Universit´e Claude Bernard Lyon I Espaces Lp.
Master premi`ere ann´ee : Analyse fonctionnelle
Ann´ee 2009-2010
1 Espaces Lp
Exercice 1 Soit (X, M, µ) un espace mesur´e σ-fini. Soit 1 p<q≤ ∞. D´emontrer que les affirmations
suivantes sont ´equivalentes
1. µ(X)<.
2. Lq(X)Lp(X).
3. Lq(X)Lp(X) et l’inclusion est continue.
Exercice 2 (espaces lp`a poids) Soit w= (wn)n1une suite de r´eels strictement positifs (on appellera
wun poids). Soit 1 p≤ ∞ et soit qson exposant conjugu´e, c’est-`a-dire, 1
q+1
p= 1 avec la convention
q= 1 si p=et q=si p= 1. On d´efinit `(w) comme ´etant l’ensemble des suites born´ees
x:= (xn)n1de nombres complexes et pour pfini on d´efinit `p(w) comme ´etant l’ensemble des suites telles
que Pn1|xn|pwnest fini. On d´efinit N(x) par N(x) = supn1|xn|et Np(x) = Pn1|xn|pwn1/p
pour tout p[1,[.
1. Montrer que, pour 1 p≤ ∞,`p(w) muni des op´erations usuelles sur les suites est un espace
vectoriel.
2. Pour p[1,[, montrer que Npest une norme sur `p(w).
3. Montrer que si p[1,+] et wn>0 pour tout n1, (`p(w), Np) est un espace de Banach.
4. Montrer que si p[1,], pour x`p(w) et y`q(w), on a
xy `1(w) et N1(xy)Np(x)Nq(y).
5. Supposons pq.
(a) Montrer que si Pn1wn<alors `q(w)`p(w) en comparant Np(x) et Nq(x).
(b) Montrer que s’il existe δ > 0 tel que wnδalors `p(w)`q(w).
Exercice 3 (Espaces de Lorentz) Soit f:RnCune fonction Lebesgue mesurable. On consid`ere
la fonction F: [0,)[0,], d´efinie par
F(t) = m({xRn:|f(x)|> t}),
o`u mest la mesure de Lebesgue sur Rn. Soit 1 p < .
1. Montrer que kfkp
p=pR
0tp1F(t)dt.
2. On note Lp,(Rn) l’espace des fonctions mesurables f:RnC(quotiene par la relation d’´equivalence
p.p.) telles que
kfkp,
def
= sup
t>0
t F (t)1/p <.
Montrer que LpLp,.
3. Observer que l’inclusion est stricte (consid´erer la fonction x7→ |x|n/p).
4. D´emontrer que k·kp,est une quasi-norme, autrement dit, elle v´erifie les propri´et´es de nullit´e,
d’homog´en´eit´e, et la “quasi-in´egalit´e triangulaire” : C > 1 : kf+gk ≤ C(kfk+kgk).
(Indication : |f(x) + g(x)|> t ⇒ |f(x)|>t
2ou |g(x)|>t
2).
1
efinition. Un espace vectoriel topologique est un couple (V, T), o`u Vest un espace vectoriel sur K=R
ou Cet Test une topologie s´epar´ee sur V, telle que la somme V×VVet le produit par un scalaire
K×VVsont deux applications continues.
Exemples : (i) tout e.v.n est un espace vectoriel topologique avec la topologie induite par la norme. (ii)
L’espace des fonctions continues sur un ouvert C(Ω) est un espace vectoriel topologique (non normable)
avec la topologie induite par la distance d(voir la section ??). (iii) Tout e.v.n. muni de sa topologie faible.
(iv) Les espace Lpavec 0 <p<1 sont des espaces vectoriels topologiques (mais la topologie n’est pas
issue d’une norme).
Exercice 4 (Les espaces Lp([0,1]),0< p < 1). Pour 0 < p < 1 et f: [0,1] CLebesgue mesurable,
on note kfkp
p=R1
0|f(t)|pdt.
1. D´emontrer que Lp([0,1]) est un espace vectoriel et que k·kpest une quasi-norme.
2. Montrer que (f, g)7→ kfgkp
pd´efinit une distance sur Lp([0,1]) et que cette distance donne `a
Lp([0,1]) la structure d’espace vectoriel topologique.
3. D´emontrer qu’avec cette distance Lp([0,1]) est complet.
4. Soit fLp([0,1]) et r > 0. D´emontrer qu’il existe nNet des fonctions g1, . . . , gnLp([0,1])
telles que
f=1
n(g1+· · · +gn),et k, kgkkp
p< r.
(Indication : poser gk=nf(x)1Iko`u Ikest un intervalle de [0,1] bien choisi).
