Séries de Fourier

Exercice 206 ⭐️

  1. Montrer que la fonction cos⁡\displaystyle \cos est paire et que la fonction sin⁡\displaystyle \sin est impaire. Que valent les dérivées de ces deux fonctions ?

  2. Pour u,v∈R\displaystyle u,v \in \mathbb{R}, retrouver les formules de duplication des fonctions trigonométriques :
    cos⁡(u+v)=cos⁡(u)cos⁡(v)−sin⁡(u)sin⁡(v) , sin⁡(u+v)=sin⁡(u)cos⁡(v)+cos⁡(u)sin⁡(v).\cos(u+v) = \cos(u) \cos(v) - \sin(u) \sin(v) \ , \ \sin(u+v) = \sin(u) \cos(v) + \cos(u) \sin(v).

  3. Soient a,b∈R\displaystyle a,b \in \mathbb{R} tels que a+b≠0,a−b≠0\displaystyle a+b \neq 0, a-b \neq 0.
    Calculer la dérivée de la fonction
    F(x)=12sin⁡((a+b)x)a+b+12sin⁡((a−b)x)a−b.F(x) = \frac{1}{2} \frac{\sin((a+b)x)}{a+b} + \frac{1}{2} \frac{\sin((a-b)x)}{a-b}.

    En déduire la valeur de ∫−ππcos⁡(ax)cos⁡(bx)dx\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} \cos(ax) \cos(bx) dx.

  4. Que vaut cette intégrale si a\displaystyle a ou b\displaystyle b est entier ? Que vaut-elle si a+b=0\displaystyle a+b=0 ? Si a−b=0\displaystyle a-b = 0 ?

  5. Adapter le raisonnement précédent pour calculer les intégrales
    ∫−ππsin⁡(ax)cos⁡(bx)dx , ∫−ππsin⁡(ax)sin⁡(bx)dx.\int_{-\pi}^{\pi} \sin(ax) \cos(bx) dx \ , \ \int_{-\pi}^{\pi} \sin(ax) \sin(bx) dx.

  1. Les propriétés de parité des fonctions trigonométriques, ainsi que le calcul de leur dérivée, découlent immédiatement de leur définition par l’exponentielle complexe :
    cos⁡(x)=eix+e−ix2 , sin⁡(x)=eix−e−ix2i.\cos(x) = \frac{e^{ix}+e^{-ix}}{2} \ , \ \sin(x) = \frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i}.

  2. On revient à la définition et on se lance dans les calculs :
    cos⁡(u)cos⁡(v)−sin⁡(u)sin⁡(v)=eiu+e−iu2eiv+e−iv2−eiu−e−iu2ieiv−e−iv2i=(eiu+e−iu)(eiv+e−iv)+(eiu−e−iu)(eiv−e−iv)4.\begin{aligned} \cos(u) \cos(v) - \sin(u) \sin(v) &=& \frac{e^{iu}+e^{-iu}}{2}\frac{e^{iv}+e^{-iv}}{2}-\frac{e^{iu}-e^{-iu}}{2i}\frac{e^{iv}-e^{-iv}}{2i} \\ &=& \frac{(e^{iu}+e^{-iu})(e^{iv}+e^{-iv})+(e^{iu}-e^{-iu})(e^{iv}-e^{-iv})}{4}.\end{aligned}
    On a utilisé le fait que −(1i)2=1\displaystyle -\left(\frac{1}{i}\right)^2 = 1. En développant ces deux produits, on remarque que les coefficients termes en ei(u−v)\displaystyle e^{i(u-v)} et en ei(v−u)\displaystyle e^{i(v-u)} s’annulent. Il ne reste que :
    cos⁡(u)cos⁡(v)−sin⁡(u)sin⁡(v)=2ei(u+v)+2e−i(u+v)4=cos⁡(u+v).\cos(u) \cos(v) - \sin(u) \sin(v) = \frac{2e^{i(u+v)}+2e^{-i(u+v)}}{4} =\cos(u+v).

  3. Comme sin⁡′=cos⁡\displaystyle \sin'=\cos, on calcule que :
    F′(x)=cos⁡((a+b)x)+cos⁡((a−b)x)2.F'(x) = \frac{\cos((a+b)x)+\cos((a-b)x)}{2}. On utilise la question précédente ainsi que les propriétés de parité pour écrire :
    F′(x)=cos⁡(ax)cos⁡(bx)−sin⁡(ax)sin⁡(bx)+cos⁡(ax)cos⁡(−bx)−sin⁡(ax)sin⁡(−bx)2=cos⁡(ax)cos⁡(bx)−sin⁡(ax)sin⁡(bx)+cos⁡(ax)cos⁡(bx)+sin⁡(ax)sin⁡(bx)2=cos⁡(ax)cos⁡(bx).\begin{aligned} F'(x) &=& \frac{\cos(ax)\cos(bx)-\sin(ax)\sin(bx)+\cos(ax)\cos(-bx)-\sin(ax)\sin(-bx)}{2} \\ &=& \frac{\cos(ax)\cos(bx)-\sin(ax)\sin(bx)+\cos(ax)\cos(bx)+\sin(ax)\sin(bx)}{2}\\ &=& \cos(ax) \cos(bx).\end{aligned} On en déduit alors que :
    ∫−ππcos⁡(ax)cos⁡(bx)dx=[12sin⁡((a+b)x)a+b+12sin⁡((a−b)x)a−b]=12sin⁡((a+b)π)a+b+12sin⁡((a−b)π)a−b−12sin⁡(−(a+b)π)a+b+12sin⁡(−(a−b)π)a−b=sin⁡((a+b)π)a+b+sin⁡((a−b)π)a−b=sin⁡(aπ)cos⁡(bπ)+sin⁡(bπ)cos⁡(aπ)a+b+sin⁡(aπ)cos⁡(bπ)−sin⁡(bπ)cos⁡(aπ)a−b=2a2−b2(asin⁡(aπ)cos⁡(bπ)−bsin⁡(bπ)cos⁡(aπ)).\begin{aligned} \int_{-\pi}^{\pi} \cos(ax)\cos(bx) dx &=& \left[\frac{1}{2} \frac{\sin((a+b)x)}{a+b} + \frac{1}{2} \frac{\sin((a-b)x)}{a-b}\right] \\ &=& \frac{1}{2} \frac{\sin((a+b)\pi)}{a+b} + \frac{1}{2} \frac{\sin((a-b)\pi)}{a-b}-\frac{1}{2} \frac{\sin(-(a+b)\pi)}{a+b} + \frac{1}{2} \frac{\sin(-(a-b)\pi)}{a-b} \\ &=& \frac{\sin((a+b)\pi)}{a+b} + \frac{\sin((a-b)\pi)}{a-b} \\ &=& \frac{\sin(a\pi) \cos(b\pi)+\sin(b\pi) \cos(a\pi)}{a+b}+\frac{\sin(a\pi) \cos(b\pi)-\sin(b\pi)\cos(a\pi)}{a-b} \\ &=& \frac{2}{a^2-b^2} \left(a \sin(a\pi) \cos(b\pi)-b \sin(b\pi)\cos(a\pi)\right).\end{aligned}

