On note M=sup[0,π]∣f′∣, fini car f′ est continue sur un segment.
Étape 1 : une identité. Pour t∈]0,π[, développons le carré : (f′(t)−cot(t)f(t))2−(f′(t)2−f(t)2)=(1+cot2(t))f(t)2−2f′(t)f(t)cot(t).Or, toujours pour t∈]0,π[, dtd(f(t)2cot(t))=2f(t)f′(t)cot(t)−f(t)2(1+cot2(t)),puisque cot′=−1−cot2. Le membre de droite ci-dessus est donc exactement −dtd(f2cot).
Étape 2 : intégration sur un segment compact. Soit n⩾3. En intégrant l’identité précédente sur [n1,π−n1], où cot est de classe C1, il vient ∫1/nπ−1/n(f′−cot⋅f)2−∫1/nπ−1/n(f′2−f2)=f(n1)2cot(n1)−f(π−n1)2cot(π−n1).
Étape 3 : les termes de bord tendent vers 0. Comme f(0)=0, l’inégalité des accroissements finis donne f(1/n)⩽M/n, donc f(1/n)2⩽M2/n2. Par ailleurs cot(1/n)∼n. Le premier terme de bord est donc un O(1/n). De même f(π)=0 entraîne f(π−1/n)2⩽M2/n2, et cot(π−1/n)=−cot(1/n)∼−n : le second terme de bord est aussi un O(1/n). Les deux tendent vers 0.
Étape 4 : passage à la limite. Les fonctions f′2 et f2 étant continues sur [0,π], on a ∫1/nπ−1/n(f′2−f2)n→∞∫0π(f′2−f2).L’intégrande (f′−cot⋅f)2 est positif, donc n↦∫1/nπ−1/n(f′−cot⋅f)2 est croissante ; l’égalité de l’étape 2 montre qu’elle converge. Sa limite est l’intégrale généralisée sur ]0,π[, et ∫0π(f′(t)2−f(t)2)dt=∫0π(f′(t)−cot(t)f(t))2dt⩾0,ce qui est l’inégalité annoncée.
Cas d’égalité
D’après l’identité finale, il y a égalité si et seulement si l’intégrale de droite est nulle. Son intégrande étant continu et positif sur ]0,π[, cela équivaut à f′(t)=cot(t)f(t)pour tout t∈]0,π[.Posons alors g(t)=sintf(t) sur ]0,π[, où sin ne s’annule pas. Cette fonction est dérivable et g′(t)=sin2tf′(t)sint−f(t)cost=sin2tsint(f′(t)−cot(t)f(t))=0.L’intervalle ]0,π[ étant connexe, g est constante, égale à un certain c∈R : ainsi f(t)=csint sur ]0,π[, et par continuité sur [0,π] tout entier.
Réciproquement, pour f(t)=csint on a f(0)=f(π)=0 et ∫0πf2=c2∫0πsin2=2c2π=c2∫0πcos2=∫0πf′2.Les fonctions réalisant l’égalité sont donc exactement les x↦csinx, c∈R. ■
Seconde solution (séries de Fourier)
Prolongement. Prolongeons f à [−π,π] en une fonction impaire, encore notée f, puis par 2π-périodicité à R. Comme f(0)=f(π)=0, ce prolongement est continu, et de classe C1 par morceaux avec f′ bornée : les hypothèses de Parseval sont remplies pour f et pour f′.
Coefficients. Posons cn(f)=2π1∫−ππf(t)e−intdt. Une intégration par parties, licite car f(−π)=f(π)=0 annule le terme de bord, donne ∀n∈Z,cn(f′)=incn(f).L’imparité de f entraîne de plus c0(f)=0.
Parseval. On obtient 2π1∫−ππf′2=n∈Z∑n2cn(f)2=n=0∑n2cn(f)2⩾n=0∑cn(f)2=2π1∫−ππf2,l’inégalité venant de n2⩾1 pour n=0. Par imparité de f, donc parité de f2 et de f′2, on a ∫−ππ=2∫0π dans les deux membres, d’où ∫0πf2⩽∫0πf′2.
Égalité. Elle force (n2−1)∣cn(f)∣2=0 pour tout n, c’est-à-dire cn(f)=0 dès que ∣n∣⩾2. Il reste f(t)=c1eit+c−1e−it ; la réalité impose c−1=c1 et l’imparité c−1=−c1, donc c1 est imaginaire pur et f(t)=csint.
Remarques
Forme générale (inégalité de Wirtinger). Pour f∈C1([a,b],R) avec f(a)=f(b)=0, ∫abf(t)2dt⩽π2(b−a)2∫abf′(t)2dt,avec égalité si et seulement si f(t)=csin(πb−at−a). On s’y ramène par le changement de variable affine t↦a+πb−at, qui envoie [0,π] sur [a,b] : les deux intégrales sont multipliées respectivement par πb−a et par b−aπ.
La constante 1 est optimale sur [0,π], puisqu’elle est atteinte. Elle s’interprète comme la première valeur propre du laplacien −u′′=λu avec conditions de Dirichlet u(0)=u(π)=0, dont le spectre est {n2}n⩾1 et le premier vecteur propre sin, ce que la seconde solution rend transparent.
L’hypothèse d’annulation aux deux bords est indispensable : pour f≡1 on a ∫f2=π>0=∫f′2. Une hypothèse de moyenne nulle, ∫0πf=0, suffirait également, mais avec une autre constante.
La méthode de la première solution est un cas particulier d’une technique générale : pour établir ∫(f′2−qf2)⩾0, on cherche w telle que ∫(f′−wf)2 diffère de ∫(f′2−qf2) par une dérivée exacte, ce qui conduit à l’équation de Riccati w′+w2=−q. Ici q=1 et w=cot en est bien solution.
L’inégalité de Wirtinger fournit la preuve la plus courte de l’inégalité isopérimétrique dans le plan : parmi les courbes fermées de longueur donnée, le cercle maximise l’aire.
No messages yet.