三角 関数 の 直交 性
よし話を戻そう. つまりこういうことだ. (31) (32) ただし, は任意である. このときの と の内積 (33) について考えてみよう. (33)の右辺に(31),(32)を代入し,下記の演算を施す. は正規直交基底なので になる. よって都合よくクロスターム ( のときの ,下式の下線を引いた部分)が0になるのだ. ここで, ケットベクトル なるものを下記のように定義する. このケットベクトルというのは, 関数を指定するための無限次元ベクトル になっている. だって,基底にかかる係数を要素とする行列だからね! (34) 次に ブラベクトル なるものも定義する. (35) このブラベクトルは,見て分かるとおりケットベクトルを転置して共役をとったものになる. この操作は「ダガー」" "を使って表される. (36) このブラベクトルとケットベクトルを使えば,関数の内積を表せる. (37) (ブラベクトルとケットベクトルを掛け合わせると,なぜか真ん中の棒" "が一本へるのだ.) このようなブラベクトルとケットベクトルを用いた表記法を ブラケット表記 という. 量子力学にも出てくる,なかなかに奥が深い表記法なのだ! 複素共役をとるという違いはあるけど, 転置行列をかけることによって内積を求めるという操作は,ベクトルと一緒だね!... さあ,だんだんと 関数とベクトルの違いが分からなくなってきた だろう? この世のすべてをあらわす 「はじめに ベクトルと関数は一緒だ! ときて, しまいには この世のすべてをあらわす ときたもんだ! とうとうアタマがおかしくなったんじゃないか! ?」 と思った君,あながち間違いじゃない. 「この世のすべてをあらわす」というのは誇張しすぎたな. フーリエ級数で使う三角関数の直交性の証明 | ばたぱら. 正確には この世のすべての関数を,三角関数を基底としてあらわす ということを伝えたいんだ. つまり.このお話をここまで読んできた君ならば,この世のすべての関数を表せるのだ! すべての周期が である連続周期関数 を考えてみよう. つまり, は以下の等式をみたす. (38) 「いきなり話を限定してるじゃないか!もうすべての関数なんて表せないよ!」 と思った君は正解だけど,まあ聞いてくれ. あとでこの周期を無限大なり何なりの値にすれば,すべての関数を表せるから大丈夫だ! さて,この周期関数を表すには,どんな基底を選んだらいいだろう?
三角関数の直交性 証明
(1103+26390n)}{(4^n99^nn! )^4} というか、意味が分かりません。これで円周率が出てくるなんて思いつくわけがない。 けど、出てくるらしい。世界って不思議。 この公式使って2020年の1月25日に303日かけて50兆桁求めたらしいです。 モンテカルロ法 円周率を求めると聞いて最初に思い浮かんだ方もいるのではないでしょうか?
三角関数の直交性とフーリエ級数
truncate( 8) ff グラフの描画 までの展開がどれくらい関数を近似しているのかを実感するために、グラフを描いてみます: import as plt import numpy as np D = 50 xmin = xmax = def Ff (n, x): return urier_series(f(x), (x,, )).