  4. Si a\displaystyle a est entier, on sait que sin⁡(aπ)=0\displaystyle \sin(a\pi)=0 et que cos⁡(aπ)=(−1)a\displaystyle \cos(a\pi)=(-1)^a (on retrouve facilement ces propriétés sur le cercle trigonométrique), donc :
    ∫−ππcos⁡(ax)cos⁡(bx)dx=−2a(−1)aa2−b2sin⁡(aπ).\int_{-\pi}^{\pi} \cos(ax)\cos(bx) dx = -\frac{2 a (-1)^a}{a^2-b^2} \sin(a\pi).
    Si b\displaystyle b est entier, par symétrie des rôles joués par a\displaystyle a et b\displaystyle b, on a :
    ∫−ππcos⁡(ax)cos⁡(bx)dx=−2b(−1)bb2−a2sin⁡(bπ).\int_{-\pi}^{\pi} \cos(ax)\cos(bx) dx = -\frac{2 b (-1)^b}{b^2-a^2} \sin(b\pi).
    On remarque que si a\displaystyle a et b\displaystyle b sont tous les deux entiers et distincts, alors ∫−ππcos⁡(ax)cos⁡(bx)dx=0\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} \cos(ax)\cos(bx) dx = 0, autrement dit, les fonctions cos⁡(ax)\displaystyle \cos(ax) et cos⁡(bx)\displaystyle \cos(bx) sont orthogonales pour le produit scalaire ⟨u,v⟩=∫−ππu(x)v(x)dx\displaystyle \langle u,v \rangle = \int_{-\pi}^\pi u(x) v(x) dx.

Si a+b=0\displaystyle a+b=0 ou a−b=0\displaystyle a-b=0, l’intégrale à calculer se simplifie en :
∫−ππcos⁡(ax)cos⁡(bx)dx=∫−ππcos⁡2(ax)dx.\int_{-\pi}^\pi \cos(ax)\cos(bx) dx = \int_{-\pi}^\pi \cos^2(ax) dx.

L’astuce pour trouver une primitive de cos⁡2(ax)\displaystyle \cos^2(ax) consiste à utiliser la formule de duplication cos⁡(2u)=2cos⁡2(u)−1\displaystyle \cos(2u) = 2 \cos^2(u)-1, donc
∫−ππcos⁡(ax)cos⁡(bx)dx=∫−ππcos⁡(2ax)+12dx=[sin⁡(2ax)4a+x2]−ππ=sin⁡(2aπ)2a+π.\begin{aligned} \int_{-\pi}^\pi \cos(ax)\cos(bx) dx &=& \int_{-\pi}^\pi \frac{\cos(2ax)+1}{2} dx \\ &=& \left[ \frac{\sin(2ax)}{4a}+\frac{x}{2}\right]_{-\pi}^\pi \\ &=& \frac{\sin(2 a \pi)}{2a}+\pi.\end{aligned}

Exercice 207

Soit f\displaystyle f une fonction 2π\displaystyle 2 \pi-périodique, intégrable sur [0,2π]\displaystyle [0,2\pi]. Soient (an)n≥0\displaystyle (a_n)_{n \geq 0} et (bn)n≥1\displaystyle (b_n)_{n \geq 1} et ses coefficients de Fourier et (Sn(f))n≥1\displaystyle (S_n(f))_{n \geq 1} la suite des polynômes de Fourier associée.

  1. Montrer que pour tout u,v∈R\displaystyle u,v \in \mathbb{R} on a la formule :
    sin⁡(u+2v)=sin⁡(u)+2cos⁡(u+v)sin⁡(v).\sin(u+2v) = \sin(u)+2\cos(u+v) \sin(v).

  2. À l’aide de la question précédente, montrer par récurrence sur n≥0\displaystyle n \geq 0 la formule :
    ∀x∈R∗ , sin⁡((n+12)x)2sin⁡(x2)=12+∑k=1ncos⁡(kx).\forall x \in \mathbb{R}^* \ , \ \frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right)}{2 \sin\left(\frac{x}{2}\right)} = \frac{1}{2} + \sum_{k=1}^n \cos(kx).

    Peut-on dire que cette équation a un sens lorsque x=0\displaystyle x=0 ?

  3. Retrouver cette formule à l’aide de la somme géométrique ∑k=−nneikx\displaystyle \sum_{k=-n}^n e^{ikx}.

  4. Montrer que :
    Sn(f)(x)=12π∫02πf(t)dt+1π∑k=1n(cos⁡(kx)∫02πcos⁡(kt)f(t)dt+sin⁡(kx)∫02πsin⁡(kt)f(t)dt).S_n(f)(x) = \frac{1}{2\pi} \int_0^{2\pi} f(t) dt+\frac{1}{\pi}\sum_{k=1}^n \left(\cos(kx) \int_0^{2\pi} \cos(kt) f(t) dt + \sin(kx) \int_0^{2\pi} \sin(kt) f(t) dt \right).

  5. Montrer que :
    Sn(f)(x)=12π∫02πf(x+u)sin⁡((n+12)u)2sin⁡(u2).S_n(f)(x) = \frac{1}{2 \pi} \int_0^{2\pi} f(x+u) \frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)u\right)}{2 \sin\left(\frac{u}{2}\right)}.

