§11.9  正弦级数和余弦级数

一、奇函数偶函数的傅立叶级数

一般说来,一个函数的傅立叶级数既含有正弦项,又含有余弦项。但是,有些函数的傅立叶级数只含有正弦项或只含有余弦项,究其原因,它与所给函数的奇偶性有关。

【定理】以为周期的奇函数展开成傅立叶级数时,它的傅立叶系数适合:

而以为周期的偶函数展开成傅立叶级数时,它的傅立叶系数适合:

证 设是以为周期的偶函数,则,从而

又因是上的奇函数,故

类似地可证明定理的第二部分。

该定理告诉我们:

1、如果为奇函数,那么它的傅立叶级数是只含有正弦项,不含常数项和余弦项的正弦级数

2、如果为偶函数,那么它的傅立叶级数是只含有常数项和余弦项,不含正弦项的余弦级数

【例1】设是周期为的周期函数,它在上的表达式为,将它展开成傅立叶级数。

解:函数的图形如下:

是周期为的奇函数,因此

在点  不连续,据收敛定理,的傅立叶展开式为

二、函数展开成正弦级数或余弦级数

如果仅给出函数在上的定义,如何将它展开成正弦级数或余弦级数呢?

解决该问题的具体步骤如下:

1、在上重新定义新函数,且在上成为奇函数(或偶函数),这种定义的方式称为是对的奇延拓(或偶延拓)。

2、将以为周期进行周期延拓,所得函数的傅立叶展开式必为正弦级数(或余弦级数)。

3、据的傅立叶展开式的成立区间,限制属于、、中的某一个,此时,这样便得到了的正弦级数(或余弦级数)。

【例2】将函数分别展开成正弦级数和余弦级数。

解:对进行奇延拓,得函数

其傅立叶系数如下:

傅立叶级数为  ,据收敛定理有:

在处,它收敛于;

在处,它收敛于

;

在内,它收敛于。

故的傅立叶正弦级数展开式为

对进行偶延拓,可得函数

其傅立叶系数为

傅立叶级数为  , 据收敛定理有:

在处,它收敛于

;

在内,它收敛于。

故的傅立叶余弦级数展开式为