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Dans de nombreuses situations, il est tr`es important de pouvoir ´etudier cer-taines propri´et´es de r´egularit´e d’une fonction (ou mˆeme, comme on le verra plus loin, d’une distribution) apr`es l’avoir localis´ee dans une partie de l’espace. En-core faut-il que le processus de localisation ne modifie pas la r´egularit´e de la fonction en question. Pour ce faire, il faut donc disposer de fonctions `a support compact dans un ouvert Ω deRN et valant identiquement 1 sur un compact de Ω.

Voici un premier r´esultat dans ce sens.

Lemme 1.4.1 (Fonctions plateaux) Soient Ω ouvert de RN et K compact inclus dansΩ. Il existe une fonction φde classe C sur RN v´erifiant

0≤φ≤1, supp(φ)compact ⊂Ω, et φ= 1sur un voisinage de K.

D´emonstration. Pour tout x ∈ K, il existe rx > 0 tel que B(x, rx) ⊂ Ω.

Notons alorsχxla fonction de classeCsurRN d´efinie par χx(y) = 2eH

y−x rx

, y∈RN, o`uH est la fonction d´efinie `a la section 1.2, de sorte que

supp(χx) =B(x, rx), χx>0 surB(x, rx), et χx(x) = 2. D´efinissons alors l’ouvert

Ux={y∈Ω|χx(y)>1}, x∈K .

Evidemment (Ux)x∈K est un recouvrement ouvert de K puisque x ∈ Ux. Il existe doncx1, . . . , xn∈K tels que

K⊂Ux1∪. . .∪Uxn. La fonction

f =

n

X

j=1

χxj v´erifie

f ∈C(RN), supp(f)⊂B(x1, rx1)∪. . .∪B(xn, rxn) compact ⊂Ω, et f >1 surV =Ux1∪. . .∪Uxn

qui est un voisinage ouvert deK.

Consid´erons maintenant la fonctionI de la section 1.2 aveca= 0 etb= 1, de sorte que

I∈C(R), I0≥0, I R

= 0, I

[1,∞[= 1. La fonctionφ=I◦f r´epond `a la question.

N.B. Avec le choix deχxfait dans la d´emonstration ci-dessus, Ux=B(x, αrx) o`uα >0 est tel que 2e·e1/(α2−1)= 1. Voici une premi`ere application de ce r´esultat.

Th´eor`eme 1.4.2 (Densit´e deCc(Ω) dans Lp(Ω)) SoientΩouvert deRN, p∈[1,∞[ etf ∈Lp(Ω). Pour toutη >0, il existe fη∈Cc(Ω) telle que

kf −fηkLp(Ω)< η .

Pour d´emontrer ce r´esultat, on prolongef par 0 en dehors de Ω, puis on ap-plique le Th´eor`eme 1.3.14, ce qui fournit une fonctionG∈Cc(RN) approchant le prolongement def dansLp(RN). Toutefois, la fonctionGainsi obtenue n’est en g´en´eral pas `a support dans Ω. L’id´ee consiste `a tronquerGen la multipliant par une fonction de Cc(Ω) valant 1 sur un compact de Ω bien choisi, comme dans le Lemme 1.4.1.

D´emonstration.SoitF ∈Lp(RN) d´efinie par

F(x) =f(x) six∈Ω, F(x) = 0 si x /∈Ω. D’apr`es le Th´eor`eme 1.3.14, il existeG∈Cc(RN) telle que

kF−GkLp(RN)< 12η . Pour toutn≥1, on consid`ere

Kn ={x∈Ω|dist(x, ∂Ω)≥1/n et|x| ≤n},

qui est compact car ferm´e born´e dansRN. D’apr`es le Lemme 1.4.1, pour tout n≥1, il existeφn∈C(RN) telle que

supp(φn)⊂Ω, φn

K

n= 1, 0≤φn≤1. Evidemment

1Kn ≤φn ≤1.

