无穷级数

常数项级数的概念和性质

定义
(1) 数列{an}=a1,a2,⋯ ,an,⋯\{a_n\}=a_1,a_2,\cdots,a_n,\cdots 构成的表达式∑n=1∞an=a1+a2+⋯+an+⋯\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n=a_1+a_2+\cdots+a_n+\cdots 叫做(常数项)无穷级数,简称(常数项)级数。其中第n项ana_n叫做级数的通项(general term)。
(2) 级数的前n项部分和(partial sum) Sn=a1+a2+⋯+anS_n=a_1+a_2+\cdots+a_n
(3) 对于级数{an}\{a_n\},若其部分和数列{Sn}\{S_n\}有极限S,即lim⁡n→∞Sn=S\lim\limits_{n\to∞}S_n=S,则称级数收敛(convergence),S 称为该级数的和,记为∑n=1∞an=S\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n=S,若部分和数列{Sn}\{S_n\}没有极限,则称级数发散(divergence)。
(4) 当级数{an}\{a_n\}收敛,其部分和{Sn}\{S_n\}是级数和S的近似值,他们的差值 rn=Sn−Sr_n=S_n-S叫做级数的余项(remainder)。

收敛级数基本性质
性质 1(级数收敛的必要条件)若级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛,则有lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n\to∞}a_n=0
性质 2 设级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n和∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n分别收敛于AA和BB,则级数∑n=1∞(an±bn)\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_n± b_n)也收敛,且其和为A±BA± B
性质 3 若级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛于SS,则∑n=1∞kan\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}ka_n收敛于kSkS
性质 4 增加或减少级数中的有限项不改变原级数的收敛性,即级数的收敛性与前有限项无关
性质 5 设级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛,则在不改变级数项前后位置的条件下,任意结合级数的有限项得到新级数∑n=1∞an′\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a'_n,则新级数也收敛,且和不变.
性质 6又称柯西审敛原理 (Cauchy’s convergence test)
级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛  ⟺  ∀ϵ>0,∃N∈N+\iff ∀ ϵ>0,∃ N\in\N^+,当n>Nn>N时,对于∀p∈N+∀ p\in\N^+,都有∣an+1+an+1+⋯+an+p∣<ϵ|a_{n+1}+a_{n+1}+\cdots+a_{n+p}|<ϵ

常数项级数的审敛法

正项级数(series of positive terms):若an>0a_n>0,则称级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n为正项级数。
正项级数的审敛法:设∑n=1∞an和∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n和\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n为正项级数
定理 1 ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛  ⟺  \iff 部分和数列{Sn}\{S_n\}有界
定理 2 (比较判别法的不等式形式)若an⩽bn(n=1,2,⋯ )a_n⩽ b_n (n=1,2,\cdots)则
(1) 当级数∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n收敛时,级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n也收敛
(2) 当级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n发散时,级数∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n也发散
定理 3 (比较判别法的极限形式)若lim⁡n→∞anbn=l(0⩽l⩽+∞)\lim\limits_{n\to∞}\dfrac{a_n}{b_n}=l(0⩽ l ⩽+∞),则
(1) 当0<l<+∞0<l<+∞时,级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n和∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n有相同的敛散性
(2) 当l=0l=0时,如果级数∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n收敛,那么∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛
(3) 当l=+∞l=+∞时,如果级数∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n发散,那么∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n发散.
定理 4 (比值判别法,达朗贝尔判别法)若lim⁡n→∞an+1an=q\lim\limits_{n\to∞}\dfrac{a_{n+1}}{a_n}=q,则
(1) 当0⩽q<10⩽ q<1时,级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛
(2) 当q>1q>1时,级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n发散
定理 5 (根值判别法,柯西判别法)若lim⁡n→∞ann=q\lim\limits_{n\to∞}\sqrt[n]{a_n}=q,则
(1) 当0⩽q<10⩽ q<1时,级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛
(2) 当q>1q>1时,级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n发散
定理 6 若正项级数∑n=1∞∣an∣\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}|a_n|收敛,则级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛,且∣∑n=1∞an∣⩽∑n=1∞∣an∣|\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n|⩽ \displaystyle\sum_{n=1}^{∞}|a_n|

