正弦级数和余弦级数

1 正弦级数和余弦级数
对于周期为的函数而言,
  • 为奇函数的时候,其为:

    所以此时是只含有正弦项的 正弦级数

  • 为偶函数的时候,其为:

    所以此时是只含有常数项和余弦项的 余弦级数

(1)当为奇函数时,那么是奇函数,所以关于原点对称;而是偶函数,所以关于轴对称。所以有:

根据,所以此时有:

        (2)当为偶函数时,那么是偶函数,所以关于轴对称;而是奇函数,所以关于原点对称。所以有:

根据,所以此时有:

上一节例题中的就是一个奇函数,它的为正弦级数,显然是符合上述定理。

2 余弦级数的例题
已知函数

请求出该函数的,其中为正的常数。

题目中给出的函数并非周期函数,我们可在以及上补充定义,使之成为周期为的周期函数,补充后的函数记作,如下图所示,其中虚线部分就是补充的定义。这种操作也称为 周期延拓 (Periodic extension)。

函数及其周期延拓

然后求函数,再将所得级数的限定在内就得到所要的结果。

        (1)收敛定理的应用。函数满足,且该函数没有,所以在整个实数域上,收敛于

        (2)计算。因为函数是偶函数,根据本节介绍的定理可知,以及:

所以有:

从而有:

        (3)最后展示一下上述答案的几何意义。作出上述级数的,如下图所示(这里为了方便标注,将的定义域选的大一些,而不是限定在内)。可以看到随着增大,越来越趋近于函数

随着的增大,部分和越来越接近函数

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