数学 すうがく における周期 しゅうき 関数 かんすう (しゅうきかんすう、英 えい : periodic function )は、一定 いってい の間隔 かんかく あるいは周期 しゅうき ごとに取 と る値 ね が繰 く り返 かえ す関数 かんすう を言 い う。最 もっと も重要 じゅうよう な例 れい として、2π ぱい ラジアン の間隔 かんかく で値 ね の繰 く り返 かえ す三角 さんかく 関数 かんすう を挙 あ げることができる。周期 しゅうき 関数 かんすう は振動 しんどう や波動 はどう などの周期 しゅうき 性 せい を示 しめ す現象 げんしょう を記述 きじゅつ するものとして自然 しぜん 科学 かがく の各 かく 分野 ぶんや において利用 りよう される。周期 しゅうき 的 てき でない任意 にんい の関数 かんすう は非 ひ 周期 しゅうき 的 てき (ひしゅうきてき、英 えい : aperiodic )であるという。
周期 しゅうき P を持 も つ周期 しゅうき 関数 かんすう の図示 ずし
関数 かんすう f が周期 しゅうき 的 てき (periodic ) あるいは(0 でない定数 ていすう P に対 たい して)周期 しゅうき P を持 も つとは、x の任意 にんい の値 ね に対 たい して
f
(
x
+
P
)
=
f
(
x
)
{\displaystyle f(x+P)=f(x)}
が成立 せいりつ するときに言 い う。この性質 せいしつ を持 も つ定数 ていすう P のうちに最小 さいしょう の正数 せいすう が存在 そんざい するとき[ 1] 、そのような正数 せいすう P は基本 きほん 周期 しゅうき と呼 よ ぶ。周期 しゅうき P を持 も つ関数 かんすう は、長 なが さ P の区間 くかん ごとに値 ね が繰 く り返 かえ すが、そのような区間 くかん を一周 いっしゅう 期 き と呼 よ び表 あらわ す。
幾何 きか 学 がく 的 てき に言 い えば、周期 しゅうき 関数 かんすう はそのグラフが平行 へいこう 移動 いどう 対称 たいしょう となるような関数 かんすう として定義 ていぎ することができる。具体 ぐたい 的 てき には、関数 かんすう f が周期 しゅうき P に関 かん して周期 しゅうき 的 てき ならば、f のグラフは x 軸 じく 方向 ほうこう への移動 いどう 距離 きょり P の平行 へいこう 移動 いどう のもとで平行 へいこう 移動 いどう 不変 ふへん (英語 えいご 版 ばん ) である。このような周期 しゅうき 性 せい の定義 ていぎ は、ほかの幾何 きか 学 がく 図形 ずけい や周期 しゅうき 的 てき 平面 へいめん 充填 じゅうてん のような幾何 きか 学 がく パターンに対 たい しても拡張 かくちょう することができる。
周期 しゅうき 的 てき でない関数 かんすう は非 ひ 周期 しゅうき 的 てき であると言 い う。
正弦 せいげん 関数 かんすう のグラフを二 に 周期 しゅうき 分 ぶん 示 しめ した図 ず
例 たと えば正弦 せいげん 関数 かんすう は任意 にんい の x に対 たい して
sin
(
x
+
2
π ぱい
)
=
sin
x
{\displaystyle \sin(x+2\pi )=\sin x}
を満 み たすから周期 しゅうき 2π ぱい を持 も つ周期 しゅうき 関数 かんすう である。この関数 かんすう は長 なが さ 2π ぱい の区間 くかん ごとに同 おな じ値 ち を繰 く り返 かえ す。
日常 にちじょう 的 てき な例 れい は時間 じかん を変数 へんすう として、例 たと えば時計 とけい の針 はり や月齢 げつれい などが周期 しゅうき 的 てき な振 ふ る舞 ま いを見 み せる。周期 しゅうき 運動 うんどう は系 けい の位置 いち が全 すべ て同 おな じ周期 しゅうき を以って周期 しゅうき 関数 かんすう で表 あらわ されるような運動 うんどう を言 い う。
