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文檔簡介

1、高等數(shù)學高等數(shù)學書名:高等數(shù)學(下)ISBN: 978-7-111-31288-8作者:陶金瑞出版社:機械工業(yè)出版社本書配有電子課件高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件第九章第九章 無窮級數(shù)無窮級數(shù)學習目標:學習目標:l理解無窮級數(shù)收斂與發(fā)散的基本概念,掌握正理解無窮級數(shù)收斂與發(fā)散的基本概念,掌握正項級數(shù)和交錯級數(shù)的審斂法;項級數(shù)和交錯級數(shù)的審斂法;l掌握簡單冪級數(shù)收斂于的求法,會將簡單的函掌握簡單冪級數(shù)收斂于的求法,會將簡單的函數(shù)用間接展開法展開成冪級數(shù);數(shù)用間接展開法展開成冪級數(shù);l掌握將周期函數(shù)和奇、偶函數(shù)展開為傅里葉級掌握將周期函數(shù)和奇、偶函數(shù)展開為傅里葉級數(shù)的方法。數(shù)的方法。高等數(shù)

2、學高等數(shù)學高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件內(nèi)容提要內(nèi)容提要無窮級數(shù)無窮級無窮級數(shù)概念數(shù)概念和性質和性質周期為周期為2L的函數(shù)的函數(shù)的傅立的傅立葉級數(shù)葉級數(shù)傅立葉傅立葉級數(shù)的級數(shù)的復數(shù)復數(shù)形式形式正弦與余正弦與余弦級數(shù)弦級數(shù) 周期延拓周期延拓傅立傅立葉葉級數(shù)級數(shù)函數(shù)的函數(shù)的冪級冪級數(shù)展開數(shù)展開任意任意項項級數(shù)級數(shù)冪級冪級數(shù)數(shù)正項正項級數(shù)級數(shù)高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件第一節(jié)第一節(jié) 無窮級數(shù)概念與性質無窮級數(shù)概念與性質v重點:(重點:(1 1) 級數(shù)及其收斂與發(fā)散級數(shù)及其收斂與發(fā)散 (2 2) 級數(shù)的基本性質級數(shù)的基本性質 (3 3) 級數(shù)收斂的必要條件級數(shù)收斂的必要條件v難點難點

3、: : 用定義判斷級數(shù)的斂散性用定義判斷級數(shù)的斂散性 高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件一、無窮級數(shù)的基本概念一、無窮級數(shù)的基本概念高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件二、數(shù)項級數(shù)的收斂和發(fā)散二、數(shù)項級數(shù)的收斂和發(fā)散nnn10310003100310310313 . 01031S33. 010310322S333. 0103103103323S 例例 1 討論級數(shù)討論級數(shù) 101解:這是以解:這是以為公比的等比級數(shù),分別取級數(shù)的前為公比的等比級數(shù),分別取級數(shù)的前1 項,項, 前前 2 項,項,前前n項做和:項做和: 高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件3333. 01031031031

4、0332nnS 當當n時,有時,有 313 . 03333. 0limnnS 它反映了級數(shù)它反映了級數(shù)1103nn的無窮多項累加的結果為的無窮多項累加的結果為 31,我們,我們 把極限值把極限值31叫作級數(shù)叫作級數(shù)1103nn的“和” 。的“和” 。 高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件定定義義 如如果果SSnnlim,則則稱稱級級數(shù)數(shù)1nnu收收斂斂,稱稱極極限限值值S為為級級 數(shù)數(shù)的的和和,記記作作 nnnnuuuuS211 此此時時稱稱21nnnnSSSSr為為級級數(shù)數(shù)的的余余項項。如如果果nnSlim 不不存存在在,則則稱稱級級數(shù)數(shù)1nnu發(fā)發(fā)散

5、散,發(fā)發(fā)散散的的級級數(shù)數(shù)沒沒有有和和。 高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件1) 1(11111n11111 22 33 4(1)n nnn1ln34ln23ln12lnn321 判定下列級數(shù)的斂散性判定下列級數(shù)的斂散性(1) (2) (3) (4) 2) 1(321nnnSn2) 1(limlimnnSnnn1nn解:(解:(1) 級數(shù)的部分和為級數(shù)的部分和為 所以級數(shù)所以級數(shù)發(fā)散。發(fā)散。高等數(shù)學(下) 高職高專 ppt 課件11S02S13S04S112nS02nSnnSlim11) 1(nn(2) 級數(shù)的部分和為級數(shù)的部分和為 , , , , 即即 , 所以所以 不存在,所以級數(shù)不存在

6、,所以級數(shù) 發(fā)散。發(fā)散。 111) 1(1nnnn111)111()4131()3121()211 (nnnSn1)111 (limlimnSnnn1) 1(1nnn1(3)因為因為, 所以級數(shù)的部分和為所以級數(shù)的部分和為 而而 所以級數(shù)所以級數(shù) 收斂,其和為收斂,其和為 。 nnnnln) 1ln(1ln11lnnnn) 1ln()ln) 1(ln()3ln4(ln)2ln3(ln) 1ln2(lnnnnSn) 1ln(limlimnSnnn(4) 因為 , 所以 而 所以級數(shù) 發(fā)散。 )0( a12naqaqaqaqqaSnn1)1 ( 例 3 討論等比級數(shù)等比級數(shù)(又稱幾何級數(shù)幾何級數(shù))

7、 的斂散性。 解:此級數(shù)的部分和為 三、無窮級數(shù)的性質三、無窮級數(shù)的性質Svuvunnnnnnn111)(1nnuS1nnCuCS性質性質 1 若若 , C 為常數(shù),則為常數(shù),則 。 1nnuS1nnv性質性質 2 若若 , ,則有,則有 性質性質 3 一個級數(shù)增加或去掉有限項,不改變級數(shù)的斂散一個級數(shù)增加或去掉有限項,不改變級數(shù)的斂散 性(但收斂級數(shù)的和要變)。性(但收斂級數(shù)的和要變)。 性質性質 4 收斂級數(shù)任意加括號后所形成的新級數(shù)仍收斂,收斂級數(shù)任意加括號后所形成的新級數(shù)仍收斂,其和不變。其和不變。 注意:注意:性質性質 4 的逆命題是錯誤的。的逆命題是錯誤的。 11)3) 1(2(n

