수학 개념 지도
삼각함수(Trigonometric function)

푸리에 급수(Fourier series)

주기 함수⁠(periodic function)⁠를 진동수⁠(frequency)⁠가 1, 2, 3, …배인 사인⁠(sine)⁠·코사인파들의 합으로 쓰는 방법. 계수는 함수⁠(function)⁠와 각 파동의 내적⁠(dot product)⁠이다.

f(x)=∑k=1∞bksin⁡kx,bk=1π∫−ππf(x)sin⁡kx dxf(x) = \sum_{k=1}^{\infty} b_k \sin kx, \qquad b_k = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x)\sin kx\,dx

각진 파동도 매끄러운 사인파⁠(sinusoid)⁠들을 더해 만들 수 있습니다. 를 진동수 1배부터 n=n = 배까지의 사인파로 근사해 봅시다.

흰검은 곡선이 목표 파동, 노란 곡선이 k = 1부터 n까지 더한 합, 흐린 곡선들이 0이 아닌 각 항(사인파, 앞의 8개까지)입니다.
k번째 막대가 계수 b_k입니다. 막대의 크기가 네모파와 톱니파는 1/k에, 삼각파는 1/k²에 비례해 줄어듭니다.

계수는 어떻게 찾을까요? 핵심은 서로 다른 진동수의 사인파들이 "직교⁠(orthogonality)⁠"한다는 사실입니다. 두 함수를 곱해 한 주기⁠(period)⁠ 동안 적분⁠(integral)⁠하는 것을 함수의 내적으로 보면, sin⁡jx\sin jx와 sin⁡kx\sin kx의 내적은 j≠kj \ne k일 때 0입니다. 그래서 ff와 sin⁡kx\sin kx의 내적을 구하면 다른 항은 모두 사라지고 bkb_k의 항만 남습니다(sin⁡kx\sin kx와 자기 자신의 내적이 π라서 위 식에 1/π1/\pi이 붙습니다). 서로 수직인 축들에 벡터⁠(vector)⁠를 정사영⁠(orthogonal projection)⁠해 성분을 읽는 것과 똑같은 일을 무한 차원에서 하는 셈입니다. 여기 세 파동은 모두 원점을 중심으로 뒤집으면 부호만 바뀌는 함수(홀함수⁠, odd function⁠)라 사인만 필요합니다. 일반적인 주기 함수에는 상수항과 cos⁡kx\cos kx 항도 들어가고, 그 계수도 같은 방법으로 구합니다. 계수가 줄어드는 빠르기는 매끄러움을 반영합니다. 절벽이 있는 네모파와 톱니파보다, 꺾이기만 하는 삼각파의 계수가 더 빨리 줄어듭니다.

테일러 급수⁠(Taylor series)⁠는 한 점 근처의 미분값으로 함수를 흉내 내지만, 푸리에 급수는 한 주기 전체의 모양을 한꺼번에 흉내 냅니다. 불연속(네모파의 절벽)도 따라갈 수 있습니다. 대신 절벽 근처에서 뛴 높이의 약 9%만큼 튀어나옴이 끝까지 남는데, 이것을 깁스 현상⁠(Gibbs phenomenon)⁠이라 부릅니다. 여기서 '다가간다'는 말은 세 가지로 갈라집니다.

  • 점마다(점별 수렴⁠, pointwise convergence⁠). 여기 세 파동처럼 조각마다 매끄러운 함수라면, 절벽이 아닌 점 하나하나에서 항을 늘릴수록 부분합⁠(partial sum)⁠이 목표값에 다가갑니다. 절벽 위의 점에서는 양쪽 값의 평균⁠(mean)⁠으로 다가갑니다.
  • 모든 점이 한꺼번에(균등 수렴⁠, uniform convergence⁠). 절벽이 있는 네모파와 톱니파에서는 일어나지 않습니다. 튀어나온 뿔이 절벽 쪽으로 좁아지며 옮겨 갈 뿐, 높이는 줄지 않기 때문입니다(균등 수렴). 절벽 없이 꺾이기만 하는 삼각파는 한꺼번에 수렴⁠(convergence)⁠합니다.
  • 평균적으로(제곱 평균 수렴⁠, mean-square convergence⁠). 오차를 제곱해 한 주기에 걸쳐 적분한 값은 0으로 줄어듭니다. 뿔의 높이는 그대로여도 폭이 좁아지기 때문입니다. 제곱해서 적분할 수 있는 함수라면 언제나 이 뜻으로는 수렴합니다.

오일러 공식⁠(Euler's formula)⁠으로 sin⁡kx\sin kx를 eikxe^{ikx}로 바꾸면 계수가 복소수⁠(complex number)⁠ 하나로 정리됩니다.

