도함수의 푸리에 계수 📂푸리에해석

도함수의 푸리에 계수

fourier coefficient of derivative

공식

구간 $[-L,\ L)$에서 정의된 함수 $f$가 연속이고, 조각마다 매끄럽다 고 하자.그러면 $f^{\prime}$의 푸리에 계수는 다음과 같다.

$$ a’_{n}=\dfrac{n\pi}{L}b_{n} $$

$$ b’_{n}=-\dfrac{n\pi}{L}a_{n} $$

$$ c’_{n}=\dfrac{in\pi}{L}c_{n} $$ 이 때, $a_{n},\ b_{n}$은 $f$의 푸리에 계수 , $c_{n}$은 $f$의 복소 푸리에 계수 이다.

증명

$$ \begin{align*} c’_{n} &=\dfrac{1}{2L}\int _{-L}^{L} f^{\prime}(t)e^{-i\frac{n\pi t}{L}}dt \\ &= \dfrac{1}{2L}\left[ f(t)e^{-i\frac{n\pi t}{L}} \right]_{-L}^{L} +\dfrac{in \pi}{L}\dfrac{1}{2L}\int_{-L}^{L} f(t)e^{-i\frac{n \pi}{L}t} dt \\ &= \dfrac{1}{2L}f(t)\left[ e^{-in\pi} -e^{in\pi}\right] +\dfrac{in \pi}{L}c_{n} \\ &= \dfrac{1}{2L}f(t)\left[ (-1)^{-n} -(-1)^{n}\right] +\dfrac{in \pi}{L}c_{n} \\ &= \dfrac{1}{2L}f(t)(-1)^{n}\left[ (-1)^{-2n} -1 \right] +\dfrac{in \pi}{L}c_{n} \\ &= \dfrac{in \pi}{L}c_{n} \end{align*} $$

두번째 등호는 부분적분에 의해 성립한다.

$$ \begin{align*} a’_{n} &= \dfrac{1}{L}\int _{-L}^{L} f^{\prime}(t)\cos \frac{n\pi t}{L} dt \\ &= \dfrac{1}{L}\left[ f(t)\cos \dfrac{n\pi t}{L} \right]_{-L}^{L} +\dfrac{n\pi}{L}\dfrac{1}{L}\int _{-L}^{L} f(t)\sin \dfrac{n\pi t}{L} dt \\ &= \dfrac{1}{L}f(t)\left( \cos n\pi -\cos n\pi \right) +\dfrac{n\pi}{L}b_{n} \\ &= \dfrac{n\pi}{L}b_{n} \end{align*} $$

두번째 등호는 부분적분에 의해 성립한다.

$$\begin{align*} b’_{n} &= \dfrac{1}{L}\int _{-L}^{L} f^{\prime}(t)\sin \dfrac{n\pi t}{L} dt \\ &= \dfrac{1}{L}\left[ f(t)\sin \dfrac{n\pi t}{L} \right]_{-L}^{L} -\dfrac{n\pi}{L}\dfrac{1}{L}\int _{-L}^{L} f(t)\cos \dfrac{n\pi t}{L} dt \\ &= \dfrac{1}{L}f(t)\left( \sin n\pi + \sin n\pi \right) -\dfrac{n\pi}{L}a_{n} \\ &= -\dfrac{n\pi}{L}a_{n} \end{align*} $$

두번째 등호는 부분적분에 의해 성립한다.

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