Feuille no 2: Une application en analyse: les séries de Fourier

Feuille no2:
Une application en analyse: les s´eries de Fourier
(1) (*) D´eterminer le d´eveloppement en s´erie de Fourier de la fonction f:x[π, π]7→ cos(x) sin2(x).
Proof. f(x) = 1
4cos(3x) + 1
4cos(x).
(2) (*) Soit fune fonction 2π-p´eriodique, continue par morceaux. Montrer que pour tout aIR,
Rπ
πf(x)dx =Raπ
a2πf(x)dx +Ra+2π
a+πf(x)dx .
Proof. Voir le corrig´e de 2011.
(3) (*) Soit la fonction 2π-p´eriodique fefinie par f(x) = 0 si |x|< π/2 et f(x) = 1 si π/2≤ |x| ≤ π.
(a) D´eterminer la erie de Fourier de f. Cette s´erie de Fourier converge-t’elle vers f? En quel
sens ?
(b) En eduire les sommes des eries P(1)n
2n+1 et P1
(2n+1)2.
Proof. (a) fest une fonction paire, donc bn(f) = 0. Un calcul d’int´egrale, nous donne a0= 1. Pour kIN,
a2k= 0 et pour kIN, a2k+1 =2(1)k+1
(2k+1)π. La erie de Fourier associ´ee `a fest donc S2N+2(f)(x) = S2N+1(f)(x) =
1
2+2
πPN
k=0
(1)k+1
2k+1 cos((2k+ 1)x). D’apres Dirichlet, SN(f) converge vers fsimplement sur l’ensemble des points
de continuit´e de f.
(b) On applique Dirichlet au point x= 0 et l’on obtient Pn0
(1)n
2n+1 =π
4. Le th´eoreme de Bessel nous donne
Pn01
(2n+1)2=π2
8.
(4) (**) Soit fla fonction impaire sur [π, π] telle que f(x) = (πx)xsur [0, π]. Tracer fsur [π, π].
Montrer que fadmet un eveloppement en s´erie de Fourier et le pr´eciser. Calculer P+
n=0
(1)n
(2n+1)3. En
utilisant le Th´eor`eme de Bessel, quelle autre somme de s´erie num´erique peut-on facilement obtenir
`a partir de ce eveloppement en s´erie de Fourier?
Proof. Voir le corrig´e de 2011.
(5) (*) Soit fla fonction 2π-p´eriodique sur IR d´efinie sur ]0,2π[ par f(x) = xet par f(0) = π. Tracer f
sur [4π, 4π]. D´evelopper fen s´erie de Fourier. La fonction fcoincide-t-elle avec la somme de s´erie
de Fourier en tous points de [π, π]? Etudier le cas particulier de x= 0. Calculer P+
n=0
(1)n
2n+1 . En
utilisant le Th´eor`eme de Bessel, quelle autre somme de s´erie num´erique peut-on facilement obtenir
`a partir de ce eveloppement en s´erie de Fourier?
Proof. Voici le graphe de la fonction fsur [4π, 4π].
0
1
2
3
4
5
6
7
-15 -10 -5 0 5 10 15
f(x)
Un calcul d’int´egrale, nous donne a0= 2π, pour nINan= 0 et bn=2
n. Pour tous les points de [π, π],
fcoincide avec sa s´erie de Fourier. C’est `a dire que pour tout x[π, π], on a f(x) = π2Pn11
nsin(nx). En
appliquant Dirichlet au point x=π
2, on obtient Pn0
(1)n
2n+1 =π
4. En appliquant Bessel, on obtient Pn11
n2=
π2
6.
2 Licence M.A.S.S. deuxi`eme ann´ee: Alg`ebre S4
(6) (**) On consid`ere la fonction 2π-p´eriodique sur IR d´efinie sur [π, π[ par f(x) = cos x
2+ sin x
2.
(a) Tracer fsur [4π, 4π].
(b) Calculer les coefficients de Fourier de f.
(c) Quelle est la nature de la erie de Fourier Sfde f?
(d) eterminer la somme de la s´erie P
n=1 1
4n21.
Proof. Voir le corrig´e de 2011.
(7) (**) eterminer la s´erie de Fourier de la fonction 2π-p´eriodique impaire fefinie par f(x) =
max(cos x, sin x). Quelles sommes de s´eries num´eriques peut-on en d´eduire?
Proof. fest une fonction impaire donc pour tout nIN, an= 0. b1=3
4+1
πet pour tout n2, bn=
2n
π(n21) 22
π(n21) sin(nπ
4). Appliquons Dirichlet au point x=π
2, on obtient Pk11
8k+2 1
8k+6 =π
81
3.
(8) (**) En utilisant une solution particuli`ere sous forme de erie trigonom´etrique, r´esoudre l’´equation
diff´erentielle y(4) + 3y(2) + 2y=|cos t|(attention au domaine d’existence de la erie).
Proof. Voir le corrig´e de 2011. Pour une autre version, voir le corrig´e de 2009.
(9) (***) Montrer que si une erie trigonoetrique converge uniform´ement sur [0, π], alors elle est iden-
tique `a la s´erie de Fourier de sa somme. Donner la s´erie de Fourier d’un polynˆome trigonom´etrique.
Montrer que la s´erie trigonom´etrique P+
n=1 sin nx
nconverge simplement sur IR. En utilisant la formule
de Parseval, montrer qu’elle est diff´erente de la s´erie de Fourier de sa somme.
Proof. Voir le corrig´e de 2009 ou 2010.
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