Séries de Fourier : Calculs fondamentaux et exemples

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S´eries de Fourier - Calculs fondamentaux
I - S´erie de Fourier associ´ee `a une fonction f
La s´erie de Fourier associ´ee `a une fonction f, p´eriodique de p´eriode T, s’´ecrit :
S(t) = a0+
+
X
n=1
ancos(t) + bnsin(t)
o`u la pulsation ωest reli´ee `a la p´eriode Tpar la relation ω=2π
T.
D´eterminer la d´ecomposition de la fonction fen s´erie de Fourier revient `a d´eterminer les coefficients
a0(valeur moyenne de f), et pour n>1, anet bn, donn´es par :
a0=1
TZα+T
α
f(t)dt
an=2
TZα+T
α
f(t) cos (T )dt
bn=2
TZα+T
α
f(t) sin (T )dt
pour un r´eel αquelconque.
1) 1er exemple complet
Soit la fonction fp´eriodique de p´eriode 2πd´efinie par
f(t) =
1 si 0 6t < π
1 si π6t < 2π
0
1
-1
4π3π
2π
π
π
2π
3π4π
Repr´esentation graphique de la fonction f
Calcul des coefficients de la erie de Fourier : La p´eriode de fest T= 2π, soit une pulsation
ω=2π
T= 1.
a) Valeur moyenne de f: coefficient a0
La valeur moyenne de fest :
a0=1
TZT
0
f(t)dt =1
2πZ2π
0
f(t)dt =1
2πI
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Comme la fonction est d´efinie par morceaux sur [0; 2π], on d´ecompose aussi l’int´egrale Ien 2 morceaux
(relation de Chasles pour les inegrales) :
I=Zπ
0
f(t)dt +Z2π
π
f(t)dt
=Zπ
0
1dt +Z2π
π
(1) dt
=Zπ
0
1dt Z2π
π
1dt
=htiπ
0hti2π
π
=hπ0ih2ππi=ππ= 0
Ainsi, a0=1
2π×0 = 0.
Remarque : La fonction f´etant impaire, on a directement a0= 0, r´esultat que l’on retrouve ici. . .
b) Coefficients an
Pour les autres coefficients :
an=2
TZT
0
f(t) cos(t)dt =2
2πZ2π
0
f(t) cos(nt)dt =1
πIn
On proc`ede de la mˆeme fa¸con pour calculer In:
In=Z2π
0
f(t) cos(nt)dt
=Zπ
0
f(t) cos(nt)dt +Z2π
π
f(t) cos(nt)dt
=Zπ
0
1 cos(nt)dt +Z2π
π
(1) cos(nt)dt
=Zπ
0
cos(nt)dt Z2π
π
cos(nt)dt
=h1
nsin(nt)iπ
0h1
nsin(nt)i2π
π
=1
nhsin()sin(0)i1
nhsin(2)sin()i
or, pour tout entier n>1, sin() = sin(2) = 0, d’o`u, In= 0, et donc an=1
πIn= 0
Remarque : La fonction f´etant impaire, on a aussi directement an= 0, r´esultat que l’on retrouve
aussi ici. . .
c) Coefficients bn
bn=2
TZT
0
f(t) sin(t)dt =2
2πZ2π
0
f(t) sin(nt)dt =1
πJn
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On proc`ede de la mˆeme fa¸con pour calculer Jn:
Jn=Z2π
0
f(t) sin(nt)dt
=Zπ
0
f(t) sin(nt)dt +Z2π
π
f(t) sin(nt)dt
=Zπ
0
1 sin(nt)dt +Z2π
π
(1) sin(nt)dt
=Zπ
0
sin(nt)dt Z2π
π
sin(nt)dt
=h1
ncos(nt)iπ
0h1
ncos(nt)i2π
π
=1
nhcos()cos(0)i+1
nhcos(2)cos()i
or, pour tout entier n>1, cos(2) = cos(0) = 1 d’o`u,
Jn=1
ncos()1+1
n1cos()=2
n1cos()
et donc bn=1
πJn=2
1cos()
d) S´erie de Fourier de la fonction f
La s´erie de Fourier associ´ee `a la fonction fs’´ecrit ainsi :
S(t) = a0+
+
X
n=1
ancos(t) + bnsin(t)
= 0 +
+
X
n=1
0×cos(nt) + 2
1cos()sin(nt)
=2
π
+
X
n=1
1
n1cos()sin(nt)
e) Remarque sur la parit´e de la fonction et ses cons´equences
en remarquant d`es le d´ebut que fest impaire, les calculs peuvent s’effectuer plus rapidement
et simplement en employant les formules adapt´ees des coefficients a0et an(alors directement
´egaux `a 0, sans calculs), et de bn.
