Mathematiques Du Signal - 3e Edition

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Rappels de cours et exercices résolus Master • Écoles d’ingénieurs

MATHÉMATIQUES DU SIGNAL 3e édition

Dariush Ghorbanzadeh Pierre Marry Nelly Point Denise Vial

MATHÉMATIQUES DU SIGNAL

MATHÉMATIQUES DU SIGNAL Rappels de cours et exercices résolus Dariush Ghorbanzadeh Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM, Paris)

Pierre Marry Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM, Paris)

Denise Vial Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM, Paris)

Nelly Point Professeur au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM, Paris)

3e édition Préfacé par Hervé Reinhard Professeur au CNAM (Paris)

Illustration de couverture : DigitalVision

© Dunod, Paris, 2008 © Dunod, 2002, pour l’ancienne édition

ISBN 978-2-10-053806-5

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Préface

Un seul coup d’œil aux rayons « mathématiques » des librairies scientifiques suffit pour réaliser qu’il est inutile de convaincre les étudiants de la nécessité de faire des exercices pour réussir leurs examens. Les éditeurs le savent, qui publient une multitude de recueils d’exercices ; les étudiants le savent, qui achètent ces ouvrages. Tout mathématicien, même apprenti, sait cependant qu’une condition nécessaire n’est pas toujours suffisante. Ainsi, il ne suffit pas d’acheter un livre d’exercices, ni même de le lire, pour réussir une épreuve de mathématiques, et, encore moins, pour comprendre les éléments d’une théorie et la façon de l’appliquer. Il convient de faire un usage judicieux d’un ouvrage d’exercices corrigés. Les auteurs s’expliquent plus longuement sur ce point dans leur avant-propos. Ceux-ci travaillent (ou ont travaillé) au sein de l’équipe d’enseignants des mathématiques du signal au Conservatoire National des Arts et Métiers. Ils y ont acquis une grande expérience pédagogique au service des étudiants de cet établissement et ont su mettre au point, avec toute l’équipe, en particulier Bénédicte Logé, des exercices variés et progressifs, adaptés à cette discipline. Ils ont noué avec des collègues d’autres disciplines, comme avec les étudiants, un dialogue riche dont ils ont su tirer parti. Les lecteurs devraient donc trouver dans cet ouvrage un outil particulièrement efficace pour tester et approfondir leurs connaissances. Hervé Reinhard

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Avant propos

Les mathématiques du signal concernent le signal analogique, le signal numérique déterministe et le signal aléatoire. Ce recueil d’exercices résolus recouvre l’ensemble de ces domaines mais les notions et les outils correspondants (analyse de Fourier, distribution et probabilités) sont utiles dans un cadre bien plus large incluant la mécanique, le contrôle. Ce recueil complète l’ouvrage Éléments de mathématiques du signal de H. Reinhard. Le plan et le contenu des chapitres correspondent à ceux du volume précité. Chaque chapitre s’ouvre sur des rappels des définitions, des propriétés et des théorèmes nécessaires à la résolution des exercices proposés. Une liste de notations et un index complètent la table des matières. Deux types d’exercices sont proposés. Certains visent seulement à l’apprentissage du maniement des concepts fondamentaux et peuvent, de ce fait, sembler un peu abstraits. Il convient cependant de ne pas les négliger car ils ont été sélectionnés pour permettre au lecteur d’éviter certaines idées fausses ainsi que des confusions avec des objets mathématiques déjà connus. D’autres sont orientés vers l’utilisation des concepts dans des applications pratiques. Pour chaque exercice, le lecteur devrait essayer de chercher la solution, question par question. Une fois la réponse trouvée, ou en cas d’échec prolongé, on peut se reporter à la solution proposée et essayer de comprendre les erreurs ou les points de blocage éventuels avant de passer à la question suivante. Lire d’emblée la solution d’un exercice n’est d’aucun profit même si celle-ci est rédigée pour être facilement compréhensible.

Index des notations p

Cn

C 0 (I ) C n (I ) C ∞ (I ) L 1 (I )

 f 1

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

L 2 (I )

  n! n , noté aussi p (n − p)! p! espace vectoriel des fonctions continues sur l'intervalle I espace vectoriel des fonctions n fois continûment dérivables sur l'intervalle I espace vectoriel des fonctions indéfiniment dérivables sur l'intervalle I espace vectoriel des fonctions sommables sur l'intervalle I  1 norme de f dans L (I ) :  f 1 =  f  L 1 (I ) = | f (t)| dt coefficient du binôme : Cnp =

I

 f,g

espace vectoriel des fonctions de carré sommable sur l'intervalle I  2 f (t)g(t)dt produit scalaire de deux fonctions dans L (I ) :  f,g = I 

 f 2

norme de f dans L 2 (I ) :  f 2 =  f  L 2 (I ) =

D S D S

espace des fonctions indéfiniment dérivables à support compact espace des fonctions indéfiniment dérivables à décroissance rapide espace des distributions espace des distributions tempérées transformée de Fourier de f , aussi notée fˆ transformée de Laplace de f transformée de Hilbert de f transformée en z fonction de Heaviside ou échelon unité : Y (t) = 1l [0,+∞[ (t) notée aussi H (t) ou u(t) fonction signe : égale à 1 sur R+∗ , à –1 sur R−∗ et à 0 en t = 0. fonction caractéristique de l'intervalle [a,b] :  1l [a,b] (t) = 1 si t ∈ [a,b] / [a,b] 0 si t ∈

F( f ) L( f ) H( f ) Tz Y (t) sgn(t) 1l [a,b] (t)

| f (t)|2 dt I

X

Index des notations

Pa (t)

(α)

fonction porte centrée de longueur a : Pa (t) = 1l [− a ,+ a ] (t) 2 2   t  fonction triangle : a (t) = (1 −  )1l [−a,+a] (t) a  ∞ u α−1 e−u du pour α > 0 fonction gamma : (α) =

ϕ(t)

densité de probabilité de la loi normale centrée réduite

a (t)

0

ϕ(t) = (t)

erf(t) [f]

 f (t)dt

VP I

Pf δa, δ(t − a)  N (0,1) N (µ,σ2 )

2 1 −t √ e 2 2π

fonction de répartition de la loi normale centrée réduite :  t u2 1 e− 2 du (t) = √ 2π −∞  t u2 1 e− 2 du fonction d'erreur : erf(t) = √ 2π 0 distribution régulière associée à la fonction f  f (t)dt valeur principale de l'intégrale divergente I

pseudo-fonction masse de Dirac au point a. On note δ = δ0 = δ(t) peigne de Dirac loi de probabilité de Gauss (loi normale centrée réduite) loi normale de moyenne µ et de variance σ2

Table des matières

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Préface

V

Avant propos

VII

Index des notations

IX

CHAPITRE 0 • Intégration

1

CHAPITRE 1 • Espaces

19

CHAPITRE 2 • Orthogonalité, projections dans L 2 (I )

31

CHAPITRE 3 • Séries de Fourier

45

CHAPITRE 4 • Intégrales à paramètre, convolution

65

CHAPITRE 5 • Transformation de Fourier

85

CHAPITRE 6 • Transformation de Laplace

105

CHAPITRE 7 • Introduction à la théorie des distributions

121

CHAPITRE 8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

131

CHAPITRE 9 • Transformée de Fourier et de Laplace des distributions. Transformées en z des signaux numériques

161

CHAPITRE 10 • Filtrage

199

CHAPITRE 11 • Espace de probabilités

211

CHAPITRE 12 • Variables Aléatoires

225

CHAPITRE 13 • Covariance. Coefficient de corrélation

273

CHAPITRE 14 • Vecteurs gaussiens

289

CHAPITRE 15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

303

Chapitre 0

Intégration RAPPELS




b

• Si la fonction f est continue sur l’intervalle fermé borné [a,b],

f (x)dx est

a

une intégrale définie et c’est un nombre si a, b et f sont spécifiés.
x f (t)dt est une fonction de x. C’est la primitive de f qui s’an• Pour x ∈ [a,b], a

nule pour x = a. • Si l’intervalle est non borné ou si f n’est pas bornée, on dit que l’intégrale est impropre (ou généralisée).
X
∞ f (x)dx existe et a une valeur finie. f (x)dx est convergente si lim – a




– Si f n’est pas définie en b,

X→+∞ a

b




f (x)dx est convergente si lim

ε→0+

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

a

b−ε

f (x)dx

a

existe et a une valeur finie. Sinon, ces intégrales divergent. • Critères de Riemann
∞ 1 dx converge si et seulement si α > 1, diverge sinon. (R0.1) xα a
b 1 dx converge si et seulement si α < 1, diverge sinon. (R0.2) (x − a)α a
b
b g(x)dx
f (x)dx. • Si, ∀x ∈ [a,b], 0
g(x)
f (x), alors 0
a

a

2

Mathématiques du signal




b

• Une intégrale


f (x)dx est dite absolument convergente si

a




valeur finie. Cela implique qu’elle est convergente car |

b

| f (x)|dx a une

a b




f (x)dx|


b

| f (x)|dx.

a

a

On dit alors que la fonction f est sommable sur [a,b]. • Critères de comparaison ln(X) eX −−−→ 0, εn ln(ε) −−→ 0 . – Pour n > 0, n −−−→ + ∞ , X X→+∞ X n X→+∞ ε→0 f (x) = 1 , on note f ∼ g. – f et g sont équivalentes au voisinage de a, si lim x→a g(x) a
b
b f (x) dx et g(x) dx sont – f et g sont continues sur ]a,b] et si f ∼ g alors a

a

a

de même nature.




– si f et g sont continues sur [a,+∞[ et si f ∼ g alors =∞
∞ g(x)dx sont de même nature.

∞

f (x)dx et

a

a

• Intégrales doubles – Changements de variables : si x = g(u,v) et y = h(u,v), on a :





f (x,y)dxdy =

f (g(u,v),h(u,v))|J (u,v)|dudv




D

où
est l’image du domaine D, J est la matrice jacobienne : J = et |J (u,v)| son déterminant, appelé Jacobien.

(R0.3)  ∂g ∂u ∂h ∂u

∂g ∂v ∂h ∂v



– Théorème de Fubini Si f est sommable sur le domaine D, on peut indifféremment intégrer d’abord en x ou en y, le résultat est identique.

Exercice 0.1 En appliquant la définition d’une intégrale impropre, dire si les intégrales suivantes sont définies ou non. ∞

I1 =

∫0 e

I3 =

1

∫0

−t

dt

ln t dt

I2 = Γ ( n ) = I4 =

∞ e−t

∫0

t

∞

∫0 t dt

n −1 − t

e dt avec n
1 I5 =

2

∫−2

dt 4 − t2

0 • Intégration

1) I1 = lim

3

∫

X

∫

X

X →+∞ 0

2) I2 = lim

e − t dt = lim [ − e − t ]0X = lim (1 − e − X ) = 1. Donc, I1 est définie et vaut 1. X →+∞

t n −1e − t dt . Or, en intégrant par parties et si n > 1,

X →+∞ 0

∫

X

0

∫

d’où : lim

X

X →+∞

t n −1e − t dt = − X n −1e − X + (n − 1)

∫

t n −1e − t dt = (n − 1) lim

X →+∞ 0

X

∫

X

∫

X

t n − 2 e − t dt

0

t n − 2 e − t dt

X →+∞ 0

= ....... = (n − 1)(n − 2)...1 lim

X →+∞ 0

e − t dt = (n − 1)!

Donc, Γ(n) existe et vaut (n – 1)! On a :

Γ (n) = (n − 1)Γ (n − 1) = (n − 1)! 3) I3 = lim+ ε →0



1



1

∫ ln t dt = lim [t ln t ] − ∫ dt  = lim {−ε ln ε − 1 + ε} = −1. 1 ε

ε →0 +

ε

ε →0 +

ε

Donc, I3 existe et vaut – 1. 4) I4 = lim+ ε →0

∫

e −t dt + t

1

ε

∫

Posons J (ε ) =

1

ε

ε →0

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

0  lim

∫

X

∫

1

e

X →+∞ A

−t

t

1

∫ ln t e

En effet : 0  lim+ A

t

1

X

∫

dt + lim

X →+∞ A

e −t dt . t

e −t dt . En intégrant par parties, on a : t

J (ε ) = − ln ε e − ε +

D’autre part,

∫

A e −t

−t

∫

1

ε

dt et lim+ J (ε ) = +∞ car l’intégrale est bornée. ε →0

ε

∫

ln t e − t dt  lim+

1

ε

ε →0

e −t dt est finie et lim X →+∞ t dt  lim

∫

X

X →+∞ A

e − t dt 

∫

1

ln t e − t dt  − ln t dt = 1 d’après 3). 0

∫

X

A

e −t dt existe car : t

1 ∀ A
1. Donc, I4 diverge. eA

5) La fonction à intégrer étant paire, la nature de I5 est la même que celle de I6 où I6 =

2

dt

0

4−t

∫

2

et l’on a : I6 = lim+ ε →0

En posant t = 2 sinx, I6 = lim+ ε →0

∫

α

0

∫

2 −ε

0

dt 4 − t2

.

cos x dx où α = arcsin(1 – ε/2) cos x

  ε  π d’où I6 = lim+  arcsin 1 −  = , donc I5 existe et vaut 2I6 , soit π.  2 2  ε →0

4

Mathématiques du signal

Exercice 0.2 Donner la nature des intégrales I1 , I2 , I4 , I5 précédentes en utilisant la comparaison avec les intégrales de référence

∫

I1 =

1)

+∞

dt

∫ tα

dt

∫ (b − t )α

et

e − t dt . Le seul problème est à l’infini. Or, si X est assez grand et

0

t
X, et > t2 et 0 

∫

∞

X

e − t dt <

∫

∞

X

dt , cette dernière intégrale étant convergente, t2

∫

+∞

e − t dt

X

aussi et I1 converge.

∫

2) I2 =

+∞

0

t n −1 e − t dt . Là aussi, la fonction est continue en 0. À l’infini, si t est assez grand,

n −1 − t on peut écrire et > tn+1 et, alors, t e <

1 dont l’intégrale converge sur [X, ∞[ ∀ X > 0. t2

I2 converge aussi. 3) I4 =

∫

+∞

0

e −t e −t 1 dt . Pour t assez grand, et > t, et donc < 2 dont l’intégrale converge t t t

au voisinage de l’infini. Mais

e −t 1
en 0 et t t

∫

X

0

e −t dt n’a pas de valeur finie ∀ X fini. t

Donc, I4 diverge. Cette façon de procéder par équivalences est plus rapide que l’utilisation de la définition. (Comparer avec l’exercice 1). I5 =

4)

−2

4−t

4−t

∫ (t − a ) a

dt

1

– 2), b

2

∫

dt

α

2




2

=

∫

2

−2

dt , 2−t 2+t

et

au

voisinage

1 1 (respectivement ). Or, si a < b, 2 2−t 2 2+t

de

2 b

(respectivement

∫ (b − t ) dt

α

a

ou

converge si α < 1. Donc I5 converge.

Exercice 0.3 Examiner la nature des intégrales suivantes : ∞ ∞ +∞ ln t dt I1 = e − t dt I2 = I3 = dt −∞ 0 (t + 1) t 1 tα

∫

∫

∫

I4 =

+∞

∫0

ln t dt . t −1 2

0 • Intégration

1) I1 =

∫

0

5

e − t dt +

−∞

∫

+∞

0

e − t dt . La première intégrale vaut lim

∫

0

Y →−∞ Y

e − t dt = +∞ après intégra-

tion directe et on a vu que la seconde converge. I1 diverge puisque somme d’une divergente et d’une convergente. 2) Pour I2 , les seuls points à considérer sont 0 et +∞, la fonction à intégrer étant continue 1 1
entre les deux. À l’infini, qui est intégrable au voisinage de +∞. En 0, (t + 1) t t 3 / 2 1 1
qui est intégrable au voisinage de 0. Donc I2 converge. (t + 1) t t 3) En 1, la fonction est continue. Si α > 1, ∃ β tel que 1 < β < α et on peut écrire : ln t ln t 1 ln t = α − β β . Or, α − β → 0 , donc, pour t assez grand, cette quantité est bornée par une t →+∞ tα t t t ln t 1 constante c et 0 < α  c β qui est sommable sur tout intervalle (X, +∞) si X > 1. t t ln t A Par contre, si α < 1, α
α toujours pour t assez grand, car lnt tend vers +∞ avec t, donc t t est minoré par une constante A > 0, mais cette fonction n’est pas intégrable à l’infini. Donc I3 diverge. Si α = 1, on pose u = lnt et I3 devient

∞

∫ u du qui diverge. 0

Donc I3 diverge pour α  1 et converge si α > 1. 1

4) I4 existe si

∫t 0

ln t dt et −1

2

∫

+∞

1

ln t dt existent. Les points à considérer sont 0, 1, et ∞. t −1 2

1 ln t tβ  ∀ β > 0 ; cette fonction étant équivalente à 2 − β , qui est inté2 2 t t −1 t −1 grable si 2 – β > 1, il suffit de choisir β = 1/2 et la fonction est intégrable à l’infini.

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À l’infini, 0 <

En 0, la fonction équivaut à – lnt, donc intégrable (cf. exercice 0.1). En 1, la fonction n’est pas définie mais, si l’on pose x = t – 1, avec le développement limiln(1 + x ) 1 1 té de ln(1 + x), qui tend vers quand x tend vers 0. La fonction, pro
(2 + x ) x 2 + x 2 longeable par continuité, est intégrable en 1. Donc I4 converge et vaut 0.18).

π2 (cf. exercice 4

6

Mathématiques du signal

Exercice 0.4 1) Étudier la sommabilité de

sin t sur ]0,1] et [1, +∞[ selon les valeurs de α tα

(α > 0). 2) Quelles sont les valeurs de α pour lesquelles +∞

∫0

+∞ sin t

∫0

tα

dt converge mais pas

sin t dt ? tα

3) Application aux intégrales de Fresnel C =

∞

∫0 cos t dt et 2

S=

∞

∫0 sin t dt . 2

1) Sommabilité sur ]0, 1] : la fonction est continue sur ]0, 1], non définie en 0 au voisinasin t sin t t 1 α = α
α = α −1 , fonction sommable si et seulement si α – 1 < 1 t t t t

ge duquel on a : soit α < 2 .

Sommabilité sur [1, +∞[ :

sin t 1 fonction sommable si α > 1. Mais, si α  1, on a α  α , t t

simplement majoré par une fonction non sommable, ce qui n’induit rien pour

sin t sin t par une fonction non α n’est pas sommable quand α  1, minorons t tα

s’assurer que

sommable, à savoir :

1 − cos 2t . 2t α

En effet, sin t
sin 2 t =

1 (1 − cos 2t )
0 car a2  a si 0  a  1. 2

Pour 0 < α < 1, on a :

∫

∞ 1 − cos 2t

t

1

α

∞

∞   1  sin 2t  − − dt =  α −1   α   (1 − α )t 1  2t 1

Le dernier terme est fini car vaut

sin t . Pour tα

∫

∞ α sin 2t

1

2t α +1

dt .

α sin 2t α  α +1 sommable sur [1,+∞[. Le deuxième terme 2t α +1 2t

− sin 2 et le premier est infini car lim t α −1 = 0 . t →+∞ 2

Pour α = 1,

∫

∞ 1 − cos 2t

1

premier terme.

t

∞

sin 2t  dt = [ln t ]1∞ −  −  2t 1

∫

∞ sin 2t

1

2t 2

dt de valeur infinie à cause du

0 • Intégration

Donc,

7

sin t est sommable sur ]0,1] pour 0 < α < 2 et sur [1,+∞[ pour α > 1. tα

2) Puisque la sommabilité de la fonction implique la convergence de l’intégrale, on peut conclure de 1) que l’intégrale converge sur ]0,+∞[ si 1 < α < 2. Voyons si l’intégrale converge pour d’autres valeurs de α . Sur ]0,1], la fonction est positive et la convergence de l’intégrale équivaut à la sommabilité de la fonction, et l’intégrale converge si 0 < α < 2. Mais ce n’est plus le cas sur [1,+∞[. En intégrant par parties, on a :

∫

∞ sin t

1

t

α

 − cos t dt = lim   α  − X →+∞  t 1  X

∫

X

1

α

cos t  dt = valeur finie ∀ α > 0 t α +1 

car α + 1 > 1 et donc l’intégrale converge sur ]0,+∞[ pour 0 < α < 2. En résumé :

∫

+∞ sin t

sur ]0,1] pour 0 < α < 2 sin t est sommable  α t sur [1, +∞[ pour α > 1

∫

+∞

sin t dt converge si 1 < α < 2. tα +∞ sin t +∞ sin t dt converge mais pas En particulier, si α = 1, dt . 0 0 t t t

0

α

dt converge si 0 < α < 2 et

0

∫

∫

3) Remarquons que les fonctions à intégrer sont continues mais n’ont pas de limite à l’infini et on ne peut utiliser immédiatement d’équivalent. Alors, transformons les intégrales en posant : t = x . ∞ sin x cos x dx et S = dx . S = 0 2 x 0 2 x question 2). Pour C, intégrons par parties :

On obtient : C =

∫

∞

∫

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

∞

1  sin x  C= +   2 x 0 4 lim

x →+∞

∫

∞

0

∫

∞

0

sin x dx converge d’après la 2 x1 2

sin x sin x sin x 1 dx = lim − lim + x x 0 →+∞ → 2 x 2 x 4 x x

∫

∞ sin x

0

x3/ 2

dx .

1 sin x sin x sin x  et lim = 0 car 0  = 0 et la dernière intégrale converge x → 0 2 x 2 x 2 x 2 x

d’après la question 2). Donc, C converge : on montre que ces intégrales de Fresnel valent 1 π . 2 2

8

Mathématiques du signal

Exercice 0.5 Valeur principale 1) Soit f une fonction quelconque, intégrable partout sauf en +∞ et en –∞ et soit fp ∞ 1 sa partie paire. On rappelle que f p (t ) = [ f (t ) + f ( −t )]. Calculer VP f (t ) dt −∞ 2 en fonction de fp en précisant dans quelle condition cette valeur existe.

∫

2) Application : f (t ) =

1) VP

∫

∞

−∞

f (t ) dt = lim

∫

1 + t − t3 . 1 + t2

X

X →+∞ − X

= lim  X →+∞

0

∫

−X

= lim 2 X →+∞

f (t ) dt

∫

f (t ) dt +

∫

X

0

f (t ) dt  = lim  X →+∞

∫

X

0

[ f (t ) + f ( −t )] dt

X

0

f p ( t ) dt

qui existe si fp est intégrable au voisinage de +∞. 2) Application : f vérifie bien les hypothèses du 1) et f p (t ) =

1 est intégrable au voi1+ t2

sinage de +∞. Alors, VP

∫

∞

−∞

f (t ) dt = lim 2 arctan( X ) = π . X →+∞

Exercice 0.6 Valeur principale 1) Tracer le graphe sur
de la fonction f définie par f (t ) = 2

1

1 . t (t + 2 )

2) Vérifier que

∫−1 t(t + 2) dt

3) Calculer VP

∫−1 t(t + 2) dt directement, puis en fonction de sa partie paire fp .

2

diverge.

1

1) La fonction n’est pas définie pour t = 0 et t = – 2 et f ′(t ) = t < – 1, négative sinon.

−2(t + 1) est positive si t 2 (t + 2 ) 2

0 • Intégration

9

2) Au voisinage de 0,

∫

ble et alors

3) VP

2

−1 t (t

1 1
qui n’est pas intégrat (t + 2 ) 2 t

1 dt diverge. + 2)

 1 dt = lim+  ε →0  −1 t (t + 2 )

∫

2

∫

−ε

−1

1 dt + t (t + 2 )

∫

2

ε

 1 dt  . t (t + 2 ) 

–1 –ε –2

0 ε

2

En décomposant la fraction rationnelle, on a : 1 1 1 1  =  −  t (t + 2 ) 2 t t + 2  et VP

∫

(

1 1 −ε 2 −ε 2 dt = lim+ [ln t ]−1 + [ln t ]ε − [ln t + 2 ]−1 − [ln t + 2 ]ε + 2) 2 ε →0

2

−1 t (t

)

1 ln 2 lim (ln ε + ln 2 − ln ε − ln(2 − ε ) − ln 4 + ln(2 + ε )) = − . 2 ε →0 + 2 Cette valeur représente la limite de la somme algébrique des aires hachurées quand ε → 0+. =

VP VP

∫

a

∫

a

−a

−a

f (t ) dt = 2VP

∫

a

0

f p (t ) dt où fp est la partie paire de f. Si f est impaire, fp est nulle et

f (t ) dt = 0 .

Ici, f p (t ) = Alors VP

∫

1 1 et fp ∈ L1(– 1,+ 1). ( f (t ) + f ( −t )) = 2 2 t −4

2

1 dt = 2 −1 t (t + 2 )

∫

1

1 dt + 0t −4 2

∫

2

1

1 dt . t (t + 2 )

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Exercice 0.7 Transformée de Hilbert 1) Étudier la sommabilité sur
de la fonction f définie par : ∞ 1 et calculer VP f (t ) = f (t ) dt si elle existe. 2 −∞ (t − a)(t + 1)

∫

2) La transformée de Hilbert d’une fonction ϕ est définie par : ( Hϕ )(u) =

1 VP π

+∞

∫−∞

ϕ (t ) dt . t −u

Calculer ψ = Hϕ puis η = Hψ dans le cas où : ϕ (t ) =

1 . t +1 2

t

10

Mathématiques du signal

1) Au voisinage de a, f se comporte comme

1 et n’est donc pas sommable, mais, au t−a

1 qui est sommable. t3 Donc, f est sommable sur ]–∞, a – ε1] ∪ [a + ε2 , +∞[, ∀ ε1 et ε2 > 0. voisinage de l’infini, f (t )


En particulier, f est sommable sur ]–∞, a – ε] ∪ [a + ε, +∞[, ∀ ε > 0. ∞ +∞  a −ε  f (t ) dt = lim+  f (t ) dt + f ( t ) dt  . Calculons alors VP ε → 0  −∞ −∞ a +ε  En décomposant la fraction en éléments simples, on obtient : 1 1 t a 1 f (t ) = = A − 2 − 2  où A = 2 . 2   t − a t +1 t +1 (t − a)(t + 1) a +1

∫

∫

∫

t−a   − a arctan t  . Une primitive de f est : F(t ) = A  ln 2   t +1 Alors, VP

∫

∞

−∞

f (t ) dt = lim+ {F( a − ε ) − F( −∞) + F( +∞) − F( a + ε )} ε →0

π aA π aA = lim+  F( a − ε ) − − − F( a + ε )  avec ε →0  2 2    (a + ε )2 + 1 F( a − ε ) − F( a + ε ) = Aln − a arctan(a − ε ) + a arctan(a + ε ) . 2 (a − ε ) + 1   Ainsi, lim+ {F( a − ε ) − F( a + ε ) } = 0 et VP ε →0

2) ψ (u) = H (ϕ )(u) =

η(t ) = H (ψ )(t ) =

1 VP π

1 VP π

∫

+∞

−∞

∫

+∞

−∞

∫

∞

−∞

f (t ) dt = −

πa . a2 + 1

dt u =− 2 d’après 1). 2 (t − u)(t + 1) u +1

−u du . (u − t )(u 2 + 1)

L’intégration se fait en décomposant en éléments simples : −u A Bu + C −1 g(u) = = + , A = tC et B = – A. où C = 2 (u − t )(u 2 + 1) u − t u 2 + 1 t +1 Une primitive de g est : B u−t G(u) = A ln u − t + ln(u 2 + 1) + C arctan u = A ln + C arctan u 2 u2 + 1 +∞ 1  t −ε  lim+  g(u) du + g(u) du  t +ε π ε → 0  −∞  1 1 −1 = [G( +∞) − G( −∞)] + lim+ [G(t − ε ) − G(t + ε )] = 2 = −ϕ (t ). π π ε →0 t +1

η(t ) =

∫

∫

Ainsi, H ( H (ϕ )) = −ϕ (voir exercice 9.10).

0 • Intégration

11

Exercice 0.8 1 avec D = ( x, y) / x 2  y  x   . 2 

∫∫D x dx dy

Calculer I =

1) Dessiner le domaine et intégrer d’abord en y. 2) Intégrer d’abord en x. Comparer les deux résultats. 1) I =

∫

12

0

x 

∫

x

x

2

dy dx = 

∫

12

0

x ( x − x 2 ) dx =

2) D’après la figure, x varie soit de y à ne en deux. I= I=

1 4

∫ ∫ 0

∫

14

0

 

y

y

 x dx  d y + 

1 ( y − y 2 ) dy + 2

5 . 192

y , soit de y à 1/2 : il faut alors couper le domaiy

  1 4 12

∫ ∫

12

y

 x dx  dy 

5 y2  − .   dy = 1 4 8 2 192

∫

y = x2

1 2 1

On obtient le même résultat car on intègre une fonction continue sur un domaine fermé borné et le théorème de Fubini s’applique, mais ce dernier calcul est plus long.

1 4

y=x

1 2

0

1 2

1

x

Exercice 0.9 Calcul d’une intégrale multiple dans le cas où l’ordre d’intégration s’impose

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Soit I =

2



2x

∫1  ∫x

y sin dy dx . x 

1) Tracer le domaine D d’intégration et calculer I directement. Peut-on calculer I en intégrant d’abord en x ?  u = x 2) Calculer I par le changement de variables suivant : v = y .  x

12

Mathématiques du signal

1) I =

∫

2

1

2x

y − x cos  dx x  x 

= −(cos 2 − cos1)

∫

2

1

y 5

3 x dx = (cos1 − cos 2). 2

y = 2x

4 3 D

2

y=x

1 0

∫∫

0,5

1

1,5

2

2,5

x

∫∫

y y y sin dx dy = sin dx dy d’après le théorème de est > 0 sur D, I = D D x x x Fubini. On peut alors intégrer d’abord en x mais en vain, car on ne connaît pas de primitive 1 y de sin , a fortiori de sin . x x Comme sin

2) Le domaine D est défini par : x  y  2x et x ∈ [1, 2] qui devient après changement de variables : 1  ν  2 et u ∈ [1, 2]. Donc l’image de D est : ∆ = [1, 2] × [1, 2]. Le jacobien de la transformation est : ∂x ∂x 1 0 ∂ J = u ∂v = =u ∂y ∂y v u ∂u ∂v I= =

∫∫

∆

sin v u du dv =

∫

2

1

u du ×

ν ∆

2

1

2

∫ sin v dv 1

0

3 (cos1 − cos 2). 2

u 1

2

Exercice 0.10 Critère de convergence dans
2 1) Montrer que, si r = x 2 + y 2 et a > 0,

∫∫r
a

dx dy converge si α > 2, diverge rα

sinon. 2) En déduire le critère de convergence de 1) Posons ∂x J = ∂r ∂y ∂r

θ {xy == rr cos sin θ .

∂x ∂θ = cos θ sin θ ∂y ∂θ

∫∫ra

dx dy . rα

Le jacobien de la transformation vaut : − r sin θ r cos θ = r

0 • Intégration

13

2π dx dy  +∞ r dr  dθ = 2π +∞ dr qui α = α −1 r
a r 0  a a r rα  converge si et seulement si α – 1 > 1 soit α > 2. a dr dx dy 2) I = = 2 π α α −1 qui converge si et seule0 r r a r ment si α < 2.

I=

∫∫

∫ ∫

∫∫

∫

y

M

∫

r θ

O

x

a

Exercice 0.11 Calculer I =

∫∫
×
+

e −( x

+

2

+ y2 )

∞

∫0 e

En déduire la valeur de

dx dy .

− x2

∞

∫−∞ e

dx et de

− ax 2

dx pour a > 0 . y

Remarquons d’abord que la fonction est sommable car elle 2 1 est continue en 0, et, à l’infini, on peut écrire : e − r  3 r (voir exercice 0.10).

M r

θ

0

x

Puisque le domaine est un « pavé » et que la fonction est le produit d’une fonction de x par une fonction de y, on a :

∫

I=

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Posons :

+∞

0

2 e− x  

∫

+∞

0

2 e − y dy dx = 

∫

+∞

0

e − y dy × 2

∫

+∞

0

e − x dx =   2

{yx == rr sincosθθ . Alors, le jacobien vaut :

∫

+∞

0

e − x dx   2

2

θ

π J = r et le domaine devient : ∆ =
+ × 0,  .  2 

π 2

∆ r

0

D’où : I =

∫∫ e

Donc, I =

π , 4

∫

+∞

−∞

∆

e − ax dx = 2

−r2

∫

r dr dθ =

+∞

0

π a

∫

π 2

0

dθ ×

e − x dx = I = 2

.

∫

+∞

0

re

+∞

π  −e − r  π dr =   = . 2  2  4 0 2

−r2

π , et, en posant : x = u a 2

∫

+∞

0

e − au du = 2

1 π et 2 a

14

Mathématiques du signal

Exercice 0.12 Calculer I =

∫∫D(a) f ( x )g( y) dx dy avec

f ( x) =

1

1{ x 0, en faisant le change2

*

ment de variables suivant : x =

t et y = u. u y

D(a) est le domaine hachuré mais, compte tenu des valeurs de f et de g, on intègre en fait sur D′(a) = {(x,y)/ xy < a, |x| < 1, y > 0} (en grisé) et fg est sommable sur D(a). Le jacobien de la transformation est :

y= a x

D′(a) 0 –1

∂x ∂x 1 t − 2 1 J = ∂t ∂u = u u = ∂y ∂y u 0 1 ∂t ∂u et l’image de D′(a) est : t   ∆( a) = (t, u) / t < a, < 1, u > 0  u  

x

+1 D(a)

u

soit : ∆(a) = {(t, u) / |t| < u, t < a}.

∆(a) u = |t|

a

0

t

 +∞ ue − u 2 / 2  du d t  2 2 2 D ′( a) π 1 − x −∞  t π u − t  On intègre d’abord en u, sinon il faudrait couper le domaine en deux sous-domaines et l’on pose : ν 2 = u2 – t2. D’où ν dν = u du et Alors, I ( a) =

ye − y

∫∫

I ( a) =

en utilisant

∫

+∞

0

∫

/2

a

−∞

e − ax dx = 2

2

e

dx dy =

−t 2 / 2

  

∫

∫ ∫

+∞

0

a

 e −ν / 2 dν  dt = π  2

1 2π

∫

a

−∞

e −t

1 π . 2 a

I(a) est la fonction de répartition de la loi normale centrée réduite.

2

/2

dt

0 • Intégration

15

Exercices d’entraînement 0.13 Les majorations suivantes sont-elles vraies ou fausses ? 1)

∫

1

∫

12

∫

b

0

2)

0

3)

a

f ( x ) dx −

∫

2

1

f ( x ) dx −

∫

1

f ( x ) dx 

∫

b

f ( x ) dx 

∫

f ( x ) dx 

12

2

f ( x ) dx

0

∫

12

0

f ( x ) dx −

∫

1

f ( x ) dx

12

max f ( x ) dx

a x ∈[ a, b ]

0.14 Étudier la sommabilité des fonctions f suivantes sur les intervalles précisés et calculer les intégrales qui convergent (notées I). 1 sur
2) 1) (t3 + t + 1)e–2t sur [1,+∞[ ch t 3) (t – 1)–1/3 sur I1 = [1,2[ et I2 = [2,+∞[

4)

1 t t2 −1

sur [1, +∞[

5)

t sur [0, +∞[ (1 + t 2 )2

6)

1 sur [0, +∞[ (1 + t 2 )2

7)

cos t sur ]0,1] t

8)

ln t sur [1, +∞[ (1 + t )2

0.15 Les fonctions suivantes sont-elles sommables sur les intervalles considérés ?

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

1)

3)

π cos t  2 

(1 − t )3 / 2

π cos t  2  sur ]0, 1] 2) t3/ 2

sur [0, 1[

e sin t sur ]0, 1] puis [1, +∞[ t

1 4) arctan sur ]0, 1] et [1, +∞[ t

1 5) sin sur ]0, 1] et [1, +∞[ t

6)

ln t β sur ]1, +∞[ et ]0, 1[ tα

n −π t 0.16 Montrer que t e est sommable sur
, ∀ n ∈ . 2

Soit In =

∫

+∞

−∞

t n e −π t dt . Calculer In sachant que I0 = 1. 2

0.17 Étudier la convergence et la convergence en valeur principale des intégrales suivantes : 1 dt 1 dt 1 t+2 dt I1 = I2 = I3 = 2 −1 t −1 t −1 t (t + 3)

∫

∫

∫

16

Mathématiques du signal

0.18 Calculer les intégrales multiples suivantes (calcul direct) I1 =

∫∫

I2 =

∫∫

I3 =

∫∫

I4 =

∫  ∫

I5 =

∫∫

D

dx dy avec D = {(x,y) / 0 < x < 1, 0 < y < 1, x + y > 1}

y 2 2 dx dy avec D = {(x,y) / x  y  4x, x  1} Dx x dx dy avec D = {(x,y) / 0 < x < 2, – 1 < y < 1, 0 < x + y < 1}

D



2  e x dx  dy  3y

2

0

6

dx dy . Pour I5 , intégrer 2 fois : d’abord en x, puis (1 + y)(1 + x 2 y)


+ ×
+

d’abord en y. En déduire la valeur de J = I6 =

∫∫∫ dx dy dz D

∫

+∞

0

ln x dx x2 −1

avec D = {(x,y,z) / x2 + 2y2  z  1 – y2}

0.19 Calculer les intégrales multiples suivantes en faisant le changement de variables indiqué. I1 =

∫∫

I2 =

∫∫

I3 =

∫∫


+ ×
+

+


×


e − ( x + y ) ( x + y) n dx dy en posant : x = u et y = ν – u.

+

e −(u

2

+v2 )

cos(t (u 2 + v 2 ))du dv . Poser u = ω cos θ v = ω sin θ

x−y dx dy où D = {(x,y) / 0  y  x, y  1 – x} D1+ x + y

Poser : x – y = u, x + y = ν. 0.20 Critère de convergence dans
3 1) Montrer que, si r = x 2 + y 2 + z 2 et a > 0, si α > 3, diverge sinon. 2) En déduire le critère de convergence de

∫∫∫

r a

∫∫∫

dx dy dz converge rα

r
a

dx dy dz . rα

Réponses

0.13 1) Faux : l’inégalité est du type |a – b|  |a + b| qui est fausse (il suffit de prendre a = 3 et b = – 5). La majoration correcte est :

∫

1

0

f ( x ) dx −

∫

2

1

f ( x ) dx 

∫

1

0

f ( x ) dx +

∫

2

1

f ( x ) dx 

2

∫ f ( x ) dx 0

0 • Intégration

17

2) Faux : l’inégalité est du type |a – b|  |a| – |b] qui est fausse (il suffit de prendre a = 3 et b = – 5). La majoration correcte est :

∫

12

f ( x ) dx −

0

∫

1

12

f ( x ) dx 

∫

12

f ( x ) dx +

0

∫

1

12

f ( x ) dx 

1

∫ f ( x ) dx 0

3) Faux : il suffit de prendre f(x) = x – 1 sur [0,1], alors

∫

1

0

∫

1

f ( x )dx =

1 2

et

max f ( x ) dx = 0 . La majoration correcte est :

0 x ∈[ 0,1]

∫

b

a

f ( x ) dx 

∫

b

max f ( x ) dx = max f ( x ) ⋅ (b − a)

a x ∈[ a,b ]

x ∈[ a,b ]

1 si t grand ). Écrire la primitive sous la t5 forme : P(t)e–2t où P(t) est un polynôme de degré 3 dont on détermine les coefficients en dérivant et en identifiant (on a : P ′(t) – 2P(t) = t3 + t + 1 ∀ t). On obtient : 29 −2 I = − P(1)e −2 = e . 8

0.14 1) f est intégrable ( e − t 

2) f est intégrable (utiliser e|t| > t2 si t grand) et I = π en posant u = et. 3 3) f est intégrable sur I1 (et I = ) mais pas sur I2 . 2 4) f est intégrable (comparer à 5) Poser u = 1 + t2, I = 6) Poser t = tanθ, I =

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7) f


1 π ). Poser t = chu, alors, I = . tα 2

1 . 2

π . 4

1 en 0 et n’est donc pas intégrable. t

8) f est intégrable (0 < f (t) ≤

1 t 2−α

∀ α > 0 quand t est grand, prendre α = 1/2). En inté-

grant par parties, on a : I = ln2. 0.15 1) Oui : f (t )


π 2 1− t

2) Non : f (t )


1 t

32

quand t est voisin de 1, continue en 0.

en 0.

3) Non sommable du tout : la fonction se comporte comme rieure à

e −1 (utiliser – 1  sint  1) t

1 en 0 et, à l’infini, est supét

18

Mathématiques du signal

4) Oui sur ]0,1] (intégrer par parties), non sur [1,+∞[ 1 (utiliser : lim X arctan = 1 ). X →+∞ X 5) Oui sur ]0,1] , non sur [1,+∞[ (poser t = 6) Sur [1,+∞[, poser u = lnt. Alors, I =

∫

+∞

0

1 dans l’intégrale). u

u β e(1−α )u du qui converge si α > 1 et β > – 1 et

+∞ ln β u 1 , alors I = 2 −α du qui converge si α < 1 et β > – 1 et si α = 1, 1 u u poser u = lnt : la fonction à intégrer devient uβ qui est sommable en +∞ si β < – 1, et en 0 si β > – 1.

∫

sur ]0,1], poser t =

0.16

t ne −π t = t ne 2

π − t2 2

In =

e

π − t2 2

 Me

π − t2 2

qui est sommable sur
.

n −1 (2 p − 1)(2 p − 3)....1 In−2 et I1 = 0 ⇒ I2 p = , I2p+1 = 0. (2π ) p 2π

0.17 I1 ne converge pas mais converge en valeur principale, VP Pour I2 , pas de convergence du tout ( VP Pour I3 , on a seulement : VP 0.18 I1 =

1

−1

dt = 0. t

dt  −2 + 2  ). 2 = εlim → 0  ε −1 t

∫

1

(t + 2 ) ln 2 dt = . 3 −1 t (t + 3)

∫

1

1 47 7 (aire de D) ; I2 = (intégrer en y d’abord) ; I3 = (couper le domaine en deux) 2 6 6

; I4 = I5 =

∫

e36 − 1 (permuter l’ordre d’intégration) ; 6

π2 2

(intégrer en x d’abord, puis t = y ) et si l’on intègre en y d’abord,

I5 = 2J d’où J =

π2 π (intégrer en z d’abord puis en (x,y) sur l’intérieur de l’el; I6 = 4 2 3

lipse : 3y2 + x2  1). 0.19 I1 = (n + 1)! = Γ(n + 2) ; I2 =

2 ln 2 − 1 π . ; I3 = 8 4(1 + t 2 )

 x = r cosϕ cosθ 0.20 1) Passer en coordonnées sphériques :  y = r sin ϕ cosθ z = r sin θ π π θ ∈  − ,  , ϕ ∈ (0,2π), |J| = r2cosθ, I = 4π  2 2 2) α < 3.

∫

∞

a

dr . r α −2

Chapitre 1

Espaces L 1 , L 2 et convergences RAPPELS • L 1 (I ) désigne l’espace vectoriel des fonctions sommables sur l’intervalle I,  borné ou non. Il est muni de la norme  f 1 = | f (t)|dt et  f 1 = 0 implique I

f = 0 presque partout (en abrégé pp ). • L 2 (I ) désigne l’espace vectoriel des fonctions dont le carré du module est som | f (t)|2 dt , associée au produit mable sur I. Il est muni de la norme  f 2 = I

scalaire

  f,g =

f (t)g(t) dt.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

I

• Inégalité de Schwarz dans L 2 (I ) : | f,g|
 f 2 g2 c’est-à-dire

(R1.1)

       f (t)g(t) dt 
| f (t)|2 dt |g(t)|2 dt   I

I

I

• Si I = [a,b] est borné, L 2 (I ) ⊂ L 1 (I ) et  f 1


√ √ b − a  f 2
b − a sup | f (t)|. t∈I

(R1.2)

20

Mathématiques du signal

• Convergence d’une suite ( f n )n∈N de fonctions vers f lorsque n tend vers +∞ : – ponctuelle : f n (t) −→ f (t) pour chaque t. n→+∞

– presque partout : f n (t) −→ f (t) pour presque tout t. n→+∞

– uniforme sur I : sup | f n (t) − f (t)| −→ 0. • Convergence dans

t∈I L 1 (I )

n→+∞

ou L 2 (I ) :  f n − f  −→ 0 avec la norme appropriée. n→+∞

L 2 (I ),

on dit aussi convergence en moyenne quadratique ou au sens de Pour l’énergie. • Propriétés : – Conv. uniforme ⇒ conv. ponctuelle ⇒ conv. presque partout. – Si une suite ( f n ) converge uniformément vers f sur I : – si les ( f n ) sont continues, alors f est continue.   f n tend vers f. – I

(R1.3)

I

– Si une suite ( f n ) converge ponctuellement vers f : si la suite des ( f n ) converge uniformément vers g, alors g = f  .

(R1.4)

– Pour I = [a,b] borné, on a, d’après (R1.2) : conv. uniforme ⇒ conv. dans L 2 (I ) ⇒ conv. dans L 1 (I ).

(R1.5)

Exercice 1.1 Exemples de fonctions de L1 ou L2 Pour chacune des fonctions suivantes, trouver des intervalles sur lesquels f appartient à L1 ou L2 ou aux deux. 1 1 1) f (t ) = 2) f (t ) = sin 2 3) f(t) = (1 + t2)e1/t 2 t (t + 1) t − 1 Pour chaque fonction, on utilise la comparaison avec les intégrales de référence dt

∫ (b − t )

α

(cf. R0.1 et R0.2) et on rappelle que f ∈ Lp(I) si

∫I f (t )

p

dt

∫t

α

et

dt a une valeur finie,

ici p = 1 ou 2. D’autre part, on ne spécifiera pas les intervalles fermés bornés sur lesquels f est continue et f ∈ L1(I) ∩ L2(I).

1 • Espaces L1, L2 et convergences

21

1) f est définie sur \[– 1,+ 1]. 1 À l’infini, f (t )  2 donc sommable. t 1 Au voisinage de – 1– , f (t )  3 / 2 non sommable. 2 t +1 En 1+ , f (t ) 

1 1 / 2 sommable. 2 2 t −1

Donc, f ∈ L1(–∞, – 1 – a) ∪ L1(1, +∞) ∀ a > 0. Pour l’appartenance de f à L2, on étudie la sommabilité de f 2 : 1 1 2  À l’infini, f (t ) = qui est sommable. (t + 1)2 (t 2 − 1) t 4 2 Mais f (t )

1 1 2 – en 1+ qui sont non sommables. 3 en – 1 et f (t )  8(t − 1) 2 t +1

Donc, f ∈ L2(–∞, – 1 – a) ∪ L2(1 + a, +∞) ∀ a > 0. 2) f est définie sur * et paire, donc f ∈ Lp() équivaut à f ∈ Lp(+) (p = 1, 2). +∞ 1 1 1 +∞ sin u , on a : du qui converge (cf. exercice 0.4). sin 2 dt = En posant t = 0 u 2 0 u u t

∫

De même,

∫

+∞

0

2

 sin 1  dt = 1  t2  2

∫

∫

+∞ sin 2

0

u du qui converge car la fonction que l’on intègre u u

tend vers 0 quand u tend vers 0 et est majorée à l’infini par

1 u

3/ 2

qui est sommable. Donc,

f ∈ L1() ∩ L2(). 3) Le domaine de définition de f est *. À l’infini, f (t )  t 2 qui est non sommable. Quand 1 1 → − ∞ , et f(t) → 0 mais, quand t → 0+ , f (t )  e1t > qui est non sommable. t t Donc f ∈ L1(– a, 0) ∀ a > 0, et comme f 2(t) = e2/t(1 + t2)2, on a aussi : f ∈ L2(– a, 0) ∀ a > 0.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

t → 0– ,

Exercice 1.2 t + 1 si − 1  t  0 Soit g(t ) =  et 0 sinon. 1 − t si 0  t  1 1) Faire le graphe de fn(t) = g(nt). Étudier les convergences ponctuelle, uniforme sur , et en moyenne quadratique de la suite {fn}. t 2) Même question pour fn (t ) = g  .  n 3) Même question pour fn(t) = g(t – n).

22

Mathématiques du signal

nt + 1 si − 1  nt  0  1) fn (t ) = 1 − nt si 0  nt  1 0 sinon 

1 fn

–

1 n

0

1 n

t

a

1 1 Donc fn n’est non nulle que sur  − ,  .  n n

/ 0 et f(0) = 1. En effet, pour tout t non La suite converge ponctuellement vers f(t) = 0 si t = nul, il existe N tel que, ∀ n  N, fn(t) = 0 : il suffit de prendre N >

1 . Les fn étant contit

nues et f discontinue, la convergence n’est pas uniforme sur  (cf. R1.3). Par contre, sur tout intervalle I du type [a, +∞[ ou ]–∞, – a] où a > 0, on a la convergence uniforme car sup fn (t ) − f (t ) = fn ( a) = 0 pour n assez grand. t ∈I

Si la suite converge en moyenne quadratique, la limite est nécessairement f, c’est-à-dire 0 presque partout. Alors, puisque f et fn ∈ L2() : fn − f

2

 = 

∫

+∞

−∞

2  fn (t ) − f (t ) dt  

1/ 2

 = 2 

∫

1/ n

0

 (1 − nt )2 dt  

1/ 2

=

2 et || fn – f ||2 tend vers 0 3n

quand n tend vers l’infini. La suite converge donc dans L2() vers 0.  t + 1 si − 1  t  0 1 n n fn  t t si 0   1 2) fn (t ) = 1 − n  n t –n n sinon 0 0  La suite converge ponctuellement vers f(t) = 1 ∀ t ∈  : en effet, fn(0) = 1 et, pour tout t non nul, il existe N tel que, ∀ n  N, fn (t ) = 1 −

t (il suffit de prendre N > |t|). Donc, n

lim fn (t ) = 1.

n →∞

La convergence est uniforme sur  si sup fn (t ) − f (t ) → 0 . t ∈

f – fn

1

n →∞

Or, fn(t) – f(t) = fn(t) – 1 et sup fn (t ) − f (t ) = 1. t ∈

–n

0

n

Donc la convergence n’est pas uniforme sur . a Mais, sur I = [– a, a], sup fn (t ) − f (t ) = tend vers 0 quand n tend vers l’infini et il y a n t ∈I convergence uniforme sur I. La convergence en moyenne quadratique ne s’étudie pas, car f ∉ L2().

1 • Espaces L1, L2 et convergences

23

t − n + 1 si − 1  t − n  0  3) fn (t ) = n + 1 − t si 0  t − n  1 0 sinon  La limite ponctuelle de la suite est la fonction f identiquement nulle : en effet, pour chaque t fixé et n assez grand (soit n > t + 1), fn(t) = 0.

1 fn

0

n–1

n

t

n+1

Mais, la convergence n’est pas uniforme sur  car sup fn (t ) − f (t ) = 1, ne tend donc pas t ∈

vers 0 quand n tend vers l’infini. On constate que la convergence est uniforme sur ]–∞, a] quel que soit a fini car, si n est assez grand, fn est nulle sur cet intervalle. Pour la convergence en moyenne quadratique, f et fn ∈ L2() : fn − f

2 2

∫

=

+∞

−∞

2

fn (t ) − f (t ) dt =

∫

+∞

−∞

g 2 (t − n)dt =

∫

+∞

−∞

g 2 (u)du

expression indépendante de n, finie et non nulle. Donc || fn – f ||2 ne tend pas vers 0 et il n’y a pas convergence en moyenne quadratique des fn vers f.

Exercice 1.3 Soient les suites de signaux fn (t ) = t +

1 t et gn (t ) = 1 +   n n

n

où t ∈ [0,1].

Examiner les convergences ponctuelle, uniforme sur [0, 1], et dans L2(0, 1) des suites fn et gn. 1) Pour t fixé, lim fn (t ) = f (t ) = t , et fn et f ∈ L2(0,1).

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

n →∞

fn ( t ) − f ( t ) = tipliant

par

t+ la

1 − t = n

1/ n 1  ∀ t ∈ [0,1], majoration obtenue en mult + 1/ n + t n

quantité

conjuguée

0  sup fn (t ) − f (t )  t ∈[ 0,1]

puis

en

utilisant

t+

1 1  . n n

Donc

1 , sup fn (t ) − f (t ) → 0 et la suite converge uniformément n →∞ n t ∈[ 0,1]

vers f sur [0, 1]. fn − f

2 2

=

1

∫0 fn (t ) − f (t )

2

dt 

la suite vers f dans L2(0, 1).

1 en utilisant l’inégalité ci-dessus, d’où la convergence de n

24

Mathématiques du signal

2) gn(0) = 1 et lim gn (t ) = lim e n →∞

n ln(1+ t / n )

n →∞

= lim e t /

n

n →∞

/ 0 en utilisant ln(1 + u) = 1 si t =

 u si u est petit. Donc, la suite converge ponctuellement vers la fonction g définie sur [0,1] par g(t) = 1. t Pour la convergence uniforme, comme 1 + croît avec t, on a : n t sup gn (t ) − g(t ) = sup 1 +   n t ∈[ 0,1] t ∈[ 0,1]

n

1 − 1 = 1 +   n

n

− 1 = gn (1) − 1.

sup gn (t ) − g(t ) tend vers 0 quand n tend vers +∞ puisque gn(1) tend vers 1.

t ∈[ 0,1]

Donc la suite converge uniformément sur [0,1] vers g. Pour la convergence dans L2(0,1), on a, puisque g et gn ∈ L2(0,1) : 0  gn − g

2 2

=

1

∫ g ( t ) − g( t ) 0

2

n

dt  ( sup gn (t ) − g(t ) )2 d’où, quand n tend vers l’infini, t ∈[ 0,1]

||gn – g||2 → 0 et la suite converge dans L2(0,1) vers g. (cf. R1.5)

Exercice 1.4 Soit la suite de fonctions fn (t ) = nα e − n

2

( t − 2 )2

.

1) La suite converge-t-elle ponctuellement, uniformément sur , et dans L2() ? On utilisera

∫

+∞

−∞

e − at dt = 2

π . a

2) Pour quelles valeurs de α a-t-on : lim

∫

n→∞ 

fn (t )dt =

fn (t )dt ? ∫ nlim →∞

1) fn(2) = nα, donc lim fn (2) vaut 1 si α = 0, 0 si α < 0 et n’est pas définie si α > 0, et, n →∞

/ 2, lim fn (t ) = 0 ∀ α. Ainsi, la suite ne converge ponctuellement sur  que si pour t = n →∞

α  0. La limite ponctuelle vaut 0 si α < 0, et 0 sauf en 2 où elle est égale à 1 si α = 0. Mais, ∀ α, la suite converge vers 0 presque partout. Étudions la convergence uniforme sur  quand α  0 : fn(t) – f(t) = fn(t) sauf si t = 2 et α = 0, car alors fn(2) – f(2) = 0. Pour évaluer sup fn (t ) − f (t ) , on dérive donc fn : t ∈

fn′(t ) = −2 nα + 2 (t − 2)e − n

2

(t − 2 )2

s’annule pour t = 2, lim fn (t ) = 0 , t →∞

1 • Espaces L1, L2 et convergences

25

et alors sup fn (t ) − f (t ) = fn (2) = nα qui tend vers 0 quand n tend vers l’infini seulement si t ∈

α < 0. D’où la convergence uniforme pour α < 0. Pour la convergence dans L2(), fn ∈ L2() et f = 0 presque partout : fn − f

2 2

=

∫

+∞

−∞

n 2α e −2 n

2

(t − 2 )2

dt = n 2 α

∫

+∞

−∞

e −2 n

2 2

u

du =

1 . 2

et l’expression tend vers 0 si α <

2) On a donc lim fn = 0 presque partout quel que soit α et n →∞

∫

+∞

−∞

nα e − n

2

(t − 2 )2

dt = n α

∫

+∞

−∞

e−n

2 2

u

π 2α π 2α −1 = n 2n 2 2n

du =

∫

+∞

lim fn (t )dt = 0 alors que

−∞ n →∞

π α n = π nα −1 qui ne tend vers 0 que si α < 1. n2

On n’a donc l’égalité que si α < 1.

Exercice 1.5 1 n 2 − t 2 11l [ − n,n ] (t ). Examiner les convergennp ces uniforme et au sens de l’énergie de la suite pour p = 2 et p = 1. Soit la suite de fonctions fn (t ) =

1 t2 1 − 2 11l [– n,n](t) = 0 n →∞ n n

Si p = 2, fn ∈ L2(), f (t ) = lim fn (t ) = lim n →∞

sup fn (t ) − f (t ) = fn (0) = t ∈

1 tend vers 0 quand n tend n

1/n1

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

vers l’infini et il y a convergence uniforme sur . fn − f

2 2

=

1 n4

∫

n

(n 2 − t 2 )dt =

−n

4 3n

n1 < n2 1/n2 – n2

– n1

0

n1

t

n2

tend vers 0 quand n tend vers +∞ et la suite converge dans L2() vers 0. Si p = 1,

fn ( t ) = 1 −

t2 sur [– n, n] et n2

f (t ) = lim fn (t ) = 1 partout.

– n2

n →∞

1  fn ( t ) − f ( t ) =  t2 1 1 − −  n2 

1

sur ] − ∞, − n[∪]n, +∞[ sur [ − n, n]

– n1

0

n1

n2

t

26

Mathématiques du signal

Donc, sup fn (t ) − f (t ) = 1 et la suite ne t ∈

converge pas uniformément sur . La limite f n’étant pas dans L2(), il n’y a pas de convergence au sens de l’énergie.

f – fn

1

–n

n

0

t

Exercice 1.6 Soit la suite de fonctions définies par : fn(t) = (sint)n 11l [0,π](t), n ∈ . 1) Quelle est la limite ponctuelle f de cette suite ? 2) Y a-t-il convergence uniforme sur  ? 3) Y a-t-il convergence en moyenne quadratique? (Indication : on peut calculer l’intégrale par récurrence et utiliser la formule de Stirling : n! n n e − n 2π n valable si n grand.) π , car |sint| < 1, donc f est nulle sauf en π/2 où elle 2 n→∞ vaut 1 : elle est donc nulle presque partout. 1) fn(π/2) = 1, et fn (t ) → 0 si t ≠

2) La convergence n’est pas uniforme sur  car les fn sont continues mais pas f (cf. R1.3). 3)

fn − f

2 2

=

∫

π

(sin t )2 n dt = In . En écrivant In =

0

parties, on obtient : In = In =

∫

π

sin t (sin t )2 n −1 dt et en intégrant par

0

2n − 1 (2 n − 1)(2 n − 3).....3.1 avec I = π et donc In −1 . Soit In = I0 0 2n 2 n(2 n − 2).....2

π (2n)! . 2 2 n (n!)2

π qui tend vers 0 quand n tend vers l’infini. La n suite converge donc en moyenne quadratique vers 0.

Avec l’approximation de n! , on a : In 

Remarque. On peut aussi montrer que In tend vers 0 ainsi : d’abord, In = 2 puisque sin(π – u) = sinu et on découpe l’intervalle :  In = 2 

∫

π −ε 2

0

(sin t ) dt + 2n

π  2n 2 π (sin t ) dt  −ε  2

∫

∫

π 2

(sin t )2 n dt

0

2n   π π   2  sin − ε    − ε  + ε    2    2 

1 • Espaces L1, L2 et convergences

27

π en majorant sint par k = sin − ε  < 1 dans la première intégrale et par 1 dans la seconde 2  π et la quantité k 2 n  − ε  + ε 2 

est aussi petite que l’on veut car k 2 n → 0 . On a : n →∞

∀ε , 0  lim In  2ε avec ε aussi petit que l’on veut. n →∞

Donc In → 0 quand n tend vers l’infini.

Exercices d’entraînement 1.7

Pour chacune des fonctions f suivantes, trouver des intervalles sur lesquels f appartient à L1 ou à L2 ou aux deux. 1 1 1  1) 2) ln1 −  3) arctan 4) |t|αeβ t 2   t t t t −1

1.8

Étudier les convergences uniforme et en moyenne quadratique des suites fn : 1)

n π (1 + n 2 t 2 )

1 − e−n t , 0 en 0 t t 5) 11l  π π  (t ). π − , 

l 2) n 2 sin π nt 11

1 1 (t ) − ,   n n 

2 2

3)

4) arctan

1 1 , 0 en − n 1 + nt

 n n

− nt . Soit la suite de signaux fn (t ) = t e 2

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

1.9

1) Examiner les convergences ponctuelle et uniforme sur . d 2) A-t-on : lim fn′(t ) = [ lim fn (t )] ? n→∞ dt n→∞ 1.10 On suppose que les suites {fn} et {gn} convergent dans L2(I) vers f et g respectivement, pour tout intervalle I. A-t-on lim fn + gn = f + g et lim fn gn = fg dans L2(I) n→∞

n→∞

Réponses

1.7

1) Domaine de définition : I = ]– ∞, – 1[ ∪ ]1,+∞[. f étant impaire et f 2 paire, on raisonne 1 sur ]1,+∞[. Au voisinage de 1, f (t ) et à l’infini, f (t ) 12 d’où f ∈ L1(I) mais 2 t −1 t f ∉ L2(I).

28

Mathématiques du signal

2) Domaine de définition : ]1, ∞[. À l’infini, pose t = 1 + x,

∫

1+ε

1

1  ln1 −  dt   t

ε

f (t ) 

1 non sommable et, en 1, si l’on t

x

∫ ln 2 dx qui converge. 0

Donc, f ∈ L1(1, a) ∀ a borné. On a de même, f ∈ L2(1, a).

π f (t ) = 3) Le domaine de définition est * et, f étant impaire, on raisonne sur +. lim t →0 2 1 et, à l’infini, f (t ) non sommable. On a donc seulement f ∈ L1(– a, a) ∀ a fini. Par t 1 2 contre, à l’infini, f (t ) 2 et f ∈ L2(). t 4)

 – 1/2

β>0

L1(–)

L2(–)

β 0)

1.8

>–1

L1(a, +∞) L1(–∞, –a)

L1(– a, a)

L2(a, +∞) L2(–∞, –a)

L2(– a, a)

1) fn → 0 sauf en 0 où il n’y a pas de limite. Il n’y a donc pas convergence uniforme sur . En posant u = nt, ce dans L2().

fn − f

2

= c n avec c constante non nulle, donc pas de convergen-

 1 1 2) D’abord, lim fn = 0 car − ,  → {0} et fn(0) = 0, et fn ∈ L2(). n→∞  n n Mais la convergence ne peut être uniforme puisque 1 sup fn (t ) − f (t ) = fn   = n2 . Pour la convergence dans L2() :  2n  t ∈ fn − f

2 2

=

∫

+∞

−∞

2

f n ( t ) − f ( t ) dt = n 4

∫

+1 n

−1 n

sin 2 π nt dt = n 3 (en linéarisant).

Donc, la suite ne converge pas dans L2() : on verra qu’elle converge au sens des distributions. 3) f (t ) =

1 t

et 0 en 0. fn continues et f discontinue impliquent : pas de

convergence uniforme sur , ni dans L2() d’ailleurs car f ∉ L2(). 4) fn est discontinue, fn (0) = sup fn (t ) − f (t ) = t ∈

π π , f est nulle sauf en 0 où elle vaut . 4 4

π donc pas de convergence uniforme sur . 2

1 • Espaces L1, L2 et convergences

fn (t ) ∞

fn − f

29

1 ⇒ fn ∈ L2 ( ) nt 2 2

=

2

+∞

 arctan 1  dt = 1 n 1 + nt  −∞ 

∫

2

+∞

 arctan 1  du = c / 0. et c = u n −∞ 

∫

d’où la convergence dans L2() vers 0 presque partout.

/ 0 et n assez grand (tel que 5) fn(0) = 0 et, si t =

π < t ), fn(t) = 0. Donc, la limite f est nulle n

et la convergence est uniforme sur  car sup fn (t ) − f (t ) = t ∈

fn − f 1.9

2 2

=2

∫

π n

0

1 qui tend vers 0. n

2

 t  dt = 2π et la suite converge vers 0 dans L2(). π 3n3

1) fn(0) = 0, et fn (t ) → 0 si t ≠ 0, donc la limite ponctuelle f est nulle partout. n→∞

La convergence est uniforme sur  : En effet, fn – f = fn a pour dérivée 2 1 1 fn′(t ) = e − nt (1 − 2 nt 2 ), fonction paire qui s’annule en . et en – 2n 2n −1 2  1  e puisque la fonction tend vers 0 quand t tend Donc, sup fn (t ) − f (t ) = fn  =  2n  2n t ∈ vers l’infini. 2

− nt 2 / 0, 1 sinon. 2) gn (t ) = fn′(t ) = e (1 − 2 nt ) et g(t ) = lim gn (t ) = 0 si t = n→∞

La convergence n’est pas uniforme puisque la limite est discontinue alors que les gn sont continues. De ce fait, on n’a pas : g(t) = f ′(t) (cf. R1.4). 1.10 Vrai pour la somme, faux pour le produit.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

|| fn + gn – (f + g)||  || fn – f || + ||gn – g|| et f + g ∈ L2(). f ∈ L2(I) et g ∈ L2(I) ⇒ fg ∈ L1(I) d’après l’inégalité de Schwarz. Par exemple, si 1 f (t ) = 1 4 et g = f, alors, f ∈ L2(0,1) et g ∈ L2(0,1). Mais fg ∉ L2(0,1). t On a : fg ∈ L1(I). La convergence a lieu dans L1(I) car : || fngn – fg||1  || fn||2||gn – g||2 + ||g||2|| fn – f ||2 .

Chapitre 2

Orthogonalité, projections dans L 2 (I )

RAPPELS  • Produit scalaire dans

L 2 (I )

:  f,g =

f (t)g(t)dt . I

Propriétés : – linéarité : α f + βh,g = α f,g + βh,g –  f,g = g, f , donc  f,αg = α f,g –  f, f 
0 et  f, f  = 0 ⇒ f = 0 dans L 2 (I )  √ | f (t)|2 dt =  f, f  • Norme associée au produit scalaire :  f  = © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

I

- Deux fonctions f et g sont orthogonales si leur produit scalaire est nul. Alors,  f + g2 =  f 2 + g2 (Pythagore). • La projection orthogonale f˜ d’une fonction f de L 2 (I ) sur un sous-espace vectoriel fermé F engendré par la famille de fonctions orthogonales (ϕ0 ,ϕ1 ,ϕ2 ,. . . ,ϕn ) est égale à : f˜(t) =

k=n  k=0

ck ϕk (t) où ck =

 f,ϕk  . ϕk 2

(R2.1)

C’est la meilleure approximation de f par une fonction de F. C’est, parmi toutes les fonctions g de F, celle qui rend minimum la quantité  f − g2 .