Pour toutn≥1, on d´efinitGnnG. Par construction deKn, 1Kn(x)↑1(x) pour toutx∈RN quandn→ ∞, de sorte que

φn(x)→1(x) pour toutx∈Ω quandn→ ∞.

CommeG∈Lp(RN) et que

|G(x)−Gn(x)|p(x)≤ |G(x)|p pour toutx∈Ω, on en d´eduit par convergence domin´ee que

kGn−GkpLp(Ω)= Z

|Gn(x)−G(x)|pdx→0 quandn→ ∞.

Il existe doncn1>1 tel que

kGn1−GkLp(Ω)<12η . Posons alors

fη=Gn1 .

Par construction, la fonctionGn1 ∈C(RN) est `a support compact dans Ω, de sorte que fη ∈Cc(Ω). De plus, d’apr`es ce qui pr´ec`ede,

kf−fηkLp(Ω)=kF−Gn1kLp(Ω)

≤ kF−GkLp(Ω)+kG−Gn1kLp(Ω)

≤ kF−GkLp(RN)+kG−Gn1kLp(Ω)< η , d’o`u le r´esultat annonc´e.

Un autre probl`eme se posant fr´equemment consiste `a “passer du local au global”, c’est `a dire `a d´eduire certaines propri´et´es de r´egularit´e globale d’une fonction (ou, comme on le verra, d’une distribution) `a partir de propri´et´es locales de cette fonction. Pour ce faire, on se servira de la notion de “partition de l’unit´e”.

Th´eor`eme 1.4.3 (Partitions de l’unit´e) Soient K ⊂ RN compact, et des ouverts deRN not´esΩ1, . . . ,Ωn tels que

K⊂Ω1∪. . .∪Ωn.

Alors il existe des fonctionsφ1, . . . , φn de classe C sur RN telles que 0≤φk ≤1 et supp(φk)compact ⊂Ωk pourk= 1, . . . , n, v´erifiant

n

X

k=1

φk = 1sur un voisinage de K .

D´emonstration.

Etape 1.Montrons qu’il existeK1, . . . , Kn compacts tels que Kj⊂Ωj, j = 1, . . . , n , etK⊂

n

[

j=1

Kj.

En effet, pour tout x ∈ K, il existe k(x) ∈ {1, . . . , n} et rx > 0 tels que la boule ferm´eeB(x, rx)⊂Ωk(x). Evidemment (B(x, rx))x∈Kest un recouvrement ouvert du compactK. Il existe doncx1, . . . , xm∈K tels que

K⊂B(x1, rx1)∪. . .∪B(xm, rxm). Pour toutj= 1, . . . , m, notons

Aj={l= 1, . . . , m|k(xl) =j}, et posons

Kj= [

l∈Aj

B(xl, rxl)⊂Ωj, j= 1, . . . , n .

Etape 2. En appliquant le Lemme 1.4.1, on construit, pour tout j = 1, . . . , n, une fonctionψj∈C(RN) telle que

supp(ψj) compact ⊂Ωj, ψj ≥0, ψj= 1 surVj voisinage ouvert de Kj. Alors

n

X

j=1

ψj>0 surV =V1∪. . .∪Vn voisinage ouvert de K.

Toujours d’apr`es le Lemme 1.4.1, soitθ∈C(RN) v´erifiant

supp(θ) compact ⊂V , θ= 1 au voisinage deK , et 0≤θ≤1. Ainsi

1−θ+

n

X

k=1

ψk>0 surRN. En effet

1−θ(x) +

n

X

k=1

ψk(x)≥

n

X

k=1

ψk(x)>0 six∈V ,

1−θ(x) +

n

X

k=1

ψk(x)≥1−θ(x) = 1 six /∈V . Posons alors

φj= ψj

1−θ+Pn

k=1ψk , j= 1, . . . , n . Par construction,φj∈C(RN) et v´erifie

φj≥0, et supp(φj) compact ⊂Ωj. Enfin, on a

n

X

j=1

φj(x) = 1 en tout point o`uθ(x) = 1 c’est `a dire sur un voisinage deK.

