This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
0 et < 0 si cos 0 et M > 0 il existe des Â' tels que 1 A - 0 et N > 0 donnés, il existe des valeurs de Â' telles que
Ix-x~O)I< n~ In[1+ (n-1~(B+1)J
et par (30) (E. K a m k e, Ditferentialgleichungen reeler Funktionen, Leipzig, 1952]. " Traitons maintenant le cas où !1 = 0 sur la variété (t9). On admettra que l'un des mineurs du déterminant !1 correspondant aux élements de la première ligne est non nul. L'égalité !1 = 0 exprime que les éléments de la première ligne sont une combinaison linéaire des éléments correspondants des autres lignes, c'est-à-dire que n-l
ak=
"
Li . 1
Îvj
ÔXh 7ft,
(31)
J
3=
où Îvj sont des fonctions bien définies des paramètres (t l , tion c se représente aussi par la formule
••
0'
tn-v. Si la fonc-
n=l
" c= Li
. 1 3=
ôu
ÎvjF )
(32)
'Sur la variété (19), alors la variété (19) s'appelle variété caracUristique de l'équation (16). On peut montrer que toute variété caractéristique (t9) de l'équation ·(16) peut être formée par les caractéristiques de cette équation et que si !1 = 0 sur la variété (t9) et si une surface intégrale u = u (Xl' XI' • • • , xn) passe par ~ette variété, alors cette dernière est caractéristique. " Par une variété caractéristique il peut passer une infinité de surfaces intégrales.
1-1-4. EXEMPLES
23
Exactement 'comme dans le cas de deux variables, on peut ramener l'équation quasi linéaire (16) à-une équation linéaire sans second membre en cherchant la solution de (16) sous la forme implicite: ' q> (Xl' •• " Xn ' u) = C,
où C est une constante arbitraire. On obtient pour la fonction q> l'équation al
Le système correspondant d'équations différentielles ordinaires est dXl
dXn
- al = Si q>l (Xl' ••• , Xn , u)
du
=an -=. C
=
(33)
Cl; ••• ;
=
(34)
Cn
sont des intégrales indépendantes de ce système, alors l'équation F (
nous donne la solution de l'équation (16) sous forme implicite. Au second membre on a écrit 0 et non pas une constante arbitraire, car F est une fonction quelconque. Pour construire une surface intégrale passant par la variété (19), on porte les expressions (19) dans les premiers membres des intégrales (34). En éliminant les paramètres t l , • • • , t n - l entre les n équations ainsi obtenues, on trouvera une relation entre les constantes arbitraires: F (Cl' •••, Cn ) = O.
Le premier membre de cette relation définit la forme de la fonction F. En remplaçant dans le premier membre de la dernière équation les Ch par les fonctions CJ'h (Xl' ••• , x n ' u), on obtient l'équation de la surface intégrale cherchée. 1-1-4. Exemples. 1. Considérons l'équation 3 (u - y)2 P - q = O.
(35)
Le système (4) s'écrit dx dy -=3(U-y)2. - = -1' ds 'ds'
du -=0
ds
(36)
'
et sa solution exprimée en fonction des valeurs initiales des variables (x, y, u) sera x
= (u o -
Yo
+ s)3 + Xo -
(uo -
YO)3;
y
=
-8
+ Yo;
u
=
UO'
(37)
Supposons que les équations (7) de la ligne l par laquelle doit passer la surface . intégrale cherchée sont de la forme x
En faisant Xe le déterminant
=
0; Ye
=
0;
= Ue = x = il; A
=
y
= t;
u
= t.
t
dans (37), on obtient
y
=
-8
XsYt -
+ t;
XtYs
=
u
(38)
= t;
382
s'annule pour s = 0, c'est-à-dire le long de l. La ligne (38) n'est pas une caractéristique de l'équation (35), car, en vertu de la dernière équation (36), u doit être constant le long d'une caractéristique. Il existe néanmoins une surface
24
TH~ORIE
CH. 1.
DES
~QUATIONS' AUX D~RIV~ES
PARTIELLES
intégrale de l'équation (35) qui passe par la ligne (38), plus exactement
-=}l''Z+II. 1
Ici p = U x ="3 z
-~ 3
.
et cette dérivée partielle devient infinie sur la ligne (38).
2. Considérons l'équation Pl
+ P2 + Ps =
u,
u étant une fonction de trois variables. En composant le système (17) et en l'intégrant, on obtient la solution suivante en fonction des valeurs initiales z~' et Uo des variables: Xk = S zî; u = uoe' (k = 1, 2, 3). (39)
+
Supposons qu'on demande de Xl
=
tl
+ t2;
X2
tr~uver
=
tl -
une surface intégrale contenant la variété t2;
Xs
=
1;
u
=
t l t 2•
En substituant ces expressions aux valeurs initiales dans l'équation (39), on trouve Xl . S fI t 2 ; x2 = s t l - t 2 ; Xs = s 1; u = tltlle'. (40)
+ +
+
+
Les trois premières équations admettent une solution par rapport à s, t l et t 2 (cas !1 =1= 0) :
en portant ces expressions dans la dernière équation (40), on obtient la surface . intég.rale cherchée:' . 1 -1 u = T (Xl +X 2 - 2x s+2) (ZI-x 2 ) r' . 3. Cherchons la solution de l'équation Ux
-
Uy
= 1 (x + y)
qui est continue avec ses dérivées partielles premières et qui vérifie la condition u = 0 pour X = O. Le changement de variables X
= Xl;
X
+y=
nous donne aussitôt la réponse: u (x, y)
=
xl (x
YI
+ y).
Cette formule nous donne effectivement la solution si- la fonction 1
d:: =Ih
(x, YI' •.. , Yn, Â)
(k=l, 2, •.• , n)
(41)
1-1-5.
TImO~E
AUXILIAIRB
25-
dépendent d'un 'paramètre Â. Supp.osons d'autre part que ces seconds membressont des fonctions continues possédant des dérivées continues par rapport.à tous les Yk dans le domaine 1 z - a 1 ~ A ; 1 Yk - bk 1 ~ B (k = f, 2, • n), (42} où a et bk sont des nombres donnés, et  E [a, ~]o Soit M = max{1 !k (z, y, ••• , Yn' Â) I} (k
=
f,
0
0
0'
0
0'
n)
pour les valeurs indiquées des variables. Sous ces conditions, le système (41) possède une solution unique vérifiant les conditions initiales: Yk Ix=a = bA (k = f, •• 0' n}. (43} Cette solution existe dans l'intervalle 1 z - a 1 ~ h, où h = min {A, B/Ml et on peut la trouver dans cet intervalle par la méthode des approximations successives (tome II, [11-3-2]). Les approximations successives calculées avec les formules indiquées au (tome II, [11-3-2]) seront des fonctions continues de z et  et en vertu de la convergence uniforme des approximations successives en z et  (tome II, (II-3-2]), on peut affirmer que les fonctions qui nous donnent la, solution du système (41) vérifiant les conditions initiales (43) seront des fonctions continues de z et Â. On aurait pu admettre de toute évidence que les seconds· membres des équations (41) renferment plusieurs paramètres au lieu d'un. On a donc démontré le Lem m e. Si les seconds membres des équations (41) dépendent des paramètreS'
"'l' ...,
Âs et remplissent les conditions indiquées ci-dessus, alors la solution du système vérifiant les conditions initiales (43), où a et bk sont des nombres donnés,. est formée de fonctions continues dépendant de z et de Âi : Yk = "Pk (z, Â1 , ••• , Â s ).
Rem a r que. Soient Zo et yg des valeurs comprises dans le domaine (42). Les solutions vérifiant les conditions initiales Yk (zo) = yg seront fonctions deces conditions initiales: Yk = "Pk (z, zo, y~, ••• , yf&),
(44r
de plus elles sont définies dans un voisinage de z = 3:0. Si l'on introduit la variable indépendante S = z - Zo et les fonctions fJk = Yk - Yi, le système· devient
~~k =fk (ç+zo, rh+Y~,
fJ2+yg, ... ,
fJn+y~L
Â),
c'est-à-dire que les conditions initiales figureront comme paramètres dans lesseconds membres et seuls des nombres bien définis figureront dans les conditionsinitiales fJk (0) = O. Le lemme ci-dessus nous permet d'affirmer que les fonctions (44) sont des fonctions continues en chacun de leurs arguments. . Passons maintenant à la démonstration du théorème énoncé dans [I-f-2] .. Pour simplifier, on commencera par traiter le cas d'une seule équation dy dx =
f (x, y).
(45)
Supposons que le second membre est continu et possède une dérivée continue pal'" rapport à Y dans le domaine 1z -
a 1 ~ A;
1Y -
b 1 ~ B.
(46),
Considérons la solution de l'équation (45) qui vérifie la condition initiale= YQ' où Xo et Yo. sont situés à l'intérieur du domaine (46). Cette solution dépendra de Zo et Yo: Y = cp (x, zo, Yo}, (47}) Y (xo)
26
CH. I. TImORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
et sera définie pour les x assez proches de xo. Modifions un peu la condition initiale et considérons la nouvelle solution: y+ = q> (x, Xo, Yo
+
~Yo)'
(48)
Si ~Yo est assez pètit en valeur absolue, alors les solutions (47) et (48) existent .dans un certain voisinage de x = Xo' De l'équation (45), il s'ensuit que
d(~:-Y)=f(X,
y+)-f(x, y),
.et cette équation peut être mise sous la forme (49)
-où a (x
~y)= f (x, y+)- f (x, y)
\,
y+- Y
0
(50)
•
()n admet que cette relation est une fonction connue de x et ~Yo' puisque les solutions (47) et (48) le sont aussi. Il est immédiat de voir que la fonction a(x, ~Yo) est une fonction continue en ses arguments. Ceci est évident pour les valeurs de x et de ~Yo pour lesquelles y+ - Y =1= O. Si les fonctions y+ et y tendent vers la même limite y' lorsque x --+ x' et ~Yo --+ a', alors de la condition d'existence de la dérivée continue il résulte que f(x, y+2- / (x, y) =fy[x, y+8(Y+-Y)]-+l y (x, y'), y -y
.autrement dit, la fonction (50) est continue dans ce cas. En divisant les deux membres de (49) par ~Yo, on obtient une équation différentielle pour le rapport (y+ -
y)/ ~Yo :
d (Y+-Y) dx ~Yo
Pour x
=
.1:0'
on a y+ Ix=x
= •
=
Yo
a (x, ~yo)·
+ ~Yo
~Yo
•
(51)
et y Ix=x = Yo, c'est-à-dire que
y+-y 1 =1. ~Yo x=x o
Donc, (y+ -
y+-y
•
(52)
y)/ ~Yoest la solution de l'équation différentielle du dx =a (x, ~Yo) u,
(53)
-qui vérifie la condition initiale u 1X=Xo = 1.
(54)
Comme le second membre de l'équation (53) est une fonction continue du paramètre ~Yo pour tous les ~Yo assez proches de 0, la solution u vérifiant la -condition (54) est aussi une fonction continue de ~Yo et en particulier existe la limite du rapport mentionné lorsque ~Yo --+ 0, ce qui exprime que la fonction (47) possède une dérivée partielle q>yO (x, xo, Yo) par rapport à Yo' Cette dérivée partielle doit être solution de l'équation (53) pour ~Yo = O. Or, en vertu de (50), -on a a (x, 0) = 111 [x, q> (x, xo, Yo)]' donc, on peut affirmer que la dérivee
AUXILIAIRE
27
partielle
(55)
1-1-5.
THt:.OR~l\IE
qui vérifie la condition (54). Le second membre de l'équation (55) étant une fonction continue en ses arguments Xo et Yo. on peut grâce au lemme affirmer que la dérivée partielle
1 (xo.
u 1X=Xo = -
Yo)'
On obtient immédiatement cette condition initiale en mettant l'équation (45) avec la condition initiale y (xo) = Yo sous forme de l'équation intégrale (tome II. [11-3-2]): x
f (x.
Y=Yo+ )
y) dx.
Xo
Une dérivation des deux membres par rapport à initiale ci-dessus pour u =
Xo
nous donne la condition
Rem a r que 2. La démonstration précédente est valable pour le système d'équations (5), Soit la solution de ce système: Yk =
En donnant à
yY. ' ..•
lIî un accroissement
Y7&)
(k = 1, 2•. , " n).
(56)
L\Yt on obtient la nouvelle solution
Y"k =
Ecrivons le système (5) pour Yh et Yt, retranchons terme à terme et mettons les seconds membres obtenus sous la forme
Ih
(x. Yt. ' , " y~) -
th
yr,
(x. YI' • , .• Yn) =
y1iJ - h (x. YI' Yt. yi•.. '. Yit)) + + [h (x. YI' y;t. y~, •• " Y1i) - Ih (x, YI' Y2. Yâ • • , " y~)) + ' ,, ,,,+ [fk (x. YI' Y2. ' , " Yn-l' y~) - Ih (x, YI' Y2' • , '. !Jn-l' Yn)]. = (th (x. Yt.
Yà, ' , .,
On obtient pour les rapports Uk = (Yt. - Yk)/ L\y~ le système d'équations linéaires suivant:
où hdx, Yn ••. , Yi-17 yi.
"0'
y1i)-/k(X. YI' ... , Yi-l. lib Yj+l' ...• y;t)
Gltj= ---------'---~-__:;:-----------.:.....:....:----
Yi-Yi
avec les conditions initiales uklx=x o =0
(k =f=. i);
utlx=x. .=1.
. . •
(57)
28
CH. I.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
La suite de la démonstration est la même que pour une seule équation. et l'on s'assure que les fonctions (56) possèdent des dérivées partielles continues. par rapport à yf. Au lieu de l'équati0I.l (55), on obtient pour ces dérivées partielles le système d'équations n
dUh . ' ~l afh (X,'Yl' ... , Yn) u.
dx.LJ
aYi
(58)
1
1=1
dans les coefficients duquel il faut remplacer Yh par les fonctions (56). Les conditions initiales seront encore définies par les formules (57). A noter qu'on aurait pu obtenir directement le système (58) en portant les fonctions (56) dans les équations (5) et en dérivant les deux membres par rapport à yf. Mais on ne peut sans démonstration préalable affirmer l'existence de la dérivée partielle par rapport à y<~) de même qu'on ne peut en toute rigueur changer l'ordre de dérivation par rapport à x et à y<~) dans le second membre. A noter encore que dans le cas d'une seme équation, l'équation linéaire sans second membre (55) s'intègre en termes finis. . ' Rem a r que 3. Si les seconds membres th des équations (5) possè den sous les conditions (6) des dérivées partielles par rapport à Ys jusqu'à un ordre m continues, alors il en est de même des fonctions CJ'h (x, Xo, y<ï>, ••• , y
1-1-6. Equations non linéaires du premier ordre. Nous passons à l'étude des équations aux dérivées partielles du premier ordre dans le cas général. Comme pour les équations linéaires envisagées précédemment, nous commencerons par le cas de deux variables indépendantes. Une équation aux dérivées partielles du premier ordre pour une fonction de deux variables indépendantes est de la forme F (x, y, u, p, q) = O. (59) Voyons quelle est la signification géométrique de cette équation. En tout point (x, y, u), l'équation (59) est une relation entre p et q, c'est-à-dire une relation entre les cosinus directeurs de la normale à une surface u = u (x, y). Les normales vérifiant cette relation forment une,surface conique de sommet (x, y, u). Les plans passant par le point (x, y, u) perpendiculairement aux génératrices de ce cône figurent toutes les positions possibles du plan tangent en (x, y, u) aux surfaces intégrales cherchées. Tout comme la famille des normales génératrices du cône, cette famille de plans dépendra d'un seul paramètre. L'enveloppe de cette famille de plans est un cône que l'on appellera cône T. L'équation (59) équivaut donc à la donnée d'un cône T en chaque point de l'espace, quant à la surface intégrale de l'équation (59), elle doit être telle que le plan tangent en-l'un quelconque de ses points soit tangent au cône T correspondant à ce point. Composons les équations des génératrices du cône T en un point donné (x, y, u). Soient p et q des fonctions d'un paramètre a véri-
'1-1':6: ":mQUATIONS NON LIN:eAIRES DU PREMIER ORDRE
29
fiant l'équatio-n (59) au point (x, y, u). Le cône est l'enveloppe de la famille de plans: p (a) (X - x) + q (a) (Y - y) - (U - u) = O. (60) En dérivant par rapport à a, on obtient l'équation auxiliaire
~~ (X -
x)
+ :: (Y -
y)
= O.
(61)
En dérivant l'équation (59) par rapport à a, on trouve p dp +Q~=O da
da
'
(62)
où P
=
Fp
;
Q = F q.
(63)
Dans la suite, on admettra que F p et F q ne sont pas simultanément nulles dans le domaine de variation des variables, c'est-à-dire que ~ + F~ > O. Une exception toutefois, le cas des solutions singulières de l'équation (59). Si l'on admet que ~~ et ~ ne sont pas simultanément nulles, alors des équations (61) et (62) on déduit que X-x p
-
Y-y
Q .
Enfin, l'équation (60) nous donne l'équation des génératrices du cône: X-x P
Y-y U-u Q - pP+qQ·
(64)
Pour obtenir les génératrices du cône T, il faut porter dans les dénominateurs les diverses valeurs de p et q vérifiant (59) en (Xi y, u). Dans le cas de l'équation linéaire (2), nous avions une direction bien définie en chaque point et le plan tangent aux surfaces intégrales devait contenir cette direction. Ici, nous avons en chaque point non pas une direction, mais un côneT et le plan tangent aux surfaces intégrales cherchées doit être tangent à ce cône. Nous ne pouvons donc pas construire directement les courbes caractéristiques pour l'équation non linéaire (59) comme nous l'avons fait pour l'équation linéaire (2) à l'aide du champ de directions. Le champ de directions est remplacé ici par un champ de cônes T. Cependant, nous allons montrer que si l'on connaît une surface intégrale S: u = u (x, y) de l'équation (59), on peut la recouvrir de lignes analogues, aux lignes caractéristiques de l'équation linéaire (2). En effet, tout· plan tangent à la surface intégrale S doit être tangent au cône T correspondant ,au point de contact et par conséquent doit contenir ulie génératl"ice du ,-cône, plus exactement celle
30
CH. 1. TImORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
le long de laquelle il est tangent au cône. Ces génératrices des cônes T forment un champ de directions sur la surface intégrale S. En intégrant l'équation différentielle du premier ordre correspondant à ce champ, on recouvre S par une famille de lignes l' dépendant d'un paramètre. Les cosinus directeurs du champ de directions mentionné doivent être proportionnels aux dénominateurs de l'équation (64), où p et q se déterminent directement à partir de l'équation de la surface intégrale S. Donc, le long des lignes l' recouvrant la surface intégrale S, on doit avoir dx
dy
dy 'ds
=
du
P-O= pP+qQ'
(65)
ou dx ds
=p.
Q
du
; a:; = pP+qQ.
(66)
Pour trouver les lignes l' il suffit d'intégrer l'équation du premier ordre dx
dy
p=7[;
(67)
les dénominateurs P et Q ne dépendent que des variables x et y, car la fonction u et ses dérivées partielles p et q sont des fonctions connues de x et y sur S. En intégrant l'équation (67) et en se servant de l'équation de la surface u = u (x, y), on obtient les lignes l' cherchées. Les seconds membres des équations (66) n'ont un sens que si la surface intégrale u = u (x, y) est dûment choisie. La connaissance de la surface intégrale nous donne p et q en fonction de x et y. Nous allons adjoindre au système d'équations (66) deux équations contenant tes différentielles dp et dq de façon à obtenir un système d'équations différentielles ne dépendant pas du choix de la surface intégrale de l'équation (59). Désignons par r, cr et t les dérivées secondes de la fonction u: r = U xx ; cr = U Xll ; t = u YlI ' et par X, Yet U, les dérivées du premier membre de l'équation (59) par rapport à x, y et u: X=F x
Y=F y
;
;
U=F u '
En dérivant le premier membre de l'équation (55) par rapport à x et à y, on obtient X + Up + Pr + Qcr = 0; y + Uq + Pcr + Qt = O. D'autre part, on a de toute évidence dp dx dy Q ds = r ds + cr ds = Pr cr,
+
dq = ds
cr
dx ds
+t
dy ds
= Pcr+Qt.
1-1-6. :eQUATIONS NON L1N:eA1RES DU PREMIER ORDRE
31
De ces équations il s'ensuit immédiatement que
~~ = -(X +Up);
~;
=
-(y +Uq),
donc, on peut ajouter les deux dernières équations aux équations (66) et obtenir ainsi un système de cinq équations différentielles à cinq fonctions du paramètre auxiliaire s: dx _
(lS-
dy _ Q . du _ p + Q' ,a;s'(I;"-P q,
p .
:=-(X+Up);
~;=-(Y+Uq).
(68)
On peut donc affirmer que les équations (68) sont réalisées sur toute surface intégrale le long de toute ligne l'. Le système d'équations différentielles (68) peut être considéré en soi, indépendamment des surfaces intégrales de l'équation (59). On l'appelle système caractéristique de l'équation (59). Signalons que pour déduire les équations (68) on s'est servi des dérivées secondes de la fonction u. De plus il est essentiel que lors de l'intégration de (68) les seconds membres possèdent des dérivées premières continues. Formulons le résultat obtenu en tenant compte de tout ce qui vient d'être dit. Soit u (x, y) une solution de l'équation (59) possédant des dérivées premières et secondes continues dans un voisinage d'un point (x o' Yo)' Posons U o = u (xo, Yo),. Po = U x (x o' Yo), qo = u y (x o' Yo)· Nous admettons que la fonction F (x, y, u, P, q) est continue et possède des dérivées premières et secondes continues dans un voisinage de (x o, Yo, u o, Po, qo). Sous ces cOJlditions le système (68) possède une solution Xo (s), Yo (s), U o (s), Po (s), qo (s) vérifiant les conditions initiales (xo' Yo, u o, Po, qo) pour s = O~ Des raisonnements précédents, il s'ensuit que la surface intégrale U = u (x, y) contient la solution du système (68) pour tous les s assez proches de 0, autrement dit U o (s) = U [x o (s), Yo (s)]; Po (s) = U x [xo (s), Yo (s)] ; qo (s) = u y [x o (s), Yo (s)J~ Comme déjà indiqué plus haut, le système (68) peut être considéré en soi, indépendamment de l'équation (59), comme un système du premier ordre pour des fonctions de (x, y, u, p, q). Il est immédiat de vérifier qu'il admet pour solution F (x, y, Ut Pt q) = C. (69) En eff et, en dérivant le premier membre de (69) par rapport à s et de par les équations (68), on obtient dF ~==XP+ YQ+U
(pP+qQ)-P (X +Up)-Q (Y +Uq) ==0.
~2
CH. 1. THEORIE DES EQUATIONS AUX DERIVEES PARTIELLES
1-1-7. Variétés caractéristiques. Toute solution du système (68) est constituée de cinq fonctions du paramètre auxiliaire s: x (S), y (S), U (S), P (S), q (s). (70) •
Nous allons distinguer uniquement les solutions du système qui, portées dans l'intégrale (69), annulent la constante C. Appelons ces solutions bandes caractéristiques de l'équation (59), autrement dit, on appelle bande caractéristique de l'équation (59) un système de fonctions (70) vérifiant le système (68) et la relation F (x, y, u, p, q) = O. (71) Les trois premières fonctions (70) définissent une courbe gauche, Jes deux dernières, un plan tangent à cette courbe. Toute courbe gauche appartenant à une bande caractéristique s'appelle courbe .caractéristique de l'équation (59). Dans le paragraphe précédent, on a montré que toute surface intégrale peut être recouverte par des handes caractéristiques, donc par des courbes caractéristiques. Si l'on prend un point (x o' Yo, ua) sur une surface intégrale, alors en vertu du théorème d'existence et d' unicité, le système (68) définit une seule bande caractéristique vérifiant la condition initiale. x = = x o, y = Yo, u = ua' P = Po, q = qo (Po et qo sont les valeurs de p ~t de q au point (x o, Yo, ua»~ et cette bande doit entièrement appartenir à la surface intégrale considérée. En d'autres termes, si une bande caractéristique possède un élément en commun avec une surface intégrale, alors elle est entièrement contenue dans cette surface. De cette assertion il résulte aussitôt que si deux surfaces intégrales sont tangentes en un point, c'est-à-dire ont les éléments p et q en commun en ce point, alors la bande caractéristique correspondant à ces valeurs initiales appartient à ces deux surfaces intégrales. Autrement dit, si deux surfaces intégrales sont tangentes en un point (x o' Yo, uo), alors elles seront tangentes le long de la bande caractéristique qui vérifie les conditions initiales x = xo, y = Yo, u = ua' P = Po, q = qo. On admet bien sûr que les surfaces intégrales et la fonction F satisfont les conditions mentionnées dans le paragraphe précédent et que tous ces raisonnements sont valables au voisinage d'un point (xo' Yo). Signalons encore que pour qu'une solution du système (68) vérifie la relation (71), c'est-à-dire soit bande caractéristique, il suffit, en vertu de (69), de s'assurer que cette relation est vérifiée par les valeurs initiales de cette solution, Le. F (x o, Yo, ua' Po, qo) = O. (72) 1-1-8. Méthode de Cauchy. Nous avons étudié le lien existant entre le système (68) et l'équation (59). Nous avons vu en particulier que toute surface intégrale est une famille de bandes caractéristiques dépendant d'un paramètre. ,Supposons maintenant que nous avons réussi à intégrer le 'système (68),' donc que 'nous connaissons toutes
1-1-8.
M~THODE
DE CAUCHY
33
les bandes caractéristiques. Montrons comment il est possible de construire les surfaces intégrales de l'équation (59) à partir de ces caractéristiques. Nous admettons que la solution du système (68) est exprimée en fonction du paramètre s et des valeurs initial~s des fonctions du système: x=x(s, x o, Yo, u o, Po, qo), y = y (s, x o, Yo, u o, Po, qo),
u = u ( . . . . . . . • • . . .),
(73)
P = P ( . . • • • • • • • • • .),
q=q( • . . • • • • • • • • •).
Pour obtenir la famille des bandes caractéristiques, on admettra que les valeurs initiales (x o' Yo, uo, Po, qo) sont fonctions d'un paramètre t: Xo (t), Yo (t), u o (t), Po (t), qo (t), (74) et vérifient la relation (72). On admet de plus qu'elles possèdent des dérivées continues pour t E ]to, t I [ et que les seconds membres des équations (68) ont des dérivées continues par rapport à (x, y, u, p, q) dans un domaine contenant la variété (74) en son intérieur. On a vu au numéro précédent que la relation (71) sera satisfaite pour toute valeur de s. En portant les fonctions (74) dans les seconds membres des formules (73), on obtient x = x (s, t), y = y (s, t), u = u (s, t) (75) (76) P = P (s, t), q = q (s, t). Les équations (75) sont les équations paramétriques d'une surface. Si le déterminant (77) ~ = XsYt - XtY~ est différent de 0, ce que nous admettrons dans la suite, alors- de même que pour l'équation linéaire on peut déterminer l'équation explicite u = u (x, y) de cette surface. L'équation (71), ainsi qu'on l'a vu plus haut, sera vérifiée mais l'on ne sait pas si les fonctions p et q définies par les formules (75) seront ou non les dérivées partielles de la fonction u (x, y) par rapport à x et à y. Si ceci a lieu, une dérivation de la fonction u (x, y) par rapport à s et t nous donne au
âs -
ôx
ay
au
ax
lJy
Pas - q-as = 0, fit- P fit - q fit=O.
(78)
Comme le déterminant d'ordre deux formé avec les coefficients en p et q est par hypothèse différent de 0, on peut affirmer qu'inversement, si p et q définies par les formules (76) vérifient les relations (78), alors elles sont les dérivées partielles de u (x, y) par rapport à 3-01017
34
CH. 1. THeORIE DES 1:QUATIONS AUX D1:RIV1:ES PARTIELLES
x et à y. La première relation (78) découle immédiatement des trois premières équations du système (68). Il reste seulement à définir sous quelles conditions sera réalisée la deuxième relation (78). On. admet que F (x, y, u, p, q) possède des dérivées premières et secondes au voisinage de (x o' Yo, u o, Po, qo)' Cela étant, les seconds membres. des équations (68) possèdent des dérivées premières continues et ces équations nous disent d'autre part que x s , Ys et Us ont des dérivées. continues par rapport à t, c'est-à-dire que les dérivées Xst, Yst et Ust: existent et sont continues. Il ,eo est de même des dérivées Xts, Y ts et Uts et de plus Xst = Xts, Yst = Yts, Ust = Uts' En effet, ceci résulte' du fait que si une fonction f (x, y) possède dans un domaine une· dérivée f xy continue, alors la dérivée f yx existe aussi et f yx = f xy' Ce théorème peut être prouvé en modifiant légèrement les raisonnements du (tome l, lV-1-5l) (cf. par exemple G. F i k h t e n g olt z~ Cours de calcul différentiel et intégral, t. 1. Naouka, 1970 (en russe)). En désignant par L le premier membre de la deuxième équation. (78) et en dérivant par rapport à s, on obtient aL
a2 u
ôs =
(j'l.y
f)2 x
P ôt as - q ôt ôs
ôt ôs -
(Jx ôq ôy - ôp --ôs ôt - ôs dt •
,
Par ailleurs, en dérivant par rapport à t la première relation. (78), qui, on l'a vu, est réalisée, on obtient
0= ô2 u
_
P â2 x
âs ât
a2 y _ â p âx
âs at -
q as at
at
_.!..!L
as
ây as'
at
En retranchant terme à terme les daux dernières équations,. aL on peut mettre 7ii'" sous la forme aL _
ap
+ aq
ax
a;- - 7 f t 7h
7ft
ay
op
ax
aq
ay
as - as at - as 7ft '
ou, compte tenu du système (68), aL_
--a;-- p
ap Q aq 7 f t - at
ax
ay
+(X +Up) 7ft +(Y +Uq) at .
Une dérivation par rapport à t de la relation (71) qui est vérifiéepar les fonctions (75) et (76) nous donne
0= X ax at
+y
ay at
+U
au at
+p
ap at
+ Q aqat
.
En retranchant les deux dernières égalités, on obtient pour aL as
fJ L U --a;-=
(
ax
p 7ft
+ q 7ft oy au ) -7Ft
ou
aL as
= _ UL '
35
1-1-9. PROBLÈME DE CAUCHY
d'où ~
- S Uds L=Loe
0
où L o est la valeur du premier membre de ]a deuxième relation (78) pour s = 0 :
L
QUo
0=
(j"t"- Po
QXo
QYo
at"- qo fit·
On voit que la relation L = 0 sera réalisée pour tout s si elle l'est pour s = 0, c"est-à-dire qu'une condition nécessaire et suffisante pour que la deuxième relation (78) soit réalisée est que les fonctions (74) vérifient la relation duo
dxo
dt" = Po lIt
+ qo dt· dyo
(79)
On peut donc affirmer que si le déterminant .1 est non nul pour s = 0 et t = t ' (t ' E ]to' tIl), et si les fonctions (74) vérifient les relations F (x , Yo, ua, Po, qo ) = 0 , (duo dx'J dyo (80) [ t = Po Cit qo -;It, o
+
alors les équations (75) définissent pour les s et t proches de s = 0 et de t = t ' une surface intégrale u = u (x, y) de l'équation (59). Les deux premières équations (75) nous donnent des fonctions continûment dérivables s (x, y) et t (x, y). En les portant dans u (s, t), P (s, t). et q (s, t), on obtient des fonctions continûment dérivables de x et y que nous désignerons par u (x, y), p (x, y) et q (x, y) pour ne pas introduire de nouvelles notations. Or, p (x, y) = U x (x, y), q (x, y) = u y (x, y), donc u (x, y) possède des dérivées secondes continues. Pour la solution obtenue u o (t) = u [x o (t), Yo (t)l pour s = 0 et t proche de t ' , c'est-à-dire que la surface u = u (x, y) contient une portion de la ligne x = X o (t), y = Yo (t), u = U o (t). 1-1-9. Problème de Cauchy. Le problème de Cauchy pour l'équation (59) se formule dans les mêmes termes que pour l'équation linéaire: on demande de trouver une surface passant par une courbe donnée l. Traitons d'abord le cas particulier où la courbe donnée est située dans un plan x = X o parallèle au plan (y, u) et est définie dans ce plan par l'équation explicite u = '" (y), autrement dit, on demande de trouver la surface intégrale qui vérifie la condition suivante: (81) u Ix= xo = '" (y). En étudiant le problème de Cauchy on démontrera toujours non seulement l'existence et l'unicité de la solution, mais aussi la drpendance continue de cette solution par rapport aux conditions ini3*
36
CH. I. TH:eORIE DES:eQUATIONS AUX DBRIVBES PARTIELLES
tiales. Soit Ul une solution pour laquelle on remplace 'i' (y) par '\jJ (y) ô (y) dans la condition (Si). La dépendance continue par rapport aux conditions initiales revient ici à rendre dans un domaine fini de variation de (x, y) la quantité 1 U - Ul 1 aussi petite que l'on veut si 1 ô (y) 1 est assez petit. Cette dépendance continue s'appelle généralement validité du problème de Cauchy. On admettra que l'équation (59) est écrite sous la forme résolue par rapport à p : p = f (x, y, u, q). (S2)
+
De la condition de Cauchy (Si), il résulte immédiatement que pour paramètre on peut prendre la variable y. L'équation paramétrique de la courbe l sera alors: x = x o ; y = y; u = 'i' (y). Il nous reste encore à définir sur cette courbe les fonctions p et q comme des fonctions du paramètre y de telle sorte que soient réalisées les deux .conditions (SO). Ces conditions s'écrivent ici (83)
,d 'où l'on voit que Po et qo sont définies de façon unique sur l. On obtient la solution du problème en appliquant la méthode d~velop pée dans)e paragraphe précédent. Pour que les conditions mentionnées dans le numéro précédent soient remplies, il faut que la fonction 'i' (y) possède une dérivée seconde continue. Les conditions imposées à f résultent de celles imposées à F dans [I-1-S}. Considérons maintenant une condition initiale plus générale, plus exactement, exigeons que la surface intégrale passe par la courbe (84) x :...-
+
et exprimons les dérivées par rapport aux nouvelles variables en fonction des dérivées par rapport aux anciennes: ux,
. d , ou"
=
p;
u y'
=
p
+ q,
p = U x ' ; q = u y ' - ux,
F [x'
+
y', u,
U x',
u y' -
ux'
La ligne (S4) s'écrit dans les nouvelles variables: x' = 0; u = 'i' (y'),
(S5)
31
1-1-10. UNICITg DE LA SOLUTION
c'est-à-dire qu'on est conduit à un problème de Cauchy du type précédent. Sa résolubilité se ramène à celle de l'équation (85) par rapport à U x '. Si la courbe l est définie paramétriquement par x =
X o (t)
;
Y = Yo (t) ;
u =
Uo
(t),
on doit déterminer les fonctions Po (t) et qo (t) à partir des équations:
F [x o (tl' Yo (t), Uo (~), Po (t), qo ,(t)] = 0, { U o (t) - Po (t) X o (t) - qo (t) Yo (t) = O.
(86)
Le jacobien des premiers membres de' ces équations par rapport à Po et qo, soit ~o = Y~ (t) F po - x~ (t) F qo' (87) est confondu précisément avec le déterminant (77) pour s = 0, ce qui résulte immédiatement des deux premières équations du système (68). On admet que le déterminant (77) est non nul sur l et que le système (86) nous donne sur l des valeurs bien définies pour Po et qo. Sous ces conditions, on peut se servir de la méthode développée dans le numéro précédent pour construire la solution en se souvenant que le jacobien (87) est différent de zéro non seulement pour s = mais aussi pour les s proches de O. Pour que les fonctions Po (t), qo (t) possèdent des dérivées premières continues, il faut exiger que les fonctions X o (t), Yo (t) et U o (t) en possèdent des secondes continues. Ceci ressort de la deuxième équation (86).
°
1-1-10. Unicité de la solution. En résolvant le problème de Cauchy on a construit une surface intégrale à l'aide des bandes caractéristiques. L'unicité de la solution découle, de prime abord, directement du fait que toute surface intégrale peut être recouverte par des bandes caractéristiques. Mais pour le prouver on a dû admettre que la fonction u (x, y) possédait des dérivées secondes continues. Sous les hypothèses faites plus, haut, on a obtenu dans (1-1-9] une solution dont u (x, y) possédait des dérivées secondes continues. Cependant, cette démonstration simple de l'unicité ne passe pas si l'on suppose que u (x, y) admet seulement des dérivées premières continues. On démontre toutefois sans peine le théorème d'unicité en admettant seulement l'existence de dérivées premières continues. Nous le ferons pour l'équation (82) avec la condition de Cauchy (81). La démonstration repose sur le lemme suivant. Lem m e. Supposons qu'une fonction u (x, y) continue dans un triangle ~ fermé limité par les droites x=x o ; x -
X o=
1
A (y - YI); (YI
<
x-
Y2)'
X o=
-
1
A (y - Y2)
(88)
38
CH. 1. TH~ORIE DES ~QUATIONS AUX D~RIV:eES PARTIELLES
est définie et possède des dérivées premières continues pour x un triangle plus grand limité par les droites 1
>
1
x=x o ; x-x o=T(Y-Y3); x-xo=-T(Y-Y')
Xo
dans
(89)
(Y3 < YI < Y2 < y,,). Supposons d'autre part que 1 U x 1~ A 1 u y 1
+B
sur le triangle D. tout entier privé de la base x
1u (x o, sur la base x
(90)
1 u l,
=
xo, et que
y) I~ M
(91)
= X o' Sous ces conditions 1u
sur le triangle
~
(x, y)
1 ~ MeB(x-xo) ,
(92)
tout entier.
Commençons par prouver ce lemme pour A = B = 1. Supposons par absurde qu'il existe dans ~ des points en lesquels 1 u (x, y) 1 > > Me x - xo • La fonction u (x, y) e Xo - X n'atteint pas alors son maximum sur la base. Comme la fonction u (x, y) et ses dérivées ne figurent dans toutes ces conditions que par leurs valeurs absolues, on peut, quitte à changer le signe de u (x, y), admettre que le produit u (x, y) eXo - X atteint son maximum en dehors de la base de Do. De plus, on peut fixer un nombre  > aussi petit que l'on veut tel que la fonction
°
v (x, y)
= u (x, y)
(93)
e-(1+)..)(x- x o>
atteigne son maximum en dehors de la base de ~. Montrons que cela est impossible. Si ceci a lieu en un point intérieur de Do, alors V x = Vu = Oencepoint, d'oùu x (1 + Â) u = 0, u y = O(u>O), ce qui contredit (90) pour A = B = 1. Si ceci a lieu sur le côté x - X o = y - YI (mais pas en un sommet de ~), alors Vu ~ Oet en dérivant le long de ce côté on obtient V x + v y = O. D'où Uu ~ 0; U x = -ur (1 Â) U (u > 0), (94)
+ +
ce qui contredit encore (90) pour A = B = 1. Si ceci a lieu sur le côté x - Xo = -(y - Y2)' on trouve par analogie Vu ~ 0, V x - v y = = 0, d'où u ll ~ 0; U x = u y + (1 + Â) u (u > 0), (95) ce qui contredit encore (90) pour A = B = 1. Supposons enfin que la fonction (93) atteint son maximum en un sommet du triangle D. On a en ce sommet vx~ 0, Le. ux~ (1 + Â) u. Si de plus u y = 0, on obtient de nouveau une contradiction avec (90). Si u y < 0, en dérivant le long du côté x - X o = Y - YI' on trouve V x vy ~ 0, d'où U y < 0, ux~ -uu + (1 + Â) u, ce qui contredit (90) pour
+
39
1-{-1O. UNICIT:€ DE LA SOLUTION
A = B = 1. Si enfin u y > 0 au sommet considéré, en dérivant le long de x - X o = -(y - Y2)' on obtient comme plus haut une
x' - Bxo= - (y' - y~)
(Yh= ~ Yk) , la condition (90), en la condition 1 U x' 1~ 1 u y' 1
+1
U
l,
.et la condition (91), en la condition similaire 1 U (Bx o, y') 1~ M. D'après ce qui a été prouvé plus haut, on obtient 1 U (x', y') 1~ ~ Me(x' -Bxo) dans 6. ' et en revenant aux anciennes variables, l'inégalité (92) dans 6>. Prouvons maintenant l' unicité de la solution de l' équation (82) vérifiant la condition (81) et les conditions du lemme. Supposons -qu'il existe deux solutions UI (x, y) et U 2 (x, y) daus la bande xo~ ~ x~ Xl telles que 1 Uk (x, y) 1 et 1 Uky (x, y) l, k = 1, 2, soient inférieures à un nombre Ml' S'agissant de f (x, y, U, q), on admettra ~eulement que quels que soient (x, y) de cette bande et Uk, qk, k = = 1, 2, inférieures en module à Ml' on a J f (x, y, U2' q2) - f (x, y, U I , ql) I~ ~ B 1 U 2 - UI 1 A 1 q2 - . ql l,
+
tOù A et B sont des constantes. En retranchant l' équ~tion (82) pour .u1 (x, y) de l'équation (82) pour U 2 (x, y) et en utilisant l'inégalité précédente, on obtient A 1 (u 2 - UI}Y 1 + B 1 U2 - . UI 1· En appliquant le lemme à la différence U 2 - u l et en tenant compte du fait que cette différence s'annule pour x = X o (Le. M = 0), on voit sur (92) que U 2 (x, y) - u i (x, y) = 0 dans tout triangle 6, ~e qui prouve l'unicité de la solution. Le cas général de l'équation (59) avec des conditions initiales supportées par une courbe quel-conque se ramène au cas étudié plus haut par un changement de variables et par la résolution de l'équation différentielle par rapport -il l'une des dérivées (cf. [1-1-9]). Considérons maintenant dans le triangle b. deux solutions .ul (x, y) et U 2 (x, y) de l'équation (82) vérifiant des conditions initiales distinctes: 1 (u 2
-
UI)X
1~
ull X=2:o
= "i'1 (y);
u 2 1:x.=2:o
= "i'2 (y).
40
CH. I. TlmORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
En appliquant le lemme à la différence lité suivante dans le triangle t::.. : lu 2 (x, y)-u1(x, y)l~ max
U2 -
u 1 , on obtient l'inéga-
1'I'2(Y)-'I'1(Y)le B(X-xo).
Yl~Y~YJ
Cette inégalité prouve la dépendance continue de la solution par rapport aux conditions initiales '1' (y) figurant dans la formule (81). Le problème de Cauchy appelle encore une remarque. Si la fonction'l' (y) ne possède pas de dérivée seconde continue, l'application de la méthode de Cauchy peut conduire à une surface u = u (x, y) telle que u (x, y) n'ait pas de dérivée. On démontre que dans ce cas le problème ne possède pas de solution dont la dérivée soit continue (A. H a a r, Acta Szeged, 1928, 4, nO 2). Une démonstration du lemme dans un cas plus gén~ral et ses applications à la démonstration des théorèmes d'unicité pour les équations aux dérivées partielles sont acc~ssibles dans l'article: A. M y c h k i s, Unicité de la solution du problème de Cauchy. UMN, 1948, 3, nO 2. 1-1-11. Cas singulier. Soit donnée une bande vérifiant les deux relations (80) et telle que le jacobien (87) y soit nul: .
â o =xsYt -XtYsls=o = y~ (t) Fpo-x~ (t) Fqo =0.
(96)
Supposons qu'il existe une surface intégrale u = u (x, y) passant. par cette bande et telle que u (x, y) possède des dérivées premières et secondes continues. Si F Po et F q,) ne sont pas simultanément nulles, alors de (96) et de la deuxième relation (80), on déduit que la bande vérifie les équations (66) dans lesquelles il faut remplacer s par t. Les calculs effectués dans (1-1-6] montrent alors que la bande vérifie toutes les équations (68), c'est-à-dire est une bande caractéristique. Donc, si sous les conditions (96) il existe une surface intégrale contenant la bande donnée, alors celle-ci est une bande caractéristique (on admet que F Po et F qo ne sont pas simultanément nulles). En outre,. comme dans le cas d'une équation linéaire, par cette bande il peut passer une infinité de surfaces intégrales. Il faut mener une bande fi} qui possède en commun avec la bande (74) un point (x o' Yo, u o) et les valeurs de Po et qo en (x o' Yo, uo) et de plus qui soit telle que le déterminant (87) ne s'y annule pas. Sous certaines conditions il passe par cette bande une surface intégrale qui contiendra la bande (74), car elle contient son élément initial. La bande fi} étant arbitraire, le problème admet une infinité de solutions. Si .1 0 = 0 sur la bande donnée, mais que cette bande ne soit pas caractéristique, alors le problème n'admet pas de solution dans la classe des fonctions u (x, y) dont les dérivées premières et secondes sont continues. Il est possible que la courbe l soit singulière pour la surface intégrale. A noter que lorsqu'on a appliqué la méthode de Cauchy, on s'est servi des dérivées secondes de la fonction u (x, y).
1-1-11. CAS SINGULIER
Si l'égalité (96) est réalisée et si la bande n'est pas caractéristique,._ alors seules les trois premières équations du système (68) sont satisfaites sur cette bande. Nous glisserons sur la démonstration des; propositions formulées ci-dessus. Les raisonnements précédents admettent une signification géométrique simple. Si une courbe l nous est donnée, alors la première, des conditions (80) nous dit que le plan défini par Po (t) et qo (t) doit être tangent au cône T le long de l et la deuxième condition, que le vecteur tangent à l doit être situé dans ce plan. Si l'on considère l'équation (64) des génératrices du cône, on constate que la condition .1 0 =F 0 traduit le fait que les tangentes à r ne sont pas confondues avec les génératrices du cône T. Résoudre' le système d'équations (86) par rapport à Po (t) et qo (t) revient à. mener un plan tangent au cône et contenant une tangente à l. Supposons que l'on peut mener par les tangentes à l des plans qui sonttangents à T et qui varient continûment le long de l (Po (t) et qo (t) doivent posséder des dérivées continues). On prolonge ainsi la courbe l à une bande. En prenant cette·· bande pour conditions initiales dans (73), on obtient une surfaceintégrale. Si les tangentes à l sont des génératrices des cônes T,.alors en menant un plan tangent au cône le long de la génératricecorrespondante, on obtiendra les valeurs de Po et qo le long de T. La bande ainsi obtenue peut être une bande caractéristique. Dansce cas le problème possède une infinité de solutions. Il suffit de couper la courbe l par une autre courbe II telle que la tangente à II au point d'intersection M de l et de II soit coplanaire mais non confondue avec la tangente à l en M et telle qu'aucune tangente à II ne soit confondue avec une génératrice de T. La surface intégrale· passant par II contiendra aussi l. Il est possible enfin que les tan-gentes à la courbe l soient des génératrices des cônes T sans quecette courbe soit une caractéristique, autrement dit, le prolongement de cette courbe à une bande par la méthode indiquée n'est pasune bande caractéristique. Dans ce cas on peut à partir de chaquepoint de l mener une bande caractéristique si l'on connaît les valeursinitiales (x o' Yo, uo, Po, qo)' Si ces bandes caractéristiques forment une surface intégrale d'équation u = u (x, y), alors la courbe' l est une courbe singulière de cette surface. Ces raisonnements n'ont qu'une valeur illustrative. Signalons un type important de surfaces intégrales de l'équa-tion (59). Fixons un point (x o' Yo, uo). La deuxième relation (SO} sera alors vérifiée pour toutes valeurs de Po et qo, puisque toutes. les dérivées figurant dans cette relation sont identiquement nulles. On obtient une première relation (80) qui nous donnera en général une infinité de valeurs pour Po et qo' Ce seront justement les valeurs de Po et qo qui définissent toutes les positions possibles du plan. tangent au point fixe (x o' Yo, u o). On peut comme plus haut admet~-
·42
CH. I.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX Dl!':RIVl!':ES PARTIELLES
tre que Po (t) et qo (t) sont fonctions d'un paramètre t. En portant les valeurs fixes (x o' Yo, u o) et les expressions de Po (t) et qo (t) dans la formule (73), on obtient une surface intégrale de l'équation (59) ·qui a la forme d'une surface conique de sommet (x o, Yo, u o). Cette .surface sera engendrée par des génératrices curvilignes qui seront tangentes en (x o' Yo, u o) aux génératrices du cône T. Cette surface .s'appelle conoïde intégral de l'équation (59) de sommet (x o, Yo, u o). On démontre que le problème de Cauchy se ramène à la construction .suivante. On trace les conoïdes intégraux dont les sommets sont les points de la courbe l et on prend leur enveloppe. Tout ce qui vient d'être dit doit bien sûr être rigoureusement prouvé, mais nous ne nous attarderons pas sur ces démonstrations. 1-1-12. Cas d'un nombre quelconque de variables indépendantes. Etudions l'équation du premier ordre (97)
pour un nombre quelconque n de variables indépendantes. La méthode de Cauchy d'intégration d'une telle équation est .-calquée sur le cas de deux variables indépendantes. On se limitera -donc à l'indication des résultats. Le système caractéristique correspondant à l'équation (97) est de la forme dXl
dXn
-p;- = ... - -p;;- ••• -
du
PIPI
-(X~~Upn)
+ ... + PnPn
=ds
dPI -- -('\1 UPI) -
+
(Xk=F xk ; Pk=F pk ;
•••
U=F u ).
(98)
Indiquons comment on obtient formellement le système (98). Soit .lJ, = u (Xl' ••• , Xn ) une solution de l'équation (97) possédant des ..dérivées premières et secondes continues. Il est évident que X'u Pk et U sont des fonctions de (Xl' •.. , x n ). Ecrivons le système d'équations du premier ordre (k =, 1
dXk - P k dS-
... , n ) ,
-.où s est une variable auxiliaire. En portant les solutions de ce système dans l'équation u = u (Xl' ••. , x n ) et en dérivant par rapport à s, .-.on trouve
.De façon analogue n
d%sk
=
~ i=1
UXkXiPi'
1-1-12. CAS D'UN NOMBRE QUELCONQUE DE VARIABLES
Une dérivation de (97) par rapport à
Xk
nous donne
n
Xk+UPk+
~
43
n Pi
::~
=Xk+UPk+
i=l
~
UXkXiPi=O• .
i=l
Ces égalités en traînent
On a donc obtenu toutes les équations du système (98). Etudions ce système plus en détail par rapport aux fonctions Xk, U et Pik de la variable auxiliaire s. Il admet l'intégrale évidente F (Xl' .•. , Xn , U, Pl' ... , Pn) = C. Supposons qu'on a réussi à intégrer le système indiqué:
{
= X k(s,
plO») U - U (s , k x IO , ) u(O) , plO») k, k , u(O) , plO») k, Pk-- P k (s , XIO) Xk
lO ) xk ,
u(O) , k ,
(99)
XkO l , u(O), PkO l sont les valeurs des fonctions pour s = O. On admettra que ces valeurs initiales dépendent de (n - 1) paramètres:
OÙ
En portant (100) dans (99), on obtiendra pour Xk et u des expressions qui dépendront de n paramètres. Le déterminant fonctionnel t1= D(Xl' xn) "'1
D (s, tl' ... , t n - l )
peut, en vertu des premières équations du système, être mis sous la forme .. " P n 8xn
.. " at;"
,
(101)
... ,
Si ce déterminant est différent de zéro au voisinage de s = 0, alors les équations (100) définissent une surface U = U (Xl' ... , x n ). Pour que cette surface soit une surface intégrale de l'équation (97), il est nécessaire et suffisant que les fonctions (100) vérifient les n
44
CH. I. THÉORIE DES ÉQUATIONS AUX DÉRIVÉES PARTIELLES
relations suivantes: (0) (0)) 0 u
{) U (0)
{)t.
}
n
=
~
(102)
{)x IO )
s
(0)
LJ Ps
{)t·
s=1
(j=1, 2, ... , n-1).
(103)
}
Le problème de Cauchy consiste à chercher une surface intégrale de l'équation (97) contenant une variété à (n - 1) dimensions donnée: On admet que cette variété est prolongée en une variété (100) de tellesorte que soient vérifiées les relations (102) et (103). Si dans ces~ conditions le déterminant (101) est différent de zéro sur une tellevariété, alors la méthode exposée précédemment nous donne la solution du problème de Cauchy et cette solution est unique. Comme dans le cas de deux variables indépendantes, on peut construire un conoïde intégral de l' équation (97) en fixant un point (x~O), x~O), u(O») et en choisissant p~O), ... , p~) comme des fonctions de (n - 1) paramètres de telle sorte que la relation (102) soit satisfaite. Si l' équation est résolue en Pl: (104)
et si la condition initiale est de la forme : uIXI=x(0) l
=
1J' (x 2 ,
••• ,
Xn)
(105)
alors le problème de Cauchy possède une solution unique. Nous n'exhibons pas ici toutes les conditions de continuité et d'existence des dérivées de 1 et de 'P. Il faut procéder comme pour n = 2. Pour l'équation (104) avec la condition initiale (105), on peut, en assujettissant 1 et '\jJ à des conditions bien définies, déterminer le domaine dans lequel existe la surface intégrale. Supposons que la fonction 1 est continue avec ses dérivées I Xk ' f pk et. lu (k = 2, .. " n) pour 1 Xl - x(~) 1 ~ a et xk' Pk et u arbitraires. Supposons par ailleurs que ces dérivées possèdent à leur tour des dérivées par rapport à X1l" Xk' u et Pk continues et que les dérivées lx!, IXk,lu,lpk' I xkXI ' f XkU ' f XkPI ' f uu ,. luP ' f pkPI sont bornées en valeur absolue par un nombre A pour les valeurs k indiquées des arguments. Supposons enfin que 'P (X2' ••• , x n ) admet des dérivées premières et secondes continues et que n
11Pxkl+LJ l'i'xkxil~B
(k=2, ... , n).
i=2
Sous ces conditions l'équation (104) possède une solution bicontinûment dérivable vérifiant la condition (105) dans le domaine 1 Xl - xCî) 1 ~ a. quels que soient
1-1-13. INTEGRALES COMPLÈTE, GENERALE ET SINGULIÈRE :Eh
(k -
2, ... ; n), où ex.
ex. <
tcf. E. K a
ID
~
45
a et
1
[
ln 3
A ln 1 + 2 (n-1) (B+1)
k e. Math. Z., 1943, 49,
nO
]
3].
1-1-13. Intégrales complète, générale et singulière. Dans ce paragraphe et dans les suivants on indique une autre méthode d'intégration de l'équation F (x, y, u, p, q) = 0 (106) et notamment de résolution du problème de Cauchy. Cette méthode -donne plus facilement la solution dans certains exemples. En expo.sant la méthode de Cauchy nous avons établi ses conditions d'appli~abilité ainsi que les conditions d'existence et d' unicité de la solution du problème de Cauchy. Nous allons nous attacher maintenant .essentiellement à l'aspect formel du problème en utilisant largement la théorie des enveloppes d'une famille de surfaces dépendant d'un {lU de deux paramètres. La méthode de Cauchy d'intégration de l'équation (106) implique l'intégration complète du système d'équations ordinaires correspondant: dx
dy
du
P - Q - pP+qQ
dp
dq
-(X+Up)
-(Y+Uq)'
(107)
Nous allons montrer que l'intégration de l'équation (106) n'exige que la connaissance d'une solution de cette équation dépendant de deux constantes arbitraires. Supposons que cette solution est: u = cp (x, y, a, b), (108) où a et b sont des constantes arbitraires. Les dérivées partielles p et q sont données par les formules: p
=
CPx (x, y, a, b);
q
=
CPll (x, y, a, b)
(109)
.et l'on obtient ainsi la relation F lx, y, cp (x, y, a, b), CPx (x, y, a, b),
= 0 (110)
qui doit être réalisée par rapport à (x, y) et par rapport à (a, b). Admettons que les constantes a et b peuvent être éliminées entre les relations (108) et (109) et que cette élimination nous conduit à l'équation (106). Dans ce cas, la solution (108) de l'équation (106) s'appellera intégrale complète de cette équation. Il est immédiat d'obtenir les autres solutions de cette équation à partir de l'intégrale complète. Supposons que dans la formule (108) la constante b est fonction de a, Le. b = w (a). On obtient ainsi une famille de surfaces intégrales dépendant d'un seul paramètre: u =
(111)
46
CH. 1. THnORIE DES nQUATIONS AUX DnRIVnES PARTIELLES
L'enveloppe de cette famille qui s'obtient par élimination de a entre l'équation (111) et l'équation cra lx, y, a, w (a)l CPb lx, y, a, w (a)l w' (a) = 0, (112}
+
aura le long de la ligne de tangence à la surface enveloppée les mêmes: p et q que cette surface, donc cette enveloppe sera aussi surface· intégrale de l'équation (106). L'ensemble de ces surfaces intégrales forme l'intégrale générale de l'équation (106) quelle que soit la fonction arbitraire w (a). Cette intégrale, on le voit, contient la fonction arbitraire w (a). On peut ensuite construire l'enveloppe de la famille de surfaces intégrales (108), dépendant des deux paramètres a et b. Ceci nous amène à éliminer a et b entre l'équation (108) et les équations CPa (x, y, a, b) = 0; CPb (x, y, a, b) = O. (113) La surface intégrale obtenue ne contient aucun élément arbitraire et s'appelle généralement intégrale singulière de l'équation (106). On admet bien sûr que toutes les éliminations mentionnées sont possibles et nous conduisent à des fonctions possédant des dérivées continues. On peut obtenir aussi les intégrales générale et singulière par la méthode de variation des constantes arbitraires. On cherchera la solution de l'équation (106) sous la forme (108), en admettant que a et b sont des fonctions inconnues de (x, y). Au lieu des formules (109) on se servira des formules suivantes pour calculer les dérivét's partielles de la fonction u: p = CPx + cpaa x + cp bb x ; q = CPy + cpaa u + cp bby. Si nous imposons aux fonctions a et b de vérifier les relations: cpaa x cp bb x = 0; cpaa u cp bb y = 0, (114) alors les expressions des dérivées partielles ne changeront pas et la fonction (108) définira comme précédemment une surface intégrale. Tout se ramène à l'étude des équations (114). Ces équations possèdent les solutions évidentes: a = const et b = const. On obtient ainsi une intégrale complète. Si a et b satisfont les relations
+
+
CPa = 0; cp b = 0, on obtient une autre solution évidente qui est une intégrale singulière. Si l'une au moins de ces égalités n'est pas vérifiée, le déterminant du système (114) qui est homogène par rapport à CPa et CPb doit s'annuler: a x , bx b :=0. ay,
y
On admet que a et b ne sont pas simultanément constantes. Lefait que ce déterminant soit nul nous donne une relation entre a et b
1-1-14.
INT~GRALE COMPL~TE
ET
PROBL~ME
DE CAUCHY
47
(tome III l , (I-2-11 J). On suppose que cette relation est de la formeb = û) (a). Les équations (114) se ramènent à une seule équation de la forme (fla + (flbÛ)' (a) = 0, et l'on obtient l'intégrale générale. On démontre que moyennant certaines conditions, l'équation (106) n'admet pas de solutions autres, que celles indiquées plus haut. En fait, cela revient à dire que la connaissance d'une intégrale complète nous permet de résoudre· le problème de Cauchy.
1-1-14. Intégrale complète et problème de Cauchy. Montrons maintenant comment le problème de Cauchy se résout à l'aide d'une intégrale complète. Soit à trouver la surface intégrale qui passe par la courbe x = x (t); Y = Y (t); U = u (t). (115)Le problème consiste à trouver dans l'intégrale générale défini&· par (111) et (112) une fonction b = û) (a) telle que la surface intégrale obtenue passe par la courbe (115). Voyons préalablement unepropriété de l'enveloppe. Soit donnée une famille de surfaces à un, paramètre: 'P (x, y, u, a) = O. (116)· Supposons que par tout point M de la courbe (115) il passe une surface de la famille (116) et que le plan tangent à cette surface en M contient la tangente à la courbe (115) en M. Montrons que dans cecas l'enveloppe de la famille (116) contient la courbe (115). En effet, par hypothèse
1f' [x (t), y (t), u (t), al =
o.
(117)·
A noter qu'à des points distincts de la courbe (115) correspondent. des valeurs distinctes de a, donc des surfaces distinctes de la famille (116). Une dérivation de la dernière relation par rapport à t nous donne , 'PxXt 'Pl/Yt 'PuUt 'Paat = O. Par ailleurs, le fait que le plan tangent à une surface (116) contient. la tangente à la courbe (115) s'exprime par la relation
+
+
+
+ 'PyYt + 'PuUt =
O. (118) Des deux dernières relations on déduit que 'Paat = 0, d'où'Pa = 0,. puisque at =1= O. Ainsi les fonctions (115) vérifient identiquement. en t les équations 'P = et 'Pa = 0, autrement dit, l'enveloppe de la famille (116) contient bien la courbe (115). Supposons maintenant que nous connaissons une intégrale complète de l'équation (106) et mettons cette intégrale sous la forme'PxXt
°
tîi8
CH. I. THÉORIE DES ÉQUATIONS AUX
D~RIV:E:ES
PARTIELLES
:implicite:
'P (x, y, u, a, b) = O. (119) Il nous faut définir la fonction b = w (a) de telle sorte que soient :réalisées les relations (117) et (118). Le premier membre de (118) -est la dérivée par rapport à t de celui de (117). Désignons par ''Y (t, a, b) la fonction obtenue en portant les fonctions (115) dans ,,(119). On a (120) 'Y (t, a, b) = 0; li' t (t, a, b) = O. L'élimination de t entre ces égalités nous donnera une relation entre .a et b, c'est-à-dire la fonction cherchée b = w (a). Ainsi, pour résou.dre le problème de Cauchy à l'aide d'une intégrale complète il faut y porter les fonctions (115), dériver l'équation obtenue par rapport à t .et éliminer t entre les deux équations obtenues. La relation établie <entre a et b définit la surface intégrale qui contient la courbe (115). On peut procéder autrement. Exprimons a et b en fonction de t à partir (120) et portons-les dans (119). Nous obtenons une famille de ~.surfaces à un paramètre t. L'enveloppe de cette surface nous donnera la surface intégrale qui passe par la courbe (115). Signalons encore un lien entre l'intégrale générale et les bandes .,caractéristiques qui s'obtiennent par intégration du système (107). L'enveloppe de la famille (111) est tangente à une surface enveloppée le long d'une courbe la. En menant le long de la le plan tangent .-commun à l'enveloppe et à l'enveloppée, on obtient une bande. Cette bande appartient à deux surfaces intégrales: à l'enveloppe et à l'enveloppée, donc c'est une bande caractéristique. On peut par conséquent affirmer que les formules u=cp(x, y, a, b); CPa(x, y, a, b)+CVb(X, y, a, b)w'(a)=O, . (121) { P=CPx(x, y, a, b); q=cpy(x, y, a, b) >-définissent, quelles que soient a fixe et b = w (a), la solution du .système (107) qui vérifie la condition (106). On peut admettre que les formules (121) définissent quatre des variables x, y, U, p, q en fonction de la cinquième et des trois constantes arbitraires a, b et c = w' (a). L'intégrale générale du système >(107) contient quatre constantes arbitraires. Mais la relation (106) nous dit que la famille .des bandes caractéristiques ne doit dépendre que de trois constantes arbitraires. C'est ce qu'expriment les formules (121). Dans un prochain paragraphe consacré au cas d'un nombre quelconque de variables indépendantes, on s'assurera par des calculs ,directs que les équations (121) donnent bien la solution du système {107). Voyons maintenant s'il est possible de définir une intégrale singulière directement à partir de l'équation différentielle sans le se.cours d'une intégrale complète. Une dérivation de (110) par rap-
l-l-t5. EXEMPLES .
49
port à a et à b nous donne
0; F uCPb + FpCPXb + F qCPub = O. La définition de l'intégrale singulière (113) nous permet d'affirmer que sur la surface intégrale singulière on a : FuCPa
+ Fp<J>xa + F qCPu a = FpCPxa
+ F qCPu a = 0;
FpfPxb
+ F q<J>ub = O.
On admettra que le déterminant de ce système homogène par rapport à F p et F q ne s'annule pas sur la surface intégrale singulière, ce qui revient en fait à admettre que les équations (109) sont solubles par rapport à a et b. Ce système nous donne F p = F q = O.
(122)
Donc, l'intégrale singulière peut être obtenue par élimination de p et q entre les trois équations suivantes:
P, q) = 0; F q (x, y. u. Pt q) = O. (123) Les équations (122) indiquent qu'lI est impossible d'appliquer le théorème des fonctions implicites à l'équation (106) relativement à la variable P ou q. Ceci exprime qu'il est impossible d'obtenir l'intégrale singulière en résolvant le problème de Cauchy ainsi que nous l'avons fait dans [1-1-9], en admettant que l'équation était résolue en p (ou q). On aurait pu arriver à ce résultat par une autre voie. Quelle que soit la courbe considérée sur la surface intégrale singulière, le déterminant (96) sera nul le long de cette courbe en vertu des conditions (122). Ceci montre que le problème de Cauchy n'admet pas de solution pour toute courbe de la surface intégrale singulière. F (x, y,
U,
P, q)
=
0; F p (x, Y.
Ut
1·1·15. Exemples. 1. L'équation U
+
= xp
yq
+ f (P,
q)
(124)
est analogue à l'équation de Clairault étudiée au (tome II, [l-t-tin. En remplaçant p et q par a et b on obtient immédiatement l'intégrale complète: u = ax
+ by + f (a,
L'équation u = xp
b).
+ yq+ pq
admet pour intégrale complète:
u=
ax
+ by + ab
En appliquant la méthode indiquée ci-dessus, on obtient l'intégrale singulière: 'U
== -xY.
Si l'on considère une courbe quelconque XD
'-01017
=
cp (t) ; Ye
= 1{> (t) ;
Uo
=
-cp (t) 1{> (t)
(125)
50
CH. 1. TH1!:ORIE DES 1!:QUATIONS AUX D1!:RIV1!:ES PARTIELLES
de cette surface, alors les équations (86)
'l' (t) qo + Poqo + cp (t).'1' (t) = 0, cp' (t) '1' (t) + 'l" (t) cp (t) + cp' (t) Po + '1" (t) qo = admettent les solutions Po = -'l' (t), qo = -cp (t) et -le long de la courbe (125) cp (t) Po +
°
on aura
Fpo=q+cp(t) =:0;
Fq.=p+'P(t)=:O.
L'équation
1
u=xp+yq-T (p2+ q2)
admet pour intégrale singulière 1 u= <) (x 2 ~
+ y2).
(126)
Si l'on résout l'équation (1241) par rapport à p, on obtient F=p-x+ V x 2+2qy-2u- q2=O,
et la dérivée partielle du premier membre de l'équation par rapport à u est infi· nie sur la surface (126). 2. Soit donnée une équation en p et q seulement: f (p, q) = O. Cette équation admet la solution évidente:
u = ax
+ cy + b,
les constantes a et c vérifiant la relation f (a, c) = o. En résolvant cette dernière par rapport à c, soit c = ft (a), on obtient l'intégrale complète: u = ax
+ ft (a) y + b.
Cette équation définit une famille de plans. L'intégrale générale sera l'enveloppe de cette famille de plans à un paramètre, c'est-à-dire une surface développable (tome II, (V-2-13]). Etudions à titre d'exemple l'équation p! p2 q2 = k 2• (127)
+
Le cosinus directeur de l'angle de la normale n à la surface cherchée et de l'axe des u s'exprimant par la formule cos(n u)=+
,
1
- li 1 + p2 + q2
+ -
1
Vi + k 2
'
l'équation (127) dit que les normales n font un angle constant avec l'axe des u. Une intégrale complète est u=ax+
Vk 2-a2y+b;
on reconnaît une famille de plans. Le système (68) s'écrit dx 2 da = p;
dy 2 da = q;
du 2(2+2) ds P q;
°
dp da = ;
dq=O, da
et sa solution exprimée en fonction des conditions initiales est ~
=
2p(;s
+ xo;
y
=
2qos
+ Yo;
u
=
2 (pl
+ q:) s + uo; p = Po; q =
qo. (128)
l-f-15. EXEMPLES
On obtient les bandes caractéristiques en imposant à Po et qo de vérifier la relation pX + qX = kt. Ce sont des droites le long desquelles p et q gardent des valeurs constantes. . Supposons qu'on demande la surface intégrale qui passe par le cercle Xo = cos t; Yo = 0; Uo = sin t. Les équationa(86) s'éerivent ici p~ + q3 = k 2 ; cos t = -Po sin t, d'où Po= -cotg t; qo=Vk2-cotg2 t. En portant ces valeurs dans les trois premières équations (128), on obtient l'équation paramétrique de la surface intégrale cherchée en fonction des paramètres , et t: x= -2, cotg t+cos t; y=2s.yk2 -cotg2 t; u=2k 2,+sin t. 3. Considérons maintenant un type plus général d'équations du premier ordre: . li (x, p) = f 2 (y, q). Pour déterminer une intégrale complète on admettra que les deux membres de l'équation sont égaux à une même constante a: ft (x, p) = a et f2 Cy, q) = a. La résolution de ces équations par rapport à p et q nous donne p = q>l (x, a) et q = q>2 (y, a) et l'on obtient l'intégrale complète u=
J
q>d x , a) dx+
J
(j>2
(y, a) dy+b,
.où b est la deuxième constante arbitraire. Appliquée à l'équation
pq-xy=O ou
.E...=.J!.. x q'
(129)
cette méthode nous donne 1 1 u="2 ax2 + 2a y2+b.
Soit à déte rminer la surface intégrale quîpasse par la courbe 1 x
= t;
Y= - ;
t
(130) ~
u = 1.
En portant ces expressions dans (130) et en dérivant par rapport à t, on trouve 1 1 t 1=2' at2 2atl +b; at- at 3 =0.
+
L'élimination de t entre ces équations nous donne b = 0 et nous obtenons une famille de surfaces intégrales à un paramètre. 1 1 u=2" ax 2 + 2a yI. L'env.eloppe de cette famille est la surface intégrale cherchée, soit:. u = xy. Si pour condition initiale on avait pris la courbe x = t; Y = t; u = t~,
. (t3t)
S2
CH. J. THSORJE DES :SQUATIONS AUX :DSRIVSES PARTIEI.J·ES
la méthod~ ;précédente nous aurait conduits aux équations ( ~ a+ ~ -1) ,1I+b=O; 2( ~, a+ ~ -1) , ' 0,
'"
d'où il s'ensuit que a =1,b = 0 et nous n'aurions pas pu trouver une surface intégrale passant par la courbe (131). Il est immédiat de voir qu'on peut prolonger la courbe (131) en une bande caractérist ique en posant p = , etq -:.' t. En effet, les fonctions, x = t; Y = t; u = t~; P = t; q = 1 vérifient l'équation (129) et le système (1.07).
4. Si l'équation ne contient pas les variah' et de la forme F (u, P, q) = 0
indépendantes, t'est-à-di11!
on peut déterminer une intégrale complète en cherchant la solution d, l'équa'tionsous la forme ' u = q> (x + ay), (t32) où
est une constante arbitraire. Voyons à titre d'exemple l'équation
CI
pq -
u
=
O.
(t33)
En effectuant la substitution (132) et en posant CI
[q>' (,)]' -
~
=
x
on trouve
dOLDe
l'intégrale
q> (,) = O.
L'intévation de cette équation différentielle ordinaire nous œmplète de l'équation (t33): (x+ay+b)1 u= 4a ,~
+ G1/,
système (68) s'écrit dans le cas de l'équation (133): ~
IIi"' ~ q;
~
~
et son intégration nous donne x = qoe'' (xo - qo) ; y = poe' ... ..'('
'.
~
d,::;= P; fiS = 2pq;
+ .
i
P
=
+ (Yo -
poe';
q
d,
Po) ;
=
= P; u
=
~
fiï=- q, Poqo~'
+ (Ue- PolJe) ;
qoe'.
Supposons qu'on cherche la, sUrface intégr~le qui p:asse par la droite ft;;; ,
,'Xo
=
t;
1I~ ,
t;
Uo
= t•
.on détermine Po et qo à partir des équations
=
t; Po = 1, a"où Po = J et qo=t., En, portant Po et qo, dans les trois premièreséquati()DS , Prio
(f3St) et en posant e'':'''- ;v~"on obtient les équations paramétriqueS deJ8'SUiface d1erchée en fonction des paramètres ,v ,et t: , , x 7""", Iv; 11 = v; u 7"""tv~,
:w,,' sous
la forme explicite,
.U, ~
xy. .'
I.;I-te~
CAS D'UN NOMBRE QUELCONQUE DE
:vARIAB:J,.ES
53:
'1..1·16. CaS d'un nombre quelconque de variables. On 'appellfJ, de l'équation F (Xit •• 0' Xn, U, Pl' •• 0' Pn) = 0 (134) une solution (135) intégrale complète
de cette équation contenant n constantes arbitr aires as et telle que l'élimination des as entre les équations P. = q>%J& (xi t
Xn , al'
0.0'
000,
an), (k = 1, 2,
00.'
n)
(135t )
et l'équation (135) donne l'équation (134).On admettra que ait sont des fonctions de n - 1 paramètres: ait
=
ait (tt,
0
•
0'
t n -l )
= 1, 2, ... ,
(k
n).
(136)
En portant ces expressions dans (135) et en éliminant les n - 1 paramètres entre les n équations u = Cf> (Xl' Xn , al' ••• , an), , Xn , al' ••• , an)=O (j=1, ... , n-1), 0
Cf>Cj(xh
•• ,
(137)
on obtient l'intégrale générale de l'équation (134). Cette intégrale dépend du choix des n fonctions (136). Passons maintenant au problème de Cauchy. On demande de trouver une surface intégrale de l'équation (134) contenant une variété de n - 1 dimensions donnée: u
=
u (tt, • -
0'
t n -l );
Xit
=
Xit (t lt
0
0
tn-t) (k = 1, 2, .. 0' n).
.,
(138)
Ce problème se résout exactement comme pour le cas de deux variables indépendantes. En portant les expressions (138) dans (135) OD obtient une égalité de la forme
t n -It al' •
an) = O.
(139) En adjoignant à cette égalité les n - 1 relations obtenues par dérivation de (139) par rapport à tlt t n -1' soit '" (t it
••
0'
0
"'Cl = 0 ; """2 = 0;
0
0
.,
.,
"""n-l = 0,
(140) on obtiendra n équations à partir desquelles on peut déterminer ait (k = 1, 2, ... t n) en fonction des paramètres tt, ., 0' t n -ll c'est-à-dire les fonctions (136). En portant ces fonctions dans (137) et en éliminant t lt t n -1 entre les n équations (137), on obtiendra la surface intégrale qui contient la variété (t38). A noter que dans la formule (139) le nombre de paramètres peut être inférieur 0
•• ,
o ••
;
S4
CH. I. THeORIE DES ::eQUATIONS AUX DeRIv:eES PARTIELLES
à n _. 1. Dans ce cas il faut dériver (139) par rapport à ces paramètres. Si l'on fixe les paramè~res tjt les n équations (137) à n 1 variables (u, Xl' ••• , x n ) définissent une courbe dans l'espace à n 1 dimensions de point générique (U, Xl' . . • , x n ). En adjoignant l'équation (135 1) à ces équations, on prolonge cette courbe en une .bande du premier ordre. Cette bande appartient à deux surfaces intégrales: à l'enveloppe qui s'obtient par élimination des paramètres i j entre les équations (137), et à une surface enveloppée. Donc, cette bande est caractéristique, c'est-à-dire vérifie le système de Cauchy (98). Ceci nous permet, si l'on connaît une intégrale complète (135), de trouver la solution du système (98) en fonction de 2n -1 constantes arbitraires. On admettra pour simplifier que an est une fonction de (al' .. ~, an -1)' ces derniers jouant le rôle des paramètres t l , • • . , t n -1' Les formules (137) et (135 1) deviennent:
+
+
ail "', an), (J)a j + cp an bi -:- 0 (j = 1, 2, ..., n - 1), U=(J)(Xl , " ' , X n ,
Ph=(J)Xh(X1,
... , X n , al' ... , an)
(k=1,
(141)
2, ... , n),
où par bi on a désigné la dérivée de an par rapport à ai' Les formules (141) définissent la bande du premier ordre mentionnée. Dans ces formules al' ... , an et bl , • • • , bn -1 sont arbitraires, puisque le choix de la fonction an (al' ... , an -1) l'est. Prouvons formellement que la bande définie par les formules (141) vérifie le système (98). En portant les expressions (141) de U et Ph dans l'équation (134), on obtient une identité en Xh et ah (k = 1, ... , n) dont la dérivation par rapport à as nous donne n
U(J)aj+'
LJ
Ph(J)Xkaj-O
k=1
(j
=
1, 2, ... , n!~l),
n
U(J)an
+Li
k=1
PkCf'xkan
=0.
En multipliant la dernière égalité par bit en l"aJoutant à laprécédente et en se servant de (141), on obtient les n ....... 1 égalités suivantes: l
n ,
.LJ
k= 1 :
•
Ph (<:eajXk 1
..
.
+ Cf'~nxkbj) =0. ' , "
•
'li
,
' "" , . ; :." ,,(142)
.t"
"
,"\
1
En prenant par ailleurs la différêntielle totale du :premier membre de la 'deuxième équation (141), on obtient les: n ,-,.1 ,égalités sui-
· 1-1-17.
TImOR~ME
55
DE JACOBI
vantes: n
~ (<PajXk
k=1
+ <PanXkbj) dXk =0
(j = 1, 2, ... , n - 1).
(143)
Si l'on admet que l'un au moins des déterminants d'ordre n - 1 du système (142) ou (143) est différent de zéro, alors on peut affirmer que dXk sont proportionnelles à Pk' c'est-à-dire que dX
dXn
p;-I = ... =-p;;-. n
D'autre part, de (141) il s'ensuit que du
=
~ Pk dXk et
k=1
dXI
dxri,
du
--p;- = ... = --p;;- = PIPI + ... + pnPn
•
(144)
Revenons à l'identité obtenue en portant les expressions (141) de u et Pk dans (134) et en dérivant par rapport à Xk: n
X k +UCVXk + ~ PiCVxoXk =0. i=1
1
En multipliant par dXk et en remplaçant, en vertu de (144), Pidxk par Pkdxh on obtient n
(X k
+ Up",) dXk + Pk 1=1 ~ CVX.Xk dXi = 1
O.
Or n
LJ
i=l
= dPk,
donc (X k
+ Upk) dXk -+ Pk dPk =
0, Le. ~:k
et l'on obtient en définitive le système tdXI
---p;- =
dXn
...
= P;;- -
du
PIPI
+ ... + PnPn dPI
-
(145)
1-1-17. Théorème de Jacobi. Considérons maintenant le cas particulier où l'équation (134) ne renferme pas la fonction inconnue u et est résolue par rapport à une dérivée. Pour la symétrie de la notation, on désignera les variables indépendantes par t, Xl' . • . , x n et on admettra que l'équation est résolue par rapport à Po = Uh
56
CH. J. TMORIE DES ~QUATIONS AUX D~RIV~ES PARTIELLES
c'est-à-dire est de la forme: Po
+H
(t,
Xl'
0
0
0'
Xn ,
Pl' ••• , Pn) =
00
(146)
Le système (145) correspondant à cette équation s'écrit dt
dXI
T=
Hp!
= ••.
dXn
dPI -H
= H pn =
... -
XI
dpn _ -H xn
= Po+PIH pl +du... +PnHp n •
(147)
Toutes les relations à l'exception de la dernière ne contiennent pas Po et u. On obtient ainsi le système canonique:
~tk =Hpk ;
d:'k
= - H Xk (k== 1, 2, ••• , n),
où Xk et Pk sont des fonctions de t. Si l'on réussit à intégrer ce système, on déduit Po à partir de (146) et u par une quadrature de l'équation du = (Po PIHpl PnHpn) dt. Comme l'équation (146) ne contient pas u, on peut ajouter une constante arbitraire à sa solution. Supposons que nous connaissons une intégrale complète de l'équation (146). Cette intégrale dépend de n 1 constantes arbitraires dont une additive:
+
+
0
•
0
+
+
u = "P (t, Xl' X n, ait an) - aoo Appliquons les relations (141) à ce cas en faisant jouer à ao le rôle de an' Comme <Pao = -1, l'intégrale générale du système canonique s'écrit: "Pak = bk ; Pk = "PXk (k = 1, ••. t n). 0
0
0'
0
•• ,
Ceci fait l'objet du théorème classique de Jacobi mentionné déjà dans le (tome IVI , [11-221). Signalons que si l'équation (134) ne renferme pas la fonction inconnue u et n'est résolue par rapport à aucun Pk, c'est-à-dire est de la forme F
(Xl'
0
0
0'
Xn,
Pl'
0
0
0'
Pn)
= 0,
alors le système (145) correspondant à cette équation s'écrit: dxl Fp!
=
dXn
00.
= Fp n
=
dpI -Fx } -
_ • • • -
dpn -F xn du
-
--::----:----:----:=--P1F P1 PnFPn
+ .0. +
et l'on obtient encore le système canonique: dxk
(i8=Fpk
0
,
dPk
dS =
-
F Xk
(k= 1,
00.'
n),
= ds?
1-1-18. SYST.BMES DE DEUX :eQUATIONS DU PREMIER ORDRE
57
dans lequel le paramètre s joue le rôle d'une variable indépendante. Si l'on réussit à intégrer ce système, on détermine u à l'aide d'une quadrature. Le théorème de Jacobi nous indique comment intégrer le système canonique correspondant à l'équation (146) si l'on connaît une intégrale complète de cette dernière. La méthode de Cauchy développée dans (1-1-2] nous montre, à l'inverse, comment on peut, si l'on sait intégrer le système (147), trouver les solutions de l'équation (146) vérifiant des conditions initiales quelconques et, en se servant de ces dernières, montrer, en particulier, comment on peut trouver une intégrale complète de l'équation (146). 1-1-18. Systèmes de deux équations du premier ordre. Nous avons exhibé de nombreux exemples dans lesquels nous avons déterminé une intégrale complète par des procédés élémentaires. Il se pose la question de savoir s'il est possible d'élaborer une méthode générale de recherche d'une intégrale complète de toute équation du premier ordre. Pour exposer cette méthode il nous faut étudier préalablement la résolution d'un système de deux équations du premier ordre en u: F (x, y, u, p, q) = 0; <1> (x, y, u, p, q) = O. On admet que ces équations sont résolues par rapport à p et q, soit p = / (x, y, u); q = g (x, y, u). (148) On dira que ce système est complètement intégrable s'il admet une solution dépendant d'une constante arbitraire. On se propose d'établir une condition nécessaire et suffisante d'existence d'une telle solution et de donner une méthode de détermination de cette dernière si cette condition est remplie. En dérivant la première équation (148) par rapport à y et la seconde par rapport à x, on obtient de toute évidence ou en vertu de (148)
/1/
+ /ug =
+
g% guI· (149) Si cette relation entre les variables x, y, u n'est pas réalisée identiquement, alors elle définit u comme une fonction de x et y et seule cette fonction qui ne contient pas de constante arbitraire est susceptible d'être solution du système (148). Donc, la réalisation de la relation (149) est une condition nécessaire pour que le système (148) soit complètement intégrable. Montrons qu'elle est suffisante et indiquons en même temps une méthode de résolution du système (148). On peut traiter la première équation (148) comme une équation à une variable indépendante x, puisque y est un paramètre dans cette équation. En intégrant cette équation· du premier ordre, on obtient u en fonction de la variable indépendante x, du paramètre y
~8
~t
CH. L THBORIE DES BQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
d'une constante arbitraire C (y) que l'on supposera dépendre de y: u = cp [x, y, C (y)]. (150)
'Cette fonction doit satisfaire aussi la deuxième équation (148), -c'est-à-dire qu'on doit avoir
de
g (x, y, u)-cpy
-;ry-
CPc
(151)
'
,équation dans laquelle il faut remplacer u par son expression (150). Montrons maintenant que si la relation (149) a lieu, le second membre ;(}e (151) ne contient pas x. En effet, en annulant la dérivée du second membre de l'équation (151) par rapport à x, on obtient (gx
+ guCPx -
CPux)
= O.
(152)
Comme la fonction (150) vérifie la première des équations (148), ,on a les relations évidentes:
=
f;
=
f ll
+ fu
=
fu
Ces relations nous permettent de mettre la condition (152) sous la forme: (gx gui - fl/ - fu
+
-et cette condition est manifestement réalisée, puisque l'on admet que la. relation (149) l'est identiquement. Donc, sous ces conditions, l'équation (151) est une équation du premier 'ordre en C (y) dont l'intégration nous donne C en fonction de y et d'une constante arbitraire b. En portant l'expression de C dans (150), on obtiendra la :solution du système (148) en fonction d'une seule constante arbitraire. Donc, pour que le système (148) admette une intégrale complète il est nécessaire et suffisant que la relation (149) soit identiquement réalisée. Si cette condition est remplie, l'intégration du système (148) se ramène à celle de deux équations différentielles ordinaires du premier ordre et la solution générale du système (148) contient une seule .constante arbitraire. Le problème résolu est étroitement lié à l'intégration de l'équation aux différentielles totales: p
4x + Q dy + R
du =·0,
(153)
<>ù P, Q et R sont des fonctions données de (x, y, u). Cette équation se ,ramène directement au système (148) si l'on pose
" P f = =7ï;
g==
Q
-7f'
1-1-19. M:eTHODE DE LAGRANGE-cHARPIE
59
et la condition d'intégrabilité (149) devient P (Ru - Qu) Q (Pu - R x ) R (Qx - Pu) = o. Nous avons déjà signalé que cette relation était une condition nécessaire et suffisante d'intégrabilité complète de l'équation (153) (tome II, [111-2-11]).
+
+
1-1-19. Méthode de Lagrange-Charpie. Cette méthode est une méthode générale de construction d'une intégrale complète d'une équation aux dérivées partielles du premier ordre: F (x, y, u, p, q) = o. (154) Cherchons une deuxième équation de la forme
+
+
_
I
•
_
qU--I.F p, Fql·
PU--IFp, Fql'
<1>p,
De façon analogue, en dérivant par rapport à x, et y, on aura
Fp,
1
Fxl
1
Fy ,
Fql
,
qX=-\.F p, Fq\; PY=-I,F p,' Fql' ,
.
