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Exercices “Séries de Fourier”


Exercice 1 : Calcul de base (Fonction Impaire)

Problème :

Soit ff une fonction 2π2\pi-périodique définie sur [π,π][-\pi, \pi] par :

f(t)={1si π<t<01si 0<t<π0si t=π,0,πf(t) = \begin{cases} -1 & \text{si } -\pi < t < 0 \\ 1 & \text{si } 0 < t < \pi \\ 0 & \text{si } t = -\pi, 0, \pi \end{cases}

  1. Tracer le graphe de la fonction sur l’intervalle [2π,2π][-2\pi, 2\pi].
  2. Déterminer la parité de la fonction ff.
  3. Calculer les coefficients de Fourier trigonométriques ana_n et bnb_n.
  4. Écrire la série de Fourier Sf(t)S_f(t).
Solution

Méthode : On utilise les propriétés de parité pour simplifier le calcul des coefficients, puis on applique les formules d’Euler-Fourier.

Étapes :

  1. Graphe : C’est un signal “créneau” (carré). Il oscille entre -1 et 1.

  2. Parité :

    Pour tout t]π,π[t \in ]-\pi, \pi[, on a f(t)=f(t)f(-t) = -f(t).

    Par exemple, si t]0,π[t \in ]0, \pi[, alors t]π,0[-t \in ]-\pi, 0[, donc f(t)=1f(-t) = -1 et f(t)=1-f(t) = -1.

    La fonction est donc impaire.

  3. Calcul des coefficients :

    • Puisque ff est impaire, an=0a_n = 0 pour tout n0n \ge 0.
    • Calculons bnb_n pour n1n \ge 1 :

    bn=1πππf(t)sin(nt)dtb_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(t) \sin(nt) \, dt

    Comme f(t)sin(nt)f(t)\sin(nt) est le produit de deux fonctions impaires, c’est une fonction paire. On peut donc intégrer sur [0,π][0, \pi] et multiplier par 2 :

    bn=2π0π1sin(nt)dtb_n = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi} 1 \cdot \sin(nt) \, dt

    bn=2π[cos(nt)n]0π=2nπ(cos(nπ)+cos(0))b_n = \frac{2}{\pi} \left[ \frac{-\cos(nt)}{n} \right]_{0}^{\pi} = \frac{2}{n\pi} (-\cos(n\pi) + \cos(0))

    On sait que cos(nπ)=(1)n\cos(n\pi) = (-1)^n.

    bn=2nπ(1(1)n)b_n = \frac{2}{n\pi} (1 - (-1)^n)

    • Si nn est pair (n=2kn=2k), b2k=22kπ(11)=0b_{2k} = \frac{2}{2k\pi}(1-1) = 0.
    • Si nn est impair (n=2k+1n=2k+1), b2k+1=2(2k+1)π(1(1))=4(2k+1)πb_{2k+1} = \frac{2}{(2k+1)\pi}(1 - (-1)) = \frac{4}{(2k+1)\pi}.
  4. Série de Fourier :

    Sf(t)=k=0+4(2k+1)πsin((2k+1)t)S_f(t) = \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{4}{(2k+1)\pi} \sin((2k+1)t)

Réponse : Sf(t)=4π(sin(t)+sin(3t)3+sin(5t)5+)S_f(t) = \frac{4}{\pi} \left( \sin(t) + \frac{\sin(3t)}{3} + \frac{\sin(5t)}{5} + \dots \right)


Exercice 2 : Calcul de base (Fonction Paire)

Problème :

Soit gg la fonction 2π2\pi-périodique définie par g(t)=tg(t) = |t| sur [π,π][-\pi, \pi].

  1. Déterminer la parité de gg.
  2. Calculer le coefficient a0a_0.
  3. Calculer les coefficients ana_n et bnb_n pour n1n \ge 1.
  4. Écrire la série de Fourier.
Solution

Méthode : Utiliser la parité pour annuler bnb_n et intégrer par parties pour trouver ana_n.

