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Construction des solutions : preuve du th´ eor` eme 6.1.9

6.3 Solutions de coexistence

6.3.2 Construction des solutions : preuve du th´ eor` eme 6.1.9

Nous construisons ic des solutions de bifurcation `a partir des solutions semi-triviales. Soit c1 > c01 fix´e et voyonsc2 comme un param`etre. Dans la suite de cette partie, nous entendons par solution une famille (c2, R, U, V)∈R+×X+3. D’apr`es le lemme 6.1.3, on a le r´esultat suivant.

Lemme 6.3.3. Soitc1 > c01 . Le probl`eme aux valeurs propresA2ψ−µf2(Ru(c1))ψ = 0

a une valeur propre principale c2(c1) > 0 et une fonction propre associ´ee ψ > 0. De plus, c2(c1) = inf φ∈H1(Ω) φ6=0 R a2∇φ2+m2φ2 R c1f2(R u(c1))φ2.

Proposition 6.3.4. Fixons c1 > c01. Il existe cmax2 (c1) > c02 tel que, si (R, U, V) ∈

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CHAPITRE 6. SOLUTIONS STATIONNAIRES DE COEXISTENCE POUR DEUX ESP`ECES

Preuve : c1 > c01 ´etant fix´e, on suppose, par contradiction, qu’il existe une suite (ck2, Rk, Uk, Vk) ∈ (c02,+∞)×X+ ×X+ ×X+ solution de (6.1.1) telle que ck2 → +∞. Comme dans la preuve de 6.2.1, ceci impliquekRkk →0. Par continuit´e de l’applica-tion R 7→λ1(A1−c1f1(R)) (Lemme 6.1.3), on a λ1(A1−c1f1(Rk))→ λ1(A1) lorsque

k →+∞. On aλ1(A1)>0 et, par ailleurs, ∀k,λ1(A1−c1f1(Rk)) = 0, ce qui constitue une contradiction.

Par la proposition 6.3.5, si (c2, R, U, V) = (c2, Ru−r, U−u, v)∈X+ ×X+ ×X+ est une solution de(6.1.1), alors (c2, r, u, v)∈X×X+ ×X+ est solution de

   A0r+c1U f1(Ru)−f1(Ru−r) +c1uf1(Ru−r)−c2f2(Ru−r)v = 0 sur Ω A1(u)−c1f1(Ru−r)u−c1U f1(Ru)−f1(Ru−r) = 0 sur Ω A2v −c2f2(Ru−r)v = 0 sur Ω. (6.3.2) Pour tout W = (r, u, v)∈X3, d´efinissons

T(c2, W) =   K00 K01 00 0 0 K2     c1U f1(Ru)−f1(Ru−r) −c1uf1(Ru−r) +c2f2(Ru−r)v +c1f1(Ru−r)u+c1U f1(Ru)−f1(Ru−r) c2f2(Ru−r)v  . En notant K(c2) =DWT(c2,0), on aT(c2, W) = K(c2)W +R(c2, W) o`u K(c2) est un op´erateur compact et lin´eaire et la d´eriv´ee de Fr´echet deR v´erifie DWR(c2,0) = 0. De mani`ere ´evidente, (c2, r, u, v)∈X3 est solution de (6.3.2) si et seulement si

T(c2, r, u, v) = (r, u, v). (6.3.3) De plus, pour tout c2 ∈R, on a T(c2,0,0,0) = 0. Nous ´etudions les bifurcations pour l’´equation (6.3.3).

Proposition 6.3.5. Soit c2 la valeur propre d´efinie dans le lemme 6.3.3 et ψ la fonction propre associ´ee. Il existe ρ et φ telles que

ker(Id−K(c2)) =vect(ρ, φ, ψ).

