ((137))
� C�alculo daR 11=2
�x� 3
4
�sinn�xdx:
Sejam:
�������u = x� 3
4=) du = dx;
dv = sinn�xdx =) v = � 1
n�cosn�x:
Logo:
Z 1
1=2
�x� 3
4
�sinn�xdx = � 1
n�
��x� 3
4
�cosn�x
�11=2
+1
n�
Z 1
1=2
cosn�xdx;
ou equivalentemente,
Z 1
1=2
�x� 3
4
�sinn�xdx =
1
4n�(�1)n+1 � 1
4n�cos
n�
2+
1
n2�2[sinn�x]
1
1=2 ;
ou equivalentemente,
Z 1
1=2
�x� 3
4
�sinn�xdx =
1
4n�(�1)n+1 � 1
4n�cos
n�
2� 1
n2�2sin
n�
2: ((138))
Substituindo (137) e (138) em (136) resulta que:
bn = 2
�1
4n�cos
n�
2+
1
4n�� 1
n2�2sin
n�
2+
1
4n�(�1)n+1 � 1
4n�cos
n�
2� 1
n2�2sin
n�
2
�;
ou equivalentemente,
bn =
�1 + (�1)n+1�
2n�� 4
n2�2sin
n�
2:
((139))
De (139) resulta que a s�erie de senos da fun�c~ao f �e da forma:
43
1Pn=1
(�1 + (�1)n+1�
2n�� 4
n2�2sin
n�
2
)sinn�x:
((140))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 30.
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
-3 -2 -1 0 1 2 3
y
x
Figura 30
29.
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 = 2
Z 1
0
f(x)dx =) a0 = 2
(Z 1=2
0
�1
4� x
�dx+
Z 1
1=2
�x� 3
4
�dx;
)
ou equivalentemente,
a0 = 2
8<:�1
2
"�1
4� x
�2#1=20
+1
2
"�x� 3
4
�2#11=2
9=; =) a0 = 0: ((141))
� C�alculo de an:
Temos que:
an = 2
Z 1
0
f(x) cosn�xdx =) an = 2
(Z 1=2
0
�1
4� x
�cosn�xdx+
Z 1
1=2
�x� 3
4
�cosn�xdx
):
((142))
� C�alculo daR 1=20
�1
4� x
�cosn�xdx:
Sejam:
�������u =
1
4� x =) du = �dx;
dv = cosn�xdx =) v =1
n�sinn�x:
44
Logo:
Z 1=2
0
�1
4� x
�cosn�xdx =
1
n�
��1
4� x
�sinn�x
�1=20
+1
n�
Z 1=2
0
sinn�xdx;
ou equivalentemente,
Z 1=2
0
�1
4� x
�cosn�xdx = � 1
4n�sin
n�
2� 1
n2�2[cosn�x]
1=20
;
ou equivalentemente,
Z 1=2
0
�1
4� x
�cosn�xdx = � 1
4n�sin
n�
2� 1
n2�2cos
n�
2+
1
n2�2: ((143))
� C�alculo daR 11=2
�x� 3
4
�cosn�xdx:
Sejam:
�������u = x� 3
4=) du = dx;
dv = cosn�xdx =) v =1
n�sinn�x:
Logo:
Z 1
1=2
�x� 3
4
�cosn�xdx =
1
n�
��x� 3
4
�sinn�x
�11=2
� 1
n�
Z 1
1=2
sinn�xdx;
ou equivalentemente,
Z 1
1=2
�x� 3
4
�cosn�xdx =
1
4n�sin
n�
2+
1
n2�2[cosn�x]
1
1=2 ;
ou equivalentemente,
Z 1
1=2
�x� 3
4
�cosn�xdx =
1
4n�sin
n�
2+
(�1)nn2�2
� 1
n2�2cos
n�
2: ((144))
Substituindo (143) e (144) em (142) resulta que:
an = 2
�� 1
4n�sin
n�
2� 1
n2�2cos
n�
2+
1
n2�2+
1
4n�sin
n�
2+
(�1)nn2�2
� 1
n2�2cos
n�
2
�;
ou equivalentemente,
45
an =
�� 4
n2�2cos
n�
2+
2 [1 + (�1)n]n2�2
�:
((145))
De (141) e (145) resulta que a s�erie de cossenos da fun�c~ao f �e da forma:
1Pn=1
��� 4
n2�2cos
n�
2+
2 [1 + (�1)n]n2�2
��cosn�x:
((146))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 31.
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
-3 -2 -1 0 1 2 3
y
x
Figura 31
30.
