Convergence d'une fonction périodique


  • medou coulibaly

    Bonjour comment vous allez, j'ai besoin d'aide pour cet exercice que je bloque dessus.
    Soit / la fonction 2π-périodique définie par f(x) = xsur ]- pi, pi].

    1. Montrer que gence de Sf .) Sf(x) = 2 * sum n = 1 to ∞ ((- 1) ^ (n - 1) * sin nx)/n (On ne s'intéresse pas ici à la conver-
    2. Montrer que pour x in] - pi , pi[, jf(x) = x (convergence simple).
    3. Qu'en est-il de la convergence simple de la série Sf en x = pi
    4. Montrer que Sigma n = 1 ^ infty 1 n^ 2 = pi^ 2 6 .

  • N
    Modérateurs

    @medou-coulibaly Bonjour,

    Vérifie l'énoncé et rectifie les erreurs de frappe.
    Indique tes éléments de réponse et la question qui te pose problème.


  • N
    Modérateurs

    @medou-coulibaly

    Quelle est la nature de la fonction fff ?
    Cette fonction est impaire et 2π2\pi2π périodique.

    Calcul des coefficients de Fourier sont donnés par :
    Coefficient constant a0a_0a0 :
    a0=12π∫−ππf(x) dx=12π∫−ππx dx=0a_0 = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \ dx = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^{\pi} x \ dx = 0a0=2π1ππf(x) dx=2π1ππx dx=0
    Coefficients ana_nan :
    an=1π∫−ππf(x)cos⁡(nx) dxa_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) \ dxan=π1ππf(x)cos(nx) dx
    Comme la fonction est impaire, an=0a_n = 0an=0 pour tous nnn.

    Coefficients bnb_nbn :
    bn=1π∫−ππf(x)sin⁡(nx) dx=1π∫−ππxsin⁡(nx) dxb_n = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} f(x) \sin(nx) \ dx = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} x \sin(nx) \ dxbn=π1ππf(x)sin(nx) dx=π1ππxsin(nx) dx

    On utilise une intégration par parties.
    On pose u(x)=xu(x) = xu(x)=x et dv(x)=sin⁡(nx) dxdv(x) = \sin(nx) \ dxdv(x)=sin(nx) dx,
    du(x)=dxdu(x) = dxdu(x)=dx, v=−1ncos⁡(nx)\quad v = -\frac{1}{n} \cos(nx)v=n1cos(nx)

    L'intégration par parties donne :
    ∫xsin⁡(nx) dx=[−xncos⁡(nx)]−ππ+1n∫cos⁡(nx) dx\int x \sin(nx) \ dx = [-\frac{x}{n} \cos(nx)]_ {-\pi}^{\pi} + \frac{1}{n} \int \cos(nx) \ dxxsin(nx) dx=[nxcos(nx)]ππ+n1cos(nx) dx
    avec
    [−xncos⁡(nx)]−ππ=−πncos⁡(nπ)+πncos⁡(−nπ)=−πn(−1)n+πn(−1)n=(−1)n+1×2n[-\frac{x}{n} \cos(nx) ]_ {-\pi}^{\pi} = -\frac{\pi}{n} \cos(n\pi) + \frac{\pi}{n} \cos(-n\pi) = -\frac{\pi}{n} (-1)^n + \frac{\pi}{n} (-1)^n = (-1)^{n+1}\times \frac{2}{n}[nxcos(nx)]ππ=nπcos(nπ)+nπcos(nπ)=nπ(1)n+nπ(1)n=(1)n+1×n2
    et
    1n∫−ππcos⁡(nx) dx=0(car cos⁡(nx) est pair et x est impair)\frac{1}{n} \int_{-\pi}^{\pi} \cos(nx) \ dx = 0 \quad (\text{car } \cos(nx) \text{ est pair et } x \text{ est impair})n1ππcos(nx) dx=0(car cos(nx) est pair et x est impair)

    donc
    bn=(−1)n+1×2nb_n = (-1)^{n+1}\times \frac{2}{n}bn=(1)n+1×n2


  • N
    Modérateurs

    @medou-coulibaly

    Pour montrer que la série de Fourier Sf(x)S_f(x)Sf(x) converge simplement vers f(x)=xf(x) = xf(x)=x pour x∈]−π,π[x \in ] -\pi, \pi[x]π,π[, on utilise le fait quelle fonction fff est une fonction 2π-périodique définie par f(x)=xf(x) = xf(x)=x sur l'intervalle ]−π,π[] -\pi, \pi[ ]π,π[.

    La série de Fourier de f(x)=xf(x) = xf(x)=x est : Sf(x)=∑n=1∞bnsin⁡(nx)S_f(x) = \sum_{n=1}^{\infty} b_n \sin(nx)Sf(x)=n=1bnsin(nx)
    avec : bn=2(−1)n−1nb_n = \frac{2(-1)^{n-1}}{n}bn=n2(1)n1
    Ainsi, la série de Fourier : Sf(x)=∑n=1∞2(−1)n−1nsin⁡(nx)S_f(x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2(-1)^{n-1}}{n} \sin(nx)Sf(x)=n=1n2(1)n1sin(nx)

    Pour montrer que Sf(x)S_f(x)Sf(x) converge simplement vers f(x)=xf(x) = xf(x)=x pour x∈]−π,π[x \in ] -\pi, \pi[x]π,π[, on utilise la propriété que la série de Fourier d'une fonction continue et périodique converge vers la fonction elle-même presque partout, et converge uniformément sur tout intervalle où la fonction est continue.
    or La fonction f(x)=xf(x) = xf(x)=x est continue sur l'intervalle ]−π,π[] -\pi, \pi[]π,π[.
    En utilisant le théorème de Dirichlet, une série de Fourier converge simplement vers f(x)f(x)f(x) à chaque point où f(x)f(x)f(x) est continue.
    donc comme f(x)f(x)f(x) est continue sur l'intervalle ]−π,π[] -\pi, \pi[]π,π[, on conclut que :
    Sf(x)→f(x)=xpour tout x∈]−π,π[S_f(x) \to f(x) = x \quad \text{pour tout } x \in ] -\pi, \pi[Sf(x)f(x)=xpour tout x]π,π[.


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