Analyse · 4 affiches · formule n° 16
La série de Fourier
Une série de Fourier écrit une fonction périodique comme une somme de sinusoïdes. Même un signal carré, fait de sauts brusques, se reconstruit avec des sinus de fréquences 1, 3, 5, 7…
Quatre styles
Les affiches
La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.
Ce que dit la formule
Soit l’onde carrée (ou signal carré) : la fonction périodique de période qui vaut pour et pour . Pour tout réel qui n’est pas un multiple de :
- est la variable, par exemple un temps ou un angle.
- est une somme infinie : . Seules les fréquences impaires apparaissent.
- est l’amplitude de chaque sinusoïde : plus la fréquence est haute, plus elle est faible.
- Aux sauts (), chaque sinus est nul, donc la série vaut : c’est la moyenne des valeurs et de part et d’autre du saut. L’égalité n’est donc affirmée qu’en dehors de ces points.
Le cas général. Pour une fonction de période , intégrable sur une période, on définit ses coefficients de Fourier
et sa série de Fourier .
Cette série ne converge pas toujours vers . Le théorème de Dirichlet donne une condition suffisante : si est de classe par morceaux (sur chaque période, et sa dérivée sont continues sauf en un nombre fini de points, où elles ont des limites finies à gauche et à droite), alors en tout point la série converge vers , moyenne des limites à gauche et à droite. Là où est continue, cette moyenne est simplement . Sans hypothèse de ce genre, la convergence peut échouer : il existe des fonctions continues dont la série de Fourier diverge en certains points.
Un exemple
Prenons , où l’onde carrée vaut 1. On a , et la formule devient
c’est-à-dire la formule de Leibniz .
Les sommes partielles oscillent autour de 1 en s’en rapprochant :
- 1 terme : , environ 1,2732 ;
- 2 termes : , environ 0,8488 ;
- 3 termes : , environ 1,1034 ;
- 10 termes : environ 0,9682 ;
- 1 000 termes : environ 0,99968.
Un deuxième calcul, par l’énergie. L’égalité de Parseval dit que, pour une fonction de carré intégrable, . Pour l’onde carrée, , donc le membre de gauche vaut . À droite, il ne reste que les pour impair. On obtient
soit environ 1,233700, ce que confirme une somme de dix millions de termes. On en déduit la célèbre somme du problème de Bâle, , car les termes impairs en représentent les trois quarts.
Pourquoi c’est vrai
Les coefficients. Les formules de et viennent de l’orthogonalité des sinus et cosinus : sur une période, vaut si et sinon, et l’intégrale d’un produit sinus-cosinus est toujours nulle. Multiplier la série par puis intégrer isole donc le seul coefficient .
Pour l’onde carrée, la fonction est impaire, donc tous les sont nuls. Pour :
Si est pair, ; si est impair, . En posant , on retrouve exactement la formule.
La convergence. L’onde carrée est constante sur chaque morceau, donc de classe par morceaux : le théorème de Dirichlet s’applique. La série converge vers hors des sauts et vers aux sauts. La démonstration de ce théorème dépasse le cadre de cette page ; elle repose sur une expression explicite des sommes partielles (le noyau de Dirichlet).
Le phénomène de Gibbs. Près d’un saut, les sommes partielles dépassent la valeur 1. Avec termes, le pic est situé en ; il vaut environ 1,1823 pour 5 termes, 1,1794 pour 14 termes, et tend vers environ 1,17898 quand grandit. Le dépassement, environ 0,1789 pour un saut de hauteur 2, représente environ 8,9 % du saut (on arrondit souvent à 9 %), et il ne disparaît pas : le pic se rapproche du saut sans s’aplatir. La convergence a bien lieu en chaque point, mais elle n’est pas uniforme près des discontinuités.
