A NNALES DE LA FACULTÉ DES SCIENCES DE T OULOUSE
A NTONIO DE B IVAR -W EINHOLTZ R ÉMI P IRAUX
Formule de Trotter pour l’opérateur −∆ + q
+− q
−+ iq
0Annales de la faculté des sciences de Toulouse 5
esérie, tome 5, n
o1 (1983), p. 15-37
<http://www.numdam.org/item?id=AFST_1983_5_5_1_15_0>
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FORMULE DE TROTTER POUR L’OPERATEUR
- 0394
+ q+ - q- + iq’
Antonio de Bivar-Weinholtz (1)
etRémi Piraux (2)
Annales
Faculté
des Sciences Toulouse VolV,1983,
P.15 à 37(1 ) C. M. A . E,
2 av. GamaPinto,
1 699 Lisboa Codex -Portugal.
(2) 1 0 fl
BdKellermann,
750 1 3 Paris - France.Résumé : On démontre la convergence de la formule de Trotter pour ~ ~
, où
A est uneréalisation dans
L2(03A9)
del’opérateur
deSchrödinger (-
A -q-)
+(q+
+iq’) (q+, q-, q’,
fonc-tions réelles définies dans
Q, q~, q~
>0).
On montresimultanément
que A est fermable etA
m-accrétif.
Dans §
2 on suppose queq+, q’
Gq G L°°(Q) ; dans § 3,
queq+
Gq-
ELoo (il)
+Lp(03A9) (p
=N 2,
si N ;;;.3,
p > 1 si N =1, 2)
etq’
E(il),
e > 0 arbitraire.Summary :
We prove the convergence of the Trotterproduct
formula for(e~~ ~)~
~ ~, A being
a realization in
L2(Q)
of theSchrödinger operator (-
A -q-)
+(q+
+iq’) (q+, q-, q’
real valued functions definied onQ, q+, q-
>0).
Wesimultaneously
show that A is closable andA
m-accretive. In § 2 we suppose
q+, q’
Gq-
GL°° (il) ;
;in § 3, q+
Gq -
ELoo (il)
+Lp(03A9) (p =N 2,
if N ;;;.3,
p > 1 if N =1, 2)
andq’
E(il),
e > 0arbitrarily
small.
l
. - INTRODUCTION.
RAPPEL DEQUELQUES
RESULTATSSoit Q un ouvert
(non vide)
de V G On définit une réalisation dansL2(03A9)
del’opérateur
deSchrödinger -
A + V par :.
DA> =(u
eH§xz> :
V u ~ L1loc(03A9), -0394 u + vu16
On note :
et on fait les
hypothèses
suivantes :(2) .
Si N > 2 ou bienq’
E(il),
ou bienq
E(il) (pour
un e > 0arbitraire).
Le résultat suivant est alors connu
(Théorème
3.1 de[3] ) :
THEOREME 1.1.
(Brézis-Kato)
: A est fermable dans et il existeA~
> 0 tel queÂ
+~~
soit m-accrétif. En
plus
si u ED(A),
alors u E q 1 uI 2
EL~ 1 (il)
et :Si on fait
l’hypothèse supplémentaire :
(3) .
1q’(x)
1 ~Mq+(x)
+h(x)
p.p. dans SZ où M > 0 et :alors A est
fermé
dansL2(S~), c’est-à-dire,
A =A.
Enparticulier,
siq’
= 0 alors A estauto-adjoint.
Dans le cas où
q >
0 et V E(r
défini dans(3))
Kato(Théorème
Il de[6] )
démontre la convergence de la formule de Trotter :
uniformément en t E
[o,T] .
Dans te
§
2 on détaille la démonstration du résultatprésente
en[1] ,
,c’est-à-dire,
on
généralise
le résultat de Kato en démontrant la formule de Trotter sous leshypothèses plus
faibles
q(x)
> a etR,
V ~ et simultanément on obtient une nouvelledémonstration,
dans ce cas
particulier,
du résultat de Brézis et Kato(Théorème
1ci-dessus).
Dans le
§
3 on démontre un résultat similaire dans le cas oùq" ~
0 vérifiel’hypo-
thèse
(1 )
etq’
e(Q) (e
> 0arbitraire) :
on obtient dans ce cas la formule(4)
avec A rem-placé
par A +q".
