13.3 习题课讲解

13.3.1 Fourier级数

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

(1)

求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1−13+15−17+⋯的值。

解 (1) f是奇函数,其Fourier级数是正弦级数,计算可得(1)bn=1π∫−ππxsin⁡nxdx=−2nπ∫0πx(cos⁡nx)′dx=−2πcos⁡nπnπ+2nπ∫0πcos⁡nxdx=(−1)n−1n 所以(2)f(x)∼S(x):=∑n=1+∞2(−1)n−1nsin⁡nx

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)n−1nsin⁡nx=−ℑ∑n=1+∞(−eex)nn 设δ∈(0,π),当x∈[δ−π,π−δ]时,计算可得(4)|∑n=1N(−eex)n|=|−eex−(−eex)N1+eex|≤2|1+eex| 即(−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[δ−π,π−δ]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在(−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=1π∫−ππx2dx=A022+∑n=1+∞(An2+Bn2)=∑n=1+∞4n2⟹∑n=1+∞1n2=π26

(3) 令x=π2可得(7)π2=∑n=1+∞2(−1)n−1nsin⁡nπ2=∑k=1+∞2(−1)k−12k−1⟹∑k=1+∞(−1)k−12k−1=π4 ◻

例 13.3.2 (例2) 设a02+∑n=1+∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx)是2π周期函数 f在区间[−π,π]上的Fourier级数,求f(−x+L)在[−π,π]上的Fourier级数。

解 直接计算可得(8)An=1π∫02πf(−x+L)cos⁡nxdx=−1π∫L−2π+Lf(t)cos⁡n(L−t)dt=1π∫L−2πLf(t)cos⁡nLcos⁡t+f(t)sin⁡nLsin⁡tdt=cos⁡nL⋅an+sin⁡nL⋅bnBn=1π∫02πf(−x+L)sin⁡nxdx=−1π∫L−2π+Lf(t)sin⁡n(L−t)dt=1π∫L−2πLf(t)sin⁡nLcos⁡t−f(t)cos⁡nLsin⁡tdt=sin⁡nL⋅an−cos⁡nL⋅bn 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+∞(ancos⁡n(L−x)+bnsin⁡n(L−x))=a02+∑n=1+∞[(ancos⁡nL+bnsin⁡nL)cos⁡nx+(−bncos⁡nL+ansin⁡nL)sin⁡nx] ◻

例 13.3.3 (例3) 设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(L−x)的表达式和Fourier级数。

解 当−π<x<L−π时,−π<L−x−2π<L−π<0,故有(10)f(x)+f(L−x)=x+f(L−x−2π)=x+L−x−2π=L−2π 当L−π<x<π时,−π<L−π<L−x<π,故有(11)f(x)+f(L−x)=x+L−x=L 所以g(x)=f(x)+f(L−x)是分段常值函数,其表达式为(12)g(x)={L−2π,−π<x<L−πL,L−π<x<π 其Fourier级数对函数满足线性,所以(13)g(x)∼∑n=1+∞2(−1)n−1nsin⁡nx+∑n=1+∞2(−1)n−1nsin⁡n(L−x)=∑n=1+∞(2(−1)n−1sin⁡nLncos⁡nx+2(−1)n−1(1−cos⁡nL)nsin⁡nx) ◻

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

(1)

求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。

解 (1) f是偶函数,其Fourier级数是余弦级数,计算可得(14)a0=1π∫−ππf(x)dx=2π∫0πxdx=πan=1π∫−ππf(x)cos⁡nxdx=2π∫0πxcos⁡nxdx==x2sin⁡nxnπ|0π−2π∫0πsin⁡nxndx=(−1)n−1n2π{0,n∈even−4n2π,n∈odd 所以(15)f(x)∼π2−∑n=1+∞4(2n−1)2πcos⁡(2n−1)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)=π2−∑n=1+∞4(2n−1)2πcos⁡(2n−1)x

