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 t の連続な絶対可積分関数 f(t) に対し、フーリエ変換を
F(ω)=F[f](ω)=∫−∞∞f(t)e−iωtdt
と定義する。ただし ω∈R とする。
- a>0, g(t)=f(at) とするとき、G=F[g] を F を用いて表せ。
- f(t)=e−t2 かつ a=2 のとき、F と G の概形を、違いが分かるように図示せよ。
- b>0, h(t)=f(t)e−ibt とするとき、H=F[h] を F を用いて表せ。
- f(t)=e−t2 かつ b=2 のとき、F と H の概形を、違いが分かるように図示せよ。
II. 正整数 N と複素数列 c1,…,cN に対し、離散フーリエ変換を
Dm=N1n=1∑Ncnexp(−N2πinm),1≤m≤N
と定義する。
- 1≤n,n′≤N に対し、次を求めよ。
S(n,n′)=N1m=1∑Nexp(N2πi(n−n′)m).
- Dm=∑n=1NUmncn と書くとき、U=[Umn] がユニタリ行列であることを示せ。
- D1,…,DN から cn を求める離散逆フーリエ変換の式を導け。
- cN+1=c1 とする。次の Q を Dm,Dm で表せ。
Q=n=1∑N(cncn+1+cn+1cn).
题目描述
I. 设连续函数 f(t) 绝对可积,其傅里叶变换为
F(ω)=F[f](ω)=∫−∞∞f(t)e−iωtdt,
其中 ω∈R。
- 设 a>0、g(t)=f(at),用 F 表示 G=F[g]。
- 当 f(t)=e−t2,a=2 时,在同图上画出 F,G,使两者的区别明确。
- 设 b>0、h(t)=f(t)e−ibt,用 F 表示 H=F[h]。
- 当 f(t)=e−t2,b=2 时,在同图上画出 F,H,使两者的区别明确。
II. 对正整数 N 和复数列 c1,…,cN,定义离散傅里叶变换
Dm=N1n=1∑Ncnexp(−N2πinm),1≤m≤N.
- 对 1≤n,n′≤N,计算
S(n,n′)=N1m=1∑Nexp(N2πi(n−n′)m).
- 若 Dm=∑n=1NUmncn,证明 U=[Umn] 为酉矩阵。
- 推导从 D1,…,DN 求 cn 的逆变换公式。
- 设 cN+1=c1,用 Dm,Dm 表示
Q=n=1∑N(cncn+1+cn+1cn).
Kai
s=at と変数変換すると、
G(ω)=a1F(aω).
f(t)=e−t2,a=2 のとき、
F(ω)=πe−ω2/4,G(ω)=2πe−ω2/16.
ともに中心は 0 で、G の最大値は F 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)e−i(ω+b)tdt=F(ω+b).
f(t)=e−t2,b=2 のとき、
H(ω)=πe−(ω+2)2/4.
形と高さは F と同じであり、中心が 0 から −2 に移動する。

II.1、II.2
n=n′ なら各項は 1 である。n=n′ なら、公比は 1 でなく、その N 乗が 1 なので、等比数列の和より
S(n,n′)=δnn′.
また
Umn=N−1/2e−2πinm/N,
よって
(U∗U)nn′=N1m=1∑Ne2πi(n−n′)m/N=δnn′.
したがって U∗U=I であり、U はユニタリ行列である。
II.3
D=Uc、U−1=U∗ より、
cn=N1m=1∑NDme2πinm/N.
II.4
逆変換を代入して II.1 の直交関係を用いると、
n=1∑Ncncn+1=m=1∑NDmDme2πim/N.
複素共役の式を加えると、
Q=2m=1∑NcosN2πmDmDm.