【銀蛇出品】數(shù)學(xué)漫談13——簡單三角級(jí)數(shù)的和函數(shù)及其在解PDE中的應(yīng)用
前置知識(shí):冪級(jí)數(shù)、Fourier級(jí)數(shù)、復(fù)數(shù)的基本運(yùn)算
前言:在大多數(shù)時(shí)候,我們更關(guān)注一個(gè)函數(shù)的Fourier級(jí)數(shù),分別去研究基波和諧波分量,而很少關(guān)注給定的一個(gè)Fourier級(jí)數(shù)(或更一般的三角級(jí)數(shù))將收斂到哪個(gè)函數(shù)上.這其中的一個(gè)原因是求級(jí)數(shù)本身就缺少一般通法,多數(shù)時(shí)候需要根據(jù)已知級(jí)數(shù)配湊或者用特殊方法求得.對(duì)于一類具有比較簡單形式的三角級(jí)數(shù)來說,可通過復(fù)數(shù)運(yùn)算求得其和函數(shù),算是比較通用的一類方法.本文除考察這些三角級(jí)數(shù)的和函數(shù),還將考察其在求解線性PDE中的應(yīng)用.
關(guān)鍵內(nèi)容:三角級(jí)數(shù)、和函數(shù)、二階線性PDE

??? 求冪級(jí)數(shù)和和函數(shù)其實(shí)并沒有一般的通法,相反相當(dāng)多的特殊函數(shù)就是通過冪級(jí)數(shù)嚴(yán)格定義的.例如冪級(jí)數(shù)
是微分方程y'=y的一個(gè)特解,可求得其和函數(shù)為e^x.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合復(fù)數(shù)運(yùn)算可以獲得sin x, cos x等初等函數(shù)的嚴(yán)格定義.再如冪級(jí)數(shù)
利用等比數(shù)列求和公式知其和函數(shù)為1/(1+x),再通過變量代換、逐項(xiàng)求導(dǎo)、求原函數(shù)可獲得ln(1+x), arctan x等函數(shù)的嚴(yán)格定義.總之,都是通過求簡單級(jí)數(shù)的和函數(shù),再通過配湊獲得相對(duì)復(fù)雜級(jí)數(shù)的和函數(shù),所以這類問題具有較強(qiáng)的技巧性.
??? 下面,我們考察一下三角級(jí)數(shù)的和函數(shù)應(yīng)該如何計(jì)算.前邊兩個(gè)例子的處理手法是十分經(jīng)典的,在繼續(xù)閱讀前請(qǐng)保證熟知這些內(nèi)容.

??? 首先給出我們要研究的三角級(jí)數(shù)形式:
定義1. ?稱形如
的函數(shù)項(xiàng)級(jí)數(shù)為三角級(jí)數(shù),記為式(1).
??? 根據(jù)De Moivre公式e^inx=cos nx+i sin nx,式(1)中的三角函數(shù)可以寫成復(fù)指數(shù)函數(shù),進(jìn)而寫成以e^ix為變量的冪級(jí)數(shù),結(jié)合冪級(jí)數(shù)求和公式便可求得相應(yīng)三角級(jí)數(shù)的和函數(shù).反過來,我們也可以直接將冪級(jí)數(shù)的變量用e^ix代替,由于余弦、正弦分別對(duì)應(yīng)實(shí)部、虛部(考慮De Moivre公式即可),所以直接對(duì)變量代換后的冪級(jí)數(shù)取實(shí)部、虛部,也就得到了三角級(jí)數(shù)的和函數(shù).
??? 下面考察幾個(gè)簡單的例子.
例1. 求的和函數(shù).
解:考察冪級(jí)數(shù)
令z=e^ix,則
于是
這其中用到了三角公式,后邊還會(huì)多次用到類似的三角公式,其證明不難,留給讀者自行證明.
例2. 求的和函數(shù).
解:考察冪級(jí)數(shù)
令z=e^ix,則
此處需要考察arctan(cot x/2):
對(duì)前邊的和函數(shù)進(jìn)一步化簡得
于是
可以通過逐項(xiàng)求導(dǎo)得到例1的結(jié)果,證明解的正確性.
??? 作的圖像,如圖1所示

