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Inequalities and transport

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Inequalities and transport

Jean DOLBEAULT

Ceremade, Universit´e Paris IX-Dauphine, Place de Lattre de Tassigny,

75775 Paris C´edex 16, France

E-mail: dolbeaul@ceremade.dauphine.fr

http://www.ceremade.dauphine.fr/

edolbeaul/

(2)

Optimal transport

[Cordero-Erausquin, Gangbo, Houdr´e, Nazaret, Villani], [Agueh, Ghoussoub, Kang]

• Sobolev inequality: kfkL2 ≤ S k∇fkL2

• (Standard) logarithmic Sobolev inequality

• Logarithmic Sobolev inequality in W1,p(IRN)

(3)

Sobolev inequalities

kf|L2 ≤ S k∇fkL2

N ≥ 3. Optimal function: f(x) = (σ + |x|2)−(N−2)/2. A proof based on mass transportation:

inf

1 2λ2

Z

IRN |∇f|2 dx :

Z

IRN |f|2 dx = 1

= n(n−2)

2(n−1) sup

R

IRN |g|2(1−1n)dy − λ22 RIRN |y|2 |g|2dy : R

IRN |g|2dy = 1

3

(4)

Mass transportation: basic results

µ and ν two Borel probability measures on IRN. T : IRN → IRN T#µ = ν ⇐⇒ ν(A) = µ(T−1(A)) for any Borel measurable set A.

Theorem 1 (Brenier, McCann) ∃T = ∇φ such that T#µ = ν and φ is convex.

µ = F(x) dx, ν = G(x) dx, RIRN F(x) dx = R

IRN G(y) dy = 1

∀ b ∈ C(IRN,IR+)

Z

IRN b(y)G(y)dy =

Z

IRN b(∇φ(x))F(x) dx Under technical assumptions: φ ∈ C2, supp(F) or supp(G) is convex... [Caffarelli] φ solves the Monge-Amp`ere equation

G(∇φ) det Hess(φ) = F

(5)

A proof of the Sobolev inequality

G(∇φ)1n = ( det Hess(φ))1nFn1 ≤ 1

n ∆φ F1n

Z

G(y)1−n1dy ≤ 1 n

Z

G(∇φ(x))1−1n( det Hess(φ))1n∆φ dx

= 1 n

Z

F1−1n∆φ dx = −1 n

Z

∇(F1−1n) · ∇φ dx

by the arithmetic-geometric inequality. F = |f|2, G = |g|2

Z

|g|2(1−1n)dy ≤ −2(n − 1) n(n − 2)

Z

(f

n

n−2)∇f · ∇φ dx

n(n − 2) 2(n − 1)

Z

|g|2(1−1n)dy ≤ 2 λ2

Z

|∇f|2dx + λ2 2

Z

|f|2|∇φ|2dx by Young’s inequality. Use: R F |∇φ|2 dx = R G|y|2dy

5

(6)

A proof of the standard logarithmic Sobolev inequality

G(y) = e−|y|2/2, F(x) = f(x) e−|x|2/2, ∇φ#F dx = G dy.

e−|∇φ|2/2 det Hess(φ) = f(x) e−|x|2/2 θ(x) = φ(x) − 12 |x|2

f(x) e−|x|2/2 = det (Id + Hess(θ))e−|x+∇θ(x)|2/2

log f − |x|2/2 = −|x + ∇θ(x)|2/2 + log hdet (Id + Hess(θ))i

≤ −|x + ∇θ(x)|2/2 + ∆θ

(use log(1 + t) ≤ t). Let dµ(x) = (2π)−n/2e−|x|2/2dx.

log f ≤ −1

2 |∇θ|2 − x · ∇θ + ∆θ

Z

f log f dµ ≤ −1 Z

q

f ∇θ + ∇f

2

dµ + 1 Z |∇f|2

dµ ≤ 1 Z |∇f|2

(7)

Logarithmic Sobolev inequality in

W1,p(IRN)

G(y) = cp,ne

p

p−1 |y|p/(p−1)

=: f(y), F(x) = f(x) cp,n e

p

p−1 |x|p/(p−1)

∇φ#F dx = G dy, dµ(x) = fp (x) dx f(x)e

p

p−1 |x|p/(p−1)

= det (Hess(φ))e

p

p−1 |x+∇θ(x)|p/(p−1)

fp(x) = fp (∇φ) det (Id + Hess(φ))

Z

fp log fp dµ =

Z

fp logfp dµ +

Z

(∆φ − n)fp

Z

∆φ fpdµ = −p

Z

fp−1∇f·∇φ dµ ≤ λ−q q

Z

|f|p |∇φ|p/(p−1) + λp p

Z

|∇f|p

using Young’s inequality: X = fp−1∇φ, Y = ∇f

Z

X · Y dµ ≤ λ−q

q kXkqq + λp

p kY kpp

7

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