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푸리에 분석

푸리에 분석

ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์ด๋ž€ ๋ฌด์—‡์ž…๋‹ˆ๊นŒ?

ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์€ ์ด๋ฏธ ์ •๊ทœํ™”๋œ ์‹œ๊ณ„์—ด ๋ฐ์ดํ„ฐ ์„ธํŠธ์—์„œ ํŒจํ„ด์ด๋‚˜ ์ฃผ๊ธฐ๋ฅผ ์‹๋ณ„ํ•˜๋ ค๋Š” ์ˆ˜ํ•™์  ๋ถ„์„ ์œ ํ˜•์ž…๋‹ˆ๋‹ค. ํŠนํžˆ, ์‚ฌ์ธํŒŒ ์™€ ๊ฐ™์€ ์ผ๋ จ์˜ ์‚ผ๊ฐ ํ•จ์ˆ˜ ๋˜๋Š” ์ง€์ˆ˜ ํ•จ์ˆ˜๋กœ ๋ถ„ํ•ดํ•˜์—ฌ ๋ฐ์ดํ„ฐ๋ฅผ ๋‹จ์ˆœํ™”ํ•˜๊ฑฐ๋‚˜ ์žก์Œ์ด ๋งŽ์€ ๋ฐ์ดํ„ฐ๋ฅผ ์ฐพ์Šต๋‹ˆ๋‹ค . ์ด๋Ÿฌํ•œ ๊ฐ๊ฐ์˜ ์‚ฌ์ธํŒŒ๋Š” ๋‹ค๋ฅธ ์‚ฌ์ธํŒŒ์™€ ํŠน์ • ์ฃผ๊ธฐ ๊ธธ์ด, ์ง„ํญ ๋ฐ ์œ„์ƒ ๊ด€๊ณ„๋ฅผ ๊ฐ€์ง€๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ๋‹ค์‹œ ํ•จ๊ป˜ ์ถ”๊ฐ€ํ•˜์—ฌ ๊ด€์ฐฐ๋œ ๋ฐ์ดํ„ฐ๋ฅผ ์žฌ๊ตฌ์„ฑํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค.

์ถ”์„ธ ๋˜๋Š” ๊ธฐํƒ€ ๋ณต์žกํ•œ ์š”์ธ ์˜ ์˜ํ–ฅ์„ ๋จผ์ € ์‹๋ณ„ํ•˜๊ณ  ์ œ๊ฑฐํ•จ์œผ๋กœ์จ ์ฃผ๊ธฐ์ ์ธ ์ฃผ๊ธฐ ๋˜๋Š” ํŒจํ„ด์˜ ์˜ํ–ฅ์„ ๋ณด๋‹ค ์ •ํ™•ํ•˜๊ฒŒ ์‹๋ณ„ํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์œผ๋ฏ€๋กœ ๋ถ„์„๊ฐ€๋Š” ๋ถ„์„ ์ค‘์ธ ๋ฐ์ดํ„ฐ๊ฐ€ ์ทจํ•  ๋ฐฉํ–ฅ์„ ๋” ์ž˜ ์ถ”์ •ํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. ๋ฏธ๋ž˜.

ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„ ์ดํ•ด

19์„ธ๊ธฐ ํ”„๋ž‘์Šค ์ˆ˜ํ•™์ž์ด์ž ๋ฌผ๋ฆฌํ•™์ž์ธ Jean Baptiste Joseph Fourier(1768-1830)์˜ ์ด๋ฆ„์„ ๋”ฐ์„œ ๋ช…๋ช…๋œ ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์€ ๋ณต์žกํ•˜๊ฒŒ ๋“ค๋ฆด ์ˆ˜ ์žˆ์ง€๋งŒ ์‹ค์ œ๋กœ๋Š” ์ข‹์€ ์˜๋ฏธ๊ฐ€ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. ๋ณธ์งˆ์  ์œผ๋กœ ๋ณต์žกํ•œ ์‹œ๊ณ„์—ด ๋ฐ์ดํ„ฐ๋Š” ๋” ๊ฐ„๋‹จํ•œ ํ•จ์ˆ˜์˜ ํ•ฉ์œผ๋กœ ํ•ด์„๋  ์ˆ˜ ์žˆ๋‹ค๋Š” ์ด๋ก ์ž…๋‹ˆ๋‹ค ์‚ผ๊ฐ๋ฒ•์œผ๋กœ ์„ค๋ช…๋œ ๊ฒƒ๊ณผ ๊ฐ™์€ ๊ฒƒ์ž…๋‹ˆ๋‹ค.

