Proceedings of the International Congress of Mathematicians Berkeley, California, USA, 1986 Opérateurs de Calderón-Zygmund GUY DAVID I. Introduction. Des opérateurs d'intégrale singulière apparaissent naturellement dans de nombreux problèmes, notamment d'équations aux dérivées partielles ou de théorie du potentiel. Nous nous bornerons dans cet exposé à étudier une classe d'opérateurs d'intégrale singulière introduite par Calderón et Zygmund [CZ]. Les méthodes utilisées pour prouver la continuité sur L2 de tels opérateurs sont souvent très proches de celles avec lesquelles on traite d'autres intégrales singulières (comme la transformée de Hilbert le long d'une courbe, ou certaines intégrales oscillantes, ou encore la fonction maximale sphérique). Nous renvoyons à ce sujet à l'exposé de E. M. Stein. Précisons un peu le type d'opérateurs dont nous allons parler. Par "noyau standard" sur R n , nous entendrons une fonction K, définie sur R n x R w privé de la diagonale, et telle que, pour un G > 0 et un S e]0, 1], \K(x,y)\<C\x-y\-n, (1) et \K(x',y) - K(x, y)\ + \K(y,x') - K(y,x)\ < C\x' - x\8/\x - y\n+s (2) pour \x' -x\< \\x -y\. DEFINITION 1. Nous appellerons dans la suite opérateur d'intégrale singulière (en abrégé SIO) tout opérateur linéaire continu de C£°(R n ) dans (CQ>(Rn))' qui a la propriété suivante: il existe un noyau standard K tel que, si / et g sont deux fonctions-test à supports disjoints, la distribution Tf appliquée à g soit donnée par (Tf,g) = Jf K(x,y)f(y)g(x)dxdy. Cette définition, introduite par Coifman et Meyer, a l'avantage sur la définition habituelle d'être bien plus flexible. Notons que l'identité est un SIO, associé au noyau K = 0. Il est maintenant classique que, si T est un SIO et si de plus T est continu sur L2 (c.à.d. peut être prolongé en un opérateur borné sur L2), alors T est aussi continu sur Lp pour 1 < p < +oo, peut être étendu en un opérateur continu de l'espace atomique H1 dans L1 et, dualement, de L°° dans BMO (les fonctions à oscillation moyenne bornée de John et Nirenberg). Il faut encore pouvoir décider si un opérateur donné est borné sur L2. © 1987 International Congress of Mathematicians 1986 890 OPÉRATEURS DE CALDERÓN-ZYGMUND 891 IL Le théorème de Coifman, M c i n t o s h et Meyer. L'exemple fondamental est donné par le noyau de Cauchy sur un graphe lipschitzien. Si A\ R —• R est une fonction lipschitzienne, l'opérateur de Cauchy sur le graphe de A peut être défini par ÛAf(x) = v.p. [x-y + i(A(x) - A(y))]~1f(y) dy pour / assez régulière. Après des résultats partiels de Calderón [Cl], Coifman-Meyer [CM1] et Calderón [C2], Coifman, Mcintosh et Meyer ont montré en 1981 le résultat suivant. THÉORÈME 1 [CMM]. L'opérateur CA est borné sur L2(R) pour toute fonction lipschitzienne A. Ce résultat a une importance considérable car, en plus de ses conséquences directes (citons par exemple l'existence, pour toute fonction / de carré integrable sur le graphe de A, d'une décomposition / = /+ + / _ , où /+ (resp. / _ ) s'étend en une fonction analytique au-dessus (resp. au-dessous) du graphe) il permet de démontrer la continuité de nombreux autres opérateurs, comme le potentiel de double-couche associé à un graphe lipschitzien C R n + 1 (voir [CDM]). Le théorème 1 a eu très rapidement de nombreuses applications, notamment à la solution d'équations aux dérivées partielles