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113 政大微積分(應數大二二) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

113學年度 · 113微積分(應數大二二) · 第 4 題

題目

Problem

Let mm and nn be positive integers. Show that

a. (5%) ∫−ππsin⁡mxcos⁡nx dx=0\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \cos nx \,\mathrm{d}x = 0.

b. (10%) ∫−ππsin⁡mxsin⁡nx dx={0if m≠nπif m=n\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \sin nx \,\mathrm{d}x = \begin{cases} 0 & \text{if } m \neq n \\ \pi & \text{if } m = n \end{cases}

解答

解法一:利用對稱性與積化和差公式(系統性分析)

思路

展開

本題要求證明傅立葉級數理論中極為核心的正交性關係 (Orthogonality)。

a. 證明 ∫−ππsin⁡mxcos⁡nx dx=0\int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \cos nx \,\mathrm{d}x = 0

  • 觀察被積函數 f(x)=sin⁡mxcos⁡nxf(x) = \sin mx \cos nx:
    • 正弦函數 sin⁡mx\sin mx 為奇函數 (Odd Function),即 sin⁡(−mx)=−sin⁡mx\sin(-mx) = -\sin mx。
    • 餘弦函數 cos⁡nx\cos nx 為偶函數 (Even Function),即 cos⁡(−nx)=cos⁡nx\cos(-nx) = \cos nx。
    • 奇函數與偶函數的乘積為奇函數: f(−x)=sin⁡(−mx)cos⁡(−nx)=(−sin⁡mx)cos⁡nx=−f(x)f(-x) = \sin(-mx) \cos(-nx) = (-\sin mx) \cos nx = -f(x)
  • 根據定積分的對稱性,奇函數在關於原點對稱的區間 [−π,π][-\pi, \pi] 上的積分值必恆為 00。這提供了一個極為直觀且優雅的最速證明。

b. 證明 ∫−ππsin⁡mxsin⁡nx dx={0if m≠nπif m=n\int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \sin nx \,\mathrm{d}x = \begin{cases} 0 & \text{if } m \neq n \\ \pi & \text{if } m = n \end{cases}

  • 由於被積函數 g(x)=sin⁡mxsin⁡nxg(x) = \sin mx \sin nx 是兩個奇函數的乘積,它是偶函數。對稱性在此無法直接歸零,我們必須分兩種情況討論。
  • 第一種情況:當 m≠nm \neq n 時: 我們使用三角函數的積化和差公式: sin⁡αsin⁡β=12[cos⁡(α−β)−cos⁡(α+β)]\sin\alpha\sin\beta = \frac{1}{2}[\cos(\alpha-\beta) - \cos(\alpha+\beta)] 將其轉換為兩個餘弦項的積分,由於 m−n≠0m-n \neq 0 且 m+n≠0m+n \neq 0,積分後代入邊界值計算。
  • 第二種情況:當 m=nm = n 時: 被積函數簡化為 sin⁡2nx\sin^2 nx。我們利用半角公式(倍角公式)進行降次: sin⁡2nx=1−cos⁡2nx2\sin^2 nx = \frac{1 - \cos 2nx}{2} 直接積分求解。

答題過程

展開

a. 證明 ∫−ππsin⁡mxcos⁡nx dx=0\int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \cos nx \,\mathrm{d}x = 0

令被積函數為 f(x)=sin⁡mxcos⁡nxf(x) = \sin mx \cos nx。我們檢驗其奇偶性。 將 −x-x 代入自變數:

f(−x)=sin⁡(m(−x))cos⁡(n(−x))f(-x) = \sin(m(-x)) \cos(n(-x))

根據三角函數性質,正弦函數為奇函數,餘弦函數為偶函數,即:

sin⁡(−mx)=−sin⁡mx,cos⁡(−nx)=cos⁡nx\sin(-mx) = -\sin mx, \quad \cos(-nx) = \cos nx

代回原式可得:

f(−x)=(−sin⁡mx)cos⁡nx=−sin⁡mxcos⁡nx=−f(x)f(-x) = (-\sin mx) \cos nx = -\sin mx \cos nx = -f(x)