Il existe ε >0, une application (er,u,e ev)∈C1((−ε, ε), X3) v´erifiant (er(0),eu(0),ev(0)) = (0,0,0) et une fonction c2 ∈C1((−ε, ε),R+) v´erifiant c2(0) =c2 tels que ∀s∈(−ε, ε),

(c2(s), s(ρ+re(s)), s(φ+ue(s)), s(ψ+ev(s))) est solution de (6.3.2).

De plus, toute solution de (6.3.2), dans le voisinage de(c2,0,0,0), est soit sur la courbe

(c2,0,0,0) soit sur la courbe

6.3. SOLUTIONS DE COEXISTENCE 143

Preuve : D´efinissons l’op´erateur T1 deC1(Ω)×C1(Ω) →X+×X+ par

T1(R, U) = K0 0 0 K1 Id−c1f1(R)U c1f1(R)U .

D’apr`es la partie 6.2, (Ru, U) est un point fixe de T1 dans X+ ×X+. La d´eriv´ee de Fr´echetK(c2) de T en (c2,0,0,0) v´erifie K(c2)   φρ ψ  =   L(c1) ρ φ + c2K0(f2(Ru)ψ 0 c2K2(f2(Ru)ψ)   (6.3.4) o`u L1 =DR,UT1(Ru(c1), U(c1)).

Tout (φ, ψ, ρ)∈ker((Id−K(c2)) v´erifie ρ φ −L(c1) ρ φ = c2K0(f2(Ru)ψ) 0 , (6.3.5) ψ−c2K2(f2(Ru)ψ) = 0. (6.3.6) Par la proposition 6.2.9, on sait que 1 n’est pas une valeur propre deL1, doncId−L(c1) est injectif et si ψ ≡0, alors ρ≡φ ≡0. Par cons´equent,ψ 6≡0 est solution de (6.3.6) et le lemme 6.3.3 montre que ψ = ψ `a constante multiplicative pr`es. On en d´eduit que (ρ, φ) est l’unique solution de (6.3.5). Ainsi, ker(Id−K(c2)) = vect(ρ, φ, ψ),

dim(ker(Id−K(c2))) = 1 et par l’alternative de Fredholm,codim(Im(Id−K(c2))) = 1. Pour appliquer le th´eor`eme 6.1.5, il reste `a montrer que Dc2(Id−K(c2))(ρ, φ, ψ)∈/ Im(L(c2)). Un calcul direct montre que

Dc2(Id−K(c2))t, φ, ψ) = t(−K0(f2(Ru),0,−K2(f2(Ru)).

Supposons, par contradiction, qu’il existeψ1tel que−K2(f2(Ru) = ψ1−c2K2(f2(Ru1). Comme dans la preuve du th´eor`eme 6.2.7, en appliquant A2, en multipliant par ψ et en int´egrant sur Ω, on obtient

− Z f2(Ruψ = Z (A2ψ1−c2f(Ru1 = 0,

ce qui contredit ψ >0. Finalement, toutes les hypoth`eses du th´eor`eme 1.7 dans [19] sont v´erifi´ees et la proposition en d´ecoule.

Proposition 6.3.6. L’´equation (6.3.2) admet un continuum de solutions

C0 ={(c2, u, v, r)} ⊂R×X3

´

emanant de (c2,0,0,0) et rejoignant +∞ ou (cb2,0,0,0) o`u cb2 6=c2 et Id−K(cb2) n’est pas inversible.

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CHAPITRE 6. SOLUTIONS STATIONNAIRES DE COEXISTENCE POUR DEUX ESP`ECES

Preuve : Ce r´esultat est une cons´equence du th´eor`eme de bifurcation globale 6.1.6. Montrons donc que i(T(c2,·),0) change de signe pr`es de c2. Soit µ > 1 une valeur propre de K(c2). D’apr`es l’expression de K(c2) vue dans l’´equation (6.3.4), il existe (ρ, φ, ψ)6≡(0,0,0) tel que K(c2)   ρφ ψ  =µ   φρ ψ  .

