Ivan Shishkin, Rye (1878)

Discussions

Une dérivée seconde de carré intégrable ?

0 messages

Solution

Solution by visitor · FR

On note ∥f′′∥2=(∫0+∞f′′ 2)1/2<+∞\|f''\|_{2}=\left(\int_{0}^{+\infty}f''^{\,2}\right)^{1/2}<+\infty, et pour I⊆R+I\subseteq\mathbb{R}_+ on écrit ∥f′′∥L2(I)=(∫If′′ 2)1/2\|f''\|_{L^{2}(I)}=\left(\int_{I}f''^{\,2}\right)^{1/2}. Comme ∫0+∞f′′ 2\int_{0}^{+\infty}f''^{\,2} converge, ses restes tendent vers 00 :
εn:=∥f′′∥L2([2n,+∞[)→n→+∞0.\varepsilon_n:=\|f''\|_{L^{2}([2n,+\infty[)}\xrightarrow[n\to+\infty]{}0 .

L’idée est d’exploiter l’intégrabilité de ff pour trouver des points où ff est petite, d’en déduire par le théorème des accroissements finis des points où f′f' est petite, puis de propager cette petitesse à des intervalles entiers grâce au contrôle L2L^{2} sur f′′f''.

Étape 1 : des points où ff est petite

Posons, pour n∈Nn\in\mathbb{N},
αn=∫2n2n+1∣f(t)∣ dt.\alpha_n=\int_{2n}^{2n+1}|f(t)|\,\mathrm{d}t .Les intervalles [2n,2n+1][2n,2n+1] étant deux à deux disjoints, on a ∑n⩾0αn⩽∫0+∞∣f∣<+∞\sum_{n\geqslant 0}\alpha_n\leqslant\int_{0}^{+\infty}|f|<+\infty, donc αn→0\alpha_n\to 0.

La fonction ∣f∣|f| étant continue sur le segment [2n,2n+1][2n,2n+1], de longueur 11, la formule de la moyenne fournit un point
an∈[2n,2n+1]tel que∣f(an)∣=αn.a_n\in[2n,2n+1]\qquad\text{tel que}\qquad |f(a_n)|=\alpha_n .

Étape 2 : des points où f′f' est petite

On a an∈[2n,2n+1]a_n\in[2n,2n+1] et an+1∈[2n+2,2n+3]a_{n+1}\in[2n+2,2n+3], donc
1⩽an+1−an⩽3.1\leqslant a_{n+1}-a_n\leqslant 3 .Le théorème des accroissements finis appliqué à ff sur [an,an+1][a_n,a_{n+1}] donne un ξn∈ ]an,an+1[ ⊆[2n,2n+3]\xi_n\in\,]a_n,a_{n+1}[\,\subseteq[2n,2n+3] tel que
∣f′(ξn)∣=∣f(an+1)−f(an)∣an+1−an⩽αn+αn+1→n→+∞0,|f'(\xi_n)|=\frac{|f(a_{n+1})-f(a_n)|}{a_{n+1}-a_n}\leqslant \alpha_n+\alpha_{n+1}\xrightarrow[n\to+\infty]{}0,la minoration an+1−an⩾1a_{n+1}-a_n\geqslant 1 étant ici essentielle.

Étape 3 : f′f' tend vers 00

Soit x∈[2n,2n+3]x\in[2n,2n+3]. Comme f′f' est de classe C1\mathcal{C}^{1}, on a f′(x)=f′(ξn)+∫ξnxf′′(t) dtf'(x)=f'(\xi_n)+\int_{\xi_n}^{x}f''(t)\,\mathrm{d}t, et l’inégalité de Cauchy–Schwarz donne
∣∫ξnxf′′∣⩽∣x−ξn∣  ∥f′′∥L2([2n,2n+3])⩽3 εn,\left|\int_{\xi_n}^{x}f''\right|\leqslant \sqrt{|x-\xi_n|}\;\|f''\|_{L^{2}([2n,2n+3])}\leqslant \sqrt{3}\,\varepsilon_n ,puisque xx et ξn\xi_n appartiennent tous deux à [2n,2n+3][2n,2n+3]. Par conséquent
sup⁡x∈[2n,2n+3]∣f′(x)∣ ⩽ αn+αn+1+3 εn =: βn→n→+∞0.\sup_{x\in[2n,2n+3]}|f'(x)|\ \leqslant\ \alpha_n+\alpha_{n+1}+\sqrt{3}\,\varepsilon_n\ =:\ \beta_n\xrightarrow[n\to+\infty]{}0 .Or ⋃n⩾N[2n,2n+3]⊇[2N,+∞[\bigcup_{n\geqslant N}[2n,2n+3]\supseteq[2N,+\infty[, les intervalles [2n,2n+2][2n,2n+2] se recouvrant de proche en proche. Donc pour tout x⩾2Nx\geqslant 2N, en choisissant n⩾Nn\geqslant N avec x∈[2n,2n+2]x\in[2n,2n+2], on obtient ∣f′(x)∣⩽sup⁡k⩾Nβk|f'(x)|\leqslant\sup_{k\geqslant N}\beta_k. Ce dernier majorant tendant vers 00 quand N→+∞N\to+\infty, on conclut
f′(x)→x→+∞0.f'(x)\xrightarrow[x\to+\infty]{}0 .

Étape 4 : ff tend vers 00

Soit x∈[2n,2n+3]x\in[2n,2n+3]. Comme an∈[2n,2n+1]a_n\in[2n,2n+1], on a ∣x−an∣⩽3|x-a_n|\leqslant 3 et
∣f(x)∣=∣f(an)+∫anxf′(t) dt∣⩽αn+3sup⁡[2n,2n+3]∣f′∣⩽αn+3βn.|f(x)|=\left|f(a_n)+\int_{a_n}^{x}f'(t)\,\mathrm{d}t\right|\leqslant \alpha_n+3\sup_{[2n,2n+3]}|f'|\leqslant \alpha_n+3\beta_n .Le même argument de recouvrement qu’à l’étape 3 donne alors f(x)→0f(x)\to 0 quand x→+∞x\to+\infty. ■\blacksquare

No messages yet.