Exercice 4 - Exercice 1

30 min
50
On continue de s'entrainer pour acquérir les bons réflexes.
Question 1
-

Soit ff une fonction 2π2\pi-périodique. On considère sa restriction de [ −π ; π ]⟶R[\,-\pi\,;\,\pi\,] \longrightarrow \mathbb{R} telle que x⟼f(x)=exx \longmapsto f(x) = e^x.
Déterminer la série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x) associée à ff.

Correction
La série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x), associée à ff 2π2\pi-périodique, à déterminer nécessite la connaissance de l'expression des trois coefficients réels suivants :

- le coefficient a0a_0 :
a0=1π∫−ππex dx=eπ−e−ππ=2πeπ−e−π2=2πsinh⁡(π)a_0 = \dfrac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} e^x \, dx = \dfrac{e^\pi - e^{-\pi}}{\pi} = \dfrac{2}{\pi}\dfrac{e^\pi - e^{-\pi}}{2} = \dfrac{2}{\pi} \sinh(\pi)

- le coefficient ana_n (n∈N∗n \in \mathbb{N}^*) :
on a, par une intégration par parties :
an=1π∫−ππex cos⁡(nx) dx=1π[excos⁡(nx)]−ππ−1π∫−ππex×−nsin⁡(nx) dxa_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} e^x \, \cos(nx) \, dx = \dfrac{1}{\pi} \left[ e^x \cos(nx)\right]_{-\pi}^{\pi} - \dfrac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} e^x \times -n\sin(nx) \, dx
Soit :
an=1π[excos⁡(nx)]−ππ+nπ∫−ππex sin⁡(nx) dxa_n = \dfrac{1}{\pi} \left[ e^x \cos(nx)\right]_{-\pi}^{\pi} + \dfrac{n}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} e^x \,\sin(nx) \, dx
Avec :
[excos⁡(nx)]−ππ=eπcos⁡(nπ)−e−πcos⁡(−nπ)=eπcos⁡(nπ)−e−πcos⁡(nπ)\left[ e^x \cos(nx)\right]_{-\pi}^{\pi} = e^\pi \cos(n\pi) - e^{-\pi} \cos(-n\pi) = e^\pi \cos(n\pi) - e^{-\pi} \cos(n\pi)
D'où :
[excos⁡(nx)]−ππ=cos⁡(nπ)(eπ−e−π)=(−1)n2sinh⁡(π)\left[ e^x \cos(nx)\right]_{-\pi}^{\pi} = \cos(n\pi) (e^\pi - e^{-\pi}) = (-1)^n 2\sinh(\pi)
Ainsi :
an=2π(−1)nsinh⁡(π)+nπ∫−ππex sin⁡(nx) dxa_n = \dfrac{2}{\pi} (-1)^n \sinh(\pi) + \dfrac{n}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} e^x \,\sin(nx) \, dx
En effectuant une seconde intégrations par parties :
∫−ππex sin⁡(nx) dx=[exsin⁡(nx)]−ππ−∫−ππex×ncos⁡(nx) dx\int_{-\pi}^{\pi} e^x \,\sin(nx) \, dx = \left[ e^x \sin(nx)\right]_{-\pi}^{\pi} - \int_{-\pi}^{\pi} e^x \times n\cos(nx) \, dx
Soit encore :
∫−ππex sin⁡(nx) dx=0−n∫−ππexcos⁡(nx) dx=−nπ1π∫−ππexcos⁡(nx) dx\int_{-\pi}^{\pi} e^x \,\sin(nx) \, dx = 0- n\int_{-\pi}^{\pi} e^x \cos(nx) \, dx = -n\pi \dfrac{1} {\pi}\int_{-\pi}^{\pi} e^x \cos(nx) \, dx
Ce qui nous donne :
∫−ππex sin⁡(nx) dx=−nπan\int_{-\pi}^{\pi} e^x \,\sin(nx) \, dx = -n\pi a_n
On peut alors écrire que :
an=2π(−1)nsinh⁡(π)+nπ×−nπan    ⟺    an=2π(−1)nsinh⁡(π)−n2ana_n = \dfrac{2}{\pi}(-1)^n \sinh(\pi) +\dfrac{n}{\pi} \times -n\pi a_n \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, a_n = \dfrac{2}{\pi}(-1)^n \sinh(\pi) -n^2 a_n
Donc :
an+n2an=2π(−1)nsinh⁡(π)    ⟺    an(1+n2)=2π(−1)nsinh⁡(π)a_n + n^2 a_n = \dfrac{2}{\pi}(-1)^n \sinh(\pi) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, a_n (1+n^2) = \dfrac{2}{\pi}(-1)^n \sinh(\pi)
Ce qui nous donne enfin :
an=2π(1+n2)(−1)nsinh⁡(π)a_n =\dfrac{2}{\pi(1+n^2)}(-1)^n \sinh(\pi)
- le coefficient bnb_n (n∈N∗n \in \mathbb{N}^*) :
par un calcul totalement similaire, à savoir deux intégrations par parties successives, on obtient :
bn=−2nπ(1+n2)(−1)nsinh⁡(π)b_n = - \dfrac{2n}{\pi(1+n^2)}(-1)^n \sinh(\pi)
La série de Fourier s'écrit donc sous la forme suivante :
SFf(x)=2πsinh⁡(π)2+∑n=1+∞(2π(1+n2)(−1)nsinh⁡(π)cos⁡(nx)−2nπ(1+n2)(−1)nsinh⁡(π)sin⁡(nx))\mathcal{SF}_f(x) = \dfrac{\dfrac{2}{\pi} \sinh(\pi)}{2} + \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{2}{\pi(1+n^2)}(-1)^n \sinh(\pi) \cos(nx) - \dfrac{2n}{\pi(1+n^2)}(-1)^n \sinh(\pi) \sin(nx) \right)
Soit en simplifiant et factorisant :
SFf(x)=sinh⁡(π)π+2πsinh⁡(π)∑n=1+∞((−1)n1+n2(cos⁡(nx)−nsin⁡(nx)))\mathcal{SF}_f(x) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} + \dfrac{2}{\pi} \sinh(\pi)\sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{(-1)^n}{1+n^2}\left( \cos(nx) - n\sin(nx) \right)\right)
Finalement :
SFf(x)=sinh⁡(π)π(1+2∑n=1+∞((−1)n1+n2(cos⁡(nx)−nsin⁡(nx)))){\color{red}{{ \boxed{ \mathcal{SF}_f(x) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} \left( 1 + 2\sum_{n=1}^{+\infty} \left(\dfrac{(-1)^n}{1+n^2}\left( \cos(nx) - n\sin(nx) \right)\right)\right) } }}}
Question 2