Par (6.3.4), deux cas sont possibles. Ou bien ψ ≡0, dans ce cas on a

L ρ φ =µ ρ φ . (6.3.7)

Ou bien ψ 6= 0 et dans ce cas

K2(f2(Ru)ψ) =µψ. (6.3.8) Par la proposition 6.2.11, pour tout c2, le probl`eme aux valeurs propres (6.3.7) a un nombre pair de valeurs propres n(c1). Comme dans la preuve du th´eor`eme 6.2.7, on montre que le probl`eme 6.3.8 n’a pas de valeur propre plus grande que 1 si c2 < c2 et exactement une si c2 < c2+ε pour un certain ε >0 suffisamment petit.

Par cons´equent, si c2 < c2, i(T(c2,·),0) = 1 et, si c2 < c2 +ε, i(T(c2,·),0) = −1.

L’application du th´eor`eme 6.1.6 termine la preuve.

L’unicit´e de la solution non triviale au voisinage du point de bifurcation (c2,0,0,0) montre que, dans le voisinage de (c2,0,0,0), la courbeC0 est confondue avec la courbe de solutions

{(c2(s), r(s), u(s), v(s),−ε < s < ε} d´efinie dans la proposition 6.3.5.

Puisque l’on ne s’int´eresse qu’aux solutions positives et que v(s) < 0 pour s < 0, on d´efinit C1 la plus grande composante connexe contenue dans

C0/{(c2(s), r(s), u(s), v(s),−ε < s <0}.

Si (c2, r, u, v) ∈ C1, alors (c2, Ru −r, U−u, v) est une solution de (6.1.1). Ainsi, on d´efinit C = {(c2, Ru−r, U−u, v), (c2, r, u, v) ∈ C1}. Par construction, tout point deC est une solution de (6.1.1). On peut montrer exactement comme dans [71] queC satisfait l’une des trois alternatives suivantes.

(i) Il existe (c2, Ru −r, U −u, v) ∈ C tel que (c2, Ru −r, U +u,−v) ∈ C avec (u, v, r)6= (0,0,0).

(ii) C joint (c2, Ru, U,0) `a (bc2, Ru, U,0) o`uId−K(cb2) n’est pas inversible etbc2 6=c2. (iii) C joint (c2, Ru, U,0) `a +∞ dans R×X3.

6.3. SOLUTIONS DE COEXISTENCE 145 Pr`es du point de bifurcation (c2, Ru, U,0), C consiste en des solutions positives, c’est-`

a-dire qu’elle est incluse dans R+×X+ ×X+ ×X+. La proposition suivante ´enonce qu’elle ne peut y rester.

Proposition 6.3.7. {(R, U, V),∃c2 > c02,(c2, R, U, V) ∈ C/(c2, Ru,0, U)} n’est pas contenue dans X+ ×X+ ×X+.

Preuve : Supposons, par contradiction, queC/(c2, Ru∗,0, U)⊂R+×X+ ×X+ ×X+.

La discussion pr´ec´edente implique que C/(c2, Ru,0, U) rejoint ∞.

Soit (c2, R, U, V) ⊂ C. Par le lemme 6.3.3, il existe cmax2 > 0 tel que c02 < c2 < cmax2 . Les propositions 6.3.2 et 6.3.4 et un argument de bootstrap montrent que

kRkX +kUkX +kVkX < M1

pour une certaine constanteM1 >0 ind´ependante dec2. Par cons´equent,C est born´ee dans R×X+3 ce qui est une contradiction.

Finalement, C quitte le cˆone positif. Afin d’´etudier les points o`u l’un des termes s’an-nule, ´enon¸cons tout d’abord un lemme g´en´eral.

Lemme 6.3.8. Fixons c1 > c01. Soit (c∗∗2 , R∗∗, U∗∗, V∗∗)∈ R×X+3 une limite de solu-tions strictement positives (cn2, Rn, Un, Vn)∈ ×R×X+ ×X+ ×X+. Alors,

λ1(A1−c1f1(R∗∗)) =λ1(A2−c∗∗2 f2(R∗∗)) = 0.

