方企勤 第四章 级 数 第3题

教材习题

📝 题目

例 3 将函数 $f\left( x\right) = {x}^{2}\left( {0 < x < \pi }\right)$ ,按如下要求展开为傅氏级数:

(1)按余弦展开; (2)按正弦展开.

💡 答案解析

解 (1) 将 $f\left( x\right) = {x}^{2}\left( {0 < x < \pi }\right)$ 进行偶开拓,也就是考虑 $f\left( x\right)$ $= {x}^{2}\left( {-\pi < x < \pi }\right)$ 的傅氏展开. 这时 ${b}_{n} = 0\left( {n = 1,2,\cdots }\right)$ ,且

$$ {a}_{0} = \frac{2}{\pi }{\int }_{0}^{\pi }{x}^{2}\mathrm{\;d}x = \frac{2}{3}{\pi }^{2}, $$

$$ {a}_{n} = \frac{2}{\pi }{\int }_{0}^{\pi }{x}^{2}\cos {nx}\mathrm{\;d}x = {\left. \frac{2}{n\pi }{x}^{2}\sin nx\right| }_{0}^{\pi } - \frac{2}{n\pi }{\int }_{0}^{\pi }{2x} \cdot \sin {nx}\mathrm{\;d}x $$

$$ = \frac{4}{{n}^{2}\pi }\left\lbrack {{\left. x\cos nx\right| }_{0}^{\pi } - {\int }_{0}^{\pi }\cos {nx}\mathrm{\;d}x}\right\rbrack = {\left( -1\right) }^{n}\frac{4}{{n}^{2}}, $$

即得

$$ \frac{{\pi }^{2}}{3} + 4\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n}}{{n}^{2}}\cos {nx} = {x}^{2}\;\left( {0 \leq x \leq \pi }\right) . $$

(2)将 $f\left( x\right) = {x}^{2}\left( {0 < x < \pi }\right)$ 进行奇开拓,也就是考虑 $f\left( x\right) =$ $x\left| x\right| \left( {-\pi < x < \pi }\right)$ 的傅氏展开. 这时 ${a}_{n} = 0\left( {n = 0,1,2,\cdots }\right)$ ,且

$$ {b}_{n} = \frac{2}{\pi }{\int }_{0}^{\pi }{x}^{2}\sin {nx}\mathrm{\;d}x $$

$$ = - {\left. \frac{2}{n\pi }{x}^{2}\cos nx\right| }_{0}^{\pi } + \frac{4}{n\pi }{\int }_{0}^{\pi }x\cos {nx}\mathrm{\;d}x $$

$$ = {\left( -1\right) }^{n - 1}\frac{2\pi }{n} + \frac{4}{{n}^{2}\pi }\left\lbrack {{\left. x\sin nx\right| }_{0}^{\pi } - {\int }_{0}^{\pi }\sin {nx}\mathrm{\;d}x}\right\rbrack $$

$$ = {\left( -1\right) }^{n - 1}\frac{2\pi }{n} + \frac{4}{{n}^{3}\pi }\left\lbrack {{\left( -1\right) }^{n} - 1}\right\rbrack , $$

即得

$$ {2\pi }\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{n}\sin {nx} - \frac{8}{\pi }\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{\sin \left( {{2n} - 1}\right) x}{{\left( 2n - 1\right) }^{3}} $$

$$ = \left\{ \begin{matrix} {x}^{2}, & 0 \leq x < \pi , \\ 0, & x = \pi . \end{matrix}\right. $$

说明 利用函数的傅氏展开式,对于 $\left( {0,\pi }\right)$ 上的同一函数,我们可以用不同的三角级数来表示. 事实上,在 $\left( {-\pi ,0}\right)$ 上的任意开拓 $f\left( x\right)$ ,只要保证逐段单调,所得到的傅氏级数展式同样在 $\left( {0,\pi }\right)$ 上收敛到 $f\left( x\right)$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:按余弦展开:将函数偶开拓,计算傅里叶系数
将 f(x)=x^2 (0
公式:a_0 = (2/π)∫_0^π x^2 dx = (2/3)π^2; a_n = (2/π)∫_0^π x^2 cos(nx) dx = (-1)^n * 4/n^2
提示:利用分部积分法计算 a_n,注意 cos(nπ)=(-1)^n。
步骤 2/4
目标:写出余弦级数展开式
将 a_0 和 a_n 代入傅里叶级数公式,得到 f(x) 的余弦级数展开式。
公式:x^2 = π^2/3 + 4∑_{n=1}^∞ [(-1)^n/n^2] cos(nx), 0≤x≤π
提示:该级数在端点 x=0 和 x=π 处收敛到函数值。
步骤 3/4
目标:按正弦展开:将函数奇开拓,计算傅里叶系数
将 f(x)=x^2 (0
公式:b_n = (2/π)∫_0^π x^2 sin(nx) dx = (-1)^{n-1} * (2π)/n + (4/(n^3 π))[(-1)^n - 1]
提示:利用分部积分法,注意 sin(nπ)=0,cos(nπ)=(-1)^n。
步骤 4/4
目标:写出正弦级数展开式
将 b_n 代入傅里叶级数公式,并化简得到正弦级数展开式。
公式:x^2 = 2π∑_{n=1}^∞ [(-1)^{n-1}/n] sin(nx) - (8/π)∑_{n=1}^∞ [sin((2n-1)x)/(2n-1)^3], 0≤x<π; 在 x=π 处收敛到 0
提示:注意当 n 为偶数时,第二项非零;当 n 为奇数时,第一项非零。

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