2. - CAS D’UN POTENTIEL A PARTIE REELLE BORNEE INFERIEUREMENT
On suppose que
q(x)
> - a C tR p.p. dans Q(V
C vérifie donc(1)
et(2),
car
q - E
On a alors le :THEOREME 2.1. A est fermable et A + a est m-accrétif. Le
semi-groupe
fortement continu(e" L ~
Qengendré
par A est donné par la formule de Trotter: .’uniformément en t E
[o,T] (pour
Il .Il
~ 2
j.
Démonstration du Théorème 2.1. On
peut
supposerq > 0 ;
ons’y
ramène enappliquant
leThéo-rème à q + a.
Première
étape.
A est accrétif. On suit[3] :
on considère u ED(A)
et on pose T = V u.Alors :
donc, d’aprè
le résultat de[2], q 1 u 12
EL 1
et : :Deuxième
étape.
Si A >0,
+L2(S2)
f1 et pour u E rlOn pose : :
d’après
le Théorèmespectral e~~ ~
admet un inverse(non borné) qu’on
notee~ ~.
On dé- montre tacitement le .LEMME 2.1. Soient
t > 0
,
(V.)
t > 0 des famillesd’opérateurs
bornés définis sur un espace de BanachX,
queUt
admette unopérateur
inverse(non borné) U’
et que ait:Alors
(Ut ~ -
est unopérateur
défini sur X. On a :Si de plus
lim ;Alors si on
applique
le Lemme 1 àU t
=~~,
on a :donc,
pour montrer(6)
il suffit de montrer :Dans la suite on utilisera le :
LEMME 2.2.
aJ
Si v EL2(03A9)
alorsW t,A
v EH1o(03A9)
et il existeC >
0 tel que :(Démonstration
à la fin du§ 2).
On vérifie que pour montrer
(7)
il suffit d’avoir la convergence dans En effet pour toutcompact
K de S2 :et
d’après le Lemme 2.b) :
Donc,
comme :la convergence de u vers
(~
+ u dans entraîne:pour tout
compact
K de S~. Onpeut
donc conclure :d’où
(7). D’après
le Théorème de Rellich il suffit donc de montrerqu’on
a : :Soit u E
L2(03A9)
nL (03A9) ; d’après
te Lemme2.a),
sit’n
~0 ,
on peut extrairen une sous-suite
wtn de w.. =
u telle que:On va montrer que w =
(X
+A) ~
u. On a :donc,
pourtout ~ (St),
si on note(. , .)
leproduit
scalaire dansd’après (9) :
d’autre
part :
d’après
le Lemme2.c).
Etant donné que V E le Théorème deLebesgue
donne :De
plus
:donc, puisque wt
~ w dansL2(S2)
faible :n n
Finalement :
On obtient alors de
(10) - (13),
V w E et :Donc,
dans~’(S~) :
:par
conséquent
w ED(A)
et : :w étant
indépendant
de la sous-suitet~ ,
on déduit(8)
de(9),
cequi
termine la deuxièmeétape.
Troisième
étape. D(A)
est dense dansL2(S2).
Soit u EL2(S2)
rlL~(S2)
ett~
une suitede réels
positifs
vérifiant :D’après
le Lemme2.c),
on a :donc,
pour unesous-suite,
on a : :On va montrer que f = u, ce
qui, d’après (14)
prouvera la densité deD(A)
dansD’après
ladéfjnition
deWt n ,n
on a pourtout 03C6 ~ D (il) :
:mais du Lemme
2.c)
on déduit que :donc :
d’autre part :
dans
L2(S2),
et évidemment :de
(15) - (18)
on déduit donc que : :Quatrième étape.
Conclusion.D’après
lesétapes
2 et 3 et le Théorème 3.4 de[5]
A est fermable et A m-accrétif. La démonstration de
(5)
repose alors sur un Lemme de Chernoff(Théorème
1.1 de[4] ), d’après lequel
il suffit de montrer que :Les
opérateurs
dupremier
membre de(6)
sont donc uniformément bornés en norme pour t -~0+ ; L°° (S~)
étant dense dansL2(S~),
la deuxièmeétape
permet alors de déduire(*)..
