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Exercices “Séries de Fourier”
Exercice 1 : Calcul de base (Fonction Impaire)
Problème :
Soit f une fonction 2π-périodique définie sur [−π,π] par :
f(t)=⎩⎨⎧−110si −π<t<0si 0<t<πsi t=−π,0,π
Tracer le graphe de la fonction sur l’intervalle [−2π,2π].
Déterminer la parité de la fonction f.
Calculer les coefficients de Fourier trigonométriques an et bn.
Écrire la série de Fourier Sf(t).
Solution
Méthode : On utilise les propriétés de parité pour simplifier le calcul des coefficients, puis on applique les formules d’Euler-Fourier.
Étapes :
Graphe : C’est un signal “créneau” (carré). Il oscille entre -1 et 1.
Parité :
Pour tout t∈]−π,π[, on a f(−t)=−f(t).
Par exemple, si t∈]0,π[, alors −t∈]−π,0[, donc f(−t)=−1 et −f(t)=−1.
La fonction est donc impaire.
Calcul des coefficients :
Puisque f est impaire, an=0 pour tout n≥0.
Calculons bn pour n≥1 :
bn=π1∫−ππf(t)sin(nt)dt
Comme f(t)sin(nt) est le produit de deux fonctions impaires, c’est une fonction paire. On peut donc intégrer sur [0,π] et multiplier par 2 :
bn=π2∫0π1⋅sin(nt)dt
bn=π2[n−cos(nt)]0π=nπ2(−cos(nπ)+cos(0))
On sait que cos(nπ)=(−1)n.
bn=nπ2(1−(−1)n)
Si n est pair (n=2k), b2k=2kπ2(1−1)=0.
Si n est impair (n=2k+1), b2k+1=(2k+1)π2(1−(−1))=(2k+1)π4.
Série de Fourier :
Sf(t)=∑k=0+∞(2k+1)π4sin((2k+1)t)
Réponse :Sf(t)=π4(sin(t)+3sin(3t)+5sin(5t)+…)
Exercice 2 : Calcul de base (Fonction Paire)
Problème :
Soit g la fonction 2π-périodique définie par g(t)=∣t∣ sur [−π,π].
Déterminer la parité de g.
Calculer le coefficient a0.
Calculer les coefficients an et bn pour n≥1.
Écrire la série de Fourier.
Solution
Méthode : Utiliser la parité pour annuler bn et intégrer par parties pour trouver an.
Étapes :
Parité :∣−t∣=∣t∣, la fonction est paire. Donc bn=0 pour tout n≥1.
Soit la fonction h(t)=e2t définie sur [0,2π[, et prolongée par 2π-périodicité sur R.
Calculer les coefficients de Fourier complexes cn(h) pour tout n∈Z.
Solution
Méthode : Appliquer directement la formule de définition des coefficients complexes cn.
Étapes :
Formule :
cn=2π1∫02πh(t)e−intdt
(Note : L’intervalle de définition est [0,2π[, on intègre donc sur cet intervalle).
Calcul :
cn=2π1∫02πe2te−intdt=2π1∫02πe(2−in)tdt
Primitive de eαt est αeαt. Ici α=2−in=0.
cn=2π1[2−ine(2−in)t]02π
cn=2π(2−in)1(e(2−in)2π−e0)
On sait que e(2−in)2π=e4πe−i2πn. Comme n est entier, e−i2πn=1.
cn=2π(2−in)1(e4π−1)
Simplification (forme algébrique) :
On multiplie par le conjugué (2+in) :
cn=2πe4π−1⋅4+n22+in
Réponse :cn=2π(4+n2)(e4π−1)(2+in)
Exercice 4 : Théorème de Dirichlet (Convergence Ponctuelle)
Problème :
On reprend la fonction f(t) de l’Exercice 1 (créneau : 1 sur ]0,π[, −1 sur ]−π,0[).
Sa série de Fourier est Sf(t)=π4∑k=0+∞2k+1sin((2k+1)t).
Utiliser le théorème de Dirichlet pour déterminer la valeur vers laquelle converge la série Sf(t) aux points :
t=2π
t=0
t=π
Solution
Méthode : Vérifier les hypothèses du théorème de Dirichlet (f est 2π-périodique et C1 par morceaux) et calculer la limite 2f(t+)+f(t−).
Étapes :
Vérification des hypothèses :
La fonction est constante par morceaux (donc C1 par morceaux) et périodique. Le théorème s’applique.
En t=2π :
La fonction est continue en ce point.
f(2π−)=1 et f(2π+)=1.
La série converge vers f(2π)=1.