32

Mathématiques du signal

Puisque f − f˜ est orthogonal à f˜, l’erreur d’approximation vaut :  f − f˜2 =  f 2 −  f˜2 avec  f˜2 =

k=n  | f,ϕk |2 k=0

ϕk 2

.

• Exemples de bases : – base orthogonale dans L 2 (0,T ) :           2πt n2πt n2πt 2πt ,sin ,. . . ,cos ,sin ,. . . 1,cos T T T T – base orthonormée dans L 2 (−1,+1) : les polynômes de Legendre  1 1 dn 2 ((t − 1)n ) Pn (t) = n + 2 2n n! dt n

(R2.2)

(R2.3)

(R2.4)

Exercice 2.1 Rappels : projections dans R3 1 2  1 2 Soient f1 , f2 , f3 trois vecteurs de 3 tels que f1 =  0  , f2 =  0  , 1 2   −1 2   0 f3 =  1 . On rappelle que le produit scalaire de deux vecteurs u et v de 3 de com 0 3

posantes ui et vi dans la base canonique vaut : u, v =

ui vi . ∑ i =1

1) Montrer que f1 , f2 , f3 sont orthogonaux deux à deux et normés. 2) Soient F l’espace engendré par f2 et f3 , F⊥ = {v ∈ 3 / v⊥ u ∀ u ∈ F} son orthogonal. Décrire succinctement ces espaces.  1 3) Soit u =  2 . Quelles sont les projections uF de u sur F et uF ⊥ sur F⊥ ?  3 Vérifier la relation de Pythagore. 1) En appliquant la définition, on obtient :

fi , f j = δ ij symbole de Kronecker, qui vaut 1

si i = j, 0 sinon, et ||fi|| = 1 ∀ i = 1 à 3. α 2  2) F = {v ∈ 3 / v = α f2 + β f3} soit v =  β  .    −α 2 

2 • Orthogonalité, projections dans L2(I)

33

Et, si x, y, z sont les composantes de v, l’équation x + z = 0 définit F. C’est l’équation d’un plan. F⊥ est la droite engendrée par f1 : c’est l’ensemble des vecteurs qui s’écrivent : v = α f1 , et si les composantes d’un tel vecteur sont x, y , z, alors on a : x = z, y = 0, équations qui définissent la droite F⊥. 3) D’après (R2.1), uF est définie par : uF = u, f2 f2 + u, f3 f3 = −

 −1 2 f2 + 2 f3 =  2  2  1

et uF ⊥ = u, f1 f1 =

 2 4 f1 =  0 2  2

et la

relation de Pythagore est vérifiée puisque uF ⊥ uF ⊥ . En effet,

uF

2

+ uF ⊥

2

= 6+8= u

2

= 14 .

Exercice 2.2 Procédé d’orthogonalisation de Gram-Schmidt On considère l’espace vectoriel L 2 (−1,1) muni du produit scalaire :  1 f (x)g(x) dx  f,g = −1

1) a) Construire une suite de polynômes pi 2 à 2 orthogonaux avec i = 0,1,2 de sorte que le degré de pi soit i et que le coefficient du terme de plus haut degré soit égal à 1. On a donc p0 (x) = 1. Calculer p1 , puis p2 . b) Expliciter les polynômes Pi proportionnels aux pi et de norme égale à 1. Vérifier que ces polynômes sont ceux de Legendre définis par (R2.4). c) Généralisation : connaissant p0 , p1 ,. . . , pn−1 , calculer pn par la formule : pn (x) = x n +

j=n−1 

αn, j p j (x)

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

j=0

2) Déterminer la meilleure approximation au sens de la norme de L 2 (−1,1) de la fonction f (x) = e x par une fonction polynomiale de degré n . Si on note f n cette approximation, on a, dans la base orthonormée précédente et d’après (R2.1) : i=n  f n (x) = ai Pi (x) avec ai =  f,Pi  i=0

a) Calculer ai pour i = 0,1,2. En déduire les approximations f 0 , f 1 , f 2 de l’exponentielle successivement par des polynômes de degré 0, 1 puis 2 dans L 2 (−1,1).

34

Mathématiques du signal

b) Calculer  f − f n 2 en fonction des ai et de  f 2 . En déduire, pour chaque approximation, l’erreur relative  f − f n 2 /  f 2 . c) Faire 3 figures avec, sur chacune, le graphe de y = e x et respectivement les graphes de y = f 0 (x) , y = f 1 (x) et y = f 2 (x). 3) Faire de même avec f (x) = sgn(x)1l [−1,1] (x) en prenant des polynômes de Legendre de degrés  5. 1) a) On pose p1 (x) = x + a et p2 (x) = x 2 + bx + c et on détermine les constantes par  p0 , p1  = 0,  p0 , p2  = 0 et  p1 , p2  = 0.  α g(x)dx = 0) : On obtient (sachant que, pour g impaire et sommable sur [−α,α], −α

  

1

1.(x + a) dx = 0

⇐⇒

2a = 0

1.(x 2 + bx + c) dx = 0

⇐⇒

2 + 0 + 2c = 0 3

x.(x 2 + bx + c) dx = 0

⇐⇒

2 b = 0. 3

−1 1

−1 1

−1

1 3 Ces 3 fonctions polynômes forment une base orthogonale de l’espace vectoriel des fonctions polynomiales de degré inférieur ou égal à 2. On a donc : p0 (x) = 1,

p1 (x) = x,

p2 (x) = x 2 −

b) Les polynômes Pi sont définis par : Pi (x) =   p0 2 =

−1

  p1  =

1

1

2

−1

  p2  =

1

2

1 dx = 2 x 2 dx = 

2 3 2

1 x − 3  2

−1

pi (x) , avec  pi 2 =  pi , pi  :  pi

 8 2 2 1 dx = x − x + dx = 3 9 45 −1    3 45 1 2 x − x, P2 (x) = 2 8 3 

1



4

1 P1 (x) = d’où : P0 (x) = √ , 2 c) Les n conditions  pn , pk  = 0 pour k = 0,1,2,. . . ,n − 1 s’écrivent : x n , pk  + αn,k  pk , pk  = 0 / k et on a : αn,k = − car  p j , pk  = 0 pour j =

x n , pk  d’où pn .  pk 2

2 • Orthogonalité, projections dans L2(I)

35

2) a) Calculons les ai = e x ,Pi  et les f i :  1 1 1 a0 = e x √ dx = √ (e1 − e−1 ) 2 2 −1   1  3 x −1 3 e x dx = 2e a1 = 2 2 −1      1   45 45 2 1 14 −1 x 2 x − dx = e e− e a2 = 8 3 8 3 3 −1 e1 − e−1 = sh(1) ≈ 1.1752 2 e1 − e−1 + 3e−1 x ≈ 1.175 2 + 1.10364x f 1 (x) = a0 P0 (x) + a1 P1 (x) = 2  

1 −1 −1 15 2 x − f 2 (x) = a0 P0 (x) + a1 P1 (x) + a2 P2 (x) = sh(1) + 3e x + e − 7e 4 3

f 0 (x) = a0 P0 (x) =

≈ 0.99629 + 1.10364x + 0.53672 x 2 Si on utilise la base des pi qui est orthogonale mais pas normée, on a alors f n (x) =

i=n  e x , pi  i=0

 pi 2

pi (x)

ce qui évite d’avoir des racines carrées dans les calculs. b) L’erreur  f − f n 2 correspond en traitement du signal soit à l’énergie soit à la puissance. On a :  i=n i=n    f − f n 2 = f − ai Pi , f − ai Pi i=0



i=0

  i=n i=n i=n i=n     =  f  − f, ai Pi − ai Pi , f + ai Pi , ai Pi 

2

i=0

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

=  f 2 − 2

i=n 

ai  f,Pi  +

i=0

i=0

i=0

i=n 

i=n 

i=0

ai2 =  f 2 −

i=0

ai2

i=0

On retrouve (R2.2) :  f  =  f − f n  +  f n  . On calcule donc : 2



2

2

x 2 e2 − e−2 = sh2 = 3.62686 e dx = 2 −1 1 1 a02 = (e1 − e−1 )2 = (e2 − 2 + e−2 ) = ch2 − 1 ∼ 2.76220 2 2 3 a12 = 4e−2 = 6e−2 ∼ 0.81201 2  2 2 45 5 14 a22 = e − e−1 = (e2 − 14 + 49e−2 ) ∼ 0.05121 8 3 3 2

 f 2 =

1

36

Mathématiques du signal

 f − f 0 2 = sh2 − (ch2 − 1) ∼ 0.86  f − f 1 2 =  f 2 − a02 − a12 ∼ 5.27 × 10−2  f − f 2 2 =  f 2 − a02 − a12 − a22 ∼ 1.44 × 10−3 Les erreurs relatives sont donc :  f − f 1 2 ∼ 0.015 ,  f 2

 f − f 0 2 ∼ 0.24 ,  f 2

L’erreur relative en norme L 2 est dans le dernier cas

 f − f 2 2 ∼ 0.0004  f 2

 f − f2 √ = 4 × 10−4 ∼ 2%. f

c) Graphes 3 2,5

3 y = ex y =f (x)

2,5

0

3 y = ex y =f (x)

2,5

1

2

2

2

1,5

1,5

1,5

1

1

1

0,5

0,5

0,5

0 –1

0

1

0 –1

0

0 –1

1

y = ex y =f (x) 2

0

3) a) D’après (R2.4), Pn est de degré n, P2k est pair et P2k+1 est impair.  1 f (x)Pi (x) dx et que f est impaire, on a : Comme ai =  f,Pi  = −1

0 ai =



2

1

 sgn(x)Pi (x)dx = 2

0

si i est pair 1

Pi (x)dx

si i est impair

0

On n’a donc besoin que des Pi pour i = 1,3,5. Avec (R2.4), on a :   3 7 5x 3 − 3x x , P3 (x) = , P1 (x) = 2 2 2    1 3 3 a1 = 2 x dx = 2 0 2    1 7 1 7 (5x 3 − 3x) dx = − a3 = 2 0 4 2

 P5 (x) =

11 63x 5 − 70x 3 + 15x 2 8

1

2 • Orthogonalité, projections dans L2(I)

1 a5 = 4



11 2



1

1 (63x − 70x + 15x) dx = 8 5

0

37



3

11 2

3 x, f 2 (x) = f 1 (x) 2 1 7 5x 3 − 3x 1 f 3 (x) = f 2 (x) + a3 P3 (x) = f 2 (x) − = (−35x 3 + 45x), 4 2 2 16 f 4 (x) = f 3 (x) f 0 (x) = a0 P0 (x) = 0,

f 1 (x) = f 0 (x) + a1 P1 (x) =

f 5 (x) = f 4 (x) + a5 P5 (x) = f 4 (x) +

11 63x 5 − 70x 3 + 15x 16 8

21(33x 5 − 50x 3 + 25x) 128 b) Les calculs sont les mêmes qu’à la question 2) :  1  f 2 = 12 dx = 2 =

−1

3 7 11 , a32 = , a52 = 2 32 128  f − f 1 2 = 2 − 1.5 = 0.5 a12 =

 f − f 3 2 = 2 − a12 − a32 ∼ 0.281  f − f 5 2 = 2 − a1 − a32 − a52 ∼ 0.195 Les erreurs relatives sont donc :  f − f 3 2 ∼ 0.14 ,  f 2

 f − f 1 2 ∼ 0.25 ,  f 2

 f − f 5 2 ∼ 0.098  f 2

 f − f5 ∼ 0.31 ∼ 30%. On notera f que les erreurs sont plus grandes qu’à la question précédente : cela est dû à la discontinuité de la fonction. © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

L’erreur relative en norme L 2 est dans le dernier cas

c) 1,5

f3

f5

1 0,5

f1 f0

0 – 0,5 –1 – 1,5 –1

– 0,5

0

0,5

1

38

Mathématiques du signal

Exercice 2.3 Polynômes de Tchebychev de première espèce 1) Dans L2(– 1,+ 1), on considère ϕ ( f , g) =

1

∫−1

f ( t ) g( t ) 1 − t2

dt .

Montrer que ϕ définit un produit scalaire sur L2(– 1,+ 1). 2) Soit Tn(t) = cos(n arccost). Montrer que Tn est un polynôme de degré n. 3) Vérifier que la famille des Tn est orthogonale pour le produit scalaire défini cidessus. Est-elle orthonormée ? 4) Quelle est la meilleure approximation de f(t) = sgn(t)11l [–1,1](t) au sens des moindres carrés dans L2(– 1,+ 1) muni du produit scalaire ϕ, par des polynômes de degré  5 ? Comparer à l’exercice 2.2. 1) ϕ ( f, f)  0, et ϕ ( f, f) = 0 ⇒ f = 0 presque partout, c’est-à-dire 0 dans L2(– 1,+ 1). D’autre part, ϕ est bilinéaire et symétrique en raison des propriétés de l’intégrale. Donc ϕ définit un produit scalaire sur L2(– 1,+ 1). 2) Posons θ = arccost où t ∈ (– 1,+ 1) d’où θ ∈ (0, π) et Tn(t) = cos(nθ). On a donc t = cosθ, sin θ = 1 − t 2 et Tn(t) = Re(cosnθ + i sinnθ) soit, avec la formule de Moivre, Tn (t ) = Re(cos θ + i sin θ ) n = Re(t + i 1 − t 2 ) n . k =n

Puis, avec la formule du binôme, Tn (t ) = Re

∑C t

k n−k k i (1 − t 2 ) k / 2 . n

k =0

Donc Tn (t ) = t n − Cn2 t n − 2 (1 − t 2 ) + Cn4 t n − 4 (1 − t 2 )2 − ... C’est un polynôme de degré  n comme somme finie de tels polynômes, et le coefficient de tn vaut : 1 + Cn2 + Cn4 + Cn6 + ...Cnm = 2 n −1 (m désignant n ou n – 1 selon la parité de n). Cette relation résulte des développements de (1 + 1)n et de (1 – 1)n par la formule du binôme. Donc, Tn est un polynôme de degré n exactement. Ainsi : T0(t) = 1,

T1(t) = t,

T4(t) = 8t4 – 8t2 + 1, 3)

Tn , Tm =

1

Tn (t )Tm (t )

−1

1− t

∫

2

dt =

∫

π

0

T2(t) = 2t2 – 1,

T3(t) = 4t3 – 3t,

T5(t) = 16t5 – 20t3 + 5t, etc.

cos nθ cos mθ dθ car dθ = −

π

D’où : Tn , Tm =

1 2

/ m, Si n =

Tn , Tm =

∫ [cos(n + m)θ + cos(n − m)θ ] dθ . 0

1  sin(n + m)θ sin(n − m)θ  π + = 0. n − m  0 2  n + m

dt 1− t2

.

2 • Orthogonalité, projections dans L2(I)

39

1 π π [1 + cos 2 nθ ] dθ = / 0 et π si n = 0. La famille si n = 2 0 2 est orthogonale mais non orthonormée.

Mais, si n = m, Tn

2

∫

= Tn , Tn =

4) Notons fn l’approximation de f : T c’est la projection de f sur l’espace vectoriel engendré par la famille orthonormée T˜k = k Tk k =n

pour k = 0 à n et fn (t ) =

∑

f , T˜k T˜k (t ) =

k =0

f , Tk

Posons : α k = 1

αk =

Tk

2

Tk

2

Tk

2

∑

f , Tk Tk (t ).

k =0

.

1

f (t )Tk (t )

−1

1− t2

∫

k =n

1

dt =

si k est pair, soit : α 2 p +1 =

2 Tk

2

1

Tk (t )

0

1− t2

∫

dt =

4 π

∫

0

cos kθ dθ

si k est impair et αk = 0

4( −1) p . π (2 p + 1)

D’où :

1,5

f0(t) = 0 4 t = f2 ( t ) π

0,5

f3 (t ) = f1 (t ) + α 3T3 (t ) =−

f3

f5

1

f1 (t ) = α1T1 (t ) =

f1

0

16 3 8 t + t = f 4 (t ) π 3π

f0

– 0,5 –1

f5 (t ) = f4 (t ) + α 5T5 (t )

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

π /2

– 1,5 –1

– 0,5

0

0,5

1

192t 5 − 320t 3 + 180t = 15π Parmi tous les polynômes P quelconques de degré  5, c’est f5 qui rend minimum la quantité

∫

1

−1

( f (t ) − P(t ))2 1− t2

dt .

Exercice 2.4 Soit E = {f / f et f ′ ∈ L2(– 1,1), à valeurs dans C} et

ϕ ( f , g) =

1

1

∫−1 f (t )g(t ) dt + ∫−1 f ′(t )g′(t ) dt .

40

Mathématiques du signal

1) Montrer que ϕ définit un produit scalaire sur E. On le notera : f , g E . 2) Soit fk(t) = eiπkt. Calculer ||fk||E et fk , f p

L2 ( −1,1)

fk , f p

E

/ k ; comparer à ||fk||2 et pour p =

.

3) Déterminer trois polynômes P0 , P1 , P2 de degrés respectifs 0, 1 et 2, orthonormés pour ce produit scalaire. + f ′ 22  0 , et ϕ (f, f) = 0 ⇒ || f ||2 = 0, c’est-à-dire f = 0 dans L2(– 1,+ 1).

2 2

1) ϕ ( f , f ) = f

D’autre part, ϕ est linéaire en f en raison des propriétés de l’intégrale, et ϕ ( f , g) = ϕ ( g, f ). Donc ϕ définit un produit scalaire sur E et || f ||E = (ϕ (f, f))1/2.

2)

fk

fk

2

= 

E

= 

∫

1

2

−1

e iπkt dt +

e iπkt dt   −1

∫

1

2

iπke iπkt dt   −1

∫

1

2

12

= 2 + 2π 2 k 2 alors que

12

= 2.

/ p, Et, si k = fk , f p

2

fk , f p

E

1

1

=

∫

=

∫

−1 1

−1

e

iπ ( k − p )t

 e iπ ( k − p )t  2 sin(π ( k − p)) = 0, dt =   = π ( k − p)  iπ ( k − p)  −1

e iπ ( k − p )t dt + π 2 kp

∫

1

−1

e iπ ( k − p )t dt = 0 également.

Les fonctions sont donc orthogonales pour les deux produits scalaires, mais de norme différente. 3) On part de Q0(t) = 1 et P0 (t ) =

Q0 (t ) de sorte que P0 est bien de norme 1. Puis, Q0 E

Q1(t) = t – α0P0(t) où α0 est déterminé par

Q1 , P0

Q2(t) = t2 – β1P1(t) – β0P0(t), avec Q2 , P0

E

E

= Q2 , P1

E

= 0 et P1 (t ) =

= 0 et P2 (t ) =

Q2 (t ) . Q2 E

Les calculs donnent : Q0

E

=

Q1 , P0

E

1

∫ dt =

2 , P0 (t ) =

−1

= t, P0

E

− α 0 P0

2 E

=

1 2 1 2

∫

1

−1

t dt +

∫

1

−1

0 dt − α 0 = α 0 d’où α0 = 0.

Q1 (t ) , et Q1 E

2 • Orthogonalité, projections dans L2(I)

Q1

E

= 

∫

1

t 2 dt +

−1

Q2 , P0

E

= t 2 , P0

Q2 , P1

E

= t 2 , P1

Q2

E

 = 

12

E

− β1 P1 , P0

1 dt   −1

∫

E

8 =   3

− β1 P1 , P1

2  t 2 − 1  dt + −1  3

∫

et P2 (t ) =

1

1

E

12

− β 0 P0 , P0

 4t 2 dt  −1 

∫

1

3 t. 8

et P1 (t ) =

− β 0 P0 , P1

E

41

12

E

E

=

2 − β0 = 0 . 3

= − β1 = 0 .

D’où

Q2 (t ) = t 2 −

1 3

et

8 2 12 =   3  5

1 5 2 (3t − 1) . 8 2

Exercice 2.5 Soit g(t) = 1l ]0,1[(t) et gk(t) = g(t – k) pour k dans . 1) Montrer que les fonctions gk sont orthonormées pour le produit scalaire réel usuel de L2(). 2) Quelle est la meilleure approximation f˜ d’une fonction f de L2() par une fonction de l’espace engendré par {g0 , g1 , ......, gn} ? 1)

gk , g p =

1

1

∫ g (t ) g (t ) dt = ∫ 11l ] p

k

0

0

1l] p, p +1[ (t ) dt . k , k +1[ (t )1

/ p car ]k, k + 1[ ∩ ]p, p + 1[ = ∅. En revanche, si Cette intégrale est nulle si k = p = k, gk =  

∫

k +1

k

dt  

12

= 1. Les gk sont donc orthonormées pour le produit scalaire réel

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

usuel de L2(). k =n

2)

f˜ (t ) =

∑

f , gk gk (t ) où

f , gk =

k =0

∫

k +1

f (t ) dt est la valeur moyenne de f sur l’inter-

k

valle (k, k + 1). Sur chaque intervalle ]k, k + 1[, f˜ est constante et vaut

∫

k +1

f ( t ) dt .

k

Exercices d’entraînement 2.6

Par un changement de variables, déduire des polynômes orthonormés de Legendre les polynômes orthonormés dans L2(a,b). Expliciter les trois premiers polynômes orthonormés dans L2(0,1).

42

Mathématiques du signal

2.7

Soient g(x) = sup(0,1 – |x|) et gk(x) = g(x – k). Les fonctions gk sont-elles orthonormées pour le produit scalaire réel usuel de L2() ?

2.8

L’expression ϕ ( f , g) =

∫

1

−1

f ′(t ) g ′(t ) dt définit-elle un produit scalaire sur

L2(– 1,+ 1) ? Soient E = L2(– π,π) et f (t ) = cos t 11 l

π  (t ).  0, 2 

2.9

Quelle est la meilleure approxi-

mation ϕ de f dans l’espace Wm engendré par les 2m + 1 premiers vecteurs de la base trigonométrique complexe de E ? 2.10 Soit f(t) = et, où t ∈ (0,1). Quelle est la meilleure approximation ϕ de f par des polynômes de degré inférieur ou égal à 2 dans L2(0,1) ? Comparer au développement de Taylor limité à l’ordre 2. 2.11 Trouver a, b, c dans  tels que

∫

+1

−1

( x 3 − a − bx − cx 2 )2 dx soit minimum.

Réponses

2.6

b 2 Pn ( g( x )) Pm ( g( x )) dx . b−a a −1 En posant t = (2x – (b + a)) / (b – a) = g(x) et si on note Pn les polynômes de Legendre

∫

1

Pn (t ) Pm (t )dt =

∫

orthonormés sur (– 1,+ 1) et Pn* les polynômes orthonormés sur (a,b), on a : Pn* ( x ) =

2 2 x − (b + a)  Pn  . Alors, si a = 0 et b = 1 : P0* ( x ) = 1, b−a  b−a 

P1* ( x ) = 3 (2 x − 1), P2* ( x ) = 5 (6 x 2 − 6 x + 1). 2.7

Non, ||gk|| = gk , gk +1 =

2.8

2.9

2 3

∫

gk , gk +2 = 0 , mais

k +1

k

g( x − k )g( x − k − 1) dx =

1

1

∫ (1 − t ) t dt = 6 . 0

Non, ϕ ( f, f ) = 0 ⇒ f = constante presque partout, non nécessairement nulle presque partout. Les vecteurs orthonormés sont en (t ) = où cn = f , en . On obtient : cn =

1 int e pour – m  n  m et ϕ (t ) = 2π

−i(n + ( −i )n+1 ) / 1 et n = / – 1, c1 = si n = 2π (n 2 − 1)

+m

∑ c e (t ) n n

−m

1 π i  − 2π  4 2 

et c−1 = c1 . Il conviendra de distinguer les cas suivants : n = 4k, n = 4k + 1, n = 4k + 2, n = 4k + 3.

2 • Orthogonalité, projections dans L2(I)

43

2.10 Les polynômes orthonormés dans L2(0,1) sont ceux de l’exercice 2.6. 2

ϕ (t ) =

∑

f , Pi* Pi* (t ) = 3(13e − 35) + 4(147 − 54e)t + 30(7e − 19)t 2

i=0

= 1, 013 + 0, 851t + 0, 839 t 2 et Taylor : ψ (t) = 1 + t + t2/2. 2.11 Le polynôme de degré 2 , P˜ , qui réalise le minimum de l’expression est la projection de x3 sur l’espace vectoriel des polynômes de degré  2. On se place dans L2(– 1,1) et 2

P˜ ( x ) =

∑ x , P P ( x) 3

i

i=0

i

où les Pi sont les polynômes de Legendre. On obtient :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

3 3 P˜ ( x ) = x et a = c = 0, b = . 5 5

Chapitre 3

Séries de Fourier

RAPPELS • Soit f une fonction de l’espace L 2 (0,T ). Dans la base orthogonale {ϕ0 ,ϕ1 ,ϕ2 ,...,ϕn } on a +∞ pp 

f (x) =

n=0

 f,ϕn  cn ϕn (x) avec cn = et  f,g = ϕn ,ϕn 



T

f (x)g(x) dx

0

• Soit f une fonction périodique de période T, on note S f sa série de Fourier. 2πx 2πx n2πx n2πx ),sin( ),...,cos( ),sin( ),...} T T T T 2πx 2πx S f (x) = a0 + a1 cos( ) + b1 sin( ) + ... T T n2πx n2πx + an cos( ) + bn sin( ) + ... T T

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

– Dans la base orthogonale {1,cos(

a0 =

1 T



T

f (x)dx

an =

0

2 bn = T

 0

T

2 T



T

f (x)cos(

0

f (x)sin(

n2πx )dx T

n2πx )dx T

46

Mathématiques du signal

2π T

soit en utilisant la pulsation ω = S f (x) = a0 + 

T

Pour tout α réel



(an cos(nωx) + bn sin(nωx))

(R3.1)

n∈N ∗

 f (x) dx =

0

α+T

f (x) dx.

α

Si f est paire, les bn sont nuls, S f est une série de cosinus. Si f est impaire, les an sont nuls, S f est une série de sinus. – Dans la base orthogonale exp(inωx), avec n ∈ Z S f (x) =

 n∈Z

1 cn exp(inωx) et cn = T

c0 = a0 , et pour n ∈ N ∗

cn =



T

f (x)exp(−

0

an − ibn , 2

c−n =

in2πx ) dx. (R3.2) T an + ibn . (R3.3) 2

pp

Dans les deux bases, on a S f (x) = f (x) • Th. de Dirichlet Pour f de classe C 1 par morceaux, on a 1 S f (x) = (  f (x − )) f (x + ) +  2

∀x ∈ R

(R3.4)

Pour f continue sur R, S f converge uniformément vers f sur R. • Th. de dérivation Pour f de classe C 1 par morceaux, continue sur R, la série de Fourier de f s’obtient en dérivant terme à terme celle de f et elle converge dans L 2 (0,T ). • Identité de Parseval (énergie du signal et des harmoniques) :  f 2L 2 (0,T )

=T

  ∞   1 2 2 2 = T a0 + a + bn 2 n=1 n

∞  n=−∞

cn cn = T

∞  n=−∞

|cn |2

(R3.5)

(R3.6)

3 • Séries de Fourier

47

Exercice 3.1 1) Développer en série de Fourier les fonctions suivantes et préciser si la série est égale à la fonction correspondante. a) f(t) = t2 si t ∈ [0, π], f paire, de période 2π. b) g(t) = t si t ∈ ]– π, π [, de période 2π. c) h(t) = t si t ∈ ]– 1, 1[, de période 2. d) K(t) = t si t ∈ ]0, 2π [, de période 2π. 2) Calculer les sommes suivantes : S1 =

∞

1 , n2 n =1

∑

S2 =

∞

( −1)n , n2 n =1

∑

S3 =

∞

( −1)n , 2n + 1 n =1

∑

S4 =

∞

1

∑ n4 . n =1

1) a) f, étant paire, admet un développement en cosinus. π

a0 =

1 2π

∫

ak =

1 π

+π

−π

∫

−π

t 2 dt =

π2

π2 3

t 2 cos kt dt =

f

2 π

∫

π

t 2 cos kt dt

0

–π 0

d’où, en intégrant par parties, ak = −

4 πk

∫

π

0

t sin kt dt =

π

t

4 4 k 2 cos kπ = 2 ( −1) . k k

∞

La série de Fourier de f est S f (t ) =

π2 ( −1) k et, puisque f est continue et C1 +4 2 cos kt 3 k k =1

∑

par morceaux (R3.4), Sf (t) = f (t) ∀ t ∈ .

π

g

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

1 / (2p + 1)π. b) On a : g(t ) = f ′(t ) pour t = 2 Comme f est continue et C1 par morceaux, la série de Fourier de g s’obtient en dérivant terme à terme celle de f : 1 Sg (t ) = S ′f (t ) 2 ∞

Sg (t ) = 2

–π

( −1) k +1 sin kt . Mais, Sg n’est pas égale à g partout. k k =1

∑

pour t ≠ (2 p + 1)π g(t ) (R3.4) Sg (t ) =  −π + π = 0 pour t = (2 p + 1)π  2

0

–π

π

t

48

Mathématiques du signal

Donc Sg n’est pas égale à g partout, sauf si l’on impose : g((2p + 1)p) = 0. c) h est reliée à g par la relation Sh (t ) =

2 π

h( t ) =

1 g(π t ) d’où π

Sh (t ) =

1 Sg (π t ) soit π

∞

( −1) k +1 sin kπ t k k =1

∑

h

1

et, comme précédemment,

t 0

–1

h(t ) si t ≠ 2 p + 1 Sh (t ) =  . sinon 0

–1

d) Si y (t) = K(t) – p, alors y (t) = g(t – p) et K(t) = g(t – p) + p. Donc SK(t) = Sg(t – p) + p soit

2π

∞

( −1) k +1 SK ( t ) = π + 2 sin(k (t − π )) k k =1

∑ ∞

( −1) k +1 ( −1) k sin kt =π +2 k k =1

∑

SK ( t ) = π − 2

1

K

π –π

– 2π

π 0

–π

t

ψ 2π

∞

 K (t ) si t ≠ 2 pπ sin kt . et Sk (t ) =  si t = 2 pπ k π k =1

∑

Pour avoir SK = K partout, il aurait fallu définir K en 2pp par K(2pp) = p. 2) Les sommes S1 , S2 , S3 s’obtiennent en prenant des valeurs particulières de t. S1 s’obtient avec f et t = p : S f (π ) = f (π ) = π 2 =

∞

2π 2 π2 ( −1) k ⇒ 4 +4 cos k π ⇒ S = 1 2 3 3 k k =1

∑

S2 s’obtient avec f et t = 0 : S f (0) = f (0) = 0 =

π2 + 4 S2 ⇒ 3

S3 s’obtient avec g et t = ∞

( −1) n π2 = − . 12 n2 n =1

∑

π 1 (ou bien avec h et t = ) : 2 2

π ( −1) k +1 kπ sin =2 ⇒ 2 k 2 k =1

∑

∞

∞

( −1) k +1 kπ π sin = k 2 4 k =1

∑

∞

1 π2 = 6 n2 n =1

∑

.

3 • Séries de Fourier

49

1 si k = 4 k + 1 kπ  = −1 si k = 4 k + 3 , la série ci-dessus est bien S = 1 − 1 + 1 − 1 ... ⇒ et, puisque sin 3 2  3 5 7 0 si k pair ∞  (−1)n π . = 2n + 1 4 n=0

S4 s’obtient à partir de la relation de Parseval (R3.5) appliquée à f : E=

soit

∫

π

−π

t 4 dt = 2

∫

π

−π

 1 f 2 (t )dt = 2π a02 + 2 

π 4 1 π5 = 2π  + 5  9 2

∞

∑ (a

2 n

n =1

 + bn2  

)

∞

16  1π4 π4 ⇒ = − et S  4 8  5 9  n 4  n =1

∑

∞

∑n n =1

1 4

=

π4 . 90

On peut retrouver S1 avec la relation de Parseval appliquée à g, h, ou K.

Exercice 3.2 Phénomène de Gibbs On note Sn(t) = h0(t) + h1(t) + ... + hn(t) la somme des (n + 1) premiers harmoniques. 1) Tracer les graphes de S1 , S3 , S15 et S40 pour les fonctions f et K de l’exercice 3.1, à l’aide d’une calculatrice. Que constate-t-on ? n

2) On s’intéresse à la fonction K et à Sn (t ) = π − 2

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

a) Calculer Sn′ (t ) en utilisant la relation :

sin kt . k k =1

∑

θ sin  n + 1  θ    n +1  2  1 2 =  cosθ + cos 2θ + ... + cos nθ = cos θ − θ θ  2  2 sin 2 sin 2 2 sin n

b) Quelle est la plus petite valeur positive de t correspondant à un extremum de Sn ? Quelle est la valeur mn de cet extremum ? c) Quelle est la limite de mn quand n tend vers +∞ ?

50

Mathématiques du signal

1) Graphes des Sn(t) pour f (t) = t2 sur [0,p], paire, de période 2p. 10 n = 15 8 n=3 6 n=1

4 2 0 –2

0

2

4

6

8

4

6

8

10 8 6 4 2

n = 40

0 –2

0

2

Graphes des Sn(t) pour K(t) = t sur ]0, 2p [, de période 2p. 2π 6

n=3 n = 15

4

π 2 n=1 0 –1

–2

0

2

4

6 2π

8

3 • Séries de Fourier

51

2π 6

4

π n = 40

2

0 –1

–2

0

2

4

6 2π

8

Dans le cas de f, qui est continue, Sn(t) converge bien vers f(t) pour tout t et, d’ailleurs, la convergence est uniforme. Mais, pour K qui est discontinue, Sn(t) converge vers K(t) seulement pour / 2pπ (p ∈ ) et Sn(2pp) = p, alors que K(2pp) n’a pas été définie. On constate la prét= sence d’oscillations au voisinage de chaque discontinuité, mais l’amplitude de ces oscillations semble se stabiliser. 1   t sin  n +  t   n +1  2  2 = 1−  2) a) Sn′ (t ) = −2 cos kt = −2 cos t . t t  2  sin sin k =1 2 2 t t n +1  b) Sn′ (t ) = 0 ⇔ cos t = 0 ou sin n = 0 avec sin ≠ 0  2  2 2 t = 0 et t = 2p. t 2π 2 kπ sin n = 0 ⇒ t = + 2 n n sin n

n

∑

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

n +1  cos t =0  2 

⇒

t=

π 2 kπ . + n +1 n +1

La plus petite valeur positive de t qui annule la dérivée est : α n =

π . n +1

et, d’après le graphe, Sn a un minimum en an : mn = Sn(an).

∫

t

Par ailleurs, on peut écrire que Sn (t ) = π + Sn′ (u) du puisque Sn(0) = p, 0

d’où :

1   sin  n +  u   2  Sn (t ) = π + t − du u 0 sin 2

∫

t

ce qui exclut

52

Mathématiques du signal

π mn = π + − n +1

et

c) lim mn = π − lim J n où J n = n →+∞

n →+∞

∫

1   sin  n +  u  2  du . u sin 2

π n +1

0

∫

π n +1

0

1   sin  n +  u  2  du . u sin 2

On peut écrire : Jn =

∫

u sin (2 n + 1)   2 du = 2 u sin 2

π n +1

0

 = 2 

π 2 ( n +1)

∫

 = 2  

0

∫

0

sin((2 n + 1) x ) dx + x

 2 n +1  π  2n + 2 

0

∫

π 2 ( n +1)

sin ν dν + ν

∫

π 2n + 2

0

∫

sin(2 n + 1) x dx sin x

π 2 ( n +1)

0

 1 1 sin((2 n + 1) x ) −  dx   sin x x   

 ϕ n ( x ) dx   

1 1 1 1 − et la fonction − est continue, bornée au voisinage de 0, tensin x x sin x x dant vers 0 quand x tend vers 0 (comme on le constate avec un développement limité). où ϕ n ( x ) 

Donc lim

∫

π 2n+2

n →∞ 0

ϕ n ( x ) dx = 0 ,

lim J n = 2

n →+∞

lim mn = π − 2

n →+∞

(On montre que

∫

π

0

∫

π

0

∫

π

0

sin ν dν et ν

sin ν dν = − 0, 562281450 . ν

sin ν dν = 1, 851937052 . ) ν

Exercice 3.3 Soit la fonction f de période 2a, définie sur [– a, a] par : f(t) = A P2b(t) avec b < a. 1) Tracer le graphe de f et calculer sa série de Fourier. Étudier la convergence de cette série. 2) En déduire le développement en série de Fourier de la fonction g définie par : A g(t ) = f (t − b) − . 2

3 • Séries de Fourier

53

Tracer le graphe de g. a 3) Préciser les coefficients de la série de Fourier de g dans le cas b = . Justifier 2 le résultat. Calculer l’énergie E de g sur une période. Combien faut-il prendre d’harmoniques pour que le signal h0(t) + h1(t) + ... + hn(t), où hp est le pième harmonique, ait une énergie au moins égale à 95 % de E ? 1) La fonction f est paire donc sa série de Fourier est une série de cosinus. A

– 2a

–b

La valeur moyenne est a0 = A ×

b

0

a

2a

b et on a a

2 a 2π f (t )cos nω t dt avec ω = 2a − a 2a 1 b 2A nπ t nπ b sin . = A cos dt = a −b a nπ a La série de Fourier de f est an =

∫

∫

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

b 2 S f (t ) = A + a π

∞

∑ n sin 1

n =1

nπ b nπ t  cos  . a a 

La fonction f étant C1 par morceaux, sa série de Fourier converge, et elle converge presque partout vers la fonction f. Plus précisément, en tout point t ∈ , la série de Fourier converge vers la demi-somme des limites à droite et à gauche de f en t (notées f(t +) et f(t –)). / ± b + k2a, où k ∈ , Sf(t) = f(t) (c’est-à-dire 0 ou A), Donc : ∀ t = ∀ tk = ± b + k2a, où k ∈ , S f (tk ) =

A . 2

A 2) Le graphe de g est obtenu en translatant celui de f de b horizontalement et de − ver2 ticalement. Sa série de Fourier est : A 2 2A + π

Sg (t ) = S f (t − b) − b 1 = A −   a 2

∞

∑ n sin n =1

1

nπ b nπ (t − b) cos . a a

54

Mathématiques du signal

A 2 – 2a

3) Si b =

–A 2

b

2b

2a

a , alors la fonction g est impaire et 2 sin

π 0 nπ b = sin n =  k a 2 ( −1)

si n = 2 k . si n = 2 k + 1

Comme, pour tout a réel, on a :

π π cos α − kπ −  = ( −1) k cos α −  = ( −1) k sin α ,   2 2 on obtient : ∞

2A 1 (2 k + 1)π t sin . π k = 0 2k + 1 a

∑

Sg (t ) = On en déduit que :

an = 0 b2k = 0 b2 k +1 =

∀n ∈  si k ∈ *

2A 1 × π 2k + 1

∀ k ∈ .

La série de Fourier de g est une série de sinus, ce qui est normal, car pour b =

a , g est 2

impaire. Dans ce cas, h0(t) = a0 = 0, et le pième harmonique est h p (t ) = b p sin

pπ t . a

Si on note Ep l’énergie du pième harmonique, l’identité de Parseval implique que : ∞

E = Ta02 +

∑E

p.

1

Or l’énergie du pième harmonique sur une période [– a, a] est : Ep = On a : E2k = 0 et E2 k +1 = a

2  b sin pπ t  dt = 2 a b 2 . p p −a  2 a 

∫

a

4 A2 1 . 2 π (2 k + 1)2

3 • Séries de Fourier

Or : E =

55

2

A aA 2 2 g(t ) dt = 2 a  = .  2 −a 2

∫

a

E2 k +1 =

Donc :

8 1 E. π 2 (2 k + 1)2

Pour que la somme h0 + ... + h2k+1 ait une énergie au moins égale à 95 % de E, il faut et il suffit que :  8  1 1 1 95 2 1 + 2 + 2 + ... + 2 π  3 5 (2 k + 1)  100 c’est-à-dire : sk + 1 = 1 +

1 1 1 95 π 2 + + ... +  × = 1, 172 01... 9 25 (2 k + 1) 2 100 8

on a : s1 = 1, s2 = 1,111..., s3 = 1,151 1..., s4 = 1,171 5..., s5 = 1,183 9... 95 π 2 × ce qui correspond à k = 4. 100 8 Donc, dans ce cas, il faut sommer la valeur moyenne (qui est nulle) et les 9 premiers harmoniques pour obtenir un signal g˜ approchant le signal initial g et tel que

On a donc s5 

2

2

g − g˜ 2  5 % E = 5 % g 2 . 1 ), il faut un n grand nombre d’harmoniques. Il en faut moins si la série converge plus vite (cf. exercice 3.7). Dans ce cas, comme la série converge lentement (les coefficients sont en

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Exercice 3.4 Soient g et h deux fonctions périodiques de période 2π définies par : g(t) = eat si t ∈ [0,p] et g paire h(t) = eat si t ∈ ]0,p [ et h impaire avec a > 0. 1) Calculer la série de Fourier Sg de g. 2) En déduire celle de h. Quelle valeur faut-il donner à h(kp) pour obtenir l’égalité de h et de sa série ? 1) La fonction g étant paire, sa série de Fourier est une série de cosinus. π

1 1 e −1 g(t )dt = e at dt = 2π −π π 0 aπ en utilisant la parité de g. 2 π 2 π at an = g(t )cos nt dt = e cos nt dt . 2π −π π 0 a0 =

∫

∫

∫

ea π

aπ

π

∫

g

1 –π

π

3π

t

56

Mathématiques du signal

En intégrant deux fois par parties, il vient : 2 a aπ a2 n an = [ e ( − 1 ) − 1 ] − an (avec cosnπ = (– 1)n) π n2 n2 d’où : an =

2a [e aπ ( −1) n − 1] . π (a + n 2 ) 2

La fonction g étant continue et C1 par morceaux, Sg est égale à g sur  et la convergence est uniforme sur . On a : g(t ) =

e aπ − 1 2 a + π aπ

∞

e aπ ( −1) n − 1 cos nt . a2 + n2 n =1

∑

2) h se déduit de g par dérivation. Précisément, on a : 1 h(t ) = g ′(t ) pour t = / kπ. a Puisque g est continue, de classe C1 par / kπ morceaux et que g′′ existe si t = 2 / kπ), on obtient : (g′′(t) = a g(t) si t = g ′(t ) = −

2a π

ea π

1 –π

0

π

2π

t

–1

∞

n[e aπ ( −1) n − 1] sin nt a2 + n2 n =1

∑

– eaπ

/ kπ et égalité vraie pour t =

h( t ) = −

2 π

∞

n[e aπ ( −1) n − 1] / kπ. sin nt où t = a2 + n2 n =1

∑

En fait, l’égalité est vraie pour t = kπ si l’on pose h(kπ) = 0.

Exercice 3.5 Pour toute fonction f, on définit  f (t ) si f (t )  0 , sa partie positive f + par : f + (t ) =  sinon 0 − f (t ) si f (t )  0 . sa partie négative f – par : f − (t ) =  sinon 0 On a donc : f (t) = f +(t) – f –(t) et | f(t)| = f +(t) + f –(t). 1) Calculer les coefficients de Fourier g(t) = cosωt, ω ∈∗+ .

an+ et bn+ du signal g+ quand

3 • Séries de Fourier

57

2) Déduire de ce qui précède et des coefficients an et bn de g, les coefficients a˜ n et b˜n de |g|. Vérifier que les coefficients de rang impair sont tous nuls. Pourquoi ? 1) g est une fonction paire, de période T =

2π et il en est de même de g+. ω

g 1

π ω 2π ω

π 2ω

0 –1

t

g+ 1 – π 2ω

0

π 2ω

t

π 2ω

t

|g| 1 0

+ Les coefficients de Fourier bn sont nuls et

a0+ =

ω π ω = π

an+ = © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

ω 2π

1 Si n = / 1, an+ = π Or,

d’où :

∫

π /ω

−π / ω

∫ ∫

π /ω

g + (t ) dt =

∫

π /( 2ω )

cos ω t dt =

0

g + (t )cos ω nt dt =

−π / ω π /( 2ω )

0

ω π

2ω π

∫

1 π

π /( 2ω )

0

cos ω t cos ω nt dt

[cos(ω (1 + n)t ) + cos(ω (1 − n)t )] dt .

π π sin (n + 1)  sin (1 − n)    2 2 + n +1 1− n

{

π 0 sin k  =   2  ( −1) p  a2+p +1 = 0  2( −1) p  + a =  2 p π (1 − 4 p 2 ) 

}

si k = 2 p si k = 2 p + 1 ( p ≠ 0) ( p ≠ 0)

.

58

Mathématiques du signal

Il reste à calculer a1+ : a1+ =

ω π

∫

π /( 2ω )

0

[1 + cos 2ω t ] dt =

ω π 1 + 0  = .  π  2ω  2

2) On remarque que |g| = g+ + g– = 2g+ – g. |g| étant paire, ses coefficients b˜n sont nuls et a˜ n = 2 an+ − an si l’on considère que g, g+, |g| ont même période T =

2π . ω

Les coefficients an et bn de g sont nuls sauf a1 qui vaut 1 puisque : 2π t 2π  2t + ... + a2 cos  T T  = a0 + a1 cos ω t + a2 cos 2ω t + ... + an cos nω t + ...

cos ω t = a0 + a1 cos

a˜ = 2 a + − a = 2 0 0  0 π a˜ = 2 a + − a = 1 − 1 = 0 1 1  1 d’où :  ˜ a = 2 a2+p +1 − a2 p +1 = 0  2 p +1 4( −1) p ˜ + 2 a a a = − = 2 p 2 p 2 p  π (1 − 4 p 2 ) 

( p ≠ 0) ( p > 0) 2π : ω

La série de Fourier de |g| s’écrit, avec T = S g (t ) =

2 + π

∞

4( −1) p cos 2 pω t . π (1 − 4 p 2 ) p =1

∑

Mais, en réalité, la période de |cosω t| est

π et la série de Fourier s’écrit : ω

∞

S g (t ) = a0* +

(1)

∑a

* k cos 2ω

kt .

(2)

k =1

On constate que les termes en cos(2k + 1)ωt sont absents dans (2), donc a˜ 2 k +1 = 0 et ak* = a˜ 2 k .

3 • Séries de Fourier

59

Exercice 3.6 Soit f un signal périodique, de période 2a, défini par f(t) = et sur ]– a, a[, a > 0, f(a) = b. 1) Tracer le graphe de f sur [– 3a, 3a]. 2) Calculer la série de Fourier S de f. 3) Étudier la convergence de la série vers f. Comment faut-il choisir b pour qu’il y ait convergence ponctuelle pour tout t ? 4) Quelle est la somme des séries : ∞

∞

( −1)n 1 + n2 n =1

∑

1

∑ 1 + n2 .

et

n =1

1) f

b

– 3a

–a

a

0

3a t

2) Comme f n’est ni paire, ni impaire, on calcule les coefficients de Fourier complexes αn, a − ibn pour n  1. on en déduira an et bn par : α n = n 2

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

On note ω =

2π π = . 2a a

∫

a

∫

a

α0 =

1 2a

αn =

1 2a

αn =

sh a ( −1) n (1 + inω ) an − ibn pour n  1. = a 2 1 + (nω )2

−a

−a

e t dt =

sh a = a0 a

e t e − iω nt dt =

sh a e − inπ sh a ( −1) n = a 1 − inω a 1 − inω

d’où :

S(t ) =

sh a  1 + a 

∞

2( −1) n

∑ 1 + (nω ) 1

2

 (cos nω t − nω sin nω t ) . 

60

Mathématiques du signal

3) En tout point où f est continue, la série de Fourier converge ponctuellement vers f. En un point de discontinuité, la série converge vers la demi-somme des limites. On a :

/ a(1 + 2k), k ∈  S(t) = f(t) ∀ t = S( a ) =

et

1 ( f ( a + ) + f ( a − )) = ch a . 2

Pour qu’il y ait convergence ponctuelle pour tout t, il faut que b = cha. 4) Il suffit de prendre ω = 1 donc a = p et de donner à t une valeur telle que sinnt = 0 et cosnt = 1 ∀ n, soit t = 0. On obtient alors d’après 3) : ∞

( −1) n 1  π − 1 . 2 =   2 sh π 1 + n n =1

∑

Pour calculer la deuxième série, on cherche t tel que sinnt = 0 et cosnt = (– 1)n, soit t = π. Avec a = π, on a d’après 3) : ∞

∑1+ n 1

2

=

1

1 π − 1 . 2  thπ 

Cette deuxième série étant à termes positifs, on peut essayer de la calculer en utilisant Parseval, d’où : 2 shπ   sh 2π = 2π  1+ 2  π  

∞

1  2 . 

∑1+ n 1

Comme sh2p = 2shp chp, on retrouve le résultat précédent.

Exercices d’entraînement 3.7

Soit f un signal de période T, défini sur [0,T [ par f (t) = at(T – t) avec a > 0. 1) Montrer que f est paire. 2) Calculer sa série de Fourier. Quelle est la nature de la convergence de cette série vers f ? 3) Calculer l’énergie E de f sur une période. Calculer l’énergie de h0(t) = a0 et de h1 (t ) = a1 cos En déduire l’énergie de a0 + a1 cos

3.8

2π t . T

2π t en fonction de E. T

Développer en série de Fourier les fonctions suivantes : 1) f1(t) = cos2t en tant que fonction de période 2p puis p. 2) f2(t) = sin3t 3) f3(t) = sin3t si t ∈ [0,p], paire

3 • Séries de Fourier

61

4) fλ(t) = cosλ t si t ∈ [– p,p], T = 2p, λ ∉  (tracer les graphes pour l = 1/4, l = 5/2 par exemple). π π 5) gl(t) = cosl t si t ∈ − ,  , T = p, l ∉ 2  2 2 Retrouver le résultat de 3). 1 1 / np, établir les formules : cotan t = + 2t 6) Pour t = 2 t t − n 2π 2 n1

∑

et

∑

1 1 1 = + 2t ( −1) n 2 2 2 . sin t t t n π − n1

A

T Déterminer la série de Fourier complexe du 0 τ signal f dont le graphe est ci-contre. τ+h Qu’obtient-on si t = T – h ? Quelle est alors la limite de la série quand h tend vers 0 ? Retrouver le résultat de l’exercice 3.1.

3.9

3.10 Calculer les coefficients de Fourier de la fonction de période 2p définie sur [– p,p] par cos t 11l  π  (t ). Comparer à l’exercice 2.9.  0, 2 

Réponses

3.7

1) Si t ∈ ]0,T [, – t ∈ ]– T,0[, T – t ∈ ]0,T [ et, f périodique implique f (– t) = f (T – t) = a(T – t)[T – (T – t)] = a(T – t)t = f (t) f paire sur ]– T, T [ donc partout. ∞

2) S f (t ) = a

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

3) h1

f

2 2

2 2

=

=

T2 2π 1 − 4a et la convergence vers f est uniforme. 2 2 cos nω t , ω = n T 6 ω n =1

∑

a2T 5 = E, 30

h0

2 2

=

a2T 5 = E × 0, 833, 36

8 a 2 T 5 = E × 0,154 , (2π )4

h0 + h1

2 2

= 0, 987 ⋅ E .

∞

3.8

1) f1 paire, T = 2π ⇒ S f (t ) = a0 +

∑ a cos nt n

n =1

∞

T = π ⇒ S f (t ) = a˜ 0 +

∑ a˜ cos 2nt . n

n =1

Or cos2 t = a˜ 0 =

1 1 1 (cos 2t + 1) ⇒ a0 = , a2 = , an = 0 sinon. 2 2 2

1 1 , a˜1 = , a˜ n = 0 sinon. 2 2

62

Mathématiques du signal

3 1 sin x − sin 3 x . 4 4

2) f2 est impaire, T = 2p, sin 3 x = S f (t ) =

∑ b sin nt , n

b1 =

n1

3 1 , b3 = − , bn = 0 sinon. 4 4

3) f3 est de période p, S f (t ) =

∑ a cos 2nt , n

a0 =

n1

4 , 3π

24 1 an = . 2 π (1 − 4n )(9 − 4n2 ) 4) fl est paire, S f ,λ (t ) = a0 +

∑ a cos nt , l ∉ . n

n1

a0 =

sin λπ ( −1)n sin λπ 2λ , an = . λπ π λ2 − n2 1

cos( x ) 4

0,5

0 cos(2,5x) – 0,5

–1 – 15

– 5 –π

– 10 – 2π

5) gl(t) = fl/2(2t), Sg,λ (t ) = a0 +

0

π

5

10 2π

∑ a cos 2nt , l ∉ 2. n

n1

π π sin λ 4λ n 2 , a = ( −1) 2 a0 = n 2 π − 4n2 π λ λ 2 sin λ

π π π π sin 3 t = cos3  − t  , t ∈ (0,π), − t ∈ − ,  , T = π 2   2 2 2 3 1 3 1 cos3 t = cos t + cos 3t ⇒ Ssin3 t (t ) = S 3  π  (t ) = Sg,1 (t ) + Sg,3 (t ). cos −t 4 4 4 4   2

6) Sf (p) = fl(p) puis t = lp donne la première formule. Sf (0) = fl(0) puis t = lp donne la deuxième formule. 3.9

S f (t ) =

Aτ +h 1 − AT 2 2 n π 2 T 4 n≠0

Si τ = T – h, S f (t ) =

∑

 1  1 1  −2 iπ n τ 1 −2 iπ n τ +h  2 iπ n t T + e T e T. + e  − h  τ  τ h  

nh t  −2 iπ  2 iπ n A 1 1 T e T , ∀ t. − AT 2 − e 1   2 4π 2 n 2 (T − h)h   n≠0

∑

15

3 • Séries de Fourier

Si de plus, h → 0, S f (t ) =

63

A 1 + 2

t i 2 iπ n T  / kT, k ∈  e  ∀t= πn  n≠0

∑

( f est alors discontinue en t = kT ). On retrouve Sk(t) de 3.1 avec A = T = 2p. 3.10

a0 = a4 k =

1 , 2π −1 π (( 4 k )2 − 1)

1 , 4

b1 = 4k π (( 4 k )2 − 1)

,

1 π ( 4 k + 2)

,

,

b4 k =

,

b4 k +1 =

1 , π (( 4 k + 2)2 − 1)

b4 k +2 =

a4k +1 = 0 a4 k +2 =

a1 =

a4k +3 = 0

,

b4 k +3

4k + 2 , π (( 4 k + 2)2 − 1) 1 = . π ( 4 k + 2)

Les coefficients complexes sont α n =

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

cice 2.9.

1 , 2π

an − ibn c = n où les cn sont définis à l’exer2 2π

Chapitre 4

Intégrales à paramètre, convolution

RAPPELS • Théorème de convergence dominée de Lebesgue Soit { f n } une suite de fonctions définies sur I telle que – la suite { f n } converge presque partout vers f sur I , – il existe une fonction g sommable sur I telle que | f n (x)|
g(x)

∀n ∈ N ,∀x ∈ I

 g(x)dx finie

avec I

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

alors f est sommable sur I et



 f n (x)dx =

lim

n→+∞

I

f (x)dx I

Le théorème est encore vrai pour une famille de fonctions dépendant d’un paramètre continu λ. Sous les mêmes hypothèses 

 f λ (x)dx =

lim

λ→λ0

I

• Intégrale à paramètre

lim f λ (x)dx

I λ→λ0

 F(t) =

f (x,t) dx I

(R4.1)

66

Mathématiques du signal

• Continuité et dérivabilité de F(t) – Théorème dans le cas où I = [a,b] est fermé borné 1) si f (x,t) est définie et continue sur [a,b] × [c,d], alors la fonction F(t) est définie et continue sur [c,d] ∂f 2) si la dérivée partielle est définie et continue sur [a,b]×]c,d[ ∂t alors la fonction F(t) est continûment dérivable sur ]c,d[ et sa dérivée est d F(t) F (t) = = dt



b

a

∂f (x,t) dx . ∂t

(R4.2)

– Théorème dans le cas où I est non borné ou bien f est non bornée 1) si f (x,t) est définie et continue sur I × [c,d], et si il existe g(x) sommable sur I telle que  ∀x ∈ I, ∀t ∈ [c,d]

| f (x,t)|
g(x)

g(x) dx < +∞

avec 0
I

alors la fonction F(t) est continue sur [c,d]. ∂f 2) si de plus la dérivée partielle est définie et continue sur I ×]c,d[, ∂t et si il existe h(x) sommable sur I telle que ∀x ∈ I, ∀t ∈ [c,d]

  ∂ f   (x,t)
h(x)  ∂t 

 h(x) dx < +∞

avec 0
I

alors la fonction F(t) est continûment dérivable sur ]c,d[ et sa dérivée est F (t) =

d F(t) = dt

 I

∂f (x,t) dx . ∂t

(R4.3)

• Produit de convolution de 2 fonctions f et g définies sur R tout entier :  ( f ∗ g) (x) =

+∞

−∞

f (x − y)g(y)dy

(R4.4)

• Une fonction causale s’écrit Y (x) f (x) avec Y (x) la fonction échelon (ou de Heaviside) qui vaut 1 sur R+ et 0 ailleurs.

4 • Intégrales à paramètre, convolution

67

• Le produit de convolution de 2 fonctions causales est causal et on a  ∀x ∈ R ( f ∗ g)(x) = Y (x)

x

f (x − y)g(y)dy

(R4.5)

0

• Si f ∈ L 2 (R), g ∈ L 2 (R), alors f ∗ g est continue et bornée. f ∈ L 1 (R), g ∈ L 1 (R) ⇒ f ∗ g ∈ L 1 (R)

(R4.6)

Exercice 4.1 1 , n  0. Calculer lim n→∞ 1 + t 2 +1 / n me de convergence dominée.

1) Soit fn (t ) =

2) Soit gn(t) = nfn(nt). Calculer lim

∫

+∞

∫−∞ fn (t ) dt

en utilisant le théorè-

+a

n→∞ − a

gn (t ) dt , pour a > 0.

1) Le théorème de convergence dominée impose de trouver une fonction h sommable ici sur , indépendante de n, telle que : |fn(t)|  h(t), ∀ t.

Alors,

lim

+∞

n →∞ −∞

1

On a :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

∫

1 + t 2 +1 / n

. Par ailleurs,

fn (t ) dt =

∫

+∞

lim fn (t ) dt .

−∞ n →∞

 1, ∀ t ∈ , mais la fonction égale à 1 partout n’est pas sommable sur 1

1+ t

2 +1 / n



1 si |t|  1 car alors t2  t2+1/n. On prend donc, pour 1+ t2 si t  1

1 majorer fn sur , la fonction h telle que : h(t ) =  1 1 + t 2

si t > 1 et h est alors sommable

sur . Et, comme lim fn (t ) = n →∞

2)

∫

+a

−a

gn (t ) dt =

∫

1 , on a : lim n →∞ 1+ t2

+a

−a

nfn (nt ) dt =

On peut aussi écrire :

∫

+a

−a

∫

∫

+∞

−∞

f n ( t ) dt =

∫

+∞

−∞

+ na

fn (u) du en posant : u = nt.

− na

gn (t ) dt =

1 dt = π . 1+ t2

∫

+∞

−∞

fn (u)11l[[–− na,na ] (u) du .

68

Mathématiques du signal

Et, puisque |fn(u) 1l [–na,na](u)|  |fn(u)|  h(u) d’après la question 1), et que +a 1 lim fn (u)11l[[–− na,na ] (u) = gn (t ) dt = π . 2 , on a : lim n →∞ n →∞ − a 1+ u

∫

Exercice 4.2 1) Quelle est la limite ponctuelle de la suite définie par : fn(t) = n2t e– nt ?

∫

2) Comparer lim

+∞

n→∞ 0

+∞

f n ( t ) dt n→∞ ∫a

3) Comparer lim

+∞

fn (t ) dt . Conclure. ∫0 nlim →∞

fn (t ) dt et

+∞

f n ( t ) dt ∫a nlim →∞

et

pour a > 0. Conclure.

1) Soit f (t ) = lim fn (t ). Alors, f(t) vaut 0 si t  0 car f(0) = 0 et lim e − nt = 0 si t > 0 et +∞ n →∞

n →+∞

si t < 0. Donc f n’est pas définie si t < 0. La suite ne converge ponctuellement que sur +.

∫

2)

+∞

0

∫

[

n 2 t e − nt dt = −(nt + 1)e − nt

+∞

lim fn (t ) dt =

0 n →∞

∫

]0

+∞

= 1.

Donc,

lim

∫

+∞

n →∞ 0

fn (t ) dt = 1

alors

que

+∞

0 dt = 0 . Le théorème de convergence dominée ne peut s’appliquer,

0

sinon on aurait constaté l’égalité. Il n’existe donc pas de fonction g sommable sur + telle que | fn(t)|  g(t) ∀ t ∈ +. 3)

∫

+∞

a

[

n 2 t e − nt dt = −(nt + 1)e − nt

Ici, on a bien lim

∫

+∞

n →∞ a

]a

+∞

fn (t ) dt = 0 =

= (na + 1)e − na .

∫

+∞

lim fn (t ) dt .

a n →∞

Sur (a,+∞), le théorème de convergence dominée s’applique : en effet, lorsque n est assez 1 1 − nt ∀ α > 0 et grand, donc nt aussi, on peut écrire n 2 t e − nt  2 puisqu’alors e  (nt )α t la fonction majorante est sommable sur (a,+∞), ∀ a > 0.

Exercice 4.3 1) Soit F( x ) =

∞

∫0

f (t, x ) dt où f (t, x ) =

e − t − e − tx . Pour quelles valeurs de x la t

fonction F est-elle définie ? 2) Montrer que F est continue et dérivable sur son domaine de définition. Calculer la valeur de F ′, en déduire celle de F.

4 • Intégrales à paramètre, convolution

1) Quand t est voisin de +∞,

69

e −t e − tx est sommable alors que ne l’est que si x > 0. Pour t t t

e − t − e − tx 1 − t − (1 − tx )  = x − 1, valeur finie. Donc, F est définie pour x > 0. t t

voisin de 0,

2) f est continue pour t  0 et x > 0 et pour chaque x > 0, il existe α > 0 et A tels que 0 < α  x  A. Alors : Pour tout t ∈ [0,1], f (t, x )  M ( x ) = max f (t, x ) , et, pour tout x ∈ [α, A], t ∈[ 0,1]

f (t, x )  Mα , A = max M ( x ), quantité constante finie. x ∈[α , A ]

1 1,

f (t, x ) < e − t − e − xt  e − t + e −α t .

si 0  t  1 M . On a donc : f (t, x )  g(t ) =  −αt , A −α t e e si t > 1 +  Comme g est sommable sur [0 ,+∞[, F est continue sur tout intervalle [α , A], soit pour tout x > 0. ∂f (t, x ) = e − tx  e −α t ∀ x  α, et, pour t  0, cette fonction est sommable. Par ailleurs, ∂x Alors, d’après (R4.3), F est dérivable et F ′( x ) =

∫

puisque f (t,1) = 0, on a, en particulier, F(1) = C =

+∞

0

∫

e − tx dt =

1 , d’où F(x) = lnx + C. Mais, x

+∞

0

0 dt = 0 . D’où

F( x ) = ln x .

Exercice 4.4

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Calculer les produits de convolution suivants : sint * P2a(t)

et

cost * P2a(t).

Soient f et g les fonctions obtenues. Vérifier que f est impaire, que g est paire et qu’elles sont toutes les deux indéfiniment dérivables sur . Expliciter leur dérivées f ′et g′. Le produit de convolution étant commutatif, il peut être calculé de deux façons : – soit f (t ) = =

∫

∫

+∞

−∞

t +a

t −a

sin u P2 a (t − u) du t +a

sin u du = [ − cos u]t − a = − cos(t + a) + cos(t − a).

70

Mathématiques du signal

– soit f (t ) = =

∫

+∞

∫

a

−∞

P2 a (u)sin(t − u) du a

sin(t − u) du = [ + cos(t − u)]− a = cos(t − a) − cos(t + a).

−a

Dans les deux cas, on obtient la même expression qui peut encore s’écrire : t ∈ .

f (t ) = 2 sin a sin t

Le produit de convolution sint * P2a(t) est donc impair et de classe C∞ sur  comme la fonction sinus. De même, on obtient : g(t ) = 2 sin a cos t

t ∈ .

La fonction g est paire et de classe C∞ sur . On remarque que : f ′(t) = 2 sina cost = g(t) g′(t) = – 2 sina sint = – f(t).

Exercice 4.5 Soient f et g deux fonctions et soit h = f * g, leur produit de convolution. 1) Montrer que si f et g ont même parité, alors f * g est paire et que si f et g ont des parités opposées, f * g est impaire. 2) Montrer que si f (ou g) est translatée de a, alors f * g est translatée de a. 3) Montrer que si f et g sont nulles respectivement hors de [a, b] et hors de [c, d ], alors f * g est nulle hors de [a + c, b + d ]. Vérifier en particulier que si f et g sont causales (nulles sur –), alors f * g est aussi une fonction causale dont on donnera l’expression. 1) Pour connaître la parité de h, il faut comparer h(– t) et h(t). Or : h( − t ) =

∫

+∞

−∞

f (u)g( −t − u) du .

a) Si f et g ont même parité, alors f(u)g(– t – u) = f(– u) g(t + u) et donc : h( − t ) =

∫

+∞

−∞

f ( −u)g(t + u) du .

Le changement de variable ν = – u donne dν = – du et : h( − t ) =

∫

−∞

+∞

f (v)g(t − v)( − dv) =

∫

+∞

−∞

f (v)g(t − v)dv .

4 • Intégrales à paramètre, convolution

71

Comme la variable d’intégration est une variable muette, cette dernière intégrale est égale à h(t). Donc h(– t) = h(t), la fonction h est paire. b) Si f et g ont des parités opposées, alors f (u)g(– t – u) = – f (– u)g(t + u) et il s’ensuit que h(– t) = – h(t), h est alors impaire. 2) D’après la définition, le produit de convolution de la translatée de a de la fonction f par la fonction g est : k (t ) =

∫

+∞

−∞

f (u − a)g(t − u) du .

