与えられた3つの関数をフーリエ級数展開する問題です。それぞれの関数は周期関数であると仮定します。関数は以下の通りです。 (1) $f(x) = 2x - 1$ ($-\pi \leq x \leq \pi$) (2) $f(x) = x + 1$ ($-1 \leq x \leq 1$) (3) $f(x) = \begin{cases} -2 & (-2 \leq x \leq 0) \\ 2 & (0 \leq x \leq 2) \end{cases}$

解析学フーリエ級数周期関数積分
2025/6/29

1. 問題の内容

与えられた3つの関数をフーリエ級数展開する問題です。それぞれの関数は周期関数であると仮定します。関数は以下の通りです。
(1) f(x)=2x1f(x) = 2x - 1 (πxπ-\pi \leq x \leq \pi)
(2) f(x)=x+1f(x) = x + 1 (1x1-1 \leq x \leq 1)
(3) f(x)={2(2x0)2(0x2)f(x) = \begin{cases} -2 & (-2 \leq x \leq 0) \\ 2 & (0 \leq x \leq 2) \end{cases}

2. 解き方の手順

(1) f(x)=2x1f(x) = 2x - 1 (周期 2π2\pi) の場合
フーリエ級数は次のように表されます。
f(x)=a02+n=1(ancos(nx)+bnsin(nx))f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} (a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx))
ここで、a0a_0, ana_n, bnb_n はフーリエ係数であり、以下のように計算されます。
a0=1πππf(x)dxa_0 = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) dx
an=1πππf(x)cos(nx)dxa_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) dx
bn=1πππf(x)sin(nx)dxb_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \sin(nx) dx
まず、a0a_0 を計算します。
a0=1πππ(2x1)dx=1π[x2x]ππ=1π[(π2π)(π2+π)]=2ππ=2a_0 = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} (2x - 1) dx = \frac{1}{\pi} [x^2 - x]_{-\pi}^{\pi} = \frac{1}{\pi} [(\pi^2 - \pi) - (\pi^2 + \pi)] = \frac{-2\pi}{\pi} = -2
次に、ana_n を計算します。
an=1πππ(2x1)cos(nx)dx=1πππ2xcos(nx)dx1πππcos(nx)dxa_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} (2x - 1) \cos(nx) dx = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} 2x \cos(nx) dx - \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} \cos(nx) dx
2xcos(nx)2x \cos(nx) は奇関数なので、ππ2xcos(nx)dx=0\int_{-\pi}^{\pi} 2x \cos(nx) dx = 0
ππcos(nx)dx=[1nsin(nx)]ππ=1n(sin(nπ)sin(nπ))=0\int_{-\pi}^{\pi} \cos(nx) dx = [\frac{1}{n} \sin(nx)]_{-\pi}^{\pi} = \frac{1}{n}(\sin(n\pi) - \sin(-n\pi)) = 0
よって、an=0a_n = 0
最後に、bnb_n を計算します。
bn=1πππ(2x1)sin(nx)dx=1πππ2xsin(nx)dx1πππsin(nx)dxb_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} (2x - 1) \sin(nx) dx = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} 2x \sin(nx) dx - \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} \sin(nx) dx
ππsin(nx)dx=[1ncos(nx)]ππ=1n(cos(nπ)cos(nπ))=0\int_{-\pi}^{\pi} \sin(nx) dx = [-\frac{1}{n} \cos(nx)]_{-\pi}^{\pi} = -\frac{1}{n}(\cos(n\pi) - \cos(-n\pi)) = 0
ππ2xsin(nx)dx=2ππxsin(nx)dx=2[xncos(nx)+1n2sin(nx)]ππ=2[πncos(nπ)πncos(nπ)]=4πncos(nπ)=4πn(1)n=4πn(1)n+1\int_{-\pi}^{\pi} 2x \sin(nx) dx = 2 \int_{-\pi}^{\pi} x \sin(nx) dx = 2[-\frac{x}{n} \cos(nx) + \frac{1}{n^2} \sin(nx)]_{-\pi}^{\pi} = 2[-\frac{\pi}{n} \cos(n\pi) - \frac{\pi}{n} \cos(-n\pi)] = -\frac{4\pi}{n} \cos(n\pi) = -\frac{4\pi}{n} (-1)^n = \frac{4\pi}{n} (-1)^{n+1}
