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Matemáticas para ingeniería

Transformada de Fourier y propiedades

Una serie de Fourier describe una señal que repite un periodo. Ahora miraremos una señal definida en toda la recta que no tiene por qué repetirse: un pulso aislado, por ejemplo. La transformada compara esa señal con todas las frecuencias reales. Empezaremos calculando el área y una integral concreta; las reglas de desplazamiento, escala y derivación saldrán después de cambiar variables con cuidado.

1. Fijamos la convención antes de interpretar un espectro

Usaremos X(ω)=∫ℝx(t)exp(−iωt)dt, con ω angular, y la inversa x(t)=(1/(2π))∫ℝX(ω)exp(iωt)dω cuando sus hipótesis lo permitan. La fórmula de Euler exp(−iωt)=cos(ωt)−i sin(ωt) muestra las dos comparaciones: una con coseno y otra con seno. El resultado puede ser complejo aunque la señal sea real.

La frecuencia cero conserva el área; el resto revela una escala de frecuencias
Pulso: altura 2, ancho 4Área con signo: 82−202X(ω)=4sin(2ω)/ω8−π/20π/2
El pulso vale dos entre menos dos y dos y cero fuera. Su transformada es 4sin(2ω)/ω para ω no nulo, con valor continuo ocho en cero. Sus primeros ceros no nulos son ±π/2. Los trazos verticales discontinuos del pulso marcan sus saltos.

ω recorre todas las frecuencias reales, no solo múltiplos enteros de una base. Si el tiempo está en segundos, ω se mide en radianes por segundo. Otra convención usa frecuencia ν en hercios y exp(−2πiνt); entonces ω=2πν y cambian los factores de la inversa y de las identidades.

Mantendremos la misma convención de principio a fin.

La frecuencia cero empieza con una cuenta de área

x(t)=2 para −2≤t≤2 y cero fuera.

  1. Sustituir frecuencia cero

    exp(−i·0·t)=1.
    Así X(0)=∫x(t)dt.
  2. Área con signo

    El pulso tiene altura dos y anchura cuatro: X(0)=2·4=8.

  3. Qué significa

    Ocho es el área total de esta señal, no su altura dos ni la media sobre un periodo: aquí no hemos fijado ninguno.

Resultado

La frecuencia cero sirve de primer control de normalización.

Lo comprobamos

El pulso es integrable en toda la recta y la integral está bien definida.

Una integral construye el resto del espectro

El mismo pulso; calcular X(ω) para ω≠0.

  1. Reducir el intervalo

    Fuera de [−2,2] no hay contribución: X(ω)=2∫₋₂²exp(−iωt)dt.
  2. Integrar

    X(ω)=2[exp(−iωt)/(−iω)]₋₂²=2[exp(−2iω)−exp(2iω)]/(−iω).
  3. Usar el seno

    El numerador entre corchetes es −2i sin(2ω), así X(ω)=4sin(2ω)/ω. Su límite en cero es ocho y los primeros ceros no nulos están en ±π/2.

Resultado

La fórmula fraccionaria se completa en cero por continuidad.

Lo comprobamos

No se sustituye ω=0 dentro de una expresión obtenida dividiendo por ω: se calcula el límite o la integral original.

2. La integrabilidad absoluta garantiza una transformada ordinaria

x∈L¹(ℝ) significa ∫|x(t)|dt<∞.

Como |exp(−iωt)|=1, la integral de X converge absolutamente y |X(ω)|≤||x||₁ para todo ω. La convergencia dominada da continuidad: al mover ω un poco, el integrando cambia continuamente y queda dominado por una función integrable.

El lema de Riemann–Lebesgue añade X(ω)→0 cuando |ω|→∞ para x∈L¹. Una forma de entender su prueba es aproximar x en L¹ por funciones escalonadas de soporte compacto: cada escalón tiene transformada que tiende a cero, y el error de transformadas está acotado uniformemente por el error L¹.

Esto no fija una velocidad universal de decaimiento para cualquier señal integrable.

Una señal exponencial permite comprobar la cota

x(t)=exp(−a|t|), a>0.

  1. Norma y área

    ∫|x|=2∫₀∞exp(−at)dt=2/a.
  2. Partir la recta

    En la parte negativa obtenemos 1/(a−iω) y en la positiva 1/(a+iω).

