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はじめに
前回は、実数フーリエとオイラーの公式の組み合わせで複素フーリエ級数の導出を開始。
今回はその続き。
登場人物
博識フクロウのフクさん
イラストACにて公開の「kino_k」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=iKciwKA9&area=1
エンジニア歴8年の太郎くん
イラストACにて公開の「しのみ」さんのイラストを使用しています。
https://www.ac-illust.com/main/profile.php?id=uCKphAW2&area=1
【再掲】複素フーリエ級数に至る道
まずは複素フーリエ級数に至る道を再掲。
- テイラー級数
- マクローリン級数
- 指数関数のマクローリン展開
- cos(x)のマクローリン展開
- sin(x)のマクローリン展開
- オイラーの公式
- 複素フーリエ級数
さらに、複素フーリエ級数を導出するステップも再掲。
- オイラーの公式とそれの変形の式を元にcos関数、sin関数を複素指数関数で表現する。
- 実数フーリエ級数のcos関数、sin関数に上記を代入する。
- 代入した上で頑張って最適化する。
- Σの下限を\(-\infty\)、上限を\(\infty\)にする。
今回から複素フーリエ級数を導出する。
「Σの下限を\(-\infty\)、上限を\(\infty\)にする。」の部分に該当。
【再掲】フーリエ級数を複素指数関数で表現する式
前回までで導出した式が以下になる。
\(
\displaystyle f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty e^{inx}\frac{a_n-i b_n}{2}+\sum_{n=1}^\infty e^{-inx}\frac{a_n+i b_n}{2}
\)
これはまだ複素フーリエ級数ではないんだよね?
そうだね。
もう少し変形が必要だ。
Σの式を変形?
先ほどの式で以下に着目する。
\(
\displaystyle \sum_{n=1}^\infty e^{-inx}
\)
まぁ、総和の式だね。
このΣの開始と終了のインデックスを以下に変更しても辻褄があう。
\(
\displaystyle \sum_{n=1}^\infty e^{-inx}=\displaystyle \sum_{n=-1}^{-\infty} e^{inx}
\)
変数である\(x\)の極性をΣ側に持ってきたってことか。
たしかに等しいはずだね。
複素数の総和も変形?
似た発想で以下も可能だ。
\(
\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{a_n+i b_n}{2}=\displaystyle \sum_{n=-1}^{-\infty} \frac{a_n-i b_n}{2}
\)
これはわからん・・・。
まぁ、この式自体は実は間違っている。
が、
前提として、フーリエ係数であるものとして見た場合、
\(a_n\)は偶関数\(\cos\)の係数であり、符号の影響は無い。
\(b_n\)は奇関数\(\sin\)の係数であり、符号の影響を増える。
この前提において、上記の式は成立する。
なんかややこしいこと言ってるけど、
フーリエ係数だから、cos、sinを想定した前提を入れられるってことか。
あとはこれらの組み合わせで複素フーリエ係数が導出できるはずだ。
まとめ
まとめだよ。
- 前回のフーリエ級数を複素指数関数で表現した式を変形。
- 変数の極性を入れ替えた上で、Σの極性を入れかえれば同じものとなる。
- フーリエ係数であることを前提とした場合、極性の特性を定められる。
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