Séries de Fourier
1. Compléments sur les fonctions définies par morceaux......................................................p.1
Définition de la continuité par morceaux pour une fonction définie sur un intervalle fermé borné.
ℝ
_espace vectoriel
Cm
(
[
a;b
]
;ℝ
)
, intégrale d'une fonction continue par morceaux sur un intervalle fermé borné.
Définition des fonctions de classe
C1
par morceaux sur un intervalle fermé borné.
Définition des fonctions T_périodiques. Cas des fonctions paires ou impaires.
Caractérisation des fonctions T_périodiques continues par morceaux ou de classe
C1
par morceaux sur
ℝ
.
Intégrale sur une période d'une fonction fonction T_périodique continue par morceaux sur
ℝ
.
2. Coefficients et séries de Fourier..................................................................................................p.7
Définition des coefficients de Fourier trigonométriques d'une fonction T_périodique continue par morceaux sur .
Cas des fonctions paires ou impaires. Cas des fonctions
f
telles que
∀x∈ℝ
,
f
(
x+T
2
)
=− f
(
x
)
.
Sommes partielles de Fourier d'une fonction T_périodique continue par morceaux sur
ℝ
.
3. Théorèmes de convergence...........................................................................................................p.14
Conséquence de la convergence en moyenne quadratique : théorème de Parseval.
Convergence ponctuelle : théorème de Dirichlet.
Cas d'une fonction continue et de classe
C1
par morceaux sur
ℝ
.
∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿
1. Co mpléments sur les fonctions définies par morceaux
Définition des fonctions continues par morceaux définies sur un intervalle fermé et borné
Soit
f
une fonction définie sur un intervalle fermé borné
[
a;b
]
et à valeurs dans
ℝ
.
f
est continue par morceaux sur l'intervalle
[
a;b
]
si et seulement s'il existe
n+1
réels
tels que
1)
a=a0<a1< …< an−1<an=b
(subdivision finie de l’intervalle
[
a;b
]
)
2) pour tout entier
k∈
⟦
1; n
⟧
la fonction
f
est continue sur l'intervalle ouvert
]
ak−1;ak
[
3) pour tout entier
k∈
⟦
1; n
⟧
la restriction de la fonction
f
à l'intervalle ouvert
]
ak−1;ak
[
, notée
f
]
ak−1;ak
[
, est
prolongeable par continuité à l'intervalle fermé
[
ak−1;ak
]
Exemples et contre-exemples :
Rappel : pour
t∈ℝ
, la partie entière de
t
notée
⌊
t
⌋
est définie par :
{
⌊
t
⌋
∈ℤ
⌊
t
⌋
⩽t<
⌊
t
⌋
+1
⇔
{
⌊
t
⌋
∈ℤ
t−1<
⌊
t
⌋
⩽t
t→
⌊
t
⌋
×
⌊
−t
⌋
est continue par morceaux sur
[
−1;2
]
t→
{
t
⌊
1
t
⌋
sit≠0
1 si t=0
n'est pas continue par morceaux sur
[
−1;2
]
car...
Séries de Fourier 1/17 pycreach.free.fr - TSI2
t→1
⌊
t
⌋
−t+1
n'est pas continue par morceaux sur
[
−1;2
]
car...
t→sin
(
1
⌊
t
⌋
−t+1
)
n'est pas continue par morceaux sur
[
−1;2
]
car...
On note
Cm
(
I;ℝ
)
l'ensemble des fonctions définies sur l'intervalle I fermé borné continues par morceaux et à valeurs
dans
ℝ
.
Une fonction continue sur un intervalle est aussi continue par morceaux sur cet intervalle :
C0
(
I ; ℝ
)
⊂Cm
(
I ;ℝ
)
Opération sur les fonctions continues par morceaux
Soient
f
et
g
deux fonctions définies sur un intervalle I, à valeurs dans
ℝ
et continues par morceaux alors :
La fonction somme
f+g:x→f
(
x
)
+g
(
x
)
est continue par morceaux sur I.
