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  • x^3怎么展開成余弦級數(shù),然后求Σ1/n^4的極限

    x^3怎么展開成余弦級數(shù),然后求Σ1/n^4的極限
    就是傅里葉展開
    數(shù)學(xué)人氣:920 ℃時間:2020-04-03 15:45:50
    優(yōu)質(zhì)解答
    對函數(shù)f(x)=x³ (0≤x≤1)進(jìn)行偶延拓
    a₀=2*∫{0,1}f(x)dx=2*∫{0,1} x³dx=1/2v*x⁴|{0,1}=1/2
    an=2*∫{0,1}f(x)*cos(n*π*x)dx
    =2*∫{0,1} x³*cos(n*π*x)dx
    =2/(n*π)*∫{0,1} x³ d[sin(n*π*x)]
    =2/(n*π)* x³* sin(n*π*x) |{0,1}-2/(n*π)∫{0,1} sin(n*π*x) d(x³)
    =-6/(n*π)∫{0,1} x²*sin(n*π*x) dx
    =6/(n²*π²)∫{0,1} x² d[cos(n*π*x)]
    =6/(n²*π²) x²* cos (n*π*x) |{0,1}-6/(n²*π²)*∫{0,1} cos(n*π*x) d(x²)
    =6*cos (n*π)/(n²*π²)-12/(n²*π²)*∫{0,1}x* cos(n*π*x) dx
    =6*cos (n*π)/(n²*π²)-12/(n³*π³)*∫{0,1}xd[sin(n*π*x)]
    =6*cos (n*π)/(n²*π²)-12/(n³*π³)*x* sin(n*π*x) |{0,1}+12/(n³*π³)*∫{0,1} sin(n*π*x) dx
    =6*cos (n*π)/(n²*π²)-12/(n⁴*π⁴)*cos(n*π*x) |{0,1}
    =6*cos (n*π)/(n²*π²)-12/(n⁴*π⁴)*[cos(n*π)-1]
    =6* (-1)^n/(n²*π²)-12/(n⁴*π⁴)*[(-1)^n -1]
    當(dāng)n=2*k-1,k=1,2,...時,an= -6/[(2*k-1)²*π²]+24/[(2*k-1)⁴*π⁴]
    當(dāng)n=2*k,k=1,2,...時,an=6/[(2*k)²*π²]
    f(x)= a₀/2+∑{n=1,∞} an*cos(n*π*x)
    = 1/4+∑{k=1,∞}{-6/[(2*k-1)²*π²]+24/[(2*k-1)⁴*π⁴]}*cos[(2*k-1)*π*x]
    +∑{k=1,∞}6/[(2*k)²*π²]*cos(2*k*π*x)
    當(dāng)-1≤x≤0時,f(x)= -x³
    當(dāng)0≤x≤1 時,f(x)= x³
    取x=0,則
    0=1/4-6/π²*∑{k=1,∞}1/(2*k-1)² +24/π⁴∑{k=1,∞} 1/(2*k-1)⁴+6/π²*∑{k=1,∞}1/(2*k)² ①
    注意到∑{k=1,∞}1/ k²=π²/6 ② (可對函數(shù)f(x)=x (0≤x≤1)進(jìn)行偶延拓計算得到)
    ∑{k=1,∞}1/(2*k)² =1/4*∑{k=1,∞}1/ k²=π²/24 ③
    ∵∑{k=1,∞}1/ k²=∑{k=1,∞}1/(2*k)²+∑{k=1,∞}1/(2*k-1)²
    ∴∑{k=1,∞}1/(2*k-1)² =3/4*∑{k=1,∞}1/ k²=π²/8 ④
    由①②③④式可得
    ∑{k=1,∞} 1/(2*k-1)⁴=π⁴/96
    又∵∑{n=1,∞} 1/n⁴=∑{k=1,∞}1/(2*k)⁴+∑{k=1,∞}1/(2*k-1)⁴
    =1/16*∑{k=1,∞}1/k⁴+∑{k=1,∞}1/(2*k-1)⁴
    ∴∑{k=1,∞} 1/k⁴=16/15*∑{k=1,∞}1/(2*k-1)⁴
    =16/15*π⁴/96
    =π⁴/90
    即∑{n=1,∞} 1/n⁴=π⁴/90
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