Le changement de variable ν = u – a donne dν = du et k (t ) = =

∫

+∞

−∞

f (v)g(t − (v + a))dv

+∞

∫ f (v)g((t − a) − v)dv −∞

= h(t − a). Comme le produit de convolution est commutatif, le même résultat est obtenu si g est translatée à la place de f. 3) Il faut montrer que h(t) = 0 pour t < a + c et pour t > b + d. D’après la définition :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

h( t ) =

∫

+∞

−∞

f (u)g(t − u) du ,

il est donc clair que si le produit f (u)g(t – u) est nul pour toutes les valeurs de u ∈ ]−∞,+∞[, alors h(t) est nul. Pour comprendre ce qui se passe selon la valeur de f(u) t considérée, il est commode de représenter sur un u a b 0 axe les valeurs prises par la variable u et les intervalles sur lesquels f (u) (ou g(t – u)) est nulle. g(t – u) Or si u ∉ [a, b], alors f (u) = 0 t–d t–c u 0 et si t – u ∉ [c, d ], alors g(t – u) = 0. Si u n’est pas dans [a, b] ou si u n’est pas dans [t – d, t – c], alors le produit f (u)g(t – u) est nul. Si les segments [a, b] et [t – d, t – c] sont disjoints, alors, pour toute valeur de u, le produit f (u)g(t – u) est nul. Ce sera le cas soit si b < t – d, soit si t – c < a, c’est-à-dire pour t < a + c ou pour t > b + d . Donc pour t ∉ [a + c, b + d ], h(t) est nul. f(u) Pour les valeurs de t ∈ [a + c, b + d ], il faut calcuu 0 ler h(t) en appliquant la définition. g(t – u) Dans le cas où f et g sont causales, alors a = c = 0 et b et d sont infinis, donc h(t) est nulle si t < a + c = 0. t u 0 La fonction h est causale et définie par :  t  f (u)g(t − u) du si t  0 h( t ) =  0 . 0 si t < 0

∫

72

Mathématiques du signal

Exercice 4.6 Soient a et b, deux réels positifs. Calculer les produits de convolution suivants, notés hi , (i = 1, 2, 3, 4, 5) : 1) P2a * P2b 2) Y(t) exp(– at) * Y(t) exp(– bt) 3) P2a(t – a) * Y(t) exp(– bt) 4) P2a (t – a) * exp(– bt) 5) 1 ∗ P1 On distinguera si nécessaire les cas a < b, b < a et a = b. Tracer les graphes des fonctions hi et vérifier que « le produit de convolution régularise ». 1) D’après l’exercice précédent, il est clair que h1 est une fonction paire, nulle hors de [– (a + b), a + b]. Il reste à calculer h1 pour t ∈ [0, a + b]. Par définition : h1 (t ) =

∫

+∞

P2 a (u) P2 b (t − u) du =

−∞

∫

a

P2 b (t − u) du .

−a

Or P2b(t – u) = 1 si et seulement si – b  t – u  b, soit t – b  u  t + b. Si t ∈ [0, a + b] et en supposant par exemple que 0  a  b, alors deux cas se présentent : – soit {0  t et t – b  – a} ⇔ 0  t  b – a alors h1 (t ) =

∫

a

1 dt = 2 a ;

1

−a

–b –a t–b

– soit – a  t – b  a ⇔ b – a  t  a + b alors h1 (t ) =

∫

a

0t

a

b t+b

u

b

t+b

u

1

1 dt = a + b − t .

t −b

–b –a

0 t–b

ta

Comme h1 est paire et nulle pour t  a + b, on obtient pour 0 < a  b : 2 a  h1 (t ) = a + b − t 0 

h1 a+b

pour t  b − a pour b − a  t  a + b . pour t > a + b

2a

t

La fonction h1(t) est continue alors que les fonctions porte sont discontinues.

–b–a – (a + b)

– (b – a)

0

a b–a

b a+b

4 • Intégrales à paramètre, convolution

73

Si 0 < b  a, on obtient un résultat similaire, il suffit de permuter le rôle de a et de b. Dans tous les cas, pour a et b réels positifs, on obtient : 2 min ( a, b) pour t  b − a  h1 (t ) = a + b − t pour b – a  t  a + b . 0 pour t > a + b  Si a = b, alors : 2 a − t h1 (t ) =  0

pour t  2 a pour t > 2 a

P2 a ∗ P2 a = 2 a∆ 2 a .

c’est-à-dire

2) Le produit de convolution de deux fonctions causales est une fonction causale. Il suffit de calculer h2 pour t  0 et l’on a : h2 (t ) =

∫

t

0

e − au e − b( t − u ) du = e − bt

t

∫e

( b − a )u

du .

0

/ a, alors : Si l’on suppose que b = h2 (t ) = e − bt Pour b ≠ a , on a :

h2 (t ) = Y (t )

e ( b − a )t − 1 . b−a

exp( − at ) − exp( − bt ) . b−a

Si b = a , le calcul précédent n’est plus valable, et on a : h2 (t ) = e − at

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Donc, pour b = a , on a :

t

∫ e du = te 0

− at

pour t  0.

0

h2 (t ) = Y (t ) t exp( − at )

.

L’expression Y(t)t exp(– at) est la limite de l’expression précédente lorsque b tend vers a. En effet, en posant b = a + ε et en faisant tendre ε vers 0, on obtient : Y (t )

exp( − at )[1 − exp( −ε t )] exp( − at ) − exp( − bt ) εt = Y (t )  Y (t ) exp( − at )   ε =0 b−a ε ε

donc : lim Y (t )

b→ a

exp( − at ) − exp( − bt ) = Y (t )t exp( − at ). b−a

On aurait pu aussi remarquer que la dérivée de la fonction exp(– at) par rapport à la variable a est – t exp(– at). En comparant avec la définition de la dérivée en a, on obtient : exp( − bt ) − exp( − at ) = −t exp( − at ). b→ a b−a lim

74

Mathématiques du signal

h2 avec a = 1, b = 3

0,4

h2 avec a = b = 1

0,4

0,2

0,2

0 –2

0

2

4

6

0 –2

0

2

4

6

3) La fonction P2a(t – a) est causale car elle est définie par :

{

1 si − a  t − a  a P2 a (t − a) = 0 sinon

soit 0  t  2 a

.

Le produit de convolution P2a(t – a) * Y(t) exp(– bt) est donc causal. Pour t  0,

∫

t

h3 (t ) = P2 a (u − a)e − b( t − u ) du . 0

1

P2a(u – a)

1

Y(t – u)e–b(t – u) u 0

t

P2a(u – a)

Y(t –u)e–b(t – u) 0

2a

Pour 0  t  2a, h3 (t ) =

t

 e − b(t −u )  1 − e − bt . e − b ( t − u ) du =   = o b  b 0

∫

t

Pour 2a  t, h3 (t ) =

∫

2a

0

e − b( t − u ) du =

e − b( t − 2 a ) − e − bt . b

En conclusion :  1 1 − exp( − bt ) pour 0  t  2 a ] b [  1 h3 (t ) =  [exp(2 ab) − 1] exp( − bt ) pour 2 a  t . b 0 pour t < 0  La fonction h3 est continue. Elle est dérivable sur \{0,2a}. 4) Calculons P2a(t – a) * exp(– bt). Ici le résultat n’est plus causal. h4 (t ) =

∫

+∞

P2 a (t − u − a) exp( − bu) du .

−∞

u 2a

t

4 • Intégrales à paramètre, convolution

75

1 pour − a  t − u − a  a ⇔ t − 2 a  u  t Or P2 a (t − u − a) =  0 sinon donc

h4 (t ) =

1 exp( − bu) du =  −  [exp( − bt ) − exp( − b(t − 2 a))]  t −2a b

∫

t

h4 (t ) =

1 [exp(2ab) − 1] exp(−bt ) . b

Cette fonction h4 est indéfiniment dérivable, tout comme l’exponentielle. 6

6 h3

h4

4

4

2

2

0 –1

0

1

2

0 –1

3

0

1

2

3

5) D’après l’index, pour x ∈ [−1,1] , 1 (x) = 1 − |x| et sinon 1 (x) = 0. On a



h 5 (x) =

+∞

−∞

1 (u)P1 (x − u)du

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Les 2 fonctions sont à support borné. Le support de 1 est I = [−1,1]. Connaissant x, le support de la porte P1 (x − u) est l’ensemble des u tels que −1/2
x − u
1/2 , c’est-àdire Ix = [x − 1/2,x + 1/2]. Il faut déterminer l’intersection de ces 2 supports selon les valeurs de x : a) Ix est à l’extérieur , à gauche de I si x + 1/2 < −1, c’est-à-dire pour x < −3/2 b) Ix intersecte I à gauche si x − 1/2
−1
x + 1/2, c’est-à-dire pour −3/2
x
−1/2 c) Ix est à l’intérieur de I si −1 < x − 1/2 < x + 1/2 < 1, c’est-à-dire pour −1/2 < x < 1/2 d) Ix intersecte I à gauche si x − 1/2
1
x + 1/2, c’est-à -dire pour 1/2
x
3/2 e) Ix est à l’extérieur, à droite de I si 1 < x − 1/2, c’est-à-dire pour 3/2 < x

Comme 1 et P1 sont paires, on sait que h 5 est aussi paire (cf. execice 4.5). Il suffit de la calculer pour x positif, ce qui exclut les cas a) et b). Le cas c) correspond à −1/2 < x < 1/2. Si 0
x < 1/2 alors  x+ 1 2 h 5 (x) = (1− |u|)du x− 1 2

76

Mathématiques du signal

Pour ne plus avoir de valeur absolue dans l’intégrale, comme la valeur absolue |u| s’annule pour u = 0, on écrit x+ 1    0  x+ 1 2 0 2 u2 2 (1 − u)du = u + u (1 + u)du + + u− h 5 (x) = 2 x− 1 2 0 x− 1 0 2

2

 =− x−

1 2





−

1 1 x− 2 2

2

 + x+

1 2





−

1 1 x+ 2 2

2 =

3 − x2 4

Pour le cas d) on a 1/2
x
3/2. donc 1  u2 h 5 (x) = (1 − u)du = u − 2 x− 1 x− 1 

1

2

2



=1−x +

1 1 x− 2 2

2 =

9 3 1 − x + x2 8 2 2

Dans le cas e) on a 3/2 < x, les supports étant disjoints, on a h 5 (x) = 0. On peut remarquer que P1 est discontinue, mais que 1 = P1 ∗ P1 est continue, et constater sur le graphe de h 5 (x) = P1 ∗ P1 ∗ P1 , que h 5 est de classe C 1 . Le produit de convolution régularise : voir l’exercice 4.7. P *P *P 1

1

1

0,8 0,7 0,75 – x

0,6

2

0,5 0,4

0,5x 2 –1,5|x| + 1,125

0,3 0,2 0,1 0

–3 –2,5

–2

–1,5

–1

–0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Exercice 4.7 1) Soit la fonction h = f * g où f appartient à L1() et où g est une fonction de C1(), bornée sur  ainsi que sa dérivée. Montrer que h est définie et dérivable sur  et que h′ = f * g′.

4 • Intégrales à paramètre, convolution

77

2) En déduire que si f est dans L1(), si g est dans Ck() et si les fonctions g(p) pour p = 0, … k sont bornées, alors h est définie et h est au moins de classe Ck (et ceci même si f n’est même pas continue). On dit que le « produit de convolution régularise ». 3) Calculer les produits de convolution suivants : cost * P2a(t)

et

Y(t) cost * P2a(t).

Soient h1 et h2 les deux fonctions obtenues. Montrer que h1 est une fonction de classe C∞. Tracer les graphes de h1 et de h2 . Vérifier que h2 n’est pas dérivable sur tout  et expliquer pourquoi la formule du 1) n’est pas utilisable. 1) Le produit de convolution est une fonction définie par une intégrale : h( t ) =

∫

+∞

−∞

f (u)g(t − u) du .

Si f est dans L1() et g continue bornée, l’intégrale ci-dessus est bien définie pour tout t ∈ . En supposant que l’on puisse dériver sous le signe d’intégration, on obtiendrait : h ′(t ) =

∫

+∞

−∞

f ( u ) g ′ ( t − u ) du .

Pour justifier la formule ci-dessus, il faut vérifier que les hypothèses de (R4.3). Comme la fonction g′ est bornée sur , ∀ u ∈  : f (u)g ′(t − u)  f (u) max g ′(u) = M f (u) u ∈

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

et comme f est sommable sur , le théorème s’applique et : h ′(t ) =

∫

+∞

−∞

f (u)g ′(t − u) du = ( f ∗ g ′)(t ) .

2) Faisons une démonstration par récurrence. Si k = 1, on vient de voir que h ∈ C1() et h′ = f * g′. Supposons que, si f ∈ L1() et g ∈ Ck() avec g(i) bornée ∀ i = 0, ...k, alors h ∈ Ck () et h(k) = f * g(k). Montrons alors que, si, de plus, g ∈ Ck+1() avec g(k+1) bornée, alors h ∈ Ck+1() et h(k+1 ) = f * g(k+1). Il suffit pour cela d’appliquer au produit de convolution h(k) = f * g(k) le résultat de la première question. Puisque g(k+1) existe et est bornée, il s’ensuit que h(k+1) = f * g(k+1). Donc la propriété est vérifiée pour tout k ∈ .

78

Mathématiques du signal

3) Puisque cost est de classe C∞ et bornée ainsi que toutes ses dérivées, la fonction h1 doit être de classe C∞, d’après ce qui précède. h1 (t ) =

∫

+∞

t+a

cos u P2 a (t − u) du = [sin u]t − a = sin(t + a) − sin(t − a)

−∞

h1 (t ) = 2 sin a cos t . Comme prévu, h1 appartient à C∞() et en utilisant les résultats de l’exercice 4.4, on peut vérifier la validité de la formule établie à la deuxième question. Le calcul de h2 est plus complexe : h2 (t ) =

∫

+∞

Y (u)cos u P2 a (t − u) du =

−∞

∫

t +a

Y (u)cos u du .

t −a

Selon les valeurs de t, trois cas se présentent : • pour t  – a ⇔ t + a  0 h2(t) = 0 ;

1

t–a

Y(u)

u

t+a 0

• pour – a  t  a ⇔ t – a  0  t + a h2 (t ) =

∫

t +a

0

cos u du = sin(t + a) ;

1

t–a

∫

t +a

cos u du = sin(t + a) − sin(t − a).

u

0 t+a

• pour a  t ⇔ 0  t – a h2 (t ) =

Y(u)

1

t −a

Y(u) u

0 t–a

t+a

/ ± a. La formule de dérivation de la preLa fonction h2 est continue sur , dérivable pour t = mière question n’est pas applicable car Y(t) cost n’est pas dérivable ni même continue en 0. / 0, (Y(t) cost)′ = – Y(t) sint mais le produit de convolution h3 de cette fonction avec Pour t = la fonction porte n’est pas égal à la dérivée de h2 car on a : pour t < − a 0  h3 (t ) = cos(t + a) − 1 pour − a < t < a cos(t + a) − cos(t − a) pour a < t pour t < − a 0  Or h2′ (t ) = cos(t + a) pour − a < t < a cos(t + a) − cos(t − a) pour a < t

4 • Intégrales à paramètre, convolution

79

La formule de dérivation du 1) n’est absolument pas applicable dans ce cas. 2

2

h2

h1 0

0

a –a

–2

–2 –5

0

5

–5

10

0

5

10

Exercice 4.8 Un système linéaire du premier ordre est caractérisé par une équation différentielle du premier ordre liant les signaux d’entrée e et de sortie s : ∀ t ∈ ]0,+∞[, as′(t) + bs(t) = e(t), (où a et b sont des réels). (E) (Par exemple en électricité les circuits RL et LC.) 1) Expliciter le signal de sortie s correspondant à un état initial α, s(0+) = α. Montrer que, pour α = 0, c’est le produit de convolution de l’entrée e par une fonction h à déterminer. 2) On suppose maintenant que le signal d’entrée est la fonction échelon Y. Calculer la sortie correspondante s sachant que s(0+) = 0. La fonction s est-elle dérivable sur , sur * ? 1) La résolution d’une équation linéaire non homogène comporte les étapes suivantes. a) Résolution de l’équation linéaire homogène associée

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

as0′ (t ) + bs0 (t ) = 0

(EH)

b Donc s0 (t ) = exp  − t  est solution de (EH) ainsi que toutes les fonctions Cs0(t) où C est  a  une constante. b) Recherche d’une solution particulière de l’équation (E). Dans des cas particuliers, on peut trouver une solution d’après l’expression du 2e membre. Dans le cas général, la méthode de la variation de la constante consiste à remplacer s(t) par e(t ) . K(t)s0(t) dans (E), d’où K ′(t ) = a s0 ( t ) On obtient une solution particulière en prenant par exemple la primitive de K ′ qui s’annule en 0, d’où : t e(u ) s (t ) 0 s p ( t ) = K ( t ) s0 ( t ) = du . o a s0 ( u )

∫

80

Mathématiques du signal

c) Expression de la solution générale de (E) : s(t) = Cs0(t) + sp(t). d) Détermination de la constante C connaissant l’état initial s(0) = α. Comme ici s0(0) = 1 et sp(0) = 0, on obtient donc C = α et s(t) = αs0(t) + sp(t) b s(t ) = α exp  − t  +  a 

e(u) b exp  − (t − u) du .   0 a a

∫

t

Si α = 0, on remarque que la sortie s est le produit de convolution de deux fonctions causales e et h : s = e∗h

où

h( t ) =

Y (t ) b exp  − t  .  a  a

2) Pour e = Y, la sortie s s’appelle la réponse indicielle :

Donc

t

 b

1

1



 b 

s( t ) =

∫ a exp  − a (t − u) du = b 1 − exp  − a t  pour t > 0.

s( t ) =

Y (t )  b  1 − exp  − t   .   b  a 

0

Cette fonction n’est pas dérivable en t = 0, mais, sur *, on a : s ′( t ) =

Y (t ) b exp  − t  = h(t ).  a  a

La dérivée de la réponse indicielle est la fonction h qui est aussi appelée réponse impulsionnelle (cf. exercice 10.4).

Exercices d’entraînement 4.9

Peut-on utiliser le théorème de convergence dominée pour calculer la limite l des intégrales In suivantes quand n tend vers +∞ ? 1) 3)

∫

1

0

(1 − e − t

2

/n

) dt

n 1 − t  t x −1dt avec x > 0 0 n

∫

1 t 1 +  e − t / n dt n  n

∫

n

2) 4)

∫

+∞

n

0

−∞

n 3t 2 e − n t dt 2 2

Indication Si on ne trouve pas de fonction g sommable telle que |fn(t)|  g(t), on compare lim In et

∫ lim f (t ) dt . n

4 • Intégrales à paramètre, convolution

81

π . Montrer 0 0 u 2 t / 0 mais que, cependant, on ne peut dériver sous le que f est dérivable pour x = signe ∫.

4.10 Soit f ( x ) =

4.11 Soit F( x ) =

∫

∫

+∞ sin tx

dt . Expliciter f (x) en utilisant

+∞

0

f (t, x ) dt avec f (t, x ) = e

 x2  − t 2 + 2   t 

∫

+∞ sin u

du =

.

1) Montrer que F existe, est paire et continue. 2) Montrer que F est dérivable sur * et que F ′ est solution de l’équation difféx rentielle F′(x) + 2F(x) = 0 sur +* (poser t = ). En déduire F. u 4.12 Soit F( x ) =

∫

+∞

0

ln(t 2 + x 2 ) dt , x ∈ . 1+ t2

/ 0. 1) Montrer que F existe et est continue ∀ x ∈  , dérivable pour x = 2) Calculer explicitement F′(x). En déduire F(x) . Déterminer la constante d’intégration à l’aide de F(0). 4.13 Soient ϕ ( x ) =

x 1 − x2 / 2 e et Φ ( x ) = ϕ (t ) dt . −∞ 2π

∫

∫

1) En utilisant

+∞

−∞

e − u du = π , montrer que Φ (x) + Φ (– x) = 1, 2

∀ x ∈ . En déduire Φ (0). 2) Soit F(θ ) =

∫

+∞

0

ϕ ( x )Φ (θx ) dx où θ ∈ . Calculer F ′, en déduire F.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

3) Calculer G(θ ) =

∫

+∞

ϕ ( x )Φ (θx ) dx .

−∞

4.14 Soient les fonctions f(t) = exp(– |t|) et g(t) = sint. Les produits de convolution f * f , f * g , g * g sont-ils définis ? Dans ce cas, préciser leurs propriétés et les calculer. 4.15 Soit la fonction

∫

+∞

−∞

f (t ) =

 t2  1 exp  −  . Calculer f * f sachant que 2π  2

exp( −u 2 ) du = π .

4.16 Calculer f * f pour f (t) = Y(t) sint. 4.17 Soit f (t) = t et g(t) = P2a(t). Calculer les produits de convolution h1 , h2 , h3 suivants : f*g f (t) * g(t – a) t P2a(t – a) * P2a(t – a).

82

Mathématiques du signal

4.18 Vérifier que le produit de convolution de deux densités de probabilité sur + est aussi une densité de probabilité : c’est-à-dire que si f et g sont dans L1(+), positives ou nulles et telles que

∫

+∞

0

f (t ) dt =

∫

+∞

g(t ) dt = 1,

0

alors h = f * g a les mêmes propriétés.

4.9

1) Oui, | fn(t)|  1, l = 0. 2) Non, In = 2 −

3 t = lim In avec u = et e n

∫

+∞

0

lim fn (t )11l [ 0, n ] (t ) dt = 0 .

n

t 3) Oui, | fn(t)|  e–tt x–1, l = Γ (x) car 1 −  → e − t .  n  n→∞ 4) Non, lim In =

4.10

π ≠ lim fn (t ) dt = 0 . 2

∫

si x > 0 π 2 / 0, donc f ′(x) = 0 pour x = f ( x) =  − π 2 si x < 0 mais f ′( x ) ≠

∫

∞

0

∂f (t, x ) dt = ∂x

∫

∞

cos tx dt qui diverge.

0 2

4.11 1) f est continue pour t > 0 et x ∈ . f (t, x )  e − t sommable. D’où F existe et est continue. 2 ∂f 2 Ae − t / t 2 ( t , x )  g( t ) =  2) Pour 0 < α  |x|  A, −α 2 / t 2 ∂x / t2 2 Ae

(poser t =

pour t  1 sommable pour 0 < t < 1

1 sur ]0, 1[ ). On peut dériver sur * et F ′(x) = – 2F(x) si x > 0. u

D’où F(x) = Ce–2x avec C = F(0) = π 2 et, puisque f est paire, F( x ) =

π −2 x e . 2

4.12 1) 0  |x|  A ⇒ t2  t2 + x2  t2 + A2  ln t 2 ln(t 2 + A2 )  et | f (t,x)|  g(t) sommable où g(t ) = max  ,  ⇒ F continue. 1 + t2 1 + t2    ∂f 2A sommable pour 0 < α  |x|  A (t , x )  2 ∂x (t + α 2 )(1 + t 2 ) donc F dérivable si x ≠ 0. 2x ∞  1 1  π − dt = , 2) Pour x > 0 , F ′( x ) = 2 x − 1 0 1 + t 2 t 2 + x 2  1+ x

∫

F(x) = π ln(1 + x) + C si x > 0. F paire implique : F(x) = π ln(1 + |x|) + C et F(0) = 0 ⇒ C = 0.

4 • Intégrales à paramètre, convolution

4.13 1) Φ ( − x ) =

∫

−x

−∞

ϕ (t ) dt =

∫

+∞

x

ϕ ( −u) du =

83

∫

+∞

x

1 . 2

2

e − u du , Φ (0) =

1 1 1 1 , F(θ ) = arctan θ + C et lim F (θ ) = ⇒ C = . 2) F ′(θ ) = θ →+∞ 2π 2 4 2π (θ 2 + 1) 1 3) G(θ ) = F (θ ) + F ( −θ ) = . 2 4.14 La fonction f est dans L1() ∩ L2() et continue bornée, g est dans C∞(), bornée ainsi que toute ses dérivées, mais ni dans L1() ni dans L2(). Donc f * g est dans C∞() et dans L2(), f * f est dans L1() et bornée (cf. (R4.6) et exercice 4.7). Mais g * g n’est pas définie. Comme f est paire et g impaire, f * f est paire et f * g impaire. (f * f)(t) = (1 + |t|) exp(– |t|) ( f ∗ g)(t ) = sin t

∫

+∞

−∞

exp( − u )cos u du − cos t

∫

+∞

−∞

exp( − u )sin u du .

En utilisant la parité des fonctions à intégrer : ( f ∗ g)(t ) = 2 sin t

∫

+∞

exp( −u)cos u du = sin t .

0

4.15 En utilisant la relation : 2

t t2 u2 + (t − u)2 = 2u2 − 2ut + t 2 = 2 u −  + ,  2 2 on obtient ( f ∗ f )(t ) = 4.16 ( f ∗ f )(t ) =

 t2  1 exp  −  . 2 π  4

1 Y (t )(sin t − t cos t ). 2

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

4.17 h1(t)=( f * g)(t) = 2at ; h2(t) = h1(t – a) = 2a(t – a) ; 0   t 2 h3 (t ) =   (24 a − t )t   2

pour t  0 ou t  4 a pour 0  t  2 a

.

pour 2 a  t  4 a

4.18 h est dans L1(+), de plus h(t)  0.

∫

+∞

0

h ( t ) dt =

+∞





t

∫  ∫ f (u)g(t − u) du dt = ∫∫ f (u)g(t − u) du . 0

0

D

D(t, u) = −1. D( x, y)

En posant x = u et y = t – u , on a t = x + y et u = x, d’où

Et D = {(t,u) / 0  u  t} d’où ∆ = {(x, y) / 0  x  x + y} = + × +

∫

+∞

0

h ( t ) dt =

∫∫

∆

f ( x ) g ( x ) d x dy =

∫

+∞

0

f ( x ) dx

∫

+∞

0

g( y) dy = 1.

Chapitre 5

Transformation de Fourier

RAPPELS • La transformée de Fourier de f est notée F( f ) ou fˆ  f ∈ L 1 (R) ∪ L 2 (R)

F( f )(ν) =

+∞

−∞

f (x) e−2iπνx dx

(R5.1)

• La transformée de Fourier inverse de g est notée F −1 (g) ou F¯ (g) ou gˇ

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

F

−1

 (g)(ν) =

+∞

−∞

g(x) e+2iπνx dx

(R5.2)

• Pour f et fˆ ∈ L 1 (R) ∪ L 2 (R), on a pp

pp

F −1 F( f )(x) = FF −1 ( f )(x) = f (x) • Si f est continue sur R, on a ∀x ∈ R  ∀x ∈ R

+∞

−∞

(R5.3)

F −1 F( f )(x) = f (x), c’est-à-dire

F( f )(ν) e+2iπνx dν = f (x)

(R5.4)

86

Mathématiques du signal

• Si f est bornée et de classe C 1 par morceaux sur R  ∀x ∈ R

+∞

−∞

F( f )(ν) e+2iπνx dν =

 1 f (x + ) + f (x − ) 2

(R5.5)

• Si f ∈ L 2 (R) alors F( f ) ∈ L 2 (R). On a aussi l’identité de Parseval : f 2 = F( f ) 2 , c’est-à-dire 

+∞

−∞

 | f (x)| dx = 2

+∞

−∞

|F( f )(ν)|2 dν

(R5.6)

f et F( f ) ont même parité. Si f est réelle et paire, F( f ) est réelle et paire. Si f est réelle et impaire, F( f ) est imaginaire pure et impaire. Symétrie hermitienne : F −1 ( f (x)) = F( f (−x)). Donc si f est paire, F −1 ( f ) = F( f ). • Translation en temps • • • •

F( f (x − a))(ν) = e−2iπνa F( f (x))(ν)

(R5.7)

• Translation en fréquence F(e−2iπxa f (x))(ν) = F( f )(ν + a)

(R5.8)

• Changement d’échelle   ν 1 F( f (x)) F( f (ax))(ν) = |a| a

(R5.9)

• Transformée de Fourier des dérivées Si f, f  , f  … , f (n−1) sont continues sur R et toutes dans L 1 (R) ainsi quef F( f

(n)

)(ν) = (2iπν)n F( f )(ν)

(n)

:

(R5.10)

• Dérivation de la transformée de Fourier Si f et x n f sont dans L 1 (R) d n F( f )(ν) = (−2iπ)n F(x n f )(ν) dνn

(R5.11)

5 • Transformation de Fourier

87

• Transformée de Fourier et convolution F( f ∗ g) = F( f )F(g)

F( f g) = F( f ) ∗ F(g)

(R5.12)

• Transformée de Fourier des fonctions usuelles pp Les fonctions ci-dessous étant toutes paires, si g = F( f ) alors F(g) = f (et l’égalité a lieu sur R quand elles sont continues) Pa (x) = 11[−a/2,a/2] (x)

a (x) = (1 − |x/a|)11[−a,a] (x) exp(−a |x|)







 exp(−ax ) 2




sin(πνa) πνa   sin(πνa) 2 a πνa

asinc(aν) = a




a2

2a + 4π2 ν2

π π2 ν2 exp(− ) a a

• Intercorrélation de deux fonctions f et g  +∞ K f, g (τ) = g(u + τ) f (u) du = K g, f (−τ) −∞

(R5.13) (R5.14) (R5.15) (R5.16)

(R5.17)

• Autocorrélation de f  K f (τ) =

−∞

f ∈ L 2 (R) et ∀τ ∈ R © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

+∞

f (u + τ) f (u)du

(R5.18)

   K f (τ)  K f (0) = f 2 2

f est la fonction retournée Si f est un signal réel, K est une fonction paire et si

f . définie par f (t) = f (−t), K est le produit de convolution K = f ∗ • Le spectre d’amplitude et le spectre de phase d’un signal f sont respectivement le module et l’argument de sa transformée de Fourier F( f )(ν) .  +∞  +∞ | f (x)|2 dx = |F( f )(ν)|2 dν . L’énergie est f 22 = −∞

−∞

La densité spectrale d’énergie de f est |F( f )(ν)|2 . • Théorème de Wiener-Kinchine Si f est un signal réel, la transformée de Fourier de l’autocorrélation de f est égale à la densité spectrale d’énergie de f : F(K f )(ν) = |F( f )(ν)|2

88

Mathématiques du signal

Exercice 5.1 1) Soient f une fonction sommable sur , à valeurs réelles, et fˆ sa transformée de Fourier. Montrer que :  +∞ ˆ f (t)cos(2πνt)dt a) Si f est paire, f (ν) = 2 0

b) Si f est impaire, fˆ(ν) = −2i



+∞

f (t)sin(2πνt)dt

0

2) Utiliser ce résultat pour retrouver les transformées de Fourier des fonctions Pa et ∆a , a > 0 (cf. index pour la définition de ces fonctions).  +∞ 2 sin x cos(ωx)dx . 3) Calculer l’intégrale I (ω) = x2 0 1) a) On sait que, si g est sommable sur R, alors



+∞

g(t) dt= 0 −∞



+∞

−∞

si g est impaire

 g(t) dt = 2

+∞

g(t) dt

si g est paire

0

Comme e−2iπνt = cos(2πνt) − i sin(2πνt), et si f est paire, f (t) cos(2πνt) est paire et f (t) sin(2πνt) impaire. Donc fˆ(ν) =



+∞ −∞

 f (t) e−2iπνt dt = 2

+∞

f (t) cos(2πνt)dt

0

b) Si f est impaire, on a f (t) cos(2πνt) impaire et f (t) sin(2πνt) paire, d’où le résultat demandé. Ces formules sont valables même si f est à valeurs complexes. 2) Les fonctions Pa et ∆a sont paires et à valeurs réelles. On a donc :  F(Pa )(ν) = 2

+∞

 Pa (t)cos(2πνt)dt = 2

0

a/2

0

d’où :

F(Pa )(ν) =  F(a )(ν) = 2 0

+∞



sin(2πνt) cos(2πνt)dt = 2 2πν

sin(πaν) πν 

a (t)cos(2πνt)dt = 2 0

a

  t cos(2πνt)dt . 1− a

a/2 , 0

5 • Transformation de Fourier

89

On intègre par parties en posant U = 1 − V =

t 1 et dV = cos(2π νt) dt, soit dU = − dt et a a

sin(2πνt) . Il vient : 2πν     a  a t sin(2πνt) a t 1 cos(2πνt)dt = 1 − 1− + sin(2πνt)dt . a a 2πν 2aπν 0 0 0

Le premier terme du second membre est nul. Le deuxième terme est soit

 cos(2πνt) a 1 − , 2aπν 2πν 0

sin2 (πaν) 1 − cos(2πaν) , ou encore . 2aπ2 ν2 4aπ2 ν2 F(a )(ν) =

Par conséquent :

sin2 (πaν) . aπ2 ν2

3) L’intégrale I(ω) est une intégrale du type considéré à la question 1) a). On peut +∞ sin 2 x ω x x cos  2π dx . En posant par exemple écrire I (ω ) = = t , on a alors  0 2 π x2 π  +∞ 2  +∞ 2

ω 

ω  sin (πt) sin (πt) π cos 2π cos 2π t dt , I (ω) = t dt = · 2 π2 t 2 2 2 π2 t 2 2 0 0    2 ω sin (πt) π , d’après la question 1) a). soit I (ω) = F 2 π2 t 2 2 sin2 (πν) La transformée de Fourier inverse de est, d’après la deuxième question (cas où π2 ν2 a = 1), ∆1(t). En intervertissant les rôles des variables t et ν, on en déduit que la transformée

∫

sin2 (πt) est ∆1(ν), donc que sa transformée de Fourier directe est π2 t 2 ∆1(– ν), égale à ∆1(ν) puisque ∆1 est paire. On a donc : © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

de Fourier inverse de

I(ω ) =

soit I(ω ) =

ω π ω π  ω ∆1 = 1 −  11[ −1,1]      2 2 2 2 2

ω π 1 −  si |ω | < 2 et I(ω) = 0 si |ω |  2. 2 2

Exercice 5.2 On considère le signal défini pour a > 0 par fa(t) = Y(t)e–at et les signaux ga et ha tels que : ga(t) = fa(t) + fa(– t) et ha(t) = fa(t) – fa(– t).

90

Mathématiques du signal

1) Tracer les graphes de fa , ga , ha et calculer leur transformée de Fourier. 2) En déduire la valeur des intégrales : I=

∞ cos ω

∫0

1+ x

x 2

dx et J =

∞

∫0

x sin ω x dx . 1 + x2

3) Quelles sont les limites ponctuelle et presque partout de ga et F(ga) quand a tend vers 0 ? A-t-on : lim F( ga ) = F(lim ga ) ? a→ 0

a→ 0

4) Mêmes questions pour ha . 1) y

y

1

1

t

t

y = fa(t)

F( fa )(ν ) =

∫

+∞

−∞

∫

+∞

–1 y = ha(t)

0

+∞

 e − ( a + 2 iπ v )t  1 e − ( a + 2 iπ ν )t dt =  .  = 2 2 − ( a + i π v ) a + iπ v  0

D’autre part, F( fa ( −t ))(ν ) = F( fa )( −ν ) =

et F(ha )(ν ) =

t

y =ga(t)

Y (t ) e − at e −2 iπ νt dt =

Donc, F( ga )(ν ) =

y

1

1 . a − 2iπν 2a a + 4π 2ν 2

1 1 + = a + 2iπν a − 2iπν

2

1 1 − 4iπ ν − = a + 2iπν a − 2iπν a 2 + 4π 2ν 2

2) Comme F(ga) est dans L1 , que ga(t) = e – a|t| presque partout et que e – a|t| est continue, F ( F( ga ))(t ) = e − a t =

∫

+∞

−∞

∀ t ∈  (R5.4)

F( ga )(ν )e −2 iπνt dν = 2

∫

∞

0

F( ga )(ν ) cos(2π νt ) dv

car F(ga) est paire. Donc

∫

∞

0

2a 1 −a t e et si ω = 2π t, a = 2π et x = ν : 2 2 cos(2π νt )dv = 2 a + 4π ν 2

∫

∞

0

cos ω x π dx = e − ω 2 1+ x2

.

5 • Transformation de Fourier

91

Si ha appartient à L1 ∩ L2, par contre F(ha) n’appartient qu’à L2 et on a F ( F(ha ))(t ) = ha (t ) presque partout (R5.3). Et, comme F(ha) est impaire on a comme à l’exercice 5.1 : F ( F(ha ))(t ) = 2i

∫

∞

0

F(ha )(ν )sin 2π νt d v = ε e − a t presque partout et où ε = sgn(t)

d’où, en posant ω = 2π t, a = 2π et ν = x :

∫

∞

0

x sin ω x π −ω e 2 dx = ε 2 1+ x

/ 0, et ε = sgn(ω). pour ω =

/ 0, ga (0) = 2 ⇒ lim ga (0) = 2 . Donc ga converge presque partout 3) lim ga (t ) = 1 si t = a→ 0

a→ 0

vers 1 qui n’est ni dans L1(), ni dans L2(), et n’a donc pas de transformée de Fourier au sens des fonctions. si ν ≠ 0 0 . Par ailleurs, lim F( ga )(ν ) =  a→ 0 +∞ si ν = 0 Donc, F(ga) converge vers 0 presque partout. / F(1). On n’a donc pas lim F( ga ) = F(lim ga ) car 0 = a →∞

Par contre, au sens des distributions, on verra que l’égalité est vraie car lim F( ga ) = δ = F(lim ga ) = F([1]). a→ 0

a→ 0

/ 0 et lim ha (0) = 0 . 4) lim ha (t ) = sgn(t ) si t = a→ 0

a→ 0

Mais la limite de ha n’est ni dans L1(), ni dans L2() et n’a donc pas de transformée de Fourier. 1 / 0 et lim F(ha )(0) = 0 . si ν = lim F(ha )(ν ) = a→ 0 a→ 0 iπ ν

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Cette limite n’est ni dans L1(), ni dans L2(). On verra que, au sens des distributions, 1 1 lim F(ha ) = F(lim ha ) = F([sgn(t )]) = PFf . a→ 0 a→ 0 ν iπ

Exercice 5.3 1) Quelles sont les propriétés de F(Pa) ? 2) Soit f (t) = 11l [0,a](t). Comparer les spectres d’amplitude et de phase de Pa et f. 3) Calculer les intégrales

1)

F(Pa )(ν) =

sin(πνa) πν

sin 2 u du et −∞ u 2

∫

∞

(cf. exercice 5.1).

∞

∫−∞

sin u du . u

92

Mathématiques du signal

Puisque Pa est bornée, continue par morceaux et à support borné, F(Pa ) est de classe C ∞ (cf. R5.11). Comme Pa appartient à L 2 (R) il en est de même de F(Pa ) (cf. R5.6). Enfin F(Pa ) est réelle et paire comme Pa . a 2) Comme f (t ) = Pa  t −  , avec la formule du retard (R5.7), on a :  2 F( f )(ν) = e−i πa

sin(πνa) πν

.

   sin(πνa)   et cette propriété est vérifiée par Donc, Pa et f ont même spectre d’amplitude :  πν  tous les signaux translatés, le spectre de phase de Pa est nul et celui de f vaut – π a. 3)

sin 2 u 2 du représente, à une constante près, l’énergie de P1 et d’après (R5.6), −∞ u

∫

∞

||P1||2 = ||F(P1)||2 soit : E= 

1/2

soit : −1/2

∫

+∞

−∞

 dt = 1 =

∫

et, en posant u = π ν,

∫

2

P1 (t ) dt =

−∞

+∞ sin 2

−∞

u

+∞

u

2

+∞

−∞

2

F( P1 )(ν ) dν

sin2 (πν) dν π2 ν2

du = π .

Par ailleurs, si g ∈ L2(), F ( F( g)) = g , égalité dans L2() c’est-à-dire presque partout. En tout point où g est continue, d’après (R5.4) on a g(t ) = F ( F( g))(t ) =

∫

+∞

−∞

F( g)(ν )e 2 iπ νt dν .

/ a et t = / – a, Ici, Pa ∈ L2(), donc si t =  Pa (t) = En particulier :

 Pa (0) = 1 =

∞

−∞

∞

sin(πaν) 2iπνt dν . e πν

sin(πaν) dν et, en posant π ν = u, πν

−∞

∫

∞

−∞

sin π u du = π . u

5 • Transformation de Fourier

93

On peut aussi calculer la première intégrale grâce à F F( B ) et (R5.4) :   2 ∞ sin 2 u  sin 2 u  sin (πνB) (t) =  B (t), ∀ t ∈  I= 2 du = F  2  ( 0 ), F Bπ2 ν2 −∞ u  u 

∫

car ∆B est continue sur . D’où, avec B =

1 : π

 sin 2 ν  F  2  (t ) = π∆1 / π (t ) ⇒ I = π∆1 / π (0) = π .  ν 

Exercice 5.4 Soit le signal gaussien f défini par f (t ) = e −π t . 2

1) Calculer f ′ en fonction de f et en appliquant la transformée de Fourier à l’identité obtenue, montrer que cette transformée de Fourier vérifie une équation différentielle linéaire du premier ordre. 2) Intégrer cette équation et en déduire que

∞

∫−∞ e

−π ν 2

dν = 1.

3) En déduire la transformée de Fourier de e − at et la valeur de 2

∞

∫−∞e

− at 2

dt pour

a > 0. 4) En déduire la transformée de fourier de 2

 © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

et montrer que

t 1 − f σ (t) = √ e 2σ2 σ 2π +∞

−∞

avec σ > 0

f σ (t) dt = 1

1) f ′(t) = – 2π t f (t). En appliquant la transformée de Fourier à cette relation, puisque t f(t) ∈ L1(), on obtient : F( f ′)(ν) = – 2π F(t f )(ν) et, avec les relations (R5.10) et (R5.11) : 2iπ νF( f )(ν ) = −

2π [ F( f )(ν )]′ −2iπ

on obtient : [F( f )(ν)]′ = – 2π νF( f )(ν) d fˆ d’où, si fˆ = F( f ), (ν ) + 2π ν fˆ (ν ) = 0 . dν

94

Mathématiques du signal

2) En intégrant cette équation différentielle à variables séparables, on obtient : 2 fˆ (ν ) = Ke −π ν . 2 Or, puisque f ∈ L1 ∩ L2 et fˆ ∈ L , on a (R5.6) :

∫

∞

2

f (t ) dt =

−∞

c’est-à-dire :

∫

∞

e −2π t dt = K 2 2

−∞

Or, F( f )(0) = fˆ (0) =

∫

∞

∫

∞

e −2π

ν

2 2

−∞

3) e

=e

= fˆ

2 2

soit :

2 fˆ (ν ) dν

−∞

dν d’où K 2 = 1.

e −π t dt = K ⇒ K > 0 ⇒ K = 1 et 2

∞

e −π t dt = 1

et

= f ( kt ) où k =

a . π

2

−∞

 a  −π  t  π 

∞

2 2

−∞

∫ − at 2

∫

f

F(e −π t )(ν ) = e −π ν 2

2

.

2

Et, en utilisant la formule de changement d’échelle : F( f ( kt ))(ν ) =

On obtient : F(e

et

∫

∞

− at 2

 π  ν a 

π −π  )(ν ) = e a

e − at dt = F(e − at )(0) ⇒ 2

2

−∞

∫

∞

2

− at 2

⇒

F (e

e − at dt =

π . a

2

−∞

1 ν F( f )  .  k k

π −π )(ν ) = e a

4) Il suffit de remplacer dans la relation ci-dessus a par

F(e

−

t2 2σ2

)(ν) =

2ν

2

a

1 , on obtient 2σ2

√ 2 2 2 2πσ2 e−2σ π ν

d’où, grâce à la linéarité, et si σ > 0 2

t 1 2 2 2 − F( f σ )(ν) = F( √ e 2σ2 )(ν) = e−2π σ ν σ 2π  +∞ f (t) dt =F( f )(0), et comme F( f σ )(0) = e0 = 1, la fonction Quelle que soit f, on a −∞  +∞ f σ (t) dt = 1 (c’est une densité de probabilité). gaussienne f σ vérifie −∞

5 • Transformation de Fourier

95

Exercice 5.5 Utiliser la transformée de Fourier pour calculer le produit de convolution h = f a ∗ f b (avec a et b constantes positives) pour : sin(πat) , 1) f a (t) = a sin c(at) = a πat t2 1 − 2) f a (t) = √ e 2a 2 a 2π 1) On a F( f a ∗ f b ) = F( f a )F( f b ) d’après (R5.12). La fonction sinus cardinal est la transformée de Fourier de la fonction porte Pa . Or pour des pp f fonctions paires on a F −1 ( f ) = F( f ), donc F( f a ) = F −1 ( f a ) = Pa et pp

pp

F( f a ∗ f b ) = Pa Pb = Pc

avec c = min(a,b)

puisque le produit de deux fonctions portes est une fonction porte dont le support est l’intersection des supports. pp Comme Pc = F( f c ), on obtient pp

F( f a ∗ f b ) = F( f c )

avec c = min(a,b)

En utilisant la transformation de Fourier inverse on obtient : pp

fa ∗ fb = fc

avec c = min(a,b)

La fonction sinus cardinal est continue sur R tout entier donc l’égalité a lieu partout.

2) De la même façon, on a F( f a ∗ f b ) = F( f a )F( f b ) d’après (R5.12). Or, d’après l’exer-

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

cice 5.4, on a

 t2 1 2 2 2 − 2 2a (ν) = e−2π a ν F √ e a 2π 

donc F( f a ∗ f b )(ν) = e−2π a

2 2 2

ν

e−2π b

2 2 2

ν

= e−2π c

2 2 2

ν

avec c2 = a 2 + b2

On obtient F( f a ∗ f b ) = F( f c ) et en utilisant la transformation de Fourier inverse pp

fa ∗ fb = fc

avec c =

 a 2 + b2

La continuité de la fonction gaussienne entraîne l’égalité sur R tout entier.

96

Mathématiques du signal

Exercice 5.6 À l’aide de la transformée de Fourier, déterminer la solution de l’équation intégrale en la fonction inconnue f continue et sommable sur  : +∞

∫−∞ f (u)exp(−a(t − u) ) du = exp(−t 2

2

(E)

),

où a est un nombre réel donné, avec a > 1.

Le premier membre de l’équation (E) est le produit de convolution de f par la fonction ga(t) = exp(– at2). L’équation (E) s’écrit donc : ga * f = g1 . Comme f est sommable par hypothèse, elle admet une transformée de Fourier fˆ . D’autre part (cf. R5.16), la transformée de Fourier de ga est gˆ a (ν ) =

 π 2ν 2  π exp  − , et a a  

donc celle de g1 est gˆ1 (ν ) = π exp( −π 2ν 2 ). En prenant les transformées de Fourier des deux membres de (E), sachant que la transformée de Fourier d’un produit de convolution est le produit (ordinaire) des transformées de Fourier de chacun des facteurs (R5.12), on obtient l’équation :  π 2ν 2  ˆ π exp  − f (ν ) = π exp( −π 2ν 2 ) a a  

( Eˆ )

 π 2ν 2 ( a − 1)  1   d’où : fˆ (ν ) = a exp −π 2ν 2 1 −   = a exp  − .  a  a    Posons k =

fˆ (ν ) =

a . La transformée de Fourier inverse de a −1

 π 2ν 2  π exp  − est gk. Comme k k  

 π 2ν 2  ak π ⋅ exp  − , on en déduit que : π k k  

f (t ) =

 at 2  ak a exp( − kt 2 ) = exp  −  . π π ( a − 1)  a − 1

5 • Transformation de Fourier

97

Exercice 5.7 Soit f la fonction définie par f (t) =

sin(πat) avec a > 0. πt

1) En utilisant la transformée de Fourier de f, évaluer

f

2 2

puis calculer

( f * f )(θ) et préciser pour quelles valeurs de θ ce produit de convolution s’annule. 2) Pour quelles valeurs de θ la fonction f (t – θ) est-elle orthogonale à la fonction f (t) pour le produit scalaire de L2() ? Vérifier que ces valeurs de θ sont dénombrables et de la forme θn = nC avec n ∈ * et C constante. Soient gn(t) = f (t – nC) avec n ∈ . Vérifier que les fonctions gn sont orthogonales deux à deux. 1) D’après (R5.13), on voit que f = F(Pa). Comme Pa appartient à L2() et que la transformée de Fourier est une isométrie de L2(), on a (R5.6)

Or

2 Pa 2

=

f

∫

2 2

+a / 2

−a / 2

2

= Pa 2 .  1 dt = a , donc || 2

f ||22

=

+∞

−∞

   sin(πa) 2    πt  dt = a

.

De plus, f * f = F(Pa) * F(Pa) donc en prenant la transformée de Fourier inverse, F ( f ∗ f ) = F ( F( Pa ) ∗ F( Pa )) = F ( F( pa )) ⋅ F ( F( Pa )) = Pa ⋅ Pa . 2 Or Pa = Pa (car Pa(t) = 0 ou 1), donc f * f = F(Pa), mais comme f = F(Pa) on en déduit que,

au sens de L2() et donc presque partout :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

f∗f = f . Comme f est continue, f * f aussi car le produit de convolution régularise. Donc l’égalité est vraie partout et, pour tout θ, on a : ( f ∗ f )(θ) = f (θ) =

sin(πaθ) πθ

.

/ 0, donc pour : Cette fonction s’annule pour sin(π aθ) = 0 et θ =

θ=

n avec n ∈ *. a

2) L’orthogonalité entre f (t – θ) et f (t), fonctions de t, s’écrit :

∫

+∞

−∞

f (t − θ ) f (t ) dt = 0 .

98

Mathématiques du signal



+∞

Comme f est paire, on a −∞

f (θ − t) f (t)dt = 0 c’est-à-dire ( f * f )(θ) = 0. Donc, d’après

n avec n ∈ *. Il y a donc une infinité dénombrable de fonctions orthoa sin(πat − πn)  n gonales à g0(t) = f (t) qui sont gn (t ) = f t − c’est-à-dire : gn (t ) = a .  a πat − πn 1), il faut que θ =

/ p, gn est orthogonale à gp . On a : Vérifions que, pour tout n =

∫

+∞

−∞

gn (t )g p (t ) dt =

∫

+∞

−∞

n p f  t −  f  t −  dt =  a  a 

∫

+∞

−∞

f u − 

n − p f (u) du = 0 a 

2 2

2 2

/ p. qui est bien nul si n – p ∈ Z∗ , donc si n = Comme l’énergie est invariante par translation, on a gn

= f

= a , donc les fonctions

1 gn sont orthonormées. Ces fonctions-là sont précisement celles qui interviennent dans a le théorème d’échantillonnage de Shannan comme base du sous-espace des fonctions de L 2 (R) dont la transformée de Fourier est à support borné.

Exercice 5.8 Calculer la fonction d’intercorrélation h de deux fonctions exponentielles causales f et g avec f (t) = Y(t)e–at et g(t) = Y(t)e–bt, a et b réels positifs. En déduire l’autocorrélation de f et l’énergie de f, (c’est-à-dire || f ||2 ). Les fonctions sont à valeurs réelles et on a : h( t ) =

∫

+∞

−∞

Y (u) e − au ⋅ Y (u + t ) e − b(u + t ) d u .

Si t  0, alors : h(t ) = e − bt

∫

+∞

h(t ) = e − bt

∫

+∞

0

e − ( a + b )u du = e − bt

1 . a+b

e − ( a + b )u du = e − bt

e + ( a + b )t e + at = a+b a+b

Si t  0, alors :

−t

5 • Transformation de Fourier

 e − bt  h(t ) =  a +at b  e  a + b

donc :

99

si t  0

.

si t  0

Cette fonction h est maximale pour t = 0, cela signifie que f (u) et g(u + t) ont une ressemblance maximale pour t = 0. L’autocorrélation Kf de f est une fonction paire : K f (t ) = Comme K f (0) =

∫

+∞

−∞

e−a t . 2a

2

f (u) du , on en déduit que l’énergie de f est

1 . 2a

Exercice 5.9 On considère le signal gaussien f (t ) = 1) Sachant que

+∞

∫−∞ exp(−u ) du = 2

 −t 2  1 exp  . 2π  2 

π , calculer l’énergie de ce signal.

2) Calculer la transformée de Fourier de f. En déduire le spectre d’amplitude, le spectre de phase du signal f et la densité spectrale d’énergie de f. 3) Montrer que, pour un signal g réel et pair, l’autocorrélation Kg est le produit de convolution g * g. 4) Déduire de ce qui précède l’autocorrélation Kf du signal gaussien.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

1) L’énergie d’un signal f est le carré de sa norme dans L2() donc : Ef =

Donc :

∫

+∞

−∞

2

f (t ) dt =

∫

+∞ 

−∞

t2

−  1 e 2  2π 

Ef =

1 2 π

2

  dt = 1 2π  

∫

+∞

−∞

e − t dt =

.

2) D’après (R5.16) ou d’après l’exercice 5.4, on a : F[exp( − at 2 )](ν ) = On en déduit :

 π 2ν 2  π exp  − . a a  

F( f )(ν ) = exp( −2π 2ν 2 ) .

2

π . 2π

100

Mathématiques du signal

Comme f est réelle et paire, F( f ) est aussi réelle et paire et, par conséquent, son spectre de phase, qui est l’argument, est nul, et son spectre d’amplitude est égal à |F( f )(ν)| = F( f )(ν) car F( f ) est positive. La densité spectrale d’énergie est le carré du module de la transformée de Fourier donc ici : 2

F( f )(ν ) = exp( − 4π 2ν 2 ) . 3) K g (τ ) =

∫

+∞

−∞

g(t + τ )g(t ) dt =

∫

+∞

−∞

g(u)g(u − τ ) du en posant u = t + τ.

Or : g(u – τ) = g(τ – u) puisque g est paire, donc : Kg(t) = (g * g)(τ). 4) Le calcul direct de l’autocorrélation Kg , c’est-à-dire de f * f est faisable (cf. exercice 4.15) mais fastidieux. Il est plus facile de passer par la transformée de Fourier car on sait que F( f * f ) = Ff ⋅ Ff et donc : F(Kf) = (Ff )2 (on retrouve le fait que la transformée de Fourier de l’autocorrélation de f est la densité spectrale d’énergie). On a donc : F(Kf)(ν) = exp(– 4π2ν2). En utilisant la transformée de Fourier inverse on obtient : K f (τ ) = F (exp( − 4π 2ν 2 )). Et, en utilisant la formule vue au 2) avec a = K f (τ ) = On vérifie que K f (0) =

1 , il s’ensuit que : 4

 τ2 1 exp  −  . 2 π  4

1 = E f (en effet, K f (0) = 2 π

∫

+∞

−∞

2

f (t ) f (t ) dt = f 2 ).

Exercice 5.10 Convergence vers une gaussienne 1) Soit g une fonction positive et paire telle que  +∞  +∞ g(x) dx = 1 avec x 2 g(x) dx = σ2 −∞

−∞

En utilisant la formule de Taylor à l’ordre 2 en zéro f (x) = f (0) + f  (0)x +

1  f (0)x 2 + x 2 ε(x) 2

(1)

5 • Transformation de Fourier

101

démontrer que le développement limité à l’ordre 2 en zéro de F(g)(ν) est F(g)(ν) = 1 − 2π2 σ2 ν2 + ν2 ε(ν)

avec ε(ν) −−→ 0 ν→0

2) Soit h 1 = g , h 2 = g ∗ g, h 3 = g ∗ g ∗ g, etc. Expliciter F(h n )(ν) en fonction de F(g)(ν).   ν lorsque n tend vers +∞. Chercher la limite de F(h n ) √ n En déduire que, quelle que soit la fonction g vérifiant (1) la suite de fonctions h n tend vers une gaussienne h 2

t 1 − h(x) = √ e 2σ2 σ 2π

1) Le développement à l’ordre 2 en zéro de G(ν) = F(g)(ν) est 1  G(ν) = G(0) + G  (0)ν + G (0)ν2 + ν2 ε(ν) 2 avec G (n) (ν) = (−2iπ)n F(x n g(x))(ν) (R5.11) . D’où G (n) (0) = (−2iπ)n F(x n g(x))(0) .  +∞ x n g(x) dx et donc d’après (1) Or F(x n g(x))(0) = −∞



G(0) = 1 et G (0) = (−2iπ)2 m 2 = −4π2 m 2 .  +∞ xg(x) dx , comme g est paire, xg(x) est impaire et G  (0) = 0. Enfin, G  (0) = (−2iπ)

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−∞

Ce qui prouve la formule . 2) D’après (R.5.12) on a F(h n ) = (F(g))n . n   ν ν Pour ν fixé et n tendant vers +∞, √ tend vers 0, et F(g)(0) = 1, donc F(g) √ n n est de la forme 1∞ , ce qui est une forme indéterminée. Pour lever cette indétermination, on   ν passe en logarithme puis on utilise le développement à l’ordre 2 en zéro de F(g) √ . n On a       ν ν = nln F(g) √ ln F(h n ) √ n n     2 ν ν2 ν 2 2ν = 1 − 2π σ + ε √ Comme ln(1 + u) ∼ u et que F(g) √ , en posant u=0 n n n n   ν2 ν2 ν u = −2π2 σ2 + ε √ on obtient n n n         ν2 ν ν ν2 ν ∼ n −2π2 σ2 + ε √ = −2π2 σ2 ν2 + ν2 ε √ ln F(h n ) √ ∞ n n n n n

102

Mathématiques du signal

  ν −−→ 0 , on a Comme ε √ n n→∞    ν −−→ − 2π2 σ2 ν2 ln F(h n ) √ n→∞ n C’est-à-dire   ν 2 2 2 −−→ e−2π σ ν F(h n ) √ n n→∞ 2

t 1 2 2 2 − Or la transformée de Fourier inverse de e−2π σ ν est h(x) = √ e 2σ2 d’après l’exerσ 2π cice 5.4 (cf. en probabilité, théorème Limite central).

Exercice 5.11 Les fonctions considérées sont à valeurs réelles et de carré sommable. On note : – K f la fonction d’autocorrélation de f – K f, g la fonction d’intercorrélation de f et g. 1) Montrer que K f, g vérifie pour tout τ K f, g (τ) = K g, f (−τ) En déduire K f −g à l’aide de K f , K g et K f g . 2) On pose : g(t) = f (t − a). Montrer que K f = Kg. C’est-à-dire qu’une fonction et sa translatée ont même fonction d’autocorrélation. Calculer K f,g en fonction de K f . Pour quelle valeur de τ cette fonction d’intercorrélation est maximale et que vaut ce maximum ? 3) Application : Soit PL la fonction porte de largeur L et h définie par : h(t) = PL (t − a) − PL (t − b) Calculer K h en fonction de K PL . Sachant que K PL = L L (cf. exercices 5.9 et 4.6) , calculer K h . Application numérique : L = 1, a = 3/2 et b = 1/2. Faire le graphe de h et celui de K h .

5 • Transformation de Fourier

103

1) En faisant le changement de variable v = u + τ avec dv = du on obtient  +∞  +∞ g(u + τ) f (u) du = g(v) f (v − τ) dv = K g, f (−τ) K f,g (τ) = −∞

−∞

Mais comme les fonctions sont à valeurs réelles, on a K f,g (τ) = K g, f (−τ) et K f est paire. Par définition l’autocorrélation de la fonction réelle f − g est l’intégrale de ( f − g)(u + τ)( f − g)(u) = f (u + τ) f (u) − f (u + τ)g(u) − g(u + τ) f (u) + g(u + τ)g(u) Donc K f −g (τ) = K f (τ) − K f,g (−τ) − K f,g (τ) + K g (τ) 2) En faisant le changement de variable v = u + τ avec dv = du on a  +∞  +∞ f (u − a + τ) f (u − a) du = f (v + τ) f (v) dv = K f (τ). K g (τ) = −∞

−∞

La fonction d’intercorrélation K f,g est :  +∞ f (u − a + τ) f (u) du = K f (τ − a) K f,g (τ) = −∞

  On sait que  K f (τ)  K f (0) = f 22 , donc l’intercorrélation d’une fonction avec la fonction translatée de a est maximale pour τ = a (Cette propriété peut servir à évaluer la distance d’un obstacle dans le cas d’une onde radar). 3) Si f (t) = PL (t − a) et g(t) = PL (t − b) , d’après 5.16) : K f = K g = K PL . D’autre part, g(t) = PL (t − a − (b − a)) = f (t − (b − a)) . D’où : K f,g (τ) = K f (τ − (b − a)) D’après 1), la fonction d’autocorrélation K h de h est donc

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

K h (τ) = 2K PL (τ) − K PL (−τ − (b − a)) − K PL (τ − (b − a)) = 2K PL (τ) − K PL (τ + (b − a)) − L PL (τ − (b − a)) car K PL est paire. La fonction K h (τ) est linéaire par morceaux. En calculant K h en −1, 0 et 1, on obtient le graphe de K h . h 1 t 0 –1

1

2

104

Mathématiques du signal

Exercices d’entraînement 5.12 Calculer les transformées de Fourier des fonctions suivantes : 2 t 1 1 1) 2) 3) 4) π t e −π t 2 2 2 2 (1 + t ) 1+ t 2 − 2t + t 2

5) sin πt e −π t . − at 5.13 Calculer les transformées de Fourier des fonctions t e et t 2 e − a t . 2

5.14 Utiliser la relation de Parseval pour calculer l’énergie E du signal sin 4π t f (t ) = 16 . 4π t 5.15 Calculer f (t ) =

∫

+∞ sin 3u

−∞

u

⋅

sin(t − u) du . t −u

5.16 Calculer la fonction d’autocorrélation temporelle Kf du signal f (t ) =

1 . t +1 2

Réponses

2) π e −2 iπ ν e −2π ν

5.12 1) π e −2π ν 5) −i sh π ν ⋅ e 5.13 F (t e

− at 2

1 −π  ν 2 +   4

iπ ν )(ν ) = − a

5.14 E = 64. 5.15

f (t ) = π

5.16 K f (τ ) =

sin t . t 2π . τ2 + 4

3) −iπ 2ν e −2π ν

4) −iπ ν e −π ν

.

π − e a

π 2ν 2 a

, F (t 2e − a t )(ν ) =

4 a( a 2 − 12π 2ν 2 ) . ( a 2 + 4π 2ν 2 )3

2

Chapitre 6

Transformation de Laplace

RAPPELS • La transformée de Laplace de f est notée L( f )  L( f )( p) =

+∞

f (t)exp(− pt) dt avec p ∈ C

(R6.1)

0

Si f est continue par morceaux sur [0,+∞[ , et à croissance au plus exponentielle à l’infini, c’est-à-dire qu’il existe A et M et α tels que

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∀t
A
0, | f (t)| < M exp(αt) alors L( f )( p) est définie pour Re( p) > α. • L( f )( p) est continue pour p réel avec p > α et vérifie lim L( f )( p) = 0 . p→+∞

• L’abscisse de convergence de la transformée de Laplace de f est la petite valeur de α telle que L( f )( p) soit définie pour tout p vérifiant Re( p) > α. • La transformation de Laplace est une application linéaire : L(λ f + µg) = λL( f ) + µL(g) •

(R6.2)

Si f et g ont même transformée de Laplace alors f et g sont égales presque partout sur [0,+∞[. Elles sont égales partout sur [0,+∞[ si elles sont continues.

106

Mathématiques du signal

• Formule du retard L( f (t − a))( p) = e−ap L( f (t))( p)

∀a > 0,

(R6.3)

• Produit par une exponentielle L(eat f (t))( p) = L( f )( p − a)

(R6.4)

• Changement d’échelle ∀a > 0,

L( f (at))( p) =

1 p L( f (t))( ) a a

(R6.5)

• Transformée de Laplace des dérivées Si f, f , f

... , f (n) sont continues sur R+ et toutes à croissance au plus exponentielle à l’infini, alors : L( f

(n)

)( p) = pn L( f )( p) − pn−1 f (0+ ) − pn−2 f (0+ ) − ... − f (n−1) (0+ ) (R6.6)

• Dérivation de la transformée de Laplace. d n L( f )( p) = (−1)n L(t n f (t))( p) dpn

(R6.7)

• Transformée de Laplace et convolution L( f ∗ g) = L( f )L(g)

(R6.8)

• Théorème de la valeur initiale lim pL( f )( p) = f (0+ )

p→+∞

(R6.9)

• Théorème de la valeur finale lim pL( f )( p) = lim f (t)

p→0+

t→+∞

(R6.10)

6 • Transformation de Laplace

107

• Transformée de Laplace des fonctions usuelles L(Y (t))( p) =

1 p

(Re( p)> 0)

1 (Re( p − a)> 0) p−a p L(Y (t)cos(ωt))( p) = 2 (Re( p)> 0) p + ω2 ω (Re( p)> 0) L(Y (t)sin(ωt))( p) = 2 p + ω2 n! (Re( p)> 0) L(Y (t)t n )( p) = n+1 p

L(Y (t)exp(at))( p) =

Exercice 6.1 Calculer la transformée de Laplace des fonctions f suivantes. Préciser l’abscisse de convergence.  3π  si t > 3π , 0 sinon  3π  1) sin t − 2) Y (t )sin t −   4 4 4 t π 3π 3) sin −  si t > , 0 sinon 3 4 4

3π 4) Y (t )e t sin t −   4

1 5) fε (t ) = 11l [ a,a +ε ] (t ) où a > 0. Calculer lim+ L( fε )( p). ε →0 ε

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6) Transformée de Laplace d’une fonction périodique sur R+ Soit f la fonction causale de période T construite à partir de la fonction f 0 définie L( f 0 )( p) pour Re( p) > 0. sur [0,T ], nulle ailleurs. Montrer que L( f )( p) = 1 − e− pT     3π 3π sin t − 1) f (t) = Y t − 4 4

2

f s’obtient à partir de Y(t)sint par translation de Alors, avec (R6.3), L( f )( p) = e pour p > 0.

−

3π p 4 L

(Y (t )sin t )( p) = e

−

3π p 4

sin(x)

f

1

3π . 4

0 –1 0

1 2 p +1

3π 4

5

10

15

108

Mathématiques du signal

2) Ici f n’est pas la translatée de Y(t)sint. On développe : −1 f (t ) = Y (t ) (sin t + cos t ) 2 d’où L( f )( p) =

L( f )( p) = e

−

∫

a +ε

a

0 2 2 –1

–

3π 4

0

5

10

15

t 3π de , alors, avec (R6.3) 3 4

3π p 4 L Y (t )sin



4) Avec 2) et (R6.4) : L( f )( p) =

L( fε )( p) =

1

−1 1 + p pour p > 0. 2 p2 + 1

3) f est la translatée de Y (t )sin

5)

2

− t ( p) = e 3

3π p 4

3 9p +1 2

(p > 0).