Preuve : Pour tout n≥0, la fonction ψn =UnkUnk−1

X >0 v´erifie

A1ψn−c1f1(Rnn= 0 et par cons´equent,

ψn =K1[c1f1(Rnn].

D’apr`es la proposition 6.1.7, Rn est uniform´ement born´ee dans L et des arguments standards de bootstrap montrent que Rn est uniform´ement born´ee dans X. Puisque kψnkX = 1, il vient kc1f1(RnnkX < M pour un certain M > 0 ne d´ependant pas de n. La compacit´e de K1 comme op´erateur de C1(Ω) dans lui-mˆeme implique que l’on peut extraire une sous-suite, encore not´een, telle que ψn converge fortement dans

C1(Ω) vers une certaine fonction ψ ≥0 v´erifiant kψkX = 1 et

ψ =K1[c1f1(R∗∗)ψ].

Ainsi, ψ > 0 et, par le lemme 6.1.4, on a λ1(A1 −c1f1(R∗∗)) = 0. La preuve pour

λ1(A2−c∗∗2 f2(R∗∗)) est similaire.

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CHAPITRE 6. SOLUTIONS STATIONNAIRES DE COEXISTENCE POUR DEUX ESP`ECES

Proposition 6.3.9. Il existe c∗∗2 > c02 tel que C joint (c2, Ru, U,0)∈Cu

avec (c∗∗2 , Rv(c∗∗2 ),0, V(c∗∗2 ))∈Cv.

Preuve : Au voisinage de (c2, Ru, U,0), on a C/{(c3, Ru, U,0) ⊂ X+ ×X+ ×X+. Donc, d’apr`es la proposition 6.3.7, il existe (cb2,R,b U ,b Vb) ∈ {C − (c2, R, U,0)} ∩

∂ X+ ×X+ ×X+

limite d’une suite {(cn, Rn, Un, Vn)} ⊆ C ∩R+×X+ ×X+ ×X+. Par cons´equent, (R,b U ,b Vb) est une solution de (6.1.1) dans ∈ X+ et, pour un certain

x∈Ω, on a Rb(x)Ub(x)Vb(x) = 0.

Par le principe du maximum et le lemme de Hopf, si Ub (resp. Vb, resp. Rb) s’annule en un point de Ω tout en ´etant positif, alors Ub ≡ 0 (resp. Vb ≡ 0, resp. Rb≡ 0) sur Ω. Si

b

R ≡0, alorsI = 0, ce qui est faux par hypoth`ese. Par cons´equent, on a soitUb ≡0 soit b

V ≡ 0. Si Ub = Vb ≡ 0, alors (cb2,U ,b V ,b Rb) est la solution triviale. Par le lemme 6.3.8, ceci implique que c1 est une valeur propre de A1φ−c1f1(S)φ = 0, avec une fonction propre associ´ee φ >0. Ainsi, c1 =c01 ce qui contreditc1 > c01.

Supposons que Vb ≡0 et U >b 0, alors par unicit´e de la solution semi-triviale, Ub =U

et Rb=Ru. Par le lemme 6.3.8, il existe ψ >0 v´erifiant

A2ψ−cb2f2(Ru)ψ = 0 on Ω, ∂nψ = 0 on∂Ω. (6.3.9) D’apr`es le lemme 6.3.3, on a cb2 =c2 ce qui est `a nouveau contradictoire. Finalement, l’unique possibilit´e est que V >b 0,R >b 0 et Ub ≡0. Ainsi (cb2,U ,b V ,b Rb)∈Cv.

Par sym´etrie du probl`eme, on peut fixer c2 > c02 et voir c1 comme un param`etre. Le th´eor`eme 6.1.9 n’est alors que la combinaison des propositions 6.3.6 et 6.3.9.