第七章 重积分

二重积分

  • 大概是:在面积的基础上计算体积

∬f(x,y)dσ\iint f\left(x,y\right)d\sigma

  • 常见方法:直角坐标系(x型,y型),极坐标系,任意坐标系
  1. 直角坐标系(x型):∬f(x,y)dxdy=∫abdx∫g1(x)g2(x)f(x,y)dy\iint f\left(x,y\right)dxdy=\int_a^bdx\int_{g1(x)}^{g2(x)}f(x,y)dy
  2. 直角坐标系(y型):∬f(x,y)dxdy=∫cddy∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx\iint f\left(x,y\right)dxdy=\int_c^ddy\int_{\psi1(y)}^{\psi2(y)}f(x,y)dx
  3. 极坐标系:∬f(x,y)dxdy=∫θ1θ2dθ∫r1(θ)r2(θ)f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)rdr\iint f\left(x,y\right)dxdy=\int_{\theta1}^{\theta2}d\theta\int_{r1(\theta)}^{r2(\theta)}f(r\cos\theta,r\sin\theta)rdr
  4. 任意坐标系:∬f(x,y)dxdy=∬f(x(u,v),y(u,v))∣J∣dudv\iint f\left(x,y\right)dxdy=\iint f(x(u,v),y(u,v))\left|J\right|dudv
    其中 ∣J∣=∣∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∣\left|J\right|=\begin{vmatrix}\frac{\partial x}{\partial u}&\frac{\partial x}{\partial v}\\\frac{\partial y}{\partial u}&\frac{\partial y}{\partial v}\end{vmatrix}
  • 常用性质:奇偶对称性
  • note:
    转化为极坐标时常涉及高次cosx,sinx关于x的积分。
    ∫0π2sin⁡2k(x)dx=∫0π2cos⁡2k(x)dx=(2k−1)!!(2k)!!×π2\int_0^\frac\pi2\sin^{2k}\left(x\right)dx=\int_0^\frac\pi2\cos^{2k}\left(x\right)dx=\frac{(2k-1)!!}{(2k)!!}\times\frac{\mathrm\pi}2
    ∫0π2sin⁡2k+1(x)dx=∫0π2cos⁡2k+1(x)dx=(2k)!!(2k+1)!!\int_0^\frac\pi2\sin^{2k+1}\left(x\right)dx=\int_0^\frac\pi2\cos^{2k+1}\left(x\right)dx=\frac{(2k)!!}{(2k+1)!!}
    当积分区域为椭圆时,令 x=arcos⁡θ,y=brsin⁡θx=ar\cos\theta,y=br\sin\theta, 则 ∬f(x,y)dxdy=∫αβdθ∫0λf(arcos⁡θ,brsin⁡θ)abrdr\iint f(x,y)dxdy=\int_\alpha^\beta d\theta\int_0^\lambda f(ar\cos\theta,br\sin\theta)abrdr
    当积分不太好计算时,可以尝试交换积分顺序(注意上下限的变化)

三重积分

  • 大概是:在体积的基础上计算质量

∭f(x,y,z)dV\iiint f\left(x,y,z\right)dV

  • 常见方法: 直角坐标系(投影法,截面法),柱坐标系(投影法,截面法),球坐标系,任意坐标系
  1. 直角坐标系(投影法): ∭f(x,y,z)dxdydz=∬dxdy∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz\iiint f(x,y,z)dxdydz=\iint dxdy\int_{z1(x,y)}^{z2(x,y)}f(x,y,z)dz
  2. 直角坐标系(截面法): ∭f(x,y,z)dxdydz=∫abdz∬f(x,y,z)dxdy\iiint f(x,y,z)dxdydz=\int_a^bdz\iint f(x,y,z)dxdy
  3. 柱坐标系(投影法): ∭f(x,y,z)dxdydz=∬rdrdθ∫ψ(r,θ)ν(r,θ)f(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)dz\iiint f(x,y,z)dxdydz=\iint rdrd\theta\int_{\psi(r,\theta)}^{\nu(r,\theta)}f(r\cos\theta,r\sin\theta,z)dz
  4. 柱坐标系(截面法): ∭f(x,y,z)dxdydz=∫αβdθ∬f(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)rdrdz\iiint f(x,y,z)dxdydz=\int_\alpha^\beta d\theta\iint f(r\cos\theta,r\sin\theta,z)rdrdz
  5. 球坐标系: ∭f(x,y,z)dxdydz=∫αβdθ∫ωγsin⁡ψdψ∫g1(ψ,θ)g2(ψ,θ)f(ρsin⁡ψcos⁡θ,ρsin⁡ψsin⁡θ,ρcos⁡ψ)ρ2dρ\iiint f(x,y,z)dxdydz=\int_\alpha^\beta d\theta\int_\omega^\gamma\sin\psi d\psi\int_{g1(\psi,\theta)}^{g2(\psi,\theta)}f(\rho\sin\psi\cos\theta,\rho\sin\psi\sin\theta,\rho\cos\psi)\rho^2d\rho
    其中,θ\theta 是在xy平面上与x轴的夹角(与x轴的正半轴重合记为0),ψ\psi 是截面上与z轴的夹角(与z的正半轴重合记为0)
  6. 任意坐标系:∭f(x,y,z)dxdydz=∭f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))∣J∣dudvdw\iiint f(x,y,z)dxdydz=\iiint f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))\left|J\right|dudvdw
    其中,∣J∣=∣∂x∂u∂x∂v∂x∂w∂y∂u∂y∂v∂y∂w∂z∂u∂z∂v∂z∂w∣\left|J\right|=\begin{vmatrix}\frac{\partial x}{\partial u}&\frac{\partial x}{\partial v}&\frac{\partial x}{\partial w}\\\frac{\partial y}{\partial u}&\frac{\partial y}{\partial v}&\frac{\partial y}{\partial w}\\\frac{\partial z}{\partial u}&\frac{\partial z}{\partial v}&\frac{\partial z}{\partial w}\end{vmatrix}
  • 常用性质: 奇偶对称性 (假设积分区域关于Oxy平面对称,则若f(x,y,z)关于z是奇函数,积分为0)
  • note: 当积分区域为椭球时,令 x=arsin⁡ψcos⁡θ,y=brsin⁡ψsin⁡θ,z=crcos⁡ψx=ar\sin\psi\cos\theta,y=br\sin\psi\sin\theta,z=cr\cos\psi,则 ∭f(x,y,z)dxdydz=∫αβdθ∫νκsin⁡ψdψ∫0λf(arsin⁡ψcos⁡θ,brsin⁡ψsin⁡θ,crcos⁡ψ)abcr2dr\iiint f(x,y,z)dxdydz=\int_\alpha^\beta d\theta\int_\nu^\kappa\sin\psi d\psi\int_0^\lambda f(ar\sin\psi\cos\theta,br\sin\psi\sin\theta,cr\cos\psi)abcr^2dr

