Inversion min/max en géométrie différentielle

Paiheu
Modifié (October 2022) dans Géométrie différentielle
Bonjour,
Je viens demander de l'aide car je ne parviens pas à comprendre les deux dernières égalités suivantes

C'est tiré de l'article de recherche suivant https://cedricvillani.org/sites/dev/files/old_images//2012/08/014.OV-Talagrand.pdf

Pour le contexte, on considère une variété Riemannienne $M$ et on veut construire une structure Riemannienne sur l'ensemble des mesure de probabilité sur $M$, noté $P$. En omettant les détails, on parvient à identifier l'espace tangent en $\mu \in P$ à l'ensemble des fonctions de $M$ dans $\mathbb{R}$. On aboutit finalement à l'égalité $$\displaystyle \frac{1}{2} \text{dist}(\mu_0, \mu_1)^2 = \inf_{\mu_t} \sup_{\phi_t} \left( -\int_0^1dt \int (\partial_t \phi_t +\frac{1}{2} |\nabla \phi_t|^2) d\mu_t  + \int \phi_1 d\mu_1 - \int \phi_0 d\mu_0 \right)$$
Ici, la distance est la distance géodésique induite par le produit scalaire $$\displaystyle \langle \phi, \tilde{\phi} \rangle = \int_M \nabla \phi . \nabla \tilde{\phi} d\mu$$
Le sup est pris sur l'emsemble des champs de vecteurs tangents à la courbe ($\phi_t$ est élément de $T_{\mu_t}P$ et est donc une fonction de $M$ dans $\mathbb{R})$ et l'inf est pris sur l'ensemble des courbes $\mu$ d'extrémités $\mu_0$ et $\mu_1$.

L'interversion de l'inf et du sup est justifiée dans l'article par "the use of minimax principle", mais je n'arrive ni à avoir l'intuition de ce qui permet de la réaliser, ni à mettre le doigt sur un théorème précis qui pourrait être utilisé.

L'égalité qui suit m'apparaît tout aussi obscure : pourquoi le premier terme saute ? Par exemple, si on choisit $\phi$ constant sur $M$ à $t$ fixé, et décroissant selon $t$, disons $\phi(t) = -t$ en tout point de $M$, alors le gradient devrait s'annuler et la dérivée temporelle vaut -1. Ainsi quelque soit la mesure de probabilité $\mu_t$ choisie, le première (double) intégrale devrait valoir -1, et difficile donc d'éliminer ce premier terme, mais ou est mon erreur ?

