中册 6.5 傅里叶级数 第14题
📝 题目
14.求下列函数的傅里叶级数展开式,并求级数的和.
(1)将函数 $f(x)=|x|+\sin ^{2} \pi x$ 在 $[-1,1]$ 上展开成周期为 2 的傅里叶级数.
(2)求函数 $f(x)=\mathrm{e}^{a x}, 0 \leqslant x \leqslant 2 \pi$ ,的傅里叶级数,并求级数 $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n^{2}+1}$ 的和.
(3)求函数 $\displaystyle f(x)=\frac{\pi}{2} \frac{\mathrm{e}^{x}+\mathrm{e}^{-x}}{\mathrm{e}^{\pi}-\mathrm{e}^{-\pi}},-\pi \leqslant x \leqslant \pi$ ,的傅里叶级数,并求级数的 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n}}{4 n^{2}+1}$ 和.
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)由收玫定理知它可以展成傅里叶级数.函数 $f(x)=|x|+\sin ^{2} \pi x$ 在 $[-1,1]$ 上为偶函数,故
$$
\begin{aligned}
b_{n} & =0, n=1,2, \cdots \\
a_{0} & =\frac{2}{1} \int_{0}^{1}\left(x+\sin ^{2} \pi x\right) \mathrm{d} x=2 \\
a_{n} & =\frac{2}{1} \int_{0}^{1}\left(x+\sin ^{2} \pi x\right) \cos n \pi x \mathrm{~d} x=2\left[\int_{0}^{1} x \cos n \pi x \mathrm{~d} x+\frac{1}{2} \int_{0}^{1}(1-\cos 2 \pi x) \cos n \pi x \mathrm{~d} x\right] \\
& =\left.2\left(\frac{x}{n \pi} \sin n \pi x+\frac{1}{n^{2} \pi^{2}} \cos n \pi x\right)\right|_{0} ^{1}+\left.\frac{1}{n \pi} \sin n \pi x\right|_{0} ^{1}-\int_{0}^{1} \cos 2 \pi x \cos n \pi x \mathrm{~d} x=\frac{2}{n^{2} \pi^{2}}\left[(-1)^{n}-1\right]
\end{aligned}
$$
由于 $f(x)=|x|+\sin ^{2} \pi x$ 在 $[-1,1]$ 上连续,所以 $\displaystyle f(x)=1+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2}{n^{2} \pi^{2}}\left[(-1)^{n}-1\right] \cos n \pi x, x \in[-1,1]$ .
(2)不妨设 $a \neq 0$ ,函数的傅氏系数:
$$
\begin{aligned}
a_{0} & =\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} f(x) \mathrm{d} x=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{e}^{a x} \mathrm{~d} x=\frac{\mathrm{e}^{2 a \pi}-1}{a \pi} \\
a_{n} & =\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} f(x) \cos n x \mathrm{~d} x=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{e}^{a x} \cos n x \mathrm{~d} x \\
& =\frac{1}{\pi} \frac{1}{a^{2}+n^{2}}\left[(n \sin n x+a \cos n x) \mathrm{e}^{a x}\right]_{0}^{2 \pi}=\frac{a\left(\mathrm{e}^{2 a \pi}-1\right)}{\left(n^{2}+a^{2}\right) \pi},(n=1,2, \cdots) \\
b_{n} & =\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} f(x) \sin n x \mathrm{~d} x=\frac{1}{\pi} \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{e}^{a x} \sin n x \mathrm{~d} x \\
& =\frac{1}{\pi} \frac{1}{a^{2}+n^{2}}\left[(a \sin n x-n \cos n x) \mathrm{e}^{a x}\right]_{0}^{2 \pi}=-\frac{n\left(\mathrm{e}^{2 a \pi}-1\right)}{\left(a^{2}+n^{2}\right) \pi},(n=1,2, \cdots)
\end{aligned}
$$
所以 $f(x)$ 的傅里叶级数展开式为 $\displaystyle \frac{\mathrm{e}^{2 a \pi}-1}{2 a \pi}+\frac{\mathrm{e}^{2 a \pi}-1}{\pi} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\left(n^{2}+a^{2}\right)}(a \cos n x-n \sin n x)$ .
当 $0
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