    Sumadas, X(ω)=2a/(a²+ω²).
  3. Controles

    X(0)=2/a, |X(ω)|≤2/a y X(ω)→0.
    Con a=2, X(ω)=4/(4+ω²) y X(0)=1.
Resultado

Una cuenta explícita ilustra existencia, cota, continuidad y decaimiento.

Lo comprobamos

La condición a>0 permite que las integrales impropias converjan.

Estar acotada no significa tener área absoluta finita

Comparar el pulso y la señal constante x(t)=1 en toda ℝ.

  1. Pulso

    Aunque tenga saltos, su soporte es finito y su norma L¹ vale ocho.

  2. Constante

    La constante está acotada por uno, pero ∫ℝ|1|dt es infinita. No pertenece a L¹ ni a L² de toda la recta.

  3. Límite de la conclusión

    La integral absoluta que usamos para definir X no cubre esa constante. Más adelante podremos interpretarla mediante distribuciones, un marco distinto.

Resultado

La condición importante aquí es el área absoluta, no solo la altura máxima.

Lo comprobamos

Un salto no impide por sí solo pertenecer a L¹.

3. Área, simetría y signo ayudan a leer las partes real e imaginaria

X(0)=∫x es el área con signo.

Puede ser cero aunque x no sea la señal nula. Para x real, X(−ω) es el conjugado de X(ω): la parte real es par y la imaginaria impar. Esto sale directamente de conjugar la integral y es una comprobación de signos útil.

Si x es real y par, la parte seno integra cero y X(ω)=2∫₀∞x(t)cos(ωt)dt es real y par. Si x es real e impar, la parte coseno se anula y X es imaginaria pura e impar. No toda transformada real tiene que ser no negativa: un pulso positivo puede tener lóbulos espectrales negativos.

Magnitud y valor con signo no son lo mismo.

Un pulso positivo tiene un espectro que cambia de signo

x=2 en [−2,2], con X=4sin(2ω)/ω.

  1. Simetría

    x es par y real. La fórmula también es real y par, porque cociente de dos funciones impares es par fuera de cero.

  2. Una frecuencia positiva

    En ω=π/4, X=16/π>0.
  3. Otra frecuencia

    En ω=3π/4, X=−16/(3π)<0.

    Su magnitud es 16/(3π), pero el signo negativo contiene información de fase.

Resultado

Señal no negativa no obliga a transformada no negativa.

Lo comprobamos

En cero conserva el área ocho, sin impedir signos distintos fuera de cero.

Una señal impar tiene área cero y espectro no nulo

x(t)=t en [−1,1] y cero fuera.

  1. Área

    ∫₋₁¹t dt=0, así X(0)=0.

    La señal sigue siendo distinta de cero.

  2. Parte imaginaria

    La parte real integra t cos(ωt), que es impar. La otra parte da −2i∫₀¹t sin(ωt)dt.

  3. Integrar por partes

    Para ω≠0 obtenemos X(ω)=2i[ωcosω−sinω]/ω².
    En ω=π vale −2i/π; cerca de cero, X(ω)≈−2iω/3.
Resultado

Cero en frecuencia cero solo informa de cancelación del área con signo.

Lo comprobamos

La fórmula es imaginaria e impar y su límite en cero es cero, como exigían los controles.

4. Mover en el tiempo gira la fase; modular desplaza frecuencias

La transformada es lineal: F[αx+βy]=αX+βY para señales integrables y constantes complejas.

Si y(t)=x(t−t₀), el cambio u=t−t₀ produce Y(ω)=exp(−iωt₀)X(ω).

El desplazamiento conserva |X|, pero modifica su fase. Sin fase no podemos saber dónde estaba situado un pulso.

Multiplicar por exp(iΩt) cambia la frecuencia dentro de la integral: F[exp(iΩt)x(t)](ω)=X(ω−Ω). Para una modulación real por cos(Ωt), la identidad de Euler produce dos copias: [X(ω−Ω)+X(ω+Ω)]/2. Los factores 1/2 son parte de la fórmula, no una corrección opcional al final.

El mismo pulso aparece tres segundos después

y(t)=x(t−3), siendo x el pulso de altura dos en [−2,2].

  1. Dibujar el nuevo soporte

    y vale dos cuando t−3 pertenece a [−2,2], es decir, en [1,5]. Su área sigue siendo ocho.

  2. Transformar

    Y(ω)=exp(−3iω)·4sin(2ω)/ω; en cero vale ocho.
  3. Comparar una frecuencia

    En ω=π/3, el factor es exp(−iπ)=−1.
    X(π/3)=6√3/π, mientras Y(π/3)=−6√3/π; sus magnitudes son iguales.
Resultado

Igual módulo no significa igual señal ni igual posición temporal.

