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はじめに
オイラーの公式の続き。
複素指数関数の変形でオイラーの公式を導出する。
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

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【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

今回は、オイラーの公式に向けての話の続き。
【再掲】指数関数に複素数を入れたマクローリン展開

フクさん一応、前回の「指数関数に複素数を入れたマクローリン展開」を再掲。
\(
\displaystyle e^{ix}={1+ix+\frac{(ix)^2}{2!}+\frac{(ix)^3}{3!}+\frac{(ix)^4}{4!}+\frac{(ix)^5}{5!}+\dots}
\)

複素数ではあるけど、ただ単に代入しただけだね。
複素指数関数のマクローリン展開の変形

先ほどの式をいろいろ変形していく。
\(i^2=-1\)であるが故の変形だということを意識して欲しい。
\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle e^{ix}&=&{1+ix+\frac{(ix)^2}{2!}+\frac{(ix)^3}{3!}+\frac{(ix)^4}{4!}+\frac{(ix)^5}{5!}+\dots}\\
\displaystyle &=&1+ix-\frac{x^2}{2!}-\frac{ix^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}+\frac{ix^5}{5!}+\dots\\
\displaystyle &=&\bigg( 1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\dots\bigg)+i\bigg(x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\dots\bigg)
\end{eqnarray}
\)

って感じで実数部と虚数部に分解できる。

まぁ、分解されただけでヤベェ感はなんも薄れてないけど・・・。

この実数部と虚数部、見おぼえない?

あ!
cos関数とsin関数のマクローリン展開した式だ!

正解。
つまり、以下にまとめられる。
\(
e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x)
\)

あれ?
これって、この前見たオイラーの公式だよね?

そうそう。
つまり、オイラーの公式が証明されたってことになる。

なるほど。
そういうつながりだったのか。

次いでに、このオイラーの公式を少し変形させよう。
\(
e^{-ix}=\cos(-x)+i\sin(-x)
\)

cos関数は偶関数なので、引数の符号反転しても変化しない、
sin関数は奇関数なので、符号反転する。
これを加味すると以下に変形できる。
\(
e^{-ix}=\cos(x)-i\sin(x)
\)

この変形は何か意味あるの?

この後に出てくる実数フーリエから複素フーリエへの橋渡しの話や、それ以降の話で大活躍する予定だ。

(とりあえずメモっとこ・・・。)
まとめ

まとめだよ。
- 複素指数関数のマクローリン展開を変形。
- cos関数とsin関数のマクローリン展開の式が出てくる。
- 実数部をcos、虚数部をsinとするとオイラーの公式になる。
- オイラーの公式の変形。
- 入力に負の符号をつけたもの。
- 今後いろいろ活躍してくれる公式になる。
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