Exercice 1 - Exercice 1

30 min
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On note par i\mathrm{i} le nombre complexe tel que i2=−1\mathrm{i}^2 = -1.
1−Seˊries  trigonomeˊtriques{\color{red}{ \bf{ 1 - Séries \,\, trigonométriques}}}
1.1  Deˊfinition−seˊries  trigonomeˊtriques{\color{blue}{ \bf{1.1 \,\, Définition - séries \,\, trigonométriques}}}
On appelle série trigonométrique, à valeurs dans R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}, une série de fonctions d'une variable réelle xx de la forme :
a0+∑n=1+∞ancos⁡(nx)+bnsin⁡(nx)a_0 + \sum_{n = 1}^{+\infty} a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx)
Et (an∈N)(a_{n \in \mathbb{N}}) et (bn∈N)(b_{n \in \mathbb{N}}) sont des suites de nombres réels ou complexes.
On a les propriétés suivantes :
- si une série trigonométrique est convergente, alors sa somme est une fonction 2π2\pi-périodique ;
- si a1a_1 ou b1b_1 n'est pas nul alors la plus petite période de la fonction définie par la somme d'une série trigonométrique convergente est 2π2\pi ;
- si tous les coefficients ana_n sont nuls, alors la somme d'une série trigonométrique convergente est une fonction paire ;
- si tous les coefficients bnb_n sont nuls, alors la somme d'une série trigonométrique convergente est une fonction impaire ;
- Il existe une forme complexe équivalente :
∑n=0+∞ancos⁡(nx)+bnsin⁡(nx)=∑n=−∞+∞cn einx\sum_{n = 0}^{+\infty} a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx) = \sum_{n = -\infty}^{+\infty} c_n \, e^{\mathrm{i} nx}
avec c0=a0c_0 = a_0 et pour n∈N⋆n \in \mathbb{N}^\star, on a d'une part cn=12(an−i bn)c_n = \dfrac{1}{2} (a_n - \mathrm{i} \, b_n), et d'autre part c−n=12(an+i bn)c_{-n} = \dfrac{1}{2} (a_n + \mathrm{i} \, b_n)
On peut donc, facilement, passer d'une formulation réelle à une formulation complexe et inversement. En effet, on a a0=c0a_0 = c_0 mis également :
an=cn+c−n    et    bn=i (cn−c−n)a_n = c_n + c_{-n} \,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\, b_n = \mathrm{i} \, \big( c_n - c_{-n} \big)
2−Seˊries  de  Fourier{\color{red}{ \bf{ 2 - Séries \,\, de \,\, Fourier}}}
2.1  Deˊfinition−seˊries  de  Fourier{\color{blue}{ \bf{2.1 \,\, Définition - séries \,\, de \,\, Fourier}}}
Soit ff une fonction d'une variable réelle à valeur réelles ou complexes, qui est 2π2\pi- périodique et continues par morceaux.
On appelle coefficients  de  Fourier  trigonomeˊtriques{\color{red}{ \bf{coefficients \,\, de \,\, Fourier \,\, trigonométriques}}} de ff les nombres, réels ou complexes suivants :
∀n∈n,   an=1π∫02πf(x)cos⁡(nx) dx   et   bn=1π∫02πf(x)sin⁡(nx) dx\forall n \in \mathbb{n}, \,\,\, a_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} f(x) \cos(nx) \, \mathrm{d}x \,\,\, \mathrm{et} \,\,\, b_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} f(x) \sin(nx) \, \mathrm{d}x
