Exercice 10 - Exercice 1

2 h
165
Une application importante des séries de Fourier aux phénomènes vibratoires en Physique?
Question 1
On appelle eˊquation des ondes{\color{red}{\textbf{équation des ondes}}}, l'E\textbf{E}quation aux D\textbf{D}érivées P\textbf{P}artielles (E.D.P.) lineˊaire{\color{red}{\textbf{linéaire}}} suivante :
∂2∂t2y(x ; t)=c2∂2∂x2y(x ; t)\dfrac{\partial^2}{\partial t^2} y(x\,;\,t) = c^2 \dfrac{\partial^2}{\partial x^2} y(x\,;\,t)
On parle, historiquement, d’eˊquation de d’Alembert{\color{red}{\textbf{d'équation de d'Alembert}}}, et elle fut établie en 1746 par le mathématicien français Jean le Rond d’Alembert\textit{Jean le Rond d'Alembert}.
On se propose de chercher, sur le domaine D={(x ; t) ∣0⩽x⩽L  ;  t⩾0}D= \left\lbrace(x\,;\,t) \, \vert 0 \leqslant x \leqslant L \,\, ;\,\, t \geqslant 0\right\rbrace, les solutions bornées qui satisfaisont aux conditions :
∙  \bullet \,\, limites : y(x=0 ; t)=y(L ; t)=0y(x=0\,;\,t) = y(L\,;\,t) = 0 ;
∙∙  \bullet \bullet \,\, initiales : y(x ; 0)=f(x)y(x\,;\,0) = f(x) et ∂∂ty(x ; t)]t=0=g(x)\left.\dfrac{\partial}{\partial t}y(x\,;\,t) \right]_{t = 0} = g(x).
Ce problème décrit, à chaque instant tt, les mouvements transversaux d'une corde homogène, tendue, de longueur LL. L'élongation de chaque point d'abscisse xx est notée, à l'instant tt, par y(x ; t)y(x\,;\,t).
La corde est fixée à ses extrémités et on néglige la force de pesanteur terrestre devant la force de tension de la corde, ainsi que toutes formes d'amortissement du mouvement.
A l'instant initial t=0t=0, la corde à une forme décrite par f(x)f(x) et chaque point de cette corde est libérée à une vitesse verticale initiale donnée, quant à elle, par g(x)g(x).

Résoudre l'équation des ondes par la méthode dite des variables séparées, à savoir, on pose y(x ; t)=X(x)×T(t)y(x\,;\,t) = {\color{red}{X(x)}} \times {\color{blue}{T(t)}}.

Correction
On pose y(x ; t)=X(x)×T(t)y(x\,;\,t) = {\color{red}{X(x)}} \times {\color{blue}{T(t)}}, dans ce cas l'équation des ondes devient :
∂2∂t2(X(x)×T(t))=c2∂2∂x2(X(x)×T(t))\dfrac{\partial^2}{\partial t^2} ({\color{red}{X(x)}} \times {\color{blue}{T(t)}}) = c^2 \dfrac{\partial^2} {\partial x^2} ({\color{red}{X(x)}} \times {\color{blue}{T(t)}})
Soit :
X(x)∂2∂t2T(t)=c2T(t)∂2∂x2X(x){\color{red}{X(x)}}\dfrac{\partial^2}{\partial t^2} {\color{blue}{T(t)}} = c^2 {\color{blue}{T(t)}}\dfrac{\partial^2}{\partial x^2} {\color{red}{X(x)}}
Soit encore :
1c2T(t)∂2∂t2T(t)=1X(x)∂2∂x2X(x)\dfrac{1}{c^2 {\color{blue}{T(t)}}} \dfrac{\partial^2}{\partial t^2} {\color{blue}{T(t)}} = \dfrac{1}{{\color{red}{X(x)}}}\dfrac{\partial^2}{\partial x^2} {\color{red}{X(x)}}
D'où :
1c2T(t)T′′(t)=1X(x)X′′(x)\dfrac{1}{c^2 {\color{blue}{T(t)}}} {\color{blue}{T''(t)}} = \dfrac{1}{{\color{red}{X(x)}}}{\color{red}{X''(x)}}
Cette égalité porte sur des expressions dont les variables sont différentes. C'est pourquoi, l’unique possibiliteˊ\textbf{l'unique possibilité} pour que cette dernière égalité soit possible, est que chacun des deux membres soit eˊgal aˋ une meˆme constante\textbf{soit égal à une même constante}. Posons kk cette constante réelle. On a alors :
{1c2T(t)T′′(t)=k1X(x)X′′(x)=k      ⟺      {T′′(t)=kc2T(t)X′′(x)=kX(x)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \dfrac{1}{c^2 {\color{blue}{T(t)}}} {\color{blue}{T''(t)}} & = & k \\ & & \\ \dfrac{1}{{\color{red}{X(x)}}}{\color{red}{X''(x)}} & = & k \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} {\color{blue}{T''(t)}} & = & k c^2 {\color{blue}{T(t)}} \\ & & \\ {\color{red}{X''(x)}} & = & k {\color{red}{X(x)}} \\ \end{array} \right.
