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Exercice 12 - Exercice 1

1 h 30 min
120
Un exercice pour traiter les signaux les plus usuels en traitement du signal.
Question 1
Partie 1 - Signal creˊneau {\color{RoyalBlue}{\textbf{Partie 1 - Signal créneau }}}
Soit AA un nombre réel strictement positif. Soit TT un nombre réel strictement positif. Soit ff une fonction numérique TT-périodique, telle que :
f:{RRtf(t)={Asit]T2;0[+Asit]0;T2[f : \left\lbrace \begin{array}{rcl} \mathbb{R} & \longrightarrow & \mathbb{R} \\ & & \\ t & \longmapsto & f(t) = \left\lbrace \begin{array}{rcl} -A & \mathrm{si} & t \in \left] - \dfrac{T}{2}\,;\, 0 \right[ \\ & & \\ +A & \mathrm{si} & t \in \left] 0 \,;\, \dfrac{T}{2} \right[ \\ \end{array} \right. \end{array} \right.

Représenter graphiquement la fonction ff.

Correction
On a la représentation graphique suivante :

Question 2

Déterminer la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f associée.

Correction
La fonction ff étant impaire, on en déduit que :
nNan=0\forall n \in \mathbb{N} \,\, a_n = 0
Puis :
nNbn=2TT2T2f(t)sin(nωt)dt\forall n \in \mathbb{N}^\star \,\, b_n = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \, \sin(n \omega t) \, dt
Soit :
bn=2T(T20Asin(nωt)dt+0T2Asin(nωt)dt)b_n = \dfrac{2}{T} \left( \int_{-\frac{T}{2}}^{0} -A \, \sin(n \omega t) \, dt + \int_{0}^{\frac{T}{2}} A \, \sin(n \omega t) \, dt\right)
D'où :
bn=2AT(T20sin(nωt)dt+0T2sin(nωt)dt)b_n = \dfrac{2A}{T} \left( -\int_{-\frac{T}{2}}^{0} \, \sin(n \omega t) \, dt + \int_{0}^{\frac{T}{2}} \, \sin(n \omega t) \, dt\right)
Ainsi :
bn=2AT(0T2sin(nωt)dt+0T2sin(nωt)dt)b_n = \dfrac{2A}{T} \left( \int_{0}^{-\frac{T}{2}} \, \sin(n \omega t) \, dt + \int_{0}^{\frac{T}{2}} \, \sin(n \omega t) \, dt\right)
En intégrant :
bn=2AT([cos(nωt)nω]0T2+[cos(nωt)nω]0T2)b_n = \dfrac{2A}{T} \left( \left[ - \dfrac{\cos(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{-\frac{T}{2}} + \left[ - \dfrac{\cos(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{\frac{T}{2}} \right)
D'où :
bn=2AnωT([cos(nωt)]0T2+[cos(nωt)]0T2)b_n = -\dfrac{2A}{n\omega T} \left( \left[ \cos(n \omega t) \right]_{0}^{-\frac{T}{2}} + \left[ \cos(n \omega t) \right]_{0}^{\frac{T}{2}} \right)
On obtient alors :
bn=2AnωT(cos(nωT2)cos(0)+cos(nωT2)cos(0))b_n = -\dfrac{2A}{n\omega T} \left( \cos\left(-n \omega \dfrac{T}{2} \right) - \cos(0) + \cos\left(n \omega \dfrac{T}{2} \right) - \cos(0) \right)
La fonction cosinus étant paire, on en déduit que :
bn=2AnωT(cos(nωT2)cos(0)+cos(nωT2)cos(0))b_n = -\dfrac{2A}{n\omega T} \left( \cos\left(n \omega \dfrac{T}{2} \right) - \cos(0) + \cos\left(n \omega \dfrac{T}{2} \right) - \cos(0) \right)
Ce qui nous permet d'écrire que :
bn=2AnωT(2cos(nωT2)2)b_n = -\dfrac{2A}{n\omega T} \left( 2\cos\left(n \omega \dfrac{T}{2} \right) - 2 \right)
Donc :
bn=4AnωT(1cos(nωT2))b_n = \dfrac{4A}{n\omega T} \left( 1 - \cos\left(n \omega \dfrac{T}{2} \right) \right)
Or, on sait que ωt=2π\omega t = 2 \pi. D'où :
bn=4AnωT(1cos(nπ))b_n = \dfrac{4A}{n\omega T} \left( 1 - \cos\left(n\pi \right) \right)
De plus, on a :
cos(nπ)=(1)n\cos\left(n\pi \right) = (-1)^n
Ainsi :
bn=4AnωT(1(1)n)b_n = \dfrac{4A}{n\omega T} \left( 1 - (-1)^n \right)
On constate que pour tout les nn pairs, on a (1(1)n)=0\left( 1 - (-1)^n \right) = 0. Donc, seul les termes de nn impairs sont non-nuls. Soit pNp \in \mathbb{N}, et on pose n=2p+1n=2p+1. Ce qui nous permet d'écrire que :
b2p+1=4A(2p+1)ωT(1(1)2p+1)=4A(2p+1)ωT(1(1))=4A(2p+1)ωT(1+1)b_{2p+1} = \dfrac{4A}{(2p+1)\omega T} \left( 1 - (-1)^{2p+1} \right) = \dfrac{4A}{(2p+1)\omega T} \left( 1 - (-1) \right) = \dfrac{4A}{(2p+1)\omega T} \left( 1 + 1 \right)
On obtient alors :
b2p+1=8A(2p+1)ωT=8A2(2p+1)πb_{2p+1} = \dfrac{8A}{(2p+1)\omega T} = \dfrac{8A}{2(2p+1)\pi}
Finalement :
b2p+1=4A(2p+1)πb_{2p+1} = \dfrac{4A}{(2p+1)\pi}
Et on trouve alors que :
SFf(t)=4Aπp=0sin((2p+1)ωt)2p+1 {\color{red}{\boxed{ \mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{4A}{\pi} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ \sin \left( (2p+1)\omega t \right)}{2p+1} }}}
Question 3

