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はじめに
フーリエ係数に至る道。
今回は三角関数の直交性の話のまとめ。
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。
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【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

今回は三角関数の直交性の話のまとめ。
三角関数の直交性のまとめ

結論としては以下の式が得られたことになる。
\(
\begin{eqnarray}
&&\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\sin(mx)\cos(nx)dx=0\\
&&\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\sin(mx)\sin(nx)dx=
\cases{
\pi\dots \text{if } n=m\\
0\dots\text{if } n\neq m
}\\
&&\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\cos(mx)\cos(nx)dx=
\cases{
\pi\dots \text{if } n=m\\
0\dots\text{if } n\neq m
}
\end{eqnarray}
\)

言葉としてまとめると以下な感じだね。
- \(\sin,\cos\)は必ず直交。
- \(\sin,\sin\)は角周波数が異なる場合は直交。
- \(\cos,\cos\)は角周波数が異なる場合は直交。
- \(\sin,\sin\)、\(\cos,\cos\)は同一の角周波数の場合は\(\pi\)となる。

この概念はフーリエ級数をベクトルとしてとらえ、
フーリエ級数の中にあるフーリエ係数を取り出すために使用する。

(また意味の分からねぇこと言い出したぞ・・・。)
ちょっとアニメーション

ここで、各三角関数の畳み込みの状態をアニメーションgifしてみた。


若干演算誤差はあるが、\(n=1\)の時のみ\(\pi\)に近似し、
それ以外は\(0\)に近似している。

こうやってみると面白いね。
今後について

三角関数やその他関数の畳み込みについては、これから散々やることになる。
よって、ここらへんで一旦プログラムによる確認をやっておこう。

確かに、\(0\)になるとか\(\pi\)になるとかは理解できたつもりだけど
実感としてはあんまりないんだよなー。
そこを一回プログラムで確認できると実感できるような気がする。

その実感を得るのを目的としてやってみよう。
内容としては以下を求めるプログラムを想定している。
- \(\sin(x)\cdot\cos(x)=0\)
- \(\sin(x)\cdot\cos(2x)=0\)
- \(\sin(x)\cdot\cos(x)=\pi\)
- \(\cos(2x)\cdot\cos(2x)=\pi\)
- \(\cos(x)\cdot\sin(2x)=0\)
- \(\sin(x)\cdot\cos(2x)=0\)

一応、想定する結果も記載しているが、
実際のところは演算誤差は出ると思う。

そこも含めて確認って感じだね。
まとめ

まとめだよ。
- 三角関数の直交性のまとめ。
- 各種式を確認。
- 直交性具合をアニメーションで確認。
- 三角関数の畳み込みをプログラムでやっている予定。
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