解決済み

数学です。

画像の積分の解き方がわかりません。


途中式を丁寧に説明していただけると助かります。

よろしくお願いします。

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計算を見やすくするため、α:=nπp/4\alpha :=\frac{n\pi}{p/4}と置きます。

第二項が00であることと合わせてana_nを書くと、an=1p/4(p/4p/6cos(αx)dx+p/6p/4cos(αx)dx)a_n=\frac{1}{p/4}\biggl(\int_{-p/4}^{-p/6}\cos(\alpha x)dx+\int_{p/6}^{p/4}\cos(\alpha x)dx\biggr)となります。

対称性を使って少し計算を楽にします。cos\cosは偶関数(cos(t)=cos(t)\cos(-t)=\cos(t))なので、p/4p/6cos(αx)dx=p/6p/4cos(αx)dx\int_{-p/4}^{-p/6}\cos(\alpha x)dx=\int_{p/6}^{p/4}\cos(\alpha x)dx

となるのでana_nan=2p/4p/6p/4cos(αx)dxa_n=\frac{2}{p/4}\int_{p/6}^{p/4}\cos(\alpha x)dxとまとめられます。

合成関数の微分から、

cos(αx)=1αsin(αx)\int \cos(\alpha x)=\frac{1}{\alpha}\sin(\alpha x)

となるのでan=2p/41α[sin(αx)]p/6p/4a_n=\frac{2}{p/4}\frac{1}{\alpha}\bigl[\sin(\alpha x)\bigr]_{p/6}^{p/4}

ここで、αp4=nπ,αp6=2nπ3\frac{\alpha p}{4}=n\pi,\frac{\alpha p}{6}=\frac{2n\pi}{3}だから、

an=2nπ(sin(nπ)sin(2nπ3))a_n=\frac{2}{n\pi}\Bigl(\sin (n\pi)-\sin \bigl(\frac{2n\pi}{3}\bigr)\Bigr)

となります。nnが整数のとき、

sin(nπ)=0\sin(n\pi)=0

sin(2nπ3)={0(n0(mod3))32(n1(mod3))32(n2(mod3))\sin\bigl(\frac{2n\pi}{3}\bigr)=\left\{\begin{array}{ll}0 & (n\equiv 0(mod3)) \\\frac{\sqrt{3}}{2} & (n\equiv 1(mod3)) \\\frac{-\sqrt{3}}{2} & (n\equiv 2(mod3))\end{array}\right.

となるので、整数mmを用いてa3m=0a_{3m}=0

a3m+1=3(3m+1)πa_{3m+1}=-\frac{\sqrt{3}}{(3m+1)\pi}

a3m+2=3(3m+2)πa_{3m+2}=\frac{\sqrt{3}}{(3m+2)\pi}

と書けます。


**対称性についての補足**

偶関数ffについて、区間[a,b][-a,-b]における積分

abf(x)dx(=:Iと置く)\int_{-a}^{-b}f(x)dx(=:Iと置く)

を考えます。t=xt=-xと置換すれば、dt=dxdt=-dx、積分区間は[a,b][a,b]になり、II

I=abf(t)(1)dtI=\int_{a}^{b}f(-t)(-1)dt

となり、f(t)=f(t)f(-t)=f(t)より、I=baf(t)dtI=\int_{b}^{a}f(t)dtとなります。(積分変数はダミー変数なので最終の式のttxxに変えても成り立ちます。)

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