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La serie de Fourier por series de potencias: coeficientes sin integrales

La forma habitual de calcular una serie de Fourier es integrar: el coeficiente nn-ésimo es 12π∫f e−inx dx\tfrac{1}{2\pi}\int f\,e^{-inx}\,dx. Pero hay una familia de funciones para las que esa integral es muy costosa —o directamente no cierra— y que, sin embargo, tienen coeficientes inmediatos por otra vía: las que se pueden escribir como g(eix)g(e^{ix}) con gg analítica en el origen.

La idea. Si gg admite un desarrollo en serie de potencias g(z)=∑kck zkg(z)=\sum_k c_k\,z^k, basta sustituir z=eixz=e^{ix} para obtener f(x)=g(eix)=∑kck eikxf(x)=g(e^{ix})=\sum_k c_k\,e^{ikx}. Y esa ya es una serie de Fourier: por la ortogonalidad de las exponenciales {eikx}\{e^{ikx}\}, los coeficientes ckc_k del desarrollo de potencias son exactamente los coeficientes de Fourier. No hay que integrar; basta desarrollar gg en serie de Taylor, o reconocer una serie geométrica.

Ejemplos. Para f(x)=ln⁡(1+eix)f(x)=\ln(1+e^{ix}), el desarrollo ln⁡(1+z)=∑k≥1(−1)k+1kzk\ln(1+z)=\sum_{k\ge 1}\tfrac{(-1)^{k+1}}{k}z^k da directamente ck=(−1)k+1kc_k=\tfrac{(-1)^{k+1}}{k}. Para la geométrica 11−12eix\tfrac{1}{1-\frac12 e^{ix}}, el desarrollo 11−z/2=∑k≥02−kzk\tfrac{1}{1-z/2}=\sum_{k\ge 0}2^{-k}z^k da ck=2−kc_k=2^{-k}. Y para eeixe^{e^{ix}}, la serie de la exponencial da ck=1k!c_k=\tfrac{1}{k!}. En los tres casos la integral es intratable, pero el coeficiente general sale en una línea.

El signo del exponente. Una función puede desarrollarse en eixe^{ix} (frecuencias positivas) o en e−ixe^{-ix} (frecuencias negativas). La elección no es libre: hay que quedarse con la que hace que la serie converja sobre el círculo unidad ∣z∣=1|z|=1, que es donde vive z=eixz=e^{ix}. Por ejemplo, 11−13e−ix\tfrac{1}{1-\frac13 e^{-ix}} desarrollada en eixe^{ix} daría coeficientes 3k3^k que crecen sin tope —una serie que no converge—; desarrollada en e−ixe^{-ix} da 3−k3^{-k}, que sí converge. El criterio de convergencia decide el signo correcto.

En senos y cosenos. El resultado anterior está en la base exponencial. Si se prefiere la base real, basta aplicar la fórmula de Euler eikx=cos⁡(kx)+i sin⁡(kx)e^{ikx}=\cos(kx)+i\,\sin(kx) término a término para reescribir la serie con senos y cosenos.

Este método convive con el de las integrales: hay funciones que se resuelven de las dos formas y otras —como los ejemplos de arriba— solo por series de potencias. En la calculadora se puede probar escribiendo ln⁡(1+eix)\ln(1+e^{ix}), 11−12eix\tfrac{1}{1-\frac12 e^{ix}} o eeixe^{e^{ix}} en el operador de series de Fourier y desplegando los pasos.

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