Vérification :sin((2k+1)2π)=(−1)k. La série donne π4(1−1/3+1/5…)=1 (série de Leibniz).
En t=0 :
C’est un point de discontinuité.
limt→0+f(t)=1
limt→0−f(t)=−1
La série converge vers 21+(−1)=0.
Vérification : Tous les termes sin((2k+1)0) sont nuls.
En t=π :
C’est un point de discontinuité (aux bornes de la période).
limt→π+f(t)=−1 (valeur après le saut, début période suivante)
limt→π−f(t)=1
La série converge vers 2−1+1=0.
Réponse :
Sf(2π)=1
Sf(0)=0
Sf(π)=0
Exercice 5 : Application au calcul de sommes (Parseval)
Problème :
On considère la fonction g(t)=∣t∣ sur [−π,π] de l’Exercice 2.
On rappelle que sa série de Fourier est Sg(t)=2π−π4∑k=0+∞(2k+1)2cos((2k+1)t).
Écrire l’égalité de Parseval pour cette fonction.
En déduire la valeur de la somme de la série numérique :
A=∑k=0+∞(2k+1)41=1+341+541+…
Solution
Méthode : Calculer l’énergie du signal (intégrale du carré) et égaler à la somme des carrés des coefficients de Fourier.
Étapes :
Calcul de l’intégrale (membre de gauche) :
2π1∫−ππ∣g(t)∣2dt=2π1∫−ππt2dt=π1∫0πt2dt
=π1[3t3]0π=π13π3=3π2
Somme des coefficients (membre de droite) :
Les coefficients sont a0=2π, a2k+1=π(2k+1)2−4, et les autres sont nuls.
Formule de Parseval : ∣a0∣2+21∑n=1∞(∣an∣2+∣bn∣2)
=(2π)2+21∑k=0+∞(π(2k+1)2−4)2
=4π2+21∑k=0+∞π2(2k+1)416
=4π2+π28∑k=0+∞(2k+1)41
Égalité et résolution :
3π2=4π2+π28A
π28A=3π2−4π2=124π2−3π2=12π2
A=12π2×8π2=96π4
Réponse :∑k=0+∞(2k+1)41=96π4
Exercice 6 : Calcul de sommes (Dirichlet)
Problème :
Soit la fonction k(t)=t2 sur [−π,π], 2π-périodique.
On donne son développement en série de Fourier (à admettre ou vérifier rapidement) :
t2=3π2+4∑n=1+∞n2(−1)ncos(nt),∀t∈[−π,π]
En évaluant cette série en un point t judicieusement choisi, calculer la valeur de la somme :
ζ(2)=∑n=1+∞n21
Solution
Méthode : Choisir t tel que cos(nt) simplifie le terme (−1)n pour obtenir une somme de termes positifs.
Étapes :
Choix de t :
On veut faire apparaître ∑n21.
Si on prend t=π, on a cos(nπ)=(−1)n.
Le terme général devient n2(−1)n(−1)n=n2(−1)2n=n21.
Application de Dirichlet :
La fonction k(t)=t2 est continue sur [−π,π] et k(−π)=(−π)2=π2=k(π). La fonction périodisée est continue partout.
En t=π, Sk(π)=k(π)=π2.
Résolution :
π2=3π2+4∑n=1+∞n21
π2−3π2=4∑n=1+∞n21
32π2=4∑n=1+∞n21
∑n=1+∞n21=3×42π2=6π2
Réponse :∑n=1+∞n21=6π2
Exercice 7 : Convergence et Régularité
Problème :
On considère deux séries trigonométriques :
S1(t)=∑n=1+∞n3sin(nt)
S2(t)=∑n=1+∞nsin(nt)
Pour chacune des séries :
La série converge-t-elle normalement sur R ?
La fonction somme est-elle continue sur R ?
La fonction somme est-elle de classe C1 sur R ?
Solution
Méthode : Utiliser les critères de convergence normale (∑∣un(t)∣ majorée par une série numérique convergente) et les théorèmes de dérivation terme à terme.
Étapes :
Pour S1(t) :
Convergence Normale :
n3sin(nt)≤n31.
La série numérique ∑n31 (Riemann α=3>1) converge.
Donc S1 converge normalement (et uniformément).
Continuité :
La convergence uniforme de fonctions continues (sin(nt)) implique la continuité de la somme. S1 est continue.
Caractère C1 :
La série des dérivées terme à terme est ∑n3ncos(nt)=∑n2cos(nt).
On a n2cos(nt)≤n21. La série ∑n21 converge.
La série des dérivées converge normalement, donc S1 est C1.
Pour S2(t) :
Convergence Normale :
Le majorant naturel est n1. La série ∑n1 diverge (Riemann α=1/2≤1).
