Transformée de Fourier : $\hat f(\xi)=\int_{\mathbb R} f(x)\,e^{-i\xi x}\,dx$. Inversion (Th. 2.11) : $f(x)=\frac1{2\pi}\int_{\mathbb R}\hat f(\xi)e^{i\xi x}\,d\xi$ si $f,\hat f\in L^1$.
Dérivation : si $f,f'\in L^1$, alors $\widehat{f'}(\xi)=i\xi\hat f(\xi)$. Convolution : $\widehat{f*g}=\hat f\,\hat g$.
Gaussienne (TD4, Ex. 4) : $\widehat{e^{-x^2}}(\xi)=\sqrt\pi\,e^{-\xi^2/4}$. Par dilatation, pour $a>0$ : $\widehat{e^{-ax^2}}(\xi)=\sqrt{\pi/a}\;e^{-\xi^2/(4a)}$.
Exponentielle : $\widehat{e^{-|x|}}(\xi)=\dfrac{2}{1+\xi^2}$.
À l'oral, chaque dérivation sous l'intégrale se justifie avec les Prop. 2.7 et 2.9 (domination).
Définition. Pour $x\in\mathbb R$, $$\operatorname{erf}(x)=\frac{2}{\sqrt\pi}\int_0^x e^{-s^2}\,ds .$$ La gaussienne $e^{-s^2}$ n'a pas de primitive exprimable avec les fonctions usuelles : on donne donc un nom à celle qui s'annule en $0$, normalisée comme ci-dessous.
Propriétés.
Lemme (intégrale d'une gaussienne sur un intervalle). Pour $\alpha<\beta$ réels, $$\frac1{\sqrt\pi}\int_\alpha^\beta e^{-s^2}\,ds=\frac12\Big(\operatorname{erf}(\beta)-\operatorname{erf}(\alpha)\Big).$$ Preuve. Relation de Chasles : $\int_\alpha^\beta=\int_0^\beta-\int_0^\alpha$, puis définition de $\operatorname{erf}$ (le facteur $\frac2{\sqrt\pi}$ donne le $\frac12$).
Lien avec l'Exercice 1. Le noyau de la chaleur est $G_t(z)=\dfrac1{\sqrt{4\pi Dt}}e^{-z^2/(4Dt)}$. Pour une donnée initiale $f=\mathbf 1_{[\alpha,\beta]}$ on obtient $$u(t,x)=\int_\alpha^\beta G_t(x-y)\,dy .$$ Le changement de variable $s=\dfrac{x-y}{2\sqrt{Dt}}$ (donc $dy=-2\sqrt{Dt}\,ds$) fait disparaître le facteur $\frac1{\sqrt{4\pi Dt}}$ au profit de $\frac1{\sqrt\pi}$ et change les bornes en $\dfrac{x-\beta}{2\sqrt{Dt}}$ et $\dfrac{x-\alpha}{2\sqrt{Dt}}$ : on est ramené au Lemme ci-dessus. Il reste à l'appliquer, puis à particulariser à $[-a,a]$ en utilisant l'imparité.
Contrôles utiles. Quand $t\to0^+$, les arguments des $\operatorname{erf}$ tendent vers $\pm\infty$ (selon la position de $x$ par rapport aux bornes) et l'on doit retrouver $f(x)$. Quand $t\to+\infty$, ils tendent vers $0$ et $u\to0$.
Valeurs : $\operatorname{erf}(0)=0$, $\operatorname{erf}(1)\approx0{,}8427$, $\operatorname{erf}(2)\approx0{,}9953$, $\operatorname{erf}(+\infty)=1$.
Lien avec les probabilités. La fonction de répartition de la loi $\mathcal N(0,1)$ est $\Phi(x)=\frac12\Big(1+\operatorname{erf}\big(\tfrac{x}{\sqrt2}\big)\Big)$. Ainsi $\operatorname{erf}$ n'est qu'une réécriture de $\Phi$ (changement de variable $s=u/\sqrt2$).
Soit $D>0$ et $f\in L^1(\mathbb R)$. On cherche $u(t,x)$ telle que $\partial_t u=D\,\partial_{xx}u$ sur $\mathbb R$, avec $u(0,x)=f(x)$.
Indication : quelle propriété de la Prop. 2.6 (iv) transforme le produit en convolution ?
Soit $f\in L^1(\mathbb R)$. On cherche $u$ telle que $-u''+u=f$ sur $\mathbb R$.
Indication : pour la question 3, utiliser le Th. 2.11 (inversion), pas seulement $\hat u=0$.
On cherche $u$ bornée sur $\{y>0\}$ telle que $\partial_{xx}u+\partial_{yy}u=0$, avec $u(x,0)=f(x)$.
Indication : la transformée de $e^{-y|x|}$ donne $P_y$ par inversion.
Soit $c>0$. On cherche $u$ telle que $\partial_{tt}u=c^2\partial_{xx}u$, avec $u(0,\cdot)=f$ et $\partial_tu(0,\cdot)=g$.
Indication : $\cos(c\xi t)$ s'écrit avec des exponentielles complexes.
On considère $i\hbar\,\partial_t\psi=-\dfrac{\hbar^2}{2m}\partial_{xx}\psi$, avec $\psi(0,x)=e^{-x^2/(2\sigma^2)}$.
Indication : poser $\beta=\dfrac{\sigma^2}2+\dfrac{i\hbar t}{2m}$ et reconnaître $e^{-\beta k^2}$. Pour la relance, penser au prolongement analytique en le paramètre $a$ de $e^{-ax^2}$ (cas $\operatorname{Re}a>0$).
Les résultats finaux de l'auteur sont recoupés par son propre calcul, non par une source externe : à comparer avec les tiens.