中册 6.5 傅里叶级数 第11题
📝 题目
11.求下列函数的傅里叶级数展开式,并求级数的和.
(1)求函数 $f(x)=x^{2}$ 在 $-\pi
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)与题9(5)的余弦级数展开相同.
傅里叶级数为 $\displaystyle x^{2}=\frac{\pi^{2}}{3}+4 \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n^{2}} \cos n x, x \in(-\pi, \pi)$ .
由此得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n^{2}} \cos n x=\frac{1}{4}\left(x^{2}-\frac{\pi^{2}}{3}\right), x \in(-\pi, \pi)$ .
取 $x=\pi$ 得 $\displaystyle \pi^{2}=\frac{\pi^{2}}{3}+4 \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n^{2}} \cos n \pi=\frac{\pi^{2}}{3}+4 \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}$ .由此得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}$ .
由帕塞瓦尔等式 $\displaystyle \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f^{2}(x) \mathrm{d} x=\frac{a_{0}^{2}}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\left(a_{n}^{2}+b_{n}^{2}\right)$ ,有
$$
\frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi}\left(x^{2}\right)^{2} \mathrm{~d} x=\frac{1}{2} \cdot\left(\frac{2}{3} \pi^{2}\right)+\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{4(-1)^{n}}{n^{2}}\right)^{2} .
$$
故 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{4}}=\frac{\pi^{4}}{90}$ .
最后证明 $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x} \mathrm{~d} x=-\frac{\pi^{2}}{6}$ .
令 $t=1-x$ ,则 $\displaystyle \int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x} \mathrm{~d} x=\int_{0}^{1} \frac{\ln (1-t)}{t} \mathrm{~d} t$ .由 $\displaystyle \ln (1-t)=-\sum_{n=1}^{\infty} \frac{t^{n}}{n}$ 得
$$
\int_{0}^{1} \frac{\ln x}{1-x} \mathrm{~d} x=-\int_{0}^{1} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{t^{n-1}}{n} \mathrm{~d} t=-\sum_{n=1}^{\infty} \int_{0}^{1} \frac{t^{n-1}}{n} \mathrm{~d} t=-\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=-\frac{\pi^{2}}{6} .
$$
(2)如图 6.24,$f(x)$ 按段光滑,由收玫定理知,它可以展成傅立叶级数。
$$
\begin{aligned}
& a_{0}=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} x^{2} \mathrm{~d} x=\frac{8}{3} \pi^{2} \\
& a_{n}=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} x^{2} \cos n x \mathrm{~d} x=\frac{4}{n^{2}}, n=1,2, \cdots \\
& b_{n}=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} x^{2} \sin n x \mathrm{~d} x=-\frac{4 \pi}{n}, n=1,2, \cdots
\end{aligned}
$$
所以在 $[0,2 \pi]$ 上 $\displaystyle f(x)=\frac{4 \pi^{2}}{3}+4 \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{\cos n x}{n^{2}}-\frac{\pi \sin n x}{n}\right)$ .
令 $x=0$ 得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}$ .
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/f12c872f-2d5e-49ed-83c0-1c7e59b03c5d-399.jpg?height=782&width=1880&top_left_y=2693&top_left_x=690}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 6.24}
\end{figure}
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/f12c872f-2d5e-49ed-83c0-1c7e59b03c5d-399.jpg?height=782&width=1762&top_left_y=2693&top_left_x=3453}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 6.25}
\end{figure}
(3)如图 6.25,因为 $f(x)=\pi^{2}-x^{2}$ 为偶函数,所以
$$
\begin{aligned}
b_{n} & =0, n=1,2, \cdots \\
a_{0} & =\frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi}\left(x^{2}-\pi^{2}\right) \mathrm{d} x=-\frac{4}{3} \pi^{2} \\
a_{n} & =\frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi}\left(x^{2}-\pi^{2}\right) \cos n x \mathrm{~d} x=\frac{2}{n \pi}\left[\left.\left(x^{2}-\pi^{2}\right) \sin n x\right|_{0} ^{\pi}-2 \int_{0}^{\pi} x \sin n x \mathrm{~d} x\right] \\
& =\left.\frac{4}{n^{2} \pi}\left(x \cos n x-\frac{\sin n x}{n}\right)\right|_{0} ^{\pi}=\frac{4(-1)^{n}}{n^{2}}, n=1,2, \cdots
\end{aligned}
$$
由于 $f(x)$ 在 $(-\infty,+\infty)$ 内连续,所以 $\displaystyle x^{2}-\pi^{2}=-\frac{2}{3} \pi^{2}+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{4(-1)^{n}}{n^{2}} \cos n x, x \in[-\pi, \pi]$ .