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn =4
�
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx: ((147))
� C�alculo daR �=20
cosx sin 2nxdx:
Sejam:
�����u = cosx =) du = � sinxdx;
dv = sin 2nxdx =) v = � 1
2ncos 2nx:
Logo:
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx = � 1
2n[cosx cos 2nx]
�=20
� 1
2n
Z �=2
0
sinx cos 2nxdx;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx =1
2n� 1
2n
Z �=2
0
sinx cos 2nxdx: ((148))
46
� C�alculo daR �=20
sinx cos 2nxdx:
Sejam:
�����u = sinx =) du = cosxdx;
dv = cos 2nxdx =) v =1
2nsin 2nx:
Logo:
Z �=2
0
sinx cos 2nxdx =1
2n[sinx sin 2nx]
�=20
� 1
2n
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
sinx cos 2nxdx = � 1
2n
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx: ((149))
Substituindo (149) em (148) resulta que:
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx =1
2n+
1
4n2
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx� 1
4n2
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx =1
2n;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
cosx sin 2nxdx =2n
4n2 � 1: ((150))
Substituindo (150) em (147) resulta que:
bn =8n
�(4n2 � 1):
((151))
De (151) resulta que a s�erie de senos da fun�c~ao f �e da forma:
8
�
1Pn=1
n
(4n2 � 1)sin 2nx:
((152))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 32.
47
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
y
x
Figura 32
31.
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 = 2
Z �
0
f(x)dx =) a0 = 2
(Z �=2
0
xdx+
Z �
�=2
(� � x)dx;
)
ou equivalentemente,
a0 =�x2��=20
� �(� � x)2���=2
ou equivalentemente,
a0 =�2
2:
((153))
� C�alculo de an:
Temos que:
an = 2
Z �
0
f(x) cosnxdx =) an = 2
(Z �=2
0
x cosnxdx+
Z 1
1=2
(� � x) cosnxdx
): ((154))
� C�alculo daR �=20
x cosnxdx:
Sejam:
�����u = x =) du = dx;
dv = cosnxdx =) v =1
nsinnx:
Logo:
Z �=2
0
x cosnxdx =1
n[x sinnx]
�=20
� 1
n
Z �=2
0
sinnxdx;
48
ou equivalentemente,
Z �=2
0
x cosnxdx =�
2nsin
n�
2+
1
n2[cosnx]
�=20
;
ou equivalentemente,
Z �=2
0
x cosnxdx =�
2nsin
n�
2+
1
n2
hcos
n�
2� 1
i: ((155))
� C�alculo daR ��=2
(� � x) cosnxdx:
Sejam:
�����u = � � x =) du = �dx;
dv = cosnxdx =) v =1
nsinnx:
Logo:
Z �
�=2
(� � x) cosnxdx =1
n[(� � x) sinnx]
��=2 +
1
n
Z �
�=2
sinnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
�=2
(� � x) cosnxdx = � �
2nsin
n�
2� 1
n2[cosnx]
��=2 ;
ou equivalentemente,
Z �
�=2
(� � x) cosnxdx = � �
2nsin
n�
2� 1
n2
h(�1)n � cos
n�
2
i: ((156))
Substituindo (155) e (156) em (154) resulta que:
an = 2
Z �
0
f(x) cosnxdx =) an =4
n2cos
n�
2� 2 [1� (�1)n]
n2:
((157))
De (153) e (157) resulta que a s�erie de cossenos da fun�c~ao f �e da forma:
1Pn=1
�4
n2cos
n�
2� 2 [1� (�1)n]
n2
�cosnx:
((158))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 33.
49
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 33
32.
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn = 2
Z 1
0
f(x) sinn�xdx =) bn = 2
Z 1
0
x sinn�xdx: ((159))
� C�alculo daR 10x sinn�xdx:
Sejam:
�����u = x =) du = dx;
dv = sinn�xdx =) v = � 1
n�cosn�x:
Logo:
Z 1
0
x sinn�xdx = � 1
n�[x cosn�x]
1
0+
1
n�
Z 1
0
cosn�xdx;
ou equivalentemente,
Z 1
0
x sinn�xdx =(�1)n+1
n�+
1
n2�2[sinn�x]
1
0;
ou equivalentemente,
Z 1
0
x sinn�xdx =(�1)n+1
n�: ((160))
Substituindo (160) em (159) resulta que:
bn =2(�1)n+1
n�:
((161))
50
De (161) resulta que a s�erie de senos da fun�c~ao f �e da forma:
2
�
1Pn=1
(�1)n+1n
sinn�x:((162))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 34.
-2-1.5
-1-0.5
0 0.5
1 1.5
2
-3 -2 -1 0 1 2 3
y
x
Figura 34
33.