重积分的应用举例

  • 求曲面面积:S=∬1+f2x(x,y)+f2y(x,y)dσS=\iint\sqrt{1+{f^2}_x(x,y)+{f^2}_y(x,y)}d\sigma
    其中,z=f(x,y)z=f(x,y) ,σ\sigma 是投影面积。
  • 求质心: x0=∭xρ(x,y,z)dVm,y0=∭yρ(x,y,z)dVm,z0=∭zρ(x,y,z)dVmx_0=\frac{\iiint x\rho(x,y,z)dV}m,y_0=\frac{\iiint y\rho(x,y,z)dV}m,z_0=\frac{\iiint z\rho(x,y,z)dV}m
  • 求转动惯量:Jo=∭(x2+y2+z2)ρ(x,y,z)dVJ_o=\iiint(x^2+y^2+z^2)\rho(x,y,z)dV (到原点的转动惯量)
  • 求引力:F=k∭m0ρ(x,y,z)dVr2rrF=k\iiint\frac{m0\rho(x,y,z)dV}{r^2}\frac{\boldsymbol r}r

第八章 曲线积分与曲面积分

曲线积分

第一型曲线积分:化曲为直
∫Lf(x,y)ds=∫abf(x,y(x))1+[y′(x)]2dx\int_Lf(x,y)ds=\int_a^bf(x,y(x))\sqrt{1+\left[y'(x)\right]^2}dx
∫Lf(x,y)ds=∫αβf(φ(t),ψ(t))[φ′(t)]2+[ψ′(t)]2dt\int_Lf(x,y)ds=\int_\alpha^\beta f(\varphi(t),\psi(t))\sqrt{\left[\varphi'(t)\right]^2+\left[\psi'(t)\right]^2}dt
∫Lf(x,y,z)ds=∫αβf(φ(t),ψ(t),ω(t))[φ′(t)]2+[ψ′(t)]2+[ω′(t)]2dt\int_Lf(x,y,z)ds=\int_\alpha^\beta f(\varphi(t),\psi(t),\omega(t))\sqrt{\left[\varphi'(t)\right]^2+\left[\psi'(t)\right]^2+\left[\omega'(t)\right]^2}dt

第二型曲线积分:统一投影直线

  • 非封闭曲线:

∫F(x,y,z)⋅dr=∫Pdx+Qdy+Rdz\int\boldsymbol F(x,y,z)\boldsymbol\cdot d\boldsymbol r=\int Pdx+Qdy+Rdz

∫ABP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫ab[P(x,y(x))+Q(x,y(x))y′(x)]dx\int_{AB}P(x,y)dx+Q(x,y)dy=\int_a^b\left[P(x,y(x))+Q(x,y(x))y'(x)\right]dx
∫ABP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβ[P(φ(t),ψ(t))φ′(t)+Q(φ(t),ψ(t))ψ′(t)]dt\int_{AB}P(x,y)dx+Q(x,y)dy=\int_\alpha^\beta\left[P(\varphi(t),\psi(t))\varphi'(t)+Q(\varphi(t),\psi(t))\psi'(t)\right]dt

  • 封闭曲线:
    格林公式(连续可导)
    曲线正方向:内顺外逆

∮Pdx+Qdy=∬(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy\oint Pdx+Qdy=\iint(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y})dxdy

斯托克斯公式(本质格林公式)

∮Pdx+Qdy+Rdz=∬∣dydzdzdxdxdy∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣\oint Pdx+Qdy+Rdz=\iint\begin{vmatrix}dydz&dzdx&dxdy\\\frac\partial{\partial x}&\frac\partial{\partial y}&\frac\partial{\partial z}\\P&Q&R\end{vmatrix}

也可写成

∮Pdx+Qdy+Rdz=∬∣cos⁡αcos⁡βcos⁡γ∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣dS\oint Pdx+Qdy+Rdz=\iint\begin{vmatrix}\cos\alpha&\cos\beta&\cos\gamma\\\frac\partial{\partial x}&\frac\partial{\partial y}&\frac\partial{\partial z}\\P&Q&R\end{vmatrix}dS

其中,L的正向与S的正向构成右手系。
且 (cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)\left(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma\right) 是平面S的单位法向量

与路径无关的条件

  • ∂Q∂x=∂P∂y\frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{\partial P}{\partial y}
  • Pdx+Qdy=du(x,y)Pdx+Qdy=du(x,y)
    du(x,y)求法:
  1. 观察法 Pdx+Qdy=f(x)dx+[g(x,y)dx+u(x,y)dy]+k(y)dy=duPdx+Qdy=f(x)dx+\left[g(x,y)dx+u(x,y)dy\right]+k(y)dy=du
  2. 特殊路径法

曲面积分

第一型曲面积分:化曲面为平面
∬f(x,y,z)dS=∬f(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2dσ\iint f(x,y,z)dS=\iint f(x,y,z(x,y))\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}d\sigma
∬f(x,y,z)dS=∬f(x(u,v),y(u,v),z(u,v))EG−F2dudv\iint f(x,y,z)dS=\iint f(x(u,v),y(u,v),z(u,v))\sqrt{EG-F^2}dudv
其中,ru=(xuyuzu)  ,  rv=(xvyvzv)  ,  E=∣ru∣2  ,  G=∣rv∣2  ,  F=ru⋅  rv{\boldsymbol r}_u=\begin{pmatrix}x_u\\y_u\\z_u\end{pmatrix}\;,\;{\boldsymbol r}_v=\begin{pmatrix}x_v\\y_v\\z_v\end{pmatrix}\;,\;E=\left|{\boldsymbol r}_{\mathbf u}\right|^2\;,\;G=\left|{\boldsymbol r}_{\boldsymbol v}\right|^2\;,\;F={\boldsymbol r}_{\mathbf u}\boldsymbol\cdot\boldsymbol\;{\boldsymbol r}_{\mathbf v}\\

