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¿Existe una expansión en serie exponencial?

Sé que podemos ampliar una función $f:\mathbb{R} \to \mathbb{R}$ con una serie de potencias $$ f(x) = \sum_{n=0}^\infty a_n x^n, $$ donde podemos encontrar $\{a_n\}$ dado $f$ utilizando sus derivados sobre $0$ . Lo que me gustaría saber es si existe una "serie exponencial" para $f$ . Es decir, ¿hay una secuencia $\{b_n\}$ tal que $$ f(x) = \sum_{n=0}^\infty b_n e^{x n}, $$ y si es así, ¿cómo podríamos encontrar $b_n$ dado un general $f$ ? ¿Existen condiciones para $f$ para la que no hay ninguna secuencia $\{b_n\}$ ¿puede existir?

Edición: Para que quede claro, $x$ aquí es real, no imaginario, por lo que no es una serie de Fourier, y la $e^{xn}$ no son una base ortonormal. Obviamente, existen algunas series triviales, como $f(x) = e^x$ para $b_n = \delta_{n1}$ pero ¿qué pasa con otras funciones más interesantes como $f(x) = e^{x^2}$ ?

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HallaSurvivor Puntos 28

Esta expansión existe siempre que $f$ es periódico . Es decir, digamos $f(x + 2\pi) = f(x)$ por cada $x$ . Obviamente $2\pi$ es sólo una convención aquí. Reescalando, puedes hacer que sea lo que quieras.

Entonces el Series de Fourier asociado a $f$ es la suma

$$f(x) = \sum_{-\infty}^\infty a_n e^{2 \pi i n x}$$

En condiciones relativamente generales (que siguen siendo lo suficientemente técnicas como para que no quiera mencionarlas) esa serie existe, pero la periodicidad es la importante. Podemos ver que la periodicidad es necesaria ya que cada $e^{2 \pi i n x}$ son periódicas.

De la misma manera que una serie taylor te permite escribir $f$ en términos de sus derivadas, una serie de fourier permite escribir $f$ en términos de sus "armónicos". Lo más importante es que seguimos teniendo una buena fórmula para los coeficientes:

$$a_n = \int_{-\infty}^\infty e^{-2 \pi i n x} \cdot f ~ \mathrm{d}x$$

En muchos contextos, estos $a_n$ se llaman $\hat{f}(n)$ y verás esa notación dispersa en la literatura. Este es un campo muy profundo y ¡muy amplia, por lo que debe ser emocionante conseguir un poco de exposición a ella! Puede encontrar un tratamiento relativamente educado del tema en estos notas de Tom Leinster


Espero que esto ayude ^_^

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