Intégrales de Fresnel et Transformation de Fourier : Exercices

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DM7 bleu outremer
Intégrales de Fresnel
Transformation DE FOURIER
Pour toute fonction fcontinue intégrable sur R, on définit la fonction, notée F(f)ou ˆ
fet appelée transformée de Fourier de f,
définie sur Rpar
ˆ
f(x) = Z+
−∞
f(t)eitx dt.
(Parfois, un préfacteur 1/2πapparaît dans la définition, afin de simplifier l’expression de la transformée de Fourier inverse.)
I Introduction à la transformation de Fourier
I. 1 Propriétés élémentaires
1On note L1l’espace vectoriel des fonctions continues et intégrables sur R. Soit fL1. Montrer que ˆ
fest bornée sur Ret
que
xR|ˆ
f(x)|6c
|f|(0).
2Que peut-on dire de ˆ
florsque fest paire (resp. impaire) ?
3.a Transformée de Fourier de la translatée et de la déphasée - Soit aR. On définit τaf:x7→ f(xa). Comparer d
τafet ˆ
f.
On définit ϕa(f) : x7→ f(x)eiax. Comparer b
het ˆ
f.
3.b Transformée de Fourier de la transposée — On définit ˜
f:x7→ f(x). Comparer ˆ
˜
fet ˆ
f.
3.c Transformée de Fourier de la dilatée - Soit aR. On pose da(f) : x7→ f(ax). Comparer
\
da(f)et ˆ
f.
4Transformée de Fourier et dérivation
4.a On suppose que fL1est de classe C1et que f0L1. Montrer que fadmet une limite nulle en ±∞. En déduire que la
transformée de Fourier de f0est la fonction définie par b
f0:x7→ ixˆ
f(x). En déduire que limx→±∞ ˆ
f(x) = 0 (théorème de
Riemann-Lebesgue).
4.b On suppose que fet g:t7→ tf(t)sont toutes deux dans l’espace L1. Montrer que ˆ
fest de classe C1et calculer sa dérivée
en fonction de bg.
5Compléter le tableau suivant, synthétisant les propriétés élémentaires démontrées :
Fonction Transformée de Fourier Fonction Transformée de Fourier
f(t)b
f(x)f(t)eiat
f(ta)f0(t)
f(at)tf(t)
I. 2 Application au calcul de la transformée de Fourier de x7→ 1
a2+x2
6On pose f:t7→ e−|t|. Calculer ˆ
f(x)pour tout yR.
7D’après le théorème de convergence dominée, on sait que ˆ
fest continue ; on admet que si, de plus, b
fest intégrable, alors
tRf(t) = 1
2πZ+
−∞
ˆ
f(x)eixt dx.
En déduire la transformée de Fourier de t7→ 1
1+t2ainsi que celle de t7→ 1
a2+t2(pour aR).
II La transformée de Fourier dans l’espace de Schwartz
- Dans toute la suite, on note E=C(R,C)et Bl’espace vectoriel des fonctions f:RCbornées.
- On définit l’espace de Schwartz Scomme le sous-ensemble de Eformé des fonctions ftelles que, pour tous les entiers k>0et
p>0, la fonction x7→ (1 + |t|)kf(p)(t)soit bornée.
- Pour tout aR, on note ea:t7→ eiat.
II. 1 L’espace Sde Schwartz
8Soit fE. Vérifier que fSsi et seulement si, pour tous k, p N,lim|t|→+|t|kf(p)(t)=0.
9Montrer que Sest un sous-espace vectoriel de E,
stable par multiplication (si f, g Salors fg S) et par dérivation (si fS, alors f0S),
stable par translation et dilatation (si fS, alors τa(f)et dans Spour tout aC, et da(f)est dans Spour tout
aR).
Montrer que g:t7→ et2/2est élément de S.
1
10 Soient fSet Pun polynôme. Montrer que t7→ P(t)f(p)(t)est élément de S.
11 Soit Pfnune série de fonctions de S. On suppose que, pour tout (k, p)N2, la série de fonctions de terme général
t7→ tkf(p)
n(t)converge uniformément sur R. Montrer que F := P
n=0 fnest élément de S.
II. 2 Transformation de Fourier dans S
Dans toute la suite, fsera toujours un élément de l’espace de Schwartz S.
12 Montrer que fest intégrable. (Cela permet de munir Sde la norme k·k1habituelle, définie par kfk1=R+
−∞ |f|.)
13 Montrer que F:f7→ ˆ
fest linéaire, continue sur (S,k·k1)vers (B,k·k). Calculer sa norme subordonnée
kFk= sup
fP\{0}
kˆ
fk
kfk1
.
