13.3 习题课讲解

13.3.1 Fourier级数

例 13.3.1 (例1) f是以2π为周期的连续函数,在区间(π,π]上满足f(x)=x

(1)

f的Fourier级数,并讨论它的收敛性。

(2)

求级数112+122+132+的值。

(3)

求级数113+1517+的值。

(1) f是奇函数,其Fourier级数是正弦级数,计算可得(1)bn=1πππxsinnxdx=2nπ0πx(cosnx)dx=2πcosnπnπ+2nπ0πcosnxdx=(1)n1n 所以(2)f(x)S(x):=n=1+2(1)n1nsinnx

由于f Riemann可积,从而平方可积,故f的Fourier级数在区间[π,π]上平方收敛于f。考虑级数(3)n=1+(1)n1nsinnx=n=1+(eex)nnδ(0,π),当x[δπ,πδ]时,计算可得(4)|n=1N(eex)n|=|eex(eex)N1+eex|2|1+eex|(eex)n的部分和有界、1n单调趋于0,由Dirichlet判别法知n=1+(eex)nn在区间[δπ,πδ]上一致收敛。

综上,f的Fourier级数在[π,π]上逐点收敛、在(π,π)上内闭一致收敛到f。因此,和函数S(π,π)上连续且有S(x)=f(x),另有S(π)=S(π)=0,即(5)S(x)={f(x),x(π,π)0,x=±π

(2) 由Parseval等式可得(6)23π2=1πππx2dx=A022+n=1+(An2+Bn2)=n=1+4n2n=1+1n2=π26

(3) 令x=π2可得(7)π2=n=1+2(1)n1nsinnπ2=k=1+2(1)k12k1k=1+(1)k12k1=π4

例 13.3.2 (例2) a02+n=1+(ancosnx+bnsinnx)2π周期函数 f在区间[π,π]上的Fourier级数,求f(x+L)[π,π]上的Fourier级数。

直接计算可得(8)An=1π02πf(x+L)cosnxdx=1πL2π+Lf(t)cosn(Lt)dt=1πL2πLf(t)cosnLcost+f(t)sinnLsintdt=cosnLan+sinnLbnBn=1π02πf(x+L)sinnxdx=1πL2π+Lf(t)sinn(Lt)dt=1πL2πLf(t)sinnLcostf(t)cosnLsintdt=sinnLancosnLbn 这表明可以直接利用换元得到Fourier级数展开,即(9)f(x+L)a02+n=1+(ancosn(Lx)+bnsinn(Lx))=a02+n=1+[(ancosnL+bnsinnL)cosnx+(bncosnL+ansinnL)sinnx]

例 13.3.3 (例3) 2π周期函数f在区间[π,π]上满足f(x)=x,给定0<L<π,求f(x)+f(Lx)的表达式和Fourier级数。

π<x<Lπ时,π<Lx2π<Lπ<0,故有(10)f(x)+f(Lx)=x+f(Lx2π)=x+Lx2π=L2πLπ<x<π时,π<Lπ<Lx<π,故有(11)f(x)+f(Lx)=x+Lx=L 所以g(x)=f(x)+f(Lx)是分段常值函数,其表达式为(12)g(x)={L2π,π<x<LπL,Lπ<x<π 其Fourier级数对函数满足线性,所以(13)g(x)n=1+2(1)n1nsinnx+n=1+2(1)n1nsinn(Lx)=n=1+(2(1)n1sinnLncosnx+2(1)n1(1cosnL)nsinnx)

例 13.3.4 (例4) f是以2π为周期的连续函数,在区间[π,π]上满足f(x)=|x|

(1)

f的Fourier级数,并讨论它的收敛性。

(2)

求级数112+132+152+的值。

(3)

求级数114+134+154+的值。

(4)

求级数114+124+134+的值。

(1) f是偶函数,其Fourier级数是余弦级数,计算可得(14)a0=1πππf(x)dx=2π0πxdx=πan=1πππf(x)cosnxdx=2π0πxcosnxdx==x2sinnxnπ|0π2π0πsinnxndx=(1)n1n2π{0,neven4n2π,nodd 所以(15)f(x)π2n=1+4(2n1)2πcos(2n1)x 上述Fourier级数一致收敛,而f是分段C1的连续函数,所以它的Fourier级数一致收敛到f自身,即(16)f(x)=π2n=1+4(2n1)2πcos(2n1)x