Justifier que la série la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f converge bien vers ff.$

Correction
La fonction ff satisfait aux conditions de Dirichlet{\color{red}{\fbox{satisfait aux conditions de \textit{Dirichlet}}}}. Donc la série SFf\mathcal{SF}_f converge vers ff.
Question 4

Déterminer la valeur de la série numérique S1S_1 suivante :
S1=p=0(1)p(2p+1)2S_1 = \sum_{p=0}^{\infty}\dfrac{(-1)^p}{(2p+1)^2}

Correction
Plaçons nous à l'instant particulier t=T4t = \dfrac{T}{4}. On a alors :
f(t=T4)=SFf(t=T4)f\left( t = \dfrac{T}{4} \right) = \mathcal{SF}_f\left( t = \dfrac{T}{4} \right)
Ce qui nous donne :
A=4Aπp=0sin((2p+1)ωT4)2p+1A = \dfrac{4A}{\pi} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ \sin \left( (2p+1)\omega \dfrac{T}{4} \right)}{2p+1}
Soit :
1=4πp=0sin((2p+1)2π4)2p+11 = \dfrac{4}{\pi} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ \sin \left( (2p+1) \dfrac{2\pi}{4} \right)}{2p+1}
Soit encore :
π4=p=0sin((2p+1)π2)2p+1\dfrac{\pi}{4} = \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ \sin \left( (2p+1) \dfrac{\pi}{2} \right)}{2p+1}
Or, on a sin((2p+1)π2)=(1)p\sin \left( (2p+1) \dfrac{\pi}{2} \right) = (-1)^p. Donc, on en déduit que :
π4=p=0(1)p2p+1\dfrac{\pi}{4} = \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ (-1)^p}{2p+1}
Finalement, la valeur de la série numérique S1S_1 est la suivante :
S1=p=0(1)p2p+1=π4{\color{red}{\boxed{ S_1 = \sum_{p=0}^{\infty}\dfrac{(-1)^p}{2p+1} = \dfrac{\pi}{4} }}}
Question 5
Partie 2 - Signal triangulaire {\color{RoyalBlue}{\textbf{Partie 2 - Signal triangulaire }}}
Soit AA un nombre réel strictement positif. Soit TT un nombre réel strictement positif. Soit ff une fonction numérique TT-périodique, telle que :
f:{RRtf(t)={A(1+4tT)sit]T2;0[A(14tT)sit]0;T2[f : \left\lbrace \begin{array}{rcl} \mathbb{R} & \longrightarrow & \mathbb{R} \\ & & \\ t & \longmapsto & f(t) = \left\lbrace \begin{array}{rcl} A\left( 1+4\dfrac{t}{T} \right) & \mathrm{si} & t \in \left] - \dfrac{T}{2}\,;\, 0 \right[ \\ & & \\ A\left( 1-4\dfrac{t}{T} \right) & \mathrm{si} & t \in \left] 0 \,;\, \dfrac{T}{2} \right[ \\ \end{array} \right. \end{array} \right.

Représenter graphiquement la fonction ff.

Correction
On a la représentation graphique suivante :

Question 6

Déterminer la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f associée.

