実施・提出期間

締切: 2024/07/17 (水) 13:30 までに, 下記の問題を実施し, 提出してください.

 

注意事項

  • 手書きで計算したものを1つのpdfにまとめて提出してください

    • 紙に直筆したものを写真 or スキャンする場合は, 中身がハッキリ読めることを確認してください

    • タブレット等を用いて電子的に手書きするのもOKです

    • 画像ファイルをそのまま何枚も提出したり, zipにまとめて提出したものは受取不可とします

  • 授業資料の解答を丸写しするのではなく, 授業内容を思い出しながら自分の手で計算するようにしてください

  • 授業直後に復習することはもちろん素晴らしいです!! その後, なるべく数日空けてから再学習として本課題を実施し, 提出することを是非試してみてください.

 

問題

フーリエ級数 (三角関数)

  1. 三角関数の規格性, 直交性を確かめるために以下の組み合わせで計算せよ

    1. sin同士の組み合わせ

    2. cos同士の組み合わせ

    3. sinとcosとの組み合わせ

    4. 上記の計算結果をまとめて記述し, 規格性, 直交性を確認

  2. フーリエ係数 am を導出せよ

  3. フーリエ係数 bm を導出せよ

  4. フーリエ級数の変数の区間を [−π,π] (1周期 2π) から, 1周期 T の区間 [−T2,T2] に置き換えよ

 

まとめ

  1. 今回の授業内容を100文字以上で自分なりにまとめてください. ただし, 写経のように丸写しすることだけはやめてください.

 

解答

フーリエ級数 (三角関数)

三角関数を基底関数としたフーリエ級数は

u(x)=∑m=1∞(amsin⁡mx+bmcos⁡mx)+b02      (mは自然数)

と書かれる.

三角関数の規格性, 直交性を確かめるために以下の組み合わせで計算せよ

sin同士の組み合わせ
∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx=∫−ππ−12{cos⁡(m+n)x−cos⁡(m−n)x}dx      (∵  cos⁡(m±n)x=cos⁡mxcos⁡nx∓sin⁡mxsin⁡nx)

なので,

  1. m≠n​

∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx=∫−ππ−12{cos⁡(m+n)x−cos⁡(m−n)x}dx=−12[1m+nsin⁡(m+n)x−1m−nsin⁡(m−n)x]−ππ=0
  1. m=n

∫−ππsin⁡nxsin⁡nxdx=∫−ππ−12{cos⁡(n+n)x−cos⁡(n−n)x}dx=∫−ππ−12{cos⁡2nx−1}dx=−12[12nsin⁡2nx−x]−ππ=π

 

  1. まとめ

∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx={0      (m≠n)π      (m=n)

 

cos同士の組み合わせ
∫−ππcos⁡mxcos⁡nxdx=∫−ππ12{cos⁡(m+n)x+cos⁡(m−n)x}dx      (∵  cos⁡(m±n)x=cos⁡mxcos⁡nx∓sin⁡mxsin⁡nx)

なので,

  1. m≠n​

∫−ππcos⁡mxcos⁡nxdx=∫−ππ12{cos⁡(m+n)x+cos⁡(m−n)x}dx=12[1m+nsin⁡(m+n)x+1m−nsin⁡(m−n)x]−ππ=0
  1. m=n

∫−ππcos⁡nxcos⁡nxdx=∫−ππ12{cos⁡(n+n)x+cos⁡(n−n)x}dx=∫−ππ12{cos⁡2nx+1}dx=12[12nsin⁡2nx+x]−ππ=π
  1. まとめ

∫−ππcos⁡mxcos⁡nxdx={0      (m≠n)π      (m=n)

 

sinとcosとの組み合わせ
∫−ππcos⁡mxsin⁡nxdx=∫−ππ12{sin⁡(m+n)x−sin⁡(m−n)x}dx      (∵  sin⁡(m±n)x=sin⁡mxcos⁡nx±cos⁡mxsin⁡nx)

なので,

  1. m≠n​

∫−ππcos⁡mxsin⁡nxdx=∫−ππ12{sin⁡(m+n)x−sin⁡(m−n)x}dx=−12[−1m+ncos⁡(m+n)x−−1m−ncos⁡(m−n)x]−ππ=−12[−1m+n(cos⁡(m+n)π−cos⁡(m+n)(−π))−−1m−n(cos⁡(m−n)π−cos⁡(m−n)(−π))]=0      (∵  cos⁡は偶関数)
  1. m=n

∫−ππcos⁡nxsin⁡nxdx=∫−ππ12{sin⁡(n+n)x−sin⁡(n−n)x}dx=∫−ππ12{sin⁡2nx−0}dx=−12[12ncos⁡2nx]−ππ=0
  1. まとめ

∫−ππcos⁡mxsin⁡nxdx=0

 

上記の計算結果をまとめて記述し, 規格性, 直交性を確認
(1)∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx={0      (m≠n)π      (m=n)∫−ππcos⁡mxcos⁡nxdx={0      (m≠n)π      (m=n)∫−ππcos⁡mxsin⁡nxdx=0

異なるsin,cos​​​​ 同士だと0​​​​, 同じsin,cos​​​ 同士だとπ​​​​となるので, 三角関数が規格性, 直交性を持つことが確認できた.

