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 ) = { 2 ( − 2 ≦ x < 0 ) 2 − x ( 0 ≦ x < 2 ) , f ( x + 4 ) = f ( x )

のフーリエ級数を求めよ.

■解答

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

■ヒント

フーリエ係数

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

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

を求める

■解き方

a n = 1 l ∫ − l l f ( x ) cos n π l x d x

= 1 2 { ∫ − 2 0 2 cos n π 2 x d x + ∫ 0 2 ( 2 − x ) cos n π 2 x d x }

◇ n ≠ 0 のとき

= 1 2 { 2 [ 2 n π sin n π 2 x ] − 2 0 + [ ( 2 − x ) 2 n π sin n π 2 x ] 0 2 − ∫ 0 2 ( − 1 ) 2 n π sin n π 2 x }

= 1 2 { 4 n π ( 0 − 0 ) + ( 0 − 0 ) + 2 n π [ − 2 n π cos n π 2 x ] 0 2 }

= 1 2 ( − 4 n 2 π 2 ) ( cos n π − 1 )

= − 2 n 2 π 2 { ( − 1 ) n − 1 }

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

◇ n = 0 のとき

= 1 2 { ∫ − 2 0 2 d x + ∫ 0 2 ( 2 − x ) d x }

= 1 2 { 2 [ x ] − 2 0 + [ 2 x − 1 2 x 2 ] 0 2 }

= 1 2 { 4 + 4 − 1 2 · 4 }

= 6 2

= 3

 

b n = 1 l ∫ − l l f ( x ) sin n π l x d x

= 1 2 { ∫ − 2 0 2 sin n π 2 x d x + ∫ 0 2 ( 2 − x ) sin n π 2 x d x }

= 1 2 { 2 [ − 2 n π cos n π 2 x ] − 2 0 + [ ( 2 − x ) ( − 2 n π cos n π 2 ) ] 0 2 − ∫ 0 2 ( − 1 ) ( − 2 n π cos n π 2 ) d x }

= 1 2 { 2 ( − 2 n π ) ( 1 − cos ( − n π ) ) − 2 ( − 2 n π ) − 2 n π [ 2 n π sin n π 2 ] 0 2 }

= 1 2 { − 4 n π ( 1 − ( − 1 ) n ) + 4 n π − 0 }

= 1 2 · 4 n π · ( − 1 ) n

= 2 n π · ( − 1 ) n


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

∼ 3 2 + ∑ n = 1 ∞ ( − 2 n 2 π 2 { ( − 1 ) n − 1 } cos n π 2 x + 2 n π ( − 1 ) n sin n π 2 x )

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