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関数の値の平均 📂解析学

関数の値の平均

定義

[a, b][a,\ b]からf(x)f(x)の平均値は区間に対して積分した後、区間の長さで割ることと同じだ。

1baabf(x)dx \dfrac{1}{b-a}\int_{a}^bf(x)dx

導出

区間[a, b][a,\ b]分割PPとしよう。

P={x1, x2, , xn} P=\left\{ x_{1},\ x_{2},\ \cdots ,\ x_{n} \right\}

この時、a=x1<x2<<xn=ba=x_{1} < x_{2} < \cdots < x_{n}=bであり、各点の間の距離は等しい。そして、Δx=xi+1xi\Delta x=x_{i+1}-x_{i}f(xi)f(x_{i})の合計をnnで割ってf(x)f(x)の平均値を推定しようとする。

f(x1)+f(x2)++f(xn)n \dfrac{ f(x_{1}) + f(x_{2}) + \cdots +f(x_{n}) } {n}

これはnnが大きくなるほど、関数の値の平均に近づくということだ。分子と分母にΔx\Delta xを掛けると以下のようになる。

(f(x1)+f(x2)++f(xn))ΔxnΔx \dfrac{\Big( f(x_{1}) + f(x_{2}) + \cdots +f(x_{n}) \Big)\Delta x} {n \Delta x}

nΔx=ban\Delta x=b-aなので次のようになる。

(f(x1)+f(x2)++f(xn))Δxba \dfrac{\Big( f(x_{1}) + f(x_{2}) + \cdots +f(x_{n}) \Big)\Delta x} {b-a}

nn \rightarrow \inftyであり、Δx0\Delta x \rightarrow 0の極限を取れば分子はabf(x)dx\int_{a}^bf(x)dxとなる。

1baabf(x)dx \dfrac{1}{b-a}\int_{a}^bf(x)dx

三角関数の一周期の平均は00だ。

  • コサイン関数

    cos(kx)\cos (kx)の一周期の平均を求めてみると次の通り。 02πkcos(kx)dx=1k[sin(kx)]02πk=1k(sin2πsin0)=0 \int_{0}^\frac{2\pi}{k} \cos(kx)dx = \dfrac{1}{k}\left[ \sin(kx)\right]_{0}^{\frac{2\pi}{k}} =\dfrac{1}{k}(\sin 2\pi -\sin 0 ) =0

  • サイン関数

    sin(kx)\sin (kx)の一周期の平均を求めてみると次の通り。 02πksin(kx)dx=1k[cos(kx)]02πk=1k(cos2πcos0)=0 \int_{0}^\frac{2\pi}{k} \sin(kx)dx = \dfrac{-1}{k}\left[ \cos(kx)\right]_{0}^{\frac{2\pi}{k}} =\dfrac{-1}{k}(\cos 2\pi -\cos 0 ) =0

参考