8、nn例例4 判別級數(shù)判別級數(shù) 是否收斂,如果收斂,并求其和。是否收斂,如果收斂,并求其和。 131nn31q213113141311313) 1(11nnn11)3) 1(2(nnn4541212413123) 1(32)3) 1(2(111111nnnnnnnnnn解:解: 是是 的等比級數(shù),收斂并且和為的等比級數(shù),收斂并且和為 。 同理同理 根據(jù)級數(shù)的性質根據(jù)級數(shù)的性質1,2 可知,可知, 也收斂,其和為也收斂,其和為 四、級數(shù)收斂的必要條件四、級數(shù)收斂的必要條件 1nnu只是級數(shù)收斂的必要條件而不是充分條件;只是級數(shù)收斂的必要條件而不是充分條件;0limnnu0limnnu0limnnu

9、定理:定理:若級數(shù)若級數(shù) 收斂,則收斂,則 。 注:注: 1) 2) 若若 不成立,則級數(shù)必定發(fā)散。我們經(jīng)常用不成立,則級數(shù)必定發(fā)散。我們經(jīng)常用 這個結論來證明級數(shù)發(fā)散。這個結論來證明級數(shù)發(fā)散。 101. 0nnnnnu21001. 00110limlim2nnnnu例例 5 判別級數(shù)判別級數(shù) 的斂散性。的斂散性。 解:解: 所以所以 由級數(shù)收斂的必要條件得原級數(shù)是發(fā)散的。由級數(shù)收斂的必要條件得原級數(shù)是發(fā)散的。 第二節(jié)第二節(jié) 正項級數(shù)正項級數(shù)v重點:重點: 正項級數(shù)收斂性的兩個判別法正項級數(shù)收斂性的兩個判別法v難點:難點: 比較判別法中尺度的選擇比較判別法中尺度的選擇一、比較審斂法一、比較審斂

10、法1nnu0nu1nnu1. 如果級數(shù)如果級數(shù) 的每一項的每一項 ,則稱,則稱 為為正項級數(shù)正項級數(shù) 1nnv1nnunnvu )3 , 2 , 1(n1nnv1nnu1nnu1nnv2. 設正項級數(shù)設正項級數(shù) 和和 滿足:滿足: 則則 (1) 若級數(shù)若級數(shù) 收斂,收斂, 也收斂,也收斂, (2) 若級數(shù)若級數(shù) 收斂,收斂, 也收斂。也收斂。 這個判別法稱為正項級數(shù)的這個判別法稱為正項級數(shù)的比較判別法比較判別法。 11312111nnn例例1 級數(shù)級數(shù) 叫作調(diào)和級數(shù),試判別其叫作調(diào)和級數(shù),試判別其 斂散性。斂散性。 0 x ln(1)xx111123111ln(1 1)ln(1)ln(1)ln

11、(1)23341ln2lnlnln23nnnn解:解: 當當 時,有時,有 (此不等式可用函數(shù)的(此不等式可用函數(shù)的 單調(diào)性來證明)單調(diào)性來證明) 所以所以 p11npn(0)p 例例2 討論討論 級數(shù)級數(shù)的斂散性。的斂散性。 由比較判別法知由比較判別法知1pp1p pnn11pnn11npn1p 122331111111111 ()()()234567891524812481111222ppppppppppppppp 解:(解:(1) 當當 時,時, 級數(shù)為調(diào)和函數(shù),故發(fā)散。級數(shù)為調(diào)和函數(shù),故發(fā)散。 (2) 當當 時,時, ,因此,因此 , 發(fā)散。發(fā)散。 (3)當)當 時,將級數(shù)改寫成:時,

12、將級數(shù)改寫成: 解:(解:(1) 因為因為22121nnn,而,而121nn是是12 p 的的p級數(shù),故級數(shù)級數(shù),故級數(shù)1221nnn 是收斂的。是收斂的。 (2) 當當0 x時,有時,有)1ln(xx, 所以,所以, )1ln(nn,即,即nn1)1ln(1, 而而11nn是發(fā)散的,故級數(shù)是發(fā)散的,故級數(shù)1)1ln(1nn發(fā)散。發(fā)散。 (4) 因為因為11122nnnnnn, 而級數(shù)而級數(shù)111nn是發(fā)散的是發(fā)散的 故級數(shù)故級數(shù)121nnn發(fā)散。發(fā)散。 (3)因為)因為 而級數(shù)而級數(shù)是公比為是公比為 54的等比級數(shù),且收斂的。的等比級數(shù),且收斂的。 故級數(shù)故級數(shù)1354nnnn收斂。收斂。

13、125)54(nn25)54()531 (54)53(1 (54354nnnnnnnnn比較判別法的極限形式:比較判別法的極限形式: 設設1nnu和和1nnv是兩個正項級數(shù),若是兩個正項級數(shù),若avunnnlim,Ra, 則這兩個級數(shù)的斂散性相同。則這兩個級數(shù)的斂散性相同。 11sinnn例例1 判別級數(shù)判別級數(shù)的斂散性。的斂散性。 解:易知解:易知11sinnn是正弦級數(shù),因為是正弦級數(shù),因為111sinlimnnn, 而而11nn發(fā)散,發(fā)散,故級數(shù)故級數(shù)11sinnn發(fā)散。發(fā)散。 二、比值審斂法二、比值審斂法例例5 判斷下列級數(shù)的斂散性判斷下列級數(shù)的斂散性 (1) 1nnna (0a) (

14、2) 1!nnnn (3) 12nnn 解:解: (1) annananauunnnnnnn1lim1limlim11 因為因為0a,所以當,所以當10 a時級數(shù)收斂,當時級數(shù)收斂,當1a時時 級數(shù)發(fā)散。級數(shù)發(fā)散。 (2) 1)1(lim!)!1() 1(limlim11ennnnnnuunnnnnnnn 所所以以級級數(shù)數(shù)是是發(fā)發(fā)散散的的。 (3) 12121lim221limlim11nnnnnnnnnnnuu 所所以以級級數(shù)數(shù)是是發(fā)發(fā)散散的的。 第三節(jié)第三節(jié) 任意項級數(shù)任意項級數(shù)v重點:重點:(1) 交錯級數(shù)審斂法交錯級數(shù)審斂法 (2) 絕對收斂與條件收斂絕對收斂與條件收斂v難點:難點:

15、絕對收斂與條件收斂絕對收斂與條件收斂設設0nu, (3 , 2 , 1n) ,下列級數(shù):) ,下列級數(shù): 1154321) 1(nnnuuuuuu 154321) 1(nnnuuuuuu 稱為交錯級數(shù),稱為交錯級數(shù), 交錯級數(shù)審斂法:交錯級數(shù)審斂法: 若(若(1) 1nnuu, , 3 , 2 , 1n (2) 0limnnu 則交錯級數(shù)收斂,且和則交錯級數(shù)收斂,且和1uS ;余項;余項nr的絕對值的絕對值1nnur。 一、交錯級數(shù)一、交錯級數(shù)例例 1 判斷下列級數(shù)的斂散性。判斷下列級數(shù)的斂散性。 (1) 11) 1(nnn (2) 111) 1(nnn 解:(解:(1) nun1,111nu

16、n 顯然有顯然有 1nnuu,且,且 0limnnu 故級數(shù)收斂。故級數(shù)收斂。 (2) nun1,111nun 顯然有顯然有 1nnuu,且,且 01limnn, 故級數(shù)收斂。故級數(shù)收斂。 如果級數(shù)如果級數(shù)1nnu中各項可取中各項可取任意任意實數(shù)實數(shù),則稱級數(shù),則稱級數(shù)1nnu為任意項為任意項 級數(shù)。級數(shù)。有有如下如下結論:結論: (1) 若級數(shù)若級數(shù)1nnu收斂,則級數(shù)收斂,則級數(shù)1nnu一定收斂。此時稱級數(shù)一定收斂。此時稱級數(shù) 1nnu絕對收斂絕對收斂。 (2) 若級數(shù)若級數(shù)1nnu收斂,而級數(shù)收斂,而級數(shù)1nnu發(fā)散,則稱發(fā)散,則稱1nnu條件收斂條件收斂。 (3) 若級數(shù)若級數(shù)1nnu

17、發(fā)散,則級數(shù)發(fā)散,則級數(shù)1nnu可能收斂,也可能發(fā)散??赡苁諗?,也可能發(fā)散。 二、絕對收斂與條件收斂二、絕對收斂與條件收斂例例 2 證明級數(shù)證明級數(shù)121sin) 1(nnnn收斂。收斂。 證明:證明: 因為因為2211sin) 1(nnnn,而級數(shù),而級數(shù)121nn是是2p時時 的的p級數(shù),它是收斂的,所以由比較判別法,級數(shù)級數(shù),它是收斂的,所以由比較判別法,級數(shù) 121sin) 1(nnnn 收斂,從而級數(shù)收斂,從而級數(shù)121sin) 1(nnnn是絕對收斂的。是絕對收斂的。 故級數(shù)故級數(shù)121sin) 1(nnnn收斂。收斂。 例例 3 指出下列級數(shù)是絕對收斂還是條件收斂:指出下列級數(shù)是

18、絕對收斂還是條件收斂: (1) 111) 1(nnn (2) 111) 1(nnnn 解:(解:(1)級數(shù))級數(shù)111) 1(nnn是交錯級數(shù),由交錯級數(shù)審斂法可知是交錯級數(shù),由交錯級數(shù)審斂法可知 它收斂。而它收斂。而 11111) 1(nnnnn是是1p的的p級數(shù),是發(fā)散的,級數(shù),是發(fā)散的, 故級數(shù)故級數(shù)111) 1(nnn條件收斂。條件收斂。 (2)級數(shù))級數(shù)111) 1(nnnn的每項取絕對值得級數(shù)的每項取絕對值得級數(shù)11nnn,它是,它是23p 的的p級數(shù),是收斂的,因此級數(shù)級數(shù),是收斂的,因此級數(shù)111) 1(nnnn絕對收斂。它本身一絕對收斂。它本身一 定收斂。定收斂。 第四節(jié)第四

19、節(jié) 冪級數(shù)冪級數(shù)v重點:重點:(1)冪級數(shù)概念及收斂半徑、收斂)冪級數(shù)概念及收斂半徑、收斂 區(qū)間區(qū)間 (2)冪級數(shù)的運算性質)冪級數(shù)的運算性質v難點:難點:利用冪級數(shù)的運算性質求冪級利用冪級數(shù)的運算性質求冪級 數(shù)的和數(shù)的和一、冪級數(shù)的概念一、冪級數(shù)的概念 例例 1 求冪級數(shù)求冪級數(shù) nxxxx321的收斂域及和函數(shù)的收斂域及和函數(shù))(xS. 1x x(,11,)解:這是一個公比為解:這是一個公比為 的等比級數(shù),因此當?shù)牡缺燃墧?shù),因此當 , 即即11x時收斂,當時收斂,當1x時發(fā)散,所以級數(shù)時發(fā)散,所以級數(shù) nxxxx321 的收斂域為的收斂域為) 1 , 1(,發(fā)散域為,發(fā)散域為 。 由等比級

20、數(shù)的求和公式知由等比級數(shù)的求和公式知,它的和函數(shù)為它的和函數(shù)為xxS11)(,即,即 nxxxxx32111 ) 1 , 1(x 定定理理:設設冪冪級級數(shù)數(shù)1nnnxa的的系系數(shù)數(shù)滿滿足足1limnnnaRa (1) 如如果果 R0,則則當當Rx 時時,冪冪級級數(shù)數(shù)絕絕對對收收斂斂; 當當Rx 時時,冪冪級級數(shù)數(shù)發(fā)發(fā)散散;當當Rx時時,須須另另行行判判定定。 (2) 如如果果R,則則冪冪級級數(shù)數(shù)在在),(內(nèi)內(nèi)絕絕對對收收斂斂。 (3) 如如果果0R,則則冪冪級級數(shù)數(shù)僅僅在在0 x點點收收斂斂。 這這個個定定理理告告訴訴我我們們,冪冪級級數(shù)數(shù)1nnnxa的的收收斂斂域域是是以以原原點點為為中中心