Étapes :

  1. Parité : t=t|-t| = |t|, la fonction est paire. Donc bn=0b_n = 0 pour tout n1n \ge 1.

  2. Calcul de a0a_0 :

    a0=12πππtdt=22π0πtdt=1π[t22]0π=1ππ22=π2a_0 = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^{\pi} |t| \, dt = \frac{2}{2\pi} \int_{0}^{\pi} t \, dt = \frac{1}{\pi} \left[ \frac{t^2}{2} \right]_0^\pi = \frac{1}{\pi} \frac{\pi^2}{2} = \frac{\pi}{2}

  3. Calcul de ana_n (n1n \ge 1) :

    an=2π0πtcos(nt)dta_n = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\pi} t \cos(nt) \, dt

    On effectue une intégration par parties :

    u=tu=1u = t \Rightarrow u' = 1

    v=cos(nt)v=sin(nt)nv' = \cos(nt) \Rightarrow v = \frac{\sin(nt)}{n}

    an=2π([tsin(nt)n]0π0πsin(nt)ndt)a_n = \frac{2}{\pi} \left( \left[ t \frac{\sin(nt)}{n} \right]_0^\pi - \int_0^\pi \frac{\sin(nt)}{n} \, dt \right)

    Le terme entre crochets est nul car sin(nπ)=0\sin(n\pi)=0 et sin(0)=0\sin(0)=0.

    an=2π[cos(nt)n2]0π=2πn2(cos(nπ)1)=2πn2((1)n1)a_n = \frac{2}{\pi} \left[ \frac{\cos(nt)}{n^2} \right]_0^\pi = \frac{2}{\pi n^2} (\cos(n\pi) - 1) = \frac{2}{\pi n^2} ((-1)^n - 1)

    • Si nn est pair, an=0a_n = 0.
    • Si nn est impair (n=2k+1n=2k+1), an=2π(2k+1)2(2)=4π(2k+1)2a_n = \frac{2}{\pi (2k+1)^2} (-2) = \frac{-4}{\pi (2k+1)^2}.
  4. Série de Fourier :

    Sg(t)=π24πk=0+cos((2k+1)t)(2k+1)2S_g(t) = \frac{\pi}{2} - \frac{4}{\pi} \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{\cos((2k+1)t)}{(2k+1)^2}

Réponse : Sg(t)=π24π(cos(t)+cos(3t)9+cos(5t)25+)S_g(t) = \frac{\pi}{2} - \frac{4}{\pi} \left( \cos(t) + \frac{\cos(3t)}{9} + \frac{\cos(5t)}{25} + \dots \right)


Exercice 3 : Forme Exponentielle

Problème :

Soit la fonction h(t)=e2th(t) = e^{2t} définie sur [0,2π[[0, 2\pi[, et prolongée par 2π2\pi-périodicité sur R\mathbb{R}.

Calculer les coefficients de Fourier complexes cn(h)c_n(h) pour tout nZn \in \mathbb{Z}.

Solution

Méthode : Appliquer directement la formule de définition des coefficients complexes cnc_n.

Étapes :

  1. Formule :

    cn=12π02πh(t)eintdtc_n = \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} h(t) e^{-int} \, dt

    (Note : L’intervalle de définition est [0,2π[[0, 2\pi[, on intègre donc sur cet intervalle).

  2. Calcul :

    cn=12π02πe2teintdt=12π02πe(2in)tdtc_n = \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} e^{2t} e^{-int} \, dt = \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} e^{(2-in)t} \, dt

    Primitive de eαte^{\alpha t} est eαtα\frac{e^{\alpha t}}{\alpha}. Ici α=2in0\alpha = 2-in \neq 0.

    cn=12π[e(2in)t2in]02πc_n = \frac{1}{2\pi} \left[ \frac{e^{(2-in)t}}{2-in} \right]_0^{2\pi}

    cn=12π(2in)(e(2in)2πe0)c_n = \frac{1}{2\pi(2-in)} (e^{(2-in)2\pi} - e^0)

