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1. Deˊfinitions : Transformeˊe directe et inverse Choix d’eˊcriture : la convention symeˊtrique Dans la convention symétrique (ou unitaire) le facteur 1/(2π) est réparti équitablement (2π1) entre l'espace direct et l'espace réciproque (celui des fréquences ou des nombres d'ondes). Soit x un nombre réel. Soit k un nombre réel qui représente la variable réciproque de x. Soit i le nombre complexe qui vérifie la condition i2=−1. Transformeˊe de Fourier directe : f(k)=TF[f](k)=2π1∫−∞+∞f(x)e−ikxdx Transformeˊe de Fourier inverse : f(x)=TF−1[f](x)=2π1∫−∞+∞f(k)eikxdk 2. Conditions d’existence (Espaces de deˊfinition) Le cas L1R Si f est absolument intégrable, à savoir ∫−∞+∞∣f(x)∣dx<+∞, alors l'intégrale de Fourier converge pour tout k∈R et f est continue et bornée. Le cas L2R Pour les fonctions de carré sommable, la définition s'étend par un procédé de densité (isométrie de Plancherel). Distributions tempeˊreˊes S′(R) Pour les objets ne décroissant pas à l'infini (constantes, polynômes, Dirac), la transformée est définie par dualité. Pour définir la transformée de Fourier par dualité, on utilise un espace de "bonnes" fonctions qu'on appelle l'espace de Schwartz, qui est noté S(R), ou l'espace des fonctions test à décroissance rapide. Une fonction φ appartient à S(R) si : - elle est infiniment dérivable (C∞). - elle-même et toutes ses dérivées décroissent plus vite que n'importe quelle inverse de polynôme à l'infini (elles s'annulent très rapidement). Proprieˊteˊ essentielle : La transformée de Fourier est une bijection de S(R) dans S(R). Si φ est une fonction de Schwartz, sa transformée φ en est une aussi.
Question 1
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Soit x un réel. Soit k un réel. Soit i le nombre complexe tel que i2=−1. On considère la fonction triangle t dont l'image t(x) est définie par : t(x)=⎩⎨⎧1+x1−x0si−1⩽x⩽0si0⩽x<1sinon On désigne par t(k)=TF[t](k) l'expression de la Transformée de Fourier de la fonction triangle t. Déterminer l'expression de t(k)=TF[t](k).
Correction
On a l'expression suivante : t(k)=TF[t](k)=2π1∫−∞+∞t(x)e−ikxdx Ce qui nous donne, par linéarité de l'intégrale : t(k)=TF[t](k)=2π1(∫−10(1+x)e−ikxdx+∫01(1−x)e−ikxdx) A l'aide d'une intégration par parties, on peut écrire, avec k=0, que : ∫−10(1+x)e−ikxdx=[(1+x)−ike−ikx]−10−∫−101×−ike−ikxdx Avec : [(1+x)−ike−ikx]−10=(1+0)−ike−ik0−(1+(−1))−ike−ik(−1)=−ik1=ki Puis, avec e0=1, on a : ∫−101×−ike−ikxdx=ik1∫0−1e−ikxdx=ik1−ik1[e−ikx]0−1=k21(e−ik(−1)−e−ik0)=k21(eik−1) De fait, on obtient : ∫−10(1+x)e−ikxdx=ki−k21(eik−1)=k2ik−k21(eik−1)=k2ik−eik+1 A l'aide d'une autre intégration par parties, on peut écrire, avec k=0, que : ∫01(1−x)e−ikxdx=[(1−x)−ike−ikx]01−∫01−1×−ike−ikxdx Avec : [(1−x)−ike−ikx]01=(1−1)−ike−ik1−(1−0)−ike−ik0=0−−ik1=ik1=−ki Puis, avec e0=1, on a : ∫01−1×−ike−ikxdx=ik1∫01e−ikxdx=ik1−ik1[e−ikx]01=k21(e−ik1−e−ik0)=k21(e−ik−1) De fait, on obtient : ∫01(1−x)e−ikxdx=−ki−k21(e−ik−1)=−k2ik−k21(e−ik−1)=k2−ik−e−ik+1 Ceci nous permet d'obtenir : t(k)=TF[t](k)=2π1(k2ik−eik+1+k2−ik−e−ik+1) Soit : t(k)=TF[t](k)=2π1(k2ik−eik+1−ik−e−ik+1) Soit encore : t(k)=TF[t](k)=2π1(k2−eik−e−ik+2) D'où : t(k)=TF[t](k)=−2π1(k2eik+e−ik−2) Mais, on a : eik+e−ik−2=(e21ik)2+(e−21ik)2−2e0=(e21ik)2−2e21ik−21ik+(e−21ik)2 Ce qui nous donne : eik+e−ik−2=(e21ik)2−2e21ike−21ik+(e−21ik)2 On reconnait une identité remarquable. On a alors : eik+e−ik−2=(e21ik−e−21ik)2=(2i2ie21ik−e−21ik)2=−4(2ie21ik−e−21ik)2=−4sin2(21k) De fait, on obtient : t(k)=TF[t](k)=−2π1⎝⎛k2−4sin2(21k)⎠⎞=2π1⎝⎛k24sin2(2k)⎠⎞=2π1⎝⎛4k2sin2(2k)⎠⎞ Ce qui nous permet d'écrire que : t(k)=TF[t](k)=2π1⎝⎛22k2sin2(2k)⎠⎞=2π1⎝⎛(2k)2sin2(2k)⎠⎞=2π1⎝⎛(2k)sin(2k)⎠⎞2 Si on introduit maintenant la fonction sinus cardinal, et son prolongement par continuité en zéro, comme : sinc:X∈R⟼sinc(X)=Xsin(X)∈Retsinc(0)=1. De fait, on obtient le résultat final suivant : t(k)=TF[t](k)=2π1sinc2(2k)
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