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Séries de Fourier
18.1 Séries entières et séries de Fourier
Nous allons dans un premier temps introduire la notion de série de Fourier en partant des
développements en séries entières.
Le théorème relatif aux projections orthogonales d’un espace préhilbertien sur un sous-espace
de dimension finie nous donnera une autre présentation de cette notion de série de Fourier.
Si Pαnznest une série entière de rayon de convergence R > 0éventuellement infini, on
peut définir, en notant fla somme de cette série entière, pour tout réel r∈]0, R[la fonction
ϕrpar :
∀x∈R, ϕr(x) = f¡reix¢=
+∞
X
n=0
αnrneinx
La fonction fétant continue sur le disque ouvert D(0, R) = {z∈C| |z|< R},on en déduit
que, pour rfixé dans ]0, R[,la fonction ϕrest continue sur tout R.
Remarque 18.1 Avec |αnrneinx|=|αn|rnpour tout réel xet P|αn|rn<+∞,on déduit que
la série de fonctions Pαnrneinx est normalement convergente sur R,ce qui permet de retrouver
la continuité de ϕravec celle des fonctions x7→ einx pour tout entier naturel n.
Remarque 18.2 Si pest un entier naturel non nul, on sait que la série dérivée :
Xn(n−1) ···(n−p+ 1) αnzn−p
a même rayon de convergence que Pαnzn,donc la série Pnp|αn|rnest convergente pour tout
réel r∈]0, R[(puisque np|αn|rn∼
+∞rpn(n−1) ···(n−p+ 1) |αn|rn−p) et avec |(in)pαnrneinx|=
np|αn|rnpour tout entier naturel net tout réel x, on déduit que la série de fonctions P(in)pαnrneinx
est normalement convergente sur R.Comme les fonctions x7→ einx sont de classe C∞sur R
pour tout entier naturel n, on en déduit que la fonction ϕrest aussi de classe C∞sur R.
De la 2π-périodicité des fonctions x7→ einx,on déduit que la fonction ϕrest périodique de
période 2π, c’est-à-dire que :
∀x∈R, ϕr(x+ 2π) = ϕr(x).
En utilisant les formules d’Euler :
∀n∈N, einx = cos (nx) + isin (nx)
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