(2) 令x=0可得(17)0=π2−∑n=1+∞4(2n−1)2π⟹∑n=1+∞1(2n−1)2=π28

(3) 由Parseval等式可得(18)23π2=1π∫−ππx2dx=A022+∑n=1+∞(An2+Bn2)=π22+∑n=1+∞16(2n−1)4π2⟹∑n=1+∞1(2n−1)4=π496

(4) 设级数收敛于S,则有(19)S=124(114+124+134+⋯)+(114+134+154+⋯)=S24+π496⟹S=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。

解 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={x2,0≤x≤π−x2,−π<x<0 在区间(−π,π)上f′(x)=2|x|,由上题可知(21)f′(x)=π−∑n=1+∞8(2n−1)2πcos⁡(2n−1)x ∀x∈(−π,π),逐项积分可得(22)f(x)=f(0)+∫0x[π−∑n=1+∞8(2n−1)2πcos⁡(2n−1)t]dt=πx−∑n=1+∞8(2n−1)3πsin⁡(2n−1)x=πx−∑n=1+∞4(1−(−1)n)n3πsin⁡nx 把x在区间(−π,π)上展成Fourier级数,得到(23)x=∑n=1+∞2(−1)n−1nsin⁡nx,x∈(−π,π) 所以(24)f(x)=x2sgnx∼∑n=1+∞[2π(−1)n−1n−4(1−(−1)n)n3π]sin⁡nx,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) 设f是2π周期的连续函数,证明:

(1)

f有2π周期的原函数F当且仅当∫02πf(x)dx=0。

(2)

设f的Fourier级数为(25)f(x)∼∑n=1+∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx) 则(26)∫0xf(t)dt=∑n=1+∞bnn+∑n=1+∞(annsin⁡nx−bnncos⁡nx)

证明 (1) 由Newton-Leibniz公式可得(27)F(x)=F(0)+∫0xf(t)dt 故F是2π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)=1π∫02π|f(x)|2dx+4<+∞ 因此级数(29)∑n=1+∞bnn+∑n=1+∞(annsin⁡nx−bnncos⁡nx) 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+∞(annsin⁡nx−bnncos⁡nx) ◻

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

(1)

若[a,b]=[0,π],且f满足f(0)=f(π)或∫0πf(x)dx=0,则(31)∫0πf(x)2dx≤∫0πf′(x)2dx 其中等号成立当且仅当f(x)=acos⁡x。

(2)

若[a,b]=[−π,π],且f满足f(−π)=f(π)以及∫−ππf(x)dx=0,则(32)∫−ππf(x)2dx≤∫−ππf′(x)2dx 其中等号成立当且仅当f(x)=acos⁡x+bsin⁡x。

证明 (1) 把f视为2π周期的偶函数,设(33)f∼a02+∑n=1+∞ancos⁡nx 则f′是2π周期的奇函数,即(34)f′∼∑n=1+∞Bnsin⁡nx 计算可得(35)a0=2π∫0πf(x)dx=0Bn=2π∫0πf′(x)sin⁡nxdx=2πf(x)sin⁡nx|0π−2πn∫0πf(x)cos⁡2nxdx=−nan 因为f,f′均平方可积,所以它们满足Parseval等式(36)∫0πf(x)2dx=π2∑n=1+∞an2=π2∑n=1+∞(−Bnn)2≤π2∑n=1+∞Bn2=∫0πf′(x)2dx 其中不等式中的等号成立当且仅当对任意n≥2都有Bn=0,即an=0,从而f(x)=a1cos⁡x。

(2) 把f视为2π周期的函数,设(37)f∼a02+∑n=1+∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx) 则f′也是2π周期的函数,即(38)f′∼∑n=1+∞(Ancos⁡nx+Bnsin⁡nx) 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=π∑n=1+∞(an2+bn2)=π∑n=1+∞(An2n2+Bn2n2)≤π∑n=1+∞(An2+Bn2)=∫−ππf′(x)2dx 其中不等式中的等号成立当且仅当对任意n≥2都有An=Bn=0,即an=bn=0,从而f(x)=a1cos⁡x+b1sin⁡x。 ◻

