S´eries de Fourier d’une fonction p´eriodique. Propri´et´es de la somme.
Exemples
Dans toute ce chapitre, nous allons nous int´eresser aux fonctions 2π-p´eriodiques. Notons que si une fonction
fest T-p´eriodique (avec T > 0), on se ram`ene `a une fonction 2π-p´eriodique en d´efinissant une fonction g
par : g(x) = fT
2πx.
1 L’espace pr´ehilbertien D
Notation 1.1
On note Dl’ensemble des applications fd´efinies sur R, `a valeurs dans C,2π-p´eriodiques, continues par
morceaux, v´erifiant :
∀x∈R, f(x) = f(x+) + f(x−)
2,
f(x+)d´esignant la limite `a droite en xet f(x−)d´esignant la limite `a gauche en x.
Proposition 1.2
(i) Dest un C-espace vectoriel ;
(ii) L’application h. , .id´efinie sur D2, `a valeurs dans Cpar
∀f, g ∈ D,hf, gi=1
2πZ2π
0
f(t)g(t)dt
est un produit scalaire sur D(on note k.k2la norme associ´ee).
D´efinition 1.3
Soit f∈ D. On appelle coefficients de Fourier de fles nombres complexes d´efinis par :
(i) ∀n∈Z, cn(f) = hen, fi=1
2πZ2π
0
f(t) e−int dt;
(ii) ∀n∈N, an(f) = cn(f) + c−n(f) = 1
πZ2π
0
f(t) cos(nt)dt;
(iii) ∀n∈N, bn(f) = i(cn(f)−c−n(f)) = 1
πZ2π
0
f(t) sin(nt)dt.
Remarque 1.4
Si fest paire, alors pour tout n∈N∗,bn(f) = 0. Si fest impaire, alors pour tout n∈N,an(f) = 0. En
effet, si fest paire, alors pour tout n∈N∗,bn(f) = 1
πZπ
−π
f(t) sin(nt)dt.t7→ f(t) sin(nt)´etant impaire,
on a bn(f)=0. Mˆeme raisonnement si fest impaire.