(2) 令x=0可得(17)0=π2n=1+4(2n1)2πn=1+1(2n1)2=π28

(3) 由Parseval等式可得(18)23π2=1πππx2dx=A022+n=1+(An2+Bn2)=π22+n=1+16(2n1)4π2n=1+1(2n1)4=π496

(4) 设级数收敛于S,则有(19)S=124(114+124+134+)+(114+134+154+)=S24+π496S=π490

例 13.3.5 (例5) 把区间[0,π]上的函数x2展成2π周期的正弦级数,并讨论它的收敛性。

正弦级数由奇函数展开得到,所以做周期奇延拓,即(20)f(x)=x2sgnx={x2,0xπx2,π<x<0 在区间(π,π)f(x)=2|x|,由上题可知(21)f(x)=πn=1+8(2n1)2πcos(2n1)x x(π,π),逐项积分可得(22)f(x)=f(0)+0x[πn=1+8(2n1)2πcos(2n1)t]dt=πxn=1+8(2n1)3πsin(2n1)x=πxn=1+4(1(1)n)n3πsinnxx在区间(π,π)上展成Fourier级数,得到(23)x=n=1+2(1)n1nsinnx,x(π,π) 所以(24)f(x)=x2sgnxn=1+[2π(1)n1n4(1(1)n)n3π]sinnx,x(π,π) 关于收敛性,参考例13.3.1可得级数第一项在(π,π)上内闭一致收敛,级数第二项在[π,π]上一致绝对收敛,故f的Fourier级数在(π,π)上内闭一致收敛到f,即f的Fourier级数在(π,π)上连续;在[π,π]上逐点收敛到0

例 13.3.6 (例6) f2π周期的连续函数,证明:

(1)

f2π周期的原函数F当且仅当02πf(x)dx=0

(2)

f的Fourier级数为(25)f(x)n=1+(ancosnx+bnsinnx) (26)0xf(t)dt=n=1+bnn+n=1+(annsinnxbnncosnx)

证明 (1) 由Newton-Leibniz公式可得(27)F(x)=F(0)+0xf(t)dtF2π周期函数当且仅当F(2π)=F(0),即02πf(t)dt=0

(2) 放缩可得(28)n=1+(|ann|+|bnn|)n=1+(|an2|+|bn2|+2n2)=1π02π|f(x)|2dx+4<+ 因此级数(29)n=1+bnn+n=1+(annsinnxbnncosnx) 一致收敛,它是连续函数0xf(t)dt的Fourier级数,所以(30)0xf(t)dt=n=1+bnn+n=1+(annsinnxbnncosnx)

例 13.3.7 (例8) f:[a,b]R连续且分段可微,f[a,b]上平方可积。证明:

(1)

[a,b]=[0,π],且f满足f(0)=f(π)0πf(x)dx=0,则(31)0πf(x)2dx0πf(x)2dx 其中等号成立当且仅当f(x)=acosx

(2)

[a,b]=[π,π],且f满足f(π)=f(π)以及ππf(x)dx=0,则(32)ππf(x)2dxππf(x)2dx 其中等号成立当且仅当f(x)=acosx+bsinx

证明 (1) 把f视为2π周期的偶函数,设(33)fa02+n=1+ancosnxf2π周期的奇函数,即(34)fn=1+Bnsinnx 计算可得(35)a0=2π0πf(x)dx=0Bn=2π0πf(x)sinnxdx=2πf(x)sinnx|0π2πn0πf(x)cos2nxdx=nan 因为f,f均平方可积,所以它们满足Parseval等式(36)0πf(x)2dx=π2n=1+an2=π2n=1+(Bnn)2π2n=1+Bn2=0πf(x)2dx 其中不等式中的等号成立当且仅当对任意n2都有Bn=0,即an=0,从而f(x)=a1cosx