    On sait que e(2in)2π=e4πei2πne^{(2-in)2\pi} = e^{4\pi} e^{-i 2\pi n}. Comme nn est entier, ei2πn=1e^{-i 2\pi n} = 1.

    cn=12π(2in)(e4π1)c_n = \frac{1}{2\pi(2-in)} (e^{4\pi} - 1)

  3. Simplification (forme algébrique) :

    On multiplie par le conjugué (2+in)(2+in) :

    cn=e4π12π2+in4+n2c_n = \frac{e^{4\pi}-1}{2\pi} \cdot \frac{2+in}{4+n^2}

Réponse : cn=(e4π1)(2+in)2π(4+n2)c_n = \frac{(e^{4\pi}-1)(2+in)}{2\pi(4+n^2)}


Exercice 4 : Théorème de Dirichlet (Convergence Ponctuelle)

Problème :

On reprend la fonction f(t)f(t) de l’Exercice 1 (créneau : 11 sur ]0,π[]0, \pi[, 1-1 sur ]π,0[]-\pi, 0[).

Sa série de Fourier est Sf(t)=4πk=0+sin((2k+1)t)2k+1S_f(t) = \frac{4}{\pi} \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{\sin((2k+1)t)}{2k+1}.

Utiliser le théorème de Dirichlet pour déterminer la valeur vers laquelle converge la série Sf(t)S_f(t) aux points :

  1. t=π2t = \frac{\pi}{2}
  2. t=0t = 0
  3. t=πt = \pi
Solution

Méthode : Vérifier les hypothèses du théorème de Dirichlet (ff est 2π2\pi-périodique et C1\mathcal{C}^1 par morceaux) et calculer la limite f(t+)+f(t)2\frac{f(t^+) + f(t^-)}{2}.

Étapes :

  1. Vérification des hypothèses :

    La fonction est constante par morceaux (donc C1\mathcal{C}^1 par morceaux) et périodique. Le théorème s’applique.

  2. En t=π2t = \frac{\pi}{2} :

    La fonction est continue en ce point.

    f(π2)=1f(\frac{\pi}{2}^-) = 1 et f(π2+)=1f(\frac{\pi}{2}^+) = 1.

    La série converge vers f(π2)=1f(\frac{\pi}{2}) = 1.

    Vérification : sin((2k+1)π2)=(1)k\sin((2k+1)\frac{\pi}{2}) = (-1)^k. La série donne 4π(11/3+1/5)=1\frac{4}{\pi}(1 - 1/3 + 1/5 \dots) = 1 (série de Leibniz).

  3. En t=0t = 0 :

    C’est un point de discontinuité.

    limt0+f(t)=1\lim_{t \to 0^+} f(t) = 1

    limt0f(t)=1\lim_{t \to 0^-} f(t) = -1

    La série converge vers 1+(1)2=0\frac{1 + (-1)}{2} = 0.

    Vérification : Tous les termes sin((2k+1)0)\sin((2k+1)0) sont nuls.

  4. En t=πt = \pi :

    C’est un point de discontinuité (aux bornes de la période).

    limtπ+f(t)=1\lim_{t \to \pi^+} f(t) = -1 (valeur après le saut, début période suivante)

    limtπf(t)=1\lim_{t \to \pi^-} f(t) = 1

    La série converge vers 1+12=0\frac{-1 + 1}{2} = 0.

Réponse :

  1. Sf(π2)=1S_f(\frac{\pi}{2}) = 1
  2. Sf(0)=0S_f(0) = 0
  3. Sf(π)=0S_f(\pi) = 0

Exercice 5 : Application au calcul de sommes (Parseval)

Problème :

On considère la fonction g(t)=tg(t) = |t| sur [π,π][-\pi, \pi] de l’Exercice 2.