뜻밖의 선물도 있습니다. 톱니파 f(x)=xf(x) = x에서 "길이의 제곱 = 성분 제곱의 합"(무한 차원의 피타고라스 정리⁠(Pythagorean theorem)⁠로, 프랑스 수학자 마르크앙투안 파스발의 이름을 따 파스발 등식⁠(Parseval's identity)⁠이라 부릅니다)을 쓰면 1π∫−ππx2dx=∑4k2\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x^2dx = \sum \frac{4}{k^2}에서 ∑1k2=π26\sum \frac{1}{k^2} = \frac{\pi^2}{6}가 나옵니다. 지금 nn항까지의 합은 , 목표는 π2/6≈1.64493\pi^2/6 \approx 1.64493입니다. 자연수⁠(natural number)⁠의 성질을 다루는 정수론⁠(number theory)⁠에 가까운 문제인 바젤 문제(제곱의 역수⁠(inverse)⁠를 모두 더하면 얼마인가)가 파동에서 풀립니다.

푸리에 급수는 떨리는 줄과 퍼지는 열을 풀려는 데서 나왔습니다. 사인파를 더해 줄의 떨림을 나타내자는 생각은 1753년 스위스의 다니엘 베르누이가 내놓았고, 달랑베르와 오일러는 그런 합으로 모든 모양을 나타낼 수는 없다며 반대했습니다. 떨리는 줄이 따르는 식이 파동방정식⁠(wave equation)⁠입니다. 1807년 프랑스의 조제프 푸리에는 고체 속에서 열이 퍼지는 문제(열방정식⁠, heat equation⁠)를 풀며 거의 어떤 모양도 사인파의 합으로 쓸 수 있다고 주장했고, 이 급수⁠(series)⁠에 그의 이름이 붙었습니다. "거의 어떤"에 조건이 필요하다는 것은 나중에 분명해졌습니다. 1829년 디리클레는 절벽과 오르내림이 유한 번뿐인 함수라면 급수가 각 점에서 원래 값(절벽에서는 양쪽 평균)으로 다가간다는 것을 엄밀하게 증명했습니다. 반대로 1873년 독일의 뒤부아레몽은 연속함수인데도 푸리에 급수가 어떤 점에서 발산⁠(divergence)⁠하는 예를 만들어, 연속성⁠(continuity)⁠만으로는 부족하다는 것을 보였습니다.

컴퓨터에서는 표본값 n개의 푸리에 계수를 구할 때 고속 푸리에 변환(FFT)을 씁니다. 그냥 계산하면 곱셈이 약 n2n^2번 필요하지만, 1의 거듭제곱근⁠(roots of unity)⁠의 성질을 이용해 문제를 절반 크기 둘로 쪼개기를 되풀이하면(분할 정복⁠, divide and conquer⁠) nlog⁡nn\log n번 정도로 줄어듭니다. 1965년 제임스 쿨리와 존 튜키가 발표해 널리 퍼졌습니다. 코사인⁠(cosine)⁠만 쓰는 사촌인 이산 코사인 변환⁠(discrete cosine transform)⁠은 JPEG처럼 눈에 덜 띄는 정보를 조금 버리는 대신 크기를 크게 줄이는 손실 압축⁠(lossy compression)⁠의 핵심입니다. 가장 높은 진동수가 B(헤르츠)인 신호는 1초에 2B번보다 자주 뽑은 표본⁠(sample)⁠만으로 완전히 되살릴 수 있고(표본화 정리⁠(sampling theorem)⁠), 그보다 드물게 뽑으면 빠른 파동이 느린 파동으로 둔갑합니다(에일리어싱⁠, aliasing⁠).

1963년 로렌츠는 아래에서 데워진 공기가 올라가고 식은 공기가 내려오는 순환(대류⁠, convection⁠)을 나타내는 방정식을 다뤘습니다. 위치와 시간 여러 변수에 대한 미분⁠(differentiation)⁠이 함께 들어 있는 편미분방정식⁠(partial differential equation)⁠인데, 그는 앞서 배리 솔츠먼이 한 것처럼 해를 푸리에 성분으로 펼친 뒤, 세 개만 남기고 나머지를 잘라 냈습니다. 그렇게 얻은 세 변수의 궤적이 로렌츠 끌개⁠(Lorenz attractor)⁠이고, 로렌츠는 이 단순한 모형에서 작은 차이가 크게 불어나는 혼돈⁠(chaos)⁠을 분명하게 보였습니다.