Ce qui nous donne :
{T′′(t)−kc2T(t)=0X′′(x)−kX(x)=0\left\lbrace \begin{array}{rcl} {\color{blue}{T''(t)}} - k c^2 {\color{blue}{T(t)}}& = & 0 \\ & & \\ {\color{red}{X''(x)}} - k {\color{red}{X(x)}} & = & 0 \\ \end{array} \right.
A ce stade, deux réflexions s'imposent :
∙  \bullet \,\, Physiquement\textbf{Physiquement}, pour décrire des phénomènes oscillants et vibratoires, il est nécessaire de faire appelle aux fonctions trigonométriques sinus et cosinus. Matheˊmatiquement\textbf{Mathématiquement}, ces fonctions doivent donc être les solutions de ces deux équations différentielles. Ceci impose donc que la constante réelle kk soit strictement négative : k<0k<0.
∙∙  \bullet \bullet \,\, Afin d'être homogène vis-à-vis du terme c2c^2 qui multiplie kk, il est plus pratique d'exprimer la constante réelle kk sous la forme d’un carreˊ\textbf{sous la forme d'un carré}.
C'est pourquoi, on pose :
k=−ω2    avec:ω∈R{\color{red}{k= -\omega^2 \,\,\,\, \mathrm{avec : \omega \in \mathbb{R}} }}
Ce qui nous donne :
{T′′(t)+(ωc)2T(t)=0X′′(x)+ω2X(x)=0      ⟺      {T(t)=Acos⁡(ωct)+Bsin⁡(ωct)X(x)=Ccos⁡(ωx)+Dsin⁡(ωx)\left\lbrace \begin{array}{rcl} {\color{blue}{T''(t)}} + (\omega c)^2 {\color{blue}{T(t)}}& = & 0 \\ & & \\ {\color{red}{X''(x)}} + \omega^2 {\color{red}{X(x)}} & = & 0 \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} {\color{blue}{T(t)}} & = & A \cos(\omega c t) + B \sin(\omega c t) \\ & & \\ {\color{red}{X(x)}} & = & C \cos(\omega x) + D \sin(\omega x) \\ \end{array} \right.
Avec (A ; B ; C ; D)∈R4(A\,;\,B\,;\,C\,;\,D) \in \mathbb{R}^4.