交错级数(alternating series):正负项交错出现的级数
交错级数的审敛法
定理 7 (莱布尼兹判别法)对于交错级数∑n=1∞(−1)n−1an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(-1)^{n-1}a_n,若满足
(1) an⩾an+1(n=1,2,⋯ )a_n⩾ a_{n+1}(n=1,2,\cdots)
(2) lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n\to∞}a_n=0
则级数收敛,且其和S⩽a1S⩽ a_1,余项的绝对值rn⩽an+1r_n⩽ a_{n+1}

绝对收敛和条件收敛:若级数∑n=1∞∣an∣\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}|a_n|收敛,则称级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n为绝对收敛(absolutely convergent).若级数∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n收敛,而级数∑n=1∞∣an∣\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}|a_n|发散,则称级数为条件收敛(conditionally convergent).
定理 8 绝对收敛的级数一定收敛,反之则不然
定理 9 绝对收敛的级数经改变项的位置后构成的新级数也收敛,且与原级数有相同的和(即绝对收敛的级数具有可交换性)
定理 10(绝对收敛级数的乘积)设∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n与∑n=1∞bn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}b_n为绝对收敛的级数,他们的和分别为A和BA和B,则它们的柯西乘积∑n=1∞(anb1+an−1b2+⋯+a1bn)\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_nb_1+a_{n-1}b_2+\cdots+a_1b_n)仍为绝对收敛,且其和为A⋅BA\cdot B

函数项级数收敛与一致收敛

函数项级数(series of functions)
(1) 定义在区间D上的函数列{un(x)}=u1(x),u2(x),⋯ ,un(x),⋯\{u_n(x)\}=u_1(x),u_2(x),\cdots,u_n(x),\cdots构成的表达式∑n=1∞un(x)=u1(x)+u2(x)+⋯+un(x)+⋯\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)=u_1(x)+u_2(x)+\cdots+u_n(x)+\cdots 叫做(函数项)无穷级数,简称(函数项)级数。
(2) 对每一个确定的值x0∈Dx_0\in D ,函数项级数∑n=1∞un(x)\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)成为常数项级数∑n=1∞un(x0)\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x_0),若常数项级数收敛,则称点x0x_0为函数项级数的收敛点,收敛点的全体称为收敛域;若常数项级数发散,则称级数点x0x_0为函数项级数的发散点,发散点的全体称为发散域。
(3) 若ΩΩ为函数项级数∑n=1∞un(x)\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)的收敛域,则对每个x∈Ωx\inΩ,存在惟一的S(x)=∑n=1∞un(x)S(x)=\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x),S(x)S(x)称为函数项级数的和函数
(4) 函数项级数前项部分和记作Sn(x),rn(x)=S(x)−Sn(x)S_n(x), r_n(x)=S(x)-S_n(x)为余项,则在收敛域上有lim⁡n→∞Sn(x)=S(x)或lim⁡n→∞rn(x)=0\lim\limits_{n\to∞}S_n(x)=S(x)或\lim\limits_{n\to∞}r_n(x)=0

一致收敛(uniform convergence)
定义1设函数序列{un(x)}\{u_n(x)\}在收敛域D上逐点收敛于u(x)u(x),如果对于任意ϵ>0ϵ>0 ,存在只依赖于ϵϵ 的正整数N,使得当n>Nn>N时,恒有∣un(x)−u(x)∣<ϵ,∀x∈D|u_n(x)-u(x)|<ϵ,∀ x\in D,则称函数序列{un(x)}\{u_n(x)\}在D上一致收敛于函数u(x)u(x)
定义2设函数项级数∑n=1∞un(x)在I\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)在I上的和函数为S(x)S(x) ,若其部分和函数序列{Sn(x)}在I\{S_n(x)\}在I上一致收敛于S(x)S(x),则称函数项级数∑n=1∞un(x)在I\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)在I 上一致收敛于和函数S(x)S(x).