  1. On développe chaque terme le plus possible, et on espère avoir une
    égalité. Pour le terme de gauche : sin⁡(u+2v)=sin⁡(u)cos⁡(2v)+cos⁡(u)sin⁡(2v)=sin⁡(u)−2sin⁡(u)sin⁡2(v)+2cos⁡(u)sin⁡(v)cos⁡(v).\begin{aligned} \sin(u+2v) &=& \sin(u) \cos(2v) + \cos(u) \sin(2v) \\ &=& \sin(u)-2 \sin(u) \sin^2(v) + 2 \cos(u) \sin(v) \cos(v) . \end{aligned}
    On a utilisé cos⁡(2v)=1−2sin⁡2(v)\displaystyle \cos(2v) = 1-2\sin^2(v). Pour le terme de droite :
    sin⁡(u)+2cos⁡(u+v)sin⁡(v)=sin⁡(u)+2cos⁡(u)cos⁡(v)sin⁡(v)−2sin⁡(u)sin⁡2(v).\sin(u)+2\cos(u+v) \sin(v) = \sin(u) + 2 \cos(u)\cos(v) \sin(v)-2\sin(u)\sin^2(v).

    On a donc bien égalité entre les deux termes.

  2. Pour n=0\displaystyle n=0, on a bien sin⁡(x/2)2sin⁡(x/2)=12\displaystyle \frac{\sin(x/2)}{2 \sin(x/2)} = \frac{1}{2}.
    Pour montrer l’hérédité, il suffit de prouver que :
    sin⁡((n+1+12)x)2sin⁡(x2)=sin⁡((n+12)x)2sin⁡(x2)+cos⁡((n+1)x),\frac{\sin\left(\left(n+1+\frac{1}{2}\right)x\right)}{2 \sin\left(\frac{x}{2}\right)} = \frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right)}{2 \sin\left(\frac{x}{2}\right)} + \cos((n+1)x),
    et cette égalité se montre à l’aide de la question précédente, avec u=x2\displaystyle u = \frac{x}{2} et v=(n+1)x\displaystyle v=(n+1)x.

    Si x=0\displaystyle x=0, le terme de droite vaut 12+∑k=1ncos⁡(0)=n+12\displaystyle \frac{1}{2}+\sum_{k=1}^n \cos(0) = n+\frac{1}{2}, mais le terme de gauche n’est pas bien défini car sin⁡(0)=0\displaystyle \sin(0)=0. Mais si on connaît le développement limité sin⁡(u)=u+ou→0(u)\displaystyle \sin(u) = u + o_{u \rightarrow 0}(u), on montre que pour tous a,b∈R∗∗\displaystyle a,b \in \mathbb{R}_**
    lim⁡x→0sin⁡(ax)sin⁡(bx)=lim⁡x→0ax+o(x)bx+o(x)=ab.\lim_{x \rightarrow 0} \frac{\sin(ax)}{\sin(bx)} = \lim_{x \rightarrow 0} \frac{ax+o(x)}{bx+o(x)} = \frac{a}{b}.

    Dans notre cas, on a bien :
    lim⁡x→0sin⁡((n+12)x)2sin⁡(x2)=n+12212=n+12.\lim_{x \rightarrow 0} \frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right)}{2 \sin\left(\frac{x}{2}\right)} = \frac{n+\frac{1}{2}}{2 \frac{1}{2}} = n + \frac{1}{2}.

    On retrouve la même valeur que pour le terme de droite.

  3. On calcule la somme ∑k=−nneikx\displaystyle \sum_{k=-n}^n e^{ikx} de deux façons différentes. Tout d’abord, en regroupant astucieusement les termes, on remarque que : ∑k=−nneikx=1+∑k=1neikx+e−ikx=1+2∑k=1ncos⁡(kx).\begin{aligned} \sum_{k=-n}^n e^{ikx} &=& 1+ \sum_{k=1}^n e^{ikx}+e^{-ikx} \\ &=& 1+ 2 \sum_{k=1}^n \cos(kx).\end{aligned} Une autre façon de calculer la somme consiste à utiliser une formule sur les suites géométriques : ∑k=−nneikx=e−inx∑k=02n(eix)k=e−inxei(2n+1)x−1eix−1=e−inxei(n+12)x(ei(n+12)x−e−i(n+12)x)eix2(eix2−e−ix2)=eix(−n+(n+12)−12)2isin⁡((n+12)x)2isin⁡(x2)=sin⁡((n+12)x)sin⁡(x2).\begin{aligned} \sum_{k=-n}^n e^{ikx} &=& e^{-inx} \sum_{k=0}^2n \left(e^{ix} \right)^k \\ &=& e^{-inx} \frac{e^{i(2n+1)x}-1}{e^{ix}-1} \\ &=& e^{-inx} \frac{e^{i\left(n+\frac{1}{2}\right)x} \left(e^{i\left(n+\frac{1}{2}\right)x}-e^{-i\left(n+\frac{1}{2}\right)x}\right)}{e^{i\frac{x}{2}}\left(e^{i \frac{x}{2}}-e^{-i\frac{x}{2}}\right)} \\ &=& e^{ix\left(-n+\left(n+\frac{1}{2}\right)-\frac{1}{2}\right)} \frac{2i \sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right)}{ 2i \sin\left(\frac{x}{2}\right)} \\ &=& \frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)x\right)}{\sin\left(\frac{x}{2}\right)}.\end{aligned}

  4. Par définition de Sn(f)\displaystyle S_n(f), on a : Sn(f)(x)=a02+∑k=1nakcos⁡(kx)+bksin⁡(kx).\begin{aligned} S_n(f)(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{k=1}^n a_k \cos(kx)+ b_k \sin(kx).\end{aligned}

    En remplaçant les coefficients aak\displaystyle aa_k et bk\displaystyle b_k par les intégrales les définissant, on obtient immédiatement la réponse demandée.

  5. On récrit la formule de la question précédente sous la forme :
    Sn(f)(x)=1π∫02πf(t)(12+∑k=1ncos⁡(kx)cos⁡(kt)+sin⁡(kx)sin⁡(kt))dt=1π∫02πf(t)(12+∑k=1ncos⁡(k(x−t)))dt=1π∫02πf(u+x)(12+∑k=1ncos⁡(ku))du.\begin{aligned} S_n(f)(x) &=& \frac{1}{\pi} \int_0^{2\pi} f(t) \left(\frac{1}{2}+\sum_{k=1}^n \cos(kx) \cos(kt) + \sin(kx) \sin(kt) \right) dt \\ &=& \frac{1}{\pi} \int_0^{2\pi} f(t) \left( \frac{1}{2} + \sum_{k=1}^n \cos(k(x-t)) \right) dt \\ &=& \frac{1}{\pi} \int_0^{2 \pi} f(u+x) \left( \frac{1}{2} + \sum_{k=1}^n \cos(ku) \right) du.\end{aligned}

    À noter que le changement de variables u=t−x\displaystyle u=t-x devrait imposer que la dernière intégrale soit prise entre les bornes −x\displaystyle -x et 2π−x\displaystyle 2\pi-x, mais la 2π\displaystyle 2\pi-périodicité des fonctions permet de translater l’intervalle d’intégration à [0,2π]\displaystyle [0,2\pi]. La question 2 permet de conclure immédiatement.