Les conditions limites y(x=0 ; t)=y(L ; t)=0y(x=0\,;\,t) = y(L\,;\,t) = 0 s'expriment comme :
X(0)=0    et    X(L)=0X(0) = 0 \,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\, X(L)=0
Ce qui implique que :
C=0    et    sin⁡(ωL)=0C = 0 \,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\, \sin(\omega L)=0
Or, on sait que sin⁡(nπ)=0\sin(n\pi)=0, avec n∈N∗n\in \mathbb{N}^*. Ce qui implique :
ωL=nπ    ⟹    ω=nπL\omega L = n\pi \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, {\color{red}{\boxed{\omega = \dfrac{n \pi}{L}}}}
Comme ω\omega dépend de l'entier naturel nn, on parle alors de quantification des modes de vibrations\textbf{quantification des modes de vibrations}. C'est pourquoi, on marque cette quantification par l'écriture ωn\omega_n. Ainsi, à ce stade, la solution recherchée prend la forme :
y(x ; t)=Dsin⁡(nπxL)×(Acos⁡(nπctL)+Bsin⁡(nπctL))y(x\,;\,t)= {\color{red}{D\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} \times {\color{blue}{ \left( A \cos \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) + B \sin \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) \right) }}
Soit encore, avec n∈N∗n\in \mathbb{N}^* :
yn(x ; t)=sin⁡(nπxL)×(Ancos⁡(nπctL)+Bnsin⁡(nπctL))\boxed{y_n(x\,;\,t)= {\color{red}{\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} \times {\color{blue}{ \left( A_n \cos \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) + B_n \sin \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) \right) }}}
avec An=DAA_n = DA et Bn=DBB_n = DB pour indiquer la quantification qui régit ce phénomène vibratoire.
Question 2

Montrer que la solution à ce problème (conditions limites et initiales incluses) est donnée par l'expression (n∈N∗)(n \in \mathbb{N^*}) :
y(x ; t)=sin⁡(nπxL)×∑n=1+∞(ancos⁡(nπctL)+bnsin⁡(nπctL))y(x\,;\,t) = {\color{red}{\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} \times {\color{blue}{ \sum_{n=1}^{+\infty} \left( a_n \cos \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) + b_n \sin \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) \right) }}
Expliciter clairement les expressions des deux coefficients réels ana_n et bnb_n.

Correction
Pour chaque valeur de l'entier naturel nn non nul, il correspond une manière de vibrer pour la corde. On parle de mode{\color{red}{\textbf{mode}}} de vibrations. Donc la solution geˊneˊrale rechercheˊe est donc une combinaison lineˊaire de tous ces modes{\color{red}{\textbf{la solution générale recherchée est donc une combinaison linéaire de tous ces modes}}}.
Mathématiquement, c'est la linéarité de l'E.D.P. des ondes qui permet cette sommation des solutions. Avec n∈N∗n\in \mathbb{N}^*, ceci s'exprime comme :
y(x ; t)=∑n=1+∞αn yn(x ; t)y(x\,;\,t) = \sum_{n=1}^{+\infty} \alpha_n \, y_n(x\,;\,t)
où ∀n∈N∗,  αn∈R\forall n \in \mathbb{N}^*,\,\, \alpha_n \in \mathbb{R}. En posant an=αnAna_n = \alpha_n A_n et bn=αnBnb_n = \alpha_n B_n, on peut finalement écrire que :
y(x ; t)=∑n=1+∞(ancos⁡(nπctL)+bnsin⁡(nπctL))sin⁡(nπxL)\boxed{ y(x\,;\,t) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( {\color{blue}{ a_n \cos \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) + b_n \sin \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) }}\right) {\color{red}{\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} }