sur des domaines peu réguliers. Citons seulement [DK1, D K V 1 , D K V 2 , VI]. En plus des démonstrations originales de [C2] et [CMM], on dispose maintenant de plusieurs manières d'aborder la continuité de CA- Signalons une démonstration de S. Semmes, qui ne donne pour le moment que le cas où ||-A'||oo est assez petite, mais qui peut être utilisée pour d'autres problèmes. Donnons une idée de la stratégie. Soient T le graphe de A et H+(T) (resp. H?L(T)) l'espace de Hardy des traces sur T de fonctions analytiques au-dessus (resp. au-dessous) de T, et qui sont uniformément dans L2(T + ie) pour e positif (resp. négatif). La continuité de CA est équivalente à l'existence, pour toute fonction / E L2(T), d'une décomposition / = / + + / - , où f± G H± (r). La fonction F, égale au-dessus de T à l'extension de /+ et au-dessous de T à l'extension de — / _ , est donc analytique hors de T et a un saut égal à / sur T. On décide de chercher F sous la forme F = G o / j - 1 , où p est un homéomorphisme bi-lipschitzien de C qui envoie R sur T. Soit p, = dp(dp)~1 la dilatation complexe de p\ la fonction G vérifie alors (d — pd)G = 0 hors de R, et a le saut g = / o p"1 sur R, On appelle C(g) l'intégrale de Cauchy de g; C(g) est donc analytique hors de R; on note G(g)f sa dérivée et h(z) = p(z)C(g)f(z) pour z ^ R. Alors H = G-G(g) n'a plus de saut sur R, et vérifie (d-pd)H = h. Il s'avère aussi qu'on peut choisir p assez régulière pour que p vérifie certaines estimations quadratiques du type "mesures de Carleson," qui à leur tour permettent de résoudre l'équation (d - pd)H = h quand g EL2. Voir [Sel] pour plus de détails. On sait aussi démontrer le théorème 1, à partir du cas où HA'Hoo est assez petit, par une méthode de perturbations. L'idée est de trouver, pour tout A 892 GUY DAVID et tout intervalle compact, une fonction A telle que HÂ'Hoo < ïoll^-'lloo? et qui coincide avec A sur une part significative de l'intervalle. Si l'on sait déjà que C^ est borné dès que ||A'||oo < IOII^'IIOOJ o n peut en déduire un contrôle local de ÇA, que l'on transforme en contrôle global en utilisant des inégalités aux bons A, ou tout autre outil équivalent. Cette idée, déjà utilisée dans [CM4] pour l'étude des courbes corde-arc, puis dans [Dv] pour les graphes lipschitziens, a été bien perfectionnée par T. Murai et P. Tchamitchian. C'est ainsi que T. Murai démontre le THÉORÈME 2 [Mu2]. La norme de CA sur L2(K) est inférieure à G(l + \\A'\U^. Notons que cette estimation est la meilleure possible. Il est assez surprenant que, de toutes les méthodes connues pour prouver la continuité de CA> ce soit une méthode de perturbations successives qui donne le meilleur résultat. Comme l'a remarqué S. Semmes, le théorème 2 permet de montrer que le noyau \(A(x) — A(y))(x — y)_1\(x — y)-1 définit un opérateur borné sur L2(R) lorsque A: R —• R est lipschitzienne. III. Critères de continuité sur L2. Une autre voie de recherches est de trouver des conditions générales qui entraînent la continuité sur L2 d'un opérateur d'intégrale singulière T. Lorsque T n'est pas un opérateur de convolution, on ne peut pas appliquer Plancherel directement. On peut par contre utiliser avec une certaine efficacité le lemme de Cotlar, Knapp et Stein sur les sommes "presque-othogonales" d'opérateurs sur un espace de Hilbert (il était déjà question d'appliquer ce