21、心, 長長度度為為R2的的區(qū)區(qū)間間,共共有有四四種種可可能能: (1) ),(RR , (2) ,RR , (3)),RR , (4),(RR ,稱稱 R 為為冪冪級級數(shù)數(shù)1nnnxa的的收收斂斂半半徑徑。 可可見見,求求冪冪級級數(shù)數(shù)1nnnxa的的收收斂斂域域,關關鍵鍵是是求求它它的的收收斂斂半半徑徑 1limnnnaaR,再再判判定定在在Rx時時的的斂斂散散性性,從從而而確確定定其其收收斂斂區(qū)區(qū)間間。 例例1 求下列冪級數(shù)的收斂區(qū)間求下列冪級數(shù)的收斂區(qū)間 (1) 0!nnnx (2) 11)(nnnx (3) 1) 1(nnnnx (4) 0212nnnxn 解:收斂半徑為解:收斂半徑為

22、) 1(lim)!1(1!1limlim1nnnaaRnnnnn 故冪級數(shù)故冪級數(shù)0!nnnx的收斂區(qū)間為的收斂區(qū)間為),(。 (2) 收收斂斂半半徑徑為為 0011)11 (1lim1)1(lim) 1(limlim11ennnnnnnaaRnnnnnnnnnn 故故冪冪級級數(shù)數(shù)僅僅在在0 x處處收收斂斂。 (3) 收收斂斂半半徑徑為為 11lim11) 1(1) 1(limlim11nnnnaaRnnnnnnn 當當1x時時,代代入入冪冪級級數(shù)數(shù)得得11) 1(nnn,它它是是一一個個收收斂斂的的交交錯錯級級數(shù)數(shù)。 當當1x時時,代代入入冪冪級級數(shù)數(shù)得得11nn,它它是是調(diào)調(diào)和和級級數(shù)數(shù),

23、是是發(fā)發(fā)散散的的。 故故冪冪級級數(shù)數(shù)的的收收斂斂區(qū)區(qū)間間為為 1 , 1(。 (4) 所給冪級數(shù)缺奇次項,不能用上面的方法求收斂所給冪級數(shù)缺奇次項,不能用上面的方法求收斂 半徑半徑 R。由比值審斂法,得:。由比值審斂法,得: 222)1(2112222lim121) 1(2limlimxxnnxnxnuunnnnnnnnn 根據(jù)比值審斂法,當根據(jù)比值審斂法,當122x,即,即21x時,級數(shù)收斂;時,級數(shù)收斂; 當當21x時,級數(shù)發(fā)散;當時,級數(shù)發(fā)散;當21x時,級數(shù)成為發(fā)散的數(shù)項時,級數(shù)成為發(fā)散的數(shù)項 級數(shù)級數(shù)011nn。所以級數(shù)的收斂區(qū)間為。所以級數(shù)的收斂區(qū)間為)21,21(。 三、冪級數(shù)的

24、運算性質三、冪級數(shù)的運算性質性質性質 1: 設冪級設冪級0nnnxa和和0nnnxb的收斂半徑分別為的收斂半徑分別為1R和和2R, 和函數(shù)分別為和函數(shù)分別為)(1xS和和)(2xS,),min(21RRR ,則冪級數(shù),則冪級數(shù) 1)(nnnnxba的收斂半徑為的收斂半徑為 R,且,且 )()()(21000 xSxSxbaxbxannnnnnnnnn, RxR 性質性質 2: 若冪級數(shù)若冪級數(shù)1nnnxa的收斂半徑為的收斂半徑為0R,和函數(shù)為,和函數(shù)為)(xS, 則在區(qū)間則在區(qū)間),(RR內(nèi)和函數(shù)可導,且有內(nèi)和函數(shù)可導,且有 0010)()()(nnnnnnnnnxnaxaxaxS 即冪級數(shù)在

25、其收斂區(qū)間內(nèi)可以逐項求導。即冪級數(shù)在其收斂區(qū)間內(nèi)可以逐項求導。 例例3 求冪級數(shù)求冪級數(shù) 11nnnx的收斂區(qū)間及和函數(shù),并求數(shù)項級數(shù)的收斂區(qū)間及和函數(shù),并求數(shù)項級數(shù) 12nnn的和。的和。 11limlim1 nnaaRnnnn解:解: 因為因為 把把代入冪級數(shù)后都不收斂,所以原級數(shù)的收斂區(qū)間為代入冪級數(shù)后都不收斂,所以原級數(shù)的收斂區(qū)間為) 1 , 1( 。設和函數(shù)為設和函數(shù)為)(xS, 因為因為nxnxdtnt 01, 所以,所以, xxxdtntdtntdttSnnnxnxnnx 1)()(11010110 1x 兩兩邊邊求求導導得得: 2)1 (1)1()(xxxxS ) 1 , 1(

26、x 即即 112)1 (1nnnxx, ) 1 , 1(x 將將21x代代入入得得: 2)211 (121)21(2122111nnnnnn 例例4 對冪級數(shù)對冪級數(shù) nnxxxx) 1(1112 (11 x) 進行逐項求導和逐項積分。進行逐項求導和逐項積分。 2)1 (1)11(xx 解:由于解:由于,對冪級數(shù)逐項求導得:,對冪級數(shù)逐項求導得: nnnxxxx122) 1(321)1 (1 (11 x) 對冪級數(shù)逐項積分得:對冪級數(shù)逐項積分得: xnnxxxxdttdtttdttddtt002000) 1(11 (11 x) 即即 nnxnxxxxx1) 1(413121)1ln(1432

27、(11 x) 例例5 求冪級數(shù)求冪級數(shù) 1!nnnx的和函數(shù)。的和函數(shù)。 解:例解:例 2 中已經(jīng)求出它的收斂區(qū)間為中已經(jīng)求出它的收斂區(qū)間為),(, 設和函數(shù)為設和函數(shù)為)(xS, ! 21)(2nxxxxSn即:即: ),( x 逐項求導得:逐項求導得:)(! 21)(2xSnxxxxSn 即即 )()(xSxS 解這個微分方程得:解這個微分方程得:xCexS )( 由于由于1)0( S,所以,所以1 C,于是,于是xexS )( 即即 ! 212nxxxenx 綜合例綜合例 3,例,例 4,例,例 5,有如下幾個等式:,有如下幾個等式: (1) 1321124321)1 (1nnnnxxx

