Exercice 7 - Exercice 1

50 min
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Un exercice très interessant.
Question 1
Soit λ\lambda un réel qui n'est pas un entier naturel autre que 00.

Écrire la série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x) de la fonction 2π2\pi-périodique, paire et dont l'image est égale à cos⁡(λx)\cos(\lambda x) avec 0<x<π0<x<\pi.

Correction
La série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x) de la fonction 2π2\pi-périodique, paire et égale à cos⁡(λx)\cos(\lambda x) avec 0<x<π0<x<\pi est caractérisée par la nullité de tous les coefficients réels bnb_n (n∈Nn \in \mathbb{N}). On a alors :
a0=1π∫−ππcos⁡(λx) dx=2π∫0πcos⁡(λx) dx=2π[sin⁡(λx)λ]0π=2sin⁡(λπ)λπa_0 = \dfrac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi \cos(\lambda x) \, dx = \dfrac{2}{\pi} \int_0^\pi \cos(\lambda x) \, dx = \dfrac{2}{\pi} \left[ \dfrac{\sin(\lambda x)}{\lambda} \right]_0^\pi = 2 \dfrac{\sin(\lambda \pi) }{\lambda \pi}
Donc, on trouve que :
a02=sin⁡(λπ)λπ\dfrac{a_0}{2} = \dfrac{\sin(\lambda \pi)}{\lambda \pi}
Puis, le coefficient réel ana_n est donné par l'expression :
an=1π∫−ππcos⁡(λx)cos⁡(nx) dx=2π∫0πcos⁡(λx)cos⁡(nx) dxa_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi \cos(\lambda x) \cos(nx) \, dx = \dfrac{2}{\pi} \int_{0}^\pi \cos(\lambda x) \cos(nx) \, dx
Or, on sait que :
∀(a ; b)∈R2,   cos⁡(a)cos⁡(b)=12(cos⁡(a+b)+cos⁡(a−b))\forall (a\,;\,b) \in \mathbb{R}^2, \,\,\, \cos(a) \cos(b) = \dfrac{1}{2} \left( \cos(a+b) + \cos(a-b) \right)
Ainsi, on en déduit que :
an=1π∫0π[cos⁡((n+λ)x)+cos⁡((n−λ)x)] dxa_n = \dfrac{1}{\pi} \int_{0}^\pi \left[ \cos((n+\lambda)x) + \cos ((n-\lambda)x)\right] \, dx
D'où :
an=1π[sin⁡((n+λ)x)n+λ+sin⁡((n−λ)x)n−λ]0π=1π(sin⁡((n+λ)π)n+λ+sin⁡((n−λ)π)n−λ)a_n = \dfrac{1}{\pi} \left[ \dfrac{\sin((n+\lambda)x)}{n+\lambda} + \dfrac{\sin((n-\lambda)x)}{n -\lambda}\right]_{0}^\pi = \dfrac{1}{\pi} \left( \dfrac{\sin((n+\lambda)\pi)}{n+\lambda} + \dfrac{\sin((n-\lambda)\pi)}{n-\lambda}\right)
Avec :