定理(魏尔斯特拉斯判别法):如果函数项级数∑n=1∞un(x)在区间I\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)在区间I满足条件:
(1) ∀x∈I,∣un(x)∣⩽Mn(n=1,2,⋯ )∀ x\in I,|u_n(x)|⩽ M_n(n=1,2,\cdots)
(2)正项级数∑n=1∞Mn\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}M_n收敛
则函数项级数∑n=1∞un(x)在区间I\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)在区间I上一致收敛

函数项级数的基本性质

设函数项级数∑n=1∞un(x)在I\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)在I 上一致收敛于和函数S(x)S(x)
定理 1 (连续) lim⁡x→xoS(x)=S(x0)  ⟺  lim⁡x→xo∑n=1∞un(x)=∑n=1∞un(x0)\lim\limits_{x\to x_o}S(x)=S(x_0)\iff \lim\limits_{x\to x_o}\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)=\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u_n(x_0)
定理 2 (积分)∫x0xS(x)dx=∑n=1∞∫x0xun(x)dx  ⟺  ∫x0x∑n=1∞un(x)dx=∑n=1∞∫x0xun(x)dx\displaystyle\int_{x_0}^{x} S(x)dx=\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}\int_{x_0}^{x}u_n(x)dx\iff \displaystyle\int_{x_0}^{x}\sum_{n=1}^{∞}u_n(x)dx=\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}\int_{x_0}^{x}u_n(x)dx
定理 3 (导数) S′(x)=∑n=1∞un′(x)S'(x)=\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}u'_n(x)

幂级数的收敛域与和函数

定义:形如∑n=0∞an(x−x0)n=a0+a1(x−x0)+⋯+an(x−x0)n+⋯\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_n(x-x_0)^n=a_0+a_1(x-x_0)+\cdots+a_n(x-x_0)^n+\cdots的级数称为幂级数(power series),常数a0,a1,⋯ ,an,⋯a_0,a_1,\cdots,a_n,\cdots称为幂级数的系数,特别令x0=0x_0=0有∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n
定理 1(Abel 定理)
(1)若幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n在点x=x0(x0≠0)x=x_0(x_0\neq0)处收敛,则它对于满足不等式∣x∣<∣x0∣|x|<|x_0| 的一切xx 都绝对收敛;
(2)若幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n在点x=x0x=x_0处发散,则它对于满足不等式∣x∣>∣x0∣|x|>|x_0| 的一切xx 都发散

收敛半径(radius of convergence)
定理 2如果幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n既有不等于零的收敛点,又有发散点,则必存在唯一的正数R∈R+R\in\R^+ ,使得当∣x∣<R|x|<R 时,该幂级数绝对收敛;当∣x∣>R|x|>R 时,该幂级数发散;当∣x∣=R|x|=R 时,该幂级数可能收敛也可能发散。
RR通常叫做收敛半径;开区间(−R,R)(-R,R) 叫做收敛区间,再加上收敛端点就构成收敛域了
两种特殊情形:
(1)幂级数只在x=0x=0 处收敛时,收敛半径R=0R=0
(2)幂级数在整个数轴上收敛时,规定收敛半径R=+∞R=+∞

收敛半径的计算
定理 3 对于幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n,若lim⁡n→∞∣an+1an∣=ρ或lim⁡n→∞∣an∣n=ρ\lim\limits_{n\to∞}|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}|=ρ或\lim\limits_{n\to∞}\sqrt[n]{|a_n|}=ρ,其中ρ⩾0ρ⩾0,则该幂级数的收敛半径为R=1ρR=\dfrac{1}{ρ}
一般幂级数的收敛半径:对于一般幂级数∑n=0∞an(x−x0)n\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_n(x-x_0)^n,除收敛域为{x0}\{x_0\}或(−∞,+∞)(-∞,+∞)两种情形,一定存在正数RR的收敛半径。