Lo comprobamos

El signo de t−3 corresponde a desplazar el pulso hacia tiempos mayores.

Un coseno reparte el espectro en dos copias

z(t)=x(t)cos(πt), con el mismo pulso.

  1. Descomponer

    cos(πt)=[exp(iπt)+exp(−iπt)]/2.
  2. Aplicar linealidad

    Z(ω)=[X(ω−π)+X(ω+π)]/2.
  3. Área como control

    Z(0)=[X(−π)+X(π)]/2=0.
    Directamente, ∫₋₂²2cos(πt)dt=0.

    La señal modulada no es nula: sus áreas positiva y negativa se cancelan.

Resultado

La modulación real desplaza a ambos lados y conserva las dos mitades.

Lo comprobamos

Una sola copia X(ω−π) correspondería a una modulación compleja diferente.

5. Comprimir el tiempo ensancha el espectro y cambia el área

Para a real no nulo, F[x(at)](ω)=(1/|a|)X(ω/a).

Si |a|>1, la señal ocupa menos tiempo y los rasgos del espectro se separan más en frecuencia. El factor 1/|a| ajusta el área. Si a<0 hay además reflexión temporal: el cambio de variable invierte los extremos, y eso es precisamente lo que convierte el divisor a en valor absoluto.

Esta regla de escala no es la misma que multiplicar la altura por una constante.

F[ax(t)]=aX(ω) por linealidad; F[x(at)] modifica argumento y normalización.

Dibujar primero el soporte evita confundir las dos operaciones.

Comprimir a la mitad la duración de un pulso

y(t)=x(2t), con x de altura dos en [−2,2].

  1. Soporte

    −2≤2t≤2 equivale a −1≤t≤1.

    La altura sigue siendo dos y el área pasa a cuatro.

  2. Transformada

    Y(ω)=(1/2)X(ω/2)=4sinω/ω, con valor cuatro en cero.
  3. Comparar ceros

    Los primeros ceros pasan de ±π/2 a ±π. El pulso más corto tiene separación espectral mayor, con la mitad del valor de frecuencia cero.

Resultado

La compresión horizontal no duplica la altura.

Lo comprobamos

Si hubiéramos usado 2x(t), el área sería dieciséis y los ceros conservarían su posición.

Una escala negativa obliga a conservar el valor absoluto

x=1 en [0,1], cero fuera; y(t)=x(−2t).

  1. Soporte reflejado

    0≤−2t≤1 equivale a −1/2≤t≤0.

    El área de y es positiva e igual a 1/2.

  2. Fórmula de partida

    X(ω)=[1−exp(−iω)]/(iω), para ω≠0, y X(0)=1.
  3. Escalar

    Y(ω)=(1/2)X(−ω/2)=[exp(iω/2)−1]/(iω).

    Su límite en cero es 1/2, como el área.

Resultado

Usar 1/a en lugar de 1/|a| daría aquí un área negativa falsa.

Lo comprobamos

El cambio de signo de a refleja la señal; no convierte su altura uno en menos uno.

6. Derivar la señal y derivar el espectro son operaciones distintas

Si x es absolutamente continua, x y x′ pertenecen a L¹ y los términos de frontera se anulan, integrar por partes da F[x′](ω)=iωX(ω). Una condición suficiente para derivar el espectro es tx(t)∈L¹: entonces X′(ω)=−iF[tx](ω), o F[tx]=iX′. La primera operación deriva respecto al tiempo y la segunda respecto a la frecuencia.

Una señal con saltos no cumple sin más la primera hipótesis. Ignorar el borde de un pulso y decir que su derivada es cero casi en todas partes pierde la contribución de los saltos. Para incorporarlos se usan derivadas en el sentido de distribuciones. También debemos comprobar de nuevo las hipótesis antes de repetir una derivación de orden mayor.

La gaussiana permite deducir una transformada usando una ecuación

x(t)=exp(−t²/2).

  1. Valor inicial

    La integral gaussiana es √(2π): al elevarla al cuadrado e integrar exp(−(s²+t²)/2) en polares se obtiene 2π.

    Así X(0)=√(2π).
  2. Dos propiedades

    x′=−tx; tanto la señal, su derivada como tx son integrables.