Correction
La fonction ff étant paire, on en déduit que :
nNbn=0\forall n \in \mathbb{N}^\star \,\, b_n = 0
Puis, on a :
a0=2TT2T2f(t)dta_0 = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \, dt
Comme ff est paire, on en déduit que :
a0=4T0T2f(t)dta_0 = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} f(t) \, dt
Soit :
a0=4T0T2A(14tT)dt=4AT0T2(14tT)dta_0 = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} A\left( 1-4\dfrac{t}{T} \right) \, dt = \dfrac{4A}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} \left( 1-4\dfrac{t}{T} \right) \, dt
Donc :
a0=4AT[t4t22T]0T2=4AT[t2t2T]0T2a_0 = \dfrac{4A}{T} \left[ t - 4\dfrac{t^2}{2T} \right]_{0}^{\frac{T}{2}} = \dfrac{4A}{T} \left[ t - 2\dfrac{t^2}{T} \right]_{0}^{\frac{T}{2}}
On a alors :
a0=4AT(T22T24T)=4AT(T2T2)a_0 = \dfrac{4A}{T} \left( \frac{T}{2} - 2\dfrac{T^2}{4T} \right) = \dfrac{4A}{T} \left( \frac{T}{2} - \dfrac{T}{2} \right)
Ainsi, on trouve que :
a0=0a_0 = 0
Puis, pour nNn \in \mathbb{N}^\star, on a :
an=2TT2T2f(t)cos(nωt)dta_n = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \cos(n \omega t) \, dt
Puis, comme ff est paire, ainsi que la fonction cosinus, on en déduit que :
an=4T0T2f(t)cos(nωt)dt=4T0T2A(14tT)cos(nωt)dta_n = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} f(t) \cos(n \omega t) \, dt = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} A\left( 1-4\dfrac{t}{T} \right) \cos(n \omega t) \, dt
Donc :
an=4AT(0T2cos(nωt)dt4T0T2tcos(nωt)dt)a_n = \dfrac{4A}{T} \left( \int_{0}^{\frac{T}{2}} \cos(n \omega t) \, dt - \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} t \cos(n \omega t) \, dt \right)
Ainsi :
an=4AT([sin(nωt)nω]0T24T([tsin(nωt)nω]0T20T21×sin(nωt)nωdt))a_n = \dfrac{4A}{T} \left( \left[ \dfrac{\sin(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{\frac{T}{2}} - \dfrac{4}{T} \left( \left[ \dfrac{t\sin(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{\frac{T}{2}} - \int_{0}^{\frac{T}{2}} 1 \times \dfrac{\sin(n \omega t)}{n \omega} \, dt \right) \right)
Avec :
[sin(nωt)nω]0T2=sin(nωT2)sin(0)nω=sin(nπ)0nω=00nω=0\left[ \dfrac{\sin(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{\frac{T}{2}} = \dfrac{\sin\left(n \omega \dfrac{T}{2}\right) - \sin(0)}{n \omega} = \dfrac{\sin\left(n\pi\right) - 0}{n \omega} = \dfrac{0 - 0}{n \omega} = 0
Et :
[tsin(nωt)nω]0T2=T2sin(nωT2)nω0=Tsin(nπ)2nω=0\left[ \dfrac{t\sin(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{\frac{T}{2}} = \dfrac{\dfrac{T}{2}\sin\left(n \omega \dfrac{T}{2}\right)}{n \omega} - 0 = \dfrac{T\sin\left(n \pi\right)}{2n \omega} = 0
Puis :
0T2sin(nωt)nωdt=1nω0T2sin(nωt)dt=1nω[cos(nωt)nω]0T2\int_{0}^{\frac{T}{2}} \dfrac{\sin(n \omega t)}{n \omega} \, dt = \dfrac{1}{n \omega} \int_{0}^{\frac{T}{2}} \sin(n \omega t) \, dt = \dfrac{1}{n \omega} \left[ \dfrac{-\cos(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{\frac{T}{2}}
Donc :
0T2sin(nωt)nωdt=1n2ω2[cos(nωt)]T20=1n2ω2(1cos(nπ))=1n2ω2(1(1)n)\int_{0}^{\frac{T}{2}} \dfrac{\sin(n \omega t)}{n \omega} \, dt = \dfrac{1}{n^2 \omega^2} \left[ \cos(n \omega t) \right]_{\frac{T}{2}}^{0} = \dfrac{1}{n^2 \omega^2} \left( 1-\cos(n \pi) \right) = \dfrac{1}{n^2 \omega^2} \left( 1 - (-1)^n \right)
On peut donc alors écrire que :
an=4AT(04T(01n2ω2(1(1)n)))=16An2ω2T2(1(1)n)a_n = \dfrac{4A}{T} \left( 0 - \dfrac{4}{T} \left( 0 - \dfrac{1}{n^2 \omega^2} \left( 1 - (-1)^n \right) \right) \right) = \dfrac{16A}{n^2 \omega^2 T^2} \left( 1 - (-1)^n \right)
Or, ω2T2=4π2\omega^2 T^2 = 4\pi^2. Donc :
an=4An2π2(1(1)n)a_n = \dfrac{4A}{n^2 \pi^2} \left( 1 - (-1)^n \right)
On constate que si nn est pair alors an=0a_n = 0. Ainsi, posons n=2p+1n = 2p+1, avec pNp\in \mathbb{N}. On en déduit alors que :
a2p+1=4A(2p+1)2π2(1(1)(2p+1))=4A(2p+1)2π2×2a_{2p+1} = \dfrac{4A}{(2p+1)^2 \pi^2} \left( 1 - (-1)^(2p+1) \right) =\dfrac{4A}{(2p+1)^2 \pi^2} \times 2
Ce qui nous donne :
a2p+1=8A(2p+1)2π2a_{2p+1} = \dfrac{8A}{(2p+1)^2 \pi^2}
Et on trouve alors que :
SFf(t)=8Aπ2p=0cos((2p+1)ωt)(2p+1)2{\color{red}{\boxed{ \mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{8A}{\pi^2} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ \cos \left( (2p+1)\omega t \right)}{(2p+1)^2} }}}
Question 7

Justifier que la série la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f converge bien vers ff.

Correction
La fonction ff satisfait aux conditions de Dirichlet{\color{red}{\fbox{satisfait aux conditions de \textit{Dirichlet}}}}. Donc la série SFf\mathcal{SF}_f converge vers ff.
Question 8

Déterminer la valeur de la série numérique S2S_2 suivante :
S2=p=01(2p+1)2S_2 = \sum_{p=0}^{\infty}\dfrac{1}{(2p+1)^2}

Correction
Plaçons nous dans le cas ou t=0t=0. Dans ce cas, la Série de Fourier est égale à :
SFf(t=0)=f(0)+f(0+)2=A+A2=2A2=A\mathcal{SF}_f(t=0) = \dfrac{f(0^-) + f(0^+)}{2} = \dfrac{A + A}{2} = \dfrac{2A}{2} = A
Donc :
A=8Aπ2p=0cos((2p+1)ω0)(2p+1)2A = \dfrac{8A}{\pi^2} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ \cos \left( (2p+1)\omega 0 \right)}{(2p+1)^2}
Soit :
A=8Aπ2p=0cos(0)(2p+1)2A = \dfrac{8A}{\pi^2} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{ \cos(0)}{(2p+1)^2}
Comme cos(0)=1\cos(0) = 1, on en déduit que :
A=8Aπ2p=01(2p+1)2A = \dfrac{8A}{\pi^2} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{1}{(2p+1)^2}
En simplifiant par A0A \neq 0, on obtient :
1=8π2p=01(2p+1)21 = \dfrac{8}{\pi^2} \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{1}{(2p+1)^2}
Finalement, on en déduit que :
S2=p=01(2p+1)2=π28{\color{red}{\boxed{ S_2 = \sum_{p=0}^{\infty}\dfrac{1}{(2p+1)^2} = \dfrac{\pi^2}{8} }}}
Question 9
Partie 3 - Signal impulsion {\color{RoyalBlue}{\textbf{Partie 3 - Signal impulsion }}}
Soit τ\tau un nombre réel strictement positif, appelée largeur impulsionnelle.
Soit AA un nombre réel strictement positif. Soit TT un nombre réel strictement positif. On suppose que τ<T\tau < T. Soit ff une fonction numérique TT-périodique, telle que :
f:{RRtf(t)={Asit]τ2;τ2[0sit]T2;τ2[]τ2;T2[f : \left\lbrace \begin{array}{rcl} \mathbb{R} & \longrightarrow & \mathbb{R} \\ & & \\ t & \longmapsto & f(t) = \left\lbrace \begin{array}{rcl} A & \mathrm{si} & t \in \left] - \dfrac{\tau}{2} \,;\, \dfrac{\tau}{2} \right[ \\ & & \\ 0 & \mathrm{si} & t \in \left] - \dfrac{T}{2} \,;\, - \dfrac{\tau}{2} \right[ \cup \left] \dfrac{\tau}{2} \,;\, \dfrac{T}{2} \right[ \\ \end{array} \right. \end{array} \right.