Fy , Fq ,
Fu,
Fq 1~
.
+ F P'
.
Fx
t '
"[
+ j F p.' , Fu
,
p , 0"
ou (157)
60
CH. 1. TImORIE DES :eQUATIONSAUX
D:eRI~ES
PARTIELLES
En développant ces déterminants et en utilisant les notations de (1-1-6] on obtient l'équation suivante pour la détermination de la fonction
+ Q
+ Up)
(X -
p -
O.
(158)
Strictement parlant cette équation doit être satisfaite si l'on remplace p et q par leurs expressions tirées de (154) et (155). Mais on exigera plus, plus exactement, qu'elle soit identiquement vérifiée. Le système d'équations différentielles ordinaires correspondant à l'équation linéaire sans second membre (158) est justement le système de Cauchy (107): dx
dy
P=-o=
du pP+qQ
dp _ _ ----".d..:.q...".-._ -(X+Up) -(Y+Uq)·
(159)
Il nous suffit de trouver une intégrale de ce système telle que les équations (154) et (155) soient solubles par rapport à p et q. On sait que le système (159) possède une intégrale évidente F = C. La connaissance de cette intégrale facilite la recherche d'une autre intégrale du système. On peut aussi se servir de la relation évidente F = O. Si l'équation (154) ne contient pas la fonction inconnue u, c'est-àdire est de la forme F (x, y, p, q) = 0, alors on cherchera l'intégrale sous la forme:
+
(160)
ou sous la forme détaillée (Fp
+ (F q
F lI
ce qui revient à intégrer le système
~=
dJ =
!..px =
d
q y•
(161)
Le premier membre de (160) s'appelle crochet de Poisson des fonctions F et
dx
== ffi x + CJ)uP;
dro dy
=
001/
+ OOuq,
1';1-20. SYSTttMESD'2QUATIONS LINBAIRES -
61
alors le crochet de Mayer s'écrit: [F, a>] =
F P'
dF dx d dx
+
Fq ,
q,
dF dy d • dy
(162)
On dit que deux fJnctions F et sont en involution si leur crochet de Poisson ou de Mayer est nul. Dans le premier cas, ces fonctions doivent dépendre des variables (x, y, p, q), dans le second, il faut ajouter u à ces variables. La méthode de Lagrange-Charpie consiste donc à trouver une intégrale du système (159) ou (161) qui soit en involution avec F. Signalons un fait qui saute immédiatement aux yeux lorsqu'on compare les méthodes de Cauchy et de Lagrange. Avec la méthode de Cauchy on doit trouver toutes les intégrales du système (159), avec la méthode de Lagrange-Charpie, une seule. Si l'on connaît une intégrale complète de l'équation (154), on peut complètement intégrer le système (159). 1-1-20. Systèmes d'équations linéaires. Pour généraliser la méthode de Lagrange-Charpie au cas d'un nombre quelconque de variables indépendantes, il nous faut préalablement étudier l'intégration d'un système d'équations linéaires homogènes en une seule fonction inconnue. Considérons un tel système de m équations: Xl (u)=aUPI +a 12 P2+ .•• +alnPn=O, X 2 (u)=a 21 PI +a 22 P2+··· +a2nPn =0, (163) { X m (u)=amIPI am2P2 +amnPn=O,
......... ........... +
+ ...
où Ph = U Xk ' les coefficients .ih sont des fonctions continues et continûment dérivables des variables indépendantes X s et X h (u) désigne le premier membre de la k-ième équation. On demande une fonction u vérifiant simultanément toutes les équations du système (163). Les solutions u = const sont automati«Juement écartées, vu le peu d'intérêt 9u'elles présentent. On admet que les equations (163) sont linéairement independantes, c'est-à-dire qu'il n'existe pas de Âh non tous nuls susceptibles de dépendre de X s et tels que l'on ait m
~ ;"hXh (u)=O, 1&-1
identiquement par rapport à X s dans un domaine de variation de X s et de PS. Si de tels Âk existaient et si l'un d'eux était non nul, alors le premier membre d'une équation de (163) serait linéairement dépendant de ceux 'des autres équations. Cette équation serait donc une conséquence de toutes les autres et on pourrait la supprimer. ' . Supposons que m ~ n et considérons les n premières équations du système. Ces équations étant linéairement indépendantes, le déterminant formé avec leurs coefficien'ts doit être différent de zéro; Donc, le système san~ second membre en Pa n'admet que la solution triviale Pl = ... = Pn = 0, d'où il résulte que u = = const, autrement dit, pour m ~ n le système n'admet pas de solutions (autres que la solution 'évidente u = const);- On supposera-donc dàns la suite que m <
<no
62
~QUATIONS
CH. 1. TH:mORIE DES
AUX .D:mRIV:mES PARTIELLES
On peut former de nouvelles équations linéaires sans second membre à partir des équations (163) et ces équations peuvent être linéairement indépendantes de (163). Etablissons tout d'abord quelques identités élémentaires. Si ul et Us sont deux fonctions quelconques des variables indépendantes Xl' • • • , X n , on a les identités évidentes: X k (Ui
+ us) = =
X k (ut U2)
+ X k (us); ~Xk (U2) + u2X k (UI). X k (ut)
(164)
Dans Xi (u) remplaçons la fonction u par le premier membre de lak-ième équation, c'est-à-dire par l'expression de X k (u). En tenant compte de (164), on trouve n
2J
Xi(Xk(U»=
n
Xi(aks)u xs
+ 2J aksXi(U X,).
8=1
8=1
n
n
De façon analogue, Xk (Xi (U» =
LJ
Xk (ais) UXs
+ 2J ai,Xk (u x ,).
8=1
8=1
En se servant des dérivées secondes de la fonction u, on peut de toute évidence éc rire: n
n
n
n
LJ aksXi (u x ,)=8=1 LJ aks t=1 LJ aituxsXt= 8, 2J aitaksUxsXt· t=1
8=1
La dernière expression ne change pas lorsqu'on permute les indices i et k: n
n
8=1
8=1
2J aisXk (u xs )= 2J aksXi (u x ,), et l'on obtient la formule suivante: n
Xi (Xk (U»-Xk (Xi (U»=
2J [Xi lahs)-Xk (ais)) u xs '
(165)
8=1
où le second membre est une fonction linéaire homogène de Ps = u xs dont les coefficients dépendent de Xk' Généralisons la notion de crochet de Poisson à un nombre quelconque de variables indépendantes. Le crochet de Poisson de fonctions q> et"l' des variables Xl' • • • , X n et Pl' . . . , Pn se définit de façon analogue par l'égalité: n
(cp, '\')= ~ (CPPj'i'Xj-CPXj'\'Pj)· .1=1
Supposons que CP=Xi (u) et ,\,=Xk (u). On a
En portant ces expressions dans le second membre de (166), on ohtient:
(166)
1-1-21. SYST:I!:MES COMPLETS ET JACOBIENS
ou ce qui revient au même: n
Li [Xi (aks)-X. (ais)] Ps·
(Xi (u), ~1& (u»=
1=1
Une comparaison avec le second membre de (165) nous donne l'importante identité: Xi (X k (u» -
X k (Xi (u» = (Xi (u), X k (u».
(167)-
Si u est solution du système (163), c'est-à-dire Xl (u)
== 0
(l = 1, ... , m),
alor.;; elle sera aussi solution de l'équation linéaire sans second membre (Xi (u), X k (u» = 0
(168}
quels que soient les indices i et k. En faisant prendre toutes les valeurs possibles aux indices, on forme m (m - 1) nouvelles équations linéaires sans second 2
membre qui résultent, au sens indiqué, du système (163). Certaines de ces équations peuvent se transformer en identités, c'est-à-dire que leurs coefficients en Pk sont nuls. J oignons les autres équations (celles qui ne se transforment pas en: identités) à celles du système (163) en nous assurant à chaque fois que l'équation, adjointe n'est pas une combinaison linéaire des précédentes (si une équation est. une combinaison linéaire des précédentes, il faut immédiatement .l'écarter). En faisant cette opération avec toutes les équations nous obtenons un nouveau systè-me qui peut être composé de plus de m équations. Formons les crochets de Pois-· son des premiers membres du nouveau système en prenant soin d'écarter ceux. qui ont déjà été dans le système initial. Joignons les équations obtenues aU' nouveau système comme nous l'avons déjà fait plus haut. Poursuivons cette procédure. Deux cas peuvent se présenter. Ou bien nous obtenons un système de n équations qui n'admettra donc 'que la solution triviale u = const et il en sera de même du système initial. Ou bien nous obtenons un système de moins de n, équations tel que toutes les nouvelles équations déduites par le crochet de Poisson sont des combinaisons linéaires des équations de (163). Un tel système est dit complet. Des raisonnements précédents il s'ensuit donc que le système initial' ou bien n'admet que la solution triviale ou bien est équivalent à un système complet.
On admettra que le système (163) est complet, c'est-à-dire ou bien les crochets. de Poisson (Xi (u), X h (u» sont des combinaisons linéaires des premiers membres des équations initiales: m
(Xi (u), Xk (u»=
2J ~li, k)X z (u),
(169),
1=1
les coefficients ~~i,h) étant des fonctions de nuls.
Xh'
ou bien ils sont identiquement
1-1-21. Systèmes complets et jacobiens. Etablissons quelques propriétés: fondamentales des systèmes complets. Introduisons les nouvelles variables. indépendantes Yh =
au VYI
·au Yn
Yj(u)=bil~+... +bin-a-=O
(j=1, 2, ... , m),
64
CH. 1. TImORIE DES
~QUATIONS
AUX D:&RIVOS PARTIELLES
où, en vertu de la règle de dérivation de fonctions composées, n
'" ajs-a a'Pl =Xj(YI). bjl= LJ
(170)
Xs
.=1
Pour toute fonction u on a YJ (u) = Xj (u), le premier membre ne contenant que les variables indépendantes Ylp le second, que les variables indépendantes :th' Donc, quels que soient les indices i et k, Xi (X h (u» = Yi (Yh (u» et Xi (X k (u» - X h (Xi (u» = Yi (Y h (u» - Y k (Yi (u»). Compte tenu de (167) et (169), il vient YdYk (u»-Y,dYd u
»=
m
.~ l'li, h)Ydu) 1=1
où les coefficients 'V~i ,h) se déduisent à partir des coefficients ~~i,h) par un simple passage aux nouvelles variables. On voit donc que si le système initial est complet, il en est de même de tout système obtenu par un changement des variables indépendantes: .
Voyons maintenant une delxièmc propriété des systèmes complets. Formons m combinaisons linéairef, des premiers membres des équations (163): Zi (u)
= djlX I
(u)
+ ... + djmX m (u)
(j = 1, •••• m),
les coefficients dU étant supposés dépendre de Xll et le déterminant Il dU Il. différent de zéro. Sous ces conditions le système d'équations Zj (u)
=0
(j = 1. 2•••
0'
m)
(171)
sera manifestement équivalent au système (163). Montrons que si le système initial est complet, il en est de même de tout système équivalent. En effet, le crochet de Poisson (Zi (u), Zk (u» sera la somme d'expressions de la forme dipX p (dkqX q (u» -
dkqX q (dipX p (u»,
ou, en vertu de (164), la somme d'expressions de la forme d iP [X p (dkq ) X q (u)
+ dkqX p (X q (u»] -
d kq [X q (d iP ) X p (u)
+ dipX q (X p (u»] = dipX p (dkq ) X q (u) -
+
dkqX q (d iP ) Xp (u)
+ dipdkq [X p (X q (u» -
+
X q (X p (u»].
Les expressions X p (X q (u» - X q (X p (u» étant toutes linéairement dépendantes de X j (u), le crochet de Poisson (Zi (u), Zk (u» dépend linéairement de X j (u), donc de Zj (u), ce qui exprime que le système (171) est complet. Introduisons maintenant une notion qui est un cas particulier de la notion de complétude, plus exactement, on dira qu'un système (163) est jacobien si tous les cro.chets de Poisson (Xi (u), Xk (u» sont identiquement nuls, c'est-à-dire si tous les coefficients en Ps· sont identiquement nuls. Il est immédiat de transformer un système complet en jacobien par des opérations algébriques élémentaires. En effet, soit donné un système (163) complet. Ce système étant composé d'équations linéairement indépendantes, sa matrice est de rang m et on peut le résoudre par rapport à m variables PS. Sans restreindre la généralité on peut admettre qu'il est soluble par rapport à Pl' ••• , Pm, c'est-à-dire qu'au lieu du système
65
1-1-22. INTaGRATION DES SYST:Il:MES COMPLETS
(163) on obtient. le système équivalent
+ Cl. m+IPm+1 + + Cl. nPn = 0, P2 + C2. m+IPm+1 + + 2• nPn = 0, . . .. .. . .. . .. ...... Pm + Cm. m+lPm+1 +... + cm. nPn = O. Pl
(172)
C
1
D'après ce qui a été prouvé plus haut, ce système doit être complet. Montrons qu'il est aussi jacobien. Désignons comme toujours par Xi (u) les premiers membres des équations du système. Nous devons prouver que les coefficients p}i.k) de la formule (169) sont tous identiquement nuls. De la forme du système (172) et de la définition du crochet de Poisson il s'ensuit immédiatement que le premier membre de (169) ne contient pas Ps pour s ~ m, et que le coefficient en Pa (s ~ m) du second membre est visiblement égal à p~i.k). D'où il résulte aussitôt que les coefficients p~i,k) doivent être tous nuls, autrement dit le système (172) est bien un système jacobien. A noter qu'un système jacobien n'est pas forcément de la forme (172), mais, d'après ce qui vient d'être prouvé, si un système complet se ramène à la forme (172), alors il est jacobien. 1-1-22. Intégration des systèmes complets. On peut remplacer l'intégration d'un système complet (163) par celle d'un système jacobien (172) équivalent. Considérons la première équation du système (172) et le système d'équations différentielles ordinaires correspondant à cette dernière: dX I
dX II
dX m
-1-=-0-='" =-0-=
dX m +1 Cl. m+l
dXn
= ... =
Cl, n •
Ce système possède n - 1 intégrales indépendantes CPII (Xl' ••• , x n ) = C2 ; • • • ; CPn (Xl' ••• , Xn ) = Cn , les premiers membres de ces relations étant solutions de la première équation (172). Signalons qu'on aurait pu immédiatement trouver m - 1 intégrales, savoir: X2 = const; ••• ; Xm = const.
Introduisons les n - 1 nouvelles variables Ys = CPs (Xl' ••• , X n ) (s = 2, ••. , n). (173) Les intégrales étant indépendantes, le système (173) est soluble par rapport à n - 1 variables Xk et l'on peut choisir la fonction CPI(XI, ••• , x n ) telle que le système Ys = CPs (Xl' ••• , X n ) (s = 1, 2, ... , n) soit soluble par rapport à toutes les variables Xk' Si, par exemple, le système (173) est soluble par rapport à Xl' ••• , xn-Îl' il nous suffit de prendre CPI = x n • Ecrivons le système (172) dans les nouve es variables indépendantes. En se servant de la formule (170) et du fait que «PI' ••• , CPn sont solutions de la pre-
' : "= ..".'
mière équation (172), on s'assure que cette équation se ramène à la
.
.
au
fo~e
YI
'. O. On supprime ensuite tous les termes contenant aYi dans les m ~ 1 équations restantes et comme ces; équations sont linéairement. indépendantes, on peut résoudre le système qu'elles forment par rapport à
m-1 dérivées :u .
Sans restreindre 'la généralité, on peut admettre qu'il s'agit des dériiées 5-01017
CH. 1. TH~OR,IE DES· ~QUATIONS AUXn:eRIV:eES PARTIELLES
66
au L e systeme ' ' est d onc d e 1a forme: -au - , . . ., ~. transf orme aY2
uYm
(
au aYI au
YI (u)=-=O,
1
au
+h aY2
Y2 (u) = - -
{
2•
m+l
au aYm+1 + ... +h2n
-.<:1-
uYn
=0,
(174)
l ~~(~). 'a~: ~~~.~+~ ~Y~~' ~· ·.~:~n·a::· .~. ..
Le système initial est jacobien, donc complet et par suite il en est de même du système transformé. Ce dernier étant soluble par rapport aux dérivées, il est jacobien. Signalons que des raisonnements du [1-1-21] il s'ensuit immédiatement qu'un système jacobien se transforme en un système jacobien dans les nouvelles variables. La première équation (174) indique que la fonction u ne doit pas dépendre de YI' Montrons que les coefficients des autres équations du système (174) ne contiennent pas YI' En effet, toute expression
doit s'annuler identiquement, puisque le système (174) est jacobien, ce qui prouve notre assertion. On peut donc dans le système (174) écarter la première équation et intégrer les autres en admettant que u ne dépend pas de YI' On obtient ainsi un système fermé de m - 1 équations à n - 1 variables indépendantes. En appliquant l'opération précédente à ce système, on obtient un système fermé de m - 2 équations à n - 2 variables. Cette procédure nous conduit finalement à une seule équation pour une fonction u de n - m 1 variables. En désignant ces variables par YI' ••• , Yn-m+l, on obtient l'équation
+
au -1- g2 -.<:1au VYl UY2
-.<:1-
1
+
1
•• • -,-
gn-m+l
au .<:1 = UYn-m+1
°,
où les variables indépendantes Yi dépendent des variables indépendantes initiales Xl' • • ., X n . Le système d'équations différentielles ordinaires correspondant à cette équation admet n - m intégrales indépendantes: 'l'l (YI' •. " Yn-m+l)
=
Cl; ••. ; 'l'n-m (YI' .•. , Yn-m+l)
=
Cn - m ,
et la solution générale de cette équation est
=
'1' ('l'l' ••. , 'l'n-m), où 'l'est une fonction arbitraire. Cette formule nous donne aussi la solution générale du système initial (163). u
1-1-23. Crochet de Poisson. On se propose d'utiliser les résultats précédentes pour élaborer une méthode de détermination de l'intégrale complète d'une équation non linéaire du premier ordre dans le cas d'un nombre quelconque de variables indépendantes. A cet effet, comme dans le cas de deux variables indépendantes, il nous faut étudier un problème auxiliaire. Soit à déterminer une x n ) sachant que ses dérivées partielles sont des fonctions fonction u (Xl' • données des variables indépendantes Xk: Pk = Pk (Xl' ••• , X n ) (k = 1, 2, .. 0' n). (175) 0
0'
67
1-1':23. CROCHET DE POISSON
La dérivation étant indépendante de l'ordre dans lequel elle est effectuée, on voit que les fonctions (175) doivent vérifier les 1/ in 2- 1) relations suivantes: o Pi (Xli .. , , xn)
OPk (xl. . .. , Xn)
OXh,
OXi
(176)
Ces relations sont nécessaires et suffisantes à la détermination de la fonction u. Ce fait a été prouvé pour n = 2 et n = 3 (tome Il, [111-2-8]). En généralisant la formule de Stokes à un espace à n dimensions on s'aperçoit, comme pour n = 3, que si la condition (176) est remplie, l'intégrale curviligne (Xl • • • . •
U
(Xl' .•. , Xn)=
Xn) n
~
)
Ps (Xl' ... , Xn) dxs
s=1
ne dépend pas du chemin et donne une fonction u ayant (175) pour dérivées partielles. On démontre la suffisance des conditions (176) dans le cas général par récurrence. Supposons que la suffisance des conditions (176) a été prouvée pour n - 1 variables et prouvons qu'elle est valable pour n variables. Nous supposons donc que les fonctions (175) satisfont les conditions (176). Notre assertion étant vraie pour n - 1 variables, on peut, en se servant des n - 1 premières fonctions (175), former une fonction u des variables (Xl' .. " Xn-l) telle que U Xk = = Pk (Xl' .•• , Xn) (k = 1, 2, ... , n - 1). Dans cette fonction Xn figurera comme paramètre, car Pk en dépend. On peut par ailleurs ajouter à la fonction U une constante arbitraire que l'on supposera dépendre de XnOn obtient ainsi la fonction U
(Xl' •.. , Xn-l' Xn)
+ e (x n ),
qui vérifie les n - 1 conditions: U
Xk
=
Reste à choisir e conduit à l'équation
Pk (Xl' . . . , Xn) (x n )
(k
=
1, 2, ... , n - 1).
tel que l'on ait uxn =
Pn (Xl' •.. , Xn),
ce qui nous
de (xnJ d =Pn (Xl' "', Xn)-U~ • n Xn
Il reste à montrer maintenant que le second membre de cette équation ne dépend que de Xn. En dérivant par rapport à Xk pour k < n et en tenant compte de (176) et de l'égalité U Xk = Pk' on obtient 0Pn OXk
02 U _ oXn oXk -
oPn oXk -
0 oX n
(OU) _ OXk -
0Pn OXk -
OPk oX n =
0 ,
c.q.f.d. Admettons maintenant que les dérivées partielles Pk sont définies implicitement par les n équations: F s (Xl' .• " Xn ' Pl' ••• , Pn)
=
as
(8 = 1, ... , n),
(177)
que nous supposons solubles en Pk' Montrons que pour que les Pk définies par les équations (177) satisfassent aux conditions (176), il est nécessaire et suffisant que tous les crochets de Poisson des premiers membres de (177) soient identiquement nuls, c'est-à-dire qu'on doit avoir les n (n 2- 1) identités suivantes en
68
CH.
r. THEORIE DES EQUATIONS AUX DERIVEES PARTIELLES
Xi et Pi: (178)
Ceci étant, on admet que les seconds membres des équations (177) sont des constantes arbitraires. Prenons deux équations (177) et dérivons-les par rapport à X s : n
i -aF ax s
+ LJ----=O· "" aFi api
aFk axs
.
api
aXa
'
1=1 n
+~ ""
1=1
àFk api =0. api axs
· l'lant 1a premlere "" equat'Ion par -aaFk e t 1a secon d e par aFi En mu It lp - , en rePs aps tranchant la première de la seconde et en sommant sur s, on obtient: n
n
n
n
"" "" aFk aFi api _ "" "" ( F.l' F k)+.LJ LJ api aps àx s .LJ LJ 1=18=1
1=1 8=1
aFi aFk. api api aps ax s
= O.
En changeant les indices des variables de sommation dans la deuxième somme, on peut mettre la formule précédente sous la forme: (179)
Si Pk vérifie les relations (176), alors de la dernière formule il s'ensuit immédiatement que les identités (178) sont valables quels que soient les indices. Prouvons la réciproque, c'est-à-dire que si les identités (178) ont lieu, alors les Pk définies par les formules (177) verifient les relations (176). Si les identités (178) sont valables, la formule (179) s'écrit: n
n
'" '" aFk aFi (à Pi _ aps ) =0 :LJ LJ api aps axs aXi '
1=1 s=1
les indices i et k pouvant prendre des valeurs quelconques. En attribuant les valeurs 1, 2, •.• , n à l'indice k, on obtient n égalités que l'on peut traiter comme n équations sans second membre en les n quantités suivantes: n
'" aFi LI aps
(!.!!.L _ axi aps ) axs
(j = 1, 2, ...• n).
(180)
s=1
Le déterminant de ce système est le jacobien des fonctions F s par rapport à PS. Ce jacobien, est différent de zéro, puisqu'on a admis que le système (177) est soluble en PS. On peut donc affirmer que les quantités (180) sont nulles. En fixant j et en attribuant les-valeurs 1, 2, ... , n à i, on obtient encore un système
69
1-1-24. M:BTHODE DE JACOBI
d'équations sans second membre en les quantités ôp J _
ôPs
Ô:l:s
{}Xj
(
1 2 , ... ,:1:. ) S=,
(181)
Le déterminant de ce système étant différent de zéro, car c'est le jacobien des fonctions Fs par rapport à PS' il s'ensuit immédiatement que les quantités (181) sont nulles, ce qu'on voulait. Donc, pour que le système (177) définisse les dérivées partielles Pk d'une fonction u, il est nécessaire et suffisant que les fonctions Fi soient deux à deux en involution. On a admis que les seconds membres des équations (177) sont des constantes arbitraires et de ce fait on a exigé que les relations (178) soient identiquement vérifiées. Si l'on fixe certaines de ces constantes, il suffit alors d'exiger que les relations (178) soient satisfaites en vertu des équa-
tions ainsi obtenues. . Signalons encore quelques propriétés élémentllires du crochet de Poisson. Si cp et 'l' sont des fonctions de Xk et Pk' et a et b des nombres, alors de la définition du crochet de Poisson, il s'ensuit immédiatement que: (cp, cp) = 0; ("1', cp) = - (cp, "1'); (0, cp) = 0; (acp, b'1') = ab (cp, '1'). Soit ro une fonction de
«cp,
Xk
et
'1'), ro)
Pk.
On a l'identité:
+ «'1',
ro), cp)
+ «ro,
cp),
'1') =
(182)
0,
appelé communément identité de Poisson. Cette identité contient les crochets doubles de Poisson. Chaque terme de cette identité est le crochet de Poisson d'une fonction et du crochet de Poisson des deux autres fonctions. Pour vérifier l'identité (182) on remarquera préalablement que chaque terme contient des dérivées du premier ordre. Cette identité étant symétrique par rapport aux fonctions cp, 'P et ro et aux variables Xk et Pk' pour la vérifier il suffit de s'assurer que tous les termes contenant :cp se simplifient dans le premier membre. En utilisant la définition du crochet !/Poisson, on s'assure que le coefficient en ôcp du premier membre de l'identité est: {} Pk
n
'" [ {} ({}'i')
LI
s=1
{}Ps
{}Xk
{}ro {}x s -
{} {}x s
({}'l') {}Xk
{}ro ] {}Ps
-
{} ôX s
({}ro) {}'l' ] {}Xk
{}Ps
•
En dérivant on constate que ce coefficient est bien nul. 1-1-24. Méthode de Jacobi. On se propose maintenant de généraliser la méthode de Lagrange-Charpie, plus exactement, de chercher une intégrale complète d'une équation du premier ordre pour un nombre quelconque de variables indépendantes en admettant que cette équation est de la forme FI (Xl' ••• , Xn' Pl' •
0
0'
Pn)
=
0,
(183)
c'est-à-dire ne contient pas la fonction inconnue u. Si l'on réussit à choisir encore n - 1 fonctions F k de telle sorte que les n fonctions obtenues soient deux à deux en involution et soient solubles en Pk' alors en considérant le système
70
CH. 1. THeORIE DES :eQUATIONS AUX' D:eRIV:eES PARTIELLES
(177) dans lequel on posera al = 0, on trouvera les Pk vérifiant les conditions (176) et par suite on aura u. Le système (177) nous donne n - 1 constantes arbitraires; on obtient encore une constante arbitraire en remontant des dérivées partielles Pk de u à la fonction u. Les fonctions Fk se déterminent de proche en proche. Supposons que l'on connaisse les m premières fonctions FI' F 2 , ••• , Fm (on rappelle que ces fonctions sont deux à deux en involution et solubles par rapport à m variables Pk)' Pour trouver la fonction Fm+l' on forme les m équations : (FI' u) = 0; (F 2 , u) = 0; ... ; (Fm, u) = O. (184) Ces équations sont des équations linéaires sans second membre pour la fonction F m+l de 2n variables indépendantes Xk et Pk' La forme détaillée de ce système est: n
~ (:~:
::k - ::~ :;:)
=0
(j = 1, ... , m).
(185)
k=1
Les fonctions FJ étant solubles par rapport à m variables Pk' un jacobien d'ordre m des fonctions FJ par rapport aux variables Pk est différent de zéro, et par suite la matrice du système (185) est de rang m, c'est-à-dire que les équations (185) sont bien linéairement indépendantes. Montrons que ce système est complet. Formons à cet effet les différences (165) pour le système (184): (Fp , (F q' u)} -
(F q' (Fp , u».
Il nous faut montrer que ces différences sont identiquement nulles. L'identité (182) nous permet de mettre cette différence sous la forme: -«F q' u), F p ) -
«u, F p ), F q) = «Fp , F q), u}.
Les fonctions Fp et F q étant en involution, cette différence est nulle. Donc, d'après ce qui a été dit au [1-1-22], le système (185) possède 2n - m solutions indépendantes. Outre les solutions évidentes u = FI; u = F 2; .•• ; u = Fm, (186) ce système doit encore en posséder 2n - 2m et toutes ces solutions sont solubles par rapport à 2n - m variables Xk et Pk. Donc, le système (185) possède nécessairement une solution u = F m+l telle que les équations FI = 0, F 2 = a2; ... • • • ; Fm+l = am+l soient solubles par rapport à m + 1 variables Pk' Pour trouver la fonction suivante F m+2' on forme le système (FI' u) = 0; ... ; (Fm+l , u) = 0, qui est justiciable des mêmes raisonnements que le système (184). On construit ainsi n fonctions deux à deux en involution et le système (177) sera soluble en tous les Pk (pour al = 0). Ceci nous conduit, comme nous l'avons vu plus haut, à une intégrale complète de l'équation (183). On a admis que l'équation ne contient pas la fonction inconnue. Si elle la contient, c'est-à-dire si elle est de la forme F (Xl! ••• , X n , u, Pl' •.• , Pn) = 0, on peut, en augmentant le nombre des variables indépendantes d'une unité, arriver à une équation ne contenant pas la fonction inconnue. Il suffit pour cela de chercher la solution sous la forme implicite: v (Xl' ••. ,
Xn ,
u) = C,
où C est une constante arbitraire. En appliquant la règle de dérivation des fonctions implicites, on obtient comme toujours une équation pour v qui ne renferme pas v.
71
1-1-25. SYST:Il:MES CANONIQUES
1-1-25. Systèmes canoniques. Etablissons un lien e~tre les raisonnements précédents et le système de Cauchy. On étudiera le cas où l'équation ne contient pas la fonction inconnue et est résolue par rapport à une dérivée. Pour des raisons de symétrie, introduisons n + 1 variable"s indépendantes et désignons l'une d'elles par t et la dérivée par rapport à t par Po = Ut. L'équation devient alors: Po + H (t, Xl' ••• , X n ' Pl' ••• , Pn) = 0, (187) et le système de Cauchy correspondant sera un système canonique (1-1-17] (188)
dpk = -H . dt xk
dXh =H dt Pk'
Supposons que cp (t,
Xl' • • • , X n '
Pl' •.. , Pn)
= C
est une intégrale du système, c'est-à-dire que n
CPt
'" + LJ
(dXh
dph )
CPXk ~+CPPh ( f t
=0
h=1
en vertu du système (188). La dernière équation s'écrit encore: CPt
+
('189)
(H, cp) = O.
Donc, pour que la fonction cp soit intégrale du système, il est nécessaire et suffisant qu'elle soit solution de l'équation (189). Soient cP et'iJ deux intégrales du système. Montrons que leur crochet de Poisson (cp, 'iJ) est aussi une intégrale du système (ou une constante). De la définition du crochet de Poisson on déduit immédiatement que
En substituant la fonction Cl) = (cp, '1') à cP dans la relation (189), on trouve: (CPt, '1') (cp, '1't) (H, (cp, 'iJ)} = O.
+
+
Vu que cP et '1' sont des intégrales, on peut dans la dernière égalité effectuer la substitution: CPt = -(H, cp); 'iJt = -(H, 'iJ), et obtenir en définitive la relation -((H, cp), 'iJ) -
(cp, (H,
'1')}
+ (H,
(cp,
'1'))
=
0,
qui est identiquement réalisée en vertu de (182). Donc, le crochet de Poisson de deux intégrales du système canonique est aussi une intégrale de ce système ou une constante. Supposons maintenant que nous connaissons n intégrales du système (188):
CPs (t, Xu ••• ,
Xn,
Pl' ••• , Pn)
=
as
(s
=
1, 2, ••• , n),
(190)
ces intégrales étant delL"<: à deux en involution et solubles par rapport à Ph. J oignons l'équation différentielle (187) aux équations (190) et montrons que les 11 1 fonctions obtenues sont deux à deux en involution en tant que fonctions des variables t, Xl' • • • , x n et de Po, Pl' ••• , Pn • Les fonctions (190) seront de toute évidence en involution même après adjonction de la variable indépendante t, puisqu'elles ne dépendent pas de Po. Il suffit donc de vérifier que chaque fonction (190) et le premier membre de (187) sont en involution. En égalant le
+
72
CH. 1. TH:mORIE DES
~QUATIONS
AUX D:mRIV:eES PARTIELLES
crochet de Poisson correspondant à zéro, on obtient la relation
qui est nécessairement réalisée, puisque les fonctions (190) sont des intégrales du système (188). Compte tenu des résultats de [1-1-24] on peut affirmer que si l'on résout les équations (190) par rapport à Ph (k = 1, ... , n), et l'équation (187) par rapport à Po, et que l'on porte les expressions de Ph ainsi obtenues dans la fonction H, alors la somme Pl dXl
+ P2 dx 2 + ... + Pn dxn -
H dt
sera la différentielle totale d'une fonction v (t, Xl' ••• , Xn, al' ••• , an) qui sera visiblement une intégrale complète de l'équation (187). Le théorème de Jacobi nous permet d'affirmer que les n autres intégrales du système canonique (190) s'obtiennent par une simple dérivation, plus exactement, elles sont definies par les égalités vak = bk (k = 1, ... , n). 1-1-26. Exemples. 1. Considérons le système d'équations linéaires sans second membre
+
Xl = Pl (X2+ X4-3x 1 ) Ps+ (XS+XI X2+ XI X4) P4 =0, { X = P2+(XSX - x ) PS+ (X XSx +X -XI X2) P4=0. 2 2 4 1 2 4
(191)
Le crochet de Poisson des premiers membres nous donne encore une équation: X s = Ps X1P4 = O. Les crochets de Poisson (Xl' X 2) et (X 2' X S) ne diffèrent du premier membre de la dernière équation que par un facteur multiplicatif. On a donc un système complet de trois équations. Sa résolution par rapport à Pl' P2 et Ps nous donne le système jacobien:
+
Pl
+ (xa + 3xl) P4 =
0;
P2
+ X2P4 =
0;
Pa
+ X1P4 = O.
Les solutions de la dernière équation sont Xl' X2 et X4 - X1XS' Introduisons les variables indépendantes Xl' X2' Xa et t = X4 - XIXa' Le système devient:
~+3xt ÔXl
ôu =0; ôt
~+X2~=0; ~=O. ÔX2
ôt
ôXs
Les deux premières équations forment un système jacobien par rapport aux 2
variables Xh X2 et t. Les solutions de la deuxième équation sont Xl et t _ ~2 • Introduisons les nouvelles variables indépendantes équations mentionnées deviennent:
Xl'
X2 et
't'
=
t-
x 22 2 • Les
.!!!:...+3x2~=0· ~=O. ÔXt 1 Ô't' ' ôX 2
La première équation a pour solution u='t'-xi
x2
ou U==X4-Xlxa-y-xl,
et toute fonction de u est solution du système (191). 2. Trouver une intégrale complète de l'équation FI = (Pl X2)2 (Xl P2)2 - XaPs
+
+
+
=
O.
(192)
73
1-1-27. MSTHODE DES SSRIES MAJORANTES
L'équation (FI' u) = 0 s'écrit: au au au au 2 (Pl+x2) -a-+ 2 (X l +P2) -a--xa - a - - 2 (X 1 +P2) -a-~
~
~
~
. au au -2 (Pl +X 2 ) -a-+Pa -a =0. P2 Ps Cette équation admet la solution évidente u = Xl P2. Posons
(193)
+
F2
=
Xl
+ P2 =
a2·
Joignons à l'équation (193) l'équation
au
au
apI
aX 2
(F 2 , u) = - - - - - = 0 .
Cette équation et l'équation (193) admettent pour solution u que Fs
=
XsPs
=
=
XsPs,
c'est-à-dire
as.
(192 2 )
Résolvons les équations (192), (1921) et (192 2) par rapport à Pl' P2 et Pa: as Ps
=-x;-.
En remontant des dérivées partielles Pit P2 et Ps de u à u, on trouve l'intégrale complète de l'équation (192): u=
-XIX 2 +-r
as-a~ Xl +a 2 x 2 +a s ln xa+a.
1-1-27. Méthode des séries majorantes. En étudiant le problème de Cauchy on a admis que les fonctions données et les fonctions inconnues sont des fonctions réelles de variables réelles indépendantes, dérivables jusqu'à un certain ordre. Dans ce numéro et dans les deux suivants, on se propose de prouver que le problème de Cauchy admet une solution unique pour les équations et systèmes d'équations d'ordre quelconque sous réserve que les fonctions soient analytiques. On admettra que les variables indépendantes Xl' ••• , X n sont toujours réelles et que les fonctions données et les fonctions inconnues peuvent prendre des valeurs complexes. On aura besoin préalablement de quelques propositions auxiliaires. Soit donnée une série entière de m variables 00
.•. , zm)
=
~
apll•.. Pm Zfl,
Pl, .", Pm=O
... ,
ZPm
m'
(194)
convergente pour 1 Zl 1 ~
RI; ••• ;
1 Zm 1 ~
Rm•
(195)
On admettra que les rayons de convergence de la serIe (194) sont légèrement supérieurs aux nombres Rh' Soit M le maximum du module de la fonction (194) sous les conditions (195). On a vu que la
74
CH. I. TImORIE DES :eQUATIONS AUX DaRIVaES PARTIELLES
série entière de la fonction M
(196)
(tome 111 2 , UV-3l) a tous ses coefficients strictement positifs et supérieurs en module à ceux de la série (194). On exprime ce fait en disant que la série (196) est une série majorante de la série (194). En général, on appelle série majorante de la série oc
2J
CPI •.. Pm
Pl,.··, Pm=O
Zfl , ... ,
z!:tm
(197)
une série de la même forme dont les coefficients sont positifs et supérieurs en module aux coefficients respectifs de la série (197). On sait que toute série entière converge absolument à l'intérieur de ses disques de convergence (tome 111 2 , UV-3l). Si une série majorante de la série (197) converge pour 1 Zk 1 < Pk (k = 1, 2, ... , m), alors on . peut de toute évidence affirmer que la série (197) converge à l'intérieur des disques 1 Zk 1 < Pk' Supposons que dans (196) tous les Rh. sont égaux (ceci revient à remplacer les R k par le plus petit d'entre eux) et considérons les fonctions M
(198)
et M
(199)
Les séries entières respectives de ces fonctions sont: 00
M
Pl
Zl
Pm
•• , Zm
RPI+'" +Pm
et
Pl, .. " Pm=O
+ ... +
En développant (Zl zm)P on s'assure que les coefficients du développement en série de la fonction (199) sont supérieurs aux coefficients respectifs du développement de (198), c'est-à-dire que la fonction (199) (ou la série entière correspondante) sera aussi majorante de la fonction (197) (resp. de la série entière correspondante). La méthode des séries entières majorantes est utilisée pour démontrer l'existence de la s~lution des équations différentielles lorsque les fonctions mises en jeu sont analytiques. Effectuons cette démonstration d'abord pour une équation différentielle ordinaire du
1-1-27. M:eTHODE DES S:eR1ES MAJORANTES' ,
75
premier ordre. Soit donnée une équation différentielle dy dx
=1 (x,
y),
dont le second membre est une série entière en x et y, convergeant au voisinage de x = y = 0, c'est-à-dire que 00
dy _ dx -
~
p q
LJ
apqx
y .
(200)
p, q=O
On demande une solution qui soit régulière en x = 0 et qui vérifie la condition initiale y lx=o = O. (201) Pour trouver cette solution il suffit de composer sa série de Maclaurin, c'est-à-dire de calculer les valeurs des dérivées pour x = O. Le terme constant de cette série est donné par la condition initiale (201) et est nul. La valeur de la dérivée première en x = 0 est donnée par l'équation différentielle, soit y~ = aoo. Dérivons les deux membres de l'équation par rapport à x pour déterminer la dérivée seconde: 00
y"
=
L
+
papqxP-1yQ
P. q=O
00
,~
qa pQ x P yQ-l y ' ,
p, q=O
En portant x = 0; y = 0 et y~ = a oo dans le second membre, on trouve la valeur de la dérivée seconde en x = 0, soit y~ =
alO
+
a01aOO •
En poursuivant cette procédure, on définit les dérivées de tout ordre pour x = 0 et on forme la série de Maclaurin: , " yo Yo 2+ (202) Yo 11 x 2! x •••
+
+
Des calculs précédents il ressort qu'il n'existe qu'une seule solution régulière vérifiant la condition initiale donnée. Mais pour affirmer que cette solution existe bien, il nous faut démontrer que la série (202) possède un rayon de convergence plus grand que zéro. Signalons que toutes les opérations effectuées sur les séries sont licites en vertu des propriétés fondamentales des séries entières à l'intérieur de leurs disques de convergence. Si la série (202) est convergente, alors sa somme est solution de l'équation (200) en vertu du procédé qui a servi à former les coefficients. Les calculs précédents nous montrent que les coefficients de la série (202) sont des polynômes de a pq à coefficients numériques positifs. En effet, en dérivant successivement l'équation et en portant les valeurs initiales des dérivées dans le second membre, les seules opérations qu'on ait effectuées sur les coefficients sont l'addition et
76
CH. 1.
T~ORIEnES
SQUATIONS AUX nSRIY:eES PARTIELLES
la multiplication. Par conséquent, si l'on remplace la série du second membre de l'équation (200) par une série majorante, alors la série (202) sera remplacée aussi par une série majorante. Si cette série majorante converge au voisinage de 0, il en sera de même à fortiori de la série (202). Le fait majeur de la suite de la démonstration est que la substitution à la série du second membre de l'équation (200) d'une série majorante nous donne une équation 'intégrable en termes finis. Supposons que la série du second membre de l'équation (200) converge absolument pour 1 x 1 ~ R et 1 y 1 ~ R et soit M le maximum de sa somme sous les conditions indiquées. En passant à la série majorante, on obtient l'équation différentielle dy
M
(fX- (
x ) (
t-lf
y ) ,
(203)
t-]f
qui est à variables séparées:
En l'intégrant et en tenant compte de (201), on obtient
y2 X - - M R l n (1 --) Y - -2R R ' d'où y= R- R
V 1 + 2M ln ( 1- ~ ) .
(204)
Le radical doit prendre la valeur 1 pour x = 0 pour que la condition initiale (201) soit vérifiée. La fonction (204) est régulière en x = 0 et par suite se développe en série entière. Les coefficients de cette série sont de toute évidence les mêmes que ceux obtenus par dérivation terme à terme de l'équation (203) avec le procédé ci-dessus. Donc, la série (202) converge au voisinage de 0 pour l'équation (203). Donc, elle converge à fortiori, comme nous l'avons vu plus haut, pour l'équation initiale. Ceci prouve non seulement l'unicité mais aussi l'existence d'une solution régulière vérifiant la condition initiale (201). 1-1-28. Théorème de Kovalevskaïa. La méthode des séries et fonctions majorantes est favorable à la démonstration de l'existence et de l'unicité de la solution du problème de Cauchy pour des équations aux dérivées partielles. On opérera toujours sur des équations différentielles sous forme résolue. Soit donnée une équation différentielle du premier ordre Pl
=f
(xu ••.• x n ,
U,
P2' • • ., Pn),
(205)
77
1-1-28. TH:eOR:E:ME DE KOVALEVSKAYA
où
t
est une fonction régulière au point xn - 0,. u -- u(O) ' 2 P = p(O) X 1- - ' " -2 '•
• • • ,•
Pn --
p(O).
n
,
(206)
les valeurs initiales des variables indépendantes ont été prises égales à zéro sans nuire à la généralité. On cherche la solution qui vérifie la condition initiale suivante: uI X1 =o=
+
+
A=
t (0, ... ,0, (
La nouvelle fonction u' doit satisfaire l'équation u;1 =
t (Xl' ••• , Xn'
U' +
(209)
et la condition initiale (207) est remplacée par u' lx 1 =0 = o. Portons notre attention sur les arguments de la fonction du second membre de l'équation (209). Si l'on pose X s = 0 et u' = 0, alors AXI devient égal à (
+
Xl =
... = Xn = U" =
+
XX2 =
... =
'0 u Xn = .
(210)
D'autre part, en tenant compte du terme soustrait au second membre de (209), on peut affirmer que ce second membre s'annule pour les valeurs initiales (210). des arguments.
78
CH. I. THEORIE DES EQUATIONS AUX· n:eRIV:eES PARTIELLES
On a donc réduit la condition initiale et les valeurs initiales des arguments de la fonction du second membre de (209) à zéro. En conservant les notations précédentes, on s'est donc ramené au problème suivant: étant donnée l'équation différentielle Pl
= f
(Xl' ••• , X n , U,
P2' . . . , Pn),
(211)
où f est une fonction régulière et nulle au point Xl
= ...=
Xn
=
U
=
P2
= ...=
Pn
= 0,
on demande la solution de cette équation qui satisfait la condition U
lx 1=0 = O.
(212)
On remarquera que le second membre de l'équation (211) doit se développer en une série de la forme 00
f = (213) - 0) , (a0···00···0-
convergente au voisinage de O. Exactement comme dans le cas d'une équation différentielle ordinaire, en se servant de l'équation (211) et de la condition initiale (212), on calculera les coefficients de la série de Maclaurin de la fonction inconnue u, c'est-à-dire les valeurs de toutes les dérivées partielles en O. En dérivant par rapport à tout argument autre que Xl' on peut poser préalablement Xl = O. La condition initiale (212) nous montre donc que aa2+ ...+anu ) ( uX ~ a2 ••• uX ~ an 2
n
= 0
0 '
(214)
où ah sont des entiers naturels positifs. Calculons maintenant les valeurs initiales des dérivées par rapport à Xl' De l'équation (211) il s'ensuit
( ~) aXl 0 =
0•
(215)
En dérivant un nombre quelconque de fois les deux membres de l'équation (211) par rapport aux variables X 2 ' • • • , X n et en portant ensuite les valeurs nulles des arguments, on obtiendra au second membre les valeurs déjà calculées des dérivées (214) et (215) et l'on pourra ainsi définir
1":1-28.
TH:E:OR~ME
DE KOVALEVSKAYA
79
quelles que soJent les valeurs positives a 2 , • • • , an. On considère ensuite l'équation déduite de (211) par dérivation par rapport à Xl et on procède comme pour l'équation "principale. On obtient des valeurs bien définies pour les dérivées
En poursuivant cette procédure on peut calculer n'importe quelle dérivée partielle de la fonction inconnue pour les valeurs initiales des arguments et former la série de Maclaurin: (216)
Comme dans le cas d'une équation différentielle ordinaire, les raisonnements précédents prouvent que le problème de Cauchy admet une solution régulière unique. Pour prouver l'existence de cette solution, il faut montrer que lorsqu'on porte les valeurs initiales des dérivées dans la série (216), celle-ci converge dans des disques centrés en l'origine. Comme dans le paragraphe précédent, on peut affirmer que si l'on remplace la série (213) par une série majorante et si la série (216) formée pour l'équation majorante converge, alors elle convergera à fortiori pour l'équation initiale. Supposons que la série (213) converge absolument et uniformément pour 1 Xl 1 ~
1 Xn 1 ~
p; .•. ;
p;
1u 1~
p;
1 P2 1 ~
~
R; • . .; 1Pn 1 ~ R,
et soit M le maximum du module de la somme de cette série. La fonction M
(f-
~l
)
•••
(f-
x; ) (1-+) (1- ~ ) ... (f-
P~
-M )
majore la série (213). A noter qu'on a soustrait le nombre M pour éliminer le terme constant. La fonction
(t -
Xl
+ ...:
Xn
+
M U
)
(1- P2 + .R' + Pn )
-M
majorera à fortiori la série (213). Si l'on divise la variable Xl par un nombre a E lO, 1[, alors des puissances de a apparaîtront aux déno-
80
CH. 1. THEORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
minateurs des coefficients des termes en
Xl
et la fonction
M
( 1-
~-+X2+ ... +xn+u) (1- P2 + .•• + Pn ) ex
-M
R
p
majorera à plus forte raison la série (213). On a donc affaire à l'équation majorante
En calculant les coefficients de la série de Maclaurin de la solution de cette équation qui vérifie la condition initiale (212), on obtient une série entière qui s'annule pour X s = 0 et la série majorante de la série (216) pour l'équation (211). Si cette série converge, il en sera à plus forte raison de même de la série (216) formée pour l'équation (211). On se propose maintenant de trouver la solution de l'équation (217) qui vérifie la condition initiale (218) où 11' est une série entière à coefficients positifs. Les coefficients de la série de Maclaurin de cette solution se calculent comme plus haut à une différence près: c'est que la condition initiale (218) amènera non plus des zéros mais des nombres positifs au second membre de la formule (214) pour toutes les valeurs positives de ah. Les autres coefficients s'obtiennent par des additions et des multiplications sur les coefficients positifs et strictement positifs déjà calculés du développement en série du second membre de l'équation (218). Donc, si pour l'équation (217) on remplace la condition initiale nulle (212) par la condition initiale (218), où 11' se développe en une série à coefficients réels positifs, alors la série (216) formée pour l'équation (217) avec la condition initiale,(218) sera majorante de la série (216) formée pour l'équation (217) avec la condition initiale nulle (212) et à fortiori majorante de la série (216) composée pour l'équation (211) avec la condition initiale (212). Tout revient donc à prouver que la série (216) formée pour l'équation (217) avec une condition initiale de la forme (218), où 11' possède la propriété mentionnée ci-dessus, converge dans des disques centrés en l'origine. Autrement dit, tout revient à trouver une solution de l'équation (217) vérifiant une condition initiale de la forme (218) et à prouver que cette solution se développe en série de Maclaurin au voisinage de O. On cherchera cette solution sous forme d'une fonction d'une seule variable z = Xl a (x 2 x n ).
+
+ ... +
1-{-28.
TH:eOR~ME
DE KOVALEVSKAIA
81
Ceci étant, U X1
=
du dz;
du
U Xk
(k = 2, ... , n) ,
= a dz
et, par suite, l'équation (217) devient du
M
dz -
(
a;" (1- (n~1) Z
1-
ou (
M,
)
1_(n-1)Ma) du _ R dz
(n-1)a R
(dU dz
"
~: )
)2= __M
M.
z -+u 1- _a_ _ p
On admettra que le nombre a est pris assez proche de 0 pour que le coefficient en :~ soit strictement positif. En développant le second membre de la dernière équation à l'aide de la formule de la somme d'une progression géométrique, on obtient une série entière sans terme constant à coefficients strictement positifs. Cette équation s'écrit alors 2
du) 2 ( dz
du
h dz T
où h > 0 et
~~ = h -
h
JI" 1 - ;2
le radical étant supposé égal à 1 pour z binôme de Newton nous donne - h
JI" 1 -
h~
h
o.
La formule du
"21 (})
= -
= u=
(219)
+1T h
1 (1.) 2" 2"-1
-
2!
<ç2 -h 3
+
1 (1 ) ( 1 ) 2 2"-1 2 -2 cp3 3f
ho
+ ... ,
et tous les coefficients en les puissances de
6-01017
82
CH. I. TImORIE DES :e.QUATIONS AUX D:e.RIV:e.ES PARTIELLES
D'a près le théorème d'existence établi antérieurement, cette équation admet une solution régulière vérifiant la condition initiale u Iz=o = O. Cette solution se représente par une série .00
u= ~
CkZR
k=l
dont tous les coefficients sont strictement positifs. Si l'on porte Z = Xl a (x 2 x n ) dans cette série, on obtient la solution de l'équation (217) sous forme d'une série entière à coefficients strictement positifs. Cette solution vérifiera pour Xl = 0 une condition initiale (218), où'i' (x 2 , • • • , x n ) est une série entière à coefficients strictement positifs. D'après ce qui a été dit plus haut, la construction d'une telle solution de l'équation (216) achève la démonstration du théorème d'existence de la solution du problème de Cauchy. Cette démonstration est due à Goursat. Mais le théorème porte généralement le nom de Kovalevskaïa, car c'est elle qui la première en a donné une démonstration complète. De la démonstration précédente, il s'ensuit que les rayons des disques de convergence de la série (216) (qui donne la solution du problème (211), (212» ne dépendent que des rayons de convergence du second membre de l'équation (213) et du maximum du module M de ce second membre et pas de la forme de la fonction f. S'agissant de l'équation (205) avec la condition initiale (207), il faut encore tenir compte de la dépendance par rapport au rayon de convergence et au maximum du module de la fonction rp (x 2 , • • • , x n ) figurant dans la condition (207). Cette remarque concerne également les résultats du numéro suivant.
+
+ ... +
1-1-29. Equations d'ordre supérieur. La méthode développée s'applique sans changements presque aux équations d'ordre supérieur. Voyons à titre d'exemple une équation du deuxième ordre à deux variables indépendantes, résolue par rapport à la dérivée seconde par rapport à x: r = f (x, y, U, p, q, s, t) (p = u x ' q = u y , r = U xx , S = u xy , t = U yy ). (220) Les conditions initiales sont: u Ix=o = rp (y) ; P Ix=o = 'i' (y). (221) Supposons que rp (y) et 'i' (y) sont des fonctions régulières en y = O. Posons rp (0) = uo; 'i' (0) = Po; rp' (0) = qo; 'i" (0) = So; rp" (0) = t o et admettons que le second membre de l'équation (220) est une fonction régulière au point x = y = 0; u = U o ; P = Po; q = qo; s = So; t = t o'
1-1-29. :mQUATIONS D'ORDRE SUP:mRIEUR
83
Ceci étant, l'équation (220) admet une solution régulière uniqu~ vérifiant les conditions de Cauchy (221). Nous sauterons la démonstration de cette proposition, qui est analogue à la précédente, et indiquerons seulement comment calculer les coefficients de Maclaurin de la solution cherchée. Les conditions initiales (221) nous donnent immédiatement la valeur des dérivées 1 ( a +o:u) , ax aya 0
aa U ) , ( aya 0
quels que soient les ex ~ 0, c'est-à-dire que les conditions initiales nous donnent la valeur initiale de la fonction U et de ses dérivées partiellf's dans lesquelles la dérivation par rapport à x a été effectuée une fois au plus. L'équation (220) nous donne ensuite (
a2u \ Ôx 2
Jo·
Une dérivation des deux membres de (220) plusieurs fois par rapport à y nous permet de déterminer les valeurs de ô2+au ) ( ôx 2 aya
o·
En dérivant les deux membres de (220) par rapport à x 'et en effectuant sur l'équation ainsi obtenue exactement les mêmes opérations que sur l'équation initiale (220), on trouve les valeurs de (
ô3+au ) Ôx3 Bya
o·
En poursuivant cette procédure, on obtient tous les coefficients d~ Maclaurin de la fonction u et ces coefficients sont unique~. ' Formulons maintenant le théorème de Kovalevskaïa dans le cas général pour des systèmes d' équations d'ordre' quelèoIlque. Soi'" donné un système de m équations arhUh _ ( BlUi) --rh=-=--fh Xh Ui' a h B ln
BX I
Xl· ••
Xn
(k= 1, ... , m),
étant les fonctions inconnues, Xl' • • • , X n7 les variables; indépendantes. Les seconds membres de ces équations contiennent les variables x s , les fonctions inconnues Uh et leurs dérivées jusqu fit
U I , ••• , U m
l , or d re
rh
rh
. d es d ' · ' -() - rUh par rapport auxqueIl es ce a.. l' exceptIOn erlvees . Bxlh
"
système est résolu. Les conditions initiales sont de la forme:
6*
84
CH. I. TIœORIE DES
~QUATIONS
AUX
D:eRI~ES
PARTIELLES
On admet que les fonctions figurant aux seconds membres des égalités (223) sont régulières en x = (0, ... , 0). Calculons à l'aide de ces fonctions les valeurs prises au point x = (0, ... , 0) par toutes les fonctions figurant dans hl. ( ) (k = 1, ... , m). Supposons que les fonctions tk (...) (k = 1, , m) sont régulières au voisinage des valeurs calculées de leurs arguments. Si les conditions énumérées sont remplies, le théorème d'existence et d'unicité nous dit que le système (222) admet une solution régulière satisfaisant les conditions initiales (223). Signalons qu'on aurait pu bâtir la théorie des équations différentielles à dérivées partielles en ne considérant que des fonctions analytiques. Cependant cette approche présente des défauts qui seront mis en évidence lors de l'étude des équations d'ordre supérieur. 1-2.
~quations
d'ordre supérieur
1-2-1. Types d'équations du second ordre. On commencera l'exposé de la théorie générale des équations d'ordre supérieur par l'étude des équations linéaires du second ordre. Soit donnée une équation linéaire du second ordre par rapport à la fonction u (Xl' ••• , x n ): n
ft
~
i. k=l
aik
(X) UXiXk
+ k=1 ~ bk (x) lh k + C(X) u = O.
(1)
On admet que les coefficients aik sont des fonctions données des varia.hIes X s et que aki = aik, puisque le résultat est indépendant de l'ordre de dérivation. Les fonctions et les variables indépendantes sont supposées réelles. La théorie générale classe les équations en types. Tout varie d'un type à l'autre, de la position des principaux problèmes et des méthodes de résolution jusqu'aux solutions qui sont douées de propriétés analytiques différentes. Dans ce numéro, on se propose de définir les principaux types d'équations de la forme (1). Considérons à cet effet la forme quadratique par rapport aux variables auxiliaires
68 : n
2J
i, k=l
aikSt~k'
(2)
En attribuant aux variables X s des valeurs x~O), on obtiendra une forme quadratique à coefficients numériques. Si cette forme est définie positive ou négative (tome 111 1 , [11-2-41), on dit que l'équation (1) est de type elliptique au point X s = x~O). On dira qu'une équation ~st de type elliptique dans un domaine D de l'espace (Xl' ... , x n ) si elle l'est en tout point de D. La forme quadratique (2) se ramène à une somme de carrés dite forme réduite. Si les co_efficients de la
1-2-1. TYPES D':mQUATIONS DU SECOND ORDRE
85
forme réduite sont non nuls et de même signe, la forme (2) est de type elliptique. On dira que l'équation (1) est de type hyperbolique dans un domaine D si les coefficients de la forme réduite de (2) sont tous de même signe à l'exception d'un qui est de signe contraire. L'équation (1) est de type ultrahyperbolique si aucun coefficient n'est nul et la forme quadratique réduite n'est ni elliptique, ni hyperbolique. Si les coefficients aik sont constants, le type de l'équation ne dépend pas des valeurs prises par les variables indépendantes. L' équation de Laplace est de type elliptique, l'équation des ondes, de type hyperbolique. Il existe enfin une classe d'équations (1) dites équations paraboliques. Ces équations sont définies par les- coefficients dominants aik (x) et aussi par les coefficients b i (x) en les dérivées UXi. Les coefficients de la forme quadratique réduite sont tous de même signe à l'exception d'un qui est nul. On prouvera dans le numéro suivant que l' équation (1) peut être ramenée, au point fixe x = x(O) , à la forme n
n
h
i=l
'Ai (x(O» uy.y. Z Z
+ i=1 LJ bi (x(O»
u y.
+ c (XO)u = 0
Z
par un changement de variables linéaire non dégénéré. La condition de parabolicité de l'équation (1) au point x(O) se traduit, après réduction à l'équation précédente, par le fait qu'un 'Ai (x(O» (pour fixer les idées 'An (x(O») est nul et les autres tous strictement positifs ou tous strictement négatifs, le coefficient b~ (x(O» en uYn étant différent de zéro. Un exemple classique d'équation parabolique est l'équation de la chaleur n-l
2J
i=l
UX.x. Z Z
Ux
n
=
O.
Les variables Xi' i = 1, 2, ... , n - 1 sont généralement traitées comme des variables spatiales, la variable x n , comme le temps. Les classes (types) définies n'englobent pas toutes les équations (1). Il existe en effet des équations pour lesquelles plusieurs coefficients 'Ai (x(O» sont nuls. Si les bi (x(O» correspondants ne sont pas nuls, on dit alors qu'au point x(O) l'équation est ultraparabolique ou parabolique avec plusieurs temps. Dans le cas contraire, l'équation ne contient pas de dérivées suivant certaines directions et les Y, correspondants joueront le rôle de paramètres. Nous n'envisagerons pas toutes les situations susceptibles de se présenter, nous limiterons notre étude aux cas où l'équation est de type elliptique, hyperbolique ou parabolique dans le domaine qui nous intéresse. Si les coefficients de l'équation (1) contiennent la fonction u et ses dérivées partielles ux Z., alors on ne peut parler du type de cette
m
CH. I. TImORIE DES :mQUATIONS AUX DSRIV1mS PARTIELLES
.équation qu'en fixant une solution u(O) (Xl' ••• , x n ). En portant Il, = u(O) et U x = u~o: dans les coefficients, on obtient uniquement z des fonctions de x" et on pourra alors d'après ce qui a été dit plus haut définir le type de l'équation pour la solution u(O). Si l'on a affaire à une équation non linéaire: alors pour définir le type correspondant à une solution donnée (ln considère les coefficients
a,R, = l
ôF
u(O),
pour u = u(O)
ôUXiXk
et on détermine ensuite le type de l'équation linéaire. 1-2-2. Equations à coefficients constants. Considérons l'équation (1) avec des coefficients aih constants et la forme quadratique correspondante. On se propose par une transformation linéaire \des variables indépendantes de réduire l'ensemble des termes contenant les {iérivées secondes à une forme élémentaire. Soit donc le changement linéaire de variables Yh
+ ... +
= ChlXl
ChnXh
(k = 1, 2, ••. , n).
()n admet évidemment que le déterminant de la matrice aSSOClee à cette transformation est non nul. On passe des dérivées par rapport ~nx anciennes variables aux dérivées par rapport aux nouvelles variables à l'aide des formules: n Ux i
n
=~
8=1
C"iUy, 8
ux.x l k
=
2J
s, t=1
C"iCtkUy 8 Yt'
En portant ces expressions dans l'équation (1), on obtient l'équation transformée n
,i, 2Jk=1 où les coefficients des formules
ai':
aihUYiYh
+ ... = 0,
s'expriment en fonction des anciens à l'aide n
aiR. = LJ 8.
Cfschtast·
(3)
t=1
Si d'autre part on substitue dans la forme quadratique (2) les variables 'lJs à ~s à l'aide de la transposée de la matrice Il C ih Il et que l'on exprime les anciennes variables en fonction des nouvelles, soit ~h =
Cl k'lJl
+ ... +
cnk'lJn
(k = 1, ..., n),
1-2-2. :eQUATIONS A COEFFICIENTS CONSTANTS
87
alors on vérifie immédiatement que les coefficients ailt de la forme quadratique transformée sont définis par les formules (3), c'est-à-dire n
n
2J
ft h=l
aih~i~h
= f, ~ aik1)i1)h' h=1
Or on sait que l'on peut toujours choisir les coefficients Cih tels que la forme quadratique (2) se réduise à une somme de carrés, c'est-à-dire que n
n
i, k=1
i=l
~ aik~i~h == LJ
 i ll:,
autrement dit, aih = 0 pour i =1= k et aii =  i • Les signes des coefficients  i définissent le type de l'équation. Dans les anciennes notations, l'équation transformée s'écrit: n
2J
i=l
ÂiUX.X~+ ••• =O. ~ •
Si l'équation est linéaire et à coefficients constants par rapport aux dérivées premières et secondes et à la fonction u, l'équation transformée s'écrit : n
2J
i=1
n
Âiux.x. l
l
+2J biux. + cu = i=1
/ (Xl' ••• , x n ).
l
(4)
En multipliant les variables X s par un nombre dûment choisi, on peut toujours rendre les coefficients non nuls  i égaux à +1. Supposons que tous les  i sont non nuls et montrons que par une transformation élémentaire de la fonction u nous pouvons faire disparaître les termes contenant les dérivées premières. Soit 1
U
=ve
n
~
b'.
--L..J 2 . -2. ,.. x.l 1=1
(5)
l
En portant cette expression dans l'équation (4), on obtient une équation de la forme n
2J
i=1
ÂiV X •x i +CiV l
= /1 (Xl'
••. ,
X n )·
Les  i sont tous de même signe pour une équation elliptique et l'on peut admettre qu'ils sont strictement positifs quitte à multiplier les deux membres de l'équation par -1. La substitution Xi = V~i fait disparaître les coefficients Âi et en~ gardant les notations précédentes, on peut affirmer que toute éqW\tion linéaire elliptique
88
~QUATIONS
CH. 1. TImORIE DES
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
à coefficients constants peut être réduite à la forme n
LJ
i=1
Ux.x. Z l
+
ClU
= Il (Xl'
.. "
X n )·
(6)
Toute équation hyperbolique à coefficients constants se ramène à la forme n-1
~ Ux .x . - Ux x
i=1
Z
n n
l
-t- cu = 1 (Xl'
... , X n ),
toute équation parabolique, à la forme n-1
LJ
Ux .x . - Ux l l n
i=1
la variable indépendante
Xn
+ cu = 1 (Xl' ..• X n),
est assimilée au temps et désignée par t.
1-2-3. Formes normales dans le cas de deux variables indépendantes. Dans (1-2-2] on a montré que si les coefficients de l'équation (1) sont constants, on peut ramener l'ensemble des termes contenant des dérivées secondes à nne forme normale par une transformation linéaire. Si les coefficients dépendent de X u on n'a guère d'espoir de réaliser cette réduction à une forme normale par une transformation linéaire et l'on doit faire appel à des transformations plus générales et même dans ce cas on ne peut résoudre ce problème que dans le cas de deux variables indépendantes. Soit donc une équation du second ordre à deux variables indépendantes linéaire en les dérivées secondes: a (x, y) Uxx 2b (x, y) UX1/ C (x, y) u1/1/ = O. (7)
+
+
+ ...
Faisons le changement de variables: ~
=
= 'li'
(x, y).
(8)
On passe des dérivées par rapport aux anciennes variables aux dérivées par rapport aux nouvelles à l'aide des formules: Ux Uxx
= u,Cf'x + Urt'li'x; u ,I = u~
u ,I1I
=
UX1/
=
+ u,,'li'xXt u;;
E TI portant ces expressions dans l'équation (7), on obtient l'équation transformée a' (~, TJ) u" 2b' (~, 11) U;lI c' (~, 11) U = 0,
+
+
TlTl + ...
1-2-3. FORMES NORMALES DANS LE CAS DE DEUX VARIABLES
où a' (~, 11) = a
+ 2b
c' (S,11) = a'l'i + 2b'l'x"Py + C"P~, b' (S,11)
89
(9)
= a
L'identité a'c' -
b'2 = (ac -
b2) (
(10)
se vérifie par une substitution directe. Il est immédiat de voir que le signe de la différence ac - bl}; définit le type de l'équation (7). Cette dernière est elliptique, hyperbolique ou parabolique selon que ac - b2 est >0, <0 ou nul. En vertu de (10), le changement de variables conserve le signe de ac - b2't donc le type de l'équation. Les équations hyperboliques à coefficients constants se ramènent dans le cas de deux variables indépendantes à la forme élémentaire U xx uuu = O. (11)
+ ...
Le changement de variables t_
x+y.
1::1-
2
'
'11= '1
x-y 2
(12)
nous conduit à la forme élémentaire U'T1
+ ... =
O.
(13)
On voit donc que si une équation est hyperbolique, elle se réduit dans le cas de deux variables indépendantes à la forme (11) ou (13). On passe facilement d'une forme à l'autre. Revenons à l'équation (7) et supposons qu'elle est hyperbolique dans un domaine D du plan (x, y). Cela signifie que l'équation du second degré (14) a (x, y) 1'2 + 2b (x, y) l' + c (x, y) = 0 possèd e dans D des racines distinctes réelles. On admet que ou bien a =1= 0, ou bien e =1= O. Si a = c = 0, l'équation (7) serait de la forme élémentaire (13). Sans nuire à la généralité, on peut admettre que a =1= O. Considérons l'équation différentielle à dérivées partielles du premier ordre a (x, y) u~ 2b (x, y) uxuu c (x, y) = O. (15)
+
+
u:
En désignant les racines de l'équation (14) par fI (x, y) et f 2 (x, y) on voit que l'équation (15) se scinde en deux équations: Ux = fI (x, y) ul/ (16 1 ) et
90
CH. I.
TH~ORIE
DES BQUATIONS AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
Si les coefficients a, b et c, donc les fonctions Il et 12, sont suffisamment réguliers, alors les équations (16 1 ) et (16 2) possèdent des solutions bicontinûment dérivables dans une partie du domaine D (cf. (I-1-2J). Dans la transformation (8), prenons pour q> (x, y) une solution de l'équation (16 1) et pour 'tp (x, y), une solution de l'équation (16 2), On peut choisir ces solutions telles que le déterminant q>~'tp,l - q>1I'tp~ ne s'annule pas dans la partie considérée de D. On a cP~ = Ilq>u;
\j)~ =
121Py,
d'où q>x,!,,I -
<J>lI'tpX!= (fI -
12)
fPy'tpye
(17)
De ces formules il s'ensuit que si le déterminant s'annule en un point, il en sera de même des deux dérivées partielles premières de fP ou 'l'. Il faut donc prendre des solutions de (16 1 ) et (16 2 ) dont les deux dérivées partielles premières ne sont pas simultanément nulles. Les fonctions cp et 'tp vérifient l'équation (15) et en vertu de (9) on a a' = c' = O. De la formule (10) il s'ensuit que b' =1== 0, si bien que l'équation (7) se réduit à la forme (13). Nous avons vu dans [I-1-2l que les solutions des équations (16 1) et (16 2 ) étaient locales, c'est-à-dire qu'elles ne sont distinctes de constantes que dans un domaine qui, en général, est une partie du domaine dans lequel Ih (x, y) sont continûment dérivables, et l'équation (7) ne peut être réduite à une forme normale que dans le domaine indiqué. Cette remarque sur le caractère local de la réduction de l'équation (7) à une forme normale est également valable pour la suite de l'exposé. Passons maintenant à une équation elliptique. Dans ce cas ac - b2 > et les racines de l'équation (14) sont conjuguées complexes. Considérons l 'u~e des équations (16):
°
Ux
=
-b+i vac-b2 a
u y•
Si l'on admet que les coefficients a, b et c sont des fonttions analytiques de x et y et que a =1= 0, on peut trouver une solution de cette équation sous forme d'une fonction analytique [1-1-28]: U = = cp (x, y) i'tp (x, y). De plus
+
ab CPy - .yac=a b b vac-b2 li 'tpy + a 2
CPx = 'l'x = -
'tpy, q>y.
Faisons la substitution (8). En se servant du système en fP et '1' et des formules (9), on trouve b'
= 0;
a'
=
c'
=
(ac - b2)
(cp~
+ 'tp~) ; .
1-2-4. PROBLt1ME DE CAUCHY
91
en divisant par a' on met l'équation sous la forme f)2 u
f)~2
f)2
+ f)11u + ... = o.
(18)
2
La formule (17) devient CPx'1'y-CPy'1'x= -
2 -.1-ac-b2
a
CPy'1'y.
Le problème est donc résolu pour le cas elliptique aussi. La résolution de ce problème dans le domaine tout entier, sous certaines conditions portant sur les coefficients a, b et c, qui ne sont pas considérés comme des fonctions analytiques, est accessible dans le travail de 1. V e k ua, Problème de réduction de formes différentielles elliptiques à la forme canonique et système généralisé de Cauchy-Riemann. DAN SSSR, 1955, 100, nO 2 (en russe); voir également l'ouvrage du même auteur: Fonctions analytiques généralisées, M., Fizmatguiz, 1959 (en russe). Il reste à étudier l'équation parabolique. Dans ce cas l'équation (14) possède une racine double et l'équation (15) nous donne des équations (16 1 ) et (16 2) identiques. Pour cp (x, y), prenons une solution de (16 1) et pour '1' (x, y), une fonction quelconque telle que le jacobien de cp et '1' soit non nul. Le coefficient a' sera nul dans l 'équation transformée en vertu du choix de cp (x, y). De plus, l'équation étant parabolique, on a ac - b2 = 0 et la formule (10) nous dit que b' = O. Donc a' = b' = O. La fonction c' ne peut être identiquement nulle, car le cas échéant on aurait obtenu une équation du premier ordre et la transformation inverse qui fait passer de (~, 11) à (x, y) ne nous aurait pas donné une équation (7) du second ordre. Donc, dans le cas parabolique, on obtient la forme canonique suivante: U1I11
+ ... =
0,
(19)
où les termes non écrits ne contiennent pas de dérivées secondes mais contiennent nécessairement la dérivée première par rapport à ~. 1-2-4. Problème de Cauchy. On a vu au [I-1-2Jl que pour conditions initiales de l'équation du second ordre F (x, y,
U,
p, q, r,
St
t)
=
0
(20)
on peut en particulier prendre la valeur de la fonction u et de sa dérivée U x = P au point x = x o :
u Ix=xo = cp (y);
P Ix=xo = '1' (y).
(21)
Ces conditions seront appelées conditions initiales spéciales. Ces conditions initiales reviennent à se donner la valeur de la fonction inconnue u et de sa dérivée partielle p le long d'une courbe x = x o du plan (x, y). A noter que les valeurs de l'autre dérivée partielle du
92
CH. I. TImORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
premier ordre, q 1%=%0 = cp' (y), s'obtiennent immédiatement à partir de la première condition (21). Donc, en vertu des conditions initiales, on connaîtra la fonction u et ses dérivées partielles premières le long de la courbe x = X o' Les conditions initiales se généralisent sans peine. Soient données dans le plan (x, y) une courbe  sans point double et les valeurs de la fonction inconnue u le long de cette courbe. On connaît ainsi les valeurs prises le long de 'A. par la dérivée de u suivant une direction tangente à Â. Pour déterminer la dérivée première suivant une direction quelconque, on doit disposer encore d'uIle donnée le long de Â, plus exactement, on doit connaître les valeurs prises le long de  par la dérivée de u suivant une direction quelconque distincte d'une direction tangente à Â. La connaissance des dérivées suivant deux directions du plan (x, y) le long de 'A. nous permet de définir la dérivée de u suivant une direction quelconque du plan (x, y) le long de 'A.. Donc, dans le cas considéré, on doit connaître les valeurs prises sur  par la fonction U et par sa dérivée suivant une direction quelconque non tangente à Â. La donnée des valeurs de u le long d'une courbe 'A. du plan (x, y) se traduit par la donnée d'une courbe l dans l'espace (x, y, u). On connaît de plus les valeurs des dérivées partielles p et q le long de Â. En définitive donc, les conditions initiales consistent à se donner une courbe l de l'espace (x, y, u) et la position du plan tangent le long de 1. Paramétriquement ces conditions se traduisent par la donnée de cinq fonctions (22) x (t), Y (t), u (t), P (t), q (t), liées par la relation du
=
p dx
+ q dy.
(23)
La relation (23) revient à exiger que la donnée des deux dérivées partielles p et q le long de 'A. ne contredise pas la donnée de la fonction u le long de 'A., c'est-à-dire que la dérivée de u suivant une ;direction tangente à Â calculée d'après p et q prenne les mêmes valeurs que eelles obtenues à partir de la donnée de u le long de 'A.. Les cinq fonctions (22) liées par la relation (23) définissent une bande dans l'espace (x, y, u) et le problème de Cauchy revient à chercher une surface intégrale de l'équation (20) contenant cette bande. Le problème de Cauchy se pose dans les mêmes termes dans le cas plus général où la fonction inconnue dépend d'un nombre quelconque de variables. Considérons par exemple l'équation différentielle du second ordre dans le cas de trois variables indépendantes: F(xl , x 2 , x a, u, U%l' U%I' u x3 , u x1xi ' U X1X2 ' " .)=0. (24) Les conditions initiales consistent ici à se donner la fonction U et ses dérivées partielles du premier ordre sur une surface S de l'espace (Xl' x 2 , xa). La fonction u étant donnée sur la surface S, pour défi-
1-2-~. PROBL~ME
DE CAUCHY
93
nir toutes seS dérivées partielles du premier ordre le long de S, il suffit de se donner le long de S une dérivée suivant une direction quelconque nOil contenue dans un plan tangent à S. Si la surface S support des conditions initiales est le plan Xl = xl°), on obtient les conditions initiales spéciales: u Ixl=xio> =
U Xl
Ixl=xiO) = 'i' (x 2 , x 3 ).
(25)
Paramétriquement, le problème de Cauchy revient à se donner sept fonctions de deux paramètres Xl
(t 1 , t 2 ),
{
X2
(t 1 , t 2 ),
u xt (t 1 , t 2 ),
U X2
X3
(t l , t 2 ),
(t 1 , t 2 ),
U X3
U
(t l , t 2 ),
(tl' t 2 ),
(26)
liées par la relation du = U Xl dX 1
+ U X2 dX2 + U X3 dx3 •
(27)
La donnée des fonctions Xl' X 2 et Xs équivaut à la donnée d'une surface, les autres données, à la donnée de la fonction U et de ses dérivées partielles du premier ordre le long de cette surface. Les données (26) liées par la relation (27) sont généralement appelées bande ou, plus exactement, bande de premier ordre dans l'espace (Xl' X2 , XS, u) et le problème de Cauchy consiste à trouver une surface intégrale de l'équation (24) contenant une bande donnée. Si la fonction u dépend de n variables indépendantes (Xl' . • . , x n ), la bande est définie par 2n 1 fonctions de n - 1 paramètres xk (th' •• , t n - l ), U (t l , ••• , t n - l ), UXk (tH • •• , t n - l ) (k = 1, 2, ... , n), liées par la rela tion
+
n
du= ~ u Xk dXk. k==1
Si l'une des variables indépendantes est le temps t et la surface qui supporte les conditions initiales est le plan t = 0, alors on a affaire à un problème, classique en physique mathématique, d'intégration d'une équation avec des conditions initiales données (tome II, [111-2-8]). Les conditions initiales définissent la fonction U et toutes ses dérivées partielles premières sur la courbe ou la surface qui supporte ces conditions. Si l'on adjoint l'équation différentielle initiale aux conditions initiales, alors ainsi qu'on l'a vu au [1-1-29], on peut dans le cas de conditions initiales spéciales, définir de façon unique toutes les dérivées partielles secondes de la fonction inconnue sur la courbe ou la surface indiquées. On dira qu'une bande est caractéristique si avec l'équation différentielle initiale elle ne définit pas de façon unique les dérivées partielles secondes. Cette question sera étudiée
94
CH. I. TIϞRIE DES ~QUATIONS AUX D~RIVl!lES PARTIELLES
plus en détails dans le numéro suivant pour le cas d'une équation quasi linéaire à deux variables indépendantes. 1-2-5. Bandes caractéristiques. Considérons l'équation ar + 2bs + ct + h = 0,
(28)
dans laquelle a, b, c et h sont des fonctions données de (x, y, u, p, q). On demande de trouver une surface intégrale contenant une bande donnée: x (t), y (t), u (t), P (t), q (t)
(du = p dx
+ q dy).
(29)
On a de toute évidence dp
=
r dx
+ s dy;
=
dq
s dx
+ t dy,
et en joignant à ces deux équations l'équation initiale (28), on obtiendra un système de trois équations du premier ordre pour la détermination des dérivées secondes de la fonction inconnue sur la courbe Â: x (t), y (t) qui supporte les conditions initiales: dx.r-t-dy.s=dp, dx . s + dy . t = dq,
{
ar
+ 2bs+ ct =
(30)
-- h.
Les fonctions r, s, t sont inconnues, les autres, des fonctions de t connues en vertu de (29). Si le déterminant du système (30) n'est pas nul, on obtient des valeurs bien définies pour les dérivées secondes. Donc, une condition nécessaire et suffisante pour que le système (30) soit incompatible ou indéterminé est que le déterminant !J. =
dx,
dy,
0
0, a,
dx, 2b,
dy = 0, c
(31)
ou, sous la forme développée, a dy 2
-
2b dx dy
+
C
dx 2 = O.
(32)
Trouvons la deuxième condition qui exprime que le problème est indéterminé, c'est-à-dire que le système (30) admet une infinité de solutions. On admettra que l'un des mineurs du second ordre du déterminant (31) est non nul, pour fixer les idées 0,
dy
a,
c
= -adY=l=-O.
Le système (3D) aura un seul déterminant èaractéristique (tonie III! 1I~2-2l) et pour qu'il soit indéterminé il est nécessaire et suffisant
1-2-5. BANDES
CARACT~iUSTIQUES
95
d'ajouter à la condition (31) 18. condition suivante: O'
dx,
dp, 0, dg, a, -h,
dy =0,
c
ou sous la forme développée . a dp dy
+ h dx dy + c dx dq
= 0,
(33)
condition qui exprime que le déterminant caractéristique est nul (tome III l [1-2-21). En se rappelant de la relation (23) on obtient en définitive les trois équations suivantes qui définissent la bande caractéristique comme une bande le long de laquelle le système (30) admet une infinité de solutions: ady2-2bdxdy+cdx2=0, (34) a dp dy+ h dx'fly + cdx dq= 0, { du= pdx+ qdy. l'raitons séparément le cas de conditions initiales spéciales: u Ix=xo
= cp (y);
P Ix=xo = tp (y).
(35)
Dans ce cas la variable y joue le rôle du paramètre t dans les formules (29) et la variable x est constante: x = X O' La condition (32} nous conduit à l'égalité a = O. A noter que cette relation n'est pas remplie identiquement mais par substitution des conditions~initia les (35) dans la fonction a. Le système (30) devient alors s dy i= dp; t dy = dg; 2bs
+ ct =
-he
.?our que ce système soit indéterminé il est nécessaire et suffisant que la troisième équation résulte des deux premières. En multipliant la troisième équation par dy et en tenant compte des deux premières t on obtient la condition suivante: 2b dp
+ c dg '= -h dy,
qui remplace dans ce cas la condition (33). Pour les conditions initiales spéciales (35), on aura en définitive les relations suivantes pour la détermination de la bande caractéristique: a = 0; 2b dp
+ c dq =
-h dy; du
=
La condition a. 0 montre qu'on ne peut trouver l'équation (28). La deuxième condition 2b
dp dy
+c dydq
+h=O
q dy. U xx
(36)
à partir de
96
CH. I.'!'!œORIE DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
exprime que les quantités p et d définies sur la droite x = X o sont q telles que l'équation (28) est satisfaite, car s = ddP et t = dd sur cette y y droite. La troisième condition nous donne la formule évidente: q 1x=xo = cp' (y).
1-2-6. Dérivées d'ordre supérieur. Au numéro précédent on a vu comment déterminer les dérivées secondes sur une bande donnée. On se propose maintenant de trouver les dérivées d'ordre supérieur. On suppose que le déterminant (31) est non nul. Considérons la différentielle totale des deux premières équations (30) et dérivons l'équation donnée (28) par rapport à x et à y. On a ainsi quatre équations du premier ordre pour déterminer quatre dérivées troisièmes de la fonction inconnue U sur la bande donnée: (dX)2 U xxx + 2 dx dy u:X: Xll + (dy)2 U Xllll = , (dX)2 u xxy + 2 dx dy U xyy + (dy)2 u YYlI = , au xxx + 2bu xxy + CU xyy = ••. , au xxy + 2bu xyy + CU yyy = ••• Le déterminant de ce système s'écrit : (dy)2, (dx) 2 , 2 dx dy, o 0, (dX)2, 2 dxdy, (dy)2 ~l= o • c, a, 2b, 0, a, 2b, C On démontre que ce déterminant est égal au carré du déterminant (31), c'est-à-dire qu'il est lui aussi non nul. En effet, désignons par l'une racine de l'équation a + 2by;+ cy 2 = 0, (37) ajoutons à la première colonne de ~1' la deuxième colonne multipliée par y, la troisième colonne multipliée par y2 et la quatrième colonne multipliée par y3. Les éléments de la première colonne sont: (dx
+
y dy)2, y (dx
+
y!dy)2, 0, 0,
d'où il vient que ~1' qui est un polynôme du quatrième degré homogène en dx et dy, est divisible par (dx + y dy)2. Le coefficient en {dX)4 dans l'expression de ~1 est égal à c2 • En désignant par YI et Y2 les racines de l'équation (37), on peut écrire: 2 . ~1 = c (dx + YI dy)2 (dx + Y2 dy)2, ou, compte tenu de la propriété des racines du trinôme du second degré,
1-2-6.
D~RIV~ES
97
D'ORDRE SUP:8RIEUR
On a admis que l'équation (37) possédait des racines distinctes. Donc, si L\l = L\2 sous cette condition, alors cette égalité est également vraie dans le cas de racines égales. Pour s'en assurer il suffit de modifier légèrement les coefficients a, b et c de telle sorte que l'équation (37) admette des racines distinctes et ensuite de passer dans l'égalité L\l = L\2 à la limite, en faisant tendre les nouvelles valeurs des coefficients vers les anciennes, c'est-à-dire vers celles pour lesquelles l' équation (37) admet une racine double. On obtiendrait de même cinq équations du premier degré pour déterminer cinq dérivées du quatrième ordre et le déterminant de ce système sera aussi non nul, et ainsi de suite. Supposons que ces dérivées sont analytiques et régulières. Comme dans le cas de conditions initiales spéciales et de l'équation résolue par rapport à r [1-1-29], on peut dans un cadre plus général calculer les dérivées de tout ordre sur la bande donnée en admettant que le déterminant L\ est non nul. En formant la série correspondante de Taylor, on aurait pu établir sa convergence comme dans [I-1-28J. Passons maintenant au cas où la bande donnée est caractéristique. On se limitera à l'étude des conditions initiales spéciales (35). Ces conditions définissent S et t pour x = x o et il reste à trouver r. En portant les conditions initiales obtenues dans l'équation (28), on obtient, en vertu de (36), une identité et la dérivée r semble de prime abord indéfinie pour x = X O• En dérivant les deux membres de l'équation (28) par rapport à x, on trouve:
ar x
+ 2bsx + ct x + (a x + aup + apr + aqs) r + + (...) s + (...) t + (...) =
0,
(38)
où les points de suspension remplacent des expressions analogues à celle des parenthèses contenant les dérivées de a. Si dans l'équation (38) l'on porte les conditions initiales (35) et les dérivées secondes déjà connues: s 1x=xo = 'P' (y); t Ix=xo =
+
al (y) Cù~ (y) 7-01017
+
+ ~1 (y)
0)1
+
(y)
+
Y1
(y) = O.
