WikiPrépaLivrets

Soit f:R→Cf : \mathbb{R} \to \mathbb{C} une fonction 2π2\pi-périodique. On suppose que ff est α\alpha-höldérienne avec α∈]0,1]\alpha \in ]0, 1], c'est-à-dire qu'il existe une constante M>0M > 0 telle que :

∀(x,y)∈R2,∣f(x)−f(y)∣⩽M∣x−y∣α\forall (x, y) \in \mathbb{R}^2,   |f(x) - f(y)| \leqslant M |x - y|^\alpha

  1. Établir qu'au voisinage de ±∞\pm \infty, les coefficients de Fourier de ff vérifient :
    cn(f)=O(1∣n∣α)c_n(f) = O\left(\frac{1}{|n|^\alpha}\right)
  2. Démontrer l'existence d'une constante K>0K > 0 telle que, pour tout réel h>0h > 0 :
    ∑n=−∞+∞∣cn(f)∣2sin⁡2(nh)⩽Kh2α\sum_{n=-\infty}^{+\infty} |c_n(f)|^2 \sin^2(nh) \leqslant K h^{2\alpha}

  3. On suppose dans cette question que α>12\alpha > \frac{1}{2}.
    1. Prouver que la série de Fourier de ff est absolument convergente.
    2. Préciser la valeur de sa somme en tout point x∈Rx \in \mathbb{R}.

1.

Pour la question 1, utiliser l'expression intégrale de cn(f)c_n(f) et effectuer le changement de variable u=x−πnu = x - \frac{\pi}{n} pour faire apparaître un accroissement de ff.

2.

Pour la question 2, considérer la fonction gh:x↦f(x+h)−f(x−h)g_h : x \mapsto f(x+h) - f(x-h) et lui appliquer la formule de Parseval.

3.

Pour la question 3, découper la somme ∑∣cn(f)∣\sum |c_n(f)| par blocs dyadiques (2p⩽∣n∣<2p+12^p \leqslant |n| < 2^{p+1}) et utiliser l'inégalité de Cauchy-Schwarz sur chaque bloc en exploitant le résultat de la question 2.

Idées clés

•

Relation entre régularité locale (Hölder) et décroissance des coefficients de Fourier.

•

Utilisation du décalage de la variable dans l'intégrale pour exploiter la périodicité.

•

Identité de Parseval pour lier norme L2L^2 et coefficients de Fourier.

•

Découpage dyadique pour la convergence absolue (Théorème de Bernstein).

Résolution.

  1. Soit n∈Z∗n \in \mathbb{Z}^*. Par définition des coefficients de Fourier :
    cn(f)=12π∫02πf(x)e−inxdxc_n(f) = \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} f(x) e^{-inx} dx

    Effectuons le changement de variable x=t+πnx = t + \frac{\pi}{n}. On a dx=dtdx = dt et par 2π2\pi-périodicité de la fonction sous l'intégrale :

    cn(f)=12π∫02πf(t+πn)e−in(t+π/n)dt=−12π∫02πf(t+πn)e−intdtc_n(f) = \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} f\left(t + \frac{\pi}{n}\right) e^{-in(t + \pi/n)} dt = -\frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} f\left(t + \frac{\pi}{n}\right) e^{-int} dt

    En sommant les deux expressions, on obtient :

    2cn(f)=12π∫02π(f(x)−f(x+πn))e−inxdx2 c_n(f) = \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} \left( f(x) - f\left(x + \frac{\pi}{n}\right) \right) e^{-inx} dx

    Grâce à l'hypothèse de α\alpha-höldérianité :

    ∣2cn(f)∣⩽12π∫02π∣f(x)−f(x+πn)∣dx⩽12π∫02πM∣πn∣αdx=Mπα∣n∣α|2 c_n(f)| \leqslant \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} \left| f(x) - f\left(x + \frac{\pi}{n}\right) \right| dx \leqslant \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} M \left| \frac{\pi}{n} \right|^\alpha dx = M \frac{\pi^\alpha}{|n|^\alpha}

    On en déduit immédiatement :

    cn(f)=O(1∣n∣α)\boxed{c_n(f) = O\left(\frac{1}{|n|^\alpha}\right)}

  2. Introduisons, pour h>0h > 0, la fonction gh:x↦f(x+h)−f(x−h)g_h : x \mapsto f(x+h) - f(x-h). Les coefficients de Fourier de ghg_h sont :
    cn(gh)=cn(f)einh−cn(f)e−inh=2icn(f)sin⁡(nh)c_n(g_h) = c_n(f) e^{inh} - c_n(f) e^{-inh} = 2i c_n(f) \sin(nh)

    Appliquons l'identité de Parseval à la fonction ghg_h, qui est continue et 2π2\pi-périodique :