第二型曲面积分:统一投影平面

  • 非封闭曲面:

∬F⋅ndS=∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol ndS=\iint Pdydz+Qdzdx+Rdxdy

曲面法向量:
F(x,y,z)=0  ,  n=∇F(x,y,z)=(Fx  ,Fy,Fz)  F(x,y,z)=0\;,\boldsymbol\;\boldsymbol n=\nabla F(x,y,z)=(F_x\;,F_y,F_z)\;
投影在xy平面:
∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=±[∬P(x,y,z(x,y))(Fx)+Q(x,y,z(x,y))(Fy)+R(x,y,z(x,y))(Fz)]dxdy\iint Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=\pm\left[\iint P(x,y,z(x,y))(F_x)+Q(x,y,z(x,y))(F_y)+R(x,y,z(x,y))(F_z)\right]dxdy
根据曲线S的指向定正负,若指向z轴正方向,则取+,否则取—。
广义坐标变换:
∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=[±∬P(x(u,v),y(u,v),z(u,v))∂(y,z)∂(u,v)±∬Q(x(u,v),y(u,v),z(u,v))∂(z,x)∂(u,v)±∬R(x(u,v),y(u,v),z(u,v))∂(x,y)∂(u,v)]dudv\iint Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=\left[\pm\iint P(x(u,v),y(u,v),z(u,v))\frac{\partial\left(y,z\right)}{\partial\left(u,v\right)}\pm\iint Q(x(u,v),y(u,v),z(u,v))\frac{\partial\left(z,x\right)}{\partial\left(u,v\right)}\pm\iint R(x(u,v),y(u,v),z(u,v))\frac{\partial\left(x,y\right)}{\partial\left(u,v\right)}\right]dudv

  • 封闭曲面:
    高斯公式(连续可导)

∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=∭(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z)dV\iint Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=\iiint(\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z})dV

即,∬F⋅ndS=∭divFdV\iint\boldsymbol F\boldsymbol\cdot\boldsymbol ndS=\iiint div\boldsymbol FdV ,div为散度

  • note:若曲面S在某一坐标平面上投影为0 ,则相应积分为0

第九章 常微分方程

一阶常微分方程

分离变量法:

dydx=f(x)⋅g(y)\frac{dy}{dx}=f(x)\cdot g(y)

可化为变量分离方程的几类方程:
形式:
(1) dydx=f(ax+by+c)\frac{dy}{dx}=f(ax+by+c) 令z=ax+by+c, 则 dzdx=a+bdydx=a+bf(z)\frac{dz}{dx}=a+b\frac{dy}{dx}=a+bf(z),即 dza+bf(z)=dx\frac{dz}{a+bf(z)}=dx
(2) dydx=f(x,y)\frac{dy}{dx}=f(x,y) ,其中,f(x,y) 是齐次函数,令 u  =  yx,  u\;=\;\frac yx,\; 则 y  =  ux,  y′=u+xu′=h(u),  dudx=h(u)−uxy\;=\;ux,\;y'=u+xu'=h(u),\;\frac{du}{dx}=\frac{h(u)-u}x
(3) dydx=f(a1x+b1y+c1a2x+b2y+c2)\frac{dy}{dx}=f(\frac{a_1x+b_1y+c_1}{a_2x+b_2y+c_2}),

  • a1x+b1y≠k(a2x+b2y),a_1x+b_1y\neq k(a_2x+b_2y), 联立方程组 {a1x+b1y+c1=0a2x+b2y+c2=0\left\{\begin{array}{l}a_1x+b_1y+c_1=0\\a_2x+b_2y+c_2=0\end{array}\right. 解得 (x0,y0)(x_0,y_0) 令 u=x−x0,v=y−y0,  u=x-x_0,v=y-y_0,\; 则 dvdu=f(a1u+b1va2u+b2v),  \frac{dv}{du}=f(\frac{a_1u+b_1v}{a_2u+b_2v}),\; 转化为情况二
  • a1x+b1y=k(a2x+b2y)a_1x+b_1y=k(a_2x+b_2y) ,则令 z=a1x+b1y,  z′=a1+b1y′=a1+b1h(z)z=a_1x+b_1y,\;z'=a_1+b_1y'=a_1+b_1h(z)

一阶线性方程

dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)

(1) Q(x)=0Q(x)=0: dydx=−P(x)y\frac{dy}{dx}=-P(x)y
(2) Q(x)≠0Q(x)\neq0:

  • 常数变易法: 先得到左侧齐次方程的通解 y=Cφ(x)y=C\varphi(x),再将其中的C替换为C(x),将 y=C(x)φ(x)y=C(x)\varphi(x) 代入原方程得,C′(x)φ(x)=Q(x)C'(x)\varphi(x)=Q(x), 求得C(x)

  • 伯努利方程:
    dydx+P(x)y=Q(x)yα\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^\alpha , 令 z=y1−α,  11−αdzdx+P(x)z=Q(x)z=y^{1-\alpha},\;\frac1{1-\alpha}\frac{dz}{dx}+P(x)z=Q(x)


全微分方程

dydx=−P(x,y)Q(x,y)\frac{dy}{dx}=\frac{-P(x,y)}{Q(x,y)}

(1)观察法:上式可写作 P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0 , 令 du(x,y)=P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0,du(x,y)=P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0, 则 u(x)=Cu(x)=C
(2)积分因子法:M(x,y)dx+N(x,y)dy=0M(x,y)dx+N(x,y)dy=0
只关于x的函数 F(x)=(∂M∂y−∂N∂x)/N(x,y)F(x)=(\frac{\partial M}{\partial y}-\frac{\partial N}{\partial x})/N(x,y) 则积分因子 μ(x)=e∫F(x)dx\mu(x)=e^{\int F(x)dx}
只关于y的函数 G(y)=(∂N∂x−∂M∂y)/M(x,y)G(y)=(\frac{\partial N}{\partial x}-\frac{\partial M}{\partial y})/M(x,y) 则积分因子 μ(y)=e∫G(y)dy\mu(y)=e^{\int G(y)dy}