Exercice 208 ⭐️⭐️

On considère la fonction en créneau f\displaystyle f définie par f(x)=−1\displaystyle f(x) = -1 si x∈]−π,0[\displaystyle x \in ]-\pi,0[, f(x)=1\displaystyle f(x) = 1 si x∈]0,π[\displaystyle x \in ]0,\pi[, f(0)=f(π)=0\displaystyle f(0)=f(\pi)=0, et prolongée par 2π\displaystyle 2\pi-périodicité.

  1. Que dire des coefficients de Fourier an(f)\displaystyle a_n(f) ?

  2. Calculer les coefficients de Fourier bn(f)\displaystyle b_n(f), pour n≥1\displaystyle n \geq 1.

  3. Montrer que la suite de fonctions (SN(f))N≥1\displaystyle (S_N(f))_{N \geq 1}, où
    SN(f)(x)=∑n=1Nbn(f)sin⁡(nx)\displaystyle S_N(f)(x) = \sum_{n=1}^N b_n(f) \sin(nx), converge simplement vers la fonction f\displaystyle f.

  4. Déduire du théorème de Parseval que ∑p=0∞1(2p+1)2=π28\displaystyle \sum_{p=0}^\infty \frac{1}{(2p+1)^2} = \frac{\pi^2}{8}. Comment en déduire la valeur de ∑n=1∞1n2\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} ?

  5. Montrer que :
    S2N+1(f)(π2N)=2N∑p=0Nsin⁡((2p+1)π2N)(2p+1)π2N→N→∞2∫0πsin⁡(x)xdx.S_{2N+1}(f)\left(\frac{\pi}{2N}\right) = \frac{2}{N} \sum_{p=0}^N \frac{\sin\left((2p+1)\frac{\pi}{2N}\right)}{(2p+1)\frac{\pi}{2N}} \xrightarrow[N \rightarrow \infty]{} 2 \int_0^\pi \frac{\sin(x)}{x} dx.

  6. En déduire que la suite de fonctions (SN(f))N≥1\displaystyle (S_N(f))_{N \geq 1} ne converge pas uniformément vers f\displaystyle f lorsque N→∞\displaystyle N \rightarrow \infty.

  1. La définition de f\displaystyle f permet de dire que :

    • Si x∈]kπ,(k+1)π[\displaystyle x \in ]k \pi, (k+1)\pi[, avec k∈Z\displaystyle k \in \mathbb{Z} pair,
      alors f(x)=1\displaystyle f(x)=1.

    • Si x∈]kπ,(k+1)π[\displaystyle x \in ]k\pi, (k+1) \pi[, avec k∈Z\displaystyle k \in \mathbb{Z} impair,
      alors f(x)=−1\displaystyle f(x)=-1.

    • Si x=kπ\displaystyle x=k\pi avec k∈Z\displaystyle k \in \mathbb{Z}, alors f(x)=0\displaystyle f(x)=0.

    Cette description complète de f\displaystyle f permet de constater que la fonction est impaire. On sait alors que tous les coefficients an(f)\displaystyle a_n(f), pour n≥0\displaystyle n \geq 0, sont nuls.

  2. Soit n≥1\displaystyle n \geq 1. Il s’agit de calculer l’intégrale :
    bn(f)=1π∫−ππsin⁡(nx)f(x)dx.b_n(f) = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi \sin(nx) f(x) dx.

La fonction sin⁡(nx)f(x)\displaystyle \sin(nx) f(x) est paire, on a donc :
bn(f)=2π∫0πsin⁡(nx)f(x)dx=2π∫0πsin⁡(nx)dx=2π[−cos⁡(nx)n]0π=2nπ(1−cos⁡(nπ)).b_n(f) = \frac{2}{\pi} \int_0^\pi \sin(nx) f(x) dx = \frac{2}{\pi} \int_0^\pi \sin(nx) dx = \frac{2}{\pi} \left[-\frac{\cos(nx)}{n}\right]_0^\pi = \frac{2}{n\pi} \left(1-\cos(n\pi)\right).

Or on sait que, si n\displaystyle n est entier, cos⁡(nπ)=(−1)n\displaystyle \cos(n\pi)=(-1)^n. Ainsi :

  • Si n\displaystyle n est pair, alors bn(f)=0\displaystyle b_n(f) = 0.
  • Si n\displaystyle n est impair, alors bn(f)=4nπ\displaystyle b_n(f) = \frac{4}{n \pi}.
  1. La fonction f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 par morceaux, on peut donc appliquer le théorème de Dirichlet. De plus, en tout point x∈R\displaystyle x \in \mathbb{R}, on a f(x+)+f(x−)2=f(x)\displaystyle \frac{f(x^+)+f(x^-)}{2} = f(x). En effet, cela est évident si f\displaystyle f est continue en x\displaystyle x, et si x=kπ\displaystyle x=k \pi, avec k\displaystyle k pair, on a f(x−)=−1\displaystyle f(x^-)=-1, f(x+)=1\displaystyle f(x^+)=1 et f(x)=0\displaystyle f(x)=0, et on raisonne de la même façon pour x=kπ\displaystyle x=k\pi avec k\displaystyle k impair.

  2. La fonction f\displaystyle f est de carré intégrable sur ]0,2π[\displaystyle ]0,2\pi[, et on a
    1π∫02πf(x)2dx=2\displaystyle \frac{1}{\pi} \int_0^{2\pi} f(x)^2 dx = 2. Le théorème de Parseval dit alors que ∑n=1∞bn(f)2=2\displaystyle \sum_{n=1}^\infty b_n(f)^2 = 2. Mais bn(f)\displaystyle b_n(f) étant nul lorsque n\displaystyle n est pair, on a :
    ∑0=1∞1(2p+1)2=π216∑p=0∞b2p+1(f)2=π216∑n=1∞bn(f)2=2π216=π28.\sum_{0=1}^\infty \frac{1}{(2p+1)^2} = \frac{\pi^2}{16} \sum_{p=0}^\infty b_{2p+1}(f)^2 = \frac{\pi^2}{16} \sum_{n=1}^\infty b_n(f)^2 = 2\frac{\pi^2}{16} = \frac{\pi^2}{8}.