Pour
λ∈ℝ
, la fonction
λf:x→λf
(
x
)
est continue par morceaux sur I.
La fonction produit
f×g:x→f
(
x
)
×g
(
x
)
est continue par morceaux.
Remarque : les deux premières propriétés assurent que :
Cm
(
I,ℝ
)
est un
ℝ
espace vectoriel
Le quotient ou la fonction composée de deux fonctions continues par morceaux n'est pas nécessairement continue par
morceaux.
Exemple : la fonction
f:t→
⌊
t
⌋
−t+1
est continue par morceaux sur
ℝ
et à valeurs dans
]
0;1
]
la fonction
g:x→1
x
est continue par morceaux sur l'intervalle
]
0;1
]
la fonction
g∘f:t→1
⌊
t
⌋
−t+1
n'est pas continue par morceaux sur
ℝ
.
Définition de l'intégrale d'une fonction continue par morceaux sur un intervalle fermé borné
Soient
f
une fonction continue par morceaux sur un intervalle fermé borné
[
a;b
]
, à valeurs dans
ℝ
et
n+1
réels
tels que :
1)
a=a0<a1<…<an−1<an=b
(subdivision finie de l’intervalle
[
a;b
]
)
2) pour tout entier
k∈
⟦
1; n
⟧
la fonction
f
est continue sur l'intervalle ouvert
]
ak−1;ak
[
3) pour tout entier
k∈
⟦
1; n
⟧
la restriction de la fonction
f
à l'intervalle ouvert
]
ak−1;ak
[
, notée
f
]
ak−1;ak
[
, est
prolongeable par continuité à l'intervalle fermé
[
ak−1;ak
]
∫a
bf
(
t
)
dt=∫a0
a1f
(
t
)
dt+ …+∫an−1
anf
(
t
)
dt=∑
k=0
n−1∫ak
ak+1f
(
t
)
dt
Si
f∈C0
(
[
a;b
]
,ℂ
)
et
∫a
b
∣
f
(
t
)
∣
dt=0
alors
∀t∈
[
a;b
]
,
f
(
t
)
=0
En revanche
f∈Cm
(
[
a;b
]
;ℂ
)
et
∫a
b
∣
f
(
t
)
∣
dt=0
n'implique pas que
f
soit nulle sur
[
a;b
]
.
Exemple : pour
f:x→
⌊
x
⌋
+
⌊
−x
⌋
+1
...
Le théorème fondamental de l'analyse n'est pas valide pour les fonctions continues par morceaux.
Exemple : soit
f
définie sur
[
−1;1
]
par
{
f
(
x
)
=1 si x⩾0
f
(
x
)
=−1 si x<0
. Alors pour
x∈
[
−1; 1
]
,
{
∫0
xf
(
t
)
dt=x si x⩾0
∫0
xf
(
t
)
dt=−x si x<0
Séries de Fourier 2/17 pycreach.free.fr - TSI2
Donc
∀x∈
[
−1; 1
]
,
∫0
xf
(
t
)
dt=
∣
x
∣
et
x→
∣
x
∣
n'est pas dérivable en 0.