On appelle coefficients  de  Fourier  exponentiels{\color{red}{ \bf{coefficients \,\, de \,\, Fourier \,\, exponentiels}}} de ff les nombres complexes suivants :
∀n∈Z,   cn=12π∫02πf(x)e−inx dx\forall n \in \mathbb{Z}, \,\,\, c_n = \dfrac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} f(x) e^{- \mathrm{i} nx} \, \mathrm{d}x
On appelle seˊrie  de  Fourier  trigonomeˊtriques{\color{red}{ \bf{série \,\, de \,\, Fourier \,\, trigonométriques}}} de ff la série de fonction suivante :
a02+∑n=1+∞ancos⁡(nx)+bnsin⁡(nx)\dfrac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^{+\infty} a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx)
- Remarque 1 : les fonctions intégrées étant 2π2\pi-périodique, il est possible de remplacer l'intervalle d'intégration [0 ; 2π][0 \,;\, 2\pi] par n'importe quel autre intervalle de longueur 2π2\pi. Dans la cas d'une fonction ff paire ou impaire il peut être judicieux de faire usage de l'intervalle d'intégration [−π ; π][-\pi \,;\, \pi].
- Remarque 2 : La série de Fourier peut également s'écrire avec les coefficient cnc_n et son expression est ∑n=−∞+∞cn einx\sum_{n = -\infty}^{+\infty} c_n \, e^{\mathrm{i} nx}.
- Remarque 3 : Les diverses hypothèses faites sur la fonction ff impliquent que la série de Fourier existe bien. Néanmoins sa convergence c'est pas assurée et de plus rien n'assure que la somme associée soit égale à ff.
Theˊoreˋme  1−proprieˊteˊs  des  coefficients  de  Fourier{\color{green}{ \bf{Théorème \,\, 1 - propriétés \,\, des \,\, coefficients \,\, de \,\, Fourier}}}
Soit ff une fonction continue et définie sur R\mathbb{R} et à valeurs dans R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}, 2π2\pi-périodique et de classe C1C^1 par morceaux. On désigne par f′f' la fonction dérivée première associée. On a alors :
an(f′)=n×bn(f)    et    bn(f′)=−n×an(f)a_n(f') = n \times b_n(f) \,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\, b_n(f') = - n \times a_n(f)
Puis :
cn(f′)=i n×cn(f)c_n(f') = \mathrm{i} \, n \times c_n(f)
On déduit de ce théorème que si une fonction ff est de classe C1C^1 par morceaux, ces coefficients de Fourier tendent vers 00 lorsque nn tend vers l'infini.
↬  \looparrowright \,\, Remarque :
Si ff est 2π2\pi-périodique et de classe CkC^k alors ses coefficients de Fourier sont des o(1nk)o\left( \dfrac{1}{n^k} \right).
En effet, si ff est 2π2\pi-périodique et de classe C1C^1 alors on a l'intégration ci-dessous :
cn(f′)=12π∫02πf′(x)e−inx dxc_n(f') = \dfrac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} f'(x) e^{- \mathrm{i}nx} \, \mathrm{d}x
