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r^-αの3次元フーリエ変換

0 < α < 3において,r^-αの3次元フーリエ変換が

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と表現できることを示します。

極座標の採用

まず積分変数を極座標にすると,

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と式変形することができます。

ガンマ関数とx^{1-α}の関係

次に,ガンマ関数

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とx^{1-α}を関連付けます。
1 < α < 3の場合,ガンマ関数のxにα-1を代入し,更にt=xsと変数変換すると,

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なる関係式が得られます。

1 < α < 3の場合

ガンマ関数とx^{1-α}の関係式を積分に代入すると

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が得られます。
最後の部分の式変形は,参考文献1から

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が成立することを利用しました。
ガンマ関数と三角関数の間に

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が成立するため,

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となります。
更にガンマ関数の倍数公式を用いると

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なる関係式が得られるため,

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となります。
以上をまとめると,

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となり,1 < α < 3に対して目的の表式を得ることができました。

0 < α < 1の場合

1 < α < 3の場合と少し異なりますが,似たような式変形をしていくと,

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と同じ表式にたどり着きます。

α = 1の場合

α = 1の場合,

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となります。
以上より,0 < α < 3において目的の表式を得ることができました。

参考文献

  1. 後藤 憲一他,詳解物理応用数学演習

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