bn=1π(4πn(1)n+1)=4n(1)n+1b_n = \frac{1}{\pi} (\frac{4\pi}{n} (-1)^{n+1}) = \frac{4}{n} (-1)^{n+1}
したがって、f(x)=1+n=14n(1)n+1sin(nx)f(x) = -1 + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{4}{n} (-1)^{n+1} \sin(nx)
(2) f(x)=x+1f(x) = x + 1 (周期 22) の場合
フーリエ級数は次のように表されます。
f(x)=a02+n=1(ancos(nπxL)+bnsin(nπxL))f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} (a_n \cos(\frac{n\pi x}{L}) + b_n \sin(\frac{n\pi x}{L}))
ここで、L=1L = 1 なので、
f(x)=a02+n=1(ancos(nπx)+bnsin(nπx))f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} (a_n \cos(n\pi x) + b_n \sin(n\pi x))
a0=1111(x+1)dx=[x22+x]11=(12+1)(121)=2a_0 = \frac{1}{1} \int_{-1}^{1} (x + 1) dx = [\frac{x^2}{2} + x]_{-1}^{1} = (\frac{1}{2} + 1) - (\frac{1}{2} - 1) = 2
an=1111(x+1)cos(nπx)dx=11xcos(nπx)dx+11cos(nπx)dxa_n = \frac{1}{1} \int_{-1}^{1} (x + 1) \cos(n\pi x) dx = \int_{-1}^{1} x \cos(n\pi x) dx + \int_{-1}^{1} \cos(n\pi x) dx
11xcos(nπx)dx=0\int_{-1}^{1} x \cos(n\pi x) dx = 0 (奇関数)
11cos(nπx)dx=[1nπsin(nπx)]11=1nπ(sin(nπ)sin(nπ))=0\int_{-1}^{1} \cos(n\pi x) dx = [\frac{1}{n\pi} \sin(n\pi x)]_{-1}^{1} = \frac{1}{n\pi} (\sin(n\pi) - \sin(-n\pi)) = 0
よって、an=0a_n = 0
bn=1111(x+1)sin(nπx)dx=11xsin(nπx)dx+11sin(nπx)dxb_n = \frac{1}{1} \int_{-1}^{1} (x + 1) \sin(n\pi x) dx = \int_{-1}^{1} x \sin(n\pi x) dx + \int_{-1}^{1} \sin(n\pi x) dx
11sin(nπx)dx=[1nπcos(nπx)]11=1nπ(cos(nπ)cos(nπ))=0\int_{-1}^{1} \sin(n\pi x) dx = [-\frac{1}{n\pi} \cos(n\pi x)]_{-1}^{1} = -\frac{1}{n\pi} (\cos(n\pi) - \cos(-n\pi)) = 0
11xsin(nπx)dx=[xnπcos(nπx)+1(nπ)2sin(nπx)]11=[1nπcos(nπ)1nπcos(nπ)]=2nπ(1)n=2nπ(1)n+1\int_{-1}^{1} x \sin(n\pi x) dx = [-\frac{x}{n\pi} \cos(n\pi x) + \frac{1}{(n\pi)^2} \sin(n\pi x)]_{-1}^{1} = [-\frac{1}{n\pi} \cos(n\pi) - \frac{1}{n\pi} \cos(-n\pi)] = -\frac{2}{n\pi} (-1)^n = \frac{2}{n\pi} (-1)^{n+1}
よって、bn=2nπ(1)n+1b_n = \frac{2}{n\pi} (-1)^{n+1}
したがって、f(x)=1+n=12nπ(1)n+1sin(nπx)f(x) = 1 + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2}{n\pi} (-1)^{n+1} \sin(n\pi x)
(3) f(x)={2(2x0)2(0x2)f(x) = \begin{cases} -2 & (-2 \leq x \leq 0) \\ 2 & (0 \leq x \leq 2) \end{cases} (周期 44)
L=2L = 2 なので、
f(x)=a02+n=1(ancos(nπx2)+bnsin(nπx2))f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} (a_n \cos(\frac{n\pi x}{2}) + b_n \sin(\frac{n\pi x}{2}))
a0=1222f(x)dx=12(202dx+022dx)=12([2x]20+[2x]02)=12((04)+(40))=0a_0 = \frac{1}{2} \int_{-2}^{2} f(x) dx = \frac{1}{2} (\int_{-2}^{0} -2 dx + \int_{0}^{2} 2 dx) = \frac{1}{2} ([-2x]_{-2}^{0} + [2x]_{0}^{2}) = \frac{1}{2} ((0 - 4) + (4 - 0)) = 0
