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Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 2)

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Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 2)课程教案、知识点、字幕

2 Fourier Expansion of Functions

函数的Fourier展开

同学们 刚才我们已经介绍过了

Fourier级数

那么 对于给定的一个函数呢

我们可以找到它所对应的Fourier展开

我们下面来定义一下

Definition 2.1

for any f which belongs to curlicue B

还记得这个花写的B呀

它表示 在负π到π上

绝对可积的函数所构成的空间

好 给定这样的f

We call such a series

the Fourier expansion of f

这里边呢 我们把系数指定

其中an 注意这个an啊

指标从0开始 它是

π分之一 负π到π

f乘以cos nx做积分的结果

n可以等于0 如果n等于0

就是f自己做积分

然后呢 除以π

另外 还有bn

注意bn系列呢

它的指标从1开始 it is

1 over π times the integration

from minus πtoπ f times sin nx dx

同学们 我们把这样一个级数呢

叫做f的傅里叶展开

那为什么这里的系数取成

这里我们所定义的an bn呢

同学们一定要思考一下

在上一小节呢 我们试图把一个f

用正交的三角基

作为无穷维线性空间的基底

展开的时候 我们引入的系数

不是这里的an和bn

当时呢 我们把它叫做kn和ln

当然我们一定要比较一下

kn和这里的an bn的关系

就能看出来为什么我们现在

要重新定义这样的系数了

这样的系数 它的优点呢 就是

表达起来非常的简洁

定义完f的傅里叶展开

那么下面呢

我们引入一个记号

Such a relation is often written as

f(x) similar to a naught times a half

也就是二分之一a0再加上

a1 times cos x plus b1 sin x

plus an cos nx plus bn sin nx and so on

无穷多个函数的和

也就是傅里叶级数和

注意我们还是没有用等号

而是用了前面我们讲的这样波浪号

这个波浪号similar呢

它表示的含义呢

实际上是指 依范数收敛的意思啊

我们暂时不做更细致的解释

总之 对给定的f

我们通常做了傅里叶展开之后呢

同学们要小心 不要轻易的写等号

而通常我们都是用波浪号来表达的

后面我们会看到为什么

这个等号其实是不正确的

我们下面呢 算一个

具体的傅里叶展开的例子

Example 2.2

We consider this function

f equals absolute value of x

on minus π to π

这个函数呢 相应的那些傅里叶系数

也就是an bn呢 是非常容易求的

希望同学们呢 在稿纸上

按照我们刚才定义an bn的方式

仔细的算一下

算完了以后呢

代入它的傅里叶表达式

我们就会得到它的傅里叶展开啦

An easy computation gives

its Fourier expansion

f(x) which is the absolute value of x

is similar to

half πminus four over πtimes a series

the index does from zero to infinity

这就是f的傅里叶展开

注意 我们这个傅里叶展开中啊

全体sin mx前面那些系数啊

统统是0

因此呢 它在做傅里叶展开的时候

就没有sin系列的函数

只剩下了常数以及cos系列

同学们 刚才对负π到π上的

绝对可积函数

我们做了它的傅里叶展开

并且做了一个实例

有的书上呢

在讲傅里叶级数的时候呢

并不限定区间为负π到π

而是别的区间

比如有的书呢 可能考虑0到2π

这个理论呢 是完全一样的

我们呢 也大致介绍一下

如果我们考虑的是

0到2π区间上的函数的话

我们也是要考虑

在这上面绝对可积的函数

通常呢 就把它记成

curlicue B from 0 to 2π

它当然表示

全体在0到2π上绝对可积

也就是加绝对值以后

这样的f还是黎曼可积的函数

对于这个空间上呢

我们也有类似的傅里叶展开

它展开方式跟刚才我们所讲的

是完全一样的

对任意的f都做这样的展开

而且它的系数计算方式

也非常的相像

只是要小心 每一个an

当然这个an系列

n从0开始

它在计算的时候呢

它的积分限 不再是负π到π

而是0到2π

类似的 bn呢

也是从0到2π上做积分

这个公式呢 跟我们以前看到的呢

非常的相似

唯独就是区间发生了变化

没有任何实质性的差异

比如 下面呢 我们做这样一个例子

Example 2.3

我们考虑这样一个函数

f(x) equals πminus x over 2

把它限制在0到2π区间上

注意 这里我们没有把它

想象成负π到π上的函数

而是想象成0到2π上的

一个绝对可积的函数

那么 它对应的傅里叶展开是什么呢

我们可以具体计算一下

我们可以算一下a0

注意 a0啊 是从0到2π做积分

原来的f 也就是π减x除以2做积分

做完积分以后呢

别忘了要除以π

它的结果呢 等于0

类似的 我们有an的结果

这个计算呢 比较简单

但是呢 同学们

一定要认真细致的完成这个计算

an 算出来呢 是等于0的

但是bn算出来不等于0

每一个bn呢

算出来都是n分之一

这个 同学们呢

一定要仔细的算一下

总之 在刚才同样的理论框架内呢

我们可以做

在0到2π上的

这个函数的傅里叶展开

就是现在我们看到的样子

类似的呢 我们还可以做

另外一个例子

Example 2.4

We consider such a function

sin x take absolute value

and x belongs to 0 to 2π

我们还是指定在0到2π这样的区间上

去做傅里叶展开

那么 我们要按照傅里叶展开的公式

就可以计算出来

we can show that f(x) is similar to

4 over π times

a half minus 1 over 1 times 3 cos 2x

minus 1 over 3 times 5 cos 4x and so on

这个通项式啊 写出来呢

是有规律的

希望同学们呢 自己把它写一下

就是我们现在看到的这个样子

这个例题呢 告诉我们

尽管这个f啊

它是sin x取绝对值得到的

它在做傅里叶展开以后呢

你会发现 其中所有的项呢

都跟sin没有关系

而只是cos的那些项

所以呀 傅里叶展开

实际上是非常有意思的现象

同学们 在这一讲中呢

我详细介绍了

在负π到π上绝对可积的函数

所构成的内积空间

并给出了这个空间呢

一组正交基 它们呢

由三角函数所构成

对于任何一个函数呢

在这组基上做展开

就是傅里叶展开

得到的函数项级数呢

就是傅里叶级数

希望同学们呢

在课后多做一些练习

来熟悉这种思想和方法

下一个单元呢

我们将研究一个非常重要的问题

就是傅里叶级数的收敛性问题

好的 我们下一讲再见

微积分-2课程列表:

Chapter 1 Improper Integrals 广义积分 (first part)

