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東京大学 新領域創成科学研究科 人間環境学専攻 2022年8月実施 微分積分

Author​

思齐塾, 祭音Myyura

Description​

次に示す関数 f(x)f(x) について考える。ただし、 a>0a>0 とする。

f(x)=e−ax2f(x) = e^{-ax^2}

なお、必要に応じて以下の関係を用いてよい。ただし、 η>0\eta > 0 とする。

∫−∞∞e−ηx2dx=πη\int_{-\infty}^{\infty} e^{-\eta x^2} dx = \sqrt{\frac{\pi}{\eta}}
dF(ω)dω=−ω2aF(ω)\frac{dF(\omega)}{d\omega} = -\frac{\omega}{2a}F(\omega)

となることを示せ。 2) F(ω)F(\omega) を求めよ。 3) g(x)=e−bx2g(x) = e^{-bx^2} とする。ただし、 b>0b>0 とする。 2) の結果を利用して、 f(x)f(x) と g(x)g(x) の畳み込み

(f∗g)(x)=∫−∞∞f(t)g(x−t)dt(f*g)(x) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t)g(x-t) dt

を求めよ。

题目描述​

设 a>0a>0,并考虑高斯函数

f(x)=e−ax2.f(x)=e^{-ax^2}.

本题采用的傅里叶变换约定为

F(ω)=∫−∞∞f(x)e−iωx dx=∫−∞∞e−ax2e−iωx dx.F(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-i\omega x}\,dx =\int_{-\infty}^{\infty}e^{-ax^2}e^{-i\omega x}\,dx.

必要时可使用高斯积分公式

∫−∞∞e−ηx2 dx=πη,η>0.\int_{-\infty}^{\infty}e^{-\eta x^2}\,dx =\sqrt{\frac{\pi}{\eta}}, \qquad \eta>0.
  1. 证明 FF 满足微分方程

    dF(ω)dω=−ω2aF(ω).\frac{dF(\omega)}{d\omega} =-\frac{\omega}{2a}F(\omega).
  2. 求 F(ω)F(\omega)。

  3. 再设 b>0b>0 且

    g(x)=e−bx2.g(x)=e^{-bx^2}.

    利用第 2 问的结果,求 ff 与 gg 的卷积

    (f∗g)(x)=∫−∞∞f(t)g(x−t) dt.(f*g)(x)=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)g(x-t)\,dt.

Kai​

Fourier 変換を F[h](ω)=∫−∞∞h(x)e−iωx dx\mathcal F[h](\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}h(x)e^{-i\omega x}\,dx と定め、F=F[f]F=\mathcal F[f] とする。

  1. Let F(ω)=∫−∞∞e−ax2e−iωxdxF(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-ax^2}e^{-i\omega x}dx . 微分と積分を交換すると
dF(ω)dω=∫−∞∞(−ix)e−ax2−iωxdx=∫−∞∞ddx(i2ae−ax2)e−iωxdx\frac{dF(\omega)}{d\omega} = \int_{-\infty}^{\infty} (-ix) e^{-ax^2 - i\omega x} dx = \int_{-\infty}^{\infty} \frac{d}{dx}(\frac{i}{2a} e^{-ax^2})e^{-i\omega x} dx

Integrating by parts,

=[i2ae−ax2e−iωx]−∞∞−∫−∞∞i2ae−ax2(−iω)e−iωxdx=0−ω2a∫−∞∞e−ax2e−iωxdx=−ω2aF(ω)= [\frac{i}{2a} e^{-ax^2}e^{-i\omega x}]_{-\infty}^{\infty} - \int_{-\infty}^{\infty} \frac{i}{2a} e^{-ax^2} (-i\omega)e^{-i\omega x} dx = 0 - \frac{\omega}{2a} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-ax^2}e^{-i\omega x} dx = - \frac{\omega}{2a} F(\omega)

Hence dF(ω)dω=−ω2aF(ω)\frac{dF(\omega)}{d\omega} = - \frac{\omega}{2a} F(\omega) . 2) F(ω)=Ce−ω24aF(\omega) = C e^{-\frac{\omega^2}{4a}} . Since F(0)=∫−∞∞e−ax2dx=πaF(0) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-ax^2} dx = \sqrt{\frac{\pi}{a}} , then C=πaC = \sqrt{\frac{\pi}{a}} , and F(ω)=πae−ω24aF(\omega) = \sqrt{\frac{\pi}{a}} e^{-\frac{\omega^2}{4a}} 3) 設問 2) と畳み込み定理から、

F[f∗g](ω)=πabexp⁡(−a+b4abω2).\mathcal F[f*g](\omega) =\frac{\pi}{\sqrt{ab}}\exp\left(-\frac{a+b}{4ab}\omega^2\right).

c=ab/(a+b)c=ab/(a+b) とおくと、設問 2) より

F[e−cx2](ω)=πce−ω2/(4c).\mathcal F[e^{-cx^2}](\omega)=\sqrt{\frac{\pi}{c}}e^{-\omega^2/(4c)}.

両式を比較し、Fourier 変換の一意性を用いれば

(f∗g)(x)=πa+bexp⁡(−aba+bx2).\boxed{(f*g)(x)=\sqrt{\frac{\pi}{a+b}}\exp\left(-\frac{ab}{a+b}x^2\right)}.

直接積分しても同じ結果が得られる。f(x)=e−ax2f(x)=e^{-ax^2}、g(x)=e−bx2g(x)=e^{-bx^2} より、

(f∗g)(x)=∫−∞∞e−at2e−b(x−t)2dt=∫−∞∞e−at2−b(x2−2xt+t2)dt=∫−∞∞e−(a+b)t2+2bxt−bx2dt=∫−∞∞e−(a+b)[t2−2bxa+bt]−bx2dt=∫−∞∞e−(a+b)(t−bxa+b)2+(a+b)(b2x2(a+b)2)−bx2dt=e−abx2a+b∫−∞∞e−(a+b)(t−bxa+b)2dt(f*g)(x) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-at^2} e^{-b(x-t)^2} dt = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-at^2 - b(x^2 - 2xt + t^2)} dt = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-(a+b)t^2 + 2bxt - bx^2} dt = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-(a+b)[t^2 - \frac{2bx}{a+b}t] - bx^2} dt = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-(a+b)(t - \frac{bx}{a+b})^2 + (a+b)(\frac{b^2x^2}{(a+b)^2}) - bx^2} dt = e^{-\frac{abx^2}{a+b}} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-(a+b)(t - \frac{bx}{a+b})^2} dt

Let u=a+b(t−bxa+b)u = \sqrt{a+b}(t - \frac{bx}{a+b}) , then du=a+bdtdu = \sqrt{a+b} dt , and dt=1a+bdudt = \frac{1}{\sqrt{a+b}} du . So,

(f∗g)(x)=e−abx2a+b1a+b∫−∞∞e−u2du=e−abx2a+b1a+bπ=πa+be−abx2a+b(f*g)(x) = e^{-\frac{abx^2}{a+b}} \frac{1}{\sqrt{a+b}} \int_{-\infty}^{\infty} e^{-u^2} du = e^{-\frac{abx^2}{a+b}} \frac{1}{\sqrt{a+b}} \sqrt{\pi} = \sqrt{\frac{\pi}{a+b}} e^{-\frac{abx^2}{a+b}}