Una suma de norias
Cada noria tiene su tamaño A_k, gira k veces más rápido que la fundamental f_0 y empieza en su ángulo \varphi_k; la onda es la suma de las alturas de todas:
x(t) = \sum_{k=1}^{K} A_k \sin\!\left(2\pi k f_0 t + \varphi_k\right)
Interferencia
Dos norias de la misma velocidad y el mismo tamaño A, con sus cabinas separadas un ángulo \varphi, suman otra noria de esa velocidad cuyo tamaño depende del desfase:
A_{\text{suma}} = 2A\left|\cos\frac{\varphi}{2}\right|
La serie de Fourier
Una onda periódica razonable, de periodo T, es una constante más una suma de cosenos y senos que dan k vueltas por periodo:
x(t) = a_0 + \sum_{k=1}^{\infty}\left[a_k \cos\!\left(\frac{2\pi k t}{T}\right) + b_k \sin\!\left(\frac{2\pi k t}{T}\right)\right]
Cada coeficiente se obtiene comparando la onda con su noria durante un periodo: se multiplican y se mide el área, que es la idea de la lección 4:
a_k = \frac{2}{T}\int_0^T x(t)\cos\!\left(\frac{2\pi k t}{T}\right)dt, \qquad b_k = \frac{2}{T}\int_0^T x(t)\sin\!\left(\frac{2\pi k t}{T}\right)dt
Cuadrada, sierra y triangular
La onda cuadrada que salta entre −1 y 1 solo tiene armónicos impares, con tamaños que bajan como uno entre k:
x(t) = \frac{4}{\pi}\left(\sin \omega t + \frac{\sin 3\omega t}{3} + \frac{\sin 5\omega t}{5} + \cdots\right)
La sierra lleva todos los armónicos, que bajan como uno entre k; la triangular, solo los impares, que bajan como uno entre k al cuadrado:
\text{sierra: } \frac{2}{\pi}\sum_{k\ge 1}\frac{(-1)^{k+1}}{k}\sin k\omega t, \qquad \text{triangular: } \frac{8}{\pi^2}\sum_{k\ \text{impar}}\frac{(-1)^{(k-1)/2}}{k^2}\sin k\omega t
El fenómeno de Gibbs
Con los n primeros impares, el primer pico está a un periodo dividido entre cuatro veces n del salto, y su altura tiende a un valor fijo que se escribe con el «seno integral»:
t_{\text{pico}} = \frac{T}{4n}, \qquad \lim_{n\to\infty} \max x_n = \frac{2}{\pi}\,\mathrm{Si}(\pi) \approx 1{,}179, \qquad \mathrm{Si}(\pi) = \int_0^{\pi}\frac{\sin u}{u}\,du \approx 1{,}8519
Dicho como fracción del salto, el exceso es:
\frac{\mathrm{Si}(\pi)}{\pi} - \frac{1}{2} \approx 0{,}0895
Aun así, la energía del error se va a cero: la energía de la onda es la suma de las energías de sus norias (igualdad de Parseval), así que lo que dejas fuera es cada vez menos:
\frac{1}{T}\int_0^T |x(t)|^2\,dt = \sum_{k} |c_k|^2
Epiciclos
Un punto del plano se escribe como un número complejo z = x + iy, y una noria de radio r que da k vueltas por periodo es r\,e^{i(2\pi k t/T + \varphi)}. Un dibujo cerrado es una suma de norias que giran en los dos sentidos:
z(t) = \sum_{k=-K}^{K} c_k\, e^{\,i 2\pi k t / T}, \qquad c_k = \frac{1}{T}\int_0^T z(t)\, e^{-i 2\pi k t / T}\,dt
Con N puntos del contorno, los coeficientes salen de la transformada discreta, que se cuenta en la lección 5:
c_k = \frac{1}{N}\sum_{n=0}^{N-1} z_n\, e^{-i 2\pi k n / N}
Dos norias casi iguales
Dos norias de periodos T_1 y T_2 casi iguales se alinean cada cierto tiempo, el de batido:
T_{\text{batido}} = \frac{1}{\left|\dfrac{1}{T_1} - \dfrac{1}{T_2}\right|} \qquad (12\ \text{h y}\ 12{,}42\ \text{h} \ \Rightarrow\ \approx 354\ \text{h} \approx 14{,}8\ \text{días})