28、xnxx (2) nnnxxxx122) 1(321)1 (1 (11x) (3) nnxnxxxxx1) 1(413121)1ln(1432(11x) (4) ! 212nxxxenx (x) 第五節(jié)第五節(jié) 函數(shù)的冪級數(shù)的展開函數(shù)的冪級數(shù)的展開v重點重點 (1)把函數(shù)展開為冪級數(shù))把函數(shù)展開為冪級數(shù) (2)求函數(shù)的收斂區(qū)間)求函數(shù)的收斂區(qū)間v難點難點 (1)冪級數(shù)的展開技巧)冪級數(shù)的展開技巧 (2)冪級數(shù)的簡單應用)冪級數(shù)的簡單應用一、函數(shù)的冪級數(shù)展開一、函數(shù)的冪級數(shù)展開 問題:問題:(1) 在(在(1)式中,系數(shù))式中,系數(shù)0a,1a,2a,na如何確定?如何確定? (2) )(xf滿足什

29、么條件才能展開為滿足什么條件才能展開為x的冪級數(shù)?的冪級數(shù)? 我們來解決問題(我們來解決問題(1 ),不妨設展開式(),不妨設展開式(1)成立,那么根據(jù)冪)成立,那么根據(jù)冪 級數(shù)的逐項求導法,對式(級數(shù)的逐項求導法,對式( 1)依次求出各階導數(shù):)依次求出各階導數(shù): )(xf0nnnxa對于一個給定的函數(shù)對于一個給定的函數(shù),如果能找到一個冪級數(shù),如果能找到一個冪級數(shù),使使 (RxR) (1) 成立,那么就說函數(shù)成立,那么就說函數(shù))(xf可以展開為可以展開為x 的冪級數(shù)的冪級數(shù), ,(1)式稱為)式稱為)(xf 的的x的冪級數(shù)展開式。的冪級數(shù)展開式。 2012( )nnf xaa xa xa x

30、把把0 x代入(代入(1)式及上述各式中得:)式及上述各式中得: 0)0(af ,1)0(af ,2! 2)0(af ,nnanf!)0()( , 于是于是 )0(0fa ,! 1)0(1fa ,! 2)0(2fa , ,!)0()(nfann , 代入到(代入到( 1)式中得)式中得 nnxnfxfxffxf!)0(! 2)0(! 1)0()0()()(2(RxR ) (2) 1232132)(nnxnaxaxaaxf 221)(2)!2()!1(!)(xanxananxfnnnn 232) 1(232)(nxnnxaaxf稱式(稱式(2)為)為)(xf的的麥克勞林展開式麥克勞林展開式,(或

31、稱,(或稱)(xf在在0 x 處的處的泰勒展開式泰勒展開式)。式(式(2 ) )右端的級數(shù)稱為右端的級數(shù)稱為)(xf的的麥克勞林級數(shù)麥克勞林級數(shù) (或稱(或稱)(xf在在0 x處的處的泰勒級數(shù)泰勒級數(shù))。)。 并且我們可以得到:如果并且我們可以得到:如果)(xf在包含點在包含點0 x在內(nèi)的某一在內(nèi)的某一 區(qū)間區(qū)間),(RR內(nèi)有任意階導數(shù),且內(nèi)有任意階導數(shù),且 (x在在 0 和和x之間,之間,RxR) 那么,那么,)(xf在在),(RR區(qū)間內(nèi)就可以展開為麥克勞林級數(shù)。用上述區(qū)間內(nèi)就可以展開為麥克勞林級數(shù)。用上述 方法把已知函數(shù)展開成方法把已知函數(shù)展開成x的冪級數(shù)的冪級數(shù)叫做叫做直接展開法直接展開

32、法。 (1)1( )lim( )lim0(1)!nnnnnfR xxnx例例1 把函數(shù)把函數(shù)xexf)(展開為展開為x的冪級數(shù)。的冪級數(shù)。 ! 2! 112nxxxn),(.321n解:由于解:由于xnexf)()(,故得,故得1)0()(nf, 由公式(由公式(2)得,)得,xe的麥克勞林級數(shù)為的麥克勞林級數(shù)為 由第四節(jié)的例由第四節(jié)的例 2 知,它的收斂半徑為知,它的收斂半徑為R,下面證明這,下面證明這 個級數(shù)在個級數(shù)在),(內(nèi)收斂于內(nèi)收斂于xe。 ( x在在 0 和和 x之間)之間) (1)11( )( )(1)!(1)!nnnnfe xR xxnnxx 因為因為xeex,故對任意給定的故

33、對任意給定的x,xe有界,而有界,而 )!1(1nxn 是收斂級數(shù)的一般項,所以根據(jù)級數(shù)收斂的必要條件,對任意是收斂級數(shù)的一般項,所以根據(jù)級數(shù)收斂的必要條件,對任意 的的x ,都有,都有 0)!1(lim1nxnn 從而,從而, 0)(limxRnn, Rx 這樣,我們得到這樣,我們得到xe的麥克勞林級數(shù)為的麥克勞林級數(shù)為 ! 2! 112nxxxenx (x) 例例2 求正弦函數(shù)的麥克勞林級數(shù)。求正弦函數(shù)的麥克勞林級數(shù)。 解:解: xysin的各階導數(shù)為的各階導數(shù)為 )2sin()()(pnxxfn ( 0,1,2,3n ) )0()(nf(n=0,1,2,3,)依次循環(huán)地?。┮来窝h(huán)地取

34、0,1,0,-1, 于是得于是得xsin的展開式為的展開式為 )!12() 1(! 5! 31253nxxxxnn ( 0,1,2,3n ) 容易求得此級數(shù)的收斂區(qū)間為容易求得此級數(shù)的收斂區(qū)間為),(。而。而 11)()!1(2) 1(sin)!1()()(nnnnxnnxnfxRpxx ( x在在 0 和和 x之間)之間) 例例3 余弦函數(shù)余弦函數(shù)xxfcos)(的麥克勞林級數(shù)。的麥克勞林級數(shù)。 解:根據(jù)冪級數(shù)的運算性質,對解:根據(jù)冪級數(shù)的運算性質,對xsin的展開式兩邊求導得:的展開式兩邊求導得: !2) 1(! 4! 21cos242nxxxxnn (x) 因為因為 所以由例所以由例 1

