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東京大学 工学系研究科 2011年8月実施 数学 第5問

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

フーリエ変換と逆変換を

F(ω)=12π∫−∞∞f(x)e−iωx dx,f(x)=12π∫−∞∞F(ω)eiωx dωF(\omega)=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^\infty f(x)e^{-i\omega x}\,dx, \qquad f(x)=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^\infty F(\omega)e^{i\omega x}\,d\omega

と定義する。g(x)=1−∣x∣/dg(x)=1-|x|/d(∣x∣≤d|x|\le d)、g(x)=0g(x)=0(∣x∣>d|x|>d)とし、0<d<a/20<d<a/2、NN は正の整数とする。

I. 次の各 ff の変換 FF を求めよ。 (1) f(x)=g(x)f(x)=g(x)。 (2) f(x)=g(x−a)+g(x)+g(x+a)f(x)=g(x-a)+g(x)+g(x+a)。 (3) f(x)=∑n=−NNg(x−na)f(x)=\sum_{n=-N}^Ng(x-na)。

II. I(3) の場合に ∫−∞∞∣F(ω)∣2 dω\int_{-\infty}^\infty|F(\omega)|^2\,d\omega を求めよ。

题目描述​

采用对称归一化的 Fourier 变换

F(ω)=12π∫−∞∞f(x)e−iωx dx,f(x)=12π∫−∞∞F(ω)eiωx dω.F(\omega)=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^\infty f(x)e^{-i\omega x}\,dx, \qquad f(x)=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^\infty F(\omega)e^{i\omega x}\,d\omega.

令 g(x)=1−∣x∣/dg(x)=1-|x|/d(∣x∣≤d|x|\le d),其他处为 00,其中 0<d<a/20<d<a/2,NN 为正整数。

I. 分别求下列函数的 F(ω)F(\omega):(1) f(x)=g(x)f(x)=g(x);(2) f(x)=g(x−a)+g(x)+g(x+a)f(x)=g(x-a)+g(x)+g(x+a); (3) f(x)=∑n=−NNg(x−na)f(x)=\sum_{n=-N}^N g(x-na)。

II. 对 I(3) 的函数,求 ∫−∞∞∣F(ω)∣2 dω\int_{-\infty}^\infty|F(\omega)|^2\,d\omega。

Kai​

I​

1​

偶関数であることを用いて部分積分すると、

G(ω)=22π∫0d(1−x/d)cos⁡ωx dx=2(1−cos⁡ωd)2π dω2(ω≠0).G(\omega)=\frac2{\sqrt{2\pi}}\int_0^d(1-x/d)\cos\omega x\,dx =\boxed{\frac{2(1-\cos\omega d)}{\sqrt{2\pi}\,d\omega^2}}\quad(\omega\ne0).

ω=0\omega=0 では連続延長して G(0)=d/2π\boxed{G(0)=d/\sqrt{2\pi}} とする。

2–3​

平行移動した関数 g(x−na)g(x-na) の変換は e−inaωG(ω)e^{-ina\omega}G(\omega) だから、

F2(ω)=(1+2cos⁡aω)G(ω),\boxed{F_2(\omega)=(1+2\cos a\omega)G(\omega)},
F3(ω)=G(ω)∑n=−NNe−inaω=G(ω)sin⁡((N+1/2)aω)sin⁡(aω/2).\boxed{F_3(\omega)=G(\omega)\sum_{n=-N}^Ne^{-ina\omega} =G(\omega)\frac{\sin((N+1/2)a\omega)}{\sin(a\omega/2)}}.

最後の比は aω∈2πZa\omega\in2\pi\mathbb Z では連続値 2N+12N+1 とする。

II​

2d<a2d<a により三角波の台は互いに交わらない。Parseval の等式から、

∫−∞∞∣F3(ω)∣2 dω=∫−∞∞∣f(x)∣2 dx=(2N+1) 2∫0d(1−x/d)2 dx=2d(2N+1)3.\int_{-\infty}^\infty|F_3(\omega)|^2\,d\omega =\int_{-\infty}^\infty|f(x)|^2\,dx =(2N+1)\,2\int_0^d(1-x/d)^2\,dx =\boxed{\frac{2d(2N+1)}3}.