-Introduction (课程介绍)

--Introduction

-Unit 1 Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 1)

--Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 1)

--Exercises-1-1-1

-Unit 1 Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 2)

--Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 2)

--Exercises-1-1-2

-1-1讲义

-Unit 2 Examples of Improper Integrals (广义积分的例子)

--Video-1-2 Examples of Improper Integrals (广义积分的例子)

--Exercise-1-2

-1-2讲义

Chapter 1 Improper Integrals 广义积分 (second part)

- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)

--Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)

--Exercises-1-3-1

- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)--作业

- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)

--Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)

--Exercises-1-3-2

- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)--作业

-1-3讲义

-Unit 4 Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛和条件收敛)

--Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛和条件收敛)

--Exercise-1-4

--1-4讲义

-Test1

Chapter 2 Infinite Series 无穷级数(first part)

-Unit 1 Infinite Series and Their Convergence(无穷级数及其收敛性)

--Infinite Series and Their Convergence (无穷级数及其收敛性)

--Exercises-2-1

--2-1讲义

-Unit 2 Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛与条件收敛)

--Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛与条件收敛)

--Exercises-2-2

--2-2讲义

-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 1)

--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 1)

--Exercises-2-3-1

-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 2)

--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 2)

--Exercises-2-3-2

-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 3)

--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 3)

--Exercises-2-3-3

--2-3讲义

-Test2

Chapter 2 Infinite Series 无穷级数 (second part)

-Unit 4 Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 1)

--Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 1)

--Exercises-2-4 (section 1)

-Unit 4 Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 2)

-- Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 2)

--Exercises-2-4 (section 2)

--2-4讲义

-Unit 5 Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1)

--Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1)

--Exercises-2-5(section 1)

-Unit 5 Uniform Convergence(一致收敛性)(section 2)

--Uniform Convergence(一致收敛性)(section 2)

--Exercises-2-5(section 2)

--2-5讲义

Chapter 3 Power Series and Fourier Series 幂级数和Fourier级数 (first part)

-Unit 1 Power Series (幂级数)(section 1)

--Power Series (幂级数) (section 1)

--Exercise-3-1(section 1)

-Unit 1 Power Series (幂级数)(section 2)

--Power Series (幂级数)(section 2)

--Exercise-3-1 (section 2)

--3-1讲义

-Unit 2 Expansion of Functions in Power Series (函数的幂级数展开)

--Expansion of Functions in Power Series(函数的幂级数展开)

--Exercise-3-2

--3-2讲义

-Unit 3 Fourier Expansion (Fourier级数展开) (section 1)

--Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 1)

--Exercise-3-3(section 1)

-Unit 3 Fourier Expansion (Fourier级数展开) (section 2)

--Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 2)

--Exercise-3-3(section 2)

--3-3讲义

Chapter 3 Power Series and Fourier Series 幂级数和Fourier级数 (second part)

-Unit 4 Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 1)

--Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 1)

--Exercise-3-4(section 1)

