Analyse harmonique (mathématiques)

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Analyseur harmonique mécanique de Lord Kelvin datant de 1878

L'analyse harmonique, ou analyse de Fourier, est la branche des mathématiques qui étudie la représentation des fonctions ou des signaux comme superposition d'ondes de base. Elle approfondit et généralise les notions de série de Fourier et de transformée de Fourier. Les ondes de base s'appellent les harmoniques, d'où le nom de la discipline. Durant ces deux derniers siècles, elle a eu de nombreuses applications en physiques sous le nom d'analyse spectrale, et connaît des applications récentes notamment en traitement des signaux, mécanique quantique, neurosciences, stratigraphie… Des analyseurs harmoniques mécaniques ont vu le jour vers 1920 et permettaient d'obtenir graphiquement jusqu'au 150e coefficient d'un développement de Fourier^{[réf. nécessaire]}.

L'analyse harmonique, historiquement liée au développement de la théorie des séries de Fourier, a reçu un ensemble de généralisations modernes, notamment grâce aux travaux de l'école russe de Gelfand, qui la situe dans un contexte très général et abstrait : par exemple l'analyse harmonique sur les groupes de Lie.

Séries et transformées de Fourier

Les séries de Fourier visent à décomposer une fonction périodique en une « somme infinie de fonctions trigonométriques » de fréquences dont chacune est un multiple d'une fréquence fondamentale. Dans un premier temps, on procède à l'analyse du « contenu en fréquences », appelé spectre de la fonction. Puis, selon les hypothèses caractérisant la fonction et le cadre d'analyse choisi, divers théorèmes permettent de la recomposer.

Les espaces de Hilbert sont un bon cadre d'étude pour les séries de Fourier qui fournit un lien entre analyse harmonique et analyse fonctionnelle.

La transformation de Fourier généralise la théorie des séries de Fourier aux fonctions non périodiques et permet également de leur associer un spectre en fréquences. Ce dernier concerne alors toutes les fréquences. Ainsi, la sommation des composantes périodiques se présentera sous forme d'intégrale.

La transformée de Fourier classique sur reste actuellement un domaine de recherche active, en particulier la transformation de Fourier sur des objets plus généraux comme les distributions tempérées. Par exemple, en imposant des contraintes à une distribution, elles peuvent se traduire directement sur sa transformée de Fourier. Le théorème de Paley-Wiener en est un exemple. Ce théorème a pour conséquence immédiate que la transformée de Fourier d'une distribution non nulle à support compact n'est jamais à support compact. C'est une forme élémentaire des relations d'incertitudes de Heisenberg.

Analyse harmonique abstraite

L'une des branches les plus modernes de l'analyse harmonique, initiée au milieu du XX^e siècle, est l'analyse sur les groupes topologiques. L'idée est que la transformation de Fourier peut être généralisée en une transformation des fonctions définies sur des groupes localement compacts.

La théorie pour les groupes abéliens localement compacts est la dualité de Pontryagin. L'analyse harmonique étudie les propriétés de cette dualité et essaie de les étendre à d'autres structures, par exemple les groupes de Lie non-abéliens. En général, pour les groupes non-abélien localement compacts, l'analyse harmonique est liée à la théorie des représentations des groupes unitaires. Pour les groupes compacts, le théorème de Peter-Weyl (en) explique comment obtenir les harmoniques en choisissant une représentation irréductible dans chaque classe d'équivalence. Ce choix des harmoniques permet de profiter de certaines propriétés utiles de la transformation de Fourier qui transforme le produit de convolution en produit usuel et révèle la structure de groupe sous-jacente.

Si le groupe n'est ni abélien ni compact, aucune théorie satisfaisante, c'est-à-dire équivalent au moins au théorème de Plancherel, n'est à présent connue. Mais certains cas particuliers ont été étudiés, comme par exemple le groupe spécial linéaire SL_n. Dans ce cas, les représentations de dimension infinie jouent un rôle crucial.

Annexes

Articles connexes

• Analyse spectrale pour trouver le pendant en physique
• Traitement du signal
• Modèles de régression multiple postulés et non postulés

Liens externes

• (en) Eric W. Weisstein, « Harmonic Analysis », MathWorld
• (es) Análisis de Fourier sur le site de l'université du Pays basque

Bibliographie

• Claude Gasquet et Patrick Witomski, Analyse de Fourier et applications : filtrage, calcul numérique et ondelettes, Masson, 1990 (ISBN 978-2-22582018-2) 
• Claude Gasquet et Patrick Witomski, Analyse de Fourier et applications : exercices corrigés, Dunod, 2000 (ISBN 978-2-10005017-8) 
• (en) Elias Menachem Stein, Harmonic Analysis, Princeton University Press, 1993 (ISBN 0-691-03216-5) 
• (en) Tomas Wolff (de), Lectures on Harmonic Analysis, AMS Bookstore, 2003 (ISBN 978-0-821-83449-7) 
• (en) Yitzhak Katznelson (en), An introduction to harmonic analysis, Cambridge University Press, 2004 (ISBN 0-521-83829-0) 

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