Représenter graphiquement la fonction ff.

Correction
On a la représentation graphique suivante :
Question 10

Déterminer la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f associée.

Correction
La fonction ff étant paire, on en déduit que :
nNbn=0\forall n \in \mathbb{N}^\star \,\, b_n = 0
Puis, on a :
a0=2TT2T2f(t)dta_0 = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \, dt
Comme ff est paire, on en déduit que :
a0=4T0T2f(t)dta_0 = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} f(t) \, dt
Soit :
a0=4T0τ2Adt=4AT0τ21dt=<br/>4ATτ2a_0 = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{\tau}{2}} A \, dt = \dfrac{4A}{T} \int_{0}^{\frac{\tau}{2}} 1 \, dt =<br />\dfrac{4A}{T}\dfrac{\tau}{2}
Donc :
a0=2AτTa02=AτTa_0 = \dfrac{2A\tau}{T} \,\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\,\, \dfrac{a_0}{2} = \dfrac{A\tau}{T}
Puis, pour nNn \in \mathbb{N}^\star, on a :
an=2TT2T2f(t)cos(nωt)dta_n = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \cos(n \omega t) \, dt
Puis, comme ff est paire, ainsi que la fonction cosinus, on en déduit que :
an=4T0T2f(t)cos(nωt)dt=4T0τ2Acos(nωt)dt=4AT0τ2cos(nωt)dta_n = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{T}{2}} f(t) \cos(n \omega t) \, dt = \dfrac{4}{T} \int_{0}^{\frac{\tau}{2}} A \cos(n \omega t) \, dt = \dfrac{4A}{T} \int_{0}^{\frac{\tau}{2}} \cos(n \omega t) \, dt
Donc :
an=4AT[sin(nωt)nω]0τ2=<br/>4AT(sin(nωτ2)nωsin(nω0)nω)a_n = \dfrac{4A}{T} \left[ \dfrac{\sin(n \omega t)}{n \omega} \right]_{0}^{\frac{\tau}{2}} =<br />\dfrac{4A}{T} \left( \dfrac{\sin\left(n \omega \dfrac{\tau}{2} \right)}{n \omega} - \dfrac{\sin(n \omega 0)}{n \omega} \right)
Ainsi :
an=4AT(sin(nωτ2)nω0nω)a_n = \dfrac{4A}{T} \left( \dfrac{\sin\left(\dfrac{n \omega \tau}{2} \right)}{n \omega - 0}{n \omega} \right)
Cependant, on a ωT=2π\omega T = 2\pi, ce qui nous permet d'avoir ω=2πT\omega = \dfrac{2\pi}{T}. Donc, on obtient :
an=4ATsin(n2πτ2T)n2πT=4ATsin(nπτT)n2πT=2AτTsin(nπτT)nπτTa_n = \dfrac{4A}{T} \dfrac{\sin\left(\dfrac{n 2\pi \tau}{2T} \right)}{n \dfrac{2\pi}{T}} = \dfrac{4A}{T} \dfrac{\sin\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right)}{n \dfrac{2\pi}{T}} = \dfrac{2A\tau}{T} \dfrac{\sin\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right)}{\dfrac{n \pi \tau}{T}}
Soit encore :
an=2AτTsinc(nπτT)a_n = \dfrac{2A\tau}{T} \mathrm{sinc}\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right)
Ce qui nous permet d'écrire que :
SFf(t)=AτT+n=02AτTsinc(nπτT)cos(nωt)\mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{A\tau}{T} + \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{2A\tau}{T} \mathrm{sinc}\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right) \cos(n \omega t)
Soit :
SFf(t)=AτT+2AτTn=0sinc(nπτT)cos(nωt)\mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{A\tau}{T} + \dfrac{2A\tau}{T} \sum_{n=0}^{\infty} \mathrm{sinc}\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right) \cos(n \omega t)
Finalement :
SFf(t)=AτT(1+2n=1sinc(nπτT)cos(nωt)){\color{red}{\boxed{ \mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{A\tau}{T} \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{\infty} \mathrm{sinc}\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right) \cos(n \omega t) \right) }}}
Question 11

Justifier que la série la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f converge bien vers ff.

Correction
La fonction ff satisfait aux conditions de Dirichlet{\color{red}{\fbox{satisfait aux conditions de \textit{Dirichlet}}}}. Donc la série SFf\mathcal{SF}_f converge vers ff.
Question 12

Étudier la situation lors que la largeur impulsionnelle τ\tau tend vers 00.