−1 p où p > 1. 2 ( p − 1)2 + 1

e − pt 1 − e – pε dt = e − ap et ε pε

lim L( fε )( p) = e − ap avec p quelconque.

ε →0 +

/ a et n’est pas définie en a. Mais lim+ fε (t ) = 0 si t = ε →0

Donc lim+ L( fε ) ≠ L lim+ fε  . On verra que, au sens des distributions, on a l’égalité car  ε →0  ε →0 lim fε = δ a et que L(δa)(p) = e–ap.

ε →0 +



∞

6)

e− pt f (t)dt = lim



X

X→∞ 0

0

e− pt f (t)dt .

Pour tout X fixé, il existe un n unique tel que nT < X < (n + 1)T . D’où :  X  X k=n−1   (k+1)T e− pt f (t)dt = e− pt f (t)dt + e− pt f (t)dt . 0

kT

k=0

nT

Puisque f est périodique de période T et que f = f 0 sur [0,T ] :  (k+1)T  T e− pt f (t)dt = e− p(t+kT ) f (t)dt = e− pkT L( f 0 )( p) kT



X

0

e− pt f (t)dt =

0

k=n−1 

e− pkT L( f 0 )( p) +



X

e− pt f (t)dt

nT

k=0 − pT n



X ) 1 − (e L( f )( p) + e− pt f (t)dt 0 1 − e− pT nT 1 − qn ). Et pour Re( p) > 0 : (car 1 + q + q 2 + . . . + q n−1 = 1−q

=

6 • Transformation de Laplace

 |

X

e

− pt

f (t)dt|  e

109

−Re( p)nT

nT



X

| f (t)|dt  e

−Re( p)nT

nT



(n+1)T

| f (t)|dt

nT

T X c’est-à-dire : | nT e− pt f (t)dt|  e−Re( p)nT 0 | f (t)|dt, qui tend vers 0 quand n tend vers +∞ . On a donc : 

∞

e− pt f (t)dt = lim



X

X→∞ 0

0

n

1 − (e− pT ) L( f 0 )( p) L( f 0 )( p) = . − pT n→∞ 1 − e 1 − e− pT

e− pt f (t)dt = lim

Exercice 6.2 Calculer la transformée de Laplace des fonctions fi dont les graphes suivent, à partir de la première. Préciser l’abscisse de convergence. a

1

1)

2)

0

0

1

a

4)

5) c

0

3) c

a 0

α

β

a 0

α

β

Toutes ces transformées de Laplace existent et sont continues pour tout p car on intègre une fonction continue sur un intervalle borné. Donc, dans ce qui suit, L( fi )(0) = lim L( fi )( p). p→ 0

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

1) L( f1 )( p) =

1

∫e 0

– pt

dt =

1− e p

−p

/ 0, 1 sinon. si p =

1 t 2) f2 (t ) = a f1   d’où en utilisant la formule d’homothétie avec k = :  c c L( f2 )( p) = acL( f1 )(cp) =

a(1 − e − cp ) / 0, ac sinon. si p = p

3) f3(t) = f2(t – α) avec c = β – α et avec (R6.3) : L( f3 )( p) = e −α p L( f2 )( p) = e –α p 4) f4 (t ) =

a(1 − e − ( β −α ) p ) a −α p − β p / 0, a(b – a) sinon. = (e − e ) si p = p p

t f2 (t ) d’où, avec la formule L(tf )(p) = –[L( f )(p)]′ : c

L( f4 )( p) = −

1 ac a 1 − (1 + cp) e – cp / 0, si p = sinon. L( f2 )( p)]′ = [ 2 2 c c p

110

Mathématiques du signal

5) f5(t) = – f4(t – a) + f3(t) avec c = b – a. L( f5 )( p) = − e −α p L( f4 )( p) + L( f3 )( p) = / 0, si p =

ae −α p e − ( β −α ) p + ( β − α ) p − 1 (β − α ) p2

(

)

a ( β − α ) sinon. 2

Exercice 6.3 On considère une fonction f ayant une transformée de Laplace. +∞  f (t )  1) Montrer que L L( f )(u)du si  ( p) = p  t  Indication : poser f (t) = tg(t) et calculer L( f ).

∫

 2) En déduire L 

f (t ) est sommable en 0. t

+∞ sin t +∞ Y (t )sin t  sin t ( p) , e − pt dt et dt .  0 0 t t t  t  1 f (s)ds ( p) = L( f )( p) pour Re( p) > max(0,α) 3) Montrer que L p 0 avec α abscisse de convergence de L( f ).

∫

∫

1) f (t) = tg(t) ⇒ L( f )(p) = – [L(g)(p)]′. Posons G = L(g). On a donc : G ′(p) = – L( f )(p), et en intégrant, G ( p ) − G ( A) = −

∫

p

A

L( f )(u) du avec lim G( A) = 0 (cf. rappels), d’où : A→+∞

G( p ) = 2) g(t ) = L 

∫

+∞

L( f )(u) du .

p

Y (t )sin t tend vers 1 quand t tend vers 0+ donc g est sommable en 0 et t

Y (t )sin t  ( p) =  t

∫

+∞

p

1 π 1 du = − arctan p = arctan avec p > 0. 2 p 1 + u2

Alors, L 

Y (t )sin t  ( p) =  t

et, L(g) étant continue en 0, lim + p→ 0

∫

+∞

0

∫

e − pt

+∞

0

e − pt

sin t 1 dt = arctan t p

sin t dt = t

∫

+∞ sin t

0

t

dt =

π . 2

6 • Transformation de Laplace

111

3) On a avec les conditions sur p et en utilisant le théorème de Fubini :  t  ∞  t  ∞  ∞ − pt L( f (s)ds)( p) = e ( f (u)du) dt = f (u) ( e− pt dt) du 0

0

On obtient   t f (s)ds)( p) = L( 0

0

0 ∞

f (u)

0

u

e− pu 1 du = L( f )( p) p p

Exercice 6.4 Soit J0 (t ) =

1 π

π

∫0 cos(t sinθ ) dθ , fonction de Bessel d’ordre 0 où t  0.

1) Montrer que J0 est solution de l’équation différentielle : tJ0′′(t) + J0′(t) + t J0(t) = 0. Préciser J0(0) et J0′(0). 2) Appliquer la transformée de Laplace à l’équation différentielle en supposant J0 nulle pour t < 0 et calculer L(J0). 3) En déduire L(J0 * J0) puis J0 * J0 . 1) Puisque l’on intègre une fonction continue et dérivable par rapport à t sur un intervalle borné, [0,π] on peut dériver sous le signe somme. 1 π 1 π 2 sin θ sin(t sin θ ) dθ , J 0′′(t ) = − sin θ cos(t sin θ ) dθ J 0′ (t ) = − π 0 π 0 1 π 1 cos 2θ cos(t sin θ ) dθ = − J 0′ (t ) en intégrant J0′ par parties, d’où le J 0 (t ) + J 0′′ (t ) = π 0 t résultat. De plus, J0(0) = 1 et J0′(0) = 0. 2) On applique les formules (R6.6) et (R6.7) et on pose F = L(J0). Alors : L(J0′′)(p) = p2F(p) – pJ0(0) – J′0(0) = p2F(p) – p L(tJ0′′)(p) = – [p2F(p) – p]′ = 1 – 2pF(p) – p2F ′(p) L(J0′)(p) = pF(p) – 1, L(tJ0)(p) = – F ′(p). D’où : – (1 +p2)F ′(p) – pF(p) = 0 C et F( p) = après intégration de l’équation différentielle. p2 + 1

∫

∫

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

∫

La constante C est déterminée par le théorème de la valeur initiale : lim pF( p) = J 0 (0) = 1. D’où C = 1 et L( J 0 )( p) =

p→+∞

1 p2 + 1

.

112

Mathématiques du signal

3) L( J 0 ∗ J 0 )( p) = [ L( J 0 )( p)]2 =

1 = L(Y (t )sin t )( p) et donc p +1 2

( J 0 ∗ J 0 )(t ) = Y (t )sin t ∀ t  0 car J0 * J0 est continue.

Exercice 6.5 Pour chacune des fonctions ϕ suivantes, déterminer f telle que L ( f ) = j. 1)

1 ( p + 2)( p − 1)

2) ln

p2 + a2 p2

3)

p2 + 7 ( p 2 + 1)2

1 1 1  − 1) ϕ ( p) =   après décomposition en éléments simples. Donc, 3  p −1 p + 2 1 f (t ) = (e t − e −2 t )Y (t ). 3 On peut aussi traiter le problème par la convolution : ϕ (p) = L(e–2tY(t))(p) ⋅ L(etY(t))(p) = L(e–2t Y(t) * etY(t))(p). 2) Le problème n’étant pas facile à traiter directement, on calcule j ′.  1 p ϕ ′( p ) = 2  2 2 −  et on a d’une part ϕ ′= L(2(cosat – 1)Y(t)) et, d’autre part, p  p +a ϕ ′ = [L( f )]′ = – L(t f (t)). D’où f (t ) = 3) Sachant que L(Y (t )sin t )( p) =

2(1 − cos at ) Y (t ). t

1 p , L(Y (t )cos t )( p) = 2 , p +1 p +1 2

2p p2 − 1 et L ( Y ( t ) t cos t )( p ) = , on cherche une décomposi( p 2 + 1)2 ( p 2 + 1)2 tion de j de la forme : L(Y (t )t sin t )( p) =

ϕ ( p) = a

1 p 2p p2 − 1 +b 2 +c 2 2 +d p +1 p +1 ( p + 1) ( p 2 + 1) 2 2

d’où en identifiant : a = 4, b = c = 0, d = – 3, et

ϕ ( p) =

4 p2 − 1 − 3 , ce qui donne f (t) = (4sint – 3t cost)Y(t). p2 + 1 ( p 2 + 1)2

La décomposition en éléments simples conduit au même résultat.

6 • Transformation de Laplace

113

Exercice 6.6 1) Soit f (t ) = Y (t ) t . Calculer f * f puis L( f * f ) et enfin L( f ). 3  3 En déduire Γ , valeur de la fonction gamma en .  2 2 2) Soit g(t ) = sin t . Montrer que g est la solution d’une équation différentielle linéaire du second ordre. 3) Appliquer la transformation de Laplace à cette équation. En déduire L(sin t ).

1) ( f ∗ f )(t ) = En posant

∫

t

0

x (t − x ) dx =

∫

t

0

2

t2  t t − x −  dx = 4  2 2

2x t2 − 1 = cos θ , on obtient ( f ∗ f )(t ) = t 4

∫

π

0

∫

t

0

2

2x 1 −  − 1 dx .  t 

sin 2 θ dθ =

π t2 . 8

π π = ( L( f )( p))2 et L( f )( p) = 3 / 2 . 4 p3 2p √    +∞  +∞ √ −p π 3 = L( f )(1) = t x−1 e−t dt et L( f )( p) = te dt donc (x) = 2 2 0 0 D’où L( f ∗ f )( p) =

2) g ′(t ) =

1 2 t

cos t et g ′′(t ) = −

1 1 cos t − sin t impliquent 4t 4t t

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4tg′′(t) + 2g′(t) + g(t) = 0 avec g(0) = 0, g′(0) non définie mais g′ sommable au voisinage de 0. 3) On note L(g) = ϕ. L(g′) existe et vaut L(g′) = pϕ (p), L(tg′′) existe et vaut L(tg′′)(p) = – 2pϕ (p) – p2ϕ ′(p) compte tenu de la condition initiale en g. On obtient : – 4p2ϕ ′(p) + (1 – 6p)ϕ (p) = 0, équation différentielle dont la solution est :

ϕ ( p) = K

e −1 /( 4 p ) . p3 / 2

On détermine la constante K en remarquant que : sin t  t en 0 et, qu’en vertu du théorème de la valeur initiale, L(sin t )( p)  L( t )( p) = p∞

D’où : K =

π e −1 /( 4 p ) π et L(sin t )( p) = . 2 p3 / 2 2

π 2 p3 / 2

.

114

Mathématiques du signal

Exercice 6.7 Équation différentielle : trois résolutions On considère l’équation différentielle : y′′(t) – a2y(t) =Y(t)e–at avec a > 0. 1) Résoudre (1) à l’aide de la transformée de Laplace. 2) Faire de même avec la transformée de Fourier. 3) Déterminer l’ensemble des solutions de (1) par la méthode classique. Comment retrouver les solutions obtenues précédemment ?

(1)

1) Si l’on pose L(y) = j, y(0+) = a, y′(0+) = b, alors : L(y′′)(p) = p2 j (p) – a p – b et 1 p 2ϕ − α p − β − a 2ϕ = et : p+a d’où :

ϕ ( p) = α

1 1 p +β 2 + , p2 − a2 p − a 2 ( p 2 − a 2 )( p + a)

soit :

ϕ ( p) = α

1 1 1 1 1 p . 2 +β 2 2 + 2 2 − 2a p − a 2 a ( p + a)2 p –a p −a 2

On obtient donc :  1  1 − at  β y L (t ) = Y (t )  α ch at +  + 2  sh at − te  .  a 2a    2a 2) Avec la transformée de Fourier, en posant F( y) = yˆ , on a : −( a 2 + 4π 2ν 2 ) yˆ(ν ) = soit : yˆ(ν ) =

∫

∞

0

e − at e −2 iπ νt dt =

1 a + 2iπ ν

−1 1 1 2 2 2 =− 2 2 2 − ( a + 2iπ ν )( a + 4π ν ) 2 a( a + 4π ν ) 2 a( a + 2iπ ν ) 2

et par la transformation inverse : y F (t ) = −

1 −a t 1 e − Y (t )te − at ∀ t ∈ . 2a 4a 2

3) Pour résoudre une équation différentielle classique, on se place sur des intervalles ouverts de , où toutes les fonctions qui interviennent sont définies et continues. La fonction au second membre de l’équation étant discontinue en 0, on résout (1) successivement sur – puis sur +. Sur –, y′′(t) – a2y(t) = 0, et on recherche des solutions sous la forme ert. Alors r2 – a2 = 0 et y–(t) = Ceat + De–at pour t dans –. Sur +, la solution générale de (1) est la somme de la solution générale de l’équation homogène, Aeat + Be–at, et d’une solution particulière de (1) que l’on cherche sous la forme µte–at car le deuxième membre est en e–at et que – a est racine de l’équation caractéristique. Par

6 • Transformation de Laplace

115

1 1 − at identification, on obtient µ = − et y+ (t ) = Ae at + Be − at − te . D’où une infinité de 2a 2a solutions de la forme : Ce at + De − at  yc (t ) =  at 1 − at − at  Ae + Be − 2 a te

si t < 0 si t > 0

.

(2)

Utiliser la transformée de Laplace pour résoudre (1), signifie implicitement que, parmi les solutions définies en (2), on ne retient que celles qui sont nulles sur –. 1 β 1  1 β 1   α + + 2  et B =  α − − 2  ,    2 a 2a 2 a 2a  + + pour assurer y(0 ) = α, y′(0 ) = β, on trouve yc = yL . Résoudre une équation différentielle par la transformée de Laplace revient en fait à résoudre cette équation uniquement sur  *+ , ou encore à tronquer toutes les fonctions qui interviennent, y compris le second membre, en les multipliant par Y(t). Chercher une solution de (1) par la transformée de Fourier suppose que y, y′, et y′′ sont sommables sur  ou de carré sommable et, pour pouvoir utiliser (R5.10) pour y′ et y′′, que y et y′ sont continues sur . Dans (2), la sommabilité de y sur  impose A = 0, D = 0. La continuité en 0 de y et y′ impose 1 1 = a(C − D) soit B = C = − 2 . de plus : A + B = C + D et a( A − B) − 2a 4a 1 − at si t < 0  4a 2 e D’où yc (t ) =  1 , c’est-à-dire yc = yF . 1 – at te si t > 0 − 2 e − at − 2a  4a Donc en choisissant dans (2) , C = D = 0, A =

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D’une manière générale, résoudre une équation différentielle d’ordre n par la transformée de Fourier revient à chercher parmi les solutions classiques sur des intervalles ouverts ]ai , ai+1[ pour i = 0, ..., p, avec a0 = – ∞ et ap = +∞, celles qui sont sommables et de classe Cn–1(), donc pour l’ordre 2, continues et dérivables sur .

Exercice 6.8 Résoudre par la transformée de Laplace l’équation intégro-différentielle suivante : t f ′′(t ) + 2

t

∫0 f (u)sin(t − u) du = sin t

pour t > 0 avec f (0) = 1.

Notons ϕ = L( f ), f étant supposée nulle pour t < 0. L’équation s’écrit : t f ′(t) + 2( f * Ysin)(t) = Y(t) sint. Alors, comme : L(t f ′)(p) = – [L( f ′)(p)]′ = – [pϕ (p) – 1]′ = – ϕ (p) – pϕ′(p) et L(h * g) = L(h)L(g), on obtient :

116

Mathématiques du signal

(1 – p2 )ϕ (p) – p(p2 + 1)ϕ′(p) = 1, équation différentielle linéaire d’ordre 1. La solution Kp générale de l’équation homogène vaut ϕ 0 ( p) = 2 et la solution particulière, trouvée p +1 1 1 Kp . D’où ϕ ( p) = 2 + 2 , p +1 p +1 p +1 la constante K étant déterminée par le théorème de la valeur initiale : par la méthode de variation de la constante, ϕ1 ( p) =

2

p +1 et f (t ) = (cos t + sin t )Y (t ) . p2 + 1

lim pϕ ( p) = f (0) = 1 = K . Alors ϕ ( p) =

p→+∞

Exercices d’entraînement 6.9

Calculer la transformée de Laplace, si elle existe, des fonctions causales f suivantes : cost 2) sin2ω t 3) t2e–4t 4) 1) (t – 3)2e–2t t t sin x +∞ x sin t x dx dx . 5) 6) 0 0 x 1+ x2 Déduire la valeur de cette dernière intégrale. 6.10 Calculer la transformée de Laplace des fonctions causales périodiques suivantes : sin t sur [0, π ] f1(t) = |sint|Y(t) et de période 2π. f2 ( t ) =  sur [π , 2π ] 0

∫

∫

1

f3

1 0

f4 a 2a 3a 4a

a

2a 3a 4a

–1

6.11 Évaluer les intégrales suivantes en les considérant comme des valeurs particulières de transformées de Laplace. +∞ e − t − e − λt +∞ I1 = t cos t e −3t dt I2 = dt où λ > 0. 0 0 t Y (t ) . Calculer f * f puis L( f * f ) et en déduire la valeur de 6.12 1) Soit f (t ) = t

∫

I=

∫

+∞

0

∫

1 e − pt dt et de Γ   . Retrouver le résultat de l’exercice 6.6, en écrivant  2 t

que f (t ) = (2Y (t ) t )′ . 2) Soient f (t) = Y(t)e–t et g(t) = 11l [0,1](t). Calculer L( f * g). En déduire f * g. 6.13 Trouver les originales f des transformées de Laplace j suivantes : p p 3 − 17 p 2 + 75 p − 133 . 1) 2 2) 2 p + 2 aω p + ω ( p 2 + 4)( p − 5)3

6 • Transformation de Laplace

117

6.14 Résoudre à l’aide de la transformée de Laplace les équations différentielles suivantes : 43 e . 1) f ′′(t) – 2f ′(t) + f (t) = Y(t)et(1 + t2) avec f(0) = 0, f (1) = 12 2) (t – 1) f ′′(t) + (5 – 4t) f ′(t) – 4 f (t) = 0 avec f (0) = 3, f ′(0) = 12 et f continue sur  ∗+ .  f ′(t ) − f (t ) − 3g(t ) = t 3)  pour t > 0 avec f (0) = 0, g(0) = 0. g ′(t ) − f (t ) + g(t ) = 0 4)

∫

t

0

f ′( x ) e − t + x dx + e − t = 1 pour t > 0 avec f (0) = 4.

Réponses

6.9

1) Attention, f n’est pas la translatée de t2Y(t). On développe (t – 3)2, 9 p2 − 6 p + 2 9 p2 + 30 p + 26 L((t − 3)2 )( p) = et L( f )( p) = L((t − 3)2 )( p − 2) = pour 3 p ( p + 2)3 p > 0. 2) On linéarise et L( f )( p) =

 11 p  −  pour p > 0. 2  p p2 + 4ω 2 

 1 ′′ 2 3) L( f )( p) = [ L(e −4 t )( p)]′′ =   = ( p + 4)3 pour p > – 4.  p + 4 4) L(f) n’existe pas :

cost n’est pas intégrable en 0. t

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5) Utiliser l’exercice 6.3. 1  sin x  1 1 L ( p) = arctan . p  x  p p

L( f )( p) =

6) Écrire la définition et permuter l’ordre d’intégration.

∫

L( f )( p) =

∞

0

x L(sin tx )( p) dx = 1 + x2

∫

∞

0

x dx (1 + x 2 )( p2 + x 2 )

et après décomposition en éléments simples, L( f )( p) = et f (t ) =

∫

+∞

0

x sin tx π dx = Y (t ) e − t pour t > 0. 1 + x2 2

π 2( p + 1)

118

Mathématiques du signal

6.10 On utilise l’exercice 6.1 : L( fi )( p) =

L( f0 )( p) avec Re(p) > 0. 1 − e − pt

π coth p 1 + e −π p 2. 1) T = π, L( f0 )( p) = , L( f1 )( p) = 1 + p2 1 + p2 2) T = 2π, L( f0 )( p) =

1 + e −π p 1 , L( f2 )( p) = . (1 + p2 )(1 − e −π p ) 1 + p2

3) T = 2a, L( f0 )( p) =

(1 + e − ap )2 (voir exercice 6.2, cas 4) et 5)), ap2

L( f3 )( p) =

(1 − e − ap )2 ap 1 th . = ap2 (1 − e −2 ap ) ap2 2

4) f4 (t ) = af3′(t ), d’où : L( f4 )( p) = apL( f3 )( p) − af3 (0) = 6.11 I1 = L(t cos t )(3) = −[ L(cos t )( p)]′p=3 =  e − t − e − λt  I2 = L  (0) = t   6.12 1) ( f ∗ f )(t ) =

∫

t

0

∫

∞

0

8 . 100

L(e − t − e − λ t )( x ) dx = ln λ . (Cf. exercice 6.3.)

dx 2 = x (t − x ) t

D’où L( f ∗ f )( p) =

1 ap th . p 2

t

dx

0

2x  −1 1−   t 

∫

2

= πY (t ) en posant

π π = ( L( f )( p))2 et L( f )( p) = = p p

∫

∞

0

2x − 1 = u. t

e − pt dt , t

1 Γ   = L( f )(1) = π .  2 2) L( f ∗ g)( p) = L( f )( p) L( g)( p) =

1 1 − e− p 1  = (1 − e − p ) −  d’où par l’applicap( p + 1)  p p + 1

tion inverse, ( f * g)(t) = Y(t)(1 – e–t) – Y(t – 1)(1 – e–(t–1)) soit 1 − e − t sur [0,1] ( f ∗ g) =  − t , 0 sinon. (Cf. exercice 4.6.) e (e − 1) si t  1 6.13 1) si |a| < 1, p2 + 2apω + ω 2 = (p + aω)2 + σ 2 où σ 2 = ω 2(1 – a2),   p aω − aω t  L−1  cos σ t − sin σ t  .  (t ) = Y (t )e σ  ( p + aω )2 + σ 2    Si |a| > 1, p2 + 2apω + ω 2 = (p + aω)2 – σ 2 où σ 2 = ω 2(a2 – 1),   p aω − aω t  L−1  chσ t − shσ t  . 2 2  (t ) = Y (t )e  σ  ( p + aω ) − σ   

6 • Transformation de Laplace

  p −ε ω t Si |a| = 1, L−1  (1 − εω t ) où ε = sgn(a).  (t ) = Y (t )e  ( p + aω ) 2  2) ϕ ( p) =

1 2 1 − , f (t ) = Y (t ) sin 2t − t 2e5t  . p2 + 4 ( p − 5)3  2 

6.14 1) Poser f ′(0) = α, α sera déterminé par la valeur de f (1) 1 1 f (t ) = Y (t )et 3t + t 2 + t 4  . 2 12   2) f (t) = 3Y(t)e4t. 1 1 1  1  1 3) f (t ) = Y (t ) ch 2t + sh 2t − (1 + t ) , g(t ) = Y (t ) sh 2t − t  . 4 8 4  4  8

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4) f (t) = Y(t)[t + 4].

119

Chapitre 7

Introduction à la théorie des distributions

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RAPPELS • Une fonction est dans l’ensemble D des fonctions test si et seulement si : – elle est de classe C ∞ sur R, – elle est nulle hors d’un segment (intervalle fermé et borné).   • Une suite ϕn n∈N de fonctions test converge dans D vers ϕ ∈ D lorsque n tend vers +∞ si et seulement si : – Il existe un segment K en dehors duquel toutes les fonctions ϕn ainsi que ϕ sont nulles. ( p)

– ϕn converge uniformément vers ϕ sur K, et pour tout p ∈ N∗ , ϕn uniformément vers ϕ( p) sur K. Nous noterons lim

n→+∞

D

converge

D

ϕn = ϕ ou ϕn −−−→ ϕ. n→+∞

• Une distribution T est une forme linéaire continue sur D, c’est-à-dire une application de D dans R qui est : – linéaire : ∀ϕ, ψ ∈ D, ∀λ,µ ∈ R, T (λϕ + µψ) = λT (ϕ) + µT (ψ) . – continue : si lim D ϕn = ϕ, alors lim T (ϕn ) = T (ϕ). n→+∞

n→+∞

Au lieu de T (ϕ), on utilise souvent les notations < T,ϕ >, ou < T (t),ϕ(t) > lorsque le besoin de faire référence à une variable réelle t se fait sentir.

122

Mathématiques du signal

• Opérations sur les distributions : – somme : < T1 + T2 ,ϕ >=< T1 ,ϕ > + < T2 ,ϕ >. – produit par λ ∈ R : < λT,ϕ >= λ < T,ϕ >. – produit par une fonction g de classe C ∞ : < gT,ϕ >=< T,gϕ >. – translation : < T (t − t0 ),ϕ(t) >=< T (t),ϕ(t + t0 ) >.   1 t > , où a = / 0. – changement d’échelle : < T (at),ϕ(t) >=< T (t), ϕ |a| a • Une fonction intégrable sur tout segment est dite localement sommable. • Si f est une fonction localement sommable, la distribution régulière associée à f est la distribution [ f ] définie par  ∀ϕ ∈ D,< [ f ],ϕ >=

+∞

−∞

f (t)ϕ(t)dt .

(R7.1)

• Une distribution qui n’est pas régulière est dite singulière. Exemples courants : – distributions de Dirac : < δ,ϕ >= ϕ(0), < δa ,ϕ >= ϕ(a). On note aussi δa par δ(t − a).   −ε  +∞ 1 ϕ(t) ϕ(t) 1 dt + dt . – pseudo-fonction : < Pf ,ϕ(t) >= lim ε→0+ −∞ t t t t ε • Si g est de classe C ∞ , g(t)δa = g(a)δa (R7.2)

Exercice 7.1 Soit j une fonction de D. Les fonctions suivantes sont-elles dans D ? y1(t) = sint, y2(t) = sint j (t),

ψ 3 (t ) =

ϕ (t ) − ϕ ( 0 ) , t

ψ 4 (t ) =

ϕ (t ) − ϕ ( − t ) , t

ψ 5 (t ) =

ϕ (t ) . t

1) y1(t) est de classe C∞ sur , mais n’est pas nulle hors d’un segment donc sint ∉ D. 2) y2(t) = sintj (t) est de classe C∞ comme produit de fonctions de classe C∞. Comme ϕ est nulle hors d’un segment, sintϕ (t) aussi. Donc sintϕ (t) ∈ D. 3) Comme j est de classe C∞, les fonctions y3 et y4 peuvent être prolongées par continuité en 0. En effet : ϕ (t ) − ϕ ( 0 ) lim ψ 3 (t ) = lim = ϕ ′( 0 ) = ψ 3 ( 0 ) t →0 t →0 t−0 Note : Dans tous les exercices qui suivent, a, b et c désignent des nombres réels fixés.

7 • Introduction à la théorie des distributions

lim ψ 4 (t ) = lim t →0

t →0

123

ϕ (t ) − ϕ ( 0 ) + ϕ ( 0 ) − ϕ ( − t ) = 2ϕ ′(0) = ψ 4 (0). t

Comme j, elles sont indéfiniment dérivables sur *, et on peut démontrer en utilisant les développements limités au voisinage de 0 qu’elles sont indéfiniment dérivables en 0. Montrons, par exemple, que y3 est dérivable en 0. Pour cela, d’après la définition de la dérivation, il faut étudier l’existence de la limite suivante : ψ (t ) − ψ 3 ( 0 ) lim 3 . t →0 t−0

ψ 3 (t ) − ψ 3 (0) ϕ (t ) − ϕ (0) − tϕ ′(0) = , pour lever l’indétermination, on fait donc un t−0 t2 développement limité à l’ordre 2 du numérateur. Or

ϕ (t ) = ϕ (0) + tϕ ′(0) +

Comme

le numérateur est égal à

t2 ϕ ′′(0) + t 2 ε (t ), 2

t2 ϕ ′′(0) + t 2 ε (t ), où ε (t) tend vers 0 avec t. 2

1 Il s’ensuit que ψ 3′ (0) existe et vaut ψ 3′ (0) = ϕ ′′(0). 2 De même, on pourrait montrer que ψ 3′′ existe en 0, etc. Nous admettrons que y3 est indéfiniment dérivable en 0 et qu’elle appartient donc à C∞(). En utilisant la même démarche, on peut démontrer que y4 est de classe C∞. Pour que ces fonctions soient dans D, il reste à vérifier qu’elles sont nulles hors d’un segment. Pour t assez grand, ϕ (t) = 0 et j (– t) = 0, donc y4(t) est nulle, par contre ϕ (0) , y3 ne sera pas nulle hors d’un segment sauf si j (0) = 0. Donc : ψ 3 (t ) = − t

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

ϕ (t ) − ϕ ( 0 ) ϕ (t ) − ϕ ( − t ) ∉ D et ∈D . t t 4) y5(t ) =

ϕ (t ) ne peut être prolongée par continuité en 0 que si ϕ (0) = 0 et alors elle est t

/ 0, et dans D, mais en général ϕ (0) =

ϕ (t ) ∉D . t

Exercice 7.2 Les applications suivantes de D dans R sont-elles des distributions ? (on se contentera de vérifier si elles sont définies sur D tout entier et linéaires, et l’on admettra alors leur continuité).

124

Mathématiques du signal

Si c’est le cas, préciser s’il s’agit ou non d’une distribution régulière, et, dans l’affirmative, donner une fonction localement sommable à laquelle cette distribution est associée.  1 ϕ(t)dt . 1) < T1 ,ϕ >= 0

 2) < T2 ,ϕ >=

1

|ϕ(t)| dt.

0

 3) < T3 ,ϕ >=

+∞

t 2 ϕ(t)dt .

0

 4) < T4 ,ϕ >=

+∞

1

5) < T5 ,ϕ >=

+∞ 

ϕ(t) dt. t −1

ϕ(n) (n).

n=0

6) < T6 ,ϕ >= ϕ(0) + ϕ (1) . Les applications T1, T3, T5 et T6 sont des distributions, les applications T2 et T4 n’en sont pas. 1) T1 est la distribution régulière associée à la fonction localement sommable f définie par f (t) = 1 si t ∈ [0,1], f (t) = 0 sinon. 2) T2 n’est pas linéaire. En effet, soit par exemple ϕ une fonction test à valeurs strictement  1  1 |ϕ(t)| dt = ϕ(t)dt > 0 . Si T2 positives sur [0,1]. On a donc < T2 ,ϕ >= 0

0

était linéaire, on aurait en particulier < T2 ,−ϕ >= − < T2 ,ϕ > < 0 . < T2 ,−ϕ >=< T2 ,ϕ > , il y a contradiction.

Comme

3) T3 est la distribution régulière associée à la fonction localement sommable Y (t)t 2 . / 0, 4) Si ϕ est une fonction test telle que ϕ(1) =

ϕ(t) est équivalente, lorsque t → 1+ , à t −1

ϕ(1) qui n’est pas intégrable au voisinage de 1. Donc < T4 ,ϕ > n’est pas défini dans ce t −1 cas. 5) Soit ϕ une fonction test. Comme ϕ est nulle en dehors d’un segment [a,b], on a pour tout +∞  ϕ(n) (n) ne comportant qu’un nombre fini de tern ∈ N, n > b, ϕ(n) (n) = 0. La somme n=0

mes non nuls est donc bien définie. La linéarité de T5 résulte immédiatement de la linéarité de la dérivation. Donc T5 est bien une distribution, mais < T5 ,ϕ > ne peut pas s’écrire sous la forme d’une  +∞ f (t)ϕ(t)dt , donc T5 est singulière. intégrale −∞

7 • Introduction à la théorie des distributions

De fait, on a T5 (t) =

125

+∞  (−1)n δ(n) (t − n) (cf. chapitre 8). n=0

6) T6 est la distribution singulière δ − δ1 (cf. chapitre 8).

Exercice 7.3 1) Si S est une distribution paire (respectivement impaire), quelle relation lie < S, j (– t) > et < S, j (t) > quelle que soit j de D ? 2) Montrer que le peigne de Dirac S(t ) =

+∞

∑ δ(t − an)

est pair. En déduire que, si

−∞

g est une fonction indéfiniment dérivable sur , alors gS est une distribution paire si g est paire (respectivement impaire si g est impaire). 2

sin t  3) Soit g définie par g(t ) =  sur * et par g(0) =1.  t  On admettra que g est de classe C∞. Soit Ta,b (t ) = g(t )

+∞

∑ δ(t − an − b) un échantillonnage de la fonction g. −∞

Simplifier l’expression de Ta,b pour les 4 valeurs suivantes de (a, b) : (a,0), (p,0), (p/2,0), (p,p/2). 1) Une distribution S(t) est paire si S(– t) = S(t). Or par définition < S(– t), j (t) > = < S(t), j (– t). Donc : • S est paire si

< S, j (– t) > = < S, j (t) >

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

• S est impaire si < S, j (– t) > = – < S, j (t) >. 2) On a < S(t ), ϕ (t ) > = <

+∞

∑

δ(t − an), ϕ (t ) > =

−∞

< S(−t), ϕ(t) > = < S(t), ϕ(−t) > =

+∞ 

+∞

∑ ϕ (an), par ailleurs −∞

ϕ(−ap) =

P=−∞

+∞ 

ϕ(an)

n=−∞

en posant n = – p. Donc le peigne de Dirac S(t) est pair. Pour étudier la parité de la distribution gS on calcule : < g(t)S(t), j (– t) > = < S(t), g(t) j (– t) >. Comme S est paire, on a : < S(t), g(t) j (– t) > = < S(t), g(– t) j (t) >. Si g est paire, on obtient donc : = < g(t)S(t), j (t) >, ce qui implique gS paire (respectivement gS impaire si g est impaire).

126

Mathématiques du signal

3) Comme g(t)δ(t – t0) = g(t0)δ(t – t0), on obtient pour b = 0 : Ta,0 (t ) = δ(t ) +

∑

2

 sin an  δ(t − an) .  an 

n ∈*

Tp,0(t) = δ(t).

Pour a = p, on a

Pour a = p /2, on a, si n est pair , n = 2p et sin et sin

2 pπ = 0 , et on a, si n est impair, n = 2p + 1 2

(2 p + 1)π = ( −1) p , donc : 2 Tπ / 2,0 (t ) = δ(t ) +

∑

2

 sin nπ / 2    δ(t − nπ / 2) = δ(t ) +  nπ / 2 

n ∈*

∑+∑

n ∈2 *

n ∈2  +1

2

  2 Tπ / 2,0 (t ) = δ(t ) + 0 +   δ(t − (2 p + 1)π / 2) .  (2 p + 1)π  p∈

∑

d’où :

Pour a = π et b = π /2 on a : Tπ ,π / 2 (t ) =

∑ n ∈

2

1     δ(t − π (n − 1 / 2)) = Tπ / 2,0 (t ) − δ(t ) .  nπ + π / 2  a =π b =π 2

g

0

π

2π

3π

π

0

0

π

3π

2π

3π

a =π 2 b=0

a=π b=0

– 3π

2π

2π

3π

π

0

Les expressions ci-dessus correspondent à différents échantillonnages de la fonction 2

 sin t  , certains ne donnent pas une bonne représentation de la fonction.  t 

Exercice 7.4 1) La distribution appelée pseudo-fonction 1 < Pf , ϕ > = VP t

+∞ 1

1 1 , notée Pf , est définie par : t t 

−ε

1

+∞

ϕ (t ) dt + ∫ ∫−∞ t ϕ (t ) dt = εlim +ε → 0  ∫−∞ t

1 ϕ (t ) dt  .  t

7 • Introduction à la théorie des distributions

127

Montrer que l’on peut donner de cette distribution la définition suivante ne faisant pas intervenir de limite : +∞ ϕ (t ) − ϕ ( − t ) 1 < Pf , ϕ > = dt . 0 t t

∫

1 1 et sin t Pf sont des distributions régulières mais que t t 1 1 cost Pf est une distribution singulière comme Pf . t t

2) Vérifier que t Pf

1) En faisant le changement de variable t = – s, on obtient : ε ϕ ( − s) − ε ϕ (t ) ∞ ϕ ( − s) dt = ( − ds) = − ds , ε −∞ t ∞ s −s

∫

∫

1  et donc < Pf , ϕ > = lim  ε → 0 t

∫

∞

ε

ϕ (t ) dt − t

∫

∫

∞

ε

ϕ ( −t )  dt  .  t

ϕ (t ) − ϕ ( − t ) est définie et continue en t = 0 (cf. exercice 7.1), donc on peut past +∞ ϕ (t ) − ϕ ( − t ) 1 dt . ser à la limite et on a : < Pf , ϕ > = ∫ 0 t t

La fonction

2) Vérifions que t Pf

1 = [1] , en effet : t

1 1  < t Pf , ϕ > = < Pf , tϕ > = lim   ε → 0 t t

∫

−ε

−∞

tϕ (t ) dt + t

∫

+∞

ε

tϕ (t )  dt  =  t

∫

+∞

−∞

ϕ (t ) dt = < 1, ϕ > .

sin t 1  sin t  = car la fonction est prolongeable par  t t  t  continuité en 0 et par conséquent localement sommable. © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

De même, on peut vérifier que sin t Pf

Par contre, la fonction Riemann car

cost n’est pas sommable au voisinage de 0 d’après le critère de t

cos t 1 1  . Il s’ensuit que cost Pf est une distribution singulière. t 0t t

Exercices d’entraînement 7.5

1) Les fonctions suivantes sont-elles localement sommables ? 2) Sont-elles dans L1() ? 1 1 1 sin t cos t , , , , , ln|t|. exp(t), exp(– |t|), at + b, sint, t t 1+ t2 t − a t

128

Mathématiques du signal

7.6

Soit T une application de D dans  : T (ϕ ) =

7.7

∫

1

−1

(1 − t )ϕ (t ) dt +

+∞

1

ln tϕ (t ) dt .

Montrer que T est une distribution régulière. Montrer que l’application suivante de D dans  est une distribution : T (ϕ ) =

7.8

∫

∫

4

0

t 3ϕ ′(t ) dt .

En faisant une intégration par partie, montrer que c’est la somme d’un Dirac et d’une distribution régulière. En utilisant la définition du produit d’une distribution par une fonction de classe C∞, simplifier les distributions suivantes : sin(p t)δ1

sin(p t/4)δ1

 sin π t  δ .  t  0

7.9

On définit les distributions singulières Sn par : < Sn, j > = (– 1)(n)j(n)(0). Vérifier que la distribution Sn a même parité que n. (On verra que Sn désigne les dérivées successives de δ.) 7.10 Soit la distribution T(t) = aδ′(t) + bδ(t – 1). Calculer les produits : 1) tT(t) ; 2) t2T(t) ; 3) (t – 1)T(t) ; 2 4) t(t – 1)T(t) ; 5) t (t – 1)T(t). Réponses

7.5

1) Oui sauf

1 cost , . t−a t

2) Les seules sommables sur  sont exp(– |t|) et 7.6

Soit f (t) = (1 – |t|)P2(t) + Y(t – 1)lnt, f est une fonction définie sur , continue par morceaux donc localement sommable. On a : T (ϕ ) =

7.7

1 . 1 + t2

[

∫

+∞

−∞

f (t )ϕ (t ) dt donc T = [f] ∈ D′.

] ∫ 3t ϕ (t ) dt = 4 ϕ (4) − 0 − ∫ 4

4

0

0

T (ϕ ) = t 3ϕ (t ) −

2

3

∞

−∞

3t 211l [ 0,4 ] (t )ϕ (t ) dt donc T est la somme

d’une distribution singulière et d’une distribution régulière : T = 43δ4 – [3t211[0,4](t)] = 43δ(t – 4) – [3t2P4(t – 2)] où P4 est la fonction porte de largeur égale à 4. 7.8

sin(π t)δ1 = 0, sin(π t / 4)δ1 =  sin π t  δ = π δ 0  t  0



2 sin π t sin π t δ1 , comme =π → π, 2 t π t t→0



sin π t est prolongeable par continuité en t = 0 par p . t

7 • Introduction à la théorie des distributions

7.9

On a :

129

dn (ϕ ( −t )) = ( −1)n ϕ ( n ) ( −t ) donc : dt n

  dn < Sn (−t), ϕ(t) > = < Sn (t), ϕ(−t) > = (−1) n (ϕ(−t)) dt t=0 n

= (−1)n (−1)n ϕ(n) (0) = (−1)n < Sn (t), ϕ(t) > , donc Sn(– t) = (– 1)nSn(t), et en particulier S0 = δ est paire, S1 = δ′ impaire.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

7.10 1) – aδ(t) + bδ(t – 1) ; 2) bδ(t – 1) ; 4) aδ(t) ; 5) 0.

3) – aδ(t) – aδ′(t) ;

Chapitre 8

Dérivation, convergence, convolution des distributions

RAPPELS • Définition de la dérivée T  d’une distribution T : ∀ϕ ∈ D,< T  ,ϕ >= − < T,ϕ >

(R8.1)

• Dérivées d’ordre supérieur : © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

∀n ∈ N∗ ,∀ϕ ∈ D,< T (n) ,ϕ >= (−1)n < T,ϕ(n) > En particulier, pour tout a ∈ R on a ∀n ∈ N∗ , ∀ϕ ∈ D,< δa(n) ,ϕ >= (−1)n ϕ(n) (a) . • Dérivation d’une distribution régulière [ f ], lorsque f et f  sont localement sommables :   (R8.2) [ f ] = [ f  ] + f (a + ) − f (a − ) δa a

• Dérivation du produit d’une distribution T par une fonction g de classe C ∞ : (gT ) = g  T + gT 

(R8.3)

132

Mathématiques du signal

• Convergence des distributions : lim Tλ = T

⇐⇒

λ→λ0

∀ϕ ∈ D, lim < Tλ ,ϕ >=< T,ϕ >

(R8.4)

 λ

(R8.5)

λ→λ0

• Convergence des dérivées : lim Tλ = T

⇒

λ→λ0

lim T

λ→λ0

=T



• Produit de convolution de deux distributions S et T : ∀ϕ ∈ D < S ∗ T, ϕ > =< S(u),< T (v),ϕ(u + v) >> =< T (u),< S(v),ϕ(u + v) >>=< T ∗ S,ϕ > (lorsque ces quantités ont un sens). • Convolution avec des distributions de Dirac : – Élément neutre : δ ∗ T = T ∗ δ = T. – Translation : δa ∗ T = δ(t − a) ∗ T (t) = T (t − a) . En particulier δa ∗ δb = δa+b . • Dérivation d’un produit de convolution : (S ∗ T ) = S  ∗ T = S ∗ T  En particulier δ ∗ T = T  , et δ(n) ∗ T = T (n) pour tout n ∈ N∗ .

Exercice 8.1 Soit f la fonction définie par : f (t) = 1 – t2 pour |t|  1 f (t) = 0 pour |t| > 1 Soit T = [ f ] la distribution régulière associée, calculer de trois façons différentes T′, T ′′, T ′′′ en utilisant successivement (R8.1), (R8.2), et (R8.3). 1) Démonstration utilisant la définition (R8.1) et l’intégration par parties : ∀ ϕ ∈ D, < T ′, ϕ > = − < T , ϕ ′ >= −

[

1

∫ (1 − t −1

] +∫

= − (1 − t 2 )ϕ (t )

1

1

−1

−1

= 0 + < −2tP2 (t ), ϕ >

2

) ϕ ′(t ) dt

− 2t ϕ (t ) dt

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

133

T ′ = [ −2tP2 (t )] .

et donc :

De la même façon, on calcule T ′′ : ∀ϕ ∈ D, < T ′′, ϕ >

= − < T ′, ϕ ′ >= − = [2t ϕ (t )]−1 − 1

∫

1

∫

−1

1

−1

− 2 t ϕ ′ ( t ) dt

2 ϕ (t ) dt

= 2ϕ (1) + 2ϕ ( −1) + < −2 P2 , ϕ > T ′′ = 2δ1 + 2δ −1 − [2 P2 (t )] .

donc : Et de même :

< T ′′′ , ϕ > = − < T ′′, ϕ ′ >= −2ϕ ′(1) − 2ϕ ′( −1) +

∫

= −2ϕ ′(1) − 2ϕ ′( −1) + 2ϕ (1) − 2ϕ ( −1) donc :

1

−1

2 ϕ ′(t ) dt

T ′′′ = 2δ ′−1 + 2δ1′ − 2δ −1 + 2δ1 .

2) Démonstration utilisant (R8.2). Pour |t| < 1 on a f (t) = – 2t, f ′′(t) = – 2, f ′′′(t) = 0. Pour |t| > 1 f ′(t) = f ′′(t) = f ′′′(t) = 0. Comme f (1) = f (– 1) = 0, la fonction f est continue et donc T ′ = [ f ]′ = [ f ′] où f ′ est définie sur * c’est-à-dire presque partout. On retrouve T ′ = [ −2tP2 (t )] .

f 1 0 f′ 2

La fonction f ′ est discontinue en t = – 1 et en t = 1, les sauts sont : f ′(– 1+) – f ′(– 1–) = – 2(– 1) – 0 = 2 f ′(1+) – f ′(1–) = 0 – (– 2 ) = 2.

0

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

t

–2

Donc : T ′′ = [ f ]′′ = [ −2tP2 (t )]′ = −[2 P2 (t )] + 2δ1 + 2δ −1 et de même T ′′′ = [ f ]′′′ = – [2P2(t)]′ + 2δ′1 + 2δ′–1 ,

t

f ′′ 2δ–1

comme [P2(t)]′ = δ–1 – δ1 , on retrouve le résultat précédent T ′′′ = −2δ −1 + 2δ1 + 2δ ′−1 + 2δ1′ .

2δ1 0

t

–2

3) La fonction 1 – t2 est de classe C∞ sur , donc on peut appliquer (R8.3) à T = (1 – t2)[P2(t)]. En utilisant la relation [P2(t)]′ = δ–1 – δ1 on obtient : T ′ = ((1 – t2)[P2(t)])′ = (1 – t2)′[P2(t)] + (1 – t2)(δ–1 – δ1). Et, comme g(t)δa = g(a)δa , on a : (1 – t2)δ–1 = 0 et (1 – t2)δ1 = 0, donc : T ′ = – 2t [P2(t)]. De même T ′′ = (– 2t[P2(t)])′= – 2[P2(t)] – 2t (δ–1 – δ1 ) = – 2[P2(t)] + 2δ–1 + 2δ1 et

T ′′′ = −2[ P2 (t )]′ + 2δ ′−1 + 2δ1′ = −2(δ −1 − δ1 ) + 2δ ′−1 + 2δ1′ .

134

Mathématiques du signal

Exercice 8.2 Calculer de trois façons différentes les dérivées première et seconde de la distribution régulière T = [ f ] où f (t) = Y(t)sint : en utilisant successivement (R8.1), (R8.2) et (R8.3). 1) Démonstration utilisant la définition (R8.1) et l’intégration par parties : ∀ ϕ ∈ D, < T ′ , ϕ > = − < T , ϕ ′ >= −

+∞

∫

sin t ϕ ′(t )dt

0

= −[sin t ϕ (t )]0 + +∞

∫

+∞

cos t ϕ (t ) dt .

0

Comme une fonction test est nulle à l’infini, cela donne : ∀ ϕ ∈ D, < T ′ , ϕ > = 0 +

∫

+∞

0

cos t ϕ (t ) dt = < cos tY (t ), ϕ > T ′ = [cos t Y (t )] .

et donc

De la même façon, on calcule T ′′ : ∀ ϕ ∈ D, < T ′′ , ϕ > = − < T ′, ϕ ′ >= −

∫

= 0 + ϕ (0) − donc

∫

+∞

0

cos t ϕ ′(t ) dt

0

= −[cos t ϕ (t )]0 + +∞

+∞

∫

+∞

0

− sin t ϕ (t ) dt

sin t ϕ (t ) dt = < δ 0 , ϕ > + < − sin tY (t ), ϕ >

T ′′ = δ 0 − [sin t Y (t )] = δ 0 − T .

[sintY(t)] est une des solutions de l’équation T ′′ + T = δ0 . 2) Démonstration utilisant (R8.2). La fonction f(t) = Y(t)sint est définie par : ∀ t > 0 f (t) = sint donc f ′(t) = cost et f ′′(t) = – sint, ∀ t < 0 f (t) = 0 donc f ′(t) = 0 et f ′′(t) = 0. La fonction f (t) = Y(t)sint est continue sur *, et elle est aussi continue en t = 0 car f (0+) – f (0–) = 0, en effet f (t) = 0 pour f t < 0 et sin t tend vers 0 pour t tendant vers 0+. Donc d’après (R8.2), [ f ]′ = [ f ′] où f ′ est définie sur * c’est-à-dire presque 0 partout sur . On retrouve T ′ = [cos tY (t )] . Quant à la fonction f ′, elle est discontinue en 0 et le saut est f ′(0+) – f ′(0) = + 1, on en déduit d’après (R8.2) que :

t

f′

0

t

f ′′

T ′′ = [ f ′]′ = [ f ′′] + δ 0 = [ − sin tY (t )] + δ 0 . 0

t

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

135

3) Démonstration utilisant (R8.3). La fonction sint est de classe C∞, on peut donc écrire T = sint[Y(t)] et comme on sait que [Y(t)]′ = δ0 , en appliquant (R8.3) et en utilisant la relation g(t)δa = g(a)δa où g est une fonction de classe C∞, on obtient : T ′ = (sint[Y(t)])′ = cost[Y(t)] + sintδ0 = cost[Y(t)] T ′′ = (cost[Y(t)])′ = – sint[Y(t)] + costδ0 = – sint[Y(t)] + δ0 .

Exercice 8.3 1) Montrer que la fonction t → ln|t| est localement sommable et que 1 [ln|t|] = Pf . t 2) Soient a et b deux nombres réels non nuls, et f a,b la fonction définie par f a,b (t) = ln|at| si t > 0 et f a,b (t) = ln|bt| si t < 0. a) Montrer que f a,b est localement sommable.   b) Calculer la dérivée de la distribution régulière f a,b . 1) La fonction t → ln|t| est continue sur R∗. Elle est donc intégrable sur tout segment ne   1 −1 2 2 contenant pas 0. D’autre part, lim |t| ln|t| = 0, donc au voisinage de 0, |ln|t|| = o |t| t→0 et t → ln|t| est donc intégrable au voisinage de 0. Cette fonction est donc localement sommable sur R. Soit ϕ une fonction test. On a : +∞ ln|t|ϕ (t)dt. < [ln|t|] ,ϕ(t) >= − < [ln|t|],ϕ (t) >= −

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

−∞

On ne peut effectuer une intégration par parties sur R, car ln|t| = 1t qui n’est pas localement sommable en t = 0 , mais on peut écrire :

−ε +∞  +∞ ln|t|ϕ (t)dt = lim + ln|t|ϕ (t)dt . −∞

ε→0+

−∞

ε

Une intégration par parties sur chacun des intervalles ] − ∞,−ε] et [ε,+∞[ donne :

 +∞ −ε +∞ ϕ(t) ϕ(t)  ln|t|ϕ (t)dt = lim ϕ(−ε) ln ε − dt − ϕ(ε) ln ε − dt , ε→0+ t t −∞ −∞ ε

−ε +∞  ϕ(t) + dt . donc < [ln|t|] ,ϕ(t) >= lim [ϕ(ε) − ϕ(−ε)] ln ε + lim ε→0+ ε→0+ t −∞ ε Par la formule des accroissements finis, il existe θ ∈] − 1,1[ tel que ϕ(ε) − ϕ(−ε) = 2εϕ (θε) , donc : lim [ϕ(ε) − ϕ(−ε)] ln ε = lim 2ϕ (θε)ε ln ε = 2ϕ (0) lim ε ln ε = 0. ε→0+

ε→0+

ε→0+

136

Mathématiques du signal

ε



+∞

ϕ(t) dt t



1 + D’autre part, lim n’est autre que < Pf ,ϕ(t) >, d’où le résultat ε→0+ −∞ t ε demandé. 2) a) On a ln|at| = ln|t| + ln|a| et ln|bt| = ln|t| + ln|b|, donc f a,b (t) = ln|t| + ga,b (t) , où ga,b est la fonction définie par ga,b (t) = ln|a| si t > 0 et ga,b (t) = ln|b| si t < 0 . Cette fonction est localement sommable (fonction en escalier). Comme t → ln|t| est aussi localement sommable, f a,b est localement sommable.      1  b) On a f a,b = [ln|t|] + ga,b = Pf + ga,b . D’autre part : t a           ga,b = ga,b + ga,b (0+) − ga,b (0−) δ = ln   δ. b

    ln|a|−ln|b|

0

  1 On en déduit que f a,b = Pf + ln t

a      δ. b

1  (t) = , mais que cela n’implique pas que / 0 on a f a,b On peut remarquer que pour tout t = t   1 f a,b = Pf . t

Exercice 8.4 1) Soit la fonction f (t) = |sint| et soit f0 la fonction égale à f sur [0,π] et nulle ailleurs. Expliciter la fonction f à l’aide de f0 et de translatées de f0 . Tracer le graphe de f et expliciter ses dérivées première et seconde à l’aide de f0 , f0′ et f0′′. Tracer les graphes de f ′ et f ′′. 2) Expliciter les dérivées première et seconde de la distribution [ f ]. 1) Si f est une fonction périodique de période T, en notant f0 la fonction égale à f sur [0,T [ et nulle ailleurs, on peut écrire f sous la forme d’une somme infinie de translatées de f0 : f (t ) =

∑ f (t − nT ). 0

n ∈

La fonction f (t) = |sint| est périodique de période π. Pour 0
t < π, on a f0(t) = sint donc f0′(t) = cost et f0′′(t) = – sint. On a donc

f (t ) =

∑ f (t − nπ ) =∑ sin(t − nπ ) 1l 0

n ∈

]0,π [ (t

− nπ ).

n ∈

Les dérivées successives sont définies pour t ≠ nπ et sont aussi périodiques. f ′( t ) = f0′(t − nπ ) = cos(t − nπ ) 11l]0,π [ (t − nπ )

∑

∑

n ∈

f ′′(t ) =

n ∈

∑ f ′′(t − nπ ) =∑ − sin(t − nπ )11l 0

n ∈

n ∈

]0, π[ (t

− nπ ) = − f (t ) = − sin t .

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

137

f 1 –π

π

0

2π

t

f′ 1 –π

π

0

–π

2π

t

–1

f ′′ –π

π

0

2π

t

–1

2) Comme f est continue sur , on a [ f ]′ = [ f ′] d’après (R8.2). Par contre, la fonction f ′ a des sauts en t = np. En effet : f ′(0+) – f ′(0–) = f ′(0+) – f ′(π –) = cos0 – cosp = 2 donc : [ f (t )]′′ = [ f ′′(t )] + 2

∑ δ(t − nπ ). n ∈

En conclusion :

[ sin t ]′ = ∑ cos(t − nπ )11l ]0,π [ (t − nπ )

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

n ∈

[ sin t ]′′ = −[ sin t ] + 2∑ δ(t − nπ )

.

n ∈

Exercice 8.5 Changement d’échelle 1) Soit T une distribution quelconque, T  sa dérivée. Montrer que pour tout a ∈ R∗ on a (T (at)) = aT  (at). 2) Vérifier que [Y (at)] = [Y (t)] si a > 0, et [Y (at)] = [Y (−t)] si a < 0. 1 1 δ(t) = δ0 pour tout a ∈ R∗ . En déduire que δ(at) = |a| |a|

138

Mathématiques du signal

3) Calculer les dérivées des distributions régulières S(t) = [Y (t)cos t] et S(ωt) = [Y (ωt)cos ωt], où ω est un nombre réel strictement positif, en utilisant (R8.2). Recalculer la dérivée de S(ωt) en utilisant le résultat de la première question. 1) Pour tout ϕ ∈ D on a < (T (at)) ,ϕ(t) >= − < T (at),ϕ (t) >

 1  t >. = − < T (t), ϕ |a| a

 1 t > D’autre part, < aT  (at),ϕ(t) >= a < T  (at),ϕ(t) >= a < T  (t), ϕ |a| a





 1 t t 1 t = −a < T (t), > . Comme ϕ = ϕ ϕ , on a : |a| a a a a

 1  t > ϕ < aT  (at),ϕ(t) > = −a < T (t), |a|a a

 1 t >=< (T (at)) ,ϕ(t) > . = − < T (t), ϕ |a| a 2) Si a > 0,

Y(at) = 1 Y(at) = 0

donc : < [Y ( at )], ϕ (t ) > =

∫

Si a < 0,

Y(at) = 1 Y(at) = 0

donc : < [Y ( at )], ϕ (t ) > =

∫

si t > 0, si t < 0,

+∞

Y ( at )ϕ (t ) dt =

−∞

+0

−∞

ϕ (t ) dt =

∫

+∞

0

ϕ (t ) dt = < [Y (t )], ϕ (t ) > .

si at > 0 ⇔ t < 0, si at < 0 ⇔ t > 0,

∫

+∞

−∞

Y ( −t )ϕ (t ) dt = < [Y ( −t )], ϕ (t ) > .

On obtient les relations suivantes : [Y ( at )] = [Y (t )] pour a > 0 et [Y ( at )] = [Y ( −t )] pour a < 0 . Comme [Y(t)]′ = δ(t), d’après la première question, on a aussi : [Y ( at )]′ = a[Y ]′ ( at ) = aδ( at ) et, en particulier, [Y(– t)]′ = – δ(– t). Comme la distribution de Dirac est paire on a : δ(– t) = δ(t) = δ0 . D’après les relations ci-dessus on a : aδ(at) = δ0 pour a > 0 et aδ(at) = – δ0 pour a < 0. Donc :

a δ( at ) = δ(t ) = δ 0 .

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

139

3) En appliquant (R8.2) on obtient : S′(t) = [– Y(t)sint] + (cos0+ – 0)δ(t) = [– Y(t)sint] + δ(t), (S(ω t))′ = [– ω Y(ω t)sinω t] + (cos(ω 0+) – 0)δ(t) = – ω [Y(ω t)sinω t] + δ0 . En utilisant la relation du 1) on obtient : (S(ω t))′ = ωS′(ω t) = ω [–Y(ω t)sinω t] + ω δ(ω t). On retrouve bien le résultat précédent puisque ω δ(ω t) = δ(t) = δ0 . Attention de ne pas croire que ω δ(ω t) = ω δ0 !

Exercice 8.6 1) Soit g une fonction de classe C∞. En comparant les résultats obtenus en dérivant de deux façons différentes g(t)δ, trouver l’expression simplifiée de g(t)δ′. Application : calculer exp(at)δ′, t δ′, t2 δ′. 2) Généralisation : en utilisant la définition du produit d’une distribution par une fonction, expliciter g(t)δ(n) à l’aide des g(n)(0), dérivées successives de g en 0 (calculer d’abord g(t)δ′ et g(t)δ′′). 1) En utilisant (R8.2), on obtient : (g(t)δ)′ = g(t)δ′ + g′(t)δ = g(t)δ′ + g′(0)δ. Par ailleurs, on sait que g(t)δ = g(0)δ et donc : (g(t)δ)′ = (g(0)δ)′ = g(0)δ′. En comparant (1) et (2) on obtient la relation :

(1) (2)

g(t )δ ′ = g(0)δ ′ − g ′(0)δ . On en déduit :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

exp(at)δ′ = δ′ – aδ,

tδ′ = – δ,

t2δ′ = 0.

2) En utilisant les définitions de la multiplication par une fonction de classe C∞ et de la dérivation on obtient : ∀ ϕ ∈ D, < gδ′, ϕ> = = – . Or : (gϕ)′ = g′ϕ + gϕ′, donc : – = – g′(0)ϕ(0) – g(0)ϕ′(0) = par conséquent :

g(t )δ ′ = g(0)δ ′ − g ′(0)δ .

De même, sachant que (gϕ)′′ = g′′ϕ + 2g′ϕ′ + gϕ′′, et que, quelle que soit ϕ on a : = = (–1)2 = g(0)ϕ′′(0)+2g′(0)ϕ′(0) + g′′(0)ϕ(0) on obtient :

g(t )δ ′′ = g(0)δ ′′ − 2 g ′(0)δ ′ + g ′′(0)δ .

140

Mathématiques du signal

Plus généralement, en utilisant la formule de Leibnitz : dn ( gϕ ) = g ( n )ϕ + Cn1 g ( n −1)ϕ ′ + Cn2 g ( n − 2 )ϕ + ... + gϕ ( n ) dt n ∀ ϕ ∈ D, = = (– 1)n

et : on a :

n

< gδ ( n ), ϕ > = ( −1) n

∑

Cnp g ( p )(0)ϕ ( n − p )(0) =

p=0

g(t )δ ( n ) =

∑ (−1)

2n+ p

Cnp < g ( p )(0) δ ( n − p ) , ϕ >

p=0

n

d’où :

n

∑ (−1)

p

Cnp g ( p ) (0)δ ( n − p ) .

p=0

Exercice 8.7 1) Sachant que l’équation t T = 0, où T est une distribution inconnue, a une infinité de solutions, de la forme T = Aδ, où A est une constante arbitraire, trouver toutes les solutions de l’équation ci-dessous : t T = [sint]. cost  2) Peut-on dire que  est solution de l’équation t T = [cost] ?  t  Donner toutes les solutions de cette équation. δ 3) Peut-on dire que est solution de l’équation t T = δ ? t En utilisant les résultats de l’exercice précédent, trouver une solution particulière, puis toutes les solutions de l’équation. / b. Déduire de ce qui précède les solutions des équations : 4) Soit a = a) (t – a)T = 0, b) (t – b)T = δa , c) (t – a)(t – b)T = 0. 2 5) Sachant que les solutions de l’équation t T = 0 sont les distributions de la forme T = Aδ +Bδ′, où A et B sont des constantes arbitraires, trouver toutes les solutions de l’équation (t – a)2T = 0. 1) D’une façon générale, les solutions d’une équation linéaire non homogène (avec second membre) sont la somme d’une solution particulière de l’équation non homogène et de la solution générale de l’équation homogène (sans second membre). Vérifions-le dans le cas particulier considéré. Soit S une distribution connue, on cherche T telle que : tT = S. Si on connaît une solution particulière T0 alors : tT0 = S.

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

141

En faisant la différence des deux équations, on obtient t(T – T0 ) = 0, et donc la différence entre la solution générale et la solution particulière vérifie l’équation homogène. Donc T – T0 = Aδ d’où : T = T0 + Aδ . sin t  Il est facile de vérifier que  est une solution, donc toutes les solutions sont de la  t  forme :

sin t  T =  + Aδ .  t 

2) La fonction

cost n’est pas localement sommable au voisinage de 0, donc elle ne peut t

définir une distribution régulière. Par contre, il est facile de vérifier que cost Pf

tion de l’équation, et donc T = cos t Pf

1 est solut

1 + Aδ . t

δ 1 n’a pas de sens car la fonction n’est pas définie en 0 et a fortiori elle t t n’est pas de classe C∞ sur . Cependant dans l’exercice précédent on a vu que tδ′ = – δ,

3) L’écriture

donc l’équation t T = δ a une solution particulière T0 = – δ′, et toutes les solutions sont de la forme T = − δ ′ + Aδ . 4) a) Une translation de – a donne (t – a + a)T(t + a) = t T(t + a) = 0. Cette dernière équation a pour solution T(t + a) = Aδ(t). Après une translation de a des deux membres, on obtient T(t ) = Aδ(t – a) qui peut aussi s’écrire : T = Aδ a .

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

/ b, b) Puisque a =

δa δ = a est solution. Toutes les solutions sont donc de la forme : t−b a−b T=

δa + Aδ b . a−b

c) Soit S = (t – b)T, alors (t – a)(t – b)T = 0 ⇔ (t – a)S = 0 et donc S = Cδa où C est une constante arbitraire. Il faut donc résoudre maintenant l’équation (t – b)T = Cδa . / b, il y a une solution particulière T0 = C Comme a =

δa δ =C a . t−b a−b

La solution générale est T = T0 + Bδb = Aδ a + Bδ b où A et B sont deux constantes arbitraires.

142

Mathématiques du signal

5) Comme précédemment, en translatant de – a on obtient : (t – a + a)2T(t + a) = t2T(t + a) = 0. Cette équation a pour solution T(t + a) = Aδ(t) + Bδ′(t). Après une translation de a des deux membres, on obtient : T(t ) = Aδ(t – a) + Bδ′(t – a), qui peut aussi s’écrire : T = Aδ a + Bδ ′a .

