フーリエ解析・ラプラス変換の問題
区間 で定義された関数 を奇関数として区間 に拡張し、さらに周期 の周期関数に拡張する。こうして得られる関数の正弦級数
の係数 を、正の整数 の式で求めよ。
この問題で使うもの
- 正弦級数・余弦級数(説明と入口の問題)
- フーリエ級数(説明と入口の問題)
- 部分積分(説明と入口の問題)
- 定積分の置換・部分積分と偶関数・奇関数(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(47 技能)
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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
一覧で見る(前提が先)
- 分数のたし算・ひき算
- 小数の四則計算
- 正負の数の加法・減法
- 分数のかけ算・わり算
- 四則の混じった計算の順序
- 正負の数の乗除・累乗と四則混合
- 分配法則を使った計算のくふう
- 文字式の計算(同類項・分配法則)
- 乗法公式による展開
- 因数分解
- 3 次式までの展開と因数分解
- 微分係数と導関数の定義
- 多項式の微分
- 多項式の不定積分
- 等間隔にならんだ数の和
- 等差・等比数列の和と Σ
- 数列の極限
- 関数の極限
- 積と商の微分
- 合成関数の微分
- 円の周の長さと面積
- おうぎ形の弧の長さと面積
- 弧の長さからおうぎ形の中心角と面積を求める
- 三角形・四角形の面積
- 約数の見つけ方
- 素因数分解と約数の個数
- 平方根の意味と根号の簡単化
- 三平方の定理
- 特別な直角三角形の辺の比
- 弧度法と単位円による三角関数
- の極限
- 加法定理と 2 倍角・半角・積和の公式
- 三角関数の導関数
- 根号の乗除と加減
- 指数の拡張と指数関数
- 対数の定義と性質
- 自然対数の底
- 指数関数・対数関数の導関数
- 基本的な関数の不定積分
- 置換積分
- 三角関数の積分
- 部分積分
- 無限等比級数と無限級数
- フーリエ級数
- 正弦級数・余弦級数
- 定積分の計算
- 定積分の置換・部分積分と偶関数・奇関数
ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
正弦級数・余弦級数の技能を使います。 を奇関数に拡張すると、フーリエ級数は の項だけになります。
ヒント 2
奇関数への拡張では で、 上の積分だけで係数が求まります。
ヒント 3
部分積分により となり、第 2 項は です。また を使います。
答えと解説
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解説を読む
手順 1(奇関数への拡張)
を奇関数として に拡張すると、拡張した関数は で そのものです。奇関数のフーリエ級数では、 の係数( を含む)は被積分関数が奇関数になるのですべて です。残るのは の項だけで、これが正弦級数です。
手順 2(係数の公式)
奇関数 について は偶関数なので
となります。つまり、もとの区間 上の積分だけで計算できます。
手順 3(積分の計算)
部分積分を用いると
です。第 1 項は より です。第 2 項は です。したがって
となります。
手順 4(係数の決定)
よって、正弦級数は
です。
別解
奇関数拡張なので 。部分積分により 。よって 。検算: のとき 。 で一致。 のとき 。 なので で一致。