Correction
On a :
SFf(t)=AτT(1+2n=1sinc(nπτT)cos(nωt))\mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{A\tau}{T} \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{\infty} \mathrm{sinc}\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right) \cos(n \omega t) \right)
Soit encore :
f(t)=AτT(1+2n=1sinc(nπτT)cos(nωt))f(t) = \dfrac{A\tau}{T} \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{\infty} \mathrm{sinc}\left(\dfrac{n \pi \tau}{T} \right) \cos(n \omega t) \right)
Or, on sait que :
limX0sinc(X)=1\lim_{X \longrightarrow 0} \mathrm{sinc} (X) = 1
Donc, si on pose X=nπτTX = \dfrac{n \pi \tau}{T}, on constate que lorsque τ0\tau \longrightarrow 0 alors X0X \longrightarrow 0. De fait :
limτ0f(t)=limτ0(AτT(1+2n=11cos(nωt)))\lim_{\tau \longrightarrow 0} f(t) = \lim_{\tau \longrightarrow 0} \left( \dfrac{A\tau}{T} \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{\infty} 1 \cos(n \omega t) \right) \right)
Soit :
limτ0f(t)=ATlimτ0(τ(1+2n=1cos(nωt)))\lim_{\tau \longrightarrow 0} f(t) = \dfrac{A}{T}\lim_{\tau \longrightarrow 0} \left( \tau \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{\infty} \cos(n \omega t) \right) \right)
Soit encore :
limτ0f(t)=ATlimτ0(τ+2τn=1cos(nωt))\lim_{\tau \longrightarrow 0} f(t) = \dfrac{A}{T}\lim_{\tau \longrightarrow 0} \left( \tau + 2 \tau \sum_{n=1}^{\infty} \cos(n \omega t) \right)
Donc :
limτ0f(t)=2ATn=1cos(nωt)limτ0τ\lim_{\tau \longrightarrow 0} f(t) = \dfrac{2A}{T} \sum_{n=1}^{\infty} \cos(n \omega t) \lim_{\tau \longrightarrow 0} \tau
La subtilité est dans la somme n=1cos(nωt)\displaystyle{\sum_{n=1}^{\infty}} \cos(n \omega t). En effet, lorsque t=Tt=T, cette somme diverge. Afin d'expliquer cela, posons NNN \in \mathbb{N}, et on a :
n=1Ncos(nωT)=n=1Ncos(n2π)=n=1N1=N\sum_{n=1}^{N} \cos(n \omega T ) = \sum_{n=1}^N \cos(n 2\pi) = \sum_{n=1}^{N} 1 = N
Donc à t=Tt=T, on a :
limτ0f(T)=2ATlimτ0τ×limN+N\lim_{\tau \longrightarrow 0} f(T) = \dfrac{2A}{T} \lim_{\tau \longrightarrow 0} \tau \times \lim_{N \longrightarrow +\infty} N
Le terme limτ0τ×limN+N\displaystyle{\lim_{\tau \longrightarrow 0}} \tau \times \displaystyle{\lim_{N \longrightarrow +\infty}} N peut donner un nombre fini non nul lorsque t=nTt=nT. Lorsque tnTt \neq nT, la fonction est oscillante mais de très faible amplitude. A titre d'exemple, avec A=4A=4, T=2T=2, τ=0,01\tau = 0,01 et N=100N=100, on obtient graphiquement :

Afin d'obtenir des calculs précis et une démarche rigoureuse, il faut se placer dans le cadre plus général des distibutions (ou fonctions généralisées), introduites par Laurent Schwarz un peu avant 1950. En effet, lorsque τ0\tau \longrightarrow 0, la fonction ff tend vers un peigne de Dirac. Celui-ci se traite rigoureusement dans le cadre des distributions.
Finalement, on peut simplement dire, à ce stade, que :
limτ0f(t)=?{\color{red}{\boxed{ \lim_{\tau \longrightarrow 0} f(t) = \,\, ? }}}
\looparrowright \,\, Remarque :\textbf{Remarque :}
Sur le site d'une encyclopédie en ligne célèbre, on peut y lire :

Question 13
Partie 4 - Signal en dents de scie {\color{RoyalBlue}{\textbf{Partie 4 - Signal en dents de scie }}}
Soit AA un nombre réel strictement positif. Soit TT un nombre réel strictement positif. Soit ff une fonction numérique TT-périodique, telle que sur l'intervalle ]0;T[]0\,;\,T[ :
f:tf(t)=ATtf : t \longmapsto f(t) = \dfrac{A}{T} t

Représenter graphiquement la fonction ff.

Correction
On a la représentation graphique suivante :

Question 14

Quelle est la parité de ff ?

Correction
La fonction ff est ni impaire ni impaire{\color{red}{\fbox{ni impaire ni impaire}}}.
Question 15

Déterminer la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f associée.