実 じつ 変数 へんすう や整数 せいすう 変数 へんすう の関数 かんすう であれば、周期 しゅうき 的 てき であることは関数 かんすう のグラフ が特定 とくてい の一部分 いちぶぶん のコピーを一定 いってい 間隔 かんかく で並 なら べて全体 ぜんたい を形作 かたちづく ることができることを意味 いみ する。
周期 しゅうき 関数 かんすう の簡単 かんたん な例 れい として、引数 ひきすう の小数 しょうすう 部分 ぶぶん を返 かえ す関数 かんすう
f
:
R
→
R
;
f
(
x
)
:=
x
−
⌊
x
⌋
{\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} \ ;\ f(x):=x-\lfloor x\rfloor }
を考 かんが えると、その周期 しゅうき は 1 である。特 とく に
f (0.5) = f (1.5) = f (2.5) = … = 0.5
のようなことが成 な り立 た つ。この関数 かんすう f のグラフは鋸歯 きょし 状 じょう 波 なみ になる。
f (x ) = sin(x ) および g (x ) = cos(x ) のグラフ。2 つの関数 かんすう はともに周期 しゅうき 2π ぱい を持 も つ。
三角 さんかく 関数 かんすう の正弦 せいげん および余弦 よげん 関数 かんすう は、ともに周期 しゅうき 2π ぱい を持 も つ、共通 きょうつう 周期 しゅうき 関数 かんすう である。フーリエ級数 きゅうすう の主題 しゅだい は、「勝手 かって な」周期 しゅうき 関数 かんすう を周期 しゅうき を調整 ちょうせい した三角 さんかく 関数 かんすう の和 わ として表 あらわ すという考 かんが えについて研究 けんきゅう するものである。
上記 じょうき の定義 ていぎ に従 したが えば、例 たと えばディリクレ関数 かんすう のような、ある種 しゅ の際立 きわだ った (exotic) 関数 かんすう までもが周期 しゅうき 的 てき であることになる(ディリクレ関数 かんすう の周期 しゅうき は任意 にんい の非 ひ 零 れい 有理数 ゆうりすう )。
周期 しゅうき 関数 かんすう f が周期 しゅうき P を持 も つならば f の定義 ていぎ 域 いき の各 かく 元 もと x と任意 にんい の整数 せいすう n に対 たい して
f (x + nP ) = f (x )
が成立 せいりつ する。同 おな じく f が周期 しゅうき P を持 も つならば、定数 ていすう a , b に対 たい して函数 かんすう f (ax + b ) は周期 しゅうき P ⁄|a | を持 も つ周期 しゅうき 函数 かんすう になる。例 たと えば f (x ) = sin x は周期 しゅうき 2π ぱい ゆえ sin(5x ) は周期 しゅうき 2π ぱい /5 を持 も つ。
複素 ふくそ 平面 へいめん 上 うえ で定義 ていぎ される関数 かんすう は、定数 ていすう 関数 かんすう でなくとも互 たが いに不均衡 ふきんこう な 2 つの周期 しゅうき を持 も ち得 え る(この文脈 ぶんみゃく での「不 ふ 均衡 きんこう 」は、一方 いっぽう が他方 たほう の実 じつ 数 すう 倍 ばい でないことを言 い う)。そのような関数 かんすう の例 れい として、楕円 だえん 関数 かんすう が挙 あ げられる。
複素数 ふくそすう を変数 へんすう に持 も つ周期 しゅうき 関数 かんすう として、以下 いか の複素 ふくそ 指数 しすう 関数 かんすう がよく知 し られている(この関数 かんすう はときに cis 関数 かんすう とも呼 よ ばれる)。
e
i
k
x
=
cos
k
x
+
i
sin
k
x
.