Démonstration du Lemme 2.
par
conséquent :
Or, d’après
le Théorèmespectral
etpuisque
v GD(A) :
:d’autre
part,
de Re V > 0 on déduit :Il en résulte:
b)Ona:
(série convergente
dansL2(SZ)) ;
or : :donc :
donc :
3. - CAS D’UN POTENTIEL A PARTIE REELLE NON BORNEE INFERIEUREMENT
On examine maintenant un cas où on n’a pas nécessairement q E On suppo-
sera que N >
2,
q vérifiantl’hypothèse (1 ),
c’est-à-dire :et
qu’il
existe e > 0 tel que :le Théorème 1.1 est donc
applicable
àl’opérateur
deSchrôdinger
avec un telpotentiel. Cepen- dant,
si q GL~ (Q) l’opérateur
demultiplication
par n’est pas borné dansL2(S~)
cequi
exclut la validité de la formule
(4)
pour cetopérateur.
Ceci nous amène à scinder lepotentiel,
en
posant :
On peut maintenant
espérer
que soit valable une formule de Trotter :On démontrera cette
formule,
tout enprésentant,
comme dans le§ 2,
une nouvelledémonstration du Théorème
1.1,
dans ce casparticulier.
On commence par
rappeler
le résultat suivant de[3] qui
caractérise la constanteAi
du Théorème 1.1 et
qui
repose surl’inégalité
de Sobolev dansPROPOSITION 3.1. Pour tout e > 0 il existe
À
> 0 ~/ que :On en déduit
alors,
pourl’opérateur B,
la conclusion du Théorème 1.1qui
admetdans ce cas une formulation
plus précise.
PROPOSITION 3 .2. B +
Xj
estl’opérateur auto-adjoint positif
dansL2 (Q ) qui
est associé à la formesesquilinéaire
à domaineH l (Q ) :
laquelle
est unproduit
scalaire surH~ produit
scalaireB est donc le
générateur
d’unsemi-groupe
fortement continue(e )
et on a le :THEOREME 3.1. A est fermable et A +
03BB1
est m-accretif.Le semi-groupe
fortement continu en-par A est donné par la formule de Trotter:
uniformément en t E
[O,T] (pour
Il . IlL 2
).
Démonstration du Théorème 3.1. La démonstration suit le schéma de celle du Théorème 2.1. .
Première
étape.
A est accrétif. Onprocède
comme dans le cas du§ 2 ;
on utilise le résultat de[2],
avec, cette fois-ci :d’après
laproposition
3.1. .Deuxième
étape.
Il existeAE
tel que si 03BB >aE
alorsIm(A
+ r1On pose :
d’après
le Théorèmespectral e -t(B + À)
admet unopérateur
inverse(non borné) qu’on
noteet(B + À)
On peut doncappliquer
le Lemma 2.1 àU t
=e t(B + ~)
= cequi
donne :et pour montrer
(2)
il suffit de montrer :Afin d’établir des estimations sur
W~ ~
u on commence par montrerquelques propriétés
del’opé-
rateur B. On
rappelle,
en leprécisant,
un résultat de[3] (Théorème 2.3) ; ; dans
la suite on suppo-sera
toujours
que X >X~ .
PROPOS ITION 3 .3 . Pour
chaque
s G[2,
+°° [
il existe03B1s
> 0 te/ que si fi) et
West
l’unique
solution dansH l (Q ) de
:alors : :
1. si g est
réelle, ~
estréelle ;
sig ~
0 p.p. dansQ,
~ > 0 p.p. dans S~. .2. :
Démonstration de la
Proposition 3. 3.
1. De l’unicité on déduit que si g est
réelle,
alors ~ est réelle. Sig > 0,
onprocède
comme dans
[3] ;
enmultipliant l’équation
par -~r,
on obtient :donc,
si A >Àp
celaimplique ~
= 0.2. On peut
toujours
supposer queg >
0 p.p.dans il ;
eneffet,
si ’II est la solutioncorrespondante
à1 g 1 on
a :(il
suffit de remarquer que pour tout q G RW)
est la solutioncorrespondante
àg)
car si on note
03C6n,+ ,
Q>Ç
Q>~- les
solutionsrespectivement correspondantes
àg)+, Re(ei~
’g)-
~
puisque 03C6~,+ + 03C6~,-
est la solutioncorrespondante
àg) I
, etd’après 1.).