En faisant usage de la méthode de l'intégration par parties, on obtient :
cn(f′)=12π[f(x) e−inx]02π−12π(−in)∫02πf(x)e−inx dxc_n(f') = \dfrac{1}{2\pi} \big[ f(x) \, e^{- \mathrm{i}nx} \big]_{0}^{2\pi} - \dfrac{1}{2\pi} (- \mathrm{i}n) \int_{0}^{2\pi} f(x) e^{- \mathrm{i}nx} \, \mathrm{d}x
Soit :
cn(f′)=12π[f(x) e−inx]02π+in cn(f)c_n(f') = \dfrac{1}{2\pi} \big[ f(x) \, e^{- \mathrm{i}nx} \big]_{0}^{2\pi} + \mathrm{i}n \, c_n(f)
Comme ff est 2π2\pi-périodique, on en déduit que [f(x) e−inx]02π=0\big[ f(x) \, e^{- \mathrm{i}nx} \big]_{0}^{2\pi} = 0. Ainsi :
cn(f′)=in cn(f)c_n(f') = \mathrm{i}n \, c_n(f)
Puis, par récurrence, avec k∈N⋆k \in \mathbb{N}^\star, on obtient directement :
cn(f(k))=(in)k cn(f)c_n(f^{(k)}) = (\mathrm{i}n)^k \, c_n(f)
Ce qui implique que :
cn(f)=1nk×1ik cn(f(k))c_n(f) = \dfrac{1}{n^k} \times \dfrac{1}{\mathrm{i}^k} \, c_n(f^{(k)})
Or, lorsque ∣n∣⟶+∞|n| \longrightarrow + \infty on a cn(f(k))⟶0c_n(f^{(k)}) \longrightarrow 0. Ceci permet de conclure que cn(f)=o(1nk)c_n(f) = o\left( \dfrac{1}{n^k} \right).
Theˊoreˋme  2−premier  theˊoreˋme  de  Dirichlet{\color{green}{ \bf{Théorème \,\, 2 - premier \,\, théorème \,\, de \,\, Dirichlet}}}
Soit ff une fonction numérique 2π2\pi-périodique d'une variable réelle et à valeurs réelles ou complexes. Si cette fonction est C1C^1 par morceaux alors la série de Fourier est simplement convergente sur R\mathbb{R} et sa somme est égale, en xx, à la demi-somme des limites à gauche et à droite de xx. Cette demi-somme s'appelle la régularisée de ff en xx et se note parfois f⋆(x)f^\star(x). On a donc :
∀x∈R,   ∑n=−∞+∞cn einx=12(f(x−)+f(x+))=f⋆(x)\forall x \in \mathbb{R}, \,\,\, \sum_{n = -\infty}^{+\infty} c_n \, e^{\mathrm{i} nx} = \dfrac{1}{2} \big( f(x^-) + f(x^+) \big) = f^\star(x)
Et :
∀n∈Z,   cn=12π∫02πf(x)e−inx dx\forall n \in \mathbb{Z}, \,\,\, c_n = \dfrac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} f(x) e^{- \mathrm{i} nx} \, \mathrm{d}x
Et bien évidemment, on a de manière équivalente :
∀x∈R,   a02+∑n=1+∞ancos⁡(nx)+bnsin⁡(nx)=12(f(x−)+f(x+))\forall x \in \mathbb{R}, \,\,\, \dfrac{a_0}{2} + \sum_{n = 1}^{+\infty} a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx) = \dfrac{1}{2} \big( f(x^-) + f(x^+) \big)
Et :
∀n∈n,   an=1π∫02πf(x)cos⁡(nx) dx\forall n \in \mathbb{n}, \,\,\, a_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} f(x) \cos (nx) \, \mathrm{d}x
ainsi que
∀n∈n,   bn=1π∫02πf(x)sin⁡(nx) dx\forall n \in \mathbb{n}, \,\,\, b_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} f(x) \sin (nx) \, \mathrm{d}x
3−Conditions  de  Dirichlet{\color{red}{ \bf{ 3 - Conditions \,\, de \,\, Dirichlet}}}