其曲線形狀是一個(gè)鋸齒波.
??? 類似的,通過上述手法結(jié)合逐項(xiàng)積分,可以求得以下三角級(jí)數(shù)的和函數(shù),不再一一給出過程.
問題1. 以下三角級(jí)數(shù)會(huì)收斂到其和函數(shù)上,請(qǐng)證明:
(提示:對(duì)逐項(xiàng)積分,并利用
)
??? 問題1中,級(jí)數(shù)的圖像顯然具有矩形波的形式.
問題2. 求的和函數(shù).
答案:

??? 接下來我們考察一個(gè)形式比較特殊的三角級(jí)數(shù):
例3. 求的和函數(shù).
解:考察冪級(jí)數(shù),記其和函數(shù)為
.
??? 等式兩側(cè)對(duì)z求導(dǎo),再乘以z,得
等式兩側(cè)再對(duì)z求導(dǎo),再乘以z,得
于是疊加得到微分方程
然而該微分方程的求解是十分困難的.事實(shí)上它并沒有初等形式的解.
??? 于是考慮直接作變換z=e^ix,則根據(jù)鏈?zhǔn)椒▌t有
并將和函數(shù)S(z)寫成.于是上述方程變形為
除了虛數(shù)單位i以外,其余部分均是實(shí)數(shù),因此它等價(jià)于下述兩個(gè)方程
其中后一個(gè)方程是沒有簡單初等解的,而我們要求的是前一個(gè)方程.
??? 考慮函數(shù)的奇偶性,前一個(gè)方程的通解為
然而求出待定系數(shù)C是極困難的,這需要我們知道級(jí)數(shù)的值,而這個(gè)級(jí)數(shù)并不好求.但我們觀察到解的形式與e^ux有關(guān),所以我們暫時(shí)擱置例3,不妨考察一下e^ux的Fourier級(jí)數(shù)的形式.
例4. 求的Fourier級(jí)數(shù).
解:記
則其系數(shù)滿足
于是
分別取實(shí)部、虛部即得系數(shù).于是
??? 實(shí)際上e^ux的Fourier級(jí)數(shù)展開式中已經(jīng)包含了例3中問題的形式,考慮到
二者相加除以2即得
這就得到了例3的解,即
同時(shí)我們也知道了
以及
??? 同理我們也能求出

??? 下面我們考慮在求解線性PDE時(shí),利用分離變量法求解獲得的級(jí)數(shù)解將收斂到何種和函數(shù)上.
例5. 考慮均質(zhì)直桿的縱向振動(dòng).設(shè)有一長為l,楊氏模量為E的各向同性的均質(zhì)輕直桿(輕的含義是不計(jì)桿本身的重力),其截面尺寸為A相對(duì)于長度足夠小,使其一端固定,另一端自由.今在自由端施加一沿干軸向的拉力P,使其平衡,隨后撤去拉力P,則桿會(huì)開始作縱向振動(dòng).根據(jù)振動(dòng)力學(xué)中的力學(xué)原理,我們可以將該問題歸納為求解下述定解問題:
這是一個(gè)典型的雙曲型方程.我們關(guān)心級(jí)數(shù)收斂到何種和函數(shù)上,所以略去具體的求解過程,直接給出其Fourier級(jí)數(shù)解為
利用積化和差公式,可將求和部分寫成兩個(gè)三角級(jí)數(shù)加和的形式,即
于是求該級(jí)數(shù)的和函數(shù)問題被歸結(jié)為求解下述級(jí)數(shù)的和函數(shù)
直接給出其結(jié)果為
根據(jù)其區(qū)間,可以將直桿在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的級(jí)數(shù)解化簡為
其中.特別的,我們可以考察自由端的位移
可見,桿端位移的形式符合三角波的形式.