{sin⁡((n+λ)π)=sin⁡(nπ+λπ)=sin⁡(nπ)cos⁡(λπ)+cos⁡(nπ)sin⁡(λπ)sin⁡((n−λ)π)=sin⁡(nπ−λπ)=sin⁡(nπ)cos⁡(λπ)−cos⁡(nπ)sin⁡(λπ)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin((n+\lambda)\pi) & = & \sin(n\pi + \lambda\pi) = \sin(n\pi) \cos (\lambda\pi) + \cos(n\pi) \sin (\lambda\pi)\\ & & \\ \sin((n-\lambda)\pi) & = & \sin(n\pi - \lambda\pi) = \sin(n\pi) \cos (\lambda\pi) - \cos(n\pi) \sin (\lambda\pi)\\ \end{array} \right.
Soit :
{sin⁡((n+λ)π)=0cos⁡(λπ)+(−1)nsin⁡(λπ)sin⁡((n−λ)π)==0cos⁡(λπ)−(−1)nsin⁡(λπ)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin((n+\lambda)\pi) & = & 0 \cos (\lambda\pi) + (-1)^n \sin (\lambda\pi)\\ & & \\ \sin((n-\lambda)\pi) & = & = 0 \cos (\lambda\pi) - (-1)^n \sin (\lambda\pi)\\ \end{array} \right.
D'où :
{sin⁡((n+λ)π)=(−1)nsin⁡(λπ)sin⁡((n−λ)π)=−(−1)nsin⁡(λπ)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin((n+\lambda)\pi) & = & (-1)^n \sin (\lambda\pi)\\ & & \\ \sin((n-\lambda)\pi) & = & - (-1)^n \sin (\lambda\pi) \\ \end{array} \right.
On peut donc écrire que :
an=1π((−1)nsin⁡(λπ)n+λ+−(−1)nsin⁡(λπ)n−λ)=(−1)nsin⁡(λπ)π(1n+λ−1n−λ)a_n = \dfrac{1}{\pi} \left( \dfrac{(-1)^n \sin (\lambda\pi)}{n+\lambda} + \dfrac{- (-1)^n \sin (\lambda\pi)}{n-\lambda}\right) = \dfrac{(-1)^n \sin (\lambda\pi)}{\pi} \left( \dfrac{1}{n+\lambda} - \dfrac{1}{n-\lambda}\right)
On obtient :
an=(−1)nsin⁡(λπ)π(n−λ−(n+λ)n2−λ2)=(−1)nsin⁡(λπ)π(−2λn2−λ2)a_n = \dfrac{(-1)^n \sin (\lambda\pi)}{\pi} \left( \dfrac{n-\lambda - (n+\lambda)}{n^2-\lambda^2}\right) = \dfrac{(-1)^n \sin (\lambda\pi)}{\pi} \left( \dfrac{-2\lambda}{n^2-\lambda^2}\right)
Finalement, on trouve que :
an=2λ2sin⁡(λπ)λπ((−1)nλ2−n2)a_n =2\lambda^2 \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} \left( \dfrac{(-1)^n}{\lambda^2-n^2}\right)
La série de Fourier SFf(x)\mathcal{SF}_f(x) est donc caractérisée par le coefficient réel a0a_0 et les coefficients réels ana_n. On a alors :
SFf(x)=sin⁡(λπ)λπ+2λ2sin⁡(λπ)λπ∑n=1+∞(−1)nλ2−n2cos⁡(nx)\mathcal{SF}_f(x) = \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} + 2\lambda^2 \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{\lambda^2-n^2} \cos(nx)
Soit en factorisant :
SFf(x)=sin⁡(λπ)λπ(1+2λ2∑n=1+∞(−1)nλ2−n2cos⁡(nx)){\color{red}{{ \boxed{ \mathcal{SF}_f(x) = \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} \left( 1 + 2\lambda^2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{\lambda^2-n^2} \cos(nx) \right) } }}}
Question 2

