S´eries de Fourier. Divers modes de convergence. Exemples
1 G´en´eralit´es et notations
Dans tout ce chapitre, Ed´esigne l’ensemble des fonctions continues de Rdans C, 2π-p´eriodiques
et continues par morceaux telles que :
fE, xR, f (x) = 1
2(f(x+) + f(x)).
Proposition 1 E est un Cespace vectoriel pour les lois usuelles.
Preuve - On v´erifie sans peine les axiomes d’espace vectoriel. 2
Proposition 2 L’application h., .id´efinie sur E×E, `a valeurs dans C, par :
f, g E, hf, gi=1
2πZ2π
0
f(t)g(t)dt.
est un produit scalaire.
Preuve - Soient f, g E.
hf, gi=1
2πZ2π
0
f(t)g(t)dt =1
2πZ2π
0
f(t)g(t)dt =hg, fi.
donc h., .iest `a sym´etrie hermitienne.
Soient f, g, h E,λC. La lin´earit´e de l’int´egrale permet d’affirmer que :
hf, g +λhi=hf, gi+λhf, hi
donc h., .iest lin´eaire par rapport `a la seconde place.
Soit fE.
hf, fi=1
2πZ2π
0
f(t)f(t)dt =1
2πZ2π
0
|f(t)|2dt >0.
Supposons que hf, fi= 0, c’est-`a-dire 1
2πR2π
0|f(t)|2dt = 0. Notons t1,··· , tn1les points de discon-
tinuit´e de f,t0= 0 et tn= 2π. Par hypoth`ese, pour tout k∈ {0,··· , n 1},f|]tk;tk+1[est continue
et admet des limites en t+
ket t
k+1. On a alors :
0 = Z2π
0
|f(t)|2dt =
n1
X
k=0 Ztk+1
tk
|f(t)|2dt.
1
S´eries de Fourier. Divers modes de convergence. Exemples
Chaque quantit´e de la somme ´etant positive, on en eduit :
k∈ {0,··· , n 1},Ztk+1
tk
|f(t)|2dt = 0.
Alors :
k∈ {0,··· , n 1},t]tk;tk+1[, f(t) = 0.
fest donc nulle sur [0; 2π], sauf peut-ˆetre aux points tk. Comme
k∈ {0,··· , n}, f(tk) = 1
2(f(t+
k) + f(t
k))
et que
k∈ {0,··· , n}, f(t
k) = f(t+
k) = 0
on en d´eduit
k∈ {0,··· , n}, f(tk) = 0
et donc fest nulle sur [0; 2π]. f´etant 2π-p´eriodique, il en r´esulte que fest nulle sur R.2
La norme associ´ee au produit scalaire h., .iest not´ee k.k2et est donc d´efinie par :
fE, kfk2=1
2πZ2π
0
|f(t)|2dt1/2
.
Notons pour tout nZ,enla fonction d´efinie sur R, `a valeurs dans Cpar :
tR, en(t) = eint.
Proposition 3 (en)nZest une famille orthonormale dans E.
Preuve - Soient n, p Z.
hen, epi=1
2πZ2π
0
en(t)ep(t)dt =1
2πZ2pi
0
einteiptdt =1
2πZ2π
0
ei(pn)tdt.
Si n=p,hen, epi=1
2πR2π
0dt = 1.
Si n6=p,hen, epi=1
2πi(pn)ei(pn)tt=2π
t=0 = 0 car (pn)Z.
Donc hen, epi=δn,p donc (en)nZest orthonormale. 2
D´efinition 1 Soit fE. Pour tout nZ, on appelle ni`eme coefficient de Fourier exponentiel de
f le nombre cnd´efini par :
cn=hen, fi=1
2πZ2π
0
f(t)eintdt
Pour tout nN, on appelle coefficients de Fourier trigonom´etriques de f les nombres anet bnefinis
par :
an=1
πZ2π
0
f(t) cos(nt)dt ,bn=1
πZ2π
0
f(t) sin(nt)dt.
c
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Proposition 4 Soit fE. On a, pour tout nN:
an=cn+cn,bn=i(cncn),cn=1
2(anibn),cn=1
2(an+ibn).
Preuve - Soient fE,nN.
cn=1
2πZ2π
0
f(t)eintdt =1
2πZ2π
0
f(t) (cos(nt) + isin(nt)) dt.
cos ´etant paire et sin impaire, et compte tenu de la lin´earit´e de l’int´egrale, on a :
cn=1
2πZ2π
0
f(t) cos(nt)dt 1
2πiZ2π
0
f(t) sin(nt)dt =1
2(anibn).
De mˆeme :
cn=1
2πZ2π
0
f(t)eintdt =1
2πZ2π
0
f(t) cos(nt)dt +1
2πiZ2π
0
f(t) sin(nt)dt =1
2(an+ibn).
On en d´eduit
cn+cn=1
2(anibn) + 1
2(an+ibn) = an
et
cncn=1
2(anibn)1
2(an+ibn) = ibndonc bn=i(cncn).
