Cauchy-Schwarz différentiel

SandwichFromage
Modifié (March 2023) dans Analyse
Bonjour
Si $f$ est une fonction $C^2$ sur $\mathbb R$ telle qu'elle et sa dérivée seconde soient de carré intégrable, alors $f'$ est de carré intégrable et on a la magnifique inégalité $$ \int_{\mathbf R}(f')^2 \leqslant \sqrt{\int_{\mathbf R}f^2} \sqrt{\int_{\mathbf R}(f'')^2} . $$
Étonnamment, je sais la démontrer lorsque $f$ est définie (et $C^2$, et $L^2$ avec sa dérivée seconde) sur $\mathbb R$ tout entier, mais je n'arrive pas à prouver l'analogue sur $\mathbb R^+ $ : avec $f$ vérifiant les mêmes hypothèses (mais sur $\mathbb R^+$ seulement), un exo de la RMS demande pourtant de montrer que $ (\int_0^\infty f'^2)^2 \leqslant \int_0^\infty f^2   \int_0^\infty (f'')^2 $.
Voici en quoi la preuve coince :
La relation $ \int_0^x (f')^2 + \int_0^x ff'' = [ff']_0^x$  montre $ff'$ admet une limite en $+\infty$ ($ff''$ est intégrable par C-S)
Avec $\int_0^x ff' = \frac{f(x)^2}{2} - \frac{f(0)}{2} $, on montre que $ff' \xrightarrow[+\infty]{} 0 $ (la limite existe, et si elle était non nulle, l'intégrale du membre de gauche tendrait vers $\pm\infty$, donc $f^2$ aussi, contredisant le fait que $f$ soit $L^2$.
Finalement, on peut écrire $ \int_0^\infty (f')^2 = [ff']_0^\infty - \int_0^\infty ff'' $
Si on veut montrer l'inégalité sur $\mathbb R$, pas de problème, on remplace $0$ par $y$ dans la relation précédente, et on le fait tendre vers $-\infty$ :
Par un raisonnement analogue,  $ff' \xrightarrow[-\infty]{} 0 $, donc 
 $ \int_{-\infty}^{+\infty} (f')^2 = [ff']_{-\infty}^{+\infty} - \int_{-\infty}^{+\infty} ff'' = - \int_{-\infty}^{+\infty} ff'' $ (le crochet étant nul, du coup) et on conclut par C-S.
On voit bien où on a utilisé le fait que $f$ était définie sur $\mathbb R$. Mais comment faire sur $\mathbb R^+$ ?
J'ajoute une question. Cette inégalité porte-t-elle un nom ? Je me doute que ce n'est pas "Cauchy-Schwarz différentiel"... x)

Réponses

  • JLapin
    Modifié (March 2023)
    A mon avis, c'est une erreur d'énoncé et la fonction $x\mapsto e^{-x/2} (\sin(\sqrt 3/2 x)+3 \cos(\sqrt 3/2 x))$ me semble être un contre-exemple.
    Avec un facteur $4$, ça devient correct mais c'est un peu pénible à démontrer.
  • D'accord. Comment as-tu trouvé cette fonction ? 
  • Ah aurais-tu utilisé une équation différentielle d'ordre deux..?  
  • JLapin
    Modifié (March 2023)
    Ca y est, j'ai retrouvé l'énoncé qui en parle.
    Pour la fonction, j'avais de vagues souvenirs que ce type de fonction intervenait dans un cas d'égalité et j'ai tâtonné avec un logiciel de calcul.
  • Dacodac, merci
  • Math Coss
    Modifié (March 2023)
    Eh beh ! Je ne sais pas d'où ça sort mais ça passe juste.
    sage: f = exp(-x/2)*(sin(sqrt(3)/2*x)+3*cos(sqrt(3)/2*x))
    sage: ((integral(diff(f,x)^2,(x,0,infinity)))^2).expand()
    -9*sqrt(3) + 603/16
    sage: ((integral(diff(f,x)^2,(x,0,infinity)))^2).n()
    22.0990427318801
    sage: (integral(f^2,(x,0,infinity))*integral(diff(f,x,x)^2,(x,0,infinity))).expand()
    9/4*sqrt(3) + 18
    sage: (integral(f^2,(x,0,infinity))*integral(diff(f,x,x)^2,(x,0,infinity))).n()
    21.8971143170300
    
  • Remplace 3 par 30 dans ta fonction : l'écart est un peu plus spectaculaire :)
  • Math Coss
    Modifié (March 2023)
    Effectivement, le membre supposément plus petit est plus de deux fois plus grand que l'autre : environ 130.000 d'un côté, 300.000 de l'autre.
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