積分 数Ⅲ 三角関数の直交性の公式です。 大学で習うフーリエ解析でよく使いますが、公式の導出は高校数学の知識だけで可能であり、大学入試問題でテーマになることもあります。 三角関数の直交性 \( \displaystyle (1) \int_{-\pi}^{\pi}\cos{mx}\, \cos{nx}\, dx=\left\{ \begin{array}{l} 0 \, \, (m\neq{n})\\\pi\, \, (m=n) \end{array} \right. \) \( \displaystyle (2) \int_{-\pi}^{\pi}\sin{mx}\, \sin{nx}\, dx=\left\{ \begin{array}{l} 0\, \, (m\neq{n})\\\pi\, \, (m=n) \end{array} \right.
フーリエ級数として展開したい関数を空間の1点とする 点を指すベクトルが「基底」と呼ばれる1組のベクトルの一時結合となる. 平面ベクトルって,各基底ベクトル\(e_1\),\(e_2\)の線形ベクトルの一次結合で表現できたことは覚えていますか. 上の図の左側の絵のような感じですね. それが成り立つのは,基底ベクトル\(e_1\),\(e_2\)が直交しているからですよね. つまりお互いが90度に直交していて,原点で以外交わらないからですよね. こういった交わらないものは,座標系として成り立つわけです. これらは,ベクトル的にいうと, 内積=0 という特徴を持っています. さてさて, では, 右側の関数空間に関して は,どうでしょうか. 実は,フーリエ級数の各展開した項というのは, 直交しているの ですよね. これ,,,,控えめに言ってもすごくないすか. めちゃくちゃ多くの軸(sinとかcos)がある中,全ての軸が直交しているのですね. これはもちろん2Dでもかけませんし,3Dでもかけません. 数学の世界,代数的なベクトルの世界でしか表現しようがないのです. では,関数の内積ってどのように書くの?という疑問が生じると思いますが,これは積分です. 以下のスライドをみてください. この関数を掛けた積分が内積に相当する ので,これが0になれば,フーリエ級数の各項,は直交していると言っても良さそうです. なぜ内積が積分で表すことができるのか,簡単に理解したい人は,以下のスライドを見てください. 各関数を無限次元のベクトルとして見なせば,積分が内積の計算として見なせそうですよね. それでもモヤっとしている方や,直交性についてもっと厳密に知りたい方は,こちらの記事をどうぞ. 三角関数の直交性とは. この記事はこんな人にオススメです, フーリエ級数や複素フーリエ級数を学習している人 積の積分がなぜ内積とみなさ… 数学的な定義だと,これらは直交基底と言われます. そしてまた,フーリエ係数\(a_0\), \(a_n\), \(b_n\)の導出に必要となる性質も頭に入れておいてください. これらを用いて,フーリエ係数\(a_0\), \(a_n\), \(b_n\)を導出します, 具体的には,フーリエ級数で展開した後の全ての関数に,cosやsinを掛けて,積分をします. すると直交基底を満たすものは,全て0になります.
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