(2) 把f视为2π周期的函数,设(37)fa02+n=1+(ancosnx+bnsinnx)f也是2π周期的函数,即(38)fn=1+(Ancosnx+Bnsinnx) 计算可得(39)a0=0,An=nbn,Bn=nan 由于f,f均平方可积,所以它们满足Parseval等式(40)ππf(x)2dx=πn=1+(an2+bn2)=πn=1+(An2n2+Bn2n2)πn=1+(An2+Bn2)=ππf(x)2dx 其中不等式中的等号成立当且仅当对任意n2都有An=Bn=0,即an=bn=0,从而f(x)=a1cosx+b1sinx

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:(41)ddx[(1x2)dydx]+l(l+1)y=0

(1)

求它的幂级数形式的解。

(2)

证明当l是非负整数时,Legendre方程有l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(42)11f(x)g(x)dx=0

(1) 微分方程可化为(43)(1x2)y2xy+l(l+1)y=0 方程两边求n2阶导数可得(44)(1x2)y(n)+(n2)(2x)y(n1)+(n2)(n3)2(2)y(n2)2xy(n1)(n2)2y(n2)+l(l+1)y(n2)=0x=0可得(45){y(0)+l(l+1)y(0)=0y(n)(0)+[l(l+1)(n2)(n1)]y(n2)(0)=0

1y(0)=1, y(0)=0可得(46)y(0)==y(2k1)(0)==0y(2)(0)=l(l+1)y(2k)(0)=i=1k[(2i1)(2i2)l(l+1)],k1 此时得到幂级数解(47)y=1+k=1+i=1k[(2i1)(2i2)l(l+1)](2k)!x2k 如果l是非负偶数,则这个幂级数解是多项式;如果l不是非负偶数,则由d’Alembert判别法,该幂级数的收敛半径为(48)R=(limk|akak1|)1=(limk|(2k1)(2k2)l(l+1)2k(2k1)|)1=1

2y(0)=0, y(0)=1可得(49)y(2)(0)==y(2k)(0)=0y(3)(0)=2l(l+1)y(2k+1)(0)=j=1k[2j(2j1)l(l+1)],k1 于是得到幂级数解(50)y=x+k=1+j=1k[2j(2j1)l(l+1)](2k+1)!x2k+1 如果l是正奇数,则这个幂级数是多项式;如果l不是正奇数,则用d’Alembert比值判别法求得该幂级数收敛半径R=1

(2) 由(1)可知(51)y={1+k=1l/2i=1k[(2i1)(2i2)l(l+1)](2k)!x2k,levenx+k=1(l1)/2j=1k[2j(2j1)l(l+1)](2k+1)!x2k+1,lodd 前6个多项式为(52)l=0:y=1l=1:y=xl=2:y=13x2l=3:y=x+2126x3=x53x3l=4:y=110x2+353x4l=5:y=x143x3+215x5

(3) 由分部积分可得(53) 11ddx[(1x2)dfdx]g(x)dx=[(1x2)dfdx]g(x)|11+11[(1x2)dfdx]g(x)dx=f(x)[(1x2)dgdx]|11+11ddx[(1x2)dgdx]f(x)dx=11ddx[(1x2)dgdx]f(x)dx(54)Ay=ddx[(1x2)dydx] 是内积11f(x)g(x)dx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PmPn是Legendre多项式,次数mn,则(55) m(m+1)11Pm(x)Pn(x)dx=11ddx[(1x2)dPmdx]Pn(x)dx=11ddx[(1x2)dPndx]Pm(x)dx=n(n+1)11Pm(x)Pn(x)dx 所以(56)11Pm(x)Pn(x)dx=0 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:(57){ut=a2uxx+f(x,t),xR,t>0u(x,0)=φ(x),xR

对定解问题作关于x的Fourier变换可得(58){u^t=a2ξ2u^+f^(ξ,t),ξR,t>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),ξR 解得(59)u^(ξ,t)=φ^(ξ)ea2ξ2t+0tf^(ξ,τ)ea2ξ2(tτ)dτ 作Fourier逆变换可得(60)u(x,t)=F1[u^(,t)](x) 因此(61)u(x,t)=F1[φ^(ξ)ea2ξ2t](x)+0tF1[f^(ξ,τ)ea2ξ2(tτ)](x)dτ=φ(x)12aπtex24a2t+0tf(x,τ)12aπ(tτ)ex24a(tτ)dτ=12aπt+φ(y)e(xy)24a2tdy+0tdτ+f(y,τ)2aπ(tτ)e(xy)24a2(tτ)dyf=0时,对应的齐次方程的解为(62)u(x,t)=12aπt+φ(y)e(xy)24a2tdy

