Contre-exemple et Transformée de Fourier

Bonjour,

je cherche un exemple le plus marquant possible de catastrophe engendrée par l'utilisation de la transformée de Fourier d'une fonction de $L^2$ comme si elle était dans $L^1$ : je travaille en effet avec des physiciens, lesquels ne manquent pas d'utiliser copieusement ce genre d'abus ; s'il y a quelques points de divergence, cela ne suffit pas à les perturber (surtout que reprenant la transformée de Fourier inverse, ils finissent à un moment donné par retomber sur leur pattes...).

Par exemple pour $f: x\mapsto \frac{1}{x}1_{]-1,1[}(x)$, "définir" (et travailler avec!)
\[F(f)(y) "= " \int_\R e^{i yx} f(x) d x\]
ne leur pose pas de problèmes(!), du fait que c'est la plupart du temps une intégrale impropre ($\int \frac{\cos(x)}{x}dx$ et $\int \frac{\sin(x)}{x}dx$, si $y\neq 0$) et même pour $y= 0$, en faisant une "limite symétrique" : $F(f)(0) " = " \lim_{n\rightarrow+\infty}\int_{-n}^nf(x) dx$ ).

Bref, je cherche une fonction de $L^2$, la plus simple possible dont, malgré ce genre de petites "astuces", la transformée de Fourier au sens de $L^1$ n'aurait aucun sens, (même pas en temps qu'intégrale impropre sur le complémentaire d'un ensemble localement fini, ni avec des "propriétés" de symétrie), au moins sur un ensemble dense de $\R$....

Réponses

  • Tu demandes à ces physiciens de calculer Fourier ${1\over \sqrt{1+x^2}}$ qui est $L^2(\R)$ et non $L^1(\R)$

    A leurs surprises le résultat n'est pas donné par une fonction continue qui est le cas de Fourier d'une fonction de L^1
    Le 😄 Farceur


  • Si j'en crois wolfram alpha, il y a un problème en $y=0$, mais en faisant une sorte de limite symétrique, on peut prétendre qu'on "résout" la singularité (vu dans des articles de physique)... C'est pas mal comme contre-exemple, mais il n'est pas très différent de la fonction $f$ que j'ai donné, d'un point de vue comportement général, il me semble.

    Je cherchais plutôt de bonne grosses divergences sur des ensembles de taille respectable ...
  • Je pensais à un exemple du genre, en notant $a_n$ une énumération de $\Q$ et en posant
    \[f_n: x\mapsto \frac{\mathrm{sgn}(x-a_n)}{x-a_n}1_{]-1+a_n,1+a_n[}(x)\]
    puis
    \[f(x) := \sum_{n\in \N}\frac{ f_n(x)}{2^n}\]
    ou il y aurait des divergences sur $\Q$ ; par contre je suis pas bien sûr que $f$ ainsi définie soit dans $L^2$ (puis c'est pas très intuitif comme contre-exemple...)
  • Pas sûr que ça convienne à des physiciens, ils diront que c'est trop artificiel !

    Peut-être qu'un exemple du style $x \mapsto \frac{|\sin(x)|}{x}$ leur conviendrait mieux ? Ou bien $x \mapsto \frac{\sin(x^2)}{x}$.
  • La fonction $x \mapsto \arctan\left(\frac{1}{x} \right)$ est dans $L^2(\R)$ mais pas dans $L^1(\R)$ et me semble constituer un exercice intéressant. Sauf erreur, la transfo de Fourier dans $L^2$ de cette fonction est donné par $$y \mapsto \frac{\pi}{y} (1-e^{-|y|}).$$
  • Si je ne dis pas de bêtises, en prenant une suite $f_n\in L^1$ convergeant presque partout vers $f$ et avec $|f_n(x)|\leq |f(x)|$ alors on va avoir $\hat f_n \to \mathcal F(f)$ au sens des distributions tempérées. Pour peu que $\mathcal F (f) $ soit continue cela implique la convergence ponctuelle. Si je ne dis toujours pas de bêtises je crois même que cela entraîne la convergence presque partout de $\hat f_n$ dans le cas général $\mathcal F(f)\in L^2$.

    Tout ça pour dire que je ne suis pas sûr que tu trouves un contre exemple qui te convienne, et que les physiciens ne font peut être pas des choses si fausses que ça après tout !
  • Disons qu'il faut se lever de bonne heure pour trouver un contre-exemple ultra sauvage, tout simplement car il n'y en a pas au sens suivant.
    Il est connu (et c'est un théorème très difficile voire inaccessible du à L. Carleson pour les séries de Fourier étendu sur la droite réelle par T. Lacey / Hunt ) que la limite des intégrales symétriques d'une transformée de Fourier d'une "fonction" $L^{2}$ (en fait $L^{p}$ pour $1<p\leq 2$) convergent pp vers cette "fonction".
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