フーリエ正弦積分 例題(1)

次の関数のフーリエ正弦積分を求めよ。

\[ f(x) = \begin{cases} \ \ 1 \ \ &(0 \lt x \lt \pi)\\ \ \ 0 \ \ &(x \gt \pi) \end{cases} \]

この問題と同じ関数のフーリエ余弦積分については「フーリエ余弦積分 例題 (2)」をみてください。

\(f(x)\) を奇周期的に拡張して奇関数とみなすことで、フーリエ正弦積分の式にあてはめることができます。

フーリエ正弦積分は

\[ \begin{aligned} f(x) &= \int_0^{\infty} B(s) \sin sx ds\\ B(s) &= \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\infty} f(t) \sin st dt\\ \end{aligned} \]

ですから、この問題の場合は、

\[ \begin{aligned} B(s) &= \frac{2}{\pi} \int_0^{\pi} \sin st dt\\[1.4em] &= \frac{2}{\pi} \Big[ -\frac{\cos st}{s} \Big]_0^{\pi}\\[1.4em] &= \frac{2 (1 - \cos \pi s)}{\pi s} \end{aligned} \]

となります。

したがって、\(f(x)\) のフーリエ正弦積分表示は

\[ f(x) = \frac{2}{\pi} \int_0^{\infty} \frac{1 - \cos \pi s}{s} \sin xs ds \]

となります。

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