フーリエ変換を用いた無限級数の計算

定理

k=01(3k+1)3k=01(3k+2)3=4π813 \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(3k+1)^3} - \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(3k+2)^3} = \dfrac{4\pi}{81\sqrt{3}}

この記事では フーリエ変換 を用いて無限級数の計算を行います。

元ネタは2011年の東大数学科大学院の入試です。原典では誘導があったので,その誘導に従って計算をしていきます。

ステップ1

R\mathbb{R} 上の関数 f(ξ)f(\xi)f(ξ)=(1211eixξdx)3 f(\xi) = \left( \dfrac{1}{2} \int_{-1}^{1} e^{-ix\xi} dx \right)^3 とおく。ff を計算する。

計算

11eixξdx=[eixξiξ]11=eiξeiξiξ=2sinξξ\begin{aligned} \int_{-1}^{1} e^{-ix\xi} dx &= \Big[ \dfrac{e^{-ix\xi}}{-i\xi} \Big]_{-1}^1\\ &= \dfrac{e^{i\xi}-e^{-i\xi}}{i\xi}\\ &= \dfrac{2\sin \xi}{\xi} \end{aligned} と計算されるため f(ξ)=sin3ξξ3f(\xi) = \dfrac{\sin^3 \xi}{\xi^3} となる。

ステップ2

ϕ(x)=f(ξ)eixξdξ \phi (x) = \int_{-\infty}^{\infty} f(\xi) e^{ix\xi} d\xi とおく。

ϕ(x)0\phi (x) \neq 0 となる xx の範囲と,ϕ(0)\phi (0) を計算する。

ϕ\phi の具体的な式がわからなくても良いことは後からわかります。

計算

χ(x)\chi (x)χ(x)={1(1x1)0(x<1,1<x) \chi (x) = \begin{cases} 1 &(-1 \le x \le 1)\\ 0 &(x < -1,1 < x) \end{cases} とおくと, f(ξ)=(12F[χ](ξ))3 f(\xi) = \left( \dfrac{1}{2} \mathcal{F} [\chi] (\xi) \right)^3 となる。

フーリエ変換と畳み込みの関係から f(ξ)=18F[(χχ)χ](ξ) f(\xi) = \dfrac{1}{8} \mathcal{F} [(\chi * \chi)* \chi] (\xi) となる。

フーリエ逆変換の式を思い出すと ϕ(x)=f(ξ)eixξdξ=2π12πf(ξ)eixξdξ=2πF1[f]=π4((χχ)χ)(x)\begin{aligned} \phi (x) &= \int_{-\infty}^{\infty} f(\xi) e^{ix\xi} d\xi\\ &= 2\pi \dfrac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty} f(\xi) e^{ix\xi} d\xi\\ &= 2\pi \mathcal{F}^{-1} [f]\\ &= \dfrac{\pi}{4} ((\chi * \chi) * \chi) (x) \end{aligned}

となる。

  • ϕ(x)0\phi (x) \neq 0 となる xx の範囲

χχ(x)=χ(y)χ(xy)dy\displaystyle \chi * \chi (x) = \int_{-\infty}^{\infty} \chi (y) \chi (x-y) dy である。

χ(y)χ(xy)={1(1y1,1xy1)0(other)={1(1y1,x1yx+1)0(other)\begin{aligned} \chi (y) \chi (x-y) &= \begin{cases} 1 & \left( \begin{array}{c} -1 \le y \le 1,\\ -1 \le x-y \le 1 \end{array} \right)\\ 0 &(other) \end{cases}\\ &= \begin{cases} 1 & \left( \begin{array}{c} -1 \le y \le 1,\\ x-1 \le y \le x+1 \end{array} \right)\\ 0 &(other) \end{cases} \end{aligned}

1y1-1 \le y \le 1x1yx+1x-1 \le y \le x+1 が共通部分を持たない xx では χχ(x)=0\chi * \chi (x) = 0 となる。逆に共通部分を持つような xx では χχ0\chi * \chi \neq 0 である。

2区間が共通部分を持つのは x11x-1 \le 11x+1-1 \le x+1 のとき,すなわち 2x2-2 \le x \le 2 のときである。

同じ考察から (χχ)χ(x)(\chi * \chi) * \chi (x)00 にならない xx の範囲は 3x3-3 \le x \le 3 であることがわかる。

  • ϕ(0)\phi (0) の計算

(χχ)χ(0)=(χχ(y))χ(y)dy=χ(z)χ(yz)χ(y)dzdy=1111χ(yz)dzdy=11y1y+1χ(w)dwdy\begin{aligned} (\chi * \chi) * \chi (0) &= \int_{-\infty}^{\infty} (\chi * \chi (y)) \chi (-y) dy\\ &= \int_{-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \chi (z) \chi (y-z) \chi (-y) dzdy\\ &= \int_{-1}^{1} \int_{-1}^1 \chi (y-z) dzdy\\ &= \int_{-1}^{1} \int_{y-1}^{y+1} \chi (w) dw dy \end{aligned}

なお w=yzw = y-z と置換している。

  1. 1y11-1 \le y-1 \le 1 すなわち 0y20 \le y \le 2 のとき y1y+1χ(w)=1(y1)=2y\begin{aligned} \int_{y-1}^{y+1} \chi (w) &= 1 - (y-1)\\ &= 2-y \end{aligned}

  2. 1y+11-1 \le y+1 \le 1 すなわち 2y0-2 \le y \le 0 のとき y1y+1χ(w)=y+1(1)=2+y\begin{aligned} \int_{y-1}^{y+1} \chi (w) &= y+1 - (-1)\\ &= 2+y \end{aligned}