๋งŽ์€ ์—ฐ๊ตฌ์—์„œ ์ฃผ์‹ ์‹œ์žฅ ๊ฐ€๊ฒฉ ์˜ˆ์ธก์˜ ์‹ค์ œ ๊ฐ€์น˜์— ๋Œ€ํ•œ ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์„ ํƒ๊ตฌํ–ˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์€ ๋ฐ˜๋ณต์ ์ธ ํŒŒํ˜•์„ ๊ณ ์กฐํŒŒ ์„ฑ๋ถ„์œผ๋กœ ๋ถ„ํ•ดํ•˜๋ ค๊ณ  ํ•˜๊ณ  ์ฃผ์‹ ์‹œ์žฅ์€ ์ž˜ ์ •์˜๋˜๊ณ  ๋ฐ˜๋ณต์ ์ธ ๋ฐฉ์‹์œผ๋กœ ์›€์ง์ด์ง€ ์•Š๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์— ๋Œ€๋ถ€๋ถ„์˜ ์œ ์‚ฌํ•œ ์ „๋žต๊ณผ ๋งˆ์ฐฌ๊ฐ€์ง€๋กœ ๊ฒฐ๊ณผ๊ฐ€ ํ˜ผํ•ฉ๋ฉ๋‹ˆ๋‹ค.

์‹œ์žฅ ๋ฐฉํ–ฅ ๋ฐ ์ถ”์„ธ๋ฅผ ์˜ˆ์ธกํ•˜๊ธฐ ์œ„ํ•œ ๊ธฐ์ˆ ์  ๋ถ„์„ ๋„๊ตฌ ๋กœ ์•Œ๊ณ ๋ฆฌ์ฆ˜ ๊ฑฐ๋ž˜ ์—์„œ ์ž์ฃผ ๊ตฌํ˜„๋ฉ๋‹ˆ๋‹ค . ๊ทธ๋Ÿฌ๋‚˜ ์ฃผ๊ฐ€๋ฅผ ์˜ˆ์ธกํ•˜๋Š” ๋ฐ ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์˜ ์œ ์šฉ์„ฑ์„ ์ ๊ทน์ ์œผ๋กœ ๊ฒ€ํ† ํ•˜๋ ค๋Š” ์ตœ๊ทผ์˜ ์—ฐ๊ตฌ๋Š” ๊ทธ ๋ฐฉ๋ฒ•์ด ์‹คํŒจํ•œ ๊ฒƒ์œผ๋กœ ๋‚˜ํƒ€๋‚ฌ์Šต๋‹ˆ๋‹ค .

๊ฐœ๋…์  ์˜ˆ

์˜ˆ๋ฅผ ๋“ค์–ด, ์ œ์กฐ ํšŒ์‚ฌ๊ฐ€ ์ฃผ์š” ์›์ž์žฌ๊ฐ€ ๊ฐ€๊ฒฉ ์ฃผ๊ธฐ์˜ ์–ด๋Š ๋‹จ๊ณ„์— ์žˆ๋Š”์ง€ ์•Œ๊ณ  ์‹ถ์–ดํ•œ๋‹ค๊ณ  ๊ฐ€์ •ํ•ฉ๋‹ˆ๋‹ค. ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์€ ์‹œ๊ฐ„์ด ์ง€๋‚จ์— ๋”ฐ๋ผ ์ƒํ’ˆ์˜ ๋‹ฌ๋Ÿฌ ๊ฐ€๊ฒฉ์„ ์ง€์†์ ์œผ๋กœ ์ฆ๊ฐ€์‹œํ‚ฌ ๊ฒƒ์ด๊ธฐ ๋•Œ๋ฌธ์— ๋ถ„์„๊ฐ€๋Š” ๋จผ์ € ์ƒํ’ˆ์˜ ์—ญ์‚ฌ์  ๊ฐ€๊ฒฉ์—์„œ ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์˜ ์˜ํ–ฅ์„ ์ œ๊ฑฐํ•  ๊ฒƒ์ž…๋‹ˆ๋‹ค.