Correction
On a :
a0=2TT2T2f(t)dt=2T0Tf(t)dta_0 = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \, dt = \dfrac{2}{T} \int_0^T f(t) \, dt
Soit :
a0=2T0TATtdt=AT2T0Ttdt=2AT2[t22]0T=2AT2T22a_0 = \dfrac{2}{T} \int_0^T \dfrac{A}{T} t \, dt = \dfrac{A}{T} \dfrac{2}{T} \int_0^T t \, dt = \dfrac{2A} {T^2} \left[ \dfrac{t^2}{2} \right]_0^T = \dfrac{2A}{T^2} \dfrac{T^2}{2}
D'où :
a0=Aa02=A2a_0 = A \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{a_0}{2} = \dfrac{A}{2}
Puis, avec nNn \in \mathbb{N}^\star, on a :
an=2TT2T2f(t)cos(nωt)dt=2T0Tf(t)cos(nωt)dta_n = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \cos(n \omega t) \, dt = \dfrac{2}{T} \int_0^T f(t) \cos(n \omega t) \, dt
Ce qui nous donne :
an=2T0TATtcos(nωt)dt=2AT20Ttcos(nωt)dta_n = \dfrac{2}{T} \int_0^T \dfrac{A}{T} t \cos(n \omega t) \, dt = \dfrac{2A}{T^2} \int_0^T t \cos(n \omega t) \, dt
A l'aide d'une intégration par parties, on trouve que :
an=2AT2([tsin(nωt)nω]0T1nω0Tsin(nωt)dt)a_n = \dfrac{2A}{T^2} \left( \left[ \dfrac{t \sin(n \omega t) }{n \omega} \right]_0^T - \dfrac{1}{n \omega}\int_0^T \sin(n \omega t) \, dt\right)
Soit :
an=2AT2([tsin(nωt)nω]0T1nω[cos(nωt)nω]0T)a_n = \dfrac{2A}{T^2} \left( \left[ \dfrac{t \sin(n \omega t) }{n \omega} \right]_0^T - \dfrac{1}{n \omega} \left[ -\dfrac{\cos(n \omega t) }{n \omega} \right]_0^T \right)
Soit encore :
an=2AT2(1nω[tsin(nωt)]0T+1n2ω2[cos(nωt)]0T)a_n = \dfrac{2A}{T^2} \left( \dfrac{1}{n \omega} \left[ t \sin(n \omega t) \right]_0^T + \dfrac{1}{n^2 \omega^2} \left[ \cos(n \omega t) \right]_0^T \right)
Avec :
[tsin(nωt)]0T=Tsin(nωT)0sin(0)=Tsin(n2π)0=T×00=0\left[ t \sin(n \omega t) \right]_0^T = T \sin(n \omega T) - 0 \sin(0) = T \sin(n 2\pi) - 0 = T\times 0 - 0 = 0
Et :
[cos(nωt)]0T=cos(nωT)cos(nω0)=cos(n2π)cos(0)=11=0\left[ \cos(n \omega t) \right]_0^T = \cos(n \omega T) - \cos(n \omega 0) = \cos(n 2 \pi) - \cos(0) = 1 - 1 = 0
Ainsi, pour nNn \in \mathbb{N}^\star, on a :
an=0a_n = 0
Ensuite, nN\forall n \in \mathbb{N}, on a :
bn=2TT2T2f(t)sin(nωt)dt=2T0Tf(t)sin(nωt)dtb_n = \dfrac{2}{T} \int_{-\frac{T}{2}}^{\frac{T}{2}} f(t) \sin(n \omega t) \, dt = \dfrac{2}{T} \int_0^T f(t) \sin(n \omega t) \, dt
Soit :
bn=2T0TATtsin(nωt)dt=2AT20Ttsin(nωt)dtb_n = \dfrac{2}{T} \int_0^T \dfrac{A}{T} t \sin(n \omega t) \, dt = \dfrac{2A}{T^2} \int_0^T t \sin(n \omega t) \, dt
A l'aide d'une intégration par parties, on trouve que :
bn=2AT2([tcos(nωt)nω]0T+1nω0Tcos(nωt)dt)b_n = \dfrac{2A}{T^2} \left( \left[ -\dfrac{t \cos(n \omega t) }{n \omega} \right]_0^T + \dfrac{1}{n \omega}\int_0^T \cos(n \omega t) \, dt\right)
Ce qui nous permet d'écrire que :
bn=2AT2([tcos(nωt)nω]T0+1nω[sin(nωt)nω]0T)b_n = \dfrac{2A}{T^2} \left( \left[ \dfrac{t \cos(n \omega t) }{n \omega} \right]_T^0 + \dfrac{1}{n \omega} \left[ \dfrac{\sin(n \omega t) }{n \omega} \right]_0^T \right)
Soit encore :
bn=2AT2(1nω[tcos(nωt)]T0+1n2ω2[sin(nωt)]0T)b_n = \dfrac{2A}{T^2} \left( \dfrac{1}{n \omega} \left[ t \cos(n \omega t) \right]_T^0 + \dfrac{1}{n^2 \omega^2} \left[ \sin(n \omega t) \right]_0^T \right)
Avec :
[tcos(nωt)]T0=0cos(0)Tcos(nωT)=0Tcos(n2π)=0T×1=T\left[ t \cos(n \omega t) \right]_T^0 = 0 \cos(0) - T \cos(n \omega T) = 0 - T \cos(n 2\pi) = 0 - T\times 1 = - T
Et :
[sin(nωt)]0T=sin(nωT)sin(0)=sin(n2π)0=00=0\left[ \sin(n \omega t) \right]_0^T = \sin(n \omega T) - \sin(0) = \sin(n 2\pi) - 0 = 0 - 0 = 0
Ce qui nous permet d'écrire que :
bn=2AT2(1nω×(T)+1n2ω2×0)=2AT2(Tnω+0)b_n = \dfrac{2A}{T^2} \left( \dfrac{1}{n \omega} \times (-T) + \dfrac{1}{n^2 \omega^2} \times 0 \right) = \dfrac{2A}{T^2} \left( - \dfrac{T}{n \omega} + 0 \right)
Donc :
bn=2ATnω=2AnωT=2An2π=Anπb_n = \dfrac{2A}{Tn \omega} = \dfrac{2A}{n \omega T} = \dfrac{2A}{n 2 \pi} = \dfrac{A}{n \pi}
Ainsi, on a :
SFf(t)=A2+n=1(0cos(nωt+Anπsin(nωt))\mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{A}{2}+ \sum_{n=1}^\infty \left( 0 \cos(n \omega t + \dfrac{A}{n\pi} \sin(n \omega t)\right)
Finalement, on aboutit à :
SFf(t)=A(12+1πn=11nsin(nωt)){\color{red}{\boxed{ \mathcal{SF}_f(t) = A \left( \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{\pi} \sum_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n}\sin(n \omega t) \right) }}}
Question 16

Justifier que la série la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f converge bien vers ff, et préciser la valeur de SFf(0)\mathcal{SF}_f(0).

Correction
La fonction ff satisfait aux conditions de Dirichlet{\color{red}{\fbox{satisfait aux conditions de \textit{Dirichlet}}}}. Donc la série SFf\mathcal{SF}_f converge vers ff. La valeur de SFf(0)\mathcal{SF}_f(0) est donnée par la régularisée en ce point. La régularisée f(0)f^\star(0) vaut :
f(0)=f(0)+f(0+)2=A+02=A2f^\star(0) = \dfrac{f(0^-) + f(0^+)}{2} = \dfrac{A + 0}{2} = \dfrac{A}{2}
Finalement :
SFf(0)=f(0)=A2{\color{red}{\boxed{ \mathcal{SF}_f(0) = f^\star(0) = \dfrac{A}{2} }}}
Question 17
Partie 5 - Signal sinusoı¨dal redresseˊ {\color{RoyalBlue}{\textbf{Partie 5 - Signal sinusoïdal redressé }}}
Soit AA un nombre réel strictement positif. Soit ω\omega une constante réelle strictement positive. Soit TT un nombre réel strictement positif. Soit ff une fonction numérique TT-périodique, telle que sur l'intervalle [0;T][0\,;\,T] :
f:tf(t)=Asin(ωt)f : t \longmapsto f(t) = A \, \left| \, \sin(\omega t) \, \right|

Représenter graphiquement la fonction ff dans le cas particulier ou ω=1\omega = 1 et A=1A=1.

