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Auteur(s)
-
Hervé QUEFFÉLEC : Professeur de mathématiques à l’Université de Lille
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Lire l’articleINTRODUCTION
Rappelons qu’une fonction f :
→
est dite T – périodique si,
pour tout x réel ;
On peut toujours se ramener à T = 2 π, quitte à considérer g(x) =
.
Une des propriétés essentielles du nombre π est que les fonctions cos nx, sin nx, e inx (où n est entier), appelées « signaux élémentaires », sont 2 π - périodiques ainsi que leurs combinaisons linéaires ; une question naturelle se pose alors : obtient-on ainsi toutes les fonctions 2 π – périodiques ? On va voir que la réponse est essentiellement « oui » si on autorise les combinaisons linéaires infinies (séries), mais des problèmes délicats de régularité de la fonction f et de convergence des séries surgissent.
La théorie des séries de Fourier, initiée par Fourier dans sa Théorie analytique de la chaleur, avait au départ un but analogue : montrer que toutes les solutions d’une certaine équation aux dérivées partielles, dite équation de la chaleur (nous l’étudierons dans les applications), s’obtiennent comme superposition de solutions élémentaires ; cette théorie a aujourd’hui pour but de préciser comment une fonction f 2 π – périodique plus ou moins arbitraire peut s’obtenir à partir des signaux élémentaires et réciproquement de voir les fonctions f qu’on obtient en prenant des combinaisons linéaires infinies plus ou moins arbitraires des signaux élémentaires, disons
:
-
la première opération s’appelle l’analyse de f ;
-
la seconde la synthèse des signaux cn e inx.
Ces deux opérations sont inverses l’une de l’autre, comme la dérivation et l’intégration.
Considérons l’exemple du noyau de Poisson P r , donné par la formule :
L’analyse de P r , 2 π – périodique, conduit à montrer qu’il se représente par la série normalement convergente :
Inversement, la synthèse des signaux
e int conduit à :
et on retrouve la relation [1].
On dispose alors pour P r de deux avatars (c’est l’un des grands intérêts de la théorie, limité par le principe d’incertitude d’Heisenberg) :
-
l’avatar « fonction » [1], sur lequel on lit par exemple la positivité de P r , peu claire sous la forme [2] ;
-
l’avatar « série de Fourier » [2], sur lequel on lit par exemple que :
ce qui est peu clair sous la forme [1].
De façon générale, comment fait-on pour associer à une fonction f une série de Fourier
, c’est-à-dire comment fait-on pour calculer les cn en fonction de f ? C’est ce que nous allons voir dans la suite.
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Coefficients de Fourier d’une fonction 2π – périodique
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DAVIS (P.) - * - Interpolation and approximation.
-
(2) - KUIPERS (L.), NIEDERREITER (H.) - Uniform distribution of sequences. - Wiley-Interscience Series, 1974.
-
(3) - ZYGMUND (A.) - Trigonometric Series, - Second Edition. Cambridge University Press, 1959.
-
(4) - ARNAUDIES (J.M.), FRAYSSE (H.) - Cours de mathématiques, - tome 3. Dunod.
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