フーリエ変換の計算例
x2+11 のフーリエ変換
ξ>0とし、
∫−∞∞x2+1eiξxdxを計算する。
積分経路として、R>1とし、C=C1+C2、C1は実軸上−RからRまで、C2を原点中心半径Rの上半円周とする。
∣i∣=1なので、z=iが内部に入るにはR>1が要る。
f(z)=z2+1eiξzはCの内部のz=iに1位の極をもち、留数は
z→ilimz2+1eiξz(z−i)=z→ilimz+ieiξz=2ie−ξである。
よって、
∫Cz2+1eiξzdz=πe−ξとなる。
∫C1z2+1eiξzdz=∫−RRz2+1eiξzdzである。
ξが実数なら∣eiξx∣=1なので、x2+1eiξx≤x2+11であり、
∫−∞∞x2+1dx=πは収束する。
よって被積分関数は絶対可積分で、広義積分が存在する。
R→∞とすることで、
∫−∞∞x2+1eiξxdxに収束する。
∫C2z2+1eiξzdz≤∫0πR2e2iθ+1eiξReiθiReiθdθ≤∫0πR2−1e−ξRsinθRdθで、Rが十分大きいときξ>0であることから、
≤∫0πR2−1Rdθ=R2−1πRで、R→∞で0に収束する。
以上から
∫−∞∞x2+1eiξxdx=πe−ξである。
ここで上半円周を選んだ理由を確認しておこう。
z=x+iyとすると
∣eiξz∣=∣eiξx∣∣e−ξy∣=e−ξy
である。
ξ>0のとき、これはy>0すなわち上半平面でyが大きくなるほど小さくなる。
だから上半円周をとれば円弧の寄与が消える。
逆にξ<0では上半平面でe−ξyが発散してしまい、円弧の評価ができない。
この場合は下半円周をとる。
指数関数がどちらの半平面で減衰するかが、積分路の選択を決めている。
ξ<0のときは下半円周を使い、z=−iの留数を拾う。
結果はπeξとなり、あわせて
∫−∞∞x2+1eiξxdx=πe−∣ξ∣
が得られる。
ξ=0とすると右辺はπであり、既知の∫−∞∞x2+1dx=πに戻る。