On
reprend
alors la méthode suivie dans[3J .
Pourchaque
k E!Ni
on note :et on résout dans
Alors
~k
> 0 p.p.. Poursimplifier
on note ~ _~k
et on pose maintenant :.
~n
= min(~,n),
pour n ENi
.On
multiplie (23)
par~r n 1 (2
rs)
et onintègre
parparties :
(où
on s’est servi de taProposition 3.1) ;
si on choisit e >0,
e201420142014
on endéduit, d’après l’inégalité
de Soboiev(si
N >3) :
1 1 1 1
(où 2* - 2 N )’
donc si onsuppose 03A8
E on peut passer à la limite en n cequi
donne :2*
s T en itérant
ce processus
àpartir de
r = 2 on obtient03A8k ~
L ’-(03A9),
donc a fortiori03A8k
e4(r-1 )
On revient maintenant à
(24) ;
si on choisit maintenant E = ~- , on en déduit(pourras): r
Comme ~ E
LS(S2),
onobtient,
en passant à la limite en n :donc,
si on pose :on obtient :
mais en
multipliant (23)
par on montre facilementd’après
laProposition
3.1 que :donc
COROLLAI
RE. a)
Pour tout v Ev I I v I
.Démonstration du Corollaire. Il suffit
d’appliquer
la formuleexponentielle :
d’après
cequ’on
a vu dans la démonstration de laProposition 3.3-2,
on a :ce
qui montre a).
En utilisant(22)
on obtient :On se servira dans la suite du :
LEMME 3.1. ,
a)
Si v EL2(03A9), alors Wt,03BB
E(03A9) et
il existeC03BB
> 0 tel que :c)
V v e v I ~-1 ) -
1 t vI p.p.
dans S2.d)
Si s E[2,+~[
et ~ >as,
a/ors H v E nDémonstration du Lemme 3.7.
a), b).
Si v E on a :d’après
laProposition 3.2) ;
on peut doncreproduire
la démonstration du Lemme2.3-1 )
et obte-nir
(en
utilisant laProposition 3.2) :
ce
qui
permet de conclure.c)
En utilisanta)
du corollaireprécédent
il suffit dereproduire
la démonstrationdu lemme 2.3-b).
d)Ona:
alors si v E n et s E
[2,+~[ , d’après (25) :
donc,
si ~ >as
on a bien v E et :On revient maintenant à la démonstration de
(21 ) ;
comme dans la démonstration du Théorème2.1,
en utilisant maintenant le Lemme3.1-a), c)
on se ramène à vérifier que si :pour une suite
tn
-~0
et pour À assezgrand,
alors nécessairement :n
On a évidemment une formule
analogue
à(10) ; c’est-à-dire,
pourtout Ç (Q) :
mais :
donc le théorème de
Lebesgue
donne :1
d’autre
part
si on pose s =(1 +E)’
=1 + - > 2(on
peut supposer E 1),
on ad’après
le Lemmee
3.1-d),
que si A >~E
=as :
donc,
au moins pour une sous-suite : :ceci
implique
que :D’autre part on a, par
Lebesgue :
on en déduit
d’abord, d’après
le Lemme 3.1b), puisque
w tn
w dansL2(S~) faible,
avecIlwt n Il L" ~C:
n
au moins pour une sous-suite.
Ensuite,
on a donc :De
(27)
et(28)
on déduit finalement que V’w E et :On a évidemment :
et il ne nous reste
qu’à
examiner un des termes de(26) :
N
si N ~ 4 on a
q
EL2 (S2)
+ C donc~ (S2)
CD(B)
et : :Comme on a :
et
d’après
le Lemme 3.1 les Ilw.
n IlL (n)
~ sontbornées,
on a :Dans les cas N =
2,3
on n’a pas nécessairementq-
G pour obtenirl’analogue
de(31)a
on sesert alors du Lemme su ivant :
LE M M E 3 .2: Pour
chaque
r G( p,2,p ’ )
il exister
> 0 et unopérateur Br
dans Lr(03A9) tels que: :1.
B~
+ est m-accrétif dansL~ (Q ).
2.
B~
= B. ,3.
4.
£D (03A9) ~ D(Bp)
et vw "S (Q» Bp03C6
= - 039403C6 - q-03C6.(Démonstration
à la fin de/-3).
