Le trièdre de Fourier
Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques MPSI, chapitre 15 — Espaces préhilbertiens réels · C. Orthogonalité et Gram-Schmidt
Énoncé
Sur muni de , on note la fonction constante , et pour , et .
a) Montrer que la famille est orthogonale, et calculer les normes : , .
b) En déduire, sans écrire aucune combinaison linéaire, que cette famille est libre. Quelle est la dimension de ?
c) Pour , on pose pour et pour — les coefficients de Fourier de . Montrer que
d) Calculer les et pour , et en déduire .
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. Les formules de linéarisation du chapitre sur les complexes : , , . Et un fait élémentaire : pour tout entier , , et pour tout entier , (pour l'intégrande est nul, sinon la primitive prend la même valeur aux deux bornes).
a) Orthogonalité et normes. Soient avec . Par linéarisation, car et (l'un au moins des deux est non nul, et si alors , exclu). De même pour , : Enfin, pour et quelconques, sans aucune condition, l'intégrale d'un sinus d'entier étant toujours nulle sur — y compris pour . La famille est orthogonale.
Les normes. . Pour , la linéarisation avec donne , donc ; et donne .
Le point délicat. Tout tient à ce que l'intervalle est une période entière : sur , . L'orthogonalité n'est pas une propriété des fonctions, c'est une propriété du produit scalaire, donc de l'intervalle.
b) Liberté. Toute famille orthogonale de vecteurs non nuls est libre (cours) — et les fonctions sont non nulles, leurs normes étant strictement positives. Donc la famille est libre, et c'est une base de : . On n'a écrit aucune combinaison linéaire ; c'est le produit scalaire qui a fait le travail.
c) La projection. est de dimension finie ; la projection orthogonale sur s'exprime dans une base orthonormée de par (cours). Une base orthonormée s'obtient en normalisant la base orthogonale du a) : , d'où Les coordonnées dans une base orthogonale sont les produits scalaires divisés par les carrés des normes. Il reste à identifier les coefficients : D'où . Le n'est pas une convention bizarre : il vient de ce que n'a pas la même norme que les autres, contre .
d) Le calcul pour . D'abord , donc : la valeur moyenne de sur . Pour , une intégration par parties avec , , : car et l'intégrale d'un sinus d'entier est nulle. Donc . Avec , : donc . Ainsi La fonction n'a rien de périodique, et pourtant sa meilleure approximation par un polynôme trigonométrique est explicite : le projeté sur est le point de le plus proche de pour la distance intégrale.
Ce que l'exercice installe. Une famille orthogonale se manipule sans jamais résoudre de système : liberté, coordonnées, projection, tout est un produit scalaire. C'est la première brique de l'analyse de Fourier : les coefficients de Fourier sont des coordonnées, la somme partielle de la série est un projeté orthogonal, et l'inégalité de Bessel de l'exercice 8 dira que les coefficients ne peuvent pas être trop grands. Rien de cela ne demande plus que le théorème de projection de ce chapitre.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.