MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その60【マクローリン展開⑥】

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その60【マクローリン展開⑥】 数値計算
MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その60【マクローリン展開⑥】

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はじめに

前回はcos関数のマクローリン展開の説明。
今回はsin関数のマクローリン展開について。

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】複素フーリエ級数に至る道

太郎くん
太郎くん

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
フクさん
フクさん

今回は、sin(x)のマクローリン展開。

sin(x)のマクローリン展開

太郎くん
太郎くん

今回はsin関数だけど、cos関数と似た感じになるのかな?

フクさん
フクさん

見た目上は若干ややこくなるが、
ほぼ一緒だな。
というわけで、sin関数を微分しまくる。

\(
\begin{eqnarray}
f(x)&=&\sin(x)\\
f^{\prime}(x)&=&\cos(x)\\
f^{\prime\prime}(x)&=&-\sin(x)\\
f^{\prime\prime\prime}(x)&=&-\cos(x)\\
f^{\prime\prime\prime\prime}(x)&=&\sin(x)\dots4階微分で\sin(x)に戻る\\
\end{eqnarray}
\)

太郎くん
太郎くん

まぁ、cos関数の時と似た感じか。

フクさん
フクさん

cosの時と同じように整理すると、

\(
f(x)^n=\cases{
\sin(x)\dots(n=0,4,8,\dots)\\
\cos(x)\dots(n=1,5,9,\dots)\\
-\sin(x)\dots(n=2,6,10,\dots)\\
-\cos(x)\dots(n=3,7,11,\dots)\\
}
\)

フクさん
フクさん

原点のみで見ると以下になる。

\(
f(0)^n=\cases{
\sin(0)=0\dots(n=0,4,8,\dots)\\
\cos(0)=1\dots(n=1,5,9,\dots)\\
-\sin(0)-0\dots(n=2,6,10,\dots)\\
-\cos(0)=-1\dots(n=3,7,11,\dots)\\
}
\)

フクさん
フクさん

nが偶数の時は0になり、奇数の時は符号が反転するので、以下の式にまとめらえる。

\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle f(x)&=&f(0)+\frac{f^\prime(0)}{1!}x+\frac{f^\prime\prime(0)}{2!}x^2+\dots\\
\displaystyle &=&f(0)+\sum_{n=1}^\infty\frac{f^n(0)}{n!}x^n\\
\displaystyle \sin(x)&=&x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\frac{x^7}{7!}+\dots\\
\displaystyle &=& \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}
\end{eqnarray}
\)

太郎くん
太郎くん

cos関数の時と似てると言えば似てるが、
思ったよりもややこしいことになってるな・・・。

フクさん
フクさん

それでも、一つの式で表現できることは重要だな。

sin関数のマクローリン展開の式を元にプロット

フクさん
フクさん

nを徐々に増やした場合のプロットも見せておこう。

sin関数をマクローリン展開
太郎くん
太郎くん

これも徐々に一致する範囲が広がっていく感じか。
無限にやれば、sin関数と同一にはなりそう。

まとめ

フクさん
フクさん

まとめだよ。

  • sin関数をマクローリン展開。
  • とりあえず微分しまくると4階微分の周期が見える。
  • これを元にマクローリン展開。
  • sin関数をマクローリン展開したプロットも出してみた。

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