여러 진동수의 사인파를 더한 꼴은 언어 모델⁠(language model)⁠에도 나옵니다. 회전⁠(rotation)⁠ 위치 인코딩(RoPE)을 쓰는 어텐션⁠(attention)⁠에서 두 토큰⁠(token)⁠의 점수는 둘 사이 거리에 대한 여러 진동수의 사인파 합이고, 각 항의 진폭⁠(amplitude)⁠과 위상⁠(phase)⁠은 두 토큰의 내용이 정합니다(위치 인코딩). 푸리에 급수와 닮았지만, 진동수가 정수배가 아니라 등비수열⁠(geometric progression)⁠로 줄어든다는 점이 다릅니다. 또 일부 상태 공간 모형⁠(state space model)⁠은 긴 수열 위로 긴 필터⁠(filter)⁠를 미는 합성곱⁠(convolution)⁠을 고속 푸리에 변환⁠(fast Fourier transform)⁠으로 빠르게 계산합니다.

이 개념이 나오는 긴 글

미분에서 회전까지 · 2편 · 적분 거리를 되찾기 속도계 기록만 남았다. 차가 어디까지 갔는지 되찾을 수 있을까? 미분에서 회전까지 · 3편 · 테일러 급수 한 점에서 전부를 한 점에서의 값과 기울기, 휘는 정도만으로 함수 전체를 다시 그릴 수 있을까? 미분에서 회전까지 · 4편 · 오일러 공식 원을 그리는 지수함수 지수함수에 허수를 넣으면 원이 된다. 가장 유명한 등식은 어디서 왔을까? 확률 도박판에서 온 편지 1654년, 도중에 멈춘 내기의 판돈을 어떻게 나눌까? 두 수학자가 주고받은 편지에서 확률론이 태어났다. 소수 소수를 세는 사람들 소수는 제멋대로 흩어져 있는 것 같다. 그런데 멀리서 세어 보면 로그가 보인다. 집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다. 최소제곱과 선형대수 잃어버린 소행성 1801년, 발견 몇 주 만에 태양 뒤로 사라진 세레스. 스물네 살의 가우스는 흩어진 관측값에서 궤도를 되찾았다. 혼돈 나비의 날갯짓 방정식이 정해져 있으면 미래도 정해질까? 소수점 아래 몇 자리를 버린 계산이 날씨 예보의 한계를 드러냈다. 거리와 유사도 까마귀와 택시 까마귀는 곧장 날고 택시는 블록을 돌아간다. '얼마나 먼가'에는 답이 하나가 아니고, 어떤 거리를 고르느냐가 통계와 기계 학습의 답을 바꾼다. 램지 이론 완전한 무질서는 없다 여섯 명이 모이면 서로 아는 세 사람이나 서로 모르는 세 사람이 반드시 있다. 충분히 크면 어디에나 질서가 숨어 있다는 이론과, 그것을 동전 던지기로 증명한 에르되시. 정보 이론과 압축 짧게 보내기 모스 부호는 왜 E를 점 하나로 보낼까? 섀넌의 엔트로피가 정한 압축의 한계와, 허프만 부호에서 JPEG까지 그 한계에 다가간 방법들. 통신과 잡음 잡음 너머로 대서양 바닥의 케이블은 왜 신호를 뭉갰을까? 잡음이 있어도 오류 없이 보낼 수 있다는 섀넌의 정리와, 그 한계를 50년 동안 쫓은 부호들. 역문제 거꾸로 푸는 문제는 왜 어려운가 원인에서 결과를 계산하기는 쉽다. 흐린 사진, CT, 블랙홀 사진은 왜 결과에서 원인을 되찾기 어려웠을까? 작은 특잇값이 잡음을 키우는 벽과, 정규화·릿지 회귀·베이즈 사전확률이 사실은 같은 처방이라는 이야기. 라플라시안 라플라시안, 가장 많이 재사용된 식 이웃의 평균에서 나를 뺀다. 이 한 줄이 열의 법칙이고, 도박꾼이 이길 확률이고, 전기 회로와 나무 세기이고, 북의 음색이고, 사진의 윤곽선이고, 그래프를 가르는 칼이고, 잡음에서 그림을 빚는 확산 모델의 밑그림이다. 수학의 오류 틀린 증명이 만든 수학 틀린 증명은 흔하다. 드물게, "정확히 어디가 틀렸는가"라는 물음이 새 분야를 낳는다. 코시의 합 정리와 균등 수렴, 라메의 증명과 아이디얼, 켐프의 사슬, 푸앵카레의 회수된 논문과 혼돈, 프레게의 법칙과 러셀의 편지, 보예보츠키와 증명 보조기까지. 오류는 대개 서로 다른 두 가지를 하나로 여긴 자리에 있었다.

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