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東京大学 工学系研究科 2023年8月実施 数学 第5問

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description

I. 実変数 tt の連続な絶対可積分関数 f(t)f(t) に対し、フーリエ変換を

F(ω)=F[f](ω)=f(t)eiωtdtF(\omega)=\mathcal F[f](\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-i\omega t}\,dt

と定義する。ただし ωR\omega\in\mathbb R とする。

  1. a>0a>0, g(t)=f(at)g(t)=f(at) とするとき、G=F[g]G=\mathcal F[g]FF を用いて表せ。
  2. f(t)=et2f(t)=e^{-t^2} かつ a=2a=2 のとき、FFGG の概形を、違いが分かるように図示せよ。
  3. b>0b>0, h(t)=f(t)eibth(t)=f(t)e^{-ibt} とするとき、H=F[h]H=\mathcal F[h]FF を用いて表せ。
  4. f(t)=et2f(t)=e^{-t^2} かつ b=2b=2 のとき、FFHH の概形を、違いが分かるように図示せよ。

II. 正整数 NN と複素数列 c1,,cNc_1,\ldots,c_N に対し、離散フーリエ変換を

Dm=1Nn=1Ncnexp(2πinmN),1mND_m=\frac1{\sqrt N}\sum_{n=1}^Nc_n\exp\left(-\frac{2\pi i nm}{N}\right),\qquad1\le m\le N

と定義する。

  1. 1n,nN1\le n,n'\le N に対し、次を求めよ。
S(n,n)=1Nm=1Nexp(2πi(nn)mN).S(n,n')=\frac1N\sum_{m=1}^N\exp\left(\frac{2\pi i(n-n')m}{N}\right).
  1. Dm=n=1NUmncnD_m=\sum_{n=1}^NU_{mn}c_n と書くとき、U=[Umn]U=[U_{mn}] がユニタリ行列であることを示せ。
  2. D1,,DND_1,\ldots,D_N から cnc_n を求める離散逆フーリエ変換の式を導け。
  3. cN+1=c1c_{N+1}=c_1 とする。次の QQDm,DmD_m,\overline{D_m} で表せ。
Q=n=1N(cncn+1+cn+1cn).Q=\sum_{n=1}^N\left(\overline{c_n}c_{n+1}+\overline{c_{n+1}}c_n\right).

题目描述

I. 设连续函数 f(t)f(t) 绝对可积,其傅里叶变换为

F(ω)=F[f](ω)=f(t)eiωtdt,F(\omega)=\mathcal F[f](\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-i\omega t}\,dt,

其中 ωR\omega\in\mathbb R

  1. a>0a>0g(t)=f(at)g(t)=f(at),用 FF 表示 G=F[g]G=\mathcal F[g]
  2. f(t)=et2,a=2f(t)=e^{-t^2},a=2 时,在同图上画出 F,GF,G,使两者的区别明确。
  3. b>0b>0h(t)=f(t)eibth(t)=f(t)e^{-ibt},用 FF 表示 H=F[h]H=\mathcal F[h]
  4. f(t)=et2,b=2f(t)=e^{-t^2},b=2 时,在同图上画出 F,HF,H,使两者的区别明确。

II. 对正整数 NN 和复数列 c1,,cNc_1,\ldots,c_N,定义离散傅里叶变换

Dm=1Nn=1Ncnexp(2πinmN),1mN.D_m=\frac1{\sqrt N}\sum_{n=1}^Nc_n\exp\left(-\frac{2\pi i nm}{N}\right),\qquad1\le m\le N.
  1. 1n,nN1\le n,n'\le N,计算
S(n,n)=1Nm=1Nexp(2πi(nn)mN).S(n,n')=\frac1N\sum_{m=1}^N\exp\left(\frac{2\pi i(n-n')m}{N}\right).
  1. Dm=n=1NUmncnD_m=\sum_{n=1}^NU_{mn}c_n,证明 U=[Umn]U=[U_{mn}] 为酉矩阵。
  2. 推导从 D1,,DND_1,\ldots,D_Ncnc_n 的逆变换公式。
  3. cN+1=c1c_{N+1}=c_1,用 Dm,DmD_m,\overline{D_m} 表示
Q=n=1N(cncn+1+cn+1cn).Q=\sum_{n=1}^N\left(\overline{c_n}c_{n+1}+\overline{c_{n+1}}c_n\right).

Kai

I

s=ats=at と変数変換すると、

G(ω)=1aF(ωa).\boxed{G(\omega)=\frac1aF\left(\frac\omega a\right)}.

f(t)=et2,a=2f(t)=e^{-t^2},a=2 のとき、

F(ω)=πeω2/4,G(ω)=π2eω2/16.\boxed{F(\omega)=\sqrt\pi e^{-\omega^2/4},\qquad G(\omega)=\frac{\sqrt\pi}{2}e^{-\omega^2/16}}.

ともに中心は 00 で、GG の最大値は FF の半分、横方向の尺度は2倍である。

指数関数をまとめると、

H(ω)=f(t)ei(ω+b)tdt=F(ω+b).H(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-i(\omega+b)t}\,dt=\boxed{F(\omega+b)}.

f(t)=et2,b=2f(t)=e^{-t^2},b=2 のとき、

H(ω)=πe(ω+2)2/4.\boxed{H(\omega)=\sqrt\pi e^{-(\omega+2)^2/4}}.

形と高さは FF と同じであり、中心が 00 から 2-2 に移動する。

フーリエ変換の伸縮と周波数移動

II.1、II.2

n=nn=n' なら各項は 11 である。nnn\ne n' なら、公比は 11 でなく、その NN 乗が 11 なので、等比数列の和より

S(n,n)=δnn.\boxed{S(n,n')=\delta_{nn'}}.

また

Umn=N1/2e2πinm/N,U_{mn}=N^{-1/2}e^{-2\pi inm/N},

よって

(UU)nn=1Nm=1Ne2πi(nn)m/N=δnn.(U^*U)_{nn'}=\frac1N\sum_{m=1}^Ne^{2\pi i(n-n')m/N}=\delta_{nn'}.

したがって UU=IU^*U=I であり、UU はユニタリ行列である。

II.3

D=UcD=UcU1=UU^{-1}=U^* より、

cn=1Nm=1NDme2πinm/N.\boxed{c_n=\frac1{\sqrt N}\sum_{m=1}^ND_me^{2\pi inm/N}}.

II.4

逆変換を代入して II.1 の直交関係を用いると、

n=1Ncncn+1=m=1NDmDme2πim/N.\sum_{n=1}^N\overline{c_n}c_{n+1}=\sum_{m=1}^N\overline{D_m}D_m e^{2\pi im/N}.

複素共役の式を加えると、

Q=2m=1Ncos2πmNDmDm.\boxed{Q=2\sum_{m=1}^N\cos\frac{2\pi m}{N}\,D_m\overline{D_m}}.