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 = 2
Z 1
0
f(x)dx =) a0 = 2
Z 1
0
xdx =) a0 =�x2�10=) a0 = 1: ((163))
� C�alculo de an:
Temos que:
an = 2
Z 1
0
f(x) cosn�xdx =) an = 2
Z 1
0
x cosn�xdx: ((164))
� C�alculo daR 10x cosn�xdx:
Sejam:
�����u = x =) du = dx;
dv = cosn�xdx =) v =1
n�sinn�x:
Logo:
Z 1
0
x cosn�xdx =1
n�[x sinn�x]
1
0� 1
n�
Z 1
0
sinn�xdx;
ou equivalentemente,
51
Z 1
0
x cosn�xdx = � 1
n2�2[cosn�x]
1
0;
ou equivalentemente,
Z 1
0
x cosn�xdx =[1� (�1)n]
n2�2: ((165))
Substituindo (165) em (164) resulta que:
an =2 [1� (�1)n]
n2�2:
((166))
De (163) e (166) resulta que a s�erie de cossenos da fun�c~ao f �e da forma:
1
2+
2
�2
1Pn=1
[1� (�1)n]n2
cosn�x:((167))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 35.
-0.5
0
0.5
1
1.5
-3 -2 -1 0 1 2 3
y
x
Figura 35
34.
� C�alculo de bn:
Temos que:
bn =2
�
Z �
0
f(x) sinnxdx =) bn =2
�
Z �
0
(2x+ 1) sinnxdx: ((168))
� C�alculo daR �0(2x+ 1) sinnxdx:
Sejam:
�����u = (2x+ 1) =) du = 2dx;
dv = sinnxdx =) v = � 1
ncosnx:
52
Logo:
Z �
0
(2x+ 1) sinnxdx = � 1
n[(2x+ 1) cosnx]
�0+
2
n
Z 1
0
cosnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
(2x+ 1) sinnxdx =1� (2� + 1)(�1)n
n+
2
n2[sinnx]
�0;
ou equivalentemente,
Z �
0
(2x+ 1) sinnxdx =1� (2� + 1)(�1)n
n((169))
Substituindo (169) em (168) resulta que:
bn =2 [1� (2� + 1)(�1)n]
n�:
((170))
De (170) resulta que a s�erie de senos da fun�c~ao f �e da forma:
2
�
1Pn=1
[1� (2� + 1)(�1)n]n
sinnx:((171))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 36.
-10
-5
0
5
10
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 36
35.
� C�alculo de a0:
Temos que:
a0 =2
�
Z �
0
f(x)dx =) a0 =2
�
Z �
0
(2x+ 1)dx;
53
ou equivalentemente,
a0 =1
2�
�(2x+ 1)2
��0=) a0 = 2� + 2: ((172))
� C�alculo de an:
Temos que:
an =2
�
Z �
0
f(x) cosnxdx =) an =2
�
Z �
0
(2x+ 1) cosnxdx: ((173))
� C�alculo daR �0(2x+ 1) cosnxdx:
Sejam:
�����u = (2x+ 1) =) du = 2dx;
dv = cosnxdx =) v =1
nsinnx:
Logo:
Z �
0
(2x+ 1) cosnxdx =1
n[(2x+ 1) sinnx]
�0� 2
n
Z 1
0
sinnxdx;
ou equivalentemente,
Z �
0
(2x+ 1) cosnxdx =2
n2[cosnx]
�0;
ou equivalentemente,
Z �
0
(2x+ 1) cosnxdx =2 [(�1)n � 1]
n2: ((174))
Substituindo (174) em (173) resulta que:
an =4 [(�1)n � 1]
�n2:
((175))
De (172) e (175) resulta que a s�erie de cossenos da fun�c~ao f �e da forma:
� + 1 +4
�
1Pn=1
[(�1)n � 1]
n2cosnx:
((176))
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 37.
54
0
2
4
6
8
10
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 37
36.:
A express~ao para a S�erie de Fourier em senos de uma fun�c~ao peri�odica com per��odo 2� �e dada porP1
n=1 bn sinnx. Como sinx �e uma fun�c~ao cont��nua com derivada cont��nua temos, pelo Teorema deFourier, que a sua S�erie de Fourier coincide com a fun�c~ao em todos os pontos. Comparando sinx coma sua representa�c~ao como S�erie de Fourier em senos obtemos que c1 = 1 e cn = 0 para todo n > 1.Portanto, a S�erie de Fourier em senos de sinx �e a pr�opria fun�c~ao.
O gr�a�co da soma da s�erie �e esbo�cado na Figura 38:
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
y
x
Figura 38
Observe que se a fun�c~ao fosse, por exemplo, sinx
2a argumenta�c~ao acima n~ao se aplica e dever��amos
calcular os coe�cientes de Fourier realizando integra�c~oes similares �as dos exerc��os anteriores.
55