98
CH. I. TIffiORIE DES :E:QUATIONS AUX
D~RIV:E:ES
PARTIELLES
Cette procédure ne s'arrête pas ici. L'intégration de l'équation de Riccati et des équations linéaires ultérieures fait apparaître de nouvelles constantes arbitraires, et toute la difficulté du problème consiste à choisir ces constantes telles que la série de Taylor obtenue soit convergente. On démontre qu'il existe une infinité de telles constantes pour l'équation hyperbolique, autrement dit par une bande caractéristique il passe une infinité de surfaces intégrales. Les conditions (36) ou, dans un cadre plus général, les conditions (34) sont donc les conditions nécessaires et suffisantes que doivent remplir les conditions initiales pour qu'existent des surfaces intégrales contenant la bande caractéristique donnée. Considérons à titre d'exemple l'équation parabolique du second ordre:
t -
Ux
= 0, i.e.
Ux
=
U 1JU •
On a a = b = 0, C = -1 et l'équation (32) donne dx = 0, c'est-à-dire que x = const. La solution du problème de Cauchy doit présenter une singularité le long de toute courbe x = X o. Supposons qu'on a affaire à des conditions initiales spéciales (35). En faisant x = Xo dans l'équation (39), on trouve", (y) = cp" (y), donc la fonction '" (y) est complètement définie par la donnée de la fonction cp (y). On voit que la deuxième condition (35) est réalisée. Donc, dans le cas considéré, il suffit de se donner uniquement la première condition (35). En dérivant l'équation (39) par rapport à x et en faisant x = x o, on définit complètement la valeur initiale: r Ix=xn = cp(IV) (y). En dérivant ensuite l'équation (39) deux fois par rapport à x et en faisant x = x o, on obtient la valeur initiale de la dérivée troisième par rapport à x pour x = x o, et ainsi de suite. Les valeurs initiales des dérivées par rapport à xse définissent de façon unique et les équations différentielles de type Riccati se transforment en relations purement algébriques. Après avoir déterminé les valeurs initiales des dérivées de tout ordre par rapport à x pour x = x o, on peut construire la série de Taylor correspondante. Il s'avère que cette série converge au voisinage de x = X o dans le cas seulement où cp (y) est une fonction entière satisfaisant à une condition subsidiaire. On rappelle que dans le problème de la diffusion de la chaleur dans une barre illimitée (tome II, [VII-4-2l) on a cherché la solution de l'équation (39) vérifiant la première condition (35) sous forme d'une intégrale définie, sans supposer évidemment que cp (y) est une fonction entière. Pour passer aux notations du (tome II, [VII-4-2l) il faut remplacer x par t et y par x dans l'équation (39) et poser a2 = 1 dans l'équation du (tome II, [VII-4-2l). Si l'on admet que cp (y) = 0, on obtient de toute évidence une solution de l'équation (39) qui est identiquement nulle. Montrons que l'équation (39) admet encore une solution élémentaire vérifiant
1-2-7.
CARACT~RISTIQUES
la même condition initiale u Posons 1 u = ---::=r===- e "JI X-Xo
ReELLES ET IMAGINAIRES
Ix= xo
= 0 sauf au point y = 0, x =
99
x o'
'11 2
4(x-xo>
pour pour
u=O
x~xo'
La fonction (40 1) et toutes ses dérivées tendent vers 0 lorsque x tend par valeurs décroissantes vers x o, autrement dit, la fonction définie par les formules (40 1) et (40 2 ) et toutes ses dérivées restent continues en traversant la droite x = x o, et s'annulent sur cette droite à l'exception du point x = x o, y = 0 qui est un point singulier pour la fonction. Une dérivation immédiate de (40 1) nous montre que la fonction u est solution de (39). La fonction u n'est visiblement pas une fonction analytique et régulière de x en tout point de la droite x = x o, car elle est identiquement nulle à gauche de cette droite et distincte de zéro à droite. Donc, la fonction u ne se développe pas en une série entière de (x - xo). La solution (40 1) diffère d'un facteur multiplicatif constant de la solution qui nous donne une source élémentaire de chaleur (tome II, [VII-4-2l).
1-2-7. Caractéristiques réelles et imaginaires. Les coefficients de l'équation (28) ne dépendant que de x et y et pas de u, p et q, on ne peut déterminer le type de cette équation qu'en fixant un point dans l'espace (x, y, u, p, q). Cette équation sera de type hyperbolique, elliptique ou parabolique selon que b2 - ac est >, < ou = O. Soit donnée une bande (29) que nous supposerons réelle. Si l'équation est de type elliptique le long de la bande (29), l'expression du premier membre de la condition (32) ne peut s'annuler et par suite aucune bande réelle ne peut être bande caractéristique. Dans la suite on n'étudiera que le type hyperbolique. L'équation (32) est un trinôme du second degré en :~ qui admet dans le cas hyperbolique deux racines réelles distinctes que nous désignerons par /-11 (x, y, u, p, q) et /-l2 (x, y, u, p, q). L'équation (28) se décompose en deux: dy = /-li dx (i = 1, 2) et les équations (34) se transforment en deux systèmes: dY-fltdx=O, {
a/-li dp -f- h/-l i dx + c dq = 0,
(i=1, 2)
(41)
du= p dx+qdy,
auxquels correspondent deux systèmes de caractéristiques. La situation se simplifie singulièrement lorsque les coefficients a, b et c en les dérivées secondes de l'équation (28) dépendent seulement des variables indépendantes (x, y). L'équation (32) se transfor7·
100
CH. 1. THEORIE DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
me alors en une équation différentielle ordinaire du premier ordre: a (x, y) dy 2
-
2b (x, y) dx dy
+ c (x,
y) dx 2 = O.
Dans le cas hyperbolique, cette équation définit dans le plan (x, y) deux familles de courbes appelées courbes caractéristiques, ou caractéristiques, de l'équation (28). Si l'on se donne des conditions initiales, c'est-à-dire la fonction u et sa dérivée première sur une courbe caractéristique, alors la bande ainsi obtenue soit nous conduit à un système (30) incompatible, soit est une bande caractéristique. Si la courbe support des conditions initiales n'est pas caractéristique, alors le système (30) admet une solution et l'on obtient des valeurs bien définies pour les dérivées secondes et d'ordre supérieur. Dans le cas elliptique, l'équation (32) possède des racines imaginaires et l'on n'obtient pas de courbes caractéristiques dans le plan (x, y). Si le~ variables (x, y) sont complexes, on peut déduire les caractéristiques imaginaires à partir de l'équation (32). On admet évidemment que toutes les fonctions sont analytiques. Dans le cas parabolique enfin, l'équation (32) nous donne une famille de caractéristiques dans le plan (x, y). On voit en s'adressant aux résultats du (1-2-3] que pour réduire l'équation à sa forme' canonique on a pris une famille de courbes caractéristiques pour lignes de coordonnées dans le plan (x, y). 1-2-8. Théorèmes fondamentaux. Comme dans le cas d'une équation du premier ordre, la variété caractéristique joue un rôle essentiel dans l'intégration d'une équation du second ordre. Les équations du second ordre sont justiciables des mêmes théorèmes fondamentaux que celles du premier ordre. Supposons que le long d'une courbe l de l'espace (x, y, u) deux surfaces intégrales de l'équation (28) présentent un contact d'ordre fini, c'est-à-dire que ces surfaces intégrales possèdent le long de cette courbe un plan tangent commun, mais certaines dérivées d'ordre supérieur au premier sont distinctes le long de cette courbe. Il est immédiat de voir que cette courbe et le plan tangent le long d'elle forment une bande caractéristique. En effet, si la bande obtenue n'était pas caractéristique, alors des raisonnements de (I-2-61 il s'ensuivrait que l'on obtiendrait des valeurs bien définies pour les dérivées de tout ordre le long de la courbe l. On a donc le Thé
0
r ème 1. Si deux surfaces caractéristiques présentent un
contact d'ordre fini le long d'une courbe l, alors cette courbe et le plan tangent le long d'elle forment une bande caractéristique.
La propriété essentielle d'une bande caractéristique est que le long d'elle l'équation nous conduit à un système (30) indéterminé. Cette propriété ne dépend visiblement pas du choix des variables indépendantes, d'où le
1-2-8. TH:mORElMES FONDAMENTAUX
101
Thé 0 r è "m e 2. Les bandes caractéristiques se transforment en bandes caractéristiques par tout changement des variables x, y inversible et différentiable. Soit donnée une surface intégrale S de l'équation (28). Sur cette surface u, p et q sont des fonctions définies des variables (x, y). En portant u, p et q dans les coefficients de l'équation (28), on exprime ces derniers en fonction de (x, y) et l'équation (32) devient une équation différentielle du premier ordre définissant deux systèmes de courbes l sur S. Les équations (23) et (32) seront satisfaites le long de chaque courbe l. Il est immédiat de voir que cette équation est identiquement satisfaite en tout point d'une courbe l. S'il en était autrement, il existerait un point M en lequel le système définissant les dérivées secondes serait impossible. Ce qui contredit le fait que la bande définie par la courbe l et le plan tangent à S en M se trouve sur S. On obtient ainsi le Thé 0 r ème 3. Toute surface intégrale peut être recouverte par une famille de bandes caractéristiques. Signalons que si l'on se place dans un domaine réel, ce résultat n'est valable que pour les cas hyperbolique et parabolique. Dans le premier cas la surface intégrale peut être recouverte par deux familles de bandes caractéristiques. Prouvons la réciproque. Thé 0 r ème 4. Si une famille de bandes caractéristiques forme une surface S d'équation u = u (x, y), où u (x, y) est bicontinûment dérivable, alors S est une surface intégrale de l'équation (28). Soit donnée une surface S recouverte par une famille de bandes le long desquelles sont satisfaites les équations (34). Le long de chacune de ces bandes on a dp = r dx
+ s dy;
dq = s dx
+ t dy.
En portant ces expressions dans la deuxième équation (34), on obtient as dy 2
+ (ar + ct + h) dx dy + cs dx a dy 2b dx dy + dx 2 -
C
2
=
2
=
0, O.
En multipliant la deuxième équation par s et en retranchant ensuite de la première, on obtient l'équation (28). A signaler que dx dy est non nul, puisque x et y sont des variables indépendantes. Dans le cas d'une équation du premier ordre, on disposait d'un système d'équations différentielles ordinaires pour la détermination des bandes caractéristiques, grâce à quoi l'intégration de l'équation aux dérivées partielles du premier ordre s'est ramenée à celle d'un système d'équations différentielles ordinaires. Dans le cas présent le système (34) est un système de trois équations (aux différentielles totales) pour les cinq fonctions inconnues.E. L é v i (Math. Ann.,
102
CH. 1. THÉORIE DES ÉQUATIONS AUX DÉRIVEES PARTIELLES
1927, 97) montre comment élargir le système (34) de façon à obtenir un système spécial de cinq équations différentielles du premier ordre à cinq fonctions inconnues. Il exhibe la solution du problème de Cauchy pour ce système, ce qui nous donne la solution du problème de Cauchy pour l'équation (28). Dans le numéro suivant on traitera des cas particuliers où le système (34) admet une intégrale. 1-2-9. Intégrales intermédiaires. Pour simplifier les calculs on ramène les ·équations (41) qui définissent les bandes caractéristiques à une nouvelle forme. En se rappelant que le produit des racines d'une équation du second degré est fllfl2="::' , on peut mettre le système (41) pour i = 1 sous la forme a h dy - fll dx = 0; dp fl2 dq dx = 0; du - (p qlll) dx = O. a
+
+-
+
(42)
Le système correspondant à i = 2 se déduit du précédent par permutation de f-tl et 112' Cherchons une solution V (x, y, u, p, q) dont la différentielle totale est nulle en vertu des équations (42): V x dx
+ V y dy + Vu du + Vp dp + V q dq =
O.
(43)
En tirant dy, du et dp à partir du système '(42) et en les portant dans (43), on doit annuler les coefficients en dx et dq. Donc, pour que la fonction V soit une intégrale du système (42), soit V (x, y, u, p, q) = C,
(44)
il est nécessaire et suffisant qu'elle vérifie les deux équations linéaires à dérivées partielles du premier ordre: h VX+IlIVy+ (P+lllq) Vu - -a V p =0, {
(45)
V q -1l2Vp = O.
Si l'on intervertit III et 112, on obtient un système analogue exprimant la condition nécessaire et suffisante pour que la fonction V soit une intégrale du deuxième système de bandes caractéristiques. Les méthodes de résolution du système (45) ont été développées au (1-1-22]. Supposons qu'on ait réussi à trouver une solution de ce système distincte de la solution triviale qui est égale à une constante. Montrons que toute solution non singulière de l'équation du premier ordre (44) est solution de l'équation (28). En effet, la différentielle totale de V doit s'annuler en vertu de (42), c'est-à-dire doit être une combinaison linéaire des premiers membres de ces équations:
dV=a(dY-llldx)+~(dP+1l2dQ+:
dX)+Y(dU-Pdx-qdy).
(46)
Supposons qu'on connaisse une surface intégrale S de l'équation (44). Sur cette surface, u, p et q sont des fonctions définies de (x, y) et l'intégration de l'équation du premier ordre dy - J.l-l dx = 0 nous donne une famille de courbes qui recouvrent la surface S. De plus le long de ces courbes on a de toute évidence du = p dx q dy. Les expressions en a et y de la formule (46) étant nulles le long des courbes l, on a le long de ces courbes, c'est-à-dire sur S:
+
~
(dp+1l2 dq+ :
dX) =0.
1-2-10.
~QUATIONS
DE MONGE-AMP:ElRE
103
La surface S n'est pas une solution singulière par hypothèse, donc le coefficient en dp ou dq de (43) est non nul. Il s'ensuit que ~ =1= 0 et par suite les équations (42) sont toutes trois satisfaites sur les courbes l, c'est-à-dire que la surface S est recouverte par les bandes caractéristiques de l'équation (28). En vertu du théorème 4 du numéro précédent, cette surface est une surface intégrale de l'équation (28). Donc, étant en possession de l'intégrale (44), on obtient une certaine classe de solutions de l'équation (28) par intégration de l'équation du premier ordre (44). Soient VI et V 2 deux solutions indépendantes du système (45). L'expression VI -
+ 2bs + ct + g (rt -
S2)
+h =
0
(g =1= 0),
appelées généralement équations de Monge-Ampère. Le système qui permet de déterminer les dérivées secondes le long d'une bande n'admet une solution qu'à la condition que l'expression A = a dy 2
-
2b dx dg
+ c dx~ + g (dx dp + dy dq)
soit non nulle. Si cette expression est nulle et l'expression B
=
a dp dy
+ h dx dg + c dq dx + g dp dq
ne l'est pas, on a alors affaire à un système incompatible. Une bande caractéristique est définie par les trois équations suivantes: A = 0;
B = 0;
du
= p dx
+ q dg.
f04
CH. 1. TH:f:ORIE DES :f:QUATIONS AUX D:E:RIV:E:ES PARTIELLES
Si l'on désigne par
les racines de l'équation f.l2 2bf.l ac - gh = 0, on peut déterminer les deux systèmes de bandes caractéristiques à partir des équations g dp + c dx + f.ll dy = 0; g dq + a dy + f.l2 dx = 0; du = p dx + q dy. Le deuxième système se déduit du précédent par permutation de f.ll et f.l2. Tous ces résultats s'obtiennent par les mêmes calculs que plus haut. Les équations de Monge-Ampère sont justiciables des théorèmes fondamentaux de [1-2-8]. Pour déterminer les intégrales intermédiaires on se sert du système f.ll
et
f.l2
+
+
Vx+pVu-~ vp_..tL Vq=O, g g Vy+qV u _..1:2.- V p_.!:. Vq=O. g
g
Le second système s'obtient par permutation de f.ll et des intégrales intermédiaires restent en vigueur.
f.l2.
Toutes les propriétés
1-2-11. Caractéristiques dans le cas de n variables. Considérons maintenant une équation du second ordre de n variables indépendantes: n
2J
i, k=1
ail~ux,xk+···=O
(aik=aki),
(48)
l
les termes omis ne contenant pas de dérivées du second ordre. On admettra provisoirement que les coefficients aik ne dépendent que des variables indépendantes X S • On se bornera à établir la condition sous laquelle l' équation (48) avec des conditions initiales ne permet pas de déterminer de façon unique les dérivées du second ordre, c'està-dire conduit à un système incompatible ou indéterminé. Cette condition est identique à la condition (32) pour deux variables indépendantes. On commence par le cas où les conditions initiales sont spéciales: U 1 (0)=cp(x 2 , · · .,xn ); Xl=Xl ux11 Xl=Xl<0>
=
tp (x 2 ,
••• ,
x n ).
Ces conditions permettent de déterminer toutes les dérivées premières et toutes les dérivées secondes à l'exception de U X1X1 sur l'hyperplan Xl = xt. Pour trouver la dérivée U X1X1 il faut poser Xl = x~O) dans l'équation (48). Si au =1= 0, on obtient une valeur bien définie pour cette dérivée. Si au = 0, on obtient une égalité impossible ou une identité. Donc, si les conditions initiales sont spéciales, la condition cherchée est au = O. (49) Passons maintenant au cas général où les conditions initiales sont supportées par une hypersurface S: <ù l (Xl' • • • ,. X n ) = O. (50)
1-2-11.
CARACT~RISTIQUES
Outre la fonction
(01
DANS LE CAS DE n VARIABLES
considérons n - 1 fonctions
1OS>
(0 S (Xl' • • • , X n }
(s = 2, ... , n) telles que l'on puisse effectuer le changement de
variables: x;
=
(Os
(Xl' • • • ,
x n ) (s
= 1, ... ,
n),
(51)
c'est-à-dire telles que ces dernières équations soient solubles par rapport à X S • Exprimons les dérivées par rapport aux anciennes variables en fonction des dérivées par rapport aux nouvelles variables en ne retenant que les termes contenant les dérivées qui nous intéressent:
L'équation transformée s'écrit al/luXlXl , ,+
... =
0,
(52),
où i, h=1
les termes omis ne contenant pas la dérivée Ux'x'. En vertu de (51)' l l les conditions initiales de l'équation transformée sont données sur l'hyperplan x~ = 0, c'est-à-dire sont spéciales. On peut donc se servir de la condition (49) mais seulement par rapport aux nouvelles variables. En tenant compte de (52), on peut donc affirmer que pour que les conditions initiales supportées par l'hypersurface (50) conduisent à une indétermination ou une incompatibilité lors de la re-cherche des dérivées secondes, il est nécessaire et suffisant que la, fonction (01 soit solution de l'équation (53);
cette équation étant vérifiée aussi pour (01 = O. Toute hypersurfaceremplissant cette condition sera appelée surface caractéristique, ou caractéristique, de l'équation (48). " un pOln . t M 0 (Xl(Q) , • • ., Xn!" 1es coeff·· Sl· l' on repere IClen t s aile prendront en ce point des valeurs bien définies que l'on désignera. par aiZ). Appelons direction caractéristique de la normale en M ().. la direction du vecteur dont les coordonnées réelles al' ... , an. vérifient l'équation (0) )
L'équation (53) exprime qu'en tout point de la surface S la directiofr de la normale à S est une direction caractéristique de la normale. Si la surface S est telle qu'en aucun de ses points la direction de lanormale n'est caractéristique, c'est-à-dire que le premier membre de-
106
CH. I. TH1WRIE DES ÉQUATIONS AUX DÉRIV:E:ES PARTIELLES
{53) est non nul sur S, alors d'après ce qui a été dit plus haut, le -changement de variables (51) ramène l'équation (48) à la forme
et donne de la surface S le plan x~ = O. Ceci permet de transformer le problème de Cauchy sur S en un problème de Cauchy sur le plan -x~ = O. Si l'équation (48) possède par exemple des coefficients analytiques et si la surface Sn' est pas caractéristique et 00 1 est une fonction analytique, alors le problème de Cauchy transformé (c'est-à-dire sur le plan x~ = 0) peut être résolu sous des conditions appropriées à l'aide du théorème de Kovalevskaïa. Si la surface S est caractéristique, alors la fonction u et ses dérivées partielles du premier ordre ·doivent être reliées par une certaine relation sur S. En effet, pour ·démontrer cette assertion il suffit de trouver une relation entre u et ses dérivées partielles par rapport à x~, ... , x~. Rappelons que l'équation de S est simplement x~ = O. Si S est une surface caracté-ristique, alors a~l = 0 pour x~ = 0 dans l'équation transformée et J'on obtient l'équation
"où les termes omis ne contiennent que les dérivées premières. Donc, les fonctions !Po et CP1 sont reliées par: n
~ i, k=2
2
, 8 cpo aik 8 '8 ' x· xk t
n
+
~'OCPl ,a 1 i --ç;-;vX.
i=2
+ . . . = 0.
t
-Cette expression ne se ramène pas à une identité par rapport à (flo -et CP1. Supposons maintenant que les coefficients aik dépendent de x s , de u et de U xs • Les conditions initiales sur la variété (50) à n - 1 -dimensions dépendent de n - 1 paramètres. Supposons que ces paramètres sont X 2 , ••• , X n • En portant les expressions des conditions .initiales dans les coefficients aik, on obtiendra comme précédemment l'équation (53) qui doit être satisfaite en vertu de (50) et l'on peut . alors dire si la surface S d'équation 00 1 = 0 est caractéristique sous les conditions initiales données. Dans la suite on se limitera au seul cas où les coefficients aik ,dépendent uniquement de X s • A noter que si l'équation (48) est de .type elliptique, alors comme dans le cas de deux variables, l'équa.tion (53) ne possède pas de solutions réelles autres que 00 1 = const. La solution 00 1 = const ne présente manifestement pas d'intérêt )Jour notre problème.
107
1-2-12. BICARACTBRISTIQUES
1-2-12. Bicaractéristques. L'équation (53) doit être satisfaite en
vertu de (50). Exigeons qu'elle soit identiquement vérifiée par rapport à X S • Sous ces conditions, l'équation (53) est une équation différentielle aux dérivées partielles du premier ordre dont toute solution distincte d'une constante nous donnera une famille de caractéristiques: (54) où C est une constante arbitraire. Réciproquement, pour que l'équation (54) définisse une famille de caractéristiques, il est nécessaire et suffisant que la fonction w l soit solution de l'équation (53). On démontre comme plus haut [1-1-21 que toute caractéristique peut être englobée dans une famille de la forme (54) et donc que les solutions de l'équation (53) définissent toutes les caractéristiques. Dans les équations de physique mathématique, la variable temps joue un rôle exceptionnel en regard des autres variables qui sont assimilées aux coordonnées spatiales. On admettra dans la suite que la variable temps est X n et l'on posera X n = t. Pour les autres variables 'on se servira des notations Xl' • • . , X m , autrement dit, on conviendra que n = m 1. Ecrivons l'équation de la surface (50) sous la forme résolue par rapport à t, soit: t - W (Xl' . . • , x m ) = 0 et supposons que les coefficients aik ne dépendent pas de t. En portant le premier membre de l'équation t - W = 0 dans (53), on obtient l'équation suivante pour la fonction W :
+
m
"LJ
m
ôw -ôôw - 2 "LJ ai1~ -aXi Xk
i, k=l
ain
ôw + a -ann = Xi
o.
(55)
i=l
En principe, cette équation doit être satisfaite du fait que t = w. Or, elle ne contient pas t, donc on peut affirmer qu'elle est identiquement vérifiée. Revenons au cas général et écrivons le système de Cauchy correspondant à l'équation du premier ordre (53). L'équation (53) ne renfermant pas la fonction W Il on omettra la relation du système de Cauchy qui contient dw 1. On obtient ainsi le système d'équations différentielles ordinaires suivant:
(k = 1, 2, ... , n) n
dPk = _ ds
'" LJ i, ;=1
où s est un paramètre auxiliaire. Considérons une famille d'hypersurfaces caractéristiques Cù l (Xl' • • • , X n ) = C et posons Pk = ~Wl. (,xk
108
CH. I.
TH~ORIE
DSR~ES
DES :eQUATIONS AUX
PARTIELLES
Les Pi sont des fonctions de (Xl' ••. , x n ). En les portant dans les seconds membres des équations (56 1), on obtient un système du premier ordre pour (Xl' .•. , x n ). Si l'on prend une solution quelconque de ce système et qu'on la porte dans les expressions de Pk, on s'assure immédiatement que les fonctions obtenues sont solutions des équations (56 2). En effet n
n
i,3=1
i,3=1
(57) En remplaçant l'indice k par j dans l'équation (53) et en dérivant les deux membres par rapport à Xk, on trouve n
~ ôai i LJ . iJx~ PiPi
n
+
i, 3=1
+
~ ôPi LJ aii iJxk Pi. i,3=1
n
~ LJ
ôPi 0 aijPi ôXk ::::::s •
i,3=1
Les deux dernières sommes sont égales, puisque ail = identité nous permet de mettre (57) sous la forme dpk ds
=
aii.
Cette
n ~
_
LJ i,3=1
qui n'est autre que l'équation (56 2 ). Signalons que la relation (54) est une intégrale du système (56 1 ). En effet, n
~~1
=
~
k=1
n
k
: : : . d:S
=
2
~
i, k=1
aik
::~ ~~~
,
et la dernière somme est identiquement nulle en vertu de (53). Les courbes de l'espace Rn de point générique (Xl' ... , x n) obtenues par intégration du système (56 1 ) dans lequel on aura posé Pi = ~~~ s'appellent bicaractéristiques correspondant au système 001 = C des surfaces caractéristiques. Si lors de l'intégration du système (56 1 ) on prend pour point initial XkO l un point situé sur une hypersurface (ù 1 = Co, alors la bicaractéristique correspondante sera tout entière située sur cette hypersurface, autrement dit, toute surface caractéristique de l'équation (48) peut être formée de bicaractéristiques. Exhibons maintenant les conditions sous lesquelles les solutions du système (56 1 ), (56 2 ) forment une hypersurface caractéristique. La surface (54) est une variété à n - 1 dimensions dans Rn. Etant donné que le paramètre s figure dans l'équation de la bicaractéristique, pour former l'équation de l 'hypersurface caractéristique (54) il faut prendre une famille de bicaractéristiques dépendant de n -. 2 paramètres. On admettra que les valeurs initiales xkO l et PhO l des variables figurant dans le
1-2-12. BICARACT:eRISTIQUES
109
système (56 1), - (56 2) dépendent de n - 2 paramètres t 1 , • • • , t n -2En reprenant les raisonnements de [1-1-8] on s'assure sans peine qu'une condition nécessaire et suffisante pour que la famille de bicaractéristiques obtenue définisse une hypersurface caractéristique est que les valeurs initiales x~) et PkO) vérifient les relations suivantes [1-1-12]: n ~
LJ
a~O)p~O)p(O) - 0 lkl k-,
(58)
=0
(59)
i, k=1 n ~
L..J
p(O) 8
ôx
Ôt.}
(j = 1, ... , n - 2),
s=1
où aWi = aik (x~O». Ceci étant, on admet que l'un au moins des jacobiens d'ordre n - 1 des variables (Xh ... , x n ) par rapport aux paramètres (s, t 1 , • • • , t n - 2 ) est non nul. Tous les résultats exhibés découlent directement de la méthode de Cauchy d'intégration d'une équation du premier ordre (1-1-12). Une légère complication est apportée ici par le fait que l'équation de la surface intégrale est cherchée sous la forme implicite (01 (Xl' ..• . . . , x n ) = C et par suite le système de Cauchy (56) ne contient pas la fonction (01. Une surface intégrale singulière de l'équation (53), dite conoïde ~aractéristique, joue un rôle essentiel en physique mathématique. Le -conoïde s'obtient par la méthode précédente en admettant que les x'k° l (le sommet du conoïde) sont fixes, c'est-à-dire ne dépendent pas des paramètres, et en imposant aux p'k0 ) de vérifier la condition (58). Signalons que cette équation définit n quantités p'k0 ) comme des fonctions de n - 1 paramètres. L'équation (58) étant homogène, l'un des paramètres figure comme facteur dans PhO). On vérifie sans peine que les équations (56 1 ) et (56 2) ne changent pas si l'on remplace s par.!.a s et Pk par apk, où a ne dépend pas de s. Donc, le paramètre qui figure -comme facteur dans PhO) est redondant, car il figurera de toute façon par l'intermédaiaire de s. On peut donc considérer que l'une des quantités PkO) est égale par exemple à 1. Si les coefficients aik sont constants, les équations (56 2 ) montrent qu'il en sera de même des Pk et l'on voit sur les équations (56 1) que Xk seront des polynômes du premier degré en s, autrement dit, si les coefficients aik sont constants, les bicaractéristiques sont des àroites· de Rn. Traitons un cas particulier important. Posons Xl = t et considé...ons l'équation de forme spéciale m
Utt -
2J
i, k=1
aikuXiXk + ... = 0,
(60)
110
CH. 1.
TH~ORIE
D~RIV~ES
DES ÉQUATIONS AUX
PARTIELLES
où m = n - 1 et les coefficients aih ne contiennent pas t, c'est-à-dire dépendent seulement de X h • • • , X m • On admettra que la forme quadratique m
2J
1, h=l
aihSiSh
sS'
est définie positive pour toutes les valeurs de s'écrit dans ce cas
L'équation (53)
m (
O~oot1
) 2_
'"
LI
u
000 1 oro1 -_ 0 oXi
OXh -
•
i, k=l
On cherchera une hypersurface caractéristique sous la forme résolue par rapport à t: (ù
(Xh • • • ,
Xm ) -
t
0 ou t
=
Sous ces conditions Po = ~~1 premier ordre
=
=
(Xl'
(ù
••. ,
X m ).
(61)
-1 et l'on obtient l'équation du
m
~
1
(62)
aikPiPk = 1.
(63)
aik(ÙXi(ÙXk =
i, h=l
ou m
LJ
i, k=l
Le système de Cauchy correspondant est: dt
dXk m
2
~
m
2
ahiPi
~
i, k=1
i=l
dPh
-
m
aikPiPk 'i,
~
i=l
oaij OXk
PiPj
Si l'on particularise une hypersurface (61), alors de (63) et du dernier système, il s'ensuit que les bicaractéristiques qui la forment doivent satisfaire au système suivant: dXk
m ~
(f't = LI
akiPi
(64)
i=l
On peut traiter la surface (61) non pas comme une surface fixe dans l'espace Rn de point générique (Xl' . . . , X m, t), mais comme une surface mobile dans l'espace Rm de point générique (Xl' ... • • 0' x m ). On traitera par ailleurs les solutions du système (64) comme des courbes Iv de Rm paramétrées par le temps t. Ceci étant, la courbe  ne sera pas située sur la surface mobile (61).
1-2-13. LIEN AVEC UN
PROBL~ME
Ht
VARIATIONNEL
Si par exemple dans l'espace R3 de point générique (Xl' on a affaire au cône X~ X~ - c2t 2 = 0,
X2,
t)
+
alors on doit le traiter dans le plan (Xl' X 2) comme un cercle centré en l'origine, de rayon variable ct. Si les génératrices rectilignes de cecône sont des bicaractéristiques, alors les lignes  constituent dans le plan (Xl' X 2 ) un faisceau de droites issues de l'origine. On verra plus loin que cet exemple correspond au cas où l'équation donnéeest l'équation des ondes 2 Utt - c (U XIXI U X2X2 ) = O.
+
1-2-13. Lien avec un problème variationnel. Soit A la matricedes coefficients aik' La résolution du système (64) par rapport à Pi nous donne P = A -1 ~;, où A -1 est la matrice inverse de A. En portant les expressions de Pi dans l'équation (63), on transforme la forme· quadratique de Pi en une forme quadratique de ~; , c'est-à-dire qu'on obtient (65} où la matrice B des coefficients b ik se déduit de A à l'aide de la formule (tome III I , [11-2-1]):
= (A _1)* AA -1 = (A -1)*, ou encore, puisque A est symétrique, B = A -1. B
Munissons l'espace Rm de la métrique m
2
2.J
da =. b ik dXi dXk o i, k=1
L'intégrale
J
da
/
=
JV
m
~
i, k=l
'
bik dXi dXh
=
tl ....
f
JV to
m
~
(66}
i, h=l
étendue à une bicaractéristique quelconque d'une hypersurface caractéristique (61) est égale en vertu de (65) à la différence des bornes d'intégration, autrement dit, la longueur de tout arc de la bicaractéristique indiquée est égale, pour la métrique (66), à la différence des valeurs de t correspondant aux extrémités de cet arc. En comparant les résultats précédents à ceux de (tome IVl , [II-20]) on constate que l'équation (63) est l'équation de la fonction fondamentale d'un champ d'un problème aux variations posé pour
1.f2
CH. 1. THBORIE DES BQUATIONS AUX DBRIV:mES PARTIELLES
l'intégrale (66). Donc, la famille d'hypersurfaces (0 (Xl' ... , x m ) = t ·.est la famille de surfaces transversales d'un champ du problème aux variations posé pour l'intégrale (66). Il est aisé par ailleurs de vérifier que les bicaractéristiques correspondant à la famille de surfaces caractéristiques et définies par les équations (64) seront les extrémales ·de ce champ. Pour le prouver il suffit de s'assurer, en se servant de l'équation (64), que les bicaractéristiques coupent transversalement ,les hypersurfaces (0 (x l ' . . ., X m ) = t. En effet, la condition de transversalité se réduit à la proportionnalité de Pi = (0 Xi et des dérivées de l'intégrant de (66) par rapport à x; (tome IVl , [II-20)), c'est-à-dire à la proportionnalité de Pi m
·et de 2Jbi1~Xk. La résolution de l'équation (64) par rapport à Pi k=l
,nous donne m
Pi =
2J
k=l
bi1~Xh
'ee qui prouve notre assertion, savoir que la famille d'hypersurfaces caractéristiques est coupée transversalement par les bicaractéristiques. A noter que si nous avons affaire à un conoïde caractéristique, la famille de surfaces transversales est une famille de quasi-sphères de rayons t dont le centre (x(~), .•. , x~») est le sommet du conoïde. Si l'équation (60) décrit un processus ondulatoire dans l'espace R m • .alors l'équation du premier ordre (63) définit l'optique géométrique de ce processus à l'aide des surfaces caractéristiques et les bicaractéristiques sont les rayons définissant cette optique géométrique. Ces ,
L] ai1~uX'Xh + ... = 0
i, h=1
l
(ahi
= aik),
(67)
I-Z-U..PROPAGATIOK DE LA SURPACB DE DISCONTINUITS
H3
où aik sont des -fonctions données de (XIt ••• , x n ). Les surfaces caractéristiques seront définies par l'équation n
D (Xl' ••• ,
Xn ,
Pl' "', Pn) =
(Pt
2J
i, k=1
aikPtPk =
°
= ~:~ ) ,
(68)
où D (Xl' ••. , X n , Pl' . . ., Pn) désigne le premier membre de l'équation. Le système de Cauchy correspondant à cette équation, c'està-dire le système d'équations différentielles ordinaires définissant les bicaractéristiques, est constitué des équations (56 1 ) et (56 2). En remplaçant le paramètre auxiliaire 8 par 8/2 on ramène ce système à la forme: dXk
1
1
dpk
dS='2 D pk; fiS = -TDxk (k= 1, ... , n).
(69)
Les premières équations de ce système sont de la forme: (k=1, 2, ... , n).
En les résolvant par rapport à Pt et en portant Pi dans l'équation (68), on obtient n
(70) où B = A -1. Munissons Rn de la métrique n
da: = ~
i, k=l
b'k dXi dXk'
La différence essentielle qui existe avec le cas précédent est que le second membre de cette formule peut pour une équation de type hyperbolique prendre des valeurs aussi bien strictement positives que strictement négatives {forme quadratique alternée (tome IIIIt [11-2-41) et par suite dal peut être imaginaire. De (70) il s'ensuit que les bicaractéristiques sont caractérisées par la relation da l = 0, c'est-à-dire que la longueur de tout segment de bicaractéristique est nulle pour la métrique adoptée. 1-2-14. Propagation de la surface de discontinuité. Supposons que les dérivées secondes d'une solution u de l'équation (48) présentent sur la surface (71) 8-01017
H4
CH. 1. TJtBOlUB DES .8QUATIONS4UXDPIV8BS PARTIBLLES
une discontinuité de premjère espèce, mais cette fonction et se~ dérivées premières restent continues en traversant la surface (71). La solution u sera traitée des deux côtés de la surface (71) comme deux solutions distinctes de l'équation (48). Ces solutions vérifient les mêmes conditions initiales sur cette surface, mais leurs dérivées secondes prennent des valeurs différentes. On peut donc affirmer que la surface (71) doit être une surface caractéristique de l'équation (67). On aurait obtenu le même résultat en supposant que la solution u et ses dérivées partielles premières et secondes restent continues à la traversée de la surface (71), les dérivées d'ordre supérieur présentant, elles, une discontinuité. On dit qu'une solution de l'équation du second ordre (67) présente une discontinuité faible sur la surface (71) si à la traversée de cette surface elle reste continue avec ses dérivées premières, et certaines de ses dérivées d'ordre supérieur sont discontinues. Des raisonnements précédents il s'ensuit que seule une surface caractéristique peut être une surface de faible discontinuité. En assimilant la variable X n au temps t (x n = t), on transforme l'équation (71) en l'équation horaire d'une surface de faible discontinuité dans l'espace Rm: '1' (Xl' ••• , X m , t) = O. (72) Déterminons la vitesse de propagation de cette surface. Repérons un point M sur la surface (72) et menons à partir de M la normale ~t le point M à cette surface dans le sens où '1' > O. A l'instant t se retrouve en Ml. La limite du rapport MMI / ~t lorsque ~t-+ 0 s'appelle vitesse de propagation de la surface (72). Soit
+
~ '1'~ .. Vf i=1
g= ..
(73)
1
Les cosinus directeurs de la normale en M ont pour expression
'1'x, cos (n, Xi)=-. g
(74)
Dérivons la relation (72): m
LJ
i=1
'!'Xi dx, + '!'t dt = O.
La quantité dx i peut être traitée comme la projetée du déplacement infiniment petit MMlle long de la normale sur l'axe OXi. On a donc m
lJ
i=1
'1'x·MMl cos (n, '
X,)
+ '1't dt =
O.
115
I-2-1i. PROPAGATION DE LA SURFACE DE DtSCONTINUIT~
En tenant compte de (74) on obtient l'expression suivante pour la vitesse du mouvement de la surface (72): p= -~. g
(75)
Si m = 2, on obtient une courbe mobile sur le plan (XIt x 2 ), si m = 3, une surface mobile dans l'espace (:Ch X 2 , xs). Examinons à titre d'exemple l'équation des ondes pour m Uu -
=
1:
a2u xx = O.
L'équation (53) s'écrit
''l'f - a2"':
= 0 ou
:~
+ a.
=
Cette équation montre que le point de faible discontinuité doit sedéplacer sur l'axe Ox à la vitesse + a. Les caractéristiques seront deux familles de droites x ± at = c du plan (x, t). Considérons encore l'équation Utt -
1 (u x ,
Ut) U xx
=
0,
que l'on rencontre dans l'étude de l'écoulement d'un fluide compressible en dimension un. La condition (53) s'écrit Ut)"'~ = O. Supposons que sur l'axe Ox le fluide est au repos (pour fixer les idées, à gauche du point de discontinuité). On a alors U x = Ut = 0 à gauche et au point de discontinuité. La condition précédente devient "'~ - 1 (0, 0) ",~ = 0, et la vitesse de propagation de la discontinuité a pour expression: p= ± VI(O, 0). (76)
"" - 1 (u x ,
Passons maintenant à l'étude de l'équation des ondes à trois variables indépendantes: Utt -
a2 (u x1xi
+U
X2X2 )
= o.
L'équation (53) s'écrit dans ce cas:
a2 ("'~1 + "'~2) = 0, ou encore ''l'~ - a2g2 = 0 compte tenu de la formule (73). Cette équation du premier ordre exprime que toute courbe caractérisique du plan (Xl' X 2) se déplace à la vitesse a. On obtiendrait le même résultat pour une surface caractéristique de l'espace (Xh X 2 , xs) dans le cas de l'équation des ondes 2 Utt - a (u x1xi + U X2X2 + U X3X3 ) = O.
",t -
Signalons que le coefficient a 2 peut être supposé dépendre de (xIt. X 2 , xa). 8*
1t6
CH. I. TRSORIE DES
~UATIONS
AUX D:&RlV:&ES PARTIELLES
1-2-15. Discontinuités fortes. En étudiant les solutions discontinues des équations du second ordre on a admis que ces solutions et leurs dérivées premières restaient continues à la traversée de la surface de discontinuité, alors que les dérivées d'ordre supérieur présentaient une discontinuité. Ce n'est qu'à cette condition qu'on a pu affirmer que la surface de discontinuité est une surface caractéristique. Passons maintenant à l'étude des discontinuités fortes, c'est-à-dire au cas où sont discontinues les dérivées premières de la solution de l'équation du second ordre. On se propose d'établir les conditions sous lesquelles la surface de discontinuité est nécessairement une surface caractéristique. On étudie l'équation des ondes de trois variables indépendantes. L'opérateur composé du premier membre de cette équation: 1
Du = u xx + u YlI -(i'2 Utt, s'appelle opérateur de Lorentz. Considérons un autre opérateur constitué des dérivées du premier ordre: P (u) = U x cos (n, x)
+ u y cos (n,
1
y) - (i2 Ut cos (n, t),
(77)
n étant une direction dans l'espace (x, y, t). Soient D un domaine de l'espace (x, y, t), S sa frontière et n la direction de la normale extédeure à la surface S. En appliquant la formule de Gauss, on peut comme dans le (tome II, lVII-3-2l) écrire la formule de Green suivante pour l'opérateur de Lorentz:
Jl J[vou-uOv] d't
=
JJ
[vp {u)-uP (v)] dS,
(78)
et v sont des fonctions possédant des dérivées premières et second,es continues dans D. En particulier, quelles que soient u EC 2 (D) et v EC~ (D)*), on a QÙ U
JJJ[vDu-uDv] d't=O.
(79)
D
Supposons que le domaine D est partagé par une surface 0' en deux parties Dl et D 2' cette surface étant une surface de discontinuité pour les dérivées premières de la fonction u. Etablissons les conditions que ·doit remplir cette discontinuité pour que la formule (79) reste valable :sur D tout entier pour une fonction u à dérivées discontinues et une :fonction quelconque v E Cr: (D). On admettra que la fonction u reste 'continue à la traversée de (J. Soient M un point de (J, l, une direction ;quelconque du plan tangent à 0' en M. On admettra que la dérivée , *)On rappelle que C':(D) désigne l'ensemble des fonctions indéfiniment dérivables à support compact appartenant à D.
1-2-15. DISCONTINUlmS FORTES
111
~~ tend vers la même limite que l'on s'approche du point M d'uD, côté ou de l'autre de la surface (J et que cette limite est égale à laI dérivée suivant l des valeurs prises par la fonction u sur (J. Cette condition s'appelle parfois condition de compatibilité cinématique. Si· n est une direction fixe de la normale à (J en M, on admettra qu' à l'ap-, proche de Md 'un côté ou de l'autre de la surface, :: prend des valeurs,' bien définies susceptibles d'être différentes selon le côté considéré.Formulons maintenant la condition de compatibilité dynamique. Cette condition traduit le fait que l'expression (77) tend vers la même limite indépendamment du côté par lequel on s'approche d'uD point de la surface (n est la direction de la normale en ce point),. pourvu que la direction de n soit la même dans les deux cas. On admet par ailleurs que la formule (78) est valable séparément dans les parties Dl et D 2 de D. Ceci aura lieu visiblement si la fonction u" possède des dérivées premières et secondes continues dans Dl et D 2 et sur o. Si l'on applique la formule (78) à Dl et à D 2 , les directions de la normale extérieure à la surface (J seront opposées et les expressions respectives de P (u) seront de signes contraires. En ajoutant ces deux formules, on obtient la formule (79) pour D tout entier, puisque les intégrales étendues à (J se simplifient. La formule (79) est donc vala-ble pour le domaineD tout entier sous les conditions de discontinuité, forte imposées à la fonction u. Exhibons maintenant quelques conséquences importantes des: hypothèses avancées. Soit n le vecteur unitaire de la normale à (J.-. Considérons le produit vectoriel grad u X n. Si l'on désigne par 1 levecteur unitaire qui a le même sens que le projeté de grad u sur le " au au plan tangent a (J, alors grad u = al 1 ann et grad u X n =
+
:~1
n. Ce produit est donc continu à la traversée de (J. Les composantes de ce produit nous sont données par les trois expressions suivantes qui, en vertu des conditions cinématiques de compatibilité. doivent être continues à la traversée de (1: =
X
uxcos(n, y)-uycos(n, x)=M I , ullcos(n, t)-Ut cos (n, y)=M2 , { Ut cos (n, x) - U x cos (n, t) = M 3.
(80)
La condition formulée plus haut nous donne encore une quatrième expression qui doit rester continue à la traversée de (J: uxcos(n, x)+uycos(n, y)-
t
a 2 Ut
cos (n, t)=M i .
(81)
On traitera les équations (80) et (81) comme quatre équations du premier degré en "x, "1/ et "t. Si le rang de la matrice de ce système était.
H8
CH.
r.
TImORIE :DES :€QUATIONS AUX n:mRIV:€ES PARTIELLES
égalà. trois, c'est-à-dire si J'un des déterm.inants d'ordre trois de c'ette matrice était non nul, alors on aurait pu résoudre ce système par rapport à u x , u1/ et Ut et ces dérivées se seraient exprimées par l'intermédiaire des fonctions continues M k' Les dérivées premières de la fonction U étant continues à la traversée de a, on n'aurait pas eu de discontinuité forte. On peut donc affirmer que le rang de la matrice est strictement inférieur à trois, autrement dit, tous les déterminants d'ordre trois de la matrice o cos (n, y) - cos (n, x) o cos (n, t) -cos (n, y) (82) cos (n, x) -cos (n, t) 0 cos (n, x)
1
cos (n,y) --cos(n a2 , t)
sont nuls. Il est. immédiat que
i\~ +~: + i\~ = [ cos2 (n, x) + cos2 (n, y) i\~ = 0, ~k. étant le déterminant obtenu
et k-ième ligne. Donc, dire que les i\h
;2 cos (n, t) 2
par suppression de la sont nuls revient à dire que
2 (n, t)=O. cos2 (n, x)+cos2 (n, y)--;-cos a
Si la surface a a pour équation 'li' (x, y, t) met sous la forme évidente
'li'x + 'l'y 2
2
1 . a2
2
J2 ,
(83)
= 0, alors l'égalité (83) se
0
'li't = ,
et l'on constate donc que dans le cas d'une discontinuité forte, la surface a doit être une surface caractéristique de l'équation 0 u = O. Si la condition (83) est remplie, on démontre aisément que les déterminants d'ordre trois de la matrice (82) sont tous nuls et que Mi est une combinaison linéaire de Ml' M 2 et Ma, plus exactement, cos (n, t) M~ = cos (n, y) M 2 - cos (n, x) Ms. On voit ainsi que si les conditions cinématiques de compatibilité sont remplies, c'est-à..,dire que Ml' M 2 et Ma sont continues et la surface a est une surface caractéristique de l'équation 0 u = 0, alors M", est continue, c'est-à-dire que la condition dynamique de compatibilité est satisfaite. Signalons que dans les raisonnements précédents on a obtenu l'équation de la surface caractéristique sans étudier les solutions de l'équation Ou = f mais en utilisant uniquement l'égalité (79) dont le premier membre contient 0 u. . On a donc prouvé que si une fonction u présente une discontinuité forte sur la surface a et vérifie sur a les conditions cinématiques et
1-2;'18. MATRODB DB JUBMANN
H9
dynamiques de compatibilité, alors (J est une surface caractéristique et la fonction u satisfait l'identité (79) pour tout v E C~ (D) (et tout v E C~ (D». . La réciproque est également vraie: si une fonction u présente une discontinuité forte sur (J, vérifie les conditions cinématiques de comrpatibilité sur (J et l'identité (79) pour tout v E C~ (D), alors (J est une surface caractéristique et la fonction u satisfait la condition dynamique de compatibilité, c'est-à-dire que le saut [P (u)l(J de la fonction P (u) à la traversée de (J est nul. . En effet, on sait que u est continue dans D (donc [ul(J = 0) et {grad ul(J =1= O. De l'identité (79) il s'ensuit que ) v [P (u)]a dB = 0, a
ce qui, en vertu du choix arbitraire de la fonction v (tome IV h [11-2], 1111-4]), entraîne [P (u)la = 0, c'est-à-dire la condition dynamique de compatibilité. Comme [grad ul a =1= et [u~la' [ul/la, [Utla sont solutions du système d'équations (80), (81), ceci n'est possible, ainsi qu'on l'a vu plus haut, que dans le cas où (J est une surface caracté,ristique. Du point de vue physique, l'équation Du = f traduit l'équilibre ·des forces intérieures et extérieures agissant sur un volume élémentaire dans l'espace de point générique (x, y, t), l'équation [P (u)la == ,l'absence de forces extérieures surfaciques agissant sur une surface :élémentaire de(J. L'analyse effectuée montre que ces deux équations sont équivalentes à l'identité
°
°
) )) [vf-uDv]d-r==O, ' D
-où v est une fonction quelconque de C~ (D), si uest bicontinûment dérivable dans Dl et D 2 et sur (J. Dans [I-2-31] on décrira des classes plus larges de solutions discontinues de l'équation 0 u --:- f ainsi que ·d'autres équations différentielles linéaires qui seront définies à partir d'identités de ce type~ 1-2-16. Méthode de Riemann. On se propose maintenant de résouodre le problèm.e de Cauchy en commençant par une équation linéaire ·de deux variables indépendantes réduite à la forme normale: L (u) ."u~1/ a (x, y)u~ b (x, y)ul/ C (x, y)u = f (x, y). (84)
+
+
+
Dans la suite, ·onomettra souvent d'éci-ire les arguments, des; .coefficients et du second membre. Désignons le premier membre de -cette équation par L (u). Rappelons' que la condition (32) qui définit les caractéristiques est de la forme dx dy = 0 pour cette équation, de sorte que les caractértistiques seront des· droites ~ = const et
120
CH. 1. TImORIE
DES'~ATIONS Ame
DSRIVSES PARTIELLES
const, parallèles aux axes de coordonnées. Outre l'opérateur L Cu) on considère l'opérateur adjoint défini comme suit: L* (v) = v Xll - {av)x - (bv)lI cv.
y =
+
On admet de toute évidence que les coefficients a et b sont continûment dérivables. En se servant des expressions de L Cu) et L* (v), on établit immédiatement l'identité élémentaire suivante:
2 [vL Cu) - uL* (v)] = {uxv - vxu
+ 2buv)1I + + {u v - v u + 2auv)x. ll
ll
(85)
Considérons dans le plan (x, y) un domaine D de frontière Â. et supposons que les fonctions u et v possèdent dans D des dérivées premières et des dérivées secondes mixtes continues. En intégrant les deux membres de l'identité (85) sur le domaine D et en utilisant la formule classique (tome II, [111-2-4])
~~ D
( :; -
~~
) dx dy =
~ P dx + Q dy, Â
on obtient la formule de Green suivante:
2 ~
J[vL (u) -
uL* (v)] dB =
D
=
~
-
(uxv - vxu + 2buv) dx + (uyv - vyu
+ 2auv) dy.
(86)
Â
Passons après ces calculs préalables à la résolution du problème deCauchy pour l'équation (84). Soit donnée dans le plan (x, y) une courbe l qui est coupée én un point au plus par les droites parallèles aux axes de coordonnées. L'équation de cette courbe est de la forme x = x (y) ou y = y (x). On admet que les dérivées x' (y) et y' (x) existent et sont différentes lie zéro sur la portion de courbe l étudiée. On cherche la solution de l'équation (84) qui vérifie des conditions initiales sur l, c'est-à-direque les valeurs de la fonction u et de ses dérivées partielles U x et u ll sont données sur l et de plus du = U x dx u ll dy. On admettra que u, U x et u ll sont données sur l comme des fonctions uniquement de :cou de y. On admet que la fonction qui définit u sur l possède une dérivéecontinue et que U x et u ll sont continues. Les coefficients a et b possèdent, comme indiqué plus haut, des dérivées partielles continues par hypothèse et c et f sont continues dans le domaine contenant l envi-sagé. On montrera dans la suite que ce problème admet une solution sous les conditions posées. On se propose dans l'immédiat d'établir une formule qui nous donnera la solution (si elle existe)_du problème..
+
1-2-16. M2THODE DE RIEMANN
121
Soit B la- région du plan (x, y) limitée par un arc de courbel et deux droites parallèles aux axes de coordonnées issues d'un point fixe P (x, y) (fig. 1). Supposons que l'on connaisse dans ce domaine une solution de l'équation adjointe L* (v) = O. (87) y Pr-----I En appliquant la formule (86) à la solution u cherchée du problème de Cauchy et à la solution v de l'équation (87), on obtient, compte tenu de l'équation (84): - 2 ) ) vj da = ) )
AB
D
-
L'intégration le long de
Â
+ )+ ). BP
(88)
0
x
PA
Fig. 1
se décompose en une intégration le long de-
l'arc AB de courbe l et le long des droites BP et PA parallèles aux axes. L'intégrale le long de l'arc de courbe l est connue, car la fonction u et ses deux dérivées partielles premières sont données sur l. Le long de PA seule x est variable, donc en intégrant le long de PA,. on obtient l'intégrale -
) (uxv - V:JCU
+ 2buv) dx.
PA
La fonction à intégrer peut être mise sous la forme U:JCV -
vxu
+ 2buv =
(uv)x
+ 2u (bv -
v x ),
et par suite -
) (u xv-v xu+2buv)dx=(uv)P-(UV)A- ) 2u(bv- v:JC)dx,. PA
PA
où, par exemple, (uv) p désigne la valeur du produit uv au point P. De façon analogue ) (u yv-v ll u+2auv)dy=(uv)P-(UV)B+ ) 2u(av-v y )dy. BP BP
La formule (88) peut être mise sous la forme suivante: 2v(P)u(P)=
~
[(u xv-v xu+2buv)dx-
AB
- (uyv - vyu
+ 2auv) dy] + U (A) v (A) + u (B) v (E) +
+ ) 2u(bv-vx)dx+ PA
~ PB
2u (av-v y)dy-2 ) ) jvda. D
(89)
122
CH. I. THeORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
Supposons que l'on connaisse une solution de l'équation (87) qui vérifie sur les droites PA et PB les conditions suivantes: bv -
Vx
= 0 sur PA et av -
Vu
= 0 sur PB
et qui soit telle que v CP) = 1. Sous ces conditions les intégrales le long de PA et PB disparaissent de la formule (89) et l'on obtient la formule suivante qui exprime la valeur de la fonction cherchée u CP) au point P (x o' Yo): 2u (x o, Yo) = u (A) v (A) + u (B) v (B)-I-
+
~ (u x v-v xu+2buv)dx-(u y v-v y u+2auv)dy-2)) fvda. (90) D
AB
Voyons maintenant plus en détailles conditions que doit remplir la solution v de l'équation (87). Le long de la droite PA on doit avoir Vx
= b (x, Yo) v.
Cette équation peut être traitée comme une équation différentielle de la variable indépendante x. En l'intégrant on obtient les valeurs suivantes de v sur la droite PA : x
S b(x. Yo) dx v (x, Yo)
= eXo
(sur PA).
(91)
(sur PB).
(92)
De façon analogue y
S a(xo. y) dy V
(xo, y) =
eYo
On rappelle que v (x o' Yo) = 1. Ainsi la solution v de l'équation (87) prend sur les doites PA et PB des valeurs données par les formules (91) et (92). Cette solution dépendra visiblement du choix du point (x o, Yo), plus exactement, ce sera une fonction d'un couple de points. Désignons-la par v (x, y; x o, Yo). (93) La solution de l'équation (87) qui vérifie les conditions (91) ~t (92) s'appelle fonction de Riemann. Cette fonction ne dépend ni des conditions initiales sur l, ni de la forme de l. Le point (x, y) fait office d'argument, le point (xo, Yo), de paramètre. A noter qu'on aurait pu prouver l'existence d'une solution en vérifiant directement que la: formule (90) donne bien la fonction u (x o' Yo) qui satisfait l'équation ·(84) et les conditions initiales sur l. Cette vérification présente quelques difficultés, aussi donnera-t-on dans un prochain numéro une autre] démonstration de l'existence de la solution du problème de Cauchy.
1-2-16.
M~THODE
123
DE RIEMANN
La méthode de Riemann ramène la résolution du problème de Cauchy à la recherche de la fonction de Riemann (93). Cette fonction -est solution d'une équation sans second membre (87), du même type que l'équation (84), mais avec des conditions subsidiaires qui diffèrent totalement des conditions initiales, plus exactement, comme on l'a vu plus haut, ces conditions se traduisent par la donnée des valeurs de la seule fonction v sur les caractéristiques PA et PB issues du point donné P. On prouvera dans la suite l'existence de la fonction de Riemann. Signalons !J que la formule (90) a été établie sous réserve Ar·- - - r - - - / que la solution existe. Donc, si cette solution existe, elle s'exprime nécessairement par la formule (90), ce qui prouve l'unicité. Il reste à 13 démontrer que la formule (90) donne bien la solution du problème de Cauchy. On prouve- 0 ra dans la suite non seulement l'existence de Fig. 2 la fonction de Riemann, mais aussi celle de la solution du problème de Cauchy, ce qui traduira le fait que la formule (90) donne bien la solution du problème. Supposons provisoirement que tous les théorèmes d'existence formulés ont été prouvés et étudions quelques corollaires de la formule (90). Nous avons indiqué que cette formule exprime l'unicité de la solution du problème de Cauchy. Par ailleurs, de cette formule il s'ensuit immédiatement que si l'on donne un accroissement aussi petit que l'on veut aux conditions initiales sur l, la solution du problème subit un accroissement aussi petit que l'on veut, autrement dit, la solution du problème de Cauchy dépend continûment des conditions initiales. Il s'ensuit encore de la formule (90) que la valeur de la fonc. tion inconnue u au point P dépend uniquement des conditions initia-
-
-
les sur l'arc AB de l. Si l'on prolonge les conditions initiales sur AB au-delà de A et B de deux] manières différentes, en conservant la continuité de ces conditions en A et B, on obtient en dehors du trian-
-
gle curviligne PAB deux solutions distinctes du problème de Cauchy, . plus exactement, on obtiendra deux systèmes différents de conditions initiales qui seront vérifiées par deux solutions différentes qui,
-
-
toutefois, seront confondues sur le triangle curviligne P AB, vu que les conditions initiales le sont sur AB. Les caractéristiques PA et PB seront ces courbes sur lesquelles les solutions, identiques sur le triangle mentionné, se disloqueront en deux solutions différentes. Les raisonnements de ce numéro n'impliquent pas de toute évidence l'analyticité des fonctions. Nous avons exigé que les parallèles aux axes de coordonnées (les caractéristiques) coupent la courbe l en un point au plus. Voyons la signification de cette condition. Prenons une courbe II (fig. 2) coupée en deux points par les parallèles
124
CH. 1. TImORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIY:eES PARTIELLES
à l'axe des x et supposons que les conditions initiales sont données sur lI' En appliquant la méthode de Riemann on peut déterminer la valeur de la fonction u au point P en se servant du triangle curvili-
-
-
gnePAB ou PBC. Ces deux formules nous donnent des valeurs de U généralement différentes en P, donc le problème n'admet pas de solution. 1-2-17. Conditions initiales caractéristiques. Considérons maintenant le problème auquel nous a conduits la construction de la fonction de Riemann. Examinons seulement le cas d'une équation sans second membre. On demande de trouver une solution de l'équation. UXl/
+ aux + bUll + cu =
0,
(94)
si sont données uniquement les valeurs de la fonction inconnue U sur les droites CA et CB parallèles aux axes (cf. fig. 1). Soit (S,11) les coordonnées du point C. Signalons que si l'on connaît les valeurs de U sur CB, l'on connaît de même les valeurs de la dérivée partielle U x sur CB. Donc, en faisant y = 11 et en portant les fonctions connues U et U x dans l'équation (94), on obtient une équation différentielle ordinaire du premier ordre pour la fonction ul/ le long de CB. L'intégration de cette équation nous donnera la dérivée partielle ul/ le long de CB. De façon analogue, si l'on connaît U sur CA, l'on connaîtra de même les deux dérivées partielles premières de U sur CA. Les constantes arbitraires d'intégration des équations différentielles du premier ordre peuvent être déterminées du fait que ul/ et U x peuvent être supposées connues au point C. Ces raisonnements nous montrent pourquoi il suffit de connaître uniquement les valeurs de la fonction U le long des caractéristiques CA et CB. La méthode de Riemann s'applique intégralement au problème considéré et nous donne la formule 2u (P) =
U
(A) v (A)
+
+ U (B) v (B) +
~
~
(uyv-vllu+ 2auv) dy+
CA
(uxv -vxu
+ 2buv) dx,
CR
où, comme précédemment, v est la fonction de Riemann (93). Mettons la fonction à intégrer de la première intégrale sous la forme: Uliv -
vl/u
+ 2auv =
-
(uv)lI
+ 2v (au + u lI ).
En faisant de même pour la fonction à intégrer de la deuxième intégrale et en intégrant, on obtient la formule suivante: u(P)=u(C)v(C)+
~ CA
v(au+uy)dy+
~ CR
v(bu+ux)dx.
(95)
1-2-18.
THSOR~MES
125
D'EXISTENCE
Utilisons cette formule pour prouver une propriété de la fonction de Riemann. Signalons préalablement que l'adjoint de l'opérateur L* (v) est l'opérateur L (u). En effet, L* (v) = vX 1/ - avx - bV1/ (c - ax - b1/) v, et l'opérateur adjoint s'écrit: L l (u) = UX 1/ (au)x (bu)1/ (c - a x - by) u = = u xy aux bU1/ cu = L (u). Appliquons la formule (95) à la fonction de Riemann u de l'opérateur L* (v). Les coefficients en Vx et Vu de l'opérateur L* (v) sont égaux à (-a) et (-b), donc la fonction de Riemann de cet opérateur est la solution de l'équation (94) qui vérifie sur les droites CA et CB les conditions au u y = 0 et bu Ux = 0 et qui, de plus, est telle que u (C) = 1. Le point C (6, Tl) joue le rôle du point P (x o, Yo) de la fonction (93) . En se servant de la formule (95) pour ce cas particulier, on obtient la formule suivante: u (x o, Yo; 6, Tl) = v (6, ,,; x o, Yo), c'est-à-dire que la fonction de Riemann de l'opérateur L (u) se transforme en la fonction de Riemann de l'opérateur adjoint L* (v) si l'on y permute les points (x, y) et (x o, Yo). L'opérateur L (u) est symétrique par définition si L* (v) = L (v). La fonction de Riemann d'un opérateur symétrique est une fonction symétrique des deux points dont elle dépend. En se servant des expressions de L (u) et L* (v), on établit aisément que les conditions pour lesquelles L (u) est symétrique sont: a ~ b == O. Le problème qui consiste à déterminer la solution de l'équation (94) qui prend des valeurs données sur deux caractéristiques s'appelle problème aux conditions initiales caractéristiques. Comme dans le cas du problème de Cauchy, la formule (95) montre que le problème aux conditions initiales caractéristiques n'a dmet qu'une seule solution.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1-2-18. Théorèmes d'existence. Il nous reste à prouver les théorèmes d'existence de la solution du problème de Cauchy et du problème aux conditions initiales caractéristiques. On commencera par le dernier problème et on traitera seulement le cas d'une équation homogène. On demande de trouver la solution de l'équation (94) qui prend des valeurs données sur les caractéristiques x = X o et y = Yo: ulx=xo='f'(y); uly=yo=
+ +
126
CH. I. THeORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
où
= ab
d et W/Y=Yo
+ bu -
=
c,
Yo)
= ro (x).
(99)
En traitant l'équation (97) comme une équation différentielle linéairedu premier ordre et en tenant compte de la première condition (96} on exprime la fonction u (x, y) au moyen de la fonction w (x, y) :
s
x
- 5b(s, y) dG u (x, y) = e
Xo
x
5 b(G', y) dG'
JeXo
[
w
(~,
y)
d~ + 1P (y) ]
•
Xo
De façon analogue on obtient dans le cas de l'équation (98): Tl
y
- Sa(x, 7) w(x, y)=e
dt)
Yo
5
[J
a(x, 7)' rdTl'
Y
d(x, ll)U(X, f)df)+
eYo
Yo
+
Yo) cp (x) ] •
Ces équations sont équivalentes aux équations (97) et (98) avec les conditions initiales (96). En posant S t)
5b(s', y)ds'
5a(x, t)')dt)'
KI (x, y; 6) = eX
K 2 (x, y; fI) =
d (x, fI), (100)
eY
on peut mettre u (x, y) et w (x, y) sous la forme: (1
-
U
(x, y)
=
e
~
5
b(s, y)
Xo
l
+ JKI (x, x
y;
~) w (~,
y) d s,
xo
(101)
y
- 5a(x, 1
ds 'i' (y)
w (x, y)
=
e
Yo
Tl) dt)
ro (x)
+
JK Y
2
(x, y; fI) u (x, 11) dll·
Yo
L'existence et l'unicité de la solution du système (101) s'acquièrent par la méthode des approximations successives. Pour remonter des équations (97) et (98) à l'équation (94), il faut qu'existe la dérivée mixte continue u xu • Des équations (101) qui sont satisfaites par les fonctions u (x, y) et w (x, y) on voit que ceci a lieu si b (x, y) possède des dérivées partielles premières continues et 1P (y), une dérivée continue. Si l'on porte w (x, y) tirée de la deuxième équa tion (101) dans la première, on obtient pour u (x, y) une équation de Volterra.
1-2-18. TH:BOR1l:MES D'EXISTENCE
t27
Passons à l~ démonstration de l'existence de la solution du problème de Cauchy. L'équation de la courbe l support des conditions initiales peut être mise, comme on l'a vu plus haut, sous la forme x = x (y) ou y = y (x), où x (y) et y (x) possèdent des dérivées continues non nulles. On admettra que les conditions initiales sur l sont des fonctions de x ou de y. Mettons ces conditions sous la forme: u 1 x = X(U) = '1' (y) = 'Pl (x) ; U x 1 U - y(x) =
= 'P (y);
w 1 U ....
=
y(x)
+
+ b [x,
y (x)] '1'1 (x)
=
(01 (x).
Comme plus haut on obtient donc le système d'équations intégrales. suivant: x
-5
U
(x, y)
=e
x(y)
x
b(s, y)d,
'1' (y)
+ )
KI (x, y; ~) w (~, y) d~,
x(y) y
- 5 a(x, 'Il) d'Il
W
(x, y)
=e
y(x)
(01 (x)
+
Y
~ K 2 (x, y; 11) U (x, 11) d11,
Y(X)
où KI (x, y ; ~) et K 2 (x, y; 11) sont définies par les formules (100). On. suit la marche habituelle pour démontrer la convergence de la méthode des approximations successives et l'on obtient ainsi le théorème· d'existence de la solution. Si le point P occupe la même position que. sur la figure 1, alors dans les estimations on peut remplacer la longueur du chemin d'intégration par (a - x) lorsqu'on intègre par rapport à ~ et par (~ - y) lorsqu'on intègre par rapport à 11, les quantités, a et ~ étant les valeurs maximales de x et y dans le rectangle de côtés. parallèles aux axes de coordonnées dans lequel est considérée la solution du problème et dans lequel les coefficients remplissent les conditions posées plus haut, à savoir, par exemple, que les dérivées partiel-les premières de a et b sont continues ainsi que c et f. On aurait pu envisager l'équation avec second membre (84). Il aurait suffit pour cela d'ajouter à l'équation (98) le second membre f (x, y). Il est aisé de, prouver l'unicité de la solution sans recourir à la méthode de Riemann, mais en se servant du système (102). On aurait pu démontrer les théorèmes d'existence en appliquant la méthode des approximations successives directement à l'équation (94) ainsi qu'on l'a fait pour les équations différentielles ordinaires. Commençons par le cas des. conditions initiales caractéristiques (96). L'équation (94) avec les conditions:.
128
CH. 1. TImORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
initiales (96) est équivalente à l'équation intégro-différentielle ,U
(x, y)=cp(x)+'1' (Y)-CP(xo)x y
- ) ) fa (ç,
fi)
Ua (~,
li)
+ b (s, fi)
Xo Yo
UT}
+ c (~,
(~, fi)
fi) U
+
(s, fi)] dç dfl.
(103)
A noter que le terme non situé sous le signe d'intégration satisfait les conditions initiales (96) puisque de toute évidence cp (xo) = 'P. (Yo). Pour première approximation on peut prendre la fonction Uo (x, y) = cp (x) 'l' (y) - cp (xo).
+
Les autres approximations se calculent de proche en proche par les formules Un (x, y)
= Uo (x,
y)-
x y
-) ~ [a (~,
li )
rÔUn_l (~, fi) +b (r:
ô~
~, li
) iJun_l (S, li) iJlI
+
Xo Yo
'Ûn démontre à l'aide d'estimations élémentaires que les suites de fonctions Un (x, y),
ÔUn (x, y)
ôx
QUn (x, y)
ôy
'
= cp (x) + '1' (y)
+ ) ) [a (6,
fi) ua(;, li)
+
D xy
+b (6, li)
UT}
(~, li)
+c (~,
li)
U
(~, fi)] d; dfl·
Dans la formule (103), l'intégrale itérée figure avec ses bornes d'intégration -et sous cette forme la position du point P (x, y) par rapport aux caractéristiques x = Xo et y = Yo importe peu. Dans la dernière formule, on a affaire à une .intégrale double et la disposition relative du point, de la courbe et des axes est
1-2-18.
TH:eOR~MES
D'EXISTENCE
129
celle de la figuré 1. Pour première approximation, on prend "0 (x, y) = q> (x) 'P (y)
+
les autres approximations étant donnéeslpar les formules Un (x, y)
\ \ [t('0, 11)
= Uo (x, y) + J J
a
OUn_1 (;, 11) -l-
0;
,
D:ry
+b (;,
f)Toun_~~s,
11)
+c (6,
f)
Un-l
(s,
f) ]
d; dt].
Comme plus haut, on démontre par des estimations élémentaires des intégrales que dans le rectangle R la suite un (x, y) tend uniformément vers une fonction qui est solution du problème de Cauchy. La méthode des approximations successives s'applique également à la résolution du problème de Cauchy pour les équations hyperboliques quasi linéaires. Il faut à cet effet ramener le problème de Cauchy initial à un problème de Cau. chy avec des conditions initiales homogènes. Soit l'équation "%li = f (x, y, U, p, q). (106) Supposons que les conditions initiales supportées par la courbe l (d'équation (x» sont fonctions de la variable indépendante x, c'est-à-dire sont de la forme u (x), p (x) etq (x). On rappelle que u' (x) = p (x) y' (x) q (x). On ad..; mettra que les fonctions mentionnées possèdent des dérivées continues. Soit la fonction auxiliaire co (x, y) = " (x) [y - y (x)] q (x).
y=ry
+
+
Cette fonction possède visiblement des dérivées COx et COy continues et vérifie &Ir la courbe lIes conditions initiales requises. En remplaçant U par la nouvelle fonction inconnue uJ. = U - CO, on constate que cette dernière doit vérifier des conditions initiales nulles sur la courbe l. L'équation (106) nous donne une équation analogue pour Ul' On peut donc considérer que la solution de l'équation (106) satisfait des conditions initiales nulles. Supposons que la fonction f du second membre de (106) possède des dérivées premières par rapport à tous les arguments, continues pour les points (x, y) situés dans un voisinage de l et pour les valeurs (u, P, q) assez proches de O. L'équation (106) avec des conditions initiales nulles se transforme en l'équation u(x,
y)=-)) f(s,l1,
U,
p, q)dSdl1,
D xy
équation qui est justiciable de la méthode usuelle des approximations successives si l'on se limite aux points (x, y) d'un voisinage de la courbe l. Pour première approximation, on doit prendre Uo = Po = qo = 0, les autres étant données par les formules
JJ
f (;, 11,
Un (x, y)= -
Un-l' Pn-lt lJn-l) dS d11,
D xy
Pn (x, y) =
) f (x,
f), Un-H Pn-lt qn-l)
dl1,
BP qn (x, y)= .\
AP 9-01017
f
(S, y, Un-l' Pn-lt Pn-l' qn-l)
d;.
130
CH.!. TImORIE DES 1tQUATIONS AUX DSRIV:mES PARTIELLES
A noter qu'en appliquant la méthode des approximations successives à une équation linéaire on aurait pu de toute évidence envisager une équation avec second membre et, en procédant exactement comme on l'a fait pour l'équation (94), ramener les conditions initiales du problème de Cauchy ou du problème aux conditions initiales caractéristiques à d~s conditions nulles. Ceci étant, l'équation sans second membre initiale se serait transformée en une équation avec second membre pour la fonction transformée.
1-2-19. Formule d'intégration par parties et formule de Green. Les formules de Green et d'Ostrogradski résti.ltent des formules d'intégration par parties (16 1 ) et (31 2 ) pour intégrales doubles et triples prouvées dans le (tome II, [111-1-10), (111-2-41). Ces dernières peuvent être mises sous une forme unique quelle que soit la multiplicité de l'intégration si l'on se sert des intégrales de la forme ~ f dS étendnes .
à des hypersurfaces S d'un espace euclidien . Rm. Dans ces intégrales, dS (qui est toujours positif) représente l'aire élémentaire de la surface, JdS , l'aire de i 'hypersurface S. Dans le (tome 1l, [III -1-9)~ s (V-2-2l) toutes ces notions sont définies pour m = 3. Pour m > 3 elles se définissent de façon analogue; en particulier, si S est définie par l'équation explicite où X' alors
x m = q> (Xl' •.. , Xm -1), = (Xl' . . . , x m - l ) parcourt un domaine borné D m - 1 de Rm-l., dS
V/1 +
= -.
mij1 q>i. i=1
(x') dx' ,
1
dx' =dx1
•••
dx m _1 ,
au point x=(x', q> (x'» ES et
1 J/ fi +): ",~, f dS =
(x')
(x') dx',
où j (x') est la valeur de j au point X = (x', q> (x'» E S. Si S est la frontière d'un domaine borné D de l'espace Rm et si S est une surface différentiable, on peut la subdiviser en un nombre fini de parties S ktk = 1, ... , N, définies chacune par une équation explicite exprimant l'une des coordonnées Xl1{. en fonction des autres, et définir l'intégrale) j dS sur S comme la somme des intégrales j dS sur Sk.
J
~
s
La formule d'intégration par parties s'écrit:
) ::i D
v dx =
- ) D
u
::i
dx
+ ) uv cos (n. Xi) dS, S
i
= 1, ... , m.
(107)
1-2-19. FORMULE D'1NTfiGRATION PAR PARTIES ET FORMULE DE GREEN
131
Cette formule est de toute évidence vraie dans le cas oùD est un domaine borné d'un espace euclidien Rm, sa frontière S est unehypersurface régulière et les fonctions u et v de la classe Cl (D) (c'est-à-dire la classe des fonctions continues et continûment dérivables dans D = = DUS). Dans cette formule, cos (n, Xi) représente le cosinus de l'angle de l'axe des Xi et de la normale extérieure n à S. La formule (107) résulte de la formule
~ ;~
dx=
D
~
w cos (n, xi) dx,
D
qui est v~lable quel que soit i = 1, ... , m pour S et w douées des'. propriétés de dérivabilité indiquées ci-de~sus. En effet, si w= uv, on obtient (107). Utilisons la formule (107) pour établir la formule de Green pour un opérateur différentiel linéaire du deuxième ordre. On supposera, que toutes les dérivées qui interviendront dans la suite sont continues dans lJ et que S est régulière. . Soit m
L (u) =
m
. Li ai1~uXiXk + k=1 2J bkuXk + cu,
(108)
t, k=1
et m
L*(v)= ~
(109)
i. k=l
où aik, bk et c sont des fonctions données de x. Considérons l'intégrale ) vL (u) dx,
dx = dX1
•••
dx m ,
D
et transformons-la à l'aide de la formule (107). Ceci nous conduit à la formule de Green
1
[vL (u) - uL* (v)) dx =
D
1
[vP (u) -- uP (v)
+ uvQJ as,
(110}
s
où
(111~
et n désigne la normale extérieure unitaire à S. 9*
132
CH. I. THeORIE DES ÉQUATIONS AUX DÉRIVÉES PARTIELLES
Définissons sur S une direction v que nous appellerons conormale à S. A cet effet, posons ,
N=
/
m
m
V k=l 2j [~ aik cos (n, i=l
Xi)]2
(112)
et définissons la direction v par les formules m
cos (v,
x,J= ~ ~
cos (n,
aik
Xi)
(k= 1, 2, ... , m).
(113)
i=l
La première formule (111) peut s'écrire encore m
au
~
peu) = N L.J
au
cos (v, x h) = N av '
aXk
k=l
et la formule de Green (110) devient en définitive ) [vL(u)-uL*(v)]d,;= )[N(v D
~~-u :~)+uvQJdS.
(114)
8
A noter que si m
~
ih =b aa. aXk i
L.J
(i=l, 2, ... , m),
k=l
alors Q = 0, l'opérateur L* (v) est confondu avec L (v) et l'on peut mettre L (u) sous la forme m
m
L (u)
=
~ aax . ~ i=l
~
aikuXk
+ cu.
k=l
Dans ce cas, l'opérateur L (u) est dit symétrique. Dans le cas général, l'opérateur différentiel L* n'est pas confondu avec L. On l'appelle adjoint de L au sens de Lagrange.
1-2-20. Méthode de Volterra. La résolution du problème de Cauchy pour équations du second ordre dans le cas où le nombre de variables indépendantes est supérieur à deux est bien plus compliquée. Nous avons donné les solutions explicites du problème de Cauchy pour l'équation des ondes avec des conditions initiales supportées par le plan t= 0 (tome II, [VII-1-9l). La méthode qui nous a permis d'obtenir ces solutions ne se généralise malheureusement pas. Dans ce numéro, on expose une autre méthode de résolution du problème de Cauchy pour équations à coefficients constants. Cette méthode, qui est une généralisation de celle de Riemann, repose, de même que cette dernière, sur un usage original de la formule de Green.- Cette méthode
1-2-20. M:eTHODE DE VOLTERRA
133
donne la solution du problème de Cauchy lorsque les conditions initiales sont supportées non seulement par le plan t = 0, mais aussi par des surfaces non caractéristiques. L'esprit de cette méthode est proche de celui des méthodes utilisées pour les équations à coefficients variables. Supposons que S est une hypersurface caractéristique de l'équation L (u) = 0 ou L (u) = f, où f est une fonction donnée. Soit <ù (Xh • • • , x m ) = 0 l'équation de S. Les quantités cos (n, Xi) sont proportionnelles aux dérivées partielles Pi = <Ù xi et, en vertu de (113), les cosinus directeurs de la direction '\i sont proportionnels m
à
~
aikPi.
Ces sommes ne sont autres que les seconds membres
i=l
des équat,ions des bicaractéristiques (1-2-12]: m
2" ---;[8= .LJ dXk
aikPh
i=1
qui forment l'hypersurface caractéristique S et l'on peut ainsi affirmer que si S est une hypersurface caractéristique, alors la direction '\i définie sur elle est confondue en chaque point avec la direction de la bicaractéristique située sur S et passa,nt par ce point. Donc, dans le cas considéré la direction '\i est située dans le plan tangent à S. Voyons maintenant le rôle de la formule de Green (114) dans la résolution du problème de Cauchy. Soit à trouver la solution de l'équation L (u) = - f (115) si les valeurs de u et de la dérivée conormale :~ sont données sur une surface SI. On admet que SIest telle que '\i n'est pas située dans un plan tangent. Sous ces conditions, la donnée de u et de :~ sur SI détermine la dérivée de la fonction u suivant une direction quelconque. Pour trouver la valeur prise par u en un point Mo (xi, ... • • . , X~) ~ SI procédons comme suit. Traçons un conoide caractéristique de l'équation (115) de sommet Mo et supposons que la moitié de ce conoïde forme avec une partie de SI un domaine borné D de l'espace de point générique (Xl' ... , x m ) (fig. 3). Appliquons la formule de Green (114) au domaine D en prenant pour u la solution cherchée de l'équation (115) et pour v, une solution singulière de l'équation adjointe L* (v) = O. La surface du domaine D est composée d'une partie de la surface SI sur laquelle sont données u et ~~. et de la surface latérale r du conoïde caractéristique. La direction v en un point M de r est confondue avec celle de la tangente en M à la bicaractéristique passant par M, ce qui permet de procéder à une intégration par parties sur r. Appliquons cette méthode à l'équation
134
des
CH. J. TH-e':ORIE DES -e':QUATIONS AUX D:.eRJV:.eES PARTIELLES
ondes L (U)
=
U xx
+U
gg -
Utt
= - f (x,
y, t).
(116)
Le conoïde caractéristique est ici un cône circulaire dont la génératrice et la hauteur font un angle de :. L'opérateur L (u) est symétrique; la formule (112) nous donne N = 1 ; les formules (113) entraÎnent cos (v, x) = cos (n, x); cos (v, y) = cos (n, y); cos (v, t) = - cos (n, t), d'où il résulte que la direction v se déduit à partir de la direction n Mo
Fig. 4
Fig. 3
par un anti-déplacement. Le cône caractéristique de sommet (x o, Yo, to) a pour équation (x - XO)2 (y - YO)2 - (t - t O)2 = O. (117)
+
Utilisons la solution
-1 .[,;v- n V où
(t-t O)2 - 1 - t-to ] r2 r'
+
(118)
(y - Yo.)2 . r2 = (x - X o)2 de l'équation L (v) = O. Considérons la moitié du cône (117) pour laquelle t < O. Sur la surf~ce latérale r de ce cône on a t - r t o = - 1 et la solution (118) est nulle sur cette surface. La dérivation suivant v sur r se traduit par une dérivation suivant la direction de la conormale sur r, c'est-à-dire suivant la direction de la génératrice du cône, donc sur r non seulement v = 0, mais aussi ~~ = O. La solution (118) présente une singularité pour r = 0, Le. la droite qui passe p,ar le sommet du cône parallèlement à l'axe des t est une ligne sin-
1-2-20. M:eTHODE DE VOLTERRA
135
gulière de la -solution (118). Entourons cette droite d'un cylindre circulaire T e de rayon 8. Désignons par D' la partie restante du domaine D. La frontière de D'est constituée de 8 1 , de r et de la surface latérale de Te (fig. 4). Soit 8~ la partie de la surface 8 1 comprise à l'intérieur du cône et à l'extérieur du cylindre T e' Appliquons la formule (114). Comme L (v) = L* (v), L (u) = - 1 (x, y, t). L (v) = 0 et que v = ~~ = 0 sur r, il vient
)) (v ~~ -
~~
U
T e +8'1
)
dS =
- ) S) Iv dT.
(119)
D'
En désignant l'angle polaire par qJ dans le système de coordonnées: X o = r cos qJ et y - Yo = r sin q>, on obtient
x -
) ) v
~~
d8 =
Te
) ) v ~~
8
(120)
d
Te
Sur Te on a r = 8 et, en vertu de (118), v sera du même ordre que ln 8. Comme 8 ln 8 -+ 0 avec 8, il en est de même de l'intégrale (120). On a par ailleurs
av , av
=-
av
=-
ar
t- to r V{t-t o)2_ r 2 •
Sur Te
V (t _-tO)2- r 2 = V (t ce radical tend vers (t o- t) pour lim r r U f)v d8=-lim 8-+0
JJ Te
av
e-+O
8 ~
t O)2 -
8 2,
'
0 car t < to. On a donc
rr
(t-to)u
J J V (t- t O)2_ B2
d
Te-
to
= 2n
J,.
U (X o,
!Jo'
t) dt,
, où t'est la valeur de t qui correspond au point d'intersection de la droite r = 0 avec la surface 8 1 , La formule (119) nous donne donc to
2n )
U
(x o' Yo, t) dt - ) )
t'
(v :~
-u
;~) dS + ) ) ) Iv dT, D
82
où 8 2 est la partie de la surface 8 1 comprise à l'intérieur du cône. Le second membre est composé d'expressions connues. En dérivant par rapport à t~, on obtient en définitive: .
1
u(xo,Yo,tO)=2n
a
ôt
o
[rl~Jr (v 82
~~ -
U
:~ )
d8 -
+ JJl Iv dT] . D
(121)
136
CH. J. TH:eORJE DES :eQUATIONS AUX n:eRIV:eES PARTIELLES
On a établi cette formule sous réserve que le problème admet une solution. A strictement parler, on aurait dû s'assurer que le second membre satisfait toutes les conditions du problème. C'est une entreprise assez ardue car la position du cône (117) varie avec t o• On a déjà résolu le problème dans le cas où S 2 est le plan t = O. Cette méthode de résolution du problème de Cauchy appartient à Volterra. Une autre méthode de résolution du problème de Cauchy, dite méthode d'Hadamard, est rattachée à la formule de Green. Quand on se sert de cette méthode on prend la solution de l'équation L* (v) = 0 qui devient infinie sur la surface latérale tout entière du conoïde caractéristique (le cône (117) dans le cas de l'équation (116». Cette circonstance implique des précautions particulières quand on ùtilise la formule de . Green et nous conduit naturellement à une notion nouvelle spéciale de l'intégrale. La solution singulière d'Hadamard des équations m
L (u)
=
~
s=1
Ux x -
s
S
Utt
= - t
est de la forme m
_ 1
m
v-,[(t-to)2- s~ (Xa-X~O»2J2-T. Un exposé détaillé de la méthode d'Hadamard appliquée aux équations linéaires à coefficients variables est accessible dans son ouvrage: Le problème de Cauchy et les équations aux derivées partielles linéaires hyperboliques. Paris, 1932. Dans l'ouvrage R. Cou r a n t, D. H i lber t, Methoden der mathematischen Physik. Berlin, 1931, on trouvera une application de la méthode d'Hadamard aux équations à coefficients constants. 1-2-21. Formule de Sobolev. On sait que la formule de Kirchhoff (tome II, rVII-3-11l) nous donne la solution de l'équation des ondes de quatre variables indépendantes. Soit u une solution de l'équation des ondes, possédant des dérivées premières et secondes continues dans un domaine D de l'espace (Xl' X 2 , xa), de frontière S. La formule de Kirchhoff exprime la valeur de u en tout point intérieur du domaine D en fonction d'une intégrale étendue à S, intégrale dans laquelle figurent les valeurs retardées de u et de ses dérivées premières. On a vu que si la surface S est dûment choisie, la formule de Kirchhoff nous donne la solution du problème de Cauchy pour des conditions initiales supportées par le plan t = 0 (tome II, [VII-3-11]). La formule de Kirchhoff peut être généralisée à une équation d'un nombre quelconque pair de variables indépendantes: Utt
=
U X1X1
-t- ux <)"- 2 + ... -t-- U x 2k +1'x 2k +1 '
(voir à ce propos [1-2-26]).