1.5 Appendice : In´ egalit´ es de H¨ older et de Min-kowski

Th´eor`eme 1.5.1 (In´egalit´e de H¨older) Soient X ⊂ RN mesurable, ainsi que deux r´eelsp, q∈[1,∞] tels que

1 p+1

q = 1, avec la convention1/∞= 0.

Soient f ∈Lp(X)etg∈Lq(X). Alors le produit f g∈L1(X)et on a Rappelons la notion de borne sup´erieure essentielle : pour toute fonctionh mesurable deX dans [0,+∞],

h(x) ; la borne inf´erieure au membre de droite de l’´egalit´e ci-dessus est bien atteinte, puisque

h−1(]M,+∞]) = [

n≥1

h−1(]M +n1,+∞])

et que le membre de droite est un ensemble de mesure nulle comme r´eunion d´enombrable d’ensembles de mesure nulle.

NotantN l’ensemble de mesure nulle

N =h−1(]M,+∞]), la d´efinition mˆeme deM = supessx∈Xh(x) entraˆıne que

M = sup

x∈X\N

h(x).

D’autre part, si A⊂X est un ensemble de mesure nulle, alors supess existe un ensemble de mesure nulleN tel que

kgkL(RN)= sup

Supposons maintenant que p, q∈]1,∞[.

alors l’une des deux fonctionsf ougest nulle p.p. sur X, de sorte que Z

X

|f(x)g(x)|dx= 0.

L’in´egalit´e de H¨older est donc trivialement v´erifi´ee dans ce cas.

On supposera donc que Int´egrant les deux membres de cette in´egalit´e surX, on aboutit `a

Z

par d´efinition des fonctionsF et G. On en d´eduit le r´esultat annonc´e puisque Z

L’in´egalit´e de H¨older se g´en´eralise ´evidemment au produit d’un nombre quel-conque de fonctions.

Corollaire 1.5.2 (In´egalit´e de H¨older pour un produit de n fonctions)

D´emonstration.Appliquer l’in´egalit´e de H¨older du Th´eor`eme 1.5.1 en posant f =f1 et g=f2. . . fn, puis proc´eder par r´ecurrence surn.

Voici une premi`ere application tr`es importante de l’in´egalit´e de H¨older — qui n’est rien d’autre que l’in´egalit´e triangulaire dansLp(X).

Th´eor`eme 1.5.3 (In´egalit´e de Minkowski) SoientX ⊂RN mesurable, ainsi quep∈[1,∞[. Alors, pour tousf, g∈Lp(X), on a D´emonstration.Le casp= 1 est trivial.

Pour 1< p <∞, ´ecrivons que

De mˆeme En additionnant membre `a membre ces deux in´egalit´es, on trouve que

Z l’in´egalit´e annonc´ee est ´evidemment vraie.

Sinon, on divise chaque membre de l’in´egalit´e ci-dessus par Z

X

|f(x) +g(x)|pdx 1−1/p

6= 0 ce qui donne l’in´egalit´e annonc´ee.

Passons enfin au casp=∞: il existeAetB⊂RN de mesure nulle tels que

Rappelons enfin que, pour tout X ⊂ RN mesurable et toute fonction f mesurable surX, on note

kfkLp(X) =

1.6 Exercices

Exercice 1.

D´emontrer les formules du binˆome, du multinˆome et de Leibnitz.

Exercice 2.

Montrer que la fonctionχd´efinie surRN par χ(x) =e

|x|2

1−|x|2 si|x|<1, χ(x) = 0 si |x| ≥1 est de classeC surRN.

