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周期２πのフーリエ級数の公式

周期${\displaystyle $ {\displaystyle 2\pi }$}$の周期関数${\displaystyle f\left(x\right)}$ は

${\displaystyle a_0+{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\left(a_n\cos nx+b_n\sin nx\right)}}$ 　

${\displaystyle a_0=\frac{1}{2\pi }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)dx}}$ ･･････(1)

${\displaystyle a_n=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)cosnxdx}$ 　　　　(${\displaystyle n=1,2,3···}$ )　･･････(2)

${\displaystyle b_n=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)sinnxdx}$ 　　　　(${\displaystyle n=1,2,3···}$ )　･･････(3)

のようり三角関数の級数として表される．この級数のことを関数${\displaystyle f\left(x\right)}$ のフーリエ級数といい，${\displaystyle a_0}$， ${\displaystyle a_n}$，${\displaystyle b_n}$ のことをフーリエ係数という．

関数 ${\displaystyle f\left(x\right)}$ が不連続となる x などでは ${\displaystyle f\left(x\right)}$ の 値とフーリエ級数の値が一致しない場合があるので， ${\displaystyle f\left(x\right)}$ のフーリエ級数を表す場合

${\displaystyle f\left(x\right)=a_0+\sum _{n=1}^{\infty }\left(a_{n}cosnx+b_{n}sinnx\right)}$ ･･････(4)

 のように「＝」を使わず，「～」を使い

${\displaystyle f\left(x\right)\sim a_0+\sum _{n=1}^{\infty }\left(a_{n}cosnx+b_{n}sinnx\right)}$ ･･････(5)

と表すのが一般的である．

■フーリエ係数を求める計算

● ${\displaystyle a_0}$ を求める計算

(4)の両辺を区間 ${\displaystyle \left[-\pi ,\pi \right]}$で積分する．

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)dx}={\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{a}_{0}dx}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{a}_n\cos nxdx}}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{b}_n\sin nxdx}}}$  

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)dx}=a_0{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }dx}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{a}_n{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos nxdx}}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{b}_n{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin nxdx}}}$  

ここで

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }dx}={\left[x\right]}_{-\pi }^{\pi }=\pi +\pi =2\pi }$  

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos nxdx}={\left[\frac{1}{n}\sin nx\right]}_{-\pi }^{\pi }}$${\displaystyle =\frac{1}{n}\sin n\pi -\frac{1}{n}\sin n\left(-\pi \right)}$${\displaystyle =0-0=0}$  

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin nxdx}={\left[-\frac{1}{n}\cos nx\right]}_{-\pi }^{\pi }}$${\displaystyle =-\frac{1}{n}\cos n\pi +\frac{1}{n}\cos n\left(-\pi \right)=1-1}$${\displaystyle =0}$  

以上より

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)dx}=2\pi a_0}$  

これより，(1)の

${\displaystyle a_0=\frac{1}{2\pi }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)dx}}$ 

が得られる．

●${\displaystyle a_n}$ を求める計算

(4)の両辺に${\displaystyle \cos mx}$ を掛けてから両辺を ${\displaystyle \left[-\pi ,\pi \right]}$ で積分する．

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)\cos mxdx}}$

${\displaystyle ={\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{a}_0\cos mxdx}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{a}_n\cos nx\cos mxdx}}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{b}_n\sin nx\cos mxdx}}}$  

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)\cos mxdx}}$

${\displaystyle =a_0{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos mxdx}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{a}_n{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos nx\cos mxdx}}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{b}_n{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin nx\cos mxdx}}}$  

ここで

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos mxdx}={\left[\frac{1}{m}\sin mx\right]}_{-\pi }^{\pi }}$${\displaystyle =\frac{1}{m}\sin m\pi -\frac{1}{m}\sin m\left(-\pi \right)=0}$  

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos nx\cos mxdx}}$  の計算は，${\displaystyle n\ne m}$ のとき， 積和の公式を利用して

${\displaystyle n=m}$  のとき，半角の公式を利用して

${\displaystyle ={\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{\cos }^{2}mxdx}}$${\displaystyle ={\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\frac{1}{2}\left(1+\cos 2mx\right)dx}}$${\displaystyle ={\left[\frac{1}{2}\left(x+\frac{1}{2m}\sin 2mx\right)\right]}_{-\pi }^{\pi }}$${\displaystyle =\pi }$  

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin nx\cos mxdx}}$の計算は，${\displaystyle \sin nx\cos mx}$ が奇間数であることより，0となる．

以上より

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)\cos mxdx}=\pi a_n}$  

となり，mをn に書き換えて(2)の

${\displaystyle a_n=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)cosnxdx}$　　${\displaystyle (n=0,1,2,\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot )}$ 

が得られる．

● ${\displaystyle b_n}$ を求める計算

(4)の両辺に ${\displaystyle \sin mx}$ を掛けてから両辺を ${\displaystyle \left[-\pi ,\pi \right]}$ で積分する．

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)\sin mxdx}}$

${\displaystyle ={\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{a}_0\sin mxdx}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{a}_n\cos nx\sin mxdx}}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{b}_n\sin nx\sin mxdx}}}$  

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)\sin mxdx}}$

${\displaystyle =a_0{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin mxdx}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{a}_n{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos nx\sin mxdx}}}$${\displaystyle +{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }{b}_n{\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin nx\sin mxdx}}}$  

ここで

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin mxdx}={\left[-\frac{1}{m}\cos mx\right]}_{-\pi }^{\pi }}$

${\displaystyle =-\frac{1}{m}\cos m\pi +\frac{1}{m}\cos m\left(-\pi \right)}$

${\displaystyle =1-1=0}$

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\cos nx\sin mxdx}}$  の計算は，${\displaystyle \cos nx\sin mx}$ が奇間数より，0となる．

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\sin nx\sin mxdx}}$  の計算は，${\displaystyle n\ne m}$のとき

${\displaystyle n=m}$  のとき

${\displaystyle ={\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }{\sin }^{2}mxdx}}$${\displaystyle ={\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }\frac{1}{2}\left(1-\cos 2mx\right)dx}}$${\displaystyle ={\left[\frac{1}{2}\left(x-\frac{1}{2m}\sin 2mx\right)\right]}_{-\pi }^{\pi }}$${\displaystyle =\pi }$  

以上より

${\displaystyle {\displaystyle {\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)\sin mxdx}=\pi b_m}$  

となり，mをn に書き換えて(3)の

${\displaystyle b_n=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left(x\right)sinnxdx }$　　${\displaystyle (n=1,2,3,\cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot )}$

が得られる．

 

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最終更新日： 2023年6月29日

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