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La transformation de Fourier sur S

Transformation de Fourier

5.2 La transformation de Fourier sur S

a support compact montre que, pour toutα, β∈NN, on a

|xαβ(S ? φ)(x)|=|xα(S ? ∂βφ)(x)|d’apr`es la Remarque 4.2.4

≤ |xα|C max

|γ|≤|β|+q sup

|y|≤R

|∂γφ(x+y)|

≤C max

|γ|≤|β|+q sup

|y|≤R

|(x+y−y)αγφ(x+y)|

≤2|α|−1C max

|γ|≤|β|+q sup

z∈RN

(|zα|+Rα)|∂γφ(z)|

en notant q l’ordre de la distribution `a support compact S et R > 0 tel que supp(S)⊂B(0, R). Donc

Np(S ? φ)≤2p−1(1 +Rp)CNp+q(φ) pour toutp∈N.

5.2 La transformation de Fourier sur S

La transformation de Fourier a d´ej`a ´et´e ´etudi´ee dansL1(RN) et dansL2(RN)

— voir le cours de P. Colmez, chapitre IV.4.

Comme on va le voir, l’´etude de la transformation de Fourier sur la classe de Schwartz est beaucoup plus simple.

D´efinition 5.2.1 (Transformation de Fourier) A toute fonctionφ∈ S(RN), on associe sa transformation de Fourier

Fφ(ξ) = Z

RN

e−iξ·xφ(x)dx , ξ∈RN.

L’application lin´eaireFest d´efinie pour toutφ∈ S(RN), puisque, pour tout ξ∈RN, on a

|e−iξ·xφ(x)|=|φ(x)|

et queφ∈L1(RN) d’apr`es la Proposition 5.1.7 (c).

Voici quelques propri´et´es ´el´ementaires de la transformation de Fourier sur S(RN).

Proposition 5.2.2 (Transformation de Fourier et op´erations) Soitφune fonction deS(RN). Alors

(a) la fonctionF(φ) est de classeC1(RN)et on a, pour toutj = 1, . . . , N

ξjFφ(ξ) =F(−ixjφ)(ξ), ξ∈RN; (b) pour tout j= 1, . . . , N, on a

F(∂xjφ)(ξ) =iξjF(φ)(ξ), ξ∈RN;

(c) pour tout a ∈ RN, la fonction2a)φ = φ◦τ−a : x 7→ φ(x−a) a pour transform´ee de Fourier

F((τa)φ)(ξ) =e−iξ·aFφ(ξ), ξ∈RN; (d) pour tout a∈RN, on a

F(eia·xφ)(ξ) = (τa)(Fφ)(ξ) =Fφ(ξ−a), ξ∈RN.

Remarque 5.2.3 Les points (a) et (b) montrent que la transformation de Fou-rier sur S(RN) ´echange d´erivation et multiplication par x (`a un facteur ±i pr`es).

D´emonstration.Observons que la fonction (x, ξ)7→e−iξ·xφ(x) d’apr`es la Proposition 5.1.7 (b-c).

D’apr`es le th´eor`eme de d´erivation sous le signe somme rappel´e dans le cha-pitre 1, note 3, on a donc membres de l’´egalit´e

Z

et, en appliquant le th´eor`eme de Fubini, on trouve que Z

RN

e−iξ·xx1φ(x)dx=iξ1

Z

RN

e−iξ·xφ(x)dx ,

ce qui correspond `a l’´enonc´e (b) pourj= 1. Le cas dej= 2, . . . , N est identique.

En faisant le changement de variablesz=x−adans l’int´egrale de Fourier F((τa)φ)(ξ) =

Z

RN

e−iξ·xφ(x−a)dx= Z

RN

e−iξ·(z+a)φ(z)dz=e−iξ·aFφ(ξ), d’o`u le (c).

Le point (d) d´ecoule de la d´efinition mˆeme de la transformationF.

