MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その32【三角関数の直交性⑦】

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その32【三角関数の直交性⑦】 数値計算
MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その32【三角関数の直交性⑦】

バックナンバーはこちら。
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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

指差しフクロウ

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

技術者太郎

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

太郎くん
太郎くん

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
フクさん
フクさん

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

フクさん
フクさん

結論としては以下の式が得られたことになる。

\(
\begin{eqnarray}
&&\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\sin(mx)\cos(nx)dx=0\\
&&\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\sin(mx)\sin(nx)dx=
\cases{
\pi\dots \text{if } n=m\\
0\dots\text{if } n\neq m
}\\
&&\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\cos(mx)\cos(nx)dx=
\cases{
\pi\dots \text{if } n=m\\
0\dots\text{if } n\neq m
}
\end{eqnarray}
\)

太郎くん
太郎くん

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。
フクさん
フクさん

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。

太郎くん
太郎くん

(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

フクさん
フクさん

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。

三角関数の直交性アニメーション
フクさん
フクさん

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。

太郎くん
太郎くん

こうやってみると面白いね。

今後について

フクさん
フクさん

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。

太郎くん
太郎くん

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。

フクさん
フクさん

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。

  • \(\sin(x)\cdot\cos(x)=0\)
  • \(\sin(x)\cdot\cos(2x)=0\)
  • \(\sin(x)\cdot\cos(x)=\pi\)
  • \(\cos(2x)\cdot\cos(2x)=\pi\)
  • \(\cos(x)\cdot\sin(2x)=0\)
  • \(\sin(x)\cdot\cos(2x)=0\)
フクさん
フクさん

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。

太郎くん
太郎くん

そこも含めて確認って感じだね。

まとめ

フクさん
フクさん

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。

バックナンバーはこちら。

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