On rappelle que sa série de Fourier est Sg(t)=π24πk=0+cos((2k+1)t)(2k+1)2S_g(t) = \frac{\pi}{2} - \frac{4}{\pi} \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{\cos((2k+1)t)}{(2k+1)^2}.

  1. Écrire l’égalité de Parseval pour cette fonction.

  2. En déduire la valeur de la somme de la série numérique :

    A=k=0+1(2k+1)4=1+134+154+A = \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{1}{(2k+1)^4} = 1 + \frac{1}{3^4} + \frac{1}{5^4} + \dots

Solution

Méthode : Calculer l’énergie du signal (intégrale du carré) et égaler à la somme des carrés des coefficients de Fourier.

Étapes :

  1. Calcul de l’intégrale (membre de gauche) :

    12πππg(t)2dt=12πππt2dt=1π0πt2dt\frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^{\pi} |g(t)|^2 \, dt = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^{\pi} t^2 \, dt = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} t^2 \, dt

    =1π[t33]0π=1ππ33=π23= \frac{1}{\pi} \left[ \frac{t^3}{3} \right]_0^\pi = \frac{1}{\pi} \frac{\pi^3}{3} = \frac{\pi^2}{3}

  2. Somme des coefficients (membre de droite) :

    Les coefficients sont a0=π2a_0 = \frac{\pi}{2}, a2k+1=4π(2k+1)2a_{2k+1} = \frac{-4}{\pi(2k+1)^2}, et les autres sont nuls.

    Formule de Parseval : a02+12n=1(an2+bn2)|a_0|^2 + \frac{1}{2} \sum_{n=1}^\infty (|a_n|^2 + |b_n|^2)

    =(π2)2+12k=0+(4π(2k+1)2)2= \left(\frac{\pi}{2}\right)^2 + \frac{1}{2} \sum_{k=0}^{+\infty} \left( \frac{-4}{\pi(2k+1)^2} \right)^2

    =π24+12k=0+16π2(2k+1)4= \frac{\pi^2}{4} + \frac{1}{2} \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{16}{\pi^2 (2k+1)^4}

    =π24+8π2k=0+1(2k+1)4= \frac{\pi^2}{4} + \frac{8}{\pi^2} \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{1}{(2k+1)^4}

  3. Égalité et résolution :

    π23=π24+8π2A\frac{\pi^2}{3} = \frac{\pi^2}{4} + \frac{8}{\pi^2} A

    8π2A=π23π24=4π23π212=π212\frac{8}{\pi^2} A = \frac{\pi^2}{3} - \frac{\pi^2}{4} = \frac{4\pi^2 - 3\pi^2}{12} = \frac{\pi^2}{12}

    A=π212×π28=π496A = \frac{\pi^2}{12} \times \frac{\pi^2}{8} = \frac{\pi^4}{96}

Réponse : k=0+1(2k+1)4=π496\sum_{k=0}^{+\infty} \frac{1}{(2k+1)^4} = \frac{\pi^4}{96}


Exercice 6 : Calcul de sommes (Dirichlet)

Problème :

Soit la fonction k(t)=t2k(t) = t^2 sur [π,π][-\pi, \pi], 2π2\pi-périodique.

On donne son développement en série de Fourier (à admettre ou vérifier rapidement) :

t2=π23+4n=1+(1)nn2cos(nt),t[π,π]t^2 = \frac{\pi^2}{3} + 4 \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{n^2} \cos(nt), \quad \forall t \in [-\pi, \pi]

En évaluant cette série en un point tt judicieusement choisi, calculer la valeur de la somme :

ζ(2)=n=1+1n2\zeta(2) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2}

Solution

Méthode : Choisir tt tel que cos(nt)\cos(nt) simplifie le terme (1)n(-1)^n pour obtenir une somme de termes positifs.

Étapes :

  1. Choix de tt :

    On veut faire apparaître 1n2\sum \frac{1}{n^2}.

    Si on prend t=πt = \pi, on a cos(nπ)=(1)n\cos(n\pi) = (-1)^n.

