三角関数の直交性 フーリエ級数: 徳田秋聲記念館の紹介

〈リニア・テック 別府 伸耕〉 ◆ 動画で早わかり!ディジタル信号処理入門 第1回 「ディジタル信号処理」の本質 「 ディジタル信号処理 」は音声処理や画像処理,信号解析に無線の変復調など,幅広い領域で応用されている技術です.ワンチップ・マイコンを最大限に活用するには,このディジタル信号処理を理解することが必要不可欠です. 第2回 マイコンでsinを計算する実験 フーリエ解析の分野では,「 三角関数 」が大きな役割を果たします.三角関数が主役であるといっても過言ではありません.ここでは,三角関数の基礎を復習します. 第3回 マイコンでsinを微分する実験 浮動小数点演算回路 FPU(Floating Point Unit)とCortex-M4コアを搭載するARMマイコン STM32Fで三角関数の演算を実行してみます.マイコンでsin波を生成して微分すると,教科書どおりcos波が得られます. 第4回 マイコンでcosを積分する実験 第5回 マイコンで矩形波を合成する実験 フーリエ級数 f(x)=4/π{(1/1! ) sin(x) + (1/3! 三角関数の直交性 クロネッカーのデルタ. )sin (3x) + (1/5! )sin(5x)…,をマイコンで計算すると矩形波が合成されます. 第6回 三角関数の直交性をマイコンで確かめる フーリエ級数を構成する周期関数 sin(x),cos(x),sin(2x),cos(2x)…は全て直交している(内積がゼロである)ことをマイコンで計算して実証してみます.フーリエ級数は,これらの関数を「基底」とした一種のベクトルであると考えられます. 【連載】 実験しながら学ぶフーリエ解析とディジタル信号処理 スペクトラム解析やディジタル・フィルタをSTM32マイコンで動かしてみよう ZEPエンジニアリング社の紹介ムービ

  1. 三角関数の直交性 証明
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三角関数の直交性 証明

ここでパッと思いつくのが,関数系 ( は整数)である. 幸いこいつらは, という性質を持っている. いままでにお話しした表記法にすると,こうなる. おお,こいつらは直交基底じゃないか!しかも, で割って正規化すると 正規直交基底にもなれるぞ! ということで,こいつらの線形結合で表してみよう! (39) あれ,これ フーリエ級数展開 じゃね? そう!まさにフーリエ級数展開なのだ! 違う角度から,いつもなんとなく「メンドクセー」と思いながら 使っている式を見ることができたな! ちなみに分かってると思うけど,係数は (40) (41) で求められる. この展開に使われた関数系 が, すべての周期が である連続周期関数 を表すことができること, つまり 完全性 を今から証明する. 証明を行うにあたり,背理法を用いる. つまり, 『関数系 で表せない関数があるとすると, この関数系に含まれる関数全てと直交する基底 が存在し, こいつを使ってその関数を表さなくちゃいけない.』 という仮定から, を用いて論理を展開し,矛盾点を導くことで完全性を証明する. さて,まずは下ごしらえだ. (39)に(40)と(41)を代入し,下式の操作を行う. ただ積分と総和の計算順序を入れ替えて,足して,三角関数の加法定理を使っただけだよ! (42) ここで,上式で下線を引いた関数のことを Dirichlet核 といい,ここでは で表す. (43) (42)の最初と最後を取り出すと,次の公式を導ける. (44) つまり,「ある関数 とDirichlet核の内積をとると, がそのまま戻ってくる」のだ. この性質を利用して,矛盾を導いてみよう. 関数系 に含まれる関数全てと直交する基底 とDirichlet核との内積をとると,下記の通りとなる. は関数系 に含まれる関数全てと直交するので,これらの関数と内積をとると0になることに注意しながら演算する. ここで,「ある関数 とDirichlet核の内積をとると, がそのまま戻ってくる」という性質を思い出してみよう. (45) 上式から . ここで,基底となる関数の条件を思い出してみよう. 非零 かつ互いに線形独立だったよね. 三角 関数 の 直交通大. しかし! 非零のはずの が0になっている という矛盾を導いてしまった. つまり,先ほど仮定した『関数系 で表せない関数がある』という仮定が間違っていたことになる.

例えば,この波は「速い」とか「遅い」とか, そして, 「どう速いのか」などの具体的な数値化 を行うことができます. これは物凄く嬉しいことです. 波の内側の特性を数値化することができるのですね. フーリエ級数は,いくつかの角周波数を持った正弦波で近似的に表すことでした. そのため,その角周波数の違う正弦波の量というものが,直接的に 元々の関数の支配的(中心的)な波の周波数になりうる のですね. 低周波の三角関数がたくさん入っているから,この波はゆっくりした波だ,みたいな. 復習:波に関する基本用語 テンションアゲアゲで解説してきましたが,波に関する基本的な用語を抑えておかないといけないと思ったので,とりあえず復習しておきます. とりあえず,角周波数と周期の関係が把握できたら良しとします. では先に進みます. 次はフーリエ級数の理論です. 波の基本的なことは絶対に忘れるでないぞ!逆にいうと,これを覚えておけばほとんど理解できてしまうよ! フーリエ級数の理論 先ほどもちょろっとやりました. フーリエ級数は,ある関数を, 三角関数と直流成分(一定値)で近似すること です. しかしながら,そこには,ある概念が必要です. 区間です. 無限区間では難しいのです. フーリエ係数という,フーリエ級数で展開した後の各項の係数の数値が定まらなくなるため, 区間を有限の範囲 に設定する必要があります. これはだいたい 周期\(T\) と呼ばれます. フーリエ級数は周期\(T\)の周期関数である 有限区間\(T\)という定まった領域で,関数の近似(フーリエ級数)を行うので,もちろんフーリエ級数で表した関数自体は,周期\(T\)の周期関数になります. 周期関数というのは,周期毎に同じ波形が繰り返す関数ですね. サイン波とか,コサイン波みたいなやつです. つまり,ある関数をフーリエ級数で近似的に展開した後の関数というものは,周期\(T\)毎に繰り返される波になるということになります. これは致し方ないことなのですね. 周期\(T\)毎に繰り返される波になるのだよ! 三角関数をエクセルで計算する時の数式まとめ - Instant Engineering. なんでフーリエ級数で展開できるの!? どんな関数でも,なぜフーリエ級数で展開できるのかはかなり不思議だと思います. これには訳があります. それが次のスライドです. フーリエ級数の理論は,関数空間でイメージすると分かりやすいです. 手順として以下です.

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5㎝ 高さ:約26.

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