Fourier, Dirichlet et Parseval en L2 de maths : exercices corrigés
Ces exercices Fourier L2 couvrent tout le chapitre : calcul de coefficients sous forme exponentielle ou réelle, usage de la parité, inégalité de Bessel, théorème de Dirichlet, convergence normale et formule de Parseval.
Les premiers énoncés vérifient les définitions et les réflexes de base. Ensuite, la partie centrale fait calculer des sommes de séries à partir de fonctions variées, dont une marche, un triangle et une exponentielle. Enfin, les problèmes mènent jusqu’à \(\zeta(6)\), au développement de la cotangente et à l’inégalité de Wirtinger. Avant chaque calcul, tracez la fonction sur deux périodes : vous repérerez tout de suite ses sauts et sa parité. Puis demandez-vous quel théorème de convergence s’applique.
Pour démarrer
Exercice 1 – Linéariser un polynôme trigonométrique
Soit \(f(t) = \sin^3 t + \cos^2(2t)\).
- Écrire \(f\) comme combinaison linéaire de \(1\), \(\cos(nt)\) et \(\sin(nt)\).
- En déduire tous les coefficients \(a_n(f)\), \(b_n(f)\), puis tous les \(c_n(f)\).
- Calculer \(\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} f(t)^2\,\mathrm{d}t\) sans intégrer, à l’aide de l’orthonormalité des \(e_n\).
Exercice 2 – Parité et antipériodicité
Soit \(f \in \mathcal{D}\).
- Montrer que si \(f\) est paire, alors \(b_n(f) = 0\) et \(a_n(f) = \frac{2}{\pi}\int_0^{\pi} f(t)\cos(nt)\,\mathrm{d}t\) pour tout \(n\).
- On suppose que \(f(t + \pi) = -f(t)\) pour tout réel \(t\). Montrer que \(c_n(f) = \frac{1 – (-1)^n}{2\pi}\int_0^{\pi} f(t)\,\mathrm{e}^{-\mathrm{i}nt}\,\mathrm{d}t\). Que dire des coefficients d’indice pair ?
- Vérifier ce résultat sur la fonction \(t \mapsto \sin^3 t\) de l’exercice 1.
Exercice 3 – Coefficients d’une impulsion centrée
Soit \(v\) la fonction \(2\pi\)-périodique qui vaut 1 sur \([-\pi/2, \pi/2]\) et 0 sur le reste de \([-\pi, \pi[\).
- Justifier que \(b_n(v) = 0\) pour tout \(n\).
- Calculer \(a_0(v)\), puis \(a_n(v)\) pour \(n \geqslant 1\). Donner \(a_1\), \(a_2\), \(a_3\).
- En déduire les \(c_n(v)\).
Exercice 4 – Une série trigonométrique de coefficients donnés
Pour \(x \in \mathbb{R}\), on pose \(F(x) = \sum_{n \in \mathbb{Z}} \dfrac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}nx}}{1 + n^2}\).
- Montrer que la série converge normalement sur \(\mathbb{R}\) et que \(F\) est continue et \(2\pi\)-périodique.
- Calculer \(c_m(F)\) pour tout \(m \in \mathbb{Z}\), en justifiant l’échange de la somme et de l’intégrale.
- Montrer que \(F\) est à valeurs réelles et paire, et l’écrire comme série de cosinus.
Exercice 5 – Bessel interdit certains coefficients
- Montrer qu’il n’existe aucune fonction \(f \in \mathcal{D}\) telle que \(b_n(f) = 1/\sqrt{n}\) pour tout \(n \geqslant 1\).
- Soit \(f \in \mathcal{D}\). Montrer que la série \(\sum_{n \geqslant 1} \dfrac{|a_n(f)| + |b_n(f)|}{n}\) converge.
Exercice 6 – Dirichlet sans calcul de coefficients
Soit \(f\) la fonction \(2\pi\)-périodique définie sur \([-\pi, \pi[\) par \(f(x) = x + 1\) si \(-\pi \leqslant x < 0\) et \(f(x) = x^2\) si \(0 \leqslant x < \pi\).

- Vérifier que \(f\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) par morceaux.
- Sans calculer de coefficient, déterminer la somme \(S(x)\) de la série de Fourier de \(f\) pour tout \(x \in [-\pi, \pi]\).
- La série de Fourier de \(f\) converge-t-elle normalement sur \(\mathbb{R}\) ?
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Valeur absolue du sinus
On considère \(f(x) = |\sin x|\), vue comme fonction \(2\pi\)-périodique.
- Calculer \(a_n(f)\) pour tout \(n \geqslant 0\). Montrer que \(a_{2k+1} = 0\) et \(a_{2k} = -\dfrac{4}{\pi(4k^2 – 1)}\) pour \(k \geqslant 1\).
- Justifier que la série de Fourier converge normalement vers \(f\) sur \(\mathbb{R}\).
- En déduire \(\sum_{k \geqslant 1} \dfrac{1}{4k^2 – 1}\) et \(\sum_{k \geqslant 1} \dfrac{(-1)^k}{4k^2 – 1}\).
