フーリエ変換の問題

フーリエ変換の問題

■問題

次の関数 f ( x ) が,偶関数か奇関数かを判別し,偶関数ならば関数 f ( x ) のフーリエ余弦変換 F c ( ω ) を,奇関数ならば関数 f ( x ) のフーリエ正弦変換 F s ( ω ) を求めよ.

f ( x ) = { | x | ( − 1 < x < 1 ) 0 ( | x | ≧ 1 )

■解答

F c ( ω ) = { 2 π { 1 ω sin ω + 1 ω 2 ( cos ω − 1 ) } ( ω ≠ 0 ) 1 2 π ( ω = 0 )

■解き方

f ( x ) は偶関数である.よって,フーリエ余弦変換 F c ( ω ) を求める.

F c ( ω ) = 2 π ∫ 0 ∞ f ( x ) cos ω x d x

= 2 π ∫ 0 1 x cos ω x d x

◇ ω ≠ 0 のとき

部分積分法を用いる

= 2 π ∫ 0 1 x ( 1 ω sin ω x ) ′ d x

= 2 π { [ 1 ω x sin ω x ] 0 1 − ∫ 0 1 1 ω sin ω x d x }

= 2 π { 1 ω sin ω − 1 ω [ − 1 ω cos ω x ] 0 1 }

= 2 π { 1 ω sin ω − 1 ω ( − 1 ω cos ω + 1 ω ) }

= 2 π { 1 ω sin ω + 1 ω 2 ( cos ω − 1 ) }

◇ ω = 0 のとき

= 2 π ∫ 0 1 x d x

= 2 π [ 1 2 x 2 ] 0 1

= 2 π ⋅ 1 2

= 1 2 π

●備考

lim ω → 0 F s ( ω ) = lim ω → 0 2 π { 1 ω sin ω + 1 ω 2 ( cos ω − 1 ) }

= 2 π lim ω → 0 { 1 ω sin ω + 1 ω 2 ( cos ω − 1 ) }

= 2 π { lim ω → 0 sin ω ω + lim ω → 0 cos ω − 1 ω 2 }

= 2 π ( 1 − 1 2 )

(∵ lim ω → 0 cos ω − 1 ω 2 = lim ω → 0 − sin ω 2 ω = − 1 2   (ロピタルの定理を使っている) )

= 1 2π

 

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最終更新日: 2026年9月29日