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Niveau Maths sup
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somme exponentielles complexes

Posté par
thor1356
14-02-15 à 16:10

Bonjour,

un exercice que j'ai retrouvé au fond d'un carton a archive et que je n'ai pu résoudre à l'époque !

----------------------------------------
h designe un nombre réel

on pose Cn(h) = cos(jh) (j = 1 a n)

en utilisant une somme d'exponentielles complexes déterminer la valeur de Cn(h) dans les deux cas particuliers suivant:

h = 2m/(n+1) et h = (2m-1)/(n+1) avec m et 1mn

----------------------------------------------

quelle est la meilleure approche ?
1 - calculer la somme des cosinus  et la'appliquer pour les valeurs particulières de  h
2 - trouver une astuce (et si oui laquelle ?) pour se passer du calcul de la somme et néanmoins avoir le résultat pour les valeur particulières  de h

J'ai très longuement séché sur cet exercice
merci pour votre aide

Posté par
boninmi
re : somme exponentielles complexes 14-02-15 à 17:17

L'astuce classique pour faire apparaître une somme d'exponentielles complexes avec progression géométrique est d'introduire la somme analogue que tu peux appeler Sn(h) avec les sinus et de former Cn(h)+i.Sn(h) .

Posté par
thor1356
somme exponentielles complexes 14-02-15 à 17:23

Merci pour ta réponse.
Il est vrai que l'on peut utiliser cette approche. Le calcul est long et on arrive à une formule qui donne la somme de la partie réelle  et imaginaire.
Mais je me demandais s'il existait une approche moins lourde en relation avec les valeurs particulières de h

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : somme exponentielles complexes 14-02-15 à 17:58

Bonjour,

on peut en effet remarquer que

\large \boxed{2\sin(\frac{h}{2})C_n(h)=\sum_{j=1}^n2\sin(\frac{h}{2})\cos(jh)=\sum_{j=1}^n\sin(jh+\frac{h}{2})-\sin(jh-\frac{h}{2})}

d'où par téléscopage

\large \boxed{2\sin(\frac{h}{2})C_n(h)=\sin(nh+\frac{h}{2})-\sin(\frac{h}{2})}

et ainsi si \sin(\frac{h}{2})\neq0 on a

\large \boxed{C_n(h)=\frac{\sin(nh+\frac{h}{2})}{2\sin(\frac{h}{2})}-\frac{1}{2}} qui s'écrit aussi \large \boxed{C_n(h)=\frac{\sin((n+1)h-\frac{h}{2})}{2\sin(\frac{h}{2})}-\frac{1}{2}}

pour les valeurs particulières : h=\frac{2m\pi}{n+1} ou \frac{h=(2m-1)\pi}{n+1} , 1\le m\le n on vérifie facilement que \frac{h}{2}\in]0,\pi[ et donc \sin(\frac{h}{2})\neq0 , d'où

\large \boxed{C_n(\frac{2m\pi}{n+1})=\frac{\sin(2m\pi-\frac{h}{2})}{2\sin(\frac{h}{2})}-\frac{1}{2}=-1} et \large \boxed{C_n(\frac{(2m-1)\pi}{n+1})=\frac{\sin((2m-1)\pi-\frac{h}{2})}{2\sin(\frac{h}{2})}-\frac{1}{2}=0} sauf erreur bien entendu

Posté par
thor1356
re : somme exponentielles complexes 14-02-15 à 22:47

merci pour cette belle démonstration qui ne passe pas par les exponentielles complexes.

Posté par
boninmi
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 09:02

Mais
- est-elle vraiment moins lourde ?
- elle nécessite aussi une astuce qu'on peut trouver un peu artificielle.
Comparer diverses solutions est néanmoins toujours enrichissant.

Posté par
thor1356
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 11:09

est ce quelqu'un pourrait m'aider sur la démonstration en passant par les exponentielles complexes
Merci

Posté par
Robot
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 11:26

Que veux-tu de plus que le message de boninmi le 14-02-15 à 17:17 ?

Posté par
boninmi
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 11:36

cos(jh)+i.sin(jh)=ejh=(eh)j
et on utilise la formule qui donne la somme des termes d'une suite géométrique (de raison q=eh ici).

Posté par
thor1356
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 12:42

merci boninmi et Robot

en effet on arrive à :

Cn(h) + i Sn(h) = (e(n+1)h-eh)/ (eh-1)

le problème c'est quand je reviens en notation trigo et que je cherche à séparer la partie imaginaire de la partie réelle.
je multiplie par la quantité conjuguée au dénominateur quant au numérateur je me perds dans les calculs...

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 15:50

Citation :
2 - trouver une astuce (et si oui laquelle ?) pour se passer du calcul de la somme et néanmoins avoir le résultat pour les valeur particulières de h


avec le changement d'indice \large \boxed{j\mapsto n+1-j} on a

\large \boxed{C_n\left(\frac{(2m-1)\pi}{n+1}\right)=\sum_{j=1}^n\cos\left((2m-1)\pi-jh\right)=\sum_{j=1}^n-\cos\left(jh\right)=-C_n\left(\frac{(2m-1)\pi}{n+1}\right)} sauf erreur bien entendu

Posté par
Robot
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 15:56

Faudrait pas laisser tomber le i (l'écriture de boninmi est aussi fautive) !

\dfrac{e^{i(n+1)h}-e^{ih}}{e^{ih}-1}= \dfrac{e^{i((n/2)+1)h} (e^{inh/2}-e^{-inh/2})}{e^{ih/2}(e^{ih/2}-e^{-ih/2})}

Posté par
boninmi
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 16:47

Citation :
l'écriture de boninmi est aussi fautive

Effectivement ...

Posté par
thor1356
re : somme exponentielles complexes 15-02-15 à 23:31

Bonsoir,

grâce au coup de pouce de Robot j'ai pu trouver que

Cn(h)  = \frac{cos h((n+1)/2)}{sin(h/2)}sin(nh/2)

je pense que c'est correct même si cela ne ressemble pas au résultat de elhor_abdelali . merci de confirmer/infirmer

Une question pour Robot, d'où vient l'idée de cette mise en facteur dans le terme à droite de l'égalité

\dfrac{e^{i(n+1)h}-e^{ih}}{e^{ih}-1}= \dfrac{e^{i((n/2)+1)h} (e^{inh/2}-e^{-inh/2})}{e^{ih/2}(e^{ih/2}-e^{-ih/2})}

Le terme mis en facteur est la moyenne des termes des 2 exponentielles du numerateur

est ce une astuce liée à ce problème ou est ce une approche  plus générale ?

Merci pour votre aide à tous.

J'avais été confronté à cet exercice en 1977 et je n'avais pas trouvé à l'époque...

Posté par
Robot
re : somme exponentielles complexes 16-02-15 à 09:54

C'est un coup classique, et qui se comprend bien quand on réalise qu'on est en train de faire la somme ou la différence de deux complexes de module 1, représentés sur le ce'rcle trigonométrique : un petit dessin montre qu'il est naturel de passer par l'argument de la bissectrice, et qu'on récupère le double d'un cosinus ou d'un sinus de la moitié de la différence des arguments. En résumé : fais un dessin !

Posté par
thor1356
re : somme exponentielles complexes 16-02-15 à 11:49

Ok j'ai compris

Je retiendrai la démarche

Posté par
thor1356
re : somme exponentielles complexes 16-02-15 à 11:51

et merci !

Posté par
Robot
re : somme exponentielles complexes 16-02-15 à 13:41

Avec plaisir.



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