    Calculons maintenant S=∑n=1∞1n2\displaystyle S= \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}. On peut écrire :
    S=∑p=0∞1(2p+1)2+∑p=1∞1(2p)2.S = \sum_{p=0}^\infty \frac{1}{(2p+1)^2}+\sum_{p=1}^\infty \frac{1}{(2p)^2}.

    C’est le fait que chacune des deux séries du membre de droite soit absolument convergente qui permet de réorganiser les sommes comme on le souhaite. Maintenant, on remarque astucieusement que :
    ∑p=1∞1(2p)2=14∑p=1∞1p2=S4,\sum_{p=1}^\infty \frac{1}{(2p)^2} = \frac{1}{4} \sum_{p=1}^\infty \frac{1}{p^2} = \frac{S}{4},

    et ainsi :
    S=43∑p=0∞1(2p+1)2=43π28=π26.S= \frac{4}{3} \sum_{p=0}^\infty \frac{1}{(2p+1)^2} = \frac{4}{3} \frac{\pi^2}{8} = \frac{\pi^2}{6}.

    Magnifique ?!

  3. On a :
    S2N+1(f)(π2N)=4π∑p=0Nsin⁡((2p+1)π2N)(2p+1),S_{2N+1}(f)\left(\frac{\pi}{2N}\right) = \frac{4}{\pi} \sum_{p=0}^N\frac{\sin\left((2p+1)\frac{\pi}{2N}\right)}{(2p+1)},

    on obtient alors le résultat immédiatement. Pour obtenir la limite voulue, il suffit de remarquer que l’on a une somme de Riemann associée à la fonction x↦sin⁡(x)x\displaystyle x \mapsto \frac{\sin(x)}{x}, qui et prolongeable en une fonction continue, donc intégrable au sens de Riemann, sur [0,π]\displaystyle [0, \pi].

  4. Supposons par l’absurde que (SN(f))N≥1\displaystyle (S_N(f))_{N \geq 1} converge vers f\displaystyle f
    uniformément sur R\displaystyle \mathbb{R}. En particulier, la suite
    (S2N+1(f))N≥1\displaystyle (S_{2N+1}(f))_{N \geq 1} converge elle aussi uniformément vers
    f\displaystyle f, donc :
    0≤sup⁡x∈R∣S2N+1(f)(x)−f(x)∣→N→∞0.0 \leq \sup_{x \in \mathbb{R}} |S_{2N+1}(f)(x)-f(x)| \xrightarrow[N \rightarrow \infty]{} 0.

    Cela implique en particulier que pour toute suite de réels
    (xN)N≥1\displaystyle (x_N)_{N \geq 1}, on a :
    lim⁡n→∞∣SN(f)(xN)−f(xN)∣=0.\lim_{n \rightarrow \infty} |S_N(f)(x_N)-f(x_N)| = 0. Or si on choisit xN=π2N\displaystyle x_N = \frac{\pi}{2N}, on a f(xN)=1\displaystyle f(x_N) = 1, et d’après la question précédente, on a :
    lim⁡n→∞∣SN(f)(xN)−f(xN)∣=2∫0πsin⁡(x)xdx−1.\lim_{n \rightarrow \infty} |S_N(f)(x_N)-f(x_N)| = 2 \int_0^\pi \frac{\sin(x)}{x} dx-1.
    On a une contradiction, car l’intégrale ∫0πsin⁡(x)xdx\displaystyle \int_0^\pi \frac{\sin(x)}{x} dx vaut 1.851937⋯\displaystyle 1.851937\cdots, ce qui est largement supérieur à 1/2\displaystyle 1/2.

Exercice 209

Soit f:R→R\displaystyle f : \mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R} la fonction 2π\displaystyle 2 \pi-périodique telle que f(x)=cos⁡(cx)\displaystyle f(x) = \cos(c x) pour tout x∈[−π,π[\displaystyle x \in [-\pi,\pi[, où c\displaystyle c est un nombre réel non entier.

  1. À l’aide de l’exercice 1, calculer les coefficients de Fourier de la fonction f\displaystyle f.

  2. En déduire que l’on a, pour tout x∈R\displaystyle x \in \mathbb{R} :
    cos⁡(cx)=sin⁡(cx)cπ+1π∑n=1∞2cc2−n2(−1)nsin⁡(cπ)cos⁡(nx).\cos( cx ) = \frac{\sin(cx)}{c \pi} + \frac{1}{\pi} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2c}{c^2-n^2}(-1)^n \sin(c\pi) \cos(nx).

  3. Déduire de la question précédente la belle formule d’Euler :
    ∀x∉Z , lim⁡N→∞∑n=−NN1x−n=πcot⁡(πx).\forall x \notin \mathbb{Z}\ , \ \lim_{N \rightarrow \infty} \sum_{n=-N}^{N} \frac{1}{x-n} = \pi \cot(\pi x).

  4. Montrer la formule :
    2sin⁡2(cπ)c2π2+4c2sin⁡2(cπ)π2∑n=1∞1(c2−n2)2=1+sin⁡(2cπ)2cπ.\frac{2 \sin^2(c \pi)}{c^2 \pi^2} + \frac{4 c^2 \sin^2(c \pi)}{\pi^2} \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(c^2-n^2)^2} = 1+\frac{\sin(2 c \pi)}{2 c \pi}.

  5. (*) Déduire de la question précédente la valeur de ∑n=1∞1n4\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^4}.

  1. On remarque tout d’abord que la fonction f\displaystyle f est paire, ce qui implique que ses coefficients de Fourier bn(f)\displaystyle b_n(f), pour n≥1\displaystyle n \geq 1, sont tous nuls. Il reste à calculer les coefficients an(f)\displaystyle a_n(f). Soit donc n≥0\displaystyle n \geq 0. On a : an(f)=1π∫−ππcos⁡(cx)cos⁡(nx)dx=1π2c2−n2(csin⁡(cπ)cos⁡(nπ)−nsin⁡(nπ)cos⁡(cπ))=1π2cc2−n2(−1)nsin⁡(cπ).\begin{aligned} a_n(f) &=& \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^{\pi} \cos(cx) \cos(nx) dx \\ &=& \frac{1}{\pi} \frac{2}{c^2-n^2} \left(c \sin(c\pi) \cos(n\pi)-n \sin(n\pi)\cos(c\pi)\right) \\ &=& \frac{1}{\pi} \frac{2c}{c^2-n^2}(-1)^n \sin(c\pi).\end{aligned}

    On a utilisé le résultat de l’exercice 1 (on peut car c\displaystyle c n’est pas un entier), puis le fait que cos⁡(nπ)=(−1)n\displaystyle \cos(n\pi)=(-1)^n et que sin⁡(nπ)=0\displaystyle \sin(n\pi)=0.