-Unit 4 Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 2)

--Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 2)

--Exercise-3-4(section 2)

--3-4讲义

-Unit 5 Other Forms of Fourier Series(其他形式的Fourier级数)

--Other Forms of Fourier Series(其他形式的Fourier级数)

--Exercise-3-5

--Test3

--3-5讲义

Chapter 4 Differentiations of Multivariable Functions 多元函数微分学 (first part)

-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 1)

--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 1)

--Exercise-4-1-1

-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 2)

--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 2)

--Exercise-4-1-2

-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 3)

--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 3)

--Exercise-4-1-3

--4-1讲义

-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 1)

--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 1)

--Exercise-4-2-1

-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 2)

--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 2)

--Exercise-4-2-2

-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 3)

--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 3)

--4-2讲义

-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 1)

--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 1)

--Exercise-4-3-1

-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 2)

--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 2)

--Exercise-4-3-2

-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 3)

--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 3)

--Exercise-4-3-3

--4-3讲义

Chapter 4 Differentiations of Multivariable Functions 多元函数微分学 (second part)

-Unit 4 Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 1)

--Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 1)

--Exercise-4-4-1

-Unit 4 Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 2)

--Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 2)

--Exercise-4-4-2

--4-4讲义

-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 1)

--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 1)

--Exercise-4-5-1

-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 2)

--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 2)

--Exercise-4-5-2

-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 3)

--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 3)

--Exercise-4-5-3

--4-5讲义

Chapter 4 Differentiations of Multivariable Functions 多元函数微分学 (third part)

-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 1)

--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 1)

--Exercise-4-6-1

-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 2)

--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 2)

--Exercise-4-6-2

-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 3)

--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 3)

--Exercise-4-6-3

--4-6讲义

-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 1)

--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 1)

-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 2)

--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 2)

--Exercise-4-7-1

--Exercise-4-7-2

-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 3)

--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 3)

--Exercise-4-7-3

-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 4)

--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 4)

--Exercise-4-7-4

--4-7讲义

-Test1

Chapter 4 Differentiations of Multivariable Functions 多元函数微分学 (fourth part)

-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 1)

--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 1)

-Exercise-4-8-1

-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 2)

--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 2)

-Exercise-4-8-2

-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)

--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)

--4-8讲义

-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)--作业

-Unit 9 Applications of Gradients (梯度的应用) (section 1)

--Applications of Gradients (梯度的应用) (section 1)

-Unit 9 Applications of Gradients (梯度的应用) (section 2)

--Applications of Gradients (梯度的应用) (section 2)

--Exercise-4-9-2

--4-9讲义

Chapter 5 Multiple Integrals 重积分 (first part)

-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 1)

--Multiple Integrals (重积分) (section 1)

-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 2)

--Multiple Integrals (重积分) (section 2)

--Exercise-5-1-2

-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 3)

--Multiple Integrals (重积分) (section 3)

--Exercise-5-1-3

--5-1讲义

-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 1)

--Triple Integrals (三重积分) (section 1)

--Exercise-5-2-1

-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 2)

--Triple Integrals (三重积分) (section 2)

--Exercise-5-2-2

-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 3)

--Triple Integrals (三重积分) (section 3)

--Exercise-5-2-3

--5-2讲义

-Unit 3 Line Integrals (曲线积分) (section 1)

--Line Integrals (曲线积分) (section 1)

--Exercise-5-3-1

-Unit 3 Line Integrals (曲线积分) (section 2)

--Line Integrals (曲线积分) (section 2)

--Exercise-5-3-2

--5-3讲义

Chapter 5 Multiple Integrals 重积分 (second part)

-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 1)

--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 1)

--Exercise-5-4-1

-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 2)

--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 2)

--Exercise-5-4-2

-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 3)

--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 3)

--Exercise-5-4-3

-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1)

--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1)

-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 2)

--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 2)

--5-4讲义

-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 3)

--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 3)

--Exercise-5-5-1

--5-5讲义

Chapter 5 Multiple Integrals 重积分 (last part)

-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 1)

--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 1)

--Exercise-5-6-1

-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 2)

--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 2)

-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 3)

--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 3)

--Exercise-5-6-2

--Exercise-5-6-3

--5-6讲义

-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 4)

--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 4)

-Unit 7 Field Theory (场论) (section 1)

--Field Theory (场论) (section 1)

-Unit 7 Field Theory (场论) (section 2)

--Field Theory (场论) (section 2)

--Exercise-5-7-1

-Unit 7 Field Theory (场论) (section 3)

--Field Theory (场论) (section 3)

-Unit 7 Field Theory (场论) (section 4)

--Field Theory (场论) (section 4)

--Exercise-5-7-2

--Test5

--5-7讲义

Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 2)笔记与讨论

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