diff --git a/exercices/fourier_serie1.md b/exercices/fourier_serie1.md new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..107d93dcafb93eb0245275bb7e8142b1ac8b09f1 --- /dev/null +++ b/exercices/fourier_serie1.md @@ -0,0 +1,231 @@ +--- +# author: +# - Orestis Malaspinas +title: Exercices sur Fourier +autoSectionLabels: true +autoEqnLabels: false +eqnPrefix: + - "éq." + - "éqs." +chapters: true +numberSections: true +chaptersDepth: 1 +sectionsDepth: 3 +lang: fr +documentclass: article +papersize: A4 +cref: false +pandoc-numbering: + - category: exercice +urlcolor: blue +--- +\newcommand{\dd}[1]{\mathrm{d}#1} + +# Séries de Fourier + +Exercice +.# + +Développer en série de Fourier la fonction $2\pi$-périodique suivante +\begin{equation} + f(x)=7\cos(x)-\sqrt{2}\sin(3x),\ x\in[0,2\pi). +\end{equation} + +Corrigé +.# + +Il est trivial de trouver les coefficients de la transformée de Fourier. +On a $a_3=\sqrt{2}$, et $b_1=7$. Tous les autres coefficients sont nuls. La série de Fourier s'écrit donc +\begin{equation} + f(x)=7\cos(x)-\sqrt{2}\sin(3x). +\end{equation} + +Exercice +.# + +Développer en série de Fourier la fonction $2\pi$-périodique suivante +\begin{equation} +f(x)=\left\{\begin{array}{ll} + 1-\frac{2x}{\pi},& x\in[0,\pi),\\ + 1+\frac{2x}{\pi},& x\in[-\pi,0). + \end{array}\right. +\end{equation} + +Corrigé +.# + +On calcule les coefficients de la série de Fourier à l'aide des formules +\begin{align} +b_j&=\frac{2}{T}\int_0^T\cos(j\omega x)f(x){\mathrm{d}}x,\\ +a_j&=\frac{2}{T}\int_0^T\sin(j\omega x)f(x){\mathrm{d}}x, +\end{align} +où $T=2\pi$. On peut donc écrire +\begin{align} +b_j&=\frac{2}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\cos(j x)f(x){\mathrm{d}}x,\\ +a_j&=\frac{2}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\sin(j x)f(x){\mathrm{d}}x. +\end{align} +Comme $f(x)$ est paire, on a que les coefficients $a_j$ sont tous nuls. +Il nous reste à calculer +\begin{align} +b_j&=\underbrace{\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^0\cos(j x)\left(1+\frac{2x}{\pi}\right){\mathrm{d}}x}_{(1)}+\underbrace{\frac{1}{\pi}\int_{0}^\pi\cos(j x)\left(1-\frac{2x}{\pi}\right){\mathrm{d}}x}_{(2)}. +\end{align} +Ces intégrales se calculent par partie (on pourrait les simplifier en utilisant le fait que la fonction à intégrer est paire, mais on le fera pas ici). + +Ces deux intégrales se résolvent par partie. Pour la partie $(1)$, on obtient +\begin{align} +(1)&=\underbrace{\left. \frac{1}{j}\sin(jx)\left(1+\frac{2x}{\pi}\right)\right|_{-\pi}^0}_{=0} +- \frac{2}{\pi j}\int_{-\pi}^0\sin(jx)\dd x,\nonumber\\ +&=\left.\frac{2}{\pi j^2}\cos(jx)\right|_{-\pi}^0,\nonumber\\ +&=\frac{4}{\pi j^2}\left(1-(-1)^j\right). +\end{align} +De même pour la partier (2), on trouve +$$ +(2)=\frac{4}{\pi j^2}\left(1-(-1)^j\right). +$$ +On trouve finalement que +$$ +b_j=\frac{8}{\pi^2j^2}\left(1-(-1)^j\right). +$$ +La série de Fourier s'écrit alors +$$ +f(x)=\frac{8}{\pi^2}\sum_{j=1}^\infty \frac{1}{j^2}\left(1-(-1)^j\right)\cos(jx). +$$ + +Exercice +.# + +Développer en série de Fourier la fonction $2\pi$-périodique suivante +\begin{equation} +f(x)=\left\{\begin{array}{ll} + x(\pi-x),& x\in[0,\pi),\\ + x(\pi+x),& x\in[-\pi,0). + \end{array}\right. +\end{equation} + +Corrigé +.# + +La fonction étant impaire tous les termes $b_j$ sont nuls. Pour les termes $a_j$, il faut intégrer deux fois par parties et on trouve +$$ +a_j=\frac{4(1-(-1)^j)}{\pi j^3}, +$$ +si $j\neq 0$ et $a_0=0$. + +Exercice +.# + +Développer en série de Fourier la fonction $2\pi$-périodique suivante +\begin{equation} +f(x)=\sin\left(\frac{x}{2}\right),\ x\in[0,2\pi). +\end{equation} + +Corrigé +.