Les deux conditions initiales, y(x ; 0)=f(x)y(x\,;\,0) = f(x) et ∂∂ty(x ; t)]t=0=g(x)\left.\dfrac{\partial}{\partial t}y(x\,;\,t) \right]_{t = 0} = g(x), nous permettent d'écrire respectivement :
f(x)=∑n=1+∞(an sin⁡(nπxL))     et     g(x)=∑n=1+∞(nπcLbn sin⁡(nπxL))f(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( {\color{blue}{ a_n \, {\color{red}{\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} }}\right) \,\,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\,\, g(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{n \pi c}{L} {\color{blue}{ b_n \, {\color{red}{\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} }}\right)
Déterminons l'expression des coefficients réels ana_n avec n∈N∗n\in \mathbb{N}^*. On a, avec k=n′πL∈Rk = \dfrac{n'\pi}{L} \in \mathbb{R} et n′∈N∗n' \in \mathbb{N}^* :
f(x)=∑n=1+∞an sin⁡(ωx)    ⟹    f(x) sin⁡(kx)=∑n=1+∞an sin⁡(ωx) sin⁡(kx)f(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} {\color{blue}{ a_n \, {\color{red}{\sin(\omega x)}} }} \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, f(x) \, {\color{purple}{\sin(kx)}} = \sum_{n=1}^{+\infty} {\color{blue}{ a_n \, {\color{red}{\sin(\omega x)}} }} \, {\color{purple}{\sin(kx)}}
En intégrant sur toute la longueur de la corde, on obtient :
∫0Lf(x) sin⁡(kx) dx=∫0L ∑n=1+∞an sin⁡(ωx) sin⁡(kx) dx\int_0^L f(x) \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx = \int_0^L \, \sum_{n=1}^{+\infty} {\color{blue}{ a_n \, {\color{red}{\sin(\omega x)}} }} \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx
L'intégration portant sur xx et la sommation sur nn, et sous réserve de la convergence (uniforme) de la série, on va donc pouvoir permuter ces deux opérations. On a alors :
∫0Lf(x) sin⁡(kx) dx=∑n=1+∞an ∫0Lsin⁡(ωx) sin⁡(kx) dx\int_0^L f(x) \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx = \sum_{n=1}^{+\infty} {\color{blue}{ a_n \,}} \int_0^L {\color{red}{\sin(\omega x)}} \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx
Deux situations sont à envisager : soit ω≠k{\color{red}{\omega}} \neq {\color{purple}{k}}, soit ω=k{\color{red}{\omega}} = {\color{purple}{k}}.
↬  \looparrowright\,\, Premier cas :\textbf{Premier cas :} ω≠k{\color{red}{\omega}} \neq {\color{purple}{k}}.
On a :
2∫0Lf(x) sin⁡(kx) dx=∑n=1+∞an ∫0L(cos⁡((ω−k)x)−cos⁡((ω+k)x) dx2\int_0^L f(x) \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx = \sum_{n=1}^{+\infty} {\color{blue}{ a_n \,}} \int_0^L (\cos((\omega-k)x) - \cos((\omega+k)x) \, dx
Avec :
I=∫0L(cos⁡((ω−k)x)−cos⁡((ω+k)x) dx=[sin⁡((ω−k)x)ω−k−sin⁡((ω+k)x)ω+k]0LI = \int_0^L (\cos((\omega-k)x) - \cos((\omega+k)x) \, dx = \left[ \dfrac{\sin((\omega-k)x)}{\omega-k} - \dfrac{\sin((\omega+k)x)}{\omega+k} \right]_0^L
Ce qui nous donne :
I=sin⁡((ω−k)L)ω−k−sin⁡((ω+k)L)ω+k=sin⁡((n−n′)π)(n−n′)πL−sin⁡((n+n′)π)(n+n′)πLI = \dfrac{\sin((\omega-k)L)}{\omega-k} - \dfrac{\sin((\omega+k)L)}{\omega+k} = \dfrac{\sin((n-n')\pi)}{\dfrac{(n-n')\pi}{L}} - \dfrac{\sin((n+n')\pi)}{\dfrac{(n+n')\pi}{L}}
Soit :
I=L(sin⁡((n−n′)π)(n−n′)π−sin⁡((n+n′)π)(n+n′)π)=L(0(n−n′)π−0(n+n′)π)=0I = L \left( \dfrac{\sin((n-n')\pi)}{(n-n')\pi} - \dfrac{\sin((n+n')\pi)}{(n+n')\pi} \right) = L \left( \dfrac{0}{(n-n')\pi} - \dfrac{0}{(n+n')\pi} \right) = 0
↬  \looparrowright\,\, Deuxieˋme cas :\textbf{Deuxième cas :} ω=k{\color{red}{\omega}} = {\color{purple}{k}}.