Déterminer S=∑n=0+∞11+n2\mathcal{S} = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{1+n^2}.

Correction
Si on se place en x=πx=\pi, qui est un point de discontinuité, on a :
SFf(x=π)=sinh⁡(π)π(1+2∑n=1+∞((−1)n1+n2(cos⁡(nπ)−nsin⁡(nπ))))\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} \left( 1 + 2\sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{(-1)^n}{1+n^2}\left( \cos(n\pi) - n\sin(n\pi) \right)\right)\right)
Or, on sait que, ∀n∈N\forall n \in \mathbb{N}, l'on a cos⁡(nπ)=(−1)n\cos(n\pi) = (-1)^n et que sin⁡(nπ)=0\sin(n\pi) = 0. Ainsi, on obtient :
SFf(x=π)=sinh⁡(π)π(1+2∑n=1+∞((−1)n1+n2((−1)n−0)))\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} \left( 1 + 2\sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{(-1)^n}{1+n^2}\left( (-1)^n - 0 \right)\right)\right)
Comme (−1)n×(−1)n=((−1)n)2=1(-1)^n \times (-1)^n = \left((-1)^n\right)^2 =1, on trouve alors que :
SFf(x=π)=sinh⁡(π)π(1+2∑n=1+∞(11+n2))\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} \left( 1 + 2\sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{1}{1+n^2}\right)\right)
Ainsi, on a :
SFf(x=π)=sinh⁡(π)π(1+2∑n=1+∞(11+n2)+2−2)\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} \left( 1 + 2\sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{1}{1+n^2}\right) {\color{blue}{+ 2}} - 2\right)
Soit :
SFf(x=π)=sinh⁡(π)π(1+2∑n=0+∞(<br/>11+n2)−2)\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} \left( 1 + 2\sum_{{\color{blue}{n=0}}}^{+\infty} \left(<br />\dfrac{1}{1+n^2}\right)- 2\right)
Qui s'écrit aussi :
SFf(x=π)=sinh⁡(π)π(−1+2S)\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sinh(\pi)}{\pi} \left( -1 + 2\mathcal{S}\right)
D'où :
S=12(1+πsinh⁡(π)SFf(x=π))\mathcal{S} = \dfrac{1}{2} \left( 1 + \dfrac{\pi}{\sinh(\pi)}\mathcal{SF}_f(x=\pi) \right)
Or, la fonction exponentielle est régulière, donc SFf(x=π)\mathcal{SF}_f(x=\pi) converge. Cependant x=πx=\pi est un point de discontinuité, donc il faut faire intervenir la régularisée de ff, qui est notée f⋆f^\star. La régularisée s'illustre par :

Ainsi SFf(x=π)\mathcal{SF}_f(x=\pi) converge vers la régularisée f∗(x=π)f^*(x=\pi). D'où :
SFf(x=π)=f∗(x=π)=eπ+e−π2=cosh⁡(π)\mathcal{SF}_f(x=\pi) = f^*(x=\pi) = \dfrac{e^\pi + e^{-\pi}}{2} = \cosh(\pi)
Ce qui nous permet d'écrire que :
S=12(1+πsinh⁡(π)cosh⁡(π))\mathcal{S} = \dfrac{1}{2} \left( 1 + \dfrac{\pi}{\sinh(\pi)}\cosh(\pi) \right)
Soit encore :
S=12(1+πtanh⁡(π))\mathcal{S} = \dfrac{1}{2} \left( 1 + \dfrac{\pi}{\tanh(\pi)} \right)
Finalement, on trouve que :
S=∑n=0+∞11+n2=12(1+π cotanh(π)){\color{red}{{ \boxed{ \mathcal{S} = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{1+n^2} = \dfrac{1}{2} \left( 1 + \pi \, \mathrm{cotanh}(\pi) \right) } }}}

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