 

フーリエ係数 am を導出せよ

∫−ππu(x)sin⁡nxdx

を考える.

∫−ππu(x)sin⁡nxdx=∫−ππ(∑m=1∞(amsin⁡mx+bmcos⁡mx)+b02)sin⁡nxdx=∫−ππ(∑m=1∞(amsin⁡mxsin⁡nx+bmcos⁡mxsin⁡nx)+b02sin⁡nx)dx=∑m=1∞am∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx+∑m=1∞bm∫−ππcos⁡mxsin⁡nxdx+b02∫−ππsin⁡nxdx=(anπ+∑m=1  (m≠n)∞am⋅0)+(∑m=1∞bm⋅0)+b02(−n)(cos⁡nπ−cos⁡(−nπ))      (∵  三角関数の規格直交性(1))=anπ

となるので,

(2)an=1π∫−ππu(x)sin⁡nxdx      (n=1,2,⋯)

としてan​​が求まった.

 

フーリエ係数 bm を導出せよ

∫−ππu(x)cos⁡nxdx

を考える.

  1. n=1,2,⋯

∫−ππu(x)cos⁡nxdx=∫−ππ(∑m=1∞(amsin⁡mx+bmcos⁡mx)+b02)cos⁡nxdx=∫−ππ(∑m=1∞(amsin⁡mxcos⁡nx+bmcos⁡mxcos⁡nx)+b02cos⁡nx)dx=∑m=1∞am∫−ππsin⁡mxcos⁡nxdx+∑m=1∞bm∫−ππcos⁡mxcos⁡nxdx+b02∫−ππcos⁡nxdx=(∑m=1∞am⋅0)+(bnπ+∑m=1  (m≠n)∞bm⋅0)+b02n(sin⁡nπ−sin⁡(−nπ))      (∵  三角関数の規格直交性(1))=bnπ

となるので,

(3)bn=1π∫−ππu(x)cos⁡nxdx      (n=1,2,⋯)

としてbn​​が求まった.

 

  1. n=0​​

∫−ππu(x)cos⁡0xdx=∫−ππu(x)dx=∫−ππ(∑m=1∞(amsin⁡mx+bmcos⁡mx)+b02)dx=∑m=1∞am∫−ππsin⁡mxdx+∑m=1∞bm∫−ππcos⁡mxdx+b02∫−ππdx=(∑m=1∞am⋅0)+(∑m=1∞bm⋅0)+b02(π−(−π))=b0π

としてb0​が求まった.

 

  1. まとめ

(4)bn=1π∫−ππu(x)cos⁡nxdx      (n=0,1,2,⋯)

 

以上より, フーリエ級数が求まった :

(5)フーリエ級数展開:u(x)=∑m=1∞(amsin⁡mx+bmcos⁡mx)+b02      (mは自然数)フーリエ係数:{am=1π∫−ππu(x)sin⁡mxdx      (m=1,2,⋯)bm=1π∫−ππu(x)cos⁡mxdx      (m=0,1,2,⋯)

 

フーリエ級数の変数の区間を [−π,π] (1周期 2π) から, 1周期 T の区間 [−T2,T2] に置き換えよ

フーリエ級数の変数の区間を [−π,π]​​​​ (1周期 2π​​​​) から, 1周期 T​​​​ の区間 [−T2,T2]​​​​​​ に置き換える場合, これは, ±π→±T2という変更なので, x→2πTt, dx→2πTdt という変数変換に相当する.

これを, 先程求めたフーリエ級数の式 (5) に適用すると

フーリエ級数展開:u(2πTt)=∑m=1∞(amsin⁡m2πTt+bmcos⁡m2πTt)+b02      (mは自然数)→  u(t)=∑m=1∞(amsin⁡m2πTt+bmcos⁡m2πTt)+b02      (mは自然数)フーリエ係数:{am=1π∫−T2T2u(2πTt)sin⁡m2πTt⋅2πTdt=2T∫−T2T2u(t)sin⁡m2πTt dt      (m=1,2,⋯)bm=1π∫−T2T2u(2πTt)cos⁡m2πTt⋅2πTdt=2T∫−T2T2u(t)cos⁡m2πTt dt      (m=0,1,2,⋯)

となる. ここで, t​​ を時刻と考えれば, 2πT​​ は角振動数に対応するので 2πT=ω0​​ と置き換えれば, 上式を

(6)フーリエ級数展開:u(t)=∑m=1∞(amsin⁡mω0t+bmcos⁡mω0t)+b02      (mは自然数)フーリエ係数:{am=2T∫−T2T2u(t)sin⁡mω0t dt      (m=1,2,⋯)bm=2T∫−T2T2u(t)cos⁡mω0t dt      (m=0,1,2,⋯)

と書くこともできる.