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 > 三角函数的正交性
好 我们今天开始讲一类
新的函数项级数
傅里叶级数
傅里叶级数是函数项级数
它的每一项都是三阶级数组成的
一般的情况下的一个傅里叶级数
Σn从1到正无穷
ancosnx加上bnsinnx
前面有一个常数项
那么由这个三角函数所构成的
我们把它叫三角级数
或者说傅里叶级数
那么我们现在碰到的问题就是
一个函数f(x)
是不是可以展开成拿这个傅里叶级数
作为和函数
我们的问题是这样
什么样的f(x)可以做展开
如果可以做展开的话
那些an bn都是什么样的一些数
或者说等价的条件下
在an和bn取什么样的数的时候
这个三角函数所构成的函数项级数收敛
并且收敛到我们想要的f(x)上去
我们可以发现
这个三角函数所构成的每一个分项
都是以2π为周期的
所以如果说可以展开
对于f(x)来讲
也必须是以2π为周期的函数
所以我们先讨论2π为周期的周期函数
它的三角级数展开
或者说傅里叶展开
在讨论展开之前
我们先讨论第一件事情
就是关于三角函数系
1 cosx sinx cos2x sin2x cosnx sinnx
这是一系列函数
这一系列函数满足的重要性质
就是它的正交性
两个函数正交
我们还从来没有定义过
我们先来定义一下
什么叫两个函数是正交的
如果说在这么一个区间上[-π,π]
这么一个区间上定义的两个函数
一个是f(x) 一个是g(x)
都是简单一点 就是都是连续函数
如果从-π到πf(x)乘上g(x)的积分等于0
非零的函数
如果两个函数乘积的积分等于0
那么我们则称
f(x)和g(x)两个函数
在这个区间上是正交的函数
所以我们给出两个函数正交的定义
那么现在我们要证明
我们刚才所给出来的一系列
由常数项 正弦函数 余弦函数
所组成的函数列 彼此都是正交的
我们要证明彼此都是正交的
我们就要来证明这么一件事情
我们来证明这件事情
我们来看看
先证明1和所有的正弦函数
以及所有的余弦函数都是正交的
我们来看看
从-π到π 1乘上cosnx dx
我们把它积分积出来
根据Newton-Leibniz公式
把上限下限朝里面一代
我们发现它一定是等于0的
我们再来看看
1这个函数和所有的正弦函数
sinnx dx积分
最后发现也是等于0的
所以我们可以知道
1和余弦函数都是正交的
1和所有的正弦函数也都是正交的
第二件事情我们再来看看
余弦函数彼此之间是不是正交的
那么n和m是两个正整数
我们来看看-π到π
cosmx乘上cosnx的dx
我们来看看这个积分
我们根据两个函数乘积化和差的公式
它就等于二分之一从-π到π
cos(m+n)x+cos(m-n)x这个函数的积分
就分成两种情况
第一种情况
当m不等于n m和n是不同的正整数的时候
这个积分你可以算一下
一定是等于0的
当m和n是两个相同的正整数的时候
这个积分是等于π的
同样我们也可以来算一下
正弦函数彼此之间的
sinmx乘上sinnx的dx
同样可以得到相同的结果
等于π 当m等于n的时候
等于0 当m不等于n的时候
最后我们要来看一下
正弦函数和余弦函数彼此之间的正交性
从-π到π sinmx乘上cosnx dx
我们知道根据积化和差公式
就等于二分之一从-π到π
sin(m+n)x-sin(m-n)x
这个函数的积分
一定都是等于0的
所以我们可以知道
这个我们现在得到三角函数列里面
彼此都是正交的
所以我们把这个三角函数列
叫正交函数族
这是我们知道的第一个结果
然后我们再来看看
如果说有一个函数f(x)
可以用这一列三角函数的和函数来表示
我们再假设
这个函数列可以逐项积分
那么我们来看看
这些系数都应该是什么样的数
那么我们两边同时乘上1
乘上f(x)dx从-π到π积分
就应该是等于-π到π
1乘上二分之a0dx
逐项积分 加上Σn从1到正无穷
an乘上-π到π
1乘上cosnx的积分
加上bn乘上-π到π
1乘上sinnx的积分
根据正交性 我们知道
1乘上cosnx在正负π上的积分是等于0的
所以所有的an都不会有的
系数全是0
同样根据正交性 我们可以知道
sinnx乘上1的积分也等于0
所以后面的和式全部是等于0
也就是等于二分之a0乘上2π
就是π乘上a0
所以我们可以发现
a0就等于π分之一从-π到π
f(x)的乘上1的积分
这就是这个三角级数
所应该出现的数值
这件事情我们还可以再做
怎么做呢
如果说我举一个例子
我两边-π到πcosnx的乘上f(x)的积分
那么相当于二分之a0乘上cosnx的积分是等于0
后面一大堆的和式里面一大堆东西
除了cosnx和cosnx自己本身的
乘积的积分不等于0之外
其余的都等于0
cosnx和cosmx如果m不等于n的话
在正负π上的积分一定是等于0
那么cosnx和sinmx的积分
同样由于正交性 全部是等于0
所以这个积分最后算出来
就是等于只有一个系数剩下了
再乘上cosnx的平方的积分等于π
所以所有的an就等于
π分之一从-π到π积分
f(x)cosnx dx
同样所有的bn就等于
π分之一从-π到π