On dit qu'une fonction ff définie sur R\mathbb{R} et à valeur réelles ou complexes vérifie les conditions du mathématicien prusse Johann Peter Gustav Lejeune Dirichlet (1805 - 1859) si les trois conditions suivantes sont satisfaites simultanément :
- la fonction ff est 2π2\pi-périodique ;
- la fonction ff est C0C^0 (c'est à dire continue) par morceaux ;
- la valeur de ff en tout point est égale à la régularisée 12(f(x−)+f(x+))\dfrac{1}{2} \big( f(x^-) + f(x^+) \big).
L'ensemble des fonctions qui vérifient les conditions de Dirichlet est un sous-espace vectoriel de l'espace vectoriel des fonctions numériques univariées définies sur R\mathbb{R} ou C\mathbb{C} ; ou celui des fonctions numériques univariées 2π2\pi-périodique. Cet ensemble se note par D\mathcal{D}.
Theˊoreˋme  3−second  theˊoreˋme  de  Dirichlet{\color{green}{ \bf{Théorème \,\, 3 - second \,\, théorème \,\, de \,\, Dirichlet}}}
La série de Fourier de toute fonction ff appartenant à l'ensemble D\mathcal{D} qui est de classe C1C^1 par morceaux est, sur R\mathbb{R}, simplement convergente.
4−L′espace  vectoriel  de  Dirichlet{\color{red}{ \bf{ 4 - L'espace \,\, vectoriel \,\, de \,\, Dirichlet}}}
On définit sur l'ensemble D\mathcal{D} une forme bilinéaire de la manière suivante :
<f , g>=12π∫02πf(x)‾×g(x) dx< f \, , \, g > = \dfrac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} \overline{f(x)}\times g(x)\, \mathrm{d}x
Theˊoreˋme  4−ensemble  de  Dirichlet{\color{green}{ \bf{Théorème \,\, 4 - ensemble \,\, de \,\, Dirichlet}}}
L'ensemble D\mathcal{D} munie de la forme bilinéaire < , >< \, , \, > est un espace pré-hilbertient (complexe)
On désigne par (en)n∈Z(e_n)_{n \in \mathbb{Z}} la famille des éléments de l'ensemble de Dirichlet D\mathcal{D} qui sont définis par :
∀n∈Z,  ∀x∈R,   en(x)=einx\forall n \in \mathbb{Z}, \,\, \forall x \in \mathbb{R}, \,\,\, e_n(x) = e^{\mathrm{i} nx}
Et on a les deux propriétés suivantes :
- la famille (en)n∈Z(e_n)_{n \in \mathbb{Z}} est une famille orthonormale de l'espace (D , < , >)(\mathcal{D} \,,\, < \, , \, >) ;
- pour tout nombre entier naturel nn, le coefficient de Fourier cnc_n d'une fonction ff de D\mathcal{D} est égal au produit hermitien <en , f>< e_n \, , \, f >.
Theˊoreˋme  5−convergence  normale{\color{green}{ \bf{Théorème \,\, 5 - convergence \,\, normale}}}
Soit ff une fonction numérique univariée de R\mathbb{R} dans R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}, 2π2\pi-périodique, continue sur R\mathbb{R} et de classe C1C^1 par morceaux. Dans ce cas la série de Fourier de la fonction ff converge normalement, sur R\mathbb{R}, vers ff.
Theˊoreˋme  6−ineˊgaliteˊ  de  Bessel{\color{green}{ \bf{Théorème \,\, 6 - inégalité \,\, de \,\, Bessel}}}