14 Montrer que ˆ
fest de classe Cet exprimer sa dérivée à l’aide de F(t7→ tf(t)).
15 Calculer la transformée de Fourier de la fonction g:t7→ et2/2. On pourra, à l’aide de la question 14, faire apparaître une
équation différentielle vérifiée par ˆg.
16 Calculer Ff(k)pour tout fSet kN.
17 En déduire que ˆ
fest encore élément de S.
II. 3 La formule d’inversion de Fourier On définit l’application Fpar
F(f)(x) = F(f)(x) = Z+
−∞
f(t)eixt dt.
1.
18 Calculer F(F(g)).
19 Soit fStelle que f(0) = 0. Montrer qu’il existe une fonction ϕPtelle que f(x) = (x)pour tout xR. On pourra
considérer la fonction x7→ R1
0f0(xt)dt.
20 En déduire que, si f(0) = 0, alors F(F(f))(0) = 0.
21 En déduire que, pour toute fonction fS,F(F(f))(0) = 2πf(0).
22 A l’aide de la question 3.a montrer que F(F(f)) = 2πf pour toute fonction fS, c’est-à-dire que l’on peut écrire
tRf(t) = 1
2πZ+
−∞
ˆ
f(x)eixt dx.
2
correction
1 Soit yR. On a
|ˆ
f(x)|6Z+
−∞ |f(t)|eitx dt=Z+
−∞ |f(t)|dx=|ˆ
f|(0).
ˆ
fest bornée et |ˆ
f|6|ˆ
f|(0).
2 Supposons fpaire. On peut alors effectuer le changement de variable u=t:
ˆ
f(x) = Z+
−∞
f(u)eiux du=ˆ
f(y)
Si fest paire, alors ˆ
fl’est aussi. De même, on montre que Si fest impaire, alors ˆ
fl’est aussi.
3.a On trouve
yRˆ
h(y) = ˆ
f(ya)
3.b
yRˆ
~
f(y) = ˆ
f(y).
3.c On effectue un changement de variable t=ax, en prenant soin de séparer les cas a > 0(immédiat) et a < 0(les bornes
s’échangent ! ! ! !) On trouve alors :
yR
\
da(f)(y) = 1
|a|ˆ
fx
a.
4. a Pour tout xR, on a f(x) = Rx
0f0(t)dt+f(0) ; la fonction f0étant intégrable, la fonction fadmet donc une limite en ±∞.
Si celle-ci était non nulle, alors fne serait pas intégrable. Ainsi
lim
x→±∞ f(x)=0
Calculons maintenant la transformée de Fourier de f0. Soit yR. Alors
b
f0(y) = Z+
−∞
f0(t)eittydt
On effectue une intégration par parties, par exemple en se ramenant à un segment :
Z+M
M
f0(t)eitx dt= iyZ+M
M
f(t)eitx dt+f(t)eitx+M
M
et les termes de bord disparaissent à la limite M+en vertu du résultat précédent. On en déduit que
yRb
f0(x) = ixˆ
f(x)
Par ailleurs, la fonction f0étant intégrable et continue, on sait que sa transformée de Fourier est bornée (cf. résultat de la
question 1) Puisque b
f(x) =
[
f0(x)/ix, on en déduit que
lim
x→±∞
ˆ
f(x)=0
4.b Pour tout xR, on a
ˆ
f(x) = Z+
−∞
f(t)eitx dt
On pose h: (x, t)7→ f(t)eixt. Alors hest définie et continue par rapport à chaque variable sur R2, et admet une dérivée
partielle par rapport à yqui est continue par rapport à chaque variable et qui s’écrit
h
x : (x, t)7−→ −itf(t)eitx
On peut la dominer
(x, t)R×R
h
x(x, t)=t|f(t)|=|g(t)|
Or la fonction |g|est intégrable sur Rpar hypothèse. Ainsi,
ˆ
fest de classe C1et admet pour dérivée ˆ
f0:x7→ −ibg(x)
3
5
Fonction Transformée de Fourier fonction transformée de Fourier
f(t)b
f(x)f(t)eiat ˆ
f(xa)
f(ta)˜
f(x)eiax f0(t) iy˜
f(x)
f(at)1
|a|˜
fx
atf(t) i(˜y)0(x)
I. 2 Application au calcul de la transformée de
Fourier de x7→ 1
a2+x2
6 Un calcul rapide mais propre (séparer l’intégrale en deux) montre que
xRˆ
f(x) = 2
1 + x2
7
xRZ+
−∞
eixy
1 + y2dy=πe−|y|
Par parité et en utilisant le résultat de la question 2 on en déduit que La transformée de Fourier de t7→ 1
1+t2est x7→ πe−|x|.
