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 1x<0 2 0x<1 f x+2 =f x

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8月15日