Ведь все же какая-то разница должна быть...
Конечно. В первом случае вы пропустили

который там должен быть в пределах суммы. А если его не пропускать - два выражения отличаются только перенумерацией последовательности коэффициентов

то есть после суммирования - ничем.
И кстати, а это точно будет рядом Фурье?...
Это не ряд Фурье, но это метод Фурье (который опирается на базис собственных функции, не обязательно на базис ряда Фурье). В более сложных случаях собственные функции могут выглядеть совсем непохоже на синусы ряда Фурье (функции Бесселя, шаровые функции, степенные многочлены, только для примера), но принцип разложения решения в сумму по собственным значениям сохраняется.