1-2-21. FORMULE DE SOBOLEV
137
Généralisons maintenant la formule de Kirchhoff au cas d'uneéquation des ondes à coefficient variable Utt
=
c2 (x, Y. z) (u xx
+
UllY
+ u zz ),
(122)
où c (x, y, z) > 0 est une fonction assez régulière. Dans la suite, on écrira souvent c (M) pour c (x, y, z), M étant le point de coordonnée,s (x, y, z). En appliquant la théorie des caractéristiques à l'équation (122). on est amené naturellement au problème d'extrémum de la fonction-nelle (123).
Dans ce cas la, condition de transversalité est confondue avec celled'orthogonalité et l'on peut construire un champ du problème variationnel comme, on l'a fait au (1-2-13], Soit T (M; Mo) la fonction fondamentale du champ central de centre Mo. Cette fonction nous. donne la valeur de l'intégrale (123) prise le long d'une extrémale· entre Mo et M. L'équation T (M; Mo) = const représente des quasisphères de centre Mo pour la métrique définie par la formule (123). Pour la fonction T (M; Mo) on a l'équation grad 2 't (M; Mo)
=
c2 (~)
,
(124}
c'est-à-dire 2+
Tx
2~
1
'ty T 'tz =
1
c2 (M) •
La fonction T (M; Mo) est visiblement une fonction symétrique de' Mo et M. Si c est une constante, alors T (M; M o)= .!..., où r est la c distance de Mo à M. Dans le cas général on se servira de T au lieu. pour déterminer les valeurs retardées d'une fonction u (M, t) de .!... c et, comme au (tome II, IVII-3-11]), on posera u (M, t -. T)
=
[u (M, t)l.
Supposons que u (M, t) est solution de l'équation (122) et pour sim-plifier l'écriture posons u (M, t - 't) = Ul (M, t). En passant aux valeurs retardées dans l'équation (122), on obtient. [uttl
=
c 2 (M) [~u],
138
CH. 1.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX naRIVaES PARTIELLES
~Ù
d est l'opérateur de Laplace. En exprimant [du] en fonction de .ul' on trouve grad U l = [grad u] - [utl"grad 't, (126) dul ' div grad u l = [du] - 2 [grad Ut]· grad ' t { - [Ut]~L\'t [utt)!grad 2 'te
+
En portant dans (125) l'expression de [du] tirée de la dernière équa1tion et en se servant de (124), on obtient 1
c2 (M) [Utt] =ô,u I
+ 2 [grad utl pre~ière
Par analogie avec la ,grad
Ô:
l
t
=
grad 't + [utl L\'t- [Utt]
1 Cl
(M)
formule (126) on a
[grad utl-' [Utt] grad 'te
.En portant l'expression de [grad utl tirée de la dernière équation dans ]a formule précédente, on trouve l'importante formule suivante: dU I
OUt = - 2 gra d 't. grad'-ôt
au]
L\ 't - -
ôt •
'Multiplions les deux membres de cette équation par une fonction (M) qui reste à définir:
.(J
cr ô'u l = -' 2cr grad 't. grad
ô:/
(127)
..et choisissons cette fonction telle que le second membre soit la .divergence d'un vectèur de la forme ( - ~~t IV), où west un -vecteur ne dépendant pas de U I : cr ô'u1 = div ( -
~:l
w) •
(128)
Développons l'expression du second membre: A cr uU I
ÔUt w• = - iÔUt i t d·IV w-gra d at·
En comparant avec (127) on voit que l'égalité (128) sera réalisée et ·que w ne dépendra pas de Ul si les deux relations suivantes sont ::satisfaites: w = 2cr grad 't; div w = cr d't. (129) En portant la première relation dans la seconde on obtient l'équation .'Suivante pour déterminer cr: div (2cr grad 't) = cr L\'t, .c'est-à-dire que cr L\'t = 0, 2 grad cr· grad 't (130)
+
1-2-21. FORMULE DE SOBOLEV
139
ou, en passant aux coordonnées, 2 (ax't x + ay't y + az't z)+ ad't = 0, (131) autrement dit, on obtient une équation linéaire du premier ordre pour la détermination de a. Etant en possession de a, on peut déter- . miner le vecteur w à l'aide de la première formule (129). Soient Dun domaine de l'espace (x, y, z), S la frontière de ce domaine. Supposons que les fonctions a et Ut possèdent des dérivées premières et secondes continues dans D. La formule de Green nous donne
~, ~ ~
(cr dU1-U 1 da) dv =
J (0' ~:t -:u1 :~ ) dS,
~
D
S
Qù nest la normale extérieure à S. Les formules (128) et (129) nous permettent d'écrire la formule de Green sous la forme
- JJ~ u
1
da dv -
D
JJJdiv (20' ~~t
grad 't) dv =
D
= "
J\ J\ (aUl a an -
Ut
a(J )' dS. ---an:
S
En appliquant la formule d'Ostrogradski à l'intégrale renfermant la on obtient
dive~~ence,
a(J J\ J\ (au (Jan-t - u1 an
+ 20'
r \ J\
al: aUt)
an ~ dS + J J
U1
da dv = O.
'
D
S
Revenons à la fonction u. Comme
aUt
ifn=
[aU ] al: an J-"7i't on'
[ au
on obtient la formule suivante, fondamentale pour la suite:
~+a~ J\S J\ {a [~J-[Ul an an an
[!!:.-J} dS+ ot + ~ ) Jru] da dv = O.
(132)
D
Dans les calculs précédents, on aurait pu admettre que le champ est quelconque. La fonction a, solution de l'équation (130), dépend visiblement de 't, c'est-à-dire du choix du champ. Dans la suite, on n'aura affaire qu'à un champ central et l'on désignera la fonction a par a (M ; Mo). Tous nos raisonnements ne valent que pour un voisinage du point Mo dans lequel les extrémales de l'intégrale (123) ne se coupent pas et forment un champ. Si c est une constante, alors et l'on vérifie sans peine que la fonction comme" indiqué, 't = !:., C (J =lIr est solution de l'équation (130).
140
CH. 1. THeORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
1-2-22. Formule de Sobolev (suite). Supposons que l'on ait réussi à construire une fonction cr (M ; Mo) possédant des dérivées premières et secondes continues au voisinage du point Mo, présentant une singularité en Mo et vérifiant les conditions suivantes:· 1) le produit cr (M; M o)1" (M; Mo) admet des dérivées premières et secondes, y compris au point Mo, et Hm cr (M; Mo)
1"
M-+Mo
c (~ )
=
(133)
0
cr (Mo; M)
2)
(.il!; Mo)
=
(134)
cr (M; Mo);
3) le laplacien de cr (M; Mo) vérifie l'inégalité
1.10 (M; Mo) 1 ~
't
K (M; Mo)
(135)
,
Où K est une constante (ne dépendant pas de M) ; 4) si SI est une surface fermée contenant Mo et n est la normale extérieure à SI' alors en contractant SI au point Mo on obtient Hm \ \ oa (~; BI-+Mo
JSI"
lft/ o) dS
= - 4n.
(136)
ôn
Si c est une constante, la fonction cr = 1/r vérifie toutes ces conditions. Considérons une fonction cr (M; Mo) vérifiant les conditions cidessus et établissons une formule pour les solutions de l'équation (122). Soient u (M, t) une telle solution dans un domaine D borné par unesurface S, Mo un point intérieur de D. Supposons qu'il existe un champ central de centre Mo contenant D et soit donnée une fonction cr (M; Mo) vérifiant les conditions ci-dessus. Soit D' = D-.........S 8' où S 8 est une sphère de centre Mo et de rayon e petit. Appliquons la formule (132) à D'. On trouve
~~ S
{cr [ .
~~ ] -
ru]
;~ + cr
:: [
:~
]} dS +
~ ~ ~ { } dS + se
+ ~ ~ ~ [u].1cr dv =
O.
(137)
D'
Montrons que l'intégrale étendue à Se est égale à - 4nu (Mot) lorsque e -+ O. En effet, les quantités [
~~
]
et
~[~] on at
sont bornées pour M -+ Mo; la fonction 1" (M; Mo) est de l'ordre de e. sur S 8' donc en vertu de (133) la fonction cr (M ; Mo) est de l'ordre de 1/e sur Se' L'aire de Se est de l'ordre de e2 • De là il résulte
141
1-2-22. FORMULE DE SOBOLEV (SUITE)
que les intégrales
tendent vers 0 avec
E.
Reste l'intégrale
La normale est ici extérieure au domaine D', c'est-à-dire intérieure .à Se. Sur Se la fonction u (M, t - T) tend vers u (Mo, t) lorsque ~-+ O. En tenant compte de (136) et d'après ce qui a été dit sur la direction de la normale, on voit que la dernière intégrale est bien égale à la limite à -4Jtu (11;[0' t). La formule (137) nous donne à la limite la relation annoncée t) =..!.. 4n
J\ J\ {cr [~J an s
ru]
~+ dS + an cr ~ an [!!!:...J} at
+ 4~ 1~ 1ru] ~crdv,
(138)
D
qui est due à S. Sobolev. Si c est une constante, alors cr = 1/r et ~cr = 0, l'intégrale triple est nulle et l'on retrouve la formule usuelle de Kirchhoff. Si c est variable (milieu non homogène), la valeur de u en Mo est la superposition des rayonnements retardés provenant non seulement de S, mais aussi du domaine D tout entier. La formule (138) peut être appliquée à la résolution du problème de Cauchy pour l'équation (122). Soit à déterminer la solution de l'équation (122) qui vérifie les conditions initiales: u (M, t)
It-o
=
fo (M) ;
Ut (M, t)
1 t=o
=
fI (M).
(139)
Appliquons la formule (138) à la solution cherchée prenant pour surface S une quasi-sphère St de centre Mo et de rayon t, c'est-à-dire supposons que l'équation de la surface S est de la forme T (M; Mo) = = t. Sous ces conditions, au 'second membre les valeurs des fonctions ru],
au] [ an'
[ ôaut
]
doivent être prises à l'instant t - T (M; Mo) ou à l'instant t = 0, puisque T (M; Mo) = t. En tenant compte des condtions initiales
142
CH. I. THeORIE DES
~QUATIONS
AUX
D~RIVEES
PARTIELLES
(139), on peut mettre l'équation (138) sous la forme
u{Mo, t)=
4~ ~ ~
{o
7: -fo :: +0 ~: fI} dS+
St
+ 4~ j ~ ~ [u] l1a dv, Dt
Dt est le domaine borné par St. L'intégrale double du second membre est une fonction connue que l'on désignera par F (Mo, t). On obtient ainsi pour u (M, t) l'équation intégrale OÙ
u(M o, t)=F (Mo, t+
4~ ~ ~ ~
[u]l1a(M; Mo)dv.
(140)
Dt
Pour déduire cette équation on aurait dû supposer que t est tel que dans le domaine Dt il existe un champ central de centre Mo et . une fonction 0 (M ; Mo) remplissant les conditions indiquées. A signaler que le domaine Dt varie avec Mo et t et que l'équation (140) est une équation de Volterra. On montre que pour tassez voisin de 0, cette équation possède une solution unique qui peut être trouvée par la méthode habituelle des approximations successives et que cette solution est en même temps solution du problème de Cauchy pour l'équation (122). Si Dt = R3, l'exigence que t doit être petit dans un voisinage du point 0 est due au fait que le champ du problème aux variations est susceptible de présenter des singularités pour de grands t. Si le domaine Dt est borné, il faut naturellement tenir compte des perturbations réfléchies par la frontière, ce qui ilmite singulièrement l'intervalle de variation de t.
1-2-23. Construction de la fonction (J. Construisons la fonction (J mentionnée plus haut. Nous allons montrer que cette fonction peut être explicitée si les extrémales du champ central sont connues. Prouvons préalablement les deux lemmes suivants. 1.
Lem m e
Soit donné le système d'équations différentielles
~h = X k (t, dt
Xl' X 2 , X 3 )
(k = 1,2, 3).
(141)
1, 2, 3)
(142)
Si l'on connaît l'intégrale générale Xk =
CPk (t,
aIt a2'
as)
alors
..!:.... ln dt
D (
=
àX t àXl
(k
=
+ àX2 àX + 2
àX s • àxs
[(143)
Dérivons le jacobien de (143) par rapport à t. Etant donné que par définition un déterminant est la somme des produits de ses éléments, on affirme que pour dériver ce jacobien il suffit de dériver
1-2-23. CONSTRUCTION DE LA FONCTION cr
séparément chàcune de ses colonnes et d'ajouter les déterminants ainsi obtenus (tome 111 2 , lV-25l). On obtient ainsi d
dt
D (CPl' CP2' CPs) D (al' a 2, as) Ô2CPl
ôal Dt Ô2 CPl oa 2 at ()2cpi ÔQ,s ôt
ÔCP2 ôal'
ÔCP3 ôal
aCP2 aa 2
ÔCP3 ôa 2
ÔCP2 ôaa
ÔCP3 ôas
ÔCPI ôa l
+
ÔCPI ôa 2 ÔCPI ôa3
+
Ô2CP2 ôal ôt a 2cp2 aa2 ôt a 2cp2 ôas ôt
ÔCPI aal
ÔCP2 aal
ÔCPl ôa 2 ÔCPI ôa 3
ÔCP2 ôa 2 ÔCP2 ôa s
ÔCP3 ôal ôcps ôa 2
+
ôcps ôas ô 2qJs aal {jt ô 2cps
(144)
ôa 2 {jt ô 2cps ôas at
Les fonctions (141) étant solutions du système (141), on obtient, les identités suivantes en t et ah:
ô:t == X
h
(t, CPIt CP2' CPa)
(k= 1, 2,3).
Une dérivation par rapport à as nous donne '3
Ô2qJk ~ axk aas ôt = L.J aXi i=l
0CPi
oa s
•
En portant ces expressions des dérivées secondes dans le second mem. bre de (144) et en développant chaque déterminant en une somme detrois déterminants, on trouve ~ D (CPI. qJ2. qJs) dt D (al' a 2, as)
= (
ôX l OXI
+
ôX 2 ÔX2
) • D (qJl' CP2' qJs) + axs ÔXs D (al' a , as) 2
,
c'est-à-dire la formule (143). Lem m e 2. Soient t un vecteur unitaire tangent à une famillede courbes à deux paramètres recouvrant un espace à trois dimensions ou une de ses parties, Ô le jacobien d'une transformation des coordonnées cartésiennes en coordonnées curvilignes (pour coordonnées curvilignes" on prend deux paramètres al et a 2 définissant une courbe de la famille et la longueur d'arc s le long de cette courbe mesurée à partir d'une surface coupant toutes les courbes de la famille ou du point de concours: de toutes ces courbes). Sous ces conditions on a div t =
ô
~~ cS
(145)
'144
CH.!. TH:eORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
:Soient X (x, y, Z), Y (x, y, z) et Z (x, y, z) les coordonnées du vecteur t au point (x, y, z). Les courbes de la famille sont solutions du :système différentiel
= X.
dx ds
dy ds
'
= y.
dz ds
'
=Z
•
Les seconds membres ne contenant pas s, l'une des constantes arbitraires so figurera additivement avec s et l'intégrale générale du système sera de la forme oZ
=
(fll
(s
+ so'
al' a 2);
Y
=
(fl2
(s
+ so'
al' a 2); z = (fla (s
+ so,
al' a 2).
Le lemme 1 nous donne div t =
oX OX
+ oyaY + oZ oz
= ~
os
ln
D (cpt, CP2' CPs) D (so, at, a 2 )
,
..et pUIsque
-on obtient la formule (145). Revenons maintenant au champ central d'extrémales de centre Mo et à l'équation (130) que doit vérifier la fonction (J. Le vecteur grad T est tangent à une extrémale et de (124) il s'ensuit que :: = = n (M), où n (M) = tic (M). Ceci nous permet de mettre l'équation (130) sous la forme 2
o(Jo~M) n (M) + cr (M) L\'t' (M) = 0,
la longueur d'arc s étant mesurée à partir du point Mo. Utilisons le lemme 2 pour calculer 8T (M). On a grad 't' (M)
=
n (M) t,
<>ù t est le vecteur unitaire tangent à une extrémale du champ. D'où div grad 't' (M)
= 8't' (M) = t· grad n
(M)
+ n (M)
div t.
Le premier terme du second membre est la dérivée de n (M) par rapport à s, le second est, en vertu du lemme 2, égal à
n (M)
0 ln 6 os
et l'équation pour cr (M) s'écrit 2 ~~ n (M)
+ cr
[;on o~M)
+ n (M) _00_1:_6_ ] =
0,
1·2-23. CONSTRUCTION DE LA FONCTION
145
CI
ou 2
a ln cr as
aln n as
= _
a ln cS , as
d'où l'on obtient par intégration cr (M) = '1' (al'
-.r
a 2) n (M) cS '
'1' (al' a 2) étant une fonction arbitraire de al et a 2. Prenons pour al et a 2 les coordonnées angulaires '6'0' «Po d'un système de coordonnées
sphériques pour la direction de la tangente en Mo à l'extrémale passant par Mo. La formule précédente devient cr (M) =
(146)
'1' ({to, < P o ) . .. /" n (M)
V
D (x, y, z) D (s, 'Ô o,
Définissons la forme de la fonction 1f ('6'0' «Po) à partir de la première des conditions remplies par la fonction cr (M) (cf. [1-2-22]). Cette condition s'écrit Hm cr (M) 't (M) = n (Mo). M-Mo
La forme de l'intégrale (123) nous permet d'écrire ;8 T(M)= n(M)ds,
J
l'intégration ayant lieu le long d'une extrémale. Le théorème de la moyenne nous donne .
't
hm
(M)
s
, ..0
=n (Mo),
et la condition précédente pour cr (M) s'écrit Hm cr (M) s= 1.
(147)
, .. 0
Singalons que le point M tend vers Mo pour s~ O. Pour étudier le jacobien de la formule (146) on se servira des f~r mules établies au (tome IVI [11-21]) pour les variables canoniques dans le problème des géodésiques. On a «P = n 2 lM) lX'2 y'2 Z'2),
+
+
-et les variables canoniques s'écrivent Pl
=
2n 2 (M) x' ;
P2
=
2n 2 (M) y' ;
Pa
=
Les conditions initiales sont: x~ = sin '6'0 cos «Po; y~ = sin 'Ô o sin «Po; 10-01017
2n2 (M) z'.
z; = cos 'Ô o
146
CH. 1. TH1tORIE DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV:eES
PARTIELLES
et
= =
2n2 (Mo) P20 2n 2 (Mo) Pao = 2n 2 (Mo) Les extrémales du champ sont PlO
sin '6'0 cos
(148)
cos '6'0' définies par les équations:
x =
= ( url ~CJll) 8=0 PlO + ( Ôô CJlt r2
) 8=0 P20
+(
Ôô
CJlt ra
) 8=0 P30'
En se servant des formules (148) et en tenant compte du fait que '6'0 et
(~) =0; ( ~) 8r s=O ôra s=o
(~) =1:2n 2 (M o)' ôrt s=o
2
Les autres formules (149) nous donnent:
CJlk ) = 1 : 2n 2 (M ); (a'l-'k) = 11=0 0 ôrl 8=0
Ô ( ôrk
°
(l =1= k).
Utilisons les formules (148) et (149) pour composer le jacobien de la fonction
S
(s, vo,
z)
CJlo)
=
sin 'fr o cos
cos {to
°
=
= sin 'fr o.
Pour déterminer la fonction arbitraire'!' ({to,
V n (Mo) sin!'6'o
et on obtient en définitive l'expression suivante pour la fonction cr: cr (M , Mo) =
V
n (Mo) sin t}o D( ) • n (M) x, y, z D (s. t}o, (J'o)
(150)
147
1-2-24. CONDITIONS INITIALES GENERALES
On vérifie que cette fonction possède toutes les propriétés indiquées dans (I-2-22]. Si n (M) = const, alors (s, '6'0' Q)o) sont d' ordinaires coordonnées sphériques du point M et la dernière formule noua 1 donne cr = -. r
1-2-24. Conditions initiales générales. Supposons maintenant que les conditions initiales sont données non pas sur le plan t = 0, mais sur une surface d'équation t = Q) (M) : U It=Q(l\1)=/ o (.LH);
Ut It=q;(A-l)
= Il (M).
(151)
Résolvons ce problème pour t > Q) (M). Au lieu de l'hypersphère 't (M; Mo) = t considérons la surface 't (M; Mo) Q) (M) = t, (152)
+
et supposons que pour toutes les valeurs strictement positives et assez voisines de 0 de la différence [t - Q) (M)], la surface (152) est une surface fermée de l'espace, contenant le point Mo. Les points intérieurs à cette surface vérifient l'inégalité 't (M; Mo) Q) (M) < t. (153)
+
Utilisons maintenant la formule (138) en prenant la surface (152) pour S. Dans l'intégrale étendue à S la fonction à intégrer s'écrit lu] = u (M; t - 't) = u [M; cp (M)] = fo (M); [Ut) = fI (M). Montrons que [ ~~ ] dépend aussi des conditions initiales. On a a/ o (M) Ô1&
-
ôu lM; cp (M)] ôn
ôu (M; ôn
t)
!t=q>(M)
+
+ ôu (M; t) ôt
ôq> (M) 1t=q>(M) • ôn '
d'où ôu(.il-f; t) 1 = ôn t=
ô/o(M) _ ôn
ôu(M; t) 1 ôcp(M) ôt t=q>(M) • ôn '
autrement dit, [ ôu (:; t) ]
= ôlo~:)
_
ôcpô~M)
Il (M).
En posant F(M o; t) =
=4~
~~
{cr
ô/o (At!) ôn
+ cr (~_ ôn
8cp ) fI (M)ôn
't(M; Mo>+
-
ôa ôn
fo }' dS,
148
CH. I. TlffiORIE DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
on obtient pour u (Mo; t) une équation identique à (140): u(Mo; t)=F(M o; t)+
+ 4~
~
))
'[u]
~cr (M;
Mi» dv.
(154)
'(M; MO)+qJ(M)
Comme plus haut, on peut résoudre cette équation par la méthode des approximations successives et obtenir la solution qui vérifie les conditions initiales (151). Pour effectuer toutes les démonstrations avec rigueur, il faut que les fonctions c (M), 10 (M), fI (M) et cp (M) possèdent un certain nombre de dérivées partielles continues. . Voyons comment la surface (152) est rattachée à la théorie des caractéristiques. Le conoïde caractéristique de l'équation (122) de sommet (Mo, t) est défini dans l'espace à quatre dimensions (M; t i ) par l'équation (155)
t l et M (x, y, z) sont les coordonnées courantes, t et Mo, des paramètres. La surface (152) est le lieu géométrique des points de' l'espace qui possèdent les mêmes coordonnées .(x, y, z) que les points d'intersection du conoïde caractéristique (155) avec la surface t i = = cp (M) de l'espace à quatre dimensions, autrement dit, la surface (152) est la projetée de l'intersection mentionnée sur l'espace (x, y, z) . .Plaçons-nous; pour plus de suggestion, dans l'espace à trois dimensions (x, y,' tl). L'équation (155) définit une surface de type conique. Cette surface coupe la surface fI = cp (x, y) suivant une courbe dont la projetée sur le plan (x, y) est une courbe fermée l qui est l'analogue de la surface (152). Le projeté du sommet du conoïde sur le plan (x, y) doit tomber à l'intérieur de l et l'analogue de l'intégrale triple de la formule (154) est une intégrale double sur la partie du plan (x, y) intériure à l. Ce domaine dépend bien sûr de la position du sommet (x o' Yo, t) du conoïde. Si ce sommet tend vers un point (x~, y~, t~) de la surface t l = cp (x, y), alors la courbe doit se contracter au point (x~, y~,). De façon analogue, la surface fermée S doit se contracter au point Mo si le sommet du conoïde (155) tend vers un point (M~, t ' ) de la surface t l = cp (M). . Ces propriétés géométriques de la surface S, nécessaires pour prouver rigoureusement l'existence de la solution du problème de Cauchy, sont liées au fait que le plan tangent à la surface t = cp (M) ne doit pas trop s'écarter du plan t = O. On démontre que cette condition se traduit par: OÙ
grad 2 cp(M)
<
c2
tM) .
(156)
Ceci étant, il est essentiel que la fonction c2 (M) soit reliée à 't (M; .Mo) par l'équation (124). Si la condition (156) est remplie, on dit que la surface t = cp (M) est orientée dans l'espace. S'agissant de l'équa-
1-2-25.
~QUATION
DES ONDES
G~N~RALIS~E
149
tion hyperbolique générale m
~
Utt --
i, j=1
aijU x . Xj
+ ... = 0,
Z
est une fonction de Xl' X 2 , • • • , X m , on dit que la surface t = = ep (Xl' X 2 , • • • , X m ) est orientée dans l'espace en l'un de ses points si l'on a en ce point où
U
m
~
i, j=1
aijepx.epx. Z
J
<
1.
Les constructions et formules décrites et leurs applications à la résolution du problème de Cauchy pour l'équation (122) ont été proposées par S. S 0 bol e v (Travaux de l'Institut de seismologie de l'Académie des sciences d'U.R.S.S., 1930, n06 et 1934, n042). Elles ont été généralisées par V. Gog 0 1 a d z é à des équations linéaires hyperboliques de quatre variables indépendantes plus générales (DAN SSSR, 1934, 1). La méthode indiquée a été généralisée dans un travail de S. S 0 bol e v (Matem. sb., 1936, 1 (43), n01) à des équations linéaires hyperboliques générales à un nombre pair de variables indépendantes. Dans le numéro suivant on indiquera les modifications apportées à la méthode développée pour des équations plus générales (ce qui a été fait dans le travail de V. Gogoladzé), puis on généralisera la méthode à un nombre quelconque pair de variables indépendantes seulement pour l'équation des ondes à coefficient c2 constant.
1-2-25. Equation des ondes généralisée. Considérons l'équation plus générale
4 c
3
Utt
3
= LJ ~ ai,ux zz ~ biux z. + hu, .x . + LJ i=1
(157)
i=1
où les coefficients ai" bi" c et h sont des fonctions de Xl' X2' Xs, et de plus les coefficients ai sont supérieurs à un nombre strictement positif. Signalons qu'en multipliant les deux membres de l'équation par c2 et en incluant cette fonction dans les coefficients de l'équation, on peut admettre que c 1. Au lieu de la fonctionnelle (123) considérons la fonctionnelle
==
(158) où 3
ds 2
=
~ i==l
d x·2 _1.
ai
(159)
150
CH. I.
TH~ORIE
~QUATIONS
DES
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
La fonction fondamentale 't (M ; ..lfo) du champ central est solution de l'équation 3
~ L..J
ai't~.l =~. C
(160)
i=l
La valeur retardée d'une fonction quelconque u (M ; t) se détermine comme dans [1-2-21]. Au lieu de (131), on obtient l'équation suivante pour la fonction a: 3
2
3
~ ai'tx.aX.+a~ [ai't X'X'+ l
l
_
. i=l
l
(2 uXi ~ai -
l
bi) 'tx.J=O. l
(161)
i= 1
La condition (133) devient Hm M-M o
a(M ; Mo) 't (M ; Mo) =
~ (Mo)
Ji a~a~ag
(n (M) =
/~f))'
(162)
c,
où a~ est la valeur de la fonction ai au point Mo. Au lieu de (135) on a la majoration K
IL(a) 1~'t(M; Mo) ,
(163)
où L (u) est le second membre de l'équation (157) et }( est une constante. La formule (136) devient 3
Hm ~ ~ ~ aiaxi cos (n, Xi) dS = - 41[.
Sl- M o S 1
(164)
'-1 1-
Au lieu de (138) on obtient la formule u (Ai 0
;
t)
= 4~ ~ ~ {aP ([u]) -
lu] P (a)
+ a [ ~~ JP ('t) + aR lu] } dS +
S
+ 4~ ~ ~ ~
[u] L * (a) dv,
(165)
D
où 3
P (v) =
~
3
aivxi cos (n, Xi),
R=
~
bi ) cos (n, Xi),
(::: -
i=1
i=1
3
L* (a)
=
~ L..J
{)2 ai (J _
i=1
1
OX~
+ ha
{)bi(J oXi'
,
L* (a) étant l'adjoint de l'opérateur L (a). En se servant de la formule (165) on peut comme dans (1-2-22] ramener le problème de
151
1-2-26. CAS D'UN NOMBRE QUELCONQUE DE VARIABLES
Cauchy avec les conditions initiales (139) à l'équation intégrale
4~
u(M o ; t)=F(J111 o ; t)+
) ,\
J ru] L*(a)dv.
D
On peut établir une formule identique à (150) pour la fonction CI (M ; Mo) :
,
(166)
où s est la longueur d'arc de l'extrémale reliant Mo à M et ds 2 se calcule par la formule (159). 1-2-26. Cas d'un nombre quelconque de variables indépendantes. L'application de la méthode de S. Sobolev au cas de plusieurs variables indépendantes implique l'introduction de plusieurs fonctions a. On se propose d'appliquer cette méthode à une équation des ondes à coefficients constants :
~ Utt c
2k+1
~ u x zz .x .
=
~ i=1
(167)
(cf. S. S 0 bol ev, Sur une généralisation de la formule de K irchhojj. DAN SSSR, 1933, 1). , X 2 k+l) et Appelons R 2k +l l'espace de point générique (Xl' considérons l'espace R2k+2 de point générique (Xl' , X 2 k+l' t l ) ou (M; t l ). Le cône caractéristique de l'équation (167) de sommet (Mo; t) est défini dans R2h +2 par l' équation
tl
=
r
t--, c
(168)
où 2h+1
r
2=
~ (Xi - X~)2.
(169)
1=1
Par [cp] on désigne comme plus haut la valeur retardée de la fonction cp: [cp(M; t)]=cp
(M, t - ; ) ,
c'est-à-dire la valeur de la fonction cp sur le cône caractéristique (168) par rapport à t. Comme indiqué dans [I-2-11], il existe sur la surface caractéristique des relations entre la fonction u, solution de l'équation (167), et ses dérivées. Etablissons ces relations pour les dérivées
152
CH. I.TJmORIE DES :eQUATIONS AUX n:eRIV:eES PARTIELLES
de u par rapport à t: Us
= [~:~ ]
(s=O, 1,2, ... ),
(170)
les dérivées Us étant considérées comme des fonctions dans Signalons préalablement que l'équation (124) s'écrit ici (
r ) 2
grad T
R2k +1.
1
(171)
="C2.
En dérivant la fonction Us par rapport à (Xl' ••• , X 21àl) aussi bien directement que par l'intermédiaire de l'argument on obtient, 00mpte tenu de la formule de vérification immédiate
(t - ;)
r
grad Us+{ ·grad c =
[
{}S+lU ] {}t s+1 •
grad
r
grad"'C -
[{}S+2 U {}t 8 +2
où le point désigne le produit scalaire dans suivante: dus =
- 2 grad U
R2h+1,
r
S
Jgrad C ' 2 r
la formule
r
+1 • grad -c - u s+1 d -. c
(172)
L'introduction de l'opérateur 2k+l
r r =-2 ~ L(v)= -2gradv·grad--vd ccc
i=l
(173)
nous permet de mettre (172) sous la forme dU s = L (u s +]).
(174)
Ce que nous voulions. L'opérateur L vérifie la relation vL (w)
+ wL (v) =
- div (2vw grad ; ) .
(175)
On a dr s = (2k
+ s --1) sr
Introduisons les fonctions o. 1
=
S
-
2 ;
(176)
0i:
(2k-2) (2k-4) ... (2i+2) 2i r-k-i+I • (k- i) ! ch-i (2k-2) (2k-3) (k i-l) ,
+
Oh = r- 2h +1
(i = 1, 2,
, k -1).
(177)
On a L(Ol)=O;
L(Oi+l)=dO i
;
dah=O
(i=1,2, ... ,k-1). (178)
1-2-26. CAS D'UN NOMBRE QUELCONQUE DE VARIABLES
153
Soit D un domaine de l'espace R2k+l ne contenant pas Mo. Composons l'intégrale (2k+ 1)-uple: Il.
)
~
(_1)S-1
D s=1
[(US-l~crk-S+l- O'k-S+l~US-]) +
+ (0'
h-s+l L
(us)
+ usL (0' k-S+l))] dXl ••• dX 2
k+l.
(179}
Cette intégrale est nulle en vertu de (174) et (178). En tenant compte de (175) et de la formule v~w - w~v = div (v grad w - w grad v), on peut transformer l'intégrale (179) en une intégrale étendue à la surface S limitant le domaine D. La formule
U ] [a +1 U a.!..C an: = fn san - als+1 ar;- , aus
J
S
[f)S+I
nous permet d'écrire [
aS-lu
als-l
J-
O'h-Hl
[alu ] an ats-l -
-
O'k-s+l
a.!..c a-;;:
asu } [a7S] dS = 0"
où n est la normale extérieure à S. Si le point Mo est inférieur au domaine D, la formule précédente reste valable pourvu qu'on entoure Mo d'une petite sphère. En passant ensuite à la limite, on obtient. la formule suivante: u (Mo. t) = A
J±(-i)'{ aa;~'+1 [ :;~~~ J-
S s=1
- 0'k-s+l [
] an asu atS-1 -
cr k-s+l
a ; [asu ---a;;- at S
où la constante A est définie par 2k-1
II r(i;2)
A=
i=1
•
2k-1 2k-1
2(2k-1)n
2
II r(it i=1
1
)
J}
dS,
(180)
154
CH. I. THeORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
La formule (180) est confondue avec celle de Kirchhoff pour 2k + 1 = = 3. Si pour surface S on prend la sphère de centre Mo et de rayon ct, alors les valeurs retardées des dérivées des fonctions u dépendent des conditions initiales ul t=o et Ut It=o et l'on obtient la solution expli-cite du problème de Cauchy, solution qui a déjà été déduite sous une forme différente au (tome II, (VII-1-9l). La formule (180) nous permet de même de résoudre le problème de Cauchy dans le cas où les -conditions initiales sont données sur une surface t l = cp (M). A noter que les dérivées des conditions initiales figureront sous le signe .d'intégration, de sorte que pour que ce problème admette une solution, il faut que les dérivées des conditions initiales jusqu'à un ordre -qui dépend de k soient continues, ce que nous avons signalé précédemment. S. K h ris t i a nov i t cha généralisé cette méthode aux .équations hyperboliques non linéaires (Matem. sb., 1937, 2, nO 5).
1-2-27. Inégalité énergétique. Considérons l'équation hyperbolique n
n
L (u) === ~ aikllx,xh i,h=l
1
+ i=l 2J biux . + cu-
Utt
= /,
(181)
1
-où aUn b h c et f sont des fonctions de (Xl' . . . , Xn , t), les fonctions bh ,c et f sont continues, les fonctions aik possèdent des dérivées premières continues dans les domaines de l'espace (Xl' . . . , Xn , t) qui seront précisés ultérieurement. L'équation (181) étant par hypothèse hyperbolique, on a l'inégalité n i,
n
2Jk=l aik;i;k ~ v i=l 2J sI
(v
>
0),
(182)
-on admettra que v est une constante strictement positive pour les {).omaines considérés. Pour plus de suggestion, on supposera dans la .:Suite que n = 2, de sorte que l'on se placera dans un espace à trois .dimensions de point générique (Xl' X2 , t). Tous les raisonnements va1ent pour le cas général. On se propose d'estimer les solutions de l'équation (181) en fonction des conditions initiales et des coefficients. Ces estimations entraîneront directement entre autres l'unicité de la solution du problème de Cauchy et la dépendance continue de cette solution par rapport aux conditions initiales. Les raisonnements seront calqués .sur ceux qui nous ont permis de prouver l'unicité de la solution du problème de Cauchy et du problème aux limites au (tome II, [VII-117]) pour l'équation des ondes. Prouvons préalablement le lemme suivant. Lem m e. Si une fonction w (t) positive, absolument continue, vérifie pour presque tous les t > 0 l'inégalité dw (t) dt~Cl(t)W(t)+C2(t),
( 183)
où
Ci
155
IN~GALIT~ ~NERG:eTIQUE
1-2-27.
(t) sont· des fonctions intégrables, alors t
t
SC1(t 1)dtt w(t)<e o
t
[w(O)+
Jc2 (t 2)e
SC1(t 1)dt 1
-
0
° Si en outre
Cl
(t) ~O, alors pour presque tous les t t
dt 2
J.
>
0
(184)
t2
Sc1(tddt 1
d~?) ~cI(t)eO
t
[w(O)+
~ c2 (t 2)e
-
SC1(t 0
1
)dt 1
.
dt 2]-\-c 2 (t).
(185)
o
De (184) et (185) il s'ensuit en particulier que si Cl (t) est une constante strictement positive (Cl (t) = Cl) et C 2 (t) est une fonction croissante, alors (186)
et (187) t
- Scl(tddt 1 En effet, multiplions les deux membres de (183) par e et mettons le résultat sous la forme t
- ~'cl(tddtt
d
dI(w(t)e
°
0
t - )'Cl(tl)dt 1
)~c2(t)e 0
•
En intégrant cette inégalité par rapport à t entre 0 et t, on obtient la majoration (184). Si Cl (t) ~ 0, la majoration (185) résulte de (184) et de (183). Ce que nous voulions. Supposons que, dans un domaine ~ adhérent au plan t = 0 et compris dans le demi-espace t > 0, l'équation (181) admet une solution continue avec ses dérivées premières et secondes dans ~. Supposons que ~ contient un domaine D de type cône tronqué dont la base inférieure B (0) est située dans le plan t=O et la base supérieure B (T), dans le plan t = T > 0, que cos (n, t) > 0 sur la surface latérale S et que S est orientée de façon spatio-caractéristique, c'està-dire que sur S 2
2
cos (n, t) -
h
aih cos (n, Xi) cos (n, Xh) >0
(188)
i,11=1
(on rappelle que la normale n à S est dirigée vers l'extérieur de D). Soit B (t 1) la sec tion de D par le plan t = t 1 . Consi dérons
156
CH. I.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
la relation t
t
~ ~~
-
o
~ ~~
2UtL (U) dX I dX 2 dt l = -
B(tl)
0
2ud dX I dX 2 dt l
(189)
B(tt>
pour tE [0, Tl. En se servant de la formule (107) et des identités 2
2
~
2
i,
2 i,
h=l
l
(aihuxkut)-
2
~ ~
-
~ a~.
aihuXixkUt = 2
h=l
i,
~
aihuXiuXk - 2
k=l
i,
k-1
on peut mettre la relation (189) sous la forme 2
~~
~
(
B(t)
i,
+ U~) dXI dx
aihUXiuXk
k= 1
2-
2
- ~ l (~ B(O)
t
+~
i,
k=1
aihUxpXk +U~) dX I dx2 + 2
~
~
[- 2
o 8B(tl)
i,
aikuxJpt cos (n, Xi) +
h=l
2
+( ~
aihuxpXk +ui) cos (n, t) ] dS dt] +
;,k=1 2
t
+~ I~(2 ~ o B(tl)
i,
aa'k _...;.:l..;..,U
at
k=1 t
2
- 2
U
xi xk
~ biuxiUt - 2cuut) dX I dX2 dt l = -
l ~ l 2ud dXI dxz dt
t=1
0 B(tr)
l ,
(190)
où ôB (t l ) est la frontière de B (tl)' L'intégrant du troisième terme est positif, car il ne diffère que par le terme strictement positif cos (n, t) de la somme 2
,2J aik (U Xi cos (n, k=1
1,
t) - Ut cos (n, Xi» (U Xk cos (n, t) - Ut cos (n, Xh»
+
2
+ U~ (cos 2 (n, t) -
~ aik cos (n, Xi) cos (n, Xh»), i, h=l
1-2-27. IN:eGALIT:e :eNERG:eTIQUE
157 2
~ aik~tSh'
dont le premier terme est une forme quadratique
i, h=l
définie positive et dont le second est positif en vertu de (183). De (190) il s'ensuit donc 2
t
~ K (0) - ~ ~ ~
K (t)
o
~ ~:it
(2
2
2
- 2
uXPXk-
i, h=l
i, k=l
B(tl)
~ a;:k
UxhUt t
~ btuxiUt - 2cuut) dX I dX2dt l
-
i=l
JJJ2ud dX dX2dt I
l ,
(191)
0 B(tl)
ou" 2
K (t)
=
J( ~
~
aikuXiuXh
+ U~) dX
i, k=l
B(t)
I
dx 2.
(192)
.
Supposons que
aXk ' I ~l
(193)
1
où Co>O. Alors 1~
~
2
a:~k
h
UXiUXh dX I dX21~Co
B(tl) i, k=l
2
J~
~
IUXil,/uXkl dX I dx 2·
B(t!) i, h=l
On a par ailleurs
Or, en vertu de (182), 2
2
i=l
i, k=l
~ U~i ~ ~ ~
aihUXiUxk ,
donc t
1
JJ j o
2
~ a:~k
UXiU X : l dXI dX 2 dtll ~ Cl
B(tl) i, k-l
.
t
JK (t l ) dt
lt
0
OÙ Cl est une constante strictement positive dépendant des coefficients. De façon analogue 2
t
J
Jo ~ ~ 2ut ~ (b B(t!)
i=l
2
i -
~ k=l
.
::::')
UXi dXI dX2 dtll~C2
t
Jn K (t
l)
dt l
,
158 OÙ C2
CH. I. TH:eORIE DES :eQUATIONS AUX D:eIUV:eES PARTIELLES
est une constante identique à Cl' Posons L (t)
=
JJu2dxI dx
(194)
2•
B(t)
De par l 'inégalité 12ab 1~ a2 + b2 et du fait que 2
. LJ aihUXiuXk~O, k=1
(195)
l,
on trouve t
t
11112CUtudX1dx2dtll~C31 o B(tl)
[K(tl)+L(tI)]dtl ·
0
Compte tenu de la relation 121utl ~u~
+ 12
et de (195), on obtient
1112IUtdXldx21~K(tI)+M(tl)' B(t l )
où M (tl) =
11 j2 dXI dx2·
(196)
B(tl)
En portant les majorations obtenues dans (191), on aura t
K(t)~K(0)+(CI+C2+C3+1)
JK(tl)dt l + o t
+ C3
t
JL (tl) dt l + JM (il) dt o
l•
(197)
0
Majorons L (t). Considérons l'intégrale t
JI (t)
=
JJJ [u 2 (Xl' X o
2,
tl)]tl dX I dX 2 dt}"
B(tl)
Cette intégrale peut être traitée comme une intégrale triple étendue au domaine Dt borné inférieurement par le plan t l = 0, supérieurement, par le plan t l = t et latéralement, par la surface S susindiquée sur laquelle cos (n, t) > O. La formule d'Ostrogradski nous donne immédiatement
JI(t)~
1Ju dxl dx2-1 Ju 2d:r dx2, 2
B(t)
1
B(O)
1-2-27. IN1tGALIT2
~NERG~TIQUE
1591
c'est-à-dire que t
JJu2dxldx2~ JJu 2dx l dx2+ ) JJ2UUtldxldx2dtl' B(t)
B(O)
d'où, compte tenu de
(198)!
B(tl)
0
12uutll~uri+u2 t
et de (195), il s'ensuit t
J
J
o
0
(t)~L (0) + K (t I ) dt t + L (t I ) dtl.
L
(199)J
Ajoutons (197) et (199):
K (t) +L{t)~ t
t
~K (0) + L (0) + C S[K (tI) + L (tl)] dt t + ) M (tI)'dt 1, o
(200}
u
où la constante C = Cl + C2 + C3 + 2 dépend des coefficients aik" bit c et des dérivées de aik. Utilisons maintenant les inégalités: t
(186) et (187). La fonction w (t) =
J[K (tI) .+ L (tt)] dt
l
remplit les:
o
conditions du lemme avec
t
cI(t)=C,
c2 (t)=K(O)+L(0)+
Jo M(tI)dtl
et w(O)=O.
Elle est donc justiciable des majorations t
w(t)=
Jr [K(tI)+L(tJ)]dtl~
r_6+ Jr t
eCt_f
c
o
M(t1)dt l
J
0
et
d~it)
= K (t) + L (t) ~
t
eCt [
6
+ JM (t J) dt l J,
(201);
o
où
+
K (0) L (0). Ces majorations sont dites énergétiques. En vertu de l'hypothèse (182), on a Ô=
K (t) ~
JJ ("U~l + VU~2 + un dXl dx2· B(t)
Sans nuire à la généralité, on peut admettre que le facteur v de la, condition (182) vérifie la double inégalité 0 < ,,~1. De (201) il
j.
160
.(
CH. I. TH:eORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
résulte alors
j J(ui + U~I + ut + u l
2
)
dX I
dX2~
.B(t)
Ct
~~[
2
JJ( ~
B(O)
aikuXiuXk+u~ + u 2 )
dxl dx 2
+
i, k=l t
+)
~
1/2
dX 1 dX 2 dtlJ .
(202)
o BUl) Cette majoration est valable pour tous les t E [0, Tl et pour tout domaine du type indiqué. Les constantes C et 'V ne dépendent que des
u 1 t=o = Ut 1 t=o = 0, (203) .alors la solution du problème est u == O. Soit (x~O) , x~O), fOl) un point quelconque. Supposons que le conoïde caractéristique de sommet (X~O), X~O), t
-et 'par suite 'u == 0 dans D. Cette assertion reste en vigueur si les -conditions initiales homogènes (203) sont données non pas sur le plan :(x, y) 'tout entier mais seulement sur la baSé B (O) du domaine D, puisque ceci suffit pour que ô = O. D'où l'on conclut que la valeur prise par la solution de l'équation sans second membre associée à (181) ;au point (x~O), x~O), t
1-2-28.
TH~ORj;;MES D'UNICIT~
(xi°!'
ET DE
D~PENDANCE
CONTINUE
161
x~O), t(O»).
On admet que ce conoïde forme avec le plan t = 0 un domaine D du type mentionné ci-dessus. Comme plus haut, dire que la solution dépend continûment des 0 et les fonctions conditions initiales revient à dire que si f
de sommet
==
lu 1 t=o
=
x 2 );
IUt 1 t=o
=
x 2)
(204)
sont petites (dans un sens quelconque), alors il en est de même de la solution U (Xh X 2 , t). Supposons que par conditions initiales petites on comprenne que les intégrales L (0) et K (0) sont petites, c'est-à-dire que L (0) ~ e et K (0) ~ e, où e est un nombre strictement positif petit. De (201) il s'ensuit alors immédiatement que K (t) ~ 2ee Ct ;
IL lt) ~ 2ee Ct
sur le domaine D tout entier. On démontre que la solution dépend continûment des conditions initiales non seulement dans l'hypothèse que les intégrales K (t) et L (t) sont majorées, mais aussi dans l 'hypothèse que le module de la fonction U l'est pour n = 1, c'est-à-dire pour le cas de deux variables indépendantes: Xl et t. Ceci résulte directement de la méthode de Riemann [1-2-16] si l'équation a été ramenée à la forme canonique adoptée dans la méthode de Riemann. Si l'on a affaire à plus de deux variables indépendantes, alors les inégalités indiquées ne nous permettent pâs de conclure que U (pour f == 0) est petite si 1
K (t)
=
[a (x, t)
)
ui + un dx,
~1(t)
où a (x, t) ~ m > O. La 'petitesse de L (0) et K (0) entraîne, en vertu des majorations précédentes, celle de L ft) et K (t) pour 0 ~ t ~ T. D'où l'on déduit que les intégrales ~2(t)
62(t)
2
) u (x, t)dx; SI (t) 11-0tOI7
) il(t)
62(t)
u~(x,
t)dx;
) ui (x, ~1(t)
t) dx
(205)
162
CH. I. THeORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
sont petites. Supposons que ces intégrales sont inférieures à f}>O. L'inégalité de Cauchy-Bouniakovski nous donne {u (x, t) - U [~1 (t), t]}2 = x
x
) ux(x', t) dx'
= [
x
J2 ~ ) ui (x', t) dx·
~1(t)
~1(t)
) f2dx, 61(t)
d'où {u(x, t)-U(~I(t), t)}2~a"
[~I(t)~X~~2(t)],
(206)
où a = ~2 (0) - SI (0) dans D. Grâce à l'inégalité de Cauchy-Bouniakovski on trouve la majoration x
[
) lu(x',
t)ldx'J2~af},
(207)
~1(t)
[61 (t)~X~~2 (t)]. De (206) il s'ensuit que u [~1 (t), t] = u (x, t)
+ v (x,
où
t),
Iv (x, t)l ~yaf).
En intégrant les deux membres par rapport à x entre et en se servant de (207), on obtient
lu [SI (t),
t] 1~
lf all b
~1 (t)
+ yaf},
(208)
et 62 (t) (209)
+
où b = ~2 (T) - 61 (T), de sorte que 1 U [SI (t), t] ~ (1 b_l) Y af}. En vertu de (208) et de la dernière inégalité, on obtient la majoration (210)
où f} est la majoration des intégrales (205), b = 62 (T) - 61 (T). On a donc majoré 1 u (x, t) 1 dans le domaine D tout entier en supposant que b > O. Majorons maintenant la solution u (x, t) en fonction du second membre f. Supposons que f est non nul et que les conditions initiales sont de la forme (203). Soit 1 f 1 ~ Mo, où Mo > O. En vertu de (196) et de (201), il vient alors K (t)
+ LI(t)~atM:eCt.
(211)
On \peut se servir non pas de la majoration de 1 f 1 mais de celle Ide la fonction M (t l ) figurant dans la formule (201). Les intégrales K (t) et L (t), établies pour la différence U 2 - Ul de) deux solutions U 2 et U 1 de l'équation (181) avec des seconds mem-
c,
1-2-29. CAS DE L':eQUAT10N DES ONDES
163
bres différents' mais les mêmes conditions initiales, sont aussi petites que l'on veut si 1/2 - /1 1 est assez petite. Pour n = 1 on peut comme plus haut en déduire une majoration pour / U 2 - Ul /.
1·2·29. Cas de l'équation des ondes. Il est immédiat de voir (cf. (191» que les solutions de l'équation des ondes n
2J U x .x . -
i=1
1
Utt
= 0
(212)
1
VÉrifient l'inégalité énergétique n
ft
) B(t)
(~u~i+uï)dx~) (~Uii i=1
+z4)dx,
(213)
i=1
B(O)
où dx = dXl ... dxn • Cette inégalité a été établie dans l'hypothèse que U possède des dérivées premières et secondes continues. Si U possède dans les domaines considérés des dérivées continues jusqu'à l'ordre m 1, alors n'importe quelle dérivée DIU, l~ m - 1 est aussi solution de l'équation (212) et par conséquent vérifie l'inégalité (213), c'est-à-dire que
+
n
) B(t)
n
[~ (D 1u x ,)2 + (D ut)2] dx~) [~(D1UXI)2+ 1
i=l
B(O)
(D 1ut)2J dx.
(214)
i=1
La formule de Poisson (tome II, [VII-1-9J) nous donne la solution du problème de Cauchy pour l'équation (212), solution dont la régularité croît avec celle des dérivées des conditions initiales
(q>, ~)m = ) [q>~+ ~ ~ Dl
BR
*) Il est d'usage de désigner 11*
wg
(l)
(D) par L 2 (D).
164 OÙ
CH. 1. THÉORIE DES 111QUATIONS AUX D111RIV111ES PARTIELLES
Dl désigne une dérivée d'ordre l de type quelconque, ~), la som-,
me de telles dérivées. On démontre que W~ (BR) est un espace hil- l hertien complet. ~ Désignons par qJ h les moyennes de qJ définies au (tome IV l' [III-21). On sait que qJ h sont des fonctions indéfiniment dérivables dans B R - h convergeant vers qJ lorsque h~ 0 pour les normes des espaces W~ (BRJ, où RI < R. De façon analogue, 1Ph convergeront vers $ pour les normes de W~-l (B RI)' Soit Uh (x, t) la solution du problème de Cauchy pour l'équation (212) qui vérifie les conditions initiales qJh et 1Ph' On voit sur la formule de Poisson que Uh possède des dérivées continues de tout ordre. Faisons tendre h vers 0 et étudions ce passage à la limite dans le cône Dl = { (x, t): 1 x 1 < RI, 0 < t < 1 x Il. Le cône Dl vérifie toutes les conditions imposées au domaine D de [I-2-271, donc les fonctions Uh sont justiciables des inégalités (214) dans lesquelles le rôle de B (t l ) incombe aux sections de Dl par le plan t=t l • Ces inégalités ont également lieu pour les fonctions V l ,2 (x, t) = = Uhl (x, t) - Uh2 (x, t) (car celles-ci sont aussi solutions de l'équation (212)), c'est-à-dire que n
[~
}
(D l v1. 2xi)2+ (D 1v1.
dx~
2t)2 ]
i=i
B(t)
n
~ } [~(DlVi. B(O)
2xi)2
+ (D lV1. 21)2] dx.
(215)
i=1
Le second membre de (215) tend vers 0 avec hl et h 2 pour l = 0, 1, m - 1, donc il tendra vers 0 sur toute section B (t), t E [0, Rll. Les fonctions VI. 2 tendent aussi vers 0 pour les normes de L 2 (B (t)), puisque pour toute fonction V régulière on a 0
o
0
•
••
,
t
(x, t) = v (x, 0) + } Vtl (x~ t I ) dt lt o donc (en vertu de l'inégalité de Cauchy-Bouniakovski) V
t
V2
et
(x, t) ~ 2v 2 (x, 0) -t-- 2t } vl1 (x, t 1) dt l o
J v2dx~2 B(t)
t
} v 2 dx+2t} B(O)
l
v~! dxdxIo
(216)
0 BU!)
En intégrant (215) et (216) par rapport à t entre 0 et t 2 ~ RI, on s'assure que les fonctions VI, 2 tendent avec toutes leurs dérivées jus-
1-2-29. CAS DE
L'~QUATION
DES ONDES
165
qu'à l'ordre m· vers 0 pour la norme de L 2 (Dl). En vertu de la complétude de l'espace L 2 (Dl) et des propriétés des dérivées distributionnelles décrites dans le {tome IVI , (111-5], [111-61) il existe un élément U de l'espace W~ (Dl) vers lequel convergent les fonctions Uh pour la norme de W~ (Dl). Bien plus, on voit sur (215) et (216) que Uh (x, t) convergent pour les normes de W~ (B (t» et Uht (x, t), pour les normes de W~-l (B (t», quel que soit t E [0, R I l, de sorte que U (x, t) E W~ (B (t» et Ut (x, t) E W~-l (B (t» quel que soit t E E [0, RIL et U vérifiera les inégalités (214) et (216). Pour m ~ 2 la fonction U sera solution de l'équation (212) pour presque tous les (x, t) de Dl. On a ainsi réussi à trouver une solution du problème de Cauchy pour l'équation (212) dans le domaineD I dans l'hypothèse que les conditions intiales q:J et 11' sont des éléments de W~ (BR) et W~-l (BR) respectivement (m~ 2). Bien plus, on a montré que la régularité de cette solution n'est pas affectée par la croissance de t si U (x, t) E W~ (E (t» et Ut (x, t) E W~-l (B (t». Si q:J et 11' varient peu pour les normes des espaces W~ (B R) et W~ -1 (B R) respectivement, alors il en est de même de la solution correspondante U et de sa dérivée Ut pour les normes des espaces W~ (B (t» et W~-l (B Ct)~. De façon plus exacte, si Uk' k=1, 2 sont les solutions de l'équation (212) vérifiant les conditions initiales q:Jk et lPk' k = 1, 2, alors leur différence v = UI - U2 satisfait les inégalités (214) et (216) qui caractérisent la dépendance continue des solutions du problème de Cauchy par rapport aux conditions initiales pour les normes intégrales correspondantes. La solution du problème de Cauchy trouvée plus haut est unique dans la classe des fonctions de W~ (Dl)' m ~ 2. En effet, les raisonnements du (1-2-27] s'étendent à ces fonctions si toutes les intégrales sont des intégrales-Lebesgue et si les inégalités sont considérées non pas pour tous les t mais pour presque tous les t de [0, T]. Attirons l'attention sur le rôle particulier des espaces W~ (B (t» pour les équations hyperboliques. Ces espaces nous ont permis de mettre en évidence une propriété assez importante des solutions des équations (212), à savoir que leur régularité n'était pas altérée par la croisance de t. Bien plus, étant donné que l'inversion du temps (c'est-à-dire le changement de ten -t) ne modifie pas l'équation (212), le problème de Cauchy se résout dans ces espaces de façon analogue pour les t décroissants. Donc, la régularité des solutions n'est pas altérée par la décroissance de t. On a ainsi établi le fait suivant: les solutions de l'équation des ondes sans second membre conservent à tout instant t la régularité qu'elles avaient à l'instant initial. Ceci est vrai si la régularité des solutions U est caractérisée par le fait que le couple {u (x, t); Ut (x, t} est un élément des espaces W~ (B (t» X W~-l (B (t», tE] - RI' RIl. Cette propriété n'a pas lieu dans d'autres espaces. Elle est mise en défaut si par exemple la régularité des solutions est caractérisée par la continuité de telle
166
CH. I.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
ou telle dérivée (R. Cou r a n t, D. H i 1 ber t, Methoden der mathematischen Physik. Berlin, 1931). On a montré comment utiliser l'inégalité (213) et les inégalités (214) qui en découlent pour résoudre et analyser le problème de Cauchy pour l'équation (212). On peut de façon analogue étudier en détail l'équation des ondes avec second membre. Bien plus, l'inégalité (201) et celles qui en résultent sont fondamentales pour l'étude du problème de Cauchy pour les équations hyperboliques générales (181). Nous allons illustrer ceci dans le chapitre suivant sur des problèmes plus compliqués pour les équations (181) et montrer comment à partir des résultats obtenus il est possible d'établir la solubilité du problème de Cauchy.
1-2-30. Théorème d'immersion dans l'espace des fonctions continues et certaines de ses conséquences. Si une fonction f(x), xE De Rn possède des dérivées distributionnelles de carré sommable par rapport à tous les Xi jusqu'à l'ordre l et l ~ [ ; ] 1, alors elle est
+
équivalente à une fonction
Î
(x), continue dans D, et max
1
Î (x)
1
xCD
admet une majoration qui dépend de la norme de f dans l'espace WJ (D). Ceci est vrai sous certaines contraintes imposées à D, par exemple, pour un domaine D de frontière régulière. La proposition précédente est un cas particulier des théorèmes d'immersion de Sobolev. On se propose d'établir une proposition plus faible: la continuité de (x) seulement dans un ouvert D et une majoration pour max 1f (x) l, où D' cD. On commencera par le
l
A
xED'
Thé 0 r ème 1. Si une fonction f (Xl' . . • , x n ) possède à l'intérieur d'une boule D à n dimensions des dérivées continues jusqu'à un ordre· l et si (a=O, 1, ... , l),
(217)
alors dans toute boule Dl concentrique et intérieure à D, on a les majorations suivantes:
où [~ ] est lapartieentièrede; et c, une constante ne dépendant que du choix de Dl.
167
1-2-30. THeORËME D'IMMERSION
Composons la fonction auxiliaire
a (x) =
(1 1 {O
pour pour
(219)
1 11
l
1 ~
pour
+"2
2
2
< x <3" '
où 1
T- x
u = ----:--:::---~----;--
(~-x)(x-~)'
Il est évident que U~
X~
i . Ceci étant,
+
00
lorsque x~ ~ et U~
-
00
lorsque
a (x) tend respectivement vers 1 et 0 et il est
immédiat de vérifier que toutes les dérivées de cr (x) sont continues pour x = ~ et x = ~ . Soient Mo un point de Dl, et k, la différence des rayons de D et de Dl' Considérons le système de coordonnées sphériques de centre Mo:
= r cos 81 ; x = r sin 8 cos 8 ; . . 2. . . . . 1. . . 2. Xl
... .. .. .
x n - 2 = r sin 81 ••• sin 8n - a cos 8 n - 2 ; x n - l = r sin 81 ••• sin 8 n - 2 cos ,p; x n = r sin 81 ••• sin 8 n - 2 sin ,p,
o~ 8k ~ n dw n
=
et 0 ~ ,p
<
r n - l sinn -2
2n. Pour le volume élémentaire on a 81 sin n -3 8 2 • • • sin8n -2dr d8 1 •• • d8 n -2d ,p.
En éliminant dr et en faisant r = 1, on obtient l'aire élémentaire dan de la sphère unitaire. Introduisons la fonction
a1- l
F (M) = f (M).
ôr1-1 -
[r (l-1)1
ôl (M) ôr
l l -
ôl -
a ( hr 2
• ôrl-2
) ]
-
[r (l-1)! l l -
,
... ~. (-1)
(
r ) ]
a .h
+ ...
al-II (M)
11
ôr l - l
[ •
r l- l
(l-1)!
a(~)J,
168
CH. 1. TlffiORIE DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
où r = M aM. On vérifie immédiatement que F (Mo) =
ôFô~M) = 1 (M).
::1
1 (Mo);
[(l~:)1
F (M) = 0 pour r= k,
a(
~
)
+(-1)
1-
J+ ôll
l'ôr l '
J
[r (l-1)! l 1 -
( r ) a h'
(220)
et l'on peut écrire h
1 (Mo) =
ôFô(~) dr,
-)
o
l'intégration étant effectuée le long d'une demi-droite issue de Mo. En multipliant les deux membres de cette formule par dan = dw n : rn-Idr et en intégrant surIes intervalles 0:::;;; es:::;;; n; 0:::;;; 'l':::;;; 2n, on obtient
1(M o) =
- -1
O'n
~ ôF.::l(M) r -n+l dx t ur
• ••
dX
n,
Do
Do est une boule de centre Mo et de rayon k, et an l'aire de la sphère unitaire de Rn' Si l'on pose k = [ ; la formule précédente devient OÙ
J,
1 (M o) -- -
_1_ ~ _1 ôF (M) 11. ô O'n
r
r
r h-n+l d Xl
• ••
dX
n,
Do
d'où l'on déduit grâce à l'inégalité de Cauchy-Bouniakovski
12 (Mo) :::;;;
-- 1 J\ (1rh ~ O'~
ôF (M) ) 2 d d n ôr Xl • •• X
Do
de d.l, J\ r 2k-2n+2r n-t d rde I' • • n-2 't'. Do
Dans la dernière intégrale, l'exposant est égal à 1 pour n pair et à 0 pour n impair. Donc
12 (Mo):::;;; Cl J\
(1rh
ôF (M) ) 2 ôr
dX I
•••
dx n ,
(221)
Do
où la constante Cl ne dépend que de k. Revenons à la formule (220). Le coefficient en 1 est nul pour r:::;;; ~ en vertu de (219). Par ailleurs, la règle de dérivation d'une fonction composée nous permet d'affirmer que :;, est une combinaison linéaire des dérivées d'ordre l par
169'
1-2-30. THÉORt:ME D'IMMERSION
rapport à
à coefficients bornés. On peut donc écrire
•. , X n
Xl'
1 {)F (M)
Th
{)r
~
=
al
+ L..J
{)lt
aal ... an a
al
Xl
•.•
a an ' xn
OÙ a est une fonction continue bornée et 1 aal ... an 1~ c 2r l - h -1._ Tous les coefficients sont bornés pour l ~ k 1, c'est-à-dire pour l ~ [ ~ + 1. Donc, compte tenu de la relation (Xl + ... + Xn )2 ~ ~ n (xi + ... + X~) et de (217), on déduit à partir de (221) 12 UWo)~ c2A2, OÙ la constante c ne dépend que de h. Si pour un entier naturel ~ > 0'
+
J
on al'inégalitél-~~[;J +1, i.e. ~~l-l;J-1, alors on peut reprendre tous les raisonnements précédents en remplaçant 1 par l'une quelconque de ses dérivées partielles d' ordre ~ et l par(l - ~). On a donc établi les majorations (218). C. q. f. d. Supposons maintenant que la fonction 1 remplit toutes les conditions du théorème, mais qu'elle n'est pas continue avec ses dérivées, autrement dit, 1 est un élément de l'espace W~ (D). Considérons une boule D 2 concentrique et intérieure à D. Considérons les fonctions moyennes th sur D (tome IV l' [III-2J), en admettant que hest inférieur à la différence des rayons de D et de D 2. On a pources fonctions
f I~
(x)
dx~ )
En effet, de la définition de niakovski il résulte que D2
D2
~ ) [h~
)
D2
)
û) (
!h et de l'inégalité de Cauchy-Bou1X
~ YI) 1(y)
û) (
IX~YI )
dy
h~
h1n
~) axl
~\
[j2(y)
D
()h! h
û) (
IX;;YI )
12 (y) dy] dx=:
1X
û) (
~ YI) j2 (y) dy ]
dx ~
'x-y I
D2
l
) 'x-y I
1x-y f
a
dy] 2 dx ~
/x-y/
= ) [
Comme
(222;
D
D2
) I~ (x) dx = ) [ h1n
j2 (x) dx.
a ... ax n n
~ln
)
û) (
IX~YI)
dxJ dy= ) j2(y) dy_
/'l.:-yl
h!) , = (aà a h xl ... à an n l
X
intégrales des carrés de tOutES les dérivéEs
D
. s'ensuit que les k~ l, Il {)hih
a xaI 1 ... axan n
,0 ~k ~ l,.
170
CH. 1. TH:~ORIE DES :eQUATIONS
Aux D:eRIV:eES PARTIELLES
<étendues à D 2 sont inférieures à A2, donc l
lJlfhll~l,)D2={) [fh+ ~ ~ (aXa.l~~~haxa.n )2Jdx}1/2~cIA. D2
k=l (k)
1
(223)
n
,On sait par ailleurs (tome IV l, [III-3]) que les fonctions h ten·dent vers f lorsque h -+ 0 pour la norme de W~ (D 2 ) , définie par {223), donc 1/ f h l - ! h 2 ,,~l,> D2 -+ 0 lorsque hl, h 2-+ O. En vertu de ]'inégalité (218) appliquée à la fonction !h1 - /h2 et à une boule Dl ·etmcentrique et intérieure à D 2 , la différence fh 1 - f h 2 tend avec -toutes ses dérivées par rapport à x jusqu'à l'ordre l - [ ~ 1 -vers 0 uniformément en x EDl lorsque hl, h 2 -+ O. Comme de plus les fonctions fh sont indéfiniment dérivables, la fonction limite 1 sera continue dans Dl avec ses dérivées jusqu'à l'ordre l ~ -1. La fonction Î est confondue avec f pour presque -tous les x. On a ainsi démontré le
J-
-[ J
Thé 0 r ème 2. Si des conditions du théorème précédent on <écarte celle qui porte sur la continuité de f et si les dérivées de f sont .distributionnelles, alors il existe une fonction Î équivalente à f et con.tinue avec ses dérivées jusqu'à l'ordre l - [ ; 1 dans l'ouvert D .
J-
t
.De plus, on a les majorations (218) pour Ce théorème et les résultats du paragraphe précédent nous permettent de tirer les conclusions suivantes sur l'existence des solu;tions classiques du problème de Cauchy pour l'équation (212): Si cp (x) = ult=o est un élément de W~ loc (Rn) et 'li' (x) = ut/t=o, 1 .un élément de W2:ï~c (Rn), et m>l+ [ nt + 1, l>2, alors la solution correspondante u (x, t) du problème de Cauchy pour .l'équation (212) est continue et admet des dérivées continues jusqu'à l'ordre l. Dire que cp E w~ loc (Rn) revient à dire que cpE w~ (B) pour toute boule Be Rn. Les raisonnements du numéro précédent entraînent l'existence d'une solution u (x, t) du problème de Cauchy .appartenant à w~ loc (Rn+ 1 ). Ceci et le théorème 2 ci-dessus affirment la continuité de u (x, t) et de ses dérivées jusqu'à l'ordre
J
.l=m-[ nt 1 J-1. La solution du problème de Cauchy pour l'équation 0 u = -= f (x, t) avec les mêmes conditions initiales sera classique si (Rn+!) 2, 100 + , f Ewm-l
1-2-31. SOLUTIONS DISTRIBUTIONNELLES
171
1-2-31. Solutions distributionnelles des équations du second ordre. Au [I-2-15J on a étudié la question de savoir lesquelles des fonctions u (x, t) définies dans un domaine D, possédant des dérivées partielles premières discontinues sur une surface régulière a et vérifiant les équations Ou = 0 ou Ou = /, il convenait d'appeler solutions (plus exactement solutions distributionnelles) de ces équations dans D. Du point de vue physique, c'est-à-dire si un problème de physique nous conduit à ces équations, il faut imposer à ces fonctions u la condition [P (u)J()' = 0 qui dit qu'aucune force extérieure n'est concentrée sur la surface de discontinuité. Du point de vue mathématique, il faut que ces fonctions soient justiciables de la formule de Green (79) dont le rôle est déterminant dans l'étude des équations différentielles. Au [I-2-15], on a montré que ces conditions sont équivalentes si u présente des discontinuités « régulières »,c'est-àdire remplit des conditions cinématiques de compatibilité et si les surfaces de discontinuité sont régulières. Les fonctions u remplissant toutes ces conditions et vérifiant l' équation 0 u = / en dehors de a, satisfont l'identité
) u 0 11 dx dt= ) /11 dx dt D
(224)
D
pour tout 11 E Cr: (D). D'autre part, au (tome IV l , [111-5], [111-6]) on a défini les notions de dérivées distributionnelles et d'opérateurs différentiels distributionnels pour les fonctions de L 2 (D). Dans le langage de ces notions, l'identité (224) exprime que l'opérateur distributionnel 0 a été défini pour u et que 0 u = /' On dira qu'une fonction u (x, t) est une solution distributionnelle de la classe L 2 de l'équation 0 u = / dans un domaine D si elle est de carré sommable sur tout domaine D' c D et si elle est justiciable de l'identité (224) pour tout 11 E C~ (D). Dans la suite, par D'on comprendra des domaines bornés tels que D' cD. De façon analogue, on appelle solution distributionnelle de la classe L 2 dans le domaine D de l'équation n
L (u) ==. ~ aihuxix1& t, h=1
n
+!J biuxi+cu=! t=1
(225)
toute fonction u (x) de carré sommable sur tout domaine D'et vérifiant l'identité
JuL* (11) dx= J/11 dx
D
D
(226)
172
CH. 1.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX
D::eRIV~ES
PARTIELLES
pour tout 1'] E C~ (D). L'opérateur L* est l'adjoint de L au sens de Lagrange, c'est-à-dire
Pour que cette définition soit correcte, il faut que les coefficients admettent des dérivées secondes et les coefficients b h des dérivées premières. Supposons que les dérivées D1aik' l = 1, 2 et Db i sont continues dans D. Les solutions des équations (225) de la classe C2 (D) (les seules considérées jusqu'à présent) seront dites classiques. Les solutions classiques de l'équation (225) vérifient l'identité (226), car la formule de Green aik
j uL* (l']) dx = j 1']L (u) dx, D
(227)
D
a lieu pour tout u E C2 (D) et tout 11 E Cr: (D). La réciproque est vraie: si u E C2 (D) et vérifie l'identité (226), alors elle est solution classique de l'équation (225). En effet, de (226) et (227) il s'ensuit que
j [L (u) -f] 1'] dx= 0 D
pour tout 1'] E Cc: (D). De là il s'ensuit en vertu du théorème 2 du (tome IV l' UII-5l) appliqué à un domaine D' que L (u) = f. On a le Thé 0 r ème 3. Si les coefficients de L sont constants dans D, alors toute solution distributionnelle de L 2 de l'équation sans second membre associée à (225) peut être approximée pour les normes de L 2 (D') par des solutions classiques de la même équation. En effet, soit u une solution distributionnelle de L 2 de l'équation sans second membre associée à (225) dans D, c' est-à-dire que u E L 2 (D') pour tout domaine D'et (228)
pour tout 11 E Cc: (D). Pour 11 prenons les fonctions moyennes Vh décrites pour une fonction v E Cc: (D) dans le (tome IV l' [111-4]). Ces moyennes appartiennent à Cc: (D) pour h assez petit. Le noyau médiateur ne dépendant que de la différence des arguments, l'égalité D1vh = (DlVh a lieu pour toute dérivée Dl de v. Donc L (Vh) = = (L (v)h. D'autre part, il est immédiat de vérifier à l'aide du
I-2~31. SOLUTIONS DISTRIBUTIONNELLES
173
théorème de Fubini que ) uWhdx= ) Uh wdx D
(229)
D
quelles que soient U E L 2 (D) et w E Cr;' (D) si h est assez petit (h doit être strictement inférieur à la distance du support de w à la frontière de D). De tout ce qui précède il s'ensuit que
0= ) uL* (Vh) dx= ) u (L* (v)h dx = D
D
= ) UhL* (v) dx= ) D
L (Uh) v dx.
(230)
D
Soit un domaine D' cD. Les relations (230) sont valables pour tout v E Cr;' (D') et h strictement inférieur à la distance de D' à la frontière de D. Ceci nous permet d'affirmer en vertu du théorème 2 du (tome IV l' [III-41) que L (Uh) = 0 dans D', c'est-à-dire que Uh est une solution classique de l'équation sans second membre associée à (225). Lorsque h -+ 0 les fonctions Uh convergent vers la solution distributionnelle U pour la norme de L 2 (D'). C. q. f. d. Il est immédiat de voir que la réciproque est vraie aussi: si une jonction U peut être approximée pour les normes de L 2 (D'), D' c D, par des solutions classiques Um de l'équation sans second membre associée à (225), alors elle est solution distributionnelle de cette équation dans le domaine D. On aurait pu se servir de ces deux propositions pour définir les solutions distributionnelles de l'équation L (u) = 0 dans D comme la limite, pour les normes de L 2 (D'), de ses solutions classiques. Cette définition aurait été identique à celle donnée plus haut. Cependant nous ne ferons pas intervenir cette définition, car elle n'est valable que pour des opérateurs L à coefficients constants (ou, plus généralement, assez réguliers). Signalons seulement que c'est précisément cette approche ,qui a été développée dans les années 30 par S. Sobolev dans l'étude des solutions discontinues de l'équation des ondes et la résolution du problème de Cauchy corrrespondant. Par la suite, Sobolev et de nombreux autres auteurs se sont penchés sur la résolubilité du problème de Cauchy pour des équations hyperboliques à coefficients variables en se basant sur les solutions classiques du problème de Cauchy pour des équations spéciales approximant l'équation donnée. Les solutions distributionnelles de l'équation (ou du problème de Cauchy correspondant) ont été définies comme la limite (pour telle ou telle norme) de solutions classiques des équations approximantes (ou du problème de Cauchy correspondant). Si de bonnes représentations intégrales ont été
174
CH. I. THeORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
trouvées pour les solutions des équations ou des problèmes aux limites correspondants, alors ces représentations ont été utilisées pour déterminer les solutions distributionnelles (cf. travaux de N. Gunter, G. Leray et autres). Le rôle dominant de l'identité (226) n'est pas apparu d'emblée bien que cette identité ait figuré dès les années 20 dans de nombreux travaux (par exemple, dans le travail de N. W i en e r, The Operational Calculus. Math. Ann., 1926, 95, pp. 557-584). Plus tard (à la fin des années 40- début des années 50) les solutions distributionnelles du problème de Cauchy et des problèmes aux limites pour des équations de types divers ont été définies sans faire appel aux représentations de ces solutions et aux processus d'approximation. Ces définitions qui se basent sur des identités intégrales ont été fécondes pour la résolution des problèmes aux limites. C'est précisément cette approche qui a été systématiquement développée dans les travaux de O. Lad y j e n s k a ï a et notamment dans sa monographie Problème mixte pour l'équation hyperbolique. Ces travaux mettent l'accent sur l'adéquation de l'introduction non pas d'une seule classe de solutions distributionnelles du problème, mais de toute une famille de classes de solutions distributionnelles si les coefficients de l'équation sont des fonctions suffisamment régulières. En revanche, si les coefficients ne sont pas suffisamment réguliers, il est souvent possible de rattacher à cette équation une classe bien définie de solutions distributionnelles. Ainsi, par exemple, si les dérivées des coefficients aik ou b i de l'équation (225) ne figurent pas dans l'expression de L*, alors la définition des solutions distributionnelles basée sur l'identité (226) est illicite. Dans le chapitre suivant, on exhibera une définition des solutions distributionnelles de divers problèmes aux limites, appartenant à différents espaces fonctionnels et l'on montrera comment appliquer ces définitions à l'étude de la résolubilité de ces problèmes. Etudions le problème de Cauchy suivant: n
L(u)e=
~
i, k=1
n aikuX.X1&+ l
~ biux.+cu-utt=f,
i=1
(231)
l
It=o = cp (x), Ut It=o = 'P (x), (232) en admettant que les coefficients de L sont des fonctions assez régulières (c'est-à-dire, différentiables autant de fois qu'il le faut) et que l'équation est hyperbolique. Multiplions l'équation (231) par une fonction arbitraire 'Y) (x, t) E C':' (Rn +1) (on rappelle que les fonctions telles que 'Y) (x, t) possèdent un support compact) et intégrons la relation obtenue sur le domaine R~+I= ({x, t) : x ERn, t > O}. Intégrons le premier membre par parties de telle sorte qu'il ne reste aucune dérivée de u. On obtient ainsi des intéU
175-
1-2-31. SOLUTIONS DISTRIBUTIONNELLES
grales étendues au plan R: = (ex, t): x E Rn, t = O} ~t contenant. les fonctions u 1t=o et Ut 1t=o qui seront remplacées par cp et'i' en vertU! de (232). En définitive, on est conduit à l'identité
J 1 uL* ('ll) dx dt + J('i''ll- CPT)t) dx =
R:+
(233)1
R:
où n
L* ('ll) =
{) (b (rl)
~
OZi
+ e'YI _ '1
'YI
'Itt
i, k=l
et où toutes les intégrales sont pratiquement étendues à un domaine.borné dans lequel 'll (x, t) est non nulle. Appelons solution distributionnelle de la classe L 2 du problème de' Cauchy (231), (232), une fonction u de la classe L 2 , loc (R~+I) (c'est-à-dire, une fonction de carré sommable sur toute partie bornée dlL domaine R";+I) et vérifiant l'identité intégrale (233) pour tout 11 E C:' (Rn +1). Il est clair que si les coefficients de L possèdent des dérivées con-tinues figurant dans L*, si f E Li, loc (R,,;+I) et si cp et 'i' sont deséléments de Li,lOC (Rn), alors cette définition est correcte, autre-ment dit, toutes les intégrales figurant dans (233) sont convergentes. Les solutions classiques du problème (231), (232) vérifient l'identité, (233). Si d'autre part une fonction u satisfait à cette identité pourtout 'll E (Rn +1) et est bicontinûment dérivable pour t ~ 0, alors elle sera solution du problème (231), (232). Pour s'en assurer il faut intégrer le premier membre de (233) par parties, ce qui conduit. à l'identité
Cc:
1 R:+
[L(u)-f]'lldxdt+ ) [('i'- U t)11-(<J>-u)'llt]dx=O.
(234}
R~
i
Les intégrales étendues à R: sont nulles pour 'll E Cc: (R:+ 1 ) et decette identité il s'ensuit en vertu du théorème 2 du (tome IV 1 ,· [111-5]) que Lu = f dans R:+l. Donc, l'identité (234) équivaut à, l'identité
1[('i'-
R:
u,) 11 - (q> - u) 'llt] dx =
o.
{235}
Considérons maintenant les 'll E Cr: (Rn+ 1 ) qui sont nuls pour t = O. Donc, l'intégrale qui contient 'll disparaîtra de (235) et de l'identit€ obtenue il s'ensuivra {toujours en vertu du théorème 2 du (tomeIV 17 [111-5]) que cp = ult=o, car pour 'llt'J=o on peut prendre une-
176
CH. I. TH:eORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
fonction quelconque de Cr: (Rn). L'identité (235) se réduit donc à
.\
('P -
Ut)
Tl dx = 0,
R~
-d'où l'on déduit par analogie que'P = Utlt=o' Ainsi donc l'identité {233) recèle toute l'information nécessaire sur le problème (231), (232). De la démonstration de ce fait, on voit à quel point il est essentiel que cette identité soit réalisée pour tout 'Y) E C': (Rn +1). :Si l'on avait considéré une classe plus étroite de fonctions 'Y) , par exemple, la classe C': (R~+1), on n'aurait pas pu prouver que la fonction U satisfait les conditions initiales (232). De tout ce qui précède il est clair que la définition de la solution distributionnelle du pr'oblème (231), (232), exhibée plus haut, généralise bien la notion de solution classique. Cette généralisation est indispensable .:Si les fonctions f, cp et'P ne sont pas assez régulières. Si, par exemple, la fonction f est discontinue ou si cp et'P ne sont pas dérivables, alors le problème (231), (232) n'admet pas visiblement de solutions clas:siques (c'est-à-dire de solutions deux fois continûment dérivables .dans R~ +1). Cependant la généralisation de la notion de solution du problème (231), (232), implique encore une justification. Plus exactement, au [1-2-28] on a montré que, dans la classe des solutions clas.:Siques, le problème (231), (232) est déterministe, c'est-à-dire qu'il ne peut admettre deux solutions distinctes. Il y a intérêt à préserver ~ette importante propriété des problèmes dynamiques, faussi est-il nécessaire d'établir si le théorème d'unicité n'est pas mis en défaut ·dans la classe des solutions distributionnelles définie plus haut. La démonstration exhibée au (I-2-27] ne passe pas, car les solutions oétudiées doivent posséder des dérivées distributionnelles du second ·ordre au moins. Une autre démonstration du théorème d'unicité a été proposée au début du siècle par Holmgren. Mais cette démonstration implique la résolution dans la classe des solutions classiques du problème adjoint pour des conditions initiales et des seconds membres suffisamment réguliers et à support borné. Or ce problème est pratiquement identique au problème initial (231), (232). Ce problème a été étudié dans le cas d'équations à coefficients variables par Hadamard, puis par Schauder et autres par des méthodes assez complexes et pour des coefficients de L pourvus d'un grand nombre ·de dérivées. Il était nécessaire d'élaborer d'autres méthodes de démonstration du théorème d'unicité pour les solutions distributionnelles qui n'impliquent pas de trouver les solutions classiques du problème adjoint. Ceci a été fait dans les travaux de O. Ladyjenskaïa au début des années 50 (cf. monographie citée à la page 174 et l'article: O. Lad y j e n s k a ï a, Sur la résolubilité des problèmes aux limites fondamentaux pour équations paraboliques et elliptiques.
1-2-32. EXISTENCE ET UNICIT:m DES SOLUTIONS DISTRIBUTIONNELLES
t77
DAN SSSR, 1954, 97, nO 3). Pour trouver les solutions distributionnelles du problème (231), (232), on peut se servir des méthodes de Galerkine, aux différences finies, fonctionnelle de Lâdyjenskaïa et autres. 1-2-32. Sur l'existence et l'unicité des solutions distributionnelles du problème de Cauchy pour l'équation des ondes. Les solutions distributionnelles du problème de Cauchy pour l'équation des ondes n
Ou==2J ux.:c.-Utt=/ i=l 1
(236)
Z
peuvent être déterminées pour de « mauvaises » fonctions j,
J1
UDf) dxdt =
0
R:+
pour tout
1')
ECo (R n +1). Considérons la bande II = {(x, t): x ERn, t El 0, Tf}
12-01017
(237)
178
CH. 1.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
et le problème
o w=f""(x,
t),
W
It=T=O,
Wt
It=T=O,
(238)
TE
en admettant que C': (II) *). La solution de ce problème est donnée par la formule de Kirchhoff. C'est une fonction indéfiniment dérivable, nulle pour t ~ T et aux points (x, t) tels que t E[- T, Tl et 1x 1 est assez grand. En multipliant cette fonction par X(t), fonction indéfiniment dérivable, égale à 1 pour t ~ 0 et à 0 pour t ~ - T,. on obtient une fonction ;;; lx, t) = W (x, t) X (t) de C': (Rn +1) qui est confondue avec W (x, t) pour t ~ O. Donc, dans (237) pour 11 on. peut prendre la fonction ;;;. En tenant compte de l'égalité Dw = 7~ on trouve
~
vT dxdt=O.
R~+l
-==
Comme cette égalité est vraie pour toute fonction f E C': (II), on a v 0 dans II. T étant arbitraire, la fonction v 0 dans R~ +1. C. q. f. d.
==
1-2-33. Equations de type elliptique. Jusqu'ici nous n'avons étudié le problème de Cauchy que pour des équations hyperboliques. Considérons maintenant une équation elliptique élémentaire, l'équation de Laplace de deux variables indépendantes: U xx
+u
1JU
= O.
(239)
On sait que toute solution de cette équation est la partie réelled'une fonction analytique: j (z) = U (x, y) v (x, y) i (tome 111 2 ,. [1-2]). Considérons une solution de l'équation (239) au voisinage d'un point que l'on prendra pour origine des coordonnées. Supposons que U possède des dérivées premières et secondes continues en cepoint et en son voisinage et écrivons la série entière de j (z) :
+
00
f (z) = .~ cnz n. n=O
+
Cette série converge dans un disque 1 z 1 < R et de plus Cn = an bni sont des nombres complexes. En considérant la partie réelledes termes de la série
+
00
t (z) = n=O LJ (an + bni) (x +. yi)n *) Ce problème s'appelle problème adjoint du problème initial.
1-2-33.
~QUATIONS
DE TYPE ELLIPTIQUE
179
on obtient polir u (x, y) une représentation en série suivant des polynômes homogènes de (x, y): 00
u (x, y)
= ~
r
{an x n -
n
(n2~1) X n- 2 y 2 + ... ] +
n=O
+ bn [ -
nxn-1y
+ n (n- il (n-2)
X
n- 3 y 3 - -
••• ] }
(240)
+
et cette série converge absolument pour V x 2 y2 < R. Mettons la série (240) sous forme d'une série double de x et y: 00
2J
dpqxPyq,
(241)
P. q=O
et montrons que cette série converge aussi si les valeurs réelles de x et y sont assez voisines de O. En effet, les valeurs absolues des termes de la série (241) sont inférieures aux termes de la série double déduite à partir de la série 00
Li
n=O
Icn/(Ix/+ly/)n.
