複素フーリエ変換

f x = 1 2 π ∫ −∞ ∞ F ω e − i ω x d ω

F ω = 1 2 π ∫ −∞ ∞ f x e i ω x d x

となる. F ω を f x のフーリエ変換という.

■導出

フーリエ積分

f ( x ) = ∫ 0 ∞ { G ( ω ) cos ω x + H ( ω ) sin ω x } d ω ・・・・・・(1)

G ( ω ) = 1 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) cos ω v d v ・・・・・・(1-1)

H ( ω ) = 1 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) sin ω v d v ・・・・・・(1-2)

をオイラーの公式

e i θ = cos θ + i sin θ

を使って,複素指数関数を用いた形に書き換える.

cos ω v = e i ω v + e − i ω v 2 ・・・・・・(2)

sin ω v = − i e i ω v − e − i ω v 2 ・・・・・・(3)

(1-1)に(2)を代入する.

G ( ω ) = 1 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v + e − i ω v 2 d v

= 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v + 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ・・・・・・(4)

(1-2)に(3)を代入する.

H ( ω ) = 1 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) ( − i e i ω v − e − i ω v 2 ) d v

= − i ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v − 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) ・・・・・・(5)

cos ω x = e i ω x + e − i ω x 2 ・・・・・・(6)

sin ω x = − i e i ω x − e − i ω x 2 ・・・・・・(7)

(1)に(4),(5),(6),(7)を代入する.

f ( x ) =

∫ 0 ∞ { ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v + 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e i ω x + e − i ω x 2

− i ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v − 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) ( − i e i ω x − e − i ω x 2 ) } d ω

= ∫ 0 ∞ 1 2 { ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e i ω x + ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e i ω x

+ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e − i ω x + ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e − i ω x

− ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e i ω x + ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e i ω x

+ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e − i ω x − ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e − i ω x } d ω

= ∫ 0 ∞ { ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e i ω x + ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e − i ω x } d ω

= ∫ 0 ∞ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e i ω x d ω + ∫ 0 ∞ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e − i ω x d ω ・・・・・・(8)

となる.(8)の右辺の第1項

∫ 0 ∞ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e − i ω v d v ) e i ω x d ω ・・・・・・(9)

について, ω = − γ と置く置換積分をする.

d ω = − d γ

ω が 0 から ∞ のとき, γ は 0 から − ∞ となる.よって(9)は

∫ 0 − ∞ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i γ v d v ) e − i γ x ( − d γ )

= ∫ − ∞ 0 ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i γ v d v ) e − i γ x d γ

となる.積分変数 γ を ω に書き換える( γ = ω の置換積分をする)と

= ∫ − ∞ 0 ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e − i ω x d ω ・・・・・・(10)

(10)を(8)に代入すると

f ( x ) = ∫ − ∞ 0 ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e − i ω x d ω + ∫ 0 ∞ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v ) e − i ω x d ω

= ∫ −∞ ∞ 1 2π ∫ −∞ ∞ f v e iωv dv e −iωx dω ・・・・・・(11)

となる.

1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( v ) e i ω v d v = F ( ω ) ・・・・・・(12)

とおく.(12)を(11)に代入すると

f ( x ) = ∫ − ∞ ∞ 1 2 π F ( ω ) e − i ω x d ω

= 1 2 π ∫ − ∞ ∞ F ( ω ) e − i ω x d ω ・・・・・・(13)

となる.(12)の積分変数を v から x に書き換えると

F ( ω ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e i ω x d x ・・・・・・(14)

となる.

すなわち

f ( x ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ F ( ω ) e − i ω x d ω

F ( ω ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e i ω x d x

となる.

 

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最終更新日: 2026年9月29日