Analyse de Fourier, méthode mathématique
utilisée pour décomposer une fonction complexe en somme de fonctions
périodiques.
Pour décrire la propagation de la chaleur, le mathématicien français
Joseph Fourier a introduit une méthode mathématique consistant à décomposer
une fonction quelconque en une somme de fonctions sinusoïdales, d’amplitudes
différentes et de longueurs d’onde harmoniques, c’est-à-dire des sous-multiples
d’une même longueur d’onde dite fondamentale.
L’image concrète de cette méthode est donnée par la surface complexe
d’un océan qu’on peut décrire comme résultant de la composition de vagues
(les fonctions sinusoïdales), de hauteurs (les amplitudes) et de distances
entre vagues (les longueurs d’onde) différentes.
Cette méthode qui permet aussi de représenter une fonction discontinue
par une somme d'une infinité de fonctions continues (série de Fourier)
a d'abord été rejetée par les mathématiciens de l'époque que cette idée
choquait. La rigueur mathématique de la méthode de Fourier a finalement
été démontrée par le physicien Josiah Gibbs en 1899.
L’intérêt des séries de Fourier réside principalement dans leur application
à la résolution des équations complexes qui régissent l’évolution de
nombreux systèmes physiques. Elles peuvent aussi bien être appliquées
à une fonction analytique qu’à une fonction connue numériquement.
Dans ce dernier cas, on
utilise des algorithmes dits de transformée de Fourier rapide (FFT :
Fast Fourier Transform). L’analyse de Fourier est d’une telle richesse
qu’elle est devenue un outil indispensable de la physique actuelle et
tout particulièrement de la physique des particules. Elle permet, entre
autres, de comprendre la décomposition et la diffraction des ondes électromagnétiques,
comme la lumière visible. Appliquée à la diffraction des rayons X, elle
a permis notamment la découverte de la structure en double hélice des
molécules d’ADN (voir cristallographie).
Elle est applicable plus généralement dans tous
les domaines faisant intervenir des ondes et notamment dans le cas de
la décomposition d’un son quelconque en une somme de sons purs.
En éliminant certaines sinusoïdes, donc certaines longueurs d’onde
ou certaines fréquences (la fréquence étant l’inverse de la longueur
d’onde), on peut ainsi filtrer un son (ou une image) du bruit de fond.