Or la série 00
2J 1Cn 1r n n=O
(r> 0)
converge pour r < R, d'où il résulte immédiatement que la serIe (241) converge absolument pour 1 x 1 1 y 1 < R. En regroupant les termes de la série (241), on obtient la série (240), autrement dit, la somme de la série (241) est égale à u (x, y). Donc, toute solution de l'équation (239) se représente par une série entière au voisinage de tout point (x, y), pourvu que ce dernier ne soit pas un point de discontinuité, en d'autres termes, toute solution de 1'équation (239) est une fonction analytique de (x, y). De là il s'ensuit aussitôt qu'une fonction harmonique est indéfiniment dérivable et que si deux fonctions harmoniques sont confondues sur une partie du plan (x, y), elles le seront partout sur ce plan. Signalons que la situation est complètement différente pour l'équation hyperbolique u yy - a 2 u xx = 0, (242)
+
où a est un nombre réel donné. Cette équation admet la solution évidente (tome II, [VII-1-2l) u = cp (x ay), (243,
+
où cp est une fonction arbitraire possédant des dérivées premIeres et secondes continues. En théorie des fonctions d'une variable réelle j
2*
180
CH. I. THÉORIE DES ÉQUATIONS AUX DÉRIVÉES PARTIELLES
on démontre qu'on peut construire une fonction cp Ct) possédant des dérivées première et seconde continues mais pas de dérivée troisième pour aucune valeur de t. Si cp Ct) est une telle fonction, la solution de (242) n'admettra de dérivées troisièmes pour aucun (x, y) et par conséquent ne peut être une fonction analytique de (x, y). On peut envisager de poser le problème de Cauchy pour l'équation (239). On peut par exemple chercher la solution de l'équation (239) qui véri.fie les conditions initiales
ulx=o = f o (y);
uxlx=o = fI (y),
(244)
où fo (y) et fI (y) sont des fonctions analytiques données de y (I-1-29]. Ce problème admettra une solution bien définie au voisinage du point x = O. Mais ce problème est mal posé en ce sens que ses solutions peuvent varier fortement pour de faibles variations des conditions initiales. En effet, soient et fI (y) = 1.. sin (ny), n
fo (y) = 0
(245)
où n > 0 est un nombre donné. Il est im.médiat de vérifier que la solution de l'équation (239) qui satisfait ces conditions initiales est: enx_e-nx U =.
Ln~
. SIn
(ny).
(246)
Supposons que n -+ 00. La condition initiale fI (y) tend alors vers {) uniformément en y, car 1 sin (ny) 1~ 1 et la solution (246) tend vers l'infini si x :f= 0 et ny est différent d'un multiple de n. En effet, .si par exemple x > 0, alors e-nx -+ 0 et le rapport e nx /n 2 -+ 00 pour n -+ 00, puisque enx croît plus vite que n 2 • Donc, lorsque les con·ditions initiales tendent vers 0, la solution tend vers l'infini. En ·d'autres termes, la solution du problème de Cauchy pour l'équation (239) ne dépend pas continûment des conditions initiales. S'agissant de l'équation hyperbolique, cette dépendance par rapport aux -conditions initiales a toujours lieu dans un sens ou dans l'autre (cf. [1-2-28] ;[1-2-29]). Nous avons établi l'analyticité des solutions de l'équation de Laplace pour le cas de deux variables indépendantes. Il en va de même pour le cas de trois variables indépendantes: U xx
+ U yy + U zz =
O.
Brossons la démonstration de cette affirmation. Supposons que l'on soit en possession d'une solution de cette équation admettant des dérivées premières et secondes continues en 0 et en son voisinage. La fonction u sera analytique sur une boule de centre 0 et de rayon R.
1-2-33. :eQUATIONS DE TYPE ELLIPTIQUE
181
La formule (tome II, [VII-3-6l) u(X,y,z)= 1
=
4nR
R2_(X 2 +y2+ Z2)
\ \
J J u (~, 11, ~) [(X_;)2+(Y_lJ)2+(Z_~)2]3/2 dS
(247)
s
nous permet d'exprimer la valeur prise par la fonction u en un point intérieur quelconque (x, y, z) de la boule par l'intermédiaire de la valeur prise en un point (~, 11, ~) de la frontière S de cette boule. Pour les x, y, z situés au voisinage de 0, on peut développer la fonction [(x- ~)2+ (y - 11)2 +(z _ ~)2]-3/2= 3
= R-3 [
1 + (X2+y2+Z2)_~~X+2lJY+2~Z)
]-2
en une série entière des puissances positives de (x, y, z) à l'aide de la formule du binôme de Newton. L'intégrant de l'intégrale (247) sera représenté par une telle série dont les coeffiCients dépendent de (~, 11, ~). Une intégration terme à terms de cette série sur S nous donnera la série entière de u (x,. y, z). On démontre de façon analogue que les solutions de l'équation {)2
U
{)x2
+
{)2
U
{)y2
+k u = 0 2
sont des fonctions analytiques de (x, y). Ceci fera du reste l'objet du chapitre suivant. Une démonstration de l'analyticité des solutions pour une vaste classe d'équations de type elliptique èst accessible dans les travaux de S. Ber n ste i n. Jusqu'ici il n'a été question que des solutions classiques, c'est-àdire des solutions bicontinûment dérivables des équations elliptiques. Penchons-nous sur les propriétés des solutions distributionnelles (discontinues) de ces équations. Considérons l'équation (239) et le laplacien Ll correspondant. En appliquant à cet opérateur les mêmes raisonnements qu'à l'opérateur 0 == L\ - ~ {){)22 , (cf. a t [1-2-14]; [1-2-15]) on est conduit à la conclusion suivante: l'équation (239) ne possède pas de solutions présentant des discontinuités faibles ni non plus de solutions présentant des discontinuités fortes et vérifiant les conditions cinématiques et dynamiques de compatibilité. Cela se conçoit, car on a établi que seules les surfaces caractéristiques pouvaient être des surfaces de discontinuité faible et de discontinuité forte; or les équations elliptiques n'en possèdent pas. On prouvera un fait plus général:
182
CH. 1. TH:eORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
Thé 0 r ème. Toute solution distributionnelle de L 2 de l'équation de Laplace est classique. Ce théorème est valable quel que soit le nombre de variables indépendantes. Pour plus de suggestion on le prouvera pour l'équation (239). Soit u (x, y) une solution distributionnelle de l'équation (239) dans le disque ouvert D po = {(x, y): V x 2 y2 < Po}, autrement dit u E L 2 (D p ) pour tout p < Po et
+
I JuC11 dx dy= 0
(248)
D po
pour tout 11 E Cc: (D po )' Le théorème établi au (I-2-311 nous dit que les moyennes Uh de la fonction u sont des fonctions harmoniques (donc analytiques) approximant u lorsque h -+ 0 pour les normes de L 2 (D p ), P < Po' Rappelons que Uh est définie sur D fH P ~ Po - h. Utilisons la propriété suivante des fonctions harmoniques: Uh
(x, y)
= n~2
J~
(x', y') dx' dy',
Uh
(249)
Be(x, y)
où Be (x, y) est un disque de centre (x, y) et de rayon 8, contenu dans D po - h ' Montrons que la famille de fonctions {Uh}, 0
JJ U~ (x', y') dx' dy' ~ JJ D pl +h 1
u 2 (x', y') dx' dy' e:: C~l + 2h l
DpI +2hl
(cf. (222». On obtient .
1Uh (x, y) 1~
1
Y n hl
((" ("
JJ
2 ('
Uh X
')d' d ,)1/2 x Y :::::::::
,y
cpI+2hl lm hl
(250)
Bhl(X, y)
pour tout (x, y) EDpl et h~hl' Par ailleurs, pour tous (x, y) et de DpI et h~hl' on a
(';;, y)
1 Uh (x, y) -
Uh (;,
y) 1~
n~f
JJ
1 Uh (x', y') 1 dx' dy'
,....,
~
D
~ n~f
(J J ,...., D
1 Uh (x', y')
1
2
dx' dy') 1
/ 2 1
E 11/2~
1-2-33. EQUATIONS DE TYPE ELLIPTIQUE.
~Ù
D= (B hl (x,
y) U B hl
(;,
Y) '" (B hl (x,
férence symétrique des disques B hl
nB
183
y» est la dif'" (x, y) et B hl (x, y), 1 D 1 l'aire y)
hl (;,
'"
'"
de D et d= V(X_;)2+(y_y)2 . Les inégalités (250) et (251) ·expriment que les fonctions {Uh (x, y)} sont équibornées ,et équicontinues dans le disque DpI" Donc la fonction limite, soit U (x, y), sera continue dans D p1 • Pour prouver qu'elle est harmonique, on se servira de la formule de Poisson (formule (25) du (tome II, [VII-3-4l) pour les fonctions Uh, h ~ hl et pour un disque quelconque Be (x, y) contenu dans D p1 • Dans cette formule, on peut passer à la limite pour h -+ 0 et s'assurer qu'elle est valable pour la fonction u. Or on a prouvé au (tome II, [VII-3-51) qu'il s'ensuit de là que U est harmonique dans Be (x, y). C. q. f. d. On vient donc de prouver que toutes les solutions distributionnelles de la classe L 2 de l'équation L\u = 0 sont des solutions classiques, c'est-à-dire d'ordinaires fonctions harmoniques. Au contraire, l'ensemble des solutions distributionnelles de l'équation ~u
=f si 1 est
(252)
.est hien plus riche. On sait que indéfiniment dérivable, la solution de l'équation (252) est donnée par le potentiel newtonien. Pour le cas de trois variables, cette fonction s'écrit
U(X,y,Z)=-4~ ~\)/(X";,,Z')dx'dY'dz"
(253)
b
+
où r == V (x - X')2 + (y - y')2 (z - Z')2. Si f est continûment dérivable dans l'adhérence D du domaine bornée D, alors la fonction (253) possède des dérivées premières et secondes continues dÇ\ns D et vérifie l'équation (252) dans D. Il existe au contraire des fonctions continues f pour lesquelles la fonction (253) ne possède pas de dérivées secondes continues, par conséquent, n'est pas une solution classique de l'équation (252). Montrons que la fonction u est une solution distributionnelle de L 2 de l'équation (252) pour toute fonction f continue dans D. Pour cela il faut prouver que u E L 2 (D'), D' c n et que pour tout 'riE C~ (D) (254)
Sous les conditions imposées à l, la fonction u est continue et continûment dérivable dans IJ, donc elle appartient visiblement à
184
CH. 1. TimORlE DES
~QUATIONS
AUX
DOIV~ES
PARTIELLES
L 2 (D). Pour vérifier (254) considérons les fonctions
(x y z)
u (h)
,
= __1_ 4n
,
\ \ \ h(x ' , y', l')
J "J
r
D
dx' dy' dz'
'
(255)
sont les fonctions moyennes de f (tome IV l' [III-2l) prolongée par 0 en dehors deD. Les fonctions U(h) et fh vérifient l'identité (254) OÙ
fh
1.\ ) D
U(h)
â'r) dx dy dz =
111 !h
'YI
dx dy dz.
(256)
D
Lorsque h -+ 0, les fonctions fh convergent vers f pour la norme de L 2 (D) ét convergent uniformément dans tout domaine D'intérieur à D. Il s'ensuit que U(h) convergent uniformément vers u dans tout dOl:naine D'. On peut donc passer à la limite dans (256) pour h -+ 0 (et T) E C': (D) fixe) et s'assurer que (254) est vraie pour U,. La relation (254) est également vraie pour toute fonction f E L 2 (D). Bien plus, si f E L 2 (D), les solutions u (x) de l'équation (252) possèdent des dérivées distributionnelles premières et secondes par rapport à :cet sont solutions presque partout de cette équation. Nous prouverons ceci au [11-2-55] directement pour des équations elliptiques gél).érales. Signalons que le théorème que nous venons de prouver dans ce numéro est valable pour l'équation de la chaleur, autrement dit, les solutions distributionnelles d.e L 2 de l'équation de la cha~ leur sans second membre sont classiques. Une démonstration de cette assertion figure dans l'ouvrage ·de S. S 0 bol ev: Equations de physique mathématique. M., Gostekhizdat, 1950 (en' russe). Le lecteur n'éprouvera aucune difficulté à l'effectuer seul.
1-3. Systèmes d'équations 1-3-1. Caractéristiques de systèmes d'équations. On passe maintenant à l'étude des systèmes d'équations aux dérivées partielles. Dans le cas analytique, le problème de l'existence et de l'unicité de la solution du problème de Cauchy a été examiné au (1-1-28]. Dans le cas non analytique, ce problème est bien plus compliqué que pour une seule équation. Des résultats assez généraux ont été obtenus dans cette voie par I. P é t r 0 v ski dans ses travaux Sur le problème de Cauchy pour les systèmes d'équations aux dérivées partielles (Matem. sb., 1937, 2, nO 5) et Sur le problème de Cauchy pour les systèmes d'équations linéaires aux dérivées partielles dans le domaine des fonctions non analytiques (Bul. MGU, 1938). Certains des résultats sont développés dans l'ouvrage: I. P é t r 0 v ski,. Leçons sur les équations aux dérivées partielles. M., Fizmatguiz, 1961 (en russe). Dans cet ouvrage on trouvera une bibliographie et un sommaire de résultats relatifs à cette question.
1-3-1. CARACTSRISTIQUES DE SYS'n::MES
D'~QUATIONS
f85
On 'se contentera de peu sur les systèmes d'équations et on commencera par développer la théorie, des caractéristiques et le problèmedes solutions discontinues rattaché à cette théorie. Notre exposéde la théorie des discontinuités faibles suit l'ouvrage de T. Lev i C i vit a, Caractéristiques des systèmes différentiels et propagation', des ondes. Paris, Alcan, 1932. Soit le système (i=1, 2, ... , m).
Ce système étant du premier ordre, les conditions initiales se traduisent par la donnée des valeurs initiales des fonctions Us (Xl' ••• . . . , x n ) sur une surface bien définie de l'espace (Xl' . . . , X n ). Supposons que la surface support de ces conditions initiales est le plan Xl = 0, c'est-à-dire que nous avons affaire à des conditions initiales spéciales, : (2), (j=1, ... , m). Ces conditions nous permettent de calculer sur le plan Xl = 0 toutes. les dérivées premières à l'exception de ~Uj • Si, après la substiVXl tution Xl = 0 et des autres conditions initiales (2), le système (1} est soluble en ~Uj ,on obtient les valeurs de toutes les dérivées· vXl , premières sur Xl = O. Dans le cas contraire le plan Xl = 0 sera appelé plan caractéristique. D'une façon générale, on dit qu'une surface· 001 (X!' • • • , x n ) = 0 (3)supportant des conditions initiales est caractéristique si ces conditions, combinées au système (1), ne permettent pàs de déterminerde façon unique toutes les dérivées premières. Si les coefficients· aiJ> ne dépendent que de X S , la connaissance dès valeurs initiales. des fonctions Uj sur la surface (3) importe peu. Pour établir les conditions que doit remplir la surface caractéristique (3), introduisons comme au (1-2-11] les nouvelles variables indépendantes xi en posant (4, où les n - 1 fonctions 00 2' • • • , OO n ont été choisies de telle sort6' que le système (4) soit soluble en Xk. On a les formules suivantes:
-186
CH. 1. TH~ORIE DES ~QUATIONS AUX D:mRIV~ES PARTIELLES
En portant ces expressions dans le système (1) et en ne retenant ~ue les termes qui contiennent les dérivées aU! ,on obtient aX i m
~
n
~
LJ Li
•
(If)
ai}
aOh au] -a-a + ... = 0 Xk Xl 1
(i=1, ... , m).
}=1 k=1
Dans les nouvelles variables nous avons affaire à des conditions initiales spéciales supportées par le plan x~ = O. Ce plan sera caractéristique si le système (11) ne permet pas de déterminer les dérivées - aau! de façon unique, c'est-à-dire si le déterminant formé avec Xl
les coefficients en .pose
aau! est nul. Si, pour simplifier l'écriture, on Xi n wij
~
(k) aUl I
(5)
= LJ aii -;)-, oXk
k=1
·on obtient l'équation du premier ordre suivante qui doit être vérifiée par toute surface caractéristique du système (1):
IWijl
=
Wu,
W 12 ,
w2l ,
W 22 ,
· . ., · .. ,
W m2 ,
· .. ,
Wm!, ,
.. .
W 1m W 2m
=0.
(6)
W mm aUll
'Cette equation du premier ordre est de degré ln en les dérivées aXk • Elle est identique à l'équation (53) du [1-2-11]. L'équation (6) doit être satisfaite en vertu de (3). Si l'on exige -qu'elle soit vérifiée identiquement, c'est-à-dire si on la traite comme une équation ordinaire du premier ordre pour la fonction wl (Xl' ••• . . . , x n ), alors on obtiendra une famille W 1 (Xl' • . . , X n ) = C de .surfaces caractéristiques du système (1). On démontre (cf. 1-1-3) que toute surface caractéristique peut être incluse dans une telle famille. Si la fonction W 1 (Xl' . • • , X n ) est telle que le premier membre ·-de l'équation (6) est différent de 0 sur la surface W l = 0, alors en -effectuant le changement de variables (4), on peut résoudre le systè-
au·
me (11) par rapport à -a ~ . Xi
Si dans le premier membre de l' équation (6) on remplace aaUll Xk par a'0 on obtient une équation de degré m pour les composantes du vecteur (al' ... , an), qui définit en chaque point les directions .caractéristiques de la normale. La direction de la normale est carac4éristique en tout point d'une surface caractéristique.
1-3-1. CARACT:eRISTIQUES DE SYSTÈMES D':eQUATIONS
187
On peut d-e la même façon considérer le système d'équations du second ordre m
n
""
"",
L.I
Lj
kl ai}
f)2 Uj
--~--:-~+ VXk VXl
... = 0,
(7)
i=1 k, l=1
en admettant comme toujours que a~'!= a~J.l. Si l'on a affaire à des tJ l conditions initiales spéciales supportées par l'hyperplan Xl = 0: Uj IXl=O
= fP j (x 2 ,
~Uj 1Xl=O -'i'j (x 2 ,
vX l
••• ,
xn )
••• ,
x n );
(j= 1, ... , m),
on sait que toutes les dérivées premières et toutes les dérivées seconpeuvent être déterminées sur Xl = O. En des, hormis ~ui Xl portant les conditions initiales dans les coefficients du système et en égalant à zéro le déterminant formé avec les coefficients en f);U! Xl on obtient la condition que doit remplir l'hyperplan Xl = 0 pour être caractéristique. Dans le cas général, les fonctions et leurs dérivées premières sont données sur la surface (3) et l'on doit chercher la condition sous laquelle le système (7) combiné aux conditions initiales ne permet pas de définir de façon unique les dérivées secondes. Considérons de nouveau le changement de variables (4). On a les formules:
,
En portant ces expressions dans (7) et en ne retenant que les termes f)2 u . contenant f) ,~ ,on obtient le système Xl
Dans les nouvelles variables, les conditions initiales sont supportées par le plan x~ = 0 et l'on doit écrire la condition d'indétermination de ce système. En posant n
(8)
188
CH. I. THeORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
on peut mettre cette condition SOUS la forme , , , 0011 0012 ... , OOlm , , ,
Iooijl =
0021
, OOm1
.. . , OO2m ..... , , OOm2 ... , OOmm
0022
=0.
(9)
Le premier membre de cette équation du premier ordre est un polyAh '" d e d egre' 2m en 1es d'" oro1 nome omogene erlvees -;l-. UXh
Revenons aux systèmes du premier ordre. Si dans (6) on substitue ah à ~ro1 , on obtient l 'équa tion UXh
<1> (al' •.. , an)
=
0,
(10)
où <1> est un polynôme homogène de degré menaI' ... , an et dont. les coefficients dépendent de (Xl' ... , X n ). On dit que le système (1) est elliptique dans un domaine D de l'espace (Xl' ... , x n ) si le premier membre de l'équation (10) ne s'annule que pour al = a 2 = . . . . .. = an == O. On définit de façon analogue un système (7) elliptique. Les systèmes hyperboliques sont différents. Mais nous revieudrons sur cette question dans le cas de deux variables indépendantes. On dit que le système (1) est paraboliquement dégénéré en un point (Xl' ... , x n ) ou dans un domaine D si en ce point ou dans ce domaine .on peut, par un changement linéaire ~déquat des variables as, réduire le nombre de variables du polynôme homogène <1> (al' ... . , an)' Si les coefficients a~') du système (1) contiennent les fonctions Uj (c'est-à-dire que le système est quasi linéaire), alors en substituant des fonctions quelconques Uj supportées par. une surface 00 1 = 0 dans ces coefficients, on peut composer l'équation (6) et dire si la surface w 1 = 0 est caractéristique ou non. Ceci vaut aussi pour le système (7) si les coefficients a~J dépendent des fonctions U j et de leurs dérivées partielles premières (cf. U-2-1l). A noter que le système (7) peut être ramené à un système d'équations du premier ordre par l'introduction des mn fonctions
ou j
-aXh - --wik
j _1, ( k-1,
m).
, , n
En faisant le changement (10 1) dans les équations (7), on obtient m équations du premier ordre par rapport à (m mn) fonctions, Uj et Wjh' A ces équations s'ajouteront encore les mn équations (101).
+
1-3-2. Conditions cinématiques de compatibilité. Pour la suite de l'exposé on aura besoin d'un lemme sur la dérivabilité des fonc-
COMPATIBILIT~
1-3-2. CONDITIONS CINeMATIQUES DE
189
tions sur une" surface. Pour plus de suggestion, on prouvera ce lemme pour le cas de trois variables indépendantes. Soit f (Xl' X 2, Xs) une fonction continue d'un côté et sur une -surface S:
'1'
(Xl' X 2, Xs)
=
o.
'Supposons encore que les dérivées partielles premières de f sont .aussi continues de ce côté de S et prennent des valeurs frontières f Xi bien définies sur S. Si une courbe l d'équation Xi = Xi (t) (i = = 1, 2, 3), où Xi lt) possèdent des dérivées continues, est donnée du même côté de S, alors la fonction f est une fonction de t le long de l et l'on a 3
:~
~
=
fXhXk
(11)
(t).
h=1
Lem m e. La formule (11) a lieu si l est située sur S. On peut admettre que la courbe l est assez petite. Soient NI et N 2 ses extrémités et N le point courant de l. Menons par N une parallèle à la normale nI à S en NI vers le côté où f est définie, et portons sur chacune de ces parallèles un segment N N' de longueur ô. Oil admet que les extrémités N' de ces segments forment une courbe l' sans points doubles contenue dans le domaine de définition de f. Si = = Xi (t) Ô cos (nI' Xi). Appliquons la formule (11) le long de l' :
+
3
~~ Il' = ~
fXk (§1' S2' S3)
Xk
(t).
k=1
Intégrons les deux membres par rapport à t entre la valeur t = t i correspondant au po int N 1 et t: t
f(t)ll'-f(tl)ll'=)
3
~
fXkœl'
62'
63)Xk
(t) dt,
tl h=1
où f (t l ) et f (t) sont les valeurs de f aux points de l' correspondant aux t indiqués. Par hypothèse, f et f Xh sont continues sur S, donc l'intégrant du second membre est une fonction uniformément continue du paramètre ô. En passant à la limite pour Ô -+ 0 dans la dernière formule, on obtient t
3
1 (t) -- f (t l ) = ) ~
fXk
[Xl
(t), X 2 (t), X s (t)] Xk (t) dt,
tl k=1
où au premier membre figurent les valeurs de f sur l. Une dérivation des deux membres par rapport à t nous donne la formule (11).
190
CH. 1.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
D~RIV:E:ES
AUX
PARTIELLES
Ce lemme nous sera utile dans ce numéro et dans le chapitre suivant.Passons au cas d'un nombre quelconque de variables et supposons maintenant qu'une fonction f (Xl' ••. , x n ) reste continue en traversant une surface S: 'P (Xl' ••• , X n ) = 0, (12) et que ses dérivées partielles premières possèdent des limites bien définies de chaque côté de S, mais que ces limites sont différentes~ autrement dit, les dérivées premières de f présentent une discontinuité de première espèce sur la surface (12). Chaque côté de la surface sera doté d'un signe. Les limites seront affectées du signe « » ou « - » selon qu'elles auront été obtenues du côté positif ou négatif. Ainsi la condition de continuité de f à la traversée de S sera notée f+ = f-. Introduisons le saut des dérivées partielles premières:
+
[fxh]
= t~h - f~k·
Les quantités f+ et f- sont par hypothèse confondues le long de tout~ courbe l située sur la surface (12). En appliquant le lemme on obtient donc n
2J
h=l
n
2J
f~k dXh =
k=l
f;k dXk
(sur S).
(13}
Les variables Xh ne sont pas indépendantes sur la surface S. Si, par exemple, l'équation de la surface est donnée sous forme explicite~ l'une des variables sera fonction des autres, et seules ces dernières seront traitées comme des variables indépendantes. La formule précédente peut encore s'écrire n
2J
[f Xh] dXh =
h=l
O.
On a d'autre part n
2J
k=l
1Pxk dX h
= O.
Multiplions cette relation par un facteur h, inconnu pour l'instant,. et soustrayons de la formule précédente: n
2J Hf Xh] -
h=l
h'Pxh} dX k
=
o.
Définissons maintenant le facteur h de manière que le coefficient en la différentielle de la variable dépendante soit nul. Les autres coefficients en les différentielles des variables indépendantes seront visiblement nuls (tome l, (V-2-7l) et l'on obtient ainsi les n égali-
1-3-3. CONDITIONS DYNAMIQUES DE COMPATIBILITÉ
tg!
tés suivantes: . (14}
autrement dit, les sauts des dérivées partielles premières doivent êtreproportionnels aux dérivées partielles de (12) par rapport aux variables correspondantes. Ces conditions s'appellent conditions cinématiquesde compatibilité. Traitons maintenant le cas où la fonction f et ses dérivées premières restent continues à la traversée de la surface (12) tandis que ses dérivées secondes présentent une discontinuité. Les raisonnements'. précédents s'appliquent alors à chaque fonction f Xk' Chaque fonction f Xk figurera avec son propre coefficient de proportionnalité h k dans les conditions cinématiques de compatibilité et le saut de la dérivée de f Xk par rapport à Xl doit être proportionnel à 1PxZ" autrement dit, on aura les égalités suivantes pour les sauts des:· dérivées secondes: [!XkXl] = .f~kxl- f~l{xl = h k 1Px[' La dérivation ne dépendant pas de l'ordre dans lequel elle est effectuée tant du côté positif que négatif de S, on a h k 1Pxl = h l 1P x l" • e. ~ hl{ = ~. hl E n d' autres t ermes, 1e rapport h k·. 11, . 1. 't'Xk ne d olt 't'xk
't'Xl
pas dépendre de l'indice k. En posant h k dernière formule à la forme
=
: 1P x k
=
h, on ramène la'
1Pxz·
(15) Ces formules traduisent les conditions cinématiques de compatibi-lité dans le cas d'une discontinuité de seconde espèce, c'est-à-dire· des dérivées partielles secondes. [f XhXl]
h1Pxk
1-3-3. Conditions dynamiques de compatibilité. Revenons au système d'équations du premier ordre (1) et supposons que la surface· (3) est caractéristique pour ce système et qu'une solution u présente· une faible discon tinuité sur cette surface, c'est-à-dire que u est continue sur cette surface et seules ses dérivées premières y sont discontinues. Soient u + et u - les solutions continues respectives, du côté « >} et du côté « - >}, confondues avec u. Ecrivons le système (1) pour u + et u -. Faisons la différence de ces équations sur la surface (3). Les termes Q:>i seront continus à la traversée de cette surface et disparaîtront lors de la soustraction. Nous serons: donc conduits aux m équations suivantes que doivent vérifier lessauts des dérivées partielles premières:
+
(16).
192
CH.
1;
'1'H:mORIE DES :mQUATIONS AUX DBRrvoS PARTm.x,p,s
-Pour établir ces conditions on s'est essentiellement servi du système ~1) qui décrit généralement un processus physique; les conditions -obtenues s'appellent conditions dynamiques de compatibilité. Chaque Jonction Uj figure avec son propre coefficient de proportionnalité .h j dans les conditions cinématiques de compatibilité (14): {ju j [ -{jXh
J=
hj
{jw l
-{jXl>..
(j = 1, 2, ... , m).
(17)
En portant ces expressions dans les conditions (16) et en tenant de la notation (5), on obtient m équations du premier degré .sans second membre pour les coefficients h j : ~ompte
m
1J
wijhj=O
(i=1, 2, ... , m).
(18)
1=1
ne l'équation de la surface caractéristique (6) il s'ensuit immédiatement que le déterminant de ce système est nul et par suite ce système possède une solution non triviale. Dans le cas général, lorsque le œang de la matrice du système (18) est égal à m - 1, la solution :générale de ce système se définit à un facteur multiplicatif près .dont l'influence sur la nature de la discontinuité est insignifiante. Passons maintenant à l'étude du système d'équations du second «)rdre (7). Dans ce cas, la solution qui présèntera une discontinuité laible sera une solution dans laquelle la fonction U et ses dérivées premières sont continues. Comme plus haut, on obtient les conditions dynamiques de compatibilité suivantes pour les sauts des .dérivées secondes: (19) "Chaque fonction Uj figurera avec son propre coefficient de proportionnalité h j dans les conditions cinématiques de compatibilité: ] _ h {jw l {jw 1 {j2U j (20) [ -{j~X-h~{j-xl- j {j Xh {j x l · En portant ces expressions dans les conditions (19) et en se servant -de la notation (8), on obtient de nouveau un système d'équations sans seconds membres en hj, dont le déterminant est nul en vertu ~e (9): m
2J
Wiihj = O.
(21)
i=1 1-3-4. Equations de l'hydrodynamique. Appliquons la théorie des caractéristiques aux équations de l'hydrodynamique. Désignons par (ul' U 2 , us) les -eomposantes du vecteur vitesse, par p, la pression, par p, la densité et par Ir,
1-3-4.
~QUATIONS
DE L'HYDRODYNAMIQUE
193
fI, fs, les composantes de la force extérieure rapportée à l'unité de masse. Les variables indépendantes seront le temps t et les coordonnées spatiales On aura trois équations d'Euler:
Xl' X2' Xs.
(i=1, 2, 3),
et l'équation de continuité (tome II, [IV-2-8]) 3
op ~ -,-+ ot
3
op
-Uk+P
oXk
k=l
~ --=0. ÔUk ôXk k=l
On admettra que le liquide est compressible et que l'équation d'état est une relation liant la pression et la densité p = p (p), où p (p) est une fonction donnée. On aura en définitive quatre équations du premier ordre pour les fonctions Uit U2' Us, P des variables indépendantes Xl' X 2 , Xs, t: (i=1, 2, 3),
3
~
P LJ
3
ÔUk
Ô:Pk
+!.f!-+ ~ !E.... u =0. ôt LJ ÔXk k
k=l
Les quantités
OOi)
k=l
définies par les formules (5) seront de la forme:
(i=1, 2, 3, 4),
1 P dp
dp Ô00 1 • 00' - - - - l4 ÔXi t
(i
=1= 4),
où 001 désigne comme toujours le premier membre de l'équation de la surface caractéristique 001 (XH X2' XS t t) = O. (22) Comme plus haut désignons par g2 la somme
( ~)2 ôXk • 13-01017
194
CH. J. TH~ORIE DES ~QUATIONS AUX D~RJV~ES PARTIELLES
L'équation de premier ordre (6) que doit vérifier la surface caractéristique (22) sera de la forme: . 1 dp ôro t
o
o
p
1 dp
o
dro t
o
o
dro t
ôro t
ôro t
P
àX1
(
·0
dt
ôro t drot
=
dt
"P""d'P
p
ôX 2
+
ôro t àt
ôX 2
1 dp
ôro t
U
ÔXt
1
=0
ôXa
dro 1
--cu-
ôXa
oro t
ôro t
p d'P p ëiP
dt
ôX1
+ ÔX ôro
u
t
2
2
+
oro t u ) ÔXa
3
•
Développons ce déterminant: (
~~1
)
2[ (
d;/ )2 _
g2
J
:~ = O.
(23)
La vitesse P de propagation de la surface (22) dans le sens normal à celle-ci est donnée par la formule (75) du [1-2-14]. La surface (22) traversera à chaque instant des particules liquides. Soit un la composante de la vitesse d'une particule liquide située sur la surface, portée par la normale à cette surface au point considéré. Comme oro 1 : g sont les cosinus directeurs de la normale en question (du côtéÔXk
des roI
>
0), on a 3
Un
=.i~ g LJ
ôrot
UA
àXk·
k=1
La différence P - Un qui exprime la vitesse de propagation de la surface par rapport aux particules liquides s'appelle généralement vitesse de propagation de l'onde. Pour cette vitesse on a l'expression suivante: V = P - un = .
_.!g ôrot ot
_
-!.
3
~
g LJ
.Uk
ôro 1 ÔXk
k=1
ou (24)
L'équation différentielle des surfaces caractéristiques . (23) équivaut aux deux. équations suivantes:
V2 = O·,
f
ll2= dp , 'dp·
(25)
La première équation décrit le cas d'une discontinuité stationnaire, donc dans la suite on n'étudiera que la deuxième. La vitesse II définie par la formule (25} est la vitesse du son: .
ll=,i,d p V ·dp·
(26)
1-3-4.
~QUAT10NS
195
DE L'HYDRODYNAMIQUE
Etablissons' maintenant la nature de la discontinuité en se servant des con~ ditions cinématiques et dynamiques de compatibilité. Désignons par h k les coefficients de discontinuité figurant avec les fonctions Uk dans la formule (17). par r, celui de la fonction p. Les équations (18) s'écrivclll ici dro t hk' dt
+..!..
ôro t ÔXk
dp P dp
r=O
(k = 1, 2, 3)
ou, compte tenu de (24) et de (25), 1 V ôro -ghk+- - t r=O,
P
ôXk
autrement dit (27}
où cos a.k sont les cosinus directeurs de la normale à la surface de discontinuité. On interprétera (ht , h 2 , ha) comme les composantes d'un vecteur h (le vecteur de discontinuité des dérivées de la vitesse). Les formules précédentes peuvent être mises sous la forme vectorielle suivante: rV
h= p n,
où n est le vecteur unitaire de la normale à la surface de discontinuité. On voit donc que le vecteur de discontinuité des dérivées de la vitesse est dirigé suivant la normale à la surface de discontinuité (onde longitudinale). Les composantes du vecteur accélération Wi s'expriment à l'aide des formules: ôU· W"= _ _ l Z
ôt
+
3 ~
ôU· __ Z
Uk
ÔXk
(i= 1,2, 3)
k=1
et sont affectées d'une discontinuité à la traversée de la surface. Supposons qu'il y ait repos d'un côté de la surface. La vitesse étant continue, ses valeurs limites sur la surface sont nulles que l'on se rapproche d'un côté ou de l'autre de cette surface, quant à ses dérivées, elles prendront sur la surface des valeurs égales au saut puisqu'avant d'atteindre la surface elles étaient nulles du côté du repos. Il en va de même des composantes de l'accélération. Le saut de ces composantes est défini, en vertu de (27) et (24), par l'égalité [wi] = hi
-+ ôt ôrot
3 ~
oro t htUk - ôXk
=
dro t hi - = dt
k=1
rgV2
---.;;-- c os a. i , P
ou sous la forme vectorielle: [w]
=-
rgV2 n. p
Cette formule nous donnera l'accélération sur la surface de discontinuité sous la condition de.repos. . . Considérons maintenant le cas stationnaire où les fonctions Uk et p ne dépendent pas de t. En admettant que rot' ne dépend pas non plus du temps, on aura P = et V = -un' Supposons que la vitesse du liqui e est inférieure à P et l'égalitécelle du son (26) dans un domaine. Donc, a fortiori 1 un 1 <
°
' . 13·
dVd
dp
CH. 1. 1'H~ORIE, DES' ~QUATIONS AUX. D:eRIV~ES PARTIELLES
i96
v =";-un est
impossible. On voit donc qu'aux vitesses subsoniques il ne peut
y avoir de propagation des discontinuités dans le cas stationnaire.
1-3-5. Equations de la théorie de l'élasticité. A titre d'exemple d'application de la théorie des caractéristiques à des systèmes d'équations du second ordre, considérons les équations de la théorie de l'élasticité dans le cas élémentaire d'un milieu homogène isotrope. Désignons par (ul' U2' ua) les composantes du vecteur déplacement et par Â. et f.t les constantes usuelles du milieu élastique. Les équations fondamentales de la théorie de l'élasticité se présentent sous la forme du système suivant de trois équations du second ordre pour les fonctions (ul, U2, us) des variables indépendantes Xl' X2, XS, t: 3
(1..
-J- ""LI
+ f.t)
~Uk
vXi
+ f.tL\ui - P
ôXk
k=1
On a
ro·
l oro l , " = (Â+f.t) oro-t3 oXi oX·
+ÔiJ [ f.t
]
."
3
(oro --
~
1 )
OXk
k=1
(l, ]=1, 2, 3)
({o, ÔiJ =
1,
t ) 2] 2 -p ( oroot
i-=l=i) ...
(28)
l =]
L'équation (9) s'écrit après développement du déterminant:
En vertu de la formule (75) du (1-2-14], cette équation nous donne les deux vitesses éventuelles suivantes de propagation de la surface de discontinuité:
Les déformations sont supposées petites dans ce cas et il n'y a pas lieu de parler séparément de la vitesse de propagation, c'est-à-dire de la vitesse du déplacement par rapport aux particules du milieu. Etudions maintenant la nature de la discontinuité. Introduisons les coefficients de discontinuité hi des dérivées partielles secondes des fonctions Uj: (30)
En vertu de (28), les équations (21) s'écrivent l ) [ V-g2 - P ( ôro ôt
2] hi + + (Â.
3
V-) ôro 1 "" Ôrol h J = 0 ôXi ~ ÔXJ 3=1
En tenant compte de oWl ( -ô-- = g cos n, Xk) Xh
(k=1, 2,3),
(i=1,2,3).
1-3-5.
~QUATIONS
DE LA TIœORIE DE
L'~LAST1C1T~
197
où n est la d-irection de la normale à ]a surface (3), on peut mettre les équations précédentes sous la forme:
[J-tg 2_p (
()~l
)
2J hi + (J" +J-t) g2 cos (n,
3
Xi)
~
cos (n, Xj) hj=O.
i=1
Introduisons le vecteur h de composantes (h 17 hl' hs). Les équations précédentes deviennent:
[J-tg 2- p (
()':tl
J
) 2 hi
+ (À. + J-t) g2 cos (n,
Xi) h n = 0,
où h n est le projeté du vecteur h sur la normale n à la surface la forme vectorielle
~3),
ou sous (31)
où n est le vecteur unitaire de la normale à la surface (3). Si la vitesse de propagation est P~, alors le coefficient en h sera nul et l'on doit avoir h n = 0, autrement dit, le vecteur h doit être situé dans le plan tangent à la surface (3) (onde transversale). Si la vitesse est Pl' il s'ensuit immédiatement de (31) que h ne diffère de n que par un facteur numérique, c'est-à-dire que h doit être dirigé suivant la normale à la surface (3) (onde longitudinale). Signalons encore que le facteur qui donne la vitesse de l'onde transversale figure par son carré dans l'équation (29). Cette circonstance sera expliquée dans le numéro suivant qui sera consacré aux équations de la théorie de l'élasticité pour un milieu anisotrope. Voyons la signification mécanique du vecteur h. Supposons qu'il ait repos d'un côté de la surface de faible discontinuité S: roi (Xl' x2' xs, t) = 0, c'est-àdire que les fonctions Uj (j = 1, 2, 3) sont nulles. Ces fonctions et leurs dérivées premières seront également nulles aux points de S. Du côté où il y a mouvement les dérivées secondes de Uj seront~définiessur S par;les formules (30), puisque de l'autre côté de la surface ces dérivées sont identiquement nulles, c'est-à-dire que
(on admet que Xo = t). Prenons pour origine des coordonnées de l'espace Xl' X 2 ' Xs) un point quelconque M de S. Développons Uj en série de Maclaurin au voisinage de M jusqu'aux termes du second degré. En tenant compte des formules précédentes et du fait que Uj et ses dérivées partielles premières s'annulent en M, on obtient l'égalité approchée (xo'
Uj
~
h.
-+ ~ 3
i, k=O
(~::) 0 ( ~:~
) 0 xixh,
l'indice 0 indiquant que les dérivées sont prises au point M. Comme roI = 0 en M, on obtient le développement de Maclaurin limité aux termes du premier degré suivant: 3
roi
~ ~ (~:; i=l
)
0
Xi,
CH. 1. TH-eORIE' I>ES -eQl1ATIO-NS AUX D-enIV~ES PARTIELLES
198
et la formule précédente peut être mise sous la forme
~ ~ (ù~ (xQ,
u
xs).
Xlt X 2 '
Cette égalité approchée pour le vecteur déplacement u sera valable au voisinage de la surface de discontinuité du côté où il y a mouvement. 1-3-6. Corps élastique anisotrope. Introduisons les composantes du tenseur déformation en modifiant légèrement les notations du (tome IVI , [11-35]): ei = ÔUi. ÔXi '
+ ÔU ÔXs
1'1= ôUs
2
ÔX 2
;
+
1'2= ÔU I ÔXs
ÔU s ; ÔXI
_
Ys -
ÔU 2 ÔXI
I + ÔU ÔX
2
(i=1, 2, 3).
Dans le cas d'un corps anisotrope à trois plans de symétrie mutuellement orthogonaux, le travail des forces de déformation rapporté à l'unité de volume s'exprime en fonction des composantes du tenseur déformation sous forme du polynôme homogène du second degré suivant: 1 A = 2" (aei bB~+ cBi+2a'82 8S+ 2b'8sBI +2C'8IB2+ anyi+b"y~+c"yi),
+
où les coefficients a, b, .•. , c" sont des fonctions de (xl' X2' XS, t) ou des constantes en milieu homogène. En présence d'une force d'inertie, les équations du (tome IVI , [11-35]) deviennent:
_ô (~)+_ô ÔX OBI ÔX2
(~)+_Ô_(~)_ ôYs
'ÔXs
ÔY2
(ôA) ÔB 2
ô + ôXs
(ôA)
l
Ô ôXI
(ôA)
ôYs
+ ôXô
2
ÔYl
Ôu + X P ôt2 2
ÔXl
ÔY2
ÔYl
ôX 2
P
ÔEs
ôXs
Ô2u2 i)t2
-- P
_Ô(~)+_Ô_(~)+_Ô_(~)_
l
_ 0
1-
+X
2
,
= 0,
Ô2uS-LX_0 ôt2 1 S•
En substituant l'expression de A, on obtient les équations suivantes: Ô2UI --:--::"-+ a Ôxl
i)2u n
C
ÔX~
1
+ b"
ô2u1 2
ÔX s
+(c' + Cil)
ô 2u 2
L
ÔXl ÔX 2 T
+(b'+b")
i}2 Ug ÔXl i)xs
b• Ô2us 2 ÔXl
+ a"
En posant (i=1, 2, 3),
(32)
1-3-6. CORPS ÉLASTIQUE ANISOTROPE':
O()n peut mettre -les coefficients ro~l = aPi+ c"p~
roi; sous la forme
+ b" p~-pp~;
+ c") PIP2; CJ)~1 = (b' + b") PaPI;
'199
ro~2 = (c'
+ c") PIP2;
ro{a = (b' +b") PIPa,
+ bp~ +a"p~ -PP5; ro~a = (a' + a") P2Pa, ro~2 = (a' + a") P2PS; ro~s = b"pf+a"p~+ cpl-PP5.
ro~l = (c'
ro~2 = c"pf
Il est immédiat de voir que l'équation du premier ordre (9) qui définit les surfaces caractéristiques est confondue avec l'équation fondamentale en Â. = PP;: -qui sert à réduire l'ellipsoïde (api+c'pl+b"pl) ~i+(c"pi+bp~+a"p~)~~+
+ (b"pl+a"pi+cpi) ~~+2 (a' +a") P2Pst 2SS+ +2 (b' +blf) P3PI~S~1
+2 (c' +c') PIP26162=1
(33)
à ses axes de symétrie (tome 111 1 , [11-2-1], [11-2-2]). A noter qu'on peut obtenir le premier membre de l'équation (33) à partir de l'expression de 2A en y posant 811. = PkSh; 111 = P26s PSS2; 112 = PaSI PISS; l1s = PIS2 P261, c'est donc une forme quadratique définie positive de 68 (car A > 0) et par suite l'équation (33) définit bien un ellipsoïde. La résolution de l'équation en Â. nous donne .en tout point du corps trois racines strictement positives Â. = P5, P5 étant une fonction homogène de degré 2 par rapport à Pl' P2' Ps. Si l'on divise les deux membres de l'équation (33) par g2, les Pk se transforment en cos a.h, où cos a.h sont les cosinus directeurs de la normale à la surface de l'onde, et la racine p~ se transforme en P2. Donc, en chaque point on obtient trois vitesses possibles de propagation de l'onde dans une direction fixe. Les composantes (hl' h 2, ha) du vecteur de discontinuité se déduisent du système d'équations sans seconds membres qui définit les directions des axes de symétrie de l'ellipsoïde (33). Donc, si la direction est donnée, on aura en chaque point trois vecteurs de discontinuité deux à deux orthogonaux correspondant aux trois vitesses de propagation. Pour obtenir des ondes longitudinales et transversales, il est nécessaire et suffisant que l'un des axes de symétrie de l'ellipsoïde soit dirigé suivant la normale à l'onde correspondante. Sous cette condition, on aura une onde longitudinale et deux transversales. On admet que, la direction étant fixée, l'équation cubique ci-dessus admet trois racines distinctes. Dans le cas d'un milieu isotrope homogène, on a vu qu'une racine était double. Les cosinus directeurs de la normale à l'onde sont proportionnels à Pl' P2' Pa et par suite la condition nécessaire et suffisante revient à dire que pour une certaine racine Â. = PP5 les quantités (hl. h 2, h~) doivent être proportionnelles à (Pit P2' Ps), quel que soit Pk' c'est-à-dire quelle que soit la direction. En remplaçant ces quantités par les quantités proportionnelles h k dans le système homogène en hk , on obtient:
+
+
(api+ c"pl+ b"pl-ppi) Pl {
+
+ (c' + c") PIPi+(b' +b") PIP§ =0,
(c' +c") pip2+(c"pl+bpi+a"pâ--PP5) P2+(a' +a") P2P§=Ü, (b' +blf) pips+(a'
(34)
+ a") P~P3+ (b"pi+alfp~+cpi-PP~) Ps=O.
Si l'on tient compte du fait que quel que soit le choix de Pl' P2 et Ps, on doit obtenir à partir des équations (34) la même valeur pp~, on est conduit aux conditions suivantes pour les coefficients du potentiel élastique A :
=
c
d'où l'on déduit que PPi nales est
=
a
=
b
=
a'
ag~
+ 2a" =
b'
+ 2b" =
c'
+ 2c",
(35)
et la vitesse de propagation des ondes longitudi-
p=".1 V
Il
p'
200
CH. 1.
TH~OFJ.IE
DES~QUATIONS
D~RIV~ES
AUX
PARTIELLES
Les deux autres racines sont généralement distinctes et dépendent du choix de la direction de l'onde, c'est-à-dire du choix de Pk' Les égalités (35) nous fournissent cinq conditions pour les neuf coefficients qui figurent dans l'expression du potentiel éb.stique A. 1-3-7. Ondes électromagnétiques. Considérons les deux premières équations de Maxwell en milieu isotrope: crot H
=
ÂE
+
crot
BEt ,
E
=
-JA-Ht ,
(36)
où E et H sont les champs électrique et magnétique. c, la vitesse de la lumière, Â, le coefficient de conductibilité du milieu, B et ~, la constante diélectrique et la perméabilité magnétique. Les vecteurs E et H sont fonctions des variables indépendantes (xl' x~, Xa, t). En désignant leurs composantes par (el' e2' ea) et (hl' h 2 , ha), on peut mettre l'équation (36) sous la forme
J:. c
J:.. c
ôh t ôt ôh 2 ôt
+ ôes + ôel
ôXa
J:. iJh a + c
_
iJx 2
Dt
ôe 2 =0, ôXa
_~ ôes =0, ôXI
ôe z _ ôXI
(37)
ôet =0, ôX z
les points de suspension remplacent des termes ne contenant pas de dérivées des fonctions ek et h k • Nous avons affaire à un système de six équations du premier ordre à six fonctions. Numérotons ces fonctions comme suit: UI = el;
= e2;
Ua = ea;
= hl;
= hz;
= ha· En formant les expressions (5) et en écrivant l'équation (6), on obtient l'équation du premier ordre suivante pour les surfaces caractéristiques: U2
B
U4
u6
-Po
0
0
0
Pa
-Pz
0
-Po
0
-Pa
0
Pl
0
0
-Po c
c
0 Pa
-P2
B
c
-Pa
B
Pz
P2
-Pl
ua
0 =0.
~
-Po
0
0 0
c
~
0
-Pl
0
-Po
Pl
0
0
0
c
(38)
~Po c
Multiplions les trois premières colonnes de ce déterminant par
J:c
Po- Puis à la
première colonne ajoutons la cinquième multipliée par (-Pa) et la sixième multipliée par P2; à la deuxième colonne, ajoutons la quatrième multipliée par Pa et la sixième multipliée par (-Pl); à la troisième colonne ajoutons la quatrième multipliée par (-P2) et 'la cinquième multipliée par Pl- En développ ant ensuite ce déterminant suivant les éléments de la sixième, cinquième
I~3~7.
20t
ONJ)ES :eLECTROMAGN:eTIQUES
et quatrième ligne, on est conduit à l'équation
9+ pf
PIP2
P2PI
q+ P~
PaPI
PSP2
=0,
où q= e~ P~_ g2. c
(40).
Le développement de ce déterminant nous amène à l'équation (g2=pi+p~+pi),
q2(q+g2)=0
(41}
°
qui se scinde en deux équations. Si l'on égale la somme entre parenthèses à zéro,. on trouve que Po = et l'on obtient une onde stationnaire [1-2-14]. On examinera ultérieurement le second cas où q = 0, c'est-à~dire lorsque
qt c2 p2_g2=0 0 ,
(42\.r
ce qui conduit à une expression notoire de la vitesse de propagation de l'onde: V=
c Vef-L •
(43)·
Etudions maintenant la nature de la discontinuité. Désignons par (al' a 2 , as) les coefficients de discontinuité des dérivées des composantes du champ E, par (~l' ~2' ~s), les mêmes grandeurs relatives au champ H. Introduisons comme toujours les vecteurs de discontinuité a (al' a 2 , as) et li (~l' ~2' ~s). On a [EXh] = Pha, {
(k=O, 1, 2, 3;
[H Xh ] = Phli
X o=
(44)-
t).
Les trois premières équations (18) deviennent ici: (
1
~
~ POal + PS~2 - P2~3 = 0,
+ c
POa 2
+ PI~S
poas
+ P2~1 -
1
l cB
-
PS~l =
0,
PI~2 = 0,
ou, en désignant par n le vecteur unitaire de la normale au front d'onde dirigé dans le sens où WI > 0, -
(45):
eV a=li X n, c
WI
= 0(46).
le ~econd membre représentant le produit vectoriel des vecteurs li et n. De façon· analogue, les trois dernières équations (18) s'écrivent:
~V c
li= -a X n.
(47)-
De ces équations il s'ensuit immédiatement que les vecteurs a et li sont situés dans un plan tangent à l'onde et sont deux à deux orthogonaux. Supposons que devant le front d'onde, c'est-à-dire dans la région où wi > 0, le milieu soit au repos, ce qui s'exprime par la nullité de E et H. Les formules.
:202
CH. I. TH~ORIE DES ~QUATIONS AUX D~RIV:E:ES PARTIELLES
.(44) nous donnent les valeurs des dérivées de E et H sur le front d'onde:
E Xk = -Pk a ; H Xk = -Pk~.
(48)
'Considérons le développement taylorien de E et H limité aux termes contenant !les dérivées premières au voisinage du front d'onde. Comme E et H sont nuls :sur le front d'onde, on obtient, compte tenu de (48), les formules approchées :suivantes: 3
E,.., -a
3
2J
H ,.., -~ ~ Pk (Xk -xj"o»,
Pk (Xk-Xit°»;
k=O
'Où (xilO>, fonction 'ID I
k=O
x~o>tx~°l, X~OI) û.)l
est un point du front d'onde. En développant la en série de Taylor, on peut éc.rire, compte tenu de ce que
(x60>, x1°>,
x~o>,
xâo» = 0 : 3
(Xo,
û.)l
Xl'
X 2, X3)"""
2J
Pk (Xil -xk.° l ),
k=O
,et les formules précédentes deviennent (cf. [1-3-4]) E ,..,
-û.)l
(xo,
Xb X 2 '
x3)
a;
H ,..,
-û.)l
(xo,
Xl' X2' X3)
p.
(49)
-Ces formules approchées sont valables au voisinage de l'onde du côté qui est le siège d'un processus électromagnétique. Dans un milieu homogène anisotrope la quantité 8 ne doit plus être considé!l'ée comme un nombre, mais comme une matrice d'ordre 3. Cette quantité figure dans la relation qui lie le vecteur déplacement électrique au vecteur E (tome II, nV-2-12]). La quantité f.t est un nombre comme avant. Choisissons les axes de -coordonnées de telle sorte que la matrice 8 se réduise à la forme diagonale et soient 8 3 > 8 2 > 8 1 > 0 ses valeurs propres (tome 1111 , [II-2-1], [11-2-2]). Sous -ces conditions, les trois premières équations (37) s'écrivent:
!.L C
oel ot
8S
C
oh 2 oXa
oh a
_
+ ... =0,
OX2
a_ + oh oX
oh l oXs
+ . . . =0 ,
oe s +oh l _oh 2 ot OX2 oXl
+ ... =0,
~ oe 2 C
+
0t
l
-et au lieu de l'équation (39) on obtiendra l'équation
+
ql pi PlP2 PIPa PlP2 q2+ p~ P2PS PlPS
qs
P2Pa
=0,
(50)
+ P~
-où En posant
p2O_ _ g2 . __ ql - V~ • 1
(51)
1-3-7. ONDES
~LECTROMAGN~TIQUES
203
En divisant les "deux membres de ]'équation (50) par g2, on peut la mettre :sous la forme q2QS cos2 al
+ qSql cos
2"
az
+ qlqz cos
2
as
+ g21
qlqZqS = 0 .
(52)
Une solution évidente de cette équation est ql = 0, cos al = O. En tenant -compte de (51), on voit que est une éventuelle vitesse de propagation de l'onde dans toute direction paraI èle au plan Xl = O. De façon analogue, Vz et Vs .sont des vitesses éventuelles de propagation de l'onde dans des directions parallèles aux plans X2 = 0 et Xs = O. Dans le cas général, en multipliant les deux membres de l'équation (52) par g2 et en posant qlq2qS = qlQ2QS (cos 2 al cos 2 a 2 cos 2 as) on peut la mettre sous la forme (1-2-14]
VI
+
+
+
3
"" cos 2 a· Z V qIQ2QS.LJ V2_ J~ i=l
(53)
O.
1
En écartant la solution V = 0 à laquelle correspond une onde stationnaire, on -()btient pour la détermination dè V, la direction de l'onde qui est caractérisée par cos ah étant donnée, l'équation bicarrée 3
2
"" cos ai LJ V2- V~ =0. i=l
(54)
t
Ûn démontre exactement comme au (tome II, [V-2-9]) que cette équation possède deux racines strictement positives. Si l'on résout l'équation (50) ou (52) par rapport à Po, on obtient une équation de la forme Po F (Pl' P2' Ps) = 0, (55)
+
<>ù F est une fonction homogène du premier degré. L'équation (55) ne contenant pas Xk' le système de Cauchy pour elle nous donnera des Pk constants et les biearactéristiques seront des droites d'équation d:eh =F ph
(k=1, 2, 3).
Traçons le conoïde caractéristique dont le sommet est à l'origine. Ce conoïde représente le front d'une onde provoquée par une source ponctuelle placée en l'origine des coordonnées à des instants différents. Son équation est xk = = F pk t, ou, si t = 1 : Xk=F ph (k=1, 2, 3). (56) La fonction Fpk étant homogène de degré zéro, les seconds membres des équations (56) contiennent deux paramètres, en l'occurrence le rapport de deux quantités Pl' P2' Ps à la troisième. Soient S la surface (56), P (Xl' X2' xs), un point de S, cS, la distance de l'origine des coordonnées au plan tangent à S en P. Si cos ai sont les cosinus directeurs de la normale à S en P, on obtient en appliquant la formule d'Euler relative aux fonctions homogènes: 3 ·ô=
3
~ Xi COSCli= ~ i=l
i=l
F pi cos Gti =
++
3
~ i=l
+
piFpi= ± :
=+
~o
=
± V.
En retenant pour fixer les idées le signe « », ce qui du reste n'affecte en rien les raisonnements ultérieurs, on peut mettre l'équation du plan tangent à S
204
CH. 1. THBORIE DES SQUATIONS AUX DgRIV:eES PARTIELLES
sous la forme: 3
2J
x cos ai- V =0.
(57)
i=1
. Cette équation contient quatre paramètres: cos ai (i = 1, 2, 3) et V, qui sont reliés par les deux relations suivantes: 3
3
" cos2 ai = 1 ; ~
2
"LJ cos V2 _ ai V~
~1
~1
0,
1
de sorte que l'équation (57) contient deux paramètres indépendants comme il se doit. La surface S est l'enveloppe de la famille de plans à deux paramètres (57). En menant tous les calculs à leur terme on obtient l'équation suivante de la surface: 3
V~X~
1 1 ~ V2i - (2+ Xl x 2+ X s2) =0. 2 "
i=1
Si, par exemple VI = V 2 , alors cette quadrique dégénère en une sphère et un ellipsoïde. 1-3-8. Discontinuités fortes en théorie de l'élasticité. Nous avons abordé précédemment le problème des discontinuités fortes pour les solutions d'une seule équation [1-2-15]. Etudions maintenant ce problème pour les équations de la théorie de l'élasticité. On se limitera au cas plan. Soient (u, v) les composantes du vecteur déplacement dans le plan (x, y); X, Y, les composantes de la force volumique. En désignant comme toujours les composantes du tenseur de contrainte par O'x' O'y, 't XY ' on obtient les deux équations fondamentales suivantes de la théorie de l'élasticité: a2 u P at'l.
a2 v
aO'x
a't xy =X, ay
a't xy
aO'y --=Y. ay
---a;--
1Paï2-
ax
(58)
A ces équations il faut adjoindre une relation liant le tenseur de contrainte au tenseur de déformation (loi de Hooke):
+
+ 2Ilux;.
+
+ 21l Vy, 't Xy =
Il (uy+v x ). (581) En portant les expressions (58 1 ) dans l'équation (58), on obtient les équations de la théorie de l'élasticité pour le vecteur déplacement 00:
O'x = Â (u x
Vy)
a2 00
P ifi2 =
O'y = Â (u x
Vy)
(Â+ Il) grad div 00+ Il dOO + F.
Dans la suite, par (u, v) on entendra deux fonctions quelconques de (x, y, t) possédant des dérivées premières et secondes continues. Sous cette condition, les équations (58) nous permettront de déterminer les quantités X et Y correspondant aux fonctions (u, v) envisagées. Introduisons encore deux opérateurs linéaires contenant les dérivées premières des fonctions (u, v):
f
Px(u, v)=O'xcos(n, x)+'txycos(n, y)-putcos(n, t),
t
P y (u, V)=T xy cos (n, x)+O'y cos (n, Y)-PVt cos (n, t).
(59)
1-3-8. DISCONT1NU1TBS FORTES EN TH1WR1E DE
205
L'~LAST1C1T~
Considérons les deux couples de fonctions (u, v) et (u', v') et soient cr;;, crY' 't~Y' X', Y' les quantités (58 1 ) et X, Y correspondant au couple (u', v'). On a donc cr~ =1. (u~+v~)+2~u~;
cr~=Â (u~+v;)+2~v~;
't~y=J..t (u;+u~).
En se servant de ces expressions et en appliquant la formule usuelle d'Ostrogradski, on obtient l'analogue suivant de la formule de Green:
-)J)
(uX' +vY'-u'X -v'Y) d<=
=~~
[uPx(u', v')+vPy(u', v')-u'px{U, v)-v'Py(U, v)]dS,
(60)
s
où D est comme plus haut un domaine de l'espace (x, y, t), S, la surface limitant ce domaine et n la direction de la normale extérieure à S. La formule (60) est due à Volterra. Signalons que par X, Y de même que par X', Y' on entend les expressions du premier membre des formules (58). Dans l'établissement de la formule (60), on suppose bien entendu que les fonctions (u, v) et (u', v') possèdent dans D des dérivées premières et secondes continues. Passons maintenant au cas où les dérivées premières des fonctions (u, v) :subissent des discontinuités. Supposons que le domaine D est partagé en deux parties Dl et D 2 par une surface cr et que les dérivées premières des fonctions (u, v) sont affectées de discontinuités qui vérifient les conditions cinématiques de compatibilité mentionnées au [1-2-15]. Supposons par ailleurs que les expressions (59) restent continues à la traversée de la surface cr. Dans la suite on donnera une interprétation mécanique de ces conditions dynamiques de compatibilité. De même qu'au [1-2-15] on peut affirmer que la formule (60) est valable sur le domaine D tout entier si les fonctions (u, v) satisfont aux conditions de discontinuité ci-dessus et (u', v') sont des fonctions quelconques possédant des dérivées premières et secondes continues. Voyons les conséquences qui découlent de ces conditions. Comme au (1-2-15], on peut affirmer que les vecteurs grad u X n et grad v X n doivent rester continus à la traversée de cr. Si l'on écrit les composantes de ces vecteurs, on obtient six expressions qui doivent rester continues à la traversée de cr. En leur adjoignant les expressions (59) que l'on aura transformées en y remplaçant les composantes du tenseur de contrainte par leurs expressions (58 1 ), on obtiendra les huit relations suivantes qui doivent rester continues à la traversée de cr:
(i +
cos (n, x) = Ml' Ut cos (n, y) = M 2' Ux cos (n, t) = M 3' v y cos (n, x) = M 4 , Vt cos (n, y) = M 5 , Vx cos (n, t) = M 6' y) - pUt cos (n, t) + ~vx cos (n, y) Âvy cos (n, x) ~vx cos (n, x)
cos (n, y) u y cos (n, t) Ut cos (n, x) Vx cos (n, y) v y cos (n, t) Vt cos (n, x) 2fl) Ux cos (n, x) ~Uy cos (n, Ux
Âux cos (n, y)
+
uy
+
+ ~Uy cos (n, y) + + (Â. + 2~)
+
Vy
+
cos (n, y) -
=
M 7'
pUt cos (n, t) = Ms.
On traitera ces équations comme huit équations en les six dérivées premières des fonctions u et v. Si la matrice de ce système d'équations contenait au moins un déterminant d'ordre six non nul, alors on aurait pu exprimer toutes les six
206
CH. I.
TH~ORIE
DES
~QUATIONS
AUX
D~RIV~ES
PARTIELLES
1-3-8; DISCONTINUIT:eS FORTES EN TH:eORIE DE V:eLASTICIT:e
207
être continues en N, c'est-à-dire qu'une discontinuité forte ne peut affecter que· la composanie u du vecteur déplacement portée par la direction perpendiculaire· à la courbe de discontinuité (discontinuité longitudinale). Donc, les conditions· cinématiques de compatibilité et l'équation (62) étant satisfaites, pour que les· conditions dynamiques le soient il est nécessaire et suffisant que seule la composante du vecteur déplacement, normale à la courbe de discontinuité en mouvement dans le plan (x, y), soit affectée d'une discontinuité forte. On pourrait. ' envisager d'une façon tout à fait an"alogue l'équation
P cos2 (n, t) -
JA.
[cos2 . (n, x)
+ cos
2
(n, y)]
= 0
et établir que seule la composante du vecteur déplacement portée par la tangente à la courbe de discontinuité peut subir une discontinuité forte. . Supposons que le champ des déplacements est potentiel: (u, v) = grad
d'où il s'ensuit que En choisissant les axe's de coordonnées, on s'assurera de la continuité des dérivées: et Vx au point N. La continuité de MG résultera de celle de Vt et par suite· seule la composante du vecteur déplacement portée par la normale à la courbede discontinuité pourra subir une discontinuité forte. Supposons maintenant que le champ des déplacements est solénoïdal,. c'est-à-dire que uY ' v y
Ux
+ vy =
O.
Les dérivées uY ' vy et U x seront continues, done il en sera de même de la dérivéeUt en vertu de la continuité de M 3' Autrement dit, dans un champ solénoïdal seule la composante du vecteur déplacement portée par la tangente à la courbe de discontinuité est affectée d'une discontinuité forte. Donnons maintenant une interprétation mécanjque de la théorie développée ci-dessus, plus exactement, nous allons montrer que dans des cas particuliers élémentaires, l'existence de la formule (60) traduit le fait que la loi des impul-sions est valable également pour un volume contenant une surface de discontinuité. Posons u' = 1 et v' = 0 dans la formule (60). En vertu des formules (581), les composantes du tenseur de contrainte pour (u', v') seront nulles et la formule (60) devient:
)S) X d't= - } }
Px (u, v) d8.
(66).
S
D
De façon analogue, si l'on pose u' = 0 et v' = 1, on obtient la formule
J)D l y
d't= -
JJP
y (u, v)
dB.
(67)-
S
Prenons pour domaine D un cylindre dont les génératrices sont parallèles à' l'axe des t et supposons que les bases 8 1 et 8 2 de ce cylindre sont portées par lesplans t = t 1 et t. t 2 •. ~"upposons que ce cylindre contient une surface de discontinuité <J. Sur 8 1 et 8 2 , on a cos (n, x) = cos (n, y) = O. D'autre part, cos (n, t) ::::::: = -1 sur 8 1 et cos (n, t) = +1 sur 8 2 • Sur la surface latérale, on a cos (n, t) = = O. En désignant par 8 t la section variable du cylindre par un plan perpendicu- . laire à ses génératrices et par lt la courbe d'intersection de ce plan avec la surface-
ca:. t.
"208
TH:eORIE DES :eQUATIONS AUX D:enIV:eES PARTIELLES
latérale du cylindre, on peut mettre la formule (66) sous la forme: t2
) [ ) ) X dx dy ] dt = ~l
St
o()ù ()u
=) )
pUt dx dy It=t2 -
St
1)
pUt dx dylt=tl •
St
Le premier terme du premier membre nous donne l'impulsion des forces volumiques appliquées à la surface St du plan (x, y) pendant l'intervalle ftl , t 2 ]. Le deuxième terme définit l'impulsion des contraintes agissant sur le contour de St, quant à la différence du second membre, elle représente l'accroissement de la quantité de mouvement prise pour St, l'impulsion des contraintes et l'accrois:sement de la quantité de mouvement étant projetés sur l'axe des x. La formule (67) nous donnera une relation analogue pour les projections de l'impulsion -des contraintes et de l'accroissement de la quantité de mouvement sur l'axe -des y. On obtient donc bien la loi de l'impulsion pour un domaine D contenant une surface de discontinuité. 1-3-9. Caractéristiques et hautes fréquences. Il existe un lien entre les formules établies dans le cadre de l'exposé de la théorie des caractéristiques pour -des systèmes d'équations et les formules que l'on obtient en tentant de satisfaire approximativement un système d'équations différentielles par des fonctions d'un type spécial. Soit donné le système d'équations du second ordre: m ~
:LJ
n ~
hl
LI aU
8 2 uj
OXk 8xl
+ ... =r0
(i=1, 2, •.. , m)
(68)
1=1 k, l=1
Essayons de satisfaire ce système par des fonctions uJ de la forme ( ]. = 1, 2 U j = X je iwlll , ... ,) m •
(69)
où Xi et
n
.2J 2J
1=1 k, l=1
a~ X j
(i ==1, 2•••• , m).
(70)
On tra.itera ce système comme un système d'équations sans second membre en Xj. Pour que ce système. admette une solution non triviale il faut que son déter-
1-3-9.
CARACT~RISTIQUES
ET HAUTES FReQUENCES
209
minant soit nuL Ceci nous conduit à une équation du premier ordre pour la fonction cherchée <1>: n
1 roiJ 1 = 0
2J
(roiJ =
at' <1>:x; <1>:x; ) ,
k. l=t
k
l
équation qui est confondue avec celle des surfaces caractéristiques. En prenant une solution quelconque de cette équation, on peut déterminer XJ à un facteur multiplicatif près à partir du système (70). Ce système est confondu avec le système (21) qui nous a servi à déterminer les coefficients de discontinuité hj. Les équations du système (21) n'étaient satisfaites que sur le front d'onde. Les équations (70), elles, doivent être partout vérifiées. Ceci étant, le système (68) n'est satisfait qu'approximativement par les fonctions (69). Dans le cas considéré, <1> = const sont des surfaces d'égales phases. Etudions plus en détail le cas d'une seule équation des ondes: Utt
=
a2 (u:x;:x;
+
U yy
+ uzz)
(71)
et cherchons sa solution sous forme d'une oscillation harmonique de fréquence ro par rapport au temps t: U
=
Ae!ül(t"/Il)
,
où A et
=
(72)
A eicD/Il
dans l'équation (73)
On a
+ iroA<1>:x;) eiül4P , (A:x;:x; + iroA <1>:x;:x; + 2iroA:x;<1>:x; -
V:x; = (A:x; v:x;:x; =
iül4P
ro 2 A
•
On obtient des formules analogues pour les dérivées par rapport à y et à z. En portant toutes ces expressions dans l'équation (73) et en égalant le coefficient en ro 2 à zéro, on obtient l'équation en <1>:
+ <1>2Il +<1>2Z=...!... a2·
<1>:x;2
(74)
En égalant encore le coefficient en ro à zéro, on obtient une équation qui contiendra l'amplitude A (x, y, z) de la solution (72): A ~<1> 2 (A:x;<1>:x; + A y <1>y + A z<1>z) = 0 ou
+
1
grad ln A.grad <1>= -2"
~<1>.
(75)
On établit sans peine une relation entre l'équation (74) et l'équation des surfaces caractéristiques. Les surfaces caractéristiques de l'équation (71) sont définies par: a2 [
)
)
( ~~1 2+( ~:1 2+ ( a:Z1 ) 2] = ( a~l ) 2,
+
en y portant ro1 = t <1>, on retrouve l'équation (74). En désignant par n le vecteur unitaire de la normale en un point M à la surface <1> = const passant par 14-0t017
210
CH. I. THeORIE DES
~QUATIONS
ce point, on peut écrire que grad
qJ
D~RIV~ES
AUX
PARTIELLES
(x, y, z) n,
où qJ (x, y, z) est la longueur du vecteur grad
2~
div (qJn),
(7ô,
où grad n ln A est la projection de grad ln A sur la direction de n. Les é9uations (74) et (76) doivent être satisfaites dans l'espace tout entier. Cependant l'equation (71) n'est vérifiée qu'approximativement. De façon analogue, si dans l'équation de Maxwell (36) on porte E = eei CJ)C1);
H = heiCJ)(J),
(77)
où e et h sont des vecteurs,
Cette équation est en fait confondue avec l'équation (46) du (1-3-7]. On obtient par le même procédé une équation analogue à l'équation (47). L'équation (78) doit être satisfaite pas seulement sur la surface
1-3-10. Cas de deux variables indépendantes. Considérons un système d'équations du premier ordre à deux variables indépendantes et supposons qu'il est soluble en les dérivées partielles par rapport à X 2 • Nous avons donc affaire à un système de la forme aUi
m ~
-a= L.J X2
ai}
;=1
aUj -a+
X 2 , Uj
)
(i=1, ... , m),
(79)
où les ai} peuvent dépendre de X It X 2 • L'introduction des vecteurs et cD de composantes Ui et
u
au
oU
-a-=A-a-+cD(x}t x 2 , uJ). x Xl
(80)
2
Faisons le changement (81)
u = Bv,
où B est une matrice dont le déterminant est non nul et dont les éléments b ih dépendent de Xl' X 2 et possèdent des dérivées continues dans un domaine D du plan (Xl' x 2 ). On a
au =B.!!!.-+ v aXi aoB Xi
.::l uXi
(.~=" 1 2)
(82)
la dérivation de la matrice B se ramenant à celle de ses éléments. En portant (81) et (82) dans (80), on obtient l'équation en v:
B .!.!!.... = AB -.!!!.... + 'Y, oX aXI 2
211
1-3-10. CAS DE DEUX VARIABLES INDePENDANTES
où qr est un vecteur dont les composantes sont des fonctions de (Xl' X2' VJ)' Une multiplication des deux membres par B-l nous donne l'équation transformée
!!!-=B-1AB~+ 'If. ôX ÔXI 1
(83)
2
Choisissons si possible la matrice B de telle sorte que la matrice B -lAB soit diagonale. On sait que pour cela il faut résoudre l'équation caractéristique de la matrice A (tome 111 1 , [11-1-8]) : (84) 1 A - Â 1 = Ot où le premier membre est le déterminant de la matrice (A - Â). L' équation (84) s' écrit encore: an-Â, aI2 , ••• , alm a21 , a22 - Â, ••• , a2m (85) =0.
. . .. . . . . .. . . . . .
Supposons qu'au voisinage d'un point (x~O), X~Ol), les coefficients possèdent des dérivées cG>ntinues et ] 'équation (85) admet des racines distinctes Âk (Xl t x 2 ) (k = 1, ... , m). La dernière condition est essentielle pour la suite. Sous ces conditions, on peut grâce à la méthode décrite au (tome 111 1 , [11-1-8]) construire~ dans le voisinage mentionné une matrice B jouissant des propriétés: signalées et telle que la matrice B-lAB soit diagonale. L'équation (83) se met alors sous la forme scalaire:
aik
ôv· -ô Z x2
ôv· Â, (Xl' X 2 ) - ô Z Xl
+ '1'dxu X2' Vi) =
0 (i = 1, 2, ... , m).
(86)
Si les Âi (Xl' X 2) sont tous réels dans le voisinage considéré, le système est dit hyperbolique dans ce voisinage. En utilisant les notations du [1-3-1), on obtient pour le systèmé (86): (87) a~J)= 0 pour i =1= j; a~r) = 1; a~p= -ÂdXl' x 2 ); pour les quantités Cùij=
définies par les formules (5), on a
Cù iit
t O pour z.. -1-. -r-] e
Cùii
=
ôCùI
'1
(
)
ÔCùI
-ô- ._"", Xl' X 2 - ô ; Xl
X2
l'équation (6) devient ÔCùI [ ôX 2
'1
(
""1 Xl' X 2
)
ôCù 1 ] ÔXI
[ • ••
ôCù 1 ÔX 2
'1
""m
(
Xl' X 2
)
ôCù I ] ÔXI
= 0,
et se scinde en m équations linéaires: ÔCùI
- ô -""i Xl' X2
14*
'1
(
X2
)
ôCù1
-ô- = Xl
0
(i= 1, •.. , m).
(88)
212
CH. I. TH:eüRIE DES:eQUATIONS AUX D:eRIV:eES PARTIELLES
Si
est solution de l'une de ces équations, alors la famille = C est la famille des caractéristiques du système (86). L'équation (88) est équivalente à l'équation différentielle ordinaire:
(01 (XIt X 2 ) (01 (XIt X 2 )
dX1
+ Â (Xl' X 2) dX 2 = 0,
i.e.
i
ddX1 X2
= -
 t (Xl'
x 2),
(89)
et par tout point du domaine dans lequel les fonctions  i (Xl' x 2 ) possèdent des dérivées partielles premières continues il passe m caractéristiques. Considérons un voisinage de l'axe X 2 = et soit la portion de la courbe intégrale de l'équation (89) passant par un point (Xl' X 2), comprise entre ce point et l 'intersection (X~i), 0) de cette courbe avec l'axe x 2 = O. Le long de la ligne li toute fonction 11' (Xl' X 2 ) peut être traitée comme une fonction de X 2 seulement. En vertu 'de (89), on a donc
°
d"1'
dx 2
=
ôô"1' X2
Âi (Xl' X 2)
ôÔ'!' Xl
le long de li.
Le système d'équations (86) est équivalent par conséquent au système d'équations intégrales: Vi (XI' X2)=Vi(4i),
0)-) lI'i(X
1 , 1:
2, vi)dX2
(i=1, ... , m).
(90)
li
Vu que les valeurs des fonctions Vi (Xl' x 2 ) nous sont données sur l'axe X 2 = 0, on peut admettre que Vi (x~i), 0) sont connues et appliquer la méthode des approximations successives au système (90). Ceci nous conduira au théorème d'existence et d'unicité de la solution du problème de Cauchy et à la dépendance continue par rapport aux conditions initiales. Un exposé détaillé de cette question ainsi que l'examen du cas où l'équation (85) possède des racines multipl~s sont accessibles dans l'ouvrage de I. Pétrovski cité plus haut. '1-3-11. Exemples. 1. Considérons le système d'équ~tions qui définit les parties réelle et imaginaire d'une fonction analytique ~tome 111 2 , [1-·2]): ÔU1 _ ÔX1..
ôU2 ÔX2
=0.
ôU2 ÔX1
'
+
ÔUl -0 ôX 2 •
(91)
On a (l) - . a(2) a 11 21 -
a (1)
-1·1
22 -
a(2) -
12 -
-1 ,
les autres h(~) étant nuls. La substitution de ah à ::: ramène le premier membre de l'équation (6) à la forme a~ et par suite le système (91) est elliptique. La relation signalée entre ce système et les fonctions analytiques nous permet d'affirmer que toute solution de ce système pourvue de dérivées premières continues est une fonction analytique de Xi et- x2 • .•
ar +
213
1-3-11. EXEMPLES
2. Considérons le système (O. P e r r OX I
où a est une constante. La substitution de ah à
aa(ùI Xh
n, Math. Z., 1927, 27, nO 4)
aU2 -a aUI +F (X2)=0, aXI aX2
aU2 =0; aX 2
aUI _
0
(92)
ramène le premier membre de l'équation (6)
à la forme ai - aa~ et par suite le système est elliptique pour a < 0 et parabolique pour a = O. Si l'on écrit le système sous la forme résolue par rapport aux dérivées partielles par rapport à Xl' l'équation (85) devient Â
I
°
1 1-0,
'
. Le. '"Il 2 -a =
-À
G,
° ,
pour a > les racines sont réelles et distinctes, donc le système est hyperbolique. Supposons d'abord que a > O. En procédant comme indiqué au (1-3-10) et en effectuant le changement
+
1fa~ u.; VI = Va u,. on ebtient deux équations séparées pour VI et v.: VI
aVI aXI
-ya
=
aVI aX2
+F (x 2) =0;
+ya
aV2 aXI
aV2 aX2
UlI'
(93)
-F (x2) =0.
(94)
Le changement de variables 2't']= --fa Xl +X 2 ,
2s=ytÏ %1 +X2; ramène le système à la forme
(95)
Cherchons la solution de (95) qui vérifie la condition initiale vllx1==o=v.lx1==o=O, Le.
VI
111=i=O;
v2111=~=0.
On déduit à partir de (95) i+11
J2,
,+11
J
F (t) dt;
F (t) dt.
211
Dans les anciennes variables indépendantes, on a 1
l'
F (t) dt;
",= );
Y
F (t) dt,
Y;Xl+ X• - VaxI+X2 et les formules (93) nous permettent de remonter aux solutions Ul' (92) qui vérifient les conditions initiales UI
Ix1==o =
U2
IX1=o =0.
Il est évident que cette solution est unique. Pour a = 0, le système (92) devient aUI _ aXI
au. =0; aX 2
aU2 ax}
+F (X2) = 0,
U2
du système (96)
214
CH. 1. TH:eiORIE DES :eQUATIONS AUX D:eRIV:eiES PARTIELLES
et sa solution qui vérifie les conditions (96) est: UI
= - 2,x~
F' (,x2);
U2
= -,xiF (,x2),
il est entendu que F (,x2) possède une dérivée seconde continue. Traitons enfin le cas où a = - b2 < O. En posant y
b,xl=,x;
,x2=y,
Vt=bUl+
~
) F(t)dt;
(97)
V2 =U2,
e
on écrit le système (92) sous la forme
+ aVI ôy
Ôl'2 =0' aV 2 ôy 'ô,x
ÔVI _ ô,x
=0 •
+
+
On remarque que VI V2i doit être une fonction régulière de z = ,x yi qui en vertu de (96) et (97) doit tendre pour ,x -- 0 vers la fonction réelle . y
~
(98)
) F (t) dt. e
-On peut affirmer que la fonction régulière z doit être prolongée par analyticité .au-delà de la droite x = 0 et par suite doit être analytique sur cette droite même {tome 111 2 , (1-24]). Donc, la fonction (98) et, par suite, la fonction F (y), doivent être analytiques pour y réel. En développant la fonction (98) en série entière de (y - Yo), où Yo est un réel quelconque, soit:
-+ ) y
00
F(t) dt=
~
ak (y-yo)k,
k=O
c
on obtient 00
VI+v 2i= ~ (-i)kak(z-iYo)1~
(z=,x+yi)
k=O
pour les z proches de iyo. Sachant
VI
et V2' on détermine
UI
et U2 grâce à (97).
Chapitre II
. PROBLÈMES AUX LIMITES
11-1. Problèmes aux limites pour une équation différentielle ordinaire 11-1-1. Fonction de Green relative à une équation linéaire du second ordre. Le présent chapitre sera consacré à l'étude des problèmes aux limites aussi bien pour les équations différentielles ordinaires que pour les équations aux dérivées partielles. Nous avons à maintes reprises rencontré de tels problèmes. Nous nous proposons de donner un exposé systématique de cette question. L'application de la méthode de Fourier à la résolution de problèmes aux limites de la physique mathématique nous a conduits à plusieurs reprises au problème aux limites suivant pour une équation différentielle ordinaire du second ordre contenant un paramètre: trouver les valeurs du paramètre  pour lesquelles l'équation sans second membre d
dx
[p (x) y']
+ [Âr (x) -
q (x)] y =
°
(1)
possède une solution non nulle sur un intervalle borné fini [a, b] et vérifiant aux bornes de cet intervalle des conditions aux limites homogènes: O-lY (a)
+ O-zy' (a)
=
°;
~lY (b)
+ ~zY' (b)
= 0,
(2)
et ~k sont des nombres donnés non tous nuls. On admettra que p (x), q (x) et r lx) sont des fonctions continues sur [a, b] et de plus que p (x) ne s'annule en aucun point de cet intervalle et possède une dérivée continue. Désignons la somme des termes de l'équation (1) ne contenant pas le paramètre  par OÙO-k
d
L (y) = Ch [p (x) y']- q (x) y. On appellera comme toujours valeurs propres, les valeurs du paramètre  pour lesquelles le problème homogène possède des solutions non triviales, et fonctions propres, ces solutions non triviales. Ces fonctions sont de toute évidence définies à un facteur multiplicatif constant près. Il est immédiat de voir qu'à toute valeur propre est associée une fonction propre et une seule. En effet, supposons
216
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
à l'inverse que l'équation (1) admet pour une valeur propre  deux solutions linéairement indépendantes vérifiant les conditions aux limites (2). L'intégrale générale de l'équation (1) vérifie alors les conditions aux limites (2). Ce qui est absurde, puisqu'on peut trouver une solution de l'équation (1) pour des valeurs initiales y (a) et y' (a) ne satisfaisant pas la première condition (2). Par les transformations élémentaires dont on s'est maintes fois servi (tome 111 2 , [V-8J, lVI-2-3J, lVI-3-2l) on montre que des fonctions propres CPI (x) et CP2 (x) associées à des valeurs propres distinctes sont orthogonales, soit: b
Jr (x) CPl (x) CP2 (x) dx = O. a
_Introduisons pour l'opérateur L (y) une fonction identique à celle qui a défini la déformation statique subie par une corde sous l'action d'une force concentrée (tome IV 1 , (1-1]). Le rôle de l'opérateur L (y) incombait à y". Pour arriver de façon naturelle aux propriétés de la fonction introduite, considérons l'équation d
L (y) = dx [p (x) y'] -q (x) y=
-1 (x)
(3)
et supposons que la fonction 1 (x) est nulle sur l'intervalle la, bJ tout entier sauf un petit intervalle [~ - e, ~ el, où ~ est un point fixe intérieur à [a, blet de plus que
+
~+s
J f (x) dx= 1.