(voir le cours et l’expression des coefficients de Fourier pour une fonction paire ou impaire ;
attention, ces expressions ne sont pas dans le formulaire du BTS).
on peut aller un peu plus loin en remarquant que pour tout entier n>1,cos() = (1)n, et
ainsi que les coefficients bnde rang pair, n= 2p+ 1, sont nuls et que ceux de rang impair valent
plus simplement b2p+1 =4
n=4
2p+ 1.
La s´erie de Fourier s’´ecrit alors :
S(t) = 4
π
+
X
p=1
1
2p+ 1 sin((2p+ 1)t)
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II - Les calculs incontournables
Le calcul des coefficients de Fourier d’une fonction quelconque fse ram`ene g´en´eralement (du moins
pour le programme du BTS) aux calculs suivants (`a des coefficients multiplicatifs pr`es) :
In=Zb
a
cos(t)dt et, Jn=Zb
a
sin(t)dt
et
Un=Zb
a
tcos(t)dt et, Vn=Zb
a
tsin(t)dt
ainsi que (plus rarement, mais `a savoir calculer n´eanmoins)
Yn=Zb
a
t2cos(t)dt et, Zn=Zb
a
t2sin(t)dt
Bien ´evidemment, ces calculs ne sont pas `a connaˆıtre par cœur, par contre il faut savoir les effectuer
sans h´esiter !
1) Calculs de Inet Jn
In=Zb
a
cos(t)dt et, Jn=Zb
a
sin(t)dt
Ces calculs ont d´ej`a ´et´e effectu´es lors des calculs des coefficients de Fourier du 1er exemple.
On connaˆıt ici directement des primitives de cos(t) et sin(t) :
In=Zb
a
cos(t)dt =h1
sin(t)ib
a=1
hsin(t)ib
a=1
hsin(b)sin(a)i
In=Zb
a
sin(t)dt =h1
cos(t)iπ
0=1
hcos(t)ib
a=1
hcos(b)cos(a)i
Exemple : Calculer, pour tout entier n>1,
In=Zπ
2
0
cos (3nt)dt et Jn=Zπ
2
0
sin (3nt)dt .
Correction : Une primitive de cos(3nt) est 1
3nsin(3nt), et donc
In=h1
3nsin(3nt)iπ
2
0=1
3nhsin(3nt)iπ
2
0=1
3nsin 3nπ
2sin(0)=1
3nsin 3nπ
2
car sin(0) = 0.
De mˆeme, une primitive de sin(3nt) est 1
3ncos(3nt), et donc
Jn=h1
3ncos(3nt)iπ
2
0=1
3nhcos(3nt)iπ
2
0=1
3ncos 3nπ
2cos(0)=1
3ncos 3nπ
21
car cos(0) = 1.
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2) Calculs de Unet Vn
Un=Zb
a
tcos(t)dt et, Vn=Zb
a
tsin(t)dt
On peut ici (et doit. . .) utiliser une int´egration par parties, dont on rappelle la formule g´en´erale :
Zb
a
u v=hu v ib
aZb
a
uv
L’id´ee est de d´eriver le ”t” dans les int´egrales Unet Vnafin de se retrouver avec des int´egrales plus
simples du type de Inet Jn.
a) Calcul de Un
On int`egre donc par parties Un:Un=Zb
a
tcos(t)dt =Zb
a
u v
avec
u(t) = t
v(t) = cos(t)
soit,
u(t) = 1
v(t) = 1
sin(t)
et ainsi,
Un=Zb
a
tcos(t)dt =Zb
a
u v
=hu v ib
aZb
a
uv
=ht1
sin(t)ib
aZb
a
11
sin(t)dt
=1
htsin(t)ib
a1
Zb
a
sin(t)dt
et il n’y a plus qu’`a calculer la derni`ere int´egrale qui n’est autre que Jndont le calcul est d´etaill´e
dans le paragraphe pr´ec´edent.
Exemple : Calculer, pour tout entier n>1, Un=Zπ
0
tcos(nt)dt.
Correction : On int`egre Unpar partie, en posant
u(t) = t
v(t) = cos(nt)
soit,
u(t) = 1
v(t) = 1
nsin(nt)
Un=Zπ
0
u v=hu v iπ
0Zπ
0
uv
=ht1
nsin(nt)iπ
0Zπ
0
1×1
nsin(nt)dt
=1
nsin()sin(0)1
nZπ
0
sin(nt)dt
or, sin() = sin(0) = 0, et une primitive de sin(nt) est 1
ncos(nt), d’o`u,
Un=1
nZπ
0
sin(nt)dt =1
nh1
ncos(nt)iπ
0=1
n2cos()cos(0)=1
n2cos()1
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