Transformée de Fourier discrète

### 6.25.2 Transformée de Fourier discrète

Soit N un entier.
On considère une suite x périodique de période N : elle est entièrement déterminée par la liste x=[x0,x1,...xN−1].
La transformée de Fourier discréte est une transformation FN qui a une suite x périodique de période N fait correspondre une suite y, périodique de période N, définie pour k=0..N−1 par :
(FN(x))k=yk=∑j=0N−1xjωN−k· j avec ωN racine N-ième de l’unité.
Le but est de calculer pour k=0..N−1:

N−1
∑
j=0
| xjωN−k· j

avec ωN=exp(2iπ/N)
La méthode de la transformée de Fourier rapide permet de calculer rapidement ces sommes si N est une puissance de 2.

#### Les propriétes

La transformée de Fourier discréte FN est une transformation bijective.
On a :
FN−1=1/N FN
c’est à dire :
(FN−1(x))k=1/N∑j=0N−1xjωNk· j
Notation
Avec `Xcas` on a les fonctions `fft` et `ifft` qui sont :
`fft(x)`=FN(x) et
`ifft(x)`=FN−1(x)
Définiton
Soient deux suites x et y périodiques de période N.
On définit :
- le produit de Hadamard, noté ·, par :
(x · y)k=xkyk
- le produit de convolution, noté *, par :
(x * y)k=∑j=0N−1xjyk−j
On a alors :
N*FN(x · y)=FN(x) * FN(y)
FN(x * y)=FN(x) · FN(y)