Remarque 5.2.4 La transformation de FourierF´echange d´erivation et multi-plication parx, comme on vient de le voir. Par cons´equent,F´echange r´egularit´e et d´ecroissance `a l’infini — c’est `a dire que, plus une fonction est d´erivable (avec des d´eriv´ees int´egrables sur RN), plus sa transform´ee de Fourier d´ecroˆıt rapi-dement `a l’infini. Ce fait permet de comprendre tout l’int´erˆet de la classe de Schwartz vis `a vis de la transformation de Fourier : comme toute fonction de S(RN) est de classe C avec des d´eriv´ees qui sont toutes int´egrables, on en d´eduit que sa transform´ee de Fourier est `a d´ecroissance rapide. Et comme toute fonction deS(RN)est `a d´ecroissance rapide, on en d´eduit que sa transform´ee de Fourier est de classeC. Ainsi, on voit que la classe de Schwartz est invariante par transformation de Fourier, ce qui est l’un des avantages de cet espace.

La formule d’inversion de Fourier s’´ecrit donc de mani`ere particuli`erement simple pour les fonctions de la classe de Schwartz.

Th´eor`eme 5.2.5 (Formule d’inversion de Fourier sur S(RN)) La trans-formation de Fourier est un isomorphisme de C-espaces vectoriels de l’espace S(RN)sur lui-mˆeme. L’inverse de cet isomorphisme est donn´e par la formule

F−1ψ(x) = Z

RN

eix·ξψ(ξ)(2π)N , x∈RN.

Enfin, les isomorphismesF etF−1 sont continus surS(RN), au sens o`u, pour tout p∈N, il existe une constante Cp > 0 telle que pour toute fonction φ de S(RN)

Np(Fφ), Np(F−1φ)≤CpNp+N+1(φ).

La d´emonstration de ce th´eor`eme utilisera de mani`ere cruciale le calcul ex-plicite suivant, dont nous verrons qu’il est d’un grand int´erˆet pour l’´etude de certaines ´equations aux d´eriv´ees partielles.

Lemme 5.2.6 (Transform´ee de Fourier des gaussiennes) Soit une matrice A∈MN(R)telle que A=AT >0. Posons

GA(x) = 1

p(2π)Nd´et(A)e

1

2(A−1x|x), x∈RN.

AlorsGA∈ S(RN)et on a

FGA(ξ) =e12(Aξ|ξ), ξ∈RN.

La fonction GA est la densit´e Gaussienne centr´ee (c’est `a dire de moyenne 0) et de matrice de covarianceA, qui est l’un des objets les plus importants du calcul des probabilit´es — pour son utilisation dans ce contexte, voir le cours de S. M´el´eard, Al´eatoire,§4.6.4.

D´emonstration du th´eor`eme. Montrons queF S(RN)⊂ S(RN). En effet, d’apr`es les points (b)-(c) de la Proposition 5.2.2, on a

ξαξβFφ= (−i)|α|+|β|F(∂α(xβφ)). Or, d’apr`es la formule de Leibnitz

α(xβφ) =X

Plus pr´ecis´ement, d’apr`es la Proposition 5.1.7 (c), pour tous multi-indices α, β∈NN tels que|α|+|β| ≤p, on a

αξβFφ(ξ)| ≤ k∂α(xβφ)kL1(RN)≤CNN+1(∂α(xβφ))≤CNp+N+1(φ), de sorte qu’il existe Cp>0 tel que, pour toutφ∈ S(RN), on ait

Np(Fφ)≤CpNp+N+1(φ).

Passons maintenant `a la formule d’inversion de Fourier. Intuitivement, cette formule signifie que

c’est `a dire qu’en s’appuyant sur l’Exemple 4.4.3, la formule ci-dessus se ram`ene au fait que

δ(x−y) = Z

RN

eiξ·(x−y)(2π)N .

Malheureusement, la fonction (x, y) 7→ eiξ·(x−y)φ(y) n’est pas int´egrable sur RN×RN, de sorte que l’interversion des int´egrales eny etξdans la deuxi`eme

´

egalit´e ci-dessus n’est pas justifi´ee. Pour cette mˆeme raison, l’int´egrale ci-dessus cens´ee repr´esenter la masse de Dirac n’a pas de sens comme int´egrale de Le-besgue.

Pour rendre cette int´egrale convergente, on la remplace par Z

Enfin, dans l’int´egrale au membre de gauche de l’´egalit´e ci-dessus, on fait le changement de variablesz=x−y, ce qui permet de r´e´ecrire cette identit´e sous la forme

Dans l’int´egrale au membre de gauche, on fait le changement de variables z=√ carφest born´ee surRN puisqu’elle appartient `aS(RN). Donc, par convergence domin´ee, pour toutx∈RN

lorsque→0+.