  2. La fonction f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 par morceaux, et est de plus continue sur R\displaystyle \mathbb{R}. On sait alors par le théorème de Dirichlet qu’elle est limite simple de sa série de Fourier, ce qui donne la formule demandée.

  3. On rappelle que la fonction cot⁡\displaystyle \cot est définie pour tout x∈R\displaystyle x \in \mathbb{R} tel que x∉πZ\displaystyle x \notin \pi \mathbb{Z} par cot⁡(x)=cos⁡(x)sin⁡(x)\displaystyle \cot(x) = \frac{\cos(x)}{\sin(x)}. En appliquant la formule précédente à x=π\displaystyle x = \pi, puis en divisant chaque membre par sin⁡(cπ)\displaystyle \sin(c \pi), on obtient :
    πcot⁡(cπ)=1c+∑n=1∞2cc2−n2(−1)ncos⁡(nπ)=1c+∑n=1∞2cc2−n2.\pi \cot(c\pi) = \frac{1}{c} + \sum_{n=1}^\infty \frac{2c}{c^2-n^2}(-1)^n \cos(n\pi) = \frac{1}{c} + \sum_{n=1}^\infty \frac{2c}{c^2-n^2}.

    Il reste à remarquer que, pour tout N≥1\displaystyle N \geq 1, ∑n=−NN1c−n=1c+∑n=1N1c−n+1c+n=1c+∑n=1N2cc2−n2.\begin{aligned} \sum_{n=-N}^N \frac{1}{c-n} &=& \frac{1}{c} + \sum_{n=1}^N \frac{1}{c-n}+\frac{1}{c+n} \\ &=& \frac{1}{c} + \sum_{n=1}^N \frac{2c}{c^2-n^2}.\end{aligned}

  4. Il semble naturel d’appliquer la formule de Parseval. On vérifie facilement que le membre de gauche de l’équation est égal à a022+∑n=1∞an(f)2\displaystyle \frac{a_0^2}{2}+\sum_{n=1}^\infty a_n(f)^2. Le théorème de Parseval nous affirme que la somme de cette série vaut :
    1π∫−ππf(x)2dx=1π∫−ππcos⁡2(cx)dx=1π(sin⁡(2cπ)2c+π),\frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi f(x)^2 dx = \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi \cos^2(cx) dx = \frac{1}{\pi} \left(\frac{\sin(2 c \pi)}{2c}+\pi \right),

    où on a utilisé un résultat de l’exercice 1.

  5. Il s’agit d’étudier très précisément le comportement de la formule
    précédente lorsque c\displaystyle c se rapproche de 0\displaystyle 0. On remarque tout d’abord
    que la fonction ϕ:c↦∑n=1∞1(n2−c2)2\phi : c \mapsto \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{(n^2-c^2)^2} est continue en 0\displaystyle 0. Pour s’en convaincre, on peut remarquer que pour ∣c∣≤1/2\displaystyle |c| \leq 1/2, on a 1(n2−c2)2≤1(n2−1/4)2\displaystyle \frac{1}{(n^2-c^2)^2} \leq \frac{1}{(n^2-1/4)^2}, donc la série de fonctions ∑n≥11(n2−c2)2\displaystyle \sum_{n \geq 1} \frac{1}{(n^2-c^2)^2} converge uniformément pour ∣c∣≤1/2\displaystyle |c| \leq 1/2. On peut donc écrire que ϕ(c)=ϕ(0)+o(1)\displaystyle \phi(c) = \phi(0)+o(1), et c’est justement ϕ(0)=∑n=1∞1n4\displaystyle \phi(0) = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^4} que l’on veut calculer.

    On remplace également les autres termes de l’égalité par des développements limités. On utilise les formules suivantes :
    sin⁡(x)x=1−x26+x4120+o(x4),\frac{\sin(x)}{x} = 1-\frac{x^2}{6}+\frac{x^4}{120}+o(x^4) ,

    sin⁡2(x)x2=1−x23+2x445+o(x4),\frac{\sin^2(x)}{x^2} = 1-\frac{x^2}{3}+\frac{2x^4}{45}+o(x^4),

    sin⁡2(x)=x2+o(x2),\sin^2(x) = x^2+o(x^2), et en réinjectant le tout dans la formule de Parseval on obtient :
    2(1−c2π23+2c4π445)+4c2π2(c2π2+o(c2))(ϕ(0)+o(1))=1+(1−4c2π26+16c4π4120+o(c4)),2\left(1-\frac{c^2\pi^2}{3}+\frac{2c^4 \pi^4}{45}\right)+\frac{4c^2}{\pi^2}\left(c^2\pi^2+o(c^2)\right)(\phi(0)+o(1)) = 1+\left(1-\frac{4c^2\pi^2}{6}+\frac{16c^4\pi^4}{120}+o(c^4)\right),

    qui se simplifie en :
    2−2c2π23+c4(4π445+4ϕ(0))+o(c4)=2−2c2π23+2π415c4+o(c4).2-\frac{2c^2\pi^2}{3}+c^4\left(\frac{4\pi^4}{45}+4\phi(0)\right)+o(c^4) = 2-\frac{2c^2 \pi^2}{3}+\frac{2 \pi^4}{15} c^4+o(c^4).

    On en déduit que :
    ϕ(0)=14(2π415−4π445)=π490.\phi(0) = \frac{1}{4}\left(\frac{2\pi^4}{15}-\frac{4\pi^4}{45}\right) = \frac{\pi^4}{90}.