高阶方程

(1)降阶法:

  • 不显含y的方程:
    F(x,y′,y′′)=0,  z=y′,  F(x,z,z′)=0F(x,y',y'')=0,\;z=y',\;F(x,z,z')=0
  • 不显含x的方程:
    F(y,y′,y′′)=0,  p=y′,  F(y,p,pdpdy)=0F(y,y',y'')=0,\;p=y',\;F(y,p,p\frac{dp}{dy})=0 得到 G(p,y)=G(dydx,y)=0G(p,y)=G(\frac{dy}{dx},y)=0

(2) 特征根+待定系数法:(适用于常系数微分方程)

y′′+py′+qy=f(x)y''+py'+qy=f(x)

  • 非齐次线性方程的解=齐次方程的通解+特解
  • 通解:
    当特征解为实数时:
    {C1eλ1x+C2eλ2x+...,  λi≠λj(i≠j)(C1+C2x+C3x2+...Cmxm−1)eλ1x,  λ1=λ2=...=λm\left\{\begin{array}{l}C_1e^{\lambda_1x}+C_2e^{\lambda_2x}+...,\;\lambda_i\neq\lambda_j(i\neq j)\\(C_1+C_2x+C_3x^2+...C_mx^{m-1})e^{\lambda_1x},\;\lambda_1=\lambda_2=...=\lambda_m\end{array}\right.\\
    当特征解为m重共轭复根 λ1,2=α±iβ\lambda_{1,2}=\alpha\pm i\beta 时:
    eαx(C1cos⁡βx+C2sin⁡βx+C3xcos⁡βx+C4xsin⁡βx+...+Cnxm−1cos⁡βx+Cnxm−1sin⁡βx)e^{\alpha x}(C_1\cos\beta x+C_2\sin\beta x+C_3x\cos\beta x+C_4x\sin\beta x+...+C_nx^{m-1}\cos\beta x+C_nx^{m-1}\sin\beta x)
  • 特解:

(3) 常数变易法:
先求齐次方程对应通解: y=Cφ1(x)+Cφ2(x)y=C\varphi_1(x)+C\varphi_2(x)
接着,{C1′(x)φ1(x)+C2′(x)φ2(x)=0C1′(x)φ1′(x)+C2′(x)φ2′(x)=f(x)\left\{\begin{array}{l}C_1'(x)\varphi_1(x)+C_2'(x)\varphi_2(x)=0\\C_1'(x)\varphi_1'(x)+C_2'(x)\varphi_2'(x)=f(x)\end{array}\right.
y=C1(x)φ1(x)+C2(x)φ2(x)y=C_1(x)\varphi_1(x)+C_2(x)\varphi_2(x) 即为非齐次方程的解

(4)消元法:(适用于常系数线性微分方程组)
原理:将y用 dxdt\frac{dx}{dt} 或x表示,形成x的常系数微分方程


微分方程解的存在和唯一性定理

初值问题与积分方程 y=y0+∫x0xf(x,y)dxy=y_0+\int_{x_0}^xf(x,y)dx 等价
初值问题在区间 x∈[x0−h,x0+h]x\in\lbrack x_0-h,x_0+h\rbrack 有一个解,h=min(a,b/M),  M=max{∣f(x,y)∣(x,y)∈R}h=min(a,b/M),\;M=max\{\left|f(x,y)\right|(x,y)\in R\}
皮卡序列:yn(x)=y0+∫x0xf(x,yn−1(x))dx,  x∈[x0−h,x0+h],  n=1,2...y_n(x)=y_0+\int_{x_0}^xf(x,y_{n-1}(x))dx,\;x\in\lbrack x_0-h,x_0+h\rbrack,\;n=1,2...


第十章 无穷级数

只含n的级数

  • 收敛定义: Sn=∑k=1nakS_n=\sum_{k=1}^na_k 部分和有极限S
  • 由定义可延伸出判断级数发散的两种方法:
  1. 当n趋近于无穷时, ana_n 不等于零,级数发散
  2. ∣∑k=n+1n+pak∣    ≥l  (l>0)\left|\sum_{k=n+1}^{n+p}a_k\right|\;\;\geq l\;(l>0) (由此可判断 ∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty}\frac1n 发散)
  • 正项级数的收敛判别法:
  1. 比较判别:un≤vn      u_n\leq v_{n\;\;\;} ,若 ∑n=1∞un{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}u_n 发散则 ∑n=1∞vn{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}v_n 发散 , 若 ∑n=1∞vn{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}v_n 收敛,则 ∑n=1∞un{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}u_n 收敛
  2. 比值判别:lim⁡n→∞unvn=h\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{u_n}{v_n}=h
    (1) h=0,若 ∑n=1∞vn{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}v_n 收敛,则 ∑n=1∞un{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}u_n 收敛
    (2)h=∞h=\infty , 若 ∑n=1∞vn{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}v_n 发散,则 ∑n=1∞un{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}u_n 发散
    (3)0<h<∞0<h<\infty , 则 ∑n=1∞vn{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}v_n 与 ∑n=1∞un{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}u_n 敛散性相同
  3. 达朗贝尔判别: lim⁡n→∞un+1un=l\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{u_{n+1}}{u_n}=l (1)l<1,收敛 (2)l>1,发散 (3)l=1,不定
  4. 柯西判别: lim⁡n→∞unn=l\lim_{n\rightarrow\infty}\sqrt[n]{u_n}=l (1)l<1,收敛 (2)l>1,发散 (3)l=1,不定
  5. 积分判别: un=f(n)u_n=f(n) , f(x)单调下降且非负,则 ∑n=1∞un{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}u_n 收敛 ↔∫1∞f(x)dx\leftrightarrow\int_1^\infty f(x)dx 收敛
  • 交错级数的收敛判别法:
    莱布尼茨判别法:
    (1)  ∣un∣≥∣un+1∣(2)  lim⁡n→∞∣un∣=0(1)\;\left|u_n\right|\geq\left|u_{n+1}\right|\\(2)\;\lim_{n\rightarrow\infty}\left|u_n\right|=0
  • ∑k=1∞akbk{\textstyle\sum_{k=1}^\infty}a_kb_k 类型级数收敛判别法:
  1. 迪利克雷判别:序列 {ak}\{a_k\} 单调且 lim⁡k→∞ak=0\lim_{k\rightarrow\infty}a_k=0 , 又 ∣∑k=1nbk∣≤M\left|{\textstyle\sum_{k=1}^nb_k}\right|\leq M
  2. 阿贝尔判别:序列 {ak}\{a_k\} 单调且 ∣lim⁡k→∞{ak}∣≤M\left|\lim_{k\rightarrow\infty}\{a_k\}\right|\leq M , 又 ∑k=1∞bk{\textstyle\sum_{k=1}^\infty}b_k 收敛
  • 任意项级数收敛判别法:
    绝对收敛则一定收敛:若 ∑k=1∞∣uk∣{\textstyle\sum_{k=1}^\infty}\left|u_k\right| 收敛,则 ∑k=1∞uk{\textstyle\sum_{k=1}^\infty}u_k 收敛