例6. 考慮如下熱傳導(dǎo)的定解問題:
這是一個(gè)拋物型方程,直接給出該問題的Fourier級(jí)數(shù)解為
然而該問題沒辦法直接用前邊的方法求出解析表達(dá)式,這是因?yàn)閮H用普通的復(fù)數(shù)的冪級(jí)數(shù)無法表示含有項(xiàng)的級(jí)數(shù).為此,需要引入Jacobi
函數(shù):
定義2. 用級(jí)數(shù)定義以下四個(gè)特殊函數(shù),稱之為Jacobi 函數(shù):
我們將v視為變量,將τ僅視為取固定值的參數(shù).這幾個(gè)符號(hào)是Jacobi引入的,關(guān)于這些函數(shù)的更多性質(zhì)我們不做探討,可參考王竹溪、郭敦仁所著《特殊函數(shù)概論》.
??? 為計(jì)算方便,可以適當(dāng)?shù)厝》e分下限,使結(jié)果具有比較簡單的形式:
于是該定解問題的解可以寫成
至于Jacobi 函數(shù)的近似取值,可通過查表或數(shù)值計(jì)算的手段獲得.
問題3. 考慮均質(zhì)直桿在簡支邊界條件下的橫向振動(dòng)問題,該問題可抽象為如下四階方程的定解問題:
直接給出該問題的Fourier級(jí)數(shù)解為
試用Jacobi 函數(shù)表出該解.
答案:此處我們只使用積分號(hào)表示求一次原函數(shù),并指定求原函數(shù)時(shí)附加的積分常數(shù)為0

??? 最后給出一類筆者未能解決的問題,即二維調(diào)和方程或重調(diào)和方程的三角級(jí)數(shù)解將收斂到何種特殊的函數(shù)上.下面簡要介紹問題求解過程,供讀者進(jìn)行思考和求解.
問題5. 考慮如下定解問題
這是一個(gè)橢圓型方程,求解該問題可以設(shè)解的形式為二重三角級(jí)數(shù),即
再對(duì)指標(biāo)或
求和,將另一個(gè)指標(biāo)暫時(shí)視為常量,以獲得一重的三角級(jí)數(shù).也可以直接利用分離變量法求解獲得以下結(jié)果
可以證明,二重三角級(jí)數(shù)解與分離變量求得的級(jí)數(shù)解是一致的.然而若要做進(jìn)一步化簡,勢(shì)必要考慮形如的級(jí)數(shù)如何求和,這是十分復(fù)雜的,筆者也沒有查到相關(guān)的特殊函數(shù).
問題6. 考慮均質(zhì)薄板的靜力平衡問題.彈性力學(xué)中的平面薄板的撓曲問題滿足方程
其中D是給定常數(shù),q=q(x,y)是給定函數(shù),Δ是Laplace算子.這是一個(gè)四階常系數(shù)線性偏微分方程,若假設(shè)所考慮的為常數(shù),薄板是矩形的,且四邊簡支(位移w=0,力矩
或
),則可假設(shè)位移具有二重三角級(jí)數(shù)的形式.經(jīng)計(jì)算可得二重三角級(jí)數(shù)解的形式為:
??? 此外,或者通過對(duì)一個(gè)指標(biāo)求和,或者通過假設(shè)解具有
的形式,可求得一重三角級(jí)數(shù)解具有以下形式
至于進(jìn)一步能否將該級(jí)數(shù)化簡成某種特殊函數(shù),歡迎大家做進(jìn)一步討論.

參考資料:
[1] (德)E. Zeidler等著.?dāng)?shù)學(xué)指南——實(shí)用數(shù)學(xué)手冊(cè)[M].李文林等譯.北京:科學(xué)出版社,2012.
[2] 李莉,王峰.?dāng)?shù)學(xué)物理方程(第2版) [M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2016.
[3] 王竹溪,郭敦仁.特殊函數(shù)概論[M].北京:北京大學(xué)出版社,2000.
[4]?于開平,鄒經(jīng)湘.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)(第3版) [M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2015.
[5] 徐芝綸.彈性力學(xué)(第5版,下冊(cè)) [M].北京:高等教育出版社,2016.