On a :
2∫0Lf(x) sin⁡(kx) dx=∑n=1+∞an ∫0L<br/>(1−cos⁡(2ωx) dx2\int_0^L f(x) \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx = \sum_{n=1}^{+\infty} {\color{blue}{ a_n \,}} \int_0^L <br />(1 - \cos(2\omega x) \, dx
Avec :
I=∫0L(1−cos⁡(2ωx)) dx=[x−sin⁡(2ωx)2ω]0L=L−sin⁡(2ωL)2ωI = \int_0^L (1 - \cos(2\omega x)) \, dx = \left[ x - \dfrac{\sin(2\omega x)}{2\omega} \right]_0^L = L - \dfrac{\sin(2\omega L)}{2\omega}
Soit :
I=L−sin⁡(2nπLL)2nπL=L−Lsin⁡(2nπ)2nπ=L−0=LI = L - \dfrac{\sin\left(2\dfrac{n\pi}{L} L\right)}{2\dfrac{n\pi}{L}} = L - L \dfrac{\sin\left(2n \pi\right)}{2n\pi} = L - 0 = L
Pour conclure cette détermination d'intégrale, on introduit le symbole "delta" de Kronecker\textit{Kronecker} (Leˊopold Kronecker - Matheˊmaticien allemand - 1823/1891)\textit{Léopold Kronecker - Mathématicien allemand - 1823/1891)} :
δi ; j={1sii=j0sii≠j\delta_{i\,;\,j} = \left\lbrace \begin{array}{rcl} 1 & \mathrm{si} & i = j \\ 0 & \mathrm{si} & i \neq j \\ \end{array} \right.
Ainsi :
I=Lδω ; k=Lδn ; n′I = L \delta_{\omega\,;\,k} = L \delta_{n\,;\,n'}
En conclusion, on a :
∫0Lsin⁡(ωx) sin⁡(kx) dx=L2δω ; k\int_0^L {\color{red}{\sin(\omega x)}} \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx = \dfrac{L}{2} \delta_{{\color{red}{\omega}}\,;\,{\color{purple}{k}}}
Ceci nous permet d'écrire que :
2L∫0Lf(x) sin⁡(kx) dx=∑n=1+∞an δω ; k\dfrac{2}{L} \int_0^L f(x) \, {\color{purple}{\sin(kx)}} \, dx = \sum_{n=1}^{+\infty} {\color{blue}{ a_n \,}} \delta_{{\color{red}{\omega}}\,;\,{\color{purple}{k}}}
Ce qui nous donne :
an=2L∫0Lf(x) sin⁡(ωx) dx      avec:  ω=nπL   et:  n∈N∗{\color{red}{ \boxed{ a_n = \dfrac{2}{L} \int_0^L f(x) \, \sin(\omega x) \, dx \,\,\,\,\,\, \mathrm{avec :}\,\, \omega = \dfrac{n \pi}{L} \,\,\, \mathrm{et :}\,\, n \in \mathbb{N}^* } }}
La fonction {\color{blue}{ff est 2π2\pi-périodique et impaire}}, et ce coefficient ana_n peut encore être écrit sous la forme :
an=1L∫−LLf(x) sin⁡(ωx) dx      avec:  ω=nπL   et:  n∈N∗{\color{red}{ \boxed{ a_n = \dfrac{1}{L} \int_{-L}^L f(x) \, \sin(\omega x) \, dx \,\,\,\,\,\, \mathrm{avec :}\,\, \omega = \dfrac{n \pi}{L} \,\,\, \mathrm{et :}\,\, n \in \mathbb{N}^* } }}
Puis, en exploitant la condition :
g(x)=∑n=1+∞nπcLbn sin⁡(nπxL)g(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{n \pi c}{L} {\color{blue}{ b_n \, {\color{red}{\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} }}
On trouve par un raisonnement totalement similaire que :