  • note:
    等比级数:Sn  =a(1−qn)1−q−>{a1−q,∣q∣<1∞,∣q∣>1S_{n\;}=\frac{a(1-q^n)}{1-q}->\left\{\begin{array}{l}\frac a{1-q},\left|q\right|<1\\\infty,\left|q\right|>1\end{array}\right.
    p级数: ∑n=1∞1np{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}\frac1{n^p} ,当 p≤1p\leq1 时发散,p>1时收敛
    级数 ∑n=1∞sin⁡nφnp{\textstyle \sum_{n=1}^{\infty }} \frac{\sin n\varphi }{n^{p} } ,p>1时绝对收敛,0≤p≤10\le p\le1 时条件收敛


函数级数

  • 函数序列一致收敛:存在 N(ε)N(\varepsilon) ,只要 n>N(ε)n>N(\varepsilon) ,总有 ∣fn(x)−f(x)∣<ε\left|f_n(x)-f(x)\right|<\varepsilon ,其中,f(x)=lim⁡n→∞fn(x)f(x)=\lim_{n\rightarrow\infty}f_n(x)
  • 由定义可延伸出判断函数序列不一致收敛的方法:
    存在点列 xn∈Xx_n\in X 使得 ∣fn(xn)−f(xn)∣≥l  (l>0)\left|f_n(x_n)-f(x_n)\right|\geq l\;(l>0) , 或 [fn(xn)−f(xn)]→k≠0  (n→∞)\left[f_n(x_n)-f(x_n)\right]\rightarrow k\neq0\;(n\rightarrow\infty)
  • 函数项级数一致收敛: Sn(x)=∑k=1nuk(x)S_n(x)={\textstyle\sum_{k=1}^n}u_k(x) 在X上一致收敛,则级数 ∑n=1∞un(x){\textstyle\sum_{n=1}^\infty}u_n(x) 在X上一致收敛
  • 类比只含n级数可延伸出判断函数项级数不一致收敛的方法:
  1. 一般项 un(x)u_n(x) 不一致趋于0,即存在点列 xn∈Xx_n\in X 使得 lim⁡n→∞∣un(x)∣≠0\lim_{n\rightarrow\infty}\left|u_n(x)\right|\neq0
  2. ∣∑k=n+1n+puk(x)∣    ≥l  (l>0)\left|\sum_{k=n+1}^{n+p}u_k(x)\right|\;\;\geq l\;(l>0)
  • 函数级数一致收敛性判别法:
  1. 强级数判别:∣un(x)∣≤an\left|u_n(x)\right|\leq a_n , ∑n=1∞an{\textstyle\sum_{n=1}^\infty}a_n 收敛,则该级数在X上一致收敛
    有的时候可以通过求导获取 un(x)u_n(x) 的极大值,极大值收敛也可证明该级数收敛
  2. 迪利克雷判别:un(x)=an(x)bn(x)u_n(x)=a_n(x)b_n(x)
    (1) {an(x)}\{a_n(x)\} 对n单调,且 {an(x)}\{a_n(x)\} 在X上一致收敛于0
    (2) 部分和一致有界 ∣∑k=1nbk(x)∣≤M\left|{\textstyle\sum_{k=1}^n}b_k(x)\right|\leq M
  3. 阿贝尔判别:
    (1) {an(x)}\{a_n(x)\} 对n单调,且 {an(x)}\{a_n(x)\} 在X上一致有界
    (2) ∑n=1∞bn(x){\textstyle\sum_{n=1}^\infty}b_n(x) 在X上一致收敛
  • 一致收敛性质
  1. lim⁡x→x0∑n=1∞un(x)=∑n=1∞lim⁡x→x0un(x)\lim_{x \to x_0} {\textstyle \sum_{n=1}^{\infty }} u_n(x)= {\textstyle \sum_{n=1}^{\infty }} \lim_{x \to x_0} u_n(x) (条件: ∑n=1∞un(x){\textstyle \sum_{n=1}^{\infty }} u_n(x) 一致收敛且每一项都连续)
  2. ∫ab∑k=1∞uk(x)dx=∑k=1∞∫abuk(x)dx\int_{a}^{b} {\textstyle \sum_{k=1}^{\infty }} u_k(x)dx={\textstyle \sum_{k=1}^{\infty }} \int_{a}^{b}u_k(x)dx(条件: ∑n=1∞un(x){\textstyle \sum_{n=1}^{\infty }} u_n(x) 一致收敛且每一项都连续)
  3. g′(y)=∫ab∂f(x,y)∂yd⁡xg'\left(y\right)=\int_a^b\frac{\partial f\left(x,y\right)}{\partial y}\operatorname dx , 即有连续导函数(条件: ∑n=1∞un(x){\textstyle \sum_{n=1}^{\infty }} u_n(x) 点点收敛,∑n=1∞un′(x){\textstyle \sum_{n=1}^{\infty }} u_n'(x))一致收敛且每一项都连续)
  • note:
    ∣∑k=1nsin⁡kx∣(∣∑k=1ncos⁡kx∣)≤1∣sin⁡x2∣\left|{\textstyle\sum_{k=1}^n}\sin kx\right|(\left|{\textstyle\sum_{k=1}^n\cos kx}\right|)\leq\frac1{\left|\sin{\displaystyle\frac x2}\right|}
    通常使用 ∫axS′(x)dx=S(x)−S(a)\int_a^xS'(x)dx=S(x)-S(a) 得到 S(x)S(x)