an=1222f(x)cos(nπx2)dx=12(202cos(nπx2)dx+022cos(nπx2)dx)=20cos(nπx2)dx+02cos(nπx2)dxa_n = \frac{1}{2} \int_{-2}^{2} f(x) \cos(\frac{n\pi x}{2}) dx = \frac{1}{2} (\int_{-2}^{0} -2 \cos(\frac{n\pi x}{2}) dx + \int_{0}^{2} 2 \cos(\frac{n\pi x}{2}) dx) = - \int_{-2}^{0} \cos(\frac{n\pi x}{2}) dx + \int_{0}^{2} \cos(\frac{n\pi x}{2}) dx
20cos(nπx2)dx=[2nπsin(nπx2)]20=2nπ(sin(0)sin(nπ))=0\int_{-2}^{0} \cos(\frac{n\pi x}{2}) dx = [\frac{2}{n\pi} \sin(\frac{n\pi x}{2})]_{-2}^{0} = \frac{2}{n\pi} (\sin(0) - \sin(-n\pi)) = 0
02cos(nπx2)dx=[2nπsin(nπx2)]02=2nπ(sin(nπ)sin(0))=0\int_{0}^{2} \cos(\frac{n\pi x}{2}) dx = [\frac{2}{n\pi} \sin(\frac{n\pi x}{2})]_{0}^{2} = \frac{2}{n\pi} (\sin(n\pi) - \sin(0)) = 0
よって、an=0a_n = 0
bn=1222f(x)sin(nπx2)dx=12(202sin(nπx2)dx+022sin(nπx2)dx)=20sin(nπx2)dx+02sin(nπx2)dxb_n = \frac{1}{2} \int_{-2}^{2} f(x) \sin(\frac{n\pi x}{2}) dx = \frac{1}{2} (\int_{-2}^{0} -2 \sin(\frac{n\pi x}{2}) dx + \int_{0}^{2} 2 \sin(\frac{n\pi x}{2}) dx) = - \int_{-2}^{0} \sin(\frac{n\pi x}{2}) dx + \int_{0}^{2} \sin(\frac{n\pi x}{2}) dx
20sin(nπx2)dx=[2nπcos(nπx2)]20=2nπ(cos(0)cos(nπ))=2nπ(1(1)n)\int_{-2}^{0} \sin(\frac{n\pi x}{2}) dx = [-\frac{2}{n\pi} \cos(\frac{n\pi x}{2})]_{-2}^{0} = -\frac{2}{n\pi} (\cos(0) - \cos(-n\pi)) = -\frac{2}{n\pi} (1 - (-1)^n)
02sin(nπx2)dx=[2nπcos(nπx2)]02=2nπ(cos(nπ)cos(0))=2nπ((1)n1)=2nπ(1(1)n)\int_{0}^{2} \sin(\frac{n\pi x}{2}) dx = [-\frac{2}{n\pi} \cos(\frac{n\pi x}{2})]_{0}^{2} = -\frac{2}{n\pi} (\cos(n\pi) - \cos(0)) = -\frac{2}{n\pi} ((-1)^n - 1) = \frac{2}{n\pi} (1 - (-1)^n)
よって、bn=2nπ(1(1)n)+2nπ(1(1)n)=4nπ(1(1)n)b_n = \frac{2}{n\pi} (1 - (-1)^n) + \frac{2}{n\pi} (1 - (-1)^n) = \frac{4}{n\pi} (1 - (-1)^n)
bn={0(n:even)8nπ(n:odd)b_n = \begin{cases} 0 & (n:even) \\ \frac{8}{n\pi} & (n:odd) \end{cases}
したがって、f(x)=n=1,3,5,...8nπsin(nπx2)=k=08(2k+1)πsin((2k+1)πx2)f(x) = \sum_{n=1,3,5,...}^{\infty} \frac{8}{n\pi} \sin(\frac{n\pi x}{2}) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{8}{(2k+1)\pi} \sin(\frac{(2k+1)\pi x}{2})

3. 最終的な答え

(1) f(x)=1+n=14n(1)n+1sin(nx)f(x) = -1 + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{4}{n} (-1)^{n+1} \sin(nx)
(2) f(x)=1+n=12nπ(1)n+1sin(nπx)f(x) = 1 + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2}{n\pi} (-1)^{n+1} \sin(n\pi x)
(3) f(x)=k=08(2k+1)πsin((2k+1)πx2)f(x) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{8}{(2k+1)\pi} \sin(\frac{(2k+1)\pi x}{2})

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