フーリエ級数
という三角級数を見つけている。左辺の三角関数の一つ一つは波打っているにもかかわらず、x に依らない定数に収束しているのである。
x = 0 としたときの級数は円周率を求めるグレゴリー級数と同じである。
x の定義域を広げるとこの三角級数は n を整数として
∑ k = 0 ∞ ( − 1 ) k 2 k + 1 cos  ( ( 2 k + 1 ) x ) = ( − 1 ) n π 4 , ( − π 2 + n π < x < π 2 + n π ) {\displaystyle \sum _{k=0}^{\infty }{(-1)^{k} \over 2k+1}\cos((2k+1)x)=(-1)^{n}{\pi \over 4},\left(-{\pi \over 2}+n\pi <x<{\pi \over 2}+n\pi \right)}
という矩形波になる。
フーリエ級数(フーリエきゅうすう、英語: Fourier series)とは、複雑な周期関数や周期信号を単純な形の周期性をもつ関数の無限和(級数)によって表したものである。フーリエ級数は、フランスの数学者ジョゼフ・フーリエによって金属板の中での熱伝導に関する研究の中で導入された。
熱伝導方程式は、偏微分方程式として表される。フーリエの研究の前までには、一般的な形での熱伝導方程式の解法は知られておらず、熱源が単純な形である場合、例えば正弦波などの場合の特別な解しかえられていなかった。この特別な解は現在では固有解と呼ばれる。フーリエの発想は、複雑な形をした熱源をサイン波、コサイン波の線型結合として考え、解を固有解の和として表すものであった。 この重ね合わせがフーリエ級数と呼ばれる。
最初の動機は熱伝導方程式を解くことであったが、数学や物理の他の問題にも同様のテクニックが使えることが分かり様々な分野に応用されている。 フーリエ級数は、電気工学、振動の解析、音響学、光学、信号処理、量子力学および経済学などの分野で用いられている。
が考えられ、これも同じようにフーリエ級数という。この級数が、元の x に等しいとき、フーリエ展開できるという。そしてこの時、プランシュレルの等式
‖ x ‖ 2 2 = ∑ k | ⟨ x , e k ⟩ | 2 {\displaystyle \|x\|_{2}^{2}=\sum _{k}\left|\langle x,e_{k}\rangle \right|^{2}}
が成り立つ。
ヒルベルト空間 X について、
任意の x ∈ X がフーリエ展開できること
任意の x ∈ X に対し、プランシュレルの等式が成り立つこと
{ek} が X の正規直交基底であること
の 3つは互いに同値な条件である。