bn=2nπc∫0Lg(x) sin⁡(ωx) dx      avec:  ω=nπL   et:  n∈N∗{\color{red}{ \boxed{ b_n = \dfrac{2}{n\pi c} \int_0^L g(x) \, \sin(\omega x) \, dx \,\,\,\,\,\, \mathrm{avec :}\,\, \omega = \dfrac{n \pi}{L} \,\,\, \mathrm{et :}\,\, n \in \mathbb{N}^*} }}
ou encore :
bn=2L∫0L[Lnπcg(x)] sin⁡(ωx) dx      avec:  ω=nπL   et:  n∈N∗{\color{red}{ \boxed{ b_n = \dfrac{2}{L} \int_0^L \left[\dfrac{L}{n\pi c}g(x)\right] \, \sin(\omega x) \, dx \,\,\,\,\,\, \mathrm{avec :}\,\, \omega = \dfrac{n \pi}{L} \,\,\, \mathrm{et :}\,\, n \in \mathbb{N}^* } }}
La fonction {\color{blue}{Lnπcg\dfrac{L}{n\pi c}g est 2π2\pi-périodique et impaire}}, et ce coefficient bnb_n peut encore être écrit sous la forme :
bn=1L∫−LL[Lnπcg(x)] sin⁡(ωx) dx      avec:  ω=nπL   et:  n∈N∗{\color{red}{ \boxed{ b_n = \dfrac{1}{L} \int_{-L}^L \left[\dfrac{L}{n\pi c}g(x)\right] \, \sin(\omega x) \, dx \,\,\,\,\,\, \mathrm{avec :}\,\, \omega = \dfrac{n \pi}{L} \,\,\, \mathrm{et :}\,\, n \in \mathbb{N}^* } }}
Finalement la solution analytique générale de l'équation des ondes est donnée par la belle expression suivante :
y(x ; t)=∑n=1+∞(2L∫0Lf(X) sin⁡((nπXL) dXcos⁡(nπctL)+2nπc∫0Lg(X) sin⁡(nπXL) dXsin⁡(nπctL)sin⁡(nπxL))\boxed{ y(x\,;\,t) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( {\color{blue}{ \dfrac{2}{L} \int_0^L f(X) \, \sin(\left(\dfrac{n \pi X}{L}\right) \, dX \cos \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) + \dfrac{2}{n\pi c} \int_0^L g(X) \, \sin\left(\dfrac{n \pi X}{L}\right) \, dX \sin \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) {\color{red}{\sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right)}} }}\right)}
Question 3

Une corde de piano, initialement rectiligne, donc satisfaisant à : f(x)=0f(x) = 0.
Elle est alors frappée avec un petit marteau de manière à communiquer aux points de la corde compris entre les abscisses aa et a+εa + \varepsilon, avec 0<ε⋘a0 < \varepsilon \lll a, une vitesse initiale constante viv_i.

On a donc :
g(x)={visia⩽x⩽a+ε0six∉[ a ; a+ε ]g(x) = \left\lbrace \begin{array}{rcl} v_i & \mathrm{si} & a \leqslant x \leqslant a + \varepsilon \\ 0 & \mathrm{si} & x \notin [\,a\, ;\,a + \varepsilon\, ] \\ \end{array} \right.
Déterminer la solution y(x ; t)y(x\,;\,t) associée à cette corde de piano.

Correction
Par hypothèse, on sait que f(x)=0f(x)=0, donc tous les coefficients ana_n, avec n∈N∗n \in \mathbb{N}^* sont nuls.