Enfin, 1
a2+t2=1
a2
1
1+(t/a)2. En appliquant le résultat de la question 3.C, on obtient que La transformée de Fourier de t7→ 1
a2+t2
est x7→ π
|a|e−|ax|.
II La transformée de Fourier dans l’espace de Schwartz II. 1 L’espace Sde Schwartz
8 Soit fS. Alors, pour tous k, p N,
|t|kf(p)(t) = 1
|t|· |t|k+1f(p)(t)61
|t|·(1 + |t|)k+1f(p)(t)
| {z }
bornée
|t|→+0
Réciproquement, si pour tous k, p N,lim|t|→+|t|kf(p)(t) = 0, alors t7→ |t|kf(p)(t)est bornée sur R, et
(1 + |t|)kf(p)(t) =
k
X
i=0 k
i|t|if(p)(t)
|t|→+0
comme somme de fonctions bornées.
Si fE, alors fSsi et seulement si, pour tous k, p N,lim
|t|→+|t|kf(p)(t) = 0
9 Tout d’abord, par définition, SE. - 0Set la stabilité par combinaison linéaire est immédiate. - La stabilité par
dérivation provient de la définition. - Soient f, g S. Le produit fg est de classe C. Soient k, p N. Alors
(fg)(p)(t) =
p
X
i=0 p
if(i)(t)g(pi)(t)
donc
|t|k(fg)(p)(t) =
p
X
i=0 p
itkf(i)(t)
| {z }
0
g(pi)(t)
| {z }
0
|t|→+0
Cela prouve que fg S.
Sest un espace vectoriel stable par dérivation et produit.
Enfin, on montre par récurrence que la fonction gadmet des dérivées successives de la forme g(p)(t) = Qp(t)ex2/2Qp
est un polynôm R
], ce qui permet de montrer facilement que
gest élément de F.
10 Tout d’abord, par stabilité par dérivation, f(p)est dans S.
Enfin, si l’on note d:= deg P, alors P(t)=o|t|d+1donc
P(t)f(p)(t)=o|t|d+1f(p)(t)
|t|→+0
Puisqu’enfin Pf(p)est de classe C,
t7→ P(t)f(p)(t)est élément de S
4
11 Tout d’abord, en prenant k= 0, la série Pf(p)
nconverge uniformément sur R, et ce pour tout pN. Cela permet d’invoquer
le théorème de dérivation terme à terme de la somme d’une série, et de conclure que F est bien définie et de classe {sur
R.
Enfin, le théorème de la double limite montre que
lim
|t|→+|t|kF(p)(t) = lim
|t|→+
X
n=0 |t|kf(p)
n(t)=0
par convergence uniforme sur R.
F est élément de S.
II. 2 Transformation de Fourier dans S
12 fest continue et f(t) = O
t→±∞ 1
1+t2donc
fest intégrable sur R.
13 Soit finE. Par simple inégalité triangulaire, pour tout xR,
|ˆ
f(x)|6Z+
−∞ |f(t)|dt=kfk1
ce qui prouve que ˆ
fest bornée, et kˆ
fk6kfk1. On en déduit que
Fest linéaire et continue sur (P,k·k1)vers (B,k·k).
De plus, on a montré que, pour tout fS\{0},
kˆ
fk
kfk1
61
Enfin, en prenant par exemple f:t7→ et2, on obtient en notant
α:= kfk1=Z+
−∞
f(t)dt=ˆ
f(0)
la majoration
xR|ˆ
f(x)|6Z+
−∞
α
et donc
kˆ
fk
kfk1
= 1
Ainsi
kFk= 1
14 D’après la question 4.b puisque fet t7→ tf(t)sont intégrables, la fonction ˆ
fest de classe ’ {1et de dérivée iF(t7→ tf(t)).
La fonction t7→ tf(t)étant toujours dans l’espace de Schwartz, on peut appliquer récursivement ce raisonnement (ou
directement le théorème de dérivation), et obtenir
ˆ
f(p)(x) = Z+
−∞
(it)pf(t)eixt dt
ˆ
fest de classe Cet ˆ
f(p)= (i)pF(t7→ tpf(t))
15 On vérifie rapidement (ça a été fait en exercice durant l’année) que ˆg0(x) = xˆg(x)ce qui donne ˆg(x) = Aex2/2. La valeur
A = ˆg(0) = R+
−∞ et2/2dt=2πétant plus ou moins connue,
ˆg=2πg
Remarque 1 On peut montrer que, dans l’espace de Schwartz, les fonctions «gaussiennes»t 7→ et2/2σ2sont les seuls vecteurs
propres de l’application «F *
5
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