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数学・工学事典 / 数学 / 応用数学 / フーリエ級数・フーリエ変換

フーリエ級数

フーリエ級数

% 関数 $f(x)$ が, すべての実数 $x$ に対して % \begin{align*} f(x+T)=f(x) \quad (\mbox{$T$ は正の定数}) \end{align*} % を満たすとき, $f(x)$ を\ommindex{周期関数}{しゅうきかんすう}といい, この式を満たす最小の正の数 $T$ を $f(x)$ の \ommindex{周期}{しゅうき}という。 $\sin{t}$, $\cos{t}$ は周期 $2\pi$ の周期関数である。 $f(t)$ が周期 $T$ の関数であるとき, 自然数 $n$ に対して % \begin{align*} a_0 &= \frac{1}{\,T\,} \int_{-\frac{T}{\,2\,}}^{\frac{T}{\,2\,}} f(t) \,dt \\ a_n &= \frac{2}{\,T\,} \int_{-\frac{T}{\,2\,}}^{\frac{T}{\,2\,}} f(t)\cos\frac{2n\pi x}{\,T\,} \,dt \\ b_n &= \frac{2}{\,T\,} \int_{-\frac{T}{\,2\,}}^{\frac{T}{\,2\,}} f(t)\sin\frac{2n\pi x}{\,T\,} \,dt \end{align*} % と定めるとき, これらを係数とする級数 % \begin{align*} a_0 + \sum_{n=1}^{\infty} \left( a_n\cos\frac{2n\pi x}{T} + b_n\cos\frac{2n\pi x}{T} \right) \end{align*} % を $f(x)$ の\ommindex{フーリエ級数}{ふーりえきゅうすう}といい, 係数 $a_0$, $a_n$, $b_n$ を\ommindex{フーリエ係数}{ふーりえけいすう}という。 $f(x)$ と $f(x)$ のフーリエ級数は必ずしも一致しない。 係数 $a_0$, $a_n$, $b_n$ が $f(x)$ のフーリエ係数であるとき, % \begin{align*} f(x) \sim a_0 + \sum_{n=1}^{\infty} \left( a_n\cos\frac{2n\pi x}{T} + b_n\cos\frac{2n\pi x}{T} \right) \end{align*} % と表す。 %

フーリエ級数の収束定理

% 区分的に滑らかな周期関数 $f(x)$ のフーリエ級数は, % \begin{align*} \widetilde{f}(x)=\frac{1}{\,2\,}\left\{f(x-0)+f(x+0)\right\} \end{align*} % に収束する。 これを\ommindex{フーリエ級数の収束定理}{ふーりえきゅうすうのしゅうそくていり}という。 %

フーリエ余弦級数・正弦級数

% $L$ を正の定数とし, $f(x)$ を $0\le x \le L$ で定義された 区分的に滑らかな関数であるとする。 このとき, 実数全体で定義された関数 $f_{\text{e}}(x)$ を % \begin{align*} f_{\text{e}}(x) = \left\{\begin{array}{cc} f(x) & (0\le x \le L) \\ f(-x) & (-L< x <0) \end{array}\right., \quad f_{\text{e}}(x+2L)=f_{\text{e}}(x) \end{align*} % と定めると, $f_{\text{e}}(x)$ は $f(x)$ を周期 $T=2L$ の偶関数に拡張した関数となる。 このとき, $f_{\text{e}}(x)$ のフーリエ係数は % \begin{align*} a_0 &= \frac{1}{\,L\,}\int_{0}^{L}f(x)\,dx \\ a_n &= \frac{2}{\,L\,}\int_{0}^{L}f(x)\cos\frac{n\pi x}{\,L\,}\,dx \end{align*} % となるから, 区間 $[0,L]$ では, % \begin{align*} \widetilde{f}(x) &= a_0+\sum_{n=1}^\infty a_n \cos\frac{n\pi x}{L}\,dx \quad (0\le x \le L) \end{align*} % が成り立つ。 右辺の級数を\ommindex{フーリエ余弦級数}{ふーりえよげんきゅうすう}という。 また, 関数 $f_{\text{o}}(x)$ を % \begin{align*} f_{\text{o}}(x) = \left\{\begin{array}{cc} f(x) & (0\le x \le L) \\ -f(-x) & (-L< x <0) \end{array}\right., \quad f_{\text{o}}(x+2L)=f_{\text{e}}(x) \end{align*} % と定めると, $f_{\text{o}}(x)$ のフーリエ係数は % \begin{align*} a_n=0 \ (n=0,1,2,\ldots ), \quad b_n &= \frac{2}{\,L\,}\int_{0}^{L}f(x)\sin\frac{n\pi x}{\,L\,}\,dx \end{align*} % となるから, 区間 $[0,L]$ では, % \begin{align*} \widetilde{f}(x) &= \sum_{n=1}^\infty b_n \sin\frac{n\pi x}{L}\,dx \quad (0\le x \le L) \end{align*} % が成り立つ。 右辺の級数を\ommindex{フーリエ正弦級数}{ふーりえせいげんきゅうすう}という。 %