En ce qui concerne les coefficients réels bnb_n, on a :
bn=2nπc∫0Lg(x) sin⁡(ωx) dx=2nπc∫aa+εvi sin⁡(ωx) dxb_n = \dfrac{2}{n\pi c} \int_0^L g(x) \, \sin(\omega x) \, dx = \dfrac{2}{n\pi c} \int_a^{a + \varepsilon} v_i \, \sin(\omega x) \, dx
Soit :
bn=2vinπc∫aa+εsin⁡(ωx) dx=2vinπc[−cos⁡(ωx)ω]aa+ε=−2vinπcω[cos⁡(ωx)]aa+εb_n = \dfrac{2v_i}{n\pi c} \int_a^{a + \varepsilon} \sin(\omega x) \, dx = \dfrac{2v_i}{n\pi c} \left[ -\dfrac{\cos(\omega x)}{\omega} \right]_a^{a + \varepsilon} = - \dfrac{2v_i}{n\pi c\omega} \left[ \cos(\omega x) \right]_{a}^{a + \varepsilon}
Ainsi, on obtient :
bn=−2Lvin2π2c[cos⁡(ω(a+ε))−cos⁡(ωa)]=−2Lvin2π2c[−2sin⁡(ω2(2a+ε))sin⁡(ω2ε))]b_n = - \dfrac{2Lv_i}{n^2\pi^2c} \left[ \cos(\omega(a + \varepsilon)) - \cos(\omega a) \right] = - \dfrac{2Lv_i}{n^2\pi^2c} \left[ -2\sin\left(\dfrac{\omega}{2} (2a+\varepsilon)\right) \sin\left(\dfrac{\omega}{2} \varepsilon)\right) \right]
D'où :
bn=4Lvin2π2csin⁡(ω2(2a+ε))sin⁡(ω2ε)b_n = \dfrac{4Lv_i}{n^2\pi^2c} \sin\left(\dfrac{\omega}{2} (2a+\varepsilon)\right) \sin\left(\dfrac{\omega}{2} \varepsilon \right)
Soit :
bn=4Lvin2π2csin⁡(ω2ε)sin⁡(ω2(2a+ε)){\color{red}{ \boxed{ b_n = \dfrac{4Lv_i}{n^2\pi^2c} \sin\left(\dfrac{\omega}{2} \varepsilon\right) \sin\left(\dfrac{\omega}{2} (2a+\varepsilon)\right) } }}
La forme de la corde est donc donnée par la série suivante :
y(x ; t)=4Lviπ2c∑n=1+∞1n2sin⁡(nπε2L)sin⁡(nπ2L(2a+ε))sin⁡(nπctL)sin⁡(nπxL){\color{red}{\boxed{ y(x\,;\,t) = \dfrac{4Lv_i}{\pi^2 c} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2} \sin\left( \dfrac{n \pi \varepsilon}{2L} \right) \sin\left( \dfrac{n \pi}{2L} (2a+\varepsilon)\right) \sin \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) \sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right) } }}
Mais on peut en trouver une expression simplifiée car on a l'hypothèse ε⋘a\varepsilon \lll a. Dans ce cas, on peut écrire que :
sin⁡(ω2ε)≃ω2ε=nπε2L      et      sin⁡(ω2(2a+ε))≃sin⁡(ωa)=sin⁡(nπaL)\sin\left(\dfrac{\omega}{2} \varepsilon\right) \simeq \dfrac{\omega}{2}\varepsilon = \dfrac{n \pi \varepsilon}{2L} \,\,\,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\,\,\, \sin\left(\dfrac{\omega}{2} (2a+\varepsilon)\right) \simeq \sin(\omega a)= \sin\left(\dfrac{n\pi a}{L}\right)
Ce qui nous donne :
bn=2viεnπcsin⁡(nπaL){\color{red}{ \boxed{ b_n = \dfrac{2v_i \varepsilon}{n\pi c} \sin\left(\dfrac{n\pi a}{L}\right) } }}
★  \bigstar \,\, Remarque :\textbf{Remarque :}
Ce dernier résultat pouvait se retrouver directement à partir de la définition de bnb_n. En effet :
bn=2nπc∫aa+εvi sin⁡(ωx) dx=2vinπc∫aa+εsin⁡(ωx) dxb_n = \dfrac{2}{n\pi c} \int_a^{a + \varepsilon} v_i \, \sin(\omega x) \, dx = \dfrac{2 v_i}{n\pi c} \int_a^{a + \varepsilon} \sin(\omega x) \, dx