#### Où interviennent ces sommes ?

1. Valeur d’un polynôme
   Soit un polynôme P(x)=∑j=0N−1cjxj donné par la liste de ces coefficients [c0,c1,..cN−1] complété par des zéros pour que N soit une puissance de 2.
   - On veut calculer les valeurs prises par P(x) aux points ak=ωN−k=exp(−2ikπ/N) pour k=0..N−1, c’est à dire les valeurs ∑j=0N−1cj(ωN−k)j pour k=0..N−1.
     On a :
     [P(a0), P(a1),..P(aN−1)]=FN([c0,c1,..cN−1])
     Par exemple on tape :
     `P(x):=x+x```^```2` et `w:=i`
     Les coefficients de P sont [0,1,1,0], ω=w=i, N=4 et exp(2iπ/4)=i.
     On a :
     `fft([0,1,1,0])=[2,-1-i,0,-1+i]` et donc
     `P(0)=2`,
     `P(-i)=P(w```^```-1)=-1-i`,
     `P(-1)=P(w```^```-2)=0`,
     `P(i)=P(w```^```-3)=-1+i`.
   - On veut calculer les valeurs prises par P(x) aux points bk=ωNk=exp(2ikπ/N) pour k=0..(N−1), c’est à dire les valeurs ∑j=0N−1cj(ωNk)j pour k=0..(N−1).
     On a :
     [P(a0), P(a1),..P(a(N−1))]=N*FN−1([c0,c1,..c(N−1)])
     Par exemple on tape :
     `P(x):=x+x```^```2` et `w:=i`
     Les coefficients de P sont [0,1,1,0], ω=w=i, N=4 et exp(2iπ/4)=i.
     On a :
     `4*ifft([0,1,1,0])=[2,-1+i,0,-1-i]` et donc
     `P(0)=2`,
     `P(i)=P(w```^```1)=-1+i`,
     `P(-1)=P(w```^```2)=0`,
     `P(-i)=P(w```^```3)=-1-i`.
2. Interpolation trigonométrique
   Soit f une fonction 2π-périodique dont on connait les valeurs en xk=2kπ/N, f(xk)=f(2kπ/N)=fk pour k=0..(N−1) avec N=2*m.
   On veut déterminer le polynôme p trigonométrique interpolateur de f aux points 2kπ/N pour k=0..(N−1), sous la forme :
   p(x)=a0/2+∑n=0N/2−1ancos(nx)+bnsin(nx)+1/2 aN/2cos(Nx/2)
   on suppose donc b0=bN/2=0 et on choisit cette notation pour simplifier les calculs ultérieurs.
   On a aussi :
   p(x)=1/2 p−N/2exp(−iNx/2)+∑n=−N/2+1N/2−1pnexp(inx)+1/2 pN/2exp(iNx/2).
   avec pour k=0..N/2
   pk=1/2(ak−ibk)
   p−k=1/2(ak+ibk)
   comme bN/2=0 on a p−N/2=pN/2
   On veut déterminer les pk pour avoir :
   p(xk)=fk=
   1/2 p−N/2exp(−ikπ)+∑n=−N/2+1N/2−1pnexp(in2kπ/N)+1/2 pN/2exp(ikπ)
   puisque exp(−ikπ)=exp(ikπ)=−1 et p−N/2=pN/2 on a
   p(xk)=fk=−p−N/2+∑n=−N/2+1N/2−1pnexp(in2kπ/N)
   On transforme ∑n=−N/2+1−1 en posant j=n+N on obtient :
   ∑n=−N/2−1 pn exp(inx)=∑j=N/2N−1pj−Nexp(i(j−N)x)
   puisque pour k=0..(N−1), exp(i(j−N)xk)=exp(ijxk),
   on a :
   p(xk)=∑j=N/2N−1pj−Nexp(ijxk)+∑n=0N/2−1pnexp(inxk).
   ou encore :
   p(xk)=∑n=0N/2−1pnexp(inxk)+∑n=N/2N−1pn−Nexp(inxk).
   On pose :
   pour n=0..(N/2−1), qn=pn et
   pour n=N/2..(N−1), qn=pn−N.
   Donc pour k=0..(N−1), p(xk)=∑n=0N−1qnexp(inxk)=fk.
   Il suffit donc de résoudre ce système d’inconnues qn.
   On a :
   fk=f(2kπ/N)=p(xk)=N*FN−1(q)=`N*ifft(q)`
   soit :
   q=[p0,..pN/2−1,p−N/2,..,p−1]=1/NFN([f0,..f(N−1)])=
   `1/N` `fft([f``0``,...f``(N-1)``])`
   `Remarque`
   Si la fonction f est réelle on a :
   p−k=pk pour k=1..(N/2−1) et p0 et p−N/2 sont réels.
   Donc si la fonction f est réelle on a :
   p(x)=p0+2*re(∑k=0N/2−1pkexp(ikx)+1/2p−N/2*exp(−iNx/2))
   En résumé :
   pour 0 ≤ n<N/2, pn est le n-ième élément de 1/NFN([f0,..f(N−1)]) et,
   pour −N/2 ≤ n<0, pn est le (n+N)-ième élément de 1/NFN([f0,..f(N−1)]).
3. Série de Fourier
   Soit f une fonction 2π-périodique dont on connait les valeurs en xk=2kπ/N, f(xk)=f(2kπ/N)=yk pour k=0..(N−1).
   On suppose que sa série de Fourier converge simplement vers f, et on veut connaître les coefficients cn pour −N/2 ≤ n<N/2.
   Il fait donc calculer de façon approchée :
   cn=1/2π ∫02πf(t)exp(−int)dt
   Remarque
   Lorsque la fonction périodique f est égale à sa série de Fourier, on a :
   f(x)=a0/2+∑k=1∞akcos(kx)+bksin(kx) avec ck=ak−ibk/2.

   On calcule l’intégrale donnant cn de manière approchée par la méthode des trapèzes. Ici Romberg ne sert a rien, car le développement d’Euler Mac Laurin a ses coefficients déjà nuls puisque la fonction que l’on intègre est périodique et donc toutes ses dérivées sont égales en 0 et en 2π.
   Si cn≃ est la valeur approchée de cn obtenue par la méthode des trapèzes, on a pour −N/2 ≤ n<N/2:
   cn≃=1/2π2π/N∑k=0N−1ykexp(−2inkπ/N)
   puisque xk=2kπ/N et f(xk)=yk on a
   f(xk)exp(−inxk)=ykexp(−2inkπ/N) et
   f(0)exp(0)=f(2π)exp(−2inNπ/N)=y0=yN
   On a donc :
   [c0≃,..cN/2−1≃,c−N/2≃,..c−1≃]=1/NFN([y0,y1...y(N−1)]) car
   si n≥0, on a cn≃=yn et
   si n<0, on a cn≃=yn+N si ωN=exp(2iπ/N), ωNn=ωNn+N puisque ωNN=1

