Um Curso de Cálculo, Volume 4

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 88 de 93

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Um Curso de Cálculo, Volume 4

A2.2 Estudo da série

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Como vimos no Exemplo 4 da Seção 9.1,

 

é a série de Fourier da função

 

Nosso objetivo, a seguir, é provar que esta série converge uniformemente em [a, π] para todo a, com 0 < a < π. Vamos utilizar o critério de Cauchy para convergência uniforme de uma série de funções. Ou seja, para concluir a convergência uniforme da série em [a, π], basta provar que, para todo > 0 dado, existe um natural n (que só dependa de ) tal que, quaisquer que 0

sejam os naturais n e p, com p > 0, e para todo x em [a, π],

 

Conforme aprendemos no Exemplo 3 da Seção 5.3,

para todo x ∈ [−π, π], com x ≠ 0. Para todo x ∈ [a,π], com 0 a π,

 

 

e, portanto,

 

Segue que, para todo x ∈ [a, π],

 

e, portanto,

 

Tomando-se vem

 

para todo x ∈ [a, π] e todo natural n ≥ 1. Como

resulta de que

 

 

para todo x ∈ [a, π] e quaisquer que sejam os naturais n e p, com n ≥ 2 e p > 0.

Vamos, agora, fazer

 

e utilizar o Lema de Abel (Exemplo 4 da Seção 5.3). Tendo em vista , segue do Lema de Abel que

 

quaisquer que sejam os naturais n e p, com n ≥ 2 e p > 0, e para todo x ∈ [a, π].

Como

 

segue que, para todo > 0 dado, existe um natural n , tal que 0

Tendo em vista e , resulta que, para todo > 0 dado, existe um

natural n tal que, para todo x ∈ [a, π] e quaisquer que sejam os naturais n e 0

p,

 

Logo, a série

 

converge uniformemente em [a, π], com 0 < a < π. Como sen nx, n ≥ 1, é uma função ímpar, segue que a série acima converge, também, uniformemente em [−π, −a].

Nosso objetivo, a seguir, é provar que

 

para todo x em ]a, π] e

 

em [−π, −a[, para todo a ∈ ]0, π[.

Consideremos a função

(Observe que

 

A função g é contínua, de classe C2 por partes e tal que g (−π) = g (π). Logo, sua série de Fourier converge uniformemente, em [−π, π], à própria função g. Determinemos, então, a série de Fourier de tal função.

Como g é uma função par

 

b = 0, n ≥ 1. n

Temos:

 

Logo, para todo x ∈ [−π, π],

 

Temos