Exercice 566 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Echantillonage de polynôme sur le cercle, Sup/Spé/L2/L3

Soit P\displaystyle P un polynôme à coefficients complexes, de degré au plus n≥1\displaystyle n \geq 1, et (λs)s∈Z\displaystyle (\lambda_s)_{s \in \mathbb{Z}} la famille de réels donnée par λs=0\displaystyle \lambda_s = 0 pour s≤−n\displaystyle s \leq -n, λs=(s+n)/n\displaystyle \lambda_s = (s+n)/n pour −n≤s≤0\displaystyle -n \leq s \leq 0, λs=1\displaystyle \lambda_s = 1 pour 0≤s≤n\displaystyle 0 \leq s \leq n, λs=(2n−s)/n\displaystyle \lambda_s = (2n-s)/n pour n≤s≤2n\displaystyle n \leq s \leq 2n, λs=0\displaystyle \lambda_s = 0 pour s≥2n\displaystyle s \geq 2n (le graphe de λs\displaystyle \lambda_s entre −n\displaystyle -n et 2n\displaystyle 2n suit la forme d’un trapèze).

  1. Montrer que pour tout k∈{0,1,…,n}\displaystyle k \in \{0,1,\dots, n\} et tout z∈C\displaystyle z \in \mathbb{C}, on a : zk=12n∑ω∈U2nωk∑s∈Zλs(ωˉz)s,z^k = \frac{1}{2n} \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}}\omega^k \sum_{s \in \mathbb{Z}} \lambda_s (\bar{\omega} z)^s, U2n\displaystyle \mathbb{U}_{2n} étant l’ensemble des racines de l’unité d’ordre 2n\displaystyle 2n.
  2. On pose R(z):=12n∑s∈Zλszs\displaystyle R(z) := \frac{1}{2n} \sum_{s \in \mathbb{Z}} \lambda_s z^s. Montrer que pour tout z∈C\displaystyle z \in \mathbb{C}, P(z)=∑ω∈U2nP(ω)R(ωˉz).P(z) = \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} P(\omega) R(\bar{\omega} z).
  3. On note U:={z∈C,∣z∣=1}\displaystyle \mathbb{U} := \{z \in \mathbb{C}, |z| = 1\} le cercle unité. Montrer que pour tout u∈U\displaystyle u \in \mathbb{U}, ∣R(u)∣≤min⁡(1,2n−2∣1−u∣−2)\displaystyle |R(u)| \leq \min(1, 2 n^{-2} |1-u|^{-2}).
  4. Pour z∈U\displaystyle z \in \mathbb{U}, on note d0≤d1≤⋯≤d2n−1\displaystyle d_0 \leq d_1 \leq \dots \leq d_{2n-1} les distances ∣1−ωˉz∣\displaystyle |1 - \bar{\omega} z| pour ω∈U2n\displaystyle \omega \in \mathbb{U}_{2n}, rangées par ordre croissant. Montrer que dj≥2sin⁡(πj/4n)\displaystyle d_j \geq 2 \sin( \pi j / 4n).
  5. Montrer que pour tout z∈U\displaystyle z \in \mathbb{U}, ∑ω∈U2n∣R(ωˉz)∣≤1+12n2∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n).\sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} |R(\bar{\omega} z)| \leq 1 + \frac{1}{2 n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{ \sin^2( \pi j / 4n)}.
  6. Montrer que l’on a le résultat suivant: il existe une constante universelle C>0\displaystyle C > 0 telle que le maximum, sur le cercle unité, du module de tout polynôme de degré au plus n\displaystyle n est au plus C\displaystyle C fois le maximum du module sur 2n\displaystyle 2n points uniformément répartis sur ce cercle. Montrer qu’il est possible de prendre C=5\displaystyle C = 5.
  7. On admet d’identité ∑j=1N−11sin⁡2(πj/N)=N2−13\sum_{j=1}^{N-1} \frac{1}{\sin^2(\pi j/N)} = \frac{N^2-1}{3}
    valable pour tout entier N≥2\displaystyle N \geq 2: une preuve est demandée pour l’exercice 567. Montrer qu’on peut prendre C=7/3\displaystyle C =7/3.
  8. Montrer qu’il n’est pas possible de prendre C<2\displaystyle C < \sqrt{2}.

Le résultat de cet exercice (avec C=14\displaystyle C = 14) intervient de manière importante dans l’article suivant, qui étudie l’ordre de grandeur des valeurs extrêmes de polynômes caractéristiques de matrices aléatoires: https://arxiv.org/abs/1607.00243 (voir Lemme 4.3). La valeur optimale de C\displaystyle C n’est pas connue par l’auteur de l’exercice, qui en testant quelques dizaines de milliers de polynômes aléatoirement choisis n’a pas pu exclure que C=2\displaystyle C = \sqrt{2} soit possible. On a un résultat analogue (avec une constante ne dépendant que de ε\displaystyle \epsilon), en changeant U2n\displaystyle \mathbb{U}_{2n} par Umax⁡(n+1,⌊n(1+ε)⌋)\displaystyle \mathbb{U}_{\max(n+1, \lfloor n(1+ \epsilon) \rfloor) }, ε\displaystyle \epsilon étant n’importe quel réel strictement positif choisi à l’avance. Il est clair qu’on ne peut pas changer U2n\displaystyle \mathbb{U}_{2n} en Un\displaystyle \mathbb{U}_{n}, comme le montre l’exemple du polynôme z↦zn−1\displaystyle z \mapsto z^n -1. Pour Un+1\displaystyle \mathbb{U}_{n+1}, on obtient un résultat analogue, mais C\displaystyle C doit être remplacé par une fonction croissant logarithmiquement en n\displaystyle n.