(4)
5- S
Lorsque e tend vers 0, on obtient à la limite l'analogue d'une force concentréa au point x = ~. Sous la condition imposée à f (x) considérons la solution Ye (x) de l'équation (3) qui vérifie les conditions aux limites (2) (on admet que cette solution existe). En intégrant les deux membres de l'équation (3) par rapport à x et en tenant compte de (4), on obtient
p(x)y~(x)
J-.-J. X=S+8
~+8
q(x)y.(x)dx= -1,
ou à la limite lorsque e -+ 0, y'
(~ + 0) -
y' (s - 0) =
-
p
~~)
,
c'est-à-dire que la dérivée y' (x) de la solution y (x) doit subir au point z = ~ un saut égal à - p ~~) • Cette solution dépendra de
217
11-1-1. FONCTION DE GREEN
toute évidence du point de l'intervalle [a, b] qui sera pris pour s~ de sorte qu'elle sera fonction des variables x et On la désignera par G (x, s) et on l'appellera fonction de Green relative à l'opérateur L (y) sous les conditions aux limites (2). Les considérations précédentes nous conduisent à la définition rigoureuse suivante de la fonction de Green: on appelle fonction de Green relative à l'opérateur L (y) avec les conditions aux limites (2) une fonction G (x, s) vérifiant les conditions suivantes: 1) G (x, s) est définie et continue dans un carré k o défini par les inéquations a:::( x, s:::( b; 2) G (x, s), comme fonction de x, possède pour a:::( x < set S< x:::( b des dérivées premières et secondes continues et est solution de l'équation sans second membre L (y) = 0; 3) G (x, s), comme fonction de x, satisfait les conditions aux limites (2) ; 4) la dérivée de G (x, s) par rapport à x que nous désignerons par G' (x, s), subit un saut sur la diagonale du carré ko, c'est-àdire pour x = S, et de plus
s.
r {
G' (s + 0, s) -- G' (s - 0, s) = G'
(s, s+ 0) -
G'
(s, s-
0)
=
p
p
~6)
~6) ,
(5}
•
Les conditions (5) se traduisent par une seule, savoir: à l'approche de tout point x = S de la diagonale, aussi bien d'en haut, c'est-à-dire à partir du domaine S > x, que d'en bas, c'est-à-dire à partir du domaine S< x, la dérivée G' (x, s) doit prendre des valeurs bien définies et la différence de ces valeurs limites doit être égale à p ~s) . Dans chacun de ces domaines, la dérivée seconde par rapport à x s'exprime, en vertu de L (G) = 0, de la manière suivante: p (x) G" (x, s)
=
-p' (x) G' (x, s)
+ q (x) G (x,
s),
et par suite cette dérivée seconde prendra des valeurs bien définies à l'approche de la diagonale d'en haut ou d'en bas. Prouvons maintenant qu'il existe une fonction de Green et une seule satisfaisant toutes les conditions indiquées ci-dessus. On admettra que Îv = n'est pas une valeur propre, c'est-à-dire que l'équation L (y) = ne possède pas de solutions non ~riviales satisfaisant les conditions (2). Nous verrons dans la suite comment il faut modiest une fier la définition de la fonction de Green lorsque Îv = valeur propre. Construisons la solution YI (x) de l'équation L (y) = 0 en prenant pour valeurs initiales YI (a) et Y~ (a) des nombres vérifiant la première condition (2). La solution YI (x) et plus généralement toutes les solutions CIYI (x), où Cl est une constante arbitraire, satisferont la première condition (2). Il est immédiat de voir qu'il n'existe pas d'autres solutions vérifiant la première condition (2). En effet, s'il en existait une, Y (x), on aurait deux équations sans second
° °
°
218
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
membre en Ct l et Ct 2 : CtIYI (a)
+ (Z2Y~ (a)
= 0;
(ZiY
(a)
+
Ct 2 y'
(a)
= 0,
et comme on admet naturellement que l'un au moins de ces nombres est non nul, le déterminant de ce système devrait être nul, autrement dit le wronskien des solutions y (x) et YI (x) serait nul pour x = a, donc Y (x) et YI (x) seraient linéairement indépendantes, c'est-à-dire que Y (x) = CYl (x) (tome II, 11-1-1). De façon tout à fait analogue, supposons que C2Y2 (x), où C2 est une constante arbitraire, sont les solutions de l'équation L (y) = qui vérifient la deuxième condition (2). Le théorème d'existence et d'unicité nous dit que les solutions YI (x) et Y2 (x) sont définies sur l'intervalle la, b] et sont linéairement indépendantes. En effet, si elles étaient linéairement dépendantes, alors YI (x) vérifierait les deux conditions aux limites (2) et À = serait valeur propre, ce qui est contraire à l'hypothèse. La fonction G (x; s) est de la forme CIYI (x) pour x ~ et de la forme C 2Y2 (x), pour x ~ Il reste à choisir les constantes Cl et C2 de telle sorte que cette fonction soit continue en x = S et que sa dérivée subisse le saut signalé. Ceci nous conduit aux deux équations suivantes pour la détermination de Cl et C2 : ( CIYI Œ) - C2Y2 (s) = 0, ) 1 (6) l cIY; (s) - C2Y~ (s) = P (6) •
°
°
s,
s.
y;
Le déterminant [Y2 (s) Y~ (S) - YI (S) (S)] de ce système est nOIl nul, puisque les solutions YI (x) et Y2 (x) sont linéairement indépendantes. Donc on obtient des valeurs bien définies pour les constantes Cl et C2. Le wronskien des solutions YI (x) et Y2 (x) s'exprime (tome II, 11-1-11) à l'aide de la formule YI (x) Y~ (x) - Y2 (x) Y~ (x)
= P ~X)
,
où C est une constante non nulle. Quitte à multiplier l'une des solutions, par exemple YI (x), par c, on ramène la relation précédente à la forme p (x) [YI (x) Y~ (x) - Y2 (x) Yi (x)] = 1De cette relation il s'ensuit immédiatement que le système (6) a pour solution: Cl = Y2 (s) et C 2 = YI (S) et la fonction de Green G (x, S) est définie comme suit: G (x, S) = { YI (x) Y2 (s) Y2 (x) YI (S)
(x~ S),
(7)
(x~6)·
On vérifie sans peine qu'elle remplit toutes les quatre conditions. Son unicité résulte directement des raisonnements précédents.
R~DUCTION
11-1-2.
INT~GRALE
A UNE .eQUATION
219
11-1-2. Réduction à une équation intégrale. Considérons l'équation avec second membre L (y)
=
d
- f (x),
(IX [p (x) y'] - q (x) y =
(8)
où f (x) est une fonction donnée, continue sur un intervalle [a, b]. On cherchera la solution de l'équation (8) qui vérifie les conditions aux limites (2). Cette solution est unique. En effet, s'il en existait deux, leur différence satisferait l'équation sans second membre L (y) = 0 et les conditions aux limites (2), c'est-à-dire que 1.. = 0 serait valeur propre. Assurons-nous que la solution unique de l'équation (8) qui satisfait les conditions aux limites (2) est donnée par la formule b
Y (x) = ) G (x, s) f (s) d
s·
(9)
a
L'analogue de cette formule (tome IV l , (1-1]) admet une signification mécanique simple, à savoir que si l'on connaît la déformation statique due à une force ponctuelle, on peut au moyen d'une intégration obtenir la déformation statique due à une force continûment distribuée. Passons à la démonstration du fait que la fonction définie par la formule (9) satisfait (8) et les conditions aux limites (2). Partageons l'intervalle d'intégration en deux, compte tenu du saut subi par la fonction de Green: x
b
y= ) G(x, s)/ (s)ds+ ) G(x, s)f(s)ds. a
x
Une dérivation par rapport à x nous donne x
y' ==
) G' (x,
s) f (6) dx + G (x, x-O) / (x) +
a
b
+ ) G' (x, s) / (s) ds -
G (x, x + 0) f (x)
x
ou encore x
y' =
) G' (x, s) a
b
f (6) ds + ) G' (x, x
b
s) / (s) ds = ) G' (x, s)
f (s) ds, (10)
a
+
puisque la fonction de Green est continue, i. e. G (x, x 0) = = G (x, x - 0). Des formules (9) et (10) et du fait que G (x, s) satisfait les conditions aux limites (2), il s'ensuit aussitôt que la
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
220
fonction (9) vérifie également ces conditions. Pour vérifier l'équation (8) dérivons encore une fois y' par rapport à x. Des transformations peu compliquées nous conduisent à l'expression b
y" = ~ G"(x, s)f(s)ds--!--[G'(x,x-O)-G'(x,x+O)]f(x), a
et de (5) il s'ensuit que b
y" =
JG" (x, s) f (s) d s-
;
~:~
•
(11)
a
En portant dans (8) les expressions (9), (10) et (11) de y, y' et y", on trouve b
~ L(G)f(s)ds-f(x)= -f(x), a
c'est-à-dire que l'équation (8) est bien vérifiée puisque la fonction G (x, s) est solution de l'équation sans second membre L (y) = O. Signalons que les formules précédentes nous disent que la fonction y définie par (9) possède des dérivées premières et secondes continues sur l'intervalle [a, b]. On est donc conduit à la proposition suivante: Si  = n'est pas une valeur propre pour l'équation (8), alors cette équation admet pour toute fonction f (x) définie et continue sur [a, bl une solution unique vérifiant les conditions aux limites (2) et cette solution est donnée par la formule (9). Cette proposition peut encore s'énoncer: Pour toute fonction f ex) continue donnée, la fonction (9) possède des dérivées premières et secondes continues et vérifie l'équation (8) avec les conditions aux limites (2). A noter que si y (x) est une fonction quelconque possédant des dérivées première et seconde continues sur un intervalle fa, blet vérifiant les conditions aux limites (2), alors en la portant dans l'équation (8) on peut construire une fonction f (x) continue. D'après ce qui a été prouvé plus haut, la fonction y (x) s'exprime au moyen de f (x) par la formule (9). Donc, les formules (8) et (9) établissent une correspondance biunivoque entre deux classes de fonctions: la première étant composée des fonctions y (x) possédant sur fa, b 1 des dérivées première et seconde continues et vérifiant les conditions aux limites (2); la seconde, des fonctions f (x) continues sur fa, bl. Le passage de y (x) à f (x) est réalisé par la formule (8), le passage de f (x) à y (x), par la formule (9). On voit donc à la lumière de ce qui vient d'être dit qu'il est possible de ramener le problème aux limites à une équation inté-
°
221
II-f-3. SYM:eTRIE DE LA FONCTION DE GREEN
grale. En effet, en mettant l'équation (1) sous la forme L (y) = -Âr (x) y, on constate immédiatement en vertu des résultats établis que l'équation (1) avec les conditions aux limites (2) est équivalente à l'équation intégrale b
Y (x) =
Â
~ G (x, 6) r (6) y (6) d6.
(12)
a
De façon tout à fait analogue, l'équation avec second membre d dx [p (x) y']
+ [Âr (x) .- q (x)] y =
F (x)
(12 1 )
avec les conditions aux limites (2) équivaut à l'équation intégrale b
y (x) = FI (x)
+ Â ~ G (x, 6) r (6) y (6) d6,
(12 2 )
a
où b
FI (x)
=
-
~ G (x, 6) F (6) d6, a
la solution étant dans les deux cas une fonction continue y (x). 11-1-3. Symétrie de la fonction de Green. La formule (7) définit la fonction de Green non seulement pour x Ela, bl, mais aussi aux bornes x = a et x = b de cet intervalle, c'est-à-dire sur le carré fermé k o : a ~ x, 6~ b, et cette formule entraîne directement la symétrie de la fonction de Green sur k o : G (x, 6)
=
G (6, x).
(13)
Donnons une u utre démonstration de la symétrie de la fonction de Green, une démonstration fondée sur une idée utilisée dans des cas plus généraux. L'identité suivante est de vérification immédiate: d
uL (v) - vL (u) = dx [p (x) (uv' - vu')].
(14)
Dans cette identité, u (x) et v (x) sont deux fonctions arbitraires possédant des dérivées. premières et secondes continues. Posons u = G (x, 61) et v = G (x, 62) dans (14) en admettant pour fixer les idées que 61 < 62" En intégrant sur les intervalles [a, 61], [617 62) et [62' b] et en tenant compte du fait que la fonction de Green est
222
CH. II. PROBL1!:MES AUX LIMITES
solution de l'équation L (y) = 0, on obtient [p (x) (G (x, ~l) G' (x, ~2) -
G (x, ~2) G' (x, ~l»]~_~l = 0,
[p (x) (G (x, ~l) G' (x, ~2) -
G (x, ~2) G' (x, ~l»]~ i~ = 0,
[p (x) (G (x, ~l) G' (x, ~2) -
G (x, ~2) G' (x, ~l»]~=t~2 = O.
En ajoutant ces trois égalités et de par la continuité de la fonction de Green et la discontinuité de sa dérivée première, on trouve G (~l' ~2) - G (~2' ~l) = = [p (x) (G (x, ~l) G' (x, ~2) -
G (x, ~2) G' (x, ~l»]~=~'
(15)
Il est immédiat de vérifier que la différence du second membre s'annule pour x = a et x = b. En effet, la fonction de Green satisfait la première condition (2), soit
alG (a, ~l) alG (a, ~2)
+ a G' (a, + a G' (a, 2
~l) =
2
~2)
0,
= 0,
et comme on admet naturellement que les constantes al et a 2 ne sont pas simultanément nulles, le déterminant de ce système homogène doit être nul, autrement dit, la différence ci-dessus s'annule bien pour x = a. On démontre de même qu'elle s'annule pour x = b et la formule (15) établit la symétrie de la fonction de Green. On peut envisager des conditions aux limites plus générales que les conditions (2), c'est-à-dire des conditions dans lesquelles figurent les valeurs prises par la fonction et sa dérivée première aux bornes de l ' intervalle [a, b]:
alY (a) ~lY (a)
+ a y' (a) + aaY (b) + a,.y' (b) = 0, + ~2Y' (a) + ~aY (b) + ~,.y' (b) = O. 2
Tous les raisonnements précédents, excepté la démonstration de la symétrie de la fonction de Green, restent en vigueur. Pour que la démonstration de la symétrie de la fonction soit valable, il est nécessaire et suffisant que soit remplie la condition suivante: p (b)
al' a 2 R
R
Pl'
P2
=p (a)
a 3 , a.. R
R
P3'
P"
•
Nous glisserons sur la démonstration de ce fait. On vérifie immédiatement que la fonction de Green est symétrique pour des conditions aux limites périodiques: y (a) = y (b); y' (a) = y' (b) si p (a) = = p (b), c'est-à-dire si la fonction p (x) est périodique. Signalons que si les autres coefficients q (x) et r (x) sont périodiques, alors le problème aux limites avec les conditions périodiques mentionnées revient à chercher les valeurs du paramètre 'A pour lesquelles l'équation (1) possède une solution périodique.
11-1-4. VALEURS ET FONCTIONS PROPRES
223
II-1-4. Valeurs et fonctions propres du problème aux limites. Etant donné qu'on a ramené le problème aux limites à une équation intégrale, on peut mettre en œuvre la théorie générale des équations intégrales et établir ainsi des propositions relatives aux valeurs et fonctions propres du problème aux limites. Commençons par le cas r (x) == 1, où l'équation (1) est de la forme
ëfX [p (x) y'] + (1.. - q (x» y = 0, d
(16)
les conditions aux limites étant telles que la fonction de Green est symétrique. L'équation intégrale (12) est une équation à noyau symétrique. Elle admettra des valeurs propres réelles, et les fonctions propres associées aux valeurs propres distinctes seront orthogonales. On a vu au (II-1-11 qu'à toute valeur propre était associée une fonction propre et une seule. Ceci a été prouvé pour des conditions aux limites du type (2). Si les conditions aux limites sont périodiques, à toute valeur propre il peut correspondre deux fonctions propres au plus, car l'équation (16) ne possède que deux solutions linéairement indépendantes. Prouvons encore que le noyau G (x, ~) de l'équation (16) est un noyau complet, c'est-à-dire qu'il n'existe pas de fonction continue j (x) non identiquement nulle qui soit orthogonale au noyau. Si par absurde on suppose qu'une telle fonction existe, c'est-à-dire que b
~
G(x, s)j(s)ds=Ot
a
on constate alors que la fonction (9) d'un côté est identiquement nulle et de l'autre est, en vertu de ce qui a été démontré plus haut, solution de l'équation avec second membre (8), ce qui est impossible. Le noyau étant complet, il existe une infinité de valeurs propres (tome IV l' (1-421). Soient 1.. n (n = 1, 2, ... ) les valeurs propres de l'équation (16), c'est-à-dire du problème aux limites envisagé, et <"Pn (x), les fonctions propres correspondantes, fonctions qui forment un système orthonormé. Supposons qu'une fonction j (x) vérifie les conditions aux limites (2) et possède des dérivées première et seconde continues. En posant L (j) = -h (x), on obtient la représentation de cette fonction par l'intermédiaire du noyau: b
f (x) = ~ G (x, s) h (~) d~, a
et par suite toute jonction satisfaisant les conditions aux limites (2) et possédant des dérivées première et seconde continues sur [a, b] se développe sur [a, bl en une série de Fourier régulièrement convergente suivant les fonctions propres <"Pn (x) (tome IV lt [I -361). On a sans peine le théorème suivant:
224
CH. II. PROBLm\ŒS AUX LIMITES
Thé
0
r ème. Si la série de Fourier d'une fonction continue
j (x) b
00
Cn
=
Jf (x) cp
n
(x) dx
(17)
a
converge uniformément sur [a, b), alors sa somme est f (x). Prouvons ce théorème par l'absurde. Soit fI (x) la somme de la série (17). Supposons que fI (x) n'est pas identiquement égale à f (x) sur [a, bl. La différence fI (x) - f (x) qui n'est pas identiquement nulle est orthogonale à toutes les fonctions CPn (x), donc au noyau, ce qui contredit la complétude de ce dernier. Ce théorème nous sera utile dans la suite. On démontre que non seulement le noyau G (x, 6) est complet, mais aussi que les fonctions propres CPn (x) forment un système fermé. De là on peut déduire directement le théorème ci-dessus. Dans la suite, lorsqu'on se penchera sur le cas multidimensionnel, on prouvera que l'équation de fermeture a lieu pour toute fonction continue. Cette démonstration vaut également en dimension un. Etudions maintenant le cas où r (x) =1= 1 et supposons que r (x) > > O. Les résultats du (tome IV l' [1-44]) nous disent que le problème aux limites (2) pour l'équation (1) se ramène alors à une équation intégrale à noyau symétrique. En particulier, toute fonction satisfaisant les conditions aux limites (2) et possédant des dérivées première et seconde continues sur [a, b), se développe en une série de Fourier régulièrement convergente suivant les fonctions propres du problème: 00
f (x) = ~ cnCPn (x),
(18)
n=1
dont les coefficients sont définis pas les formules b
Cn
=
Jr (x) f (x) CPn (x) dx.
(19)
a
Pour prouver cette proposition, on observera qu'en vertu du (IJ-1-2] on a b
f(x)= -
JG(x,
s)Lff(6))ds·
a
Or, de toute évidence L If (6)] = - V r (6) h Œ), où la fonction h (6) est continue sur· la, bl, puisque r (6) >0. Donc, la fonction V r (x) f (x) se représente par le noyau de l'équation intégrale
II-1-S. SIGNE DES VALEURS PROPRES
225
symétrique : b
V r (x) t (x) = ) G (x, 6) V r (x) r (s) h (s) dS,
(20)
a
et les raisonnements du (tome IV!, [1-44]) nous donnent immédiatement le théorème de décomposition formulé ci-dessus. Comme plus haut on peut prouver la fermeture du noyau et par suite l'existence d'une infinité de valeurs propres. En reprenant les raisonnements du [11-1-1) pour le cas où f (x) possède une dérivée première continue et une dérivée seconde continue par morceaux et en se rappelant que le théorème 2 du (tome IV h [1-31]) est valable pour le cas où une fonction est représentable par un noyau à l'aide d'une fonction h (x) continue par morceaux, on s'assure que le théorème de décom· position est valable pour le cas où la fonction f (x) qui satisfait les conditions aux limites (2) possède une dérivée première continue et une dérivée seconde continue par morceaux. Dans la suite, on signalera les cas où les théorèmes de décomposition restent valables pour une dérivée première continue par morceaux. 11-1-5. Signe des valeurs propres. On admettra pour alléger l'écriture des formules que r (x) == 1. Les raisonnements s'étendent sans peine au cas général. Exhibons tout d'abord une formule exprimant les valeurs propres au moyen des fonctions propres. Soient Ân les valeurs propres et
En multipliant les deux membres par
1,,~ - ) L
b
(cPn) q>n (x) dx =
. a
- ) [ d~
(p (x)
q (x) q>nJ q>n (x) dx.
a
Une intégration par parties du premier terme nous conduit à la formule suivante: b
Ân = ) [p (x)
(21)
a
Supposons que le terme non compris sous le signe somme est nul. Ceci aura lieu par exemple si les conditions aux limites sont de, la forme:
226
CH. II.
PROBL~MES
AUX LIMITES
devient: b
Ân = ) [p
(x)q>~ (x) + q (x) q>~ (x)] dx.
(22)
a
Supposons que p (x) > O. Si l'on admet de plus que q (x);;::: 0 sur [a, b], alors la formule (22) nous dit que les valeurs propres sont toutes strictement positives. Supposons maintenant que q (x) est une fonction continue arbitraire et soit m son minimum sur [a, b], c'est-à-dire que q (x);;::: m, x E [a, bl. De la formule précédente, il s'ensuit immédiatement b
Ân~
) P (x)
q>~2 (x) dx+ m~m.
a
Donc, dans le cas envisagé, seul un nombre fini de valeurs propres peuvent être strictement négatives. Supposons maintenant que les conditions aux limites sont de la forme: yi (a) - hly (a) = 0; yi (b) h 2 y (b) = 0, (23) où hl et h 2 sont des constantes strictement positives. Le second terme de la formule (21) est alors strictement positif et l'on s'assure comme plus haut que sous les conditions aux limites (23) et pour q (x) ~ 0 les valeurs propres sont toutes strictement positives. Si toutes les valeurs propres sont strictement positives ou si seul un nombre fini d'entre elles sont strictement négatives, alors est vrai le théorème de Mercer et l'on peut développer le noyau en une série absolument et uniformément convergente:
+
00
G (x, ~) = ~
fPn
(Xi:
n
(~)
•
(24)
n=l
Cette égalité nous permet d'étendre le théorème de décomposition suivant les fonctions propres qui a été prouvé au (11-1-4] à une classe de fonctions plus vaste, plus exactement, supposons que f (x) est continue, possède une dérivée continue sur l'intervalle [a, b] t01,lt entier sauf en un point x = c où elle subit un saut: f' (c 0) - f' (c - 0) = k,
+
et une dérivée seconde continue par morceaux. Supposons par ailleurs que f (x) satisfait comme toujours les conditions aux limites (23). Composons la différence:
f (x) -
k
p (c)
G (x, c),
qui possède une dérivée continue sur l'intervalle la, b] tout entier. Cette -différence est justiciable du théorème de décomposition sui-
II-t-6. EXEMPLES
227
vant les fonctions propres. D'autre part, en vertu de la formule (24) le terme G (x, c) peut être développé suivant les fonctions propres, donc la fonetion f (x) se décompose en une série de Fourier absolument et uniformément convergente suivant les fonctions propres. Ces raisonnements sont valables de toute évidence dans le cas où la dérivée f' (x) présente un nombre fini de sauts dans [a, bl. Ils sont identiques à ceux utilisés au (tome II, [VI-2-8J) pour améliorer la convergence des séries de Fourier. 11-1-6. Exemples. 1. Considérons l'équation y"
avec les conditions aux limites y (0) de Green s'écrit G (x,
s)= {
+ 'Ay = =
y (1)
0
=
O. On a L (y)
s) x
(x ~ ~),
(1-x)s
(s~x).
(1-
=
y" et la fonction
Les valeurs et fonctions propres se définissent sous forme explicite 'An
=
n 2n 2 ;
CPn (x)
= 11 2 sin nnx
(n
=
1, 2, •••),
et les fonctions satisfaisant toutes les conditions du numéro précédent sont justiciables du théorème de décomposition suivant ces fonctions propres. Il est possible d'élargir les conditions d'applicabilité du théorème de décomposition, mais nous glisserons là-dessus. 2. Considérons l'équation de l'exemple précédent avec les conditions aux limites y (0) = y' (1) = O. On a
et les valeurs et fonctions propres sont: 31;2
'An =(2n+ 1)24'""";
-
CPn (x) =-.12 sin (2n+ 1)
n
T
x.
3. Considérons encore l'équation de l'exemple 1 avec les conditions aux limites y (0) = 0; y (1) hy' (1) = O. Composons la fonction de Green. Prenons deux solutions de l'équation y" = 0, l'une vérifiant la première condition aux limites, l'autre, la seconde, soit: YI (x) = x; Y2 (x) = (1 h) - x. Les raisonnements du [1I-1-1J nous· conduisent à la fonction de Green suivante: '
+
+
G (x,
s)= {
1~~~s
x
(x~s),
1+h-x ~ 1+h
(S ~ x).
Les valeurs propres sont toutes strictement positives et en posant  = fJ.2 on s'assure sans peine que les valeurs propres correspondantes fJ. se déduisent à· partir de l'équation tg fJ. + hfJ. = 0 et les fonctions propres seront Cn sin fJ.nx, ' la constante Cn étant déterminée à partir des conditions de normalisation de ces fonctions... 4. L'étude des vibrations d'une membrane circulaire fixée par son contour nous a conduits au problème aux limites suivant: trouver les valeurs du para15*
CH. II. PROBL1l1MES AUX LIMITES
228
mètre  pour lesquelles l'équation
1l'+.!...Y'+ z
(Â- Zlni ) Y=O
(25)
admet une solution vérifiant les conditions aux limites sup 1 y (0) 1 < 00 et y (l) = 0, (*) n étant un entier positif. Ce problème aux limites diffère de ceux étudiés jusqu'à maintenant par le fait que les coefficients de l'équation présentent un pôle en z = et au lieu d'une condition bien définie en x = on exige simplement que la solution soit bornée au voisinage de x = O. La solution de l'équation (25) prend une valeur finie pour x = O. Nous avons rencontré plusieurs fois de tels problèmes aux limites. En multipliant les deux membres de (25) par x, on met l'équation sous la forme usuelle:
°
°
2
d (xy')+ ( ÂX--;n ) y=O, dx
(26)
°
où n > est un nombre donné. La fonction de Green se définit comme précédemment sauf qu'en x = au lieu d'une condition aux limites on exige que la fonction de Green soit finie. L'équation L (y) = est une équation d'Euler (tome II, [II-1-18]) qui admet les solutions linéairement indépendantes x n et x-no La fonction de Green devant être finie en x = 0, on doit la prendre de la forme Clxn sur l'intervalle [0, S]. Sur l'intervalle [S, 1] on doit former une combinaison linéaire des solutions zn et x- n qui s'annule pour x = 1, autrement dit, la fonction de Green doit être de la forme C2 (zn- x- n ). Les constantes Cl et Cl! se déterminent comme toujours à partir des conditions de continuité de la fonction de Green et de saut de sa dérivée première en x = S. On obtient en définitive la formule suivante:
°
°
(x ~ ~), (~~
x).
L'équation avec -second membre L(y) = -f (x) possède une solution unique satisfaisant les conditions aux limites (.), soit 1
y(X)=) G(x,
S)!(S)ds.
o Les raisonnements du [II-1-5] nous disent que les valeurs propres sont toutes strictement positives. En posant  = f.t2 on déterminera les valeurs propres à partir de l'équation transcendante J n (f.t) = 1 et les fonctions propres seront 9>n (x) = cnJn (f.tn x ). Pour n = 0, l'équation 'L (y) = possède deux solutions linéairement indépendantes: YI (x) = 1'et Y2 (x) = ln x. La fonction de Green est donc: -ln x~ (27) G(x,s)= { -lnx, s~x.
°
s,
s,
A noter que la ,formule (9) nous donne ici: 1
y
(x),-
J
x
~
0
G(x, s)!(s)d;=-lnx ) f(S)
1
J
d~- !(s)ln~ dS, x
229
11-1-7. DISTRIBUTION DE GREEN
et l'on vérifie immédiatement que cette fonction satisfait l'équation L (y) = = -1 (x) avec les conditions aux limites (-\10). La forme de l'é~uation (26) indique que r (x) = x. En ramenant le problème aux limites à une equation intégrale on obtient le noyau G (x, 6) V6X qui est continu sur le carré tout entier, y compris en x = 6 = O. Les fonctions propres de cette équation intégrale sont q>n (x) = = cn V; Jo (....nx ) et l'on obtient la série de Fourier absolument et uniformément convergente suivante: 00
G (x,
s) -ys x =
~
Cj)n
(X~:n
(6) •
n=1
Une division par
-V 6x
nous donne
~ c;J0 ( ....n x ) Jo <.... nS)
G(x'S)=LJ
Â
n=1
n
'
et cette série ne converge uniformément que sur l'intervalle [e, 1], où 8 > 0 est un nombre arbitraire donné. Les constantes Cn sont déterminées en vertu de la condition de normalisation par la formule (tome IIl g , [VI-2-2]) 2 _
cn -
2
Jd.... n)
•
Signalons que la fonction G (x, s) définie par la formule (27) tend vers l'infini lorsque le point (x, s) tend vers le sommet (0, 0) du carré. Comme singularités, outre celles indiquées ci-dessus, on a le fait que la fonction r (x) = x s'annule à la borne x = O. Au tome V, nous étudierons en détail les problèmes aux limites pour des équations présentant des points singuliers aux bornes de l'intervalle et pour des équations envisagées sur un intervalle illimité.
11-1-7. Distribution de Green. On se propose d'étudier maintenant le cas où l'équation (1) avec les conditions aux limites (2) admet  = 0 pour valeur propre, c'est-à-dire que l'équation sans second membre L (y) = 0 possède une solution y =
230
CH. II. PROBUllMES AUX LIMITES
limites (2) ; la constante arbitraire· C se déduit à partir de IR condition d'orthogonalité des fonctions G (x, S) et (f)o (x): b
) [G (x, s)]
(f)o
(x) dx= O.
(29)
a
La présence du second membre de l'équation (28) admet une interprétation simple. Si  = 0 est une valeur propre du problème, on a résonance pour une fréquence nulle et il sera impossible d'obtenir un écart statique fini avec une force ponctuelle. Pour obtenir un tel écart on doit en plus de la force ponctuelle appliquer une force continûment distribuée, ce qui se traduit par la présence du second membre de l'équation (28). On construira la distribution de Green comme dans (11-1-1]. Soient 00 (x) une solution quelconque de l'équation avec second membre (30) L (00) = (f)o (~) (f)o (x) et (f)l (x) une solution de l'équation sans second membre associée, linéairement indépendante de (f)o (x) et telle que p (x) [(f)o (x) (f)Î (x) -
(f)l
(x)
(f);
= 1.
(x)]
(31)
En se rappelant que l'intégrale générale de l'équation avec second membre est la somme d'une solution 00 (x) de cette équation et de l'intégrale générale de l'équation sans second membre associée, on doit poser
G (x; S)
= 00 (x)
G (x; S) =
00
(x)
+ Cl(f)O (x) + C2(f)1 (x) + cs(f)o (x) + C~(f)l (x)
(x ~ ~),
(32) (x ~ ~).
Cette fonction doit satisfaire les conditions aux limites (2). Comme
(a)
+ cx 2oo' (a) + c
2
[CXl(f)l
(a)
+ CX 2(f)i (a)]
=
0, (33)
d'où l'on déduit C2 et C~. Les coefficients en ca et C~ ne sont pas nuls, car
e
(Cl (Cl -
(S) Ca) (f)~ (6) Cs)
+ (c
2 -
+ (C2 -
c~) (f)l (~)
= 0,
c~) (f); (S)
=
1 :p
(~),
231
11-1-7. DISTRIBUTION DE GItBEN
qui, en vertu de (31), peuvent être mises sous la forme: Cl -
Cs
=
-CPI (s);
C2 -
Ci
=
CPo Cs)·
(34)
Il reste encore à satisfaire la condition (29). Les constantes C 2 et Ci ont déjà été déterminées par les formules (33). La première égalité (34) nous donne Cl = Cs - CPI (S). En portant Cl dans la première formule (32), on peut déterminer Cs à partir de la condition (29) et ensuite Cl à partir de la formule ci-dessus. Les constantes ont toutes été déterminées sans l'aide de la deuxième égalité (34) et il nous reste à vérifier que C 2 et Cq , trouvées avec les formules (33), vérifient bien la deuxième égalité (34). Ecrivons à cet effet la formule (14): CPo (x) L (00) - 00 (x) L (CPo) =
d:
[p (x) (CPoOO' -
OOCP~)]·
Intégrons cette relation sur l'intervalle [a, b]. En tenant compte de l'égalité L (CPo) = 0, de l'équation (30) et de la normalisation de la fonction CPo (x), on trouve CPo (~) = [p (x) (CPoOO' - OOCP~)]~=~. (35) La deuxième égalité (34) peut être mise, en vertu de (33), sous la forme: ~lW (b)+ ~2W' (b)
~1
_
+ Ct W' (a) + Ct2cpi (a)
CtlW (a) Ctl
2
(~)
_
-CPo
•
(36)
On a les conditions aux limites suivantes pour CPo (x) : CXICPO (a) CX2CP~ (a) = 0; ~ICPO (b) ~2CP~ (b) = O. (37) En écrivant l'égalité (31) pour x = a et x = b et en joignant aux deux égalités ainsi obtenues les égalités (37), on détermine
+
+
p (a) cp ~ (a) = -
p (b) cp ~ (b) = -
~
et en portant ces relations dans la formule précédente, on trouve w(b)
w(a)
CPo (~),
c'est-à-dire l'égalité (36) pour CX 2 = ~2 = O. Pour prouver que la distribution de Green est symétrique, écrivons les deux équations suivantes: L [G (x; ~l)l
=
CPo (~l) CPo (x);
L [G (x; S2)]
=
CPo (~2) CPo (x).
232
CH. II. PROBLJ3JMES AUX LIMITES
Multiplions la première par G (x; ~2)' la seconde, par G (x; ~l)' retranchons terme à terme et intégrons sur [a, b]. En se servant de la formule de Green, des conditions aux limites et de la condition (29), on trouve [p (x) (G (x; ~2) G' (x; Sl)-
- G (x; ~1) G' (x; ~2»)]~ ~~+8
+[
]~
i:;8 = 0,
d'où, comme précédemment, G (~l' ~2) = G (~2' SI)' A signaler que comme au [11-1-3] il faut partager l'intervalle d'intégration en trois parties. Considérons maintenant l' équation L (y)
= -f (x),
(38)
où f (x) est une fonction continue donnée, orthogonale à
y (x) =
I
G (x,
~) f (~) d;.
(39)
a
En effet, en partageant l'intervalle d'intégration [a, bl en deux intervalles partiels [a, x] et [x, b], on montre comme plus haut au [11-1-2] que b
L(y)=
I L[G(x, ;)]f(;)ds-f(x). a
D'où, en se servant de l'équation (28), b
L (y) =
I
d; - / (x),
a
relation qui entraîne directement (38), puisque / (x) est par hypothèse orthogonale à
11-1-7. DISTRIBUTION DE GREEN
233
peut exprimer F (x) à l'aide de la formule (39). Pour prouver cetteassertion, il nous suffit de nous assurer que la fonction f (x) est orthogonale à
L(y)=ëiX[P(x)y']-q(x)y= -'Ay
(40}
avec les conditions aux limites (2). Cherchons une solution non triviale distincte de
y (x)
=
 ) G (x,
~) y (6) d6.
(41)
a
Considérons maintenant le théorème de décomposition suivant les fonctions propres pour l'équation (41). Il nous faut élucider leproblème de la représentabilité d'une fonction par l'intermédiairedu noyau. On a vu plus haut que toute fonction possédant des dérivées première et seconde continues, vérifiant les conditions aux limites (2) et orthogonale à
234
plaçons
CH. II.
Â
par
~
PROBL~MES
en posant
d~
°
[p (x) y']
Â
=
AUX LIMITES
Â' +~.
+ [Â' -
L'équation (16) devient
q (x)] y = .- ~y.
La valeur ~ = n'est plus une valeur propre en vertu de ce qui précède et par suite on peut appliquer la théorie basée sur la fonction de Green. En particulier, les fonctions propres du problème aux limites formeront un système fermé. De là il s'ensuit entre autres que si aux fonctions propres de l'équation (41) on adjoint -<J>o (x), on obtient un système fermé. L'introduction du nouveau paramètre ~, comme nous le verrons sur un exemple ultérieur, est susceptible de compliquer l'intégration de l'équation qui a servi il définir la fonction de Green. Dans le prochain numéro, on appliquera la distribution de Green à l'étude d'un problème aux limites débouchant sur les polynômes de Legendre. Dans ce cas, la fonction p (x) s'annule aux bornes de l'intervalle [a, bl et les eonditions aux limites se changent en condition de finitude de la .solution aux bornes de [a, b]. Tout ce qui a été dit plus haut est valable pour ce cas. Nous avons vu plus haut qu'une seule fonction propre était ;associée à la valeur propre  = 0 de l'équation (1) avec les conditions aux limites (2). Si les conditions aux limites sont périodiques, par exemple sont de la forme y (a) = y (b) et y' (a) = y' (b), .alors il peut exister deux fonctions propres correspondant à la valeur propre  = O. Ceci vaut également pour les équations d'ordre supérieur à deux qui seront examinées plus bas. Dans tous ces cas, la fonction de Green se construit comme plus haut: au second membre de l'équation (28) il faut écrire une somme étendue à toutes les fonctions propres correspondant à la valeur propre  = 0, ces fonctions étant normées et deux à deux orthogonales. 11-1-S. Polynômes de Legendre. On demande les valeurs du paramètre ). pour lesquelles l'équation d
dx [(1-x 2 ) y'] +Ây=ü
(42)
possède une solution bornée aux extrémités de l'intervalle [-1, 1]. On sait que les valeurs propres de cette équation sont Ân = n (n + 1) (tome 111 2 , [V-SD et les fonctions propres orthonormées, (fln
(x)
= ...V/
2n+1 2 P n (x)
(n = Ü, 1, ••. ),
(43)
sont des polynômes de Legendre. Il est aisé de voir qu'il n'existe pas d'autres valeurs et fonctions propres. S'il existait d'autres fonctions propres, il existerait une fonction propre orthogonale à toutes les fonctions (43). Pour montrer que cette dernière n'existe pas il suffit de prouver que les fonctions (43) forment un système fermé. Prouvons ceci. Soit f (x) une fonction quelconque -continue définie sur l'intervalle [-1, 1]. Le théorème de Weierstrass (tome II, ,IVI-2-5]) nous dit que pour tout 8 > 0 donné, on peut trouver un polynôme -OÙ P n (x)
235
II-1-S. POLYNOMES DE LEGENDRB
Q (x) tel que sur l'intervalle [-1, 1) l'on ait l'inégalité qui entraîne aussitôt
1 1 (x) -
Q (x)
1< 8
1
) li (x) -Q (X))2 dz <
28 2 •
-1
Supposons que Q (x) est de degré m. La fonction
1
) rf
(x)-
-1
~
ak
(x)
J2 dx < 28
2
•
k=O
Cette inégalité sera à fortiori vérifiée si l'on remplace les coefficients ah par les coefficients de Fourier de la fonction 1 (x) suivant le système de fonctions (43). Le nombre 8 étant arbitrairement petit, on peut affirmer que l'erreur quadratique moyenne affectant la représentation de 1 (x) par une portion de sa série de Fourier suivant les fonctions (43), tend vers 0, autrement dit, les fonctions (43) forment bien un système fermé. Revenons à l'équation (42). On a dans ce cas d
L (y)= dx [(1-x 2 )y'],
et l'on voit immédiatement que la première fonction du système (43), c'est-àdire la constante
~2
est solution de l'équation L (y) =
° et vérifie
la condition aux limites, c'est-à-dire est bornée aux extrémités de l'intervalle. En d'autres termes, Îw = est une valeur propre, ce qui résulte encore de la formule Îw n = n (n + 1) pour n = o. Pour construire la fonction de Green, écrivons l'équation (28):
°
dd [(1-x 2 ) y'] x
=~.
Une solution particulière de cette équation est y = -11n (1 - x 2 ) et l'intégrale générale de l'équation sans second membre associée est de la forme
+:.
c2 ln ~ Les solutions qui sont finies aux extrémités x = +1 sont respectivement de la forme: 1 1 1+x 1 YI (x)=-4"ln (1-x 2 )+4" ln 1-x +a =-2"ln (1-x)+a, Cl+
Y2 (x)=
où a et
~
1
1
-"4 ln (1-x2 )-"4 ln
1+x
1
1-x +~=-21n(1+x)+~,
sont des constantes. Choisissons ces constantes de manière que la solu-
tion composée soit continue pour x =
6 et
orthogonale à
première de ces conditions donne 1 1 -TIn (1-s)+a = -Zln (1+s)+~,
J2 .
La
CH. II.
236
PROBL~MES
AUX LIMITES
et l'on peut poser ct=
1
1 p= -TIn (1-6)+1',
-TIn (1 +~)+y;
où "l'est une constante qui se détermine à partir de la condition d'orthogonalité de la fonction de Green G (x, s) et de
-~ G(.'c,~)=
{
ln [(1-x) (1+s)]+y
(x~~),
1 -2"ln [(1 +x) (1-s)] +1'
(s ~ x).
La condition d' orthogoll ali té 1
~
1
G (x, s)
~
ou simplement
-1
G(x, 6)dx=O,
-1
1 nous donne 1'=--ln 2 et la distribution de Green s'écrit en définitive: 2 ( 1 1 - - l n [(1-x) (1 +s)]-ln 2 (x ~ 6), 2 2 (44) G (x, 6)= 1 1 { - - ln [(1 +z) (1-s)]-ln 2+- (x ~ ~). 2· 2
+-
Le noyau (44) est infini au voisinage des sommets x = 6 = -1 et x = 6 = 1 du carré -1 ~ x, s ~ 1. On vérifie sans peine que toute fonction représentable par le noyau 1
~
G (x,
s) g (s) d6
(45)
-1
sera continue, pourvu que g (x) le soit et comme dans [11-1-3] ces fonctions sont justiciables du théorème de décomposition en une série de Fourier suivant les fonctions
~ 1 (x)
(46)
-1
condition qui traduit l'orthogonalité de 1 (x) et
Il (x)-I
(x)-
~
l1
(x) dx,
-1
qui, elle, vérifie la condition (46). La fonction 1 (x) se développe suivant tous les polynômes de Legendre, y compris Po (x) = coust.
II-l-S. POLYNOMES DE LEGENDRE
237
La série de Fourier du noyau est de la forme 00
~ (2n+1) P n (x) P n (~) LI 2n (n+ 1) •
(47)
n=1
Elle ne peut converger uniformément sur le carré k o, car le noyau n'est pas borné. Utilisons l'expression asymptotique des polynômes de Legendre pour les grands n (tome II1 2 , [VI-3-8]): Pn(cost)=V nn;int
{cos[(n+;)t-~J+Ôn},
où ôn -+- 0 uniformément par rapport à t E [e, n - e], e > 0 étant un nombre arbitraire donné. Fixons une valeur S de l'intervalle [-1, 1]. On a la majoration
1 Pn (s) 1 ~Vn' où m n est borné lorsque n Croît. D'autre part, pour tout x E 1 Pn (x) 1 ~ 1 (tome III 2 , [VI-1-4]). On remarque donc que pour (47) converge absolument et uniformément en x dans l'intervalle [-1, 1]. La fonction (44) est orthogonale à
E [-1,1], on a
S fixe, la série
uniformément dans le carré k o si l'on exclut de ce dernier ses sommets (-1, -1) et (1, 1) et des voisinages de ces sommets de rayons aussi petits que l'on veut. Appliquons maintenant l'autre approche pour étudier le problème aux limites pour l'équation (42). Remplaçons le paramètre 'A par f.1 en posant 'A = = f.1 + p (p + 1), où p est un nombre fixe non entier. L'équation (42) devient d dx [(1-x 2) y'] p (P+ 1) y+ ~ty =0.
+
La valeur f.1=0 n'est plus une valeur propre et l'on doit poser d
L(y)= dx [(1-x 2 )y']+p(p+1)y.
L'équation L (y)=O se transforme en une équation de Gauss (tome IH 2 , [V-61. x (V-7]) de paramètres a= -p, ~=p+1, ,\,=1, par la substitution t=1t • Cette équation admet les deux solutions: x
Yl(x)=F(-p, p+1, 1; 1t );
Y2(x)=cF(-p, p+1, 1; 1
2
x),
la première étant régulière pour x= -1, la seconde, pour x= 1. On peut choisir la constante c de telle sorte que y{ (x) YI On montre alors que c= 4
(x)-y~ (x) YI (x)= 1~XI
•
.n ,) et par suite la fonction de Green est sm pn
définie par x
1tF (-p, p+1, 1; 1t ) F
(-p,
p+1,
1; 1;S)
Gl (x, ;)= --------:--:---------~ (x ~ S).
4 ~in pn
(48)'
CH. II. PROBL:&:MES AUX LIMITES
238
Si S ~ x, il faut permuter x et S. A la suite du changement de paramètre, les valeurs propres seront définies par la formule !ln = n (n 1) - p (p 1), les fonctions propres étant toujours les fonctions
+
+
00
G1 (x,
~
(2n+ 1) P n (x) P n (s) LI 2 [n (n+1)-p(p+1)]'
s)=
n=O
et comme plus haut elle donnera la fonction de Green (48) pour tout point fixe S de l'intervalle [-1, 1] et pour tous les x de cet intervalle. Signalons que le noyau (48) n'est pas borné ici. 11-1-9. Fonctions d'Hermite et de Laguerre. On peut construire la fonction de Green pour des problèmes aux limites conduisant aux fonctions d'Hermite et de Laguerre. Les fonctions d'Hermite 'l'n (x) (tome 111 2 , [VI-3-1l) sont les fonctions propres de l'équation y" (Â. - x 2 ) y = 0
+
sur l'intervalle ]-00, oo[ et à condition que y ~ 0 lorsque x ~ -00 et x ~ ~ + 00. Les valeurs propres sont Â.n = 2n + 1 (n = 0, 1, ...). En remplaçant Â. par Â. - 1, on met l'équation sous la forme L (y)
+ Â.y = 0,
où
L (y) = y" -
(1
+x
2
)
y,
les valeurs propres étant définies maintenant par la formule Â.n (n = 0, 1, ...). L'équation L (y)
=
y" -
(1
+x
2
)
=
2n
+2
y = 0 Xl
Xli
admet y=e2 pour solution et la substitution y=we2 trouver immédiatement son intégrale générale
où Cl et C2 sont des constantes arbitraires. Lorsque x la solution qui s'annule pour x= - 00, soit Xll
2
YI =ae
~
nous permet de
S. on doit prendre
X
Jr
e
-VI
d
1:',
-00
où a est une constante. Pour x
~
S on prend de façon analogue la solution Xl +00
T Y2= be
Jr e
-VI
d
v,
x
où b est une constante. Les constantes a et b se déterminent à partir de la condition de continuité de G (x, en z = 6 et de saut de la dérivée première
s)
11-1-9. FONCTIONS D'HERMITE ET DE LAGUERRE
G' (x,
s)
en x
=- 6.
G (x,
239
On obtient en définitive
( 1 ;)= {
(x ~
6),
1
(x ~
ç,).
l
Les fonctions de Laguerre
xy"+y'
+ (Â- f) y=O
sur l'intervalle] 0, 00 [ et à condition que la solution soit bornée au voisinage 1 de x=o et s'annule pour x= +00. Les valeurs propres sont Ân =2"+n. La substitution de Â-
~
à Â nous permet de mettre l'équation sous la forme
L(Y)=XY"+Y'-(~+:) y;
L(Y)+ÂY=O, où
les valeurs propres sont  n =n+1 (n=O, 1, ... ). L'équation 1 X) y=o L (y)=xy"+y' - '( 2+4
admet y = eX / 2 pour solution et la substitution y = weX / 2 nous conduit facilement à l'intégrale générale
Pour x
~
6,
on doit prendre la solution régulière en x = 0, soit: YI =aeX / 2 ,
et pour x
~ ~
la solution nulle en x= 00, soit: x +00
Y'J = he
2'
re-v -v- dv"
J x
En déterminant a et b comme indiqué plus haut, on obtient finalement
G (x,
6)=
r :~.
j
x+,
r 00
-2- ~
l
e
x
e:" do
(x <;; 6),
e-v -dv v
(x~s).
~
CH. II. PROBL1l:MES AUX LIMITES
:240
11-1-10. Equations du quatrième ordre. Comme plus haut, on peut :pour les équations d'ordre supérieur envisager la fonction de Green cet la réduction du problème aux limites à une équation intégrale. L'étude des vibrations d'une barre nous a conduits au problème ;aux limites suivant: trouver les valeurs du paramètre  pour les.quelles l'équation y(IV) Ây = 0 (49) ;admet une solution non triviale vérifiant quatre conditions aux limites homogènes. Si, par exemple, la barre est fixée à l'extrémité x = 0 et libre à l'extrémité x = l, les conditions aux limites :sont y Ix=o = y' Ix=o = 0; y" IX=1 = y"' IX=1 = O. (50) -Pour une barre non homogène, on obtient l'équation Âr (x)
y(IV) _
y
= O.
(51)
~La
fonction de Green G (x, s) décrit la déformation statique due -à l'action d'une force ponctuelle. Cette fonction se définit à partir .des conditions suivantes: 1) elle est continue avec ses dérivées première et seconde par rapport à x dans le carré k o ; 2) pour 0 < x < -< S et S < x < l elle possède des dérivées jusqu'à l'ordre quatre
+- 0,
s) - G'" (6 - 0, s) = -1.
(52)
Si y (x) est une fonction possédant des dérivées jusqu'à l'ordre -quatre continues, la dérivée quatrième étant nécessairement continue -par morceaux, satisfait les conditions aux limites (50), alors de la :Il'elation y(IV) = -/ (x) il s'ensuit 1
y (x) =
JG (x, ~) / (s) ds,
(53)
o
cet réciproquement, une fonction définie par (53) possède des dérivées jusqu'à l'ordre quatre continues, satisfait les conditions aux limites (50) et l'équation y(IV) = - / (x), pourvu que / (x) soit continue :sur [0, ll. Donc, le problème aux limites pour l'équation (49) se ramène à l'équation intégrale l
Y(x) = - Â
JG (x, ~) y (~) ds, o
11-1-11.
THgOR~MES
DE DBCOMPOSITI0N DE STBKLO'V
241
et pour l'équation (51), à l'équation intégrale l
y (x)
= -
Â
)G (x,
s) r (~) y (~)
ds.
o
Les fonctions propres formeront comme plus haut un système fermé et toute fonction vérifiant les conditions aux limites (50) et possédant des dérivées jusqu'à l'ordre quatre continues, se développe en une série de Fourier suivant les fonctions propres absolument et uniformément convergente. Exactement comme au [11-1-5], on démontre que toutes les valeurs propres sont strictement positives et par suite le théorème de Mercer nous dit que le noyau se développe aussi suivant les fonctions propres. Construisons la fonction de Green pour le cas d'une barre fixée par ses extrémités, c'est-à-dire pour les conditions aux limites y (0) = y' (0) = y ~l) = = y' (l) = 0, en admettant que r (x) ;:s; 1 et l = 1. L'intégrale générale de l'equation y(IV) = 0 est, un polynôme du troisième degré à coefficients arbitraires. On peut facilement trouver les solutions vérifiant les conditions aux limites en une extrémité seulement. Ce seront les solutions YI (x)
=
x2
(al
+
a2 x ) j
Y2
(x)
=
(x -
l)2 (b l
+ b x). 2
Les constantes arbitraires se déterminent à partir de quatre conditions: les conditions de continuité de la fonction et de ses,dérivées première et seconde en x = 6 et de discontinuité (52) de la dérivée troisième. Des calculs élémentaires nous donnent l'expression définitive de la fonction de Green: G (x,
Pour
S~ x,
~) =
x
2
(~;-1)2 (2x~+x-36)
il faut permuter x et
(x
~ S).
s.
11-1-11. Théorèmes de décomposition de Stéklov précisés. Au 11-1-4 on a établi le théorème de décomposition suivant les fonctions propres CPn (x) de l'équation (16). On se bornera ici à des conditions aux limites de la forme y (a)
=
y (b)
= O.
(54)
Les théorèmes de décomposition suivant les fonctionscpn(x) pour des hypothèses assez générales ont été établis indépendamment de la théorie des équations intégrales dans les travaux de V. Sté k 1 0 v. Les résultats ont été rassemblés dans son ouvrage Problèmes fondamentaux de physique mathématique, t.1 (en russe). Voici quelques-uns d'entre eux. Pour simplifier on admettra que q (x) ~ O. Cette restriction peut être levée dans les numéros [11-1-11] à [11-1-18]. Soit f (x) une fonction continue possédant une dérivée première continue sur la, b] et satisfaisant les conditions aux limites (54). L'existence de la dérivée seconde n'est pas admise. Prouvons une formule pré16-01017
242
CH. II. PROBU:MES AUX LIMITES
liminaire b
J
[p (x) CPh (x)
cp; (x) + q (x)
0
pour
k=l= l. (55)
o
En effet, en intégrant par parties et en tenant compte de l'équation satisfaite par les fonctions propres
d~
q (x) CPk (x) -
[p (x)
cpit (x)) = ÂkCPk (x),
(56)
on obtient b
J
[p (x) CPk (x)
cpî (x) + q (x) CPk (x) cP, (x)] dx=
a b
= P (x) CPit (x) cp, (x)
1: ~ + Âk SCPk (x) cpz (x) dx• •
Les deux termes du second membre sont nuls, le premier, en raison de cP 1 (a) = cP 1 (b) = 0, le second, en raison de l'orthogonalité des fonctions propres. Considérons maintenant la fonctionnelle b
J (y)
5
=
[p:(x) y'2
+ q (x) y21dx
(57)
•
et portons dans cette fonctionnelle n-1
y = r n (x) = / (x) -
LJ
CkCPk (x),
(58)
h=l
où Ch sont les coefficients de Fourier de la fonction / (x) : b
c" = S/ (x) CPh (x) dx.
(59)
a
En chassant les parenthèses et en tenant compte de (22) et (55), on trouve n-1
J [/ (x) -
~
b
Ch
+~ . k=1
[p (x) 1'2 (x)
+ q (x) /2 (x)J dx+
a
k=1
n-1
s
n-1
ÂhC: -' 2 ~ Ck h=1
b
S[p (x) f' (x)
En intégrant la dernière intégrale par parties et en tenant compte du fait que 1 (a) = / (b) = 0 par hypothèse et de l'équation (56),
II-I-U. TUOR2MES DE DSCOMPOSl'1'ION DE ST2KLOV
·243
on obtient J
[f (x) -
n-I
~ c.. (x) ] =
k==1
6
=
n-l
J•
1'2 (x) + q (x) f2 (x)] dx - ~ "'hC:,
[p (x)
(50)
.=1
Si l'on admet que p(x»O et q(x)~O, on déduit aussitôt de cette formule une inégalité identique à celle de Bessel: 00
"
~ AAc1~ ~ [p (x) 1'2 (x) + q (x) j2 (x)] dx,
.-1
(61)
Q
et la convergence de la série du premier membre. Tous les termes de cette série sont strictement positifs, car ÂA > 0 pour q (x) ~ O. Remarquons que la démonstration de l'inégalité (61) est intégralement valable si l'on admet que la fonction continue f (x) admet une dérivée t' (x) partout sur (a, b] sauf en un nombre fini de points al' al' ... , am, cette dérivée étant partout continue sauf en ces points où elle présente une discontinuité de première espèce. Pour intégrer par parties, il suffit d'intégrer sur les intervalles de con~ tinuité de fi (x) et d'ajouter ensuite les intégrales. i Prouvons maintenant que sous les conditions imposées à f (x); la série de Fourier de cette dernière, soit 00
2}
CAQ>A
k==1
(x)
(62)
converge régulièrement sur l'intervalle [a, bl, c'est-à-dire que la série 00
2J
A==1
ICAQ>A
(x) 1
(63)
converge uniformément sur cet intervalle. L'équation intégrale b
CP. (x) = ÂA ) G (x, s) CPA (s) ds,
(64)
a
nous permet de mettre la série (63) sous la forme 00
~
où
1&==1
ÂA
ICA"''' (x)/,
(65)
b
"'A (x) =
J
G (x,
a
.~)
(66)
GH.-II. :PROBLlllMES AUX LIMITES
peuvent être traités comme les coefficients de Fourier de la fonc... tion G (x, ~) de 6. L'inégalité (61) nous donne b
00
~
 k 'i'~ (x)
~~
k=1
Ip (6) Gl (x, 6)
+ q (S) G2 (x,
,)]2~,
(67)
a
où G~ (x, ç) ést la dérivée de G(x, 6) par rapport à 6. Toutes les fonctions figurant sous le signe d'intégration sont bornées, el de (67) il s'ensuit que 00
LJ
k=1
Âk'i'~ (x) ~ M,
(68)
où M est une constante. Remplaçons Âk par y~ V Âk et appliquons l'inégalité de Cauchy à une portion de la série (65): m+p
~.
~
Â,t1 Ck'i'k
(:t)l ~
... jm+ p
, jm+ p
V R=m ~ ÂkC~ V ~ Âk"'~ (x) k=m
ou m+p
~ ÂIt
ICIt"l'k
k-lII
(x) 1~
'
. m+p
-V
~ Âkcl y M ;
k=m
eette inégalité et la convergence de la série de termes Âkcl entraînent immédiatement la convergence uniforme de la série (65) sur l'intervalle [a, bl, c'est-à-dire que la série (62) converge régulièrem:ent. On sait d'autre part que la somme de cette série est f (xl (tome IVu
(1-31).
'Citons encore une démonstration du théorème de décomposition sans l'hypothèse q (x) ~ 0 et sous les précédentes restrictions relatives ,à f(x). Cette démonstration est due aussi à Stéklov. Introduisons la notation (58) et prouvons tout d'abord qu'il existe une constante C (ne dépendant pas de n) telle que ( ,
b
~
an .
p (x)
r;: (x) dx~ C.
(69)
a
On a :.
::
b
.an = ~ P (x)
n-1
[1' (x) -
~ Ckepk (X)]2 dx= k=1
a b
;:r. ')
'
= ~ P (X) [1' (X) a
=
n-1
~ ckepi (X) ] r~ (X) dx= k=1
b
n-1
a
k=1
Jp(X) l' (X) r~ (x)dx- ~
b
Cl
~ P (X) epk (x) r~ (X) dx. a
.
11-1-11.
TH~ORn.ms
24&~
DE" DSCOMPOSITION DE, S'i':eKLOV
En intégrant la dernière intégrale par pàrties et en tenant 'compté de (56) et de l'orthogonalité de r n (x) et des fonctions CPk(X) (k= i = 1, 2, ... , n-1), on obtient an
b
b
b
a
a
a
= ) p (x) t' (x) r~ (x) dx+ ) q (x) r n (x) t (x) dx- ) q (x) r~(x) dx,
d'où, en désignant par qo le maximum de Iq (x) 1 sur [a, bl et en: appliquant l'inégalité de Cauchy-Bouniakovski, en remplaçant p (x)' par V p (x) V'jj"(X) dans la première intégrale, il vient on
~
V1
p (x)f"(x) dxVon
+
a
Comme b
lim \ r~ (x) dx,Q,
n-oo
Ja
en vertu de l'équation de fermeture, on obtient pour an :
an ~ Cl V an +C 2 , où Cl et C2 sont des constantes strictement positives. On voit sur cette inégalité que an reste bornée lorsque n croît et l'on obtient (69). D'autre part, de la relation :x:
,
)
-1tr~ (t) dt = T~ (x) ....... r~(S)
il s'ensuit que
rr :Je
r~ (x) = r~ Œl+ 2
n
(t) r~ (t) dt,
d'où l'on déduit en appliquant l'inégalité de Cauchy-Bouniakovski, avec ~ < x : ' , " , :, , 1
r:'(x)~r..(sl+2V~ ri (t) dt. V~ r;:(t)dt~ ~r~m +
2;V J a
ri (t) dt·
VJ a
r;: (t) dt.'
246
CH. II. PROBLBMES AUX LIMITES
Si x< S, il faut changer les limites d'intégration de g et z. Une intégration par parties par rapport à 6 sur [a, b] nouS donne (b -a) .
r~ (x)~ j r:' mds + 2(b-a) yi j r:' (t) dt· a
a
-V j r~'
(t) dt.
a
En désignant par Po le minimum de la fonction p (x) > 0 la, hl, on trouve compte tenu de (69): b
b
J a
a
SUl
r r~2 (t) dt~_i_ r p (t) r~2 (t) dt~..E..-, Po J Po
~t
l'inégalité précédente nous donne r:'
(x)~ b~a j r~ (t) dt +2 V ~ -V j r:' (t) dt. a
a
Le second membre ne dépend pas de x et tend vers 0 lorsque 00, d'où il résulte que r n (x) -+ 0 uniformément sur [a, b], c'est-à-dire que la série (62) converge uniformément sur cet intervalle et sa somme est t (x). On démontre sans admettre que q (x) ~ 0 que la série (62) converge régulièrement. n -+
lI-t-t2. Justification de la méthode de Fourier pour l'équation de la chaleur. Considérons l'équation aux dérivées partielles:
. ~~ . :t [p(x) ~: ]-q(x)u,
(70)
qui décrit la diffusion de la chaleur dans une harre non homogène en présence de perte de chaleur par rayonnement. En admettant que a ~ x ~ b, on cherchera la solution de l'équation (70) qui vérifie la condition initiale u It=o =
t (x)
(x
E [a, bl)
(71)
et les conditions aux limites
u 1%" a = 0; U I%-b = O. La méthode de Fourier nous donne la solution
(72)
00
U (x, t) =
~ cke-~lIt
k=1
où Âk et tion
(73)
.
(x) sont les valeurs et les fonctions propres de l'équad rh [p (x) y')
.
+ [Â-q (x)] y=O
(74)
1I-~-12. M~THODE· DE FOURIER POUR L'~QUATION DE LA CHALEUR
avee les conditions aux limites y (a) = y (b)
= 0,
247
(75)
et Ck les coefficients de Fourier (59) de la fonction f (x). On· admettra que q (x) ~ 0 et que f (x) possède une dérivée continue sur [a, bl et satisfait les conditions aux limites (72). Observons que tous les Âk > 0, car q(x) ~ O. Montrons que la· fonction (73) remplit toutes Jes conditions du problème, c'est-à-dire satisfait (71) et (72) et l'équation (70) pour t > O. . . Nous avons prouvé que la série (73) converge régulièrement sur l'intervalle [a, b]. Comme Âk > 0, on affirme que la série (73) converge absolument et uniformément pour .~ ~ 0 et x E [a, b]. Donc, sa somme est une fonction continue pour les valeursihdiquées des arguments, c'est-à-dire que 00
Hm u.(x, t) = u (x, 0) = ~
, ... +0
.
k=l
Ck(J)k
(x) =
f (x).
Ceci prouve que la . condition initiale (71) est réalisée. Les conditions aux limites (72) sont satisfaites par u, car elles ·le sont par les fonctions (J)k (x). Il reste à vérifier l'équation (70) pour t > O. Chaque terme de la série (73) est par construction solution de l'équation (70) et il suffit donc de prouver que la serie (73) est dérivable terme à terme une fois par rapport à t et deux fois par rapport à x. Pour cela il suffit de .montrer que les sér,ies
(76~) 00
~
Cke-1ktq>k
(x)
k=l
convergent uniformément pour t,~ct,· où ct> 0 est un nombre arbitraire, et pour x E [a, b]. Commè Îl. -+ 00 avec k, on a Âk e- 1k -+ ~ 0 et Âke-"'k t ~  k e- 1kœ pou t ~ ct, c'est-à-dire qu'il existe un N(ne dépelldantpas de t) tel que  k e- 1kt <1 pour t;;:: ct et k ~ N. De là, en tellanf compte de la convergence uniforme de la série. (63)~ on déduit la convergence uniforme de la série (76 1) pour f ~ct et x E [a, b]. . On démontre exactement de la même manière que la série (73) est dérivable terme à terme par rapport à t autant de fois qu'on le veut pour ,t > O. Pour étudier les autres séries, écrIvons l'expres(X.
248
CH. II. PROBL!1MES AUX LIMITES
sion (64) pour
ÂkYI
J
(x) Y2
,
b
J
(~)
a
YI
(6)
x
d'où x
b
J
J
a
x
YI
(~)
et .
.
x
J
Cke-)""t~k (x) = y; (x) Y2 (6) Âhe- Âkt ~k (6) d~ + a b
+ y~ (x) JYI (6) Âke- Âk'
(77)
x
La convergence uniforme en x de la série (76 1) sur [a, bl pour t > 0 entraîne celle des séries 00
2J
k=1
00
Th (t) Â1te-)."l~1t (s) et
2J
k=1
YI
(~) Â~-lA'
sur la, b l. De là il résulte, en vertu de (77), que la série (76 2 ) converge' uniformément. Il reste à étudier la série (76 8 ), On se servira à cet effet de l'équation (56) pour les fonctions propres. Cette équation nous donne: cke-Âkt
p
~Z) r- p' (x) Cke-Âkt
+ q (x) Cke-Âkt
Âkcke-Âktcpk (x»),
(78)
de là on déduit la convergence uniforme de la série (76 8 ), puisque les séries (73), (76 1) et (76 2 ) le sont sur la, b] pour tout t > O. Ceci prouve que la fonction u (x, t) définie par (73) possède les dérivées partielles voulues (i.e. Ut et u%%) et est solution de l'équation (70) pour t > O. On obtient ainsi le théorème suivant: Thé 0 r è ID e. Si la fonction f (x) de la condition initiale posiède une dérivée continue sur l'intervalle la, b) et vérifie ks conditions aux limites (72), alors la jonction u (x, t) définie par la formule (73) satisfait la condition initiale (71), les conditions aux limites (72) et 1'équation (70) pour t > O. La série (73) est dérivable terme à terme autant de fois qu'on le veut par rapport à t et deu:x fois par rapport à x pour t > O.
11-1-13. M:mTHODE DE FOURIER POUR: t'1:Q'UA'l'ïoN' bES VIBRATIONS
11-1-13. Justification de la méthode de Fourier pour des vibrations. Considérons maintenant l'équation "
(Pu ôt2
ô [
=7iX,P(x)
ôu ôx
249-
~'équation
J-q(x)u
(79)1
avec, en plus des conditions aux limites (72), les deux conditions initiales:
u
1,=0 = / (x); ô~
lt=o
= /1 (x).
(80)
La méthode de Fourier nous donne la solution sous la forme 00
u(x, t)= ~ (akcosVÂllt+bksinVÂkt)
(81)
h=l
où Â k et
b
ak =
Jf (x)
bk =
J
~ ft (X) ({'k (X) dx.
a
(82)
a
Comme au numéro précédent, il nous suffit de montrer que la série (81) et les séries obtenues par une double dérivation par rapport à t et à x convergeront uniformément sur [a, b] quel que soit t. Divisons la série (81) en deux et commençons par étudier la série 00
2J
k=l
a k cos
Vr; t
(83)
Comme  k > 1 pour tous les k assez grands, on a V Âk <  k pour les k assez grands. Si l'on prouve moyennant certaines conditions sur p (x), q (x) et / (x) que la série 00
~ Âk lak
k=l
(84)
converge uniformément sur [a, b], alors en reprenant ad litteram les raisonnements du [1-1-13], on prouvera toutes les propositions mentionnées ci-dessus relativement à la dérivation 'terme à terme: de la série (83). , En effet, ceci est évident et pour la série (83), puisque Âk-+oo ~ et pour les séries obtenues par dérivation par Tapport à t, puisque YÂ k < Âk pour tous les k asse~ grands. Pour prouver la dérivation simple par rapport à x, il suffit d'établir la convergence uniforme
CB. ·11. PROBUMES AUX LIMITES
250
de la série 00
2J lak
k=1
Cette convergence uniforme résulte directement de celle de la série (84) en vertu de la formule x
akfPh (x) = y; (x) ) Y2
b
(~) Âkak
a
x
qui est analogue à la formule (77). Pour établir la convergence uniforme de la série 00
LJ
k=l
lakCPi (x) 1
il suffit d'utiliser une formule analogue à la formule (78) en éliminant comme plus haut le facteur e-"'k t • Tout se ramène donc à la démonstration de la convergence uniforme de la série (84). En tenant compte de l'équation (56), on peut écrire b
i.,~ak.
Âk
j t (x)
=
a b
=
1f
d~
(x) { q (x) CPk (x) -
(p (x) CPk (x))} dx.
a
Si l'on admet. que t (x) possède des dérivées première et seconde continues et satisfait les conditions (72), on obtient en intégrant par parties: b
Âka k =
) {q (x) t (x) -
:x [p (x)
f'
(x)]} CPk (x) dx.
a
Si l'on suppose que l'expression entre accolades possède une. déri vée continue et satisfait les conditions aux limites (72), alors il s'ensuivra que la série (84) est uniformément convergente sur [a, b]. Cette hypothèse se ramène à la suivante: t (x) admet des dérivées jusqu'à l'ordre trois continues, p (x), des dérivées première et seconde èontinues, q (x), une dérivée continue, et d dx (p (x)
r (x)) -- q (x) t (x) =0
pour
x=a
et
Comme f (x) doit également vérifier les conditions mettre (85) sous la forme d
dx[P(x)t'(x)J=O
pour
x~a
et
x= b. (72)~
x=b.
(85)
on peut (86)
11-1-13. M2THODE DE POURIER POUR
L~QUATION
DES VIBRATIONS
251
Considérons maintenant la série 00
2J
(87)
bk sin YÂ k t«Pk (x)·,
k=1
où bk sont d·éfinis par la deuxième égalité (82). Comme plus haut, il suffit de prouver la convergence uniforme de la série 00
~ Âk 1bkq>k (x)!,
k=1
c'est-à-dire de la série (88)
où b
bk=
Jfl (x) «Pk (x) dx. a
Si l'on admet que fl (x) possède des dérivées première et seconde continues et satisfait les conditions (72), on obtient comme plus haut b
Âkbi =
J{q (x) fl (x) - :x [p (x) f~ (x)]} «Pk (x) dx
.b'k,
a
où b'k est le ·coefficient de Fourier d'indice k de la fonctioncontlnue comprise entre accolades. En posant encore q>k (x) = Â,k'i'k (x), on trouve
-VX;:lbkq>k (x)! = YÂklbi'i'k (x)l, d'où, en vertu de l'inégalité de Cauchy, m+p ~ ;fm+ p ~ ;fm+p YÂklbhq>k(X)I~ k~m b'i/. ~m Âk'i'~(X),
klt
V
V
ou, compte tenu de (68), m+p
k~m YÂhlbhq>k (x) 1~
...
;fm+ p
V
~m bk'·YM.
Or la série constituée des termes b1 converge et de la dernière inéga.. lité il s'ensuit immédiatement que la série (88) converge unifor.. mémento On obtient donc le Thé 0 r è ID e. Si p (x) possède des .dérivées première et seconde continues, q (x)~ 0 et pos$ède une dérivée continue, f (x) possède des déri~ vées jusqu'à l'ordre trois continues, vé,rijie les. conditions (72) et la
252
CH. Il. PROBLBME8' AUX 'LIMITES
condition (85), et si enfin fI (x) possède des dérivées première et seconde: continues et satisfait les conditions (72), alors la fonction u (x, t) définie par la formule (81) est ",ne solution de l'équation (79) vérifiant les conditions aux limites (72) et les conditions initiales (80). Sous ces conditions, la série ,(81) est dérivable terme à terme deux foi~ par rapport à t et à x et les séries obtenues convergent uniformément sur [a, b] quel que soit t. ' 1
11-1-14. Théorèmes d'unicité. Nous avons établi l'existence de solutions des équations (70) et (79) vérifiant des conditions initiales et des conditions aux limites données. Prouvons maintenant l'unicité de ces solutions. Commençons par l'équation (70) pour q (x) ~ 0 en admettant que les solutions sont continues pour t ~ 0 et x E [a, b] et possèdent des dérivées premières et secondes par rapport à x (t > 0) continues et des dérivées premières par rapport à t continues sur [a, b]. Nous avons déjà construit une telle solution au [11-1-12]. Dire qu'une telle solution est unique revient à dire que la solution ua (x, t) de l'équation (70) qui vérifie la condition initiale homogène U o It-o = 0 (x E [a, bl) (89)
et les conditions aux limites (72) est identiquement nulle pour
t> O.
Ecrivons l'équation (70) pour ua (x, t), multiplions ses deux membres par U o (x, t) et intégrons par rapport à x. On obtien~ b
b
;:t ~ u~ dx = ~ a
b
U
o o :x [p (x) ô:x ] dx- ~ q (x) u~ dx. a
a
Toutes les opérations sont licites en vertu des propriétés de ua (x, t) indiquées plus haut. En intégrant par parties la première intéJ. grale du second membre et en tenant compte des conditions aux limites, on obtient b
~
:t ~u~dx= a
b
b
~P(x)
(Ôô: )2 dx _ 1I
a
~q(x)u~dx~O. a
Donc, la fonction positive de t b
~ u~dx
. (90)
a
continue pour t ~ 0 et nulle pour t = 0, en vertu de (89), pos~ède une dérivée négative pour t > O. D'où il résulte que la fonction (90) est 'identiquement nllne pour t > O. Donc, il en est dem-ême de u (x, t) pour t ~ 0, ce que nous voulions.
II-i~i. TJœOR~MBS
lVlmICIT:&
253
Passons maintenant à la démonstration du théorème d'unicité pour l'équation (79) avec q (x) ~ O. On admettra que les solutions U sont continues avec leurs dérivées Ub Utt,U x , U xx $ur {a, b] quel que soit t. On a déjà construit une telle solution au [11-1-13]. Affirmer que la solution est unique revient à affirmer que la solution Uo (x, t) de l'équation (79) qui vérifie les conditions initiales homogènes U o 1t=o
-!.!!:!./ t=o--0
-
(91)
ôt
et les conditions aux limites (72) est identiquement nulle. Introduisons la fonction t V
(x, t) =
) U o (x,
't)
(92)
d'te
o Cette fonction possède dës dérivées v x , Vtt V xx , Vxtt Vtt continues pour x E [a, b] et tE] - 00, 00 [. Ecrivons l'équation (79) pour Uo (x, 't) et intégrons-la par rapport à 't entre 't = 0 et 't = t. En tenant compte de (91) et (92), on trouve
!.-. [ P () ôv (x, x ôx
2
ô v (x, t) = ôt'J. ôx
t)] _
()
q x
V
(
x,
t)
.
Remplaçons t par 't, multiplion~ les deux membres par V,; (x, 't) et intégrons par rapport à 't entre 't ' 0 et 't == t. En vertu de (91) et de (92), on obtient 1
.
"2 v~ (x,t) =
t
~.
J'V,; (x;
't)
ô t, ax [p (x) V x (x, 't)] d't- 2' q (x) V2 (x,
t).
o
Intégrons les deux membres par rapport à x sur la, b] et intervertissons l'ordre d'intégration dans l'intégrale itérée: b
~ ) z,.~ (x,
t) dx =
a
" t
b
= ) { } Oa
b
V,;
(x,, -r) ,;; [p (x) V x (x, 't)] dx} d't
-f)q (x)
VZ
(x, t) dx.
' a
Dans l'intégrale entre accolades, intégrons par parties et tenons
CH. ·.·II.PROBLaMES AUX LIMITES
254
sous le signe d'intégration est nul: b
ijv'(X, t)dx= a
t
b
b
= - ) {) p (x) v~% (x, 't) v% (x, 't) dx} d't-f ) q (x) V2 (x, t) dx. o
a
a
En changeant l'ordre d'intégration, en intégrant par rapport à 't et vu que v% (x, 0) = 0, on obtient: b
~
b
) v: (x, t) dx =
b
-f) p (x) v; (x, 't) d't- ~ ) q (x)
a
a
V2
(x, t) dx,
a
d'où il vient b
Jv:
(x, t)
dx~O,
a
(x, t) ==0 pour x E [a, b] et tE] - 00, 00[. En vertu de (92), on a U o (x, t) == 0, ce que nous voulions. On observera que
donc
Vt
l'on peut écarter la condition
q;;:: O.
11-1-15. Propriétés extrémales des valeurs et fonctions propres. Revenons au problème aux limites pour l'équation d
dx [p(X)lI']+[Â-q(x)]y=O
(93)
ou, ce qui est équivalent, pour l'équation
L (y) =
-. 'Ay,
.
où L (y)
=
d dx [p (x) y'j-q (x) y.
On peut ramener l'équation (1) à la forme (93) par la substitution :JI:
t
= ) r (x) dx.
(94)
a
L'équation (1) s'écrit alors r (x)
;t
[r (x) p (x)
~; ] + ('Ar (x) -q (x» y= 0,
et en divisant les deux membres par r (x), on obtient une équation de la forme (93). Il est essentiel que r (x) ne s'annule en aucun point de l'intervalle [a, b]. On admet que dans l'équation (93) p (x) > 0 sur [a, b] et que les conditions aux limites sont de la forme y (a) = y (b) = O. (95)
11-1-15. PROPRIeTes EXT:R:eMALESDES VALEURS PROPRES
2550
Sous ces conditions on a vu au [11-1-5] que les valeurs propres s'expriment au moyen des fonctions propres associées par la formule: b
1"
=
j [p (x) cp~1 (x) + q (x) cp~ (x)] dx,
(96)
a
et il ne peut exister qu'un nombre fini de valeurs propres strictement négatives, de sorte qu'on peut admettre que les valeurs propres sont disposées par ordre de croissance, soit Â1 < Â2 < Â3 • • • Le problème aux limites posé est équivalent à l'équation intégrale: b
cp (x) = Â ) G (x, s) cp (S) d~, a
où G (x, ~) est la fonction de Green relative à l'opérateur L (y)avee les conditions aux limites (95). On sait (tome IV l' [1-42]) que la première valeur propre Â1 est la plus petite valeur que puisse prendr& l'intégrale b
b
) ) G (x,
~) CJ) (x)
CJ)
s
(S) dx d
a a
sur la classe des fonctions continues b
(x) vérifiant la condition
b
) [ ) G (x, s) CJ) (s) a
CJ)
d~ ] 2 dx = 1.
(98)
a
Or, l'intégrale b
Y (x) =
j G (x, s)
CJ)
(S) d~
(99)~
Q
définit, quelle que soit la fonction continue CJ) (~), une fonctioTh y (x) possédant des dérivées première et seconde continues et satisfaisant les conditions aux limites (95). Réciproquement, toute fonction y (x) jouissant de ces propriétés s'exprime par une intégrale (99, moyennant un choix convenable de la fonction continue CJ) (x) = = -L (y). On peut donc, en vertu de (97), (98) et (99), affirmerqueÂ1l est la plus petite ·valeur de l'intégrale Il
- )L(Y) yd~ a
(fOO)
256
",CH. II.
PROBL~M&S
AUXLIMl'1'ES
sous réserve que (101)
sur la classe des fonctions y (x) possédant des dérivées première ·et seconde continues et vérifiant les conditions aux limites (95). En intégrant (100) par parties, on constate que ÂI est la plus petite valeur de l'intégrale b
J[p (x) y'2+ q (x) y2) dx
(102)
a
.sous la condition (101) sur la classe des fonctions y (x). La première fonction propre y =
JO) (6) !Pl (6) d6 =
O.
(103)
a
Si l'on définit y (x) par la formule (99), alors (tome IVl l [1-31]) b
b
Yy (x) !Pl (x) dx = ~1 JO) Œ)
a
.et par suite la condition (103) équivaut à la condition b
I
y (x) !Pl (x) dx = O.
(104)
a
Donc, la valeur propre 2 est la plus petite valeur de l'intégrale (102) .sur la classe des fonctions y (x) possédant des dérivées première et :seconde continues et vérifiant les conditions aux limites (95) et les conditions subsidiaires (101) et (104). D'une façon plus générale, la valeur propre Ân est la plus petite valeur de l'intégrale (102) sur la classe des fonctions y (x) possédant des dérivées première et seconde continues et vérifiant les conditions aux limites (95) et les conditions accessoires suivantes: b
Iy2dx=1; a
b
J
(k=1, 2, .•• , n-1). (105)
.'
1 Montrons que l'équation (93) est· une équation d'Euler exprimant une condition nécessaire d'extrémum de l'intégrale ,(102) sous la
IJ-i-i5.
PROPRmT~S EXTR~MALES
DES VALEURS PROPRES
257
condition (101). En effet (tome IV h [I1-81), en composant pour la fonction F = p (x) y'2 q(x) y2 _ Â y 2 l'équation d'Euler
+
,
d dx
F y ' -F y
= 0,
on constate que celle-ci est bien confondue avec l'équation (93). Considérons maintenant l'extrémum de l'intégrale (102) sous deux conditions subsid~aires, plus exactement, les conditions (101) et (104). Composons la fonction auxiliaire: F = p (x) y'2 q (x) y2 - Â y2 - ~
+
et l'équation d'Euler correspondante:
:x [p (x) y'] + (Â -
q (x» y -1-
~
(106)
Montrons que la constante ~ est nulle, c'est-à-dire que nous obtenons de nouveau une équation (93). Ecrivons à cet effet l'équation (93) pour la première fonction propre:
:x [p (x)
l :x
~ =
{Y
[p (x)
:x [p (x) Y']} dx.
a
Une intégration par parties, compte tenu des conditions aux limites, nous assure immédiatement que cette intégrale est nulle, donc IL = 0, ce que nous voulions. En général, si l'on écrit l'équation d'Euler qui exprime la condition nécessaire d'extrémum de l'intégrale (102) sous les conditions subsidiaires (105), on est conduit, comme plus haut, à une équation (93). Jusqu'ici r (x) == 1. On obtient exactement les mêmes résultats pour r (x) > O. Dans ce cas général, les conditions subsidiaires (105) sont de la forme: b
b
l a
2
r (x) Y (x) dx = 1 ;
l
r (x)
a
(k = 1, 2, ... , n 17-01017
1).
(107)
CH. II.
258
PROBL~MES
AUX LIMITES
Pour s'en assurer, il suffit d'effectuer la substitution (94) dans l'équation générale (1). On obtient ainsi une équation (93) pour laquelle ce résultat a déjà été démontré. En retournant à l'ancienne variable indépendante, on retrouve l'intégrale (102) et les conditions subsidiaires (107). Signalons encore que tout ce qui a été dit plus haut est valable pour les conditions aux limites (2). On peut chercher les minimums successifs de l'intégrale sur la classe des fonctions possédant une dérivée première seulement continue sur [a, bl. On démontre que ces minimums successifs sont réalisés par des fonctions CPn (x) d'une classe plus vaste. Considérons l'équation de la corde vibrante {Pu = a 2
at 2
2
a U2
ax
(
a= l / JI
TpO
)
,
où p est la densité linéaire de la corde, T o, la tension. On a les expressions suivantes pour l'énergie cinétique et l'énergie potentielle: l
i Tou~dx.
-u= ~
o
En régime sinusoïdal de la forme u = sin rot y (x), on obtient l'équation y"+Ây=O
(Â= ~: )
avec les conditions aux limites y (0) = y (1) = 0 si la corde est fixée par ses extrémités, et l'énergie cinétique et potentielle seront définies par les formules:
i l
T=
p~2
cos2 rot
l
y2 dx;
- U=
~o
sin 2
rot
o
~
y'2 dx.
0
Trouver la première valeur propre de ce problème revient à trouver minimum de l'intégrale
i
i
le
l
l
y'2 dx
sous la condition
yZ dx=1.
o 11-1-16. Théorème de Courant. Du numéro précédent, il s'ensuit que le minimum de l'intégrale (102) sous les conditions (105) est réalisé par la fonction propre CPn (x) et est égal à Â n • Une telle définition de Ân et CPn (x) implique la connaissance de toutes les fonctions propres précédentes. Cette circonstance rend difficile l'application du principe extrémal énoncé. On se propose de démontrer un théorème qui permet de déterminer Ân et CPn (x) sans se servir des fonctions propres précédentes. Soient Zl (x), ... , Zn -1 (X) des bl. On demande fonctions données, continues sur l'intervalle o
ra,
11-1-16.
TH:eOR~ME
DE COURANT
259
le minimum. de l'intégrale b
~ CP (x) y'2 + q (x) y2] dx
(108)
a
sous les conditions subsidiaires b
b 2
) r (x) li dx = 1;
) r(x)zk(x)ydx=O
a
a
('109)
(k=1, 2, ... , n-1)
sur la classe des fonctions y (x) vérifiant les conditions aux limites (95) et possédant des dérivées première et seconde continues. On ne peut dire à priori que l'intégrale (108) prend sa valeur minimale sous les conditions posées, mais on peut toujours parler de la borne inférieure des valeurs de cette intégrale. Cette borne dépendra visiblement du choix des fonctions Zk (x). Désignons cette borne par m (Z1' ••• , Zn -1). Prouvons maintenant le théorème de Courant suivant: le nombre m (Zl' . . . , Zn-1) est inférieur à la valeur propre Ân quelles que soient les fonctions continues Zk (x). Si quelles que soient Zk (x), on peut construire une fonction y (x) satisfaisant les conditions (109) et toutes les autres conditions et telle que la valeur correspondante de l'intégrale (108) soit inférieure à Â n , alors à fortiori m (Z1' ••• , zn) ~ Ân et le théorème sera prouvé. On cherchera la fonction y (x) sous la forme y =
CI!PI
(x)
+.
+ cn!Pn (x),
(110)
où
+ c; + . . . + c~ =
1.
(111)
Les autres n - 1 conditions nous donnent un système de n - 1 équations sans second membre à n inconnues Cl' • . • , Cn. On sait qu'un tel système possède des solutions non triviales (tome III I [I-2-3J). Toute solution de ce système peut être multipliée par une constante telle que l'égalité (111) soit réalisée. Donc, la formule (110) nous a permis de construire une fonction possédant des dérivées première et seconde continues et vérifiant les conditions aux limites (95) et toutes les conditions (109). Il nous reste simplement à porter l'expression (110) dans l'intégrale (108) et à nous assurer que cette intégrale prend une valeur~ Â n . Cette substitution fera apparaître sous le signe d'intégration des termes en !pi (x) et
260
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
comme au [II-1-111, on démontre pour r (x) =1= 1 que b
~
[p (x)
(x)
(k =1= l).
a
En se servant de la formule (22), on s'assure que la substitution de l'expression (110) dans l'intégrale (108) conduit à la relation CiÂl
Comme 1..1
< ... <
+ ... + c;Ân ·
Ân
il vient, grâce à la formule (111),
C~Âl
+ ... + c;Ân ~ Ân ,
ce que nous voulions. Corollaire. Si Zl=
est valable pour une vaste classe d'équations aux dérivées partielles et joue un rôle fondamental dans l'étude des valeurs propres. 11-1-17. Expression asymptotique des valeurs propres. Dans l'équation (1) substituons aux fonctions p (x) et q (x) des fonctions Pl (x) et ql (x) telles que Pl (x) ~ P (x); .(p (x)
ql (x) ~ q (x),
>
0;
r (x)
>
x E [a, bl,
(112)
0).