Dans l’int´egrale au membre de droite, pour toutx∈RN eiξ·xe

1

2|ξ|2Fφ(ξ)→eiξ·xFφ(ξ) lorsque→0+ pour toutξ∈RN. Par ailleurs

|eiξ·xe12|ξ|2Fφ(ξ)| ≤ |Fφ(ξ)| ∈L1(RNξ )

— car Fφest int´egrable comme ´el´ement de S(RN) (cf. Proposition 5.1.7 (c))

— de sorte que, par convergence domin´ee Z

RN

eiξ·xe

1 2|ξ|2

Fφ(ξ)(2π)N → Z

RN

eiξ·xFφ(ξ)(2π)N

lorsque→0+ pour toutx∈RN.

En passant `a la limite pour→0+ dans l’identit´e Z

RN

φ(x−z)G(z)dz= Z

RN

eiξ·xe12|ξ|2Fφ(ξ)(2π)N , on trouve donc que

φ(x) = Z

RN

eiξ·xFφ(ξ)(2π)N .

D´emonstration du lemme. Comme A est une matrice sym´etrique r´eelle, elle est diagonalisable `a valeurs propres r´eelles, avec une matrice de passage orthogonale : il existeQ∈ON(R) telle que

A=QΛQT avec Λ =

a1 . . . 0 ... . .. ... 0 . . . aN

o`ua1, . . . , aN sont les valeurs propres deA. CommeA=AT >0, quitte permu-ter l’ordre des vecteurs propres deA, on peut supposer quea1≥. . .≥aN >0.

QueGA∈ S(RN) est ´evident : en effet

βGA(x) =Pβ(x)e

1

2(A−1x|x)

o`uPβ(x) est une fonction polynˆome, de sorte que

|∂βGA(x)| ≤ |Pβ(x)|e−|x|2/2a1 qui est bien `a d´ecroissance rapide pour toutβ∈NN.

Dans l’int´egrale d´efinissant la transform´ee de Fourier deGA, faisons le chan-gement de variablesy=QTx, et posonsη =QTξ: comme d´et(A) =a1·. . .·aN,

on trouve que

en appliquant le th´eor`eme de Fubini `a la fonction (y1, . . . , yN)7→

Appliquons la transformation de Fourier `a chaque membre de cette ´egalit´e.

D’apr`es la Proposition 5.2.2 (b)-(c), on a iξFga(ξ) =−1 ia

d

dξFga(ξ), ce qui s’´ecrit encore

d

dξFga(ξ) =−aξFga(ξ), ξ∈R. Cette ´equation diff´erentielle admet pour solution g´en´erale

Fga(ξ) =Ce122.

Par cons´equent

FGA(Qη) =

N

Y

k=1

e12akηk2 =e12(Λη|η) de sorte que, en revenant `a la variableξ=Qη

FGA(ξ) =e12(ΛQTQη|QTQη)=e12(QΛQTξ|ξ)=e12(Aξ|ξ), ξ∈RN.

Terminons cette revue des principales propri´et´es de la transformation de Fourier sur la classe de Schwartz avec la formule de Plancherel, qui est une cons´equence triviale de la formule d’inversion.

Corollaire 5.2.7 (Formule de Plancherel) Pour tousφ, ψ∈ S(RN), on a (φ|ψ)L2(RN)=(2π)1N(Fφ|Fψ)L2(RN).

D´emonstration.En effet (φ|ψ)L2(RN)= Z

RN

φ(x)ψ(x)dx

= Z

RN

Z

RN

Fφ(ξ)eix·ξ(2π)N

ψ(x)dx

= (2π)1N

Z

RN

Z

RN

e−ix·ξFφ(ξ)ψ(x)dxdξ

= (2π)1N Z

RN

Fφ(ξ) Z

RN

e−ix·ξψ(x)dx

= (2π)1N(Fφ|Fψ)L2(RN),

d’apr`es le th´eor`eme de Fubini. (En effet, la fonction (x, ξ) 7→ Fφ(ξ)ψ(x) est int´egrable surRNξ ×RNx, puisqueψetFφ∈ S(RN).) Or l’identit´e ci-dessus est pr´ecis´ement la formule de Plancherel.