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2023年考研数学(一)考试试题 - 第13题回答
高等数学
发布于2025年9月25日 14:40
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评分及理由

(1)得分及理由(满分5分)

学生给出的答案是“0”。题目要求计算傅里叶余弦级数展开中偶数项系数之和 \(\sum_{n=1}^{\infty} a_{2n}\)。

分析过程:函数 \(f(x)\) 定义为周期为2的周期函数,且在 \([0,1]\) 上为 \(f(x) = 1 - x\)。由于傅里叶展开只包含余弦项(即 \(b_n = 0\)),这表明函数被偶延拓了。一个关键的性质是,将函数进行偶延拓后,如果原函数满足 \(f(1-x) = -f(x)\) 在区间 \([0,1]\) 上成立,那么它的傅里叶余弦级数将只包含奇数次谐波(即 \(a_{2n} = 0\))。验证该性质:在区间 \([0,1]\) 上,计算 \(f(1-x) = 1 - (1-x) = x\),而 \(-f(x) = -(1-x) = x-1\)。显然,\(f(1-x) = x\) 不等于 \(-f(x) = x-1\)。因此,函数并不满足使所有偶数次系数为零的奇对称性质。

正确的解法是直接计算傅里叶余弦系数 \(a_n\)。系数公式为 \(a_n = 2 \int_0^1 f(x) \cos(n\pi x) dx\)。代入 \(f(x) = 1-x\) 进行计算: \[ a_n = 2 \int_0^1 (1-x) \cos(n\pi x) dx \] 通过分部积分可得 \(a_n = \frac{2(1 - \cos(n\pi))}{n^2 \pi^2}\)。由于 \(\cos(n\pi) = (-1)^n\),所以 \(a_n = \frac{2(1 - (-1)^n)}{n^2 \pi^2}\)。当 \(n\) 为偶数时,\((-1)^n = 1\),因此 \(a_{2n} = 0\)。所以,\(\sum_{n=1}^{\infty} a_{2n} = 0\)。

学生的答案“0”与最终正确结果一致。虽然学生的作答没有提供任何解题过程,但填空题通常只根据最终答案的正误给分。答案正确,故应得满分。

得分:5分

题目总分:5分

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