lemme à des opérateurs d'intégrale singulière dans [F]). On obtient ainsi un premier critère de continuité sur L2. THÉORÈME 3 [DJ]. Soit T un SIO. Alors T s'étend en un opérateur borné sur L2(Rn) si et seulement si TI G BMO, lT\ G BMO et T est faiblement borné. Rappelons que, bien que 1 ne soit pas à support compact, T l peut être défini à une constante additive près; le transposé *T est donné par (*T/, g) = (Tg,f). Enfin, pour x G R n et t > 0, notons A(x,t) l'opérateur de translation-dilatation défini par A(x,t)f(y) = t~n/2f((y — x)/t). Nous dirons que T est faiblement borné si les opérateurs A_1(x,t)TA(x,t), (x,t) G R + + 1 , sont uniformément bornés de C£°(R n ) dans (C£°(R n ))'. Ainsi, "T est faiblement borné" traduit seulement une certaine stabilité, vis à vis à des translations et des dilatations, des inégalités qui permettent de définir T. Disons deux mots de la démonstration du théorème 3. On commence par soustraire à T deux opérateurs que l'on sait traiter (des paraproduits, par exemple), pour se réduire au cas où T l = *T1 = 0 dans BMO. Ensuite, fidèle à la tradition, on découpe T en petits morceaux de la manière suivante. On se donne une fonction (p G C£°(R n ) positive, radiale, d'intégrale 1 et l'on note Pt l'opérateur de convolution par (pt(x) = t~n<p(x/t) et Qt = —t(dPt/dt). Ainsi, OPÉRATEURS DE CALDERÓN-ZYGMUND 893 Qt est l'opérateur de convolution par la fonction ipt(x) = t~niß(x/t), une fonction semblable à (p, mais d'intégrale nulle. On écrit T = lim PtTPt = - / *->o Jo irAPtTPt) dt = / Jo dt QtTPt- t + / Jo où I/J est PtTQ dt Les propriétés T l = 0 et *T1 = 0 permettent de montrer que le découpage de l'opérateur rQtTpS en W ' " Q t T P t T satisfait aux hypothèses du lemme de Cotlar-Knapp-Stein; on en déduit le théorème. Notons que, bien que le théorème 3 permette de réduire à quelques intégrations par parties la démonstration de la continuité de CA lorsque \\Af ||oo est assez petit, il ne permet pas de traiter le cas général où ||J4'||OO < +oo, On peut aller plus loin dans la direction du théorème 3. A. Mcintosh et Y. Meyer ont remarqué que, si ò G L°° est une fonction telle que, pour un 6 > 0, Reb(x) > 6 pour tout x, alors on a le résultat suivant [McM]. Si T est un SIO, si Tb = 0 et lTb = 0, et si {b}T{b} est faiblement borné (où {b} désigne l'opérateur de multiplication par b(x)), alors T est borné sur L2. Ce résultat entraîne le théorème 1: on prend b = 1 + %A! et on remarque que Tb = lTb = 0 par la formule de Cauchy. En fait, on peut démontrer un résultat un peu plus général encore. On dit que la fonction bornée b: R n —• C est "para-accrétive" si, pour tout x G R n et tout d > 0, il existe un cube Q, dont le centre x' vérifie la;' — x\ < Cd, dont le côté r vérifie (1/G)d < r < Gd, et tel que |(1/|Q|) JQ b(u) du\ > 6. (Bien entendu, les constantes G et 6 > 0 sont indépendantes de x et de d.) THÉORÈME 4 [DJS]. Soient 6i et 62 deux fonctions para-accrétives et T un SIO. Alors T est borné sur L2(Rn) si et seulement siTb1 G BMO, lTb2 G BMO et {&2}T{öi} est faiblement borné. Ce théorème se démontre un peu comme le théorème 3. Il faut cependant remplacer les opérateurs Pt et Qt définis plus haut par des décompositions de l'identité adaptées aux fonctions 6^, ce qui soulève quelques difficultés techniques. On est ainsi amené à utiliser les techniques de décomposition de