Montrer que la série S(x)=1π∑n=1+∞2xx2−n2S(x) = \dfrac{1}{\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{2x}{x^2-n^2} converge sur tout intervalle fermé FF intérieur à ] −1 ; 1 []\,-1\,;\,1\,[ vers la fonction limite fℓ(x)=cotan(πx)−1πxf_\ell(x) = \mathrm{cotan}(\pi x)- \dfrac{1}{\pi x}.

Correction
Dans la série de Fourier précédente, posons x=πx = \pi.
On obtient alors :
SFf(x=π)=sin⁡(λπ)λπ(1+2λ2∑n=1+∞(−1)nλ2−n2cos⁡(nπ))\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} \left( 1 + 2\lambda^2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{\lambda^2-n^2} \cos(n\pi) \right)
Soit encore :
SFf(x=π)=sin⁡(λπ)λπ(1+2λ2∑n=1+∞(−1)nλ2−n2(−1)n)\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} \left( 1 + 2\lambda^2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{\lambda^2-n^2} (-1)^n \right)
Donc :
SFf(x=π)=sin⁡(λπ)λπ(1+2λ2∑n=1+∞1λ2−n2)\mathcal{SF}_f(x=\pi) = \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} \left( 1 + 2\lambda^2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{\lambda^2-n^2} \right)
De plus, cos⁡(λx)\cos(\lambda x) est régulière sur R\mathbb{R}, et x=πx=\pi est un point de continuité. Donc la série de Fourier converge vers ff. On a a donc, SFf(x=π)=cos⁡(λπ)\mathcal{SF}_f(x=\pi)=\cos(\lambda \pi). Ainsi, on trouve que :
cos⁡(λπ)=sin⁡(λπ)λπ(1+2λ2∑n=1+∞1λ2−n2)\cos(\lambda \pi)= \dfrac{\sin (\lambda\pi)}{\lambda\pi} \left( 1 + 2\lambda^2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{\lambda^2-n^2} \right)
D'où :
cos⁡(λπ)sin⁡(λπ)=1λπ(1+2λ2∑n=1+∞1λ2−n2)\dfrac{\cos(\lambda \pi)}{\sin (\lambda\pi)} = \dfrac{1}{\lambda\pi} \left( 1 + 2\lambda^2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{\lambda^2-n^2} \right)
Soit encore :
cotan(λπ)−1λπ=2λπ∑n=1+∞1λ2−n2     ⟺     cotan(λπ)−1λπ=1π∑n=1+∞2λλ2−n2\mathrm{cotan}(\lambda \pi ) - \dfrac{1}{\lambda\pi} = \dfrac{2\lambda}{\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{\lambda^2-n^2} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathrm{cotan}(\lambda \pi ) - \dfrac{1}{\lambda\pi} = \dfrac{1}{\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{2\lambda}{\lambda^2-n^2}
On pose maintenant λ=x∈] −1 ; 1 [\lambda = x \in ]\,-1\,;\,1\,[ (car λ\lambda n'est pas un entier naturel autre que 00), et de fait on trouve que :
cotan(πx)−1πx=1π∑n=1+∞2xx2−n2\mathrm{cotan}(\pi x ) - \dfrac{1}{\pi x} = \dfrac{1}{\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{2x}{x^2-n^2}
Soit :
cotan(πx)−1πx=S(x)\mathrm{cotan}(\pi x ) - \dfrac{1}{\pi x} = S(x)
avec la série
S(x)=1π∑n=1+∞2xx2−n2S(x) = \dfrac{1}{\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{2x}{x^2-n^2}
Or, ∀x∈] −1 ; 1 [\forall x \in ]\,-1\,;\,1\,[, on a avec n⩾1n \geqslant 1, et 2π\dfrac{2}{\pi} majoré par 11 :
∣1π2xx2−n2∣=2π∣xx2−n2∣⩽1n2−x2\left| \dfrac{1}{\pi} \dfrac{2x}{x^2-n^2} \right| = \dfrac{2}{\pi} \left| \dfrac{x}{x^2-n^2} \right| \leqslant \dfrac{1}{n^2-x^2}
Puis, pour majoré l'action du dénominateur n2−x2n^2-x^2 (dans le processus de l'inversion) on prend la plus grande valeur de xx possible à savoir 11, ceci afin que n2−x2n^2-x^2 soit le plus petit envisageable. D'où :
∣1π2xx2−n2∣⩽1n2−1\left| \dfrac{1}{\pi} \dfrac{2x}{x^2-n^2} \right| \leqslant \dfrac{1}{n^2-1}
Enfin comme la série ∑n=2+∞1n2−1\sum_{n=2}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2-1} converge, pour les plus curieux, on a ∑n=2+∞1n2−1=34\sum_{n=2}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2-1} = \dfrac{3}{4}, et qu'elle majore S(x)S(x) (si x∈] −1 ; 1 [x \in ]\,-1\,;\,1\,[) alors S(x)S(x) converge également vers cotan(πx)−1πx\mathrm{cotan}(\pi x ) - \dfrac{1}{\pi x}.
Question 3

En déduire, par une intégration terme à terme (très attentive), que :
sin⁡(πx)πx=∏n=1+∞(1−x2n2)\dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x} = \prod_{n=1}^{+\infty}\left( 1- \dfrac{x^2}{n^2} \right)

