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Tras la muerte de Napoleón abandonó la política en beneficio de la ciencia. Estudió las ecuaciones del calor a partir de sus trabajos de descomposición de las funciones periódicas en serie trigonométricas, lo que se suele conocer como Series de Fourir. Según algunos autores se puede considerar como pionero en la explicación del efecto invernadero.
También se debe a él la llamada Transformada de Fourier, una aplicación muy útil en campos tan diversos como la óptica, la propagación de ondas, la estadística, el procesamiento de señales o la teoría de números. Recibe el nombre de análisis armónico la parte de las matemáticas que estudia todas las generalizaciones de la Transformada de Fourier.
Dió clase en la Escuela Politécnica de París. En 1821 se convirtió en secretario perpetuo de la Academia de Ciencias, puesto desde el que consiguió que su amiga Sophier Germain asistiera a las reuniones de la academia, algo que no había conseguido hasta el momento ninguna mujer no esposa de académico.
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