Littlewood-Paley sur un espace de nature homogène, et à modifier un peu le lemme de CotlarKnapp-Stein. IV. Opérateurs multilinéaires et estimations polynomiales. La manière la plus classique d'attaquer l'opérateur CA est de le décomposer en série de puissances (les commutateurs de Calderón). Ainsi, ÎTikTk(A',...,A',f), CAf = fc=0 894 GUY DAVID OÙ Th{ai,a,2,...,ak,f) =v.p. / A1(x)-A1(y) Ak(x)-Ak(y) x—y x— y f(y) x—y où l'on a noté Ai(x) = f£ o,i(t) dt. Lorsqu'on applique le théorème 3 dans cette situation, on utilise le fait que remplacer / par 1 permet de ramener l'étude d'un opérateur (k -f- l)-linéaire à celle d'un opérateur fc-linéaire, ce qui donne une chaîne d'estimations comme \\Tk(A',...,A',.)\\L2iL2<C\\Tk(A',..., = A',1)||BMO G\\Tk-1(Af,...,Af)\\BMO <C\\Tk-1(A',...iA'i.)\\LaotBMO <CC'\\Tk-M',-'.iÄ,.)\\L2iL*<..-. On obtient une majoration de Tk en k étapes et, à chaque étape, on perd une constante multiplicative. On pourrait donc craindre que ce type de démonstration ne puisse fournir que des estimations de normes en Ck. Il n'en est rien, et M. Christ et J.-L. Journé ont pu, avec des méthodes similaires, obtenir des estimations polynomials en k de la norme certains opérateurs fc-linéaires (dont le k ième commutateur de Calderón). Assez curieusement, certaines améliorations du formalisme jouent un rôle important. Ainsi, on a vu que pour prouver que T est continu, on avait envie d'écrire T = /0°° Tt dt/t avec, par exemple, Tt = PtTQt + QtTPt. On a en fait intérêt à étudier directement ce que les auteurs de [CJ] appellent une e-famille. DÉFINITION 2. Soit 0 < e < 1. On appelle e-famille une famille T = (Tt)t>o d'opérateurs donnés par leur noyau Tt(x,y), où l T ^)l<C (f + | ^ y | ) w + £ , (3) et |r,(*, g )-r,(^)|< C (J^) , (( + | ; ; y | ) „ t , (4) pour tous x, y, et y1 G R n tels que \y' -y\ < \(t + \x-y\). On dira que T est bornée si, pour tout / G L2, /0°° \\Ttf\\l dt/t < C | | / | | | . Il y a une correspondance entre SIO faiblement bornés d'une part, et efamilles d'autre part. Ainsi si T est un SIO faiblement borné, alors (QtTPt)t>o et (PtTQt)t>o sont des e-familles. Réciproquement, si (Tt)t>o est une famille d'opérateurs donnés par des noyaux Tt(x,y) vérifiant (3) et |v.r«(. iy )| + |v,2i(*,i,)| < j { t + ìx^yì)n+e, (5) alors T = fTt dt/t est un SIO faiblement borné. Le Théorème 3 a un analogue dans le langage des e-familles. THÉORÈME 5 [CJ]. Soit T = (Tt)t>o une e-famille. Alors T est bornée si et seulement si p = \Ttl(x)\2dxdt/t est une mesure de Carleson sur R " + 1 OPÉRATEURS DE CALDERÓN-ZYGMUND 895 (c.à.d. que \\p\\c = swpB p(Bx]0, r[)/|£?|, où la borne supérieure est prise sur toutes les boules de B de Rn et où r est le rayon de B, est fini). De plus, \Tta(x)\ idxdt tdxdt \Ttl(x)f < a + G\\a\U (6) où la constante C dépend des estimations (3) et (4). Nous attirons l'attention du lecteur sur le fait que, dans (6), le premier terme du second membre n'est précédé d'aucune constante. C'est un peu comme si, dans le théorème 3, on avait montré que ||T||LOO J B M O < ||T1||BMO + C pour, disons, tout SIO antisymétrique faiblement borné! La démonstration du théorème 5 est encore une application relativement directe du lemme de Cotlar-Knapp-Stein. On peut maintenant donner une idée de la manière dont Christ et Journé obtiennent des estimations polynômiales en k sur la norme du fcième commutateur