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[(1−x2)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

解 (1) 微分方程可化为(43)(1−x2)y″−2xy′+l(l+1)y=0 方程两边求n−2阶导数可得(44)(1−x2)y(n)+(n−2)(−2x)y(n−1)+(n−2)(n−3)2(−2)y(n−2)−2xy(n−1)−(n−2)2y(n−2)+l(l+1)y(n−2)=0 令x=0可得(45){y″(0)+l(l+1)y(0)=0y(n)(0)+[l(l+1)−(n−2)(n−1)]y(n−2)(0)=0

1∘ 取y(0)=1, y′(0)=0可得(46)y′(0)=⋯=y(2k−1)(0)=⋯=0y(2)(0)=−l(l+1)y(2k)(0)=∏i=1k[(2i−1)(2i−2)−l(l+1)],k≥1 此时得到幂级数解(47)y=1+∑k=1+∞∏i=1k[(2i−1)(2i−2)−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→∞|akak−1|)−1=(limk→∞|(2k−1)(2k−2)−l(l+1)2k(2k−1)|)−1=1

2∘ 取 y(0)=0, y′(0)=1可得(49)y(2)(0)=⋯=y(2k)(0)=0y(3)(0)=2−l(l+1)y(2k+1)(0)=∏j=1k[2j(2j−1)−l(l+1)],k≥1 于是得到幂级数解(50)y=x+∑k=1+∞∏j=1k[2j(2j−1)−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/2∏i=1k[(2i−1)(2i−2)−l(l+1)](2k)!x2k,l∈evenx+∑k=1(l−1)/2∏j=1k[2j(2j−1)−l(l+1)](2k+1)!x2k+1,l∈odd 前6个多项式为(52)l=0:y=1l=1:y=xl=2:y=1−3x2l=3:y=x+2−126x3=x−53x3l=4:y=1−10x2+353x4l=5:y=x−143x3+215x5

(3) 由分部积分可得(53) ∫−11−ddx[(1−x2)dfdx]g(x)dx=[(1−x2)dfdx]g(x)|−11+∫−11[(1−x2)dfdx]g′(x)dx=f(x)[(1−x2)dgdx]|−11+∫−11−ddx[(1−x2)dgdx]f(x)dx=∫−11−ddx[(1−x2)dgdx]f(x)dx 即(54)Ay=−ddx[(1−x2)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Pm和Pn是Legendre多项式,次数m≠n,则(55) m(m+1)∫−11Pm(x)Pn(x)dx=∫−11−ddx[(1−x2)dPmdx]Pn(x)dx=∫−11−ddx[(1−x2)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),x∈R,t>0u(x,0)=φ(x),x∈R

解 对定解问题作关于x的Fourier变换可得(58){u^t=−a2ξ2u^+f^(ξ,t),ξ∈R,t>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),ξ∈R 解得(59)u^(ξ,t)=φ^(ξ)e−a2ξ2t+∫0tf^(ξ,τ)e−a2ξ2(t−τ)dτ 作Fourier逆变换可得(60)u(x,t)=F−1[u^(⋅,t)](x) 因此(61)u(x,t)=F−1[φ^(ξ)e−a2ξ2t](x)+∫0tF−1[f^(ξ,τ)e−a2ξ2(t−τ)](x)dτ=φ(x)∗12aπte−x24a2t+∫0tf(x,τ)∗12aπ(t−τ)e−x24a(t−τ)dτ=12aπt∫−∞+∞φ(y)e−(x−y)24a2tdy+∫0tdτ∫−∞+∞f(y,τ)2aπ(t−τ)e−(x−y)24a2(t−τ)dy 当f=0时,对应的齐次方程的解为(62)u(x,t)=12aπt∫−∞+∞φ(y)e−(x−y)24a2tdy ◻