Propriétés des intégrales de fonctions continues par morceaux
Soient
f∈Cm
(
[
a;b
]
;ℝ
)
et
g∈Cm
(
[
a;b
]
;ℝ
)
:
Additivité :
∫a
bf
(
t
)
+g
(
t
)
dt=∫a
bf
(
t
)
dt+∫a
bg
(
t
)
dt
Homogénéité :
∀λ∈ℂ
,
∫a
bλf
(
t
)
dt=λ∫a
bf
(
t
)
dt
Croissance de l'intégrale :
si ∀t∈
[
a;b
]
,f
(
t
)
⩾g
(
t
)
alors ∫a
bf
(
t
)
dt⩾∫a
bg
(
t
)
dt
Inégalité triangulaire,
∣
∫a
bf
(
t
)
dt
∣
⩽∫a
b
∣
f
(
t
)
∣
dt
Remarques : les deux premières propriétés assurent la linéarité de l'application
Cm
(
[
a;b
]
;ℂ
)
→ ℝ
f→∫a
bf
(
t
)
dt
Conséquences de l'inégalité triangulaire
Soient
f∈Cm
(
[
a;b
]
;ℝ
)
et
g∈Cm
(
[
a;b
]
;ℝ
)
:
∣
∫a
bf
(
t
)
dt
∣
⩽
(
b−a
)
sup
t∈
[
a;b
]
∣
f
(
t
)
∣
∣
∫a
bf
(
t
)
×g
(
t
)
dt
∣
⩽sup
t∈
[
a;b
]
∣
f
(
t
)
∣
×∫a
b
∣
g
(
t
)
∣
dt
Démonstration : en vertu de l'inégalité de la moyenne,
∣
∫a
bf
(
t
)
×g
(
t
)
dt
∣
⩽…
Or
∀t∈
[
a;b
]
,
∣
f
(
t
)
∣
⩽sup
t∈
[
a;b
]
∣
f
(
t
)
∣
donc...
Ainsi en vertu de la croissance de l'intégrale pour les fonctions à valeurs réelles, …
□
Définition des fonctions de classe
C1
par morceaux sur un intervalle fermé borné
Soit
f
une fonction définie sur un intervalle
[
a;b
]
et à valeurs dans
ℝ
.
f
est de classe
C1
par morceaux sur l'intervalle
[
a;b
]
si et seulement s'il existe
n+1
réels
tels que
1)
a=a0<a1< …< an−1<an=b
(subdivision de l'intervalle
[
a;b
]
)
2) pour tout entier
k∈
⟦
1; n
⟧
la fonction
f
est de classe
C1
sur l'intervalle ouvert
]
ak−1;ak
[
3) pour tout entier
k∈
⟦
1; n
⟧
la restriction de la fonction
f
à l'intervalle ouvert
]
ak−1;ak
[
, notée
f
]
ak−1;ak
[
, est
prolongeable en une fonction de classe
C1
sur l'intervalle fermé
[
ak−1;ak
]
Remarque : Toue fonction polynomiale par morceaux sur un intervalle fermé borné
[
a;b
]
est de classe
C1
par morceaux
sur l'intervalle
[
a;b
]
.
Exemple : la fonction
t→
∣
t
∣
est de classe
C1
par
morceaux sur l'intervalle
[
−1;1
]
Contre-exemple : la fonction
t→
√
∣
t
∣
n'est pas de classe
C1
par morceaux sur l'intervalle
[
−1;1
]
:
Séries de Fourier 3/17 pycreach.free.fr - TSI2
t→
{
tsin
(
1
t
)
si t≠0
0 si t=0
n'est pas de classe
C1
par
morceaux sur
[
−1
2;1
2
]
.
t→
{
t
∣
1
t−
[
1
t
]
−1
2
∣
si t≠0
0 si t=0
n'est pas de classe
C1
par
morceaux sur
[
−1;1
]
.
Rappel : Le théorème de la limite de la dérivée (corollaire du théorème des accroissements finis) permet parfois de
prolonger une fonction dérivée jusqu'au bord d'un intervalle ouvert :
Soit une fonction
f
continue sur
[
a;b
]
et dérivable sur
]
a;b
]
.
f 'd
(
a
)
≠lim
x→a
x>a
f '
(
x
)
en général. Cependant, si
lim
x→a
x>a
f '
(
x
)
existe (finie,
+∞
, ou
−∞
) alors
f 'd
(
a
)
=lim
x→a
x>a
f '
(
x
)
.
Le cas des raccords de fonctions dérivées est plus délicat :
f
dérivable sur
[
a;b
]
et sur
[
b;c
]
n'implique pas en général que
f
soit dérivable sur
[
a;c
]
Mais si de plus
f ' d
(
b
)
=f ' g
(
b
)
alors
f
est dérivable en
b
et
f '
(
b
)
=f 'd
(
b
)
=f 'g
(
b
)
Opération sur les fonctions de classe
C1
par morceaux
Soient
f
et
g
deux fonctions de classe
C1
sur un intervalle
[
a;b
]
, à valeurs dans
ℝ
.