# + +Cette fonction étant impaire, nous avons que tous les $b_j$ sont nuls. +En utilisant l'identité trigonométrique +$$ +\sin(x/2)\sin(jx)=\frac{1}{2} \left(\cos((j-1/2)x)-\cos((j+1/2)x)\right). +$$ +On peut assez simplement calculer les coefficients de Fourier $a_j$, +qui sont donnés par (la fonction $f$ étant impaire, nous pouvons utiliser le fait que $f(x)\sin(jx)$ est, elle, paire, d'où l'intégration sur le demi-domaine) +\begin{align} +a_j&=\frac{2}{\pi}\int_0^\pi\sin(x/2)\sin(jx)\dd x=\frac{1}{\pi}\left(\int_0^\pi \cos((j-1/2)x)-\cos((j+1/2)x)\dd x\right),\\ +&=\frac{1}{\pi}\left(\frac{\sin((n-1/2)x)}{n-1/2}-\frac{\sin((n+1/2)x)}{n+1/2}\right)_{0}^\pi=-\frac{(-1)^j}{\pi}\frac{2j}{j^2-1/4}. +\end{align} + +Exercice +.# + +Développer en série de Fourier la fonction $2\pi$-périodique suivante +\begin{equation} +f(x)=\cos\left(\frac{x}{2}\right),\ x\in[0,2\pi). +\end{equation} + +Corrigé +.# + +Je vous laisse vous débrouller pour celui là . C'est presque pareil que le cas ci-dessus. Il faut juste trouver la bonne identité trigonométrique à utiliser (cf. le cours). + +# Transformées de Fourier + +Exercice +.# + +Calculer la transformée de Fourier de la fonction suivante +\begin{equation} +f(x)=\left\{\begin{array}{ll} + 1+x,& x\in[-1,0),\\ + 1-x,& x\in[0,1),\\ + 0,& \mbox{sinon}. + \end{array}\right. +\end{equation} + +Corrigé +.# + +On sait que la transformée de Fourier d'une fonction $f$ est donnée par +$$ +\hat f(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-i\omega t}{\mathrm{d}}t. +$$ +On peut écrire la tranformée de Fourier comme +$$ +\hat f(\omega)=\int_{-1}^{0}(1+x)e^{-i\omega x}{\mathrm{d}}x+\int_{0}^{1}(1-x)e^{-i\omega x}{\mathrm{d}}x. +$$ +Par parties, on obtient +\begin{align} +\hat f(\omega)&=\left.(1+x)e^{-i\omega x}\right|_{-1}^0-\frac{1}{i\omega}\int_{-1}^0e^{-i\omega x}\dd x+\left.(1-x)e^{-i\omega x}\right|_{0}^1+\frac{1}{i\omega}\int_{0}^1e^{-i\omega x}\dd x,\nonumber\\ +&=2-\frac{1}{\omega^2}(1-e^{i\omega})+\frac{1}{\omega^2}(e^{-i\omega}-1). +\end{align} + +Exercice +.# + +Calculer la transformée de Fourier de la fonction suivante +\begin{equation} +f(x)=\left\{\begin{array}{ll} + -1-x,& x\in[-2,-1),\\ + 1+x,& x\in[-1,0),\\ + 1-x,& x\in[0,1),\\ + -1+x,& x\in[1,2),\\ + 0,& \mbox{sinon}. + \end{array}\right. +\end{equation} + +Corrigé +.# + +Pareil que ci-dessus mais avec plein d'étapes en plus... Je vous laisse faire comme des grand·e·s. + + +# Transformées de Fourier discrète + +Exercice +.# + +Calculer la transformée de Fourier discrète de la suite $a=\{1, 0, 0, 1\}$. + +Corrigé +.# + +En utilisant la formule +$$ +\hat f[k]=\sum_{n=0}^{N-1}f[n]e^{-2\pi ink/N}, +$$ +on peut calculer la TFD de $f=\{1,0,0,1\}$ avec $N=4$. +On obtient donc +$$ +\hat f[0]=f[0]+f[1]+f[2]+f[3]=2. +$$ +Et ainsi de suite on obtient +\begin{align} +\hat f[1]&=f[0]+f[1]e^{-\pi i/2}+f[2]e^{-\pi i}+f[3]e^{-3\pi i/2}=1+i,\\ +\hat f[2]&=f[0]+f[1]e^{-\pi i}+f[2]e^{-2\pi i}+f[3]e^{-3\pi i}=0,\\ +\hat f[3]&=f[0]+f[1]e^{-3\pi i/2}+f[2]e^{-3\pi i}+f[3]e^{-9\pi i/2}=1-i. +\end{align} + +Exercice +.# + +Calculer la transformée de Fourier inverse discrète de la suite $b=\{2, -1-i, 0, -1+i\}$. + +Corrigé +.# + +En utilisant la formule +$$ +f[n]=\sum_{k=0}^{N-1}\hat f[n]e^{2\pi ink/N}, +$$ +on peut calculer la TFD de $\hat f=\{2, -1-i, 0, -1+i\}$ avec $N=4$. +On obtient donc +$$ +f[0]=\hat f[0]+\hat f[1]+\hat f[2]+\hat f[3]=0. +$$ +Et ainsi de suite on obtient +\begin{align} +f[1]&=\hat f[0]+\hat f[1]e^{\pi i/2}+\hat f[2]e^{\pi i}+\hat f[3]e^{3\pi i/2}=2+i(-1-i)+(-i)(-1+i)=4,\\ +\hat f[2]&=f[0]+f[1]e^{\pi i}+f[2]e^{2\pi i}+f[3]e^{3\pi i}=2+(-1)(-1-i)-1(-1+i)=4,\\ +\hat f[3]&=f[0]+f[1]e^{3\pi i/2}+f[2]e^{3\pi i}+f[3]e^{9\pi i/2}=2-i(-1-i)+i(-1+i)=0. +\end{align} \ No newline at end of file