Enunciado

3- Forneça os coeficientes de Fourier a o ,   a n e b n da forma de onda na Figura 17.47 . Represente graficamente os expectros de amplitude e de fase.

Passo 1

Pelo gráfico podemos tirar que:

T = 4   s

E então:

ω = 2 π T = 2 π 4 = π 2

E as funções que essa onda tem dentro do período de 0 < t < 4 são:

f t = 5 ,       0 < t < 1

f t = 10 ,   1 < t < 2

f t = 0 ,     2 < t < 4

E cada termo pode ser desenvolvido da seguinte forma:

a o = 1 T ∫ 0 T f t d t

a n = 2 T ∫ 0 T f t cos ⁡ n ω o   t   d t

b n = 2 T ∫ 0 T f t s e n   n ω o   t   d t

Passo 2

Então:

a o = 1 4 ∫ 0 1 5 d t + ∫ 1 2 10 d t

a o = 1 4 5 t 0 1 + 10 t 1 2

a o = 1 4 5 + 10 = 15 4 = 3.75

Passo 3

Agora para o valor de a n .

a n = 2 4 ∫ 0 1 5 cos ⁡ n π 2 t d t + ∫ 1 2 10 cos ⁡ n π 2 t   d t

Como ∫ ⁡ c o s n x = 1 n × s i n ⁡ ( n x ) então:

a n = 1 2 10 n π sin ⁡ n π t 2 0 1 + 20 n π sin ⁡ n π t 2 1 2

a n = 1 2 10 n π sin ⁡ n π 2 + 20 n π sin ⁡ n π - 20 n π sin ⁡ n π 2

n sendo números inteiros temos qualquer sin ⁡ n π = 0 :

a n = 1 2 10 n π sin ⁡ n π 2 + 0 - 20 n π sin ⁡ n π 2

Uma vez que sin ⁡ π = sin ⁡ 2 π = sin ⁡ 3 π = sin ⁡ - π = … = 0

a n = - 5 n π sin ⁡ n π 2

Onde para n par temos a n = 0 . Exemplo, para n = 2 :

a n = - 5 2 π sin ⁡ π = 0

E para n = 1 teremos:

a n = - 5 π sin ⁡ π 2 = - 5 π

E para n = 3 teremos:

a n = - 5 3 π sin ⁡ 3 π 2 = 5 3 π  

Então teremos:

n   p a r → a n = 0

n   í m p a r → 5 n π × - 1 n + 1 2

Passo 4

Agora b n :

b n = 1 2 ∫ 0 1 5 sin ⁡ n π 2 t + ∫ 1 2 10 sin ⁡ n π 2 t

Como s i n ∫ ⁡ n t d t = - 1 n × c o s ⁡ ( n t )

Então teremos:

b n = 1 2 - 10 n π cos ⁡ n π t 2 0 1 - 20 n π cos ⁡ n π t 2 1 2

b n = - 5 n π cos ⁡ n π 2 + 5 n π - 10 n π cos ⁡ n π + 10 n π cos ⁡ n π 2

b n = 5 n π - 10 n π cos ⁡ n π + 5 n π cos ⁡ n π 2

b n = 5 n π 1 - 2 cos ⁡ n π + cos ⁡ n π 2

Poderíamos também abordar aqui que cos ⁡ n π = - 1 n mas vamos deixar dessa maneira.

Passo 5

Plotando para N = 100 pontos temos:

O que mostra que estamos certos.

Tabela para a n :

Tabela para b n :

Passo 6

Agora para fase e frequência temos que fazer:

A n = a n 2 + b n 2

θ n = - t g - 1 b n a n

Amplitude:

Gráfico da fase:

Resposta

a o = 3.75

a n

n   p a r → a n = 0

n   í m p a r → 5 n π × - 1 n + 1 2

b n = 5 n π 1 - 2 cos ⁡ n π + cos ⁡ n π 2

Ver Outros Exercícios desse livro