y=sin⁡(x2)y = \sin(x^2)

Gráfica del chirp y=sin⁡(x2)y = \sin(x^2)

y=sin⁡(x2)y = \sin(x^2) es un seno cuyo argumento está elevado al cuadrado. Cuanto más lejos llega xx, más deprisa cambia ese argumento, así que las oscilaciones se apiñan cada vez más. Una onda cuya frecuencia sube a medida que avanza se llama chirp, por el canto ascendente de un pájaro1.

Dominio y simetría

El dominio es el conjunto de todos los números reales y el rango es el intervalo [−1,1][-1, 1]. Como (−x)2=x2(-x)^2 = x^2, la función es par y la gráfica es simétrica respecto del eje yy, y se apiña del mismo modo hacia la izquierda. No es periódica.

Frecuencia instantánea

La fase es x2x^2, así que su ritmo de cambio da la frecuencia angular en cada punto.

ddxx2=2x\frac{d}{dx}x^2 = 2x

Como crece en proporción directa a xx, esta onda se llama chirp lineal.

Cómo se agolpan los ceros

Se tiene sin⁡(x2)=0\sin(x^2) = 0 cuando x2=nπx^2 = n\pi, es decir, en x=nπx = \sqrt{n\pi}.

nnCero en x=nπx = \sqrt{n\pi}Separación respecto del cero anterior
11≈1.7725\approx 1.7725≈1.7725\approx 1.7725
22≈2.5066\approx 2.5066≈0.7341\approx 0.7341
33≈3.0700\approx 3.0700≈0.5634\approx 0.5634
44≈3.5449\approx 3.5449≈0.4749\approx 0.4749
55≈3.9633\approx 3.9633≈0.4184\approx 0.4184

Para nn grande, la separación entre ceros consecutivos mengua aproximadamente como π2n\dfrac{\sqrt{\pi}}{2\sqrt{n}}: una contracción brusca al principio y gradual después.

Cerca del origen

La derivada es y′=2xcos⁡(x2)y' = 2x\cos(x^2), que se anula en x=0x = 0. Cerca del origen vale la aproximación sin⁡u≈u\sin u \approx u, así que la curva es casi indistinguible de una parábola.

sin⁡(x2)≈x2\sin(x^2) \approx x^2

La oscilación no arranca hasta que xx ha crecido un poco, y la primera cresta aparece donde x2=π2x^2 = \dfrac{\pi}{2}, en x≈1.253x \approx 1.253.

Integrales de Fresnel

Esta función no tiene primitiva elemental; su integral define la función especial conocida como integral de Fresnel2. Llevada hasta el infinito, el valor es el siguiente.

∫0∞sin⁡(x2) dx=π8≈0.6267\int_0^{\infty}\sin(x^2)\,dx = \sqrt{\frac{\pi}{8}} \approx 0.6267

El integrando no tiende a 00 y, sin embargo, la integral es finita, porque las oscilaciones se aceleran y las partes positivas y negativas se cancelan: la convergencia es condicional, no absoluta. Representar las dos integrales de Fresnel como coordenadas traza la espiral de Cornu, que se usa para calcular la difracción de la luz.

Aplicaciones

Los sistemas de radar emiten un chirp largo en lugar de un pulso corto y potente, y lo comprimen al recibirlo, con lo que consiguen una resolución fina en distancia sin necesidad de gran potencia de emisión3.

  • La compresión de pulsos en radar y sonar
  • La mejora de la resolución en ecografía médica
  • La señal que se obtiene al barrer un campo de gradiente en resonancia magnética
  • La onda gravitatoria de un sistema binario justo antes de la fusión, llamada ella misma chirp
  1. Chirp, Wikipedia
  2. Fresnel integral, Wikipedia
  3. Pulse compression, Wikipedia