NB : dans tout le corrig´e on note f(n) = b c n (f).
Q0 E est un sous-espace vectoriel de l’espace des fonctions continues par morceaux et 2π -p´eriodiques, lesquelles sont born´ees.
En effet, soit I =]0, 2π], il existe une subdivision de I, a 0 = 0 < a 1 < . . . < a n = 2π telle que f soit continue sur chaque intervalle I i =]a i , a i+1 ] et prolongeable par continuit´e sur [a i , a i+1 ]. | f | est donc major´ee par M i sur I i . Soit M = max
i∈[0,n−1] M i , | f | est major´ee par M sur I et, par 2π-p´eriodicit´e, | f | est major´ee par M sur R . . . 2 On notera que N 1 et N 2 sont des normes sur E, question qui n’´etait pas pos´ee.
Sommation de C´ esaro
Q1 C’est le th´eor`eme de C´esaro ; la suite (σ n ) converge vers la limite de la suite (s n ). . 2 Q2 1. La r´eciproque est fausse : un contre-exemple ”standard” est la suite (s n = ( − 1) n ),
avec σ n −→ 0. . . 2 2. Observons le sens de variation :
σ N − σ N −1 = 1
N + 1 (s 0 + · · · + s N ) − 1
N (s 0 + · · · + s N−1 )
= 1
N + 1 (s N − 1
N (s 0 + · · · + s N−1 )) > 0 car (s n ) ր .
La suite (σ n ) est donc croissante ; comme elle converge, elle est major´ee par sa limite l ; si la suite (s n ) n’est pas major´ee par l, ´etant croissante, elle sera minor´ee par l + 2ε `a partir d’un rang N 1 , donc (σ n ) sera minor´ee par l + ε `a partir d’un rang N 2 > N 1 , ce qui est impossible. (s n ) est par cons´equent major´ee par l, donc convergente vers l vu Q1. . . 3 Q3 1. σ N,k − (1 + N/k)σ N +k−1 + (N/k)σ N−1 = 0, . . . 1
ce qui conduit `a lim
N→+∞ σ N,k
n= (1 + l)s − ls = s, r´esultat demand´e. . . 1 2. σ N,k = s N + 1
k
k−1 P
j=1
P
N <|n| 6 N+j
c n , or pour n fix´e, c n apparaˆıt ((N + k) − | n | ) fois dans cette somme double, d’o` u :
σ N,k − s N = X
N <|n| 6 N +k
[((N + k) − | n | )/k] c n ,
et l’expression propos´ee est donc nulle. . . 2 On en d´eduit en majorant les | c n | par M/N que :
| σ N,k − s N | 6 M N
X
N <|n|<N+k
(1 + N − | n | k )
6 M
N 2 k
X
1 6 j 6 k−1
j
6 M
N 2 k
k(k − 1)
2 6
Mk
N 3
1
3. Soit p ∈ N ∗ et k N = E(N/p) ; alors, d’apr`es 1., lim
N→+∞ σ N,k
n= l ; or, d’apr`es 2.,
| σ N,k − s N | 6 M
p , donc, pour N assez grand, | s N − l | 6 2 M
p . Ceci est vrai pour tout p, d’o` u : lim
N→+∞ s N = l . . . 4
S´ eries de Fourier
Q4 σ N (x) = 1/(N + 1)[s 0 (x) + · · · + s N (x)] ; le facteur a n e inx apparaˆıt dans s j (x) pour j > | n | , donc N + 1 − | n | fois, d’o` u :
σ N (x) = X
|n| 6 N
(N + 1 − | n | N + 1 a n
e inx , soit b n =
1 − | n | N + 1
a n . 3
Q5 Avec n dans F , | c n (f) | = 1, donc
1 = | c n (f) | 6 N 1 (f) 6 1
et en conclusion : N 1 (f ) = 1. . . 1 Lemme Soit f dans E avec N 1 (f ) = 0. En utilisant une subdivision adapt´ee `a la fonction, la positivit´e et la continuit´e sur chaque intervalle I p ouvert associ´e `a cette subdivision f est nulle sur chaque intervalle ouvert I p , par continuit´e `a gauche en chaque point elle est nulle sur ] − π, π] et par 2π p´eriodicit´e elle est nulle sur R .
On en d´eduit ´egalement que:
Z
(−π,π)
( | f (x) | − ℜ (f (x) exp( − inx))) dx = 0
D’apr`es le lemme, | f | − ℜ (f e −n ) ´etant dans E et positive, elle est nulle. On en d´eduit que ℜ (f e −n ) = | f | et par suite enfin que ℑ (f e −n ) = 0 donc que f e −n = | f | . Soit encore f e −n est ` a valeurs positives. . . 5 Soient n et p dans F . Comme N 1 (f ) 6 = 0, f est non nulle sur un intervalle non trivial, donc e −i(n−p)x est `a valeurs positives sur cet intervalle, ce qui impose n = p. On conclut : Card(F ) = 1. . . 2 F est un singleton n 0 et les ´el´ements f de E v´erifiant ces hypoth`eses sont de la forme f(x) = g(x)e −in
0x , avec g ´el´ement de E `a valeurs r´eelles positives tel que N 1 (g) = 1.
Dans ces conditions il est difficile de ”d´ eterminer” f. . . 4 Q6 1. Appliquons l’´egalit´e de Parseval `a u et v :
N 2 (u) = √
2N + 1 et N 2 (v) = √
2N + 2r + 1.
L’in´egalit´e de Schwarz appliqu´ee aux ´el´ements de E donne alors : N 1 (g) = 1
2N + 1 N 1 (u.v) 6 1
2N + 1 N 2 (u)N 2 (v) =
r 2N + r + 1
2N + 1 3
2. Si F est vide, f ≡ 1 convient ; nous supposons F non vide pour la suite.
Soit alors r fix´e tel que F ⊂ [ − r, r] ; nous consid´erons l’application g d´efinie en 1., g = 1
2N + 1
X
|k| 6 r
(2N + 1)e k + X
r<|k| 6 2N+r
(2N + 1 + r − | k | )e k
avec N suffisamment grand pour avoir N 1 (g) < 1 + ε. donc c n (g) = 1 si n ∈ [ − r, r]
et c n (g) ∈ [0, 1] sinon. L’application g ainsi construite est une solution. . . 4
On peut voir le calcul de g sur un dessin :
•
N
− N
••