Exercice 3.

a) Soit f ∈ C(R) telle que f(0) = 0. Montrer que la fonction x7→ f(x)x se prolonge en une fonction de classeC surR.

b) Soit n≥1 entier. Donner une condition n´ecessaire et suffisante portant sur f ∈C(R) pour que la fonctionx7→f(x)xn se prolonge en une fonction de classe C surR.

Exercice 4.

Soient f ∈Lp(RN) et g ∈ Lq(RN) avecp, q ∈[1,∞] tels que 1p +1q = 1.

Montrer que f ? g est uniform´ement continue et born´ee sur RN. (On pourra utiliser le fait que Cc(RN) est dense dans Lp(RN) pourp∈ [1,∞[, et qu’une fonction continue sur un compact est uniform´ement continue.)

Exercice 5.

SoitA⊂RN mesurable et de mesure de Lebesgue|A|>0. Montrer que A−A={x−y|x, y∈A}

est un voisinage de 0.

(Indication :on pourra consid´erer la fonctionf ?f˜, o`ufest la fonction indicatrice deAet ˜f(x) =f(−x).)

Exercice 6.

Soit (an)n≥0 une suite quelconque de nombres r´eels, et soitχ, une fonction de classeCsurRtelle que

χ

[−1,1]= 1, supp(χ)⊂[−2,2].

a) Montrer qu’il existe une suite (n)n≥0 de r´eels positifs tendant vers 0 telle que la s´erie

f(x) =X

n≥0

an

xn n!χ

x n

d´efinisse une fonctionf de classeCsurR.

b) En d´eduire le

Th´eor`eme de Borel.Pour toute suite (an)n≥0de nombres r´eels, il existe une fonctionf ∈C(R) telle que

f(n)(0) =an, pour toutn∈N.

Exercice 7.

Soient Ω ouvert deRN etKcompact deRN inclus dans Ω. On notera dans la suite de cet exerciceF =RN \Ω.

a) On note

dist(K, F) = inf{|x−y| |x∈K et y∈F}. Montrer que dist(K, F)>0.

b) Montrer que la borne inf´erieure du a) est atteinte, c’est `a dire qu’il existe x∈K ety∈F tels que dist(K, F) =|x−y|.

c) Dans la suite de cet exercice, on notera η= dist(K, F). Pour tout >0, on pose

K={x∈RN| dist(x, K)≤}.

Montrer que, pour tout ∈]0, η[, l’ensemble K est un compact de RN inclus dans Ω.

d) Soitχ∈C(RN) telle que

0≤χ≤1, supp(χ)⊂B(0,1), Z

RN

χ(x)dx= 1. Pour tout >0, on poseχ(x) =−Nχ(x/), et, pour toutx∈RN,

f(x) = Z

K

χ(x−y)dy . Montrer quef∈C(RN) v´erifie

supp(f)⊂K2, 0≤f≤1, f

K = 1,

et enfin que, pour tout multi-indiceα∈NN, la famille de nombres r´eels |α| sup

x∈RN

|∂αf(x)|

reste born´ee lorsque →0.

En d´eduire une autre preuve du Lemme 1.4.1.

Chapitre 2

E.D.P. d’ordre un

Les ´equations aux d´eriv´ees partielles constituent le champ d’application le plus important de la th´eorie des distributions. Elles en ont d’ailleurs ´et´e, histo-riquement, la motivation premi`ere.

La th´eorie des ´equations aux d´eriv´ees partielles d’ordre un se ram`ene, dans une certaine mesure, `a celle des syst`emes d’´equations diff´erentielles ordinaires.

C’est donc par l’´etude de ces ´equations que nous commencerons, et nous verrons sur plusieurs exemples qu’il est naturel d’avoir `a consid´erer des solutions d’´equations aux d´eriv´ees partielles qui ne soient pas forc´ement diff´erentiables.

Cette constatation fait sentir la n´ecessit´e de g´en´eraliser les notions usuelles du calcul diff´erentiel.