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大学数学基礎解説
文献あり

z変換:1/n!のz変換を求める。

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$$\newcommand{BEQ}[0]{\begin{eqnarray}} \newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{ceil}[1]{\left\lceil#1\right\rceil} \newcommand{div}[0]{\mathrm{div}} \newcommand{division}[0]{÷} \newcommand{EEQ}[0]{\end{eqnarray}} \newcommand{floor}[1]{ \left\lfloor#1\right\rfloor} \newcommand{grad}[0]{\mathrm{grad}\ } \newcommand{hgf}[5]{{}_{#1}F_{#2}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{#3}{#4}\,;\,#5\right)} \newcommand{Iz}[0]{\int_z^{\infty} } \newcommand{IZT}[1]{\mathcal{Z^{-1}}\left[#1\right]} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{rot}[0]{\mathrm{rot}\ } \newcommand{SI}[1]{\sum_{#1=1}^{\infty}} \newcommand{SO}[1]{\sum_{#1 = 0}^{\infty}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} \newcommand{ZT}[1]{\mathcal{Z}\left[#1\right]} $$

目的

  • $\frac1{n!}$$z$変換を二通りの方法で求める。

$\frac1{n!}$$z$変換

$$ \BEQ \ZT{\frac1{n!}}=e^{\frac1{z}} &&& (\text{収束領域は} |z|>0) \EEQ $$

$e^{x}$のテイラー展開

$$ f(x):=e^{x} $$とおく。$f(x)$$0$のまわりでテイラー展開して
$$ f(x)=\SO{n}f^{(n)}(0) \frac{x^n}{n!} $$ただし、$f^{(n)}(x)$$f(x)$$n$階微分。ここで$e^x$は微分しても変化しない性質をもつ。つまり$f^{(1)}(x)=e^x=f(x)$なので
$$ f^{(n)}(x)=e^x $$となる。$f^{(n)}(0)=e^0=1$。よって
$$ f(x)=\SO{n}\frac{x^n}{n!} $$ここで$x=\frac1z$を代入すると、$\lim_{x \to 0} f^{(n)}(x)=\lim_{z \to \infty} f^{(n)}\left(\frac1z \right)=f^{(n)}\left(0 \right)$なので
$$ \BEQ f\left(\frac1z \right)&=&\SO{n} \frac1{n!} \left(\frac1z \right)^n=\SO{n} \frac1{n!} z^{-n}=\ZT{\frac1{n!}} &&& (\text{収束領域は} |z|>0) \EEQ $$となる。
一方で$f\left(\frac1z \right)=e^{\frac1z}$なので命題が示された。

漸化式を$z$変換

$$ f(n):=\frac1{n!} $$とおくと漸化式
$$ f(n)=\frac1n \frac1{(n-1)!}=\dfrac{f(n-1)}{n} $$が得られる。この漸化式に離散デルタ関数$δ(n)$と単位階段関数$u(n)$を使って初期値$f(0)=1$を埋め込んで
$$ \begin{eqnarray} f(n) &=& \left\{ \begin{array}{l} 1 & (n=0)\\ \dfrac{f(n-1)}{n} & (n>0) \end{array} \right.\\ &=& \delta(n)+\dfrac{f(n-1)}{n} u(n-1) && \end{eqnarray} $$両辺を$z$変換する。$\lim_{n\to 0}f(n-1)u(n-1)=0$なので$z$変換の積分則を使って
$$ \BEQ F(z) &=& 1+\ZT{\dfrac{f(n-1)}{n} u(n-1)} & \because \ZT{δ(n)}=1 \\ &=& 1+\Iz w^{-1} \ZT{f(n-1)u(n-1)} dw\\ &=& 1+\Iz w^{-2} \ZT{f(n)u(n)} dw & \because z \text{変換のシフト則}\\ &=& 1+\Iz w^{-2} F(z) dw\\ \EEQ $$ただし$F(z):=\ZT{f(n)}$。ここで両辺を$z$で微分して
$$ \frac{d}{dz} F(z)=-z^{-2}F(z) $$これは変数分離型の微分方程式なので
$$ \BEQ \int \frac{dF(z)}{F(z)} &=&\int -z^{-2}dz\\ \Longrightarrow \\ \log F(z)&=&\frac1z+C_0\\ \therefore F(z)&=&e^{\frac1z+C_0}=C_1\cdot e^{\frac1z} &&& (\text{収束領域は}|z|>0) \\ \EEQ $$ ただし、$C_0,C_1$は積分定数。
積分定数$C_1$を求める。$z$変換の初期値の定理から$\lim_{z\to \infty} F(z)=f(0)$なので両辺の$z \to \infty$の極限をとって
$$ f(0)=C_1 \cdot \lim_{z \to \infty} e^{\frac1z}=C_1 \cdot 1=C_1 $$ $f(0)=1$なので$F(z)=\ZT{\frac1{n!}}=e^{\frac1z}$となり、命題が示された。

参考文献

[1]
小島 紀男, 篠崎 寿夫, Z変換入門, 東海大学出版会
投稿日:2021224

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zeta
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