例 13.3.10 求解下面的定解问题:(63){ut=a2Δnu,xRn,t>0u(x,0)=φ(x),xRn

对定解问题作关于x的Fourier变换可得(64){u^t=a2(ξ12++ξn2)u^,ξRn,t>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),ξRn 解得(65)u^(ξ,t)=φ^(ξ)ea2(ξ12++ξn2)t 作Fourier逆变换可得(66)u(x,t)=F1[u^(,t)](x)=F1[φ^(ξ)ea2(ξ12++ξn2)t](x)=φ(x)(12πat)nex12++xn24a2t=(12πat)nRnφ(y)exy24a2tdny

例 13.3.11 求解下面的定解问题:(67){utt=a2Δnu,xRn,t>0u(x,0)=φ(x),ut(x,0)=ψ(x),xRn

对定解问题作关于x的Fourier变换可得(68){u^tt=a2(ξ12++ξn2)u^,ξRn,t>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),u^(ξ,0)=ψ^(ξ),ξRn 解得(69)u^(ξ,t)=φ^(ξ)cos(aξt)+ψ^(ξ)aξsin(aξt) 作Fourier逆变换可得(70)u(x,t)=F1[u^(,t)](x,t) 对于一般的n,上面的逆变换不容易得到。特别地,当n=1时,有(71)u^(ξ,t)=φ^(ξ)cosaξt+ψ^(ξ)aξsinaξt=φ^(ξ)eiξat+eiξat2+ψ^(ξ)eiξateiξat2aiξ 所以(72)u(x,t)=F1[φ^(ξ)eiξat+eiξat2+ψ^(ξ)eiξateiξat2aiξ]=12φ(x)[δ(x+at)+δ(xat)]+12axψ(y)dy[δ(x+at)+δ(xat)]=φ(x+at)+φ(xat)2+12axatx+atψ(ξ)dξ 此即d’Alembert公式。

例 13.3.12 上半平面Dirichlet问题:(73){uxx+uyy=0,xR,y>0u|y=0=φ(x),xRlimxu(x,y)=limxux(x,y)=0,y>0lim supy+|u(x,y)|<+,xR 且上面的极限均对另一个自变量一致。

对定解问题作关于x的Fourier变换可得(74){u^yyξ2u^=0,ξR,y>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),ξR 解得(75)u^(ξ,y)=A(ξ)eξy+B(ξ)eξy 因为u(,y)L1(R),由Riemann-Lebesgue引理可得(76)limξu^(ξ,y)=0 此即定解问题作Fourier变换后的自然边界条件。所以当ξ>0时,A(ξ)=0;当ξ<0时,B(ξ)=0,由此可得(77)u^(ξ,y)=φ^(ξ)e|ξ|y 作Fourier逆变换可得(78)u(x,y)=F1[u^(,y)](x)=F1[φ^(ξ)e|ξ|y](x)=φ(x)yπ(x2+y2)=1π+yφ(t)(xt)2+y2dt 其中(79)F1[e|ξ|y](x)=12π+eiξx|ξ|ydξ=12π(0eiξx+ξydξ+0+eiξxξydξ)=12π(eiξx+ξyix+y|0+eiξxξyixy|0+)=12π(1y+ix+1yix)=yπ(x2+y2)

例 13.3.13 上半平面Neumann问题:(80){uxx+uyy=0,xR,y>0uy|y=0=φ(x),xRlimxuy(x,y)=limxuxy(x,y)=0,y>0lim supy+|uy(x,y)|<+,xR 且上面的极限均对另一个自变量一致。

v=uy,则v满足(81){vxx+vyy=0,xR,y>0v|y=0=φ(x),xR 因此(82)v(x,y)=1π+yφ(t)(xt)2+y2dt(83)u(x,y)=cyv(x,s)ds=1πcyds+sφ(t)(xt)2+s2dt=1π+φ(t)dtcysds(xt)2+s2=12π+φ(t)dtln[(xt)2+s2]cy=12π+φ(t)ln(xt)2+y2(xt)2+c2dt