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傅里叶级数课程及习题讲解
第15章 傅里叶级数
§15.1 傅里叶级数
一 基本内容
一、傅里叶级数
在幂级数讨论中,可视为经函数系
线性表出而得.不妨称为基,则不同的基就有不同的级数.今用三角函数系作为基,就得到傅里叶级数.
1 三角函数系
函数列称为三角函数系.其有下面两个重要性质.
(1) 周期性 每一个函数都是以为周期的周期函数;
(2) 正交性 任意两个不同函数的积在上的积分等于
零,任意一个函数的平方在上的积分不等于零.
对于一个在可积的函数系,定义两个函数的内积为,
如果,则称函数系为正交系.
由于 ;
;
;
;
,
所以三角函数系在上具有正交性,故称为正交系.
利用三角函数系构成的级数
称为三角级数,其中为常数
2 以为周期的傅里叶级数
定义1 设函数在上可积,
;
,
称为函数的傅里叶系数,而三角级数
称为的傅里叶级数,记作
~.
这里之所以不用等号,是因为函数按定义1所得系数而获得的傅里叶级数并不知其是否收敛于.
二、傅里叶级数收敛定理
定理1 若以为周期的函数在上按段光滑,则
,
其中为的傅里叶系数.
定义2 如果,则称在上光滑.若
存在;
,存在,
且至多存在有限个点的左、右极限不相等,则称在上按段光滑.
几何解释如图.
按段光滑函数图象是由有限条
光滑曲线段组成,它至多有有限个
第一类间断点与角点.
推论 如果是以为周期的连续函数,且在上按
段光滑,则,
有 .
定义3 设在上有定义,函数
称为的周期延拓.
二 习题解答
1 在指定区间内把下列函数展开为傅里叶级数
(1) ;
解:、,作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
由系数公式得
.
当时,
,
,
所以 ,为所求.
、,作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
由系数公式得
.
当时,
,
,
所以 ,为所求.
(2) ;
解:、,作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
由系数公式得
.
当时,
,
,
所以 ,为所求.
解:、,作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
由系数公式得
.
当时,
,
,
所以,为所求.
(3) .
解:函数,作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
由系数公式得
.
当时,
所以
,为所求.
2 设是以为周期的可积函数,证明对任何实数,有
,
.
证:因为,,都是以为周期的可积函数,所以令有
.
从而
.
同理可得
.
3 把函数展开成傅里叶级数,并由它推出(1) ;
(2) ;
(3) .
解:函数,作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
由系数公式得
.
当时,
.
,
故为所求.
(1) 取,则;
(2) 由得
,
于是;
(3) 取,则,
所以.
4 设函数满足条件,问此函数在内的傅里叶级数具有什么特性.
解:因为满足条件,
所以,即是以为周期的函数.
于是由系数公式得
.
当时,
.
,
故当时,函数在内的傅里叶级数的特性是,.
5 设函数满足条件:,问此函数在内的傅里叶级数具有什么特性.
解:因为满足条件,
所以,即是以为周期的函数.于是由系数公式得
.
当时,
.
,
故当时,函数在内的傅里叶级数的特性是,.
6 试证函数系和都是上的正交函数系,但他们合起来的却不是上的正交函数系.
证:就函数系,
因为,,
,
又;
,时,
.
所以在上是正交系.
就函数系,
因为,
,
又,时,
.
所以在上是正交系.
但不是 上的正交系.
实因:.
7 求下列函数的傅里叶级数展开式
(1) ;
解:作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
由系数公式得
.
当时,
,
,
所以,为所求.
(2) ;
解:作周期延拓的图象如下.
其按段光滑,故可展开为傅里叶级数.
因为,
所以由系数公式得
.
当时,
.
.
所以,.
而时,,
故,为所求.
(3) ;
解:由系数公式得
.
当时,
,
,
故
为所求.
由系数公式得
.
当时,
,
,
故
为所求.
(4) ;
解:由系数公式得
.
当时,
,
所以.
,
所以,
故,
为所求.
(5) .
解:由系数公式得
.
当时,.
,
所以,
故,
为所求.
8 求函数的傅里叶级数展开式并应用它推出.
解:由
得
,.
而,
故由收敛定理得
.
9 设为上光滑函数,.且为的傅里叶系数,为的导函数的傅里叶系数.证明.
证:因为为上光滑函数,所以为上的连续函数,故可积.
由系数公式得
.
当时,
.
故结论成立.
10 证明:若三角级数中的系数满足关系,为常数,则上述三角级数收敛,且其和函数具有连续的导函数.
证:设,,.
则,在上连续,且
,亦在上
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