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HARMONIQUE ANALYSE

Lorsqu'on fait vibrer, dans des conditions idéales, une corde de longueur l, fixée en ses extrémités d'abscisses 0 et l, l'équation aux dérivées partielles :

est vérifiée, où u(x, t) est une fonction dont la valeur représente, à l'instant t, le déplacement transversal, par rapport à la position d'équilibre, du point d'abscisse x.

D'Alembert donne, en 1747, la solution de cette équation sous la forme :

où f est une fonction quelconque de période 2 l. Quelques années plus tard, en 1753, Daniel Bernoulli considère des solutions particulières de l'équation des cordes vibrantes, de la forme :
pour toute valeur entière positive de n. Ces solutions correspondent aux fonctions f de la forme :

Or les fonctions trigonométriques :

sont les plus simples des fonctions de période 2 l. D'où l'idée, avancée par Bernoulli, que la fonction f la plus générale, qui intervient dans la solution de d'Alembert, peut s'exprimer sous la forme d'une série trigonométrique :
ou, de manière équivalente :

Le terme correspondant à n = 1 donne alors la vibration fondamentale de la corde, les termes suivants correspondent aux harmoniques (cela rejoint l'expérience acoustique courante) ; de plus, le coefficient αn régit l'intensité de l'harmonique d'ordre n, et βn en définit la phase.

Ainsi le problème des cordes vibrantes menait tout naturellement à la question suivante : une fonction périodique peut-elle se représenter par une série trigonométrique ? L'analyse harmonique classique est, en principe, la branche des mathématiques qui traite de problèmes de ce type.

Pour obtenir des éléments de réponse à cette question fondamentale, il a fallu, à partir du milieu du xviiie siècle, que les mathématiciens se fassent une idée de plus en plus précise des objets sur lesquels ils travaillaient. C'est ainsi que l'étude de la représentation des fonctions périodiques par des séries trigonométriques devait fortement contribuer à la prise de conscience de la notion de fonction : la conception moderne d'une fonction, définie comme une correspondance, et pouvant fort bien ne posséder aucune des propriétés usuelles de régularité (continuité, dérivabilité, intégrabilité), émergea peu à peu lorsqu'il devint évident que l'idée naïve d'une fonction donnée par une formule explicite était insuffisante : il fallut tout à la fois préciser ce qu'on entendait par « fonction quelconque » et considérer des classes particulières de fonctions dont les propriétés spéciales, soigneusement mises en évidence, permettaient de résoudre un problème donné.

Ensuite, la théorie des distributions et celle des groupes topologiques sont venues proposer diverses directions dans lesquelles l'analyse harmonique se généralise et s'approfondit ; celle-ci est devenue une branche importante des mathématiques, en relation avec les distributions, les algèbres normées, les probabilités, les espaces de Hilbert, les fonctions de variable complexe et s'est étendue aux fonctions non linéaires.

Les séries de Fourier

Les coefficients de Fourier

Considérons une fonction f à valeurs réelles ou complexes, d'une variable réelle, périodique, de période 2π pour fixer les idées. Si f admet un développement en série trigonométrique :

et que la série Σ(|ak| + |bk|) soit convergente, on peut intégrer terme à terme, entre 0 et 2π, les séries :

Compte tenu des relations, valables pour des entiers n et k :

on obtient les valeurs des coefficients an et bn directement à partir de la somme f (x) de la série donnée :
ce sont les formules de Fourier.

Si, maintenant, on part d'une fonction f, de période 2π, continue (il suffit, en fait, qu'elle soit intégrable, au sens de Lebesgue sur [0, 2π]), il est naturel de considérer, par analogie avec[...]

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Classification

Pour citer cet article

René SPECTOR. HARMONIQUE ANALYSE [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Autres références

  • ANALYSE MATHÉMATIQUE

    • Écrit par Jean DIEUDONNÉ
    • 8 527 mots
    Un autre type de groupe de transformations est fourni par le cas où la variété où opère le groupe est un espace vectoriel complexe E, et où les transformations sont linéaires ; lorsqu'un groupe G agit de cette façon sur E, on dit encore qu'on a une représentation linéaire de G.

  • CALCUL ET RATIONALISATION - (repères chronologiques)

    • Écrit par Pierre MOUNIER-KUHN
    • 725 mots

    1623 L'astronome allemand Wilhelm Schickard invente une « horloge à calcul ». Mais celle-ci disparaît dans un incendie et Schickard ne poursuit pas ce projet qui n'aura donc aucune influence historique.

    1637 René Descartes, dans le Discours de la méthode, définit la méthode rationnelle...

  • CARLESON LENNART (1928- )

    • Écrit par Universalis, Jeremy John GRAY
    • 766 mots

    Le mathématicien suédois Lennart Carleson reçut en 2006 le prix Abel « pour ses contributions profondes et déterminantes à l'analyse harmonique et à la théorie des systèmes dynamiques lisses ». Cette récompense couronne notamment les travaux effectués avec son collègue et compatriote...

  • FONCTIONS REPRÉSENTATION & APPROXIMATION DES

    • Écrit par Jean-Louis OVAERT, Jean-Luc VERLEY
    • 18 453 mots
    • 6 médias
    Dans les problèmes d'analyse harmonique des phénomènes non périodiques (cf. analyse harmonique, chap. 3), on utilise la transformation de Fourier, réelle ou complexe, définie par la relation :
    (ou des formes analogues selon les auteurs), et la formule d'inversion :
    intuitivement, la formule...
  • Afficher les 13 références

Voir aussi

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