En particulier, b0= 0 et a0= 2c0.2
Proposition 5 Pour tout n, les applications f7→ cn(f),f7→ an(f)et f7→ bn(f)sont des formes
C-lin´eaires sur E.
Preuve - Sit fE. Soit nZ.cn=hen, fi. Le produit sclaire ´etant lin´eaire par rapport `a
la deuxi`eme variable, il en r´esulte que f7→ cn(f) est lin´eaire, et ceci pour tout nZ. Comme
an=cn+cnet bn=i(cncn), il en r´esulte que f7→ an(f) et f7→ bn(f) sont des formes
C-lin´eaires sur E.2
D´efinition 2 Soit fE. On note (cn)nZ,(an)nNet (bn)nNles suites form´ees des coefficients de
Fourier exponentiels et trigonom´etriques de f. On appelle s´erie de Fourier de f la s´erie d’applications
P
n>0
uno`u (un)nNest d´efinie par :
u0:t7→ c0=1
2πZ2π
0
f(t)eintdt et nN, un:t7→ cneint +cneint.
Notation : Pour nN, notons Sn(f) la ni`eme somme partielle associ´ee `a la s´erie de Fourier de
f. On a donc :
nN,tR, Sn(f)(t) =
n
X
k=0
uk(t) =
n
X
k=n
ckeikt.
c
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Proposition 6 Avec les notations pr´ec´edentes, on a :
Sn(f)(t) = a0
2+
n
X
k=1
(ancos(kt) + bnsin(kt)) .
Preuve - Soient nN,tR.
Sn(f)(t) =
n
P
k=n
ckeikt
=
1
P
k=n
ckeikt +c0+
n
P
k=1
ckeikt
=
n
P
k=1
ckeikt +c0+
n
P
k=1
ckeikt
=a0
2+
n
P
k=1
1
2(an+ibn)eikt +
n
P
k=1
1
2(anibn)eikt
=a0
2+
n
P
k=1 aneikt+eikt
2+bneikteikt
2
=a0
2+
n
P
k=1
(ancos(kt) + bnsin(kt)) .
2
2 Divers modes de convergence
2.1 Convergence normale
Th´eor`eme 1 Soit P
n>0
unune s´erie trigonom´etrique d´efinie sur Rpar :
u0:t7→ c0et nN, un:t7→ cneint +cneint.
on note (an)nNet (bn)nNles suites d´efinies par :
nN, an=cn+cn, bn=i(cncn).
Les assertions suivantes sont ´equivalentes :
(i) P
n>0
unconverge normalement sur R;
(ii) P
n>0
cnet P
n>0
cnsont absolument convergentes ;
(iii) P
n>0
anet P
n>0
bnsont absolument convergentes.
c
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Preuve - Supposons que P
n>0
unconverge normalement sur R. Soit nZ. D’apr`es l’in´egalit´e de
Cauchy Schwarz, on a :
|cn|=|hen, uni| 6kunk2.
Or,
kunk2
2=1
2πZ2π
0
|un(t)|2dt 61
2πZ2π
0 sup
t[0;2π]
|un(t)|!2
dt.
Sachant que unest 2π-p´eriodique,
sup
t[0;2π]
|un(t)|= sup
tR
|un(t)|=kunk.
Par cons´equent, kunk2
26kunk2
donc kunk26kunket donc |cn|<kunk.P
n>0
kunkconverge
par hypoth`ese et P
n>0
|cn|et P
n>0
kunksont des s´eries `a termes positifs donc P
n>0
|cn|converge,
c’est-`a-dire P
n>0
cnconverge absolument. De mˆeme, P
n>0
cnconverge absolument.
Supposons maintenant que P
n>0
cnet P
n>0
cnsont absolument convergentes. Soit nN.
|an|=|cn+cn|6|cn|+|cn|.
P
n>0
|an|et P
n>0
(|cn|+|cn|) sont deux s´eries `a termes positifs et P
n>0
(|cn|+|cn|) converge (somme
de deux s´eries convergentes) donc P
n>0
|an|converge , c’est-`a-dire P
n>0
anconverge absolument. De
mˆeme, P
n>0
bnconverge absolument car pour tout nN,|bn|6|cn|+|cn|.
Supposons maintenant que P
n>0
anet P
n>0
bnconvergent absolument. On a :
nN,tR, un(t) = ancos(nx) + bnsin(nx)
donc
tR,|un(t)|6|an|+|bn|
c’est-`a-dire
kunk6|an|+|bn|.
P
n>0
|an|et P
n>0
|bn|convergent donc P
n>0
(|an|+|bn|) converge. P
n>0
kunket P
n>0
(|an|+|bn|) ´etant
deux s´eries `a termes positifs, on en d´eduit que P
n>0
kunkconverge, c’est-`a-dire P
n>0
unconverge
normalement. 2
2.2 Convergence en moyenne quadratique
Th´eor`eme 2 Th´eor`eme de Parseval
fE, kfSp(f)k2
p+0.
c
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