当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第八章 级数 > 第六节 傅里叶级数 > Fourier级数的收敛性
好 我们讲傅里叶级数的很重要的一部分内容
收敛性
刚才我们得到的所谓傅里叶级数
我们一直强调它叫形式傅里叶级数
我们以2π为周期的周期函数为例
一般的周期函数结论完全是一样的
我们强调是形式傅里叶级数
原因就很简单
我们不知道后面那个函数项级数是否收敛
即便是收敛
我们也不知道它是不是收敛到f(x)上去
我们一直讲 这里面一定不能写等号
因为一写等号
就意味着傅里叶级数是收敛的
并且收敛到f(x)本身
所以不写等号我们得到的是形式傅里叶级数
我们不管三七二十一 展开了再说
现在我们就要介绍最重要的一个定理
就是关于收敛性的问题
我们要讨论傅里叶级数这么一个函数项级数
它是不是收敛的
如果收敛的话 到底收敛到什么地方去
下面是定理
因为课时的原因
这个定理 作为微积分课来讲
我们常用的就不证了
我们只是介绍这个定理
而我们不会去证明这个定理
如果对这个定理感兴趣的话
大家可以看一下数学系的数学分析的相关章节
狄利克雷判别法
f(x)在正负π这个有界闭区间
是一个分段单调的
所谓分段单调
就是这个闭区间分成有限段
每一段都是一个单调函数
f(x)在这个区间里面
只有有限个第一类间断点
它没有第二类间断点
则f(x)的形式傅里叶级数在这个区间里
点点都是收敛的
收敛到什么地方去了
第一 如果x0为f(x)的连续点
那么形式傅里叶级数
它的收敛值就是f(x0)
第二 如果x0是f(x)的间断点
我们讲过 只有第一类间断点
那么形式傅里叶级数
那么收敛到f在x0左右极限的平均值
第三 在正负π的端点
傅里叶级数收敛到二分之一
f在-π的右极限
加上在π的左极限
好 我们看一下例子
我们已经讲过
f(x)等于x x属于(0,π)的时候
我们要求它以2π为周期的正弦傅里叶级数
我们知道f它的形式傅里叶级数是
Σn从1到正无穷
(-1)^n-1乘上2除以n乘上sinnx
这是它的形式傅里叶级数
我们也可以把这个图画出来
f(x)的图呢是这样的
这是π 这是-π
一直周期开拓下去
那么我们可以知道
f(x)在正负π的内部
它都是连续函数
所以我们的形式傅里叶级数
一定是一个收敛的
收敛到什么地方去了
我们来看看形式傅里叶级数的和函数
在连续的点
它就收敛到x本身
x属于(-π,π)
在端点 收敛到这点的左极限
加上这点的右极限
左极限等于π 右极限等于-π
所以端点是收敛到这两点的平均值上
等于0 x等于正负π
所以狄利克雷收敛定理告诉我们
这个形式傅里叶级数一定是收敛的
在连续点 收敛到x本身
在不连续点
收敛到左右极限的平均值上去
在这就是0
我们再做一件很有意思的事情
令x等于2分之π
那么在这一点
这个形式傅里叶级数一定收敛到x本身
也就是Σn从1到正无穷
(-1)^n-1乘上2除以n乘上sinnπ/2
就应该是等于2分之π
我们把n等于1 n等于2 n等于3 n等于4
往里面一写
最后我们可以得到非常有意思的一件事情
也就是说n等于1的话
就是1减去
n等于2的话sinπ是等于0
所以所有的偶数项都没有了
减去3分之1加上5分之1加上一正一负
加到(-1)^n/2n+1 再加
这就是把2分之π代进去之后
左边这个级数再乘上2
我把2除过去
最后可以得到一个非常有意思的事情
它就等于4分之π
这以前是一个我们觉得很困难的一件事情
1减去3分之1加上5分之1所有的奇数项
一正一负
最后我们可以通过傅里叶级数
很容易的把它算出来
这个级数的和就是等于4分之π
那么同样这个函数
我们也做过一件事情
我们把这个函数展开成余弦傅里叶级数
展开成余弦傅里叶级数
它的图像就是这个样子
展开成为2π为周期的周期函数
每一点都是连续函数
每一点连续函数
那么狄利克雷收敛定理告诉我们
它最后展开成的形式傅里叶级数
就是收敛的
而且收敛到什么地方去了呢
就是收敛到f(x)本身上去
那么我们写一下形式傅里叶级数就是
2分之π减去π分之4Σk从1到正无穷
cos(2k+1)x/(2k+1)^2
这就是形式傅里叶级数
这个形式傅里叶级数因为它都是连续的
它收敛并且收敛到f(x)本身
x就属于从负π到π
或者说写成从0到π也可以 就是x
那么从-π到π的另一端
我们用分段函数来给它分段表示
所以这就是我们要讲的
关于形式傅里叶级数的收敛性的
一个很重要的定理 狄利克雷定理
这个定理本身也比较简单
也就是说f这个函数
满足比较好的光滑性
这个条件不算太强的
在正负π上分段单调
并且只有有限个第一类间断点
不算太苛刻的条件下
我们最后得到的结论
是非常非常强大
我们得到了形式傅里叶级数
作为一个特殊的函数项级数
它是一个收敛的
并且它的收敛值
我们也可以给出很好的一些结论
如果我们要在这些结论下
我们要画一下
形式傅里叶级数它的和函数的图像
对连续的情况
和函数就是这样
和函数就是它
这就是和函数
对于间断的情况下
和函数是这样的
一般来讲这是空心的
表示这个值不在这取
在什么地方呢
在0上取
这是空心的 这是空心的 这是实心的
这是空心的 这是空心的
一直两端伸展的话
可以得到形式傅里叶级数和函数
它的图像也可以马上算出来
关于傅里叶级数的收敛性
这只是一种收敛性
也是我们现在所能领会的
比较简单的一种收敛性
因为它是一种逐点的收敛性
还有其他的收敛性
比如说平方收敛性等等
那么这个跟我们现在的课程
就是差的比较远了
我们就不做介绍了
有兴趣的同学
你可以去看一下相应的内容
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习