于是 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n^{2}} \cos n x=\frac{1}{4}\left(x^{2}-\frac{\pi^{2}}{3}\right), x \in[-\pi, \pi]$ .
在上式中分别令 $x=\pi, x=0$ ,得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}, \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n^{2}}=-\frac{\pi^{2}}{12}$ .
由帕塞瓦尔等式 $\displaystyle \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f^{2}(x) \mathrm{d} x=\frac{a_{0}^{2}}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\left(a_{n}^{2}+b_{n}^{2}\right)$ 有
$$
\frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi}\left(x^{2}-\pi^{2}\right)^{2} \mathrm{~d} x=\frac{1}{2} \cdot \frac{16 \pi^{4}}{9}+16 \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{4}} .
$$
故 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{4}}=\frac{\pi^{4}}{90}$ .
(4)如图 6.26,$f(x)$ 按段光滑,由收玫定理知它可以展成傅里叶级数。
$$
a_{0}=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} 4 x(2 \pi-x) \mathrm{d} x=\frac{16}{3} \pi^{2}
$$
$$
\begin{aligned}
a_{n} & =\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} 4 x(2 \pi-x) \cos n x \mathrm{~d} x=\frac{1}{n \pi}\left[\left.4 x(2 \pi-x) \sin n x\right|_{0} ^{2 \pi}-8 \int_{0}^{2 \pi}(\pi-x) \sin n x \mathrm{~d} x\right] \\
& =\left.\frac{8}{n^{2} \pi}\left[(\pi-x) \cos n x+\frac{\sin n x}{n}\right]\right|_{0} ^{2 \pi}=-\frac{16}{n^{2}}, n=1,2, \cdots . \\
b_{n} & =\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} 4 x(2 \pi-x) \sin n x \mathrm{~d} x=-\frac{1}{n \pi}\left[\left.4 x(2 \pi-x) \cos n x\right|_{0} ^{2 \pi}-8 \int_{0}^{2 \pi}(\pi-x) \cos n x \mathrm{~d} x\right] \\
& =\left.\frac{8}{n^{2} \pi}\left[(\pi-x) \sin n x-\frac{\cos n x}{n}\right]\right|_{0} ^{2 \pi}=0, n=1,2, \cdots .
\end{aligned}
$$
所以 $\displaystyle 4 x(2 \pi-x)=\frac{8}{3} \pi^{2}-16 \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}} \cos n x, x \in[0,2 \pi]$ .
由帕塞瓦尔等式 $\displaystyle \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f^{2}(x) \mathrm{d} x=\frac{a_{0}^{2}}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\left(a_{n}^{2}+b_{n}^{2}\right)$ 得
$$
\frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} 16 x^{2}(2 \pi-x)^{2} \mathrm{~d} x=\frac{1}{2}\left(\frac{16 \pi^{2}}{3}\right)^{2}+16^{2} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{4}} .
$$
故 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{4}}=\frac{\pi^{4}}{90}$ .
