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例題集 / 電気・電子 / 電気回路 / ひずみ波交流

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難易度

全波整流波

知識・記憶レベル   難易度:
図1のような全波整流波を\reff{フーリエ級数}{フーリエ級数}に展開せよ。 ただし,展開した関数は第4項まで記載すること。 %=image:/media/2014/11/21/141655939943053400.png:図1

解答例・解説

偶関数波であるので,$a_{n}=0$ である。 $0$から$\pi$ を2倍すればよいので,$b_{0}$ は次のようになる。 \begin{eqnarray} b_{0} &=& \frac{2}{2\pi}\int_{0}^{\pi}2\sin x dx\nonumber\\ &=& \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}2\sin x dx = \frac{2}{\pi}\left[-\cos x\right]_{0}^{\pi} \nonumber\\ &=&-\frac{2}{\pi}\left(\cos \pi - \cos 0\right) = -\frac{2}{\pi}\left(-1 - 1\right)\nonumber\\ &=& \frac{4}{\pi} \end{eqnarray} $b_{n}$ も$0$から$\pi$ を2倍すればよいので,次のようになる。 \begin{eqnarray} b_{n} &=& \frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}2\sin x \cos nx dx\nonumber\\ \end{eqnarray} \reff{加法定理}{積を和・差に直す公式}を用いて \begin{eqnarray} b_{n} &=& \frac{4}{\pi}\int_{0}^{\pi} \frac{1}{2}\left(\sin(1+n)x + \sin(1-n)\right) dx\nonumber\\ &=& \frac{2}{\pi} \left( \left[\frac{-\cos(1+n)x}{1+n}\right]_{0}^{\pi} +\left[\frac{-\cos(1-n)x}{1-n}\right]_{0}^{\pi} \right)\nonumber\\ &=& \frac{2}{\pi} \left( \frac{-\cos(1+n)\pi-(-1)}{1+n} +\frac{-\cos(1-n)\pi-(-1)}{1-n} \right)\nonumber\\ &=& \frac{2}{\pi} \left( \frac{-\cos(1+n)\pi+1}{1+n} +\frac{-\cos(1-n)\pi+1}{1-n} \right)\nonumber\\ &=& \frac{2}{\pi} \left( \frac{-(-1)^{n+1}+1}{1+n} +\frac{-(-1)^{n-1}+1}{1-n} \right)\nonumber\\ &=& \frac{2}{\pi} \left( \frac{1-(-1)^{n+1}}{n+1} -\frac{1-(-1)^{n-1}}{n-1} \right)\nonumber\\ &=& \frac{2}{\pi} \left( \frac{(n-1)-(n-1)(-1)^{n+1}}{n^{2}-1}\right.\nonumber\\ &&\left.\frac{-(n+1)+(n+1)(-1)^{n-1}}{n^{2}-1}\right) \nonumber\\ &=& \frac{2}{\pi} \left( \frac{-2-(n-1)(-1)^{n+1} +(n+1)(-1)^{n-1} }{n^{2}-1}\right)\nonumber\\ \end{eqnarray} となることから,$n$ が奇数のとき \begin{eqnarray} b_{n}=\frac{2}{\pi} \left( \frac{-2-(n-1) +(n+1)}{n^{2}-1}\right)=0 \end{eqnarray} となる。$n$ が偶数のとき \begin{eqnarray} b_{n}&=&\frac{2}{\pi} \left( \frac{-2+(n-1) -(n+1)}{n^{2}-1}\right)\nonumber\\ &=& \frac{-8}{\pi(n^{2}-1)} \end{eqnarray} となる。よって,次のようになる。 \begin{eqnarray} i(x) &=& \underline{\frac{8}{\pi} \left( \frac{1}{2}-\frac{1}{3}\cos 2x - \frac{1}{15}\cos 4x\right.}\nonumber\\ &&\underline{-\left. \frac{1}{35}\cos 6x - \cdots \right)} \end{eqnarray}

実効値

知識・記憶レベル   難易度:
次の関数の実効値を求めよ。 \begin{eqnarray*} f(x) &=& \frac{4}{\pi}\left( \frac{1}{2} - \frac{1}{3}\cos 2x - \frac{1}{15}\cos 4x - \frac{1}{35}\cos 6x \right) \end{eqnarray*}

解答例・解説

実効値は以下のようになる。 \begin{eqnarray} |f(x)| &=& \frac{4}{\pi}\sqrt{\left(\frac{1}{2}\right)^{2} +\left(\frac{1}{3\sqrt{2}}\right)^{2}+ \left(\frac{1}{15\sqrt{2}}\right)^{2}}\nonumber\\ &=& \frac{4}{\pi}\sqrt{ \frac{1}{4}+\frac{1}{18}+\frac{1}{450}}\nonumber\\ &=& \sqrt{ \frac{16}{\pi^{2}}\frac{1}{4}+\frac{16}{\pi^{2}}\frac{1}{18}+\frac{16}{\pi^{2}}\frac{1}{450}}\nonumber\\ &=& \underline{ \sqrt{ \frac{4}{\pi^{2}}+\frac{8}{9\pi^{2}}+\frac{8}{225\pi^{2}}}} \end{eqnarray}