35、 的討論可得的討論可得 0)(limxRnn, Rx 于是得:于是得: )!12() 1(! 5! 3sin1253nxxxxxnn (x) 12) 1(sinpxn例例4 求函數(shù)求函數(shù)xxxf11ln)(的麥克勞林級數(shù)。的麥克勞林級數(shù)。 解:解: )1ln()1ln(11ln)(xxxxxf 可先求可先求)1ln(x和和)1ln(x的展開式:的展開式: 1) 1(32)1ln(132nxxxxxnn (11x) 把上式中的把上式中的x換為換為x,得:,得: 132)1ln(132nxxxxxn (11x) 兩式相減便得:兩式相減便得: )1253(211ln123nxxxxxxn (11x)

36、 例例5 把把x1展開成展開成2 x的冪級數(shù)。的冪級數(shù)。 解:解: 把把x 11的展開式中的的展開式中的x換為換為22 x得:得: )2)2(2)3(2)2(221 (211443322 xxxxx (1221 x) 整理得:整理得: )2)2() 1(2)3(2)2(22211143322 nnnxxxxx (40 x) )22(1121221121)2(211xxxx二、冪級數(shù)的應用舉例二、冪級數(shù)的應用舉例例例6 求求o15sin的近似值(精確到的近似值(精確到410)。)。 1215po解:解: 因為因為,由,由xsin的展開式得:的展開式得: 12153)12()!12(1) 1()1

37、2(! 51)12(! 311212sinnnnppppp 因為因為3112412p,所以,所以 當取前兩項為其近似值時,其誤差不大于第三項,當取前兩項為其近似值時,其誤差不大于第三項, 所以,所以,2588. 0)12(! 311212sin3ppp 12123)!12(1)12()!12() 1(nnnnnnRp45210! 531R例例7 計算積分計算積分10sindxxx的近似值(精確到的近似值(精確到 410) 解:解: 被積函數(shù)的原函數(shù)不是初等函數(shù),將被積函數(shù)按冪級數(shù)被積函數(shù)的原函數(shù)不是初等函數(shù),將被積函數(shù)按冪級數(shù) 展開,有展開,有 )!12() 1(! 5! 31sin242nx

38、xxxxnn (x) 兩邊積分得:兩邊積分得: ) 12()!12(1) 1(5! 513! 311)!12() 1(! 5! 31 sin2421010nndxnxxxdxxxnnn所以所以 若取前若取前 3 項作為其近似值,則誤差不大于第四項,項作為其近似值,則誤差不大于第四項,43107! 71R9461. 05! 513! 311sin10dxxx 例例8 利用冪級數(shù)證明歐拉公式利用冪級數(shù)證明歐拉公式 xixeixsincos (*) 證明:在證明:在xe的展開式中,將的展開式中,將x換為換為ix得:得: !)(! 3)(! 2)(132nixixixixenix 12iii314ii

39、i 5由于由于,所以所以 xixxxxixxxixxixixeixsincos)! 5! 3()! 4! 21 (! 5! 4! 3! 2153425432 證畢。證畢。 同理得:同理得: xixeixsincos (*) 將(將(*)式與()式與(*)式相加相減得:)式相加相減得: )(21cosixixeex () )(21sinixixeex () (*) 、 () 、 (*) 、 () 、 () 、 () 、 ()四式實質上是一樣的,都稱為)四式實質上是一樣的,都稱為 歐拉公式歐拉公式。它們揭示了三角函數(shù)與指數(shù)函數(shù)之間的關系,其應。它們揭示了三角函數(shù)與指數(shù)函數(shù)之間的關系,其應 用很廣泛

40、。用很廣泛。 第六節(jié)第六節(jié) 傅立葉級數(shù)傅立葉級數(shù)v重點:重點:(1)三角函數(shù)系的正交性)三角函數(shù)系的正交性 (2)把周期為的函數(shù)展開為傅立葉)把周期為的函數(shù)展開為傅立葉 技術,并求出收斂于的范圍技術,并求出收斂于的范圍v難點:難點:(1)收斂定理的理解)收斂定理的理解 (2)傅立葉系數(shù)的計算)傅立葉系數(shù)的計算一、問題的提出一、問題的提出在自然現(xiàn)象和科學技術中,常會遇到各種周期現(xiàn)象,這類周期在自然現(xiàn)象和科學技術中,常會遇到各種周期現(xiàn)象,這類周期 現(xiàn)象中的有關量在經(jīng)過一定的時間現(xiàn)象中的有關量在經(jīng)過一定的時間T以后,又回到原來的初值。這以后,又回到原來的初值。這 樣的周期一般是可由周期為樣的周期一般

41、是可由周期為T的函數(shù)來描述。的函數(shù)來描述。 )()(tfTtf 例如例如:彈簧的振動可用函數(shù)彈簧的振動可用函數(shù))sin(jwtAS來表示;來表示; 正弦交流電的電流強度可用函數(shù)正弦交流電的電流強度可用函數(shù) )sin(0jwtII來表示。來表示。 其中其中A和和0I叫做叫做振幅振幅,w是是角頻率角頻率,j叫做叫做初位相初位相。它們。它們 都是以都是以wp2T為周期的函數(shù),它們所描述的周期現(xiàn)象稱為為周期的函數(shù),它們所描述的周期現(xiàn)象稱為簡諧振動簡諧振動。 二、三角函數(shù)系的正交性二、三角函數(shù)系的正交性如果級數(shù)(如果級數(shù)(1)在某種條件下能收斂于)在某種條件下能收斂于 一個函數(shù)一個函數(shù))(xf,(,(D

42、x),),則稱函數(shù)則稱函數(shù))(xf能展開成傅立葉級數(shù),或者說三角級能展開成傅立葉級數(shù),或者說三角級 數(shù)(數(shù)(1)在這種)在這種條件下收斂于函數(shù)條件下收斂于函數(shù))(xf,即,即 10)sincos()(nnnnxbnxaAxf, Dx 三角級數(shù)(三角級數(shù)(1)中出現(xiàn)的函數(shù)綜合)中出現(xiàn)的函數(shù)綜合 稱為稱為三角函數(shù)系三角函數(shù)系 1,cos ,sin ,cos2 ,sin 2 ,cos,sin,xxxxnxnx10)sincos(nnnnxbnxaA由正弦、余弦函數(shù)組成的形如由正弦、余弦函數(shù)組成的形如 的級數(shù),的級數(shù),稱為稱為三角級數(shù)三角級數(shù),又稱,又稱傅立葉級數(shù)傅立葉級數(shù)。 其中其中 都是常數(shù)。都是