   Propriétés
   On retrouve les coefficients du polynôme interpolateur de f :
   pn=cn≃ pour −N/2 ≤ n<N/2.
   Ce qui veut dire que le polynôme trigonométrique ∑n=−N/2N/2−1cn≃exp(inx) interpole f(x) aux points x=2kπ/N.
   Donc si f est un polynôme trigonométrique P de degré m≤ N/2 :
   f(t)=P(t)=∑k=−mm−1ckexp(2ikπ t), le polynôme trigonométrique qui interpole f=P est P lui-même, les coefficients approchés sont exacts (cn≃=cn).
   On peut, plus généralement calculer l’erreur cn≃−cn.
   On suppose que f est égale à sa série de Fourier, c’est à dire que l’on a :
   f(t)=∫m=−∞+∞cmexp(2iπ mt) avec ∑m=−∞+∞|cm|<∞
   On a donc :
   f(xk)=f(2kπ/N)=yk=∑m=−∞+∞cmωNkm et
   cn≃=1/N∑k=0N−1ykωN−kn
   En remplaçant yk on obtient :
   cn≃=1/N∑k=0N−1∑m=−∞+∞cmωNkmωN−kn
   Or :
   ωNkmωN−kn=ωNk(m−n) et
   puisque ωNm−n est une racine N-ième de l’unité, on a :
   ωN(m−n)N=1 et ∑k=0N−1ωN(m−n)k=0.
   Donc :
   si m−n est un multiple de N (m=n+l· N) on a ∑k=0N−1ωNk(m−n)=N et
   sinon ∑k=0N−1ωNk(m−n)=0
   En intervertisant les deux sommes on a :
   cn≃=1/N∑m=−∞+∞cm∑k=0N−1ωNk(m−n)
   cn≃=∑l=−∞+∞c(n+l· N)
   c’est à dire :
   cn≃=...cn−2· N+cn−N+cncn+Ncn+2· N+.....

   Exemple :
   `f(t):=cos(t)+cos(2*t)`
   `x:=f(2*k*pi/8)$(k=0..7)`
   On obtient :
   `x={2,(√``2``)/2,-1,-((√``2``)/2),0,-((√``2``)/2),-1,(√``2``)/2}`
   `fft(x)=[0.0,4.0,4.0,0.0,0.0,0.0,4.0,4.0]`
   donc en divisant par N=8 :
   c0=0,c1=4.0/8,c2=4.0/2,c3=0.0,
   c−4=0,c−3=0,c−2=4.0/8,=c−1=4.0/8
   donc retrouve bien :
   bk=0 et ak=c−k+ck vaut 1 si k=1,2 et 0 sinon.

4. Produit de convolution
   Soient deux polynômes P(x)=∑j=0n−1ajxj et Q(x)=∑j=0m−1bjxj donné par la liste de leurs coefficients a=[a0,a1,..an−1] et b=[b0,b1,..bm−1].
   On veut calculer le produit de ces deux polynômes c’est à dire le produit de convolution de leurs coefficients si on se place dans l’ensemble des suites périodiques de période supérieure ou égale à (n+m) en complétant a (resp b) par m+? (resp n+?) zéros (en pratique on choisit ? pour que n+m+? soit une puissance de 2).
   On alors pour a=[a0,a1,..an−1,0..0] et b=[b0,b1,..bm−1,0..0]:
   P(x)Q(x)=∑j=0n+m−1(a*b)jxj
   On calcule donc :
   Fn(a), Fn(b), Fn−1(Fn(a)· Fn(b)) et puisque
   nFn(x · y)=Fn(x) * Fn(y)
   Fn(x * y)=Fn(x) · Fn(y)
   on a :
   a*b=Fn−1(Fn(a)· Fn(b))