Si la famille (en)n∈Z(e_n)_{n \in \mathbb{Z}} est une famille orthonormale d'un espace pré-hilbertien (E , < , >)(\mathcal{E} \,,\, < \, , \, >) quelconque alors, pour x∈Ex \in \mathcal{E} on a l'inégalité, dite de Bessel, suivante :
∑n∈N∣ <x , en> ∣2⩽∣∣x∣∣2\sum_{n \in \mathbb{N}} \big| \, < x \, , \, e_n > \, \big|^2 \leqslant ||x||^2
En appliquant cette inégalité à l'espace (D , < , >)(\mathcal{D} \,,\, < \, , \, >) aux cas des deux suites (an∈N)(a_{n \in \mathbb{N}}) et (bn∈N)(b_{n \in \mathbb{N}}) des coefficient de Fourier de f∈Df \in \mathcal{D} alors les deux séries numériques ∑n=0+∞∣ an ∣2\sum_{n = 0}^{+ \infty} |\, a_n \,|^2 et ∑n=0+∞∣ an ∣2\sum_{n = 0}^{+ \infty} |\, a_n \,|^2 sont convergentes.
Lorsque l'espace pré-hilbertien est (D , < , >)(\mathcal{D} \,,\, < \, , \, >) il existe le théorème mathématicien français Marc-Antoine Parseval des Chênes (1755-1836) qui est plus puissant que l'inégalité de Bessel : ce n'est plus une inégalité mais une égalité.
Theˊoreˋme  7−formule  de  Parseval{\color{green}{ \bf{Théorème \,\, 7 - formule \,\, de \,\, Parseval}}}
Pour toute fonction f∈Df \in \mathcal{D} on a l'égalité suivante :
1π∫02π∣ f(x) ∣2 dx=2∑n=−∞+∞∣ cn ∣2\dfrac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} |\, f(x) \,|^2 \, \mathrm{d}x = 2 \sum_{n = -\infty}^{+ \infty} |\, c_n \,|^2
Et :
1π∫02π∣ f(x) ∣2 dx=∣ a0 ∣22+∑n=1+∞(∣ an ∣2+∣ bn ∣2)\dfrac{1}{\pi} \int_{0}^{2\pi} |\, f(x) \,|^2 \, \mathrm{d}x = \dfrac{|\, a_0 \,|^2}{2} + \sum_{n = 1}^{+ \infty} \big( |\, a_n \,|^2 + |\, b_n \,|^2 \big)
↬  \looparrowright \,\, Remarque :
Soit LL un nombre réel strictement positif. Dans le cas des fonctions 2L2L-périodique on a les définitions suivantes des coefficient de Fourier :
an=1L∫02Lf(x)cos⁡(nπxL) dxa_n = \dfrac{1}{L} \int_{0}^{2L} f(x) \cos\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right) \, \mathrm{d}x
bn=1L∫02Lf(x)sin⁡(nπxL) dxb_n = \dfrac{1}{L} \int_{0}^{2L} f(x) \sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right) \, \mathrm{d}x
cn=12L∫02Lf(x)e−inπxL dxc_n = \dfrac{1}{2L} \int_{0}^{2L} f(x) e^{ - \mathrm{i} \frac{n \pi x}{L}} \, \mathrm{d}x
On rappelle qu'une fonction numérique univariée ff définie sur un ensemble I⊂RI \subset \mathbb {R} est déclarée de période T∈R⋆T \in \mathbb{R}^\star, ou TT-périodique, si elle vérifie :
∀x∈I,  x+T∈I,   f(x+T)=f(x)\forall x\in \mathcal {I}, \,\, x + T \in \mathcal {I}, \,\,\, f(x+T)=f(x)
Lorsqu'une fonction est périodique, son graphe reproduit de façon répétitive n’importe quelle portion particulière de longueur égale à une période : c'est une propriété d'invariance par translation.
La série de Fourier associée à ff, c'est-à-dire le développement trigonométrique ou exponentielle est couramment désigné par SFf(x)\mathcal{SF}_f(x).


