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微積分

フーリエ正弦・余弦変換の微分恒等式

フーリエ余弦変換を微分すると、その導関数が x f(x) のフーリエ正弦変換の負になることを学びます。

AIで数学をマスター

問題で困っていますか?Mathos AIは、あらゆる数学の概念について、ステップバイステップの解決策、即座の視覚化、パーソナライズされた指導を提供します。


学習リソース

このコンテンツは、Mathos AIオープンラーニングライブラリの一部です。生徒が複雑な数学の問題を視覚化し、理解するために設計されています。

Problem

Show that

Fs[xf(x)]=ddsFc(s).F_s[xf(x)] = -\frac{d}{ds}F_c(s).

Step 1: Start with the Fourier Cosine Transform

The Fourier Cosine transform of f(x)f(x) is defined as

Fc(s)=0f(x)cos(sx)dx.F_c(s) = \int_0^\infty f(x)\cos(sx)\,dx.

Step 2: Differentiate with Respect to ss

Differentiating both sides with respect to ss gives

ddsFc(s)=dds0f(x)cos(sx)dx.\frac{d}{ds}F_c(s) = \frac{d}{ds}\int_0^\infty f(x)\cos(sx)\,dx.

Differentiating inside the integral,

ddsFc(s)=0f(x)ddscos(sx)dx.\frac{d}{ds}F_c(s) = \int_0^\infty f(x)\frac{d}{ds}\cos(sx)\,dx.

Since

ddscos(sx)=xsin(sx),\frac{d}{ds}\cos(sx) = -x\sin(sx),

we get

ddsFc(s)=0f(x)(xsin(sx))dx.\frac{d}{ds}F_c(s) = \int_0^\infty f(x)(-x\sin(sx))\,dx.

Step 3: Identify the Fourier Sine Transform

Pulling out the negative sign,

ddsFc(s)=0xf(x)sin(sx)dx.\frac{d}{ds}F_c(s) = -\int_0^\infty xf(x)\sin(sx)\,dx.

The integral

0xf(x)sin(sx)dx\int_0^\infty xf(x)\sin(sx)\,dx

is the Fourier Sine transform of xf(x)xf(x), so

Fs[xf(x)]=0xf(x)sin(sx)dx.F_s[xf(x)] = \int_0^\infty xf(x)\sin(sx)\,dx.

Therefore,

ddsFc(s)=Fs[xf(x)].\frac{d}{ds}F_c(s) = -F_s[xf(x)].

Hence,

Fs[xf(x)]=ddsFc(s).F_s[xf(x)] = -\frac{d}{ds}F_c(s).

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