フーリエ級数展開

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フーリエ級数展開とは、正弦関数余弦関数(と定数)の無限和として関数を得る展開のことである。 得られる無限和(級数)をフーリエ級数、各項の係数をフーリエ係数という。

概要[編集]

周期関数f(t)の(複素)フーリエ級数展開は、フーリエ係数cn周期T虚数単位j円周率πを用いて以下の式になる。

f(t)=n=cnej2πntT

ただし、

cn=1T0Tf(t)ej2πntTdt

である。

実数値関数に限れば、フーリエ余弦係数anとフーリエ正弦係数bnを用いて以下の式になる。

f(t)=a02+n=1(ancos(2πntT)+bnsin(2πntT))

ただし、

an=2T0Tf(t)cos(2πntT)dt
bn=2T0Tf(t)sin(2πntT)dt

である。
偶関数のフーリエ級数展開はフーリエ余弦係数のみで構成され、奇関数のフーリエ級数展開はフーリエ正弦係数のみで構成される。a0cos(0)すなわち一定の成分であり、平均値(の2倍)に相当する。

フーリエ級数展開の例[編集]

三角関数複素指数関数のフーリエ級数展開は自分自身である(のでするまでもない)。

関数名 f(t) 周期 a0 an bn 級数
余弦関数 cos(kt) 2πk a0=0 a1=1,an=0(n1) bn=0 cos(kt)
正弦関数 sin(kt) 2πk a0=0 an=0 b1=1,bn=0(n1) sin(kt)
定数関数 C a0=2C an=0 bn=0 C
矩形波 f(t+kT)={1if 0tT21if T2t0(k) T a0=0 an={0if neven4π1nif nodd bn=0 4πm=1sin(2π(2m1)tT)2m1
三角波 f(t+kT)={4tT+1if 0tT24tT+1if T2t0(k) T a0=0 an=0 bn={0if neven8π21n2if nodd 8π2m=1cos(2π(2m1)tT)(2m1)2
ノコギリ波 f(t+kT)={2tTif T2tT2(k) T a0=0 an=2π(1)nn bn=0 2πn=1(1)nsin(2πntT)n

関連項目[編集]