Séries de Fourier : définitions et théorèmes

Définition

(6) La Série de Fourier d'une fonction F de période T est l'une ou l'autre des séries :

\(\begin{array}{lll} F(t) & = & \sum_{n = - \infty}^{n = + \infty} C_n . \mathrm{e}^{\mathrm{i} . n . \omega_1 . t} \\ \textrm{ou : }  F(t) & = & A_0 + \sum_{n = - \infty}^{n = + \infty} A_n . \cos (n . \omega_1 . t) + B_n . \sin (n . \omega_1 . t) \end{array} ~~~~~~ \mathrm{avec } ~~\omega_1 = \frac{2.\pi}{T}\)

Théorèmes de convergence :

Théorème

(2) Notons \(H\) l'ensemble des fonctions de période T ayant les propriétés :

  • d'être continues, ou au moins, continues par morceaux dont la réunion fasse une période \(T\),

  • d'être sur chacun de ces morceaux, convergentes en module carré.

alors :

  • \(H\) est un espace vectoriel,

  • l'expression du produit scalaire défini dans l'exemple \((1)\) en fait un espace préhilbertien,

  • toute fonction \(F\) de ce préhilbertien admet une Série de Fourier qui converge vers \(F\),

  • sur des fonctions de base données, les coefficients de cette série sont uniques,

  • en posant : \(\omega_1 = \frac{2 . \pi}{T}\) les coefficients de Fourier sont :

\(\begin{array}{lll} C_n & = & \langle F(t) | \mathrm{e}^{\mathrm{i} . n . \omega_1 . t} \rangle = \frac{1}{T} \int_0^T F(t) . \mathrm{e}^{-\mathrm{i} . n . \omega_1 . t} \mathrm{d}t \\ A_0 & = & \frac{1}{T} \int_0^T F(t) . \mathrm{d}t \mathrm{ } \mathrm{ } \textrm{ (valeur moyenne de la fonction } F \textrm{ sur une p\'eriode)} \\ A_n & = & \frac{2}{T} \int_0^T F(t) . \cos ( n . \omega_1 . t) . \mathrm{d} t \\ B_n & = & \frac{2}{T} \int_0^T F(t) . \sin ( n . \omega_1 . t) . \mathrm{d} t \end{array}\)

Théorème

(3) Si la série des coefficients est absolument convergente, la série de Fourier converge normalement vers une fonction continue.

Théorème

(4) Si \(F\) est continue par morceaux et à dérivée bornée sur chacun des morceaux, la Série de Fourier est convergente et égale à la valeur de \(F\), en tout point sauf éventuellement aux points de discontinuité.