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はじめに
フーリエ係数に至る道。
今回は重要な極限値について説明の続き。
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】フーリエ係数に至る道
まずは、フーリエ係数に至る道を再掲。
- 偶関数
- 奇関数
- 関数の内積
- 三角関数の加法定理
- 三角関数の積和公式
- 重要な極限値
- 三角関数の直交性
- フーリエ係数
今回は重要な極限値の説明の続きになる。
【再掲】円に接する三角形と扇形
前回の円に接する三角形と扇形も再掲だね。
それぞれの面積は以下で求められる。
\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle{\color{orange}三角形OAB}&=&底辺\times高さ\div2=\frac{1}{2}\sin(x)\\
\displaystyle{\color{green}扇形OAB}&=&\pi r^2\frac{x}{2\pi}=\frac{1}{2}x\\
\displaystyle{\color{blue}三角形OBC}&=&底辺\times高さ\div2=\frac{1}{2}\tan(x)
\end{eqnarray}
\)
面積の不等式を最適化していく。
前回、各面積の関係性はこのようになることを示した。
\(
{\color{orange}三角形OAB}<{\color{green}扇形OAB}<{\color{blue}三角形OBC}
\)
そして、これを具体的な面積を求める式を当てはめると以下になる。
\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle\frac{1}{2}\sin(x)<\frac{1}{2}x<\frac{1}{2}\tan(x)\\
\sin(x)< x<\tan(x)
\end{eqnarray}
\)
全体を\(\sin(x)\)で割る。
\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle 1 < \frac{x}{\sin(x)} < \frac{\tan(x)}{\sin(x)}\\
\displaystyle 1 < \frac{x}{\sin(x)} < \frac{1}{\cos(x)}\\
\end{eqnarray}
\)
あれ?
2行目のcosってどこから来たの?
\(\displaystyle \tan(x)=\frac{\sin(x)}{\cos(x)}\)
なんだよね。
これを代入すると2行目の式になる。
なるほど。
そして、この不等式全体を逆数にする。
逆数にすると、不等式の向きが逆になる。
\(
\displaystyle 1 > \frac{\sin(x)}{x} > \cos(x)
\)
上記に加え、
\(
\displaystyle \lim_{x\to0}\cos(x)=1
\)
不等式のはさみうちの原理により、
\(
\displaystyle \lim_{x\to0}\frac{\sin(x)}{x}=1
\)
まとめ
まとめだよ。
- 円に接する三角形と扇形の面積の不等式を最適化。
- いろいろ弄っていくと、はさみうちの原理により1が求められる。
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