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On a maintenant tous les outils n´ecessaires `a la preuve de notre r´esultat principale sur les g´eod´esiques sous-riemanniennes en dimension infinie. Commen¸cons par la proposition suivante, cons´equence im-m´ediate de la proposition 2.4.

Proposition 2.5. G´eod´esiques normales Soit τM un espace cotangent relatif adapt´e `

a (H, ξ, g) sur M . On suppose que l’application (q, p) 7→ u(q, p) est de classe C1, et que le hamiltonien r´eduit h : τM → R poss`ede un gradient symplectique ∇ωh en tout point, et que ce champ de gradient est de classe C1.

Soit (q0, p0) ∈ τM . Alors il existe une unique courbe maximale (¯q, ¯p) : I 3 0 → TM de

classe Hloc1 , avec I un intervalle, telle que (q(0), p(0)) = (q0, p0) et (q, p) satisfasse l’´equation

hamiltonienne des g´eod´esiques

2.8. ´EQUATION HAMILTONIENNE DES G ´EOD ´ESIQUES 39

Alors ¯q est une g´eod´esique normale, et donc point critique de l’action `a extr´emit´es fix´ees. De plus, t 7→ ku(¯q(t), ¯p(t))k2q(t)¯ est constante.

On dit que (¯q, ¯p) satisfait l’´equation hamiltonnienne des g´eod´esiques sur τM .

Preuve. Le fait que ¯q soit g´eod´esique normale dans le cas o`u le champ de gradients est de classe C1 est ´evident. De plus,

t 7→ ku(¯q(t), ¯p(t))k2q(t)¯ = 2h(¯q(t), ¯p(t))

est constante ´egale `a 2h(q0, p0) car une fonction est constante le long des trajectoires de son

gradient symplectique (voir l’appendice de [Mon02]).

Lorsque le gradient symplectique de h est plus r´egulier, on peut montrer que les g´eod´esiques normales sont bien des g´eod´esiques locales. C’est le r´esultat principal de cette partie.

Th´eor`eme 2.1. G´eod´esiques normales. Supposons que le champ de gradients symplec-

tiques ∇ωh soit de classe C2 sur τM . Soit (q0, p0) ∈ τM , tel que im(ξq0) ne soit pas incluse

dans ker p0, et soit (q, p) : I 3 0 → τM la solution maximale de l’´equation hamiltonienne

des g´eod´esiques telle que (q(0), p(0)) = (q0, p0).

Alors ¯q est une g´eod´esique locale. Si la structure est forte, c’est donc une g´eod´esique.

Remark 2.10. Ce th´eor`eme implique le th´eor`eme 1.5 sur les g´eod´esiques normales en di- mension finie.

Remark 2.11. L’espace cotangent relatif adapt´e n’est pas forc´ement unique. Selon celui que l’on choisit, on peut obtenir plus ou moins de g´eod´esiques normales.

Remark 2.12. Dans le cas d’une structure forte, TM est toujours adapt´e, et le hamiltonien r´eduit admet toujours un gradient symplectique lisse. On a donc une unique g´eod´esique normale de point initial q0 et et de covecteur initial p0 pour tout (q0, p0) ∈ TM .

Preuve. La preuve s’inspire `a la fois du cas riemannien classique et du cas sous-riemannien de dimension finie. On commence par choisir un voisinage de coordonn´ees U de q0 dans M , qu’on identifie `a l’espace de Banach B sur lequel M est model´e.

Il reste donc `a montrer le point principal, c’est-`a-dire que si ∇ωh est de classe C2, alors ¯q

est une g´eod´esique locale. Autrement dit, que pour 0 < t1 assez petit, il existe un voisinage

¯

U de ¯q([0, t1]) tel que pour tout syst`eme horizontal (q, u) : [0, 1] → H| ¯U avec q(0) = q0 et

q(1) = ¯q(t1), on ait

L(¯q, ¯u) ≤ L(q, u).

Soit U un syst`eme de coordonn´ees au voisinage de q0, que l’on identifiera `a un ouvert

d’un espace de Banach B. On va travailler sur une trivialisation τM ⊕

M

H|U ' B × G × H, o`u G est isomorphe `a τq

0M et H `a Hq0.