複素フーリエ級数

% 区分的に滑らかな周期 $T$ の周期関数 $f(x)$ に対して, % \begin{align*} c_n =\frac{1}{T} \int_{-\frac{T}{\,2\,}}^{\frac{T}{\,2\,}} f(x)e^{-i\,\frac{2n\pi }{T}x}\,dx \quad (n=0,\pm 1, \pm 2,\ldots ) \end{align*} % と定めると, $f(x)$ のフーリエ級数は % \begin{align*} f(x) \sim \sum_{n=-\infty}^\infty c_ne^{i\,\frac{2n\pi }{T}x} \end{align*} % の形となる。 この式の右辺を $f(x)$ の \ommindex{複素フーリエ級数}{ふくそふーりえきゅうすう}といい, $c_n$ を\ommindex{複素フーリエ係数}{ふくそふーりえけいすう}という。

離散スペクトル

% $\sin{\omega x}$ に対して, $\omega$ をこれらの関数の\ommindex{角周波数}{かくしゅうはすう}という。 指数関数 % \begin{align*} e^{i\,\frac{2n\pi }{T}x} = \cos{\frac{2n\pi }{T}x}+i\sin{\frac{2n\pi }{T}x} \end{align*} % は, 角周波数が $\displaystyle \frac{2n\pi }{T}$ の関数である。 したがって, $\left|c_n\right|$ は, $f(x)$ に角周波数が $\displaystyle \frac{2n\pi }{T}$ の三角関数が どれくらい含まれているかを示す値である。 これを $f(x)$ の\ommindex{離散スペクトル}{りさんすぺくとる}という。 %

フーリエ変換

フーリエ変換

% 広義積分 $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\left|f(x)\right|\,dx$ が 存在する関数 $f(x)$ に対して % \begin{align*} F(\omega ) = \frac{1}{\,\sqrt{2\pi}\,} \int_{-\infty}^\infty f(x)e^{-i\,\omega x}\,dx \end{align*} % を $f(x)$ の\ommindex{フーリエ変換}{ふーりえへんかん}といい, $\Fou{\left[f(x)\right]}$ と表す。 $a$, $b$ が定数であるとき % \begin{align*} {\cal F}[af(x)+bg(x)]=a{\cal F}[f(x)]+b{\cal F}[g(x)] \end{align*} % が成り立つ。 これを \ommindex{フーリエ変換の線形性}{ふーりえへんかんのせんけいせい}という。 さらに, $F(\omega)$ を $f(x)$ のフーリエ変換とするとき, 次の性質が成り立つ。 ただし, $a$, $c$ は定数で, $a\ne 0$ であるとする。 % \begin{enumerate} \item[(1)] $\Fou{\left[f(x-c)\right]} =e^{-ic\omega}F(\omega)$ \item[(2)] $\Fou{\left[e^{icx}f(x)\right]} =F(\omega-c)$ \item[(3)] $\Fou{\left[f(ax)\right]} =\frac{1}{|a|}F\left(\frac{\omega}{a}\right)$ \item[(4)] $\Fou{\left[\displaystyle f'(x)\right]} =i \,\omega F(\omega)$ \item[(5)] $\Fou{\left[\displaystyle\int_{-\infty}^x f(t)\,dt \right]} =\displaystyle\frac{1}{i \omega}F(\omega)$ \end{enumerate} %