幂级数的四则运算
设幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n及∑n=0∞bnxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}b_nx^n的收敛半径分别为R1,R2R_1,R_2,令R=min⁡{R1,R2}R=\min\{R_1,R_2\},则它们的和、差、乘积在公共收敛区间(−R,R)(-R,R)内都绝对收敛,且有
∑n=0∞anxn±∑n=0∞bnxn=∑n=0∞(an±bn)xn,(−R<x<R)(∑n=0∞anxn)(∑n=0∞bnxn)=∑n=0∞cnxn,(−R<x<R)\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n± \displaystyle\sum_{n=0}^{∞}b_nx^n=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}(a_n± b_n)x^n,(-R<x<R)\\ (\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n)(\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}b_nx^n)=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}c_nx^n,(-R<x<R)
其中cn=a0bn+a1bn−1+⋯+an−1b1+anb0c_n=a_0b_n+a_1b_{n-1}+\cdots+a_{n-1}b_1+a_nb_0

幂级数和函数的基本性质
性质 1 (幂级数和函数的连续性) 幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n的和函数S(x)S(x)在其收敛域上连续
性质 2 (幂级数可逐项积分)幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n的和函数S(x)S(x)在其收敛域II上可积,并有逐项积分公式
∫0xS(x)dx=∫0x∑n=0∞anxndx=∑n=0∞∫0xanxndx=∑n=0∞ann+1xn+1\displaystyle\int_0^xS(x)dx=\displaystyle\int_0^x\sum_{n=0}^{∞}a_nx^ndx=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\int_0^xa_nx^ndx=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\frac{a_n}{n+1}x^{n+1}
逐项积分后的得到的幂级数和原级数有相同的收敛半径
性质 3 幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n的和函数S(x)S(x)在其收敛区间(−R,R)(-R,R)上可导,并有逐项求导公式
S′(x)=(∑n=0∞anxn)′=∑n=0∞(anxn)′=∑n=1∞nanxn−1S'(x)=(\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n)'=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}(a_nx^n)'=\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}na_nx^{n-1}
逐项求导后的得到的幂级数和原级数有相同的收敛半径
推论 幂级数∑n=0∞anxn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_nx^n的和函数S(x)S(x)在其收敛区间(−R,R)(-R,R)上具有任意阶导数

函数的幂级数展开

幂级数∑n=0∞anxn或∑n=0∞an(x−x0)n⇌expandsum和函数S(x)\boxed{幂级数\displaystyle \sum_{n=0}^{∞}a_nx^n 或\sum_{n=0}^{∞}a_n(x-x_0)^n} \xrightleftharpoons[expand]{sum} \boxed{和函数S(x)}

泰勒级数
(1) 假设函数f(x)f(x)在点x0x_0的某邻域内U(x0)U(x_0)能展开成幂级数,即有
f(x)=∑n=0∞an(x−x0)n=a0+a1(x−x0)+⋯+an(x−x0)n+⋯ ,x∈U(x0)f(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}a_n(x-x_0)^n=a_0+a_1(x-x_0)+\cdots+a_n(x-x_0)^n+\cdots,x\in U(x_0)
(2) 由幂级数和函数的性质可知,f(x)f(x)在U(x0)U(x_0)内有任意阶导,且f(n)(x0)=n!anf^{(n)}(x_0)=n!a_n,于是an=1n!f(n)(x0),(n=0,1,2,⋯ )a_n=\dfrac{1}{n!}f^{(n)}(x_0),(n=0,1,2,\cdots)
(3) 这就表明,若函数f(x)f(x)在U(x0)U(x_0)有幂级数,则展开式为

f(x)=∑n=0∞1n!f(n)(x0)(x−x0)n,x∈U(x0)f(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\dfrac{1}{n!}f^{(n)}(x_0)(x-x_0)^n,x\in U(x_0)