幂级数

  • 收敛半径R: 敛散性的分界点为x=R,即 lim⁡n→∞∣un+1un∣=1\lim_{n\rightarrow\infty}\left|\frac{un+1}{u_n}\right|=1 时 ∣x∣\left|x\right| 的取值
  • R的求法:
  1. lim⁡n→∞∣an+1an∣=l\lim_{n\rightarrow\infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|=l , 则 R=1lR=\frac1l
  2. lim⁡n→∞ann=l\lim_{n\rightarrow\infty}\sqrt[n]{a_n}=l , 则 R=1lR=\frac1l
  • 幂级数性质:
  1. 内闭一致性:对 ∀0<b<R\forall0<b<R ,幂级数在 [−b,b]\left[-b,b\right] 上一致收敛;若幂级数在右端点x=R(左端点x=-R)处收敛,则它在 [0,R]\left[0,R\right] ( [−R,0]\left[-R,0\right] )上一致收敛
  2. 连续性:幂级数的和函数 S(x)=∑n=0∞anxnS(x)={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}a_nx^n 在收敛区间上连续
  3. ∫0xS(t)d⁡t=∑n=0∞∫0xantnd⁡t=∑n=0∞ann+1xn+1\int_0^xS(t)\operatorname dt={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}\int_0^xa_nt^n\operatorname dt={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}\frac{a_n}{n+1}x^{n+1}
  4. S′(x)=∑n=0∞(anxn)′=∑n=1∞nanxn−1S'(x)={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}(a_nx^n)'={\textstyle\sum_{n=1}^\infty}na_nx^{n-1}

泰勒级数

  • 形式:f(x)=∑n=0∞an(x−x0)nf(x)={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}a_n{(x-x_0)}^n ,其中,an=1n!f(n)(x0)a_n=\frac1{n!}f^{(n)}(x_0),且 x−x0∈(−R,R)x-x_0\in(-R,R)
  • 泰勒余项:Rn(x)=an+1(x−x0)n+1=1(n+1)!f(n+1)(x+θ(x−x0))(x−x0)n+1R_n(x)=a_{n+1}{(x-x_0)}^{n+1}=\frac1{(n+1)!}f^{(n+1)}(x+\theta(x-x_0)){(x-x_0)}^{n+1} , f(x)能展开为泰勒级数的充要条件是 lim⁡n→∞Rn(x)=0\lim_{n\rightarrow\infty}R_n(x)=0
  • 在0附近的泰勒展开:
  1. ex=∑0∞1n!xne^x={\textstyle\sum_0^\infty}\frac1{n!}x^n
  2. sin⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!\sin x={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}{(-1)}^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}
  3. cos⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n(2n)!\cos x={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}{(-1)}^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}
  4. arctan⁡x=∑n=0∞(−1)n12n+1x2n+1arc\tan x={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}{(-1)}^n\frac1{2n+1}x^{2n+1}
  5. ln⁡(1+x)=∑n=0∞(−1)nxn+1n+1\ln(1+x)={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}{(-1)}^n\frac{x^{n+1}}{n+1}
  6. (1+x)a=∑n=0∞(αn)xn{(1+x)}^a={\textstyle\sum_{n=0}^\infty}\begin{pmatrix}\alpha\\n\end{pmatrix}x^n
  • note:
    陌生的函数可以先积分转化为熟悉函数的形式,在此形式上泰勒展开,再求导得到原函数的泰勒展开

第十一章 广义积分与含参变量的积分

广义积分

无穷积分

  • 收敛定义: 若 lim⁡A→∞∫aAf(x)d⁡x\lim_{A\rightarrow\infty}\int_a^Af(x)\operatorname dx 存在,则称无穷积分 ∫a∞f(x)d⁡x\int_a^\infty f(x)\operatorname dx 收敛
    ∫−∞∞f(x)d⁡x=∫−∞0f(x)d⁡x+∫0∞f(x)d⁡x\int_{-\infty}^\infty f(x)\operatorname dx=\int_{-\infty}^0f(x)\operatorname dx+\int_0^\infty f(x)\operatorname dx 当右端两个无穷积分都收敛时,左端才收敛
  • 柯西收敛原理: 对任意 ε\varepsilon , 存在 A,使得 ∣∫AA′f(x)dx∣<ε\left|\int_A^{A'}f(x)dx\right|<\varepsilon
    命题:若 ∫a∞∣f(x)∣dx\int_a^\infty\left|f(x)\right|dx 收敛,则 ∫a∞f(x)dx\int_a^\infty f(x)dx 收敛
  • 收敛判别法:
  1. 比较判别:设f(x),g(x)在 [a,∞)\lbrack a,\infty) 上有定义,且 0≤f(x)≤g(x)0\leq f(x)\leq g(x),则
    (1) 由 ∫a∞g(x)d⁡x\int_a^\infty g(x)\operatorname dx 收敛可推出 ∫a∞f(x)d⁡x\int_a^\infty f(x)\operatorname dx 收敛
    (2) 由 ∫a∞f(x)d⁡x\int_a^\infty f(x)\operatorname dx 发散可推出 ∫a∞g(x)d⁡x\int_a^\infty g(x)\operatorname dx 发散
  2. 比较判别的极限形式:lim⁡x→∞f(x)g(x)=k\lim_{x\rightarrow\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=k
    (1) k=0,分母收敛则分子收敛
    (2) k=∞k=\infty 分母发散则分子发散
    (3) k=l, 0<l<∞0<l<\infty 则分子与分母敛散性一致
  3. 迪利克雷判别法:对于 ∫a∞f(x)g(x)d⁡x\int_a^\infty f(x)g(x)\operatorname dx , 对一切 A≥aA\geq a , 都有 ∫aAf(x)d⁡x\int_a^Af(x)\operatorname dx 有界;且g(x)单调趋于零,则收敛
  4. 阿贝尔判别法: ∫a∞f(x)d⁡x\int_a^\infty f(x)\operatorname dx 收敛,且 ∫a∞g(x)d⁡x\int_a^\infty g(x)\operatorname dx 单调有界,则收敛

