正弦函数余弦函数的无穷乘积展开式怎么证明?

  《数学分析(第二册)》是综合性大学和高等师范院校数学系本科生数学分析课程的教材。《数学分析(第二册)》共分三册,第一册共六章,内容为函数、序列的极限、函数的极限与连续性、导数与微分、导数的应用、不定积分;第二册共六章,内容为定积分、广义积分、数项级数、函数序列与函数项级数、幂级数、傅里叶级数;第三册共五章,内容为n维欧氏空间与多元函数的极限和连续、多元函数微分学、重积分与广义重积分、曲线积分与曲面积分及场论、含参变量的积分。《数学分析(第二册)》每章配有适量习题,书末附有习题答案或提示,供读者参考。
  作者多年来在北京大学为本科生讲授数学分析课程,按照教学大纲,精心选取教学内容并对课程体系优化整合,经过几届学生的教学实践,收到了良好的教学效果,《数学分析(第二册)》注重基础知识的讲述和基本能力的训练,按照认知规律,以几何直观、物理背景作为引入数学概念的切入点,对内容讲解简明、透彻,做到重点突出、难点分散,便于学生理解与掌握。

§7.1 定积分的概念与微积分基本定理
7.1.1 曲边梯形的面积
7.1.2 定积分的定义
7.1.3 定积分的几何意义
7.1.4 连续函数的可积性
7.1.5 微积分基本定理
7.2.1 可积的必要条件
7.2.3 可积函数类
§7.3 定积分的性质
§7.4 原函数的存在性与定积分的计算
7.4.1 变限定积分
7.4.2 定积分的计算
§7.5 定积分中值定理
7.5.1 定积分第一中值定理
7.5.2 定积分第二中值定理
§7.6 定积分在几何学中的应用
7.6.1 直角坐标系下平面图形的面积
7.6.2 参数方程表示的曲线所围平面图形的面积
7.6.4 极坐标方程表示的曲线所围平面图形的面积
7.6.5 平行截面面积为已知的立体的体积
7.6.6 曲线的弧长
7.6.7 旋转体的侧面积
§7.7 定积分在物理学中的应用

§8.1 无穷积分的基本概念与性质
§8.2 无穷积分敛散性的判别法
8.3.1 瑕积分的概念
8.3.2 瑕积分敛散性的判别法

§9.1 数项级数的基本概念
9.1.1 数项级数的基本概念
9.2.1 比较判别法
9.2.2 达朗贝尔判别法与柯西判别法
9.2.3 拉贝判别法
9.2.4 柯西积分判别法
9.3.1 交错级数的敛散性
9.3.2 狄利克雷判别法和阿贝尔判别法
§9.4 数项级数的性质
9.4.3 级数的乘法(分配律)

第十章 函数序列与函数项级数
§10.1 函数序列与函数项级数的基本问题
§10.2 一致收敛的概念
§10.3 函数序列与函数项级数一致收敛的判别法
10.3.1 柯西准则
10.3.2 一致收敛的判别法
§10.4 一致收敛的函数序列和函数项级数
10.4.1 极限函数的连续性
10.4.2 极限函数的积分
10.4.3 极限函数的导数

§11.1 幂级数的收敛半径与收敛域
11.1.1 幂级数的收敛半径与收敛域
11.1.2 收敛半径的求法
§11.2 幂级数的性质
§11.3 初等函数的幂级数展开
11.3.1 泰勒级数
11.3.2 初等函数的泰勒展式
§11.4 连续函数的多项式逼近

§12.1 函数的傅里叶级数
12.1.1 基本三角函数系
12.1.2 周期为2π的函数的傅里叶级数
12.1.3 正弦级数与余弦级数
12.1.4 周期为2T的函数的傅里叶级数
§12.2 傅里叶级数的敛散性
12.2.1 狄利克雷积分
12.2.2 傅里叶级数的收敛判别法
§12.3 傅里叶级数的其他收敛性
12.3.1 连续函数的三角多项式一致逼近
12.3.2 傅里叶级数的均方收敛
12.3.3 傅里叶级数的一致收敛性


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在同学平时做题中偶尔会出现一些特殊积分,尤其是在我之前写的推文 ,这个是我们平时用到最多的,也算是基本功了,今天我把自己整理的特殊函数笔记中精选了一部分,就十一种有关特殊函数与积分的送给大家,可以做好笔记,其中包括两类Euler积分、黎曼函数、椭圆积分、贝塞尔函数、高斯超几何函数,多重对数函数、对数积分、指数积分、三角积分以及球谐函数,也算是送给同学们新年的一份礼物!

  1. digamma函数:Γ函数的对数微商,记为

时,积分收敛,有如下性质:

  1. (积分形式)作变量代换

的一个函数方程:对于所有

并通过此方程可求出其特殊值

是一般的四次多项式,能化成以下三种类型:

,上述三种形式叫Legendre形椭圆积分,分别叫做第一,第二,第三类Legendre形椭圆积分。

除了Legendre形式的外,还有Jacobi型的椭圆积分,如下:

上述三种形式叫做第一,第二,第三类Jacobi型的椭圆积分,其中 叫做上面各个椭圆积分的模。

时,则称该积分为完全椭圆积分,否则称为不完全椭圆积分,完全椭圆积分的符号 如下:

  • 第一类贝塞尔函数 已知:

    上面的方程叫贝塞尔方程,方程的解为 为整数 或者非负的解,而且需满足在
  • 第二类贝塞尔函数 又称诺伊曼函数(Neumann fun),记作

    必须为整数,第二类贝塞尔函数的应用比第一类贝塞尔函数更广
  • 第三类贝塞尔函数 又称汉克尔函数,

。以上的线形组合也称为第三类贝塞尔函数。

贝塞尔函数的递推关系式

是由下式定义的函数 在裂纹复平面

Gauss 超几何函数的两个重要的特例就是第一类完全椭圆积分和和第二类完全椭圆积分

取某些特定值时,超几何函数可表示一些初等函数和特殊函数。例如,

合流超几何函数(Kummer函数)可以用超几何函数的极限表示:

超几何函数的积分表达式有两种:一种是从超几何方程的积分解得到的,另一种称为巴恩斯(Barnes)积分表示则是从级数表示导出的。

第1种:由超几何方程的积分分解

第2种:巴恩斯(Barnes)积分表示

),有时也称超几何函数,是一个用幂级数定义的函数,其中幂级数的系数由若干个升阶乘的积和商给出。下文中用“超几何函数”一词代指广义超几何函数,而用“Gauss超几何函数”是指

一般用下列表达式来记广义超几何函数:

多重对数函数(polylogarithm)也称数学中一种特殊的幂级数,定义为: .一般来说,多重对数函数不像对数函数那样是一个初等函数.上述定义中,自变量 ,s对所有复数值有效.通过解析延拓,可以将z的定义域扩展到更大的范围. 时的多重对数函数可以用自然对数表示 和3的多重对数函数分别称为 Dilogarithm 及 Trilogarithm,其名称的由来是多重对数函数表示为以下的递推积分式:

是一个特殊函数。它出现在物理学的问题中,在数论中也有重要性,主要出现在与素数定理与黎曼猜想的相关理论之中。

  • 积分表示法:对所有的正实数
  • 作为渐近展开式,这个级数是发散的:只有级数前面有限个项才是较好的估计。这个展开式可从指数积分的渐近展开式直接推出。

指数积分是函数的一种,它不能表示为初等函数,是一类特殊的不完全伽马函数之一。对于实数

为指数函数。以上的定义可以用于正数 ,但这个积分必须用柯西主值的概念来理解。

对于自变量是复数的情形,给出以下记法:

当自变量的实数部分为正时,可化为:

Ei与E1有以下关系:

指数积分可以用以下的收敛级数来表示:

的平面内单值解析,式中

当自变量的值较大时,用以上的收敛级数来计算指数积分是困难的。在这种情况下,我们可以使用发散(或渐近)级数:

利用这个函数,我们可以用对数来定义:

它是不完全伽玛函数的一个特例:

三角积分是含有三角函数的一种积分。一些简单的含有三角函数的积分,可在三角函数积分表中找到。

  • 正弦积分:有两种不同形式
  • 余弦积分:有三种不同形式

由球函数方程及其自然边界条件

则有,所以复数形式的球谐函数可写为:

即归一化的球谐函数写为:

}

本文我会给出全体自然数偶次幂倒数和的公式及新的推导方式(至少网络上我没有找到一样的)(笔者作为初中生水平有限,过程是没有严格化的,若下文中有误可以在评论区指出)接下来我们开始推导:


1.1正余弦函数的无穷乘积式

如果从插值问题的角度看,对于正弦函数,我们知道它在函数值为0的时候:

sin k\pi=0 (k\in Z) 因此像多项式方程的因式那样我们得到:

同理,对于余弦函数我们也能得到一个无穷乘积式:


1.2正余切函数的无穷级数

基于1.1的两个无穷乘积我们能导出正余切的无穷级数,方法如下:


2.1用余切级数解决巴塞尔问题

认真思考的读者应该知道我们要干什么了,我们看1.2导出的这个级数

你是不是能看出来它与巴塞尔问题的关系了?如果还不能我们把上面的级数做一个变换:

由此我们解决了巴塞尔问题

另外顺带一提我们还可以用类似上面的方法对正切进行考虑推导出


2.2巴塞尔问题的推广(全体自然数偶次幂的倒数和公式)(伯努利数形式)

顺着2.1的思路我们可以用微分法进行推广

两边同时n阶微分,由于微分偶数次 x\rightarrow0 时右边会相消为0,所以我们只能求奇数阶微分,再令 x\rightarrow0

同样对于正切我们也可导出:

此时我们发现:求全体自然数偶次幂的倒数和的问题就等同于求余切函数的幂级数,而求全体正奇数偶次幂的倒数和的问题就等同于求正切函数的幂级数!为什么呢?这也很好解释:

所以我们现在只要写出正切函数与余切函数的幂级数就可以得到结论了,并且结论的形式就取决于幂级数展开的形式本文我们将给出两种形式一种是伯努利数的形式,另一种是我自己找到的一种等价形式,这里我们先说伯努利数的形式(这里我们不推导伯努利数形式的是怎么来的)


2.3巴塞尔问题的推广(全体自然数偶次幂的倒数和公式)(其他形式)

我们这里的推导从下面这个无穷级数开始

我们看到k为奇数的项都为0,再加上对正弦函数的周期性的考虑

对于 secx 的级数我们可以用比较系数的方式从余弦函数的幂级数导出

所以(2)式我们可以写成

由此我们给出了另外的一种形式,并且给出了递推公式


到这里文章就结束了,希望能对大家有所帮助。

}

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