上記より ϕ(0)=π410(2+y)dy+π401(2y)dy=π4(212+212)=34π\begin{aligned} \phi (0) &= \dfrac{\pi}{4} \int_{-1}^0 (2+y) dy + \dfrac{\pi}{4} \int_{0}^1 (2-y) dy\\ &= \dfrac{\pi}{4} \left( 2-\dfrac{1}{2} + 2-\dfrac{1}{2} \right)\\ &= \dfrac{3}{4} \pi \end{aligned} と計算される。

ステップ3

F(ξ)=k=f(ξ+2kπ3) F(\xi) = \sum_{k=-\infty}^{\infty} f \left( \xi + \dfrac{2k\pi}{3} \right) とおく。このとき FF は定数関数である。

証明
  • 級数が一様収束することを確認する

周期性より 0ξ23π0 \le \xi \le \dfrac{2}{3}\pi で考えればよい。

k0k \neq 0 とする。

f(ξ+2kπ3)=sin3(ξ+2kπ3)(ξ+2kπ3)31(2kπ3)3=278π31k3\begin{aligned} \left| f \left( \xi + \dfrac{2k\pi}{3} \right) \right| &= \left| \dfrac{\sin^3 \left( \xi + \frac{2k\pi}{3} \right)}{\left( \xi + \frac{2k\pi}{3} \right)^3} \right|\\ &\leq \dfrac{1}{\left( \frac{2|k|\pi}{3} \right)^3} \\ &= \dfrac{27}{8\pi^3} \dfrac{1}{|k|^3} \end{aligned} である。

k01k3=2k=11k3 \sum_{k \neq 0} \dfrac{1}{|k|^3} = 2 \sum_{k=1}^{\infty} \dfrac{1}{k^3} は収束する。

よって ワイエルシュトラスのM判定法 より級数は一様収束する。

  • 定数関数であることを示す

FF をフーリエ逆変換する。 F1[F](x)=12πk=f(ξ+2kπ3)eixξdξ=12πk=f(ξ)eixξ2kπix3dξ=12πk=ϕ(x)e2kπix3\begin{aligned} \mathcal{F}^{-1} [F] (x) &= \dfrac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty} \sum_{k=-\infty}^{\infty} f \left( \xi + \dfrac{2k\pi}{3} \right) e^{ix\xi} d\xi\\ &= \dfrac{1}{2\pi} \sum_{k=-\infty}^{\infty} \int_{-\infty}^{\infty} f \left( \xi \right) e^{ix\xi - \frac{2k\pi ix}{3}} d\xi\\ &= \dfrac{1}{2\pi} \sum_{k=-\infty}^{\infty} \phi (x) e^{- \frac{2k\pi ix}{3}} \end{aligned}

ここで k=e2kπix3\displaystyle \sum_{k=-\infty}^{\infty} e^{-\frac{2k\pi ix}{3}}デルタ関数の(周期3での)フーリエ級数展開 となる。つまり k=e2kπix3=3δ(x)\begin{aligned} \sum_{k=-\infty}^{\infty} e^{-\frac{2k\pi ix}{3}} &= 3 \delta(x) \end{aligned}

ステップ2より ϕ\phix3,3xx \le -3 , 3 \le x00 であったため, F1[F](x)=32πϕ(x)δ(x) \mathcal{F}^{-1} [F] (x) = \dfrac{3}{2\pi} \phi (x) \delta (x) と表される。

これをフーリエ変換すると F(ξ)=32πϕ(x)δ(x)eixξdx=3ϕ(0)2π=98\begin{aligned} F(\xi) &= \dfrac{3}{2\pi} \int_{-\infty}^{\infty} \phi (x) \delta (x) e^{ix\xi} dx\\ &= \dfrac{3\phi (0)}{2\pi}\\ &= \dfrac{9}{8} \end{aligned} を得る。

ステップ4

証明

ステップ3の両辺に ξ=0\xi = 0 を代入する。

F(0)=k=f(2kπ3)=f(0)+2k=1sin32kπ3(2kπ3)3=1+274π(k=0(32)3(3k+1)3k=0(32)3(3k+2)3)=1+81332π(k=01(3k+1)3k=01(3k+2)3)\begin{aligned} F(0) &= \sum_{k=-\infty}^{\infty} f \left( \dfrac{2k\pi}{3} \right)\\ &= f(0) + 2 \sum_{k=1}^{\infty} \dfrac{\sin^3 \dfrac{2k\pi}{3}}{\left( \dfrac{2k\pi}{3} \right)^3}\\ &= 1 + \dfrac{27}{4\pi} \left( \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{\left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right)^3}{(3k+1)^3} - \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{\left( \frac{\sqrt{3}}{2} \right)^3}{(3k+2)^3} \right)\\ &= 1 + \dfrac{81\sqrt{3}}{32 \pi} \left( \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(3k+1)^3} - \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(3k+2)^3} \right) \end{aligned}

F(0)=98F(0) = \dfrac{9}{8} であったので k=01(3k+1)3k=01(3k+2)3=1832π813=4π813\begin{aligned} &\sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(3k+1)^3} - \sum_{k=0}^{\infty} \dfrac{1}{(3k+2)^3}\\ &= \dfrac{1}{8} \cdot \dfrac{32\pi}{81\sqrt{3}}\\ &= \dfrac{4\pi}{81\sqrt{3}} \end{aligned} となる。

デルタ関数のフーリエ変換を用いて定数関数であることを示すのは面白いですね。