Correction
On se place dans le cas particulier ou ω=1\omega = 1, et A=1A=1, la fonction ff a pour image f(t)=sin(t)f(t) = |\,\sin(t)\,|.
On constate que la présence de la valeur absolue modifie la parité. En effet, la fonction sinus est impaire. Cependant la fonction sin|\,\sin\,| est paire.
De plus, on constate que la présence de la valeur absolue modifie la périodicité {\color{blue}{de moitié}}. En effet, f(t)f(t) présente un redressement positif de toutes les parties négatives du graphe associé à sin(ωt)\sin (\omega t).
Donc, la période de l'expression sin(ωt)\sin(\omega t) est 2πω\dfrac{2\pi}{\omega} et on en déduit que la période du terme sin(ωt)|\, \sin (\omega t)\,| est donnée par :
T=πω{\color{red}{ T = \dfrac{\pi}{\omega} }}
Graphiquement, cela nous donne :

Question 18

Quelle est la parité de ff ?

Correction
La fonction ff est paire{\color{red}{\fbox{paire}}}.
Question 19

Quelle est la période de ff ?

Correction
La fonction ff est de période :
T=πω{\color{red}{\boxed{ T = \dfrac{\pi}{\omega} }}}
Question 20

Déterminer la série de Fourier\textit{Fourier} SFf\mathcal{SF}_f associée.

Correction
L'expression f(t)=Asin(ωt)f(t) = A \, |\, \sin (\omega t)\,| est paire, donc les coefficients réels bnb_n sont tous nuls, quelque soit la valeur de nNn\in \mathbb{N}^*.
Le coefficient a0a_0 est quant à lui donné par :
a0=1π2ω0πωAsin(ωt)dt=2ωAπ0πωsin(ωt)dt=2ωAπ[cos(ωt)ω]0πωa_0 = \dfrac{1}{\dfrac{\pi}{2\omega}} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} A \, |\, \sin (\omega t)\,| dt = \dfrac{2\omega A}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \sin (\omega t) dt = \dfrac{2\omega A}{\pi} \left[ - \dfrac{ \cos (\omega t)}{\omega} \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}}
Soit :
a0=2Aπ[cos(ωt)]0πω=2Aπ(cos(ωπω)1)=2Aπ(cos(π)1)=2Aπ(11)a_0 = - \dfrac{2A}{\pi} \left[ \cos (\omega t) \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}} = - \dfrac{2A}{\pi} \left( \cos\left(\omega \frac{\pi}{\omega}\right) - 1 \right) = - \dfrac{2A}{\pi} \left( \cos(\pi) - 1 \right) = - \dfrac{2A}{\pi} \left( -1 - 1 \right)
D'où :
a0=4Aπa_0 = \dfrac{4A}{\pi}
Enfin, les coefficients réels ana_n se déterminent par l'intégrale suivante :
an=1π2ω0πωAsin(ωt)cos(nπtπ2ω)dt=2ωAπ0πωsin(ωt)cos(2nωt)dta_n = \dfrac{1}{\dfrac{\pi}{2\omega}} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} A \,|\, \sin (\omega t)\,| \cos \left( \dfrac{n \pi t}{\dfrac{\pi}{2\omega}}\right) dt =\dfrac{2\omega A}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \sin (\omega t) \cos(2n\omega t)dt
Or, on sait que :
(a;b)R2,sin(a)cos(b)=12(sin(a+b)+sin(ab))\forall (a\,;\,b) \in \mathbb{R}^2, \,\,\, \sin(a) \cos(b) = \dfrac{1}{2} \left( \sin(a+b) + \sin(a-b) \right)
Ainsi, on en déduit que :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin(ωt+2nωt)+sin(ωt2nωt)2 \sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin (\omega t + 2n\omega t) + \sin (\omega t - 2n\omega t)
Soit :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)+sin((12n)ωt)2 \sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin ((2n+1) \omega t) + \sin ((1-2n) \omega t)
Soit encore :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)+sin((2n1)ωt)2 \sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin ((2n+1) \omega t) + \sin (-(2n-1) \omega t)
La fonction sinus étant impaire, on en déduit alors que :
2sin(ωt)cos(2nωt)=sin((2n+1)ωt)sin((2n1)ωt)2\sin (\omega t) \cos(2n\omega t) = \sin ((2n+1) \omega t) - \sin ((2n-1) \omega t)
Ainsi, on peut écrire que :
an=ωAπ0πω(sin((2n+1)ωt)sin((2n1)ωt))dta_n = \dfrac{\omega A}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{\omega}} \left( \sin \left( (2n+1) \omega t \right) - \sin \left( (2n-1) \omega t \right) \right) dt
Soit en intégrant :
an=ωAπ[cos((2n+1)ωt)(2n+1)ω+cos((2n1)ωt)(2n1)ω]0πωa_n = \dfrac{\omega A}{\pi} \left[ -\dfrac{\cos \left( (2n+1) \omega t \right)}{(2n+1) \omega} + \dfrac{\cos \left( (2n-1) \omega t \right)}{(2n-1) \omega} \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}}
Ce qui nous donne encore :
an=Aπ[cos((2n+1)ωt)2n+1cos((2n1)ωt)2n1]0πωa_n = -\dfrac{A}{\pi} \left[ \dfrac{\cos \left( (2n+1) \omega t \right)}{2n+1} - \dfrac{\cos \left( (2n-1) \omega t \right)}{2n-1} \right]_0^{\frac{\pi}{\omega}}
D'où :
an=Aπ[cos((2n+1)π)12n+1cos((2n1)π)12n1]a_n = -\dfrac{A}{\pi} \left[ \dfrac{\cos \left( (2n+1) \pi \right) - 1 }{2n+1} - \dfrac{\cos \left( (2n-1)\pi \right) -1}{2n-1} \right]
Soit encore :
an=Aπ[112n+1112n1]=Aπ[22n+122n1]=2Aπ[12n+112n1]a_n = -\dfrac{A}{\pi} \left[ \dfrac{-1 - 1 }{2n+1} - \dfrac{-1 -1}{2n-1} \right] = -\dfrac{A}{\pi} \left[ \dfrac{-2 }{2n+1} - \dfrac{-2}{2n-1} \right] = \dfrac{2A}{\pi} \left[ \dfrac{1}{2n+1} - \dfrac{1}{2n-1} \right]
On obtient alors :
an=2Aπ[2n1(2n+1)4n21]=2Aπ24n21a_n = \dfrac{2A}{\pi} \left[ \dfrac{2n-1 - (2n+1)}{4n^2-1}\right] = \dfrac{2A}{\pi} \dfrac{-2}{4n^2-1}
Ce qui nous donne au final :
an=4Aπ14n21a_n = -\dfrac{4A}{\pi} \dfrac{1}{4n^2-1}
La série de Fourier\textit{Fourier} SFf(t)\mathcal{SF}_f(t) vas donc s'écrire comme :
SFf(t)=2Aπ+n=1+4Aπ14n21cos(2nωt)\mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{2A}{\pi} + \sum_{n=1}^{+\infty} -\dfrac{4A}{\pi} \dfrac{1}{4n^2-1} \cos(2n\omega t)
Finalement :
SFf(t)=2Aπ(12n=1+14n21cos(2nωt)){\color{red}{\boxed{ \mathcal{SF}_f(t) = \dfrac{2A}{\pi} \left( 1 - 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{4n^2-1} \cos(2n\omega t) \right) }}}
Question 21