    Le terme général devient (1)nn2(1)n=(1)2nn2=1n2\frac{(-1)^n}{n^2} (-1)^n = \frac{(-1)^{2n}}{n^2} = \frac{1}{n^2}.

  2. Application de Dirichlet :

    La fonction k(t)=t2k(t) = t^2 est continue sur [π,π][-\pi, \pi] et k(π)=(π)2=π2=k(π)k(-\pi) = (-\pi)^2 = \pi^2 = k(\pi). La fonction périodisée est continue partout.

    En t=πt=\pi, Sk(π)=k(π)=π2S_k(\pi) = k(\pi) = \pi^2.

  3. Résolution :

    π2=π23+4n=1+1n2\pi^2 = \frac{\pi^2}{3} + 4 \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2}

    π2π23=4n=1+1n2\pi^2 - \frac{\pi^2}{3} = 4 \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2}

    2π23=4n=1+1n2\frac{2\pi^2}{3} = 4 \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2}

    n=1+1n2=2π23×4=π26\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{2\pi^2}{3 \times 4} = \frac{\pi^2}{6}

Réponse : n=1+1n2=π26\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}


Exercice 7 : Convergence et Régularité

Problème :

On considère deux séries trigonométriques :

  1. S1(t)=n=1+sin(nt)n3S_1(t) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{\sin(nt)}{n^3}
  2. S2(t)=n=1+sin(nt)nS_2(t) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{\sin(nt)}{\sqrt{n}}

Pour chacune des séries :

  1. La série converge-t-elle normalement sur R\mathbb{R} ?
  2. La fonction somme est-elle continue sur R\mathbb{R} ?
  3. La fonction somme est-elle de classe C1\mathcal{C}^1 sur R\mathbb{R} ?
Solution

Méthode : Utiliser les critères de convergence normale (un(t)\sum |u_n(t)| majorée par une série numérique convergente) et les théorèmes de dérivation terme à terme.

Étapes :

Pour S1(t)S_1(t) :

  1. Convergence Normale :

    sin(nt)n31n3\left| \frac{\sin(nt)}{n^3} \right| \le \frac{1}{n^3}.

    La série numérique 1n3\sum \frac{1}{n^3} (Riemann α=3>1\alpha=3 > 1) converge.

    Donc S1S_1 converge normalement (et uniformément).

  2. Continuité :

    La convergence uniforme de fonctions continues (sin(nt)\sin(nt)) implique la continuité de la somme. S1S_1 est continue.

  3. Caractère C1\mathcal{C}^1 :

    La série des dérivées terme à terme est ncos(nt)n3=cos(nt)n2\sum \frac{n \cos(nt)}{n^3} = \sum \frac{\cos(nt)}{n^2}.

    On a cos(nt)n21n2\left| \frac{\cos(nt)}{n^2} \right| \le \frac{1}{n^2}. La série 1n2\sum \frac{1}{n^2} converge.

    La série des dérivées converge normalement, donc S1S_1 est C1\mathcal{C}^1.

Pour S2(t)S_2(t) :

  1. Convergence Normale :

    Le majorant naturel est 1n\frac{1}{\sqrt{n}}. La série 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}} diverge (Riemann α=1/21\alpha = 1/2 \le 1).

    La convergence n’est pas normale.

  2. Continuité :

    Bien qu’elle ne converge pas absolument, cette série converge simplement pour tout tt (sauf peut-être t=0t=0) par le critère d’Abel, mais la convergence n’est pas uniforme au voisinage de 0. La fonction n’est pas forcément continue (en général elle a une singularité en 0).

    Note niveau régulier : Il suffit de dire “Pas de convergence normale, donc les théorèmes simples ne s’appliquent pas”.

  3. Caractère C1\mathcal{C}^1 :

    La série des dérivées serait ncos(nt)\sum \sqrt{n} \cos(nt), qui ne tend même pas vers 0. Elle diverge grossièrement. La fonction n’est pas C1\mathcal{C}^1.