On va montrer qu’on peut trouver une calibration de la trajectoire t 7→ ¯q(t) au voisinage

de q0. C’est-`a-dire une 1-forme ferm´ee θ telle qu’il existe une constante c > 0 pour tout t

assez proche de 0, θq(t)¯ ( ˙¯q(t)) = c q h(¯q(t), ¯p(t)) = c q gq(t)¯ u(¯q(t), ¯p(t)), u(¯q(t), ¯p(t)) 

et telle que pour tout (q, u) ∈ H avec q au voisinage de q0,

θq(ξqu) ≤ c

q

Une fois θ trouv´ee, quitte `a r´eduire le voisinage, on peut supposer que θ est exacte. Soit (q, u) ∈ ΩHq

0 tel que q reste au voisinage de q0, q0 = q(0) et ¯q(t1) = q(1), avec t1 > 0 assez

petit. Alors L(q, u) = Z 1 0 q gq(t)(u(t), u(t))dt ≥ 1 c Z 1 0 θq(t)(ξq(t)u(t) | {z } = ˙q(t) )dt = 1 c Z q θ.

Puisque θ est exacte, on a

Z q θ = Z ¯ q|[0,t1] θ. On obtient donc L(q, u) ≥ 1 c Z ¯ q|[0,t1] θ = 1 c Z t1 0 θ( ˙¯q(t))dt = Z t1 0 q gq(t)¯ u(t), ¯¯ u(t)  dt = L(¯q|[0,t1], ¯u|[0,t1]),

o`u on a not´e ¯u(t) = u(¯q(t), ¯p(t)) : (¯q, ¯u) est bien une g´eod´esique locale au voisinage de q0.

Il reste `a construire la forme θ. On va utiliser le flot Φ du champ de gradient symplectique de h. En effet, comme ∇ωh est, par hypoth`ese, un champ de vecteurs C2 sur τM , il poss`ede

un flot local, soit une application

Φ = (ΦM, Φτ) :] − ε, ε[×U0× V0 → U1× V1,

de classe C2, avec U0et U1des voisinages de q0dans B, V0et V1 des voisinages de p0dans G, et

ε > 0. `A t fix´e (q, p) 7→ Φ(t, q, p) est un diff´eomorphisme sur son image, avec Φ(0, q, p) = (q, p). D’un autre cˆot´e, p0 s’identifie `a un ´el´ement de B. On note U00 = ker p0∩ U0. On peut

alors d´efinir l’application ϕ :] − ε, ε[×U0→ U1 par

ϕ(t, q) = ΦM t, q, s h(q, p0) h(q0, p0) p0 ! .

Pour faire plus court, on notera n(q) =

r

h(q0,p0)

h(q,p0). Ce nombre est un facteur de normalisation :

∀q ∈ U00, h(q, n(q)p0) = h(q0, p0).

Notons que un tel q, la courbe t 7→ ϕ(t, q) est la projection sur M de la g´eod´esique normale de condition initiale (q, n(q)p0) dans nos coordonn´ees locales.

On prouve alors le lemme suivant.

Lemme 2.3. Quitte `a r´eduire U00 et ε, ϕ est un diff´eomorphisme de ] − ε, ε[×U00 sur U2 =

ϕ(] − ε, ε[×U00)

Preuve. En effet, pour tout δq dans ker p0, on obtient

∂qϕ(0, q0)δq = ∂qM(0, q0, p0))δq = δq.

Mais ∂tϕ(0, q0) = ˙¯q(0) = ξq0u(q0, p0). Comme im(ξq0) * ker p0, u(q0, p0) est non nul. Donc

h(q0, p0) =

1

2p0ξq0u(q0, p0) 6= 0,

d’o`u le fait que ∂tϕ(0, q0) n’appartienne pas `a ker p0. Donc dϕ(0, q0) est un isomorphisme

2.8. ´EQUATION HAMILTONIENNE DES G ´EOD ´ESIQUES 41 On ´ecrira, pour q dans U2, ϕ−1(q) = (t(q), q0(q)). Cela nous permet alors de d´efinir sur

U2 la 1-forme

θq= Φτ(tq, q0(q), n(q0(q))p0) ∈ τqM ⊂ TqM.

Autrement dit, θq est le moment en tq de la g´eod´esique hamiltonienne partant de q0(q) et de moment initial n(q0(q))p0. Cette remarque a plusieurs cons´equences :

– On a θq(t)¯ = ¯p(t) pour tout t, d’o`u

θq(t)¯ q(t) = ¯˙ p(t)ξ¯q(t)u(t) = g(¯¯ u(t), ¯u(t)) =

q

2h(q0, p0)

q

gq(t)¯ (¯u(t), ¯u(t)).

– Pour tout (q, u) dans U2× H,

θqξqu = gq(u(q, θq), u) ≤

q

gq(u(q, θq), u(q, θq))

q

gq(u, u). (2.4) De plus, comme le hamiltonien est constant le long des trajectoires de son gradient, on obtient

gq(u(q, θq), u(q, θq)) = 2h(q, θq) = 2h(q0, n(q0(q))p0) = 2h(q0, p0).

