フーリエ級数の問題

フーリエ級数の問題

■問題

周期関数

f x = −1 −1≦x<0 2 0≦x<1 , f x+2 =f x

のフーリエ級数を求めよ.

■解答

f( x )∼ 1 2 + 6 π ( sinπx+ 1 3 sin3πx+ 1 5 sin5πx+⋯⋯ )

■ヒント

フーリエ係数

a n = 1 l ∫ −l l f( x ) cos nπ l xdx      ( n=0,1,2 · · · )

b n = 1 l ∫ −l l f( x ) sin nπ l xdx      ( n=1,2,3 · · · )

を求める

■解き方

a n = 1 1 ∫ −1 1 f( x )cosnπx dx

= ∫ −1 0 ( −cosnπx )dx + ∫ 0 1 2cosnπxdx

◇ n ≠ 0 のとき

= [ − 1 nπ sinnπx ] −1 0 + [ 2 nπ sinnπx ] 0 1

=0+0

=0

◇ n=0 のとき

= ∫ −1 0 ( −1 )dx+ ∫ 0 1 2dx

= − [ x ] −1 0 +2 [ x ] 0 1

= −1+2·1

= 1

 

b n = 1 1 ∫ −1 1 f( x )sinnπxdx

= ∫ −1 0 ( −sinnπx )dx + ∫ 0 1 2sinnπxdx

= [ 1 nπ cosnπx ] −1 0 +2 [ − 1 nπ cosnπx ] 0 1

= 1 nπ ( 1− ( −1 ) n )− 2 nπ ( ( −1 ) n −1 )

= 3 nπ ( 1− ( −1 ) n )

= 0 nが偶数のとき 6 nπ nが奇数のとき

以上より 

f( x )∼ 1 2 + 6 π ( sinπx+ 1 3 sin3πx+ 1 5 sin5πx+⋯⋯ )

■フーリエ級数の可視化

 

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最終更新日: 2026年9月29日