Gardons la même fonction r (x). Désignons par Â~ les valeurs propres de l'équation modifiée et prouvons que Â~ ~ Ân • Utilisons à cet effet la propriété de max-min des valeurs propres. La substitution (112) ne modifie pas les conditions (109) et l'intégrale (108) ne peut prendre qu'une valeur supérieure pour y fixe. Comme la substitution (112) ne change pas les fonctions y et que la borne inférieure m (Zl' . . . , Zn -1) des valeurs de l'intégrale (108) ne diminue pas, il en est de même du plus grand des nombres m (Zl' . . . , Zn -1)' c'est-à-dire Ân • Ce que nous voulions. Gardons maintenant les fonctions p (x) et q (x) et substituons à r (x) une fonction rI (x) telle que rI (x) ~ r (x) sur la, bl. Dans ce cas on ne peut plus parler de la préservation de la classe des fonctions y, car si y vérifie la première condition (109), alors en
II-f-17. EXPRESSION ASYMPTOTIQUE DES VALEURS PROPRES
261
remplaçant r (x) par rI (x), on aura b
~ rI (x) y2 dx~ 1. a
Cependant il est facile de déduire à partir de la fonction y une fonction admissible pour le nouveau problème. Il suffit à cet effet de choisir un nombre e E ]0, 1] tel que b
) rI (x)
e2 y 2 dx = 1.
a
Il est immédiat de voir que la fonction ey satisfait les autres conditions (109), il est vrai pour d'autres fonctions Zk (x). En effet, e étant une constante, il s'ensuit de (109) que b
~
rI (x)
Zk
ey d X =
(x) r (x) rI
(x )
0
(k=1, 2, ... , k-1).
a
On reconnaît ici des conditions (109) pour l'équation modifiée, les fonctions Zk (x) étant remplacées par les fonctions -
Zk
(
) _
X
-
Zk
(x) r (x) (). rI x
A chaque système de fonctions Zk (x) sera associé un système de fonctions ';k (x) et réciproquement. Pour passer de la fonction ey de l' équation transformée aux fonctions homologues de l' équation initiale, il faut diviser ey par e. La valeur de l'intégrale (108) n'augmente pas quand on substitue ey à y. Donc, il en est de même de la borne inférieure de ces valeurs et par conséquent du nombre  n qui est le plus grand de toutes ces bornes. On a donc l'assertion suivante: la valeur propre Ân ne peut pas diminuer si Pl (x) ~ P (x) et qI (x) ~ q (x) et ne peut pas augmenter si rI (x) ~ r (x). Appliquons cette assertion à l'estimation asymptotique des valeurs propres Ân pour les grands n. Soient (p, P), (q, Q) et (r, R) les plus petites et les plus grandes valeurs respectivement des fonctions P (x), q (x) et r (x) sur [a, hl. Dans l'équation (1) substituons P à P (x), Q à q (x) et r à r (x). L'équation à coefficients constants obtenue, soit Py" ('Ar - Q) y = 0 (113)
+
possédera des valeurs propres 'A~ ~ 'An. Mais on peut facilement trouver 'A~. On observera pour cela que l' équation (113) admet une solution vérifiant les conditions aux limites (95) dans le cas seulement où Âr;:Q> O. L'intégrale générale de l'équa-
262
CH. II. PROBL:I;:MES AUX LIMITES
tion (113) s'écrit alors: y = Cl cos
..V1"
Âr-Q p x
· " 1" Âr-Q +C 2 SIn V px.
Pour simplifier les calculs, on prendra pour intervalle [a, b] l'intervalle [0, 1). De la condition aux limites y (0) = 0, il s'ensuit que Cl = et de la condition y (l) = 0, que
°
.. 1"
V
Âr-Q
l= nn,
p
d'où et par suite En remplaçant p (x), q (x), et r (x) respectivement par p, q et R, on montre de façon analogue que n2
n212 p+q
Ân~
R
'
et l'on obtient ainsi l'estimation suivante pour les valeurs propres:
De là il résulte que  n est de l'ordre de n 2 pour les grands n et la série oc
n=l
converge. La propriété de max-min de Ân nous permet d'affiner l'estimation au prix d'une transformation préalable de l'équation initiale. Supposons que p (x) et r (x) possèdent des dérivées du premier et second ordre continues et transformons l'équation (1) en posant: x
t --Jl/~d x, p () X
(114)
LI
et u=
j! p (x) r
(x) y.
(115)
11-1-17. EXPRESSION ASYMPTOTIQUE DES VALEURS PROPRES
263
ra,
L'intervalle bl de variation de x se transforme en l'intervalle [0, Il de variation de t, où b
__
r ..V;- pr (x) (x)
1= J
dx.
a
L'équation pour u (t) sera de la forme d2 u
(jj2+(Â-s(t))u=O,
(116)
où s (t) est une fonction continue qui se détermine facilement à partir des coefficients de l'équation (1). De y (a) = y (b) = 0 il s'ensuit que u (0) = u (1) = 0 et réciproquement. Donc, les fonctions propres de l'équation initiale se déduisent à partir de celles de l'équation transformée grâce à la formule (115) et réciproquement, les valeurs propres restant, elles, inchangées. Pour déterminer les valeurs propres de l'équation (116), on doit chercher le minimum de l'intégrale l
, [U'2
+ s (t) u 2] dt.
(117)
&
o
Soit cr la plus grande valeur de 1s (t) 1 sur l'intervalle [0, l l, de sorte que -cr ~ s (t) ~ cr (t E [0, ll). Si, au lieu de chercher le minimum de l'intégrale (117), on cherche ceux des intégrales b
~
(U'2
+ cru 2) dt
a
et b
~
(U'2 -
cru 2) dt
a
et que l'on désigne par on obtient alors
Â~
et
Â~
les valeurs propres correspondantes, (119)
Mais les nombres Â~ et Â~ se déduisent sans peine à partir des solutions des équations u" (Â - cr) u = 0 et u" (Â cr) u = 0
+
+ +
avec les conditions aux limites u (0) = u (l) = 0 et l'on a ,
n 2n 2
 n =-1-2-+
cr;
" n 2n 2
Ân
= -1-2--cr.
264
CH. II.
PROBL~MES
AUX LIMITES
En vertu de (119), il vient (120)
ou (121)
où 0 (1) désigne comme toujours une grandeur qui reste bornée en valeur absolue pour toutes les valeurs de n. En revenant aux anciennes variables, on obtient b
Ân
__
= n 2n 2 [ )
V ;~:~
dxJ-2
b
__
+ 0 (1),
(122)
a
et par suite · 1lm
n2 _
v-- J2
1 [ ) .. /" r (x) d
---n-oo  n n2
_
p (x)
a
X
(123)
•
On obtient exactement les mêmes expressions asymptotiques des valeurs propres avec d'autres conditions aux limites en considérant l'équation u" fJ.U = 0 pour ces conditions aux limites.
+
11-1-18. Expression asymptotique des fonctions propres. Etant en possession de l'expression asymptotique des valeurs propres, on peut trouver celle des fonctions propres en appliquant la méthode qui nous a servi à établir les expressions asymptotiques des polynômes d'Hermite et de Legendre (tome 111 2 , [VI-3-7J, [VI-3-8l). Les substitutions (114) et (115) nous permettent de ramener l'équation (1) à la forme (116): u" (t) (Â - s (t» u (t) = O.
+
On sait [1I-1-5J que les valeurs propres Ân seront strictement positives pour les grands n et dans la suite on admettra que n est assez grand pour que Ân > O. Soient Un (t) les fonctions propres associées aux valeurs propres Ân • On peut écrire U~
(t)
+ Ânun (t)
=
s (t) Un (t),
d'où il vient un(t)=a n sin VÂ n t+b n cos VÂ n t+ t
+! \ s ('t) Un Ct) sin VÂ n (t _/ Â .' r
n
0
't) d't. .
(124)
265
11-1-18. EXPRESSION ASYMPTOTIQUE DES FONCTINOS PROPRES
Appliquons l'inégalité de Cauchy-Bouniakovski à l'intégrale du second membre: t
[
~ S Ct) Un (T) sin VÂ n (t -
't) dt J2 ~
o t
~~
t
u; ('t) dT )
o d'où il résulte que pour tout tE [0, II t
[
~
S2
(T) sin 2 VÂ n (t - 't) dT,
0
l
('t) Un ('t) sin VÂ n (t - 't) d't J2 ~
S
~ S2 ('t) dT ;
(125)
o 0 on s'est servi du fait que les fonctions Un (t) sont normées. Soit (J'n (x) la fonction propre de l'équation (1) déduite à partir de Un (t) par les substitutions (114) et (115). Ces substitutions entraînent immédiatement b
~
l
r (x)
a
~ u;(t)dt=1,
(126}
0
autrement dit, la normalisation de Un (t) est équivalente à la normalisation de (J'n (x) avec un poids r (x). La condition aux limites u (0) = nous donne bn = et l'on peut mettre la formule (124) sous la forme suivante:
°
°
. V~ ( ) = an SIn ""n t + mnr (t)
un t
li  n
{127}
,
où, en vertu de l'inégalité (125), la fonction m n (t) reste bornée pour tous les n = 1, 2, ... et pour tout t E [0, ll, c'est-à-dire qu'il existe un nombre strictement positif A tel que 1 m n (t) 1 ~ A. (128) En élevant les deux membres de (127) au carré, en intégrant sur [0, II et en tenant compte de la normalisation des fonctions Un (t), on peut écrire: l
1 = a;
l
r sin 2 VÂ
Jo
n
t dt
++- r l
+ JI~~n Jr m n (t) sin V n t dt n 0
n
J0
m~ (t)
dt.
La première de ces intégrales se calcule entièrement, quant aux deux autres, elles seront bornées en module pour tous les n en vertu de (128). On obtient donc
1
l
2
=2 an -
sin 2 l/~ l 4 -y"Â
n
2
an
+
an l/Â
n
Pn
+ Â1
n qn,
(129)
266
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
et qn restent bornés en module lorsque n croît. Mettons en facteur: OÙ Pn
2 1 = an
(_z2 _ sin 2 ",:"r~ l + 4 Vi Îw n
1 _Î
an JI Îw n
Pn
a~
+ an1Îw n 2
Si en faisant croître n on rencontrait des a~ aussi grands que l'on veut, alors pour ces ni' expression entre parenthèses tendrait vers la limite non nulle ~ et le produit du second membre ne serait pas égal à 1. De là on déduit que an reste borné lorsque n croît, et la formule (129) peut être mise sous la forme: (130)
où, comme toujours, 0 (
;11,)
désigne une quantité telle que le
xn·O (;n)
produit reste borné lorsque n croît indéfiniment. On peut mettre la formule (130) sous la forme:
a~=+ +0 ( rr~n ) , d'où
En portant an dans (127), on obtient (131)
où
o (! ) =
Pn(t) • JI Îw n
V Îw n
De (121) il résulte: ou
mt 0 ( ~ ), V -Ân=-z-+
d'où sin V Â n t = sin ( ~ )=
nzn
+0
(
~ ),
En portant l'expression précédente dans (131), on obtient les expressions asymptotiques suivantes pour les foncqnn(t).
II-1-19. M:eTHODE DE RITZ
267
tions normées Un (t) :
Ji ~ sin
Un (t) =
nt t
+0 ( ~
).
(132)
En revenant aux anciennes variables grâce à (114) et (115), on <>btient la formule asymptotique suivante: _
fPn (x)
x
= -(ï ~~~~) r (x) sin [~rt
__
) -Vr ; ~:~ dx J+ 0 ( ~ ) ,
(133)
a
où les fonctions propres (j)n (x) sont normées conformément à (126) et 0 ( ~ ) = rn~x), où r n (x) est borné en module pour tous les n et x E [a, b]. 11-1-19. Méthode de Ritz. L'équation Il
dx [p(x)y']+p"r(x)-p(x)]y=O
(134)
est l'équation d'Euler pour l'intégrale b
I
[p (X)'2
+ q (x) y2] dx
(135)
a
sous la condition b
\ r (x) y2 (x) dx= 1, 0-
a
et l'on a YU que la recherche des valeurs et fonctions propres successives se ramène à un problème d'extrémum de l'intégrale (135). Cette circonstance nous conduit à une méthode commode de calcul approché des valeurs et fonctions propres. Nous avons déjà appliqué cette méthode (de Ritz) à la recherche de l'extrémum absolu d'une intégrale. Prenons une suite de fonctions linéairement indépendantes VI (x), V2 (x), •.• vérifiant certaines conditions aux limites, composons la combinaison linéaire (136)
et portons-la dans l'intégrale
I b
J(y)=
{p(x)y'2+[q(x)-Âr(x)]y2}dx.
a
On obtient en définitive une forme quadratique en akn). En égalant à zéro ses dérivées partielles par rapport à aknl , on est conduit à un système de n équations nl sans second membre à n inconnues ak • En admettant que le déterminant de ce système est nul, on obtient une équation de degré n en Â. Les racines Âi n l , • • • • • • , Â(l[l de cette équation peuvent être prises pour valeurs approchées des n
CH. II. PROBL2MES Aux. LIMITES
268
premières valeurs propres du problème. Pour chacune de ces racines on peut trouver à partir du système d'équations sans second membre une collection de nombres aknl qui, portée dans (136), nous donnera une fonction y qui pourra être prise pour fonction propre approchée. La convergence de ce processus dépend essentiellement du choix des fonctions Vii (x). Citons à ce propos quelques résultats des travaux de l'académicien N. K r y 1 0 v (Mem. Sei. Math., 1931, 49). Supposons que l'équation est de la forme y" Âr (x) y = 0 (r (x) > 0). (137}
+
Considérons les conditions aux limites élémentaires: y (0) = y (1) = O. Si l'on pose V n (x) = sin nnx, alors l'écart entre la vraie valeur de Âm et son approximation d'ordre n peut être majoré de la manière suivante:
V2
l
rn> II.m-lI.m '1
'1
1 ::;::: -...:::
(n
+
2Âfu max r 3 / 2 (x) . _/ 1)2 n 2 mm JI r (x) -2Â m max r 3 / 2 (x)
'
ou (138) où
m~x r t~; V mmr x
A = [max r (x)-min r (x)) .. /
B=2 max r (x).
Dans les calculs pratiques, on se sert plus souvent des polynômes que des fonctions trigonométriques. Considérons encore l'équation (137) avec les conditions aux limites y (-1) = y (1) = 0 et posons vn (x) = (1 - x 2 ) x n - 1 (le facteur (1 - x 2 ) assure la réalisation des conditions aux limites). Si les fonctions V (x) sont ainsi choisies, on a la majoration suivante: Ârirl-Âm 1<
1
ÂWl'
max r (x)
(139)
(n+1)(n+2) •
Âm
Cette majoration est valable si l'on admet simplement la continuité de la fonction r (x). Si cette fonction possède de plus une dérivée continue, alors on a une meilleure majoration:
où
+ l/Â~l
N = {max 1 r' (x) 1
JI r (x)
VI,.Î
rn~x r
5
(x) } 2 •
mm r (x)
On obtient une meilleure approximation dans le cas où la fonction r (x) admet une dérivée seconde continue. 11-1-20. Exemple de Ritz. Citons encore un exemple de calcul approché des valeurs et fonctions propres. Dans cet exemple, les valeurs et fonctions propres peuvent être calculées exactement en termes finis, ce qui nous permettra de juger de la vitesse de convergence du processus. Cet exemple figure dans le mémoire de Rit z (J. reine und angew. Math., 1909, 135). Soit l'équation y" k 2y = 0
+
avec les conditions aux limites y (-1) = y (1) = 0, k 2 jouant le rôle du paramètre Â. On est conduit à un tel problème aux limites en étudiant les vibrations
269
11-1-20. EXEMPLE DE RITZ
d'une corde fixée par ses extrémités. Le son fondamental de la corde est donné par la solution nx n kl
YI =COST'
=2;
le premier harmonique par Y2 = sin nx,
k 2 = n;
le second, par 3n k 3 =T' etc.
3nx
Y3=COS
-2-'
Cherchons approximativement les solutions paires sous forme d'un polynôme en les puissances paires de x. Ce polynôme devant vérifier les conditions aux limites, il sera de la forme: Y
=
x 2 ) (ao
(1 -
+
al x 2
+ ... + a
nx
2n
).
Bornons-nous aux deux premiers termes: Y
=
x 2) (ao
(1 -
+ alx 2).
En portant Y dans l'intégrale 1
J (y) =
\ (y'2_ k 2y 2) dx, -"'1
on trouve
L'égalisation à zéro des dérivées partielles par rapport à ao et au système (35 - 14k 2 ) ao (7 - 2k 2 ) al = 0, (21 - 6k 2 ) ao (33 - 2k 2 ) a 2 = O.
al
nous conduit
+ +
En égalant à zéro le déterminant de ce système, on obtient l'équation k 4 - 28k 2 + 63 = 0, dont les racines sont ki = 2,46744; k§ = 25,6. Les solutions exactes indiquées plus haut nous donnent ~
ki=T=2,467401100 ... ,
9~
k~=T=22,207.
En deuxième approximation y =
(1 -
x 2) (ao
+ al x 2 + a 2x 4).
On détermine k 2 à partir de l'équation 4k6
-
450k~
+ 8910k
2 -
19 305
=
0,
d'où ki
=
2,467401108 ... ;
k§
=
23,301 ...
En portant cette valeur approchée de ki dans les coefficients du système servant à la détermination de ao, al et a2, on trouve ces coefficients à un facteur constant
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
270
près que l'on peut choisir tel que la solution obtenue satisfasse à la même condition 1
, y2 dx =1, -"'1
= cos n; . On obtient en définitive la solution appro-
que la solution exacte y chée:
y = (1 -
x 2 ) (1 -
0,233430x 2
+ O,018962x
4 ).
Le tableau suivant nous indique à quel point est minime l'écart entre y et cos
31; (les chiffres représentent les mantisses des logarithmes décimaux
de ces
fonctions) : 0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
nx log cos T
994620
978206
949881
907958
849485
log y
994621
978212
949889
907952
849493
x
0,6
0,7
0,8
0,9
nx log cosT
769219
657047
489982
194332
log y
769221
657043
489978
194345
x
Les fonctions propres qui sont des fonctions impaires de x peuvent être cherchées sous la forme approchée suivante: y
=
(1 -
x 2 ) (aox
+ aIr + ... + a
n
x 2n +I ).
11-2. Equations de type elliptique 11-2-1. Potentiel newtonien. Nous passons maintenant à l'étude des problèmes aux limites pour les équations aux dérivées partielles. Commençons par l'équation de Laplace. Nous avons déjà résolu le problème de Dirichlet pour cette équation pour le disque et pour la boule. Outre l'équation de Laplace nous examinerons dans ce paragraphe d'autres équations de type elliptique et poserons pour elles des problèmes identiques à ceux de Dirichlet et de Neumann pour l'équation de Laplace. Ces équations apparaissent généralement lors de l'étude des problèmes de statique ou des régimes établis.
11-2-1. POTENTIEL NEWTONIEN
271"
Rappelons que l'équation de Laplace intervient dans l'étude d'un champ électrostatique ou d'un flux thermique établi. Le potentiel newtonien est d'une grande importance dans l'étudedes problèmes aux limites pour l'équation de Laplace. Rappelonsles principales définitions relatives au potentiel newtonien et introduisons quelques notions nouvelles. Soient D un domaine borné de l'espace, ~ (N), une fonction de point continue dans ce domaine, et r, la distance d'un point M à un point variable N de D. Le potentiel newtonien de volume est défini par la formule v (M) =
III ~ ~V) dv.
(1)·
D
De même, le potentiel de simple couche distribué sur une surface 8 avec une densité p (N) est donné par: u (Jlif) =
l l ~ (;)
ds.
(2)
s On sait (tome II, [111-3-10), [VII-3-9l) que hors des masses, les fonctions u (M) et v (M) possèdent des dérivées de tout ordre et sont solutions de l'équation de Laplace. Pour la suite de l'exposé, il importe en premier lieu d'indiquer les restrictions qui seront imposées à la surface 8 qui sera supposée fermée. On doit à A. Lia pou nov la première formulation exacte dans son travail 8ur certaines questions rattachées au problème de Dirichlet (1898). Ce travail a profondément marqué le développement de la théorie du potentiel et l'étude des problèmes aux limites pour l'équation de Laplace. Nous suivons ce travail ici et dans la suite. La surface 8 doit satisfaire aux conditions suivantes. 1. La surface 8 admet un plan tangent en chacun de ses points. 2. Il existe un d > 0 tel que si No est un point quelconque de S, alors toute sphère Sode centre No et de rayon::( d partage S en deux parties dont l'une est intérieure et l'autre extérieure à 8 0 et toute droite parallèle à la normale à 8 en No coupe la partie de 8 intérieure à 8 0 en un seul point. 3. Si t}o est l'angle aigu formé par les normales à 8 en deux de ses points NI et N 2 et rI, 2' la distance de ces points, il existe alorsdeux nombres a > 0 et ex > 0 ne dépendant pas du choix de NI et N 2' tels que ~ ~ arf, 2 (ex ~ 1) (3)
quelle que soit la position des points NI et N 2 sur 8. Les surfaces fermées satisfaisant à ces conditions sont dites surfaces de Liapounov. Avant d'indiquer les autres hypothèses que doit vérifier 8 tirons quelques conséquences de celles qui ont déjà été faites.
272
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
De (3) il s'ensuit immédiatement que le plan de tangence varie continûment lorsque le point de contact se déplace sur la surface. Indiquons maintenant un important corollaire de la troisième condition. Soit No un point de S. Plaçons l'origine des coordonnées en ce point, orientons l'axe NoZ des Z suivant la normale extérieure à S en No et disposons les axes NoX des X et NoY des Y de façon arbitraire dans le plan tangent. L'équation du morceau de surface S intérieur à la sphère So de centre No et de rayon d est de la forme:
(4) Par (6, 1), ~) on désignera les coordonnées du point courant N de la surface S et par (x, y, z) les coordonnées de tout point M de l'espace. Les axes de coordonnées introduits s'appellent axes locaux au point iVo• L'existence du plan tangent et sa variation continue entraînent l'existence et la continuité des dérivées du premier ordre ~~ (6, ll) et ~T] (6, ll). On admet que d est assez petit. On peut par exemple poser adœ ~ 1 (5) de sorte que l'angle {to de la normale en 1\/0 et de la normale en un point N du morceau de surface S intérieur à la sphère So est strictement inférieur à ~l. En désignant par r o la distance NoN (ro < d), il vient
(6) d'où
co:
ir
o
= V 1 + ~! + ~~ ~ 1 + a2r~a ~ 2,
(7)
et par suite en vertu de (5)
t~~2 + loT] ~2~2a2r2cx+a""r4a~3a2r2cx ~ 0 0 ~ o·
(8)
En coordonnées polaires ~=
Po cos 0;
1) =
Po sin 0,
on a ~~o = (~~ cos
e+ ~T] sin e)2~~~ + ~~,
d'où, en vertu de (8),
1~p.1 ~ Vs ar~ ,
(9)
et (10)
273
II-2-1. POTENTIEL NEWTONIEN
et par suite r o=
V p~+~2~2po·
(11)
Les inégalités (9) et (11) entraînent l~p.1 ~V3 a2ap~,
(12)
1 ~ 1 ~ 2ap~+\
(13)
d'où
ou, à fortiori, car 2a
~
a
+1
pour a ~ 1. De (6) il s'ensuit enfin 1 ~ cos 'fr o ~ 22a-la2p~a.
(14)
Estimons cos (n, X) et cos (n, Y) où n est le vecteur unitaire de la normale extérieure à 8 en N. On a en vertu de (8)
I~~I ~ I~~I ~V3ar~, y 1+~~+s~
Icos (nt X)I = et de façon analogue 1 cos
(n, Y) I~V3 a~.
On a par ailleurs
=
cos 'fr o• Regroupons toutes les majorations précédentes: cos (n, Z)
1 ~ 1 ~ cp~+a
;
1 cos
(n, X) 1 ~ cp~;
1 - cos (n, Z)
~ cp~a
;
1 cos
1 cos
(n, Y) 1 ~ cp~;
(n, Z)
1~
1
(15)
2";
pour simplifier l'écriture des formules ultérieures on a désigné par c la plus grande des constantes figurant dans ces majorations. Ces inégalités restent en vigueur si l'on remplace Po par r o. Aux points d'intersection de 8 et 8 0 , on a r o = d et de (11) il résulte que Po ~ ~ ~ d. On voit donc que la partie de 8 découpée par le cylindre dont l'axe est confondu avec l'axe NoZ et de rayon ~ d, est intérieure à 8 0 • On désignera cette partie de 8 par a o. Sa projetée a~ sur le plan XNoY (i.e. le plan tangent à 8 en No) est le disque:
~2 + 'Y)2~ ~
•
(16)
Tous les points N de ao sont justiciables des formules (15). Considérons encore la partie al de 8 découpée par le cylindre circulaire 18-01017
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
274
dont l'axe est NoZ et le rayon de base dl < ~ . Dans la suite on utilisera le fait que dl est arbitraire. Les majorations (15) sont également valables sur 0'1. La projetée 0'; de 0'1 sur le plan tangent à S en No est le disque: t2+ 'Yl2~d12 ~ '1........
(d1"2 < d).
(17)
On se propose d'étudier les propriétés des potentiels de simple couche ainsi que d'autres potentiels, notamment les potentiels de double couche qui, comme ceux de simple couche, se représentent par des intégrales étendues à S. 11-2-2. Potentiel de double couche. La solution singulière ..!- de r l'équation de Laplace joue un rôle primordial dans la construction des fonctions (1) et (2). Introduisons maintenant une autre solution singulière de cette équation. Soient N un point de l'espace, l, une direction orientée fixe passant par N. Prenons un vecteur ~
N N' de support l de même sens que l et de longueur e et plaçons
en N une charge ( ; ) et en N', une charge ( - ; ). En désignant par r et r' les distances d'un point variable M à N et N' respectivement, on obtient le potentiel suivant:
1 (1 1) 1 U o (M) = 8" 7 - 7 ="8.
r' - r rr'
1 r'2 - r 2 =8". (r'+r) rr'
.
Considérons l'angle cp = (r, l). En vertu de la relation r'2 = r 2+ 8 2 + 2re cos cp, il vient M e+2r cos cp Uo (
)
=
+ r) rr'
(r'
,
et en faisant tendre e-+ 0 on obtient à la limite le potentiel du dipôle d'intensité unitaire et de direction l: U o (M) =
cos
r
2
cp •
Il est immédiat de vérifier que ce potentiel se représente comme la dérivée de ..!-r suivant la direction l, la dérivation ayant lieu par rapport au point M: cos
r2
cp
=...!al
(.!-) r •
En effet, en désignant les coordonnées de N par (6, 'll, M par (x, y, z), on obtient
~e
.!- (-!-) = al
r
(18) ~)
et celles
(6-x) cos (l, x)+(ll-Y) cos (l, y)+(~-s) cos (l, z) r3
,
275
II-2-2. POTENTIEL DE DOUBLE COUCHE
d'où, compte' tenu de la formule coscp=
ç-x cos (l, T
x)+ fi-y cos (l, y)+ ~-s cos (l, z), r
T
on retrouve la formule (18). La fonction (18) est de toute évidence harmonique et présente une singularité en N. Recouvrons la surface S de dipôles ayant en chaque point 1'7. de 8 le même sens que la normale 1 extérieure n à 8 et soit l-t (N) l'inten~ cp ,.,r sité du dipôle placé en N. Nous sommes ainsi conduits à la notion de potentiel de double couche qui sera défini par la relation (fig. 5):
/ >/ ,/
w (M)
rr
= J J ~t (N)
cosr2 cp as
s [cp=(r,n)]. (19) La fonction (19) possède des dériFig. 5 vées de tout ordre en dehors de 8 et est harmonique. On peut sous ces conditions la dériver par rapport à M sous le signe d'intégration. Si M est confondu avec un point No situé sur 8, alors r = 0 et l'intégrale (19) est alors une intégrale impropre. Montrons qu'elle a un sens. Il suffit d'étudier à cet effet l'intégrant sur 0"0 au voisinage de No, en se servant de l'équation de la surface (4) en coordonnées locales. Calculons cos cpo = cos (rD, n), où rD est un vecteur directeur de NoN: cosCPo=-.lcos(n, X) TO
+-.2L cos (n, TO
y)+-.lcos(n, Z) TO
(n, Z) = {to).
(20}, où (~,11,~) sont les coordonnées de N et ro=Vs2+112+~2. En· vertu des majorations (15) et des inégalités évidentes: Is 1~Po;, /111 ~Po; po~ro' il vient:
i.e.
I
coscpol~ 3cp~ T~
p~
(Po= VS2+112),
coscpo I~ 2
~
b 2-cx.'
Po où b est une constante. D'autre part, TO
1 l-t (N) 1 ~ A
(N E 8),
(21)
(22)
276
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
où A = max Il.l. (N) 1. En remplaçant l'intégrale étendue à 0'0 par celle étendue à la projetée O'~ de 0'0 sur le plan XNoY (Le. le disque de centre No et de rayon :), on obtient \ \
cos
J J I.l. (s, 'ri)
T5
d~ dYj
• cos {to
•
C1~
Comme, en vertu de (21), (22) et (15), f:
,. . ( ~,'rI
)
2
& -...:::::
2Ab 2-a'
Po
il s'ensuit que l'intégrale (19) converge si MES. Donc, la fonction (19) est dé finie sur l'espace tout entier. Considérons l'intégrale (19) pour I.l. (N) 1. Grâce à (18), on a
==
w1 (M)=
J)
c~~
a.!
dS
= -)
S
S
J a; dS,
(23)
la dérivation suivant n ayant lieu par rapport à N qui est la variable d'intégration. Ceci explique la présence du signe moins dans le dernier membre de (23). Supposons d'abord que le point M est situé à l'extérieur de la surface fermée S. Sous cette condition la fonction.!T est harmonique à l'intérieur de S et possède des dérivées de tout ordre continues à l'intérieur de S et sur S. En vertu d'une propriété fondamentale des fonctions harmoniques, on a donc (tome II, [VII-3-3l): w1 (M) = -
J~
ai.. a~
dS = 0
(M ~ S).
S
Supposons que le point M est intérieur à S et entourons-le d'une petite sphère Sp (M) de centre M et de rayon p. La fonction ~ est harmonique dans la partie D' de l'espace comprise entre Sp (M) et S, et l'on a
ai..
ai..
~ ) --it dS + ) ) --it dS = O. S
sp
La normale extérieure au domaine D' étant dirigée vers le centre M de Sp (M), on a
1I-2-2. POTENTIEL DE DOUBLE COUCHE
277
et la formule précédente devient
ai. r\ 'J an ~8
dB +- _1
_T
.
p2
ai. \ \
J8 J
dS = 0
ou
) ) -i-dS +4n= 0, 8
p
d'où
ai. WI
(M) = -
))
a: dS
=
4n
(M est intérieur à S).
8
Supposons enfin que le point M est confondu avec un [point No de S. Traçons une sphère Sd (No) de centre No et de rayon dl < ~ et remplaçons la portion al de S comprise à l'intérieur de Sd 1 (No) par la partie Sd (No) de Sd (No) comprise à l'intérieur de S, de sorte que IV o est extérieur à la surface (S"al)USdl(No)' On a 1
l
l
a..!. ) L\ 8'-.(J1
ai.
a: dS + 8d)) a: dS = O.
(24)
1
Le second terme se calcule comme plus haut et il est égal à l'angle solide sous lequel l'on voit la partie Sdl (No) de Sdl (No) à partir de No: (25)
La courbe l d'intersection de Sdl et de S est telle que les coordonnées ~ de ses points vérifient en vertu de (15) l'inégalité 1 ~ 1 ~ ~ cd~+a. et que ses points tendent vers le plan XNoY lorsque dl -+ O. De là il s'ensuit que l'angle solide (25) tend vers 2n lorsque dl -+ 0 et la formule (24) devient à la limite
ai.
w1 (M)
= - .\
1a: dB = 2n
(M ES).
8
On a donc
}1c~~ 8
cp dS =
4n (M est intérieur à S), 0 (M est extérieur à S), { 2n (M est sur S).
(26)
278
CH. II. PROBLËMES AUX LIMITES
Considérons encore la surface ouverte SI et l'intégrale
w2 (M) =
Il c~~
cp dS,
(27)
Sl
le point M étant extérieur à SI' Traçons le cône de sommet M et de base SI et soit al la partie de la sphère de centre M et de rayon p assez petit, contenue à l'intérieur du cône. Considérons le domaine D limité par SI' al et la surface latérale r du cône (fig. 6). (On admet que les surfaces envisagées limitent un domaine D). La fonction i. est harmonique à l'intérieur de D, donc r
a.!
ai.
ai.
f) -iï- dS + ) ) -iï- dB + Il -iï- dS = O. Sl
Sur
r,
r
(Jl
on a
a.! _r_= _ ôn
cos cp r2
=
o. ai.
L . sur al' on a ---an r = p2 1 • a norma eI n et ' r etant de sens contraIre En désignant par 00 l'angle solide sous lequel on voit SI à partir de M, il vien t de la formule précédente
ai. 00
= - )) Sl
ô; dS = ) l c~~
cp dS,
Sl
autrement dit, l'intégrale (27) nous donne l'angle solide sous lequel on Fig. 6 voit SI à partir du point M. Ceci étant, la normale n à SI est dirigée vers l'extérieur du domaine D. Le rayon vecteur issu de M peut couper SI en plusieurs points. Si l'on a trois points d'intersection, en deux d'entre eux cos cp > 0 et au troisième cos cp < 0 (fig. 6). L'élément d'intégrale considéré, c'est-à-dire co~ cp dS est r l'angle solide élémentaire doo sous lequel l'on voit l'aire élémentaire de la surface à partir du point M, cet angle étant strictement positif si cos cp > 0 et strictement négatif si cos cp < O. Si M est situé sur SI' alors l'intégrale (27) doit être traitée comme une intégrale impropre ainsi que nous l'avons fait pour une surface fermée. Les formules (26) peuvent être établies aussi par les raisonnements précédents.
II-2-2. POTENTIEL DE DOUBLE COUCHE
279
Dans la suite, on admettra que la surface S est telle que pour toute position du point M l'on ait
JJ
1
c~~ cp 1
dS ~ c,
(28)
s où c > 0 est un nombre donné. Supposons qu'il existe par exemple un entier k > 0 tel que pour toute position du point M on puisse partager S en un nombre de parties inférieur à k de telle sorte que toute droite passant par M coupe chaque partie en un point au plus. Ceci étant, cos
==
W o (M)
=
JJ[I-t (N) -I-t (1V o)] c~~
(29)
cp dS,
s et prouvons qu'il reste continu lorsque M traverse S en No. Soit e > 0 un nombre donné. Considérons une partie cr de S contenant No à l'intérieur et sur laquelle /I-t (N) -I-t (No) 1~
:c
(N est sur cr),
(30)
où c est la constante de la condition (28). En partageant S en deux parties: cr et S"",- cr, on peut écrire: W
où
= w~ll (M)
o (M)
w~1> (M) =
+ W~2) (M),
JJ[I-t (N) -I-t (No))
(31)
c~: cp
dS ;
c~~ cp
dS.
a
J[I-t (N) -I-t (No)]
W~2) (M) = \
§"a
(32)
Pour toute position du point M, on a 1w~1) (M) 1~
JJII-t (N) -I-t (No) 1
1 cos cp 1 r2
dS,
a
d'où, en vertu de (28) et (30): 1 w~l> (M) 1~ : •
De (31) il s'ensuit W o (M) - W o (No) =
w~u (M) -
w~u
(No)
(33)
+ [w~
2)
(M)
280
CH. Il. PROBL:E:MES AUX LIMITES
d'où 1Wo
(M) -
W
1 ~ 1 W~l)
o (No)
(M)
1
+ 1 w~n (No) 1 + 1 W~2) (M) -
W~2)
(No)
l,
ou, en vertu de (33),
1W o (M) -
W
o (N) 1~ ~
+ 1w~2) (M) -
W~2) (No) 1.
(34)
Dans le potentiel de double couche W~2) (M) l'intégration est étendue à S'",,-a et le point No est intérieur à a, donc la fonction W~2) (M) est continue au point No et dans son voisinage (et admet des dérivées de tout ordre). Donc, pour tous les M assez proches de No, on a 1 W~2) (M) - W~2) (No) 1 ~ ~, et en vertu de (34) 1 W o (M) W o (No) 1 ~ e, d'où il résulte, puisque e est arbitraire, que la fonction W o (M) définie par (29) est continue en No. On peut écrire: W o (M)
= w (M) --Il, (No)
i\ c~~
cp dS,
(35)
SOl
où w (M) est le potentiel de double couche (19). Supposons d'abord que M est situé sur S. Désignons-le par N. On a alors en vertu de (26) W o (N) = w (N) 2nf.l (No) (36) et W o (No) = w (No) - 2nf.l (No), (37) où w (No) est la valeur de l'intégrale (19) en No. Faisons tendre le point N de S vers No. La fonction W o (M) étant continue, il vient Wo
(N) -+
Wo
(No) = w (No) - 2nf.l (No)·
De là et de la formule (36), on voit que w (N) tend vers w (No), c'est-à-dire que la fonction w (M) définie par (19) est une fonction continue sur la surface S. Supposons maintenant que le point M est intérieur à S. En vertu de (26), on a alors Wo
(M)
= w (M)
-
4nf.l (No).
(38)
Faisons tendre M vers No. La fonction W o (M) étant continue, on a W o (M) -+ W o (No) = w (No) - 2nf.l (No). (39) On remarque qu'au second membre de (38) w (M) tend aussi vers une limite que l'on désignera par Wi (No). De (38) et (39) il s'ensuit Wi
(No) - 4nf.l (NI) = w (No) - 2nf.l (No),
i.e. (40)
II-2-3.
PROPRI~T~S
281
DU POTENTIEL DE SIMPLE COUCHE
On voit donc que la limite Wi (No) et la valeur W (No) sont distinctes si J.t (No) =1= O. Si le point M est extérieur à S, alors au lieu de (38} on a WO
=
(M)
W
(M),
et en raisonnant comme plus haut, on constate l'existence de la limite de w (M) lorsque M tend de l'extérieur vers No. En désignant. cette limite par W e (No), on a, compte tenu de (39), (41)
En désignant par r o et
f Wi (No) =
l~ W e (No) =
+ 23tJ.t (No) =
~ ~ f.1 (N)
W
(No)
W
2 \s \ (No) -- 3tf.1 (No) = JsJ f.1 (fi)
cO: ((Jo dS
ô
cos ((Jo
rô
~
No.,
+ 23t1.t (No), (42)
dS - 23tp, (No)·
-~
1w(M) I~) ~
1 J.t(N)
s
c~~cp \ dS~; -1
S
l,
(43}
où 1 Siest l'aire de S. De là il s'ensuit que w (M) -+ 0 lorsqueM tend vers l'infini. De façon plus précise, si 0 est un point fixequelconque, alors pour tout ê > 0 donné, on peut exhiber un nombreB > 0 tel que 1 w (M) 1 ~ ê si seulement M est extérieur à la. sphère de centre 0 et de rayon B. 11-2-3. Propriétés du potentiel de simple couche. Le potentiel de" simple couche
u (M) = ~ ~ ~ ~N) dB
(44y
s
est une intégrale impropre si M est sur S. Supposons que M est: confondu avec un point No de S. Montrons que l'intégrale impropre (44) a un sens. Comme au [11-2-2] il suffit de la considérer sur une partie 0'0 de S contenant No à l'intérieur. Utilisons l'équation (4)
282 ~n
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
coordonnées locales. On a
En vertu de (15), (22) et puisque r o ~ Po, on obtient la majoration pour l'intégrant:
~suivante
I-t (~, 'YJ) I:s:::: 2A 1 roc.os'l'to -....;::: Po '
1l l I-t ~N) dS 1< : .
(45)
al
()n a
1ll I-t~N) dSI~ ll P~
dl;dll,
(46)
a~
al
-OÙ a~
est un disque de centre No et de rayon dl et Pl la longueur du ·projeté MINI de MN sur le plan tangent en No- Supposons que M 'est intérieur à la boule de centre No et de rayon dl- Le point Ml ;appartient alors au disque a; et le disque a~ de centre Ml et de rayon 2dl du plan Œ, 11) contient entièrement le disque de sorte ~que, en vertu de (46),
a;,
1ll
I-t
~N)
dS
1~A ll
d~ld'YJ
2:-r 2d l
=
A
Pl~2dl
al
Jl 0
Pl
d~l dit
=
4Jtd I A.
0
~ : et l'on obtient la majoration (45) quelle que soit la position du point M sur la boule de centre No et de rayon dl' Mettons la fonction (44) sous :la forme u (M) = UI (M) u 2 (M),
in reste à fixer dl de telle sorte que l'on ait 4Jtdi A
+
UI
(M)
=
ll
I-t
~N)
dS ;
I-t (N) dS r
'
al
·la fonction U 2 (M) est continue en No, quant à la fonction U (M), -on démontre qu'elle l'est aussi en procédant exactement comme
II-2-4. DÉRIVEE NORMALE DU POTENTIEL DE SIMPLE COUCHE
283
au [II-2-21 pour la fonction (29). On a donc la proposition suivante: le potentiel de simple couche (44) est défini et continu sur l'espace tout entier. Comme au [II-2-2l on démontre que u (M) -+ 0 lorsque M -+ 00. 11-2-4. Dérivée normale du potentiel de simple couche. Soit no la normale extérieure en un point No de S. Supposons que MEtS et formons la dérivée de la fonction (44) suivant no. Le facteur .!.r étant le seul à dépendre de M, on peut dériver sous le signe d'intégration:
ai-
au (M) = \ \ (N) _ r dS = \ \ (N) cos2 'i' ano J J Il ano J J Il r
dS.
(47)
s Signalons la différence qui existe entre cette intégrale et l'intégrale (19) qui définit le potentiel de double couche. no Dans l'intégrale (19), l'angle • q> est l'angle de r et de n, 1 vecteur unitaire de la normale extérieure en N qui est le point variable d'intégration, alors que dans l'intégrale (47), l'angle 'l' est l'angle de r et de no, vecteur unitaire de la normale extérieure au point fixe No. Dans les deux cas, le vecteur r est de même sens que Fig. 7 S
~
MN (fig. 7). Montrons que l'intégrale (47) existe dans le cas où M est confondu avec le point No. Mettons l'intégrale (47) sous la forme
U
ft (N) cO: 1Po dS =
où r o = NoN et Nous montrerons l'intérieur ou de de (47) tend vers mules
6
U
ft (N) cos (~r no) dS,
(48) -~
l'angle 'l'o = (r o' no) est l'angle de NoN et no. ensuite que lorsque le point M tend vers Node l'extérieur de S suivant une normale, la dérivée des limites définies qui sont données par les for-
(auô~o)L = ~ ~ Il (N) cO~6'i'o dS + 2nll (No), s
(aUa~: 0») e = ) ) ~ (N) co;~'I'o dS - 21[~t (No), s
(49)
284
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
où comme dans [11-2-2] les indices i et e signifient que M tend vers No de l'intérieur et de l'extérieur de S.
Dans le système de coordonnées locales d' origine No, le vecteur no est de même sens que l'axe N oZ. On désignera comme plus haut les coordonnées de M par (x, y, z) et celles de N dans le système local par (6, 11, ~). En introduisant comme plus haut la partie (Jo de la surface S, on peut écrire l'intégrale (47) sous la forme ) ) f1 (N)
\3 ZdS.
(50)
0'0
Si M
== No,
alors z = 0 et l'intégrale devient
) ) f1 (N)
r~t
dS = ) ) f1 (s,11) O'~
al
rg ~~;(n~) Z) ds d11,
OÙ ~ = ~ (S,11). On s'assure immédiatement que cette intégrale a un sens en vertu de (15) et de l'inégalité r o ;:::: Po. On a donc prouvé l'existence de l'intégrale (47) pour les M situés sur S. Passons à la démonstration des formules (49). Composons la différence de l'intégrale (47) et du potentiel de double couche de même densité f1 (N) :
a~~~)
_ w
(M) =
) ) I-t (N)
cos 'P~cos
qJ
dS.
(51)
s Cette intégrale a un sens si M ~ S ou si M ==. No. Montrons que cette différence reste continue lorsque M traverse la surface S en No. Il suffit à cet effet de prouver comme dans les numéros précédents que cette intégrale étendue à la petite portion (J1 de S, définie par (17), peut être rendue aussi petite que l'on veut en module. On supposera dans les estimations ultérieures que M est situé sur la normale à S en No, c'est-à-dire que x = y = 0 en coordonnées locales. On a alors cos 'P-;cos qJ =
r
__ ~ cos (n, Y)- ~ 3 Z (cos'6'o-1). (52) r cos (n, X) -4 r r
En tenant compte de (15) et de 1 si::::;; Po,
1 11 1::::;; Po;
1
r> Po > 2" r ;
1~ -
z 1::::;; r ::::;; 2po, ~
où Po= Vs 2 + 11 2 est la longueur du projeté de MN sur le plan XN oY, on obtient 1 cos 'P-cos qJ
r2
1
~ ~
b1 2-a.'
Po
où bl est une constante. Compte tenu de (22), il vient
285
II-2-5. DERIVEE NORMALE DU POTENTIEL DE SIMPLE COUCHE
1~ )
~ (N) cos 'P~COs cp dS 1~
)
~ ::~~ ds d11 =
Po:e::;;;d 1
al
0 2Jt dl
= 2Ab1
~ d~o_:
)
(53)
o 0 Po où b2 est une constante. Cette majoration est valable quelle que soit la position de M sur la normale à S en No (le point M peut coïncider avec No). De là il s'ensuit que pour dl assez petit, l'intégrale du second membre de (51) étendue à 0'1 peut être rendue aussi petite que l'on veut. Ceci prouve que la différence (51) est continue en No. Or w (M) converge lorsque M tend vers No de l'intérieur ou de l'extérieur de S. Donc, la quantité (47) converge dans les deux cas. La continuité de (51) entraîne (
au (No)) _ w.
ano
i
Jr Jr ~ (N) cosr5'Po dS- w (N 0) ,
(N ) = 0
l
s et en vertu de la première formule (42) on obtient la première formule (49). On déduit de façon analogue la deuxième formule (49). De ces deux formules il s'ensuit aussitôt que le saut de la dérivée normale du potentiel de double couche est égal à o)) _ ( au(No)) =41t~(No)' ( aU(N a~ i a~ e
(54)
11-2-5. Dérivée normale du potentiel de simple couche (suite). Pour la suite il est important de prouver que la dérivée normale tend vers ses limites aU(N o)) et (au(N o)) (
an o
ano
i
e
uniformément sur S tout entière lorsque M tend vers No suivant la normale. Montrons à cet effet que l'intégrale de la formule (51) converge uniformément. Soit (0 (M) la valeur prise par cette intégrale. On a déjà indiqué que cette fonction avait un sens si M No. n nous faut prouver que pour tout e > 0 donné, on peut exhiber un 11 > 0 ne dépendant pas de la position de No sur S, tel que t (0 (M) - (0 (No) 1 ~ e si 1 MN o 1 ~ 11, M étant situé sur la normale à S en No. Figeons un dl tel que b2d~ ~ : et mettons (0 (M) sous la forme
==
(0
(M)
=
(01
(M)
+
(02
(M),
où {Ù1(M)=)) ~(N)cos'i'~cos
En vertu de (53), on a alors
S",al
1 (01
(M) 1 ~: pour toute position
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
286
du point M sur la normale à S en No- D'autre part W (M) - w (No) = WI (M) - WI (No) + [w 2 (M) -
002
(N o)1,
d'où 1W
(M) -
W
(No)
<,
1
WI
(M)
1
+ 1 W t (No) , + 8
+ 1 w2(M)-w 2 (N o) 1~2+ 1w2 (Jl1)-w 2 (N o) 1·
(55)
En vertu de (52), il vient [
cos ,!,-cos
J - [ cos ",-cos
M
+ YI cos (n,
Y)
3
No
+ ~ (cos 1to -1)] + rz
-3
(cos 1to -1)
X)
+
,
(lt o = (n, Z». (56)
Pour les points de S",JJI' on a r>: dl et r o >: dl' D'autre part, pour toute position des points N et No sur S, les modules des quantités YI, ~ sont inférieurs au diamètre de la surface S, c'est-à-dire à la distance des points les plus éloignés de S. On a par ailleurs , r - r o 1 ~ 1 z 1 et
s,
..!- __ 1 I-Ir-r0 1 (_1 +_1_+_1_) ~ r~r r~r2 ror 3 -..-: : : : / r~ r 3 -
1z 1
31 z 1 •
dt
'
r3
1z 1
~(j3' 1
et en vertu de la formule (56) 1
[
COS
,!,-cos
M
-
[COS
,!,-cos
No
1~ C 1z -..-::::::: l
, ,
où Cl est une constante bien définie ne dépendant pas de la position de No, mais dépendant bien sûr du choix de dl- On a 1 W 2 (M)
- w2 (No)
1~
JJ ~ (N) , 1
Cl 1 Z ,
dS~Acl
1 Z ,.,
SI,
8"(11
où 'S'est l'aire de S. Si l'on prend 8
1 z 1~ 2Acl'
1SI'
(57)
8
alors, W2 (M) 1- W 2 (No) 1~2 et, en vertu de (55), 1W (M)- W (No) '~E. Pour YI, on peut donc prendre le second membre de (57). Nous avons montré que la différence ôu (M) _ ôno
w (M)
converge uniformément par rapport à la position du point No sur S lorsque M tend vers No suivant la normale. D'autre part, le poten-
II-2-6. VALEUR DIRECTE DE LA D:ffiRIVÉE NORMALE
287
tiel de double couche w (M) est une fonction continue même sur S" donc qui converge uniformément sur S. De là il s'ensuit que la dérivée normale o~ (M) tend vers les limites (49) uniformément, no sur S. Suivant A. Liapounov on dira qu'une fonction v (M) harmonique à l'intérieur ou à l'extérieur de S possède une dérivée normale régulière si cette dérivée converge uniformément par rapport. au point No de S lorsque M tend vers No suivant la normale à S en No. On obtient ainsi le Thé 0 r ème. Un potentiel de simple couche de densité continuepossède des dérivées normales régulières aussi bien à l'intérieur qu'à. l'extérieur de S. En figeant 1 z 1 > 0, M étant intérieur ou extérieur à S, on peut admettre que oUa (M) est une fonction de No qui dépend encore no du paramètre 1 z 1 et qui, de plus, est continue par rapport à No, car u (M) possède des dérivées continues à l'intérieur et à l' extérieur de S, et la direction no varie continûment sur S. La convergence étant uniforme lorsque 1z 1-+ 0, on peut affirmer que les limites (49) sont des fonctions continues de No et de là il s'ensuit que l'intégrale des seconds membres de (49) est une fonction continue de No sur S. Cette intégrale s'appelle valeur directede la dérivée normale du potentiel de simple couche sur S. 11-2-6. Valeur directe de la dérivée normale. Désignons par F (N) la valeurdirecte de la dérivée normale sur S: F (No) =
lsl
/-1 (N) cos
(:~'
no) dS.
(58}
Nous avons vu que F (No) est une fonction continue de No sur S. Prouvons maintenant un théorème dû à Liapounov qui précise cette propriété de F (No). Thé
0
r ème. Si la densité /-1 (N) est continue, alors la fonction F (No}
vérifie la condition
(59)
B sont des constantes >0 et r O,l = 1 N oNl 1. La condition (59) sera appelée dans la suite condition de Lipschitz *). Si rO.1 est supérieur à une constante strictement positive, alors on peut pour tout ~ > satisfaire cette inégalité en choisissant convenablement la constante B. En effet, la fonction F (N) est continue sur S, donc bornée: 1 F (N) 1 ~ Al et
où B et
°
si r O•1
~h>
0, alors en prenant B =
~~1, on obtient de toute évidence l'iné< h, on obtient une autre valeur de B
galité (59) pour rO.1 ~ h. Si pour rO,l dans l'inégalité (59), alors en prenant la plus grande de ces deux valeurs de B, on peut écrire (59) pour toutes les valeurs de ro. 1 • On peut ainsi admettre que
*) Pour ex E] 0, 1 [ cette rcondition est souvent appelée condition de Raider et pour ex = 1, condition de Lipschitz.
288
1"0,1
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
<
d
10' On a F (Nl)-F (No)
= ~ ~ !1 (N)
[ cos
s
(:~'
nt)
1
---?>-
---?>-
où r o et rI sont les vecteurs NoN et NIN, de (22), il vient
~A
IF (Nl)-F (No)1
TO'
JJ
1 cos (~;'
S
Tl'
leurs modules, En vertu cos (~o, no) 1 as,
nt>
(60)
TO
1
Appelons 0'1 la portion de la surface S, découpée par le cylindre circulaire ayant pour axe la normale à S en No et pour base le disque de rayon 2To l ' Décomposons l'intégrale étendue à S en deux, l'une sur 0'1' l'autre sur S"'O'I:' J
1
= ~ ~
~
~
1
(JI
J2=
cos (ro, no) 1 as
1 cos (rI' nd
0
., (61)
\ ~ 1 cos (~r nt>
~"(Jl
L'introduction du produit scalaire nous permet d'écrire: cos (rll' no) rl,nl ro·no cos (ri' nt) r 12
ri
r~
_
rl,nO -
-
ro,no 3
Tg
+ rl,nl -
Tl
rt,no 3
rI
+ru .no (_1__..!-) 3
rI
3'
ro
«)Ù, comme toujours, no et ni sont les vecteurs unitaires de la normale extérieure -en No et NI' De ce qui précède il s'ensuit que cos (ro' no) 1::::::::: I r l,nO-rO,n61 ,/ cos (~j' nI)
+ + Irl,nl-rl,nol + 1ro,no1 1 Tt1 - rt1 1. Tt
T~
-.:::
Tf
(ü2)
Majorons séparément les divers termes: 1 rl,n l -rI"no 1 = 1ri' (ni -
no) 1 ~ rll ni - no 1.
En considérant le triangle de côtés no et ni' on obtient 1 nI - no 1 ~ '6', où '6' .est l'angle de no et nI' La condition (3) nous permet d'écrire: 1 rl,nl - rl,no 1 ~ arlr~,l' 'où a est une constante, Par ailleurs Irl,no -ro,no
1
=
1 (rl-rO),no 1
=
Iro.l,no
1
=
1 ~ll,
,où ~l est une coordonnée de NI dans le système local d'origine No. On a grâce
.à (15)
Irl,n O -ro,no 1 ~ crJ,ta..
Si enfin le point d'intégration N est assez proche de No, alors en vertu de (15) .on a 1 ro'no 1 = 1 ~ 1 ~ cr~+a., Mais, comme pour l'inégalité (59), on peut admet-
D2RIV~E
11-2-6. VALEUR DIRECTE DE LA
NORMALE
289
tre que l'inégalité précédente est valable pour toutes les valeurs de TO' En portant les majorations obtenues dans (62), on trouve cos (rOt no) 1~
cos (ri' nt)
T8-"':::
ri
Clrlr~, 1 + ctr~~f
_
":::::::
~
~
1
+CIT 0
(1 +-+-, fI) ~~ ~~ ~~
+CX Irl-rol
(63)
-3
où Cl = max {a, cl. On déduit à partir du triangle NoNIN que
Tt
+ To.
1
~
TO'
Or, en intégrant !ur (S ",,",0'1) on a ro. 1 ~ ~ et par suite rI ~ ~ • En se servant de ces inégalités et aussi de l'inégalité 1rI - ro 1 ~ ro, 1t on peut mettre (63) sous la forme cos (rI' nI) r12
1 (_ 0, 1 r21
~ c rcx
-...:::
1
cos (ro' no) 1~ r02 -"':::
+~ + r3 1
r1+ar1-CX 0 0, 1 r 3r
+
01
~ C1r~,
1
(
r 1+cx r 1- a 0 0, 1 r 2r 2
+
r 1+a r 1- a
01
1
4
2
4
0
O. 1 ) ~
r3 r01
-...:::
8)
19c1r~
-;:2+-;:2+-;:2+7=2+7=2 = o 0
0
0
0
r2' 0
1
•
En revenant à la deuxième formule (61), on obtient
arr
dS
IJ21~corO',1JJ
ri'
(64)
8"-01
où Co = 19c1' On a considéré un cylindre de rayon de base 2rO,I' Prenons maintenant un cylindre de même axe et de rayon fixe ~. Ce cylindre découpe sur S une portion 0'0 qui est comprise dans 0'1' On a
~ J ~f =
8"01
D~ns
la deuxième intégrale ro
JJ ~: + JJ ~: .
0 0 "al
~ d/3,
rr
JJ
8"-00
donc 9
dS
r~ ~ d2' 1SI,
8"00
où 1Siest l'aire de S. On peut ramener l'intégration sur 0'0""0'1 à une intégration sur le plan tangent en No puis à l'aide des estimations habituelles
( ro ~ Po et cos (n, Z) 2n d/3
JJ ~: ~ J J 0 0"-01
~ -{-) 2po ~~o
obtenir:
de
4n (ln
~
-ln 2ro•
0 2rO• 1
En portant ceci dans (64) on trouve J2~Alr~, 111nrO.ll+B1r~.1' 19-01017
1) .
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
290
et BI sont des constantes. Si 0 < ration par une majoration de la forme:
OÙ Al
J 2 ~ A2
~
< cx on peut remplacer cette majo-
rg. 1.
Passons à la majoration de JI. On a JI
~ ) ) Icos
(:r
dS
nl)1
+)
al
Icos (~r no)! dS.
(65)
al
Les majorations habituelles nous donnent:
)) ICOS(~r
no)/
dS=))
al
2n 2ro• 1
':3'
dS~C)
)
0
0
al
=
A3r~.
l'
1
où A 3 est une constante. Pour évaluer la première intégrale (65) traçons la
sphère de centre NI et de rayon 4rO.l en remarquant que 4rO.l < ~ . Cette sphère découpe sur S une portion (J2 contenant (JI. La portion (J2 est définie par une équation explicite dans le système de coordonnées locales de centre NI et on peut lui appliquer les estimations habituelles en ramenant l'intégration au plan tangent à S en NI. Le domaine d'intégration est une partie du disque de centre NI et de rayon 4ro.l. En intégrant sur le disque tout entier, on obtient la majoration:
rr
JalJ
1cos(rl;
nI) 1 dS ~
rI
r r 1cos (r~, nt>
J02J
1
rI
dS ~ A4r~ 1. •
En portant toutes les majorations obtenues dans (60), on aura 1 F (NI) - F (No) 1 ~ A (A 2 r Afir~.l)'
e.! +
d'où l'on déduit en définitive la formule (59), où ~ > 0 est strictement inférieur à cx. 11-2-7. Dérivée du potentiel de simple couche suivant une direction quel. conque. Au (11-2-4] nous avons étudié les valeurs limites de la dérivée normale du potentiel de simple couche lorsque M -+ No suivant la normale. Si on impose à la densité fA. (N) des conditions plus fortes que la continuité, on peut prouver que les dérivées suivant une direction fixe convergent et de plus que ces limites ne dépendent pas de la façon dont M -+ No. On admet que la densité vérifie la condition de Lipschitz: 1 J.l. (N 2) - J.l. (NI) 1 ~ Brt2' (66) où rl. 2 = NIN 2' B et 6 sont des constantes strictement positives (6 ~ 1). Soit (NoX, Y, Z) un système de coordonnées locales d'origine No E S. Calculons la dérivée de u (M) suivant l'axe NoX situé dans le plan tangent à S en No. On admettra provisoirement que le point M se trouve sur la normale à S en No. On admettra pour fixer les idées que M est intérieur à S. On a 8u(M) 8x
) ) J.l.(N)
r~
dS
(r=MN).
(67)
S
Introduisons la quantité r' = l!~2
JJ
J.l. (No)
00
r~3
+ "1 +
cos (n, Z) dS = J.l. (N 0)
2
)
Z2
et considérons l'intégrale
J(;2+ ,/+
00
Z2)3/2
d~ d"l
(z =F 0), (68)
11-2-7.
où
(J~
D~RIV~E
291
DU POTENTIEL SUIVANT UNE DIRECTION
est le disque S2+T]2 ~
~
• On a de toute évidence d
J\ \J
~
(SJ+T]2+ Z2)8/2
a'o L'expression (67) devient
<:) = ) )
aua
~ (N) r~
21t
3" \
0
0
ds dT]-- \J cos ede J JI pp~2+Z2 + ) ) ~ (N) ;8
dS
ao
dpo=O.
0
vd M ) +Vl) (M).
dS =
(69)
8"-..ao
L'intégrale (68) étant nulle, il vient
vd M ) =
s [~~~)
) )
J!(No)Cr~:(n,
Z) ] dS.
(70)
°0 Mettons la différence du second membre sous la forme: I1(N) 11 (No) cos (n, Z) I1(N)-~(No) 3 r r3 r'3
+
(n, r + J! (No) li-cos
Z)]
+J! (N) cos (n, Z) (_1__1_) r3 r'8 •
(71)
0
3
Majorons séparément les termes du second membre. Grâce à (66), on a IJ!(N)-J!(NoH ~ brf r8
d'où, puisque ro ~ 2po et r
~
~
r3 ,
Po
111 (N)-J! (No) 1
....;.:.......;....-'--~3:..-..;.,......:.:....:... ~
r
De (15) et (22), il s'ensuit: IJ!(No)l l1-cos(n, Z)] r3
2Pb 3_ A Po ...
(72)
'
cA
~ p~-2a
(73)
•
Estimons le troisième terme du second membre (71). La quantité ri est la longueur, -7
.
du vecteur M N', N' étant le projeté de N sur le plan (X, Y). On déduit .. partir du triangle MNN' que 1r
d'où
l car r et r'
i
r3
~
- r' 1 ~ 1 ~ 1 ~ 2aP3+œ,
1 1 ~ 2 1+a ( --r'3 ~ apo
1 r 3 r'
+
1 r2 r's
+ rr'3 1 ) ~ ~
Po et /-.l.
1
1 1)
6aA • (No) cos (n, Z) ( -;:S-?S 1~ Pg-a.
On aurait pu établir ces majorations dans l'hypothèse que M Z = 0 et r = ro' 19*
Ba Po
3-a. ,
(74) =al
No. Dans ce cas
292
CB. II. PROBLMmS AUX LIMITES
En portant l'expression (71) dans l'intégrale (70), on décompose trois intégrales: VI
(M) -
VI,I
(M)
+
VI.2
(M)
+
VI.a
VI
(M) en
(75)
(M)
étendues à (Jo et ayant chacune un sens quelle que soit la position du point M sur la normale en No, Y compris pour M == No- Les intégrants de ces intégrales sont justiciables des majorations (72), (73) et (74), qui sont de la forme
I~I
Cl
3-~' Po
I~I
C2 3-2a.'
Po
I~I
Ca (76)
3-a.'
Po
où les constantes Cl' C 2 et Cl! ne dépendent pas de la position du point No sur S . et de celle du point M sur la normale en No. De là il s'ensuit que vI.h (M) (k = 1, 2, 3) convergent uniformément par rapport à la position du point No sur S vers v)..k (No) lorsque M -+ No. Prouvons ceci pour VI.I (M). Soit 8 > 0 un nombre donné. Considérons la partie (JI de (Jo définie par S2 1'J2 ~ dl et choisissons dl assez petit pour que l'intégrale
+
) ) I~I 1fJ.(N)~fJ.(No)1 dS al
soit ~ :
en module quelle que soit la position du point M sur la normale
en No. Ceci est possible en vertu de la première majoration (76). Mettons ensuite VI. 1 (M) sous la forme V1, 1
(M)
=)) ~
fJ.
(N)~I-t (No)
al
dS
+
+ II
~ I-t(N)~I-t(No)
dS=V)l,>l (M)+v\:\(M),
<Jo""-<JI
et (77)
L'intégrale v\2> 1 (M) est prise sur une surface dont les points se trouvent à une distancè ~ dl ,de No et M et exactement comme au [II-2-5], on obtient
IV\~~l (M)-v\~>l (No) 1~ C, Izl, où C4 ne dépend pas de la position de No sur S. Ceci étant, (77) devient
et pour
Izi
8
~ 2C
'
on trQuve
4
IVI, 1 (M)-VI, d'où il résulte que vItI(M) de No sur S.
-+ VI,1
1
(N li ) 1 ~
8,
(No) uniformément par rapport à la position
11-2-70 DSRIVSE DU POTENTIEL SUIVANT UNE DIRECTION
293
En retournant à la formule (75), on remarque que vi (M) tend uniformément vers VI (N Q) pour M ~ Noo Si~alons que cette limite est la même, que M tende vers No de l'intérieur ou de l'extérieur de S. De façon plus simple, la fonction v). (M) est continue en No lorsque M se déplace sur la normale en NoL'integrale V2 (M) est prise sur la portion S "'- (Jo de S dont les points se trouvent à une distance ~ dl3 de M et No. De là il s'ensuit comme plus haut que 1 V2 (M) - V2 (No) 1 ~ Ci 1 z l, où la constante Cr; ne dépend pas de la position du point No sur S et par suite VI (M) ~ v2 (No) uniformément par rapport à Noo On peut finalement affirmer que la dérivée auô~M) converge uniformément lorsque M -+ No sur la normale en No et que cette limite est la même, que M -+ No de l'intérieur ou de l'extérieur de S. Cette assertion est vraie également pour au(J~M) • Au [11-2-5] on a
0 Ote 0 , auôz (M) convergeaI°t UnIo f' - cette 1Imi mont re' que 1a d'erlvee ormement, mals n'était pas la même lorsque M -+ No. de l'intérieur ou de l'extérieur. Si 1 est UBe direction quelconque faisant les angles CXt, al et as avec les axes NoX, N,Y et NoZ respectivement, alors de ce qui précède il s'ensuit aussitôt que la dérivée au (M) _ au (M) ôl
az
-
cos al
+ buay(M)
cos al
+ auaz(M)
cos a.
(78)
converge aussi uniformément lorsque M -+ No de l'intérieur ou de l'extérieur de So La convergence de la dérivée (78) étant uniforme lorsque M -+ No de l'intérieur et de l'extérieur, on peut affirmer que les limites sont des fonctions continues du point Node S Montrons enfin (fue la dérivée (78) tend vers la limite indiquée ci-dessus quelle que soit la façon dont M -+ No et pas seulement suivant la normale en No- Supposons pour fixer les idées que M -+ No de l'intérieur et désignons par ID (N ) la valeur limite de la dérivée (78) lorsque M -+ No le long de no. Soit 9 donne 8 > O. Il nous faut prouver qu'il existe un Tl > 0 tel que 0
auiJl(M) -c. (No) 1~ 8 y (79) 1 .si seulement MN 0 ~ Tl, le point M étant intérieur à S. Traçons une sphère de centre No et choisissons son rayon ô assez petit pour que sur la partie a' de la surface S, intérieure à cette sphère, l'on ait 1 ID (N) - ID (No) 1 ~ ; • Suppo!sons par ailleurs que M est intérieur à une sphère de centre No et de rayon fi choisi tel que
1
(M) (N) I~..!. ôl ro -..::::: 2 '
ÔU
M étant situé sur la normale à S en N et M N ~ Tlo Ceci est possible en vertu de
la convergence uniforme de Si MN 0 ~ normale MN On a T)
~~
0
T),
ÔU
ô~M) vers ro
(N) sur S. Nous supposons enfin que
alors à fortiori MN
~ Tl,
où N E (J'est le pied de la
0
ôUa\M) -ro(N o)=
ôuô(~)
ro (N)+ro (N)-ro (No)
294
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
et
D'après ce qui a été dit plus haut, les deux termes du second membre sont 8
=e;;;;;2'
donc (80)
On s'est servi plus haut de la proposition élémentaire suivante: la plus courte distance d'un point M à une surface S est la longueur de la normale MN à S. Signalons encore que les intégrales (67) et (68) n'ont pas de sens pour z = 0, c'est-à-dire pour M == No. Mais nous avons vu que leur différence avait un sens. Les raisonnements précédents nous conduisent au théorème suivant dû à Liapounov: Thé 0 r ème. Si la densité f..t (N) vérifie la condition de Lipschitz (66), alors la dérivée du potentiel de simple couche suivant une direction quelconque fixe est continue sur S aussi, que M -+- No de l'intérieur ou de l'extérieur. La dérivée suivant une direction quelconque tangente à S en No varie continûment lorsque le point M traverse S en No. L'étude du comportement des dérivées du potentiel de double couche lorsque M tend vers la surface S soulève de grosses difficultés. Les principaux résultats ont été obtenus dans ce domaine par Liapounov dans l'ouvrage déjà cité Sur certaines questions rattachées au problème de Dirichlet.
11-2-8. Potentiel logarithmique. Dans le cas du plan, la solution singulière fondamentale était ln.!. (tome II, lVII-3-2l). Soit l un r contour fermé du plan (X, Y), lo, sa longueur. Le potentiel de simple couche est donné par la formule: u (M) = ) Il (N) ln l
+
ds= ) Il (s) ln l
+
ds.
(81)
La deuxième solution singulière, identique à un dipôle dans l'espace (cf. (18» est cos q:> r
= -!..(ln .i-) al r'
et le potentiel de double couche est défini par la formule: w(M)
=
J\ Il (N)
cos q:> r
ds,
(82)
l
où q>=(r, n). L'expression cos
on voit l'élément de contour ds à partir de M, cet angle étant 0 si cos
>
II-2-8. POTENTIEL LOGARITHMIQUE
295
(26) est la formule suivante:
2n ds= { ~
(M est intérieur à l), (M est extérieur à l), (M est sur l).
(83)
On peut assujettir le contour l aux mêmes conditions que la surface S. Supposons maintenant que les fonctions x (s) et y (s) qui définissent paramétriquement la courbe l et qui sont de période lo possèdent des dérivées première et seconde continues. Nous admettons que la fonction f.t (N) = f.t (s) est continue. Etudions le noyau du potentiel de double couche en supposant que le point M est sur l et est confondu avec un point Node l. Les cosinus directeurs de n s'exprimant à l'aide des dérivées y' (s) et -x' (s), on a cos qJ r
cos (r, n) _ r
[x (s)-x (so)] yi (s) -[y (s)-y (so)] x' (s) [x (s) - X (so)12 [y (s) - Y (SO)]2
+
(84)
Si s et So sont distincts, cette expression est une fonction continue de s et So' Supposons maintenant que s et So tendent vers une limite commune S1' La formule de Taylor nous donne
x (s) - x (so)
=
x' (so) (s - so) +-} x" (s~) (s -
x' (s)
=
x' (so)
y (s) - y (so)
=
SO)2,
+ x" (s~) (s - so), 1 y' (so) (s- so) + 2" y" (s;') (s- SO)2,
y' (s) =y' (so)+y"
(s~")
(s-so),
où les valeurs s~, s~, s~", s~'" sont comprises entre s et sa. En por.tant ces expressions dans (84), et en simplifiant par (s - SO)2 on obtient à la limite l'expression x' (51) yI! (51) - y' (51) x" (51) 2 [X '2 (51) y'2 (SI)]
+
x' (SI) y" (sd -- y' (SI) x" (51)
2 '
qui est égale à la moitié de la courbure de l au point s = S1. Donc, la fonction (84) est une fonction continue de s et So le long de l. En désignaat cette fonction par L (sa' s) on peut affirmer que le l
potentiel de double couche w (No)
= w (so) = )
f.t (s) L (sa' s) ds
o est une fonction continue de No si No se trouve sur l. Donc, sous les conditions imposées à x (s) et y (s), la fonction (84) est une fonction continue de s et So sur l. En dimension trois, la fonction cosr 2 qJ présentait un pôle pour N ==aNo. Pour le potentiel
PROB~MES
CH. II.
296
AUX LIMITES
de double couche (82) on peut prouver des formules analogues à (42):
;1 j
(85)
-~
où r o = NoN et (r o' n) est l'angle de NoN et de la normale extérieure n à l en N. De (85) il s'ensuit Wi (No) - W e (No) = 2nl-t (No). (86) Le potentiel de simple couche (81) est défini et continu sur le plan tout entier. Soient No un point de S, no la normale extérieure à S en No. Si M Et S, on a
ô~ (M) no
= Jr I-t (lV) l
1 ôlnô 7 no
ds =
r J.t (N)
J l
cos (r, no) ds.
(87)
7
Lorsque M -+ No suivant la normale en No de l'intérieur et de l'extérieur de S, la dérivée (87) tend vers les limites respectives suivantes: ôu (No) ) = (N) cos (ro, no) ds+ n (N) ( ôno t J I-t 70 I-t 0 ' l (88)
r
(
ôu (No)) Ô no e
=)
II.
r
(N)
_c_os_(,-ro.;;..;.,_n.....;:;o,,-J ~
l
dS - nl-t (N 0) '
d'où il résnlte (
ôu (No) ). _ ôno l
(
(No)) ôno e
ÔU
= 2nl-t (No).
(89)
Au lieu de (84) on aura [x (s)-x (so)) y' (so)-[y (s) - y (so)] x' (so) [x (s)-x(SO)]2+[y (s)-Y(SO)j2 ,
et comme plus haut on démontre que cette expression reste continue pour s So également. Signalons que le potentiel de simple couche (81) ne s'annule pas à l'infini.
==
11-2-9. Formules intégrales et surfaces parallèles. Dans la suite nous aurons à nous servir des formules intégrales suivantes (tome II,
11-2-9. FORMULES
INT~GRALES
ET SURFACES
PARALL~LES
297
[VII-3-2l):
rrrJ (~.~+~.~+~.~) JJ ôx ôx ôy ôy ôz ÔZ
dT:=
Di
=
JJ
U
:~
dS -
J~ J ~v dT:, U
S
J~) (u~v-v~u) dT: = Di
(90)
Di
JJ (u
:~
-v
~~) dS,
(91)
S
où Diest le domaine limité par S, et "" la normale extérieure à S. Ces formules sont une conséquence de l'égalité (107) du (1-2-19]. Ces formules sont valables sous les conditions suivantes: u, v etleurs dérivées partielles premières sont continues dans DL" les dérivées partielles secondes sont continues dans Di et les intégrales étendues à Di et contenant ~u et ~v ont un sens. Si liu et liv ne sont pascontinues dans D h ces intégrales sont alors des intégrales impropres qui sont les limites d'intégrales étendues à une suite de domaines Dl nl contenus dans Di lorsque D~nl tendent vers D Ï7 de sorte quetout point det Di appartient aux domaines D1 nl à partir d'un certain n. Les fonctions intervenant dans la suite étant harmoniques r on a ~u = liv = 0 et dans (90) on peut admettre que U = v. Ceci étant, les formules précédentes deviennent:
J~ J[(~~ ) + ( ~: ) + ( ~: ) JdT: = JJu ( ~~ ) 2
Di
2
2
i
dS,
(92)
S
JJ[u ( ;~ L- v( :: LJ dS = O.
(93}
S
Ces formules sont valables pour le domaine illimité De exté-rieur à S:
JJJ[(:: )
2+ (
~~ ) 2 + ( ~~ )2 JdT: = JJU
( :: ) e
dS,
(94}
S
De
\rJ [u
el
(~) - V (~) JdS=O, ôn e ôn e
(95}
S
si seulement les fonctions U et v harmoniques à l'extérieur de S sont continues avec leurs dérivées partielles premières dans De U S et tendent vers 0 lorsque M -+ 00. Ceci étant,
R1u (M) 1~A ; R21 ôuô\M) 1~A ; R 1v (M) 1~A; R2/ av~~) 1~A,
(96)
CH. II. PROBLElMES AUX LIMITES
298
()ù R est la distance de M à un point 0 de l'espace, A, une constante numérique, et l, une direction fixe. Dans les formules (94) et (95), la normale TI, à S est extérieure à De, c'est-à-dire intérieure à S. Pour prouver les formules (94) et (95) il faut les appliquer à un domaine limité par la surface S et une sphère de centre 0 et de rayon assez grand. Lorsque le rayon tend vers l'infini, l'intégrale étendue à la sphère tend vers 0, puisque les produits u :: et v ::
seront de l'ordre de ~3 et l'aire de la sphère égale à 4nR2. C'est ainsi -qu'on obtient les formules (94) et (95) (cf. tome II, VII-3-3). On verra dans un prochain paragraphe que les conditions (96) -sont remplies sous la seule hypothèse que les fonctions harmoniques u (M) et v (M) tendent vers lorsque M ~ 00. Les formules (93) et (95) entraînent la formule suivante (tome II, [VII-3-31):
°
u (M) =
_1
4n
_u aan~ ] dS ' Jrs Jr [J...r ~ an
(97)
est la normale extérieure à DiOU à De selon le cas traité. Indiquons maintenant des conditions plus générales d'applicabilité des formules précédentes. Portons sur chaque normale intérieure à S un segment de longueur ô. Supposons que les extrémités P ·de tels segments décrivent pour Ô assez petit une surface sans points multiples, intérieure à S et admettant un plan tangent variant çontinûment. Désignons cette surface par Sô' A tout point N de S est associé un point P de Sô situé sur la normale à S en N et, inversement, à tout point P de Sô est associé un point bien défini N de S. Montrons que la normale à S en N est normale à Sô en P. Soient (x, y, z) les coordonnées des points de S et (x', y', z'), celles des points correspondants P dans un système quelconque de coordonnées. On a x' = x - Ô cos (n, X), y' = y - Ô cos (n, Y), (98) z' = z - Ô cos (n, Z), où li, est la normale extérieure à S. Supposons qu'une portion de la surface S est définie par l'équation explicite z = z (x, y), la fonction z (x, y) possédant des dérivées premières et secondes continues. Les cosinus directeurs de la normale seront alors des fonctions continûment dérivables. Supposons que N décrit une courbe l sur S de sorte que (x, y, z) -sont des fonctions continûment dérivables d'un paramètre t. Il en -est alors de même de (x', y', z'). En dérivant la relation évidente (x' - X)2 (y' - y)2 (z' _ Z)2 = ô2 , -où
li,
+
+
,
II-2-9. FORMULES INT:E:GRALES ET SURFACES
PARALL~LES
299
par rapport à t, on obtient [(x' - x) xi (y' - y) Yi (Z' - Z) ziJ - [(x' - x) Xt (y' - y) Yt (z' - z) ztl = O. Le deuxième crochet étant nul, puisque PN est normal à S, il en est de même du premier et ceci exprime que la tangente à l'est perpendiculaire à PN. De là il s'ensuit immédiatement que PN est normal à SÔ. On admet que tout point de S peut être compris à l'intérieur d'une portion de surface douée des propriétés indiquées. La surface Sô s'appelle surface parallèle à S. Supposons maintenant que les fonctions u et v harmoniques à l'intérieur de S possèdent des dérivées normales régulières lorsque M -+ N suivant la normale à S en N, ces fonctions étant elles-mêmes continues dans Di. On peut appliquer toutes les formules ci-dessus au domaine limité par SÔ. En tenant compte de la convergence uniforme de u et de v et de leurs dérivées normales ainsi que de la coïncidence des normales à Sô et S, on retrouve toutes ces formules pour Dien faisant tendre Ô -+ O. L'intégrale triple étendue à Di doit être traitée comme une intégrale impropre, limite d'intégrales étendues à des domaines intérieurs tendant vers Di. L'intégrant étant strictement positif, la façon dont ces domaines intérieurs tendent vers Di importe peu. On peut en particulier prendre des domaines limités par SÔ. En passant à la limite il ne faut pas perdre de vue la variation de l'aire de S. L'élément de surface dS s'exprime à l'aide des coefficients de la première forme de Gauss (tome II, [V-2-2l): dS = V EG - F2 dx dy, si l'on prend par exemple x et y pour paramètres et de (98) il s'ensuit que E, G et F sont des polynômes du second degré en ô. Les considérations précédentes sont valables pour De (dans ce cas il faut remplacer le signe moins par le signe plus dans les formules (98». Si les fonctions harmoniques u (M) et v (M) se représentent par des potentiels de simple couche de densités continues, alors elles sont continues dans Di et possèdent des dérivées normales régulières. On a donc le
+
+
+
+
Thé 0 r ème. S'il est possible de construire des surfaces paralt Zèles intérieurement et extérieurement à S et jouissant des propriétés mentionnées ci-dessus, alors les potentiels de simple couche u (M) et ! v (M) de densités continues sont justiciables des formules (90), (91). ! Etablissons maintenant quelques conditions suffisantes d'exist tence de surfaces S ô parallèles à S. Supposons que la surface S est f de Liapounov et que ex = 1 dans (3). Montrons que pour Ô assez petit, la surface Sô est alors une surface fermée sans points multiples,
r....
300
1j
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
<:
c'est-à-dire qu'à des N distincts correspondent des P distincts. Ad-' mettons provisoirement que ô et qu'à deux points distincts NI (Xl' YI' ZI) et N 2 (X 2, Y2' Z2) correspond un seul point P, c'est-à-dire que Xl - Ô cos (nI' X) = X2 - Ô cos (n2' X), YI - Ô cos (nI' Y) = Y2 - Ô cos (n2' Y), ZI - Ô cos (nI' Z) = Z2 - Ô cos (n2' Z),
(99)
où nI et n2 sont les normales extérieures à S en NI et N 2' Signalons que N 2 est intérieur à la sphère de centre NI et de rayon d. Si r I • 2 = = NIN 2' on obtient en vertu de (99) rI. 2
=
Ô
V2 (1- cos '6'),
où '6' est l'angle de nI et n 2 • Or, en vertu de (6), on a 1- cos '6'~
~+a2r~.2(a=1)
et par suite
rI.2~aôrI.2'
Si l'on prend Ô < !.. on aboutit à une contradiction. Donc si a S est une surface de Liapounov et a = 1, la surface Sone possède pas de points multiples pour Ô < ~ et Ô < ~ . D'autre part, il s'ensuit directement des conditions imposées à S (11-2-1] que tous les points P sont intérieurs (ou extérieurs) à S pour Ô < d. Si l'on suppose de plus que l'équation de la portion de surface z = z (x, y) est telle que Z (x, y) possède des dérivées premières et secondes continues, alors la surface S ô présente un plan tangent variant continûment. La fermeture de Sô résulte directement du fait que lorsque M se rapproche continûment de S en restant à l'intérieur de D h la plus courte distance de M à S sera égale à ô pour une certaine position de M. Rem a r que. Supposons que u (M) est continue avec ses dérivées premières à l'intérieur de S et possède une dérivée normale régulière. Les valeurs limites de ({)Uô~N)) i sont alors des fonctions continues sur S [11-2-5], donc il existe un nombre B tel que
Par ailleurs, la convergence de la dérivée normale étant uniforme, pour tout e > 0 donné, il existe un 11 tel que ôu(M) -
1
iJ n
(ÔU(N) ) {) n,
1--· ~E
pour
,1 '';;
II-2-fO. SUITES DE FONCTIONS HARMONIQUES
301
-le point M étant sur la normale intérieure à S en N. En fixant e on obtient 1aUa~M) 1~ (B e) pour MN ~ l), d'où 1 U (M 2) U (Ml) 1~ (B e) Ô1 ,2, où Ô1,2 = M l M 2 • De là il s'ensuit que u (M) -+ u (N) lorsque M -+ N suivant la normale en N. On peut écrire par ailleurs
+
+
ô
u (M) - u (N)
=)
au
~~1)
dô 1 ,
o où Ml est un point variable sur la normale en N, ôl = N Ml et Ô = N M, ôl ~ Ô ~ l). De la majoration de la dérivée normale, il vient: 1 u (M) - u (N) 1~ (B e) ô, d'où l'on voit que u (M) -+ -+ U (N) uniformément par rapport à la position de N sur S. En tenant compte de ceci, il est aisé de prouver (11-2-7] que u (M) -+ u (N) quelle que soit la façon dont M -+ N, et que u (M) est continue dans Di. Les raisonnements sont les mêmes pour De. En définitive, si la fonction u (M) admet une dérivée normale régulière elle est continue dans Di (resp. De US). Donc, l'application des formules intégrales ci-dessus est subordonnée à la seule existence des dérivées normales régulières des fonctions u (M) et v (M). Tout ce qui a été dit à propos deD i s'étend au plan. Si l'on considère un domaine illimité dans le plan, on verra plus loin que les choses seront différentes.
+
11-2-10. Suites de fonctions harmoniques. Avant de passer à la résolution des problèmes aux limites pour l'équation de Laplace à l'aide des potentiels de simple et de double couche, on se propose d'établir quelques propriétés des fonctions harmoniques qui viendront compléter celles que l'on connaît déjà. Considérons des suites de fonctions harmoniques ou, ce qui revient au même, des séries de fonctions harmoniques. Toutes les démonstrations seront effectuées pour le plan. Dans l'espace, elles sont exactement les mêmes. Il suffit seulement de remplacer la formule de Poisson par la formule qui donne la solution du problème de Dirichlet pour la sphère. Le thé 0 r ème fondamental des séries uniformément convergentes de fonctions harmoniques présente une très grande ressemblance avec un théorème analogue de la théorie des fonctions d'une variable complexe régulières (tome 111 2 , (1-12]). Si les termes de la série 00
2J
k=f
Uh
(x, y)
(100)
sont des fonctions harmoniques à l'intérieur d'un domaine borné B et continues dans B et si cette série converge uniformément sur le contour
CH. II.
302
PROB~MES
AUX LIMITES
l de B, alors elle converge uniformément dans B et sa somme est une fonction harmonique dans B. Soit donné un nombre e > O. La convergence étant uniforme sur l, il existe un N tel que pour tout n ~ N et tout p > 0 l'on a n+p
1
~
(x, y) I~e «x, y) sont sur l).
Uk
k=n
Cette somme finie de fonctions harmoniques est une fonction harmonique à l'intérieur de B et continue dans B. En vertu de la propriété fondamentale des fonctions harmoniques relative aux extrémums sur le contour (tome II, [V11-3-3l), on peut affirmer que cette inégalité étant réalisée sur le contour l, elle le sera à fortiori en tout point intérieur, autrement dit elle est réalisée dans le domaine B, ce qui exprime la convergence uniforme de la série (100) dans B. Donc, la somme S (x, y) de la série (100) est une fonction continue dans B. Montrons qu'elle est harmonique dans B. Soient Mo un point quelconque de B et ~ 0 un disque de centre Mo et de rayon R tel que ~ 0 c B. Désignons par Sn (x, y) la somme partielle de la série (100). Cette somme est une fonction harmonique et les valeurs qu'elle prend en un point intérieur de ~ 0 s'expriment en fonction de celles qu'elle prend en un point frontière de ~ 0 à l'aide de la formule de Poisson:
où (p,
S(
) - _1 \ S (R) R2_ p2 d p,
autrement dit, à l'intérieur de ~ 0 la somme de la série (100) est exprimée par une intégrale de Poisson et par suite est une fonction harmonique. On rappelle que Mo est un point intérieur quelconque de B. On remarquera qu'on aurait pu démontrer de même que la série (100) est dérivable dans B par rapport à (p,
1
211:
(p,
u (R
o
k
Ô 'th)_
''Y
R2_p2
ôp R2_2Rpcos('i'-
d'th
'Y.