此幂级数叫做泰勒级数(Taylor series),当x0=0x_0=0时,为麦克劳林级数(Maclaurin series)。
定理 函数f(x)f(x)在点x0x_0的某邻域U(x0)U(x_0)内具有任意阶导数,则
f(x)f(x)在该邻域内能展开成泰勒级数的充要条件是lim⁡n→∞Rn(x)=0,x∈U(x0)\lim\limits_{n\to ∞}R_n(x)=0,x\in U(x_0)
其中Rn(x)R_n(x)为f(x)f(x)在x=x0x=x_0处的n阶泰勒公式的余项
推导:由于n阶泰勒多项式pn(x)=∑k=0n1k!f(k)(x0)(x−x0)kp_n(x)=\displaystyle\sum_{k=0}^{n}\dfrac{1}{k!}f^{(k)}(x_0)(x-x_0)^k就是泰勒级数的前n+1项部分和,余项Rn(x)=f(x)−pn(x)R_n(x)=f(x)-p_n(x),根据级数收敛的定义,有
∑n=0∞1n!f(n)(x0)(x−x0)n=f(x)  ⟺  lim⁡n→∞pn(x)=f(x)  ⟺  lim⁡n→∞[f(x)−pn(x)]=f(x)  ⟺  lim⁡n→∞Rn(x)=0\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\dfrac{1}{n!}f^{(n)}(x_0)(x-x_0)^n=f(x) \\ \iff \lim\limits_{n\to ∞}p_n(x)=f(x)\\ \iff \lim\limits_{n\to ∞}[f(x)-p_n(x)]=f(x)\\ \iff \lim\limits_{n\to ∞}R_n(x)=0
下面着重讨论x=x0x=x_0的情形,即麦克劳林展开
用公式法将函数展为麦克劳林级数的步骤
(1)检验函数f(x)f(x)在x=0x=0处是否任意次可导,并求出f(n)(x),n=0,1,2,⋯f^{(n)}(x),n=0,1,2,\cdots;
(2)求出f(n)(0),n=0,1,2,⋯f^{(n)}(0),n=0,1,2,\cdots;
(3) 写出幂级数∑n=0∞1n!f(n)(0)xn\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\dfrac{1}{n!}f^{(n)}(0)x^n,并求出收敛半径RR
(4)利用余项的表达式Rn(x)=1(n+1)!f(n+1)(θx)xn+1(0<θ<1)R_n(x)=\dfrac{1}{(n+1)!}f^{(n+1)}(θ x)x^{n+1} (0<θ<1),如果lim⁡n→∞Rn(x)=0,x∈(−R,R)\lim\limits_{n\to ∞}R_n(x)=0,x\in(-R,R),即可写出麦克劳林展开式
间接法将函数展为麦克劳林级数:通过幂级数的运算(如四则运算、逐项求导、逐项积分)以及变量代换等
ex=∑n=0∞1n!xn,x∈(−∞,+∞)e^x=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\dfrac{1}{n!}x^n,x\in(-∞,+∞)
sin⁡x=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!x2n+1,x∈(−∞,+∞)\sin x=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\dfrac{(-1)^n}{(2n+1)!}x^{2n+1},x\in(-∞,+∞)
cos⁡x=∑n=0∞(−1)n(2n)!x2n,x∈(−∞,+∞)\cos x=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\dfrac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n},x\in(-∞,+∞)
11+x=∑n=0∞(−x)n,x∈(−1,1)\dfrac{1}{1+x}=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}(-x)^n,x\in(-1,1)
ln⁡(1+x)=∑n=0∞(−1)nn+1xn+1,x∈(−1,1]\ln (1+x)=\displaystyle\sum_{n=0}^{∞}\dfrac{(-1)^n}{n+1}x^{n+1},x\in(-1,1]

傅里叶级数

三角级数(trigonometric series):形如a02+∑n=1∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx),T=2π\dfrac{a_0}{2}+\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_n\cos nx+b_n\sin nx),\boxed{T=2π} 的级数叫三角级数,其中a0,an,bn(n=1,2,⋯ )a_0,a_n,b_n(n=1,2,\cdots)是三角级数的系数

