分離變數法與傅立葉級數

偶延拓與奇延拓(even and odd extensions)

一個只定義在半區間 0 到 L 上的函數,缺了一半的定義域。在你把它交給傅立葉級數——它需要一個完整的週期函數——之前,你必須決定如何把缺少的左半邊(從 -L 到 0)補上。兩個最乾淨的選擇是像鏡子一樣反射它(偶延拓),或繞原點上下翻轉它(奇延拓)。你的選擇暗中決定了你得到餘弦級數還是正弦級數。

偶延拓把函數複製到垂直軸的另一側:f(-x) = f(x),像蝴蝶的翅膀般對摺回來。偶函數只有餘弦項,所以它的傅立葉級數是餘弦級數——而由於餘弦在兩端斜率為零,這吻合諾伊曼(絕熱)邊界條件。奇延拓在反射時翻轉符號:f(-x) = -f(x),所以圖形繞原點旋轉 180 度。奇函數只有正弦項,給出正弦級數——而正弦在兩端消失,吻合狄利克雷(值為零)邊界條件。0 到 L 上同樣的原始資料,兩種不同的補全,兩種不同的級數。

這就是「半幅」傅立葉展開背後的祕密:你可以自由選擇尊重你邊界條件的延拓,再對延拓後的週期函數施行普通的傅立葉機制。這個選擇對平滑性也有影響。偶延拓通常在 x = 0 處連續地接上自己(無跳躍),所以它的級數收斂良好;若 f(0) 不為零,奇延拓可能在那裡製造人為的跳躍,引發吉布斯振鈴。選擇同時吻合邊界條件「與」函數端點值的延拓,會給出行為最好的級數。

取 0 到 L 上的 f(x) = x。它的奇延拓是 -L 到 L 上的直線 y = x(過原點連續,但作週期時在 x = L 跳躍)。它的偶延拓是 V 形 y = |x|(原點處一個轉角,但作週期時連續)。奇延拓給出在 x = L 有跳躍引發吉布斯尖峰的正弦級數;偶延拓給出更平滑、收斂更快的餘弦級數。

偶延拓吻合諾伊曼(餘弦);奇延拓吻合狄利克雷(正弦)——並影響級數收斂得多乾淨。

延拓的選擇由邊界條件決定,而非憑喜好:狄利克雷資料要奇延拓(正弦),諾伊曼資料要偶延拓(餘弦)。選錯會給出滿足錯誤邊界條件的級數。

又稱
even/odd reflectionhalf-range expansions偶/奇延拓半幅展開