    Por tanto iωX=F[x′]=−F[tx]=−iX′.
  3. Resolver

    X′=−ωX.
    Con el valor inicial, X(ω)=√(2π)exp(−ω²/2).

    La constante sale del área, no de elegir una normalización a ojo.

Resultado

La propiedad se convierte en una ecuación diferencial para el espectro.

Lo comprobamos

Todas las fronteras decaen a cero y los productos utilizados siguen siendo integrables.

El borde de un pulso produce términos que una derivada clásica omitiría

x=2 en [−2,2], cero fuera.

  1. Lo que falla

    La señal salta y no es absolutamente continua. Su derivada clásica es cero donde existe, pero no representa todos sus cambios.

  2. Marco generalizado

    En distribuciones, x′=2δ₋₂−2δ₂.

    La delta δ_a actúa sobre una función de prueba φ dando φ(a). No es una función ordinaria con una altura infinita.

  3. Control espectral

    F[x′]=2exp(2iω)−2exp(−2iω)=4i sin(2ω)=iωX(ω).

    Los saltos recuperan exactamente los términos que faltaban.

Resultado

La propiedad conserva su forma en el marco adecuado, con otra definición de derivada.

Lo comprobamos

No usamos esta cuenta para afirmar que el pulso satisface las hipótesis ordinarias de integración por partes.

7. La inversión y Plancherel necesitan su marco y sus factores

Una condición suficiente sencilla de inversión ordinaria es: x es continua y tanto x como X son L¹.

Entonces x(t)=(1/(2π))∫X(ω)exp(iωt)dω.

Existen versiones más generales, pero no se da por cumplida esta condición cuando el espectro solo decae como 1/|ω|. En saltos, otros teoremas recuperan semisumas laterales bajo sus propias hipótesis.

La transformada se extiende además a L² por límites en norma, aunque la integral inicial no tenga que converger absolutamente en cada frecuencia.

Con nuestra convención, Plancherel dice ∫|X|²dω=2π∫|x|²dt.

Es una identidad de energía y una transformación invertible en L², donde igualdad significa casi en todas partes. No convierte automáticamente un límite en norma en uno puntual.

Una señal exponencial permite verificar inversión y energía

x(t)=exp(−|t|), X(ω)=2/(1+ω²).

  1. Hipótesis

    x es continua e integrable; X es integrable porque ∫2/(1+ω²)dω=2π.
  2. Inversión en cero

    (1/(2π))∫X=1=x(0).

    El factor 1/(2π) es imprescindible.

  3. Energía por dos caminos

    ∫x²=2∫₀∞exp(−2t)dt=1.
    En frecuencia, ∫4/(1+ω²)²dω=2π: con ω=tanθ se reduce a 4∫₋π/₂^π/₂cos²θ dθ.
Resultado

El área del espectro reconstruye x(0); su módulo al cuadrado comprueba la energía.

Lo comprobamos

∫X y ∫|X|² son dos integrales diferentes, aunque ambas valgan 2π en este ejemplo.

La gaussiana y el pulso ilustran hipótesis diferentes

Comparar exp(−t²/2) con el pulso de altura dos en [−2,2].

  1. Gaussiana

    x y X son continuas e integrables.

    Su energía temporal es ∫exp(−t²)dt=√π y la espectral es ∫2πexp(−ω²)dω=2π√π.
  2. Pulso

    Pertenece a L¹∩L² y su energía es 4·4=16.

    Plancherel da energía espectral 32π.

  3. Revisar inversión absoluta

    |4sin(2ω)/ω| no es integrable en toda ℝ: sobre infinitos intervalos donde |sin(2ω)| está separado de cero aparece una cola armónica. Por ello la condición suficiente X∈L¹ anterior no se aplica al pulso, aunque tenga inversión en otros sentidos.

Resultado

Una señal puede tener energía espectral finita sin área espectral absoluta finita.

Lo comprobamos

En los bordes del pulso, las versiones puntuales con semisuma no conservan necesariamente el valor dos asignado allí.

8. Separar funciones ordinarias, clases L² y distribuciones evita falsas fórmulas

Una fórmula se acompaña del espacio donde tiene sentido. Las señales L¹ tienen la transformada ordinaria continua definida por integral absoluta. La teoría L² se construye con límites de energía y representantes casi en todas partes. Las distribuciones permiten representar deltas, constantes y ondas permanentes que no pertenecen a esos espacios de toda la recta.

Con esta convención, F[1]=2πδ₀ en distribuciones.

