MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その74【複素フーリエ級数⑥】

MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その74【複素フーリエ級数⑥】 数値計算
MATLAB,Python,Scilab,Julia比較 第5章 その74【複素フーリエ級数⑥】

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はじめに

前回は、実数フーリエとオイラーの公式の組み合わせで複素フーリエ級数の導出を開始。
今回はその続き。

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
太郎くん
太郎くん

さらに、複素フーリエ級数を導出するステップも再掲。

  • 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。
フクさん
フクさん

今回から複素フーリエ級数を導出する。
「Σの下限を\(-\infty\)、上限を\(\infty\)にする。」の部分に該当。

【再掲】フーリエ級数を複素指数関数で表現する式

フクさん
フクさん

前回までで導出した式が以下になる。

\(
\displaystyle f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty e^{inx}\frac{a_n-i b_n}{2}+\sum_{n=1}^\infty e^{-inx}\frac{a_n+i b_n}{2}
\)

太郎くん
太郎くん

これはまだ複素フーリエ級数ではないんだよね?

フクさん
フクさん

そうだね。
もう少し変形が必要だ。

Σの式を変形?

フクさん
フクさん

先ほどの式で以下に着目する。

\(
\displaystyle \sum_{n=1}^\infty e^{-inx}
\)

太郎くん
太郎くん

まぁ、総和の式だね。

フクさん
フクさん

このΣの開始と終了のインデックスを以下に変更しても辻褄があう。

\(
\displaystyle \sum_{n=1}^\infty e^{-inx}=\displaystyle \sum_{n=-1}^{-\infty} e^{inx}
\)

太郎くん
太郎くん

変数である\(x\)の極性をΣ側に持ってきたってことか。
たしかに等しいはずだね。

複素数の総和も変形?

フクさん
フクさん

似た発想で以下も可能だ。

\(
\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{a_n+i b_n}{2}=\displaystyle \sum_{n=-1}^{-\infty} \frac{a_n-i b_n}{2}
\)

太郎くん
太郎くん

これはわからん・・・。

フクさん
フクさん

まぁ、この式自体は実は間違っている。
が、
前提として、フーリエ係数であるものとして見た場合、
\(a_n\)は偶関数\(\cos\)の係数であり、符号の影響は無い。
\(b_n\)は奇関数\(\sin\)の係数であり、符号の影響を増える。
この前提において、上記の式は成立する。

太郎くん
太郎くん

なんかややこしいこと言ってるけど、
フーリエ係数だから、cos、sinを想定した前提を入れられるってことか。

フクさん
フクさん

あとはこれらの組み合わせで複素フーリエ係数が導出できるはずだ。

まとめ

フクさん
フクさん

まとめだよ。

  • 前回のフーリエ級数を複素指数関数で表現した式を変形。
  • 変数の極性を入れ替えた上で、Σの極性を入れかえれば同じものとなる。
  • フーリエ係数であることを前提とした場合、極性の特性を定められる。

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