  1. Comme λs=0\displaystyle \lambda_s = 0 dès que s≤−n\displaystyle s \leq -n ou s≥2n\displaystyle s \geq 2n, le membre de droite de l’égalité est 12n∑s=−n+12n−1λszs∑ω∈U2nωkωˉs=∑s=−n+12n−1λszs1s≡kmod.⁡2n.\frac{1}{2n} \sum_{s = -n+1}^{2n-1} \lambda_s z^s \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} \omega^{k} \bar{\omega}^s = \sum_{s = -n+1}^{2n-1} \lambda_s z^s \mathbf{1}_{s \equiv k \operatorname{mod.} 2n}.
    Il n’est pas possible d’avoir ∣s−k∣≥2n\displaystyle |s-k| \geq 2n avec k∈{0,…,n}\displaystyle k \in \{0,\dots,n\} et s∈{−n+1,…,2n−1}\displaystyle s \in \{-n+1, \dots, 2n-1\}, donc la congruence n’est satisfaite que pour s=k\displaystyle s = k. Comme λk=1\displaystyle \lambda_k = 1 pour k∈{0,…,n−1}\displaystyle k \in \{0, \dots, n-1\}, on obtient le résultat souhaité.
  2. Le résultat est une conséquence directe de 1., par linéarité.
  3. On a
    2n∣R(u)∣≤∑s∈Zλs=∑s=−n+10s+nn+∑s=1n1+∑s=n+12n−12n−sn,=n+∑m=1nmn+∑m=1n−1mn=n+n+12+n−12=2n \begin{aligned} 2n |R(u)| & \leq \sum_{s \in \mathbb{Z}} \lambda_s = \sum_{s = -n+1}^0 \frac{s+n}{n} + \sum_{s = 1}^n 1 + \sum_{s = n+1}^{2n-1} \frac{2n-s}{n}, \\ & = n + \sum_{m = 1}^n \frac{m}{n} + \sum_{m=1}^{n-1} \frac{m}{n} = n + \frac{n+1}{2} + \frac{n-1}{2} = 2n \end{aligned}
    et donc ∣R(z)∣≤1\displaystyle |R(z)| \leq 1. D’autre part, λs\displaystyle \lambda_s est la moyenne, pour m\displaystyle m entier entre 0\displaystyle 0 et n−1\displaystyle n-1, des indicatrices des intervalles d’entiers {−m,−m+1…,n+m}\displaystyle \{-m, -m+1 \dots, n+m\}. On en déduit, en multipliant par n\displaystyle n, que si u∈U\{1}\displaystyle u \in \mathbb{U} \backslash \{1\}:
    2n2R(u)=∑m=0n−1∑s=−mm+nus=∑m=0n−1um+n+1−u−mu−1,2n^2 R(u) = \sum_{m=0}^{n-1} \sum_{s = -m}^{m+n} u^s = \sum_{m=0}^{n-1} \frac{u^{m+n+1} - u^{-m}}{u-1},
    2n2R(u)(u−1)=∑r=n+12nur−∑r=−n+10ur=u2n+1−un+1u−1−u−u−n+1u−1,2 n ^2 R(u) (u-1) = \sum_{r= n+1}^{2n} u^r - \sum_{r = -n+1}^0 u^r = \frac{u^{2n+1} - u^{n+1}}{u-1} - \frac{u - u^{-n+1}}{u-1},
    2n2R(u)(u−1)2=(u−u−n+1)(u2n−1).2n^2 R(u) (u-1)^2 = (u- u^{-n+1})(u^{2n}-1).
    Comme ∣u−1∣2=(u−1)(u−1−1)=−u−1(u−1)2\displaystyle |u-1|^2 =(u-1)(u^{-1}-1) = -u^{-1} (u-1)^2, on en déduit, pour tout u∈U\{1}\displaystyle u \in \mathbb{U} \backslash \{1\}:
    R(u)=(u−n−1)(u2n−1)2n2∣u−1∣2.R(u) =\frac{ (u^{-n} - 1) (u^{2n}-1)}{2n^2 |u-1|^2}.
    Le numérateur a un module au plus égal à 4\displaystyle 4, ce qui prouve le résultat demandé.
  4. Pour j∈{0,1,2,…,2n−1}\displaystyle j \in \{0,1,2, \dots, 2n-1\}, l’arc de cercle semi-ouvert correspondant aux arguments dans (−πj/2n,πj/2n]\displaystyle (-\pi j/2n,\pi j/2n] a pour longueur πj/n\displaystyle \pi j /n: il contient donc exatement j\displaystyle j points de la forme zωˉ\displaystyle z \bar{\omega} pour ω∈U2n\displaystyle \omega \in \mathbb{U}_{2n}. Parmi les points de cette forme, le (j+1)\displaystyle (j+1)-ème plus proche de 1\displaystyle 1 n’est donc pas sur cet arc, son argument pris dans (−π,π]\displaystyle (-\pi, \pi] est de valeur absolue au moins πj/2n\displaystyle \pi j /2n, et sa distance à 1\displaystyle 1 est au moins 2sin⁡(πj/4n)\displaystyle 2 \sin(\pi j / 4n).
  5. On a les inégalités:
    ∑ω∈U2n∣R(ωˉz)∣≤∑j=02n−1min⁡(1,2n−2dj−2)≤1+2n2∑j=12n−1dj−2≤1+2n2∑j=12n−11(2sin⁡(πj/4n))2. \begin{aligned} & \sum_{\omega \in \mathbb{U}_{2n}} |R(\bar{\omega} z)| \leq \sum_{j=0}^{2n-1} \min(1, 2n^{-2} d_j^{-2}) \\ & \leq 1 + \frac{2}{n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} d_j^{-2} \leq 1 + \frac{2}{n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{(2 \sin(\pi j / 4n))^2}. \end{aligned}
  6. En combinant 2. et 5., on trouve le résultat demandé, avec
    C=1+12n2∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n)≤1+12n2∑j=12n−11((2/π)πj/4n)2, C = 1 + \frac{1}{2n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{ \sin^2( \pi j/4n)} \leq 1 + \frac{1}{2n^2} \sum_{j=1}^{2n-1} \frac{1}{ ( (2 / \pi)\pi j/4n)^2},
    C≤1+2∑j=1∞1j2=1+π23≤5.C \leq 1 + 2 \sum_{j=1}^{\infty} \frac{1}{j^2} = 1 + \frac{\pi^2}{3}\leq 5.
  7. On applique l’égalité pour N=4n\displaystyle N = 4n, et on obtient
    16n2−13=∑j=14n−11sin⁡2(πj/4n)=1+2∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n),\frac{16n^2 - 1}{3} = \sum_{j=1}^{4n-1}\frac{1}{\sin^2(\pi j / 4n)} = 1 +2 \sum_{j=1}^{2n-1}\frac{1}{\sin^2(\pi j / 4n)},
    ∑j=12n−11sin⁡2(πj/4n)=8n2−23≤8n23.\sum_{j=1}^{2n-1}\frac{1}{\sin^2(\pi j / 4n)} = \frac{8n^2 - 2}{3} \leq \frac{8 n^2}{3}.
    Ceci permet de prendre C=7/3\displaystyle C = 7/3.
  8. Le polynôme z↦zn+i\displaystyle z \mapsto z^n +i donne un contre-exemple pour tout C<2\displaystyle C < \sqrt{2}.