Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Inégalité de Wirtinger

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67
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Soit f ⁣:[0,π]Rf\colon [0,\pi]\to \R une fonction a C1\mathcal{C}^{1} telle que f(0)=f(π)=0f(0)=f(\pi)=0.

Démontrer l’inégalité ci-dessous
0πf20πf2,\int_0^{\pi} f^2\leqslant \int_0^{\pi} f'^2,et que les f(x):=csin(x),cRf(x):=c\sin(x), c\in\R sont les uniques fonctions qui vérifient le cas d’égalité.

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Solution (par la méthode de la cotangente)

On note M=sup[0,π]fM=\sup_{[0,\pi]}|f'|, fini car ff' est continue sur un segment.

Étape 1 : une identité. Pour t]0,π[t\in\,]0,\pi[, développons le carré :
(f(t)cot(t)f(t))2(f(t)2f(t)2)=(1+cot2(t))f(t)22f(t)f(t)cot(t).\bigl(f'(t)-\cot(t)f(t)\bigr)^{2}-\bigl(f'(t)^{2}-f(t)^{2}\bigr)=\bigl(1+\cot^{2}(t)\bigr)f(t)^{2}-2f'(t)f(t)\cot(t).Or, toujours pour t]0,π[t\in\,]0,\pi[,
ddt(f(t)2cot(t))=2f(t)f(t)cot(t)f(t)2(1+cot2(t)),\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\Bigl(f(t)^{2}\cot(t)\Bigr)=2f(t)f'(t)\cot(t)-f(t)^{2}\bigl(1+\cot^{2}(t)\bigr),puisque cot=1cot2\cot'=-1-\cot^{2}. Le membre de droite ci-dessus est donc exactement ddt(f2cot)-\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\bigl(f^{2}\cot\bigr).

Étape 2 : intégration sur un segment compact. Soit n3n\geqslant 3. En intégrant l’identité précédente sur [1n,π1n]\bigl[\tfrac1n,\pi-\tfrac1n\bigr], où cot\cot est de classe C1\mathcal{C}^{1}, il vient
1/nπ1/n(fcotf)21/nπ1/n(f2f2)=f(1n)2cot(1n)f(π1n)2cot(π1n).\int_{1/n}^{\pi-1/n}\bigl(f'-\cot\cdot f\bigr)^{2}-\int_{1/n}^{\pi-1/n}\bigl(f'^{2}-f^{2}\bigr)=f\Bigl(\tfrac1n\Bigr)^{2}\cot\Bigl(\tfrac1n\Bigr)-f\Bigl(\pi-\tfrac1n\Bigr)^{2}\cot\Bigl(\pi-\tfrac1n\Bigr).

Étape 3 : les termes de bord tendent vers 00. Comme f(0)=0f(0)=0, l’inégalité des accroissements finis donne f(1/n)M/n\bigl|f(1/n)\bigr|\leqslant M/n, donc f(1/n)2M2/n2f(1/n)^{2}\leqslant M^{2}/n^{2}. Par ailleurs cot(1/n)n\cot(1/n)\sim n. Le premier terme de bord est donc un O(1/n)O(1/n). De même f(π)=0f(\pi)=0 entraîne f(π1/n)2M2/n2f(\pi-1/n)^{2}\leqslant M^{2}/n^{2}, et cot(π1/n)=cot(1/n)n\cot(\pi-1/n)=-\cot(1/n)\sim -n : le second terme de bord est aussi un O(1/n)O(1/n). Les deux tendent vers 00.

Étape 4 : passage à la limite. Les fonctions f2f'^{2} et f2f^{2} étant continues sur [0,π][0,\pi], on a
1/nπ1/n(f2f2)n0π(f2f2).\int_{1/n}^{\pi-1/n}\bigl(f'^{2}-f^{2}\bigr)\xrightarrow[n\to\infty]{}\int_{0}^{\pi}\bigl(f'^{2}-f^{2}\bigr).L’intégrande (fcotf)2\bigl(f'-\cot\cdot f\bigr)^{2} est positif, donc n1/nπ1/n(fcotf)2n\mapsto\int_{1/n}^{\pi-1/n}\bigl(f'-\cot\cdot f\bigr)^{2} est croissante ; l’égalité de l’étape 2 montre qu’elle converge. Sa limite est l’intégrale généralisée sur ]0,π[]0,\pi[, et
0π(f(t)2f(t)2)dt=0π(f(t)cot(t)f(t))2dt  0,\int_{0}^{\pi}\bigl(f'(t)^{2}-f(t)^{2}\bigr)\mathrm{d}t=\int_{0}^{\pi}\bigl(f'(t)-\cot(t)f(t)\bigr)^{2}\mathrm{d}t\ \geqslant\ 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[]0,\pi[, cela équivaut à
f(t)=cot(t)f(t)pour tout t]0,π[.f'(t)=\cot(t)\,f(t)\qquad\text{pour tout }t\in\,]0,\pi[.Posons alors g(t)=f(t)sintg(t)=\dfrac{f(t)}{\sin t} sur ]0,π[]0,\pi[, où sin\sin ne s’annule pas. Cette fonction est dérivable et
g(t)=f(t)sintf(t)costsin2t=sint(f(t)cot(t)f(t))sin2t=0.g'(t)=\frac{f'(t)\sin t-f(t)\cos t}{\sin^{2}t}=\frac{\sin t\bigl(f'(t)-\cot(t)f(t)\bigr)}{\sin^{2}t}=0.L’intervalle ]0,π[]0,\pi[ étant connexe, gg est constante, égale à un certain cRc\in\mathbb{R} : ainsi f(t)=csintf(t)=c\sin t sur ]0,π[]0,\pi[, et par continuité sur [0,π][0,\pi] tout entier.