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/f12c872f-2d5e-49ed-83c0-1c7e59b03c5d-400.jpg?height=781&width=1879&top_left_y=4068&top_left_x=870}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 6.26}
\end{figure}
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/f12c872f-2d5e-49ed-83c0-1c7e59b03c5d-400.jpg?height=719&width=1638&top_left_y=4130&top_left_x=3432}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 6.27}
\end{figure}
(5)如图 6.27,函数的傅氏系数为
$$
\begin{aligned}
& b_{n}=0, n=1,2, \cdots \\
& a_{0}=\frac{2}{1} \int_{0}^{1} x^{2} \mathrm{~d} x=\frac{2}{3} \\
& a_{n}=\frac{2}{1} \int_{0}^{1} x^{2} \cos n \pi x \mathrm{~d} x=(-1)^{n} \frac{4}{\pi^{2} n^{2}}, n=1,2, \cdots
\end{aligned}
$$
故 $\displaystyle f(x)=\frac{1}{3}+\frac{4}{\pi^{2}} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n^{2}} \cos n \pi x, x \in[0,1]$ .
令 $x=1$ ,得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}$ .
(6)如图 6.28,函数的傅氏系数为
$$
\begin{aligned}
& a_{0}=\int_{0}^{1} x^{2} \mathrm{~d} x=\frac{1}{3} . \\
& a_{n}=\int_{0}^{1} x^{2} \cos n \pi x \mathrm{~d} x=(-1)^{n} \frac{2}{\pi^{2} n^{2}}(n=1,2, \cdots) \\
& b_{n}=\int_{0}^{1} x^{2} \sin n \pi x \mathrm{~d} x=\frac{1}{n \pi}\left[-\left.x^{2} \cos n \pi x\right|_{0} ^{1}+2 \int_{0}^{1} x \cos \pi n x \mathrm{~d} x\right]
\end{aligned}
$$
$$
\begin{aligned}
& =-\frac{1}{n \pi} \cos n \pi+\left.\frac{2}{n^{2} \pi^{2}}\left[x \sin n \pi x+\frac{1}{n \pi} \cos n \pi x\right]\right|_{0} ^{1} \\
& =-\frac{1}{n \pi}(-1)^{n}+\frac{2}{n^{3} \pi^{3}}\left[(-1)^{n}-1\right], n=1,2, \cdots
\end{aligned}
$$
故 $\displaystyle f(x)=\frac{1}{6}+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2(-1)^{n}}{\pi^{2} n^{2}} \cos n \pi x+\left\{-\frac{1}{n \pi}(-1)^{n}+\frac{2}{n^{3} \pi^{3}}\left[(-1)^{n}-1\right]\right\} \sin n \pi x, x \in[0,1)$ .
令 $x=1$ ,得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}$ .
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/f12c872f-2d5e-49ed-83c0-1c7e59b03c5d-401.jpg?height=643&width=1555&top_left_y=2569&top_left_x=1036}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 6.28}
\end{figure}
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/f12c872f-2d5e-49ed-83c0-1c7e59b03c5d-401.jpg?height=726&width=1658&top_left_y=2486&top_left_x=3267}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 6.29}
\end{figure}
(7)如图 6.29,$f(x)$ 按段光滑,由收玫定理知它可以展成傅里叶级数。
$$
\begin{aligned}
& a_{0}=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi}\left(\frac{\pi-x}{2}\right)^{2} \mathrm{~d} x=\frac{\pi^{2}}{6} \\
& a_{n}=\frac{1}{4 \pi} \int_{0}^{2 \pi}(\pi-x)^{2} \cos n x \mathrm{~d} x=\frac{1}{n^{2}}, n=1,2, \cdots \\
& b_{n}=\frac{1}{4 \pi} \int_{0}^{2 \pi}(\pi-x)^{2} \sin n x \mathrm{~d} x=0, n=1,2, \cdots
\end{aligned}
$$
所以 $\displaystyle \frac{1}{4}(\pi-x)^{2}=\frac{1}{12} \pi^{2}+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}} \cos n x, x \in[0,2 \pi]$ .
由此得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}} \cos n x=\frac{1}{4}(\pi-x)^{2}-\frac{1}{12} \pi^{2}, x \in[0,2 \pi]$
令 $x=0$ 得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{6}$ .
令 $x=\pi$ 得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{n^{2}}=-\frac{\pi^{2}}{12}$ .
