1•Séries de Fourier 3
Or on sait que
Z2π
0
cos(nθ) cos(pθ)dθ =
0si n6=p,
2πsi n=p= 0,
πsi n=p6= 0.
On en déduit que a0(f) = 4
3et ap(f) = 4
3−1
2nsi p>1.
Comme la fonction fest 2π-périodique et de classe C1sur R, sa série de Fourier
est normalement convergente sur Ret sa somme est égale à f(c’est le théorème de
convergence normale). La relation (1) est donc bien le développement en série de
Fourier de f.
Exercice 1.2. CCP PSI 2008, ODT page 27
Etudier la série de Fourier de la fonction fdéfinie par f(x) = 1
λ2−2λcos x+ 1
où λest un nombre réel tel que −1< λ < 1.
Solution Posons uλ(x) = λ2−2λcos x+ 1.
Pour tout λ∈Ret tout x∈Ron a uλ(x) = (λ−cos x)2+(1−cos2x)>0. Comme
(λ−cos x)2>0et 1−cos2x>0,uλ(x)est nul si et seulement si 1−cos2x= 0
et λ−cos x= 0, c’est à dire si et seulement si λ= cos x=±1.
Il en résulte que uλ(x)>0lorsque λ∈]−1,1[.
La fonction fest donc définie sur R.
Elle est 2π-périodique et de classe C∞sur R. La série de Fourier de fest donc
normalement convergente sur Ret sa somme est égale à f. Comme fest une fonction
paire, les coefficients de Fourier trigonométriques bn(f)sont nuls pour tout n∈N.
Calculons les coefficients de Fourier an(f) = 2
πZπ
0
f(t) cos(nx)dx.
Pour n= 0 on calcule l’intégrale I=Zπ
0
dx
λ2−2λcos x+ 1 à l’aide du changement
de variable t= tan x
2. De façon précise l’application x7→ tan x
2est un difféomor-
phisme de l’intervalle [0, π[sur l’intervalle [0,+∞]. On a alors dt =1
2(1 + t2)dx et