Significa que el espectro actúa sobre una función de prueba φ dando 2πφ(0); no es una función que valga infinito en cero y cero fuera. Antes de entregar un resultado comprobamos factores, unidades, área, simetría, fase y si las reglas usadas tenían hipótesis. La convolución y los filtros se estudiarán con esas mismas precauciones.

Alargar una ventana no produce una transformada ordinaria de la constante

x_R(t)=1 en [−R, R], cero fuera; R>0.

  1. Cada ventana finita

    X_R(ω)=2sin(Rω)/ω, con X_R(0)=2R.
  2. Intentar un límite puntual

    En cero el valor crece sin límite; para una frecuencia no nula fija, sin(Rω) oscila al variar R. No aparece una función límite ordinaria que represente la constante.

  3. Otra noción de límite

    En distribuciones, al probar los espectros contra funciones de prueba apropiadas sí se obtiene 2πδ₀. Cambió la noción de convergencia y hay que decirlo.

Resultado

La delta es una descripción de acción sobre pruebas, no una altura puntual.

Lo comprobamos

El fracaso del límite puntual no contradice el límite distribucional.

Un control de frecuencia cero descubre un error de escala

Partimos de x(t)=exp(−2|t|), con X=4/(4+ω²), y definimos y(t)=3x(2t−4).

  1. Reescribir el argumento

    y(t)=3x(2(t−2)): primero comprimimos con z(t)=x(2t) y después desplazamos z dos unidades.

  2. Aplicar las reglas

    Y(ω)=(3/2)exp(−2iω)X(ω/2)=(3/2)exp(−2iω)·4/[4+ω²/4].
  3. Área y simetría

    Y(0)=3/2.
    Directamente y(t)=3exp(−4|t−2|) tiene área 3·(2/4)=3/2.

    El módulo es par, pero el espectro no es real en general porque la señal está centrada en t=2.

Resultado

El orden y el centro del cambio temporal quedan reflejados en la fase.

Lo comprobamos

Usar exp(−4iω) olvidaría que el dos interior también divide el desplazamiento temporal.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un pulso rectangular

x(t)=1 en [−1,1] y cero fuera. Calcula X(0).

  1. Definición

    X(ω)=∫ℝx(t)exp(−iωt)dt para el pulso de altura uno en [−1,1].
  2. Sustituir cero

    En ω=0 el factor exponencial es uno.
  3. Reducir soporte

    Fuera de [−1,1], x vale cero; solo integramos dentro.

  4. Área

    ∫₋₁¹1dt=1−(−1)=2.
  5. Resultado

    X(0)=2.
  6. Interpretar

    Es el área total con signo. No hace falta dividir por un periodo ni aplicar una inversa para calcularla.

Resultado

X(0)=2.

Lo comprobamos

La componente de frecuencia cero es la integral total de la señal.

EJEMPLO RESUELTO 2

Transformada del mismo pulso

Calcula X(ω) para ω≠0.

  1. Frecuencia no nula

    Para ω≠0, X(ω)=∫₋₁¹exp(−iωt)dt.
  2. Primitiva

    La derivada de exp(−iωt) respecto a t es −iωexp(−iωt), así dividimos entre −iω.

  3. Evaluar

    X(ω)=[exp(−iω)−exp(iω)]/(−iω).
  4. Identidad

    exp(−iω)−exp(iω)=−2i sinω; el cociente es 2sinω/ω.
  5. Completar cero

    El límite sinω/ω→1 da X(0)=2.

    La expresión fraccionaria sola no estaba definida allí.

  6. Control

    La transformada es real y par, como exige una señal real y par, y su valor en cero coincide con el área calculada antes.

Resultado

X(ω)=2sin(ω)/ω, con valor continuo 2 en cero.

Lo comprobamos

El límite sinω/ω→1 coincide con el cálculo del área.

Los símbolos que hemos usado

x(t) / X(ω)
Señal temporal / su transformada en frecuencia angular.
ω=2πf
Relación entre frecuencia angular y ciclos por unidad de tiempo.
L¹ / L²
Integrabilidad absoluta / integrabilidad del módulo cuadrado.
Fase
Argumento complejo del espectro donde no es cero.
Inversión
Recuperación de la señal a partir de su transformada bajo condiciones.
Plancherel
Relación de normas L² entre señal y espectro.
Distribución
Marco de funciones generalizadas que amplía el de integrales ordinarias.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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