La fonction somme
f+g:x→f
(
x
)
+g
(
x
)
est de classe
C1
par morceaux sur
[
a;b
]
.
Pour
λ∈ℝ
, la fonction
λf:x→λf
(
x
)
est de classe
C1
par morceaux sur
[
a;b
]
.
La fonction produit
f×g:x→f
(
x
)
×g
(
x
)
de classe
C1
par morceaux sur
[
a;b
]
.
Démonstration : cf opérations sur les fonctions de classe
C1
sur les subdivisions
[
ai;ai+1
]
. □
Remarque : les deux premières propriétés assurent que l'ensemble de fonctions de classe
C1
sur
[
a;b
]
est un
ℝ
espace
vectoriel.
Définition des fonctions T_périodiques
Soient T un réel strictement positif et
f
une fonction définie sur
ℝ
et à valeurs dans
ℝ
.
La fonction
f
est T-périodique si et seulement si
∀x∈ℝ , f
(
x+T
)
=f
(
x
)
Remarque : si
f
est T-périodique alors
∀k∈ℤ
,
∀x∈ℝ
,
f
(
x+k×T
)
=f
(
x
)
.
Exemple :
x→1
⌊
x
⌋
−x+1
est une fonction 1_périodique car...
Si
f
est T-périodique alors
f
est totalement
déterminée par sa restriction à un intervalle du type
[
a;a+T
[
ou
]
a;a+T
]
. En effet soit
a∈ℝ
,
T>0
et une
fonction
g;
[
a;a+T
[
→ℝ
. Si
f
est T_périodique et
∀x∈
[
a;a+T
[
,
f
(
x
)
=g
(
x
)
alors pour
x∈
[
a+kT ; a+
(
k+1
)
T
[
avec
k∈ℤ
,
f
(
x
)
=f
(
x−kT
)
=g
(
x−kT
)
car
x−kT ∈
[
a;a+T
[
.
Exemple : Soit
f
la fonction 1 périodique telle que
∀x∈
[
0; 1
[
,
f
(
x
)
=
√
x
alors pour
x∈
[
10;11
[
,
f
(
x
)
=…
pour
x∈
[
−11;−10
[
,
f
(
x
)
=…
Séries de Fourier 4/17 pycreach.free.fr - TSI2
Remarque : pour
a<b
, si
f
est
b−a
_périodique et
∀x∈
[
a;b
[
,
f
(
x
)
=g
(
x
)
alors :
∀x∈ℝ
,
f
(
x
)
=g
(
x−
(
b−a
)
⌊
x−a
b−a
⌋
)
Exemples de code Python permettant de représenter graphiquement la fonction 3_périodique
f
telle que :
∀x∈
[
−1; 2
[
,
f
(
x
)
=2x+4
:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
def f(x):
if -1<=x<2:
return 2*x+4
if x>=2 :
return f(x-3)
if x<-1 :
return f(x+3)
X=[-10+k/100 for k in range(0,2000)]
Y=[f(x) for x in X]
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(X,Y)
plt.show()
Pour une représentation graphique sans les segments
verticaux :
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
def f(x):
return 2*x+4
X=[-1+k/100 for k in range(300)]
Y=[f(x) for x in X]
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
for k in range(-3,3):
plt.plot(X+3*k*np.ones(len(X)),Y)
plt.show()
Si
f
est une fonction T_périodique paire ou impaire alors
f
est entièrement déterminée par sa restriction à
l'intervalle du type
[
0; T
2
]
.
Exemple : soit
f
la fonction impaire 4_périodique définie par :
f
(
0
)
=f
(
2
)
=0
et si
x∈
]
0; 2
[
alors
f
(
x
)
=2x+4
.
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