13.3 习题课讲解
13.3.1 Fourier级数
例 13.3.1 (例1)
设是以为周期的连续函数,在区间上满足。
-
(1)
-
求的Fourier级数,并讨论它的收敛性。
-
(2)
-
求级数的值。
-
(3)
-
求级数的值。
解
(1) 是奇函数,其Fourier级数是正弦级数,计算可得
所以
由于 Riemann可积,从而平方可积,故的Fourier级数在区间上平方收敛于。考虑级数
设,当时,计算可得
即的部分和有界、单调趋于,由Dirichlet判别法知在区间上一致收敛。
综上,的Fourier级数在上逐点收敛、在上内闭一致收敛到。因此,和函数在上连续且有,另有,即
(2) 由Parseval等式可得
(3) 令可得
例 13.3.2 (例2)
设是周期函数 在区间上的Fourier级数,求在上的Fourier级数。
解
直接计算可得
这表明可以直接利用换元得到Fourier级数展开,即
例 13.3.3 (例3)
设周期函数在区间上满足,给定,求的表达式和Fourier级数。
解
当时,,故有
当时,,故有
所以是分段常值函数,其表达式为
其Fourier级数对函数满足线性,所以
例 13.3.4 (例4)
设是以为周期的连续函数,在区间上满足。
-
(1)
-
求的Fourier级数,并讨论它的收敛性。
-
(2)
-
求级数的值。
-
(3)
-
求级数的值。
-
(4)
-
求级数的值。
解
(1) 是偶函数,其Fourier级数是余弦级数,计算可得
所以
上述Fourier级数一致收敛,而是分段的连续函数,所以它的Fourier级数一致收敛到自身,即
(2) 令可得
(3) 由Parseval等式可得
(4) 设级数收敛于,则有
例 13.3.5 (例5)
把区间上的函数展成周期的正弦级数,并讨论它的收敛性。
解
正弦级数由奇函数展开得到,所以做周期奇延拓,即
在区间上,由上题可知
,逐项积分可得
把在区间上展成Fourier级数,得到
所以
关于收敛性,参考例13.3.1可得级数第一项在上内闭一致收敛,级数第二项在上一致绝对收敛,故的Fourier级数在上内闭一致收敛到,即的Fourier级数在上连续;在上逐点收敛到。
例 13.3.6 (例6)
设是周期的连续函数,证明:
-
(1)
-
有周期的原函数当且仅当。
-
(2)
-
设的Fourier级数为
则
证明
(1) 由Newton-Leibniz公式可得
故是周期函数当且仅当,即。
(2) 放缩可得
因此级数
一致收敛,它是连续函数的Fourier级数,所以
例 13.3.7 (例8)
设连续且分段可微,在上平方可积。证明:
-
(1)
-
若,且满足或,则
其中等号成立当且仅当。
-
(2)
-
若,且满足以及,则
其中等号成立当且仅当。
证明
(1) 把视为周期的偶函数,设
则是周期的奇函数,即
计算可得
因为均平方可积,所以它们满足Parseval等式
其中不等式中的等号成立当且仅当对任意都有,即,从而。
(2) 把视为周期的函数,设
则也是周期的函数,即
计算可得
由于均平方可积,所以它们满足Parseval等式
其中不等式中的等号成立当且仅当对任意都有,即,从而。
13.3.2 *正交多项式
例 13.3.8 (例7)
Legendre方程是指如下二阶常微分方程:
-
(1)
-
求它的幂级数形式的解。
-
(2)
-
证明当是非负整数时,Legendre方程有次多项式解,称为Legendre多项式。
-
(3)
-
证明Legendre多项式在内积下是彼此正交的,即
解
(1) 微分方程可化为
方程两边求阶导数可得
令可得
取可得
此时得到幂级数解
如果是非负偶数,则这个幂级数解是多项式;如果不是非负偶数,则由d’Alembert判别法,该幂级数的收敛半径为
取 可得
于是得到幂级数解
如果是正奇数,则这个幂级数是多项式;如果不是正奇数,则用d’Alembert比值判别法求得该幂级数收敛半径。
(2) 由(1)可知
前6个多项式为
(3) 由分部积分可得
即
是内积下的对称线性变换,Legendre多项式是这个对称线性变换的特征函数,对应于不同的特征值,所以彼此正交。事实上,若和是Legendre多项式,次数,则
所以
可以证明:在平方可积函数空间中,Legendre多项式是完备的,即任何平方可积函数可以用Legendre多项式写成平方平均收敛的级数。从而可以建立基于Legendre多项式的Fourier级数理论。
13.3.3 *Fourier变换的应用
例 13.3.9
无界杆热传导问题:
解
对定解问题作关于的Fourier变换可得
解得
作Fourier逆变换可得
因此
当时,对应的齐次方程的解为
例 13.3.10
求解下面的定解问题:
解
对定解问题作关于的Fourier变换可得
解得
作Fourier逆变换可得
例 13.3.11
求解下面的定解问题:
解
对定解问题作关于的Fourier变换可得
解得
作Fourier逆变换可得
对于一般的,上面的逆变换不容易得到。特别地,当时,有
所以
此即d’Alembert公式。
例 13.3.12
上半平面Dirichlet问题:
且上面的极限均对另一个自变量一致。
解
对定解问题作关于的Fourier变换可得
解得
因为,由Riemann-Lebesgue引理可得
此即定解问题作Fourier变换后的自然边界条件。所以当时,;当时,,由此可得
作Fourier逆变换可得
其中
例 13.3.13
上半平面Neumann问题:
且上面的极限均对另一个自变量一致。
解
设,则满足
因此
即