Exercice 8.8 1) Montrer que pour toute fonction test j ∈ D, la quantité : − ε ϕ (t ) +∞ ϕ (t ) 2 dt + 2 2 dt − ϕ ( 0 ) −∞ t ε ε t

∫

∫

tend vers une limite finie, que l’on déterminera, lorsque e → 0+. 2) En déduire que la limite au sens des distributions, lorsque e → 0+, des distributions : Y ( − t − ε ) + Y (t − ε )  2 Tε (t ) =   − ε δ(t ) t2  

1  n’est autre que − Pf . t

Cette limite est par définition la pseudo-fonction Pf

1 . t2

1) Calculons les intégrales par parties, en posant U = ϕ (t) et dV = ϕ′(t)dt et V = −

∫

− ε ϕ (t )

−∞

∫

t

−∞

t

2

∫

+∞ 1 dt = − ϕ (t ) +  t ε

2

− ε ϕ (t )

1 et il vient : t

−ε 1 dt = − ϕ (t ) +  t  −∞

+∞ ϕ (t )

ε

∫

t

2

dt +

∫

+∞ ϕ (t )

ε

t

2

− ε ϕ ′(t )

−∞

∫

t

1 dt = ϕ ( − ε ) + ε

+∞ ϕ ′(t )

ε

t

1 dt = ϕ (ε ) + ε

2 dt − ϕ (0) ε

Lorsque ε → 0+, la quantité autre que

dt . On a alors dU = t2

∫

=

− ε ϕ ′(t )

−∞

t

∫

− ε ϕ ′(t )

−∞

∫

t

+∞ ϕ ′(t )

ε

t

dt ,

dt ,

ϕ (ε ) + ϕ ( −ε ) − 2ϕ (0) + ε

dt +

∫

+∞ ϕ ′(t )

ε

t

∫

− ε ϕ ′(t )

−∞

t

dt +

∫

+∞ ϕ ′(t )

ε

t

dt .

dt tend vers une limite finie, qui n’est

1 Pf , ϕ ′(t ) . D’autre part, la formule des accroissements finis permet d’écrire : t ϕ (ε) = ϕ (0) + εϕ′(0) + o(ε),

ϕ (– ε) = ϕ (0) – εϕ′(0) + o(ε)

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

et donc :

143

ϕ (ε ) + ϕ ( −ε ) − 2ϕ (0) = o(1), ε

donc cette quantité tend vers 0 lorsque ε → 0+. Il s’ensuit que :  lim  ε →0 + 

∫

− ε ϕ (t )

−∞

t

2

dt +

∫

+∞ ϕ (t )

t2

ε

2 1  dt − ϕ (0) = Pf , ϕ ′(t ) .  ε t

2) On a, pour toute fonction test ϕ ∈ D : Y ( − t − ε ) + Y (t − ε )  2 Tε (t ), ϕ (t ) =   − ε δ(t ), ϕ (t ) t2  2 Y ( −t − ε )  Y (t − ε )  =  , ϕ (t ) +  , ϕ (t ) − δ(t ), ϕ (t ) 2 2   ε  t   t  = =

∫

+∞

−∞

∫

Y ( −t − ε )ϕ (t ) dt + t2

− ε ϕ (t )

−∞

t

2

dt +

∫

+∞ ϕ (t )

ε

t

2

∫

+∞

−∞

Y (t − ε )ϕ (t ) 2 dt − ϕ ( 0 ) 2 ε t

2 dt − ϕ (0). ε

Cette quantité tendant, lorsque ε → 0+, vers : 1 1 ′ Pf , ϕ ′(t ) = − Pf  , ϕ (t ) ,  t t

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 1 ′ on en déduit que : lim+ Tε (t ) = − Pf .  t ε →0

Exercice 8.9 Soit Ci la fonction appelée cosinus intégral, définie sur *, paire, et telle que, pour t cos(θ ) t < 0, on ait : Ci(t ) = dθ . −∞ θ

∫

1) Calculer la dérivée de la fonction Ci pour t < 0 et pour t > 0. 2) Montrer que Ci est sommable sur tout segment. Soit [Ci] la distribution régu1 lière associée. Montrer que sa dérivée est [Ci(t )]′ = cost Pf . t

144

Mathématiques du signal

1) Pour t < 0, on dérive une intégrale par rapport à sa borne supérieure, et donc : d cost Ci(t ) = . dt t Par ailleurs, on sait que la dérivée d’une fonction paire est impaire, donc : d d cos( −t ) cos t Ci(t ) = − Ci ( −t ) = − = .  dt  dt −t t

pour t > 0,

On a donc pour tout t de * :

d cost Ci(t ) = . dt t

2) Comme Ci est dérivable sur *, elle y est continue donc sommable sur tout segment inclus dans *. Il reste à montrer que Ci est sommable au voisinage de 0, et, comme Ci est paire, il suffit de montrer l’existence de

∫

0

−ε

Ci(t )dt pour un nombre ε > 0. On peut donc

chercher à préciser le comportement de Ci(t) au voisinage de 0 pour t < 0. On peut écrire pour t < 0 : Ci(t ) =

∫

−π / 2

−∞

cos θ dθ + θ

π cos θ dθ = Ci −  +  −π / 2 θ 2

∫

t

cos θ dθ . −π / 2 θ

∫

t

(1)

Puisqu’une fonction constante est sommable sur [– e,0], il reste à montrer que la fonction définie par la dernière intégrale est aussi sommable sur [– e,0]. Or pour – π /2 < – e, comme – e < t < 0, et que – p /2 < θ < t, t t 1 cos θ on a : 0 < cosθ < 1, donc : dθ < dθ < 0 , −π / 2 θ −π / 2 θ

∫

ou encore :

ln t − ln

∫

π < 2

t

∫

−π / 2

cos θ dθ < 0 . θ

(2)

On sait que la fonction ln |t| est sommable sur [– ε,0] ainsi que toute fonction constante. La t cos θ dθ est négative et minorée par une fonction sommable sur [– e,0], par fonction −π / 2 θ conséquent elle est aussi sommable sur [ε,0]. Donc Ci(t) n’est pas définie en 0, mais elle est sommable au voisinage de 0 et même sur tout segment de  : elle définit bien une distribution régulière. Sa dérivée [Ci]′ est définie par :

∫

< [Ci]′ , ϕ > = − < [Ci], ϕ ′ > = −

∫

+∞

−∞

Ci(t )ϕ ′(t ) dt

ou plutôt, puisque Ci(t) n’est pas définie en 0, par :  < [Ci]′ , ϕ > = − lim  ε →0 

∫

−ε

−∞

Ci(t )ϕ ′(t ) dt +

∫

+∞

+ε

 Ci(t )ϕ ′(t ) dt  . 

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

145

En intégrant par parties, et en utilisant la parité de Ci et le fait que j est nulle hors d’un segment, on obtient :  < [Ci]′ , ϕ > = lim  (ϕ (ε ) − ϕ ( −ε ))Ci(ε ) + ε →0 

∫

−ε

−∞

Ci(t )ϕ ′(t ) dt +

∫

+∞

+ε

 Ci(t )ϕ ′(t ) dt  . 

D’après la définition de la dérivée, on a vu (cf. exercice 7.1) que : lim

ε →0

(ϕ (ε ) − ϕ (−ε )) = 2ϕ ′(0). ε

Par ailleurs, en utilisant les relations (1) et (2) on obtient : ln t − ln

π π < Ci(t ) − Ci  < 0  2 2

ε ln ε − ε ln

On en déduit :

pour – π /2 < t < 0.

π π π + ε Ci  < ε Ci(ε ) < ε Ci  ,  2  2 2

et donc lim ε Ci(ε ) = 0 . Par conséquent lim ε →0

ε →0

(ϕ (ε ) − ϕ (−ε )) ε Ci(ε ) = 0 . ε

On a donc :  < [Ci]′ , ϕ > = lim  ε →0   = lim  ε →0 

−ε

+∞

 Ci ′(t )ϕ (t ) dt   −∞ +ε −ε +∞ cos t  ϕ ( t ) dt   −∞ +ε t 1 1 = < Pf ,cos tϕ (t ) > = < cos tPf , ϕ (t ) > . t t

∫ ∫

∫ cos t ϕ ( t ) dt + ∫ t

Ci ′(t )ϕ (t ) dt +

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Exercice 8.10 Étudier la convergence pour n tendant vers +∞ des distributions régulières associées aux fonctions fn localement sommables, suivantes : 1)

n 1 + n2t 2

2) nt n1l [0,1](t)

3) n 2 sin nt11l 

π π  (t )  − n , n 

4) n 2 (1 − nt )sgn t11l 

(on tracera auparavant les graphes de ces fonctions).

1 1  (t )  − n , n 

146

Mathématiques du signal

n

n

1 1 t

t

0

0

1

n n 1 1

–π n

–π

0

π n

1 –1 – n

t

π

t 0

1 n

1

1) On utilise le changement de variable u = nt, on a donc : ∀ϕ∈D

<

n , ϕ (t ) > = 1 +n2t 2

∞

n 2 2 ϕ ( t ) dt = −∞ 1 + n t

∫

∫

∞

1

−∞ 1 + u

2

u ϕ   du .  n

Pour prouver que la limite de cette intégrale impropre est égale à l’intégrale de la limite, on utilise le théorème de convergence dominée. Comme toute fonction test est bornée, la fonction sous l’intégrale est bornée par la fonction M sommable , et, en appliquant le théorème, on obtient : 1 + u2 ∞

1  u 2 ϕ   du → n →+∞ −∞ 1 + u n

∫ et comme

on a donc :

∫

∞

1

−∞ 1 + u

∞

2

ϕ ( 0 ) du

1 +∞ 2 du = [arctan u]−∞ = π , on en déduit que : −∞ 1 + u n ∀ϕ∈D < , ϕ (t ) > → πϕ (0) = π < δ 0 , ϕ > n →+∞ 1 +n2t 2

∫

n D′ 2 2 → π δ0 . 1 + n t n→+∞

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

147

2) On utilise une intégration par parties : < nt n11l[ 0,1] (t ), ϕ (t ) > =

1

 nt n +1  nt nϕ (t ) dt =  ϕ ( t ) − 0 1 n +  0

∫

1

∫

1 nt n +1

0

n +1

ϕ ′ ( t ) dt =

n ϕ (1) − Jn . n +1

L’intégrale Jn tend vers 0 d’après le théorème de convergence dominée. En effet, sur [0,1], n n +1 t ϕ ′(t )  M puisque toute fonction test est bornée. n +1

on a |t n+1|  1 et donc Lorsque n tend vers +∞,

n → 1 et comme, sur [0,1] la quantité t n+1 converge vers 0 n + 1 n→+∞

presque partout, on en déduit que Jn tend vers 0. Donc :

∀ϕ∈D

< nt n11l [ 0,1] (t ), ϕ (t ) > → ϕ (1) = < δ1 , ϕ > n →+∞ D′

nt n11l [ 0,1](t ) → δ1 .

c’est-à-dire :

n →+∞

3) D’après l’allure des graphes des fonctions, on peut penser que la suite tend au sens des distributions vers kδ′0 . Première méthode : pour faire intervenir ϕ′, on fait une intégration par parties. On a : l < fn (t ), ϕ (t ) > = < n 2 sin nt 11 

π  (t ), ϕ (t ) > =

π  − n , n 

π

On obtient : < fn (t ), ϕ (t ) > = [ − n cos ntϕ (t )] n π − −

π n

n

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

∫

∫

n 2 sin nt ϕ (t ) dt .

− n cos nt ϕ ′(t ) dt .

π   π = n  ϕ   − ϕ  −   → 2πϕ ′(0)  n   n→∞   n

[−n cos nt ϕ (t )]− π

On a :

n

π n π − n

π n π − n

car, en posant ε = π /n, d’après la définition de la dérivée, on a :

ϕ (ε ) − ϕ ( − ε ) ϕ ( ε ) − ϕ ( 0 ) + ϕ ( 0 ) − ϕ ( − ε ) 2ϕ ′(0) = → = ϕ ′(0). ε →0 2ε 2ε 2 Par ailleurs, en utilisant le théorème de convergence dominée : π n π − n

∫ Donc :

n cos nt ϕ ′(t ) dt =

π

u cos u ϕ ′  du →  −π n  n→∞

∫

D′ π π  (t )] → − 2π n →+∞ − ,  n n 

[n 2 sin nt11l 

∫

π

cos u ϕ ′(0) du = 0 ⋅ ϕ ′(0).

−π

δ ′0 .

(1)

148

Mathématiques du signal

Seconde méthode : on peut utiliser l’imparité des fonctions fn : < fn (t ), ϕ (t ) >= On a

∫

0

−∞

fn (t )ϕ (t ) dt =

∫

+∞

−∞

∫

0

∞

fn (t )ϕ (t ) dt =

∫

0

−∞

∫

fn (t )ϕ (t ) dt +

+∞

0

fn (t )ϕ (t ) dt .

− fn ( −u)ϕ ( −u) du et comme fn est impaire et qu’une variable

d’intégration est muette, on obtient : < fn (t ), ϕ (t ) >=

∫

+∞

∫

π

0

fn (t )(ϕ (t ) − ϕ ( −t )) dt

d’où, en posant u = nt : < fn (t ), ϕ (t ) >=

0

u   u n sin u  ϕ   − ϕ  −   du .  n   n

u tend vers 0 et donc d’après la définition de la dérivée (1) : n

Si |u|  π, alors ε =

2u sin u Comme :

∫

π

0

n   u u  − ϕ  −   → 2u sin uϕ ′(0). ϕ  n   ε →0 2u   n 

2u sin u du = [ −2u cos u]π0 −

∫

π

0

− 2 cos u du = 2π + 0

on en déduit : π π  (t ), ϕ (t ) > → 2π ϕ ′( 0 ) n →+∞  − n , n 

< n 2 sin nt11 l

D′ π π  (t )] → − 2π δ ′0 n →+∞  − n , n 

[n 2 sin nt11l 

c’est-à-dire :

= −2π < δ ′, ϕ >

.

4) On peut utiliser, comme dans l’exercice précédent, l’imparité des fonctions fn : < fn (t ), ϕ (t ) > =

∫

+∞

0

fn (t )(ϕ (t ) − ϕ ( −t )) dt

1/ n

∫ n (1 − nt )(ϕ (t ) − ϕ (−t )) dt u   u = ∫ n(1 − u) ϕ   − ϕ  −   du .  n   n

< fn (t ), ϕ (t ) > =

2

0 1 0

D’après la définition de la dérivée (1) et le théorème de convergence dominée on a : 1 1 < fn (t ), ϕ (t ) > → 2ϕ ′(0) (1 − u)u du = ϕ ′(0) n→ 0 0 3

∫

c’est-à-dire :

D′ 1 1  (t )] → − n →∞ − ,  n n 

[n 2 (1 − nt )sgn t 11l 

1 δ ′(t ) . 3

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

149

Exercice 8.11 1) Vérifier que la fonction u définie par : u( x ) = 1 − x 2 11l [ −1,1] ( x ) est sommable. 2) Expliciter les fonctions suivantes pour n > 1 puis tracer leurs graphes : 1 t fn ( t ) = u   n  n

t gn (t ) = u   n

hn (t ) = n u(nt )

3) Étudier la convergence pour n tendant vers +∞ des trois suites de distributions régulières correspondantes.

1) Comme la fonction u est définie et continue sur  et nulle hors du segment [– 1,1], elle est sommable sur . 2) On a fn (t ) =

1 f1

n 2 − t 2 1l 1[ − n,n ] (t ) n2

f2

1/2 –2

–1

0

1

2

t

1

gn (t ) =

n2 − t 2 11 l [ − n, n ] (t ) n

–2

–1

0

1

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

2

l hn (t ) = n 1 − n 2 t 2 11

1 1  (t )  − n , n 

fn ( t ) =

2

t

h2

1 –1

3) Comme

g2

g1

h1 0 1/2 1

t

n 2 − t 2 1l n 1 1[ − n,n ](t )  2 = , les fonctions fn convergent uniformé2 n n n

ment vers 0 sur , dans ce cas les distributions régulières [ fn] convergent vers la distribution nulle. En effet, soit [– A, A] un segment en dehors duquel ϕ est nulle : < fn (t ), ϕ (t ) > =

∫

n

−n

1 n2 − t 2 ϕ (t ) dt  2 n n

∫

A

−A

ϕ ( t ) dt → 0 . n→+∞

150

Mathématiques du signal

n 2 − t 2 1l D′ 1[ − n,n ] (t ) → 0 . 2 n →+∞ n

Donc :

n2 − t 2 → 1, les fonctions gn ne convergent pas uniformément n →+∞ n

Par contre ici, gn (t ) =

vers 1 sur , mais comme elles convergent uniformément vers 1 sur tout intervalle borné (cf. exercice 1.5), les distributions régulières [gn] convergent vers la distribution constante et égale à 1. On peut d’ailleurs le vérifier directement en utilisant le théorème de convergence dominée : < gn (t ), ϕ (t ) > =

∫

A

−A

n2 − t 2 ϕ (t ) dt → n →+∞ n

∫

A

ϕ (t ) dt =

−A

∫

+∞

−∞

ϕ (t ) dt ,

n 2 − t 2 1l D′ 1[ − n,n ] (t ) → 1 . n →+∞ n

et donc :

Pour montrer que les fonctions hn tendent au sens des distributions vers un Dirac en 0, on peut procéder comme dans l’exercice 8.10, 1) et utiliser le changement de variable y = nt, on a alors : < hn (t ), ϕ (t ) > =

∀ϕ∈D

∫

∞

−∞

n u(nt )ϕ (t ) dt =

∫

1

−1

x u( x )ϕ   dx .  n

Comme |x|  1, et que les fonctions tests sont continues, lorsque n tend vers +∞ on obtient :

∫

1

−1

x 1 − x 2 ϕ   dx → ϕ (0)  n  n→+∞

∫

1

−1

1 − x 2 dx

et comme :

∫

1

−1

1 − x 2 dx =

∫

π /2

−π / 2

1 − sin 2 θ cos θ dθ =

∫

π /2

−π / 2

cos 2 θ dθ =

1 + cos 2θ π dθ = −π / 2 2 2

∫

π /2

on en déduit que : ∀ϕ∈D

Donc :

< hn (t ), ϕ (t ) > →

n →+∞

π π ϕ (0) = < δ 0 , ϕ > . 2 2

D′ π 1 1  (t ) → n →+∞ 2 − ,  n n 

n 1 − n 2 t 2 1l1

δ0 .

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

151

Exercice 8.12 1) Montrer que les fonctions fn suivantes sont localement sommables : 1 − exp( − n 2 t 2 ) . t 2) Étudier la limite T lorsque n tend vers +∞ de la suite de distributions régulières 1 associées. (On peut soit montrer directement que T = Pf en utilisant l’exert cice 7.4, soit chercher d’abord la limite de t [ fn] et utiliser l’exercice 8.7.) fn ( t ) =

y

1) Les fonctions fn ne sont pas définies en 0, mais un développement limité à l’ordre 1 au moins, au voisinage de 0, permet de lever l’indétermination, et montre qu’on peut prolonger fn par continuité par 0 en 0. Les fonctions fn étant continues sur , elles sont localement sommables.

y=

1 t

y = fn(t) y = f1(t) 0

t

2) a) Première méthode : utilisons le fait que fn est impaire, on a donc :

∫ =∫

< fn (t ), ϕ (t ) > =

+∞

0

La fonction

(

) dt

fn ( t ) ϕ ( t ) − ϕ ( − t ) 0 +∞ 1 − exp( − n 2 t 2 )

(ϕ (t ) − ϕ (−t )) dt .

t

ϕ (t ) − ϕ ( − t ) est définie continue sur , nulle hors de [– A, A] (cf. exercice 7.1), t

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

2 2 et comme exp( − n t ) → 0 , on en déduit que : n →+∞

∫

exp( − n 2 t 2 ) → 0. (ϕ (t ) − ϕ (−t )) dt n→+∞ t

A

0

Donc : < fn (t ), ϕ (t ) > →

∫

+∞ 1

n →+∞ 0

t

(ϕ (t ) − ϕ (−t )) dt = < Pf

1 , ϕ (t ) > t

1 − exp( − n 2 t 2 )  D′ 1 → Pf en utilisant l’exercice 7.4. On a donc :  .  n→+∞ t t   b) Seconde méthode : étudions d’abord la limite de [t fn(t)], on a : < tfn (t ), ϕ (t ) > = < 1 − exp( − n 2 t 2 ), ϕ (t ) > =

∫

A

(1 − exp( − n 2 t 2 ))ϕ (t ) dt .

−A

152

Mathématiques du signal

Comme exp( − n 2 t 2 ) → 0 , on en déduit que [tfn (t )] → 1 ; D′

n →+∞

en effet : < tfn (t ), ϕ (t ) > →

n →+∞

∫

A

ϕ ( t ) dt =

n → +∞ − A

∫

∞

−∞

ϕ (t ) dt = < 1, ϕ > .

D’après (R8.4), la limite T de [ fn(t)] doit donc vérifier t T = 1. On a vu que les solutions de 1 + aδ, avec a réel (cf. exercice 8.7). t Comme [ fn] est impaire, sa limite doit être impaire aussi, or la distribution de Dirac en 0 est

cette équation sont T = Pf

paire, donc : T = Pf

1 . t

Exercice 8.13 Pour tout entier positif n, soit la fonction fn définie par : fn(t) = n3t exp(– n2t2) et soit [ fn] la distribution régulière associée. Montrer que la limite lorsque n tend vers +∞ de cette suite de distributions est Aδ′, où A est une constante à déterminer. (On rappelle que

+∞

∫−∞ exp(−u ) du = 2

π .)

Pour toute fonction test ϕ, on a : < [ fn ], ϕ > =

∫

+∞

−∞

fn (t )ϕ (t ) dt =

∫

+∞

−∞

n 3t exp( − n 2 t 2 ) ϕ (t ) dt .

En intégrant par parties, on obtient : +∞

+∞ n n < [ fn ], ϕ > = − exp( − n 2 t 2 )ϕ (t ) − − exp( − n 2 t 2 ) ϕ ′(t ) dt .  2  −∞ −∞ 2 Comme ϕ (t) est nulle à l’infini, le terme entre crochets est nul. On a : +∞ n < [ fn ], ϕ > = exp( − n 2 t 2 ) ϕ ′(t ) dt =< [ Fn ], ϕ ′ > = − < [ Fn ]′ , ϕ > −∞ 2

∫

∫

n avec [ Fn ] =  exp( − n 2 t 2 ) . 2  Donc [ fn] est l’opposé de la dérivée de [Fn]. On calcule donc la limite des distributions [Fn ]. Si ϕ ∈ D : +∞ +∞ n Fn (t)ϕ(t)dt = exp(−n 2 t 2 )ϕ(t)dt 2 −∞ −∞ u 1 +∞ exp(−u 2 )ϕ( ) du = 2 −∞ n

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

153

u Quand n → +∞ , ϕ( ) → ϕ(0). n D’après le théorème de convergence dominée : √ π 1 +∞ exp(−u 2 )du = ϕ(0), ∀ϕ ∈ D. lim [Fn ],ϕ = ϕ(0) n→+∞ 2 −∞ 2 √ π δ. Donc [Fn ] → 2 Comme [ fn] = – [Fn]′ et avec (R8.5), on en déduit que : [ fn ] → − n →+∞

π δ′ . 2

Exercice 8.14 1) Soit T une distribution causale et Y la fonction échelon. Montrer que [Y ] * T est une primitive de T, c’est-à-dire que la dérivée de [Y ] * T au sens des distributions est T.     2) On pose S(t ) =  δ(t − n) *  δ(t − n) .  n0   n0 

∑

∑

Effectuer ce produit de convolution. 3) Calculer une primitive de S. 1) Pour dériver un produit de convolution au sens des distributions, il suffit de dériver l’un des facteurs, donc : ([Y ] * T)′ = [Y ] * T ′ = [Y ]′ * T = δ * T = T

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

car δ est l’élément neutre pour le produit de convolution. 2) Le produit de convolution des distributions causales étant associatif et commutatif, on a :     S(t ) =  δ(t − p) *  δ(t − q ) =      p0   q 0 

∑

∑

∑ δ(t − p) * δ(t − q).

p0 q 0

Or : δ(t – p) * δ(t – q) = δ(t – (p + q)) (cf. rappels). Donc : S(t ) =

∑

p0 q 0

δ(t − ( p + q)) =

  δ(t − ( p + q )) = (n + 1) δ(t − n)    n 0 n 0  p + q = n

∑ ∑

∑

car il y a n + 1 façons d’obtenir n à l’aide de la somme de deux entiers p et q.

154

Mathématiques du signal

3) D’après la question 1), une primitive de S(t) est [Y(t)] * S(t). Or : [Y (t )] ∗ S(t ) = [Y (t ]*

∑ (n + 1) δ(t − n) = ∑ (n + 1) δ(t − n) *[Y (t )]

n 0

=

n 0





 n 0



∑ (n + 1) [Y (t − n)] = ∑ (n + 1) Y (t − n) .

n 0

C’est la distribution régulière associée à la fonction f (t ) =

∑ (n + 1) Y (t − n),

qui est la

n 0

fonction en escalier nulle pour t < 0 et qui est définie pour t ∈ [n, n+1[, n entier positif ou nul, par : n +1

n

f (t ) =

∑

( k + 1) =

k =0

∑p= p =1

(n + 1)(n + 2) . 2

Exercices d’entraînement 8.15 1) Calculer les dérivées des distributions suivantes en utilisant (R8.1) puis (R8.2) : a) [Y(t – a)], b) [sgnt], c) [E(t)] où E(t) = n ∈  avec n  t < n + 1. 2) Calculer les dérivées des distributions suivantes en utilisant (R8.2) puis (R8.3) : [|t|]= t[sgnt], sht[Y(t – a)], [|sht|], [|cht|]. 8.16 Montrer que l’ application T de D dans  suivante, est une distribution régulière associée à une fonction f que l’on précisera. T (ϕ ) =

∫

1

cos πt ϕ (t ) dt +

−1 / 2

∫

+∞

1

ϕ (t ) dt .

Calculer T ′, dérivée de T, de deux façons différentes : a) en utilisant la définition, b) en utilisant le théorème relatif aux distributions régulières. Vérifier que T ′ comporte une partie régulière et une partie singulière. Calculer T ′′. 8.17 Tracer le graphe de la fonction f définie par : 2 − x 2  f ( x ) = 2 − x 0 

pour x  1 pour 1 < x  2 . pour x > 2

Soit Tf la distribution régulière associée à f. Calculer les dérivées successives de Tf jusqu’à l’ordre 3 et les représenter graphiquement.

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

155

d 2T + ω 2 T pour les distributions régulières Ti suivantes : dt 2   sin ωt T1 = [Y(t)sinω t] T2 = [Y(t)cosω t] T3 = Y (t) t

8.18 Calculer S =

8.19 1) Calculer les dérivées des distributions régulières suivantes : T1 = [Y(ω t – π)] T2 = [Y(ω (t – π))] 2) Montrer que si f est dérivable sur \{a}, alors pour tout réel ω on a : [ f(ω t)]′ = ω [ f ′(ω t))] + ( f (a+) – f (a–))δa/ω . 8.20 Calculer la dérivée nième de la distribution régulière T = [|sht|] (on distinguera les cas n pair et n impair). 8.21 Trouver toutes les distributions T solutions des équations suivantes : 2) tT =

1) t nT = δ

∑ (−1) δ n

n

n ∈

8.22 Pour tout entier n strictement positif, soient fn et gn les fonctions définies par : 0  fn (t ) = t 1 / n 1 

pour t  0 pour 0 < t < 1 pour 1  t

0  1 gn (t ) =  ( n −1) / n  nt 0

pour t  0 pour 0 < t < 1 pour 1  t

Graphe des fonctions fn et gn . Préciser les limites des suites [ fn] et [gn]. 8.23 Quelle est la limite au sens des distributions de la suite { fn} avec : fn(t) = Y(t)n2 t exp(– nt) ? 8.24 Soit f (t) = Y(t)lnt, où Y(t) est la fonction échelon. 1) Vérifier que f est localement sommable. Vérifier que cette fonction est dérivable presque partout. La fonction f ′ est-elle localement sommable ? Peut-on définir [ f ]′ en utilisant (R8.2) ?

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

2) Montrer que la distribution régulière T = [Y(t)lnt] peut être définie comme la limite quand ε tend vers 0 de la suite de distributions régulières : Tε = [Y(t – ε )lnt]. Calculer Tε . En déduire T ′. 3) Montrer que lim+ ln ε(δ(t) − δ(t − ε)) = 0 . En déduire que l’on a aussi : ε→0

   Y (t − ε) T  = lim+ ln εδ(t) + ε→0 t Cette distribution, appelée pseudo-fonction

Y (t) Y (t) , est notée P f t t

156

Mathématiques du signal

8.25 Soit f (t ) =

Y (t ) t

, où Y(t) est la fonction échelon.

1) Vérifier que f est localement sommable. Montrer que sa dérivée f ′ qui est définie sur *, n’est pas localement sommable. Y (t − ε ) . Calculer la 2) On note Tε la distribution régulière associée à fε (t ) = t distribution dérivée Tε′. 3) Vérifier que Tε tend vers [ f ] quand ε tend vers 0. En déduire l’expression de la distribution dérivée de [ f ] qui est notée Pf

Y (t ) . t3/ 2

4) Généralisation : soit T est une distribution régulière associée à une fonction f, nulle sur ]– ∞,0[. Si la dérivée f ′ est définie sur * et non sommable au voisinage de 0, montrer que T ′ peut être définie comme limite de distributions. 8.26 1) En partant de la définition du produit de convolution, calculer les produits de convolution suivants : δa * δb′ Y(t) * δb′ δa * 1 . D′

2) Vérifier que si a tend vers +∞, alors δ a → 0. n →+∞

Y-a-t-il égalité entre : lim (δ a ∗ 1) et ( lim δ a ) ∗ 1 ? a →+∞

a →+∞

8.27 En utilisant les propriétés du produit de convolution, vérifier que : (δ′ – aδ) * Y(t) exp(– at) = δ (δ′′ + 2aδ′+ a2δ) * Y(t)t exp(– at) = δ. En déduire que si T est une distribution vérifiant (δ′′ + 2aδ′+ a2δ) * T = S où S est une distribution connue alors : T = Y(t) t exp(– at) * S. 8.28 1) Vérifier que exp(at)δ′′ = δ′′ – 2aδ′ + a2δ. 2) Déterminer une fonction f nulle pour t < 0 telle que : exp(at)δ′′ * [ f ] = δ. 3) Même question pour l’équation exp(at)δ′′ * [ f ] = [Y(t)sint]. 8.29 Soit Tf une distribution régulière associée à une fonction f nulle sur ]–∞,a[, et deux fois continuement dérivable sur ]a,+∞[. Montrer que l’équation de convolution dans D′ (δ′′ – 3δ′+ 2δ) * Tf = α δ + β δ′ est équivalente au système d’équations : f ′′ – 3 f ′ +2f = 0 sur ]a,+∞[, avec f (a+) = b et f ′(a+) = a + 3b.

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

157

Réponses

8.15 1) δa , 2δ ,



δn

n∈Z

2) [|t|]′= [sgnt]+ 2tδ = [sgnt],

(sht[Y(t – a)])′ = cht[Y(t – a)] + shaδa ,

[|cht|]′ = |sht| +2δ .

[|sht|]′ = cht[sgnt],

8.16 T(t) = [cospt1l [1/2,1](t) + Y(t – 1)] T ′(t) = [– psinpt1l [1/2,1](t)] + 2δ(t – 1) T ′′(t) = [– p2cospt1l [1/2,1](t)] + δ(t + 1/2) + 2δ′(t – 1) 8.17 La fonction f est paire et on a : x

f (x)

|x|  1 1x2 |x| > 2

x2

2– 2–x 0

f ′ (x)

f ′′ (x)

– 2x –1 0

–2 0 0

Comme f est continue, elle n’a pas de saut et T f′ = Tf ′ . Par contre, f ′ a des sauts et on a : T f′′ =Tf ′′ + δ–2 + δ–1 + δ1 + δ2 .

8.18 S1 = w δ, S2 = δ′, S3 = 2Y (t )

sin ω t − ω t cos ω t + ω δ′ . t3

8.19 T1′ = ω δ(ω t − π ) = δ π / ω , 8.20 T ′ = [cht sgnt],

T2′ = ω δ(ω (t − π )) = δπ .

T ′′ = T + 2δ,

Pour k  1 : T ( 2 k +1) = T ′ + 2

k −1

∑

δ ( 2 p+1) , T ( 2 k ) = T + 2

k −1

∑δ

(2 p)

.

p=0

p=0

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

8.21 1) En utilisant les exercices 8.5 et 8.6 on montre que : T=

( −1)n ( n ) δ + n!

2) On a

n −1

∑a δ p

où les ap sont des constantes arbitraires.

p=0

∑ (−1) δ n

n∈

( p)

n

= S + δ 0 avec S =

∑ (−1) δ . n

n

n∈*

L’équation t T = S a pour solution particulière T1 =

( −1)n δn . n *

∑

n∈

L’équation t T = δ0 a pour solution particulière T0 = – δ0′ (cf. exercice 8.5). Donc, en notant A une constante arbitraire, on a tT =

∑ (−1) δ n

n

= S + δ0 ⇔

n∈

T = T1 + T0 + Aδ 0 =

( −1) δ n − δ ′0 + Aδ 0 . n n∈*

∑

n

158

Mathématiques du signal

/ 0 et t = / 1, et la dérivée fn′ est presque par8.22 La fonction fn est continue, dérivable pour t = tout égale à gn . Comme [ fn] tend vers Y(t), [gn] = [ fn]′ tend vers δ(t) (cf. (R8.5)).

8.23 Les fonctions fn sont continues, positives, nulles pour t = 0 et pour t tendant vers +∞. Comme fn′(t) = Y(t)n2(1 – nt)exp(– nt), le maximum est atteint pour t = 1/n, et il vaut n/e. Pour t fixé strictement positif, fn(t) tend vers 0 pour n tendant vers +∞, car l’exponentielle impose sa limite au polynôme n2. Donc la suite { fn} converge ponctuellement vers la fonction nulle sur . On fait le changement de variable u = nt dans : < fn (t ),ϕ (t ) > =

∫

+∞

n2t exp( − nt )ϕ (t ) dt =

0

∫

+∞

u u exp( −u)ϕ   du .  n

0

Comme ϕ est continue et bornée, (R4.3) permet de montrer que : lim [ fn ] = δ(t )

n→+∞

∫

+∞

0

u exp( −u) du = δ(t ).

8.24 1) NON aux deux questions posées. 

2) Tε (t) =

 Y (t − ε) + lnε δ(t − ε) et T  = lim Tε . ε→0+ t

3) On a : = ln e (j (0) – j (e)). D’après le théorème des accroissements finis : j (0) – j (ε) = ε j′(θe) avec 0 < θ < 1. Comme e ln e tend vers 0 quand ε tend vers 0, et comme j ′ reste borné, on a :

lim < ln ε (δ(t ) − δ(t − ε )), ϕ (t ) > = 0 .

ε →0 +

lim ln ε (δ(t ) − δ(t − ε )) = 0

Donc :

ε →0 +

Y (t − ε )  T ′ = lim+ ln ε δ(t − ε ) +  ε →0  t  Y (t − ε )   = lim+ ln ε (δ(t − ε ) − δ(t )) + ln ε δ(t ) +  ε →0  t  d’où : T ′ = [Y (t ) ln t ]′ = Pf

 Y (t )  = lim ln ε δ(t ) + Y (t − ε )  ,   t  ε → 0 +  t 

c’est-à-dire :

 

∀ j ∈ D, < T ′, ϕ > = lim+ ln εϕ (0) + ε →0

∫

+∞ ϕ (t )

ε

t

 dt  . 

Y (t ) , pas sommable au voisinage de 0, donc elle ne peut définir une t3 / 2 distribution régulière. Par contre f est localement sommable, mais non sommable à +∞.

8.25 1) Dans * f ′(t ) =

Comment est alors définie [ f ]′ ? 2) Tε′ =

d  Y (t − ε )  δ (t − ε ) 1 Y (t − ε ) δ (t − ε ) Y (t − ε ) = 1/ 2 − = 1/ 2 − . t dt  t1 / 2  2 t3 / 2 ε 2t 3 / 2

3) < Tε ,ϕ > =

∫

A ϕ (t )

ε

t

1/ 2

dt →

∫

A ϕ (t )

ε →0 0

t1 / 2

dt = < f ,ϕ > , donc [ f ] = lim Tε . ε →0

8 • Dérivation, convergence, convolution des distributions

159

D’après (R8.5) on a [ f ]′ = lim Tε′ , c’est-à-dire : ε →0

 ϕ (ε ) < [ f ]′ , ϕ > = lim < Tε′, ϕ > = lim  1 / 2 − ε →0 ε →0  ε

∫

+∞

ε

ϕ (t )  Y (t ) = < Pf  3 / 2  , ϕ (t ) > . 3 / 2 dt    2t t 

4) On peut définir T comme la limite de Tε = [Y(t – ε) f (t)]. D’après (R8.5) T ′ est la limite de Tε′ = f (ε)δ(t – ε) + [Y(t – ε) f ′(t)]. 8.26 1) δa * δb′ = δ′a +b ,

Y(t) * δb′ = δb ,

δa * 1 = 1.

2) lim (δ a ∗ 1) = 1 et ( lim δ a ) ∗ 1 = 0 . a→+∞

a→+∞

8.27 Comme le produit de convolution est commutatif : Y(t)t exp(– at) * (δ′′ + 2aδ′ + a2δ) = δ. Donc : Y(t)t exp(– at) * (δ′′ + 2aδ′ + a2δ) * T = T = Y(t)t exp(– at) * S. 8.28 2) f (t) = Y(t)t exp(at). Y (t ) 3) f (t ) = 2 ( −2 a + ( a 2 + 1) t )exp( at ) + 2 a cos t + ( a 2 − 1)sin t . ( a + 1)2

(

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8.29 Tf = [ f ], δ′ * Tf = [ f ]′ = [ f ′] + f (a+)δ, δ′′ * Tf = [ f ]′′ = [ f ′′] + f ′(a+)δ + f (a+)δ′, d’où : [ f ′′ – 3f ′ + 2f ] + f ′(a+)δ + f (a+)δ′ – 3f (a+)δ = a δ + b δ′. D’où le résultat en identifiant les parties régulières et singulières.

)

Chapitre 9

Transformées de Fourier et de Laplace des distributions. Transformée en z des signaux numériques

RAPPELS

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I. Transformation de Fourier • Une fonction f est à décroissance rapide si et seulement si pour tout k ∈ N et tout p ∈ N on a lim t p f (k) (t) = 0. On note S l’ensemble des fonctions à décroist→±∞

sance rapide.   • Une suite ϕn n∈N de fonctions à décroissance rapide converge dans S vers ϕ ∈ S lorsque n tend vers +∞ si et seulement si pour tout k ∈ N et tout p ∈ N la suite des fonctions t → t p ϕn(k) (t) converge uniformément sur R vers la fonction t → t p ϕ(k) (t) lorsque n tend vers +∞. On note alors lim S ϕn = ϕ ou n→+∞

S

ϕn −−−→ ϕ. n→+∞

162

Mathématiques du signal

• Une distribution tempérée T est une application de S dans R qui est : – linéaire : ∀ϕ,ψ ∈ S ,∀λ,µ ∈ R,T (λϕ + µψ) = λT (ϕ) + µT (ψ) . – continue : si lim S ϕn = ϕ , alors lim T (ϕn ) = T (ϕ). n→+∞

n→+∞

On a D ⊂ S et une distribution tempérée est une distribution. • Si T est une distribution tempérée, sa transformée de Fourier Tˆ = F(T ) est la distribution (tempérée) définie par ∀ϕ ∈ S , < F(T ),ϕ >=< T,F(ϕ) > .

(R9.1)

¯ ) de T est définie par De même la transformée de Fourier inverse Tˇ = F(T ¯ ),ϕ >=< T, F(ϕ) ¯ ¯ ¯ )) = T . ∀ϕ ∈ S , < F(T > et l’on a F(F(T )) = F( F(T • Transformées de Fourier usuelles : – Si f ∈ L 1 (R) ou f ∈ L 2 (R) , alors F ([ f ]) = [F( f )] . – Distributions de Dirac :   F(δ) = [1] , F(δ(t − a)) = [exp(−2iπaν)] , F δ(m) = [(2iπν)m ] . 1 1 1 Pf . – Echelon unité : F([Y (t)]) = δ(ν) + 2 2iπ ν – Par réciprocité de Fourier :  m  m  i δ(m) (ν) , = F([1]) = δ(ν), F([exp(2iπν0 t)]) = δ(ν − ν0 ) , F t 2π     1 = iπ [2Y (ν) − 1] = iπ sgn(ν) . F Pf t – Peigne de Dirac  : F ((t)) = (ν).  n δ(ν − ) avec T0 à support de longueur θ • Si T = T0 ∗ θ n∈Z F(T ) =



n 1 n cn δ(ν − ) avec cn = F(T0 )( ) θ θ θ n∈Z

(R9.2)

• Transformée de Fourier d’un produit de convolution : S’il existe un segment K tel que pour toute fonction test ϕ ∈ D nulle sur K on ait < T,ϕ >= 0, on dit que T est à support compact. Alors F(T ) est la distribution régulière associée à la fonction C ∞ ν →< T (t),exp(−2iπνt >, pour toute distribution tempérée S le produit de convolution T ∗ S est défini et l’on a F(T ∗ S) = F(T )F(S)

(R9.3)

• Transformée de Fourier d’un produit : Si g ∈ S ou est une fonction C ∞ telle que F([g]) soit à support compact, alors pour toute distribution tempérée T, gT est tempérée et

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

F(gT ) = F([g]) ∗ F(T )

163

(R9.4)

• Formulaire succinct :   – F T (m) = (2iπν)m Tˆ (ν). – F (T (t − a)) = exp(−2iπaν)Tˆ (ν) .  m   i Tˆ (m) (ν). – F t m T (t) = 2π – changement d’échelle : F (T (at)) =

1 ˆ ν

T / 0. ,a= |a| a

II. Transformation de Laplace • Distributions causales : une distribution T est dite causale si et seulement si < T,ϕ >= 0 pour toute fonction test ϕ ∈ D nulle sur [0,+∞[. • Soit T une distribution causale telle qu’il existe p0 ∈ R tel que exp(− p0 t)T (t) soit tempérée. Alors la transformée de Laplace de T est la fonction L(T ) : p → L(T )( p) =< T (t),exp(− pt) >

(R9.5)

Elle est définie pour tout p > p0 . • Si f est une fonction causale admettant une transformée de Laplace L( f ), alors L ([ f ]) = L( f ). • Transformée de Laplace d’un produit de convolution : Le produit de convolution de deux distributions causales est toujours défini. Si T et S sont deux distributions causales admettant des transformées de Laplace, alors

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L(T ∗ S) = L(T )L(S) . • Formulaire succinct : – L(T (t − a))( p) = e−ap L(T )( p) .   – L T (m) ( p) = pm L(T )( p).

  – L(δ)( p) = 1. On en déduit que L(δa )( p) = e−ap et L δ(m) ( p) = pm . • Remarque importante : lorsque l’on connaît une solution particulière T0 de l’équation en la distribution inconnue T suivante : (1) gT = U, où g est une fonction C ∞ et U une distribution donnée, les solutions de (1) sont de la forme T = T0 + S, où S est solution de l’équation « homogène » (2) gT = 0. On utilisera souvent ce résultat dans le cas où g(t) = t k , les solutions de (2) étant dans ce cas les distributions de la forme S = a0 δ + a1 δ + . . . + ak−1 δ(k−1) , où les ai sont des constantes arbitraires.

164

Mathématiques du signal

III. Transformation en z • Un signal numérique est une application f de Z dans C. Si f (n) = 0 pour tout n < 0, le signal numérique f est dit causal. • La transformée en z d’un signal numérique f est la fonction Tz ( f ) de la variable complexe :  Tz ( f ) : z → Tz ( f )(z) = f (n)z −n n∈Z

= lim

N →+∞

N  n=0

f (n)z −n +

−1 

lim 

N →+∞

f (n)z −n

n=−N 

définie lorsque ces deux limites existent. Les résultats sur les séries de Laurent montrent que : – soit le domaine de définition de Tz ( f ) est vide. – soit Tz ( f ) est définie sur C tout entier. – soit il existe r et R, avec 0
r
R
+∞, tels que Tz ( f )(z) soit définie pour r < |z| < R, et non définie pour |z| < r et |z| > R. Sur les cercles |z| = r et |z| = R, Tz ( f )(z) peut être définie en certains points, non définie en d’autres. L’ensemble C(r,R) = {z ∈ C/r < |z| < R} est la couronne (ouverte) de convergence de Tz ( f ). – Tz ( f ) est définie en 0 si et seulement si f (n) = 0 pour tout n ∈ N∗ . Dans ce cas, on a r = 0 et, si R > 0, Tz ( f ) est définie sur le disque D(0,R) = {z ∈ C/|z| < R}, non définie pour |z| > R. – si f est causal, alors R = +∞, et si r est fini, la couronne de convergence de Tz ( f ) est C(r,+∞), soit {z ∈ C/|z| > r}. • Formulaire succinct : Soit f un signal numérique, Tz ( f ) sa transformée en z supposée définie pour r < |z| < R. Tz ( f )(z) , pour r < |z| < R. z n 0

z , pour ar < |z| < a R. – Tz (a n f (n))(z) = Tz ( f ) a – Tz (n f (n))(z) = −z Tz ( f ) (z), pour r < |z| < R.   1 1 1 , pour < |z| < . – Tz ( f (−n))(z) = Tz ( f ) z R r – Si f est causal, lim Tz ( f )(x) = f (0). Si de plus lim

– Tz ( f (n − n 0 ))(z) =

x→+∞

n→+∞

f (n) = , Tz ( f ) est

définie en tout z tel que |z| > 1 et lim (x − 1)Tz ( f )(x) = . x→1+

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

– Soit f ∗ g le signal numérique défini par ( f ∗ g)(n) =

165 n 

f (k)g(n − k), où f

k=0

et g sont deux signaux numériques causaux, de transformées en z supposées toutes deux définies pour |z| > r . Alors pour tout z tel que |z| > r on a Tz ( f ∗ g)(z) = Tz ( f )(z)Tz (g)(z) .

Exercice 9.1 Calculer la transformée de Fourier de la distribution tempérée régulière [cos22p w t]. Première méthode : 1 + cos 4π ω t , 2 1 cos 4π ω t = (exp( 4iπ ω t ) + exp( − 4iπ ω t )), 2 cos 2 2π ω t =

On a :

F([cos 4π ω t ])(ν ) = donc :

1 (δ(ν − 2ω ) + δ(ν + 2ω )), F([1])(ν ) = δ(ν ), 2

F([cos 2 2π ω t ])(ν ) =

1 (2δ(ν ) + δ(ν − 2ω ) + δ(ν + 2ω )). 4

Seconde méthode : On a :

F([cos 2π ω t ])(ν ) =

1 (δ(ν − ω ) + δ(ν + ω )). 2

Comme : cos22π ω t = cos2π ω t ⋅ cos2π ω t, on a (R9.4) :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

F([cos 2 2π ω t ])(ν ) = F([cos 2π ω t ])(ν ) ∗ F([cos 2π ω t ])(ν ) 1 (δ(ν − ω ) + δ(ν + ω )) ∗ (δ(ν − ω ) + δ(ν + ω )) 4 1 = (δ(ν − ω ) ∗ δ(ν − ω ) + 2δ(ν + ω ) ∗ δ(ν − ω ) + δ(ν + ω ) ∗ δ(ν + ω )) . 4 =

En utilisant l’égalité δ(n – a) * δ(n – b) = δ(n – (a + b)), valable pour tous a ∈  et b ∈ , on retrouve bien : F([cos 2 2π ω t ])(ν ) =

1 (2δ(ν ) + δ(ν − 2ω ) + δ(ν + 2ω )). 4

Exercice 9.2 Soit f la fonction nulle pour |t|  1 et telle que f (t) = 1 – t2 pour |t| < 1.

166

Mathématiques du signal

1) Calculer [ f ]′, [ f ]′′, [ f ]′′′. 2) En déduire la transformée de Fourier fˆ de la fonction f . 1) Comme f est continue, on a [ f ]′ = [ f ′], avec f ′(t) = 0 pour |t| > 1 et f ′(t) = – 2t pour |t| < 1.

+2

+1 –1 0

t

–2

On a alors : [ f(t)]′′ = [ f ′′(t)] + 2δ(t + 1) + 2δ(t – 1) , avec f ′′(t) = 0 pour |t| > 1 et f ′′(t) = – 2 pour |t| < 1.

–1

+1 0

t

–2

En dérivant à nouveau, on obtient : [ f(t)]′′′ = [ f ′′′(t)] – 2δ(t + 1) + 2 δ(t – 1) + 2δ′(t + 1) + 2δ′(t – 1) = – 2δ(t + 1) + 2δ(t – 1) + 2δ′(t + 1) + 2δ′(t – 1), puisque f ′′′(t) = 0 sur \{– 1,+ 1} . 2) On a F([ f ]′′′)(n) = (2ipn)3F([ f ])(n) = – 2[exp(2ip n)] + 2 [exp(– 2ip n)] + 2[2ip n exp(2ip n)] + 2[2ip n exp(– 2ip n)], ce qui, réduit et simplifié, donne : −8iπ3 ν3 F([ f ])(ν) = −4i sin(2πν) + 8iπν cos(2πν) . Mais, comme f est sommable, F([ f ]) = F( f ) : c'est une distribution régulière, égale à la transformée de Fourier de f au sens des fonctions, définie et continue sur R. sin(2πν) − 2πν cos(2πν) f (ν) = / 0,  et on peut la prolonger par continuïOn a donc, si ν = 2π3 ν3 té en 0.

Exercice 9.3 Soit f (t) la fonction périodique de période 2a, définie pour |t|  a par f (t) = |t|. 1) Calculer [ f ]′′. 2) Calculer les transformées de Fourier de [ f ]′′ puis de [ f ]. 3) En déduire le développement en série de Fourier de f .

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

1) Comme f est continue (cf. graphe), on a [ f ]′ = [ f ′], où f ′ est périodique de période 2a, et f ′(t) = sgn(t) pour 0 < |t| < a. La dérivée seconde de f au sens des fonctions est donc nulle presque partout, et, comme le saut de f ′ vaut + 2 en 0, 2a, – 2a, …, 2ka (k ∈ ) et – 2 en a, – a, 3a, – 3a, …, (2k + 1) a (k ∈ ), on a : [ f (t )]″ =

167

y = f(t) a

– 3a – 2a

–a

0

a

2a

3a

a

2a

3a

t

y = f ′(t) 1

∑ (2δ(t − 2ka) − 2δ(t − (2k + 1)a)), k ∈

– 3a – 2a

–a

0

t

–1 et, comme δ(t – (2k + 1)a) = δ(t – a) * δ(t – 2ka) et δ(t – 2ka) = δ(t) * δ(t – 2ka) :

[ f (t )]″ = 2(δ(t ) − δ(t − a)) ∗

∑ δ(t − 2ka)

.

k ∈

2) On a respectivement F(δ(t))(n) = [1], F(δ(t – a))(n) = [exp(– 2iπ an)] et   1 k F  δ(t − 2 ka) (ν ) = δ ν −  . Donc :  2 a 2 a  k ∈  k ∈

∑

∑

1 − exp( −2iπ aν ) 1 − exp( −2iπ aν )  k k δ ν −  = δ ν−  F([ f ]″ )(ν ) =    2a 2a  a a k ∈ k ∈

∑

∑

k 1 − exp  −2iπ a   1 − exp( −ikπ )  k k 2a   = δ ν− = δ ν − ,    2 2 a a a a k ∈ k ∈

∑

∑

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

puisque l’on sait que le produit d’un Dirac par une fonction C∞ est égal à son produit par la valeur de la fonction au point où il est situé (R7.2). Comme d’autre part exp(– ikp) = (–1)k, on a 1 – exp(– ikp) = 0 si k est pair, et 1 – exp(– ikp) = 2 si k est impair. On a donc : F([ f ]″ )(ν ) =

2 2 q + 1 . δ ν − 2a  a q ∈ 

∑

Comme F([ f ]′′)(ν) = (2iπ ν)2F([ f ])(ν) = – 4π 2 ν 2F([ f ])(ν), il vient : F([ f ])(ν) = –

1 2 aπ 2ν 2

∑ δν − q ∈

2 q + 1 + Aδ ′(ν ) + Bδ(ν ), 2a 

1 S(ν ) + R(ν ), où R(n) 4π 2ν 2 est solution de l’équation – 4p 2 n 2R(n) = 0, équivalente à n 2R(n) = 0, dont on sait que la solution générale est R(n) = Aδ′(n) + Bδ(n), où A et B sont des constantes arbitraires. Comme [ f ] est paire, il en est de même de sa transformée de Fourier, ce qui implique, puisque δ′(n) est impaire, que A = 0 (on pourrait aussi utiliser (R9.2) : la transformée de

car l’égalité – 4p 2 n 2T(n) = S(n) implique que T (ν ) = −

168

Mathématiques du signal

Fourier d’une distribution périodique est un peigne de Dirac modulé, et ne saurait donc contenir de terme en δ′(n)). D’autre part, le coefficient B de δ(ν) dans la transformée de 1 F(T0 )(0), où T0 est la restriction de [ f(t)] à [0, 2a]. Fourier de [ f(t)] est égal (R9.2) à 2a On a : 1 1 F(T0 )(0) = 2a 2a

∫

2a

0

f (t ) exp( −2iπ 0t ) dt =

1 2a

∫

2a

0

f (t ) dt =

1 2 a a = = B. 2a 2

Donc : F([ f ])(ν ) = =

1 a δ(ν ) − 2 2 aπ 2ν 2

∑ δν − q ∈

2 q + 1 2a 

1 2 q + 1 a  δ(ν ) − 2 2 δ ν − 2 2a  2 a π ν q ∈

∑

1 2 q + 1  2 δ ν − 2a  2 1 q +  2 aπ 2   2a  2a 2 q + 1 a  , = δ(ν ) − 2 2 δ ν − 2a  2 π (2 q + 1) q ∈ =

∑

a δ(ν ) − 2 q ∈

∑

soit :

F([ f ])(ν ) =

2a 1 2 q + 1 a  δ(ν ) − 2 . 2 δ ν − 2 2a  π q ∈ (2 q + 1)

∑

3) En prenant la transformée de Fourier inverse des deux membres, on obtient la série de Fourier complexe de f (t) : f (t ) =

1 a 2a (2 q + 1)iπ t − 2 , 2 exp 2 π q ∈ (2 q + 1) a

∑

d’où l’on déduit aisément la série de Fourier réelle : f (t ) =

1 a 4a (2 q + 1)π t − cos . 2 π 2 q0 (2 q + 1)2 a

∑

Exercice 9.4 On considère la fonction fa (t ) =

a π

∑ exp(−a(t − n)2 ), où a est un nombre réel

n∈

positif. 1) Vérifier que fa(t) est périodique de période 1.

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

169

2) Déterminer la transformée de Fourier fˆa (ν ) de la distribution régulière [ fa(t)] associée à fa(t). 3) Calculer lim fˆa (ν ) et en déduire lim [ fa (t )]. a→+∞

a→+∞

1) On a : a π

fa (t + 1) =

∑ exp(−a(t + 1 − n) ) =

∑ exp(−a(t − (n − 1)) ).

a π

2

n ∈

2

n ∈

En faisant le changement d’indice p = n – 1 dans cette dernière somme, on obtient : fa (t + 1) =

a π

∑ exp(−a(t − (n − 1)) ) =

a π

2

n ∈

∑ exp(−a(t − p) ) = f (t ), 2

a

p∈

donc fa(t) est périodique de période 1. y

–2

–1

0

1

t

2

2) On peut écrire : [ fa (t )] =

a π

∑[exp(−a(t − n) )] = 2

n ∈

a π

∑ ([exp(−at

2

)] ∗ δ(t − n))

n ∈

 a   a  = exp( − at 2 ) * δ (t − n ) =  exp( − at 2 ) * δ(t) (t ) . π π   n∈   n∈

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

∑

∑

 a  Par conséquent (R9.3) F([ fa (t )]) = F  exp( − at 2 ) ⋅ F(  π 

(t) ) soit :

 π 2n2   π 2ν 2   π 2ν 2  fˆa (ν ) = exp  − δ(ν ) = exp  − δ(ν − n) = exp  − δ(ν − n).   a  a  n∈ a  n∈    n∈

∑

∑

∑

 π 2n2  3) Lorsque a → +∞, exp  − tend vers 1 pour tout n ∈  et donc : a   lim fˆa (ν ) =

a →+∞

∑ δ(ν − n) =

(v) .

n ∈

En prenant les transformées de Fourier inverses, on obtient : lim [ fa (t )] =

a →+∞

(t) .

170

Mathématiques du signal

Exercice 9.5 Soit T(t) une distribution vérifiant l’équation (t2 – 3t + 2)T(t) = 0. 1) Montrer que si ϕ(t) est une fonction test nulle sur [a,b], où a < 1 < 2 < b, la foncϕ (t ) ϕ (t ) tion y (t) définie par ψ (t ) = 2 pour t ∉ {1,2}, et y (1) = = t − 3t + 2 (t − 1)(t − 2) y (2) = 0, est aussi une fonction test nulle sur [a,b]. 2) Montrer que T est nulle en dehors du segment [a, b]. En déduire que la transformée de Fourier Tˆ (ν ) de T(t) est une fonction C∞. 3) Déterminer une équation différentielle du second ordre vérifiée par Tˆ (ν ) et en déduire Tˆ (ν ) puis T(t). 1) La fonction y (t) est nulle, donc C∞, sur ]a, b[ et également C∞ sur ]– ∞,1[ ∪ ]2,+∞[ comme rapport de fonctions C∞ dont le dénominateur ne s’annule pas, donc cette fonction est C∞ sur ]a, b[ ∪ ]–∞, 1[ ∪ ]2, +∞[ = . D’autre part, lorsque j (t) = 0, il en est de même pour y (t), et donc y (t) est, comme j (t), nulle en dehors d’un segment et nulle sur [a, b]. Il s’ensuit que y (t) est une fonction test, nulle sur [a,b]. 2) On a l’égalité j (t) = (t2 – 3t + 2)y (t). Par conséquent : < T(t), j (t) > = < T(t), (t2 – 3t + 2)y (t) > = < (t2 – 3t + 2)T(t), y (t) > = < 0, y (t) > = 0. On en déduit que T est nulle en dehors du segment [a,b]. La transformée de Fourier Tˆ (ν ) de T(t) est donc une fonction C∞.

3) Les transformées de Fourier de [1], [t] et [t2] étant respectivement δ(n), δ ′′(ν ) , on a : ( −2iπ )2

δ ′(ν ) et −2iπ

1 3 δ ′(ν ) + 2δ(ν ) 2 δ ′′(ν ) − −2iπ ( −2iπ ) 1 3 δ ′(ν ) + 2δ(ν ) = − 2 δ ′′(ν ) + 2iπ 4π

F([t 2 − 3t + 2])(ν ) =

et F((t2 – 3t + 2)T(t)) = F([t2 – 3t + 2]) * F(T(t)) = 0, ce qui donne l’équation différentielle linéaire homogène à coefficients constants : 3 1 3 ˆ  1  − δ ′′(ν ) + δ ′(ν ) + 2δ(ν ) ∗ Tˆ (ν ) = − 2 Tˆ ′′(ν ) + T ′(ν ) + 2Tˆ (ν ) = 0 .  4π 2  2iπ 2iπ 4π Le polynôme caractéristique de cette équation est : 1 P(r ) = − 2 (r 2 − 6iπ r − 8π 2 ), dont les racines sont 2ip et 4ip. La solution générale de 4π l’équation différentielle est donc :

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

171

Tˆ (ν ) = A exp(2iπ ν ) + B exp( 4iπ ν ) et l’on a donc :

T (t ) = Aδ(t − 1) + Bδ(t − 2) .

Exercice 9.6 1) Déterminer la transformée de Fourier de la distribution régulière [sinp t].  sin π t  2) En utilisant l’égalité π t   = [sin π t ], en déduire la transformée de Fourier  πt   sin π t  de   . En déduire la valeur de l’intégrale  πt  1) On a l’égalité sin π t = [sin π t ] =

+∞ sin u

∫−∞

u

du .

1 (exp(iπ t ) − exp( −iπ t )), et par conséquent 2i

1 ([exp(iπ t )] − [exp( −iπ t )]). 2i

La transformée de Fourier de [exp2ip at] étant δ(n – a), celle de [sinp t] est donc 1  1 1   δ ν −  − δ ν +   . 2i   2 2 

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2) On sait que la transformée de Fourier de [– 2iπ t] est δ′(ν). Soit Fˆ (ν ) la transformée de  sin π t   sin π t  . La transformée de Fourier de π t  Fourier de F(t ) =    est alors  πt   πt  1 1 − δ ′(ν ) ∗ Fˆ (ν ) = − Fˆ ′(ν ) puisque la transformation de Fourier transforme le produit 2i 2i ordinaire en produit de convolution et que la convolution avec δ′ est la dérivation. L’égalité  sin π t  πt  = [sin π t ] donne donc par transformation de Fourier :  πt  −

1 ˆ 1 1 1  F ′(ν ) =  δ ν −  − δ ν +   ,    2i 2i  2 2

1 1 Fˆ ′(ν ) = δ ν +  − δ ν −  = [ P1 ]′ (ν ) ,   2 2 où P1(ν) est la fonction « porte », égale à 1 pour ν 

1 1 et nulle pour ν > . 2 2

On a donc Fˆ (ν ) = [ P1 (ν ) + K ], où K est une constante. Comme P1(n) est nulle en dehors d’un segment, la transformée de Fourier inverse de [P1(n)] est une distribution régulière T(t).

172

Mathématiques du signal

La transformée de Fourier inverse de [P1(ν) + K] est T(t) + Kδ(t). Comme elle est égale à F(t), donc régulière, on a nécessairement K = 0 et par conséquent Fˆ (ν ) = [ P1 (ν )]. On en déduit que P1 (0) = 1 = Fˆ (0) =

∫

+∞ sin π

−∞

t

πt

∫

dt , soit, en posant p t = u :

+∞ sin u

−∞

u

du = π .

