题目
设f(x)是周期为2pi的周期函数,且f(x)=}-1, & -pi < x < 0, 1, & 0 leq x leq pi,则该函数的傅里叶系数满足(). A. b_n=0, a_n neq 0B. a_n=0, b_n全不为零C. b_n neq 0, a_n neq 0D. a_n=0, b_n不全为零
设$f(x)$是周期为$2\pi$的周期函数,且$f(x)=\begin{cases}-1, & -\pi < x < 0, \\ 1, & 0 \leq x \leq \pi,\end{cases}$则该函数的傅里叶系数满足().
- A. $b_n=0, a_n \neq 0$
- B. $a_n=0, b_n$全不为零
- C. $b_n \neq 0, a_n \neq 0$
- D. $a_n=0, b_n$不全为零
题目解答
答案
为了确定函数 $ f(x) $ 的傅里叶系数,我们首先回顾周期为 $ 2\pi $ 的函数 $ f(x) $ 的傅里叶级数的定义。傅里叶级数由下式给出:
\[ f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} \left( a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx) \right) \]
其中傅里叶系数 $ a_n $ 和 $ b_n $ 的计算公式为:
\[ a_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) \, dx \]
\[ b_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \sin(nx) \, dx \]
给定函数 $ f(x) $ 为:
\[ f(x) = \begin{cases}
0 & \text{if } -\pi < x < 0 \\
1 & \text{if } 0 \le x \le \pi
\end{cases} \]
我们首先计算 $ a_0 $:
\[ a_0 = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \, dx = \frac{1}{\pi} \left( \int_{-\pi}^{0} 0 \, dx + \int_{0}^{\pi} 1 \, dx \right) = \frac{1}{\pi} \left[ x \right]_{0}^{\pi} = \frac{1}{\pi} \cdot \pi = 1 \]
接下来,我们计算 $ a_n $ 对于 $ n \ge 1 $:
\[ a_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) \, dx = \frac{1}{\pi} \left( \int_{-\pi}^{0} 0 \cdot \cos(nx) \, dx + \int_{0}^{\pi} 1 \cdot \cos(nx) \, dx \right) = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} \cos(nx) \, dx \]
\[ a_n = \frac{1}{\pi} \left[ \frac{\sin(nx)}{n} \right]_{0}^{\pi} = \frac{1}{\pi} \cdot \frac{\sin(n\pi) - \sin(0)}{n} = \frac{1}{\pi} \cdot \frac{0}{n} = 0 \]
现在,我们计算 $ b_n $:
\[ b_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \sin(nx) \, dx = \frac{1}{\pi} \left( \int_{-\pi}^{0} 0 \cdot \sin(nx) \, dx + \int_{0}^{\pi} 1 \cdot \sin(nx) \, dx \right) = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} \sin(nx) \, dx \]
\[ b_n = \frac{1}{\pi} \left[ -\frac{\cos(nx)}{n} \right]_{0}^{\pi} = \frac{1}{\pi} \cdot \left( -\frac{\cos(n\pi)}{n} + \frac{\cos(0)}{n} \right) = \frac{1}{\pi} \cdot \left( -\frac{(-1)^n}{n} + \frac{1}{n} \right) = \frac{1}{\pi} \cdot \frac{1 - (-1)^n}{n} \]
对于 $ n $ 为偶数,$ (-1)^n = 1 $,所以 $ b_n = 0 $。对于 $ n $ 为奇数,$ (-1)^n = -1 $,所以 $ b_n = \frac{1}{\pi} \cdot \frac{1 - (-1)}{n} = \frac{1}{\pi} \cdot \frac{2}{n} = \frac{2}{n\pi} $。
因此,$ b_n $ 对于 $ n $ 为奇数时非零,对于 $ n $ 为偶数时为零。这意味着 $ b_n $ 不全为零。
综上所述,傅里叶系数满足 $ a_n = 0 $ 和 $ b_n $ 不全为零。正确答案是:
\[
\boxed{D}
\]