{\displaystyle e^{ikx}=\cos kx+i\,\sin kx.}
実 み 部 ぶ の余弦 よげん 関数 かんすう と虚 きょ 部 ぶ の正弦 せいげん 関数 かんすう のどちらも周期 しゅうき 的 てき であるから、この関数 かんすう は明 あき らかに周期 しゅうき 的 てき である。このような複素 ふくそ 指数 しすう 関数 かんすう の三角 さんかく 関数 かんすう による表示 ひょうじ はオイラーの公式 こうしき として知 し られる。この複素 ふくそ 指数 しすう 関数 かんすう を用 もち いることで三角 さんかく 関数 かんすう は指数 しすう 関数 かんすう によって書 か き表 あらわ すことができる。三角 さんかく 関数 かんすう と同様 どうよう に指数 しすう 関数 かんすう の周期 しゅうき L は L = 2π ぱい /k で与 あた えられる。
周期 しゅうき 関数 かんすう の一般 いっぱん 化 か の一 ひと つに反 はん 周期 しゅうき 関数 かんすう (はんしゅうきかんすう、英 えい : antiperiodic functions )があり、これは全 すべ ての x に対 たい して f (x + P ) = −f (x ) を満 み たすような関数 かんすう f のことを言 い う。従 したが って、周期 しゅうき について P 反 はん 周期 しゅうき 関数 かんすう は 2P 周期 しゅうき 関数 かんすう になる。
ブロッホ波 は やフロケ理論 りろん の文脈 ぶんみゃく では、周期 しゅうき 関数 かんすう はさまざまな周期 しゅうき 的 てき 微分 びぶん 方程式 ほうていしき の解 かい として一般 いっぱん 化 か され、まとめられる。この文脈 ぶんみゃく で(一 いち 次元 じげん の場合 ばあい の)解 かい は、典型 てんけい 的 てき には適当 てきとう な実 じつ または複素 ふくそ 定数 ていすう k を伴 ともな って
f
(
x
+
P
)
=
e
i
k
P
f
(
x
)
{\displaystyle f(x+P)=e^{ikP}f(x)}
なる形 かたち に表 あらわ される(定数 ていすう k はブロッホ波 は ベクトル やフロケ指数 しすう と呼 よ ばれる)。この文脈 ぶんみゃく では、この形 かたち の関数 かんすう はブロッホ周期 しゅうき 的 てき であると言 い うこともある。通常 つうじょう の周期 しゅうき 関数 かんすう は k = 0 なる特別 とくべつ の場合 ばあい であり、また反 はん 周期 しゅうき 関数 かんすう は k = π ぱい /P なる特別 とくべつ の場合 ばあい である。
フーリエ級数 きゅうすう は周期 しゅうき 関数 かんすう を表現 ひょうげん し、フーリエ級数 きゅうすう は畳 たた み込 こ み定理 ていり (すなわち、フーリエ級数 きゅうすう の畳 たた み込 こ みは表現 ひょうげん される周期 しゅうき 関数 かんすう の積 せき に対応 たいおう し、逆 ぎゃく もまた然 しか り)を満足 まんぞく するけれども、信号 しんごう 処理 しょり において周期 しゅうき 関数 かんすう の畳 たた み込 こ みは通常 つうじょう の定義 ていぎ に従 したが えば積分 せきぶん が発散 はっさん するために畳 たた み込 こ むことができないという問題 もんだい に遭遇 そうぐう する。これを解決 かいけつ する方法 ほうほう の一 ひと つは、有界 ゆうかい だが周期 しゅうき 的 てき でない領域 りょういき 上 じょう で定義 ていぎ された周期 しゅうき 関数 かんすう というものを考 かんが えることである。これを達成 たっせい するために商 しょう 空間 くうかん の概念 がいねん を用 もち いて
R
/
Z
=
{
x
+
Z
:
x
∈
R
}
=
{
{
y
:
y
∈
R
∧
y
−
x
∈
Z
}
:
x
∈
R
}
{\displaystyle {\mathbb {R} /\mathbb {Z} }=\{x+\mathbb {Z} :x\in \mathbb {R} \}=\{\{y:y\in \mathbb {R} \land y-x\in \mathbb {Z} \}:x\in \mathbb {R} \}}
を考 かんが えよう。このとき R /Z の各 かく 元 もと は同 おな じ小数 しょうすう 部分 ぶぶん を持 も つ実数 じっすう からなる同値 どうち 類 るい であり、関数 かんすう f : R /Z → R は周期 しゅうき 1 の周期 しゅうき 関数 かんすう を表 あらわ すものと考 かんが えられる。
Ekeland, Ivar (1990). “One”. Convexity methods in Hamiltonian mechanics . Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete (3) [Results in Mathematics and Related Areas (3)]. 19 . Berlin: Springer-Verlag. pp. x+247. ISBN 3-540-50613-6 . MR 1051888