Question 1
Pour bien débuter.

Soit la fonction numérique ff, 2π2\pi-périodique, dont l'image est, sur l'intervalle [−π ; π][-\pi \,;\, \pi], donnée par l'expression f(x)=x2f(x) = x^2. Déterminer l'expression de sa série de Fourier.

Correction
La fonction considérer satisfait aux condition de Dirichlet et de fait elle admet un développement en série de Fourier convergent vers la régularisée associée.
Cette fonction est paire. De fait les coefficients trigonométriques bnb_n sont tous nuls.
On a :
a0=1π∫−ππx2 dx=1π[x33]−ππ=13π[x3]−ππ=13π(π3−(−π)3)=13π(π3+π3)=2π33π=2π23a_0 = \dfrac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} x^2 \, \mathrm{d}x = \dfrac{1}{\pi} \left[ \dfrac{x^3}{3} \right]_{-\pi}^{\pi} = \dfrac{1}{3\pi} \left[x^3 \right]_{-\pi}^{\pi} = \dfrac{1}{3\pi} \left(\pi^3 - (-\pi)^3 \right) = \dfrac{1}{3\pi} \left(\pi^3 + \pi^3 \right) = \dfrac{2\pi^3}{3\pi} = \dfrac{2\pi^2}{3}
Donc :
a02=π23\dfrac{a_0}{2} = \dfrac{\pi^2}{3}
De plus, ∀n∈N⋆\forall n \in \mathbb{N}^\star, on a avec une première intégration par parties :
an=1π∫−ππx2cos⁡(nx) dx=[x21nπsin⁡(nx)]−ππ−1π∫−ππ2x1nsin⁡(nx) dxa_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} x^2 \cos(nx) \, \mathrm{d}x = \left[ x^2\dfrac{1}{n\pi}\sin(nx) \right]_{-\pi}^{\pi} - \dfrac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} 2x \dfrac{1}{n}\sin(nx) \, \mathrm{d}x
Comme sin⁡(±nπ)=0\sin(\pm n\pi) = 0 on obtient :
an=−2nπ∫−ππxsin⁡(nx) dxa_n = - \dfrac{2}{n\pi}\int_{-\pi}^{\pi} x \sin(nx) \, \mathrm{d}x
Nous allons maintenant effectuer une seconde intégration par parties :
−nπ2an=∫−ππxsin⁡(nx) dx=[−x1ncos⁡(nx)]−ππ−∫−ππ1×(−1ncos⁡(nx)) dx-\dfrac{n \pi}{2} a_n = \int_{-\pi}^{\pi} x \sin(nx) \, \mathrm{d}x = \left[ - x \dfrac{1}{n}\cos(nx) \right]_{-\pi}^{\pi} - \int_{-\pi}^{\pi} 1 \times \left( -\dfrac{1}{n}\cos(nx) \right) \, \mathrm{d}x
Soit :
nπ2an=1n[xcos⁡(nx)]−ππ−1n∫−ππcos⁡(nx) dx\dfrac{n \pi}{2} a_n = \dfrac{1}{n}\left[ x \cos(nx) \right]_{-\pi}^{\pi} - \dfrac{1}{n} \int_{-\pi}^{\pi} \cos(nx)\, \mathrm{d}x
Soit encore :
n2π2an=[xcos⁡(nx)]−ππ−∫−ππcos⁡(nx) dx\dfrac{n^2 \pi}{2} a_n = \left[ x \cos(nx) \right]_{-\pi}^{\pi} - \int_{-\pi}^{\pi} \cos(nx)\, \mathrm{d}x
Avec :
[xcos⁡(nx)]−ππ=πcos⁡(nπ)−(−π)cos⁡(−nπ)=πcos⁡(nπ)+πcos⁡(−nπ)\left[ x \cos(nx) \right]_{-\pi}^{\pi} = \pi \cos(n\pi) - (-\pi) \cos(-n\pi) = \pi \cos(n\pi) + \pi \cos(-n\pi)
Or la fonction cosinus est paire, donc cos⁡(−nπ)=cos⁡(nπ)\cos(-n\pi) = \cos(n\pi). D'où :
[xcos⁡(nx)]−ππ=πcos⁡(nπ)+πcos⁡(nπ)=2πcos⁡(nπ)\left[ x \cos(nx) \right]_{-\pi}^{\pi} = \pi \cos(n\pi) + \pi \cos(n\pi) = 2\pi \cos(n\pi)
De plus :
∀n∈N⋆,  cos⁡(nπ)=(−1)n\forall n \in \mathbb{N}^\star, \,\, \cos(n\pi) = (-1)^n
Ainsi :
[xcos⁡(nx)]−ππ=2π(−1)n\left[ x \cos(nx) \right]_{-\pi}^{\pi} = 2\pi (-1)^n
Puis :
∫−ππcos⁡(nx) dx=2∫0πcos⁡(nx) dx=2[1nsin⁡(nx)]0π=2n[sin⁡(nx)]0π=2n(sin⁡(nπ)−sin⁡(0))=2n(0−0)=0\int_{-\pi}^{\pi} \cos(nx)\, \mathrm{d}x = 2\int_{0}^{\pi} \cos(nx)\, \mathrm{d}x = 2\left[ \dfrac{1}{n}\sin(nx) \right]_{0}^{\pi} = \dfrac{2}{n} \left[ \sin(nx) \right]_{0}^{\pi} = \dfrac{2}{n} \left( \sin(n\pi) - \sin(0) \right) = \dfrac{2}{n} \left( 0 - 0 \right) = 0
Ceci nous permet d'écrire que :
n2π2an=2π(−1)n−0\dfrac{n^2 \pi}{2} a_n = 2\pi (-1)^n -0
Soit :
n22an=2(−1)n\dfrac{n^2}{2} a_n = 2(-1)^n
Donc :
∀n∈N⋆,  an=4(−1)nn2\forall n \in \mathbb{N}^\star, \,\,a_n = 4\dfrac{(-1)^n}{n^2}
Ceci nous permet d'écrire le développement suivant :
x2=π23+∑n=1+∞4(−1)nn2cos⁡(nx)x^2 = \dfrac{\pi^2}{3} + \sum_{n = 1}^{+\infty} 4\dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx)
Finalement, comme la régularisée f⋆f^\star est égale à la fonction ff (de part sa continuité), on obtient :
x2=π23+4∑n=1+∞(−1)nn2cos⁡(nx)x^2 = \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx)
Pour visualiser la puissance de ce résultats, voici le graphe de la fonction ff étudiée :