de Calderón. On considère la forme (k + 2)-linéaire F définie par F(fi» - • • ? fk> / M - I > //c+2) = (Tk(fi,..., f[[Xfi(t)dt = lim// £\0jJ\x-y\>£ fk, /jb+1), /jb+a) //c+i(y)//c+2(z) [fJ[Jy dydx (x-y) fc+i' On remarque aisément que, dans la forme F, les (fc + 2) fonctions jouent des rôles semblables. Plus précisément, si l'on fixe k d'entre elles dans L°°, alors F définit une forme bilinéaire entre les deux dernières fonctions, et cette forme bilinéaire provient d'un SIO. (Dans le langage des auteurs de [CJ], F est une forme (fc + 2)-linéaire d'intégrale singulière.) On transforme maintenant Tk(a, a,...,a,.) en somme d'e- familles en écrivant (Tk(a,a,...,a,f),g) = F(a,...,a,f,g) i f°° fOO =J 00 g t^[F{Pta,Pta,. .,Pta,PtftPtg)]j dt f°° F(QtaiPta,...>Ptg)j + --- + J dt F(Pta,... ,Ptf,Qtg)j. On peut maintenant utiliser le fait que F est une forme (fc + 2)-linéaire d'intégrale singulière pour appliquer le théorème 5 en cascade et remplacer les fonctions a par 1 les unes après les autres. Pour chacun des (fc + 2) termes de la somme, il faut moins de (fc+1) applications du théorème 5 pour se réduire au cas où a = 1. De plus, les constantes qui interviennent dans (3) et (4) sont de l'ordre de (1 + fc)2e; on obtient donc une estimation (1 + fc)2+2e|H|£o pour la norme du fcième commutateur de Calderón. En utilisant un peu mieux l'antisymétrie des commutateurs, les auteurs de [CJ] obtiennent en fait ||r fc (a,o,...,o,.)||L«.x.» <Gfi(l + *) 1 + 6 ||o||*, (7) pour tout 6 > 0. Cette estimation est d'ailleurs la meilleure connue actuellement. 896 GUY DAVID Le lecteur a deviné que le théorème 5 peut être appliqué à d'autres opérateurs multilinéaires. On peut même, avec plus de travail, l'utiliser pour contrôler des opérateurs dont le noyau ne vérifie pas (2). On se place en dimension n > 2, et on se donne un opérateur de convolution de Calderón-Zygmund T. On note K(x — y) son noyau-distribution (hors de la diagonale, K(x — y) est une fonction qui vérifie (1) et (2), et de plus T est borné sur L2). Pour toute fonction bornée a et tous x,y G R n , on note m[Xiy]a = ft=Q a(x + t(y — x)) dt la moyenne de a sur le segment [x, y]. Bien que m [x,y]Q> soit en général une fonction très peu régulière de x et de y, le théorème 5 permet de démontrer le résultat suivant. THÉORÈME 6 [CJ]. Si ai,..., alors la formule ak sont k fonctions bornées définies sur Rn, k (Tkf,g) = jj K(x,y) n^w]^ f(y)g(x)dxdy U=i définit un opérateur borné sur Lp pour 1 < p < +oo, et k ||Tfc||LP,LP < C(p, 6)(1 + k)2+s n IKIloo pour tout 6 > 0. V. Ondelettes et algèbre de Lemarié. Rappelons que la famille des opérateurs d'intégrale singulière T bornés sur L2(Rn), et tels que T l = *T1 = 0 dans BMO, est une algèbre, que nous noterons A (voir [Ll] ou [Ml]). La découverte par Y. Meyer d'une nouvelle base de L2 a permis de construire quelques opérateurs non banaux de A. Soient iß: R —• C une fonction, et J = [k2~3, (k+l)2~3] un intervalle dyadique. Nous noterons ißj(x) = 23l2iß(23x —fc)(cette notation peut être justifiée par le fait que si iß était à support dans [0,1], alors ißi serait à support dans I). THÉORÈME 7 [LM]. // existe une fonction iß G S(R) telle que les ißj, I intervalle dyadique, forment une base orthonormée de L2(R). Si on oubliait la contrainte "iß est dans classe de Schwartz," le système de Haar conviendrait. Signalons aussi qu'on