由帕塞瓦尔等式 $\displaystyle \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f^{2}(x) \mathrm{d} x=\frac{a_{0}^{2}}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}\left(a_{n}^{2}+b_{n}^{2}\right)$ 有
$$
\frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi}\left(\frac{x-\pi}{2}\right)^{2} \mathrm{~d} x=\frac{1}{2} \cdot \frac{\pi^{4}}{36}+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{4}}
$$
故 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{4}}=\frac{\pi^{4}}{90}$ .
📋 详细解题步骤
步骤 1/5
目标:计算傅里叶系数
函数 $f(x)=x^2$ 在 $(-\pi,\pi)$ 上是偶函数,因此 $b_n=0$。计算 $a_0$ 和 $a_n$:
$$a_0 = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi x^2 dx = \frac{2}{\pi}\cdot\frac{\pi^3}{3} = \frac{2\pi^2}{3}$$
$$a_n = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi x^2 \cos(nx) dx = \frac{4(-1)^n}{n^2}, \quad n\ge 1$$
公式:$$a_n = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi f(x)\cos(nx)dx$$
提示:注意偶函数性质,$b_n=0$;积分时使用分部积分法。
步骤 2/5
目标:写出傅里叶级数展开式
由傅里叶级数公式得:
$$x^2 = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^\infty a_n \cos(nx) = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx), \quad x\in(-\pi,\pi)$$
公式:$$f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^\infty (a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx))$$
提示:注意 $a_0/2$ 项,不要漏掉系数。
步骤 3/5
目标:计算 $\sum_{n=1}^\infty 1/n^2$
在展开式中令 $x=\pi$,此时级数收敛到 $f(\pi)$ 的左右极限平均值。由于 $f(\pi)=\pi^2$,且 $\cos(n\pi)=(-1)^n$,代入得:
$$\pi^2 = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n^2}\cos(n\pi) = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}$$
解得 $\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}$。
公式:$$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}$$
提示:注意 $x=\pi$ 时级数收敛到 $f(\pi)$,因为 $f$ 在 $\pi$ 处连续。
步骤 4/5
目标:计算 $\sum_{n=1}^\infty 1/n^4$ 使用帕塞瓦尔等式
帕塞瓦尔等式:
$$\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f^2(x) dx = \frac{a_0^2}{2} + \sum_{n=1}^\infty (a_n^2+b_n^2)$$
代入 $f(x)=x^2$,$a_0=2\pi^2/3$,$a_n=4(-1)^n/n^2$,$b_n=0$:
左端:$\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} x^4 dx = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi x^4 dx = \frac{2}{\pi}\cdot\frac{\pi^5}{5} = \frac{2\pi^4}{5}$
右端:$\frac{1}{2}\left(\frac{2\pi^2}{3}\right)^2 + \sum_{n=1}^\infty \left(\frac{4}{n^2}\right)^2 = \frac{2\pi^4}{9} + 16\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^4}$
解得 $\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^4} = \frac{\pi^4}{90}$。
公式:帕塞瓦尔等式:$$\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f^2(x) dx = \frac{a_0^2}{2} + \sum_{n=1}^\infty (a_n^2+b_n^2)$$
提示:注意 $a_0$ 的平方项要除以2;积分计算要仔细。
步骤 5/5
目标:证明 $\int_0^1 \frac{\ln x}{1-x} dx = -\frac{\pi^2}{6}$
令 $t=1-x$,则 $x=1-t$,$dx=-dt$,积分限变为 $t:1\to0$,所以
$$\int_0^1 \frac{\ln x}{1-x} dx = \int_1^0 \frac{\ln(1-t)}{t} (-dt) = \int_0^1 \frac{\ln(1-t)}{t} dt$$
利用 $\ln(1-t) = -\sum_{n=1}^\infty \frac{t^n}{n}$,代入得:
$$\int_0^1 \frac{\ln(1-t)}{t} dt = -\int_0^1 \sum_{n=1}^\infty \frac{t^{n-1}}{n} dt = -\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n} \int_0^1 t^{n-1} dt = -\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} = -\frac{\pi^2}{6}$$
公式:$$\ln(1-t) = -\sum_{n=1}^\infty \frac{t^n}{n}, \quad |t|<1$$
提示:注意换元后积分限的变化;级数逐项积分需要验证一致收敛性。
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