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 − π ≦ x < 0 1 0 ≦ x < π   , f x + 2 π = f x

のフーリエ級数を求めよ.

■答

f x ∼ 4 π sin x + 1 3 sin 3 x + 1 5 sin 5 x + 1 7 sin 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

a n = 1 π ∫ − π π f x cos n x d x

= 1 π ∫ − π 0 − 1 cos n x d x + ∫ 0 π cos n x d x

◇ n ≠ 0 のとき

= 1 π − 1 n sin n x − π 0 + 1 n sin n x 0 π

= 1 π 0 + 0

= 0

◇ n=0 のとき

= 1 π ∫ −π 0 −1 dx+ ∫ 0 π dx

= 1 π −x −π 0 + x 0 π

= 1 π −π+π

=0

 

b n = 1 π ∫ − π π f x sin n x d x

= 1 π ∫ − π 0 − 1 sin n x d x + ∫ 0 π sin n x d x

= 1 π 1 n cos n x − π 0 + − 1 n cos n x 0 π

= 1 π 1 n 1 − cos − n π + 1 n 1 − cos n π

余弦関数は偶関数なので cos − n π = cos n π

= 1 π 1 n 1 − cos n π + 1 n 1 − cos n π

= 2 1 − cos n π n π

= 2 1 − − 1 n n π (∵ cos n π = − 1 n )

= 0 n が偶数 4 n π n が奇数  

以上より

f x ∼ 4 π sin x + 1 3 sin 3 x + 1 5 sin 5 x + 1 7 sin 7 x + ⋅ ⋅ ⋅

となる.

■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