ne peut pas choisir iß G C£°(R). Pour faciliter l'exposé, nous avons pris le parti de rester en dimension 1. Toutefois, les résultats que nous mentionnons sont encore valables en dimension n > 2. On construit une base de L 2 ( R n ) à partir de iß comme on le fait avec le système de Haar. La base en question est obtenue à partir de (2 n — 1) fonctions de base, qui sont elles-mêmes des produits tensoriels de fc fonctions ip (pour 1 < fc < n) et de (n —fc)fonctions <p, où (p est une autre fonction de S(R), mais qui vérifie f (p = 1 alors que / iß = 0. (La fonction (p joue le rôle de l[ 0j i] dans le système de Haar.) L'avantage principal des ißi (qu'il est convenu d'appeler une base d'ondelettes) sur le système de Haar, par exemple, est que les ißi sont dans tous les espaces OPÉRATEURS DE OALDERÓN-ZYGMUND 897 fonctionnels raisonnables. On en déduit aisément que (ißj)i est aussi une base inconditionnelle de Lp, 1 < p < +00, et même de l'espace atomique H1. De même, l'appartenance d'une fonction / à un espace fonctionnel donné est, pour la plupart des espaces fonctionnels usuels, caractérisée de manière simple par la taille (ou la décroissance) des coefficients / f(x)ißj(x)dx. Revenons à l'algèbre A, et donnons un exemple d'opérateur d'intégrale singulière qui peut être construit à partir d'ondelettes. Il s'agit d'un opérateur T G A, inversible sur L 2 (R), mais dont l'inverse n'est pas un opérateur d'intégrale singulière, et n'est d'ailleurs pas continu sur Lp pour un p ^ 2 fixé à l'avance. (Le premier exemple d'un tel opérateur a été construit, toujours en utilisant des ondelettes, par P. Tchamitchian [T2]; nous présentons ici un exemple de P. G. Lemarié.) Soit ißi, I intervalle dyadique, la base du théorème 7. Pour tout intervalle dyadique J, on note 7 le fils de gauche de I (c.à.d. que si I = [k2~3, (fc + 1)2~3], alors 7 = [k2~3, (fc+ ^)2~3]). Soit S l'opérateur de L2(R) défini par S(fa) = ißj pour tout I dyadique; S est clairement une isométrie de L2(R) sur son image, On vérifie aisément que le noyau de S est K(x,y) = ^ißjWMv) I = Y^J22J^(2Hlx j - M)iß(23y - fc) k et est un noyau standard. Comme iß est d'intégrale nulle, on a aussi S I = *JS1 = 0, donc S E A. Choisissons T = 1 - rS. Clairement, T G A, et T est inversible sur £ 2 ( R ) pour \r\ < 1. De plus, T~l(iß) = iß + rS(iß) + r2S2(iß) + • • • = ^ + ^ [ o , i ] + ^ [ 0 j i ] + -"Si p > 2 est fixé à l'avance, on peut choisir r assez proche de 1 pour que T~ 1 (^) ne soit pas dans LP(R), et T est le contre-exemple cherché. BIBLIOGRAPHIE [Bd] G. Bourdaud, Sur les opérateurs pseudo-différentiels à coefficients peu réguliers, Thèse d'Etat, Univ. Paris VII, 1983. [Bl] J. Bourgain, High dimensional maximal Junctions associated to convex sets (à paraître). [B2] , On the spherical maximal function in the plane (à paraître). [Cl] A. P. Calderón, Commutators of singular integral operators^ Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 53 (1965), 1092-1099. [C2] , Cauchy integrals on Lipschitz curves and related operators^ Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 74 (1977), 1324-1327. [C3] , Commutators, singular integrals on Lipschitz curves and applications, Proc. Internat. Congr. Math. (Helsinki, 1978), Acad. Sci. Fennica, Helsinki, 1980, pp. 85-96. [CZ] A. P. Calderón et A. 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