Soit t>0; f:R→R est dite t-périodique si f(x+t)=f(x)∀x∈R. Si il existe un t>0 minimal jouissant de cette propriété, on l’appelle période def, et on le note T>0.
Remarque 6.1.
Si f est t-périodique, elle est aussi ±2t-périodique, ±3t-périodique, etc.
Animation explicative
Exemple 6.8.
f(x)=sin(x) est périodique, de période T=2π:
f(x)=cos(x) est périodique, de période T=2π.
Exemple 6.9.
f(x)=tan(x) (sur son domaine) est π-périodique car tan(x+π)=cos(x+π)sin(x+π)=−cos(x)−sin(x)=tan(x).
Exemple 6.10.
Considérons une fonction constante: f(x)=C. On a bien f(x+t)=f(x) pour tout x et tout t>0, donc f est t-périodique pour tout t>0. Mais comme il n’existe pas de plus petittstrictement positif avec cette propriété, la fonction n’a pas de “période” à proprement parler.
Exemple 6.11.
Considérons la fonction f(x)={10 si x∈Q, si x∈R∖Q. Montrons que si t∈Q est un rationnel quelconque, alors f est t-périodique. En effet, prenons un x∈R quelconque. Si x∈Q, alors f(x)=1, et comme x+t∈Q, on a aussi f(x+t)=1. Si x∈R∖Q, alors f(x)=0, et comme x+t∈R∖Q, on a aussi f(x+t)=0. Dans tous les cas, f(x+t)=f(x). Ici aussi, comme il n’existe pas de “plus petit rationnel t>0”, f n’a pas de période.
Remarquons qu’en général, la somme de deux fonctions périodiques n’est pas forcément périodique!
Exemple 6.12.
f(x)=sin(2πx) est périodique, de période Tf=1, et g(x)=sin(2πx) est périodique, de période Tg=2. Par contre, f+g n’est pas périodique, puisque 2 étant irrationnel, aucun multiple de Tg ne coïncidera avec un multiple de Tf.
On peut garantir que f+g est aussi périodique, mais en imposant une condition particulière sur Tf et Tg:
Lemme 6.2.
Soit f:R→R périodique, de période Tf, et g:R→R périodique, de période Tg. Alors f+g et f−g sont périodiques si TgTf∈Q.
Proof
Si TgTf∈Q, il existe deux entiers p,q tels que TgTf=qp. Ceci signifie que qTf=pTg. Ceci implique que si on définit t~=qTf, alors pour tout x, (f±g)(x+t~)=f(x+t~)±g(x+t~)=f(x+qTf)±g(x+qTf)==f(x)f(x+qTf)±=g(x)g(x+pTg)=(f±g)(x), ce qui implique que f±g est périodique.
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Exemple 6.13.
La fonction f(x)=sin2(x) a pour période Tf=π, et g(x)=cos(3x) a pour période Tg=32π. Comme TgTf=23∈Q, on conclut par le lemme que f+g et f−g sont périodiques. Mais comment calculer les périodes de ces fonctions?
En cherchant le plus petit multiple commun entre les périodes de f et g: Tf±g=ppmc(Tf,Tg)=2π.
Quiz 6.4.1.Soit f:R→R. Vrai ou faux?
Quiz 6.4.2.Soit f:R→R une fonction périodique. Vrai ou faux?