On a donc :
dans
LP(Q).
D’autre part,d’après
le Lemme3.1-d),
enaugmentant
au besoinAE,
on a pour~ >
~E : Il wt Il p~ C,
donc au moins pour une sous-suite : : n Lpuisque
p 2 ~p’
> 2. Alors :En
passant (26)
à la limite en n, on obtient alorsd’après (29) - (31 ) :
donc,
d’où : w E
D(A), (X+A)w
= u, cequi
termine la deuxièmeétape.
Troisième
étape. D(A)
est dense dansL2(S~).
Onreproduit
la troisièmeétape
de ladémonstration du Théorème 2.1 en
remplaçant (14)
par :et en se servant de l’estimation du Lemme
3.1-d) :
1
avec s =
(1 +E)’
=1+- ,
pour démontrer(’étape correspondante
à(16).
E
Dans ce
qui correspond
à(17),
on se sert des Lemmes3.2,
3.1quand
N =2,3,
enaugmentant
au besoinas.
Quatrième étape.
On conclut comme dans la démonstration du Théorème 2.1. On remarqueraqu’il
suffit de montrer(19)
avec Bremplacé
par B +ÀE..
Démonstration du Lemme 3.2. On pose par définition :
Si r =
p’
on poseJ1r
=ar. D’après
laProposition 3.3,
si on considère la résolvante deB2
+ :on a
(estimation (22)) :
~ / ~2~~)
nse
prolonge
donc en une contraction dequi
en est la fermeture.D’autre part
B / R~2~ (L 2 (n)
n~~~~~~
est fermabledans
en effet si dans cedomaine
un
-~ n0, Bu~
" --> n f dans alors :donc :
ce
qui implique
f = 0. On noteB
la fermeture de cetopérateur ;
alors est évidemment la résolvante deB + ~
et cetopérateur
est donc bien m-accrétif dansL~’(~).
D’autre part la formu-le
exponentielle et
la définition deR(p’)03BB garantissent
que :Maintenant,
la théorie de la dualité dans lessemi-groupes
donne :.
B
+ est m-accrétif dansLP(Q).
on pose alors :
(ici
*désigne l’opérateur transposé
dans la dualitéLP,LP’
>).
Mais si u EL2(S2)
n ona, pour tout v E n
L2(S2) ( ~ ~l (S2)) :
donc :
Montrons finalement que
D(03A9)
CD(Bp).
CommeBp = B*,,
par définition de B ,on a a fortiori :
mais
si Ç
E~(S2),
v ERF) (LP’ (Q)
nL2(S2)),
on a :Remarques. 1 ) )
Dans le cas N =1 1 si on supposeq
EL1 (S~)
+ avec leshypothèses supplé-
mentaires
q , q’
EL1
+E(~) (pour
un E >0),
la démonstrationprécédente
est évidemment valableloc °
2)
Il serait aussi intéressantd’analyser
le cas où on suppose seulementq’
EL1
et en
plus
del’hypothèse (1 )
l’autre alternative del’hypothèse (2), c’est-à-dire,
si N > 2 :nos méthodes ne
s’adaptent
pas directement à ce cas là.37
REFERENCES
[1]
A.BIVAR-WEINHOLTZ,
R. PIRAUX. «Formule de Trotter pourl’opérateur
deSchrödinger
avec unpotentiel singulier complexe».
C.R. Acad. Sc.Paris, 288,
SérieA, 1979,
p. 539-542.[2]
H.BREZIS,
F. BROWDER. «Sur unepropriété
des espaces de Sobolev». C.R. Acad.Sc.
Paris, 287,
SérieA, 1978, p. 113-115.
[3]
H.BREZIS,
T. KATO. «Remarks on theSchrödinger
operator withsingular complex potentials». J.
Math. Pures etAppl. 58, 1979, p. 137-151.
[4]
P.R. CHERNOFF. «Productformulas,
non linearsemigroups,
and addition of un-bounded operators». Mem. An. Math.
Society, n°
140(1974).
[5]
T. KATO. «PerturbationTheory
for linear operators».Springer-Verlag (2nd
edition -1976).
[6]
T. KATO. «On someSchrôdinger
operators with asingular complex potential».
Ann.Sc. Norm.