瑕积分

  • 收敛定义: 若 lim⁡ε→0+0∫a+εbf(x)d⁡x\lim_{\varepsilon\rightarrow0+0}\int_{a+\varepsilon}^bf(x)\operatorname dx 存在,则称以a为瑕点的瑕积分 ∫abf(x)d⁡x\int_a^bf(x)\operatorname dx 收敛
    若a,b均为瑕点,则 ∫abf(x)d⁡x=lim⁡ε→0+0∫a+εcf(x)d⁡x+lim⁡η→0+0∫cb−ηf(x)d⁡x\int_a^bf(x)\operatorname dx=\lim_{\varepsilon\rightarrow0+0}\int_{a+\varepsilon}^cf(x)\operatorname dx+\lim_{\eta\rightarrow0+0}\int_c^{b-\eta}f(x)\operatorname dx 右端两式均收敛则左端收敛
    若a为瑕点,且是无穷积分,则 ∫a∞f(x)dx=∫acf(x)d⁡x+∫c∞f(x)d⁡x\int_a^\infty f(x)dx=\int_a^cf(x)\operatorname dx+\int_c^\infty f(x)\operatorname dx 右端两式均收敛则左端收敛
  • 柯西收敛原理: ∣∫a+δ1a+δ2f(x)d⁡x∣<ε\left|\int_{a+\delta_1}^{a+\delta_2}f(x)\operatorname dx\right|<\varepsilon
    命题:若 ∫ab∣f(x)∣dx\int_a^b\left|f(x)\right|dx 收敛,则 ∫abf(x)dx\int_a^bf(x)dx 收敛
  • 收敛判别法:
  1. 比较判别:f(x)和g(x)均以a为瑕点,且 0≤f(x)≤g(x)0\leq f(x)\leq g(x) ,则
    (1) 由 ∫abg(x)d⁡x\int_a^bg(x)\operatorname dx 收敛可推出 ∫abf(x)d⁡x\int_a^bf(x)\operatorname dx 收敛
    (2) 由 ∫abf(x)d⁡x\int_a^bf(x)\operatorname dx 发散可推出 ∫abg(x)d⁡x\int_a^bg(x)\operatorname dx 发散
  2. 比较判别的极限形式:lim⁡f(x)→a+0f(x)g(x)=k\lim_{f(x)\rightarrow a+0}\frac{f(x)}{g(x)}=k
    (1) k=0,分母收敛则分子收敛
    (2) k=∞k=\infty 分母发散则分子发散
    (3) k=l, 0<l<∞0<l<\infty 则分子与分母敛散性一致
  3. 迪利克雷判别:∫abf(x)g(x)d⁡x\int_a^bf(x)g(x)\operatorname dx , a为瑕点,若 ∫Abf(x)dx\int_A^bf(x)dx 有界,a<A<ba<A<b ,且g(x)在 x→ax\rightarrow a 时单调趋近于0,则收敛
  4. 阿贝尔判别:若 ∫abf(x)dx\int_a^bf(x)dx 收敛,g(x)单调有界,则收敛
  • note:
  1. 在使用比较判别法时,常用到以下典型瑕积分:
    ∫ab(1x−a)pdx\int_a^b{(\frac1{x-a})}^pdx 或 ∫ab(1b−x)pdx\int_a^b{(\frac1{b-x})}^pdx
    其中, p≥1p\geq1 时发散,p<1时收敛
  2. 常用洛必达法则判断某点是否为瑕点,如果该点有极限则不是瑕点

含参变量的正常积分

  • 连续性: f(x,y)在R上连续时,g(y)在[c,d]上也连续,故有 lim⁡y→y0g(y)=g(y0)\lim_{y\rightarrow y_0}g(y)=g(y_0) ,即 lim⁡y→y0∫abf(x,y)d⁡x=∫abf(x,y0)d⁡x=∫ablim⁡y→y0f(x,y)d⁡x\lim_{y\rightarrow y_0}\int_a^bf(x,y)\operatorname dx=\int_a^bf(x,y_0)\operatorname dx=\int_a^b\lim_{y\rightarrow y_0}f(x,y)\operatorname dx
  • 可积性: f(x,y)在R上连续时,∫cddy∫abf(x,y)dx=∫abdx∫cdf(x,y)dy\int_c^ddy\int_a^bf(x,y)dx=\int_a^bdx\int_c^df(x,y)dy
  • 可微性: f(x,y)在R上连续时,ddy∫abf(x,y)d⁡x=∫abfy(x,y)d⁡x\frac d{dy}\int_a^bf(x,y)\operatorname dx=\int_a^bf_y(x,y)\operatorname dx ,
    当 g(y)=∫u(y)v(y)f(x,y)d⁡xg(y)=\int_{u(y)}^{v(y)}f(x,y)\operatorname dx 时,g′(y)=∫u(y)v(y)fy(x,y)d⁡x+f(v(y),y)v′(y)−f(u(y),y)u′(y)g'(y)=\int_{u(y)}^{v(y)}f_y(x,y)\operatorname dx+f(v(y),y)v'(y)-f(u(y),y)u'(y)

含参变量的广义积分

  • 一致收敛定义: g(y)=∫a∞f(x,y)d⁡xg(y)=\int_a^\infty f(x,y)\operatorname dx , 总存在A,使得,∣∫A∞f(x,y)d⁡x∣<ε\left|\int_A^\infty f(x,y)\operatorname dx\right|<\varepsilon 则g(y)一致收敛。
    则当 ∣∫A∞f(x,y)d⁡x∣>l\left|\int_A^\infty f(x,y)\operatorname dx\right|>l (l>0), 或 lim⁡y→y0∫A∞f(x,y)d⁡x=k≠0\lim_{y\rightarrow y_0}\int_A^\infty f(x,y)\operatorname dx=k\neq0 时,无穷积分不一致收敛

  • 一致收敛判别法:

  1. 比较判别:若 ∣f(x,y)∣≤φ(x)\left|f(x,y)\right|\leq\varphi(x) ,且 ∫0∞φ(x)d⁡x\int_0^\infty\varphi(x)\operatorname dx 收敛,则g(y)一致收敛
  2. 迪利克雷判别:当 x→∞,  g(x,y)=0x\rightarrow\infty,\;g(x,y)=0 且 ∣∫aAf(x,y)d⁡x∣≤M\left|\int_a^Af(x,y)\operatorname dx\right|\leq M , 则 ∫a∞f(x,y)g(x,y)dx\int_a^\infty f(x,y)g(x,y)dx 一致收敛
  3. 阿贝尔判别:当g(x,y)关于x单调且有界,∫a∞f(x,y)d⁡x\int_a^\infty f(x,y)\operatorname dx 一致收敛 ,则 ∫a∞f(x,y)g(x,y)dx\int_a^\infty f(x,y)g(x,y)dx 一致收敛
  • 一致收敛性质:
  1. ∫cdg(y)d⁡y=∫cddy∫a∞f(x,y)d⁡x=∫a∞dx∫cdf(x,y)d⁡y\int_c^dg(y)\operatorname dy=\int_c^ddy\int_a^\infty f(x,y)\operatorname dx=\int_a^\infty dx\int_c^df(x,y)\operatorname dy (条件:g(y)一致收敛)
  2. ∫cdg(y)d⁡y=∫cddy∫a∞f(x,y)d⁡x=∫a∞dx∫cdf(x,y)d⁡y\int_c^dg(y)\operatorname dy=\int_c^ddy\int_a^\infty f(x,y)\operatorname dx=\int_a^\infty dx\int_c^df(x,y)\operatorname dy (条件:g(y)点点收敛,∫a∞∂f(x,y)∂yd⁡x\int_a^\infty\frac{\partial f(x,y)}{\partial y}\operatorname dx 一致收敛)

Γ\Gamma 函数与B函数

  • Γ\Gamma 函数:
  1. Γ(α)=∫0∞xα−1e−xd⁡x\Gamma(\alpha)=\int_0^\infty x^{\alpha-1}e^{-x}\operatorname dx
  2. Γ(n+1)=nΓ(n)=...=n!\Gamma(n+1)=n\Gamma(n)=...=n!
  3. Γ(12)=π\Gamma(\frac12)=\sqrt\pi
  • B函数:
  1. B(p,q)=∫01xp−1(1−x)q−1d⁡xB(p,q)=\int_0^1x^{p-1}{(1-x)}^{q-1}\operatorname dx
  2. B(p,q)=B(q,p)
  3. B(p,q)=Γ(p)⋅Γ(q)Γ(p+q)B(p,q)=\frac{\Gamma(p)\cdot\Gamma(q)}{\Gamma(p+q)}
  • note:
    ∫0∞sin⁡αxxd⁡x={π2,α>00,α=0−π2,α<0\int_0^\infty\frac{\sin\alpha x}x\operatorname dx=\left\{\begin{array}{l}\frac{\mathrm\pi}2,\alpha>0\\0,\alpha=0\\-\frac\pi2,\alpha<0\end{array}\right.
    ∫0π2cos⁡mθsin⁡nθd⁡θ=12B(m+12,n+12)\int_0^\frac{\mathrm\pi}2\cos^m\theta\sin^n\theta\operatorname d\theta=\frac12B(\frac{m+1}2,\frac{n+1}2)

第十二章 傅里叶级数

三角函数系及其正交性

  • 基本三角函数系:1,cos⁡x,sin⁡x,...,cos⁡nx,sin⁡nx,...1,\cos x,\sin x,...,\cos nx,\sin nx,...
  • 正交性:在基本三角函数系中任意两个不同函数的乘积在 [−π,π]\lbrack-\pi,\pi\rbrack 上的积分为0

傅里叶级数及收敛性定理

设f(x)是一个以 2π2\pi 为周期的函数,则

  • f(x)=a02+∑n=1∞(ancos⁡nx+bnsin⁡nx)f(x)=\frac{a_0}2+\sum_{n=1}^\infty(a_n\cos nx+b_n\sin nx)
    其中,
    a0=1π∫−ππf(x)d⁡xa_0=\frac1\pi\int_{-\pi}^\pi f(x)\operatorname dx
    an=1π∫−ππf(x)cos⁡nxd⁡xa_n=\frac1\pi\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos nx\operatorname dx
    bn=1π∫−ππf(x)sin⁡nxd⁡xb_n=\frac1\pi\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin nx\operatorname dx

设f(x)是一个以T为周期的函数,则

  • f(x)=a02+∑n=1∞(ancos⁡nπlx+bnsin⁡nπlx)f(x)=\frac{a_0}2+\sum_{n=1}^\infty(a_n\cos\frac{n\pi}lx+b_n\sin\frac{n\pi}lx)
    其中,令 l=T2l=\frac T2
    a0=1l∫−llf(x)d⁡xa_0=\frac1l\int_{-l}^lf(x)\operatorname dx
    an=1l∫−llf(x)cos⁡nxd⁡xa_n=\frac1l\int_{-l}^lf(x)\cos nx\operatorname dx
    bn=1l∫−llf(x)sin⁡nxd⁡xb_n=\frac1l\int_{-l}^lf(x)\sin nx\operatorname dx
  • 迪利克雷定理: S(x)={f(x)f(x+0)+f(x−0)2S(x)=\left\{\begin{array}{l}f(x)\\\frac{f(x+0)+f(x-0)}2\end{array}\right.
  • note:
  1. 注意f(x)的奇偶性,当f(x)是偶函数时,bn=0b_n=0,当f(x)是奇函数时,an=0a_n=0
  2. 若是展开成余弦级数,则将f(x)进行偶延拓( bn=0b_n=0 ),若是展开成正弦函数,则将f(x)进行奇延拓 ( an=0a_n=0 )

帕塞瓦尔等式

  • a022+∑k=1∞(ak2+bk2)=1π∫−ππf2(x)d⁡x\frac{a_0^2}2+\sum_{k=1}^\infty(a_k^2+b_k^2)=\frac1\pi\int_{-\pi}^\pi f^2(x)\operatorname dx ,可用于求某些级数

完结撒花ovo!!