這說明 f(x)=sin⁡mxcos⁡nxf(x) = \sin mx \cos nx 在實數域上為一奇函數 (Odd Function)。

根據定積分在對稱區間上的幾何性質:任何奇函數在對稱於原點的閉區間 [−a,a][-a, a] 上的定積分皆為 00。因此:

∫−ππsin⁡mxcos⁡nx dx=0\int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \cos nx \,\mathrm{d}x = 0

定理得證。


b. 證明 ∫−ππsin⁡mxsin⁡nx dx={0if m≠nπif m=n\int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \sin nx \,\mathrm{d}x = \begin{cases} 0 & \text{if } m \neq n \\ \pi & \text{if } m = n \end{cases}

我們根據正整數 m,nm, n 是否相等,分以下兩種情況進行計算:

1. 當 m≠nm \neq n 時:

我們利用三角函數的積化和差公式:

sin⁡mxsin⁡nx=12(cos⁡(m−n)x−cos⁡(m+n)x)\sin mx \sin nx = \frac{1}{2} \Big( \cos(m-n)x - \cos(m+n)x \Big)

將其代回定積分中:

I= ∫−ππsin⁡mxsin⁡nx dx= 12∫−ππ(cos⁡(m−n)x−cos⁡(m+n)x)dx\begin{align*} I =&\, \int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \sin nx \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{-\pi}^{\pi} \Big( \cos(m-n)x - \cos(m+n)x \Big) \mathrm{d}x \end{align*}

由於 m,nm, n 皆為正整數且 m≠nm \neq n,所以其和 m+nm+n 與差 m−nm-n 皆為非零整數。我們對兩項進行積分:

I= 12[sin⁡(m−n)xm−n−sin⁡(m+n)xm+n]−ππ= 12((sin⁡(m−n)πm−n−sin⁡(m+n)πm+n)−(sin⁡(m−n)(−π)m−n−sin⁡(m+n)(−π)m+n))\begin{align*} I =&\, \frac{1}{2} \left[ \frac{\sin(m-n)x}{m-n} - \frac{\sin(m+n)x}{m+n} \right]_{-\pi}^{\pi} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \left( \frac{\sin(m-n)\pi}{m-n} - \frac{\sin(m+n)\pi}{m+n} \right) - \left( \frac{\sin(m-n)(-\pi)}{m-n} - \frac{\sin(m+n)(-\pi)}{m+n} \right) \right) \end{align*}

因為對於任意整數 kk,恆有 sin⁡(kπ)=0\sin(k\pi) = 0,故上式中所有正弦項皆為 00:

I=12((0−0)−(0−0))=0I = \frac{1}{2} \Big( (0 - 0) - (0 - 0) \Big) = 0

2. 當 m=nm = n 時:

此時被積函數為 sin⁡2nx\sin^2 nx。我們利用二倍角公式進行降次代換:

sin⁡2nx=1−cos⁡2nx2\sin^2 nx = \frac{1 - \cos 2nx}{2}

代回定積分中計算:

I= ∫−ππsin⁡2nx dx= ∫−ππ(1−cos⁡2nx2)dx= 12[x−sin⁡2nx2n]−ππ= 12((π−sin⁡2nπ2n)−(−π−sin⁡(−2nπ)2n))\begin{align*} I =&\, \int_{-\pi}^{\pi} \sin^2 nx \,\mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_{-\pi}^{\pi} \left( \frac{1 - \cos 2nx}{2} \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left[ x - \frac{\sin 2nx}{2n} \right]_{-\pi}^{\pi} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \left( \pi - \frac{\sin 2n\pi}{2n} \right) - \left( -\pi - \frac{\sin(-2n\pi)}{2n} \right) \right) \end{align*}

同樣地,因為 2n2n 是整數,所以 sin⁡(2nπ)=0\sin(2n\pi) = 0。代入計算:

I=12((π−0)−(−π−0))=12(2π)=πI = \frac{1}{2} \Big( (\pi - 0) - (-\pi - 0) \Big) = \frac{1}{2} (2\pi) = \pi

綜合以上兩點,即證明了:

∫−ππsin⁡mxsin⁡nx dx={0if m≠nπif m=n\int_{-\pi}^{\pi} \sin mx \sin nx \,\mathrm{d}x = \begin{cases} 0 & \text{if } m \neq n \\ \pi & \text{if } m = n \end{cases}

結論: 正交關係式得證。