Puis, voici la représentation des graphes de la fonction ff étudiée et des deux sommes partielles π23+∑n=1n=504(−1)nn2cos⁡(nx)\dfrac{\pi^2}{3} + \sum_{n = 1}^{n = 50} 4\dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx) et π23+∑n=1n=1004(−1)nn2cos⁡(nx)\dfrac{\pi^2}{3} + \sum_{n = 1}^{n = 100} 4\dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx) :

On constate bien que la méthodes des séries de Fourier est très performante.

Question 2

En déduire la valeur numérique de la célèbre série numérique de Mengoli, à savoir ∑n=1+∞1n2\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}, ou d'Euler relative au problème de Bâle.

Correction
Nous venons de démontrer que :
∀x∈R,   x2=π23+4∑n=1+∞(−1)nn2cos⁡(nx)\forall x \in \mathbb{R}, \,\,\, x^2 = \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx)
Plaçons nous en x=πx = \pi. On a alors :
π2=π23+4∑n=1+∞(−1)nn2cos⁡(nπ)\pi^2 = \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(n\pi)
On sait que cos⁡(nπ)=(−1)n\cos(n\pi) = (-1)^n. Donc :
π2=π23+4∑n=1+∞(−1)nn2(−1)n\pi^2 = \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}(-1)^n
Soit :
π2=π23+4∑n=1+∞((−1)n)2n2\pi^2 = \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{\big((-1)^n\big)^2}{n^2}
Soit encore :
π2−π23=4∑n=1+∞1n2\pi^2 -\dfrac{\pi^2}{3} = 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}
Ceci nous donne donc :
2π23=4∑n=1+∞1n2\dfrac{2\pi^2}{3} = 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}
En simplifiant par 22 on obtient :
π23=2∑n=1+∞1n2\dfrac{\pi^2}{3} = 2\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}
Donc :
π23×2=∑n=1+∞1n2\dfrac{\pi^2}{3 \times 2} = \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}
Finalement :
∑n=1+∞1n2=π26\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2} = \dfrac{\pi^2}{6}
Question 3

Soit la fonction numérique ff, 2π2\pi-périodique, dont l'image est, sur l'intervalle ]−π ; π[]-\pi \,;\, \pi[, donnée par l'expression f(x)=xf(x) = x. Déterminer l'expression de sa série de Fourier.