Exercice 9.7 Soit L(t) la fonction nulle pour t 

1 1 1 et égale à − t pour t < . On pourra 2 2 2

1 vérifier que Λ(t ) = ∆1 / 2 (t ) (cf. index). 2 1) Calculer la dérivée seconde de la distribution régulière [L(t)]. En déduire la transformée de Fourier Λˆ (ν ) de L(t) . 2) Déterminer la transformée de Fourier de la distribution régulière [L(t)sin4kπ t], avec k ∈ *. 3) Déterminer le développement en série de Fourier réelle de la fonction f (t) périodique de période 1 qui coïncide avec L(t)sin4kp t sur − 1 , + 1  .  2 2  1) Comme L(t) est continue, on a [L(t)]′ = [L′(t)]. D’autre part, la dérivée seconde L′′(t) de L(t) au sens des fonctions est nulle. y 1

y +

–

1 2

1 2

+

1 2

t –

1 2

+

–1 y = Λ (t)

y = Λ ′(t)

1 2

t

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

173

1 1 On a donc : [ Λ(t )]′′ = δ t +  − 2δ(t ) + δ t −  , et par conséquent :  2  2 (2iπ ν )2 Λˆ (ν ) = exp(iπ ν ) − 2 + exp( −iπ ν ) = − 2 + 2 cos π ν = − 2(1 − cos π ν ) = − 4 sin 2

Λˆ (ν ) =

ou encore :

πν , 2 πν 2 . π 2ν 2

sin 2

2) On a [L(t)sin4kπ t] = sin4kπ t ⋅ [L(t)], dont la transformée de Fourier est le produit de convolution des transformées de Fourier de [sin4kp t] et de [L(t)]. Comme la transformée de 1 (δ(ν − 2 k ) − δ(ν + 2 k )) et celle de [L(t)] est [ Λˆ (ν )], il vient : Fourier de [sin4kp t] est 2i  sin 2 π ν    1 F([ Λ(t )sin 4 kπ t ])(ν ) = (δ(ν − 2 k ) − δ(ν + 2 k )) ∗  2 22  2i π ν       sin 2 π ν  1 =  δ(ν − 2 k ) ∗  2 22 2i   π ν  

 sin 2 π ν    2  − δ(ν + 2 k ) ∗  2 2 π ν    

    

π (ν + 2 k )     2 π (ν − 2 k ) sin 2  1  sin  2 2 = 2 2 − 2 2   π (ν + 2 k )    2i  π (ν − 2 k )   

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 sin 2 π ν   4ikν sin 2 π ν       1 1 2 2 , = 2  2 − 2   = − 2 2 (ν + 2 k )    π (ν − 4 k 2 )2   2iπ  (ν − 2 k )     en utilisant les relations δ(t – a) * T(t) = T(t – a) et sin(q + kp) = (–1)ksinq pour k entier. 3) Notons j (t) la fonction L(t)sin4kp t. D’après (R9.2), la distribution régulière [ f ] associée à la fonction f n’est autre que [ j ]* . Par suite :

F([ f ])(ν ) = F([ϕ ])(ν ) ⋅ F(

πν 2 =− 2 2 π (ν − 4 k 2 )2 4ikν sin 2

πν 2 ⋅ )(v) = − 2 2 π (ν − 4 k 2 )2 4ikν sin 2

(v)

πν 2 δ(ν − n) = − 2 2 2 2 δ(ν − n) π ( ν 4 k ) − n ∈ n ∈

∑

∑

4ikν sin 2

174

Mathématiques du signal

nπ 2 δ(ν − n) . = − 2 2 2 2 ( n 4 k ) π − n ∈

∑

4ikn sin 2

/ ± k, le coefficient est nul car le dénominateur est non nul et le sinus Pour n = 2p pair avec p = 0 du numérateur est nul. Pour n = ± 2k, on a une forme indéterminée , mais l’indétermina0 tion est facile à lever. Par exemple, pour n = 2k, posons ν = 2k + h. On peut constater que π (2 k + h) πh = sin 2 sin 2 et donc que : 2 2

πν πν πh πh sin 2 sin 2 sin 2 π2 2 2 2 2 ⋅ . = = = (ν 2 − 4 k 2 )2 (ν − 2 k )2 (ν + 2 k ) 2 h 2 ( 4 k + h) 2  π h  2 4( 4 k + h) 2  2  sin 2

Cette quantité tend vers −

π2 lorsque h → 0 et le coefficient de δ(n – 2k) est donc égal à 64k 2

i 4ik (2 k ) π 2 ⋅ 2 2 =− . 8 π 64 k

i On montrerait de même que le coefficient de δ(n + 2k) est égal à + . 8 Pour n = 2p + 1 impair, on a sin de δ(ν – (2p + 1)) est −

π nπ (2 p + 1)π = sin = sin + pπ  = ( −1) p , et le coefficient   2 2 2

4ik (2 p + 1) . On a donc : π ((2 p + 1)2 − 4 k 2 )2 2

4ik 2p +1 i F([ f ])(ν ) = (δ(ν + 2 k ) − δ(ν − 2 k )) − 2 δ(ν − (2 p + 1)) 8 π p∈ ((2 p + 1)2 − 4k 2 )2

∑

1 δ(ν − 2 k ) − δ(ν + 2 k ) 8k = ⋅ + 2 4 2i π

2p +1 δ(ν − (2 p + 1)) − δ(ν + (2 p + 1)) . ⋅ 2 2i − 4k 2 )2

∑ ((2 p + 1) p∈

En prenant la transformée de Fourier inverse des deux membres, on obtient : [ f (t )] =

1 8k [sin 4kπ t ] + π 2 4

2p +1 [sin(2(2 p + 1)π t )] . 2 − 4k 2 )2

∑ ((2 p + 1) p∈

La série de Fourier réelle de f(t) est donc : sin 4 kπ t 8k + 2 4 π

2p +1 sin(2(2 p + 1)π t ) . 2 − 4k 2 )2

∑ ((2 p + 1) p∈

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

175

Exercice 9.8 (Shannon) Soit T = [cos] la distribution régulière associée à la fonction t → cos t. 1) Déterminer la transformée de Fourier Tˆ de T .  π

δ t−p le signal échantillonné de cos t à la fré2) Soit Tθ (t) = cos t 2 p∈Z quence θ =

2 . π

Montrer que Tθ =

 (−1)k δkπ . k∈Z

3) Montrer que Tθ = (δ0 − δπ ) ∗



δ2qπ .

q∈Z

1 δ 2k+1 . En déduire que la transformée de Fourier de Tθ est Tˆθ = π k∈Z 2π

1 1 et 0 ailleurs. 4) Soit P la fonction « porte » qui vaut 1 sur − , π π 2ˆ Vérifier que P · Tˆθ = T. π En déduire que 

 +∞ n sin 2t   sin 2t sin 2t (−1) = (−1)n + T (t) = . 2(t − nπ) 2t t 2 − n 2 π2 n=1 n∈Z 1 1 (exp(it) + exp(−it)), donc T (t) = ([exp(it)] + [exp(−it)]). 2 2     1 t , donc la transformée de Fourier de [exp(±it)] est On a exp(±it) = exp 2iπ ± 2π   1 δ ν∓ . 2π   1 δ 1 + δ− 1 . Il s'ensuit que Tˆ = 2 2π 2π  π  π  pπ π

δ t−p cos tδ t − p cos δ t − p = = . 2) On a Tθ (t) = cos t 2 2 2 2 p∈Z p∈Z p∈Z  2kπ pπ = (−1)k , on a Tθ (t) = = 0 si p est impair et cos (−1)k δ(t − kπ), Comme cos 2 2 k∈Z  (−1)k δkπ . soit Tθ =

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1) On a cos t =

k∈Z

176

3) On a

Mathématiques du signal

     (−1)k δk π = δ2qπ − δ(2q+1)π = δ2qπ ∗ δ0 − δ2qπ ∗ δπ , d'où le k∈Z

q∈Z

q∈Z

q∈Z

q∈Z

résultat demandé.    1 t δ (t) =  , dont la transformée de Fourier est On a 2qπ 2π 2π q∈Z 1  (2πν) = δ q (ν) . 2π q∈Z 2π D'autre part, la transformée de Fourier de δ0 − δπ est [1 − exp(−2iπ2 ν)]. On en déduit que : 1  δ q (ν) Tˆθ (ν) = (1 − exp(−2iπ2 ν)) 2π q∈Z 2π q

1  δ q (ν) 1 − exp −2iπ2 = 2π 2π q∈Z 2π 1  = (1 − exp(−iπq)) δ q (ν). 2π 2π q∈Z Comme 1 − exp(−iπq) = 0 lorsque q est pair et 1 − exp(−(2k + 1)iπ) = 2 , on a bien 1 δ 2k+1 . Tˆθ = π k∈Z 2π     2k + 1 1 2k + 1 ˆ δ ν− P . 4) On a P(ν)Tθ (ν) = π k∈Z 2π 2π       1 2k + 1 1 =P − = 1 et P = 0 pour k ∈ Z − {−1,0} . Par conséOn a P 2π 2π 2π quent :      1 1 2 1 ˆ P(ν)Tθ (ν) = δ ν− +δ ν+ = Tˆ (ν). π 2π 2π π π De l'égalité Tˆ = P · Tˆθ on déduit, en prenant les transformées de Fourier inverses des 2 deux membres :

 π sin 2t ¯ ∗ (−1)n δ(t − nπ) T (t) = F(P)(t) ∗ Tθ (t) = 2 πt n∈Z



 sin 2(t − nπ) (−1)n sin 2t = (−1)n = 2(t − nπ) 2(t − nπ) n∈Z n∈Z

   +∞ 1 (−1)n sin 2t sin 2t 1 + = + 2t 2 t − nπ t + nπ n=1  



+∞ +∞ sin 2t (−1)n tsin 2t sin 2t  (−1)n tsin 2t + = = , + 2t t 2 − n 2 π2 2t t 2 − n 2 π2 n=1 n=1 puisque cette derniére série de fonctions (prolongées par continuité sur πZ) converge uniformément sur R.

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

177

Exercice 9.9 (périodisation) Soit x un nombre réel donné tel que 0 < |x| < π. 1) Déterminer la transformée de Fourier de la fonction gx définie par : / [−1,1]. gx (t) = exp(i xt) pour t ∈ [−1,1], gx (t) = 0 pour t ∈ En déduire la transformée de Fourier de la fonction h x définie par : / [−1,1]. h x (t) = cos xt pour t ∈ [−1,1], h x (t) = 0 pour t ∈ 2) Soit f x la fonction périodique de période 2 qui coïncide avec h x sur [−1,1]. Montrer que la transformée de Fourier de la distribution régulière [ f x ] est  (−1)n x sin x n

δ ν − fˆx (ν) = . 2 − n 2 π2 x 2 n∈Z En déduire que la série de Fourier réelle S F( f x ) de f x est donnée par : +∞ 2(−1)n x sin x sin x  cos nπt. + S F( f x )(t) = x x 2 − n 2 π2 n=1 Préciser pourquoi l'on a f x (t) = S F( f x )(t) pour tout t ∈ R . +∞ 2(−1)n x sin x sin x  + pour tout x ∈ R tel que 3) Calculer la somme x x 2 − n 2 π2 n=1 0 < |x| < π. +∞ (−1)n x sin 2x sin 2x  + cos x = pour tout x ∈ R tel En déduire que l'on a 2 − n 2 π2 2x x n=1 que 0 < |x| < π.

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4) Montrer que cette dernière égalité reste valide pour tout x ∈ R, à condition de prolonger par continuité les termes du second membre. 1) On peut calculer gˆ x à l'aide de l'intégrale habituelle, mais on peut aussi procéder comme suit : On a

[gx (t)] = [gx (t)] + gx (−1+)δ(t + 1) − gx (1−)δ(t − 1) = i x[gx (t)] + exp(−i x)δ(t + 1) − exp(i x)δ(t − 1) .

En prenant les transformées de Fourier des deux membres, il vient : 2iπν[gˆ x (ν)] = i x[gˆ x (ν)] + exp(−i x)[exp(2iπν)] − exp(i x)[exp(−2iπν)], soit i(2πν − x)[gˆ x (ν)] = [exp(i(2πν − x)) − exp(−i(2πν − x))] = [2i sin (2πν − x)] . On

2sin (2πν − x) 2sin (2πν − x) et gˆ x (ν) = , car, gx étant à supen déduit que [gˆ x (ν)] = 2πν − x 2πν − x port borné, la transformée de Fourier de [gx ] est une distribution régulière, associée à la fonction C ∞ gˆ x , et il ne peut y avoir, dans l'expression de sa transformée de Fourier,

178

Mathématiques du signal

de distributions singulières, comme le sont les solutions non nulles de l'équation (2πν − x)X (ν) = 0. 1 On a h x (t) = (gx (t) + gx (−t)), donc 2 1 sin (x − 2πν) sin (x + 2πν) + hˆ x (ν) = (gˆ x (ν) + gˆ x (−ν)) = . 2 x − 2πν x + 2πν     1 t δ2n = [h x (t)] ∗  h x (t − 2n), d'où [ f x ] = [h x ] ∗ . 2) On a f x (t) = 2 2 n∈Z n∈Z On en déduit que [ fˆx (ν)] = hˆ x (ν)(2ν) = hˆ x (ν) On a

1 n 1  ˆ n n

δ ν− = δ ν− hx . 2 n∈Z 2 2 n∈Z 2 2

n sin (x − nπ) sin (x + nπ) hˆ x = + 2 x − nπ x + nπ   (−1)n 2xsin x 1 1 = = (−1)n sin x + , x − nπ x + nπ x 2 − n 2 π2

d'où le résultat demandé. En prenant les transformées de Fourier inverses, on en déduit la série de Fourier de f x :  (−1)n x sin x exp(iπnt) S F( f x )(t) = x 2 − n 2 π2 n∈Z =

+∞ sin x  (−1)n x sin x (exp(iπnt) + exp(−iπnt)), + x x 2 − n 2 π2 n=1

en regroupant les termes d'ordre n et −n, d'où le résultat demandé. La fonction f x , étant continue et C 1 par morceaux sur R, est égale en tout point de R à la somme de sa série de Fourier. On peut tout aussi bien invoquer la convergence uniforme sur R de cette série de Fourier. +∞ 2(−1)n x sin x sin x  cos nπt , on obtient : + 3) En prenant t = 0 dans l'égalité f x (t) = x x 2 − n 2 π2 n=1 +∞ sin x  2(−1)n x sin x = f x (0) = 1. + x x 2 − n 2 π2 n=1

En multipliant les deux membres de l'égalité précédente par cos x, et vu que +∞ (−1)n x sin 2x sin 2x  + 2sin x cos x = sin 2x, on obtient l'égalité cos x = , valide pour 2x x 2 − n 2 π2 n=1 tout x ∈ R tel que 0 < |x| < π. 4) Les termes du deuxième membre de l'égalité précédente sont tous prolongeables par continuité sur πZ, et le deuxième membre se prolonge ainsi en une fonction continue sur R tout entier, qui coïncide donc avec cos x sur [−π,π] .  (−1)n sin 2x , on obtient En écrivant le second membre sous la forme s(x) = 2(x − nπ) n∈Z

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

s(x + 2π) =

179

 (−1)n sin 2(x + 2π)  (−1)n−2 sin 2x  (−1) p sin 2x = = = s(x) . 2(x − (n − 2)π) 2(x − (n − 2)π) 2(x − pπ) n∈Z n∈Z p∈Z

La fonction s est donc 2π-périodique, et coïncide avec cos sur [−π,π] , donc elle coïncide avec cos sur R tout entier (comparer avec l'exercice 3.8, questions 4 et 5).

Exercice 9.10 Soit s(t) une fonction réelle de la variable réelle t, tempérée. On note sˆ(ν ) la transformée de Fourier de la distribution tempérée [s(t)], et l’on suppose que sˆ(ν ) n’est pas singulière à l’origine, de telle sorte que le produit Y (ν ) sˆ(ν ) a un sens. On appelle signal analytique associé à s(t) le signal sa(t) tel que sˆa (ν ) = 2Y (ν ) sˆ(ν ). 1) Déterminer sa(t) pour s(t) = cosω t et s(t) = sinω t. 2) Déterminer sa(t) pour s(t ) =

1 t et s(t ) = 2 . t +1 t +1 2

3) Montrer que la partie réelle de sa(t) est égale à s(t) et que la partie imaginaire de sa(t) est égale à la transformée de Hilbert inverse de s(t). Retrouver ainsi les résultats du 2) de l’exercice 0.7. 1) La transformée de Fourier de [cosωt] est

1  ω  ω  +δ ν +  δ ν −  et donc, pour s(t)  2 2π  2π  

ω = cosw t, on a : sˆa (ν ) = 2Y (ν )sˆ(ν ) = δ ν − et par conséquent sa(t) = expiw t.  2π  De même, la transformée de Fourier de [sinw t] est :

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1  ω  ω  −δ ν + δ ν −  et donc, pour s(t) = sinw t,  2i   2π  2π   1 ω ω on a sˆa (ν ) = 2Y (ν )sˆ(ν ) = δ ν − et par conséquent = −iδ ν −  i  2π  2π 

π sa (t ) = −i exp iω t = exp i ω t −  .  2 F([sin ω t])

F([cosω t]) 1 2 –

ω 2π

ω 2π

ν

–

ω 2π

1 2i

–

1 2i

ω 2π

ν

180

Mathématiques du signal

1

1 i

2Y(ν)F([cos ω t])

2Y(ν)F([sinω t])

ω 2π

ν

ω 2π

ν

1 , on a sˆ(ν ) = π exp( −2π ν ) (R5.15). t +1 On a donc sˆa (ν ) = 2π Y (ν ) exp( −2π ν ), et donc, par transformation de Fourier inverse : 2) Si s(t ) =

2

∫

sa (t ) = = 2π

−∞

∫

sˆa (ν ) exp( +2iπ νt ) dt =

∫

+∞

−∞

2π Y (ν ) exp( −2π ν + 2iπ νt ) dt +∞

 exp( −2π (1 − it )ν )  1 exp( −2π (1 − it )ν ) dt = 2π   = 1 − it , it − 2 π ( 1 − )  0

+∞

0

sa (t ) =

soit encore : Pour s(t ) =

+∞

1 1 + it 1 t . = 2 = 2 +i 2 1 − it t + 1 t + 1 t + 1

t 1 1 , on peut écrire s(t ) = − ( −2iπ t ) 2 , et donc : 2iπ t2 +1 t +1

1 1 [π exp(−2π ν )]′ = − 2i (exp(−2π ν ))′  = [−iπ sgn(ν ) exp(−2π ν )], 2iπ car exp(–2π |ν|) est continue, et donc la dérivée de la distribution régulière associée à cette fonction est la distribution régulière associée à sa dérivée. On en déduit : sˆa (ν ) = 2Y (ν )sˆ(ν ) = −2iπ Y (ν ) exp( −2π ν ), sˆ(ν ) = −

car Y(ν) sgn(ν) = Y(ν). Par transformation de Fourier inverse, et en utilisant le résultat du cas précédent, on obtient immédiatement : sa (t ) = − i

1 t 1 = 2 −i 2 . 1 − it t + 1 t + 1

3) Dans le cas général, l’égalité sˆa (ν ) = 2Y (ν )sˆ(ν ) donne par transformation de Fourier inverse, sachant que la transformée de Fourier inverse d’un produit est le produit de convolution des transformées de Fourier inverses de chacun des facteurs, et que d’autre part, (avec la relation F ( f )(ν ) = F( f )( −ν ) ) la transformée de Fourier inverse de [Y(n)] est 1 1 1 δ(t ) − Pf : 2 2iπ t 1 1 1 i 1 sa (t ) = 2  δ (t ) − Pf  ∗ s(t ) = δ(t ) ∗ s(t ) + Pf ∗ s(t ) 2  π 2iπ t t +∞ s(u ) i 1 VP du = s(t ) − i VP −∞ t − u π π d’où le résultat demandé.

= s( t ) +

∫

∫

+∞

−∞

s(u ) du = s(t ) − iH ( s(t )), u−t

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

181

• Pour s(t ) =

1 1 t 1 t , on a sa (t ) = 2 +i 2 , donc H  2  = − 2 .   t +1 t +1 t +1 t +1 t +1

• Pour s(t ) =

1 t t 1 t −i , donc H  2  = 2 , on a sa (t ) = 2 .  t + 1 t + 1 t2 +1 t +1 t2 +1

2

Exercice 9.11 Soit E(t) la fonction « partie entière de t », égale pour chaque valeur de t au plus grand nombre entier relatif inférieur ou égal à t. Soit T(t) la distribution régulière associée à la fonction Y(t)E(t). 1) Calculer la dérivée de T . 2) Déterminer la transformée de Laplace de T ′ et en déduire celle de T . 1) La fonction Y(t)E(t) est constante sur les intervalles ]– ∞,1[, [1,2[, …, [n,n+1[, … et discontinue seulement pour t ∈ *, valeurs de t en lesquelles le saut de Y(t)E(t) vaut 1. Par δ(t − n). conséquent T ′(t ) =

∑ n1

2) La transformée de Laplace G(p) de T ′(t) est donc : G( p ) =

exp( − p)

∑ exp(−np) = exp(− p)∑ exp(−kp) = 1 − exp(− p) . n1

k 0

D’autre part, si F désigne la transformée de Laplace de T , la transformée de Laplace de sa dérivée est G(p) = pF(p), et par conséquent : F ( p) =

1 1 exp( − p) . G( p ) = = p p(1 − exp( − p)) p(exp( p) − 1)

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On peut trouver ce résultat sans dérivation, en constatant que l’on a : Y(t)E(t) = Y(t –1) + Y(t –2) + … + Y(t – n)+ … donc que : [Y (t ) E(t )] = [Y (t − 1)] + [Y (t − 2)] + ... + [Y (t − n)] + ... = [Y (t )] ∗

∑ δ(t − n), n1

et donc, la transformée de Laplace de [Y(t)] étant F ( p) =

1 , que : p

∑

1 exp( − np). p n1

On voit ici la maniabilité de la transformation de Laplace étendue aux distributions.

182

Mathématiques du signal

Exercice 9.12 Soit f(t) la fonction nulle pour t < 0 ou t > p, et égale à sint pour 0  t  p. 1) Vérifier que f (t) = Y(t)sint + Y(t – p)sin(t – p). En déduire la transformée de Laplace de [ f ]. 2) Exprimer [Y(t)|sint|] sous forme d’un produit de convolution [ f ] * T, où T est une distribution causale que l’on déterminera. En déduire la transformée de Laplace de [Y(t)|sint|]. 1) Comme sin(t – p) = – sint , on a : Y(t)sint + Y(t – p)sin(t – p) = sint ⋅ (Y(t) – Y(t – p)). La fonction Y(t) – Y(t – π) est nulle pour t < 0 ou t > p, et égale à 1 pour 0  t  π. On a donc bien l’égalité cherchée. 1 , on a : La transformée de Laplace de [Y(t)sint] étant 2 p +1 L([Y (t − π )sin(t − π )])( p) = L([ f ])( p) =

exp( −π p) , p2 + 1

1 exp( −π p) 1 + exp( −π p) + = . p2 + 1 p2 + 1 p2 + 1

2) La fonction Y(t)|sint| coïncide avec f (t) sur [0,p], et, comme |sint| est périodique de période p, vaut f (t – p) sur [p, 2p], f (t – 2p) sur [2p, 3p], … f (t – np) sur [np, (n+1)p], etc. On a donc : Y(t)|sint| = f (t) + f (t – π) + f (t – 2p) + … + f (t – np) + … , [Y(t)|sint|] = [ f (t)] + [ f (t – p)] + [ f (t – 2p)] + … + [ f (t – np)] + … = [ f (t)] + [ f (t)] * δ(t – p) + [ f (t)] * δ(t – 2p) + … + [ f (t)] * δ(t – np) + … = [f (t)] *

∑ δ(t − nπ ).

n0

On a donc : [Y(t)|sint|] = [ f (t)] * T(t), avec T (t ) =

∑ δ(t − nπ ).

n0

La transformée de Laplace de T est : L(T )( p) =

∑ exp(−nπ p) = ∑ exp(−π p)

n 0

n

n 0

Par conséquent : L([Y (t )sin t ])( p) = L([ f (t )] ∗ T (t ))( p) = L([ f (t )])( p) ⋅ L(T )( p)

=

1 . 1 − exp( −π p)

πp coth 1 + exp( −π p) 1 1 1 + exp( −π p) = ⋅ = ⋅ = 2 2 . 1 − exp( −π p) p 2 + 1 1 − exp( −π p) p2 + 1 p +1

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

183

(Il est conseillé de chercher l’exercice 9.33 pour comparer les techniques. Voir aussi l’exercice 6.10.)

Exercice 9.13 Déterminer les fonctions dérivables sur  qui vérifient pour t  0 l’équation intégro-différentielle : t df t (t ) + f (t ) = 2 f (u)sin(t − u) du . 0 dt

∫

Soit T(t) la distribution régulière associée à la fonction sommable sur tout segment Y(t) f (t), et soit α = f (0) le saut de Y(t) f (t) en 0. On a : dT  df = Y (t ) (t ) + α δ(t ) , dt  dt  Y (t ) d f (t ) = dT − α δ(t ) .  dt  dt t   D’autre part, on a Y (t ) f (u)sin(t − u) du  = [Y (t ) f (t )] ∗ [Y (t )sin t ]. En multipliant les deux 0   membres de l’équation proposée par Y(t) et en prenant les distributions régulières associées, il vient donc :

∫

dT − α t δ(t ) + T = 2T ∗ [Y (t )sin t ] , dt

t

ou encore, comme t δ(t) = 0, t

dT + T = 2T ∗ [Y (t )sin t ]. dt

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Prenons les transformées de Laplace des deux membres, en appelant F celle de T. Il vient : −

d 1 ( pF( p)) + F( p) = 2 F( p) 2 , dp p +1

ce qui donne : −p

dF 2 ( p) = 2 F ( p) dp p +1

dF 2 dp dp 2 pdp =− = −2 + 2 F p p2 + 1 p( p + 1) qui s’intègre en : ln

F ( p) = −2 ln p + ln( p 2 + 1), K

184

Mathématiques du signal

F ( p) = K

 1  p2 + 1 = K 1 + 2  , p2 p  

dont l’originale est T(t) = K(δ(t) + [tY(t)]). Pour que T(t) soit une distribution régulière, il faut que K = 0 (car δ(t) est une distribution singulière), et donc que Y(t) f (t) soit nulle presque partout. Il s’ensuit, par continuité de f, que f doit être nulle sur [0,+∞[. Les solutions au problème proposé sont donc les fonctions dérivables sur  nulles pour t  0.

Exercice 9.14 Déterminer les couples (X,Z) de distributions causales qui sont solutions du système d’équations de convolution : X * X – Z * Z = [Y(t)t cost], 2 X * Z = [Y(t)t sint]. Soient F et G les transformées de Laplace respectives de X et Z. Sachant que les transformées de Laplace de Y(t) cost et Y(t) sint sont respectivement et

p p +1 2

1 , on en déduit celles de Y(t)t cost = tY(t) cost p +1 2

et de Y(t)t sint = tY(t) sint, qui sont respectivement : −

d  p  p2 − 1 ,  2 = 2 dp  p + 1 ( p + 1)2

−

2p d  1  .  = dp  p 2 + 1 ( p 2 + 1)2

 p2 − 1 2 2 F p G p − = ( ) ( )  ( p 2 + 1)2 . On obtient donc le système :  2p 2 F( p)G( p) = 2  ( p + 1)2 Posons U(p) = F(p) + iG(p). On a U(p)2 = F(p)2 – G(p)2 + 2iF(p)G(p), 2

donc :

U ( p) 2 =

 p+i  p 2 − 1 + 2 pi ( p + i)2 =  . 2 2 2 2 = 2 ( p + 1) ( p + 1)  p + 1

 p+i   p 1  On en déduit que : U ( p) = F( p) + iG( p) = ± 2  = ± 2 +i 2 , p + 1  p + 1  p +1 d’où, en reprenant les originales et en identifiant parties réelles et parties imaginaires, les deux solutions possibles suivantes :

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

X(t) = [Y(t) cost], X(t) = – [Y(t) cost],

et :

185

Z(t) = [Y(t) sint] Z(t) = – [Y(t) sint].

Exercice 9.15 L’amplitude x(t) d’un oscillateur linéaire amorti vérifie l’équation différentielle : x ′′(t ) + 2 λ x ′(t ) + ω 02 x (t ) = 0 ,

(H)

où λ et ω0 sont des coefficients réels strictement positifs. On pose :

ω=

ω 02 − λ2 .

1) On suppose que x(t) vérifie les conditions initiales x(0) = 0 et x′(0) = ν0 , et soit y(t) = [Y(t)x(t)] la distribution régulière associée à la fonction Y(t)x(t). Écrire l’équation différentielle (H ′) vérifiée par y(t) et déterminer sa solution au moyen de la transformation de Laplace (on distinguera les cas l < ω0, l = ω0 et l > w0). 2) On se place désormais dans le cas où l < w0 et l’on entretient le mouvement de l’oscillateur en lui appliquant tous les deux passages à la position d’équilibre 2π une impulsion d’intensité fixe a = n0(1 – e–lT), avec T = . On démontre que ω l’équation différentielle régissant l’amplitude est alors : [ x (t )]′′ + 2λ[ x (t )]′ + ω 02 [ x (t )] = a

∑ δ t −

n∈

2π n  , ω 

(E)

où [x(t)] est la distribution régulière associée à x(t), que nous supposerons tempérée.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

a) Déterminer la transformée de Fourier xˆ (ν ) de [x(t)]. b) En déduire le développement de x(t) en série de Fourier réelle. 3) Soient f et g les fonctions périodiques de période T = t ∈ [0,T [ on ait f (t ) =

2π telles que pour ω

ν0 −λ t e sin ω t et g(t) = n0e–lt cosw t. ω

a) Calculer les dérivées [ f ]′ et [g]′ des distributions régulières [ f ] et [g]. En déduire que [ f ] est solution de l’équation (E). b) En déduire une expression de l’amplitude x trouvée à la question 2.b en fonction de f.

186

Mathématiques du signal

1) Multiplions les deux membres de (H) par Y(t) et prenons les distributions régulières associées. Il vient [Y(t)x′′(t)] + 2l[Y(t)x′(t)] + w02 [Y(t)x(t)] = 0. On a y′(t) = [Y(t)x(t)]′ = [Y(t)x′(t)], puisque Y(t)x(t) est continue. Puisque le saut de Y(t)x′(t) en 0 est n0 et que Y(t)x ′(t) est continue ailleurs, on a également y′′(t) = [Y(t)x′(t)]′ = [Y(t)x′′(t)] + n0δ(t), soit [Y(t)x′′(t)] = y′′(t) – n0δ(t), d’où l’équation différentielle vérifiée par y(t) : y′′(t) + 2λy′(t) + ω02 y(t) = ν0δ(t).

(H ′)

Soit X(p) la transformée de Laplace de y(t). Celles de y′(t) et y′′(t) sont alors respectivement pX(p) et p2X(p). L’équation (H ′) donne alors : (p2 + 2lp + w02 ) X(p) = ν0 , X ( p) =

soit :

(H ′′)

ν0 ν0 . 2 = 2 p + 2 λp + ω 0 ( p + λ ) + (ω 02 − λ2 ) 2

Si l < w0 , ω 02 − λ2 > 0 , donc X ( p) =

ν0 ( p + λ )2 + ω 2

Si l = w0 , ω 02 − λ2 = 0 , donc X ( p) =

ν0 ( p + λ )2

Si l > w0 , ω 02 − λ2 < 0 , donc X ( p) =

v0 ( p + λ )2 − ω 2

x (t ) =

et

ν 0 −λ t e sin ω t . ω

x(t) = ν0te–λt.

et

et

x (t ) =

ν 0 −λ t e shω t . ω

(Les formules ci-dessus donnant les valeurs de x(t) pour t  0.) y

0

y

T

2T

t

t

0

λ  ω0

λ < ω0

2) a) L’équation (E) donne : ( − 4π 2ν 2 + 4iπ λν + ω 02 ) xˆ (ν ) =

aω 2π

nω

∑ δν − 2π  , n ∈

soit, comme − 4π 2ν 2 + 4iπ λν + ω 02 ne s’annule pas sur  :

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

xˆ (ν ) = = =

aω 2π

∑ − 4π ν

aω 2π

∑ −n ω

aω 2π

∑ (ω

2 2

n ∈

2

2

n ∈

187

nω  1  2 δ ν − 2π  + 4iπ λν + ω 0

nω  1  2 δ ν − 2π  + 2iλnω + ω 0

(ω 02 − n 2ω 2 ) − 2iλnω nω   . 2 2 2 2 2 2 2 δ ν − 2π  n ) n − + 4 ω λ ω 0

n ∈

b) On en déduit la série de Fourier complexe de x(t) : x (t ) =

aω 2π

(ω 02 − n 2ω 2 ) − 2iλnω 2 2 2 2 2 2 2 exp inω t , 0 − n ω ) + 4λ n ω

∑ (ω n ∈

et, en regroupant les termes d’indices opposés, la série de Fourier réelle de x(t) : x (t ) =

 ω 02 − n 2ω 2 2λnω aω  1 +  2 2 2 2 2 2 2 2 cos nω t + 2 2 2 2 2 2 2 sin nω t  . π  2ω 0 n1 (ω 0 − n ω ) + 4λ n ω (ω 0 − n ω ) + 4λ n ω 

∑

3) a) Comme f (t) est continue, on a [ f ]′ = [ f ′] = [g – lf]. Donc : [ f ]′ = [g] – l[ f ]. D’autre part, [ g(t )]′ = [ g ′(t )] +

∑ ∆g(nT ) δ(t − nT ), où les ∆g(nT) sont les sauts de g en ses n ∈

points de discontinuité nT. Par périodicité, ces sauts sont tous égaux, et l’on a : ∆g(nT) = ∆g(0) = g(0+) – g(0–) = g(0+) – g(T–) = ν0 – ν0 e–λT = ν0 (1 – e–λt ) = a. D’autre part g′(t) = – ω2 f (t) – λg(t). Par conséquent : [ g(t )]′ = −ω 2 [ f (t )] − λ[ g(t )] + a

∑ δ(t − nT ). n ∈

On a donc : © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

[ f (t )]′′ = [ g(t )]′ − λ[ f (t )]′   =  −ω 2 [ f (t )] − λ[ g(t )] + a δ(t − nT ) − λ ([ g(t )] − λ[ f (t )])   n ∈ = (λ2 − ω 2 )[ f (t )] − 2 λ[ g(t )] + a δ(t − nT ) .

∑

∑ n ∈

On en déduit : [ f (t )]′′ + 2λ[ f (t )]′ + ω 02 [ f (t )] = ((λ2 − ω 2 ) − 2λ2 + ω 02 )[ f (t )] + ( −2λ + 2λ )[g(t )] + a =a

∑

δ (t − nT ) ,

∑ δ(t − nT ) n∈

n∈

puisque ω02 – λ2 – ω 2 = 0. La distribution [ f ] est donc solution de (E).

188

Mathématiques du signal

b) On a : [ x (t )]′′ + 2 λ[ x (t )]′ + ω 02 [ x (t )] = a

∑ δ t − n ∈

2π n  , ω 

∑ δ t −

2π n  . ω 

[ f (t )]′′ + 2 λ[ f (t )]′ + ω 02 [ f (t )] = a

n ∈

En retranchant membre à membre ces deux égalités, et en posant U(t) = [x(t)] – [ f (t)], il vient : U ′′(t) + 2λU ′(t) + ω02U(t) = 0, dont la solution générale est U(t) = A[e–λt cosω t] + B[e–λt sinω t]. Comme [x] est tempérée (par hypothèse) et [f] est tempérée, il doit en être de même pour U, ce qui implique que A = B = 0 (étudier le comportement de la fonction Ae–λt cosω t + Be–λt sinω t lorsque t → –∞). Donc U = 0 et x = f. Le graphe de y = x(t) est représenté ci-dessous : y

– 2T

–T

0

T

2T

t

On pourra remarquer que sur l’intervalle [0,T ], x(t) coïncide avec la solution de l’équation (H) étudiée dans la première question.

Exercice 9.16 1) Soit a ∈ , a > –1. Déterminer la transformée de Laplace de la distribution régulière [Y(t)ta ] associée à la fonction sommable Y(t)ta. On rappelle qu’il existe une fonction G définie pour x > 0 par Γ ( x ) =

+∞

∫0

exp( −t )t x −1dt , et qui véri-

fie l’identité G(x + 1) = xG(x), ce qui permet de la prolonger aux intervalles ]– n,– n + 1[, avec n ∈ *, en posant : Γ ( x + n) ∀ x ∈ ]– n,– n + 1[, Γ ( x ) = . x ( x + 1)…( x + n − 1) 2) Pour a ∈ ]– n – 1,– n[, n ∈ *, on définit la distribution Pf[Y(t)ta ] par l’égalité : dn Y (t )t α + n = (α + n)(α + n − 1)…(α + 1) Pf Y (t )t α . dt n

[

]

Calculer la transformée de Laplace de Pf[Y(t)ta ].

[

]

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

3) Pour tout a ∈ \{– 1,– 2,– 3,…}, on pose Tα (t ) = a > – 1, et Tα (t ) =

[

189

[

1 Pf Y (t )t α Γ (α + 1)

]

si

]

1 Pf Y (t )t α si a < – 1. Γ (α + 1)

Calculer Tα * Tβ lorsque a et b sont deux éléments distincts de \{– 1,– 2,– 3,…} tels que a + b ∉ {– 2,– 3,– 4,…}. Calculer T–3/2 * T–3/2 . 1) La transformée de Laplace de [Y(t)tα ] est la fonction, définie pour tout p réel strictement positif : Fα ( p) =

∫

+∞

0

t α exp( − pt ) dt .

Faisons le changement de variable u = pt. Il vient : Fα ( p) =

[

∫

+∞ 

0

]

2) On a Pf Y (t )t α =

α

du 1 u = α +1   exp( −u) p  p p

∫

+∞

0

uα exp( −u) du =

1 dn Y (t )t α + n . Donc si Fα(p) désigne la (α + n)(α + n − 1) … (α + 1) dt n

[

]

transformée de Laplace de Pf[Y(t)tα ], on a : 1 Fα ( p) = p n L Y (t )t α + n (α + n)(α + n − 1)…(α + 1)

([

=

])

1 Γ (α + n + 1) Γ (α + 1) pn . = (α + n)(α + n − 1)…(α + 1) pα + n +1 pα +1

3) La transformée de Laplace de Tα est donc

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Γ (α + 1) . pα +1

1 . Il s’ensuit que celle de Ta * Tb est pα +1

1 1 1 × = dont l’originale n’est autre que Tα+β+1 . pα +1 p β +1 pα + β + 2 La transformée de Laplace de T–3/2 étant

1 1 = = p1 / 2 , celle de T–3/2 * T–3/2 p ( −3 / 2 ) +1 p −1 / 2

est donc p1/2 ⋅ p1/2 = p, et par conséquent T–3/2 * T–3/2 = δ′. Remarquons que si S est une distribution causale quelconque, on a : T–3/2 * (T–3/2 * S) = (T–3/2 * T–3/2) * S = δ′ * S = S′. Par conséquent, la convolution avec T–3/2 est une opération qui, répétée deux fois de suite, donne une dérivation. On peut donc légitimement dire que convoluer avec T–3/2 c’est « dériver une demi-fois », ou encore que l’opérateur de convolution avec T–3/2 est une racine carrée de l’opérateur de dérivation des distributions causales.

190

Mathématiques du signal

Exercice 9.17 1) Déterminer la transformée en z du signal numérique causal f (n) défini par : 1 f ( n) = pour tout n ∈ . n! 2) En déduire la transformée en z des signaux numériques causaux g(n) et h(n) définis par : g(2 k ) =

1 et g(2k +1) = 0 pour tout k ∈ , (2 k )!

h(2 k + 1) =

1 et h(2k) = 0 pour tout k ∈ . (2 k + 1)! +∞

1) La transformée en z de f (n) est F( z ) =

∑ n! z n=0

 +∞ x n  ′  =   n= 0 n! 

∑ +∞

La fonction y( x ) =

∑ n=0

+∞

nx n −1 = n! n =1

∑

+∞

1

n

1 = exp   . En effet, on a :  z

x n −1 = (n − 1)! n =1

∑

+∞

+∞

xp xn . = p! n = 0 n! p=0

∑

∑

xn est donc égale à sa dérivée, par conséquent y(x) = C exp(x), et n!

comme y(0) = 1, on a C = 1. 2) Soit G(z) la transformée en z de g(n). On a : +∞

G( z ) =

+∞ +∞ +∞ 1 1 1 + ( −1) n 1  1 ( −1) n  F( z ) + F( − z ) = = + .  = n n 2k 2 n= 0 n! z 2  n= 0 n! z 2 n! z n  (2 k )! z k =0 n=0

∑

∑

∑

∑

1 1 exp   + exp  −     1 F( z ) + F( − z ) z z On en déduit : G( z ) = = ch   . =  z 2 2 De même la transformée en z de h(n) est : 1 1 exp   − exp  −   z  z F( z ) − F( − z ) 1 H(z) = = sh   . =  z 2 2

Exercice 9.18 Déterminer la transformée en z des signaux numériques causaux suivants : 1) f (n) = an2 + bn + c pour tout n ∈  (a, b, c réels donnés). 2) g(n) = shnq pour tout n ∈  (q réel donné). On précisera dans chaque cas la couronne de convergence.

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

191

1) La transformée en z de f (n) est : +∞

F( z ) =

∑

( an 2 + bn + c) z − n = a

n=0

+∞

La somme S( z ) =

∑z

+∞

∑

n2 z −n + b

n=0

−n

est convergente pour |z| > 1 et égale à

+∞

∑ nz

−n

= − z S ′( z ) =

n=0 +∞

S2 ( z ) =

∑

n z −n + c

n=0

n=0

S1 ( z ) =

+∞

∑n z

2 −n

∑z

−n

.

n=0

z . On en déduit : z −1

z pour |z| > 1, ( z − 1)2

= − z S1′( z ) =

n=0

donc F( z ) = aS2 ( z ) + bS1 ( z ) + cS( z ) =

+∞

z( z + 1) pour |z| > 1, ( z − 1)3

z(cz 2 + ( a + b − 2c)z + ( a − b + c)) . ( z − 1)3

La couronne de convergence est définie par |z| > 1. 2) On a shnθ =

1 nθ 1 (e − e − nθ ) = ((e −θ ) − n − (eθ ) − n ). La transformée en z de g(n) est donc : 2 2 +∞

G( z ) =

∑

shnθ z − n =

n=0

soit G( z ) =

+∞ +∞  S(e −θ z ) − S(eθ z ) 1 −θ −n (eθ z ) − n  = ,  (e z ) + 2  n=0 2  n=0

∑

∑

1  e −θ z 2 z shθ eθ z  z shθ − = = 2 .   2 −θ θ 2  e z − 1 e z − 1 2( z − 2 z chθ + 1) z − 2 z chθ + 1

La couronne de convergence est définie par |eqz| > 1 et |e–qz| > 1, c’est-à-dire |z| > e–q et |z| > eq, soit en définitive |z| > e|q|.

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Exercice 9.19 Pour tout nombre réel a > 0, soit fa(n) le signal numérique causal défini par fa(n) = an pour tout n ∈ . 1) Soit b un nombre réel strictement positif. Déterminer le produit de convolution / a et b = a). fa * fb (on distinguera les cas b = 2) Retrouver ces résultats en utilisant la transformation en z. n

1) On a ( fa ∗ fb )(n) =

∑ k =0

n

f a ( k ) fb ( n − k ) =

∑a b

k n−k

. Cette somme est égale à :

k =0

a n +1 − b n +1 n si b = / a et à (n + 1)a si b = a. a−b

192

Mathématiques du signal

2) La transformée en z de fa(n) étant Fa ( z ) = Fa(z)Fb(z), soit

z , définie pour |z| > a, celle de fa * fb est z−a

z2 z2 / a et si b = si b = a, définie pour |z| > max(a, b). ( z − a)( z − b) ( z − a) 2

Dans le premier cas, on décompose la fraction rationnelle en éléments simples : z2 a2 b2 ( a + b)z − ab = 1+ = 1+ + . ( z − a)( z − b) ( z − a)( z − b) ( a − b)( z − a) (b − a)( z − b) La fonction constante 1 est la transformée en z du signal s(n) tel que s(0) = 1 et s(n) = 0 pour / 0. D’autre part a = z − ( z − a) = z − 1, donc a est la transformée en z de n= z−a z−a z−a z−a z2 b est la transformée en z de f – s. Il s’ensuit que est la b ( z − a)( z − b) z−b transformée en z du signal :

fa – s. De même

n +1 n +1 1 − a − b  s(n) + a f (n) + b f (n) = afa (n) − bfb (n) = a − b . a b  a − b b − a a−b a−b a−b b−a

z2 z a 2 az − a 2 = 1 + qui est la 2 2 = 1+ a 2 + z−a ( z − a) ( z − a) ( z − a) transformée en z de s(n) + anan–1 + (an – s(n)), soit (n+1)an. Dans le deuxième cas, on écrit

Exercice 9.20 1) Déterminer les signaux numériques fa(n) et ga(n) dont les transformées en z sont respectivement les fonctions

1 1 et (a ∈ *) : z−a ( z − a)2

a) sur la couronne |z| > |a|. b) sur la couronne |z| < |a|. 2) En déduire le signal numérique h(n) dont la transformée en z est la fonction z + 11 H( z) = 3 : z − 3z + 2 a) sur la couronne |z| > 2. b) sur la couronne 1 < |z| < 2. c) sur la couronne |z| < 1.

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions. +∞

1) a) Pour |z| > |a|, on a :

193

+∞

1 1 1 an an = = = n n +1 = a z z−a  z z n=0 n=0 z 1−  z

∑

fa (n) = a n −1 pour n  1 et

∑

fa ( n ) = 0

+∞

∑a

n −1 − n

z

, donc :

n =1

pour n  0.

On a : +∞ +∞ 1  1  ′ = − − na n −1z − n −1  = = − (n − 1)a n − 2 z − n =    z − a ( z − a) 2  n =1  n=2

∑

∑

+∞

∑ (n − 1)a

n−2 −n

z

, donc :

n =1

ga (n) = (n − 1)a n − 2 pour n  1 et ga (n) = 0 pour n  0. b) Pour |z| < |a|, on a : +∞

+∞

0

1 1 1 zn zn =− a n −1z − n , =− = − n +1 = − z z−a a n=0 an  a n=0 n =−∞ a 1−  a

∑

∑

∑

donc : fa (n) = − a n −1 pour n  0 et fa (n) = 0 pour n  1. De même qu’à la question précédente, on trouve : ga (n) = − (n − 1)a n − 2 pour n  0 et ga (n) = 0 pour n  1.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

2) Le dénominateur z3 – 3z + 2 se factorise en (z – 1)2(z + 2). On peut décomposer la fraction rationnelle H(z) en éléments simples : 4 1 1 z + 11 H(z) = = + . 2 2 − z −1 z + 2 ( z − 1) ( z + 2) ( z − 1) Sur chacune des couronnes considérées, on aura donc h(n) = 4g1(n) – f1(n) + f–2(n), c’est-àdire : a) Sur la couronne |z| > 2 : h(n) = 4(n – 1) – 1 + 2n–1 = 4n – 5 + 2n–1 pour n  1 et h(n) = 0 pour n  0. b) Sur la couronne 1 < |z| < 2 : h(n) = 4(n – 1) – 1 + 0 = 4n – 5 pour n  1 n–1 n–1 et h(n) = 0 + 0 – 2 = – 2 pour n  0. c) Sur la couronne |z| < 1 : h(n) = – 4(n – 1) + 1 – 2n–1 = – 4n + 5 – 2n–1 pour n  0 et h(n) = 0 pour n  1.

194

Mathématiques du signal

Exercices d’entraînement 9.21 Soit f une fonction continue, de carré sommable sur . On rappelle que sa transformée de Hilbert H(f ) est donnée par : H ( f )(t ) =

1 VP π

∫

+∞

−∞

f (u ) du . u−t

1) Écrire [H( f )] comme le produit de convolution de [ f ] par une distribution que l’on précisera. En déduire la transformée de Fourier de H( f ) en fonction de celle de f. 2) Calculer H(H( f ). 9.22 1) Soit fn (t ) =

sin nt . Déterminer fˆn (ν ). t

2) Calculer lim fˆn (ν ) et en déduire lim [ fn (t )]. n →+∞

n →+∞

2 9.23 En utilisant l’identité t Pf

Pf

sin t = sin t , calculer la transformée de Fourier de t2

sin t . t2

9.24 Soit f (t) = Y(t)exp(– at), a > 0. 1) Calculer [f ]′ et en déduire fˆ . 2) En déduire les transformées de Fourier de exp(– a|t|), sgnt ⋅ exp(– a|t|),

1 t +1 2

et

t (cf. exercice 5.2). t +1 2

9.25 1) Calculer les transformées de Fourier des distributions régulières associées aux fonctions t + 1, t – 1, t2 – 1, (t2 – 1)n (n ∈ *). 2) Pour tout n ∈ *, on pose Pn (t ) =

1 dn 2 ((t − 1) n ). Déterminer la trans2 n ! dt n n

formée de Fourier de [Pn]. 9.26 Soit Dτ(t) la distribution égale à

1  τ  τ   δ t +  − δ t −   . τ 2 2 

1) Calculer la transformée de Fourier de Dτ(t), puis celle de : Dτ∗n = Dτ ∗ Dτ ... ∗ Dτ (n facteurs). ∗n 2) En déduire la limite de Dτ lorsque τ tend vers 0.

9.27 Soit E(t) la partie entière de t, c’est-à-dire le plus grand nombre entier relatif inférieur ou égal à t.

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

195

1   1) Vérifier que  E  t +   est une distribution impaire.  2  2) Calculer la dérivée, la transformée de Fourier de la dérivée et la transformée 1   de Fourier de T (t ) =  E  t +   .  2  3) En déduire la transformée de Fourier de [E]. 9.28 On considère la fonction f (t) = Y(t) exp(– at), a > 0. 1) Calculer sa transformée de Fourier fˆ (ν ). 2) Pour tout t ∈ , on pose g(t ) =

∑ f (t − n). n ∈

Calculer g(t) pour 0  t < 1 et vérifier que g est périodique de période 1. 3) Déterminer gˆ et en déduire la série de Fourier complexe Sg de g. 9.29 On considère la fonction f périodique de période T, définie sur [0,T ] par l’égalité f (t) = at(T – t) (a > 0). 1) Calculer [ f ]′′. En déduire les transformées de Fourier de [f ]′′ et de [ f ]. 2) Déterminer les séries de Fourier complexe, puis réelle, de f (comparer avec l’exercice 3.7). 9.30 Soit g(t) = |sinπ t|. Calculer [g]′′. En déduire la transformée de Fourier de [g] et la série de Fourier réelle de g. 9.31 Pour tout k ∈ *, soit fk(t) la fonction périodique de période 2p telle que pour |t|  p on ait fk (t ) = cos

t . 2k

1) Calculer [ fk]′′. En déduire la transformée de Fourier fˆk de [ fk] et la série de © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Fourier complexe de fk . 2) Calculer lim [ fk (t )] et lim fˆk (ν ). k →+∞

k →+∞

9.32 Déterminer la distribution causale T telle que l’on ait : T ′′′ – 2T ′′ + T ′ – 2T = 2δ′. On constatera que T est la distribution régulière associée à une fonction y(t) vérifiant, pour t > 0, une équation différentielle linéaire à coefficients constants que l’on déterminera, et des conditions initiales que l’on déterminera également. 9.33 Soit T la distribution régulière associée à la fonction Y(t)|sint|. 1) Calculer T ′′ + T. 2) En déduire la transformée de Laplace de T. (On pourra comparer avec l’exercice 9.12.)

196

Mathématiques du signal

9.34 Soit f (n) un signal numérique, F(z) sa transformée en z. Déterminer les transformées en z des signaux numériques suivants : 1) g(2k) = f (2k) et g(2k +1) = 0 pour tout k ∈ . 2) h(2k +1) = f (2k +1) et h(2k) = 0 pour tout k ∈ . 3) r(2k) = (– 1)kf (2k) et r(2k + 1) = 0 pour tout k ∈ . 4) s(2k +1) = (– 1)kf (2k +1) et s(2k) = 0 pour tout k ∈ . 9.35 Déterminer les signaux numériques f (n) dont les transformées en z sont les fractions rationnelles suivantes : 1 1) a) sur la couronne |z| > 1, 2 z( z + 1) b) sur la couronne 0 < |z| < 1. 2)

1 z 2 − 2z + 4

a) sur la couronne |z| > 2,

b) sur la couronne |z| < 2. 1 3) 4 a) sur la couronne |z| > 2, z + 5z 2 + 4 b) sur la couronne 1 < |z| < 2, c) sur la couronne |z| < 1. Réponses

9.21 1) [ H ( f )] =

1 1 Pf ∗ [ f ], F(H( f ))(n) = – i sgnν ⋅ F( f )(n). t π

2) H(H( f )) = – f.

πν . 9.22 1) fˆn (ν ) = π P1   n 

2) lim fˆn (ν ) = π et lim [ fn (t )] = π δ(t ). n→+∞

n→+∞

sin t . Alors Tˆ (ν ) est la distribution régulière associée à la fonction qui t2 1 1 . vaut – iπ sgn(ν) pour |n|  et – 2ip2n pour |n|  2π 2π

9.23 Soit T (t ) = Pf

9.24 1) [ f (t)]′ = δ(t) – a[ f (t)], fˆ (ν ) = 2)

2a , a 2 + 4π 2ν 2

9.25 1) δ(ν ) −

∑ k =0

p exp(–2p|n|),

– ip sgnn exp(– 2p|n|).

1 1 1 δ ′(ν ), −δ(ν ) − δ ′(ν ), −δ(ν ) − 2 δ ′′(ν ), 2iπ 2iπ 4π

n

( −1)n

− 4iπ ν , a 2 + 4π 2ν 2

1 . a + 2iπ ν

Cnk

δ ( 2 k ) (ν ) . 22 k π 2 k

9 • Transformées de Fourier et de Laplace des distributions.

2)

197

(2 k )!i n δ ( 2 k −n ) (ν ). 2k 2k 2 k !( n k )!( 2 k n )! π − − n2 k2 n

∑

n

 sin π τν  sin π τν sin π τν = 2iπ ν , F ( Dτ∗n )(ν ) = (2iπ ν )n  9.26 1) F( Dτ )(ν ) = 2i  . τ π τν  π τν  2) δ(n)(t).

( )

9.27 1)

t+

2) −

∑ (−1) δ(ν − n),

1 , 2

n∈

1 1 δ ′(ν ) − δ(ν ) + 2iπ 2

9.28 1) fˆ (ν ) = 3) gˆ (ν ) =

1 δ ′(ν ) + 2iπ

−

n

1 . a + 2iπ ν

( −1)n

∑ 2iπ n δ(ν − n).

n∈∗

∑ 2iπ n δ(ν − n). 1

n∈∗

exp( − at ) sur [0,1[. 1 − exp( − a)

2) g(t ) =

∑ a + 2iπ n δ(ν − n), 1

Sg (t ) =

n∈

exp(2iπ nt ) . a + 2iπ n n∈

∑

  n 9.29 1) [ f (t )]′′ = 2 a −1 + T δ(t − nT ) , F ([ f ]′′ )(ν ) = 2 a δ ν −  ,  T   n∈ n∈∗

∑

∑

F ([ f ])(ν ) =

aT 2 aT 2 δ(ν ) − 2 6 2π

∑

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

9.30 [ g(t )]′′ = −π 2 [ g(t )] + 2π 2 4 − π π

n∈∗

n 1  2 δ ν −  . T

t   exp  2iπ n   1 T 2 1  = aT  − 2 2 6 n π ∗   n∈  

 1 2 1 2) f (t ) = aT  − 2 6 2 π  

g( t ) =

∑n

(t) ,

gˆ (ν ) =

2 π

∑ 1 − 4n 1

2

t  cos  2π n   T . 2 n  n1 

∑

δ(ν − n),

n∈

cos 2π nt . 2 −1 n∈

∑ 4n

9.31 1) [ fk (t )]′′ = −

1 1 π 2 [ fk (t )] + sin k 4k 2k

π 2k fˆk (ν ) = sin π 2k

∑ δ(t − (2n + 1)π ), n∈

( −1) n  2k π  , fk (t ) = sin 2 2 δ ν −  k n − π k 1 4 2 2 π n∈

∑

n

2) lim [ fk (t )] = [1] et lim fˆk (ν ) = δ(ν ). k →+∞

9.32 y′′′ – 2y′′ + y′ – 2y = 0,

k →+∞

y(0) = 0,

y′(0) = 2,

2 T =  Y (t )(2 exp(2t ) − 2 cos t + sin t ) . 5 

y′′(0) = 4.

( −1)n exp int . 1 − 4k 2 n2 n∈

∑

198

Mathématiques du signal

+∞

9.33 1) T ′′ + T = δ(t ) + 2

∑ δ(t − nπ ).

2)

n =1

9.34 1) G( z ) = 3) R( z ) =

πp 2 . p2 + 1

coth

F( z ) + F(− z ) . 2

2) H ( z ) =

F( z ) − F(− z ) . 2

F (iz ) + F ( −iz ) . 2

4) S( z ) =

F ( −iz ) − F (iz ) . 2i

9.35 1) a) f (2k + 1) = (– 1)k+1 pour tout k  1, f (n) = 0 si n est pair ou n < 3. b) f (2k + 1) = (– 1)k pour tout k  0, f (n) = 0 si n est pair ou n > 1. 2) a) f (n) = 2 n−3 sin

(n − 1)π pour n  1, f (n) = 0 pour n  0. 3

b) f (n) = −2 n−3 sin 3) a) f (2 k ) = ( −1)k

(n − 1)π pour n  0, f (n) = 0 pour n  1. 3

4 k −1 − 1 pour k  1, f (n) = 0 si n est impair ou n  1. 3

 1 1 k −1  3 ( − ) b) f (2 k ) =   1 ( −1)k −1 4 k −1  3 c) f (2 k ) = ( −1)k

pour k  1 , f (n) = 0 si n est impair. pour k  0

1 − 4 k −1 pour k  0, f (n) = 0 si n est impair ou n  2. 3

Chapitre 10

Filtrage

RAPPELS I. Filtrage analogique

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

• Un filtre linéaire (permanent continu) est une fonctionnelle  qui à un signal d'entrée e appartenant à un certain ensemble A de distributions, associe un signal de sortie, ou réponse, s = (e) (qui est également une distribution), telle que  vérifie les propriétés suivantes : – linéarité : ∀e1 ,e2 ∈ A ,∀λ1 ,λ2 ∈ R,(λ1 e1 + λ2 e2 ) = λ1 (e1 ) + λ2 (e2 ) . – permanence : pour tout e ∈ A, si (e) = s, alors (e(t − t0 )) = s(t − t0 ) pour tout t0 ∈ R. – continuité : si (en )n∈N est une suite d'éléments de A convergeant vers e ∈ A, alors :  lim (en ) = 

n→+∞

 lim en

n→+∞

= (e).

• Pour un filtre linéaire , sa réponse impulsionnelle est par définition D = (δ) . Pour tout e ∈ A, on a alors (e) = D ∗ e. • La fonction de transfert d'un filtre linéaire  est la transformée de Laplace G = L(D) de sa réponse impulsionnelle D. Les transformées de Laplace E = L(e) et S = L(s) d'un signal d'entrée e ∈ A et de la réponse s correpondante sont alors liées par la relation S = G E. • Un filtre linéaire  est dit causal si et seulement si pour tout signal d'entrée e nul pour t < t0 , la réponse s = (e) est également nulle pour t < t0 .

200

Mathématiques du signal

Pour qu'un filtre linéaire soit causal, il faut et il suffit que sa réponse impulsionnelle D soit causale, c'est à dire nulle pour t < 0. II. Filtrage numérique • Un filtre numérique linéaire (permanent continu) est une fonctionnelle  qui à un signal d'entrée numérique e appartenant à un certain ensemble A , associe un signal de sortie numérique, ou réponse, s = (e), telle que  vérifie les propriétés de linéarité, permanence et continuité, qui sont définies de la même façon que pour les filtres analogiques. • Pour un filtre numérique linéaire , sa réponse impulsionnelle est par définition D = (E 0 ), où E 0 est le signal numérique défini par E 0 (0) = 1 et E 0 (n) = 0 / 0. Pour tout e ∈ A, on a alors (e) = D ∗ e, où D ∗ e est défini par pour n =  (D ∗ e)(n) = e(k)D(n − k) pour tout n ∈ Z. k∈Z

• La fonction de transfert d'un filtre numérique linéaire  est la transformée en z, G = Tz (D) de sa réponse impulsionnelle D. Les transformées en z E = Tz (e) et S = Tz (s) d'un signal d'entrée e ∈ A et de la réponse s correpondante sont alors liées par la relation S = G E. • Un filtre numérique linéaire  est dit causal si et seulement si pour tout signal d'entrée e nul pour n < n 0 , la réponse s = (e) est également nulle pour n < n 0 . Pour qu'un filtre linéaire soit causal, il faut et il suffit que sa réponse impulsionnelle D soit causale, c’est-à-dire nulle pour n < 0. • Un filtre numérique linéaire  est dit stable si et seulement si à tout signal d'entrée borné correspond une réponse bornée. Cette condition est équivalente à chacune des deux suivantes :  |D(n)| < +∞. (i) la réponse impulsionnelle D de  est sommable : n∈Z

(ii) la couronne de convergence de la fonction de transfert de  contient le cercle |z| = 1.

Exercice 10.1 On considère le circuit électrique correspondant au schéma ci-dessous : d

b R e(t)

a

i C

s(t)

c

10 • Filtrage

201

On crée entre les bornes a et b une différence de potentiel dépendant du temps e(t). Soit alors s(t) la différence de potentiel entre les bornes c et d à l’instant t. On suppose e(t) et s(t) nulles pour t < 0. ds 1) Exprimer e(t) en fonction de s(t), (t ), R et C. Montrer que l’on peut écrire dt e = A * s, où A est une distribution causale que l’on déterminera. 2) Déterminer la « réponse impulsionnelle » D, c’est-à-dire la distribution s correspondant à e = δ. Montrer que pour tout signal e, on a s = D * e. Déterminer la « fonction de transfert » G du filtre, c’est-à-dire la transformée de Laplace de D. 3) Déterminer la réponse s dans les cas suivants : a) e(t) = Y(t) b) e(t) = Y(t) sinω t c) e(t) = Y(t) exp(– at) (a > 0). 1) Soit i(t) l’intensité traversant le circuit à l’instant t. La différence de potentiel entre les bornes d et b de la résistance R à l’instant t est : e(t) – s(t) = Ri(t). 1 Celle aux bornes du condensateur C est s(t ) = q(t ), où q(t) est la charge du condensateur C à l’instant t. On a donc : i(t ) = ce qui donne :

dq ds e(t ) − s(t ) (t ) = C (t ) = , dt dt R

e(t ) − s(t ) = RC

ds (t ) dt

e(t ) = s(t ) + RC

ds (t ) dt

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

que l’on peut encore écrire : e(t) = (δ(t) + RCδ′(t)) * s(t) = (A * s)(t) en posant : A = δ + RCδ ′ . 2) Pour e = δ, la réponse D vérifie δ = A * D, ce qui montre, puisque δ est l’élément neutre du produit de convolution, que D est « l’inverse de convolution » de A. Pour tout signal e on a e = A * s, donc : D * e = D * (A * s) = (D * A) * s = δ * s = s.s Pour calculer D, on constate que la transformée de Laplace de A est 1 + RCp, que l’on peut p +α 1 , sous la forme . Donc la fonction de transfert G, transforécrire, en posant α = α RC α 1 = , dont l’originale est : mée de Laplace de D, est G( p) = 1 + RCp p + α D(t ) = [αY (t ) exp( −αt )] .

202

Mathématiques du signal

3) Notons E et S les transformées de Laplace de e et s. La relation s = D * e donne S(p) = G(p)E(p). Donc :

α 1 1 1 = − , et par conséquent donc S( p) = p p( p + α ) p p + α s(t) = Y(t) – Y(t)exp(– α t) = Y(t)(1 – exp(– α t)).

a) Si e(t) = Y(t), E( p) =

b) Si e(t) = Y(t)sinωt, E( p) =

ω donc : p2 + ω 2

S( p) =

αω αω  1 p −α  − 2  2 2 = 2 2  ( p + α )( p + ω ) α + ω  p + α p + ω 2 

S( p) =

αω  1 α ω p  +  2  2 2 − 2 α +ω  p +α ω p +ω p +ω2  2

αω α Y (t ) exp( −α t ) + sin ω t − cos ω t  .   ω α2 +ω2

dont l’originale est s(t ) =

c) Si e(t) = Y(t)exp(– at), E( p) =

/ α, S( p) = a=

Si

s( t ) =

et Si

α 1 . donc S( p) = p+a ( p + a)( p + α ) α  1 1  −   α − a  p + a p+α 

α Y (t )(exp( − at ) − exp( −α t )) . α −a

a = α, S( p) =

α et s(t) = α Y(t)t exp(– α t). ( p + α )2

Exercice 10.2 On considère le circuit électrique correspondant au schéma ci-dessous : d

b R e(t)

a

i(t) L

s(t)

c

On crée entre les bornes a et b une différence de potentiel dépendant du temps e(t). Soit alors s(t) la différence de potentiel entre les bornes c et d à l'instant t. On suppose e(t) et s(t) nulles pour t < 0. On note i(t) l'intensité du courant de b vers a à l'instant t.

10 • Filtrage

1) Montrer que

203

ds R de (t) + s(t) = (t) . dt L dt

  R  Y (t)exp − t . 2) Soit T la distribution régulière associée à la fonction t → L   R Calculer δ + δ ∗ T. En déduire la réponse indicielle du circuit, c’estL à-dire la réponse s(t) correspondant au signal d'entrée e(t) = Y (t). 3) Calculer la réponse impulsionnelle D du circuit, c’est-à-dire la réponse s correspondant au signal d'entrée e = δ. En déduire la fonction de transfert G du circuit. 4) Déterminer la réponse s du circuit pour les signaux d'entrée suivants : a) e(t) = Y (t) sin ωt .    R . b) e(t) = Y (t) 1 − exp − t L

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

1) On a e − s = Ri et s = L

de ds di di R − =R = s, d'où le résultat demandé. , donc dt dt dt dt L

  R R R 2) On a δ + δ ∗ T = δ ∗ T + δ ∗ T = T + T . L L L       R R R R = − Y (t)exp − t + δ(t) = − T (t) + δ(t) . Or T (t) = Y (t)exp − t L L L L   R On a donc δ + δ ∗ T = δ. L ds R d (t) + s(t) = [Y (t)] = δ(t), soit Soit s la réponse indicielle du circuit. On a dt L dt     R R δ + δ ∗ s = δ. En convoluant les deux membres par T, il vient T ∗ δ + δ ∗ s = L L     R R T ∗ δ = T. D'autre part, comme T ∗ δ + δ = δ + δ ∗ T = δ, on a L L   R T ∗ δ + δ ∗ s = δ ∗ s = s , donc s = T. L 3) Soit D la réponse impulsionnelle. La réponse indicielle est alors donnée par T (t) = D(t) ∗ [Y (t)]. En dérivant les deux membres, il vient T (t) = D(t) ∗ [Y (t)] = D(t) ∗ δ(t) = D(t). R Donc D = T = − T + δ . L R p . En passant aux transformées de Laplace, il vient G( p) = − L + 1 = R R p+ p+ L L

204

Mathématiques du signal

ω . La transformée p2 + ω2 donc S( p) = G( p)E( p) =

4) a) La transformée de Laplace de e(t) = Y (t) sin ωt est E( p) = de

Laplace de la réponse correspondante est pω   .  R  2 p+ p + ω2 L En décomposant cette fraction rationnelle en éléments simples, on obtient : S( p) = −

L Rω R 2 + L 2 ω2

1 p+

R L

+

p ω L 2 ω2 L Rω + . R 2 + L 2 ω2 p2 + ω2 R 2 + L 2 ω2 p2 + ω2

En revenant aux originales, on obtient     R Lω Y (t) −R exp − t + R cos ωt + Lω sin ωt . s(t) = 2 R + L 2 ω2 L    R b) La transformée de Laplace de e(t) = Y (t) 1 − exp − t est E( p) = L R 1 1 1 1 R  . Donc S( p) = G( p)E( p) =  − = . On en déduit R R R p L L p+ ( p + )2 p p+ L L L   R R s(t) = Y (t)texp − t . L L

Exercice 10.3 On considère un filtre linéaire permanent continu Φ tel que lorsque le signal d’entrée est e(t) = [Y(t)] la réponse de Φ est : s(t) = [Y(t)(1 – exp(– at))], où a est une constante réelle strictement positive. 1) Calculer la dérivée de la distribution [Y(t)(1 – exp(– at))]. En déduire la réponse impulsionnelle D de Φ. 2) Déterminer la transformée de Fourier Dˆ de D, ainsi que la fonction de transfert de Laplace du filtre Φ, c’est-à-dire la transformée de Laplace G de D. 3) Soient n un nombre entier relatif, ω un nombre réel strictement positif. Calculer la transformée de Fourier de [exp(inω t)] ainsi que le produit de cette transformée par Dˆ (ν ). En déduire que la réponse de Φ au signal d’entrée [exp(inω t)] est de la forme λ(n,ω)[exp(inω t)], où λ(n,ω) est une constante dépendant de n et de ω que l’on déterminera. Calculer la transformée de Laplace de [Y(t) exp(inω t)] ainsi que le produit de cette transformée par G. En déduire la réponse de Φ au signal d’entrée [Y(t) exp(inω t)].

10 • Filtrage

205

∑

2π cn exp(inω t ) , et ω n∈ sa série de Fourier complexe. On admettra que les réponses de Φ aux signaux d’entrée [ f ] et [Yf ] sont des distributions régulières, associées respectivement aux fonctions continues g et g+ . Calculer [g+ – Yg] en fonction de g(0) et D. (La réponse à [ f ] correspond au filtrage en régime permanent et [g+ – Yg] est la réponse transitoire du filtre lorsque le signal d’entrée n’est appliqué qu’à partir de l’instant t = 0).

