Le th´eor`eme de Stampacchia
Mars 2005
1 Rappels sur les espaces de Hilbert
On consid`ere ici un espace de Hilbert Hmuni de son produit scalaire (·,·),
celui-ci induit une topologie norm´ee compl`ete. Voici quelques exemples de tels
espaces :
1. les espaces vectoriels de dimension finie,
2. l’espace L2(Ω,A, µ) des fonctions de carr´e inegrable sur l’espace mesur´e
(Ω,A, µ),
3. les espaces de Sobolev Hp(Ω).
On peut d’ailleurs montrer que tout espace de Hilbert s´eparable de dimen-
sion infinie est isom´etriquement isomorphe `a L2(R).
Sur un espace de Hilbert, on dispose d’un op´erateur de projection ortho-
gonale sur des sous-ensembles bien choisis. Plus pr´ecis´ement :
Th´eor`eme 1 Si KHest un convexe non vide et ferm´e alors pour tout
´el´ement fHil existe un unique uHerifiant
kfuk= min
vKkfvk.
uest le projet´e de fsur Ket sera not´e PK(f). On a l’´equivalence
u=PK(f)uK
(fu, f v)0vK.(1)
Signalons ´egalement que l’op´erateur PKest lipschitzien de rapport 1, c’est-
`a-dire qu’on a
f1, f2H, kPK(f1)PK(f2)k ≤ kf1f2k.
Voici une bonne description du dual topologique H0de H.
1
2
Th´eor`eme 2 (Riesz-Fechet) Pour toute forme lin´eaire continue ϕH0,
il existe un unique fHtel que
vH, ϕ(v) = (f, v).
Et de plus
kfk=kϕkH0.
Un espace de Hilbert est donc isom´etriquement isomorphe `a son dual to-
pologique et est par cons´equent un espace reflexif.
2 Le th´eor`eme de Stampacchia
D´efinition 3 On dit qu’une forme bilin´eaire a:H×HRest coersive si
α > 0,vH, a(v, v)αkvk2.
Voici maintenant le r´esultat principal de cet article.
Th´eor`eme 4 (Stampacchia) Consid´erons a:H×HRune forme bi-
lin´eaire continue et coersive ; soit Kun convexe non vide ferm´e de H. Pour
toute ϕH0il existe uHunique v´erifiant
a(u, v u)ϕ(vu)vK. (2)
Si de plus aest sym´etrique alors uest caract´eris´e par
uKet 1
2a(u, u)ϕ(u) = min
vK1
2a(u, v)ϕ(v).
DEMONSTRATION : On repr´esente tout d’abord la forme lin´eaire ϕcomme
un produit scalaire grˆace au th´eor`eme de Riesz-Fechet 2:
!fH, ϕ(v) = (f, v)vH.
Pour chaque uHfix´e, l’application v7−a(u, v) est un ´el´ement de H0
et donc encore par 2, il existe un unique ´el´ement not´e A(u)Htel que
a(u, v) = (A(u), v),vH.
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Ainsi d´efinit, l’op´erateur Aest lin´eaire ; en effet, les ´egalit´es a(u1, v) =
(A(u1), v) et a(u2, v) = (A(u2), v) entraˆınent a(u1+λu2, v) = (A(u1)+λA(u2), v)
(λR) et l’unicit´e de la repr´esentation permet de conclure.
Par coersivit´e de la forme a, on peut trouver α > 0 tel que
a(u, u) = (A(u), u)αkuk2uH. (3)
D’autre part, a´etant suppos´ee continue, il vient pour tout uH,
kuk2=a(u, A(u)) =ckuk.kA(u)k2
o`u c= sup
kuk≤1,kvk≤1
|a(u, v)|est la norme de a. L’in´egalit´e 3implique ´evidemment
kA(u)k ≤ ckuk.
L’in´egalit´e 2`a prouver est ´equivalente `a
(fA(u), v u)0vK
et si ρd´esigne un r´eel >0, alors cela ´equivaut encore `a
(ρf ρA(u) + uu, v u)0,
ou encore
u=PK(ρf ρA(u) + u)
d’apr`es la relation 1du th´eor`eme 1. Il s’agit donc d’´etudier les points fixes de
l’application S:KK, S(v) = PK(ρf ρA(v) + v). Soit v1, v2K.PK
´etant lipschitzien, on a
kS(v1)S(v2)k ≤ kρA(v1)ρA(v2)(v1v2)k
et donc
kS(v1)S(v2)k ≤ ρ2kA(v1v2)k2+kv1v2k22(ρA(v1v2), v1v2)
(1 + c2ρ22αρ)kv1v2k2
=k2kv1v2k2.
Choisissons ρde sorte que k2= 1 + c2ρ22αρ < 1 (prendre 0 < ρ < 2α
C2). On
en d´eduit que Sest contractante sur le sous-espace complet (car ferm´e) K, le
th´eor`eme de point fixe de Picard donne alors l’existence et l’unicit´e de u.
Supposons maintenant asym´etrique. Alors c’est un produit scalaire qui
muni Hd’une structure d’espace de Hilbert A nouveau grˆace au th´eror`eme de
repr´esentation de Riesz 2, on sait qu’il existe un unique gHtel que
ϕ(v) = a(g, v)vH.
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La relation 2s’´ecrit alors
a(gu, v u)0vK
et par cons´equent u=Pk(g), projection dans (H, a). La premi`ere assertion du
th´eor`eme 1donne alors
a(gu, g u)1
2= min
vKa(gv, g v)1
2
ou encore
a(g, g)2a(g, u) + a(u, u) = min
vK(a(g, g)2a(g, v) + a(v, v)),
c’est-`a-dire encore
uKet 1
2a(u, u)ϕ(u) = min
vK1
2a(u, v)ϕ(v).2
Comme application de ce th´eor`eme, on peut d’abord penser au th´eor`eme
de Lax-Milgram, mais celui-ci peut se prouver simplement par des m´ethodes
plus ´el´ementaires.
Le th´eor`eme de Stampacchia se r´ev`ele ˆetre un outil efficace pour l’´etude de
certaines ´equations aux d´eriv´ees partielles elliptiques. Il donne en effet exis-
tence et unicit´e des solutions faibles. Il s’applique par exemple au probl`eme de
Dirichlet non homog`ene
−4u+u=fsur Rn
u= 0 sur .
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