Exercice 9 - Exercice 1

30 min
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Une méthodologie bien pratique.
Question 1
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On sait que si l'on cherche à exprimer la série de Fourier la fonction numérique, 2π2\pi-périodique, dont l'image est, sur l'intervalle [−π ; π][-\pi \,;\, \pi], donnée par l'expression x2x^2, on trouve que :
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)
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)=x3f(x) = x^3. Déterminer l'expression de sa série de Fourier.

Correction
L'énoncé suggère d'exploiter la relation proposée, à savoir :
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)
Nous allons donc intégrer cette dernière relation entre les abscisses 00 et xx. On a alors :
x3=3×x33=3×x3−033=3×∫0xt2 dt=3×∫0x(π23+4∑n=1+∞(−1)nn2cos⁡(nt)) dtx^3 = 3 \times \dfrac{x^3}{3} = 3 \times \dfrac{x^3 - 0^3}{3} = 3 \times \int_{0}^{x} t^2 \, \mathrm{d}t = 3 \times \int_{0}^{x} \left( \dfrac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nt) \right) \, \mathrm{d}t
Ce qui nous donne :
x3=∫0x(π2+3×4∑n=1+∞(−1)nn2cos⁡(nt)) dt=π2∫0x1 dt+12∑n=1+∞(−1)nn2∫0xcos⁡(nt) dtx^3 = \int_{0}^{x} \left( \pi^2 + 3\times4 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2}\cos(nt) \right) \, \mathrm{d}t = \pi^2 \int_{0}^{x} 1 \, \mathrm{d}t + 12 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2} \int_{0}^{x} \cos(nt) \, \mathrm{d}t
Mais, on sait que ∫0x1 dt=x\int_{0}^{x} 1 \, \mathrm{d}t = x et que :
∫0xcos⁡(nt) dt=[sin⁡(nt)n]0x=sin⁡(nx)−sin⁡(n0)n=sin⁡(nx)−sin⁡(0)n=sin⁡(nx)−0n=sin⁡(nx)n\int_{0}^{x} \cos(nt) \, \mathrm{d}t = \left[ \dfrac{\sin(nt)}{n} \right]_{0}^{x} = \dfrac{ \sin(nx) - \sin(n0)}{n} = \dfrac{ \sin(nx) - \sin(0)}{n} = \dfrac{ \sin(nx) - 0}{n} = \dfrac{ \sin(nx)}{n}
Soit :
x3=π2x+12∑n=1+∞(−1)nn2sin⁡(nx)n x^3 = \pi^2 x + 12 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^2} \dfrac{ \sin(nx)}{n} \,
Ce qui nous conduit naturellement à :
x3=π2x+12∑n=1+∞(−1)nn3sin⁡(nx) x^3 = \pi^2 x + 12 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx) \,
Il nous faut maintenant expliciter la série de Fourier qui est associée au terme xx. Pour ce faire, nous effectuer, cette fois, une dérivation.
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)
On en déduit alors que :
x3=π22∑n=1+∞(−1)n+1nsin⁡(nx)+12∑n=1+∞(−1)nn3sin⁡(nx)x^3 = \pi^2 2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n} \sin(nx) + 12 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx)
Nous allons donc écrire que :
x3=2π2∑n=1+∞(−1)n+1n2n3sin⁡(nx)+2×6∑n=1+∞(−1)nn3sin⁡(nx)x^3 = 2\pi^2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}n^2}{n^3} \sin(nx) + 2\times 6 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx)
Soit :
x3=−2π2∑n=1+∞(−1)nn2n3sin⁡(nx)+2×6∑n=1+∞(−1)nn3sin⁡(nx)x^3 = -2\pi^2 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n n^2}{n^3} \sin(nx) + 2\times 6 \sum_{n = 1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx)
Soit encore :
x3=∑n=1+∞(−2π2)(−1)nn2n3sin⁡(nx)+∑n=1+∞(2×6)(−1)nn3sin⁡(nx)x^3 = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( -2\pi^2 \right) \dfrac{(-1)^n n^2}{n^3} \sin(nx) + \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( 2 \times 6 \right) \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx)
Donc :
x3=∑n=1+∞(−π2n2)2(−1)nn3sin⁡(nx)+∑n=1+∞(6)2(−1)nn3sin⁡(nx)x^3 = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( -\pi^2 n^2\right) 2 \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx) + \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( 6 \right)2 \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx)
En regroupant les deux sommations, on obtient :
x3=∑n=1+∞((−π2n2)2(−1)nn3sin⁡(nx)+(6)2(−1)nn3sin⁡(nx))x^3 = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( \left( -\pi^2 n^2\right) 2\dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx) + (6)2 \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx) \right)
En factorisant, on arrive à :
x3=∑n=1+∞(−π2n2+6)2(−1)nn3sin⁡(nx)x^3 = \sum_{n = 1}^{+\infty} \left( -\pi^2 n^2 + 6 \right) 2\dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx)
Finalement, on trouve que :
x3=2∑n=1+∞(6−n2π2)(−1)nn3sin⁡(nx){\color{red}{ \boxed{x^3 = 2\sum_{n = 1}^{+\infty} \left( 6 - n^2\pi^2 \right) \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx) }}}
A titre informatif, on donne ci-dessous le graphe de la somme partielle 2∑n=150(6−n2π2)(−1)nn3sin⁡(nx)2\sum_{n = 1}^{50} \left( 6 - n^2\pi^2 \right) \dfrac{(-1)^n}{n^3} \sin(nx) :

En allant jusqu'à n=2000n = 2000 le résultat est particulièrement convaincant.

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