La convergence n’est pas normale.
Continuité :
Bien qu’elle ne converge pas absolument, cette série converge simplement pour tout t (sauf peut-être t=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”.
Caractère C1 :
La série des dérivées serait ∑ncos(nt), qui ne tend même pas vers 0. Elle diverge grossièrement. La fonction n’est pas C1.
Réponse :
S1 : Converge normalement, est Continue, est C1.
S2 : Ne converge pas normalement.
Exercice 8 : Période arbitraire T
Problème :
Soit f une fonction périodique de période T=2. Elle est définie sur [−1,1] par f(x)=x.
Calculer le coefficient bn de sa série de Fourier.
Indication : Pour une période T, on remplace nt par T2πnx.
Solution
Méthode : Adapter les formules de Fourier pour une période T arbitraire. La pulsation fondamentale est ω=T2π=π.
Étapes :
Analyse de la fonction :
f(x)=x sur [−1,1]. C’est une fonction impaire.
Donc an=0.
Formule pour bn :
Sur une période T, la formule est :
bn=T2∫−T/2T/2f(x)sin(T2πnx)dx
Ici T=2, donc :
bn=22∫−11xsin(πnx)dx=∫−11xsin(πnx)dx
Calcul :
La fonction sous l’intégrale est paire (Impaire×Impaire).
bn=2∫01xsin(πnx)dx
Intégration par parties :
u=x,v′=sin(πnx)⇒u′=1,v=πn−cos(πnx)
bn=2([πn−xcos(πnx)]01−∫01πn−cos(πnx)dx)
bn=2(πn−1⋅cos(πn)−0+[(πn)2sin(πnx)]01)
Le terme en sinus est nul car sin(πn)=0.
bn=2(πn−(−1)n)=πn2(−1)n+1
Réponse :bn=nπ2(−1)n+1
Exercice 9 : Relation Coefficients et Translation
Problème :
Soit f(t) une fonction 2π-périodique dont les coefficients de Fourier complexes sont notés cn.
On définit la fonction translatée g(t)=f(t−t0) où t0 est un réel fixé.
Exprimer les coefficients de Fourier complexes dn de g en fonction de cn et de t0.
Solution
Méthode : Utiliser la définition intégrale et effectuer un changement de variable.
Étapes :
Définition de dn :
dn=2π1∫02πg(t)e−intdt=2π1∫02πf(t−t0)e−intdt
Changement de variable :
Posons u=t−t0, donc t=u+t0 et dt=du.
Les bornes deviennent −t0 et 2π−t0. Comme l’intégrande est 2π-périodique, l’intégrale sur tout intervalle de longueur 2π est identique. On peut intégrer sur [0,2π] (ou garder les bornes, le résultat est le même).
dn=2π1∫02πf(u)e−in(u+t0)du
Factorisation :
dn=2π1∫02πf(u)e−inue−int0du
Le terme e−int0 est constant par rapport à l’intégration.
dn=e−int0(2π1∫02πf(u)e−inudu)
On reconnaît cn.
Réponse :dn=cne−int0
(Le décalage temporel correspond à un déphasage dans le domaine fréquentiel).
Exercice 10 : Équation différentielle et Séries de Fourier
Problème :
On cherche une solution 2π-périodique particulière y(t) de l’équation différentielle :
y′′(t)+2y(t)=sin(3t)
On suppose que y(t) s’écrit sous la forme y(t)=∑n=−∞+∞cneint. Exprimer y′′(t) en fonction des cn.
Injecter ces expressions dans l’équation différentielle.
Déterminer les coefficients cn de la solution y(t).
En déduire l’expression réelle de y(t).
Solution
Méthode : Transformer l’équation différentielle en une équation algébrique sur les coefficients de Fourier cn.
Étapes :
Dérivation :
Si y(t)=∑cneint, alors y′′(t)=∑cn(in)2eint=∑−n2cneint.
Substitution :
L’équation devient :
∑−n2cneint+2∑cneint=sin(3t)
∑cn(2−n2)eint=2iei3t−e−i3t
Identification :
Le terme de droite est une série de Fourier où seuls les coefficients pour n=3 et n=−3 sont non nuls.
Pour n=3 : Le coeff est 2i1. Donc c3(2−32)=2i1⇒c3(−7)=2i1⇒c3=14i−1.
Pour n=−3 : Le coeff est 2i−1. Donc c−3(2−(−3)2)=2i−1⇒c−3(−7)=2i−1⇒c−3=14i1.
Pour ∣n∣=3 : Le coeff à droite est 0. Comme 2−n2=0 (car 2 n’est pas entier), alors cn=0.