5. En d´eduire de la question pr´ec´edente que tout convexe C, avec C6=Lp([0,1]), est d’inerieur vide.
6. On d´efinit comme d’habitude (Lp)comme l’espace de toutes les applications f:Lp([0,1]) C
lin´eaires et continues. D´eduire de la question pr´ec´edente que (Lp)={0}.
Exercice 5 Soit f:RnCune fonction Lebesgue mesurable. Pour tout hRn, on pose τhf=f(·h).
Soit 1 p < . D´emontrer que si fLp(Rn), alors limh0kτhffkp= 0.
2 Convolution et approximations de l’identit´e
efinition. Une approximation de l’identit´e est une famille (φ)>0telle que φL1(Rn), φ0,
RRnφ= 1, et lim0R|x|≥δφ= 0 pour tout δ > 0.
Exemple. Si φL1(Rn), φ0 et RRnφ= 1 alors φ=nφ(·/) est une approximation de l’identit´e.
Exercice 6 (Th´eor`eme d’approximation) Soit (φ) une approximation de l’identit´e.
1. Montrer que si fL1(Rn) alors φfL1
fpour 0. (On pourra utiliser l’exercice pr´ec´edent).
2. Soit fCc(Rn). Montrer que φfest continue et que φffuniform´ement dans Rnpour
0.
3. Soit 1 <p<et fLp(Rn). Montrer que φfLp
fpour 0.
Exercice 7 Soit fune fonction localement inegrable dans Rn. Montrer que les trois conditions suivantes
sont ´equivalentes :
(i) f= 0 p.p. (ii) xRn,et r > 0, RB(x,r)f= 0 (iii) RRnf ϕ = 0 pour toute ϕC
c(Rn).
Exercice 8 (L’´equation de la chaleur dans Rn)Le probl`eme de Cauchy pour l’´equation de la chaleur
s’´ecrit (tu= ∆u, (x, t)Rn×(0,)
u|t=0 =f, x Rn
Ici f=f(x), o`u fLp(Rn) est une fonction donn´ee (1 p < ) et l’inconnue u=u(x, t) exprime la
temp´erature au point xet `a l’instant t.
2
1. Soit, pour xRnet t > 0, Kt(x) = e−|x|2/(4t)
(4πt)n/2. V´erifier que (x, t)7→ Kt(x, t) est solution de
l’´equation de la chaleur dans (x, t)Rn×(0,) (cette solution est dite “solution fondamentale”).
2. Justifier les identit´es dans Rn×(0,) :
t(Ktf)=(tKtf) et Dm
xj(Ktf) = (Dm
xjKtf),(m= 1,2).
3. En d´eduire que u=Ktfest solution de l’´equation de la chaleur tu= ∆u.
4. V´erifier que (Kt)t>0est une approximation de l’identit´e pour t0. En d´eduire que u(·, t)Lp
f
pour t0 (ceci permet de donner un sens `a la condition u|t=0 =f). Montrer que si fCc(Rn)
alors u(x, t)f(x) pour t0, uniform´ement pour xRn.
efinition (produit de convolution dans le tore). On note L1(T) l’ensemble des fonctions 2π-
p´eriodiques f:RCet inegrables dans [0,2π), norm´e par kfk1=1
2πR2π
0|f(θ)|. Pour f, g L1(T),
on d´efinit fg(x) = 1
2πR2π
0f(xt)g(t)dt. On d´efinit ensuite (comme dans Rn) les approximations de
l’id´entit´e (φ) dans le tore.
Remarque. Les in´egalit´es de Young et le th´eor`eme d’approximation restent valables dans le tore avec
les mˆemes d´emonstrations.
Exercice 9 (Le probl`eme de Dirichlet pour le Laplacien dans le disque) On se propose de
trouver une fonction v, harmonique dans l’int´erieur du disque {xR2:|x|<1}(c’est `a dire, vde classe
C2et ∆v= 0), telle que v|{x:|x|=1}=g, o`u gest une fonction donn´ee sur le cercle.
Pour 0 r < 1, et θR, on pose Pr(θ) = P
n=−∞ r|n|einθ.
1. D´emontrer que
Pr(θ) = 1r2
12rcos θ+r2.
2. D´emontrer que Prest une approximation de l’identit´e pour r1 (c’est `a dire, φ=P1est une
approximation de l’identit´e).
3. On consid`ere l’op´erateur diff´erentiel L=2
r2+1
r
r +1
r22
θ2. V´erifier que LPr= 0.
4. Soit fL1(T). On pose u(r, θ) = Prf(θ). V´erifier que Lu = 0 et que u(r, θ)f(θ) pour r1
dans L1(T). Que peut-on dire de plus si fest est continue sur le cercle ?
5. Conclure.
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