MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その69【複素フーリエ級数①】

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その69【複素フーリエ級数①】 数値計算
MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その69【複素フーリエ級数①】

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はじめに

前回でオイラーの公式の導出の話が終わったところ。
今回から、複素フーリエ級数に向けての話になる。

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

今回から、複素フーリエ級数に向けての話になる。

cos関数、sin関数を複素指数関数で表現する

太郎くん
太郎くん

話の流れとしては、オイラーの公式を利用して、
複素フーリエ級数を導出するとかって感じだと思うけど、
全然イメージがわかないな・・・。

フクさん
フクさん

オイラーの公式を再掲しよう

\(
e^{ix}=\cos(x)+i\sin(x)
\)

フクさん
フクさん

つまり、指数関数と三角関数の相互変換が可能であることを示している。

太郎くん
太郎くん

具体的なところはわからんけど、
それを利用して、cos関数、sin関数を複素指数関数で表現。
そして、そのcos関数、sin関数を使用している実数フーリエ級数に代入って感じか。

フクさん
フクさん

正解。
おおよその流れとしてはその認識でOKだ。

オイラーの公式から複素フーリエ級数までのステップ

フクさん
フクさん

先にオイラーの公式から複素フーリエ級数までのステップを示しておこう。

  • オイラーの公式とそれの変形の式を元にcos関数、sin関数を複素指数関数で表現する。
  • 実数フーリエ級数のcos関数、sin関数に上記を代入する。
  • 代入した上で頑張って最適化する。
  • Σの下限を\(-\infty\)、上限を\(\infty\)にする。
太郎くん
太郎くん

上二つは、なんとなくわかるが、
下二つの魔境臭が半端ない・・・。

フクさん
フクさん

確かに下2つは少しトリッキーな感じはするな。
虚数で割ることをどう解釈できるか、
Σと中の関数の符号を反転とか出てくるな。

太郎くん
太郎くん

(わけわかんねぇ・・・。)

まとめ

フクさん
フクさん

まとめだよ。

  • 実数フーリエ級数を複素フーリエ級数にするためにオイラーの公式を利用する。
  • 具体的にはcos関数、sin関数を複素指数関数で表現する。
  • 上記を実数フーリエ級数に代入すれば複素フーリエ級数になるというのが大雑把な流れ。

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