Merci pour votre aide

Réponses

  • Calli
    Modifié (October 2022)
    Bonjour,
    J'ai déjà vu des choses similaires dans le cadre du transport optimal. L'interversion inf/sup était justifiée par le théorème de Fenchel-Rockafellar.
    Pour ta deuxième question, je m'attendais à ce que $$\inf\limits_{\mu_t} \;-\! \int _0^1 dt\int (\partial_t \Phi_t+\frac12|\nabla \Phi_t |^2)d\mu_t=\left\{ \begin{array}{ll} 0&\text{si } \partial_t \Phi_t+\frac12|\nabla \Phi_t |^2 \leqslant 0\\
    -\infty & \text{sinon}\end{array}\right. $$ comme c'est d'habitude le cas dans ce genre de situation. Mais je n'ai pas l'impression que ce soit le cas car $\mu_t$ est une mesure de proba. Donc je ne sais pas. 
  • Paiheu
    Modifié (October 2022)
    Bonjour @Calli et merci pour tes précisions. J'ai regardé du côté du théorème de Fenchel-Rockafellar mais je n'ai pas trouvé une source formellement exploitable (si tu en as une je suis preneur).
    La seconde me paraît toujours aussi obscure (je suis d'accord avec toi dans le cas de mesure quelconque). Dans le cas ou $\mu_t$ est une mesure de proba, j'en viens à écrire assez naturellement
    \begin{align*} &=\sup_{\phi_t} \inf_{\mu_t} \left( -\int_0^1dt \int (\partial_t \phi_t +\frac{1}{2} |\nabla \phi_t|^2) d\mu_t  + \int \phi_1 d\mu_1 - \int \phi_0 d\mu_0 \right)\\&= \sup_{\phi_t, \partial_t \phi_t + \frac{1}{2} |\nabla\phi_t|^2 \leq 0} \left\{\int_0^1 \inf_M(-\partial_t\phi_t -\frac{1}{2} |\nabla \phi_t|^2)dt + \int \phi_1 d\mu_1 - \int \phi_0 d\mu_0 \right\}\end{align*}Mais cette formule est incompatible avec celle de l'article, alors je reste dubitatif ...
  • Calli
    Modifié (October 2022)
    Pour Fenchel-Rockafellar, ma seule source est mon cours de transport optimal. Voici des photos de mes notes manuscrites. Tu devrais y trouver l'énoncé du théorème et un exemple d'application. Je ne peux pas plus aider ; je ne me souviens pas assez bien de comment ça fonctionne pour l'expliquer moi-même.
    TO.zip 17.2M
  • Bonjour avec ça  https://en.wikipedia.org/wiki/Minimax_theorem ? Si t'arrive à te ramener aux hypothèses de l'article ça devrait marcher. Si on est optimiste et en regardant de loin tu peux dire qu'une variété, localement ça ressemble beaucoup à $R^n$ pour un certain $n$, les espaces tangents ce sont des espaces vectoriel donc pareil. Pour la convexité je pense qu'il n'y  a pas de problème (à vérifier quand même) pour la compacité il me semble que pour une certaine topologie l'espace des mesures de proba est compact. Pour ta deuxième question vu que tu cherches des géodésiques il y a surement des histoires d'EDP $=0$ vérifiée regarde http://www.math.toronto.edu/mccann/assignments/477/Otto01.pdf tu peux commencer page 22 mais les lignes que tu cherches je crois sont pages 25 tu replaces ce qui est dis dans ton contexte. Mes indications sont quand même très vagues j'écrirais ici si jamais j'ai des info plus précises. Bon courage.
  • Barjovrille
    Modifié (October 2022)
    Bon, il  y a déjà un problème dans ce que j'ai dit en fait comme pour tout $t$, on a $\phi_t \in T_{\mu_t}P$ (on change d'espace tangent à chaque point) l'argument espace vectoriel ne tient pas. Tu peux regarder du côté du fibré tangent de $P$, le fibré tangent peut être muni d'une structure de variété et une variété ressemble localement à un $\R^n$.
  • Merci @Calli pour tes notes je vais jeter un oeil !

    Bonjour @Barjovrille et merci pour tes indications. Le théorème du minimax de von Neumann est effectivement le premier auquel j'ai pensé, avec des idées sous-jacents similaires aux tiennes. J'igonarais toutefois que l'ensemble des mesures de probabilité sur $M$ pouvait être compact, mais je vais regarder de plus près, après tout, quand on cite "minimax principle" sans plus d'indication, il est difficile d'imaginer qu'on ne fait pas référence à celui de von Neumann ...

    Pour ce qui est de l'équation des géodésiques, ce n'est pas vraiment ce que je conteste, mais plutôt la dernière égalité qui de mon point de vue ne peut pas être vraie (bien que ce qui suit dans l'article l'est). La formule que je donne plus haut me paraît plus juste $$\frac{1}{2} \text{dist}(\mu_0, \mu_1)^2 = \sup_{\partial_t \phi_t + \frac{1}{2} |\nabla\phi_t|^2 \leq 0} \left\{ \int \phi_1 d\mu_1 - \int \phi_0 d\mu_0 + \int_0^1 \sup_M(\partial_t\phi_t +\frac{1}{2} |\nabla \phi_t|^2)dt \right\}$$Mais à partir de celle-ci il est difficile de voir formellement que le sup est atteint lorsque $\phi_t$ est solution de l'équation d'Hamilton-Jacobi $$\partial_t \phi_t + \frac{1}{2} |\nabla\phi_t|^2 = 0$$là ou c'est assez direct avec la formule avancée dans l'article
  • Barjovrille
    Modifié (October 2022)
    Après il faut faire attention aux parties "heuristiques" (comme c'est dit dans l'article) moi il m'arrive de comprendre les démo rigoureuses avant les heuristiques d'un article. Si vraiment t'es complètement bloqué lis la suite où il y a plus de détails, des fois ce qui est évident/intuitif pour l'auteur ne l'est pas forcément pour le lecteur.
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