์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜ ์€ ์ผ๋ฐ˜์ ์œผ๋กœ ์ง€์ •๋œ ์ด์ž์œจ ์‚ฌ์ด์—์„œ ์œ ์ง€๋˜๋ฉฐ ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์ด ์‚ฌ์ „ ์„ค์ •๋œ ํ•œ๋„๋ฅผ ์ถฉ์กฑํ•˜๊ฑฐ๋‚˜ ์ดˆ๊ณผํ•˜๋Š” ๊ฒฝ์šฐ ์ค‘์•™ ์€ํ–‰์—์„œ ์ด์ž์œจ์„ ์กฐ์ •ํ•˜์—ฌ ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์„ ๋†’์ด๊ฑฐ๋‚˜ ๋‚ฎ์ถ”์–ด ๋ชฉํ‘œ ๋ฒ”์œ„ ๋‚ด๋กœ ๊ฐ€์ ธ์˜ต๋‹ˆ๋‹ค. ๋”ฐ๋ผ์„œ ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์œจ์ด ์ฆ๊ฐ€, ๊ฐ์†Œ ๋˜๋Š” ๋™์ผํ•˜๊ฒŒ ์œ ์ง€๋จ์— ๋”ฐ๋ผ ์ด์ž์œจ์€ ๋ฐ”๋žŒ์งํ•˜์ง€ ์•Š์€ ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์œจ์„ ํ†ต์ œํ•˜๊ธฐ ์œ„ํ•ด ์œ„์•„๋ž˜๋กœ ์ง„๋™ํ•  ๊ฒƒ์ž…๋‹ˆ๋‹ค.

๋”ฐ๋ผ์„œ ๋ถ„์„๊ฐ€๊ฐ€ ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์œจ์ด ์ฃผ๊ธฐ์ ์ด๋ผ๊ณ  ๋ฏฟ๋Š”๋‹ค๋ฉด ์‹œ๊ณ„์—ด์—์„œ ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜ ์ฃผ๊ธฐ์™€ ์ผ์น˜ํ•˜๋Š” ์‚ฌ์ธํŒŒ๋ฅผ ๋บ„ ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค. ์ธํ”Œ๋ ˆ์ด์…˜์ด ํ†ต์ œ๋˜๋ฉด ๋ถ„์„๊ฐ€๋Š” ์ƒํ’ˆ์ด ๊ฒฝํ—˜ํ•˜๋Š” ์‹ค์ œ ๊ฐ€๊ฒฉ ์ฃผ๊ธฐ๋ฅผ ํ›จ์”ฌ ๋” ์ •ํ™•ํ•˜๊ฒŒ ํŒŒ์•…ํ•  ์ˆ˜ ์žˆ์Šต๋‹ˆ๋‹ค.

##ํ•˜์ด๋ผ์ดํŠธ

  • ์•„์ด๋””์–ด๋Š” ์ง„์ •ํ•œ ํŒจํ„ด์ด๋‚˜ ๊ฒฝํ–ฅ์„ ์‹๋ณ„ํ•˜๊ธฐ ์œ„ํ•ด ๋ฐ์ดํ„ฐ ์„ธํŠธ์—์„œ ์žก์Œ์ด๋‚˜ ๊ต๋ž€ ์š”์ธ์„ ์ œ๊ฑฐํ•  ์ˆ˜ ์žˆ๋‹ค๋Š” ๊ฒƒ์ž…๋‹ˆ๋‹ค.

  • ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์€ ์ฃผ์‹ ๊ฑฐ๋ž˜์— ์ ์šฉ๋˜์—ˆ์ง€๋งŒ ์ด ๊ธฐ๋ฒ•์„ ๊ฒ€ํ† ํ•œ ์—ฐ๊ตฌ์—์„œ๋Š” ์‹ค์ œ๋กœ ์œ ์šฉํ•˜๋‹ค๋Š” ์ฆ๊ฑฐ๊ฐ€ ๊ฑฐ์˜ ๋˜๋Š” ์ „ํ˜€ ๋ฐœ๊ฒฌ๋˜์ง€ ์•Š์•˜์Šต๋‹ˆ๋‹ค.

  • ํ‘ธ๋ฆฌ์— ๋ถ„์„์€ ๋ณต์žกํ•œ ์‹œ๊ณ„์—ด ๋ฐ์ดํ„ฐ๋ฅผ ๋” ๋‹จ์ˆœํ•œ ์‚ผ๊ฐ ํ•จ์ˆ˜๋กœ ๋ถ„ํ•ดํ•˜๋Š” ์ˆ˜ํ•™์  ๊ธฐ๋ฒ•์ž…๋‹ˆ๋‹ค.