43、常數(shù)。 0,(1,2,3,)nnA a b n 三三、周周期期為為 p2的的函函數(shù)數(shù)展展開開為為傅傅立立葉葉級級數(shù)數(shù) 設設)(xf以以p2為周期,并且可以展開成傅立葉級數(shù)(為周期,并且可以展開成傅立葉級數(shù)(1),即),即 10)sincos()(nnnnxbnxaAxf (2) 首先就要解決如下的兩個問題:首先就要解決如下的兩個問題: (1) 展開式中的系數(shù)展開式中的系數(shù)0A,na,nb,如何確定?,如何確定? (2) )(xf滿足什么樣的條件,展開式才收斂于滿足什么樣的條件,展開式才收斂于)(xf呢?呢? 下面先來解決問題(下面先來解決問題(1)。假定函數(shù))。假定函數(shù))(xf在在,pp上可積

44、,并且上可積,并且它的展開它的展開 式可以逐項積分,則有式可以逐項積分,則有 10)sincos()(nnnnxdxbnxdxadxAdxxfpppppppp 由三角函系的正交性可得:由三角函系的正交性可得: 002)(AdxAdxxfppppp 200aA dxxfa)(10ppp令令,則,則 再用再用kxcos乘以(乘以(2)式右端,并在)式右端,并在,pp上積分,有上積分,有 10)cossincoscos(coscos)(nnnkxdxnxbkxdxnxadxkxAkxdxxfpppppppp 由三角函數(shù)的正交性,得:由三角函數(shù)的正交性,得: ,從而求出,從而求出na: (n=1,2,

45、3,) pppnanxdxxfcos)(pppnxdxxfancos)(1 nanb由(由(3)式所確定的系數(shù))式所確定的系數(shù),稱為稱為)(xf的的傅立葉系數(shù)傅立葉系數(shù),把它們代入,把它們代入 (2)式即得)式即得)(xf的傅立葉級數(shù)展開式的傅立葉級數(shù)展開式 10)sincos(2)(nnnnxbnxaaxf (5) 同理用同理用kxsin乘以(乘以(2)式兩端,并在)式兩端,并在,pp上積分,可得:上積分,可得: (n=1,2,3,) pppnxdxxfbnsin)(1(3) (4) 綜上所述,綜上所述,)(xf的展開式的系數(shù)可以表示如下:的展開式的系數(shù)可以表示如下: (n=1,2,3,)

46、(n=1,2,3,)pppnxdxxfbnsin)(1pppnxdxxfancos)(1狄狄里里克克萊萊定定理理:設設)(xf以以p2為為周周期期,如如果果它它在在一一個個周周期期內(nèi)內(nèi)滿滿足足: (1) )(xf連連續(xù)續(xù)或或者者只只有有有有限限個個第第一一類類間間斷斷點點; (2) )(xf至至多多只只有有有有限限個個極極值值點點(即即)(xf在在一一個個周周期期內(nèi)內(nèi)不不能能無無限限次次 的的振振蕩蕩) ,則則)(xf的的傅傅立立葉葉級級數(shù)數(shù)收收斂斂,并并且且 (1) 當當x是是)(xf的的連連續(xù)續(xù)點點時時,級級數(shù)數(shù)收收斂斂于于)(xf; (2) 當當x是是)(xf的的間間斷斷點點時時,級級數(shù)

47、數(shù)收收斂斂于于)0()0(21xfxf 收收斂斂定定理理告告訴訴我我們們,只只要要)(xf在在,pp上上至至多多有有有有限限個個第第一一類類間間斷斷點點,并并 且且不不作作無無限限次次的的振振蕩蕩,函函數(shù)數(shù)的的傅傅立立葉葉級級數(shù)數(shù)在在連連續(xù)續(xù)點點處處就就收收斂斂于于該該點點的的函函數(shù)數(shù)值值,在在 間間斷斷點點處處收收斂斂于于該該點點左左、右右極極限限的的算算術術平平均均值值。 例例1 設設)(xf以以p2為周期,它在為周期,它在,pp上的表達式為上的表達式為 , 1, 1)(xf ppxx00 將將)(xf展開成傅立葉級數(shù)。展開成傅立葉級數(shù)。 解:解: 計算傅立葉系數(shù)計算傅立葉系數(shù) 0cos1

48、1cos) 1(1cos)(100pppppppnxdxnxdxnxdxxfan , 6 , 4 , 2, 0, 5 , 3 , 1,4) 1(1 2 1coscos1 10cos10cos1sin11sin) 1(1sin)(100nnnnnnnnnxnnxnxdxnxdxnxdxxfbnnpppppppppppppppp(2) 寫出傅立葉級數(shù)寫出傅立葉級數(shù) ) 12sin(1215sin513sin31sin4xnnxxxp ) 0211(1) 討論收斂性:討論收斂性: 由于由于)(xf滿足收斂定理的條件,它在滿足收斂定理的條件,它在pkx (處不連處不連續(xù),其它地方都連續(xù),由收斂定理知道

49、,在續(xù),其它地方都連續(xù),由收斂定理知道,在pkx 時,時, 級數(shù)收斂于級數(shù)收斂于, , 2, 1, 0kpkx )(xf在在時,級數(shù)收斂于時,級數(shù)收斂于,即,即 ) 12sin(1215sin513sin31sin4)(xnnxxxxfp (x,pkx ,) 其和函數(shù)的圖形如圖。其和函數(shù)的圖形如圖。 , 2, 1, 0kxy4p3p2ppp2p3p4pO11例例2 設設ppxxxxf0, 00,)(,以,以p2為周期,將為周期,將)(xf展開為展開為 傅立葉級數(shù)。傅立葉級數(shù)。 解:(解:(1) 計算傅立葉系數(shù)計算傅立葉系數(shù) 21)(100ppppppxdxdxxfa 00222111sinco

50、s( ) coscos2,1,3,5,11 cos0,2,4,6,nxnxnxaf xnxdxxnxdxnnnnnnnpppppppppp00212111cossin( ) sinsin1cos( 1)nnxnxnxbf xnxdxxnxdxnnnnnpppppppppp (2) 寫出傅立葉級數(shù)寫出傅立葉級數(shù) )5sin515cos52(4sin41)3sin313cos32(2sin21)sincos2(422xxxxxxxxpppp )不連續(xù),)不連續(xù),(3) 討論斂散性討論斂散性 )(xf滿足收斂定理的條件,在滿足收斂定理的條件,在p) 12(kx ( 因此在這些點級數(shù)收斂于因此在這些點