- À l’aide de Parseval, calculer \(\sum_{k \geqslant 1} \dfrac{1}{(4k^2 – 1)^2}\).
Exercice 8 – Exponentielle sur une période
Soit \(f\) la fonction \(2\pi\)-périodique telle que \(f(x) = \mathrm{e}^{x}\) pour \(x \in [0, 2\pi[\). On pose \(K = \dfrac{\mathrm{e}^{2\pi} – 1}{2\pi}\).
- Montrer que \(c_n(f) = \dfrac{K}{1 – \mathrm{i}n}\) pour tout \(n \in \mathbb{Z}\).
- Calculer \(c_n(f) + c_{-n}(f)\) pour \(n \geqslant 1\).
- Appliquer le théorème de Dirichlet en \(x = 0\) et en déduire que \(\sum_{n \geqslant 1} \dfrac{1}{1 + n^2} = \dfrac{1}{2}\Big(\pi\,\dfrac{\mathrm{e}^{2\pi} + 1}{\mathrm{e}^{2\pi} – 1} – 1\Big)\).
- Vérifier que la formule de Parseval redonne le même résultat.
Exercice 9 – Meilleure approximation de degré 1
Soit \(f\) la fonction \(2\pi\)-périodique telle que \(f(x) = x\) sur \(]-\pi, \pi[\) et \(f(\pi) = 0\).
- Calculer \(c_n(f)\) pour tout \(n \in \mathbb{Z}\), puis \(b_n(f)\).
- Déterminer le polynôme trigonométrique \(P \in \mathcal{T}_1\) qui minimise \(\|f – P\|_2\).
- Calculer la valeur de ce minimum.
Exercice 10 – Coefficients de la dérivée
Soit \(f\) une fonction continue, \(2\pi\)-périodique et de classe \(\mathcal{C}^1\) par morceaux.
- Montrer que \(c_n(f^{\prime}) = \mathrm{i}n\,c_n(f)\) pour tout \(n \in \mathbb{Z}\).
- En déduire que \(n\,c_n(f) \to 0\) quand \(|n| \to +\infty\).
- Montrer que \(\sum |c_n(f)|\) converge.
- Montrer par un exemple que la conclusion de la question 1 tombe en défaut si \(f\) n’est pas continue.
Exercice 11 – Une marche de largeur 2π/3 et ζ(2)
Soit \(w\) la fonction \(2\pi\)-périodique qui vaut 1 sur \([0, 2\pi/3[\) et 0 sur \([2\pi/3, 2\pi[\).
- Calculer \(c_0(w)\) et, pour \(n \neq 0\), montrer que \(|c_n(w)|^2 = \dfrac{\sin^2(n\pi/3)}{\pi^2 n^2}\).
- Montrer que \(|c_n(w)|^2\) vaut \(\dfrac{3}{4\pi^2 n^2}\) si 3 ne divise pas \(n\), et 0 sinon.
- Appliquer Parseval et en déduire la valeur de \(\zeta(2)\).
Exercice 12 – Un triangle et ζ(4)
Soit \(T\) la fonction \(2\pi\)-périodique et paire telle que \(T(x) = \frac{\pi}{2} – x\) sur \([0, \pi]\).
- Calculer \(a_0(T)\) et \(a_n(T)\) pour \(n \geqslant 1\).
- Justifier la convergence normale et en déduire \(\sum_{k \geqslant 0} \dfrac{1}{(2k+1)^2}\).
- À l’aide de Parseval, calculer \(\sum_{k \geqslant 0} \dfrac{1}{(2k+1)^4}\).
- En séparant indices pairs et impairs, en déduire \(\zeta(4)\).
Exercice 13 – Un carré non symétrique et deux sommes
Soit \(q\) la fonction \(2\pi\)-périodique telle que \(q(x) = x^2\) pour \(x \in [0, 2\pi[\).
- Calculer \(c_0(q)\) et montrer que \(c_n(q) = \dfrac{2}{n^2} + \dfrac{2\pi\mathrm{i}}{n}\) pour \(n \neq 0\).
- Appliquer le théorème de Dirichlet en \(x = 0\) et en déduire \(\zeta(2)\).
- Appliquer le théorème de Dirichlet en \(x = \pi\) et en déduire \(\sum_{n \geqslant 1} \dfrac{(-1)^{n+1}}{n^2}\).
Exercice 14 – Coefficients géométriques et une intégrale
Pour \(x \in \mathbb{R}\), on pose \(F(x) = \sum_{n \in \mathbb{Z}} 2^{-|n|}\,\mathrm{e}^{\mathrm{i}nx}\).
- Justifier que \(F\) est continue et que \(c_n(F) = 2^{-|n|}\).
- En sommant deux séries géométriques, montrer que \(F(x) = \dfrac{3}{5 – 4\cos x}\).
- À l’aide de Parseval, calculer \(\displaystyle\int_0^{2\pi} \frac{\mathrm{d}x}{(5 – 4\cos x)^2}\).