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

解 对定解问题作关于x的Fourier变换可得(64){u^t=−a2(ξ12+⋯+ξn2)u^,ξ∈Rn,t>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),ξ∈Rn 解得(65)u^(ξ,t)=φ^(ξ)e−a2(ξ12+⋯+ξn2)t 作Fourier逆变换可得(66)u(x,t)=F−1[u^(⋅,t)](x)=F−1[φ^(ξ)e−a2(ξ12+⋯+ξn2)t](x)=φ(x)∗(12πat)ne−x12+⋯+xn24a2t=(12πat)n∫Rnφ(y)e−∥x−y∥24a2tdny ◻

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

解 对定解问题作关于x的Fourier变换可得(68){u^tt=−a2(ξ12+⋯+ξn2)u^,ξ∈Rn,t>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),u^(ξ,0)=ψ^(ξ),ξ∈Rn 解得(69)u^(ξ,t)=φ^(ξ)cos⁡(a∥ξ∥t)+ψ^(ξ)a∥ξ∥sin⁡(a∥ξ∥t) 作Fourier逆变换可得(70)u(x,t)=F−1[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)cos⁡aξt+ψ^(ξ)aξsin⁡aξt=φ^(ξ)eiξat+e−iξat2+ψ^(ξ)eiξat−e−iξat2aiξ 所以(72)u(x,t)=F−1[φ^(ξ)eiξat+e−iξat2+ψ^(ξ)eiξat−e−iξat2aiξ]=12φ(x)∗[δ(x+at)+δ(x−at)]+12a∫−∞xψ(y)dy∗[δ(x+at)+δ(x−at)]=φ(x+at)+φ(x−at)2+12a∫x−atx+atψ(ξ)dξ 此即d’Alembert公式。 ◻

例 13.3.12 上半平面Dirichlet问题:(73){uxx+uyy=0,x∈R,y>0u|y=0=φ(x),x∈Rlimx→∞u(x,y)=limx→∞ux(x,y)=0,y>0lim supy→+∞|u(x,y)|<+∞,x∈R 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x的Fourier变换可得(74){u^yy−ξ2u^=0,ξ∈R,y>0u^(ξ,0)=φ^(ξ),ξ∈R 解得(75)u^(ξ,y)=A(ξ)eξy+B(ξ)e−ξy 因为u(⋅,y)∈L1(R),由Riemann-Lebesgue引理可得(76)limξ→∞u^(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)=F−1[u^(⋅,y)](x)=F−1[φ^(ξ)e−|ξ|y](x)=φ(x)∗yπ(x2+y2)=1π∫−∞+∞yφ(t)(x−t)2+y2dt 其中(79)F−1[e−|ξ|y](x)=12π∫−∞+∞eiξx−|ξ|ydξ=12π(∫−∞0eiξx+ξydξ+∫0+∞eiξx−ξydξ)=12π(eiξx+ξyix+y|−∞0+eiξx−ξyix−y|0+∞)=12π(1y+ix+1y−ix)=yπ(x2+y2) ◻

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

解 设v=uy,则v满足(81){vxx+vyy=0,x∈R,y>0v|y=0=φ(x),x∈R 因此(82)v(x,y)=1π∫−∞+∞yφ(t)(x−t)2+y2dt 即(83)u(x,y)=∫cyv(x,s)ds=1π∫cyds∫−∞+∞sφ(t)(x−t)2+s2dt=1π∫−∞+∞φ(t)dt∫cysds(x−t)2+s2=12π∫−∞+∞φ(t)dt⋅ln⁡[(x−t)2+s2]cy=12π∫−∞+∞φ(t)ln⁡(x−t)2+y2(x−t)2+c2dt ◻