三角函数系
1,cos⁡x,sin⁡x,cos⁡2x,sin⁡2x,⋯ ,cos⁡nx,sin⁡nx,⋯1,\cos x,\sin x,\cos2x,\sin2x,\cdots,\cos nx,\sin nx,\cdots
正交性 (orthogonal) 对于三角函数系中任何不同的三角函数的乘积在[−π,π][-π,π]上的积分为0,即
∫−ππsin⁡nxdx=0(n=1,2,3,⋯ )∫−ππcos⁡nxdx=0(n=1,2,3,⋯ )∫−ππsin⁡kxcos⁡nxdx=0(k,n=1,2,3,⋯ )∫−ππcos⁡kxcos⁡nxdx=0(k,n=1,2,3,⋯ ,k≠n)∫−ππsin⁡kxsin⁡nxdx=0(k,n=1,2,3,⋯ ,k≠n)\displaystyle\int_{-π}^{π}\sin nxdx=0\quad(n=1,2,3,\cdots) \\ \int_{-π}^{π}\cos nxdx=0\quad(n=1,2,3,\cdots) \\ \int_{-π}^{π}\sin kx\cos nxdx=0\quad(k,n=1,2,3,\cdots) \\ \int_{-π}^{π}\cos kx\cos nxdx=0\quad(k,n=1,2,3,\cdots,k\neq n) \\ \int_{-π}^{π}\sin kx\sin nxdx=0\quad(k,n=1,2,3,\cdots,k\neq n)

函数的傅里叶级数展开
假设周期为2π2π的函数f(x)f(x)能展开成三角级数,即
f(x)=a02+∑n=1∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx)f(x)=\dfrac{a_0}{2}+\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_n\cos nx+b_n\sin nx)
设右边三角级数在[−π,π][-π,π]上可以逐项积分,利用三角级数的正交性可得
{an=1π∫−ππf(x)cos⁡nxdx,(n=0,1,2,3,⋯ )bn=1π∫−ππf(x)sin⁡nxdx,(n=1,2,3,⋯ )\begin{cases} a_n=\dfrac{1}{π}\int_{-π}^{π}f(x)\cos nxdx ,(n=0,1,2,3,\cdots)\\ b_n=\dfrac{1}{π}\int_{-π}^{π}f(x)\sin nxdx ,(n=1,2,3,\cdots) \end{cases}
这时所确定的a0,a1,b1,⋯a_0,a_1,b_1,\cdots为函数f(x)f(x)的傅里叶系数(Fourier coefficient).所得到的三角级数a02+∑n=1∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx)\dfrac{a_0}{2}+\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_n\cos nx+b_n\sin nx)称为函数f(x)f(x)的傅里叶级数(Fourier series)

定理(Dirichlet 收敛定理)设f(x)f(x)是周期为2π2π的周期函数,并满足狄利克莱(Dirichlet )条件:
(1)在一个周期区间内连续或只有有限个第一类间断点;
(2)在一个周期区间内只有有限个极值点,
则f(x)f(x)的傅里叶级数收敛,且有
a02+∑n=1∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx)={f(x)x为连续点f(x−)+f(x+)2x为间断点\dfrac{a_0}{2}+\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_n\cos nx+b_n\sin nx)=\begin{cases} f(x) & x为连续点 \\ \dfrac{f(x^-)+f(x^+)}{2} & x为间断点 \end{cases}
其中an,bna_n,b_n为f(x)f(x)的傅里叶系数.

正弦级数和余弦级数
周期为2π2π的函数f(x)f(x)
若为奇函数,则傅里叶展开式为只含有正弦项的正弦级数f(x)=∑n=1∞ansin⁡nxf(x)=\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n\sin nx
若为偶函数,则傅里叶展开式为只含有余弦项的余弦级数f(x)=a02+∑n=1∞ancos⁡nxf(x)=\dfrac{a_0}{2}+\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}a_n\cos nx

周期延拓 (periodic extension)
若函数f(x)f(x)只在[−π,π][-π,π]上有定义,并满足收敛条件,我们可在定义区间外补充函数的定义,使其成为周期为2π2π的周期函数F(x)F(x),再将F(x)F(x)展开成傅里叶级数,最后限制x∈[−π,π]x\in[-π,π],此时f(x)≡F(x)f(x)\equiv F(x)
用同样的方法也可为定义在[0,π][0,π]或[−π,0][-π,0]的函数奇(偶)延拓