Un peu d’histoire
Des sommes de sinus apparaissent dès les années 1750 dans les débats entre d’Alembert, Euler et Daniel Bernoulli sur les vibrations d’une corde. Joseph Fourier, étudiant la propagation de la chaleur, affirme qu’une fonction très générale peut s’écrire ainsi. Il présente un premier mémoire en 1807, complété en 1811, puis publie en 1822 la Théorie analytique de la chaleur. Ses raisonnements sont alors jugés insuffisamment rigoureux.
Le premier théorème de convergence correct est dû à Peter Gustav Lejeune Dirichlet, en 1829. Le dépassement près des sauts est décrit par Henry Wilbraham dès 1848, sans grand écho. Il réapparaît à la fin du XIXe siècle sur les courbes de la machine à sommer les séries d’Albert Michelson ; Josiah Willard Gibbs en donne l’explication mathématique, et Maxime Bôcher lui donne le nom de phénomène de Gibbs en 1906.
Ce que montre l’affiche
L’affiche superpose, sur deux périodes ( de 0 à ), les sommes partielles de 1 à 14 termes de la série, calculées point par point par un programme écrit pour l’atelier. La première, une simple sinusoïde, est la plus claire ; chaque nouveau terme ajoute une ondulation plus fine, et les courbes se rapprochent des paliers et de l’onde carrée. La somme de 14 termes, en trait plus épais, montre près de chaque saut les petites oscillations du phénomène de Gibbs. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.
Pour aller plus loin
- La transformée de Fourier, le prolongement de cette idée aux fonctions non périodiques.
- L’équation de la chaleur, que Fourier voulait résoudre.
- La formule de Leibniz, qui apparaît en .
- L’onde carrée sur Wolfram MathWorld (nouvel onglet), en anglais.
Vérifiée par le calcul
Les contrôles de cette formule
Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode
- coefficients calculés : b₁ = 4/π, b₂ = 0, b₃ = 4/(3π), b₄ = 0, b₅ = 4/(5π)1.2732395 ; 0.0000000 ; 0.4244132 ; -0.0000000 ; 0.2546479
- somme de 200 000 termes en x = 1 vaut 1obtenu 0.999998127923394, attendu 1, écart 1.87e-6 (tolérance 0.00001)
- somme de 200 000 termes en x = 4 vaut −1obtenu -0.999998231881746, attendu -1, écart 1.77e-6 (tolérance 0.00001)
- dépassement de Gibbs ≈ 1,17898 (sommes de 2 000 termes)obtenu 1.178979765305498, attendu 1.1789797444721672, écart 1.77e-8 (tolérance 0.001)
Sources
Questions fréquentes
À quoi sert une série de Fourier ?
Elle décompose un phénomène périodique en fréquences simples. On l’utilise en acoustique, en électronique, en traitement du signal et pour résoudre des équations comme celle de la chaleur.
Comment calcule-t-on les coefficients de Fourier ?
Pour une fonction de période 2π, on intègre f(x)cos(nx) et f(x)sin(nx) sur une période, puis on divise par π. Pour l’onde carrée, on obtient bₙ = 4/(nπ) quand n est impair, et 0 sinon.
Une série de Fourier converge-t-elle toujours ?
Non. Le théorème de Dirichlet garantit la convergence pour une fonction de classe C¹ par morceaux, vers la moyenne des limites à gauche et à droite ; il existe en revanche des fonctions continues dont la série diverge en certains points.
Qu’est-ce que le phénomène de Gibbs ?
C’est le dépassement que présentent les sommes partielles près d’un saut : environ 8,9 % de la hauteur du saut, souvent arrondi à 9 %. Il ne diminue pas quand on ajoute des termes ; il se resserre seulement autour du saut.
Pourquoi le signal carré ne contient-il que des fréquences impaires ?
Parce que ses coefficients bₙ = 2(1 − (−1)ⁿ)/(nπ) s’annulent pour n pair. Cela tient à sa symétrie : il est impair et reprend la même forme, inversée, au bout d’une demi-période.