三角関数の直交性 Cos
まずフーリエ級数展開の式の両辺に,求めたいフーリエ係数に対応する周期のcosまたはsinをかけます! この例ではフーリエ係数amが知りたい状況を考えているのでcos(2πmt/T)をかけていますが,もしa3が知りたければcos(2π×3t/T)をかけますし,bmが知りたい場合はsin(2πmt/T)をかけます(^^)/ 次に,両辺を周期T[s]の区間で積分します 続いて, 三角関数の直交性を利用します (^^)/ 三角関数の直交性により,すさまじい数の項が0になって消えていくのが分かりますね(^^)/ 最後に,am=の形に変形すると,フーリエ係数の算出式が導かれます! bmも同様の方法で導くことができます! (※1)補足:フーリエ級数展開により元の関数を完全に再現できない場合もある 以下では,記事の中で(※1)と記載した部分について補足します。 ものすごーく細かいことで,上級者向けのことを言えば, 三角関数の和によって厳密にもとの周期関数x(t)を再現できる保証があるのは,x(t)が①区分的に滑らかで,②不連続点のない関数の場合です。 理工系で扱う関数のほとんどは区分的に滑らかなので①は問題ないとしても,②の不連続点がある関数の場合は,三角関数をいくら足し合わせても,その不連続点近傍で厳密には元の波形を再現できないことは,ほんの少しでいいので頭の片隅にいれておきましょう(^^)/ 非周期関数に対するフーリエ変換 この記事では,周期関数の中にどんな周波数成分がどんな大きさで含まれているのかを調べる方法として,フーリエ級数展開をご紹介してきました(^^)/ ですが, 実際は,周期的な関数ばかりではないですよね? 関数が非周期的な場合はどうすればいいのでしょうか? 三角関数の直交性 0からπ. ここで登場するのがフーリエ変換です! フーリエ変換は非周期的な関数を,周期∞の関数として扱うことで,フーリエ級数展開を適用できる形にしたものです(^^)/ 以下の記事では,フーリエ変換について分かりやすく解説しています!フーリエ変換とフーリエ級数展開の違いについてもまとめていますので,是非参考にしてください(^^)/ <フーリエ変換について>(フーリエ変換とは?,フーリエ変換とフーリエ級数展開の違い,複素フーリエ級数展開の導出など) フーリエ変換を分かりやすく解説 こんにちは,ハヤシライスBLOGです!今回はフーリエ変換についてできるだけ分かりやすく解説します。 フーリエ変換とは フーリエ変換の考え方をざっくり説明すると, 周期的な波形に対してしか使えないフーリエ級数展開を,非周期的な波形に対し... 以上がフーリエ級数展開の原理になります!
二乗可 積分 関数全体の集合] フーリエ級数 を考えるにあたり,どのような具体的な ヒルベルト 空間 をとればよいか考えていきます. 測度論における 空間は一般に ヒルベルト 空間ではありませんが, のときに限り ヒルベルト 空間空間となります. すなわち は ヒルベルト 空間です(文献[11]にあります). 閉 区間 上の実数値可測関数の同値類からなる ヒルベルト 空間 を考えます.以下が成り立ちます. (2. 1) の要素を二乗可 積分 関数(Square-integrable function)ともいいます(文献[12]にあります).ここでは 積分 の種類として ルベーグ 積分 を用いていますが,以下ではリーマン 積分 の表記を用いていきます.以降で扱う関数は周期をもつ実数値連続関数で,その ルベーグ 積分 とリーマン 積分 の 積分 の値は同じであり,区別が必要なほどの詳細に立ち入らないためです.またこのとき, の 内積 (1. 1)と命題(2. 1)の最右部の 内積 は同じなので, の正規直交系(1. 10)は の正規直交系になっていることがわかります.(厳密には完全正規直交系として議論する必要がありますが,本記事では"完全"性は範囲外として考えないことにします.) [ 2. フーリエ 係数] を周期 すなわち を満たす連続関数であるとします.閉 区間 上の連続関数は可測関数であり,( ルベーグ 積分 の意味で)二乗可 積分 です(文献[13]にあります).したがって です. は以下の式で書けるとします(ひとまずこれを認めて先に進みます). (2. 1) 直交系(1. 2)との 内積 をとります. (2. 2) (2. 3) (2. 4) これらより(2. 1)の係数を得ます. フーリエ 係数と正規直交系(の要素)との積になっています. (2. 5) (2. 7) [ 2. フーリエ級数] フーリエ 係数(2. 5)(2. 6)(2. 7)を(2. 1)に代入すると,最終的に以下を得ます. フーリエ級数 は様々な表現が可能であることがわかります. (2. 1) (※) なお, 3. 三角関数の直交性とフーリエ級数. (c) と(2. 1)(※)より, フーリエ級数 は( ノルムの意味で)収束することが確認できます. [ 2. フーリエ級数 の 複素数 表現] 閉 区間 上の 複素数 値可測関数の同値類からなる ヒルベルト 空間 を考えます.以下が成り立ちます.(2.