Réponse :

  • S1S_1 : Converge normalement, est Continue, est C1\mathcal{C}^1.
  • S2S_2 : Ne converge pas normalement.

Exercice 8 : Période arbitraire TT

Problème :

Soit ff une fonction périodique de période T=2T = 2. Elle est définie sur [1,1][-1, 1] par f(x)=xf(x) = x.

Calculer le coefficient bnb_n de sa série de Fourier.

Indication : Pour une période TT, on remplace ntnt par 2πnxT\frac{2\pi n x}{T}.

Solution

Méthode : Adapter les formules de Fourier pour une période TT arbitraire. La pulsation fondamentale est ω=2πT=π\omega = \frac{2\pi}{T} = \pi.

Étapes :

  1. Analyse de la fonction :

    f(x)=xf(x) = x sur [1,1][-1, 1]. C’est une fonction impaire.

    Donc an=0a_n = 0.

  2. Formule pour bnb_n :

    Sur une période TT, la formule est :

    bn=2TT/2T/2f(x)sin(2πnxT)dxb_n = \frac{2}{T} \int_{-T/2}^{T/2} f(x) \sin\left(\frac{2\pi n x}{T}\right) \, dx

    Ici T=2T=2, donc :

    bn=2211xsin(πnx)dx=11xsin(πnx)dxb_n = \frac{2}{2} \int_{-1}^{1} x \sin(\pi n x) \, dx = \int_{-1}^{1} x \sin(\pi n x) \, dx

  3. Calcul :

    La fonction sous l’intégrale est paire (Impaire×ImpaireImpaire \times Impaire).

    bn=201xsin(πnx)dxb_n = 2 \int_{0}^{1} x \sin(\pi n x) \, dx

    Intégration par parties :

    u=x,v=sin(πnx)u=1,v=cos(πnx)πnu = x, v' = \sin(\pi n x) \Rightarrow u'=1, v = \frac{-\cos(\pi n x)}{\pi n}

    bn=2([xcos(πnx)πn]0101cos(πnx)πndx)b_n = 2 \left( \left[ \frac{-x \cos(\pi n x)}{\pi n} \right]_0^1 - \int_0^1 \frac{-\cos(\pi n x)}{\pi n} \, dx \right)

    bn=2(1cos(πn)πn0+[sin(πnx)(πn)2]01)b_n = 2 \left( \frac{-1 \cdot \cos(\pi n)}{\pi n} - 0 + \left[ \frac{\sin(\pi n x)}{(\pi n)^2} \right]_0^1 \right)

    Le terme en sinus est nul car sin(πn)=0\sin(\pi n) = 0.

    bn=2((1)nπn)=2(1)n+1πnb_n = 2 \left( \frac{-(-1)^n}{\pi n} \right) = \frac{2(-1)^{n+1}}{\pi n}

Réponse : bn=2(1)n+1nπb_n = \frac{2(-1)^{n+1}}{n\pi}


Exercice 9 : Relation Coefficients et Translation

Problème :

Soit f(t)f(t) une fonction 2π2\pi-périodique dont les coefficients de Fourier complexes sont notés cnc_n.

On définit la fonction translatée g(t)=f(tt0)g(t) = f(t - t_0)t0t_0 est un réel fixé.

Exprimer les coefficients de Fourier complexes dnd_n de gg en fonction de cnc_n et de t0t_0.

Solution

Méthode : Utiliser la définition intégrale et effectuer un changement de variable.

Étapes :

  1. Définition de dnd_n :

    dn=12π02πg(t)eintdt=12π02πf(tt0)eintdtd_n = \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} g(t) e^{-int} \, dt = \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} f(t-t_0) e^{-int} \, dt

  2. Changement de variable :

    Posons u=tt0u = t - t_0, donc t=u+t0t = u + t_0 et dt=dudt = du.