4) Soit f une fonction continue périodique de période T =

1) La fonction Y(t)(1 – exp(– at)) est continue sur  donc on a : [Y(t)(1 – exp(– at))] = [(Y(t)(1 – exp(– at)))] = [aY(t) exp(– at)]. Comme on a [Y(t)(1 – exp(– at))] = D(t) * [Y(t)], il vient : [Y(t)(1 – exp(– at))]′ = [Y(t)(1 – exp(– at))] * δ′ = (D * [Y ]) * δ′ = D * ([Y ] * δ′) = D * [Y ]′ = D * δ = D. Par conséquent :

D(t ) = [aY (t ) exp( − at )] .

2) La fonction aY(t) exp(– at) étant sommable, la transformée de Fourier de [aY(t) exp(– at)] est la distribution régulière associée à la transformée de Fourier au sens des fonctions de aY(t)exp(– at). Cette dernière est :

∫

+∞

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

−∞

aY (t ) exp( − at ) exp( −2iπ νt ) dt = a

∫

+∞

0

exp( −( a + 2iπ ν )t ) dt =

a . a + 2iπ ν

  a On a donc : Dˆ (ν ) =   . D’autre part, la transformée de Laplace de D(t) est 2 a i + π ν   a G( p ) = . p+a nω  3) La transformée de Fourier de [exp(inω t)] est δ ν − . On a :  2π  nω  a nω  a nω  Dˆ (ν )δ ν − , = δ ν − = δ ν −  2π  a + 2iπ ν  2π  a + inω  2π  dont la transformée de Fourier inverse est la réponse D(t) * [exp(inω t)] au signal a [exp(inω t )], qui est bien de la forme attendue, [exp(inω t)]. Cette réponse est donc a + inω a avec λ (n, ω ) = . a + inω

206

Mathématiques du signal

De même, la transformée de Laplace de [Y(t)exp(inω t)] étant

1 , son produit par p − inω

a a  1 1  = −   . La réponse de Φ au signal d’entrée ( p + a)( p − inω ) a + inω  p − inω p + a  [Y(t)exp(inω t)] est alors l’originale de cette fonction, soit : a a [Y (t ) exp(inω t )] − [Y (t ) exp( − at )]. a + inω a + inω G(p) est

4) On a [ f (t )] =

∑ c [exp(inω t )], donc, le filtre étant linéaire : n

n ∈

[ g(t )] =

∑c

n

a [exp(inω t )], a + inω

n

a exp(inω t ). De même, on a : a + inω

n ∈

et, g(t) étant continue sur , g(t ) =

∑c n ∈

[Y (t ) f (t )] =

∑ c [Y (t ) exp(inω t )], d’où la réponse : n

n ∈

[ g+ (t )] =

∑ c  a + inω [Y (t ) exp(inω t )] − a + inω [Y (t ) exp(−at )] a

a

n

n ∈

   a a  = Y (t ) cn exp(inω t ) −  cn  [Y (t ) exp( − at )] a + inω    n ∈ a + inω  n ∈ D(t ) . = [Y (t )g(t )] − g(0) a

∑

Il vient donc :

∑

[ g+ (t ) − Y (t )g(t )] = −

g(0) D(t ) . a

Exercice 10.4 Soit h la réponse impulsionnelle d’un système linéaire. Démontrer que la réponse indicielle s = Y * h est dérivable au sens des distributions et que [s]′ = [Y ]′ * [h] = [Y ] * [h]′ = [h]. Sous les hypothèses de l’exercice 4.8, comparer h avec les produits de convolution au sens des fonctions Y ′ * h et Y * h′.

10 • Filtrage

207

Puisque [s] = [Y * h] = [Y ] * [h], on en déduit que [s]′ = [Y ]′ * [h] = [Y ] * [h]′. Or [Y ]′ = δ donc [s]′ = δ * [h] = [h]. D’après l’exercice 8.14, [Y ] * [h]′ est une primitive de [h]′, c’est-à-dire une distribution de la forme [h] + c, où c est une constante. Comme [Y ] et [h]′ sont causales [Y ] * [h′] aussi, il faut donc que c = 0 car [h] est causale. On retrouve bien le résultat de l’exercice 4.8 car [s]′ = [h], d’où s′ = h sur ]0,∞[ puisque s est continue sur ]0,∞[. Au sens des fonctions Y ′ = 0 presque partout et donc Y ′ * h = 0 qui est différent de h sur ]0,∞[. Au sens des fonctions h′ est causale et définie sur * et pour t > 0 : (Y * h ′)(t ) =

t

∫ h′(t − u) du = [−h(t − u)]

t 0

0

= − h(0 + ) + h(t ).

/ 0, ce qui est le cas dans le cadre de l’exercice 4.8, il est clair que Y * h′ est difSi h(0+) = férent de h sur ]0,∞[. Il est donc nécessaire d’utiliser la dérivation au sens des distributions pour justifier la relation s′ = h.

Exercice 10.5 On considère un filtre numérique Φ qui, à toute entrée numérique e, associe une réponse numérique s = Φ(e). Pour chacun des cas suivants, déterminer la réponse impulsionnelle h et la fonction de transfert en z de Φ, et préciser si le filtre est causal et s’il est stable. n

1) s(n) =

∑

2) s(n) =

e( k ).

k =−∞

+∞

∑ 2 − k e(n + k ). k =0

3) s(n) = e(n) – e(n – 1).

4) s(n) = e(n + 1) – e(n).

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

5) s(n) = e(n) – 2e(n – 1) + e(n – 2). p

6) s(n) =

∑ (−1)k Cpk e(n − k )

où p ∈ * est donné.

k =0

/ 0. La réponse impul1) Soit E0 le signal numérique tel que E0(0) = 1 et E0(n) = 0 pour n = sionnelle h est, par définition, la réponse à ce signal d’entrée. On a donc : n

h( n ) =

0 si n < 0 . si n  0

∑ E (k ) = 1 0

k =−∞

208

Mathématiques du signal

La fonction de transfert en z de Φ est alors : H ( z ) =

∑

h( n ) z − n =

n ∈

+∞

∑z n=0

−n

=

z , définie z −1

pour |z| > 1. Comme la réponse impulsionnelle est causale, le filtre Φ est causal. Comme

∑

+∞

h( n ) =

n ∈

∑1 est infini, le filtre Φ n’est pas stable. n=0

2) La réponse impulsionnelle de Φ est : +∞

h( n ) =

∑2

−k

k =0

H(z) =

∑2

2 n E0 (n + k ) =  0

n −n

z

n 0

+∞

si n  0 . La fonction de transfert en z de Φ est donc si n > 0

p

 z  = 2 , définie pour |z| < 2. Comme la réponse impulsion=  2 2−z p=0

∑

nelle n’est pas causale, le filtre Φ n’est pas causal. Comme |z| = 1 est dans la couronne de convergence de H(z), le filtre Φ est stable. 3) On a h(n) = 0 si n < 0 ou n > 1, et h(0) = 1, h(1) = – 1. 1 z −1 = , définie pour z z z ≠ 0. On voit immédiatement que Φ est causal et stable. On peut remarquer, les fonctions de transfert en z étant inverses l’une de l’autre, que ce filtre est le filtre réciproque de celui défini au 1), c’est-à-dire que l’entrée e donnant la réponse r pour l’un est la réponse à l’entrée r pour l’autre. La fonction de transfert en z de Φ est donc H ( z ) = 1 −

4) On a h(n) = 0 si n < – 1 ou n > 0, et h(– 1) = 1, h(0) = – 1. La fonction de transfert en z de Φ est donc H(z) = z – 1, définie pour tout z. On voit immédiatement que Φ n’est pas causal, mais est stable. 5) On a h(n) = 0 si n < 0 ou n > 2, et h(0) = h(2) = 1, h(1) = – 2. 2

2 1  z − 1 / 0. + = , définie pour z = z z2  z  On voit immédiatement que Φ est causal et stable. On peut remarquer que ce filtre correspond à l’association en série de deux filtres identiques à celui défini au 3).

La fonction de transfert en z de Φ est donc H ( z ) = 1 −

n n 6) On a h(n) = 0 si n < 0 ou n > p, et h(n) = ( −1) C p pour 0  n  p.

La fonction de transfert en z de Φ est donc p

H(z) =

∑ (−1) C n

n=0

n p

1 p z − 1 p z − n = 1 −  =  , définie pour z ≠ 0. On voit immédiatement  z  z 

que Φ est causal et stable. Ce filtre correspond à l’association en série de p filtres identiques à celui défini au 3).

10 • Filtrage

209

Exercice d’entraînement 10.6 Déterminer pour les filtres dont le schéma figure ci-dessous la réponse impulsionnelle D(t) et la fonction de transfert G(p). d

b

1)

C e(t)

s(t)

R

a

2)

c d

b R

R

e(t)

C

C

a

c

d

b

3)

s(t)

C e(t)

C R

R

a

s(t)

c

Réponses

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

10.6 1) G( p) =

RCp t   Y (t ) , D(t ) = δ(t ) −  exp  − .    1 + RCp RC RC 

2) G( p) =

1  Y (t )  , D(t ) =  (exp( −ω1t ) − exp( −ω 2t )) , R2C 2 p2 + 3 RCp + 1  2 RC 5 

avec ω1 =

3− 5 3+ 5 . et ω 2 = 2 RC 2 RC

3) G( p) =

R2 C 2 p 2 RC t  1  Y (t ) , D(t ) = exp  − . δ ′(t ) − δ (t ) +     RC RC 1 + 2 RCp 2 4 8 2 

Chapitre 11

Espace de probabilités

RAPPELS Soit (, A, P) un espace de probabilités. • On a : P() = 1 , P(∅) = 0

(R11.1)

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

• Pour les évènements A et B on a : P(A ∪ B) = P(A) + P(B) − P(A ∩ B)

(R11.2)

P(Ac ) = 1 − P(A)

(R11.3)

• Pour la suite d'événements A1 ,. . . ,An , deux à deux disjoints, on a :    n n P Ak = P(Ak ) k=1

(R11.4)

k=1

• Les événements A1 ,. . . ,An sont, pour la probabilité P, mutuellement indépendants si :    n n Ak = P(Ak ) = P(A1 ). . . . .P(An ) P (R11.5) k=1

k=1

• Probabilité conditionnelle. La probabilité conditionnelle de B sachant A est définie par : P(B|A) =

P(A ∩ B) P(A)

(P(A) = / 0)

(R11.6)

212

Mathématiques du signal

• Propriétés des probabilités totales. Soit A1 ,. . . ,An une partition de  telle que / 0. Alors, pour tout B ∈ A on a : ∀ k, P(Ak ) = P(B) =

n 

P(B|Ak )P(Ak )

(R11.7)

k=1

• Théorème de Bayes. Soit A1 ,. . . ,An une partition de  telle que ∀ k, / 0. Alors, pour tout B ∈ A on a : P(Ak ) = P(Ak |B) =

P(B|Ak )P(Ak ) n  P(B|Ak )P(Ak )

(R11.8)

k=1

Exercice 11.1 Un sac contient 2n boules numérotées de 1 à 2n. On en extrait au hasard n boules. Quelle est la probabilité que la somme des points tirés soit supérieure ou égale à la somme des points restants ? Pour n = 2 ? Pour n = 3 ? Pour n = 4 ? Notons Ω l’ensemble des événements possibles. On a : / i2 = / ... = / in et i1 , i2 ,..., in ∈ {1,2,...,2n}}. Ω = {ω = (i1 , i2 ,..., in) : i1 = Alors, Ω est constitué des sous-ensembles à n éléments d’un ensemble à 2n éléments. Le tirage étant effectué au hasard, les événements possibles peuvent être considérés comme équiprobables. On a donc : (2 n)! card( A) et ∀ A ∈ Ω, P( A) = card(Ω ) = C2nn = . card(Ω ) (n !)2 2n

Soient : S = somme totale des points =

∑i = i =1

2 n(2 n + 1) = n(2 n + 1), 2

S1 = somme des points tirés, S2 = somme des points restants, A = {ω : S1(ω) > S2(ω)}, B = {ω : S1(ω) < S2(ω)}, et C = {ω : S1(ω) = S2(ω)}. On cherche à calculer P(A ∪ C). Puisqu’on partage les 2n boules en 2 parties égales, la somme des points tirés et la somme des points qui restent jouent des rôles symétriques, c’est-à-dire P(A) = P(B). On a Ω = A ∪ B ∪ C ; les événements A, B et C sont disjoints, donc : 1 = P(Ω) = P(A ∪ B ∪ C) = P(A) + P(B) + P(C) = 2P(A) + P(C), 1 soit : P( A) = (1 − P(C )). 2

11 • Espace de probabilités

213

P ( A ∪ C ) = P ( A) + P ( C ) =

Donc,

1 (1 + P(C )). 2

/ j et i, j ∈ {1,2,3,4}}, soit : • Si n = 2, on a Ω = {ω = (i,j) : i = Ω = {(1,2);(1,3);(1,4);(2,3);(2,4);(3,4)} ; donc card(Ω) = 6 et S = 10. A = {(2,4);(3,4)}, B = {(1,2);(1,3)}, C = {(1,4);(2,3)}. 2 Donc : P( A ∪ C ) = . 3 / j= / k et i, j, k ∈ {1,2,...,6}}, • Si n = 3, on a Ω = {ω = (i,j,k) : i = card(Ω) = 20 et S = 21. / j= / k et i + j + k = 21 – (i + j + k)} = ∅, on en déduit que On a : C = {(i,j,k) : i = 1 P( A ∪ C ) = . 2 On remarque, que pour n impair, on a toujours C = ∅ ; 1 donc : P( A ∪ C ) = . 2 / j = / k = / m et i, j, k, m ∈ {1,2,...,8}}, • Si n = 4, on a Ω = {ω = (i,j,k,m) : i = card(Ω) = 70 et S = 36. / j= / k= / m et i + j + k + m = 18} C = {(i,j,k,m) : i = = {{1,2,7,8);(1,3,6,8);(1,4,5,8);(1,4,6,7);(2,3,6,7);(2,3,5,8);(2,4,5,7);(3,4,5,6)} donc card(C) = 8, 39 on en déduit que : P( A ∪ C ) = ≈ 0, 56 . 70

Exercice 11.2 Formule de Poincaré

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Soit (Ω, (Ω), P) un espace probabilisé. 1) Montrer que, quels que soient les événements A, B et C, on a : P(A ∪ B ∪ C) = P(A) + P(B) + P(C) – P(A ∩ B) – P(A ∩ C) – P(B ∩ C) + P(A ∩ B ∩ C). 2) Montrer que, pour toute suite A1 , A2 , ..., An d’événements de P(Ω), on a :   n P AP  = P ( Ap ) − P( Ap ∩ Am )  p =1  0 < pn 0 < p < mn

U

+

∑

∑

∑ P( Ap ∩ Al ∩ Am ) + ... + (−1)n+1 P( A1 ∩ A2 ∩ ... ∩ An ).

0 < p 1

4) La loi conditionnelle de X sachant {U = u} est définie par :

 1+u f X,U (x,u)  2u f X (x|u) = =  fU (u) 1

12.43

2u ,0
u
1 1+u si 0
x
1 , u > 1 si 0
x


1)

f X,Y (x,y) = f X (x|y) f Y (y) = 6(1 − y) 11[0,y] (x) 11[0,1] (y) = 6(1 − y) 11[0,1] (x) 11[x,1] (y)

272

Mathématiques du signal

La loi marginale de X est définie par : ∀ x ∈ [0,1] ,



f X (x) =



∞

1

f X,Y (x,y) dx dy = 6

−∞

(1 − y) dy = 3 (1 − x)2

x

2) La fonction fonction caractéristique de la loi de X est définie par :

  ϕ X (t)= E eit X =





∞

e −∞

it x

1

f X (x) dx = 6

(1 − x)2 eit x dx

0

  3 2t + it 2 − 2i + 2ieit = t3 1  x 1  et−θ dt = e x−θ  2 2 −∞ 12.44 1) On a : FX (x) =  x  1  1+1 e−(t−θ) dt = 1 − e−(x−θ) 2 2 θ 2

si x
θ si x  θ

2) On a : E[X] = θ , E[X 2 ] = 2 + θ2 et V ar[X] = 2 3) On a : E[Y ] = θ et V ar[Y ] = 2 + θ2 + 12.45

θ2 θ2 − θ2 = 2 + > 2 = V ar[X] . 6 6

1)

f X,Y (x,y) = f X (x|y) f Y (y) = =

1 −y e 11[θ−y,θ+y] (x) 11]0,∞[ (y) 2

1 −y e 11]−∞,∞[ (x) 11[|x−θ|,∞[ (y) 2

La loi marginale de X est définie par : ∀ x ∈ R,



f X (x) =

∞

−∞

f X,Y (x,y) dx dy =

2) On a : E[X] = θ et V ar[X] = 2 .

1 2



∞

|x−θ|

e−y dy =

1 −|x−θ| e 2

Chapitre 13

Covariance. Coefficient de corrélation

RAPPELS Soient X et Y deux variables aléatoires. • covariance de X et Y :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Cov(X, Y ) = E [((X − E[X])(Y − E[Y ])] = E[X Y ] − E[X] E[Y ] (R13.1) / 0 on dit que les variables X et Y sont corrélées. • Si Cov(X, Y ) = • Si X et Y sont indépendantes on a : Cov(X, Y ) = 0, alors elles sont décorrélées (en général, la réciproque est fausse). • Propriétés de la covariance :  Cov(X, X) = V ar[X]    Cov(X, Y ) = Cov(Y, X)  Cov(a X, bY ) = ab Cov(X, Y )   si Y = a X + b, alors Cov(X, Y ) = a V ar [X]

(R13.2)

• coefficient de corrélation entre X et Y : ρ= 

Cov(X, Y ) V ar[X] V ar[Y ]

(R13.3)

274

Mathématiques du signal

• Propriétés du coefficient de corrélation : | ρ |
1

(R13.4)

• Xˆ la meilleure approximation de X par la droite aY + b : V ar[X] Xˆ = E[X] + ρ (Y − E[Y ]) V ar[X]

(R13.5)

Exercice 13.1 Soit X une variable aléatoire telle que Var[X] = σ 2 < ∞ ; pour q ∈ , on définit les variables aléatoires X1 , X2 , ..., Xn de la façon suivante : X1 = X et ∀ i = 2, ..., n Xi = qXi–1 . Calculer le coefficient de corrélation entre Xn et X1 . Commenter le résultat. On a : Xn = qXn–1 = qn–1X, donc : Cov(Xn,X1) = Cov(q n–1X,X) = q n–1Cov(X,X) = q n–1Var[X] = q n–1s 2 . D’autre part : Var[Xn] = Cov(Xn,Xn) = Cov(q n–1X,q n–1X) = q 2(n–1)s 2 . Donc : ρ ( Xn , X1 ) =

Cov( Xn , X ) Var[ Xn ]Var[ X ]

=

θ ( n −1)σ 2 θ 2( n −1)σ 4

1 ρ ( Xn , X1 ) =  sgn(θ )

soit :

=

θ n −1 θ n −1

si n = 2 k + 1 . si n = 2 k

/ 0), on a r(X,Y) Ce résultat est naturel car, pour Y = aX + b où a et b sont des constantes (a = = sgn(a) = ± 1. Or Xn = q n–1X1 , donc il est clair que si n – 1 est pair r(Xn,X1) = 1 et si n – 1 est impair r(Xn,X1) = sgn(θ).

Exercice 13.2 Soit X1 , X2 , ..., X2n des variables aléatoires telles que pour tout i = 1, ..., 2n (avec n  2) Var[Xi] = s 2 < ∞ et pour i ≠ j Cov(Xi ,Xj) = qs 2. n

Soit : Y =

∑ i =1

2n

Xi et Z =

∑ Xi . i =1

1) Calculer Var[Y] et Var[Z]. En déduire des conditions sur q. 2) Dans ces conditions, calculer le coefficient de corrélation entre Y et Z.

13 • Covariance. Coefficient de corrélation

275

1) On a : 2n  2n  Var[ Z ] = Cov Xi , X j  =    i =1  j =1

∑ ∑

∑ Cov( X , X ) +∑ Cov( X , X ) i

j

i= j

i

j

i≠ j

= 2ns2 + 2n(2n – 1)Cov(X1,X2) = 2ns2[1 + (2n – 1)q]. On doit donc avoir 1 + (2n – 1)θ > 0, ce qui donne θ >

−1 . 2n − 1

(1)

De même Var[Y] = ns 2[1 + (n – 1)θ] ; avec 1 + (n – 1)q > 0, ce qui donne : θ > −1 . (2) n −1 −1 −1 −1  , Les conditions (1) et (2) sont réalisées si θ > sup  (3) = n 1 2 n 1 2 n − 1. − −   / j, on doit avoir |ρ(Xi,Xj)|  1, ce qui donne : D’autre part, par (R13.4), pour i = Cov( Xi , Yj ) Var[ Xi ]Var[Yj ]

= θ 1.

(4)

 −1 ,1 . En regroupant les conditions (3) et (4), on obtient : θ ∈   2 n − 1  2) On a : n 2n 2n  n   n  Cov(Y , Z ) = Cov Xi , X j  = Cov Xi , Xj + Xj      i =1   i =1 j = n +1  j =1 j =1

∑ ∑

 n = Cov Xi ,   i =1

∑ ∑

∑

2n   n  X j  + Cov Xi , X j  = Var[Y ] +      i =1 j = n +1  j =1 n

∑ ∑

∑ ∑

n

2n

∑ ∑ Cov( X , X ) i

j

i =1 j = n +1

= Var[Y ] + n 2 Cov( Xn , X2 n ) = Var[Y ] + n 2θσ 2 = nσ 2 [1 + (2 n − 1)θ ] ; d’où : © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

ρ (Y , Z ) =

Cov(Y , Z ) = Var[Y ]Var[ Z ]

1 + (2n − 1)θ . 2(1 + (n − 1)θ

Exercice 13.3 Soit (X,Y ) un couple de variables aléatoires réelles, on suppose que :

•

Conditionnellement à {Y = y}, la loi de X a pour densité : x + y −x f X (x|y) = e 1l]0,∞[ (x) (∀y > 0) 1+y

•

Conditionnellement à {X = x}, la loi de Y a pour densité : x + y −y f Y (y|x) = e 1l]0,∞[ (y) (∀x > 0) 1+x

276

Mathématiques du signal

1) Montrer que X et Y suivent la même loi. 2) Calculer E[X], Var[X] et E[X Y ]. En déduire ρ le coefficient de corrélation entre X et Y. 3) Avec (R13.5). Déterminer : a) Xˆ la meilleure approximation de X par la droite aY + b. b) e =  Xˆ − X2 la précision de l’approximation et l'erreur relative  Xˆ − X . X 1) Par définition de la loi du couple (X,Y ), on a : ∀x > 0 , ∀y > 0  x + y −y   f X,Y (x,y) = f Y (y|x) f X (x) = 1 + x e f X (x)   f (x,y) = f (x|y) f (y) = x + y e−x f (y) X,Y X Y Y 1+y

(1)

De (1) on déduit : ∀x > 0 , ∀y > 0 x + y −y x + y −x e f X (x) = e f Y (y) 1+x 1+y

(2)

Or, une fonction de x ne peut être constamment égale à une fonction de y que si ces deux fonctions sont égales à une constante que l'on notera λ. Soit, ∀x > 0 , ∀y > 0 f X (x) f Y (y) = =λ −x (1 + x) e (1 + y) e−y où λ > 0. Il vient donc

 1=

∞

 f X (x) dx = λ

0

On en déduit f X (x) =

∞

(1 + x) e−x dx

0

1 + x −x 1 + y −y e 1l]0,∞ (x). De même : f Y (y) = e 1l]0,∞ (y). 2 2

2) Du fait que X et Y suivent la même loi, on a E[X] = E[Y ] et Var[X] = Var[Y ]. Or,   ∞ 1 ∞ 3 x f X (x) dx = x (1 + x) e−x dx = E[X] = 2 0 2 −∞  ∞  ∞ 1 x 2 f X (x) dx = x 2 (1 + x) e−x dx = 4 E[X 2 ] = 2 0 −∞ d'où Var[X] =

7 . D'autre part, on a : 4  E[X Y ] =

∞ ∞

−∞ −∞

x y f X,Y (x,y) dx dy

(3)

13 • Covariance. Coefficient de corrélation

277

x + y −(x+y) 1l]0,∞[ (x) 1l]0,∞[ (y) ; ce qui implique : e Or, f X,Y (x,y) = f Y (y|x) f X (x) =  ∞ 2  ∞ 1 E[X Y ] = y e−y x (x + y) e−x dx dy = 2 2 0 0 Le coefficient de corrélation entre X et Y est défini par : Cov(X,Y ) 1 E[X Y ] − E[X] E[Y ] ρ= √ = − = −0,1429 = Var[X] 7 Var[X] Var[Y ] 3.a) On a : 12 − Y Var[X] (Y − E[Y ]) = Xˆ = E[X] + ρ Var[Y ] 7 12 = 1,7143. 7 √ 4 3  Xˆ − X  = 1 − ρ2 = = 0,9897 . L'erreur relative est définie par : X 7

3.b) On a : e = Var[X] (1 − ρ2 ) =

Exercice 13.4 Soit U une variable aléatoire réelle suivant une loi uniforme sur l'intervalle [−1,1] 1

de densité fU (u) = 1l[−1,1] (u) . On définit les variables aléatoires X, Y, Z par : 2

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

X = cos3 (πU ) , Y = cos2 (πU ) et Z = cos(πU ).   1 0 n  m cos (πθ) dθ = C2m On admet que : ∀n ∈ N ,  −1 4m

si n = 2m − 1 si n = 2m

1) Déterminer K X,Y,Z la matrice variance-covariance du vecteur (X,Y,Z ). 2) Déterminer : a) Xˆ la meilleure approximation de X par une variable aléatoire de la forme β + α1 Y + α2 Z. b)  Xˆ − X2 l'erreur de l'approximation. 

Var[X]

 1) Par définition on a : K X,Y,Z =  Cov(X,Y ) Cov(X,Z )

Cov(X,Y ) Cov(X,Z ) Var[Y ] Cov(Y,Z )



 Cov(Y,Z )  . Var[Z ]

278

Mathématiques du signal

On a :

 E[X] =

∞

−∞

 E[X 2 ] =

cos3 (πu) fU (u) du =

∞

−∞

1 2

cos6 (πu) fU (u) du =

1 2



1

−1



cos3 (πu) du = 0

1

−1

cos6 (πu) du =

5 16

d'où Var[X] =

5 . De même, on a : 16   ∞ 1 1 1 cos2 (πu) fU (u) du = cos2 (πu) du = E[Y ] = 2 2 −∞ −1  1  ∞ 1 3 cos4 (πu) fU (u) du = cos4 (πu) du = E[Y 2 ] = 2 −1 8 −∞

d'où Var[Y ] =

1 ; et 8



 1 1 cos(πu) fU (u) du = cos(πu) du = 0 E[Z ] = 2 −1 −∞   ∞ 1 1 1 2 2 cos (πu) fU (u) du = cos2 (πu) du = E[Z ] = 2 −1 2 −∞ ∞

1 d'où Var[Z ] = . D'autre part, on a : 2  ∞  1 1 cos5 (πu) fU (u) du = cos5 (πu) du = 0 E[X Y ] = 2 −∞ −1  1  ∞ 1 3 cos4 (πu) fU (u) du = cos4 (πu) du = E[X Z ] = 2 8 −∞ −1  1  ∞ 1 cos3 (πu) fU (u) du = cos3 (πu) du = 0 E[Y Z ] = 2 −1 −∞ on en déduit : Cov(X,Y ) = E[X Y ] − E[X] E[Y ] = 0 3 8 Cov(Y,Z ) = E[Y Z ] − E[Y ] E[Z ] = 0  5 3 0  16 8   1 . D'où K X,Y,Z =  0 0   8   3 1 0 8 2 Cov(X,Z ) = E[X Z ] − E[X] E[Z ] =

13 • Covariance. Coefficient de corrélation

279

2.a) On a : 1 Xˆ = E[X] + α1 (Y − E[Y ]) + α2 (Z − E[Z ]) = α1 (Y − ) + α2 Z 2   α1 Cov(X,Y ) = K Y,Z avec où (α1 ,α2 ) sont solutions du système : Cov(X,Z ) α2  1  0 Var[Y ] Cov(Y,Z )  K Y,Z = =8 1 Cov(Y,Z ) Var[Z ] 0 2 3 3 On a donc α1 = 0 et α2 = d'où Xˆ = Z. 4 4 2.b) L'erreur de l'approximation est définie par :  Xˆ − X2 =

d´et(K X,Y,Z ) 1 = = 0,0313 d´et(K Y,Z ) 32

Exercice 13.5 Soit U une variable aléatoire réelle suivant une loi exponentielle de paramètre λ (λ > 0), de densité fU (u) = λ e−λ u 1l]0,∞[ (u) . On définit les variables aléatoires X 1 ,. . . ,X n+1 par : X k = e−kU (k = 1,. . . ,n + 1) . 1) Pour k = 1,. . . ,n + 1, déterminer E[X k ] et Var[X k ]. / j, déterminer Cov(X i ,X j ). En déduire K n la matrice variance-cova2) Pour i = riance du vecteur (X 1 ,. . . ,X n ). 3) On suppose n = 4 et λ = 1, déterminer :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

a) Xˆ n+1 la meilleure approximation de X n+1 par une variable aléatoire de la n  αk X k . forme β + k=1

b)  Xˆ n+1 − X n+1 2 l'erreur de l'approximation. 1) Pour k = 1,. . . ,n + 1, on a :  ∞  E[X k ] = e−ku fU (u) du = λ −∞ ∞

 E[X k2 ] = d'où Var[X k ] =

−∞ 2

∞

e−(λ+k)u du =

0

e−2ku fU (u) du = λ

λk . (λ + k)2 (λ + 2k)

 0

∞

λ λ+k

e−(λ+2k)u du =

λ λ + 2k

280

Mathématiques du signal

/ j , on a : 2) Pour i =  E[X i X j ] =

∞

−∞

e−iu e− ju fU (u) du = λ



∞

e−(λ+i+ j)u du =

0

λ λ+i + j

d'où Cov(X i ,X j ) = E[X i X j ] − E[X i ] E[X i ] =

λi j (λ + i + j)(λ + i)(λ + j)

La matrice variance-covariance du vecteur (X 1 ,. . . ,X n ) est définie par :   Var[X 1 ] . . . Cov(X 1 ,X n )  .  .. ..  . Kn =  . .  .  Cov(X 1 ,X n ) . . . Var[X n ] 

λ  (λ + 1)2 (λ + 2)   =  ...   nλ (λ + n + 1)(λ + 1)(λ + n)

... .. . ...

 nλ (λ + n + 1)(λ + 1)(λ + n)    ..  .   2 n λ (λ + n)2 (λ + 2n)

3.a) On a : Xˆ 4 = E[X 4 ] +

3 

αk (X k − E[X k ])

k=1

   α1 Cov(X 4 ,X 1 ) où (α1 ,α2 ,α3 ) sont solutions du système :  Cov(X 4 ,X 2 )  = K 3  α2  avec α3 Cov(X 4 ,X 3 )   1  1 3 1     12 12 40   15  Cov(X 4 ,X 1 )       8     1 4 1       K3 =  et   Cov(X 4 ,X 2 )  =  105    12 45 12       ,X ) Cov(X 4 3 3 3 1 9 40 12 112 40 

On trouve α1 =

2 9 , α2 = − , α3 = 2 . On en déduit 7 7 1 9 2 Xˆ 4 = − + X 1 − X 2 + 2 X 3 70 7 7

3.b) L'erreur de l'approximation est définie par :  Xˆ 4 − X 4 2 = Var[X 4 ] −

3  3  i=1 j=1

αi α j Cov(X i ,X j ) =

1 = 2,2676 10−5 44100

13 • Covariance. Coefficient de corrélation

281

Exercice 13.6 Soit X une variable aléatoire réelle admettant une densité de fonction de répartition F. Pour n  3 et j ∈ {1,. . . ,n − 1} on considère les variables aléatoires Y j définies par : Y j = θ j 1l{X
x j } où les points x j vérifient F(x j ) =

j

et θ1 ,. . . ,θn−1

n

sont des réels. 1) Déterminer E[Y j ] et Var[Y j ] . / j, déterminer Cov(Yi ,Y j ). 2) Pour i = 1) Pour j ∈ {1,. . . ,n − 1} , Y j est à valeurs dans {0,θ j }. On a : E[Y j ] = 0 P(Y j = 0) + θ j P(Y j = θ j ) = θ j P(X
x j ) =

j θj . n

On remarque que E[Y j2 ] = 02 P(Y j = 0) + θ2j P(Y j = θ j ) = θ2j P(X
x j ) = d'où

Var[Y j ] =

j 2 θ n j

j j (1 − ) θ2j n n

2) On a : Cov(Yi ,Y j ) = E[Yi Y j ] − E[Yi ] E[Y j ] . Or, E[Yi Y j ]= θi θ j P(Yi = θi ,Y j = θ j ) = θi θ j P(X
xi ,X
x j )   min(i, j) = θi θ j P X
min(xi ,x j ) = θi θ j n

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

d'où  Cov(Yi ,Y j ) =

min(i, j) i j − 2 n n



min(i, j) θi θ j = n

 max(i, j) 1− θi θ j n

Exercice 13.7 Soit X 1 ,. . . ,X n des variables aléatoires indépendantes suivant la même loi exponentielle de paramètre λ. On pose : Sn =

n  i=1

1) Déterminer V ar[Un ].

Xi ,

Un =

n  i=2

(X i − X i−1 )

282

Mathématiques du signal

2) Déterminer le coefficient de corrélation entre Sn et Un. 3) Sn et Un sont-ils indépendants ? Du fait que X 1 ,. . . ,X n suivent la même loi E xponentielle de paramètre λ, on a : ∀i , E[X i ] =

1 1 , V ar[X i ] = 2 λ λ

/ j , cov(X i ,X j ) = 0. et comme X 1 ,. . . ,X n sont indépendantes on a : ∀i = 1) On peut écrire l'expression de Un sous la forme : Un

=

n 

Xi −

i=2

n 

X i−1 =

i=2

n−1 

Xi + Xn − X1 −

i=2

n 

X i−1

i=3

   j=i−1

=

n−1 

Xi + Xn − X1 −

i=2

n−1 

X j = Xn − X1

j=2

On en déduit : V ar[Un ] = V ar[X n − X 1 ] = V ar[X n ] + V ar[X 1 ] =

2

. λ2 Cov (Sn ,Un ) . 2) Le coefficient de corrélation entre Sn et Un est défini par : ρ = √ V ar[Sn ] V ar[Un ] Or,    n n−1  = Cov Cov Sn ,Un X i ,X n − X 1 = Cov X 1 + X i + X n ,X n − X 1 i=1

= Cov (X 1 ,X n − X 1 ) +

i=2 n−1 

Cov (X i ,X n − X 1 ) + Cov (X n ,X n − X 1 )

i=2

= −V ar[X 1 ] + 0 + V ar[X n ] = 0 On en déduit : ρ = 0. 3) Bien que Cov (Sn ,Un ) = 0, Sn et Un ne sont pas indépendantes.

Exercice 13.8 Soit X une variable aléatoire réelle dont la loi admet la densité : f (x) = / θ2 , on définit les variables aléatoires Y1 et Y2 par : Pour θ1 =   θ X si X
0 θ X si X
0 Y1 = 1 Y2 = 2 X si X > 0 X si X > 0 1) Exprimer Cov(Y1 ,Y2 ) en fonction de θ1 et θ2 . √ √ 1+ 8 −1 + 8 et θ2 = . Que constate-t-on ? 2) On suppose θ1 = − 3 3

1 −|x| e . 2

13 • Covariance. Coefficient de corrélation

283

1) On peut écrire Y1 et Y2 sous la forme : Y1 = θ1 X 11]−∞,0] (X) + X 11[0,∞[ (X) et Y2 = θ2 X 11]−∞,0] (X) + X 11[0,∞[ (X) d'où :     Cov (Y1 ,Y2 ) = Cov θ1 X 11]−∞,0] ,θ2 X 11]−∞,0] (X) + Cov θ1 X 11]−∞,0] ,X 11[0,∞[ (X)     +Cov X 11[0,∞[ (X),θ2 X 11]−∞,0] (X) + Cov X 11[0,∞[ (X),X 11[0,∞[ (X)     = θ1 θ2 V ar X 11]−∞,0] + θ1 Cov X 11]−∞,0] ,X 11[0,∞[ (X)     +θ2 Cov X 11[0,∞[ (X),X 11]−∞,0] (X) + V ar X 11[0,∞[ (X) On a :     1 0   1 ∞ −x 1 1 E X 11]−∞,0] = x e x dx = − x e dx = , E X 11[0,∞[ = 2 −∞ 2 2 0 2      1 0 2 x  1 ∞ 2 −x E X 2 11]−∞,0] = x e dx = 1 , E X 2 11[0,∞[ = x e dx = 1 2 −∞ 2 0     1 3 donc : V ar X 11]−∞,0] (X) = V ar X 11[0,∞[ (X) = 1 − = , d'autre part, 4 4       1 Cov X 11[0,∞[ (X),X 11]−∞,0] (X) = −E X 11]−∞,0] E X 11[0,∞[ = 4 on en déduit : Cov (Y1 ,Y2 ) =

3θ1 θ2 + θ1 + θ2 + 3 4

7 2 et θ1 + θ2 = − , donc pour ces valeurs particulières bien que Y1 et 9 3 Y2 ne soient indépendantes, on a : Cov (Y1 ,Y2 ) = 0. 2) On a : θ1 θ2 = −

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Exercice 13.9 Soit X une variable aléatoire de loi uniforme sur l'intervalle [−1,1]. On défin  ai X 2i−1 ; où a1 ,. . . ,an sont des réels. nit la variable aléatoire Y par : Y = i=1

Déterminer ρ le coefficient de corrélation entre X et Y. Le coefficient de corrélation entre X et Y est défini par : ρ = √ Or, pour k ∈ N ,





Cov (X,Y ) . V ar[X] V ar[Y ]

0 si k impair 1 si k pair −1 k+1 n  1 ai E[X 2i−1 ] = 0 , On en déduit : E[X] = 0, V ar[X] = E[X 2 ] = , E[Y ] = 3 i=1 1 E[X k ] = 2

1

x k dx =

284

Mathématiques du signal

V ar[Y ] = Cov (Y,Y ) = Cov =

n  n 

 n



ai X

2i−1

i=1

n  2 j−1 , aj X



j=1

ai a j Cov X 2i−1 ,X 2 j−1

i=1 j=1

=

n 

n      ai2 cov X 2i−1 ,X 2i−1 + ai a j cov X 2i−1 ,X 2 j−1

i=1

=

n 



ai2 V ar X

 2i−1

=

i=1

=

n  i=1



ai2 E X

 4i−2

i= / j

       ai a j E X 2i+2 j−2 − E X 2i−1 E X 2 j−1

i= / j

i=1

n 

+

n 

+

n 

  ai a j E X 2i+2 j−2

i= / j

n  ai2 ai a j + 4i − 1 i =/ j 2i + 2 j − 1

   n n   ai X 2i−1 = ai cov X,X 2i−1 Cov (X,Y ) = Cov X, =

i=1

i=1

n 

n       ai E X 2i − E [X] E X 2i−1 =

i=1

i=1

ai 2i + 1

On en déduit : n √  3

n √  3

ρ=  n  

ai i=1 2i + 1

n  ai2 ai a j + 4i − 1 2i + 2j − 1 i=1 i= / j

= n  

ai i=1 2i + 1

n  ai2 ai a j +2 4i − 1 2i + 2j − 1 i=1 i< j

Exercice 13.10 (Modèle Auto-Régressif d'ordre 1 AR(1)) Soit X 1 ,. . . ,X n des variables aléatoires vérifiant la relation : X i = α X i−1 + i . où 1 ,. . . ,n sont des variables aléatoires indépendantes suivant la même loi N (0,σ2 ) et α est un réel appartenant à [−1,1]. / j, calculer ρi, j le coefficient de corrélation entre X i et X j . Pour i = On remarque que X 1 = 1 , X 2 = α X 1 + 2 , .... On en déduit : X i =

i  k=1

Du fait que 1 ,. . . ,n sont indépendantes on a : i i     V ar αi−k k = α2i−2k V ar [k ] V ar[X i ] = k=1

= σ2

i  k=1

k=1

α2i−2k

1 − α2i 2 = σ 1 − α2

αi−k k

13 • Covariance. Coefficient de corrélation

285

/ j cherchons Cov(X i ,X j ). On a : Pour i = Cov(X i ,X j ) =

j i  

αi−k α j−r Cov (k ,r )

k=1 r=1

du fait que que Cov(X i ,X j ) = Cov(X j ,X i ) , il suffit qu'on regarde le cas i < j. Or, si i < j, on a : j i   k=1 r=1

=

i  i 

+

k=1 r=1

j i  



=

+



+

k= /r

k=r

k=1 r=i+1

j i   k=1 r=i+1

On en déduit : Cov(X i ,X j ) =

i 

αi+ j−2k Cov (k ,k ) =

k=1

α j−i (1 − α2i ) 2 σ 1 − α2

Notons : m = min{i, j} et M = max{i, j}, il vient donc : Cov(X i ,X j ) =

α M−m (1 − α2m ) 2 σ 1 − α2

/ j cherchons maintenant ρi, j le coefficient de corrélation entre X i et X j, Pour i =  Cov(X i ,X j ) 1 − α2m α M−m (1 − α2m ) M−m = =α ρi, j =  1 − α2M V ar[X i ]V ar[X j ] (1 − α2i )(1 − α2 j ) On remarque que si α = ±1 on a : V ar[X i ] = i σ2 . D'autre part, si α = 1, Cov(X i ,X j ) = min{i, j} σ2 = m σ2 . Si α = −1, Cov(X i ,X j ) =

−min{i, j} σ2 min{i, j} σ2

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

On en déduit :

ρi, j

 !m    M    !m = −   ! M    m  M

si i + j si i + j

impair = pair

−m σ2 m σ2

si m + M si m + M

si α = 1 si α = −1 et m + M

impair

si α = −1 et m + M

pair

impair pair

286

Mathématiques du signal

Exercices d’entraînement 13.11 Soit (X,Y ) un couple de variable aléatoire réelles de densité : f X,Y (x,y) =

1 2 (y − x 2 ) e−y 1l]0,∞[ (y) 1l[−y,y] (x) 8

1) X et Y sont-elles indépendantes ? 2) Déterminer les lois marginales de X et de Y. 3) Calculer Cov(X,Y ). Que remarquez-vous ? 13.12 Soit (X n )n1 une suite de variables aléatoires réelles indépendantes suivant la même loi de densité : x 1 − f (x) = e θ 1l]0,∞[ (x) θ

(θ > 0)

1) Pour n  1 , déterminer E[X n ] et Var[X n ]. 2) On pose : X n =

n 1  X i . Pour k = / m, déterminer Cov(X k , X m ). n i=1

13.13 Soit (X,Y ) un couple de variable aléatoire réelles telles que : E[X] = 1, E[Y ] = −1 ,Var[X] = 1 + θ2 ,Var[Y ] = 1 + θ2 et Cov(X,Y ) = θ. 1) Exprimer E[X Y ] en fonction de θ. 2) Déterminer ρ le coefficient de corrélation entre X et Y. 3) Déterminer : a) Xˆ la meilleure approximation de X par la droite aY + b. b) e(θ) =  Xˆ − X2 la précision de l'approximation. Réponses

13.11

1) X et Y ne sont pas indépendantes, car elles sont liées par la condition |X|
Y .

1 1 (1 + |x|) e−|x| et f Y (y) = y 3 e−y 1l]0,∞[ (y) . 4 6 3) On a : E[X] = 0 , E[Y ] = 4 et E[X Y ] = 0 , d'où Cov(X,Y ) = 0 . Bien que X et Y ne soient pas indépendantes on a : Cov(X,Y ) = 0 . 2) On a : f X (x) =

13.12

1) E[X n ] = θ, Var[X n ] = θ2 . 2) Cov(X k , X m ) =

θ2 . max(k,m)

13 • Covariance. Coefficient de corrélation

13.13

287

1) Par définition on a : Cov(X,Y ) = E[X Y ] − E[X] E[Y ] , d'où

E[X Y ] = Cov(X,Y ) + E[X] E[Y ] = θ − 1 Cov(X,Y ) θ . = Var[X] Var[Y ] 1 + θ2

2) Par définition on a : ρ = √ 3.a) On a :

θ Var[X] (Y + 1) (Y − E[Y ]) = 1 + Xˆ = E[X] + ρ Var[Y ] 1 + θ2

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3.b) On a : e(θ) = Var[X] (1 − ρ2 ) =

(θ2 + θ + 1)(θ2 − θ + 1) 1 + θ2

.

Chapitre 14

Vecteurs gaussiens

RAPPELS Soit X un vecteur ligne aléatoire et t X son transposé. • On définit le vecteur moyenne de X par : 

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

 E[X 1 ]  E[X 2 ]   MX = E[X] =   ... 

(R14.1)

E[X k ] • On définit la matrice variance-covariance de X par :  2  σ1 σ12 . . . σ1k   σ  2 σ . . . σ   12 2k 2    VX = E (X − MX ) t (X − MX ) =   .. ..   ..  . . ... .    σ1k σ2k . . . / j, σi j = Cov(X i , X j ). où σi2 = Var[X i ] et pour i =

σ2k

(R14.2)

290

Mathématiques du signal

Soit X un vecteur aléatoire. X est dit gaussien si toute combinaison linéaire de ses composantes est une variable aléatoire Normale. La loi du vecteur aléatoire gaussien X est entièrement déterminée par la donnée de MX et de VX . Pour tout vecteur aléatoire gaussien X, on note X∼Nk (MX , VX ) . Les composantes d'un vecteur aléatoire gaussien X sont des variables aléatoires normales : ∀i = 1,. . . , k, X i suit une loi normale N (E[X i ], Var[X i ]). Soit X∼ Nk (MX , VX ). / 0, et on a : • La loi de X admet une densité f X si et seulement si detVX =

 1 1 −1 t exp − (x − MX ) VX (x − MX ) (R14.3) f X (x) = √ 2 ( 2π)k (detVX )1/2 où x est un vecteur ligne. • Les composantes de X sont indépendantes si et seulement si VX est diagonale. • Soit Y = AX + B , avec A une matrice p × k, B un vecteur p × 1. Alors, Y est un vecteur gaussien N p (MY , VY ) avec : MY = AMX + B et VY = A VX t A

(R14.4)

Exercice 14.1 Soit  = t(X1 ,X2 ,X3) un vecteur gaussien, on suppose M = E[] = 0 et  1 a b K =  a 4 c .  b c 9 1) D’après les propriétés du coefficient de corrélation, trouver des conditions que doivent vérifier (a,b,c) pour que K soit une matrice de covariance. 2) On définit  =

t(Y ,Y ,Y ) 1 2 3

Y1 = X1  par Y2 = X2 − X1 . Y = X − X 3 2  3

a) Quelle est la loi de  ? b) Peut-on trouver a, b, c de sorte que Y1 , Y2 et Y3 soient indépendantes ? c) On suppose ces conditions réalisées, calculer E[X1X2], E[X1X3], E[X2X3]. / j, 1) On doit avoir ∀ i =

Cov( Xi X j ) Var[ Xi ]Var[ X j ]

1 ce qui donne :

14 • Vecteurs gaussiens

291

 a 1   1× 4  b 1   1× 9  c  4 × 9 1 

⇔

a 2  b  3.   c  6

 1 0 0 2) a) On a  = , avec  =  −1 1 0 ; donc,  est un vecteur gaussien. Sa moyen 0 −1 1 ne est M = M = 0 et sa matrice de covariance est K = Kt, d’après (R14.4), 1 K =  a − 1  b − a

a −1 5 − 2a a−b+c−4

b−a  a − b + c − 4 .  13 − 2c 

/ j b) Les variables gaussiennes Y1 , Y2 et Y3 sont indépendantes si et seulement si ∀ i = Cov(Xi,Yj) = 0, a − 1 = 0  b − a = 0  a − b + c − 4 = 0

⇔

a = 1  b = 1 ,  c = 4

 1 0 0 K =  0 3 0 .  0 0 5

d’où :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

On en déduit que Y1 suit la loi (0,1), Y2 suit la loi (0,3), Y3 suit la loi (0,5).  X1 X2 = Y12 + Y1Y2  X1 = Y1    c) On a :  X2 = Y1 + Y2 , donc  X1 X3 = Y12 + Y1Y2 + Y1Y3 X = Y + Y + Y  2 2 1 2 3  2  X2 X3 = Y1 + Y2 + 2Y1Y2 + Y1Y3 + Y2 Y3 E[ X1 X2 ] = E[Y12 ] = 1, E[ X1 X3 ] = E[Y12 ] = 1, E[ X2 X3 ] = E[Y12 ] + E[Y22 ] = 4 .

Exercice 14.2 1) Soit Z une variable aléatoire de loi normale (0,σ 2). Calculer E[Z 4] et Var[Z 2]. 2) Soit  = t(X1 , X2 , X3) un vecteur gaussien de moyenne M = 0 et de matrice de covariance :  4 1 −1 K =  1 4 1  .  −1 1 4 

292

Mathématiques du signal

On définit le vecteur  = t(Y1 ,Y2 ,Y3) par  = A, avec :  1  3 A= α  − 1   2

1  3 α  où α > 0.  1   2

1 3 2α 0

a) Déterminer α de sorte que Var[Y2] = Var[Y3]. Sous ces conditions, que vaut le produit tAA ? b) On suppose que les conditions de la question 2) a) sont réalisées et l’on pose : Q(  ) = 4 X12 + 4 X22 + 4 X32 + 2 X1 X2 − 2 X1 X3 + 2 X2 X3 . Calculer E[Q()] et Var[Q()] . 1) On a : E[ Z 4 ] =

∫

∞

z 4 f Z ( z ) dz = 2

−∞

∫

∞

0

z 4 f Z ( z ) dz =

En effectuant le changement de variable t = E[ Z 4 ] =

1 π

∫

∞

0

(2σ 2 t ) 2 e − t

dt t

2 σ 2π

∫

∞

0

 z2  z 4 exp  − 2  dz .  2σ 

z2 , on obtient : 2σ 2 =

4σ 4 π

∫

∞

0

t 3 / 2 e − t dt =

4σ 4  5  Γ . π  2

5 3 Or : Γ   = π , d’où E[Z 4] = 3σ 4.  2 4 Donc : Var[Z 2] = E[Z 4] – (E[Z 2])2 = 3σ 4 – σ 4 = 2σ 4. 2) a)  est un vecteur gaussien de moyenne M = 0 et de matrice de covariance : 0 2  K = AK  t A =  0 30α 2  0 0 La condition Var[Y2] = Var[Y3] donne α = Donc, si α =

1 , on a 6

tAA

= I3

0  0 .  5

1 . 6

et donc

tA

= A–1.

b) On a : Q() = tK. Comme  = A–1 = tA, on en déduit que 2 2 2 Q() = t(tA)K(tA) = tAKtA = tK = 2Y1 + 5Y2 + 5Y3 .

14 • Vecteurs gaussiens

293

Or, Y1 suit une loi (0,2), Y2 suit une loi (0,5) et Y3 suit une loi (0,5) ; donc : E[Y1] = E[Y2] = E[Y3] = 0 et E[Y12 ] = 2 , E[Y22 ] = E[Y32 ] = 5. Alors, E[Q()] = 54. Comme Y1 , Y2 et Y3 sont indépendantes, on a : Var[Q(  )] = Var[2Y12 ] + Var[5Y22 ] + Var[5Y32 ] = 4 Var[Y12 ] + 25Var[Y22 ] + 25Var[Y32 ] donc, d’après 1) : Var[Q()] = 2(16 + 625 + 625) = 2 532.

Exercice 14.3 Soit X1 , X2 , ... Xn des variables aléatoires indépendantes de même loi (q,1) de  ( x − θ )2  1 exp  − . 2   2π

densité : f ( x,θ ) =

Soit K une variable aléatoire, indépendante de X1 , X2 , ... Xn , à valeurs dans {1,..., n – 1}, de loi pk = P(K = k). / q2 = / q, on définit la variable aléatoire Y par : Pour q1 = K

Y=

n  f ( Xi ,θ1 )   f ( Xi ,θ 2 )  ln + . f ( Xi ,θ )  i = K +1  f ( Xi ,θ ) 

∑ ln i =1

∑

1) Déterminer la loi de Y. 2) On suppose : θ1 = θ +

u u (u > 0). et θ 2 = θ − n n

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Que constate-t-on ? 1) L’expression de Y s’écrit sous la forme : Y=

1 2

n

K

∑

[( Xi − θ )2 −( Xi − θ1 )2 ] +

i =1

K

soit :

Y = (θ1 − θ )

∑ i =1

∑

1 [( Xi − θ )2 −( Xi − θ 2 )2 ] 2 i = K +1

 X − θ1 + θ  + (θ − θ ) 2  i 2 

n

∑  X −

i = K +1

i

θ2 + θ  . 2 

On remarque que, conditionnellement à {K = k}, les variables K

(θ1 − θ )

∑ i =1

 X − θ1 + θ  et (θ − θ ) 2  i 2 

n

∑  X −

i = k +1

i

θ2 + θ  sont indépendantes. 2 

294

Mathématiques du signal

Conditionnellement à {K = k}, pour i = 1, ... , k, Xi suit une loi (θ,1), donc Xi − suit une loi  θ − 

θ1 + θ 2

θ1 + θ  θ − θ1  ,1 ≡  ,1 ; du fait que X1 , ... , Xk sont indépendantes,    2 2

K

K

 X − θ1 + θ  suit une loi  X − θ1 + θ  k  suit une loi  (θ − θ1 ), k et (θ1 − θ )    i  i  2 2  2 i =1 i =1

∑

∑

k k (θ1 − θ ) (θ − θ1 ), k  ≡  − (θ1 − θ ) 2 , k (θ1 − θ ) 2  . 2   2  De même, n

(θ 2 − θ )

∑  X − i

i = k +1

θ2 + θ   (n − k ) (θ − θ )2 , (n − k )(θ − θ )2  . suit une loi  − 2 2   2 2 

De ce qui précède, on déduit que, conditionnellement à {K = k}, Y suit une loi 1 ( µ k , σ k2 ) avec µ k = − [k (θ1 − θ ) 2 + (n − k )(θ 2 − θ )2 ] et 2

σ k2 = k (θ1 − θ )2 + (n − k )(θ 2 − θ ) 2 . Donc la loi de Y conditionnellement à {K = k} est donnée par : ∀ y ∈   y − µk  P(Y  yK = k ) = Φ   , où F désigne la fonction de répartition de la loi (0,1).  σk  D’où la loi de Y : n −1

P (Y  y ) =

∑

n −1

P(Y = y/K = k ) P( K = k ) =

k =1

2) Si θ1 = θ +

 y − µk  pk . σ k 

∑ Φ  k =1

2 u u , on a µ k = − u et σ k2 = u 2 , ce qui signifie que Y et et θ 2 = θ − n n 2

 u2  K sont indépendantes et que Y suit une loi  − , u 2  ; on constate que la loi de Y ne  2  dépend pas de n.

Exercice 14.4 On désigne par :

1  x − µ x − µ , la densité et la fonction de répartition et Φ  ϕ    σ σ σ 

de la loi (µ,σ 2) où ϕ ( x ) =

 x2  1 exp  −  et Φ ( x ) =  2 2π

x

∫−∞ ϕ (t ) dt .

14 • Vecteurs gaussiens

295

Dans cet exercice, pour des commodités de calcul, au lieu de travailler avec la fonction caractéristique jX , on utilise : t  ψ X (t ) = ϕ X  − = E[exp(tX )].  2iπ  Partie I 1) Soit Y1 une variable aléatoire de loi (m,t 2) ; déterminer ψ Y1 . 2 2) Soit Y2 une variable aléatoire de loi χ n (loi du chi-deux à n degrés de liberté) −

n 2

n

y

−1 − 2 l ]0,∞[ ( y). Déterminer ψ Y2 . y 2 e 211 de densité fY2 ( y) = n  Γ  2

3) Soit Y3 une variable aléatoire de loi (0,1) ; déterminer la loi de Y32 . 4) Soit V1 , V2 , ... , Vn des variables aléatoires indépendantes de même loi (0,1). n

On pose : V =

∑ Vi2 . Déterminer la loi de V. i =1

5) On dit qu’une variable aléatoire U suit une loi Tn (loi de Student à n degrés de liberté) si la densité de la loi de U est donnée par :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

n + 1 n +1 − Γ  2   u2  2 1+  fU (u) = . n   n   Γ π n  2 Soient Y3 et Y4 deux variables aléatoires indépendantes de lois respectives Y 2 (0,1) et χ n . Montrer que U = 3 suit une loi Tn . Y4 n Partie II Soit X1 , X2 , ... , Xn des variables aléatoires indépendantes de même loi (m,s 2). On pose : Xn =

1 n

n

∑ i =1

n

Xi , Sn2 =

1 ( Xi −Xn )2 . n − 1 i =1

∑

296

Mathématiques du signal

1) Montrer que Xn et Sn2 sont indépendantes. n ( Xn − m ) . Sn

2 2) Déterminer les lois de Xn , (n − 1)Sn et σ2

3) Montrer que Sn2 converge en moyenne quadratique vers σ 2.

Partie I 1) On a :

ψ Y1 (t ) = E[exp(tY1 )] =

1 τ

 ( y − µ )2  exp  ty −  dy −∞ 2τ 2  

1 y − µ e tyϕ  dy =  τ  −∞ τ 2π

∫

∞

1 1 = exp µ t + τ 2 t 2  2  τ 2π 

∫

∞

−∞

∫

∞

(

)

 1  exp − 2 y − ( µ + τ 2 t )2  dy  2τ 

1 = exp µ t + τ 2 t 2  . 2   2) On a :

ψ Y2 (t ) = E[exp(tY2 )] =

∫

∞

0

−

n

2 2 e fY2 ( y) dy = n Γ   2 ty

En faisant le changement de variable λ = −

n

∫

∞

n

y2

−1

0

exp − 

1 − 2t 2

y  dy . 

1 − 2t y, on obtient : 2 n

2 2  2 2 1 ∀ t < , ψ Y2 (t ) =  n  2 Γ   1 − 2t  2

∫

∞

0

n

−1

λ 2 e − λ dλ = (1 − 2t )

−

n 2

.

3) La loi de Y32 est donnée par : ∀ t > 0 FY 2 (t ) = P(Y32  t ) = P(– t  Y3  t ) = Φ ( t ) − Φ ( − t ) = 2Φ ( t ) − 1. 3

D’où la densité de la loi de Y32 : fY 2 (t ) = ( FY 2 (t ))′ = 3

donc Y32 suit une loi

3

1 t

t

ϕ( t ) =

1 1 −2 e 11l ]0,∞[ (t ) 2π t

χ12 .

2 D’après la question 3), pour tout i = 1, ... , n, Vi2 suit une loi χ1 , donc

4)

ψ V 2 = (t )(1 − 2t ) i

−

1 2

. D’autre part, comme V1 , V2 , ... , Vn sont indépendantes et suivent la

14 • Vecteurs gaussiens

297

même loi, on a :

ψ V (t )

  = E[exp(tV )] = E exp  t   n

=

∏

  n  Vi2   = E  exp(tVi2 )  i =1    i =1 n

∑

∏

n

E[exp(tVi2 )] =

i =1

∏ i =1

ψ V 2 (t ) = (1 − 2t )

−

n 2

i

donc, V suit une loi χ 2n . 5) Comme Y3 et Y4 sont indépendantes, la densité de la loi du couple (Y3 ,Y4) est donnée par : −

n

n

y4

−1 − 2 2 l  ( y3 )11l ]0 , ∞[ ( y4 ). fY3 , Y4 ( y3 , y4 ) = fY3 ( y3 ) fY4 ( y4 ) = ϕ ( y3 ) y42 e 2 11 n Γ   2

y3  u = y  y3 = u ν 4 Posons :  ⇔ .  n  y4 = nν  y4 ν = n  La densité de la loi du couple (U,V) est donnée par : fU ,V (u, ν ) = j (u, ν ) fY3 ,Y4 (u ν , nν )11l (u)11l]0,∞[ (ν ) ∂ y3 ∂u avec : j (u, v) = ∂ y 4 ∂u

∂ y3 ν ∂ν = ∂ y4 0 ∂ν

u 2 ν = n ν , d’où : n

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

n

fU ,V (u, ν ) =

 n 2  2

n 2π Γ    2

ν

n −1 2

 nν  u 2   exp − 1 + n  11l (u)11l] 0,∞[ (ν ).    2 

La loi marginale de U est donnée par : fU (u) =

∫

∞

−∞

fU ,V (u, ν ) dν ;

soit : ∀ u ∈  n

fU (u) =

 n 2  2 n 2π Γ    2

∫

∞

0

En faisant le changement de variable λ =

ν

n −1 2

 nν  u 2   exp −  1 + n   dν .    2 

nν  u 2  1 +  , on obtient : 2  n

298

Mathématiques du signal

 n  2

−

1 2

 u2  1+   n n 2π Γ     2

fU (u) =

−

n +1 2

∫

∞

0

n −1 λ 2 e − λ dλ

n + 1 − Γ  2   u2  = 1+  n  n nπ Γ     2

n +1 2

.

Partie II 1) Posons  = t(X1 , ..., Xn), où ∀ i = 1, ... , n, Xi suit une loi (m,σ2) ; alors, pour t = t(t1 , ... , tn),   n   n  ψ  (t ) = E exp  ti Xi   = E  exp(ti Xi ) =   i =1   i =1  

∑

n

=

∏ψ

Xi (ti )

i =1

∏

 n σ2 = exp m ti + 2  i =1

∑

n

∑t

n

∏ E[exp(t X )] i

i

i =1



2 i .

i =1

(1)



Posons :  = Xn et  = t (U1 , ..., Un ) = t ( X1 − Xn , ..., Xn − Xn ) ; alors, pour h = (s1 , ... , sn , λ), la transformée de la loi du vecteur (,) est donnée par :   n  ψ ,  (h) = ψ ,  ( s1 ,..., sn , λ ) = E exp  siUi + λ    i =1  

∑

  n  = E exp  si ( Xi − ) + λ  =   i =1  

∑

si l’on note s =

1 n

n

∑

  n  E exp  si Xi +  λ −     i =1 

∑

 

n

∑ s    i



i =1

n

si ; on a :

i =1

∑ (s − s ) = 0 , il vient donc : i

i =1

  n  ψ ,  ( s1 ,..., sn , λ ) = E exp  si Xi + (λ − ns ) Xn     i =1  

∑

  n 1 = E exp  si Xi + n   i =1

∑

En utilisant la relation (1), avec ti =



n

i

i =1

∑

n

∑ i =1



λ − s + si , on obtient : n

λ λ  ψ ,  ( s1 ,..., sn , λ ) = ψ   − s + s1 ,..., − s + sn  n  n 2  n  λ  σ = exp m  − s + si  +  2  i =1  n





n



λ

∑ (λ − ns ) X   = E exp  ∑  n − s + s  X   .

λ   − s + si  n 

2

  



i

i =1

i



14 • Vecteurs gaussiens

 σ2 = exp mλ + 2 

 λ2  +  2

 σ 2 = exp   2

i

299



2

n

∑ (s − s )   i



i =1

 2

n



1 σ2 2 λ  = ψ ,  ( s1 ,..., sn , 0)ψ ,  (0,..., 0, λ ) . n 

∑ (s − s )  exp mλ + 2 

i =1

Ceci montre que  et  = Xn sont indépendantes et en particulier :  σ 2 ψ  ( s1 ,..., sn ) = ψ ,  ( s1 ,..., sn , 0) = exp   2

 2

n

∑ (s − s )  i

i =1



 1 σ2 2 ψ X (λ ) = ψ  (λ ) = ψ ,  (0,..., 0, λ ) = exp mλ + λ . n 2 n  

(2)

Du fait que  et Xn sont indépendantes, on déduit que, pour tout i = 1, ..., n, Ui = Xi − Xn et Xn sont indépendantes et donc Ui2 = ( Xi − Xn )2 et Xn sont indépendantes. Donc Xn est

indépendante

Sn2 =

1 n −1

de

toute

combinaison

de

( Xi − X n ) 2 ,

en

particulier

de

n

∑(X − X ) n

i

2

.

i =1

 1 σ2 2 Par la relation (2), on a ψ X (λ ) = exp mλ + λ  ; donc Xn suit une loi n 2 n  

2)

 σ2  m,  . n   2 n( Xn − m)2 n ( Xn − m ) suit une loi (0,1), et d’après I.3), W = suit une loi χ1 . 2 σ σ X −m Pour i = 1, ... , n, posons Zi = i ; alors Z1 , ... , Zn sont indépendantes et suivent une σ

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Donc

n

loi (0,1), et donc Z =

∑Z

2 suit une loi χ n .

2 i

i =1

Y=

Soit : Y = =

1 σ2 1 σ2

n −1 2 Sn , on a alors : σ2

n

∑(X − X ) i

2

n

i =1 n

∑ i =1

( Xi − m ) 2 −

=

1 σ2

Z = W + Y ; en effet :

n

∑(X − m + m − X ) i

i =1

n( Xn − m)2 . σ2

n

2

300

Mathématiques du signal

Comme Xn et Sn2 sont indépendantes, on déduit que Y et W sont indépendantes et l’on a yZ(t) = yW+Y(t) = yW(t)yY(t) ; d’où : −

ψ Y (t ) =

Y=

On en déduit que :

Par ailleurs :

n ( Xn − m ) = Sn

− ψ Z (t ) (1 − 2t ) = 1 = (1 − 2t ) ψ W (t ) − (1 − 2t ) 2

n −1 2 .

2 n −1 2 Sn suit une loi χ n−1 . σ2

n n ( Xn − m ) ( Xn − m ) σ = σ ; Y (n − 1)Sn2 1 n −1 n −1 σ2

n ( Xn − m ) suit une loi Tn–1 . Sn

donc, d’après I.5),

3) Comme

n 2

n −1 2 2 χ n−1 , on a E  (n − 1) Sn2  = n − 1 donc E[ Sn2 ] = σ 2 et 2 Sn suit une loi  σ 2  σ

2σ 4  (n − 1)  Var  2 Sn2  = 2(n − 1) et Var Sn2 = ; d’autre part, on a : n −1  σ 

[ ]

[

]

[ ]

2σ 4 =0 n →∞ n − 1

lim E ( Sn2 − σ 2 )2 = lim Var Sn2 = lim

n →∞

n →∞

m.q.

ce qui montre que Sn2 → σ 2 . n →∞

Exercices d’entraînement 

 X1 14.5 Soit X =  X 2  un vecteur gaussien N3 (MX , KX ) avec MX = 0 et X3   9 −2 2 KX =  −2 9 2  . 2 2 5     Y1 α α −2α β  où On définit le vecteur Y =  Y2  par Y = A X avec A =  β β Y3 γ −γ 0 α > 0, β > 0 et γ > 0. 1) Montrer que Y1 , Y2 et Y3 sont indépendantes.