En déduire la valeur numérique de la série suivante :
S5=p=1(1)p+14p21S_5 = \sum_{p=1}^{\infty} \dfrac{(-1)^{p+1}}{4p^2-1}

Correction
La fonction ff satisfait aux conditions de Dirichlet\textit{Dirichlet}, et de fait SFf(t)f(t)\mathcal{SF}_f(t) \longrightarrow f(t).
Plaçons nous à l'instant t=T2t = \dfrac{T}{2}. Dans ce cas, on a :
f(t=T2)=Asin(ωT2)=Asin(ωT2)=Asin(π2)=A×1=Af\left(t = \dfrac{T}{2} \right) = A \, \left|\, \sin \left(\omega \dfrac{T}{2} \right)\, \right| = A \, \left|\, \sin \left(\dfrac{\omega T}{2} \right)\, \right| = A \, \left|\, \sin \left(\dfrac{\pi}{2} \right)\,\right| = A \times 1 = A
Donc :
SFf(t=T2)=2Aπ(12n=1+14n21cos(2nωT2))\mathcal{SF}_f \left(t = \dfrac{T}{2} \right) = \dfrac{2A}{\pi} \left( 1 - 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{4n^2-1} \cos \left(2n\omega \dfrac{T}{2} \right) \right)
Soit :
SFf(t=T2)=2Aπ(12n=1+14n21cos(nωT))\mathcal{SF}_f \left(t = \dfrac{T}{2} \right) = \dfrac{2A}{\pi} \left( 1 - 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{4n^2-1} \cos \left(n\omega T \right) \right)
Soit encore :
SFf(t=T2)=2Aπ(12n=1+14n21cos(nπ))\mathcal{SF}_f \left(t = \dfrac{T}{2} \right) = \dfrac{2A}{\pi} \left( 1 - 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{4n^2-1} \cos \left(n\pi \right) \right)
Ce qui nous donne :
SFf(t=T2)=2Aπ(12n=1+14n21(1)n)\mathcal{SF}_f \left(t = \dfrac{T}{2} \right) = \dfrac{2A}{\pi} \left( 1 - 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{4n^2-1} \left(-1\right)^n \right)
Ou encore :
SFf(t=T2)=2Aπ(1+2n=1+(1)n+14n21)\mathcal{SF}_f \left(t = \dfrac{T}{2} \right) = \dfrac{2A}{\pi} \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{4n^2-1} \right)
Les conditions de Dirichlet\textit{Dirichlet} permettent d'écrire :
f(t=T2)=SFf(t=T2)f \left(t = \dfrac{T}{2} \right) = \mathcal{SF}_f \left(t = \dfrac{T}{2} \right)
Donc :
A=2Aπ(1+2n=1+(1)n+14n21)A = \dfrac{2A}{\pi} \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{4n^2-1} \right)
En simplifiant par A0A \neq 0, on obtient :
1=2π(1+2n=1+(1)n+14n21)1 = \dfrac{2}{\pi} \left( 1 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{4n^2-1} \right)
D'où :
π2=1+2n=1+(1)n+14n21\dfrac{\pi}{2} = 1 + 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{4n^2-1}
On a alors :
π21=2n=1+(1)n+14n21\dfrac{\pi}{2} - 1 = 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{4n^2-1}
Soit encore :
π22=2n=1+(1)n+14n21\dfrac{\pi-2}{2} = 2 \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{(-1)^{n+1}}{4n^2-1}
Finalement, la valeur numérique de la série numérique S5S_5 recherchée est la suivante :
S5=p=1(1)p+14p21=π24{\color{red}{\boxed{ S_5 = \sum_{p=1}^{\infty} \dfrac{(-1)^{p+1}}{4p^2-1} = \dfrac{\pi-2}{4} }}}

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