展开式只含余弦,故 f 是偶函数;结合周期为 2,可知 f(x)=1−∣x∣(−1≤x≤1),再周期延拓。该函数连续且分段单调,满足狄利克雷条件,其傅里叶级数在每一点都收敛到函数值。
(1)计算常数系数。由余弦系数公式,a0=2∫01(1−x)dx=1。
(2)在特殊点取值。在展开式中分别令 x=0、x=1,得
2a0+n=1∑∞an=1,2a0+n=1∑∞(−1)nan=0.
两级数均收敛,可将相同长度的部分和相加后取极限;奇数下标项抵消,偶数下标项加倍,从而 a0+2n=1∑∞a2n=1。代入 a0=1,得 n=1∑∞a2n=0。
直接计算余弦系数。对于 n≥1,
an=2∫01(1−x)cos(nπx)dx=2∫01cos(nπx)dx−2∫01xcos(nπx)dx.
第一个积分为 [(nπ)sin(nπx)]01=0。第二个分部积分,得
∫01xcos(nπx)dx=[nπxsin(nπx)]01−nπ1∫01sin(nπx)dx=n2π2(−1)n−1.
所以 an=n2π22[1−(−1)n],即奇数下标时为 n2π24,正偶数下标时为零。因此 a2n=0(n≥1),所求和为 0。
直接利用区间中点的对称性。由余弦系数公式,令 x=21+t,新积分区间为 [−21,21],且 dx=dt、cos(2nπx)=(−1)ncos(2nπt),故
a2n=2(−1)n∫−2121(21−t)cos(2nπt)dt.
其中 ∫−2121cos(2nπt)dt=[(2nπ)sin(2nπt)]−2121=0;而 tcos(2nπt) 为奇函数,在对称区间上的积分也为零。因此 a2n=0,所求和为 0。