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 ) = | x |   ( − π ≦ x ≦ π ) , f ( x + 2 π ) = f ( x )

のフーリエ級数を求めよ.

■答

f ( x ) ∼ 1 2 π − 4 π ( cos x + 1 3 2 cos 3 x + 1 5 2 cos 5 x + 1 7 2 cos 7 x + ⋯ )

■ヒント

フーリエ係数

a n = 1 π ∫ − π π f ( x ) cos n x d x      ( n = 0 , 1 , 2   ·   ·   · )

b n = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin n x d x      ( n = 1 , 2 , 3   ·   ·   · )

を求める.

■解説

f ( x ) = | x |   ( − π ≦ x ≦ π )  

を書き換えると

f ( x ) = { − x x ( − π ≦ x ≦ 0 ) ( 0 ≦ x ≦ π )

となる.

a n = 1 π ∫ − π π f ( x ) cos n x d x

f ( x ) が偶関数なので、 f ( x ) cos n x も偶関数である(偶関数の積分を参照).よって

= 2 π ∫ 0 π x cos n x d x

◇ n ≠ 0 のとき

= 2 π ∫ 0 π x ( 1 n sin n x ) ′ d x

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

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

= 2 π · 1 n 2 ( cos n π − 1 )

= 2 π n 2 { ( − 1 ) n − 1 }

= { 0 − 4 π n 2 ( n が偶数のとき ) ( n が奇数のとき )

◇ n = 0 のとき

= 2 π ∫ 0 π x d x

= 2 π [ 1 2 x 2 ] 0 π

= 2 π ⋅ 1 2 π 2

= π

 

b n = 1 π ∫ − π π f ( x ) sin n x d x

f ( x ) が偶関数なので、 f ( x ) sin n x d x は奇関数である(奇関数の積分を参照) .よって

= 0

以上より

f ( x ) ∼ a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos n x + b n sin n x )

∼ 1 2 π + ∑ n = 1 ∞ 2 π n 2 { ( − 1 ) n − 1 } cos n x

∼ 1 2 π − 4 π ( cos x + 1 3 2 cos 3 x + 1 5 2 cos 5 x + 1 7 2 cos 7 x + ⋯ )

■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