方企勤 第五章 多元函数微分学 第1题

教材习题

📝 题目

例 1 设 $f\left( x\right)$ 是周期为 ${2\pi }$ 的连续函数,令

$$ F\left( x\right) = \frac{1}{2h}{\int }_{x - h}^{x + h}f\left( t\right) \mathrm{d}t, $$

试求 $F\left( x\right)$ 的傅里叶系数.

💡 答案解析

解 由

$$ F\left( x\right) = \frac{1}{2h}{\int }_{x - h}^{x + h}f\left( t\right) \mathrm{d}t = \frac{1}{2h}{\int }_{-h}^{h}f\left( {x + y}\right) \mathrm{d}y $$

可看出 $F\left( x\right)$ 也是周期为 ${2\pi }$ 的连续函数. 记 $F\left( x\right)$ 的傅氏系数为 ${A}_{n}$ , ${B}_{n},f\left( x\right)$ 的傅氏系数为 ${a}_{n},{b}_{n}$ ,则

$$ {A}_{0} = \frac{1}{\pi }{\int }_{-\pi }^{\pi }F\left( x\right) \mathrm{d}x = \frac{1}{2\pi h}{\int }_{-\pi }^{\pi }\left\lbrack {{\int }_{-h}^{h}f\left( {x + y}\right) \mathrm{d}y}\right\rbrack \mathrm{d}x $$

$$ = \frac{1}{2\pi h}{\int }_{-h}^{h}{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left( {x + y}\right) \mathrm{d}x\mathrm{\;d}y $$

$$ = \frac{1}{2\pi h}{\int }_{-h}^{h}{\int }_{y - \pi }^{y + \pi }f\left( t\right) \mathrm{d}t\mathrm{\;d}y = \frac{1}{2\pi h}{\int }_{-h}^{h}{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left( t\right) \mathrm{d}t\mathrm{\;d}y $$

$$ = \frac{1}{2h}{\int }_{-h}^{h}{a}_{0}\mathrm{\;d}y = {a}_{0}, $$

$$ {A}_{n} = \frac{1}{\pi }{\int }_{-\pi }^{\pi }F\left( x\right) \cos {nx}\mathrm{\;d}x $$

$$ = \frac{1}{2\pi h}{\int }_{-\pi }^{\pi }{\int }_{-h}^{h}f\left( {x + y}\right) \cos {nx}\mathrm{\;d}y\mathrm{\;d}x $$

$$ = \frac{1}{2\pi h}{\int }_{-h}^{h}{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left( {x + y}\right) \cos {nx}\mathrm{\;d}x\mathrm{\;d}y $$

$$ = \frac{1}{2\pi h}{\int }_{-h}^{h}{\int }_{-\pi }^{\pi }f\left( t\right) \cos n\left( {t - y}\right) \mathrm{d}t\mathrm{\;d}y $$

$$ = \frac{1}{2h}{\int }_{-h}^{h}\left( {{a}_{n}\cos {ny} + {b}_{n}\sin {ny}}\right) \mathrm{d}y = \frac{\sin {nh}}{nh}{a}_{n}. $$

同理可证 ${B}_{n} = \frac{\sin {nh}}{nh}{b}_{n}$ .

评注 在傅里叶级数习题中, 我们用傅氏级数一致收敛定理, 得出 $F\left( x\right)$ 的傅氏级数一致收敛于 $F\left( x\right)$ . 利用此题,我们又可得出 $F\left( x\right)$ 的傅氏级数一致收敛的另一证明.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将F(x)表示为f的积分平均形式
利用变量代换y=t-x,将积分区间从[x-h, x+h]变换为[-h, h],得到F(x)=1/(2h)∫_{-h}^{h} f(x+y) dy。
公式:F(x)=1/(2h)∫_{-h}^{h} f(x+y) dy
提示:注意积分限变换时,dx变为dy,且积分区间对称。
步骤 2/4
目标:计算F的傅里叶系数A0
利用F的表达式,交换积分次序,并利用f的周期性将积分区间平移,最终得到A0 = a0。
公式:A0 = 1/(2πh)∫_{-h}^{h}∫_{-π}^{π} f(x+y) dx dy = 1/(2πh)∫_{-h}^{h}∫_{-π}^{π} f(t) dt dy = a0
提示:交换积分次序时,注意积分区域为矩形,且f周期为2π。
步骤 3/4
目标:计算F的傅里叶系数An
利用F的表达式,交换积分次序,并利用余弦函数的加法公式,将积分转化为f的傅里叶系数形式,最终得到An = (sin(nh)/(nh)) an。
公式:An = 1/(2πh)∫_{-h}^{h}∫_{-π}^{π} f(x+y) cos(nx) dx dy = 1/(2h)∫_{-h}^{h} (an cos(ny) + bn sin(ny)) dy = (sin(nh)/(nh)) an
提示:注意cos(nx) = cos(n(t-y)) = cos(nt)cos(ny) + sin(nt)sin(ny),利用f的傅里叶级数展开。
步骤 4/4
目标:计算F的傅里叶系数Bn
类似An的计算,利用正弦函数的加法公式,得到Bn = (sin(nh)/(nh)) bn。
公式:Bn = (sin(nh)/(nh)) bn
提示:推导过程与An类似,只需将cos换为sin。

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