51、級數(shù)收斂于22)(02)0()0(ppppff在其它點處在其它點處都都 收斂于收斂于)(xf,因此,因此 )3sin312sin21(sin)5cos513cos31(cos24)(22xxxxxxxfpp (x,pkx ,) , 2, 1, 0k, 2, 1, 0k)(xf及及其其展展開開式式的的圖圖形形如如下下 xx3p2ppp2p3p4pOpp例例 3 )(xf以以p2為周期,在為周期,在,pp上的表達式為上的表達式為xxf)(,將,將)(xf 展開為傅立葉級數(shù)。展開為傅立葉級數(shù)。 解:解: (1) 計算傅立葉級數(shù)計算傅立葉級數(shù) ppppppp0001)(1xdxxdxdxxfa , 6

52、 , 4 , 2, 0, 5 , 3 , 1,4 1cos2cossin1cossin1cos1cos1cos)(122020200nnnnnnnxnnxxnnxnnxxxdxxnxdxxnxdxxfanpppppppppppppp0sin1sin)(10pppppnxdxxnxdxxfbnOp2p3p4pp2p3pxy第七節(jié)第七節(jié) 正弦與余弦級數(shù)正弦與余弦級數(shù) 周期延拓周期延拓v重點:重點:(1)奇函數(shù)與偶函數(shù)分別展開為正)奇函數(shù)與偶函數(shù)分別展開為正 弦級數(shù)和余弦級數(shù)弦級數(shù)和余弦級數(shù) (2)把已知函數(shù)進行奇延拓和偶延)把已知函數(shù)進行奇延拓和偶延 拓拓v難點難點:函數(shù)的周期性延拓函數(shù)的周期性延

53、拓一、奇函數(shù)和偶函數(shù)的傅立葉級數(shù)一、奇函數(shù)和偶函數(shù)的傅立葉級數(shù)1sinnnnxb10cos2nnnxaa這個定理說明,如果這個定理說明,如果)(xf為奇函數(shù),那么它的傅立葉級數(shù)是為奇函數(shù),那么它的傅立葉級數(shù)是 只含有正弦項的只含有正弦項的正弦級數(shù)正弦級數(shù) 如果如果)(xf為偶函數(shù),那么它的傅立葉級數(shù)是只含有余弦項為偶函數(shù),那么它的傅立葉級數(shù)是只含有余弦項 的的余弦級數(shù)余弦級數(shù) 例例 1 )(xf是周期為是周期為p2的函數(shù),它在的函數(shù),它在,pp上的表達式為上的表達式為xxf)(, 將將)(xf展開為傅立葉級數(shù)。展開為傅立葉級數(shù)。 解:解: 所給函數(shù)滿足收斂定理的條件,它在點所給函數(shù)滿足收斂定理

54、的條件,它在點p) 12(kx處收斂于處收斂于 02)(2)0()0(ppppff 在連續(xù)點處收斂于在連續(xù)點處收斂于)(xf。其次,若不計。其次,若不計p) 12(kx,則,則)(xf是周期為是周期為p2的的 奇函數(shù)。顯然,奇函數(shù)。顯然,)(xf的傅立葉級數(shù)是正弦級數(shù)。的傅立葉級數(shù)是正弦級數(shù)。 )(,.3 , 2 , 1) 1(2cos2sincos2sin2sin)(210200nnnnnnxnnxxnxdxxnxdxxfbnnppppppp 代入到正弦級數(shù)表達式并由收斂定理中得代入到正弦級數(shù)表達式并由收斂定理中得)(xf的傅立葉展開式的傅立葉展開式 xy3p2ppp2p3p4pOpp例例

55、2 將函數(shù)將函數(shù)xExfsin)((0E)展開為傅立葉級數(shù)。)展開為傅立葉級數(shù)。 解:解: 因為因為)(xf為偶函數(shù),所以它的展開式為余弦級數(shù),為偶函數(shù),所以它的展開式為余弦級數(shù),)(xf是在是在 ),(內(nèi)的連續(xù)函數(shù),并且周期是內(nèi)的連續(xù)函數(shù),并且周期是p,當然,當然p2也是它的周期。也是它的周期。 為偶數(shù)為奇數(shù)nnEnnxnnxnEdxxnxnEnxdxxEnxdxxfan,) 1(4, 01) 1cos(1) 1cos() 1sin() 1sin(cossin2cos)(220000ppppppppp (1n) 補充補充1a, 02sin2cossin2cos)(202001ppppppxE

56、xdxxExdxxfa Oxyp2pp2pE二、函數(shù)的周期性延拓二、函數(shù)的周期性延拓例例 2 將函數(shù)將函數(shù)1)( xxf (p x0)分別展開成正弦級數(shù)和余弦級數(shù)。)分別展開成正弦級數(shù)和余弦級數(shù)。 解:先求正弦級數(shù),為此對函數(shù)解:先求正弦級數(shù),為此對函數(shù))(xf進行奇延拓,如圖進行奇延拓,如圖 將將nb代入到正弦級數(shù)中并由收斂定理得代入到正弦級數(shù)中并由收斂定理得 4sin43sin322sin2sin)2(21xxxxxppppp (p x0) , 6 , 4 , 2,2, 5 , 3 , 1,22cossincos2sin) 1(2sin)(20200nnnnnxnnxnnxxnxdxxxd

57、xxfbnpppppppppOxypp11Oxypp11Oxypp11再求余弦再求余弦級數(shù)級數(shù),為此對,為此對)(xf進行偶延拓,如進行偶延拓,如圖圖 sincossin202nnxnnxnnxxpp22cos) 1(cos)(00 xdxxdxnxxfanpppp , 5 , 3 , 1,4, 6 , 4 , 2, 0 1cos222nnnnnppp 222) 1(20200pppppxxdxxa 將將na代入到余弦級數(shù)中并由收斂定理得:代入到余弦級數(shù)中并由收斂定理得: ()5cos513cos31(cos412122xxxxppp x0) 第八節(jié)第八節(jié) 周期為周期為2的函數(shù)的傅立葉級數(shù)的函數(shù)的傅立葉級數(shù)v重點:把周期為重點:把周期為2的函數(shù)展開為傅立葉級的函數(shù)展開

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