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求解$f(x)=\sin(x/2)$的傅里叶级数系数并判定其在$[0,2\pi)$上的奇偶性

求解$f(x)=\sin(x/2)$的傅里叶级数系数并判定其在$[0,2\pi)$上的奇偶性

嗨,Paola!咱们一步步来梳理你的问题哈~

首先说奇偶性的事儿:要判断一个函数是奇函数,得满足定义域关于原点对称,而且对定义域里的任意$x$,都有$f(-x) = -f(x)$。你提到的$[0,2\pi)$和$[0,4\pi)$这两个区间,都只包含非负的$x$值,没有对应的负半轴区间,所以在这种非对称区间里,咱们没法说这个函数是奇函数哦。

不过如果看$f(x)=\sin(x/2)$本身的话,它在整个实数域$\mathbb{R}$上是标准的奇函数(因为$\sin(-x/2) = -\sin(x/2)$),要是把它放在对称区间比如$[-2\pi,2\pi)$里,那它确实是奇函数,但单独拿$[0,2\pi)$这个区间说奇偶性是不成立的,毕竟奇偶性的定义前提就是定义域要关于原点对称嘛。

接下来算傅里叶级数的系数,结合你提到的$[0,4\pi)$,咱们默认周期$T=4\pi$来计算(角频率$\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{1}{2}$):

因为$f(x)=\sin(x/2)$在对称周期区间$[-2\pi,2\pi)$上是奇函数,所以傅里叶级数里的余弦项系数$a_0$和$a_n$全都是0,只需要计算正弦项的系数$b_n$就行。

$b_n$的计算公式是:
$$b_n = \frac{2}{T}\int_{-T/2}^{T/2}f(x)\sin(n\omega x)dx$$
因为是奇函数,也可以简化成:
$$b_n = \frac{4}{T}\int_{0}^{T/2}f(x)\sin(n\omega x)dx$$

代入$T=4\pi$、$\omega=\frac{1}{2}$和$f(x)=\sin(x/2)$,得到:
$$b_n = \frac{1}{\pi}\int_{0}^{2\pi}\sin\left(\frac{x}{2}\right)\sin\left(\frac{nx}{2}\right)dx$$

用积化和差公式$\sin A\sin B = \frac{1}{2}[\cos((A-B)x) - \cos((A+B)x)]$拆分积分:
$$b_n = \frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}\left[\cos\left(\frac{(1-n)x}{2}\right) - \cos\left(\frac{(1+n)x}{2}\right)\right]dx$$

分两种情况讨论:

  • 当$n \neq 1$时:
    两个余弦函数在$[0,2\pi]$上的积分结果都是0(因为$\sin(k\pi)=0$,$k$为整数),所以$b_n = 0$。
  • 当$n = 1$时:
    积分变成:
    $$\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}(1 - \cos x)dx = \frac{1}{2\pi}\left[x - \sin x\right]_0^{2\pi} = 1$$

所以最终,$f(x)=\sin(x/2)$的周期为$4\pi$的傅里叶级数就是它本身:$\sin\left(\frac{x}{2}\right)$,对应的系数只有$b_1=1$,其余$a_0,a_n,b_n(n\neq1)$都为0。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Paola

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