mathématiques (PT) · Chapitre 8 · Exercice de TD
La moyenne d'une fonction périodique tend vers sa moyenne sur une période
Fonctions Vectorielles, Arcs Paramétrés et Géométrie Différentielle · B. Intégration sur un segment · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Soit continue et -périodique. Montrer que quand (écrire avec , découper par Chasles en périodes plus un reste borné).
Corrigé
Ce que l'on montre. est continue et -périodique () ; on note sa moyenne sur une période. Il s'agit d'établir que la moyenne de sur converge vers quand . En PT, est ou : l'intégrale se lit coordonnée par coordonnée, et l'on dispose de la majoration pour .
Stratégie. Une période contribue toujours la même chose. Il ne reste donc, dans , qu'un nombre entier de périodes — dont la contribution est exactement proportionnelle à — plus un morceau borné. C'est ce morceau qui empêche l'égalité exacte, et la division par l'écrase.
Étape 1 — une période vaut toujours autant. Pour , le changement de variable affine puis la -périodicité donnent et le même calcul, arrêté avant la fin de la période, donne pour .
Étape 2 — la division euclidienne. Soit . Posons et , de sorte que . La relation de Chasles et l'étape 1 donnent
Étape 3 — le reste est borné une fois pour toutes. est continue sur le segment , donc et ne dépend pas de . C'est le point qui fait tout.
Étape 4 — conclusion. Comme , il vient , donc
Le point délicat. et dépendent tous deux de , et l'on est tenté de raisonner sur « ». Ce n'est pas ce qui fait avancer la preuve : ce qui sert, c'est que reste dans quelle que soit la valeur de . Un reste qui grandirait avec , même très lentement, ruinerait la conclusion.
Ce que la preuve donne en plus. La majoration obtenue est en : la convergence est au moins en , et cette vitesse est optimale. Prenons et , de période et de moyenne : L'écart décroît en en oscillant, et ne s'annule pas à partir d'un rang : en il vaut au plus , en au plus .
Acquis. La moyenne d'un signal périodique sur une fenêtre d'observation tend vers sa moyenne sur une période, à la vitesse . C'est l'énoncé qui justifie qu'on mesure la valeur moyenne d'un signal périodique sur une durée longue sans se soucier de la synchroniser avec la période.
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