En injectant cette remarque dans (2.4), on obtient

θqξqu ≤

q

2h(q0, p0)

q

gq(u, u).

On en d´eduit que si θ est ferm´ee, c’est bien une calibration de ¯q sur un voisinage de q0.

Il ne nous reste donc plus qu’`a montrer que θ est effectivement ferm´ee sur U2. Comme ϕ

est un diff´eomorphisme sur U2, il suffit de montrer que ϕθ est ferm´ee.

Maintenant, fixons (t, q) dans ] − ε, ε[×U00. Pour tout (δt, δq) ∈ R × ker p0, on a

ϕθt,q(δt, δq) = θϕ(t,q)(∂tϕ(t, q)δt + ∂qϕ(t, q)δq)

= Φτ(t, q, n(q)p0)(∂tϕ(t, q)δt + ∂qϕ(t, q)δq) = p(t)(∂tϕ(t, q)δt + ∂qϕ(t, q)δq),

o`u p(t) est telle que la courbe t 7→ (q(t), p(t)) soit la solution de l’´equation g´eod´esique de condition initiale (q, n(q)p0) sur ] − ε, ε[ (on a alors ϕ(t, q) = q(t) et p(t) = θq(t)).

Mais comme ϕ(t, q) = q(t), on obtient ∂tϕ(t, q) = ˙q(t), d’o`u

p(t)(∂tϕ(t, q)δt) = p(t)ξq(t)(u(q(t), p(t)), u(q(t), p(t))) = 2h(q(t), p(t)) = 2h(q0, p0).

Il reste `a calculer p(t)(∂qϕ(t, q)δq). Lemme 2.4. On a p(t)(∂qϕ(t, q)δq) = 0.

Preuve. Commen¸cons par calculer ∂qϕ(t, q)δq. On pose, pour un r´eel s assez proche de 0, et

r dans [0, t], qs(r) = ϕ(r, q + sδq). Remarquons que q(r) = q0(r) pour tout r.

L’application (s, t) 7→ qs(t) est de classe C2, et chaque courbe r 7→ qs(r) est une la trajectoire g´eod´esique normale et v´erifie

˙

qs(r) = ξqs(r)ur(s),

o`u ur(s) = u(qs(r), θqs(r)) est de classe C1. On notera u0(r) = u(r). Enfin, toutes ces courbes ont la mˆeme action

A(qs, us) = h(q0, p0)t.

Pour plus de simplicit´e, on va noter

∂s(qs(r))s=0 = δq(r), r ∈ [0, t], et

∂s(us(r))s=0 = δu(r), r ∈ [0, t]. Comme les d´eriv´ees partielles commutent, on obtient

˙δq(r) = ∂q(ξq(r)u(r))δq(r) + ξq(r)δu(r). (2.5) D’un autre cˆot´e, ∂sA(qs, us)s=0 = 0, donc

0 =

Z t

0

1

2∂q(gq(r)(u(r), u(r))δq(r) + gq(r)(u(r), δu(r))dr. (2.6) Or, r 7→ p(r) v´erifie

˙

p(r)δq(r) = −∂qh(q(r), p(r))δq(r) = −∂qH(q(r), p(r), u(r))δq(r)

= 1

2∂q(gq(r)(u(r), u(r))δq(r) − p(r)∂q(ξq(r)u(r))δq(r).

En injectant cette expression dans (2.6), et en utilisant successivement l’´egalit´e p(t)ξq(t) =

gq(t)(u(t), ·) puis (2.5) on obtient 0 =

Z t

0

˙

p(r)δq(r) + p(r)∂q(ξq(r)u(r))δq(r) + gq(r)(u(r), δu(r))dr = Z t 0 ˙ p(r)δq(r) + p(r)∂q(ξq(r)u(r))δq(r) + ξq(r)δu(r)  dr = Z t 0 ˙ p(r)δq(r) + p(r) ˙δq(r)dr = Z 1 0 ˙ (pδq)(r)dr = p(t)δq(t) − p(0)δq(0).

Autrement dit, la quantit´e t 7→ p(t)δq(t) est conserv´ee le long de la trajectoire. Comme

δq(0) = δq ∈ ker p0 et p(0) = n(q(0))p0, on a p(0)δq(0) = 0, d’o`u p(t)δq(t) = p(t)∂qϕ(t, q)δq = 0. Finalement, ϕθt,q(δt, δq) = 2h(q0, p0)δt, d’o`u ϕθt,q = 2h(q0, p0)dt.

2.9. EXEMPLE : LE GROUPE DES DIFF ´EOMORPHISMES DE RD 43