吉布斯现象 (Gibbs phenomenon)

在间断点附近部分和函数的图形出现大幅度波动,波动的区间随着项数的增加越来越小,但幅度似乎是一样的!
傅里叶级数在函数间断点处的上述现象称为吉布斯现象(Gibbs phenomenon)

一般周期函数的傅里叶级数

  • 任意周期函数的傅里叶级数展开方法
    设函数 f(x)f(x) 周期为 2l2l,令 x=lπtx=\frac{l}{π}t
    则函数 F(t)=f(x)=f(lπt)F(t)=f(x)=f(\frac{l}{π}t) 周期为2π
    求得 F(t)F(t) 的傅里叶级数
    再将 t=πlxt=\frac{π}{l}x 带入可得 f(x)f(x) 的傅里叶级数
    定理 设周期为2l2l的周期函数f(x)f(x)满足收敛定理条件,则傅里叶展开式为f(x)=a02+∑n=1∞(ancos⁡nπxl+bnsin⁡nπxl),x∈Cf(x)=\dfrac{a_0}{2}+\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_n\cos \dfrac{nπ x}{l}+b_n\sin \dfrac{nπ x}{l}),x\in C
    其中
    {an=1l∫−llf(x)cos⁡nπxldx,(n=0,1,2,3,⋯ )bn=1l∫−llf(x)sin⁡nπxldx,(n=1,2,3,⋯ )C={x∣f(x)=12[f(x−)+f(x+)]}\begin{cases} a_n=\dfrac{1}{l}\int_{-l}^{l}f(x)\cos \dfrac{nπ x}{l}dx ,(n=0,1,2,3,\cdots)\\ b_n=\dfrac{1}{l}\int_{-l}^{l}f(x)\sin \dfrac{nπ x}{l}dx ,(n=1,2,3,\cdots) \end{cases} \\ C=\{x|f(x)=\frac{1}{2}[f(x^-)+f(x^+)]\}

  • 定义在任何有限区间上的函数的傅里叶级数展开方法
    设 f(x),x∈[a,b]f(x),x\in[a,b] ,令 x=t+b+a2x=t+\frac{b+a}{2}
    则 F(t)=f(x)=f(t+b+a2),t∈[−b−a2,b−a2]F(t)=f(x)=f(t+\frac{b+a}{2}),t\in[-\frac{b-a}{2},\frac{b-a}{2}]
    做周期延拓,将 F(t)F(t) 在 [−b−a2,b−a2][-\frac{b-a}{2},\frac{b-a}{2}] 展开成傅里叶级数
    将 t=x−b+a2t=x-\frac{b+a}{2} 带入展开式
    最后的到 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上的傅里叶展开

  • 傅里叶级数的复数形式
    设周期为2l2l的函数f(x)f(x)的傅里叶级数为a02+∑n=1∞(ancos⁡nπxl+bnsin⁡nπxl)\dfrac{a_0}{2}+\displaystyle\sum_{n=1}^{∞}(a_n\cos \dfrac{nπ x}{l}+b_n\sin \dfrac{nπ x}{l})
    利用欧拉公式 cos⁡t=12(eit+e−it),sin⁡t=12i(eit−e−it)\cos t=\frac{1}{2}(e^{it}+e^{-it}),\sin t=\frac{1}{2i}(e^{it}-e^{-it})
    可得傅里叶级数的复数形式
    f(x)=∑n=−∞+∞cneinπxlf(x)=\displaystyle\sum_{n=-∞}^{+∞}c_ne^{i\frac{nπ x}{l}}
    其中 cn=12l∫−llf(x)e−inπxldx,(n=0,±1,±2,⋯ )c_n=\dfrac{1}{2l}\int_{-l}^{l}f(x)e^{-i\frac{nπ x}{l}}dx,(n=0,±1,±2,\cdots)