    ∑n∈Z∣cn(gh)∣2=12π∫02π∣gh(x)∣2dx\sum_{n \in \mathbb{Z}} |c_n(g_h)|^2 = \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} |g_h(x)|^2 dx

    Or, par l'hypothèse Hölder, ∣gh(x)∣=∣f(x+h)−f(x−h)∣⩽M∣2h∣α|g_h(x)| = |f(x+h) - f(x-h)| \leqslant M |2h|^\alpha. Ainsi :

    4∑n∈Z∣cn(f)∣2sin⁡2(nh)⩽12π∫02πM2(2h)2αdx=M222αh2α4 \sum_{n \in \mathbb{Z}} |c_n(f)|^2 \sin^2(nh) \leqslant \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} M^2 (2h)^{2\alpha} dx = M^2 2^{2\alpha} h^{2\alpha}

    En posant K=M222α−2K = M^2 2^{2\alpha - 2}, on obtient :

    ∑n∈Z∣cn(f)∣2sin⁡2(nh)⩽Kh2α\boxed{\sum_{n \in \mathbb{Z}} |c_n(f)|^2 \sin^2(nh) \leqslant K h^{2\alpha}}

    1. Pour montrer la convergence de ∑∣cn(f)∣\sum |c_n(f)|, étudions les tranches dyadiques Tp=∑2p⩽∣n∣<2p+1∣cn(f)∣T_p = \sum_{2^p \leqslant |n| < 2^{p+1}} |c_n(f)| pour p∈Np \in \mathbb{N}. L'inégalité de Cauchy-Schwarz donne :
      Tp⩽∑2p⩽∣n∣<2p+112⋅∑2p⩽∣n∣<2p+1∣cn(f)∣2⩽2⋅2p⋅∑2p⩽∣n∣<2p+1∣cn(f)∣2T_p \leqslant \sqrt{\sum_{2^p \leqslant |n| < 2^{p+1}} 1^2} \cdot \sqrt{\sum_{2^p \leqslant |n| < 2^{p+1}} |c_n(f)|^2} \leqslant \sqrt{2 \cdot 2^p} \cdot \sqrt{\sum_{2^p \leqslant |n| < 2^{p+1}} |c_n(f)|^2}

      Utilisons le résultat de la question 2 avec hp=π2p+2h_p = \frac{\pi}{2^{p+2}}. Pour 2p⩽∣n∣<2p+12^p \leqslant |n| < 2^{p+1}, l'argument nhpnh_p vérifie π4⩽∣nhp∣<π2\frac{\pi}{4} \leqslant |nh_p| < \frac{\pi}{2}. Sur cet intervalle, sin⁡2(nhp)⩾sin⁡2(π/4)=12\sin^2(nh_p) \geqslant \sin^2(\pi/4) = \frac{1}{2}. Donc :

      12∑2p⩽∣n∣<2p+1∣cn(f)∣2⩽∑n∈Z∣cn(f)∣2sin⁡2(nhp)⩽Khp2α=K(π2p+2)2α\frac{1}{2} \sum_{2^p \leqslant |n| < 2^{p+1}} |c_n(f)|^2 \leqslant \sum_{n \in \mathbb{Z}} |c_n(f)|^2 \sin^2(nh_p) \leqslant K h_p^{2\alpha} = K \left(\frac{\pi}{2^{p+2}}\right)^{2\alpha}

      On en déduit ∑2p⩽∣n∣<2p+1∣cn(f)∣2⩽2Kπα2α(p+2)\sqrt{\sum_{2^p \leqslant |n| < 2^{p+1}} |c_n(f)|^2} \leqslant \sqrt{2K} \frac{\pi^\alpha}{2^{\alpha(p+2)}}. D'où :

      Tp⩽C⋅2p/2⋅2−pα=C⋅2p(1/2−α)T_p \leqslant C \cdot 2^{p/2} \cdot 2^{-p\alpha} = C \cdot 2^{p(1/2 - \alpha)}

      Comme α>1/2\alpha > 1/2, la série géométrique ∑2p(1/2−α)\sum 2^{p(1/2 - \alpha)} converge. \boxed{\text{La série } \sum |c_n(f)| \text{ est donc convergente.}}

    2. Puisque la série des coefficients de Fourier converge absolument, la série de Fourier de ff converge normalement, donc uniformément sur R\mathbb{R}. Comme ff est continue (toute fonction höldérienne est continue), la théorie des séries de Fourier assure que la série converge vers la fonction ff elle-même.
      ∀x∈R,f(x)=∑n=−∞+∞cn(f)einx\boxed{\forall x \in \mathbb{R},   f(x) = \sum_{n=-\infty}^{+\infty} c_n(f) e^{inx}}

Ne pas confondre continuité et convergence absolue de la série de Fourier.

Théorème de Bernstein : f est alpha-höldérienne avec alpha > 1/2 implique la convergence absolue de sa série de Fourier.