Or, entre aa et a+εa + \varepsilon, l'expression à intégrer sin⁡(ωx)\sin(\omega x) est quasiment égale à sin⁡(ωa)\sin(\omega a) car elle n'a pas le temps de beaucoup varier (le physicien parle de  fonction lentement variable){\color{blue}{\textit{ fonction lentement variable}}}). Ainsi, on obtient :
bn=2vinπcsin⁡(ωa)∫aa+ε1 dx=2vinπcsin⁡(ωa)εb_n = \dfrac{2 v_i}{n\pi c} \sin(\omega a) \int_a^{a + \varepsilon} 1 \, dx = \dfrac{2 v_i}{n\pi c} \sin(\omega a) \varepsilon
Ce qui nous redonne bien :
bn=2viεnπcsin⁡(nπaL)b_n = \dfrac{2v_i \varepsilon}{n\pi c} \sin\left(\dfrac{n\pi a}{L}\right)
Finalement, on trouve que la forme approchée de la corde est donnée par la série suivante :
y(x ; t)=2viεπc∑n=1+∞1nsin⁡(nπaL)sin⁡(nπctL)sin⁡(nπxL){\color{red}{ \boxed{ y(x\,;\,t) = \dfrac{2v_i \varepsilon}{\pi c} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n} \sin\left( \dfrac{n \pi a}{L} \right) \sin \left( \dfrac{n \pi ct}{L} \right) \sin\left( \dfrac{n \pi x}{L} \right) } }}
Question 4

Même question dans le cas d'une corde de clavecin pincée en son milieu, à t=0t=0 sans vitesse initiale, comme l'indique la figure suivante :

Correction
A t=0t=0, la corde est lâchée sans vitesse initiale, ce qui implique que g(x)=0g(x)=0 et de fait bn=0b_n=0 (∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*).
Puis, on a :
f(x)={2dLx=0⩽x⩽L22dL(L−x)=L2⩽x⩽Lf(x) = \left\lbrace \begin{array}{rcl} \dfrac{2d}{L} x & = & 0 \leqslant x \leqslant \dfrac{L}{2}\\ \dfrac{2d}{L} (L-x) & = & \dfrac{L}{2} \leqslant x \leqslant L \\ \end{array} \right.
Ce qui nous donne :
an=2L∫0Lf(x) sin⁡(ωx) dx=2L[∫0L22dLx sin⁡(ωx) dx+∫L2L2dL(L−x) sin⁡(ωx) dx]a_n = \dfrac{2}{L} \int_0^L f(x) \, \sin(\omega x) \, dx = \dfrac{2}{L} \left[ \int_0^{\frac{L}{2}} \dfrac{2d}{L} x \, \sin(\omega x) \, dx + \int_{\frac{L}{2}}^L \dfrac{2d}{L} (L-x) \, \sin(\omega x) \, dx \right]
Soit :
an=4dL2[∫0L2x sin⁡(ωx) dx+∫L2L(L−x) sin⁡(ωx) dx]a_n = \dfrac{4d}{L^2} \left[ \int_0^{\frac{L}{2}} x \, \sin(\omega x) \, dx + \int_{\frac{L}{2}}^L (L-x) \, \sin(\omega x) \, dx \right]
Chacune de ces deux intégrales se déterminent par une I.P.P., on trouve alors :
an=8dn2π2sin⁡(nπ2)a_n = \dfrac{8d}{n^2 \pi^2} \sin\left(n \dfrac{\pi}{2}\right)
Avec :
sin⁡(nπ2)={0sin=2p  (n  pair)(−1)psin=2p+1  (n  impair)       avec  p∈N\sin\left(n \dfrac{\pi}{2}\right) = \left\lbrace \begin{array}{rcl} 0 & \mathrm{si} & n=2p \,\, (n \,\, \mathrm{pair}) \\ (-1)^p & \mathrm{si} & n=2p+1 \,\, (n \,\, \mathrm{impair}) \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\,\,\, \mathrm{avec} \,\, p \in \mathbb{N}
Ce qui nous donne :
y(x ; t)=8dπ2∑p=0+∞(−1)p(2p+1)2cos⁡((2p+1)πctL)sin⁡((2p+1)πxL){\color{red}{ \boxed{ y(x\,;\,t) = \dfrac{8d}{\pi^2} \sum_{p=0}^{+\infty} \dfrac{(-1)^p}{(2p+1)^2} \cos \left( \dfrac{(2p+1) \pi ct}{L} \right) \sin\left( \dfrac{(2p+1) \pi x}{L} \right) } }}

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