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.
f( x )∼ 3 2 + 4 π 2 ( cos π 2 x+ 1 3 2 cos 3π 2 x+ 1 5 2 cos 5π 2 x +⋯⋯ ) + 2 π ( −sin π 2 x+ 1 2 sin 2π 2 x − 1 3 sin 3π 2 x +⋯⋯ )
フーリエ係数
a 0 = 1 ℓ ∫ −ℓ ℓ f( x ) xdx
a n = 1 ℓ ∫ −ℓ ℓ f( x ) cos nπ ℓ xdx ( n=1,2,3 ⋯ )
b n = 1 ℓ ∫ −ℓ ℓ f( x ) sin nπ ℓ xdx ( n=1,2,3 ⋯ )
を求める
a 0 = 1 2l ∫ −l l f( x )dx
= 1 2·2 { ∫ −2 0 2dx+ ∫ 0 2 ( 2−x ) dx }
= 1 4 { 2 [ x ] −2 0 + [ 2x− 1 2 x 2 ] 0 2 }
= 1 4 { 4+4− 1 2 ·4 }
= 6 4
= 3 2
a n = 1 l ∫ −l l f( x )cos nπ 2 xdx
= 1 2 { ∫ −2 0 2cos nπ 2 xdx+ ∫ 0 2 ( 2−x ) cos nt 2 xdx }
= 1 2 { 2 [ 2 nπ sin nπ 2 x ] −2 0 + [ ( 2−x ) 2 nπ sin nπ 2 x ] 0 2 − ∫ 0 2 ( −1 ) 2 nπ sin nπ 2 x }
= 1 2 { 4 nπ ( 0−0 )+( 0−0 )+ 2 nπ [ − 2 nπ cos nπ 2 x ] 0 2 }
= 1 2 ( − 4 n 2 π 2 )( cosnπ−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
b n = 1 2 ∫ −l l f( x )sin nπ 2 xdx
= 1 2 { ∫ −2 0 2sin nπ 2 xdx+ ∫ 0 2 ( 2−x )sin nπ 2 xdx }
= 1 2 { 2 [ − 2 nπ cos nπ 2 x ] −2 0 + [ ( 2−x )( − 2 nπ cos nπ 2 ) ] 0 2 − ∫ 0 2 ( −1 )( − 2 nπ cos nπ 2 )dx }
= 1 2 { 2( − 2 nπ )( 1−cos( −nπ ) )−2( − 2 nπ )− 2 nπ [ 2 nπ sin nπ 2 ] 0 2 }
= 1 2 { − 4 nπ ( 1− ( −1 ) n )+ 4 nπ −0 }
= 1 2 · 4 nπ · ( −1 ) n
= 2 nπ · ( −1 ) n
f( x )∼ a 0 + ∑ n=1 ∞ ( a n cos nπ 2 + b n sin nπ 2 x )
∼ 3 2 + ∑ n=1 ∞ ( − 2 n 2 π 2 { ( −1 ) n −1 }cos nπ 2 x+ 2 nπ ( −1 ) n sin nπ 2 x )
∼ 3 2 + 4 π 2 ( cos π 2 x+ 1 3 2 cos 3π 2 x+ 1 5 2 cos 5π 2 x +⋯⋯ ) + 2 π ( −sin π 2 x+ 1 2 sin 2π 2 x − 1 3 sin 3π 2 x +⋯⋯ )
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最終更新日: 2023年7月6日