Exercice 15 – Noyau de Dirichlet et sommes partielles
Pour \(N \in \mathbb{N}\), on pose \(D_N(t) = \sum_{n=-N}^{N} \mathrm{e}^{\mathrm{i}nt}\).
- Montrer que \(D_N(t) = \dfrac{\sin\big((2N+1)t/2\big)}{\sin(t/2)}\) pour \(t \notin 2\pi\mathbb{Z}\), et calculer \(D_N(0)\).
- Calculer \(\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} D_N(t)\,\mathrm{d}t\).
- Soit \(f \in \mathcal{D}\). Montrer que \(S_N(f)(x) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x – t) D_N(t)\,\mathrm{d}t\).
- Montrer que \(D_N\) est paire et en déduire que \(\frac{1}{2\pi}\int_0^{\pi} D_N(t)\,\mathrm{d}t = \frac{1}{2}\).
Pour approfondir
Exercice 16 – Problème – La fonction x(π − |x|) et ζ(6)
Soit \(f\) la fonction \(2\pi\)-périodique telle que \(f(x) = x(\pi – |x|)\) pour \(x \in [-\pi, \pi]\).

- Montrer que \(f\) est bien définie, impaire, continue et de classe \(\mathcal{C}^1\) par morceaux.
- Montrer que \(\int_0^{\pi} x(\pi – x)\sin(nx)\,\mathrm{d}x = \dfrac{2(1 – (-1)^n)}{n^3}\) pour \(n \geqslant 1\). En déduire les coefficients \(a_n(f)\) et \(b_n(f)\).
- En évaluant la série en \(x = \pi/2\), calculer \(\sum_{k \geqslant 0} \dfrac{(-1)^k}{(2k+1)^3}\).
- À l’aide de Parseval, calculer \(\sum_{k \geqslant 0} \dfrac{1}{(2k+1)^6}\). On pourra utiliser \(\int_0^{\pi} x^2(\pi – x)^2\,\mathrm{d}x = \pi^5/30\), à justifier.
- En déduire \(\zeta(6) = \sum_{n \geqslant 1} \frac{1}{n^6}\).
Exercice 17 – Problème – Développement de la cotangente
Soit \(a \in \,]0, 1[\) et \(f\) la fonction \(2\pi\)-périodique telle que \(f(x) = \cos(ax)\) pour \(x \in [-\pi, \pi]\).
- Montrer que \(f\) est continue sur \(\mathbb{R}\) et de classe \(\mathcal{C}^1\) par morceaux.
- Montrer que \(a_0(f) = \dfrac{2\sin(a\pi)}{a\pi}\) et que, pour \(n \geqslant 1\), \(a_n(f) = (-1)^n\, \dfrac{2a\sin(a\pi)}{\pi(a^2 – n^2)}\).
- En évaluant la série en \(x = \pi\), montrer que \(\pi\cot(a\pi) = \dfrac{1}{a} + \sum_{n \geqslant 1} \dfrac{2a}{a^2 – n^2}\).
- En évaluant la série en \(x = 0\), obtenir une formule analogue pour \(\dfrac{\pi}{\sin(a\pi)}\).
- Appliquer la question 4 avec \(a = \frac{1}{2}\) pour calculer \(\sum_{n \geqslant 1} \dfrac{(-1)^n}{1 – 4n^2}\).
Exercice 18 – Problème – Inégalité de Wirtinger
Soit \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) de classe \(\mathcal{C}^1\) et \(2\pi\)-périodique, telle que \(\int_0^{2\pi} f(t)\,\mathrm{d}t = 0\).
- Exprimer \(\int_0^{2\pi} f^2\) et \(\int_0^{2\pi} (f^{\prime})^2\) à l’aide des coefficients \(c_n(f)\).
- En déduire l’inégalité de Wirtinger : \(\int_0^{2\pi} f(t)^2\,\mathrm{d}t \leqslant \int_0^{2\pi} f^{\prime}(t)^2\,\mathrm{d}t\).
- Montrer qu’il y a égalité si et seulement si \(f\) est de la forme \(t \mapsto \alpha\cos t + \beta\sin t\), avec \(\alpha, \beta\) réels.
- Vérifier l’inégalité sur \(f(t) = \sin t + \sin(2t)\), puis montrer qu’elle est fausse sans l’hypothèse de moyenne nulle.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de L2 de maths sur fourier, Dirichlet et Parseval
- Bases utiles : Convergence uniforme et normale des fonctions, Produit scalaire et projection orthogonale
- Chapitre d’avant : Isométries et endomorphismes symétriques
- Chapitre d’après : Formes quadratiques, Sylvester et coniques
- Vérifier ses acquis : QCM de L2 de maths sur fourier, Dirichlet et Parseval
- Contrôle corrigé en temps limité : Coefficients de Fourier et sommes de séries : contrôle de maths en L2
- Tous les chapitres : le sommaire de la L2 de maths
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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