14 • Vecteurs gaussiens

301

1 1 1 2) Dans la suite on pose : α = √ , β = √ et γ = √ . 6 3 2 a) Calculer le produit A t A. (t A désigne la transposée de A). b) On pose : Q(X) =t X KX X. Calculer E[Q(X)] et Var[Q(X)]. X  1

X  14.6 Soit X =  2  un vecteur gaussien N4 (MX , KX ) avec MX = 0 et X3 X4 θ 1 1 1 1 1 2 2 2 (θ > ) KX =   1 2 3 3 2 1 2 3 4 On définit le vecteur Y =t (Y1 ,Y2 ) par : Y1 = X 1 − X 2 + 2X 4 Y2 = 3X 1 − 2X 2 − θ X 3 + X 4 1) Déterminer la loi de Y. 2) Déterminer θ0 de sorte que Y1 et Y2 soient indépendantes. X  1

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

X  14.7 Soit X =  2  un vecteur gaussien N4 (MX , KX ) avec MX = 0 et X3 X4 θ 1 1 1 1 θ 2 2 (θ > 3) KX =   1 2 θ 3 1 2 3 θ On définit le vecteur Y = t (Y1 ,Y2 ) par : Y1 = X 1 − X 2 + 2X 4 Y2 = 3X 1 − 2X 2 − θ X 3 + X 4 1) Déterminer la loi de Y. 2) Déterminer θ0 de sorte que Y1 et Y2 soient indépendantes. 3) On suppose θ = 5 . Déterminer la loi conditionnelle de Y1 sachant {Y2 = y2 } et puis calculer E[Y1 | Y2 ] et Var[Y1 | Y2 ].

302

Mathématiques du signal

Réponses

14.5

1) Y est un vecteur Gaussien N3 (MY , KY ) où MY = A MX = 0 et



18 α2

0

0

27 β2

0

0

 KY = 

0



 0  22 γ2

2.a) On a : A t A = I . 2.b) On a : Q(X) = t Y KY Y = 3Y12 + 9Y22 + 11Y32 .

E[Q(X)] = 211 et Var[Q(X)] = 9 Var[Y12 ] + 81 Var[Y22 ] + 121 Var[Y32 ] = 42566 . 14.6

1) Y est un vecteur Gaussien N2 (MY , KY ) où MY = A MX = 0 et

KY =

12 + θ

4 − 2θ



4 − 2θ 3θ2 + 5θ − 2

2) Y1 et Y2 sont indépendantes si 4θ0 − 2 = 0 , soit θ0 = 2 . 14.7

1) Y est un vecteur Gaussien N2 (MY , KY ) où MY = A MX = 0 et

KY = A KX A = t

6θ − 6

2θ − 8



2θ − 8 θ3 + 10θ − 14

2) Comme Y1

et Y2 sont gaussiennes, Y1 et Y2 sont indépendantes si cov(Y1 ,Y2 ) = 2θ − 8 = 0 , soit θ0 = 4 .

 24 2 . La loi du couple (Y1 ,Y2 ) est définie par : 3) Si θ = 5 on a : KY = 2 161 

 1 1 f Y1 ,Y2 (y1 ,y2 ) = exp − t y K−1 y √ Y 2 2π detKY 

 1 1 = 161y12 − 4y1 y2 + 24y22 exp − √ 2 × 3860 2π 3860



1 y22 Y2 suit une loi N (0,161) donc f Y2 (y2 ) = √ √ exp − , d'où 2 × 161 161 2π √

 

161 2y2 2 161 f Y1 ,Y2 (y1 ,y2 ) y1 − =√ √ exp − f Y1 (y1 |y2 ) = 2 × 3860 161 f Y2 (y2 ) 2π 3860 

2y2 3860 , On en déduit que conditionnellement à {Y2 = y2 } , Y1 suit une loi N d'où 161 161 2Y2 3860 E[Y1 |Y2 ] = et Var[Y1 |Y2 ] = . 161 161

Chapitre 15

Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

RAPPELS • Un processus aléatoire est une famille de variables aléatoires noté X (n,ω) dans le cas d’un processus à temps discret et X (t,ω) dans le cas d’un processus à temps continu. Dans les formules qui suivent on note X (t,ω) sachant que dans le cas discret on doit remplacer t par n. Soit X un processus aléatoire. • Fonction moyenne de X :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

µ X (t) = E [X (t,ω)]

(R15.1)

• Fonction covariance de X : C X (t1 ,t2 ) = E



  X (t1 ,ω) − µ X (t1 ) X (t2 ,ω) − µ X (t2 )

(R15.2)

• Fonction d’autocorrélation de X :   R X (t1 ,t2 ) = E X (t1 ,ω)X (t2 ,ω)

(R15.3)

• Fonction variance de X : σ2X (t) = C X (t,t)

(R15.4)

304

Mathématiques du signal

• Puissance instantanée de X :   E | X (t,ω) |2

(R15.5)

• Un processus aléatoire X est dit stationnaire au second ordre si sa fonction moyenne µ X est une constante et si sa fonction d’autocorrélation R X ne dépend que de la différence entre n et m si X est à temps discret (de la différence entre t1 et t2 si X est à temps continu). Soit X un processus aléatoire stationnaire au second ordre. • Fonction d’autocorrélation de X :   R X (n 0 ) = E X (n + n 0 ,ω)X (n,ω)   temps continu : R X (τ) = E X (t + τ,ω)X (t,ω) temps discret :

(R15.6)

• Puissance de X : PX = R X (0)

(R15.7)

• Densité spectrale de puissance de X : temps discret :

S X (ν) = F (R X )(ν) =

∞ 

R X (k) e−2iπkν

k=−∞



temps continu : S X (ν) = F (R X )(ν) =

∞

−∞

R X (τ) e

(R15.8) −2iπτν

dτ

• X est dit ergodique si : n 1  temps discret : lim X (k,ω) = µ X n→∞ 2n k=−n T 1 temps continu : lim X (t,ω) dt = µ X T →∞ 2T −T

(15.9)

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

305

Exercice 15.1 N

On considère le signal numérique X défini par : X (n, ω ) =

∑ θ k Yn − k (ω ),

où

k =0

(Yk)k∈ est une suite de variables aléatoires indépendantes vérifiant : ∀k E[Yk] = 0, Var[Yk] = 1 et θ0 , θ1 , ...θN sont des nombres complexes. Calculer la moyenne, la fonction covariance, la variance et la fonction d’autocorrélation de X. La moyenne de X est donnée par :  N  N µ X (n) = E[ X (n, ω )] = E  θ k Yn − k  = θ k E[Yn − k ] = 0 .  k = 0  k = 0

∑

La fonction covariance de X est donnée par :

[

(

∑

)] [

]

CX (n, m) = E ( X (n, ω ) − µ x (n)) X ( m, ω ) − µ x ( m) = E X (n, ω ) X ( m, ω )  N  N N  N = E  θ k Yn − k   θ p Ym − p   = θ kθ p E Yn − k Ym − p .    k = 0    p 0 k = 0 p = 0 =  

∑

∑

[

∑∑

]

Or : 1 si n − k = m − p 1 si p = m − n + k E[Yn − k Ym − p ] =  = 0 si n − k ≠ m − p 0 si p ≠ m − n + k donc : CX (n, m) =

∑θ θ

k m−n+k

, où ∆ = {k : 0  k  N et 0  m – n + k  N}.

k ∈∆

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

L’ensemble ∆ s’écrit sous la forme : ∆ = {k : max{0, n – m}  k  min{N, N + n – m}} N +n−m

• si n  m : ∆ = {k : 0  k  N + n – m} et CX (n, m) =

∑θ θ

k m−n+k

k =0

• si n > m : ∆ = {k : n – m  k  N} et N

CX (n, m) =

∑

θ kθ m − n + k =

N +m−n

∑θ

k =n−m

k + n − mθ k

N

La variance de X est donnée par : σ X2 = CX (n, n) =

.

k =0

∑ k =0

N

θ kθ k =

∑θ k =0

2 k

.

306

Mathématiques du signal

La fonction d’autocorrélation de X est égale à sa fonction covariance car X est centré, soit : N +n−m θ kθ m − n + k   k =0 RX (n, m) =  N +m−n  θ k + n − mθ k   k =0

∑ ∑

si n  m . si n > m

Exercice 15.2 On considère le signal analogique X défini par : X(t,ω) = Y(ω)cos(θ t) + Z(ω)sin(θ t), où Y et Z sont des variables aléatoires réelles indépendantes centrées et de même variance σ 2 et θ est un réel. 1) Calculer la moyenne, la fonction covariance, la variance et la fonction d’autocorrélation de X. 2) Démontrer que X est stationnaire au second ordre. 1) La moyenne de X est donnée par : µX(t) = E[X(t,ω)] = cosθtE[Y] + sinθtE[Z] = 0. Donc X est centré. La fonction covariance de X est donnée par :

[ ] = E[( X (t, ω ) X (u, ω ))] = E[( X (t, ω ) X (u, ω )] , car X est réel. Donc :

CX (t, u) = E ( X (t, ω ) − µ X (t )) ( X (u, ω ) − µ X (u))

CX(t,u) = cosθ t cosθ uE[Y 2] + sinθ t sinθ uE[Z 2] + (cosθ t sinθ u + cosθ u sinθ t )E[Y Z]. Or, Y et Z sont indépendantes, donc E[YZ] = E[Y]E[Z] = 0, et d’autre part, E[Y 2] = Var[Y] = E[Z 2] = Var[Z] = σ 2. Donc : CX(t, u) = σ 2(cosθ t cosθ u + sinθ t sinθ u) = σ 2cos((t – u)θ). La variance de X est donnée par : σ X2 = CX (t, t ) = σ 2 . La fonction d’autocorrélation de X est donnée par :

[

]

RX (t, u) = E X (t, ω ) X (u, ω ) = σ 2 cos(t − u)θ . 2) On a µX(t) = 0, donc indépendant de t et RX(t, u) = σ2cos(t – u)θ ne dépend que de la différence t – u ; ce qui montre que X est stationnaire au second ordre.

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

307

Exercice 15.3 n

On considère le signal analogique X défini par : X (t, ω ) =

∑ Yk (ω )eitθ

k

,

k =1

où Y1 , ..., Yn sont des variables aléatoires indépendantes vérifiant : ∀ k = 1, ..., n E[Yk] = 0, Var[Yk ] = σ k2 et θ1 , ..., θn sont des réels. 1) Calculer la moyenne, la fonction covariance, la variance et la fonction d’autocorrélation de X. 2) Démontrer que X est stationnaire au second ordre. 1) La moyenne de X est donnée par :  n  µ X (t ) = E[ X (t, ω )] = E  Yk e − itθ k  =  k =1  La fonction covariance de X vaut :

∑

[

n

∑e

− itθ k

E[Yk ] = 0 .

k =1

] [

]

CX (t, u) = E ( X (t, ω ) − µ X (t ))( X (u, ω ) − µ X (u)) = E X (t, ω ) X (u, ω )  n   n iuθ = E  Yk e − itθ k   Yp e p   =   k =1   p =1  

∑

∑

n

n

∑∑Y e

i ( u θ p − tθ k )

p

k =1 p =1

[ ] [ ]

[

Or :

 E Yk2 = Var[Yk ] = σ k2 si k = p  E Yk Yp =   E Yk Yp = E[Yk ]E Yp = 0 si k ≠ p

d’où :

C X (t , u ) =

[

]

n

∑σ

]

E Yk Yp .

[ ]

2 − i ( t − u )θ k ke

.

k =1

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

n

La variance de X est donnée par : σ X2 = CX (t, t ) =

∑σ

2 k.

k =1

La fonction d’autocorrélation de X est donnée par : n

[

] ∑σ

RX (t, u) = E X (t, ω ) X (u, ω ) = n

2) On a µ X (t ) = 0 , et RX (t, u) =

∑σ k =1

X est stationnaire au second ordre.

2 − i ( t − u )θ k ke

.

k =1

2 − i ( t − u )θ k ke

ne dépend que de la différence t – u ; donc

308

Mathématiques du signal

Exercice 15.4 On considère le signal numérique X défini par : X (n, ω ) =

∞

∑ θ k Yn − k (ω ) ,

k =0

où θ est un réel constant vérifiant |θ| < 1 et (Yn)n∈ est une suite de variables aléatoires indépendantes centrées de même variance σ 2. 1) Démontrer que X est stationnaire au second ordre. 2) Déterminer sa puissance. 3) Montrer que sa densité spectrale de puissance est donnée par : SX (ν ) =

σ2 . 1 + θ 2 − 2θ cos 2πν

1) La moyenne de X est donnée par :  ∞  ∞ k µ X (n) = E[ X (n, ω )] = E  θ k Yn − k  = θ E[Yn − k ] = 0 .  k = 0  k = 0

∑

∑

La fonction d’autocorrélation de X est donnée par :  ∞   ∞ RX (n, m) = E X (n, ω ) X ( m, ω ) = E  θ k Yn − k   θ pYm − p     k = 0   p = 0  

[

∞

=

]

∑

∑

∞

∑ ∑θ θ k

p

E[Yn − k Ym − p ]

k =0 p=0

or,

[ ]

 E Yn2− k = σ 2 E[Yn − k Ym − p ] =  0

si n − k = m − p si n − k ≠ m − p

σ 2 = 0 donc, RX (n, m) = σ 2

si p = m − n + k si p ≠ m − n + k

∑θ θ

k m−n+k

,

k ∈∆

où : ∆ = {k : 0  k  ∞ et 0  m – n + k  ∞}. L’ensemble ∆ s’écrit sous la forme ∆ = {k : max{0, n – m}  k  ∞} • si n  m : ∆ = {k : 0  k  ∞} et RX (n, m) = σ 2

∞

∑ k =0

θ m−n+2k =

θ m−n 2 σ 1−θ2

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

• si n > m : ∆ = {k : n – m  k  ∞} et RX (n, m) = σ 2

∞

∑

θ m − n + 2 k = σ 2θ n − m

k =n−m

∑

θ 2j =

j =0

Donc : ∀ n ∈ , ∀ m ∈ , RX (n, m) ==

[

∞

θ m−n 2 σ . 1−θ2

n−m

θ σ 2. 1−θ2

]

σ2 . 1−θ2 On en déduit que X est stationnaire au second ordre. En particulier, on a : E X (n, ω ) 2 = RX (n, n) =

2) On a : RX (τ ) = RX ( m + τ , m) =

θτ σ2. 1−θ2

La puissance de X est donnée par : PX = RX (0) =

σ2 . 1−θ2

3) La densité spectrale de puissance de X est donnée par : SX (ν ) =

∑R

X ( k ) exp(2iπνk ).

k ∈

Donc : SX (ν ) = =

σ2 1−θ2 σ2 1−θ2 0

Dans la somme

∑θ

∞

∑θ

k

exp(2iπνk )

k = −∞ 0

∑

θ − k exp(2iπνk ) +

k = −∞

−k

σ2 1−θ2

∞

∑θ

k

exp(2iπνk ).

k =1

exp(2iπνk ), en changeant k en – k, on obtient :

k = −∞

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

σ2 SX (ν ) = 1−θ2

∞

σ2 θ exp( −2iπνk ) + 1−θ2 k =0

∑

k

∞

∑θ

k

k =1

soit : SX (ν ) =

σ2 1−θ2

 ∞  (θ exp( −2iπν )) k +  k = 0

=

σ 1 − θ2

  1 1 + − 1  1 θ exp( 2 i πν ) 1 θ exp( 2 i πν ) − − −  

=

σ2 1 − θ2

 1 θ exp(2iπν )  +   1 − θ exp( −2iπν ) 1 − θ exp(2iπν ) 

=

σ2 . 1 + θ − 2θ cos 2πν

2

2

∑

∞



∑ (θ exp(2iπν ))  k

k =1



exp(2iπνk )

309

310

Mathématiques du signal

Exercice 15.5 On considère le signal analogique X défini par : X(t,ω) = cos(2π tY(ω) + Z(ω)), où Y et Z sont des variables aléatoires indépendantes. La loi de Y a pour densité fY et la loi de Z est uniforme sur ]– π, π[. 1) Démontrer que X est stationnaire au second ordre. 2) Déterminer sa puissance. 3) Déterminer sa densité spectrale de puissance. Comme la loi de Z est uniforme sur ]– π, π], on a : f Z ( z ) =

1 2π

1 π h2 ( z ) dz ; et du fait que Y et Z sont indépendantes, on a 2π −π E[h1(Y)h2(Z)] = E[h1(Y)]E[h2(Z)].

et

E[h2 ( Z )] =

∫

1) La moyenne de X est donnée par : µ X (t ) = E[ X (t, ω )] = E[cos(2π tY + Z )] = E[cos(2π tY )cos( Z )] − E[sin(2π tY )sin( Z )] = E[cos(2π tY )]

1 2π

π

1

π

∫ cos z dz − E[sin(2π tY )] 2π ∫ sin z dz = 0 . −π

−π

La fonction d’autocorrélation de X est donnée par : RX (t, u) = E[ X (t, ω ) X (u, ω )] = E[cos(2π tY + Z )cos(2π uY + Z )] . 1 Or, cos α cos β = [cos(α − β ) + cos(α + β )] ; donc : 2 RX (t, u) =

1 {E[cos(2π (t − u)Y ) ] + E[cos(2π (t + u)Y + 2 Z )]} . 2

Par la même démonstration que pour µX(t) = 0, on a : E[cos(2π(t + u)Y + 2Z)] = 0 ; il vient donc : 1 1 ∞ RX (t, u) = E[cos(2π (t − u)Y )] = cos(2π (t − u) y) fY ( y) dy . 2 2 −∞

∫

Donc RX(t,u) ne dépend que de la différence t – u. En particulier on a :

[

E X (t , ω )

2

] = R (t, t) = 12 ∫ X

∞

−∞

fY ( y) dy =

On en déduit que X est stationnaire au second ordre. 2) On a : RX (τ ) = RX (u + τ , u) =

1 2

∫

∞

−∞

cos(2πτy) fY ( y)dy .

La puissance de X est donnée par : PX = RX (0) =

1 . 2

1 . 2

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

311

3) La densité spectrale de puissance de X est donnée par : ∀v∈

SX (ν ) =

∫

∞

−∞

RX (τ ) exp( −2iπτν )dτ .

1 ∞ ∞ cos(2πτy) exp( − 2iπτν ) fY ( y) dτ dy 2 −∞ −∞ 1 ∞ ∞ = (exp(2iπτy) + exp( −2iπτy)) exp( −2iπτν ) fY ( y) dτ dy 4 −∞ −∞ 1 ∞ ∞ = (exp(−2iπτ (ν − y)) + exp(−2iπτ (ν + y))) fY ( y) dτ dy 4 −∞ −∞ 1 1 F F [ fY ] (ν ) + F [ F[ fY ]]( −ν ) = ( fY (ν ) + fY ( −ν )). = 4 4

SX (ν ) =

∫ ∫ ∫ {

[

∫ ∫ ∫

}

]

Exercice 15.6 Soit Y un signal centré et stationnaire au second ordre, on définit le signal analogique X par : X(t,ω) = Y(t,ω) + cos(2π t + Z(ω)) , où ∀ t ∈ , Y(t,ω) et Z(ω) sont des variables aléatoires indépendantes et la loi de Z est uniforme sur [– π,π]. 1) Démontrer que X est stationnaire au second ordre. 2) Déterminer sa puissance en fonction de celle de Y. 3) Déterminer son spectre de puissance en fonction de celui de Y. Comme Y est centré et stationnaire au second ordre, on a donc µY(t) = 0,

[

]

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

RY (t, u) = E Y (t, ω ) Y (u, ω ) ne dépend que de la différence t – u. Nous noterons RY(τ) = RY(u + τ,u) (avec RY(τ) = RY(– τ)), SY et PY le spectre de puissance et la puissance de Y. 1) La moyenne de X est donnée par : µX(t) = E[X(t,ω)] = E[Y(t,ω)] + E[cos(2πt + Z)]. Mais : E[cos(2π t + Z )] = donc : µX(t) = µY(t) = 0.

∫

∞

−∞

cos(2π t + z ) f Z ( z ) dz =

1 2π

∫

π

−π

cos(2π t + z ) dz = 0

312

Mathématiques du signal

La fonction d’autocorrélation de X est donnée par :

[ ] = E[(Y (t, ω ) + cos(2π t + Z ))(Y (u, ω ) + cos(2π u + Z ))] = E[Y (t, ω ) Y (u, ω )] + E[Y (t, ω )cos(2π u + Z )] + E[Y (u, ω )cos(2π t + Z )] + E[cos(2π t + Z )cos(2π u + Z )].

RX (t, u) = E X (t, ω ) X (u, ω )

Mais : E[Y (t, ω )cos(2π u + Z )] = E[Y (t, ω )]E[cos(2π u + Z )] = 0

[

] [

]

E Y (u, ω )cos(2π t + Z ) = E Y (u, ω ) E[cos(2π t + Z )] = 0 E[cos(2πt + Z )cos(2πu + Z )] =

   1  E cos(2π(t − u)) + E cos(2π(t +u)+2Z ) 2

 1 1  = cos(2π(t − u))+ E cos(2π(t +u)+2Z ) 2 2

  =0

1 = cos(2π(t − u)) 2 donc : RX (t, u) = RY (t, u) +

1 cos(2π (t − u)). 2

Donc RX(t,u) ne dépend que de la différence t – u et X est stationnaire au second ordre.

[

]

1 En particulier, on a : E X (t, ω ) 2 = RX (t, t ) = RY (t, t ) + . 2 2) On a : RX (τ ) = RX (u + τ , u) = RY (u + τ , u) +

1 1 cos(2πτ ) = RY (τ ) + cos(2πτ ). 2 2

La puissance de X est donnée par : PX = RX (0) = RY (0) +

1 1 = PY + . 2 2

3) Le spectre de puissance de X est donné par : ∀v∈ SX (ν ) =

SX (ν ) =

∫

∞

−∞

RX (τ ) exp( −2iπτν ) dτ .

∞

 R (τ ) + 1 cos(2πτ ) exp( −2iπτν ) dτ Y  −∞  2

∫

= SY (ν ) +

1 2

∫

∞

−∞

cos(2πτ ) exp ( −2iπτν ) dτ = SY (ν ) +

1 (δ1 (ν ) + δ −1 (ν )). 4

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

313

Exercice 15.7 Soit Y un signal stationnaire au second ordre, on définit le signal analogique X par : X(t,ω) = Y(t + 1,ω) – Y(t,ω). 1) Démontrer que X est stationnaire au second ordre. 2) Déterminer sa puissance en fonction de celle de Y. 3) Déterminer son spectre de puissance en fonction de celui de Y. Comme Y est stationnaire au second ordre, on a donc ∀ t ∈  µY(t) = constante = µ,

[

]

RY (t, u) = E Y (t, ω ) Y (u, ω ) ne dépend que de la différence t – u, RY(τ) = RY(u + τ,u) et ∀ t ∈  RY(τ) = RY(– τ). Nous noterons SY et PY le spectre de puissance et la puissance de Y. 1) La moyenne de X est donnée par : µX(t) = E[X(t,ω)] = E[Y(t + 1,ω)] – E[Y(t,ω)] = 0, donc le signal X est centré. La fonction d’autocorrélation de X est donnée par :

[ ] = E[Y (t + 1, ω ) Y (u + 1, ω )] − E[Y (t + 1, ω ) Y (u, ω )] − E[Y (t, ω ) Y (u + 1, ω )] + E[Y (t, ω ) Y (u, ω )]

RX (t, u) = E (Y (t + 1, ω ) − Y (t, ω ))(Y (u + 1, ω ) − Y (u, ω ))

= RY (t + 1, u + 1) − RY (t + 1, u) − RY (t, u + 1) + RY (t, u). Comme RY(t,u) ne dépend que de la différence t – u, c’est vrai aussi pour RX(t,u) ; donc X est stationnaire au second ordre. En particulier, on a :

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

E[|X(t,ω)|2] = RX(t,t) = RY(t + 1,t + 1) – RY(t + 1,t) – RY(t,t + 1) + RY(t,t) = 2(RY(0) – RY(1)). 2) On a : RX(τ) = RX(u + τ,u) = Ry(u + τ + 1,u + 1) – Ry(u + τ + 1,u) – Ry(u + τ,u + 1) + Ry(u + τ,u) = RY(τ) – RY(τ + 1) – RY(τ – 1) + RY(τ) = 2RY(τ) – RY(τ + 1) – RY(τ – 1). La puissance de X est donnée par : PX = RX(0) = 2RY(0) – RY(1) – RY(– 1) = 2(PY – RY(1)). 3) Le spectre de puissance de X vaut : ∀v∈ SX (ν ) =

∫

∞

−∞

SX (ν ) =

∫

∞

−∞

RX (τ ) exp( −2iπτν ) dτ .

(2 RY (τ ) − RY (τ + 1) − RY (τ − 1))exp( −2iπτν ) dτ .

314

Mathématiques du signal

mais : ∀ v ∈ 

∫

∞

∫

∞

∫

∞

−∞

−∞

−∞

donc :

RY (τ ) exp( −2iπτν ) dτ = SY (ν ) RY (τ + 1) exp( −2iπτν ) dτ = exp(2iπν )SY (ν ) RY (τ − 1) exp( −2iπτν )dτ = exp( −2iπν )SY (ν )

SX(ν) = 2[1 – cos(2πν)]SY(ν) = 4sin2(πν)SY(ν).

Exercice 15.8 Soit Y un signal centré et stationnaire au second ordre, on définit le signal analogique X par X(t,ω) = Y(t,ω) – V(ω), où ∀ t ∈ , Y(t,ω) et V(ω) sont des variables T T aléatoires indépendantes et la loi de V est uniforme sur − ,  .  2 2  1) Le signal X est-il stationnaire au second ordre ? 2) Déterminer sa puissance. 3) Déterminer son spectre de puissance. 4) On définit le signal analogique Z par : Z(t,ω) = X(t,ω) – X(t – s,ω), où s est un réel positif fixé. 1. Le signal Z est-il stationnaire au second ordre ? 2. Déterminer sa puissance. 3. Déterminer son spectre de puissance. Comme Y est centré et stationnaire au second ordre, on a donc : µY(t) = E[Y(t,ω)] = 0, RY (t, u) = E[Y (t, ω ) Y (u, ω )] ne dépend que de la différence t – u, et RY(τ) = RY(u + τ,u). Notons SY et PY le spectre de puissance et la puissance de Y. 1) La moyenne de X est donnée par : µX(t) = E[X(t,ω)] = E[Y(t,ω)] – E[V(ω)] = 0, donc le signal X est centré. La fonction d’autocorrélation de X est donnée par :

[ ] [ ] = E[Y (t, ω ) Y (u, ω )] − E[(Y (t, ω ) + Y (u, ω ))V (ω )] + E[V (ω )] T T = E[Y (t, ω ) Y (u, ω )] + = R (t , u ) + . 12 12

RX (t, u) = E X (t, ω ) X (u, ω ) = E (Y (t, ω ) − V (ω ))(Y (u, ω ) − V (ω )) 2

2

2

Y

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

315

Donc Rx(t,u) ne dépend que de la différence t – u. En particulier on a :

[

RX (t, t ) = E X (t, ω )

2

]

= RY (t, t ) +

T2 T2 = RY (0) + . 12 12

On en déduit que X est stationnaire au second ordre. 2) On a : RX (τ ) = RX (u + τ , u) = RY (u + τ , u) +

T2 T2 = RY (τ ) + . 12 12

La puissance de X est donnée par : PX = RX (0) = RY (0) +

T2 T2 = PY + . 12 12

3) Le spectre de puissance de X est donné par : ∀ v ∈  SX (ν ) =

 T2  T2 2 d δ(ν ). R ( τ ) + exp( − i πτ v ) τ = S ( ν ) + Y Y  −∞  12  12

∫

∞

4) 1. La moyenne de Z est donnée par : µZ(t) = E[Z(t,ω)] = E[X(t,ω)] – E[X(t – s,ω)] = 0 donc le signal Z est centré. La fonction d’autocorrélation de Z est donnée par :

[ ] [ = E[ X (t, ω ) X (u, ω ) ] − E[ X (t, ω )Y (u − s, ω ) ]

]

RZ (t, u) = E Z (t, ω ) Z (u, ω ) = E ( X (t, ω ) − X (t − s, ω ))( X (u, ω ) − X (u − s, ω ))

[

] [

− E X (t − s, ω ) X (u, ω ) + E X (t − s, ω ) X (u − s, ω )

]

= RX (t, u) − RX (t, u − s) − RX (t − s, u) + RX (t − s, u − s) = RY (t, u) − RY (t, u − s) − RY (t − s, u) + RY (t − s, u − s) © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

= 2RY (t − u) − RY (t − u + s) − RY (t − u − s). Donc RZ(t,u) ne dépend que de la différence t – u. On en déduit que Z est stationnaire au second ordre. En particulier, on a : RZ(t, t) = E[|Z(t,ω)|2] = RY(t,t) – RY(t,t – s) – RY(t – s,t) + RY(t – s,t – s) = 2(RY(0) – RY(s)). 2. On a : RZ(u + τ,u) = RY(u + τ,u) – RY(u + τ,u – s) – RY(u + τ – s,u) + RY(u + τ – s,u – s) = 2RY(τ) – RY(τ + s) – RY(τ – s) = RZ(τ). La puissance de Z vaut : PZ = RZ(0) = 2RY(0) – RY(s) – RY(– s) = 2(PY – RY(s)).

316

Mathématiques du signal

3. Le spectre de puissance de Z est donné par : SZ (ν ) =

∀v∈ mais, ∀ v ∈ ,

∫

∞

∫

∞

−∞

−∞

∫

∞

−∞

∫

∞

−∞

RY (τ ) exp( −2iπτν ) dτ = SY (ν )

RY (τ + s) exp ( −2iπτν ) dτ = RY (τ − s)exp( −2iπτν ) dτ =

donc :

(2 RY (τ ) − RY (τ + s) − RY (τ − s))exp( −2iπτν ) dτ

∫

∞

−∞

∫

∞

−∞

RY (τ ) exp ( −2iπ (τ − s)ν ) dτ = exp (2iπ sν )SY (ν )

RY (τ )exp( −2iπ (τ + s)ν ) dτ = exp( −2iπ sν )SY (ν )

SZ(ν) = 2[1 – cos(2πsν)]SY(ν) = 4sin2(πsν)SY(ν).

Exercice 15.9 On considère le filtre linéaire qui, à tout signal numérique d’entrée X(n), fait correspondre le signal de sortie Y(n) défini par la relation de récurrence : 1 Y (n) − Y (n − 1) = X (n). 4 1) Vérifier que le filtre est causal. Déterminer la fonction de transfert H et le domaine de convergence de H. 2) Déterminer la réponse impulsionnelle h. 3) On suppose que X est centré, stationnaire au second ordre de fonction d’autocorrélation : θ  RX ( k ) = 1 0 

si k = ± 1 si k = 0 sinon

1 où θ  . Déterminer le spectre de puissance de X. 2 4) Déterminer le spectre de puissance de Y. 5) Calculer la puissance en sortie. 1) La fonction de transfert H est définie par : H ( z ) =

1 . 1 −1 1− z 4

La solution causale correspond au domaine de convergence

1 −1 1 z . 4 4

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

317

En prenant z = exp(2iπν), on obtient le gain de fréquences en puissance : 2

H(ν ) =

1 16 = . 1 1 17 − 8 cos(2πν ) 1 − cos(2πν ) + 2 16

2) La réponse impulsionnelle h s’obtient par développement en série entière de z–1 de H : ∞

H(z) =

∑

 −k h( k ) =  4 0

ce qui donne :

k

1  1  z −k = = h( k ) z − k 1 −1  4 1− z k =0 k ∈ 4

∑

si k  0 . si k < 0

En prenant z = exp(2iπν), on obtient le gain de fréquences en amplitude : H (ν ) =

=

∞

∞

k =0

k =0

∑ h(k ) exp(−2iπνk ) =∑

k

 exp( −2iπν )  =   4

1 exp( −2iπν ) 1− 4

4 4( 4 − exp( −2iπν )) 4( 4 − exp(2iπν )) = = . 4 − exp( −2iπν ) ( 4 − exp( −2iπν ))( 4 − exp(2iπν )) 17 − 8 cos(2πν )

3) Le spectre de puissance de X vaut : SX ( z ) =

∑R

X (k )z

−k

= θ z + 1 + θ z −1

k ∈

et pour z = exp(2iπν), on obtient : SX(ν) = 1 + θ exp(2iπν) + θ exp(– 2iπν) = 1 + 2θ cos(2πν). 4) Le spectre de puissance en sortie du filtre est donné par : 16(1 + 2θ cos(2πν )) 2 SY (ν ) = H (ν ) SX (ν ) = . 17 − 8 cos(2πν ) © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

5) La puissance en sortie est donnée par :

[

PY = RY (0) = E Y (n) soit :

PY = 16

2

]= ∫

1/ 2

SY (ν ) dν ,

−1 / 2

1 + 2θ cos(2πν ) 16 dν = −1 / 2 17 − 8 cos(2πν ) π

∫

1/ 2

∫

π

0

1 + 2θ cos x 8(2 + θ ) . dx = 17 − 8 cos x 15

Exercice 15.10 On considère le filtre linéaire qui, à tout signal numérique, d’entrée X(n), fait correspondre le signal de sortie Y(n) défini par la relation de récurrence : 5 1 Y (n) − Y (n − 1) + Y (n − 2) = X (n). 6 6

318

Mathématiques du signal

1) Vérifier que le filtre est causal. Déterminer la fonction de transfert H et le domaine de convergence de H. 2) Déterminer la réponse impulsionnelle h. 3) On suppose que X est centré, stationnaire au second ordre de fonction d’autocorrélation 1 2  RX ( k ) = 2  0

si k = ± 1, ± 2 si k = 0 sinon

Déterminer le spectre de puissance de X. 4) Déterminer le spectre de puissance de Y. 5) Calculer la puissance en sortie. 1) La fonction de transfert H est définie par : 1 1 = . H(z) = 5 −1 1 −2  1  1 1− z + z 1− 1−   6 6 2 z   3z  La solution causale correspond au domaine de convergence : z>

1 1 < 1 et < 1 c’est-à-dire 2z 3z

1 . 2

En prenant z = exp(2iπν), on obtient le gain de fréquences en puissance : 18 2 H(ν ) = . (5 − 4 cos(2πν ))(5 − 3 cos(2πν )) 2) La réponse impulsionnelle h s’obtient par développement en série entière de z–1 de H ; on a :  ∞  ∞  1 1 H(z) = =  2 − k z − k   3− k z − k  1 − 1  1 − 1   k = 0   k =0   2 z   3z 

∑

∞  ∞ −k −k   ∞ −k −k  or,  2 z  3 z  = ck z − k , avec ck =  k =0   k =0  k =0

∑

∑

∑

∞

il vient donc : H ( z ) =

∑  2 k =0

ce qui donne :

3 k

−

∑

k

∑2

1

j =0

3  −k z = h( k ) z − k 3k  k ∈

2  3  −  h( k ) =  2 k 3k  0

∑

si k  0 si k < 0

.

j

1 3

k− j

=

3 3 k − k ; 2 3

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

319

En prenant z = exp(2iπν), on obtient le gain de fréquences en amplitude : H (ν ) =

∞

∑ k =0

=

∞

∑

h( k ) exp( −2iπνk ) = 3

k =0

k

 exp( −2iπν )  − 2   2

∞

∑ k =0

 exp( −2iπν )    3

k

6 6 5 − (5 − 2 cos(2πν ))exp(2iπν ) − =3 . 2 − exp( −2iπν ) 3 − exp( −2iπν ) (5 − 4 cos(2πν ))(5 − 3 cos(2πν ))

3) Le spectre de puissance de X est donné par : 1 1 SX ( z ) = RX ( k )z − k = 2 + ( z −1 + z ) + ( z −2 + z 2 ) 2 2 k ∈

∑

et pour z = exp(2iπν), on obtient : SX(ν) = 2 + cos(2πν) + cos(4πν) = 1 + cos(2πν) + 2cos2(2πν). 4) Le spectre de puissance en sortie du filtre est donné par : 18(1 + cos(2πν ) + 2 cos 2 (2πν )) . (5 − 4 cos(2πν ))(5 − 3 cos(2πν ))

2

SY (ν ) = H (ν ) SX (ν ) =

5) La puissance en sortie est donnée par :

[

PY = RY (0) = E Y (n) soit :

PY = 18

2

]= ∫

1/ 2

SY (ν ) dν ,

−1 / 2

1 + cos(2πν ) + 2 cos 2 (2πν ) 33 dν = . −1 / 2 (5 − 4 cos(2πν ))(5 − 3 cos(2πν )) 5

∫

1/ 2

Exercice 15.11 On considère un système dont l’entrée X et la sortie Y vérifient la relation : ∞

∫t

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Y (t,ω ) = 5 exp(t − u) X (u,ω ) du , où X est centré, stationnaire au second ordre, de fonction d’autocorrélation : RX(τ) = cos(2τ) ∀ τ ∈ . 1) Déterminer la réponse impulsionnelle h. En déduire le gain en fréquence. 2) Déterminer le spectre de puissance de X. 3) Déterminer le spectre de puissance de Y. 4) Déterminer la fonction d’autocorrélation en sortie :

[

]

RY (τ ) = E Y (t + τ ) Y (t ) . 5) Calculer la puissance en sortie. 6) Déterminer la fonction d’intercorrélation entrée/sortie :

[

]

RYX (τ ) = E X (t + τ )Y (t ) .

320

Mathématiques du signal

1) La réponse impulsionnelle h vérifie : Y (t, ω ) =

∫

∞

h(t − u) X (u, ω ) du ,

−∞

donc, comme : Y (t , ω ) = 5

∫

∞

−∞

e t − u X (u, ω )11l ]t ,∞[ (u) du = 5

∫

∞

−∞

e t − u X (u, ω )11l]−∞,0[ (t − u) du ,

on en déduit : h( x ) = 5e x11l ]− ∞, 0[ ( x ). On remarque que le filtre n’est pas causal. On a : ∀v∈

H (v) =

∫

∞

−∞

h( x )e −2 iπvx dx = 5

∫

0

−∞

e x − 2 iπvx dx =

5 1 − 2iπv

5 . 1 + 4π 2 v 2

2

et H (v) =

2) Le spectre de puissance de X est donné par : ∞ 1 ∞ −2 iτ ∀ v ∈  SX (ν ) = RX (τ )e −2 iπντ dτ = (e + e 2 iτ ) e −2 iπντ dτ −∞ 2 −∞

∫

∫

∞

 1  1       exp  −2iπτ  ν +   + exp  −2iπτ  ν −    dτ π π 

=

1 2

=

 1  δ 1 (ν ) + δ − 1 (ν ) . 2 π  π

∫

−∞ 

3) Le spectre de puissance de Y est donné par : 2

SY (ν ) = H (ν ) SX (ν ) =

  5 2 2  δ 1 (ν ) + δ − 1 (ν ) . 2(1 + 4π ν )  π  π

4) RY (τ ) = E[Y (t + τ )Y (t )] s’obtient par transformation de Fourier inverse de SY : ∀ τ ∈  RY (τ ) =

∫

∞

SY (ν )e 2 iπτν dν = cos(2τ ).

−∞

5) La puissance en sortie est donnée par : PY = 6) On a : SYX (ν ) = H (ν ) SX (ν ) = RYX (τ ) =

∫

∞

−∞

∫

∞

−∞

SY (ν ) dν = RY (0) = 1.

  5  δ 1 (ν ) + δ − 1 (ν ) , donc : 2(1 − 2iπν )  π  π

SYX (ν ) e 2 iπτν dν =

5  e 2 iτ e −2 iτ  cos(2τ ) − 2 sin(2τ ) + = .  2  1 − 2i 1 + 2i  5

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

321

Exercice 15.12 On considère le signal analogique X défini par : X(t,ω) = exp{– 2iπ (Y(ω) + t Z(ω))} où Y et Z sont des variables aléatoires indépendantes. On suppose que la loi de Y admet la densité fY(y) = (1 – |y|) 11l [–1,1](y) et que Z suit une loi normale (0,1). 1) Montrer que X est stationnaire au second ordre. 2) Calculer PX la puissance de X. 3) Déterminer SX la densité spectrale de puissance de X. 4) X est-il ergodique ? 1) On a : mX(t) = E[X(t,ω)] = E[exp(– 2iπ Y)]E[exp(– 2iπ t Z)] = ϕY(1)ϕZ(t) où ϕY et ϕZ désignent les fonctions caractéristiques de Y et de Z données par : ϕZ(t) = E[exp(– 2iπ tZ)] = exp(– 2π 2t 2)

ϕ Y (1) = E[exp( −2iπY )] =

∫

0

−1

(1 + y)e −2 iπ y dy +

1

∫ (1 − y)e

−2 iπ y

0

dy = 0

donc : mX(t) = 0. D’autre part,

[

]

RX (t, u) = E X (t, ω ) X (u, ω ) = E[exp ( −2iπ (Y + tZ )) exp (2iπ (Y + uZ ))] = E[exp ( −2iπ (t − u) Z )] = ϕ Z (t − u). On en déduit que X est stationnaire au second ordre.

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

2) Pour t = u + τ, on a : RX(τ) = RX(u + τ, u) = ϕZ(τ) = exp(– 2π 2τ 2). La puissance de X est donnée par : PX = RX(0) = 1. 3) On a : ∀ v ∈ , SX (ν ) =

∫

∞

−∞

RX (τ ) exp ( −2iπντ ) dτ =

 ν2  = exp  −   2

∫

∞

exp ( −2π 2τ 2 − 2iπντ ) dτ

−∞

2  iν   exp −2π 2  τ +  dτ =  −∞ 2π   

∫

∞

4) On a : 1 T 1 X (t + τ , ω ) X (t, ω ) dt = lim lim T →∞ 2 T − T T →∞ 2 T

∫

On en déduit que X n’est pas ergodique.

∫

T

−T

 ν2  1 exp −  .  2 2π

exp( −2iπτZ (ω )) dt = exp( −2iπτZ (ω )).

322

Mathématiques du signal

Exercice 15.13 On considère le signal analogique X défini par : X (t , ω ) =

3 N

N

∑ Zk (ω )exp{−2iπ tYk (ω )} k =1

où N  1 et Z1 , ..., ZN , Y1 , ..., YN sont des variables aléatoires indépendantes. On suppose que Z1, ..., ZN suivent toutes la même loi uniforme sur l’intervalle 1 [– 1, 1] et que Y1 , ..., YN suivent toutes la même loi de densité h( y) = exp( − y ). 2 1) Montrer que X est stationnaire au second ordre. 2) Calculer PX la puissance de X. 3) Déterminer SX la densité spectrale de puissance de X. 4) X est-il ergodique ? 1 2 Z1, ..., ZN , Y1, ..., YN sont indépendantes, on a :

1)

Pour k = 1, ..., N on a : E[ Zk ] =

∫

1

z dz = 0 et d’autre part, du fait que

−1

E[Zkexp{– 2iπ tYk}] = E[Zk]E[exp{– 2iπ tYk}] = E[Zk] ϕ Yk (t ) = 0 , où ϕ Yk désigne la fonction caractéristique de Yk . On en déduit que : µX(t) = E[X(t,ω)] = 0. D’autre part,

[

]

RX (t, u) = E X (t, ω ) X (u, ω )  3 = E   N  = =

3 N 3 N

N

 3 Zk exp( −2iπ tYk )    N k =1 N

∑

N

∑Z j =1

j

 exp(2iπ uYj )   

N

∑ ∑ E[ Z Z k

j

exp{−2iπ (tYk − uYj )}]

k =1 j =1 N

N

∑ ∑ E[ Z Z ] E[exp{−2iπ (tY k

k =1 j =1

j

k

− uYj )}] .

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

N

Or,

323

N

∑ ∑ =∑ +∑ k =1 j =1

RX (t, u) =

k= j

3 N

/ j, on a : E[ZkZj] = E[Zk] E[Zj] = 0, on en déduit que : et comme pour k =

k≠ j

N

N

3 ∑ E[ Z ]E[exp{−2iπ (t − u)Y }] = N ∑ E[ Z ]ϕ 2 k

2 k

k

k =1

Yk

(t − u )

k =1

[ ] 12 ∫

2 en tenant compte de E Zk =

1

−1

z 2 dz =

RX (t, u) =

1 on obtient : 3 1 N

N

∑ϕ

Yk

(t − u).

k =1

Du fait que Y1 , ..., YN suivent toutes la même loi, pour k = 1, ..., N on a ϕ Yk = ϕ Y1 . Il vient donc RX (t, u) = ϕ Y1 (t − u). On en déduit que X est stationnaire au second ordre. 2) Pour t = u + τ, on a : RX(τ) = RX(u + τ, u) = ϕ Y1 (τ ) =

1 . 1 + 4π 2τ 2

La puissance de X est donnée par : PX = RX(0) = 1. 3) On a : ∀ v ∈ , SX (ν ) =

∫

∞

−∞

RX (τ ) exp( −2iπντ ) dτ =

Pour k = 1, ..., N, posons Xk (t, ω ) =

4)

exp ( −2iπvτ ) 1 exp ( − ν ). 2 2 dτ = −∞ 1 + 4π τ 2

∫

∞

3 Zk (ω ) exp{−2iπ tYk (ω )}. On a donc : N

N

∑ X (t, ω ). D’autre part,

X (t , ω ) =

k

k =1

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

X k (t + τ , ω ) X k (t , ω ) = 1 T →∞ 2 T lim

∫

T

−T

3 2 Zk (ω ) exp{−2iπ tYk (ω )}, donc : N

X k ( t + τ , ω ) X k ( t , ω ) dt

1 T 2 Zk (ω ) exp( −2iπτYk (ω )) dt =Zk2 (ω ) exp( −2iπτYk (ω )) . T →∞ 2 T − T On en déduit que, pour k = 1, ..., N, Xk n’est pas ergodique et donc X n’est pas ergodique. = lim

∫

Exercice 15.14 Soit U une variable aléatoire réelle de loi uniforme sur [0, 2π] et K une autre variable aléatoire discrète, indépendante de U, à valeurs dans Z de loi P(K = k) = pk , avec k ∈ Z. On définit le signal analogique X (t,ω) par : X (t,ω) = cos (2πt K (ω) + U (ω))

324

Mathématiques du signal

1) X est-il stationnaire au second ordre ? 2) Calculer PX la puissance de X. 3) Déterminer S X le spectre de puissance de X. 1) On a : m X (t) = E[X (t,ω)] = E K [E[X (t,ω) | K ] ] . Or, E[X (t,ω) | K = k] = E[cos (2πtk + U )] = =

1 2π

2π

∞

−∞

cos (2πtk + u) fU (u) du

cos (2πtk + u) du = 0

0

d’où m X (t) = E K [0] = 0 . D’autre par, la fonction d’autocorrélation de X est définie par :      R X (t,v) = E X (t,ω) X (v,ω) = E K E X (t,ω) X (v,ω) | K Or,

  E X (t,ω) X (v,ω) | K = k = E [cos (2πtk + U ) cos (2πvk + U )] =

1 E [cos (2πk (t + v) + 2 U ) + cos (2πk (t − v))] 2

=

1 1 cos (2πk (t −v))+ E [cos (2πk (t +v)+2 U )]

  2 2 =0

1 = cos (2πk (t −v)) 2 ∞ 1 1  cos (2πk (t − v)) pk . E [cos (2πK (t − v))] = 2 2 k=−∞ On en déduit que X est stationnaire au second ordre.

d’où R X (t,v) =

2) On a : R X (τ) =

∞ 1  cos (2πk τ) pk . En particulier, la puissance de X est définie par : 2 k=−∞ ∞ 1  1 PX = R X (0) = pk = 2 k=−∞ 2

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

325

13) Le spectre de puissance de X est défini par : ∞ R X (τ) e−2i πντ dτ S X (ν) = F[R X ](ν) = −∞



=

∞ 1  pk 2 k=−∞

=

∞ ∞   2i πk τ 1  + e−2i πk τ e−2i πντ dτ pk e 4 k=−∞ −∞

=

∞   1  δ{k} (ν) + δ{−k} (ν) pk 4 k=−∞

∞

−∞

1  ( p−ν + pν ) = 4  0

cos (2πk τ) e−2i πντ dτ

si ν ∈ Z sinon

Exercice 15.15 On considère un filtre numérique d’entrée X et la sortie Y :  Y (n,ω) = h(n − k) X (k,ω), où X est centré, stationnaire au second ordre de k∈Z

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

fonction d’autocorrélation R X , de spectre de puissance S X et la réponse impulsionnelle h est définie par :  θ si n ∈ {1,2} h(n) = (θ ∈ R) 1 − 4θ si n = 0 1) Déterminer le spectre de puissance de Y. En déduire RY . 2) Déterminer la fonction d’intercorrélation entrée/sortie : R X Y . 1) On a : SY (ν) = |H (ν)|2 S X (ν) avec H (ν) =

∞  k=−∞

h(k) e−2ik πν =



h(k) e−2ik πν

k∈{0,1,2}

  = (1 − 4θ) + θ e−2i πν + e−4i πν d’où

  SY (ν) = 1 − 8θ + 18θ2 + 2θ(1 − 3θ) cos(2πν) + 2θ(1 − 4θ) cos(4πν) S X (ν)

326

Mathématiques du signal

Pour n ∈ Z on a : RY (n) =

1/2

−1/2

SY (ν) e2inπν dν = (1 − 8θ + 18θ2 )

+ 2θ(1 − 3θ) + 2θ(1 − 4θ) Or,



1/2

−1/2



1/2

−1/2

1/2

e2in πν S X (ν) dν −1/2

  R X (n)

1/2

−1/2





1/2

−1/2

cos(2πν) e2in πν S X (ν) dν cos(4πν) e2in πν S X (ν) dν

cos(2πν) e2in πν S X (ν) dν =

1 (R X (n − 1) + R X (n + 1)) 2

cos(4πν) e2in πν S X (ν) dν =

1 (R X (n − 2) + R X (n + 2)) 2

d’où RY (n) = (1 − 8θ + 18θ2 ) R X (n) + θ(1 − 3θ) (R X (n − 1) + R X (n + 1)) + θ(1 − 4θ) (R X (n − 2) + R X (n + 2)) 2) On a : R X Y (n) = h ∗ R X (n) =



h(n − k) R X (k) =

k∈Z



h(n − k) R X (k)

n−k∈{0,1,2}

= h(0) R X (n) + h(1) R X (n − 1) + h(2) R X (n − 2) = (1 − 4θ) R X (n) + θ (R X (n − 1) + R X (n − 2))

Exercice 15.16 Soit Y et Z des variables aléatoires indépendantes. On suppose que : π • la loi de Y admet la densité : f Y (y) = cos(πy) 11− 1 , 1  (y) 2 2 2 • Z est discrète à valeurs dans {−π,π} de loi : P (Z = −π) = 1 P (Z = π) = . 2 1) On pose : U = Y Z. a) Déterminer ϕU la fonction caractéristique de la loi deU. b) En déduire E [cos(U )] et E [cos(2U )].

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

327

    πθ πθ cos cos π 2 2 = lim = . On admet que : lim θ→1 1 − θ2 θ→−1 1 − θ2 4 2) Soit H un signal analogique stationnaire au second ordre indépendant de Y et Z. Dans la suite on notera : µ H , R H, PH et S H la fonction moyenne, la fonction autocorrélation, la puissance et le spectre de puissance de H. On considère le signal analogique X défini par : X (t,ω) = cos (U (ω)) H (t,ω) . a) Montrer que X est stationnaire au second ordre. b) Calculer PX la puissance de X. c) Déterminer S X le spectre de puissance de X. 1) a) La fonction caractéristique de la loi de U est définie par :      ϕU (t) = E eitU = E E eitY Z |Z Du fait que Y et Z sont indépendantes on :     E eitY Z |Z = z = E eitY z =

=

π 2



1 2

−1 2



∞

−∞

eit yz f Y (y) dy

 tz cos 2 cos(πy) eit yz dy = π2 2 π − t 2 z2 

On en déduit :    πt tZ cos  2  2 2  ϕU (t) = E  π π2 − t 2 Z 2  = 1 − t 2 



© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

cos

1) b) On a : E [cos(U )] = E [cos(2U )] =

 ϕ (1) + ϕU (−1) 1  iU π E e + e−iU = U = 2 2 4  ϕ (2) + ϕU (−2) 1 1  2iU E e + e−2iU = U = 2 2 3

2) a) La fonction moyenne de X est définie par : µ X = E [X (t,ω)] = E [cos (U (ω)) H (t,ω)] = E [cos (U (ω))] E [H (t,ω)] =

π µ 4 H

328

Mathématiques du signal

Par hypothèse le signal H est stationnaire au second ordre, donc µ H ne dépend pas du temps t, il en est donc de même de µ X. La fonction d’autocorrélation de X est définie par :     R X (t1 ,t2 ) = E X (t1 ,ω),X (t2 ,ω) = E cos (U (ω)) H (t1 ,ω) cos (U (ω)) H (t2 ,ω)     = E cos2 (U (ω)) E H (t1 ,ω) H (t2 ,ω) =

1 2 (1 + E [cos (2U (ω))]) R H (t1 ,t2 ) = R H (t1 ,t2 ) 2 3

H étant stationnaire au second ordre, donc R H (t1 ,t2 ) ne dépend que de la différence : t1 − t2 , il en est donc de même de R X (t1 ,t2 ). En particulier on a : R X (τ) = R X (t + τ,t) =

2 2 R H (t + τ,t) = R H (τ) 3 3

2) b) La puissance de X est définie par : PX = R X (0) =

2 2 R H (0) = PH 3 3

2) c) Le spectre de puissance de X est définie par : S X = F (R X ) =

2 2 F (R H ) = S H 3 3

Exercices d’entraînement 15.16 On considère le signal analogique X défini par : X (t,ω) = Y (t + 1,ω) − cos(π U (ω)) Y (t,ω) où Y est un processus à temps continu stationnaire au second ordre, U est une variable aléatoire continue de loi uniforme sur l’intervalle [−1,1] et indépendante de Y (t,ω). Dans la suite on notera : µY, RY, PY et SY la moyenne de Y, la fonction autocorrélation, la puissance et le spectre de puissance de Y.   a) Calculer E [cos(πU )] et E cos2 (πU ) . b) Montrer que X est stationnaire au second ordre. c) Exprimer PX la puissance de X en fonction de PY . d) Exprimer S X le spectre de puissance de X en fonction de SY . 15.17 On considère le signal analogique X défini par : X (t,ω) = Y (t + 1,ω) − e−2i πU (ω) Y (t,ω) où Y est un processus à temps continu stationnaire au second ordre, U est une variable aléatoire continue de densité fU, de fonction caractéristique ϕU et indépendante de Y (t,ω).

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

329

Dans la suite on notera : µY , RY, PY et SY la moyenne de Y, la fonction autocorrélation, la puissance et le spectre de puissance de Y. a) Montrer que X est stationnaire au second ordre. b) Exprimer PX la puissance de X en fonction de PY , RY et ϕU . c) Exprimer S X le spectre de puissance de X en fonction de SY et ϕU . 15.18 On considère le signal analogique X défini par : X (t,ω) = Y (t,ω) − e−2i πt U (ω) où Y est un processus à temps continu stationnaire au second ordre, U est une variable aléatoire continue de loi uniforme sur l’intervalle [−1,1] et indépendante de Y (t,ω). Dans la suite on notera : µY , RY, PY et SY la moyenne de Y, la fonction autocorrélation, la puissance et le spectre de puissance de Y. a) Montrer que X est stationnaire au second ordre. b) Exprimer PX la puissance de X en fonction de PY . c) Exprimer S X le spectre de puissance de X en fonction de SY . 15.19 On considère le signal analogique X défini par : X (t,ω) = Y (t,ω) e−2i πt où Y est un processus à temps continu centré et stationnaire au second ordre. Dans la suite on notera : RY, PY et SY la fonction autocorrélation, la puissance et le spectre de puissance de Y. a) Montrer que X est stationnaire au second ordre. b) Exprimer PX la puissance de X en fonction de PY . c) Exprimer S X le spectre de puissance de X en fonction de SY . 15.20 On considère le signal analogique X défini par : X (t,ω) = Y (t + N ,ω) −

N −1 

e−2i πk U (ω) Y (t + N − k,ω)

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

k=1

où N
2 , Y est un processus à temps continu stationnaire au second ordre, U est une variable aléatoire continue de fonction caractéristique ϕU et indépendante de Y (t,ω). Dans la suite on notera : µY , RY, PY et SY la moyenne de Y, la fonction autocorrélation, la puissance et le spectre de puissance de Y. a) Montrer que X est stationnaire au second ordre. b) Exprimer PX la puissance de X en fonction de PY , RY et ϕU . c) Exprimer S X le spectre de puissance de X en fonction de SY et ϕU . 15.21 On considère le signal analogique X défini par : N 1  X (t,ω) = √ Yk (t,ω) e−2i πθk t N k=1

330

Mathématiques du signal

où N ∈ N , Y1 ,. . . ,Y N sont des processus à temps continu centrés, indépendants et stationnaires au second ordre suivant la même loi de fonction autocorrélation RY, de puissance PY et du spectre de puissance SY ; θ1 ,. . . ,θ N sont des réels. a) Montrer que X est stationnaire au second ordre. b) Exprimer PX la puissance de X en fonction de PY . c) Exprimer S X le spectre de puissance de X en fonction de SY .

Réponses

15.16

a) On a :

E [cos(πU )] =

1 2



1

−1

cos(πu) du = 0

  1 1 1 E cos2 (πU ) = + E [cos(2πU )] = 2 2 2 b) E [X (t,ω)] = E [Y (t + 1,ω)] − E [cos(πU )] E [Y (t,ω)] = µY

  R X (τ) = E X (t + τ,ω) X (t,ω)    = 1 + E cos2 (πU ) RY (τ) − E [cos(πU )] (RY (τ + 1) + RY (τ − 1)) =

3 RY (τ) 2

c) PX = R X (0) =

3 3 RY (0) = PY . 2 2

d) ∀ν ∈ R , S X (ν) = F (R X )(ν) =

15.17

3 3 F (RY )(ν) = SY (ν) . 2 2 



a) E [X (t,ω)] = E [Y (t + 1,ω)] − E e−2i πU (ω) E [Y (t,ω)]





Or, E e−2i πU (ω) =



∞

e−2i πu fU (u) du = ϕU (1) ,   d’où E [X (t,ω)] = 1−ϕU (1) µY . −∞

  R X (τ) = E X (t + τ,ω) X (t,ω) = 2 RY (τ) − ϕU (−1) RY (τ + 1) − ϕU (1) RY (τ − 1)

15 • Processus stationnaires du second ordre. Signaux aléatoires

b)

PX = R X (0) = 2 RY (0) − ϕU (−1) RY (1) − ϕU (1) RY (−1)   = 2 PY − ϕU (−1) + ϕU (1) RY (1) c) ∀ν ∈ R ,

S X (ν) = F (R X )(ν) ∞   = 2 RY (τ) − ϕU (−1) RY (τ + 1) − ϕU (1) RY (τ − 1) e−2i πντ dτ −∞



= 2 SY (ν) − ϕU (−1) −ϕU (1)

∞

−∞

∞

−∞

RY (τ + 1) e−2i πντ dτ

RY (τ − 1) e−2i πντ dτ

  = 2 − ϕU (−1) e2i πν − ϕU (1) e−2i πν SY (ν) 15.18





a) E [X (t,ω)] = E [Y (t,ω)] − E e−2i πt E [U ] Or, E [U ] =

1 2



1

−1

u du = 0 , d’où E [X (t,ω)] = µY

  R X (τ) = E X (t + τ,ω) X (t,ω)     = RY (τ) − e2i πt + e−2i π(t+τ) µY E [U ] + e−2i πτ E U 2 



© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Or, E U 2 =

1 2



1

−1

u 2 du =

b) PX = R X (0) = RY (0) +

1 1 , d’où R X (τ) = RY (τ) + e−2i πτ 3 3 1 1 = PY + . 3 3

c) ∀ν ∈ R , S X (ν) = F (R X )(ν) = SY (ν) +

15.19

1 δ{−1} (ν) . 3

a) E [X (t,ω)] = E [Y (t,ω)] × e−2iπt = 0

  R X (τ) = E X (t + τ,ω) X (t,ω) = RY (τ) e−2i πτ b) PX = R X (0) = RY (0) . c) ∀ν ∈ R , S X (ν) = F (R X )(ν) = SY (ν + 1) .

331

332

Mathématiques du signal

  N −1  ϕU (k) µY 15.20 a) E [X (t,ω)] = 1 − k=1 N −1    ϕU (k) RY (τ − k) + ϕU (−k) RY (τ + k)

R X (τ) = N RY (τ) − +



k=1

ϕU (k − j) RY (τ − k + j)

k= /j

b) PX = N PY −

N −1     ϕU (k) + ϕU (−k) RY (k) + ϕU (k − j) RY (k − j) k= /j

k=1

c)

 S X (ν) = SY (ν) N −

N −1    ϕU (k) e−2i πk ν + ϕU (−k) e2i πk ν k=1

+



ϕU (k − j) e−2i π(k− j)ν

k= /j

15.21

a)

E [X (t,ω)] = 0 , R X (τ) =

N RY (τ)  e−2i πθk τ N k=1

b) PX = PY c) S X (ν) =

N 1  SY (ν + θk ) . N k=1



Index A

durée de vie 265, 269

abscisse de convergence 105 absolument convergente 2 autocorrélation 87, 99

E

C

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

changement d’échelle 86 coefficient de corrélation 273, 276, 282, 284 converge en probabilité 227 en loi 227 en moyenne quadratique 227 convergence dans L 1 (I ) 20 dans L 2 (I ) 20 des distributions 132 dominée de Lebesgue 65 en loi 252, 256, 259, 262 en moyenne quadratique 20, 21 ponctuelle 20, 21, 23 presque partout 20 uniforme 20, 21, 23 couronne de convergence 164, 200 covariance 273 D densité 234 de probabilité 82, 94 spectrale d’énergie 87, 99 spectrale de puissance 304, 308, 310, 321, 322 Dirichlet 46 distribution 108, 121, 122 singulière 122 causale 153 paire 125 régulière 122 tempérée 162 causale 163

énergie 87 équation différentielle 111, 114 intégrale 96 intégro-différentielle 115 espérance conditionnelle 226 F filtre linéaire 199 causal 199, 200 stable 200 filtre numérique linéaire 200 fonction 122, 161 à décroissance rapide 161 converge dans S 161 localement sommable 122 fonction caractéristique 225, 250, 256, 259, 262, 272, 326 causale 66 covariance 303 d’autocorrélation 303, 312, 318, 329 de Bessel 111 de répartition 220, 225, 246, 247, 254, 267, 271 de répartition de la loi normale 234 de transfert 199, 200, 203 moyenne 303 test 121 variance 303 formule de Bayes 212, 218 formule de Poincaré 213 Fourier (transformée de) 85 Fourier (transformée de — inverse) 85 Fresnel 6 Fubini 2, 11

334

G gaussienne 100 Gibbs 49 Gram-Schmidt 33 H Hilbert 9 Hilbert (transformée de) 124 I identité de Parseval 46, 86 inégalité de Bienaymé-Tchebychev 261 intercorrélation 87 J Jacobien 2, 226, 239, 242 L

Mathématiques du signal

processus aléatoire 303 processus aléatoire stationnaire au second ordre 304 produit de convolution 66, 95 produit de convolution de distributions 132 produit scalaire 19, 31 projection orthogonale 31 pseudo-fonction 122, 126, 142, 155 puissance instantanée 304 Pythagore 31 R réponse impulsionnelle 80, 199, 200, 203, 206 réponse indicielle 80, 203, 206 Riemann 1 S

Laplace (transformée de) 105 Loi conditionnelle 226, 247, 266, 267, 271 de Poisson 233, 257, 262 exponentielle 238, 241, 254, 279, 281 faible des grands nombres 227 géométrique 232, 255 marginale 247, 266, 272 normale 227, 245, 265, 290 normale tronquée 246 uniforme 233, 259, 266, 267, 268, 283, 323 uniforme discrète 228

Schwarz 19 Shannon 175 signal analogique 306, 307, 310, 314, 321, 322, 328 analytique 179 gaussien 99 numérique 164, 305, 316, 317 numérique causal 164 sommabilité 6, 15 sommable 19 spectre d’amplitude 87, 99 spectre de phase 87, 99 symétrie hermitienne 86

M

T

matrice variance-covariance 279, 280, 289 meilleure approximation 31 modèle Auto-Régressif d'ordre 1 284

théorème de convergence dominée 146 de Fubini 111 de la valeur finale 106 de la valeur initiale 106, 111, 116 de Wiener-Kinchine 87 Limite Central 227

N norme associée au produit scalaire 31 P peigne de Dirac 125, 162 Pf 188 polynômes de Legendre 32, 34 polynômes de Tchebychev 38 presque partout 19

V valeur principale 8 variance 225 vecteur gaussien 290, 300 vecteur moyenne 289

SCIENCES SUP Dariush Ghorbanzadeh • Pierre Marry Nelly Point • Denise Vial

3 e édition

MATHÉMATIQUES DU SIGNAL Rappels de cours et exercices résolus Cette nouvelle édition d’Éléments de mathématiques du signal s’adresse principalement aux élèves ingénieurs et aux étudiants en Master dans le domaine EEA. Chaque chapitre s’ouvre sur un rappel des notions, théorèmes et notations les plus utilisés. Deux types d’exercices, dont beaucoup sont nouveaux dans cette 3e édition, sont ensuite proposés : certains visent au maniement intellectuel des concepts fondamentaux, d’autres à l’utilisation de ces concepts dans le cadre d’applications pratiques.

DARIUSH GHORBANZADEH, PIERRE MARRY, DENISE VIAL Sont maîtres de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM, Paris).

NELLY POINT est professeure au Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM, Paris).

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