    Les bornes deviennent t0-t_0 et 2πt02\pi - t_0. Comme l’intégrande est 2π2\pi-périodique, l’intégrale sur tout intervalle de longueur 2π2\pi est identique. On peut intégrer sur [0,2π][0, 2\pi] (ou garder les bornes, le résultat est le même).

    dn=12π02πf(u)ein(u+t0)dud_n = \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} f(u) e^{-in(u+t_0)} \, du

  3. Factorisation :

    dn=12π02πf(u)einueint0dud_n = \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} f(u) e^{-inu} e^{-int_0} \, du

    Le terme eint0e^{-int_0} est constant par rapport à l’intégration.

    dn=eint0(12π02πf(u)einudu)d_n = e^{-int_0} \left( \frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} f(u) e^{-inu} \, du \right)

    On reconnaît cnc_n.

Réponse : dn=cneint0d_n = c_n e^{-int_0}

(Le décalage temporel correspond à un déphasage dans le domaine fréquentiel).


Exercice 10 : Équation différentielle et Séries de Fourier

Problème :

On cherche une solution 2π2\pi-périodique particulière y(t)y(t) de l’équation différentielle :

y(t)+2y(t)=sin(3t)y''(t) + 2y(t) = \sin(3t)

  1. On suppose que y(t)y(t) s’écrit sous la forme y(t)=n=+cneinty(t) = \sum_{n=-\infty}^{+\infty} c_n e^{int}. Exprimer y(t)y''(t) en fonction des cnc_n.
  2. Injecter ces expressions dans l’équation différentielle.
  3. Déterminer les coefficients cnc_n de la solution y(t)y(t).
  4. En déduire l’expression réelle de y(t)y(t).
Solution

Méthode : Transformer l’équation différentielle en une équation algébrique sur les coefficients de Fourier cnc_n.

Étapes :

  1. Dérivation :

    Si y(t)=cneinty(t) = \sum c_n e^{int}, alors y(t)=cn(in)2eint=n2cneinty''(t) = \sum c_n (in)^2 e^{int} = \sum -n^2 c_n e^{int}.

  2. Substitution :

    L’équation devient :

    n2cneint+2cneint=sin(3t)\sum -n^2 c_n e^{int} + 2 \sum c_n e^{int} = \sin(3t)

    cn(2n2)eint=ei3tei3t2i\sum c_n (2 - n^2) e^{int} = \frac{e^{i3t} - e^{-i3t}}{2i}

  3. Identification :

    Le terme de droite est une série de Fourier où seuls les coefficients pour n=3n=3 et n=3n=-3 sont non nuls.

    • Pour n=3n=3 : Le coeff est 12i\frac{1}{2i}. Donc c3(232)=12ic3(7)=12ic3=114ic_3 (2 - 3^2) = \frac{1}{2i} \Rightarrow c_3(-7) = \frac{1}{2i} \Rightarrow c_3 = \frac{-1}{14i}.
    • Pour n=3n=-3 : Le coeff est 12i\frac{-1}{2i}. Donc c3(2(3)2)=12ic3(7)=12ic3=114ic_{-3} (2 - (-3)^2) = \frac{-1}{2i} \Rightarrow c_{-3}(-7) = \frac{-1}{2i} \Rightarrow c_{-3} = \frac{1}{14i}.
    • Pour n3|n| \neq 3 : Le coeff à droite est 0. Comme 2n202-n^2 \neq 0 (car 2\sqrt{2} n’est pas entier), alors cn=0c_n = 0.
  4. Expression réelle :

    y(t)=c3e3it+c3e3it=114ie3it+114ie3ity(t) = c_3 e^{3it} + c_{-3} e^{-3it} = \frac{-1}{14i} e^{3it} + \frac{1}{14i} e^{-3it}

    y(t)=17e3ite3it2i=17sin(3t)y(t) = -\frac{1}{7} \frac{e^{3it} - e^{-3it}}{2i} = -\frac{1}{7} \sin(3t).

Réponse : y(t)=17sin(3t)y(t) = -\frac{1}{7} \sin(3t)