Réciproquement, pour f(t)=csintf(t)=c\sin t on a f(0)=f(π)=0f(0)=f(\pi)=0 et
0πf2=c20πsin2=c2π2=c20πcos2=0πf2.\int_{0}^{\pi}f^{2}=c^{2}\int_{0}^{\pi}\sin^{2}=\frac{c^{2}\pi}{2}=c^{2}\int_{0}^{\pi}\cos^{2}=\int_{0}^{\pi}f'^{2}.Les fonctions réalisant l’égalité sont donc exactement les xcsinxx\mapsto c\sin x, cRc\in\mathbb{R}. \blacksquare

Seconde solution (séries de Fourier)

Prolongement. Prolongeons ff à [π,π][-\pi,\pi] en une fonction impaire, encore notée ff, puis par 2π2\pi-périodicité à R\mathbb{R}. Comme f(0)=f(π)=0f(0)=f(\pi)=0, ce prolongement est continu, et de classe C1\mathcal{C}^{1} par morceaux avec ff' bornée : les hypothèses de Parseval sont remplies pour ff et pour ff'.

Coefficients. Posons cn(f)=12πππf(t)eintdtc_{n}(f)=\dfrac{1}{2\pi}\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}f(t)\mathrm{e}^{-\mathrm{i}nt}\,\mathrm{d}t. Une intégration par parties, licite car f(π)=f(π)=0f(-\pi)=f(\pi)=0 annule le terme de bord, donne
nZ,cn(f)=incn(f).\forall n\in\mathbb{Z},\qquad c_{n}(f')=\mathrm{i}n\,c_{n}(f).L’imparité de ff entraîne de plus c0(f)=0c_{0}(f)=0.

Parseval. On obtient
12πππf2=nZn2cn(f)2=n0n2cn(f)2  n0cn(f)2=12πππf2,\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f'^{2}=\sum_{n\in\mathbb{Z}}n^{2}\bigl|c_{n}(f)\bigr|^{2}=\sum_{n\neq 0}n^{2}\bigl|c_{n}(f)\bigr|^{2}\ \geqslant\ \sum_{n\neq 0}\bigl|c_{n}(f)\bigr|^{2}=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f^{2},l’inégalité venant de n21n^{2}\geqslant 1 pour n0n\neq 0. Par imparité de ff, donc parité de f2f^{2} et de f2f'^{2}, on a ππ=20π\int_{-\pi}^{\pi}=2\int_{0}^{\pi} dans les deux membres, d’où 0πf20πf2\int_{0}^{\pi}f^{2}\leqslant\int_{0}^{\pi}f'^{2}.

Égalité. Elle force (n21)cn(f)2=0(n^{2}-1)|c_{n}(f)|^{2}=0 pour tout nn, c’est-à-dire cn(f)=0c_{n}(f)=0 dès que n2|n|\geqslant 2. Il reste f(t)=c1eit+c1eitf(t)=c_{1}\mathrm{e}^{\mathrm{i}t}+c_{-1}\mathrm{e}^{-\mathrm{i}t} ; la réalité impose c1=c1c_{-1}=\overline{c_{1}} et l’imparité c1=c1c_{-1}=-c_{1}, donc c1c_{1} est imaginaire pur et f(t)=csintf(t)=c\sin t.

Remarques

  • Forme générale (inégalité de Wirtinger). Pour fC1([a,b],R)f\in\mathcal{C}^{1}\bigl([a,b],\mathbb{R}\bigr) avec f(a)=f(b)=0f(a)=f(b)=0,
    abf(t)2dt  (ba)2π2abf(t)2dt,\int_{a}^{b}f(t)^{2}\,\mathrm{d}t\ \leqslant\ \frac{(b-a)^{2}}{\pi^{2}}\int_{a}^{b}f'(t)^{2}\,\mathrm{d}t,avec égalité si et seulement si f(t)=csin(πtaba)f(t)=c\sin\bigl(\pi\frac{t-a}{b-a}\bigr). On s’y ramène par le changement de variable affine ta+baπtt\mapsto a+\frac{b-a}{\pi}t, qui envoie [0,π][0,\pi] sur [a,b][a,b] : les deux intégrales sont multipliées respectivement par baπ\frac{b-a}{\pi} et par πba\frac{\pi}{b-a}.
  • La constante 11 est optimale sur [0,π][0,\pi], puisqu’elle est atteinte. Elle s’interprète comme la première valeur propre du laplacien u=λu-u''=\lambda u avec conditions de Dirichlet u(0)=u(π)=0u(0)=u(\pi)=0, dont le spectre est {n2}n1\{n^{2}\}_{n\geqslant 1} et le premier vecteur propre sin\sin, ce que la seconde solution rend transparent.
  • L’hypothèse d’annulation aux deux bords est indispensable : pour f1f\equiv 1 on a f2=π>0=f2\int f^{2}=\pi>0=\int f'^{2}. Une hypothèse de moyenne nulle, 0πf=0\int_{0}^{\pi}f=0, suffirait également, mais avec une autre constante.
  • La méthode de la première solution est un cas particulier d’une technique générale : pour établir (f2qf2)0\int(f'^{2}-qf^{2})\geqslant 0, on cherche ww telle que (fwf)2\int(f'-wf)^{2} diffère de (f2qf2)\int(f'^{2}-qf^{2}) par une dérivée exacte, ce qui conduit à l’équation de Riccati w+w2=qw'+w^{2}=-q. Ici q=1q=1 et w=cotw=\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.
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