Correction
la fonction g:x⟼x2g : x \longmapsto x^2 permet d'envisager l'opération de dérivation.
Ainsi, le développement en série de Fourier de f:x⟼12g′f : x \longmapsto \frac{1}{2}g' sera accessible par la dérivation directe du développement en série de Fourier de l'expression fonctionnelle g(x)=x2g(x) = x^2.
On a alors :
x=12(x2)′x = \frac{1}{2}(x^2)'
Soit :
x=12(π23+4∑n=1+∞(−1)nn2cos⁡(nx))′x = \frac{1}{2} \left( \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx) \right)'
Soit encore :
x=12(π23)′+124(∑n=1+∞(−1)nn2cos⁡(nx))′x = \frac{1}{2} \left( \dfrac{\pi^2}{3} \right)' + \frac{1}{2}4 \left(\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nx) \right)'
La dérivation s'effectuant par rapport à la variable xx, nous pouvons écrire que :
x=12(π23)′+2∑n=1+∞(−1)nn2(cos⁡(nx))′x = \frac{1}{2} \left( \dfrac{\pi^2}{3} \right)' + 2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2} \left( \cos(nx) \right)'
Avec (π23)′=0\left( \dfrac{\pi^2}{3} \right)' = 0 et (cos⁡(nx))′=−nsin⁡(nx)\left( \cos(nx) \right)'= -n \sin(nx)
Ce qui nous donne :
x=0−2∑n=1+∞(−1)nn2nsin⁡(nx)x = 0 - 2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2} n\sin(nx)
Nous allons donc écrire ceci comme :
x=2∑n=1+∞(−1)1(−1)nn2nsin⁡(nx)x = 2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^1(-1)^n}{n^2} n\sin(nx)
En simplifiant par nn, non nul, on obtient :
x=2∑n=1+∞(−1)1(−1)nnsin⁡(nx)x = 2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^1(-1)^n}{n} \sin(nx)
Enfin, on sait que (−1)1(−1)n=(−1)n+1(-1)^1(-1)^n = (-1)^{n+1}. Ce qui finalement nous donne :
x=2∑n=1+∞(−1)n+1nsin⁡(nx)x = 2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} \sin(nx)
∙  \bullet \,\, Remarque : le pheˊnomeˋne de Gibbs\textbf{Remarque : le phénomène de Gibbs}
La fonction ff présente, sur R\mathbb{R}, des discontinuités. Il est intéressant d'observer le comportement des sommes partielles au voisinages des discontinuités. La fonction étudiée est le "célèbre signal dents de scie" dont le graphe est le suivant :

Voici le graphe représentatif de la somme partielle 2∑n=1n=10(−1)n+1nsin⁡(nx)2 \sum_{n = 1}^{n=10} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} \sin(nx)

Voici le graphe représentatif de la somme partielle 2∑n=1n=50(−1)n+1nsin⁡(nx)2 \sum_{n = 1}^{n=50} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} \sin(nx)

Voici le graphe représentatif de la somme partielle 2∑n=1n=100(−1)n+1nsin⁡(nx)2 \sum_{n = 1}^{n=100} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} \sin(nx)

Voici le graphe représentatif de la somme partielle 2∑n=1n=500(−1)n+1nsin⁡(nx)2 \sum_{n = 1}^{n=500} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} \sin(nx)

Voici le graphe représentatif de la somme partielle 2∑n=1n=5000(−1)n+1nsin⁡(nx)2 \sum_{n = 1}^{n=5000} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} \sin(nx)

On constate que les comportements particuliers, qui peuvent s'assimiler à une déformation du signal, qui se produisent aux discontinuités se "régularisent" lorsque l'ordre de la somme partielle augmente. Ce comportement est connu sous le nom de phénomène de Gibbs. Ce phénomène est un effet de bord qui se produit à la proximité d'une discontinuité, lors de l'analyse d'une fonction qui est dérivable par morceaux.

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