三角関数の離散系バージョン

結城 浩さんの読み物は非常に親切で読みやすく、きっちりと書かれているので、書籍もWebにおける文書・日記などもよく参考にさせていただいている。

そのなかで最近アップされた読み物「ミルカさんの隣で」から始まる離散系の解析の話がなかなかノスタルジックで楽しい。(ノスタルジックなのは多分僕だけ? 高校時代にこういう計算してみたことがある。) 連続関数における微分・積分に相当する差分・和分の導入、離散系バージョンのべき関数を探して、下降階乗べきにたどりつく。ゾクゾクするように楽しいのである。

さらにその続編「離散系バージョンの関数探し」では、さらに離散バージョンの指数関数・対数関数・三角関数と話が広がっている。鉛筆を持てば計算を追いかけることができるので、試してみるとなかなか楽しい。一つの演算規則から、これまで知っている世界の関数の対応物を探していくことはすごく楽しくて、数学を感じるところであるかもしれない。(こういう原体験は本来高校時代にあるべきなのだが。)

表題の「三角関数の離散系バージョン」は更にその続編であるが、離散系の三角関数がどうしても直感的に三角関数に思えないと言う話(周期性はあるが、絶対値がどんどん大きくなる発散数列)で、純粋な周期関数としての三角関数はどこに行ってしまったのだろうという疑問だと思われる。

僕も計算してみようと言うことで、三角関数に絞って計算をしてみた。出発点を波動方程式に対応する2階の差分方程式にしてみた。計算結果は結城さんが得ているものと同じになっているはず。残念ながら結局ちゃんとした周期関数にはならない。原因はどこにあるのだろうと考えてみたのだが、おそらく差分というものが持つ離散的な性質から来るものだろうと思っている。「ミルカさんの隣で」計算している差分はhを1にしたものだけど、hをそのまま残して、極限を取らない方法もあるはずで、hを0にした極限が連続にした関数ということにしておけば、自然につながると思うのだが…

僕の計算ではEularの式へのつながりが少し見える段階で止まっている。指数関数をどう導出し直せばいいものか悩んでいるところなのだが、良いアイディアはあるだろうか?

数式がいっぱいなので、

に置いておきます。

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