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はじめに
複素フーリエ係数のシリーズ。
前回は\(C_0\)について少し言及する。
その続き。
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】複素フーリエ係数に至る道

まずは複素フーリエ係数に至る道を再掲。
- 複素指数関数の積
- 複素指数関数が直交していない状態
- 複素指数関数が直交している状態
- 複素指数関数の直交性の確認
- 複素フーリエ係数の導出

今回は\(C_0\)について少し言及する。の続き。
【再掲】フーリエ係数C0の式

前回の最後で出して、\(C_0\)の式はこれ。
\(
\begin{eqnarray}
\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi}f(x)e^{-i0x}\,dx&=&\int_{-\pi}^\pi C_0 e^{-i0x}\,dx+\dots\\
&=&\int_{-\pi}^\pi C_0 e^0 e^{-i0x}\,dx\\
&=&\int_{-\pi}^\pi C_0\cdot 1 \cdot 1\,dx\\
&=&2\pi C_0\\
\therefore C_0&=&\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\,dx
\end{eqnarray}
\)

で、これが、\(f(x)\)平均だとか言ってたな・・・。

そうそう。
それを今回解説する。
C0の式を図で見た場合

まず先ほどの式の中の、以下の部分。
\(
\displaystyle\int_{-\pi}^\pi C_0\cdot 1 \cdot 1\,dx\\
\)

ここから、\(2\pi C_0\)になってるところがわからん。

前回の最後で出して、\(C_0\)の式はこれ。


あ、これは以前見た図だ!
そうか。長方形で考えると良いパターンか!

だから、\(2\pi C_0\)
C0が平均な訳

そして、平均だと言ってた式がこれ。
\(
\displaystyle C_0=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\,dx
\)

普通、平均ってこういう式だよね?
\(
\displaystyle \frac{1}{N}\sum_{i=0}^N
\)

その認識はただしい。
ただし、その式は離散的な関数に於ける平均だな。

そうすると、連続的な関数に於ける平均があるって言いっぷりだな・・・。

そして、平均だと言ってた式がこれ。
\displaystyle \lim_{N\to\infty}{\color{red}{\frac{1}{N}\sum_{i=0}^N F_i}} \Delta x=\frac{1}{N}\int_0^Lf(x)\,dx\dots(N=L/\Delta x)
\)

ちなみに赤文字で示した範囲が一般的というか離散的な関数の平均だ。

なるほど。
連続的だから、総和じゃなくて、積分を使用するのか。
結局C0って何者?

\(C_0\)が平均というのは分かったけど、なんで平均がフーリエ係数に紛れてくるんだ?

平均と言うと伝わりにくいが、
オフセットと言ったら伝わるかもしれない。
例えば、以下のように連続関数と平均ことオフセットの\(C_0\)を関係を示そう。


連続関数\(f\)は必ずしも0を中心に動いているわけでは無い。
対して、フーリエ級数の元となっている三角関数は0を中心となっており、
オフセットの表現ができない。

なるほど。
連続的だから、総和じゃなくて、積分を使用するのか。

そうそう。
それが\(C_0\)の位置づけとなる。
まとめ

まとめだよ。
- C0の式を図で見た場合。
- 離散関数の平均と連続関数の平均の関係性。
- 結局C0は三角関数では表現できない関数のオフセット成分となる。
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