フーリエ積分定理

$F(\omega)$ を $f(x)$ のフーリエ変換とするとき, % \begin{align*} \frac{1}{\,\sqrt{2\pi}\,} \int_{-\infty}^\infty F(\omega)e^{i\,\omega x}\,d\omega \end{align*} % を $F(\omega)$ の\ommindex{逆フーリエ変換}{ぎゃくふーりえへんかん}といい, $\Fouinv{\left[F(\omega)\right]}$で表す。 関数 $f(x)$ を, 実数全体で定義された区分的に滑らかな関数で, 広義積分 $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty |f(x)|\,dx$ が 存在するものとするとき, % \begin{align*} \Fouinv{\left[\Fou{\left[f(x)\right]}\right]} = \frac{1}{\,2\,}\{f(x-0)+f(x+0)\} \end{align*} % が成り立つ。 これを\ommindex{フーリエ積分定理}{ふーりえせきぶんていり}という。 $f(x)$ が連続ならば, この式の右辺は $f(x)$ と等しい。 フーリエ積分定理を, フーリエ級数と同じ記号を用いて % \begin{align*} F(\omega)=\int_{-\infty}^\infty f(x)e^{-i\,\omega x}\,dx, \quad f(x) \sim \frac{1}{2\pi}\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty} F(\omega)e^{i\,\omega x}\,d\omega \end{align*} % と表す。 これを\ommindex{反転公式}{はんてんこうしき}という。 % %

フーリエ余弦変換・正弦変換

% \begin{enumerate} \item[(1)] $f(x)$ が偶関数のとき, % \begin{align*} C(\omega)=2\int_0^{\infty}f(x)\cos{\omega x}\,dx \end{align*} % と定めれば, $F(\omega)=C(\omega)$ となる。 $C(\omega)$ を\ommindex{フーリエ余弦変換}{ふーりえよげんへんかん}という。 このとき, 次が成り立つ。 % \begin{align*} f(x) \sim \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\infty} C(\omega)\cos{\omega x}\,d\omega \end{align*} % \item[(2)] $f(x)$ が奇関数のとき, % \begin{align*} S(\omega)=2\int_0^{\infty}f(x)\sin{\omega x}\,dx \end{align*} % と定めれば, $F(\omega)=-iS(\omega)$ となる。 $S(\omega)$ を\ommindex{フーリエ正弦変換}{ふーりえせいげんへんかん}という。 このとき, 次が成り立つ。 % \begin{align*} f(x) \sim \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\infty}S(\omega)\sin{\omega x}\,d\omega \end{align*} % \end{enumerate} %

離散フーリエ変換

% $f(x)$ を周期 $T$ の周期関数であるとする。 区間 $[0,T]$ を $N$ 等分したときの 分点 $x_k=$ に対する関数 $f(x)$ の値を % \begin{align*} f_k=f\left(\frac{kT}{\,N\,}\right) \quad (k=0,1,2,\ldots ,N-1) \end{align*} % とする。 このとき, % \begin{align*} F_n=\frac{1}{\,N\,}\sum_{f_k}e^{-\frac{2\pi kn}{\,N\,}} \end{align*} % で定められる複素数列 $\{F_1,F_2,\ldots ,F_{N-1}$ を, \ommindex{離散フーリエ変換}{りさんふーりえへんかん}または \ommindex{DFT}{DFT}という。 $\{F_n\}$ から $\{f_k\}$ を求める関係式は % \begin{align*} f_k=\sum_{n=0}^{N-1}F_n e^{i\frac{2\pi nk}{\,N\,}} \end{align*} % となり, これを\ommindex{逆離散フーリエ変換}{ぎゃくりさんふーりえへんかん}という。 $\alpha=e^{-\frac{2\pi}{\,N\,}}$ とおくとき, $f_k$ と $F_n$ の関係は, 行列の積 % \begin{align*} \left(\begin{array}{c} F_0 \\ F_1 \\ F_2 \\ \vdots \\ F_{N-1} \end{array}\right) = \frac{1}{N} \left(\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & \alpha & \alpha^2 & \cdots & \alpha^{N-1} \\ 1 & \alpha^2 & \alpha^4 & \cdots & \alpha^{2(N-1)} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & \alpha^{N-1} & \alpha^{2(N-1)} & \cdots & \alpha^{(N-1)^2} \end{array}\right) \left(\begin{array}{c} f_0 \\ f_1 \\ f_2 \\ \vdots \\ f_{N-1} \end{array}\right) \end{align*} % で表される。 離散フーリエ変換を求めるために, 右辺の行列の積を工夫して計算回数を減らしたものが, \ommindex{高速フーリエ変換}{こうそくふーりえへんかん}または \ommindex{FFT}{FFT}と呼ばれるものである。 %

応用例

  • 標本化定理の証明 (音声情報処理)