Correction
Par intégration, donc terme à terme, on peut écrire que :
∫0x(cotan(πX)−1πX) dX=∫0xS(X) dX\int_0^x \left(\mathrm{cotan}(\pi X ) - \dfrac{1}{\pi X} \right) \, dX = \int_0^x S(X) \, dX
Soit :
∫0x(cotan(πX)−1πX) dX=∫0x1π∑n=1+∞2XX2−n2 dX\int_0^x \left(\mathrm{cotan}(\pi X ) - \dfrac{1}{\pi X} \right) \, dX = \int_0^x \dfrac{1}{\pi} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{2X}{X^2-n^2} \, dX
Par suite de la convergence (uniforme) de la série, on va pouvoir permuter les deux formes de sommation. On vas donc avoir :
π∫0x(cotan(πX)−1πX) dX=∑n=1+∞∫0x2XX2−n2 dX\pi \int_0^x \left(\mathrm{cotan}(\pi X ) - \dfrac{1}{\pi X} \right) \, dX = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^x \dfrac{2X}{X^2-n^2} \, dX
D'où :
π∫0xcotan(πX) dX−π∫0x1πX dX=∑n=1+∞∫0x2XX2−n2 dX\pi \int_0^x \mathrm{cotan}(\pi X ) \, dX - \pi \int_0^x\dfrac{1}{\pi X} \, dX = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^x \dfrac{2X}{X^2-n^2} \, dX
Soit encore :
∫0xcotan(πX) d(πX)−∫0x1πX d(πX)=∑n=1+∞∫0x2XX2−n2 dX\int_0^x \mathrm{cotan}(\pi X ) \, d(\pi X) - \int_0^x\dfrac{1}{\pi X} \, d(\pi X) = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^x \dfrac{2X}{X^2-n^2} \, dX
Pour les deux premières intégrales, on pose y=πXy=\pi X et yy va de 00 à πx\pi x. Donc :
∫0πxcotan(y) dy−∫0πx1y dy=∑n=1+∞∫0x2(Xn)(Xn)2−1 d(Xn)\int_0^{\pi x} \mathrm{cotan}(y) \, dy - \int_0^{\pi x}\dfrac{1}{y} \, dy = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^x \dfrac{2\left( \dfrac{X}{n}\right)}{\left( \dfrac{X}{n}\right)^2-1} \, d\left( \dfrac{X}{n}\right)
Le processus d'intégration nous permet d'écrire :
[ln⁡(sin⁡(y))−ln⁡(y)]0πx=∑n=1+∞∫0x−2(Xn)1−(Xn)2 d(Xn)\left[ \ln(\sin(y)) -\ln (y) \right]_0^{\pi x} = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^x \dfrac{-2\left( \dfrac{X}{n}\right)}{1-\left( \dfrac{X}{n}\right)^2} \, d\left( \dfrac{X}{n}\right)
On pose z=Xnz=\dfrac{X}{n} et zz va de 00 à Xn\dfrac{X}{n}. Soit :
[ln⁡(sin⁡(y)y)]0πx=∑n=1+∞∫0xn−2z1−z2 dz\left[ \ln\left( \dfrac{\sin(y)}{y} \right) \right]_0^{\pi x} = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^{\frac{x}{n}} \dfrac{-2z}{1- z^2} \, dz
Ce qui nous permet d'écrire :
ln⁡(sin⁡(πx)πx)−ln⁡(lim⁡ε⟶0sin⁡(ε)ε)=∑n=1+∞[ln⁡(1−z2)]0xn\ln \left(\dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x} \right) - \ln \left(\lim_{\varepsilon \longrightarrow 0} \dfrac{\sin(\varepsilon)}{\varepsilon} \right) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left[ \ln(1-z^2) \right]_0^{\frac{x}{n}}
Ce qui nous donne :
ln⁡(sin⁡(πx)πx)−ln⁡(1)=∑n=1+∞(ln⁡(1−x2n2)−ln⁡(1))\ln \left(\dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x} \right) - \ln \left(1\right) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \ln\left(1 - \dfrac{x^2}{n^2}\right) - \ln(1) \right)
Comme ln⁡(1)=0\ln \left(1\right) = 0, on trouve que :
ln⁡(sin⁡(πx)πx)=∑n=1+∞(ln⁡(1−x2n2))\ln \left(\dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x} \right) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \ln\left(1 - \dfrac{x^2}{n^2}\right) \right)
Or, on a :
∑n=1+∞(ln⁡(1−x2n2))=∑n=1+∞ln⁡(1−x2n2)=ln⁡(∏1+∞(1−x2n2))\sum_{n=1}^{+\infty} \left( \ln\left(1 - \dfrac{x^2}{n^2}\right) \right) = \sum_{n=1}^{+\infty} \ln\left(1 - \dfrac{x^2}{n^2}\right) = \ln \left( \prod_1^{+\infty} \left(1 - \dfrac{x^2}{n^2}\right) \right)
Ce qui nous permet d'écrire que :
ln⁡(sin⁡(πx)πx)=ln⁡(∏1+∞(1−x2n2))\ln \left(\dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x} \right) = \ln \left( \prod_1^{+\infty} \left(1 - \dfrac{x^2}{n^2}\right) \right)
Finalement, ceci nous permet de conclure que :
sin⁡(πx)πx=∏n=1+∞(1−x2n2){\color{red}{ \boxed{ \dfrac{\sin(\pi x)}{\pi x} = \prod_{n=1}^{+\infty} \left( 1- \dfrac{x^2}{n^2} \right) } }}

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