f(x)sinnx dx
这样的话我们得到的结论就是
假如说f(x)可以由三角级数来做展开
假如说f(x)的三角级数的展开
具有逐项可积分的性质
那么我们这些三角级数前面的系数
a0一定要写成π分之一
从-π到π的积分f(x)的积分
an一定可以写成π分之一
从-π到π的积分f(x)cosnx的积分
bn一定可以写成π分之一
从-π到π的积分f(x)sinnx的积分
其中这个n是可以等于1 2一直下去
我们把这一堆系数
我们给一个名字
叫做傅里叶系数
我们把它称之为傅里叶系数
那么现在我们又碰到一个新的问题
如果说f这个函数可以用三角级数表示
如果说这个三角级数具有逐项可积分的性质
那么f它的三角级数表示的an和bn
一定要满足它是傅里叶系数
但是问题就是说
什么样的函数f(x)
可以用这个三角级数来表示
什么样的函数f(x)
最后得到的三角级数可以逐项积分
那我们还不知道
所以在我们研究
什么样的函数才能满足我们的要求之前
我们对这个三角级数
我们不能写成相等
因为我们知道
an和bn所以的都是傅里叶系数
但是构成的这么一个函数项级数
是不是收敛我不知道
如果收敛的话
是不是收敛到f(x)
我也不知道
那么我们做一点点的修正
我们不能写等号
一写等号表示相等
我们写这么一个符号
我们把这个级数
当an和bn取傅里叶系数的时候
把这个级数就叫做形式傅里叶级数
我们也知道
对于f这个函数
实际上只要f是一个可积的函数
2π为周期的可积函数
那么我们就可以算出an和bn
这些傅里叶系数
从而我们可以得到f的
形式傅里叶级数它的样子
所以得到形式傅里叶级数
对f这个函数的要求
只要是可积就可以了
好我们下面来看一看
给几个例子来看一下
形式傅里叶级数是如何来计算的
好我们来看第一个例子
f(x)是2π为周期的周期函数
f(x)等于x 当x属于(-π,π]的时候
我们画一下图 这个f大概是什么样子
就是这么一个周期函数
朝左右分别可以拷贝的
那么我们来看看这么一个周期函数
它的傅里叶级数
我们可以知道
a0就等于π分之一从-π到π xdx
是等于0的
所有an就等于π分之一从-π到π
x乘上cosnx dx
都是等于0的
所有的bn等于π分之一从-π到π
x乘上sinnx 积分
我们可以最后算出来结果
它就等于(-1)^n-1 n分之2
n可以是等于1 2 ...
所以f(x)这个函数
它的形式傅里叶级数
就是Σn从1到正无穷
(-1)^n-1 2/nsinnx
这就是f这个函数的形式傅里叶级数
我们可以观察到一点
很特别的地方
就是f这个函数
所有的cos前面的系数an
和常数项a0都是等于0的
剩下的只有sin前面的系数
那么这个现象也不是偶然的现象
因为f(x)在正负π上是个奇函数
一个奇函数乘上 cos是个偶函数
在对称的区间上积分一定是等于0的
所以 实际上我们后面也会讲到一点
如果f(x)是个奇函数
那么f(x)这个函数的形式傅里叶级数
只剩下跟sin有关系前面的项
其余的都不会有
我们把这个级数 我们后面会讲到
叫做正弦傅里叶级数
我们强调这个是一个形式傅里叶级数
因为我们从来没有证过
这个三角级数收敛不收敛
即便是收敛的
它到底收敛到什么地方去
到目前为止 我们统统没有说过
所以我们不能写等号
只能写这么一个符号
表示它只是形式上的傅里叶级数
但是等不等我们不知道
好 我们再来看一道例题
f(x)仍然是一个2π为周期的周期函数
当x在正负π的时候
f(x)就等于e的-x
我们画一下图
这是-π 这是π f(x)就是这么一个曲线
-π是要的
π这点是开区间
它是一个周期函数
所以有一个周期开拓
f(x)大概形状就是这么一个2π的周期函数
我们要求f等于e的-x的形式傅里叶级数
我们来算一算
a0就等于π分之一从-π到π
e的-x的dx
也就等于π分之一
e的π次方减去e的-π次方
这是a0
那么an我们也可以算一下
就等于π分之一从-π到π
e的-xcosnx dx
这是一个e的-x和三角函数cosnx
乘积的积分
那么通过分部积分两次
可以把它变回到这个积分本身
然后我们可以算出来
结果就等于(-1)^n除以π
e的π次方减去e的-π次方除以1+n的平方
这是an
bn我们也可以算一下
就等于π分之一从-π到π
e的-xsinnx的积分
就等于(-1)^nπ再乘上n 除以
e的π次方减去e的-π次方除以1+n的平方
我们可以算出形式傅里叶级数的系数
这里n可以等于1 2 3一直下去
那么f(x)的形式傅里叶级数
它只是形式傅里叶级数
等于2π分之一e的π次方减去e的-π次方
2分之a0
加上Σn从1到正无穷
(-1)^n e的π减去e的-π
除以π乘上1+n的平方 cosnx
再加上(-1)^n乘上n
e的π次方减去e的-π次方
除以π乘上1+n的平方 sinnx
加一个括弧
所以f(x)的形式傅里叶级数
可以写成写成
下面这个级数的三角级数的形式
那么要注意
我们这里面仅仅讲的是
形式上的傅里叶级数
我们还没有谈到收敛性
更没有谈到收敛到哪去了
-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