11-2-10. SUITES DE FONCTIONS HARMONIQUES
303
En multipliant les deux membres de la série (100) par a R2_p2 ôp R2_2Rp cos (",_cp)+p2 ~o,
et en intégrant le long de la frontière du disque
on trouve
00
as (p, ôp
cp)
=
~
~
ÔUk
(p, cp)
ap
•
k=l
Le théorème prouvé peut être formulé évidemment en termes de suites de fonctions harmoniques, soit: si une suite Sn (x, y) de fonctions harmoniques dans B et continues dans B converge uniformément vers une fonction S (x, y) sur le contour l, alors elle converge uniformément dans B. La fonction limite est harmonique dans B et la suite peut être dérivée autant de fois qu'on le veut dans B. Prouvons encore un théorème se rattachant au cas particulier où les termes de la série (100) sont des fonctions strictement positives. Etablissons au préalable un corollaire de la formule de Poisson. Une fonction u (p, cp) harmonique à l'intérieur d'un disque de centre Mo et de rayon p < R et continue dans le disque fermé, s'exprime à l'aide de la formule de Poisson: 231
R2_ p2 u(p, CP)=2n J ueR, 'i') R2_2Rpcos(",_cp)+p2 d'i'. 1
\
o Supposons par ailleurs que cette fonction est strictement positive. Comme 1 cos ('i' - cp) 1~ 1, on a
(R -
p)2~
R2 - 2Rp cos ('i' - cp)
+ p2~ (R + p)2,
et de la formule de Poisson il s'ensuit immédiatement que 231
231
R-p 1 \ R+p 1 \ R+p . 2n J u (R, 'i') d'i'~u (p, cp)~ R-p • 2n J u (R, 'i') d'l', o
0
ou, en vertu du théorème de la moyenne, (tome II, [VII-3-3)) R-p R+p R+p u (Mo)~u (p, cp)~ R-p u (Mo).
(101)
Cette estimation des valeurs prises par une fonction harmonique strictement positive à l'intérieur d'un disque par l'intermédiaire de la valeur prise au centre Mo de ce disque s'appelle inégalité deHarnack. Grâce à cette inégalité on peut établir le théorème suivant: Si une suite Sn (M) de fonctions harmoniques dans un ouvert B est strictement croissante et converge en un point Mo de B, alors elle con-
CH. II. PROBL'SlMES AUX LIMITES
verge en tout point de B, cette convergence étant uniforme dans tout domaine fermé BIC B. Par hypothèse, Sn +1 (M) ~ Sn (M) dans B. La suite étant convergente en Mo, pour tout B > 0 il existe un N tel que Sn +IJ (Mo) -
Sn (Mo) ~
B
pour n~ N et Vp > O. Soit ~o un disque fermé de centre Mo et de rayon R contenu dans B. La différence ci-dessus étant une fonction narmonique strictement positive, on peut écrire R+p
O<Sn+p(M) -Sn (M)~ R -p
B,
-où M est un point quelconque intérieur à ~ 0' et p, la distance de M il Mo. En considérant un disque ~~ de centre Mo et de rayon R - a, .où a > 0 est un nombre petit, on obtient dans le disque ~~ 2R
O~Sn+p(M)--Sn(M)~- 8, a
d'où il résulte que Sn (M) converge uniformément dans le disque ~~. En prenant un point Ml intérieur à ~~ en lequel converge Sn (M), on prouve par les raisonnements ci-dessus que Sn (M) converge uniformément à l'intérieur d'un disque de centre Ml strictement inclus dans B. En poursuivant cette procédure on arrive, comme dans le -cas d'un prolongement analytique, à prouver la convergence uniforme sur tout disque fermé strictement inclus dans B. Tout domaine fermé BI C B peut être recouvert par un nombre fini de disques c B, ce qui traduit la convergence uniforme de cette suite dans un tel domaine BI. A noter que de la convergence uniforme de la suite, il s'ensuit, en vertu du théorème précédent, que la fonction limite de ,cette suite est une fonction harmonique à l'intérieur de B. Le théorème ci-dessus peut être formulé en termes de séries, savoir: si les termes de la série (100) sont des fonctions harmoniques à ,l'intérieur de B et strictement positives à partir d'un certain n et si ,cette série converge en un point de B, alors elle convergera en tout point de B, cette convergence étant uniforme dans tout domaine fermé BI .strictement inclus dans B. On aurait pu démontrer le théorème pré-cédent pour des suites strictement décroissantes et respectivement pour des fonctions strictement négatives. 11-2-11. Position des problèmes aux limites intérieurs pour l'équation de Laplace. Soit Di un domaine de l'espace limité par une surface S. Le pro b 1 ème intérieur de D i r i chI e t consiste, ~n le sait, à chercher une fonction u (M), harmonique à l'intérieur de Di' continue dans le domaine fermé jj i et prenant sur S des valeurs données qui sont des fonctions continues sur S. Ce problème n'admet qu'une seule solution (tome II, [VIl-3~3l). On prouvera
II-2-1t. PROBLl!:MES AUX LIMITES POUR L'aQUATION DE LAPLACE
305
ultérieurement l'existence de cette solution moyennant certaines hypothèses sur S. Le problème se pose dans les mêmes termes ,dans le cas du plan. Dans le pro b 1 ème deN e u man n, ce n'est pas la fonction elle-même qui est donnée, mais les valeurs limites f (N) de la dérivée normale ÔU~:) lorsque M -+ N suivant la normale en N. Si l'on admet de plus que u (M) est douée d'une dérivée normale régulière, alors on peut appliquer la formule (93) à u (M) et v (M) 1 et obtenir
==
~) j(N)dS=O,
(102)
s donc cette relation est une condition nécessaire d'existence de la solution du problème intérieur de Neumann si la dérivée normale est régulière. A noter que si une fonction u (M) est solution du problème intérieur de Neumann, alors la fonction u (M) C, où C est une constante arbitraire, l'est également pour la même condition aux limites f (N). Le théorème d'unicité de la solution du problème de Neumann consiste à affirmer qu'il n'existe pas d'autres solutions, autrement dit, si Ul (M) et u 2 (M) sont deux solutions du problème de Neumann vérifiant la même condition aux limites f (N), alors la différence U2 (M) - Ul (M) est constante dans D. Cette proposition se démontre facilement si l'on admet que Ul (M) et U 2 (M) possèdent des dérivées normales régulières. La différence v (M) = U 2 (M) - Ul (M) possède alors une dérivée normale régulière dont les valeurs limites sont nulles, donc v (M) est continue sur Dt et en appliquant la formule (92) à v (M), on obtient:
+
~~
J[( ÔVô~»)2 + ( ÔVÔ~) )2 + ( ÔV;~) )2J dT=O,
Di
d'où il s'ensuit que v (M) est constante à l'intérieur de Di. Au (11-2-14] on prouvera l'unicité de la solution du problème de Neumann sans supposer l'existence de la dérivée normale régulière. A noter que dans les problèmes intérieurs de Dirichlet et de Neumann on peut admettre que la frontière S est composée de plusieurs surfaces fermées. Le pro b 1 ème a u xli mit e s m i x t e pour l'équation de Laplace consiste à trouver une fonction harmonique à l'intérieur de S vérifiant la condition aux limites
°
(
ÔUÔ~)
)1
+ p (N) u= f (N)
(N ES)
(103)
où p (N) > et f (N) sont des fonctions continues sur S, autrement di t, la condition aux limites est une combinaison linéaire de la dérivée 20-01017
306
. CH. II.PROBUlME8 AUX LIMITES'
normale et de la jonction elle-même sur S. Prouvons le théorème d'uni. cité en admettant que u (M) possède une dérivée normale régulière. S'il existait deux solutions, leur différence v (N) satisferait à la condition aux limites homogène
(ÔViJ~»)i+ p (N) v (N) =0.
(104)
En appliquant la formule (92) à v (M) et grâce à (104) on obtiendrait
))) [(Ôv~:1»)2+ (ÔV~:»)2 + (ÔV~~»)2Jd-c= _) 1p(N)v2(N)dS. S
Di
L'intégrale du second membre ne peut être strictement positive, celle du premier membre ne peut être strictement négative, autrement dit, elles sont toutes deux nulles, d'où il s'ensuit que v (M) = O. Tous les résultats précédents sont valables pour le plan. Jusqu'ici nous avons considéré des problèmes intérieurs qui impliquaient la détermination d'une fonction harmonique dans un domaine borné sous une condition aux limites. Nous passons maintenant à l'étude des pro b 1 .è mes e x t é rie urs qui consistent à trouver une fonction harmonique dans une partie illimitée de l'espace, extérieure à une surface fermée S (ou à plusieurs surfaces fermées). Le problème se pose de façon analogue pour le plan. La condition imposée à la fonction inconnue au voisinage du point à l'infini sera essentielle. Les approches de cette question seront différentes pour le plan et pour l'espace. Commençons par le plan. 11-2-12. Problèmes extérieurs pour le plan. On dit qu'une fonction u (M), harmonique au voisinage du point à l'infini, est régulière à l'infini si elle tend vers une limite finie lorsque M -+ 00 • Voyons la signification de cette définition. Construisons au voisinage du point à l'infini une fonction v (M) harmonique conjuguée de u (M) (tome 111 2 ; [1-2]). En contournant le point à l'infini dans le sens contraire aux aiguilles d'une montre, la fonction v (M) peut augmenter d'un terme constant que l'on désignera par 'V. La fonction de variable complexe
f (z) =
u (z)
+ v (z) i -
2~ ln z
est régulière au voisinage de l'infini et par suite se développe en une série de Laurent de z dans ce voisinage. Montrons que ce développement ne comprend aucune puissance strictement positive de z. En effet, s'il existait une infinité de tels termes, alors pour 1 z 1 -+ 00, la fonction f (z) prendr~it des valeurs aussi proches que l'on veut ·de tout nombre donnéà priori (tome 111 2 ; [1-17]) tandis que sa partie
11-2-12. pE,OBLeMESEX'l':tRIEUlilS 'POUR 'LE PLAN
307.
réelle, c'est-à:"dire u (z) - 2~ ln Izi ou bien tend vers l'infini si ,\,=I=Ot puisque par hypothèse u (z) possède une limite finie, ou bien tend vers une limite finie si '\' = O. Si les puissances strictement positives étaient en nombre fini,., c'est-à-dire si
on aurait alors u (z) -2~ln p=rpm cos (mcp
+ 'i') + + Re [ am_tZm-t + ... + a o + a;l + .. · J (z = pei
Um
= rei'l').
En divisant les deux membres de cette relation par pm et en faisant tendre p vers l'infini à cp fixe, on constaterait que le premier membretend visiblement vers 0 tandis que le second tend vers la quantité' r cos (mcp 'i') qui dépend de cp et qui n'est pas toujours nulle. Cett8' contradiction nous dit que le développement de f (z) ne peut contenirque le terme constant et les puissances strictement négatives:
+
f (z) = ao+ a-l + a-z22 z
+ ...
(105)
Lorsque 1 z 1 -+ 00, la fonction f (z) tend vers le nombre ao dond la constante,\, doit être nulle, autrement dit, si u (M) est holomorphe au point à l'infini et v (M) est son harmonique conjuguée, alors f (z) = = u (z) iv (z) admet le développement (105) au voisinage du point à l'infini. On voit à la lumière des raisonnements précédents que pour·,. aboutir à ce résultat, il suffit de supposer que u (M) est tout simplement bornée en module au voisinage du point à l'infini. De là s'ensuivra le développement (105) et par suite l'existence d'une limite finie de u (M) lorsque M -+ 00. Le problème extérieur de Dirichlet consiste à trouver une fonction' u (M), harmonique à l'extérieur d'un contour fermé l, holomorphe à l'infini et prenant des valeurs données f (N) surI. Soit Zo un point intérieur à 1. Considérons la transformation conforme du plan w = _1- • La partie du plan extérieure à l se transforme en un" Z-Zo domaîne borné B, les fonctions harmoniques, en fonctions harmoniques (tome 111 2 , [I1-1]), le point z = 00, en w = 0 et f (z) sera une fonction holomorphe de w pour w = O. Le problème extérieur de Dirichlet se transforme en problème intérieur pour le domaine image et le problème posé n'admettra qu'une seule solution.
+
20*
·CB.II. PltOBUlMES AUX LIMITES
En dérivant (105) par rapport à z et comme z"f' (J)
~
_. a";l pour 1 z 1 ~
00,
-on peut affirmer que si une fonction harmonique u (M) est holomorphe à l'infini, alors les produits pi :: et pl ;; , où p = 1z l, ~restent bornés lorsque M ~ 00. De là il s'ensuit qu'il en est de même j)our le produit p2 :: ' où m est une direction quelconque susceptible -de varier avec M. Si B est la région du plan extérieure au contour fermé l, et u (M) et v (M), des fonctions harmoniques dans B, continues à l'infini et continues avec leurs dérivées premières dans .B, alors
)J[(:: )2+( :; )2J dxdy u ( :: ) J[u (;~ L-v ( :: LJ ds=O, = )
B
e ds,
(106)
l
(107)
l
()ù D·am la normale à l extérieure à B. Ces formules se prouvent exactement comme au (11-2-9] pour l'espace. Il suffit d'indiquer que :sur le ,cercle C de centre fixe 0 et de rayon R, les produits
v(::):
~t
U(::)e
sont~ majorés par ;2 et la longueur du cercle est 2nR.
Comme au 111-2-9], les formules (106) et (107) restent en vigueur ~i au lieu de la continuité des dérivées premières dans B, on demande l'existence des dérivées normales régulières de U (M) et v (M). Passons au problème extérieur de Neumann avec la condition .aux limites (
ÔU
(N») e = f (N)
an
(N
El)
(108)
lorsque M ~ N suivant la normale en N et la fonction u (M) est ibolomorphe à l'infini. Supposons que le problème admet une solu,tion u (M) et que u (M) possède une dérivée normale régulière sur l. lEn traçant un cercle C de rayon R assez grand et en appliquant la iormule (107) àu (M) et à v (M) == 1 au domaine borné par l et C, l'()n obtient
~ l
L
(::), ds+
~
( ::), d,=O.
(109)
l
La dérivée ( :: étant de l'ordre de~2 sur C, l'intégrale étendue à Ctend 'vers 0 pour R ~ 00 et en vertu de (108) oh obtient à
11-2-12.
PROBU~MESEXT:eRIEURS
POUR LE PLAN
la limite
) f (N) ds= O.
(110}
1
On a ainsi établi cette condition nécessaire pour le problème intérieur de Neumann. En se servant de la formule (106), on peut dé.... montrer l'unicité de la solution du problème extérieur de Neumann pour une dérivée normale régulière (cf. (II-2-1fl). Dans l'espace. on n'aura pas une condition analogue à (110) pour la résolution du problème extérieur de Neumann. A noter' que la solution singulière fondamentale ln!r ne sera pas holomorphe à l'infini. Elle tend vers l'infini avec r. La deuxième solution singulière, cos q> ,qui correspond à un dipôle est holomorphe r et nulle à l'infini. Dans l'espace, non seulement le potentiel du dipôle mais aussi la solution singulière fondamentale!r sont nuls à. l'infini. Le potentiel de simple couche (81) qui définit une fonction harmonique à l'extérieur de ln' est pas en général holomorphe à l'infini. Si la charge totale est nulle, c'est-à-dire si )
~ (N) ds= 0,
(11f)
1
alors le potentiel (Bi) sera holomorphe. En effet, soit R = MNf)" En introduisant dans l'intégrale (111) le facteur ln R qui ne dépend pas de la variable d'intégration N, on peut mettre le potentiel (Bt) sous la forme
u (M) = ) fl (N) ln !f:-ds 1
et lorsque le point M -+ 00, l'expression ln Rr -+ 0 uniformément en N E l. On voit donc que le potentiel est bien holomorphe et nul à l'infini. Montrons encore une propriété des fonctions harmoniques. Supposons que u (M) est une fonction harmonique dans un disque centré en rorigine des coordonnées No, sauf éventuellement en No, et bornée en module dans ce disque. Montrons que lorsque M -+ No, la fonction u (M) admet une limite et si cette limite est égale à u (No), alors u (M) est harmonique dans le disque tout entier, y compris en No. Pour nous en assurer il suffit de reprendre les raisonnements qui nous ont conduits au développement (105) en remplaçant rinfini par l'origine.. Au lieu de (105), on aura
f (z) d'où notre assertion.
=
ao + a1z+ a2z2 + ... ,
CH.
'310
u.
PltOBumES AUX LIMITB8
11-2-13. Transformation de Kelvin. Pour étudier les fonctions harmoniques dans l'espace nous ne disposons plus du remarquable ()util mathématique qu'est dans le plan la théorie des fonctions d'une variable complexe et, en particulier, la transformation conforme qui transforme une fonction harmonique en une fonction harmonique. Cependant il existe dans l'espace une transformation ponctuelle d'un type spécial qui est douée de la même propriété, à savoir: si U (x, y, z) est une fonction harmonique dans un domaine D, alors la jonction IV
1 ( x ' , y , ,z ') =. --;r
(X' --;j"", r
U
y' --;z, r
Z')
~
r
('2 r = x '2
+ y '2 +. Z'2)
(112)
est harmonique dans le domaine D'image de D par l'application
.x
,
x =-2 ;
r
Y
, - _Y. -
r2
,
z' = -Z" r"
(113)
-!r et
que l'application réciproque
Signalons tout d'abord que r' =
de (113) est de la même forme, soit:
En coordonnées sphériques la formule (112) devient: v (r',
Comme u(r,
e,
e,
cp) =
+- +- ' e, U (
cp).
cp) est solution de l'équation de Laplace
\e utptp = 0
r 2u rr + 2ru r + SIn ~e (ua sin e)a + SIn .
et que de toute évidence
r'5 ( Vr'r' +
;,
v r') =
Urr
+ ~ Ur,
il s'ensuit immédiatement qu'il en est de même de v (r', e, cp). La transformation (113) est une symétrie par rapport à la sphère unitaire ~entrée en l'origine des coordonnées (tome II, [VII-3-6J). Si la sphère est de rayon R et de centre (a, b, c), les formules (112) et (113) deviennent:
.x' -a = R2 rl! (x-a)·,
y' -. b- W r 2 (y-' b)·,
[+ ""?2 Rl!j (' x., -
R u a v (x ' , y , ,z ') = -;;-
z' -c= ~ r (z-c)· l!'
a) , ....] ' .;,
r 2 = V (x-a)2+ (y_b)2+ (Z-C)2;
r'2= V (x' - a)2 + (y' - b)2 + (z' - C)2.
(114)
3H
11-2-13. TRANSFORMATION DE ltELVIN
La transformation (114) s'appelle transformation de Kelvin. Avant d'étudier la notion de fonction harmonique holomorphe au point à l'infini dans l'espace, on se propose de prouver une propriét-é des fonctions harmoniques qui a été établie pour le plan à la fin du numéro précédent. Soit u (M) une fonction harmonique dans une boule B o centrée en l'origine No des coordonnées, sauf éventuellement en No .et bornée en module dans B o. Montrons que lorsque M tend vers No, la fonction u (M) admet une limite et si cette limite est égale à u (No), .alors u (M) sera harmonique en No. En utilisant l'intégrale mentionnée au (tome II, [VII-3-6l) on peut construire une fonction Ul (M) harmonique dans la boule B 0 tout entière et prenant sur âB o les mêmes valeurs limites que la fonction u (M). Appliquons la transformation de Kelvin par rapport à la boule B o à la différence Ul (M) - u (M). La fonction image est harmonique à l'extérieur de B o, nulle sur âB o et tend vers 0 lorsque M' ~ 00. La dernière circonstance résulte de la forme de la formule (114) et du fait que u (M) est par hypothèse bornée au voisinage de l'origine des coordonnées. Comme une fonction harmonique prend ses valeurs -extrémales sur la frontière, on affirme que la fonction U l (M) - u (M) est identiquement nulle, autrement dit, Ul (M) u (M), et par suite u (M) est harmonique en l'origine des coordonnées. Soit u (M) une fonction harmonique en un point 0 que nous prendrons pour origine et en son voisinage. L'image de u (M) par la transformation de Kelvin par rapport à la sphère unitaire centrée ;en 0 est une fonction v (M') harmonique au voisinage du point à l'infini. Cette fonction tend vers 0 lorsque r' ~ 00 et en outre, de la formule (112), il s'ensuit aussitôt que le produit r'v (M') est borné ,"lorsque r ' ~ 00, d ·l t d e meme " d ôv av r , 2 az" av onc 1 en es e r' Z ax' ,r, 2 ay"
==
.ceci résulte du fait que les dérivées de la fonction u (M) sont bornées .au voisinage de l'origine. Réciproquement, si une fonction u (M), harmonique au voisinage du point à l'infini, est telle que le produit ru (M) est borné lorsque r ~ 00, alors sa transformée de Kelvin v (M') = ~ u (M) est harmonique et bornée au voisinage de l' orir gine des coordonnées, donc est harmonique en cette origine. Des raisonnements précédents il s'ensuit alors que les produits r2 :~ , .r2 ; ; , r 2 : : sont bornés pour r ~ 00. Supposons enfin que la seule information dont on dispose sur la fonction u (M) harmonique au voisinage du point à l'infini est qu'elle tend vers 0 lorsque r ~ 00, -c'est-à-dire que pour tout 8 > 0 donné il existe un A > 0 tel que 1 u (M) 1~ 8 dès que r;;;::: A. Construisons une boule B 0 centrée en l'origine et de rayon assez grand pour que u (M) soit harmonique à t'extérieur et sur âB o. Construisons une fonction Vl (M') harmonique
CH. II. ·PROBLM4ES AUX LIMITES
312
à l'intérieur de B o et prenant les mêmes valeurs limites sùr ôB o que u (M). Soit 11,1 (M) l'image de la fonction VI (M') par la transformation de Kelvin par rapport à B o. La différence 11, (M) - 11,1 (M) est une fonction harmonique à l'extérieur de B o, nulle sur ôB o, qui tend vers 0 lorsqtier ~ 00. On a vu plus haut qu'une telle fonction est identiquement nulle. Donc, 11, (M) == 11,1 (M). On a vu par ailleurs que 1es .produits rUt
_2 ôu!(M) (M) , r ôx '
r
2 ôu!
(M) ôy
t
r
2
au! (M) ô:
(A 15) ~
sont bornés pour r ~ 00. On remarque donc que la convergence de 11, (M) vers 0 lorsque r ~ 00 entraîne que les produits (115) pour 11, (M) restent bornés lorsque r ~ 00. On dira qu'une fonction u (M), harmonique au point à l'infini, est régulière au point à l'infini si u (M) ~ 0 pour r ~ 00. Si l'on sait seulement que u (M) converge vers une limite finie b, alors on peut dire qu'une telle fonction est égale à la somme de la constante b et d'une fonction harmonique régulière au point à l'infini. Si pour des fonctions 11, (M) et v (,M) harmoniques à l'extérieur d'une sùrface S les produits (115) sont bornés et si ces fonctions possèdent sur S des dérivées normales régulières, alors comme on l'a vu au [II-2-91, elles sont justiciables des formules (94) et (95) dans lesquelles l'intégration est étend ue à la région de l'espace extérieure à S. Le pro b 1 ème e x t é rie u r d e D i r i chI e t consiste à trouver une fonction u (M) harmonique à l'extérieur de S, régulière au point à l'infini, continue à l'extérieur de S et sur S et prenant sur S des valeurs f (N) données à priori. En plaçant l'origine des coordonnées en un point Mo intérieur à S, on ramène par une transformation de Kelvin le problème extérieur de Dirichlet à un problème intérieur pour le domaine image. On démontre l'unicité de la solution du problème extérieur par les raisonnements habituels. L'existence de la solution du problème extérieur se ramène à celle de la solution du problème intérieur, laquelle peut être établie sous des hypothèses générales sur la surface avec des conditions aux limites continues. Signalons la différence qui existe dans les positions du problème extérieur de Dirichlet pour le plan et pour l'espace. Dans le cas plan nous avons donné les conditions aux limites sur la frontière et avons simplement exigé que la fonction tende vers une limite finie lorsque r ~ 00. Dans l'espace, nous imposons cette limite, à savoir nous la supposons égale à o. Il est évident qu'on aurait pu admettre que la fonction u (M) tend vers une limite b pour r ~ 00 et revenir à la position précédente en considérant la différence u (M) - b. Il est immédiatde voir que dans l'espace il ne suffit pas d'exiger que u (M)tende vers une limite finie lorsque r ~ 00 pour que le pro-
II-2-14. UNIClT:e DE LA SOLUTION DU PROBUlME DE NEUMANN
313
blème extériéur soit bien posé. En effet, supposons qu'une certainequantité d'électricité se trouve en équilibre sur une surface conductri-ce S. Ce potentiel électrostatique de simple couche sera égal à une~ constante c sur S et de plus on démontre sans peine que U (Ml est une fonction harmonique à l'extérieur de S et tend vers pourr ~ 00. La constante c sera elle aussi une fonction harmonique à l'extérieur de S et prendra sur S les mêmes valeurs limites, mais elle ne sera pas régulière au point à l'infini au sens de notre définition. Dans le plan, ce raisonnement n'a pas de sens, car le potentiel électrostatique de simple couche sur une courbe l est infini à l'infini. Signalons encore que la fonction u (M) est dite harmonique à l'extérieur de S dans le cas seulement où elle est régulière à l'infini, c'està-dire que certains auteurs incluent dans la définition d'une fonction harmonique à l'extérieur de S la régularité au point à l'infini. Le pro b 1 ème e x t é rie u r deN e u man n consiste à trouver une fonction harmonique à l'extérieur de S, régulièreà l'infini dont la dérivée normale prend des valeurs données sur S. Les valeurs frontières de la dérivée normale ne doivent plus satis-faire ici à la condition (110). La démonstration de cette conditiol1 dans le cas plan ne s'étend pas à l'espace, car l'aire de la sphère de· rayon R est de l'ordre de R2 et l'intégrale de :: sur une sphère derayon assez grand ne doit pas tendre vers lorsque R ~ 00. Si l'on suppose que la solution du problème extérieur de Neumann possède· une dérivée normale régulière, alors l'unicité de la solution résulteimmédiatement de la formule (94). Nous avons effectué le même· raisonnement pour le problème intérieur de Neumann. Signalons en conclusion que les propriétés de la fonction harmonique au voisinage du point à l'infini peuvent être directement acquises à partir du développement de cette fonction suivant desfonctions sphériques au voisinage du point à l'infini.
°
°
11-2-14. Unicité de la solution du problème de Neumann. On sepropose de prouver l'unicité de la solution du problème intérieur de Neumann sans supposer que la dérivée normale est régulière. On considère au préalable un solide de forme spéciale sur lequel on. construit une fonction harmonique douée de propriétés qui seront précisées plus bas. Soit T (ex, k, h) un solide limité par la surface1+a
J=
+ y2)-2-
k (x 2
et le plan z = h, où k, ex et h sont des constantes strictement positi-ves. Soit No (0, 0, 0) le sommet de ce solide. Désignons par a' laI portion de frontière contenue dans le plan z = h et par a" la portion restante. Soit par ailleurs Uo et Ul deux constantes réelles telles queU o < Ul. Con.struisons une fonction w (M) harmonique à l'intérieur-
CH. II. PROBLœiES AUX LIMITES
'314
.(le T (ex, k, h), continue dans T (ex, k, h) et telle que w(M) < Ut sur 0', w (M) ~ U o sur 0" et w (No) = u o. Si r = V x 2 y2 Z2, 8 est l'angle du rayon vecteur de M et de l'axe NoZ, et P n (x), la fonction de Legendre (tome 111 2 , [VI-1-131), alors on sait (tome 111 2 , tVI-1-7l) que pour tout n la fonction rnP n (cos 8) sera harmonique à l'intérieur de T (ex, k, h). Construisons w (M) de la forme w (M) = Y [r cos 8 r 1 +PPl+P (cos 8)] Uo, (117)
+ +
+
+
·d'où il vient oc
+~ 2.LJ
P (0)=1- (n+1)n . n
(_1)h(n+k)(n+k-1) ... (n-k+1) (k!)22h'
k=2
-ou k
oc
Pn(O)=- (n-1)i + ) +~ (-1)k[IT n
2
k=2
(n+s)~s;-s+1)
J.
s=1
{)n admet que 1 < n < 2, de sorte que les facteurs correspondant à s = 1 et s = 2 sont> 0 et les k - 2 autres,
0<
(n+s) (s-n-1) = 2s2
s2- n 2- s - n 2s2
< J.2
(= 3 4 S
)
" . •• •
Donc, en isolant les deux premiers facteurs, on obtient l'inégalité: P n (0) <
_
oc
(n-1) (n+ 2) 2
+ LJ ~
(n+2) (n+ 1) n (n-1). _1_ 16 2k- 2 ,
k=2
·autrement dit,
P n (0) <
(n-1)2(n+2) [(n+ 1) n 8
+
1
J,
.(l'où s'ensuit que P n (0) < 0 si n 2 n < 8. On a donc prouvé (118) pour tous les ~ > 0 assez proches de O. Fixons un ~ vérifiant cette -condition et tel que ~ < ex, où ex est celui de l'équation (116). Comme .z = r cos 8, on obtient sur S
11-2-14. UNICITg DE LA SOLUTION DU PROBL1l:ME DE NEUMANN
315
où et en définitive r cos
e + r1 +PPl+f3
e) =
(cos
r1+~
[krct. -13 sin 1 +a e
+P
1
+f3 (cos e)l.
Si r ~ 0, alors e ~ ~ et en vertu de (118) et de ~ < ex, les crochets tendent vers une limite < O. On peut donc prendre un h> 0 assez petit pour que sur la portion (J" tout entière l'on ait r cos e r1+f3 P 1 +f3 (cos e)~ O. (119)
+
Prenons enfin y > 0 assez petit pour que la formule (117) nous donne w (M) < Ul sur (J'. La fonction w (M) construite satisfait à toutes les conditions mentionnées. Sur l'axe du solide T (a, k, h), c'est-àdire sur l'axe NoZ on a w (M) = Y (z Zl+f3 ) Uo (z > 0).
+
+
Si M est un point variable de cet axe, alors w (M)-w (N) .
z
0
=y+yzf3>y.
(120)
Prouvons maintenant le Thé 0 r ème. Si u(M) est une fonction harmonique à l'intérieur d'un domaine Di et distincte d'une constante, u o, la borne inférieure de u (M) à l'intérieur de Di et si existe un point No sur S tel que u (M) ~ U o lorsque M ~ Node l'intérieur, alors lorsque M ~ No suivant la normale à S en No, le rapport u (M)-u (Nu)
NoM
(121)
>y,
où y > 0 est un nombre quelconque. On admet qu'il existe un solide T (a, k, h) tangent à S en No et dont tous les points sauf No sont intérieurs à S. Prenons h fixe assez petit pour que l'on ait (119) sur la portion (J" de la surface du solide. Soit u1 la plus petite valeur de u (M) sur (J'. La fonction u (M) n'étant pas constante, on a U o < Ul' En choisissant y assez petit, on peut construire une fonction w (M) douée des propriétés mentionnées plus haut et telle que w (No) = u (No) et w (N) < u (N) sur le reste de la surface de T (a, k, h). En orientant l'axe NoZ dans le sens de la normale intérieure à S en No, on obtient u(M)-u(No) NoM -
ce que nous voulions.
K(M)-.(N o) z
>
w(M)-w(No) z
>
y,
(122)
316
CH. II. PROBL1!:MES AUX LIMITES
Ce théorème entraîne immédiatement l'unicité de la solution du problème de Neumann au sens suivant: Si une fonction u (M) harmonique à l'intérieur de Di est continue dans ÏJ i et (a~~N») i = 0 sur la surface S tout entière, alors u (M) est constante,. Soit No le point de S en lequel u (M) présente son minimum. De (122) il résulte aussitôt que la dérivée suivant la normale en No ne peut tendre vers 0 lorsque M ~ No suivant la normale en No. Si cela était vrai, la formule des accroissements finis nous donnerait u (M)-u (No) ~ 0 J
J
ce qui contredit (122). L'unicité de la solution du problème extérieur de Neumann se prouve exactement de la même manière. La démonstration exhibée a été donnée dans le travail commum de M. K e 1 d Y c h et M. L a v r e n t i e v (DAN SSSR, 1937,. 16, nO 3). La démonstration du théorème d'unicité est élémentaire dans le cas où la surface S est tangente intérieurement à une sphère (S. Z a-: rem b a, UMN, 1946, 1, nOS 3-4). 11-2-15. Résolution des problèmes aux limites dans l'espace. Posons les problèmes intérieurs de Dirichlet et de Neumann pour un domaiBe Di limité par une surface S. On cherchera la solution du problème intérieur de Dirichlet sous la forme d'un potentiel de double couche:
u (M) =
JJ
fA. (N) cos ~~. n) dS,
(123)
8
-+
où r= MN etn est la normale extérieure au point N de S. On cherche la densité fA. (N). En vertu de la première formule (42), le problème intérieur de Dirichlet avec la condition aux limites (124) (U)i 18 - t (N) est équivalent à l'équation intégrale suivante pour la densité fA. (N) : t(N o)=
JJfA.(N)
cos~o.
8
n)
dS+2nfA.(N o)
(ro = NoN).
0
En considérant le noyau K (N . N) o,
= __1_ 2n
cos (ro. n) r~
,
on peut mettre cette équation sous la forme: Jl (No) =
2~ t (No) +
JJIl (N) K (No; N) dS. 8
(125)
11-2-15. ReSOLUTION DES PROBL:I!:MES AUX LIMITES DANS L'ESPACE
31't
Le noyau K (No; N) n'est pas symétrique, car la normale est prise -~ en N et r o = NoN. On obtient le noyau transposé de l'équation adjointe (tome IVu [1-9]) en prenant la normale en No et r o = NN o• Le noyau transposé KI (No; N) est donc défini par la formule: ~
K 1 (N 0 ., N) -- K (N'' 0 N ) --
cos (ro, no) 2nr~
(126)
,
"0 est la normale extérieure en No.
Nous avons changé le signe du noyau, car le sens de r o a été inversé dans KI (No; N) et conservé dans la formule (126). Cherchons la solution du problème intérieur de Neumann avec la condition aux limites OÙ
(127) sous la forme d'un potentiel de simple couche: U
(M) =
JJ s
fi
~N) dB.
(128)
La première formule (49) nous conduit à une équation intégrale équivalente au problème posé:
f (No) =
) ) fi (N) cos (~r no) dB + 211;J.' (No).
s Cette équation peut être mise sous la forme
J.' (No) = 2~ f (No) - ) ) Jt (N) KI (No; N) dB. (129) s De façon analogue, les deuxièmes formules (42) et (49) nous donnent pour les problèmes extérieurs de Dirichlet et de Neumann avec les conditions aux limites (Ue>ls= f (N) ;
( auan(N) ) • = f (N) les équations intégrales
JI (No) = -
2~ f (No) +
) ) JAr (N)
cos
(;r
n)
dB,
s JAr
(N 0) =
-
_1_
2n
f (N 0) + J{" J{" JI (N) s
cos (ro, no) dB 2nr2 , 0
dont les solutions sont cherchées sous la forme (123) (pour le problème de Dirichlet) et (128) (pour le problème de Neumann).· Consi"
CH;;, U.
318
PROB~~ES Â, UX
LIMITES
dérons les équatjOD,S
~ (No) = q:> (No) + Â ,
f1 (No) =
JJf1 (N)K (No; N) dS,
(132)
S
+ Â JJf1 (N) KI (No;
N) dS,
(133)
S
où Â est un paramètre. L'équation (132) correspond au problème intérieur de Dirichlet pour Â= 1 et
blème extérieur de Dirichlet, pour Â- -1 et
IK(N o ; N)I~-, r
(134)
et l'on peut admettre que les équations (132) et (133) sont justiciables des théorèmes fondamentaux de la théorie des équations intégrales (tome IVll (1-10]). 11-2-16. Etude des équations intégrales. Soit l'équation homogène J.t(No)=Â
l l f1(N)K(N o ; N)dS.
(135)
s
L'étude de cette équation est élémentaire si la surface S est convexe. Dans ce cas cos (rD, n) ~ 0 et K (No; N) ~ O. Supposons que f1 (N) est une solution non triviale de l'équation (135) et soit No le point en lequel 1 f1 (N) 1 prend sa valeur maximale. Si f1 (N) =1= const, alors
ou en vertu de (26) (No) 1 < 1  " f1 (No) 1 (IJ. (No) =1= 0), d'où 1 1 > 1. Si dans la formule (135) on admet que IJ. (N) = = const =1= 0 alors la formule (136) nous donne encore  = - 1. Par conséquent, si S est une surface convexe, alors  = 1 n'est pas une valeur propre de l'équation (135) et  = - 1 est une valeur, propre simple et la fonction propre correspondante IJ. (N) est cons1 f1
11-2-16. STUDE DES SQUATlONS IN!fSGilALES
319'
tante. On peut donc affirmer que').. = 1 n'est pas une valeur proprede l'équation (133) et ').. = - 1 en est une simple. . Montrons maintenant que ces résultats sont valables pour toute surface de Liapounov avec Cl = 1 en utilisant pour cela les résultats du [11-2-9] qui sont basés sur la possibilité de construire des surfacesparallèles. Considérons l'équation (133) et l'équation homogènecorrespondante pour').. = 1 : J.t (No)
=
JJ~ (N) KI (No; N) dS.
(136)
s
Soit ~o (N) une solution continue de cette équation. Il nous faut. prouver que ~o (N) O. Le potentiel de simple couche de densité~o (N) définit une fonction U o (M) harmonique dans Di et De, continue dans l'espace tout entier, dont la dérivée normale (au~~N)) e prend des valeurs nulles sur S. Cette dernière circonstance résulte-' du fait que ~o (N) est par hypothèse solution de l'équation (136). Le potentiel de simple couche U o (N) est justiciable de la formule (94) d'où il résulte que U o (N) est constante dans De. Le potentiel desimple couche est nul à l'infini, donc U o = 0 dans De et en particulier sur S. Ceci étant, la fonction harmonique U o (M) est nulle à l'intérieur de S aussi, autrement dit U o (M) 0 dans l'espace tout. entier. En tenant compte de (54), on obtient':
==
==
f-lo
(N) = _1 [( 4n _
auoan(N)
) _ i
(
auoan(N)
) e
J== 0
(sur S),
c.q.f.d. On peut donc affirmer que').. = 1 n'est pas une valeur propre des équations (132) et (133). Pour').. = - 1, l'équation homogène (135) possède, en vertu de (26), une solution constante, autrement dit  = - 1 est une valeur propre des équations (132) et (133). Montrons qu'elle est simple. Il suffit à cet effet de prouver que pour ').. = - 1 l'équation homogène (133), soit: f-l (No)
= - ) ) f-l (N) KI (No; N) dB,
(137)
s
ne possède qu'une seule fonction propre à un facteur constant près. Soit f-li (N) une fonction propre de l'équation (137). Le potentiel de simple couche de densité f-li (N) définit une fonction UI (M) harmonique dans Di dont la dérivée normale (alt~~N») i est nulle sur S. Comme plus haut, la formule (92) nous dit que UI (M) est constante dans Di et sur S, c'est-à-dire que la densité f-li (N) définit un poten~ tiel de simple couche constant sur et à l'intérieur de S. Autrement dit, f-ll (N) est une densité électrostatique.
~20
CH. Il. PROBL:E:MES AUX LIMITES
Montrons que l'intégrale
JJ III (N) dS, s
(138)
qui donne la quantité totale d'électricité en équilibre sur la surface conductrice Sn'est pas nulle. Comme indiqué plus haut, la fonction 'ul (N) est constante dans D et la formule (54) nous donne N) =
III (
__ 1 (au! (N) ) 4n an ,.
(139)
:Si l'intégrale (138) était nulle, on aurait
JJ( au~~N) ). dS s
= O.
(140)
Appliquons la formule (94) à UI' La fonction Ul est constante ;sur S et l'intégrale (140) est nulle. Il s'ensuit que les deux membres de la formule (94) sont nuls pour U = Ul' autrement dit Ul est constante dans De et la formule (139) nous dit que III (N) est nulle sur S, or nous avons admis que III (N) est une solution de l'équation (137), non identiquement nulle. Donc, l'intégrale (138) n'est pas nulle. En multipliant III (N) par une constante, on peut faire prendre n'importe quelle valeur à l'intégrale (138). Montrons maintenant que l'équation (137) admet une seule solu-tion à un facteur constant près. Soit 112 (N) une solution quelconque non triviale de cette équation. Il existe une constante C telle que l'intégrale (138) est nulle par la substitution de 112 (N) - Cil! (N) à ""1 (N). Ceci étant, 112 (N) - Clll (N) est également solution de l'équation (137), donc d'après ce qui vient d'être prouvé, 112 (N) - Clll (N) ==0 sur S, d'où 112 (N) = Clll (N), c'est-à-dire que la formule Il (N) = Clll (N) nous donne toutes les solutions de l'équation (137). Des raisonnements précédents il s'ensuit que les équations (132) et (133) possèdent une solution bien définie pour Â, = 1 quel que soit le terme constant, ce qui donne par conséquent la solution du problème intérieur de Dirichlet et du problème extérieur de Neumann. Voyons maintenant l'équation (133) pour Â, = - 1. Cette équation définit la densité du potentiel (128), solution du problème intérieur de Neumann. Pour que ce problème admette une solution, il est nécessaire et suffisant que le terme constant de l'équation intégrale soit orthogonal à une fonction propre de l'équation homogène associée, c'est-à-dire à une constante. Ceci nous conduit à la condition
JJ f(N) dS=O s
(141)
II-2-16.~TUDE
DES
~QUATIONS INT~GRALES
321
qui, nous l'avons vu plus haut, est nécessaire. Cette condition est également suffisante. Si cette condition est remplie, la solution de l'équation non homogène est définie à un terme additif près qui est solution de l'équation homogène (137), c'est...à-dire à un terme additif près qui est la densité électrostatique. La substitution de ce terme dans le potentiel de simple couche nous donne un potentiel constant et le terme constant ne joue pas de rôle fondamental dans la résolution du problème intérieur de Neumann. Considérons maintenant l'équation (132) pour  = - 1, ce qui correspond au problème extérieur de Dirichlet. Pour que cette équation admette une solution, il est nécessaire et suffisant que le terme constant soit orthogonal à la solution de l'équation homogène (137), c'est-à-dire à la densité électrostatique J.f.t (N) :
JJJlt (N) t (H) dS= a.
(142)
B
Cette condition subsidiaire n'est pas liée au fond du problème, elle est due simplement au fait que l'on cherche la solution du problème extérieur de Dirichlet sous la forme d'un potentiel de double couche. De la forme d'un tel potentiel il s'ensuit immédiatement que pour r ~ 00 il tend vers a comme lIr 2 • Cette convergence rapide n'est pas nécessaire à la résolution du problème extérieur de Dirichlet, par contre elle est à l'origine de la condition subsidiaire (142). Montrons qu'on peut résoudre le problème extérieur de Dirichlet sans imposer aucune condition supplémentaire à t (N), à l'aide de la somme d'un potentiel de simple couche et d'un potentiel de double couche. En effet, soient ""1 (N) la densité électrostatique pour laquelle l'intégrale (138) est égale à l'unité, et U1 (M), le potentiel de simple couche correspondant. Le potentiel U1 (M) prend sur S des valeurs égales à une constante k =1= a.Choisissons une constante c telle que
JJ""1 (N) [f (N) -cJ dS = a, B
c'est-à-dire posons c=
Js ~ ""1 (N) f (N) dS.
On peut, d'après ce qui précède, former un potentiel de double couche w (M), solution du problème extérieur de Dirichlet avec les valeurs frontières t (N) - c. Alors la somme w (M) 21-01017
c + TUt (M)
322
CH. II.· PROBU;MES AUX LIMITES
sera solution du problème extérieur de Dirichlet avec des valeurs de f (N) données sur S. Rem a r que. Dans ce numéro, on a admis que le domainedans lequel est résolu le problème aux limites est borné par une seule surface S. Les résultats seront différents si D est limité extérieurement par une surface So et intérieurement par des surfaces Sk (k = 1, 2, ... , m). Dans ce domaine, on cherchera la solution du problème de Dirichlet sous la forme d'un potentiel de double couche. Pour la densité on obtient comme toujours l'équation (132} avec  = 1, S étant la frontière de D, c'est-à-dire que S est composée de So et de Sk (k = 1, 2, ... , m), la normale à Sk étant orientéevers l'extérieur de D, c'est-à-dire vers l'intérieur de Sk (k = 1, ... . . . , m). On a donc affaire à un problème intérieur de Dirichlet. L'équation (133) avec  = 1 définit un problème extérieur de Neumann qui consiste ici à trouver une solution harmonique à l'intérieur de chaque surface S k et à l'extérieur de S 0' les valeurs de la dérivéenormale étant données sur ces surfaces. La solution cherchée est comme toujours régulière à l'infini. Si les valeurs frontières de la dérivée normale sont nulles, on obtient alors l'équation homogène (133) avec  = 1. On vient devoir que cette équation n'admet que la solution triviale si D est limité par une seule surface. Il en va autrement dans le cas considéré. Supposons en effet que toutes les surfaces sont conductrices. Disposons sur Sl une charge électrique positive unitaire, relions la. surface So à la terre et admettons que toutes ces surfaces soient lesiège d'un régime électrostatique. On obtient ainsi une distribution induite à charge totale nulle sur les surfaces S l (l = 2, ... , m). Soit III (N) la densité de la distribution électrostatique obtenuesur S. Le potentiel de simple couche ayant une telle densité sera de toute évidence constant à l'intérieur de chaque surface Sk et nul à l'extérieur de So, autrement dit il sera solution du problème extérieur de Neumann avec une condition aux limites homogène. En d'autres termes, III (N) sera solution de l'équation homogène (133} pour  = 1. En disposant une charge électrique positive unitairesuccessivement sur chaque surface S k, on obtiendra m solutions l!k (N) linéairement indépendantes de l'équation homogène (133) pour  = 1. On montre que les fonctions Ilk (N) constituent un système complet de solutions linéairement indépendantes. On voit donc que dans le cas envisagé la valeur  = 1 est une valeur propre des équations (132) et (133). Pour que l'équation (132) admette une solution, il est nécessaire et suffisant que f (N) vérifie les m conditions
Jrf (N) !-tk (N) as = o. s
II-2-17. ReSULTATS RELATIFS AUX PROBUlMES AUX LIMITES
323
Si l'une au moins de ces conditions n'est pas satisfaite, alors le problème intérieur de Dirichlet n'admet pas de solution sous forme d'un potentiel de double couche. On démontre que ce problème admet une solution sous forme de la somme d'un potentiel de double couche et d'un potentiel de simple couche, comme on l'a fait plus haut pour le problème extérieur de Dirichlet. L'étude détaillée des problèmes de la théorie du potentiel dans le cas où la frontière est constituée de plusieurs surfaces est accessible dans l'ouvrage de N. M. G u n ter, La théorie du potentiel et ses applications aux problèmes fondamentaux de la physique mathématique. Paris, 1934. On a établi plus haut l'unicité de la solution du problème de Neumann sous réserve que la fonction harmonique cherchée soit continue dans D. Des raisonnements précédents, il s'ensuit que cette solution unique se représente par un potentiel de simple couche. II-2-17. Sommaire des résultats relatifs aux solutions des problèmes aux limites. Récapitulons les résultats relatifs à la résolution des problèmes de Dirichlet et de Neumann et exhibons-en de nouveaux. Pour toute fonction f (N) continue sur S, l'équation (125) définit une densité Il (N) continue, telle que le potentiel de double couche (123) donne la solution du problème intérieur de Dirichlet avec la condition aux limites (124). L'équation intégrale adjointe (131 2) définit une densité continue Il (N) telle que le potentiel de simple couche (128) est solution du problème extérieur de Neumann avec la condition aux limites (130 2 ). Si f (N) satisfait la condition (141), alors l'équation (129) définit une densité ,.... (N) telle que le potentiel de simple couche soit solution du problème intérieur de Neumann. Faisons quelques remarques importantes sur la résolution des problèmes de Neumann. Dans les équations (129) et (131 2 ), l'intégrale du second membre satisfait à la condition de Lipschitz [11-2-6]. Si la fonction f (N) vérifie aussi une telle condition, alors les équations mentionnées nous disent qu'il en de même de Il (N). Or de [1I-2-7] il résulte que le potentiel de simple couche correspondant~ c'est-à-dire la solution du problème de Neumann, non seulement est continue dans D~ mais possède des dérivées partielles premières qui le sont également.
Revenons maintenant à la condition (141) d'existence d'une solution du problème intérieur de Neumann. On a établi cette condition en admettant que la solution u (M) possède une dérivée normale régulièr~. Donc, u (M) doit être continue dans D [11-2-9]. Montrons que la nécessité de la condition (141) résulte de la seule continuité de u (M) dans D. Supposons que f (N) ne satisfait pas à cette condition, mais que le problème de Neumann admet tout de même une solution u (M) continue dans D et montrons qu'il y a contradiction.
324
CH. II. PROBLEMES AUX LIMITES
On a par hypothèse
JJ 1(N) dS * 0, s
et l'on peut choisir une constante C
ii [1
(N)-
*
0 telle que
Cl dS = o.
s
D'après ce qui a été dit plus haut, on peut construire une solution u 1 (M) du problème intérieur de Neumann avec la condition aux limites (
au~~N)
)i=
1 (N) - C
sous la forme d'un potentiel de simple couche à densité continue, ét cette solution est continue dans D. La différence U2 (M) = = u (M) - Ul (M) est également continue dans i5 et satisfait la condition aux limites (
au~::'T)
L= C.
Quitte à changer le signe de U 2 (M), on peut admettre que C > O. La fonction U 2 (M) atteint sur S son minimum en un point No, or ceci contredit le fait que lorsque M -+ No suivant la normale à S en No, la dérivée a~~) tend vers la constante C > O. Donc, la nécessité de la condition (141) résulte de la continuité de la solution cherchée dans D. Nous avons indiqué plus haut les propriétés des dérivées des solutions du problème de Neumann à l'approche de la surface S. L'étude analogue de la solution du problème de Dirichlet est plus compliquée du fait que cette solution se représente par un potentiel de double couche. Le potentiel de double couche a été étudié par A. Lia pou nov dans le travail mentionné plus haut ainsi que dans Sur le principe fondamental de Neumann dans le problème de Dirichlet (1902). Enumérons les résultats obtenus par A. Liapounov sur le potentiel de double couche et la résolution du problème de Dirichlet. 1. La valeur prise sur S par le potentiel de double couche w (N) de densité continue est une fonction vérifiant la condition de Lipschitz dans un rapport quelconque < 1. 2. Si le potentiel de double couche de densité continue possède une dérivée normale régulière d'un côté de S, alors il possède une dérivée normale régulière de l'autre côté aussi et ces dérivées normales sont égales en tout point de S. 3. Pour que la solution du problème intérieur ou extérieur de Dirichlet qui prend des valeurs f (N) continues sur S, possède une dérivée normale régulière, il est nécessaire et suffisant que le potentiel de double couche de densité f (N) possède une dérivée normale régulière sur S. Ce théorème a été prouvé dans l'hypothèse que le nombre ct qui figure dans la condition (3) soit égal à 1. 4. Soient F (x, y, z) une fonction continue avec ses dérivées premières et secondes, définie dans un voisinage de S, et 1 (N), la valeur prise par F (x, y, z)
II-2-18.
PROBL~MES
AUX LIMITES DANS LE PLAN
325
sur S. Sous ces conditions la dérivée, suivant une direction quelcmique fixe, d'une fonction u (M) harmonique dans Di ou De et prenant les valeurs f (N) sur S est continue dans DioU De US. Ce théorème a été établi' sans admettre que ct = 1. A. Liapounov a prouvé aussi une condition suffisante pour que le potentiel de double couche possède une dérivée normale régulière. Exhibons-la. Soit No un point de S qui est pris pour origine des coordonnées polaires (p, 8) dans le plan tangent à S en No. Les valeurs de la densité l.l (N) au voisinage. de No peuvent être traitées, par projection de N sur le plan tangent, comme une fonction de p et de 8. Posons 2:rt
Jr l.l(p,
1 ~(p)= 2n
8)d8.
o La condition indiquée ci-dessus se ramène à la suivante: il existe deux nombres > 0 et ~ > 0, tels que pour tout point No l'on ait
b
I~ (p)-~ (No) 1 ::;;; bpfH-1.
Ce théorème a été prouvé par Liapounov dans l'hypothèse que ct = 1. D'autres résultats relatifs à la théorie du potentiel newtonien de volume de simple et de double couche, ainsi qu'à l'étude du problème de Dirichlet sont accessibles dans l'ouvrage déjà cité de N. Gunter et dans l'article: Kh. S m 0 1 i t ski, Estimations des dérivées des fonctions fondamentales. DAN SSSR, 1950, 24, nO 2.
11-2-18. Problèmes aux limites dans le plan. Les problèmes de Dirichlet et de Neumann dans le plan se traitent exactement comme dans [11-2-15]. La solution du problème de Dirichlet est cherchée sous la forme d'un potentiel de double couche u (M) = ) ~ (N) cos (~' n) ds,
(144)
l
et celle du problème de Neumann, sous la forme d'un potentiel de simpIe couche: u (M) =
i~ l
(N) ln
+
ds.
(145)
On obtient les équations ,intégrales suivantes pour la densité:
i
~(No)=cp(No)+Â ~(N)K(No; N)ds,
(146)
l
~ (No) =
cp (No)
+ Â ~ ~ (iV) K
l
(No; N) ds,
l
où
(r o= NoN).
(147)
326
CH. II. PROBLeMES AUX LIMITES
L'équation (146) correspond au problème intérieur de Dirichlet f (No) et au problème extérieur de Diripour  = 1 et qJ (No) = ~ :Tt chlet pour  = - 1 et cp (No) = _...!f (No). L'équation (147) défi:Tt nit le problème extérieur de Neumann pour  = 1 et qJ (No) = = _..!. f (No) et le problème intérieur de Neumann pour Â=-1 :Tt . et qJ (No) =..!..f (No). Dans tous ces cas, la fonction :Tt dans la condition aux limites. L'équation (146) peut être mise sous la forme
qJ
(No) figure
lo
P- (so) =
qJ
(so)
+ Â l p- (s) K (so, s) ds,
- -
o
où set So sont les longueurs des arcs LN et LN0 du contour l, mesurées à partir d'un point fixe L dans un sens donné, lo la longueur du contour l. L'équation (147) s'écrit de façon analogue. Les noyaux K (so; s) et KI (so; s) sont continus sous les hypothèses imposées au contour l dans (I1-2-8l. Comme au [11-2-16], le nombre  = 1 n'est pas une valeur propre et  = - 1 est une valeur propre simple. Ceci étant, pour l'équation (146), la fonction propre associée à cette valeur propre est une constante et pour l'équation (147), c'est la densité électrostatique P-o (N) pour laquelle le potentiel de simple couche (145) est constant sur et à l'intérieur de l. Les problèmes intérieurs plans de Dirichlet et de Neumann se résolvent comme dans l'espace. Penchons-nous sur les problèmes extérieurs. La solution du problème extérieur de Neumann est reliée à l'équation (147) pour  = 1. Ceci étant, la fonction cp (No) doit satisfaire à la condition [II-2-12] : l
lo
cp (No) ds o = O.
En intégrant les deux parties de (147) pour  == 1 par rapport à No, on obtient z l1(N o)ds=O, o
J
et par suite la fonction (145), où 11 (N) est la solution de l'équation (147) pour  = 1, est une fonction harmonique régulière à l'infini [11-2-12], donc est solution du problème extérieur de Neumann.
11-2-19.
~QUATION INT~GRALE
POUR FONCTIONS SPH:eRIQUES
Passons au problème extérieur de Dirichlet. Si la condition ) flo (N)
f
327
(N) satisfait
f (N) ds = 0,
l
.alors la substitution de la solution de l'équation (146) pour À = - 1 dans la formule (144) nous donne la solution du problème. Si cette condition n'est pas remplie, on prend alors une constante .a telle que [11-2-16] ) f-lo (N) [f (N)
-al ds=
°
l
et comme plus haut on obtient, grâce à la formule (144), la solution (M) qui prend les valeurs f (N) - a sur l et la somme w (M) a sera la solution cherchée qui prend les valeurs f (N) sur l. L'adjonction de la constante est due au fait que la formule (144) nous donne une fonction harmonique nulle à l'infini, alors que dans le plan la solution du problème extérieur ne s'annule pas à l'infini.
+
:Il)
11-2-19. Equation intégrale pour fonctions sphériques. Considérons l'équation homogène (133) dans le cas d'une sphère unitaire ~ centrée --+ en l'origine. Dans ce cas, no est de même sens que le rayon ON 0 et cos (r o, no) = - r~ de sorte que l'équation homogène (133) sera Ge la forme (148)
On serait arrivé au même résultat en partant de l'équation (132). L'intégrale du second membre représente la valeur au point No (8 0 , CPo) du potentiel de couche sphérique de densité - 4~fl (N) =
= -
Â
4n fl (8, cp) .
Considérons tout d'abord ce potentiel en un point M (p, sr, cp') intérieur à ~. En désignant par r la distance MN et par p, la distance OM, on aura le développement (tome 111 2 , [VI-1-4])
+= ~ 00
Ph (cos 1') ph (p< 1),
(149)
h=O
Pk (x) sont les polynômes de Legendre et l' l'angle des rayons vecteurs OM et ON. Prenons pour fl (8, cp) une fonction sphérique d'ordre
OÙ
~
n:
~
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
Le développement (149) qui converge uniformément pour p nous permet d'écrire
ll Y
(8, 'fP) +da=
n
2:~t
Y n (8',
<
1
pn,
~
ce qüi résulte immédiatement des formules suivantes (tome III~, [VI-1-S]) :
JJy
n
(8, cp) Pm (cos y) dS = 0 pour m':;l= n;
~
1
"
~ ~ yn
(8, fP) P n (cos,\,) dS =2:~
~
y n (8', fP')·
_L~rsque le point M =aNo E ~~ on a
~ Jy n ~
(8, fP)
:ù da =
2::1y
n
(8 0 , fPo)·
+
On voit sur cette formule que  n = - (2n 1) sont les valeurs propres de l'équation (148) et à toute valeur propre sont associées (2n 1) fonctions propres, plus exactement, des fonctions sphériqùes d 'ordren. A la valeur propre Âo = .- 1 est associée une fonction propre constante (la densité électrostatique dans le cas d'une sphère). Montrons maintenant que l'équation (148) ne possède pas d'autres valeurs propres et qu'à toute valeur propre Ân ne correspondent pas de fonctions propres autres que les fonctions sphériques indiquées. Soient Â' une valeur propre de l'équation (148) distincte de celles indiquées plus haut et I-t' (N), la fonction propre correspondante. Le noyau des équations (148) est une fonction symétrique de N et No, donc I-t' (N) est orthogonale à toutes les fonctions sphériques et en particulier à Ph (cos y) :
+
J~ fJ.' (8, fP) Pk (cos ,\,) da = O. ~
Sous ces conditions, du développement (149) il s'ensuit que le potentiel de couche sphérique de densité JAr' (N) est nul partout à l' intérieur de ~ et par suite partout sur ~. L'équation intégrale (148) nous dit alors que I-t' (N) est identiquement nulle sur ~ et qu'il n'existe pas de fonction propre. Considérons maintenant la valeur propre  n • Si à cette valeur propre était associée une fonction propre qui ne soit pas une fonction sphérique d'ordre n, alors on aurait pu admettre que cette fonction propre est orthogonale à toutes les fonctions sphériques et s'assurer, en reprenant tous les raisonnements précédents, qu'elle doit être identiquement nulle sur ~.
32~
II-2-20. :eQUILIBRE THERMIQUE D'UN CORPS RAYONNANT
Donc, l'équation intégrale (148) n'admet pas de jonctions propresautres que les fonctions sphériques. 11-2-20. Equilibre thermique d'un corps rayonnant. ConsidéroI1s le problème aux limites mixte pour l'équation de Laplace. Dans le cas d'un-flux thermique ét-abli, la température u (.l11) régnant à 1'intérieurd 'un corps doit être solution de l'équation deLaplace et sur la frontière S elle doit vérifier la condition au
+ h (u -
iln
u o) = 0,
où h est le coefficient de conductibilité extérieure, et uo, la température du milieu ambiant. On peut considérer que ces deux quantités sont des fonctions de point sur S et aboutir ainsi au problème qui consiste à trouver une fonction harmonique à l'intérieur de la surface S, vérifiant sur S une condition de la forme aua(N)
n
+ p (N) u (N) =
f (N),
(150)
où p (N) et f (N) sont des fonctions données sur S èt P (JV) > O. On cherchera la solution de ce problème aux limites sous forme d'un potentiel de simple couche. La conditfon aux limites (150) nous conduit à l'équation intégrale suivante pour la densité: }
~~
fl (N) cos (~r
no)
dS
+ 2nfl (No) + p (No)
S
~
)
fl (lV)
r~
dS =
f (No)'t
S
ou N ) = _1_ f (N ) fl ( 0 Ln 0
\
r fl (N) [
JJ s
p (N'J)
2nro
+
cos (ro, no) 2nrô
JdS
.
Montrons que sous la condition posée plus haut, l'équation homogène ne peut admettre de solution non triviale. En effet, on a vu au (11-2-11] que pour p (N) > 0, une fonction harmonique représentablepar un potentiel de simple couche, donc possédant une dérivée normale régulière et vérifiant la condition aux limites homogène
aUéJ~)
+ p (N) u (N) =
0,
(151}
est identiquement nulle à l'intérieur de S~ Supposons que fl (N} est solution de l'équation homogène. Le potentiel de simple couchede densité fl (N) satisfait la condition aux limites homogène (151) et par suite est nul à l'intérieur de S. Comme il est nul aussi à l'infini, on conclut comme précédemment qu'il l'est dans l'espace tout entier et que fl (N) 0, c'est-à-dire que l'équation homogène ne· possède effectivernent pas de solution et par conséquent l' équation non homogène admet une solution quel que soit le terme constant
==
CH. II. PROBL:ElMES AUX LIMITES
.f (No)· Supposons que la surface S est la sphère unitaire
~
et que la fonction p (N) est une constante h > O. Sous ces conditions, puis·que r o = - 2cos (r o, no), on obtient l'équation intégrale
~ (No) = 1~2h
))
f.t(N)
-k- dcr + 2~
f (No),
~
qui a été examinée dans le numéro précédent. Si l'on traite h comme un paramètre, alors les valeurs propres de cette équation intégrale se déterminent à partir de l'équation 1 - 2h = 2n 1, c'est-à-dire .h = 0, -1, -2, ... et les fonctions propres associées seront des .fonctions sphériques. On traite de façon analogue le problème aux Jimi tes mixte pour le plan.
+
11-2-21. Méthode de Schwarz. Décrivons une autre méthode de résolution du problème de Dirichlet. Supposons que nous sachions :résoudre ce problème pour des domaines BI et B 2 avec des conditions aux limites continues quelconques, ces domaines possédant une partie commune 0 comme le montre la figure 8. La méthode de Schwarz nous permet de résoudre le problème de Dirichlet pour le domaine B = BI UB 2. On se place dans le plan mais les raisonnements Fig. 8 sont exactement les mêmes dans l' espace. Les points NI et N 2 d'intersection ·des domaines BI et B 2 partagent le contour de BI en deux parties al et ~l et le contour de B 2' en deux parties a 2 et ~2. Soit donnée sur le contour l = al Ua 2 de B une fonction continue .(0 (N). Dans la méthode de Schwarz, les calculs sont conduits de la manière suivante. Prolongeons la fonction 0> (N) définie en particulier sur al de façon quelconque par continuité à ~l. Soit 0>1 (N) la fonction ainsi obtenue sur ~l. Résolvons le problème de Dirichlet pour BI' c'est-à-dire construisons une fonction harmonique Ul (M) prenant les valeurs frontières suivantes:
«1@~dZ
W
Ul
(N)
=
( W I
(N) sur al' (N) sur ~l.
Prenons les valeurs de cette fonction sur ~2 et celles de 0> (N) sur ·a 2 pour valeurs frontières de la nouvelle fonction harmonique VI (M) -dans B 2 : 0> (N) sur a 2 , VI (M) = ( U (N) sur ~2. I
II-2-2t.
M~THODE
DE SCHWARZ
Construisons -maintenant une fonction harmonique prenant les valeurs frontières:
331 U2
(M) dans BI
(N) Sur al' FI (N) sur ~l'
W
(N) =
U2
{
Construisons ensuite une fonction v 2 (M) harmonique dans B 2 et prenan t les valeurs frontières: V2
(N)
={
sur a 2 , -u'2-(N) sur ~2 W
(N)
et ainsi de suite. D'une façon générale !:lU n (M) = 0 dans BI et un (N) = !:lv n (M)
=0
dans B 2 et
Vn
sur al' V n - l (N) sur ~l' W (N) sur a 2 ,
W {
(N) = {
(LV)
(152)
un (LV) sur ~2'
Prouvons maintenant l'existence de lim un(M) dans BI et Hm V n (M) dans B 2 et que ces limites coïncident dans le domaine BI U B 2 • Utilisons à cet effet un lemme que nous allons formuler. Rappelons tout d'abord les conditions imposées aux contours des domaines. On suppose que les contours des domaines BI et B 2 sont constitués d'un nombre fini de portions admettant une tangente continûment variable. Le contour est donc susceptible de présenter un nombre fini de points anguleux. On suppose par ailleurs qu'aux points d'intersection NI et N 2 ces contours possèdent deux tangentes qui font entre elles un angle non nul. Formulons maintenant le lemme annoncé: si les contours des domaines Blet B 2 satisfont aux conditions indiquées et si w (M) est une fonction harmonique à l'intérieur de BI, continue dans le domaine fermé Hl' nulle sur al et vérifiant la condition 1 w (N) 1~ A sur ~l' alors il existe une constante q, 0< q< 1, dépendant uniquement des domaines Blet B 2' et pas de w (M), telle que 1 w (M) 1~ qA sur ~2' On obtiendrait une proposition analogue en majorant w (M) sur ~l en partant de B 2' On peut admettre que q est le même dans les deux cas. Reportons la démonstration de ce lemme au numéro suivant et utilisons-le pour établir la convergence de la méthode de Schwarz. Par construction o sur al' un+! (N) - Un (N) = { V n (N) - V n - l (N) sur ~17 (153) o sur a 2 , Vn
(N) -
Vn- l
(N)
={
Un (N) -- Un-l (N) sur ~2'
Cff. II. PROBU:MES AUX LIMITES
332
Introduisons les notations suivantes: Mn
=
max
1 Un +1
(N) -
Un (N)
1
= M~ = max 1 Vn+l (N) -
Vn (N)
1
=
=• max
1 Vn
(N) -
(N)
1
sur ~1.
Un (N)
1
sur ~2
V n -1
= max
1 Un +1
(N) -
En tenant compte des conditions aux limites (153) et du lemme, on trouve M~~ qMn et Mn~ qM~-l' D'où il résulte que Mn~ q2Mn _1 (n = 2, 3, ...), c'est-à-dire que Mn ~ q2
UI
(M)
+ 2J
n=1
[u n+l (M) -un (M)].
(154)
Les termes de cette série sont nuls sur al à partir du second et 1 Un +l (N) - Un (N) 1~ q2(n-l) Ml sur ~l' Donc, cette série converge absolument et uniformément sur le contour deR l et par suite sur BISa somme U (M) sera continue dans BI et harmonique dans BI' La somme des premiers termes de la série (154) est égale à Un (M) et l'on peut donc affirmer que Un (M) -+ U (M) uniformément dans BI. On démontre de façon analogue que V n (M) -+ V (M) uniformé_ ment dans B2' où v (M) est continue dans B 2 et harmonique dans B 2En vertu de (152), on a Un (N)
=
Vn - l (N) sur ~l et vn (N)
=
Un (N) sur ~2'
En passant à la limite, on voit que U (N) == v (N ) sur ~l et ~2. De là il s'ensuit que U (N) == v (N) dans 0 = BI U B 2 • Donc les fonctions U (M) et v (M) définissent une même fonction harmonique dans B = BI U B 2 • En vertu de (152), cette fonction harmonique prend les valeurs données w (N) sur le contour l = al U a 2 et par suite la méthode de Schwarz donne bien la solution du problème posé. 11-2-22. Démonstration du lemme. Formons le potentiel de double couche distribué le long de l' arc ~l avec une densité unité: F (NI)
=- ~
f)
ln
...!-
f)n
r
ds.
(155)
th
Ceci représente l'angle sous lequel on voit l'arc ~l à partir d'un point M supposé appartenir à BI' La fonction (155) qui est harmonique dans BI est continue dans BI " {NI; N 2 } (fig. 9). La fonction F (N) tend vers des limites F _ (NI) et F + UV l ) distinctes selon que N -+ J.Vl du côté de l'arc a l ou du côté de 131.
11-2-22.
D~MONSTRATION
-
333
DU LEMME
.,
--+
Ces limites représentent les angles de la sécante N 1N" et des tangentes au contour du domaine BI en NI (fig. 10) et de plus F + (NI) - F _ (N 1 ) = :rte (156) Si l'on fait tendre M vers NI le long d'une droite NIQ faisant un angle 8 avec la tangente indiquée sur la figure, on voit alors sans N,
~
-=:::=:~~J~-'-- R
Fig. 9
Fig. 10
peine que la fonction (155) tend vers la limite F + (NI) vertu de (156), peut être mise sous la forme: F+ (NI)
-8 = ~
F_ (NI)
+ (1 - ~) F+ (NI).
8 qui, en (157)
Si M -+ N 1 de façon arbitraire, la fonction (155) peut tendre vers des limites distinctes comprises entre F _ (NI) et F + (NI) et la fonction (155) sera bornée au voisinage de N 1 • On obtient exactement les mêmes résultats pour le point N 2. Définissons sur le contour l = al U ~l une fonction 1 (N) nulle sur l'arc ouvert al et égale à :rt sur l'arc ouvert ~1' Désignons comme plus haut les valeurs limites de la fonction (155) par F (N) et formons la fonction Il (N) = F (N) - / (N) sur les arcs ouverts al et ~l. Il est immédiat de voir que cette fonction est continue sur le contour l = al U ~l tout entier, y compris les points NI et N'l' puisque les fonctions F (N) et 1 (N) présentent le même saut en ces points. Au point NI par exemple, /1 (NI) = F - (NI)' Soit FI (M) une fonction harmonique dans BI prenant des valeurs continues /1 (N) sur le contour l. Construisons la fonction harmonique G (M) =
~
[F (M) -FI (M)].
(158)
Sur les arcs ouverts al et ~l elle prendra respectivement les valeurs 0 et 1. D'autre part, d'après ce qui a été dit au sujet de F (M), lorsque M -+ NI ou N'l' les valeurs frontières de G (M) doivent nécessairement être comprises dans l'intervalle [0, 1]. En vertu du principe du maximum et du minimum, toutes les valeurs prises par G (M) à l'intérieur de BI appartiendront à cet intervalle, autrement dit, 0 < G (M) < 1 si M est intérieur à BI. Supposons que 8 1 et e2 sont les angles formés par les tangentes à ~2 en NI et N 2 avec les tangentes au contour du domaine BI en ces points. Lorsque M -+ NI
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
334
le long de~2' la fonction F (M) -+ [F + (NI) - 81 ] en vertu de (157)~ et FI (M) -+ fI (Nt) = F - (NI) et, en vertu de (156), la fonction 8 (158) tendra vers 1 - ~. De façon analogue, lorsque M -+ N 2 la fonction (158) tendra vers 1 - ~. Ces deux limites sont strictement inférieures à 1 et à l'intérieur du domaine BIon a 0 < G (il.{) < < 1. D'où il s'ensuit immédiatement qu'il existe q: 0 < q < 1 tel que G (M) ~ q sur ~2' Après ces constructIons préliminaires revenons à la fonction w (M) signalée dans le lemme. Quitte à remplacer cette fonction
o
.0 .--...,C
..
B2 1 E ....--~--_-..I
B, Fig. 11
Fig. 12
Fig. 13
par w (M)/A on peut admettre que le nombre A du lemme est égal à 1, c'est-à-dire que la fonction harmonique w (M) est continue dans le domaine BI' prend sur al des valeurs frontières nulles et 1 w (N) 1~ ~ 1 sur ~l' La fonction w (M) prend en NI et N 2 des valeurs frontières qui sont visiblement nulles. Composons la fonction harmonique H (M) = G (M) - w (M). Cette fonction prend des valeurs frontières nulles sur l'arc ouvert al et des valeurs positives sur l'arc ouvert ~l' car sur ce dernier, on a G (N) = 1 et 1 w (N) 1~ 1. Lorsque M tend vers NI et N 2 , les valeurs limites de H (M) doivent être comprises dans l'intervalle [0, 1]. De là il s'ensuit immédiatement que H (M) ~ 0 dans BI' c'est-à-dire w (M) ~ G (M) et par suite w (M) ~ G (M) ~ q sur ~2' De façon analogue, G (M) w (M) ~ 0 dans BI' d'où -w (M) ~ G (M) ~ q sur ~2' Ces doubles inégalités entraînent 1 w (M) 1~ q, ce qui prouve le lemme. Cette démonstration vaut pour l'espace *).
+
+
11-2-23. Méthode de Schwarz (suite). Nous avons appliqué la méthode de Schwarz au cas élémentaire où les domaines BI et B't se coupent en deux points. Les contours de ces domaines peuvent se couper en plus de deux points (fig. 11), peuvent présenter des parties communes (fig. 12). Les domaines Blet B 2 peuvent être simplement connexes et leur réunion multiplement connexe (fig. 13). *) Cf. R.
Cou r a n t, D.
Physik. Berlin, 1931.
H i 1 ber t,
Methoden der mathematischen
II-2-23. M:eTBODE DE SCHWARZ (SUITE)
335·
Sur la figure -11, le contour du domaine B = BI U B 2 est la ligne CDEFGHJKC. Sur la figure 12, la ligne polygonale CDE est com-mune à ces contours et sur la figure 13, les domaines hachurés constituent l'intersection de BI et de B 2 • Dans tous ces cas, les approximations successives de la méthode de Schwarz se construisent exactement comme plus haut. Si l'on sait résoudre le problème de Dirichletpour BI et B 2 , on peut, en modifiant légèrement la méthode de calcul, obtenir la solution non pas pour la réunion mais pour l'intersection de ces domaines. Dans le cas de la figure 8, ce sera le domaine borné par le contour ~l U ~2' Les valeurs frontières de (ù (N) sont données sur ce contour. On cherchera la fonction harmonique, qui prend ces valeurs sur la frontière, sous forme de la somme
w (M)
=
u (M)
+ v (M),
où u (M) est harmonique dans BI et v (M), dans B 2' Il existe manifestement plusieurs façons de représenter la fonction cherchée par une telle somme, ce qui est sans grande importance pour la suite. Prolongeons la fonction (ù (N) à l'arc al par continuité d'une manière· quelconque et désignons ce prolongement par CPI (N). Construisons les approximations successives pour u (M) et. v (M) comme solutions des problèmes de Dirichlet avec les conditions aux limites suivantes: CPl (N) sur al' u 1 (N)= { (ù (N) sur ~l'
{ 0 VI
(N)
=
(ù
(N) -
U
I
sur a 2 ,· (N) sur ~2.'
On remarquera que la différence (ù (N) - UI (N) = 0 en NI et. N 2' Pour calculer les approximations suivantes, on supposera que·
(N)
=
{ (ù (N) _
V
n
sur al' (N) sur ~l' v n +1 (N) =
{O (ù
sur a 2 , (N) - U n +l (N) sur ~2"
Ce processus sera convergent et la somme (159) nous donnera la' solution du problème. L'exposé détaillé de cette méthode figure dans l'ouvrage: L. K a nt 0 r 0 vit c h, V. K r y 1 0 v, Méthodes d'approximation de l'analyse supérieure. M., Fizmatguiz, 1962 (en russe), où cette méthode est appliquée non seulement à l'équation de Laplace mais à d'autres~ équations de type elliptique. Cette méthode est valable en dimension trois. Indiquons encore une manière de se servir de la méthode de Schwarz. Nous allons maintenant avoir affaire à la solution du problème extérieur de Dirichlet et de ce fait nous allons nous placer non pas dans le plan mais dans l'espace. Soient données, dans l'espace, n surfaces fermées Sk (k = 1, 2, ... , n) limitant des domaines disjoints. Désignons par D la partie de l'espace, extérieure à toutes.
PROBL~MES: AUX
CH. II.
336
LIMITES'
ces surfaces, et, par D h , la partie de l'espace, extérieure à 8 k • Supposons que l'on sache résoudre le problème de Dirichlet pour tous les D h quelles que soient les valeurs continues données sur 8 h et montrons comment on peut résoudre le problème de Dirichlet pour D. I.Jes domaines D h et D contiennent le point à l'infini et comme toujours on admet que toute fonction harmonique est nulle à l'infini. On demande donc une fonction harmonique à l'intérieur de D et prenant sur les surfaces 8 h des valeurs continues données: U 1 ~ = /h (N) (k = 1, 2, .. 0' n)o (160) ~h
Cherchons d'abord pour chaque k une fonction Ua. h(M) (k = 1, 2, . . ., n) harmonique à l'intérieur de D h et prenant les valeurs /h (N) sur S h, ensuite une fonction Ul,h (M) (k = 1, 2, ... , n), harmonique à l'intérieur de D h et prenant les valeurs frontières: U1 k
(M)
•
=-
~ ua, i (J.V)
Sur
i~k
Sk
(k= 1, 2, .00' n);
(161)
la sommation ayant lieu par rapport à tous les i compris entre 1 et n, sauf pour i = k. D'une façon générale, pour tout entier m cherchons les fonctions Um,h (M) (k = 1, 2, n), harmoniques à l'intérieur de D k et prenant les valeurs frontières 0
u m , h (N) ,
/Sh
0
0'
= - ~
1*k
u m- 1 , i (N) sur 8 k (k= 1, 2,
.0' n). (162)
Les fonctions p
~ um,h(M)
(k=1, 2, •. 0' n),
m=O
sont harmoniques à l'intérieur de Dh et prennent les valeurs frontières p
p-1
~ u m , h (N)=fh (N) -
m=O
L
hUm, i (N) sur 81>. (k= 1,2, ••. , n).
m=O i*k
En retranchant la somme p-1
2J
m=O
u m • k (N)
des deux membres de l'égalité précédente, on obtient p-1
n
2J LJ
m=O i=l
um,i(N)=!h(N)-up,h(N)
sur 8 h (k=1, 2, ••• , n). (163)
II-2--23.
M~THODE
DE 'SCHWARZ "(SUITE)
337
Si l'on démontre que pour p -+00 les fonctions u p , k (M) (k = 1, 2, ... , n) tendent uniformément vers 0 dans le dO,maine D" alors de (163) il s'ensuivra que la fonction p-1
n
LJLJ
m=O i=1
U m.
dM}
qui est harmonique à l'intérieur de D et continue -dan's D; nous donnè la solution du problème de Dirichlet pour D, qui prend les valeurs tk (N) sur Sk: 00
U
(NI)
=
LJ
n
~ u m • i (M).
(164)
m=O '1.=1
Etudions maintenant les conditions sous lesquelles les fonctions Up,k (NI) tendent uniformément vers 0 dans le domaine D. Désignons pàr Vk (M) (k = 1, 2, ... , n) une fonction harmonique à l'intérieur de D k et égale à 1 sur Sk. Ceci étant, Vk (M) ~ 0 à l'intérieur de DA et puisque Vk (M) -+ 0 lorsque M -+ 00 il ré'suIte qu'il existe une constante qk: 0 < qk < 1, telle que . Vk (M) ~ qk sur Si pour i =1= k (k = 1, 2, ... , n). (165) Si Wk (M) (k = 1, 2, ... , n) sont des fonctions harmoniques à l'intérieur de D k , continues dans D k et vérifiant la condition 1 Wk (M) 1~ ak sur S k (k = 1, 2, ... , n), (166) où ak sont des constantes, alors akvk (M) - wk(M) seront des fonctions harmoniques à l'intérieur de D k et positives sur Sk' d'où il s'ensuit que akvk (M) -!:!!k (M) ~ 0 dans ï5k~ c'est-à-dire: qlîe Wk (M) ~ ahvh (M) dans D h. Sans modifier la condition (166), peut changer le signe de la fonction harmonique Wk (M) et considérer de la sorte que Wk (M) ~ 0 au point M envisagé. Des raisonnements précédents il s'ensuit donc , 1 Wk (M) 1~ akvk (M), (167)
on
d'où, en vertu de (165), 1 Wh (N) 1~ akqk sur Si pour i =1= k (k - 1,2, .•. , n). (168) Cette inégalité découle donc de (166). Soit a > 0 un nombre tel que 1tk (N) 1~ a pour k = 1, 2, ... , n et q ',max {ql' Q2' ... , qn}. Il est évident que 0 < q < 1. En vertu de (160), il vient 1· UO,k (N) 1~ ~ a sur S h' En vertu de (161) et (168), on a 1 Ul.k (N) 1~ (n - 1) aq sur Sk (k = 1,2, ... , n). En se servant de (162) pour m = 2 et de (168), on obtient 1 U2. k (N) 1 ~ (n - 1)2aq2 sur Sk et, d'une façon générale 1Up.k (N) I~. (n - 1)P aqP sur S k et par suite IUp.k(M) I~ f(n 22-010t7
1) q]P~ (M E D k) (k- 1, 2, ... , n). (169)
338
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
Si le nombre de surfaces n = 2, alors il s'ensuit de là que Up,k (M) -+ -+ 0 lorsque p -+ 00 uniformément dans DA et à fortiori uniformément dans D. Si n > 2, on obtient la condition suffisante suivante pour que u p , h (M) -+ 0 : (170) (n - 1) q < 1. Par construction, le nombre q ne dépend pas des conditions aux limites fh (N) et est défini uniquement par le domaine D. On aurait pu exactement de la même manière considérer le cas où le domaine D est un domaine fini borné par une frontière extérieure SI et des frontières intérieures S 2' S 3, • • • , Sn' Ceci étant, nous aurions eu affaire au problème intérieur de Dirichlet pour le domaine Dl limité par 8 1 , et au problème extérieur pour les domaines DA (k = 2, ... , n). La construction indiquée ci-dessus a été proposée par G. G 0 1 0 u z i n e (Matem. Zbornik, 1934, 41, nO 2) (en russe). On s'assure sans peine qu'elle n'est pas valable dans le plan en se donnant des valeurs frontières constantes sur les contours fermés lh' 11-2-24. Fonctions sub- et superharmoniques. La méthode des équations intégrales de résolution du problème de Dirichlet assujettit la frontière du domaine à des conditions relativement fortes. On se propose d'exposer une autre méthode de résolution de ce problème, valable pour des conditions assez générales sur la frontière du domaine et les valeurs frontières. Cette méthode, appelée souvent méthode de balayage, a été proposée par Poincaré ensuite précisée par Perron (O. P e r r 0 n. Eine neue Behandlung der ersten Randwertaufgabe jür du = O. Math. Z., 1923, 18, voir également l'article de 1. P é t r 0 v ski, Méthode de Perron de résolution du problème de Dirichlet. UMN, 1941, 8 et son ouvrage sur les équations aux dérivées partielles) et par Vallée et Poussin. Dans ce numéro, on définit des notions nouvelles qui seront utilisées pour développer la méthode indiquée. Ces notions présentent un intérêt en physique mathématique. On se place dans le plan. Les raisonnements sont exactement les mêmes dans l'espace. La différence dans l'étude des valeurs frontières de la fonction harmonique construite d'après cette méthode est mentionnée à la fin. L'équation de Laplace pour la fonction d'une seule variable indépendante y (x) est y" (x) = O. Son intégrale générale est le binôme y = ax b et son graphique, une droite. Le problème de Dirichlet, c'est-à-dire le problème qui consiste à déterminer la solution de l'équation y" (x) = 0 à l'intérieur de l'intervalle ra, b] prenant des valeurs données aux bornes de cet intervalle, consiste tout simplement à mener une droite par les deux points donnés. Le binôme du premier degré est caractérisé par le fait que sa valeur en un point quelconque x = Xo est égale à la moyenne arithmétique de ses va-
+
II-2-24. FONCTIONS SUB ET SUPERHARMONIQUES
339
+
leurs aux points x = Xo h et x = Xo - h. Considérons maintenant une courbe continue ayant sa concavité tournée vers les y > o. Soit y = y (x) son équation. En tout point de cette courbe, on a 1
Y (x o) <"2 [y (x o + h)
+ y (xo-
h)].
De façon analogue, si la courbe a sa convexité tournée vers les y>O, alors 1
Y (x o) >"2 [y (xo+ h) + y (xo-h)J.
L'inégalité (171 1) résulte immédiatement du fait que dans le cas considéré chaque portion de la courbe est située sous la corde qui la sous-tend. Introduisons les classes de fonctions respectives dans le cas de plusieurs variables. Soit f (M) une fonction continue à l'intérieur d'un domaine plan B. On dira que cette fonction est subharmonique à l'intérieur de B si pour tout point P intérieur à B il existe un nombre Ô > 0 tel que f (P) soit inférieure à la valeur moyenne de f (M) sur un cercle de centre P et de rayon p < ô. Si x et y sont les coordonnées de P, cette condition s'écrit alors f(x,
y)~ 2~
2:rt
l f(x+pcos
(p<ô).
(1721)
o Si la fonction f (M) est harmonique à l'intérieur de B, alors dans la formule (172 1 ) l'égalité est réalisée pour tout point intérieur à B (tome II, [VII-3-3l) et par suite une fonction harmonique est un cas particulier d'une fonction subharmonique. Cette définition peut être immédiatement généralisée à l'espace en remplaçant les cercles par des sphères. On définit de façon analogue une fonction superharmonique. Pour une telle fonction, on aura en tout point intérieur de B: 2:rt
f(x, y»
2~
) f(x+pcoscp, y+psincp)d(().
(172 2)
o La fonction harmonique est un cas particulier de la fonction superharmonique. De la définition il s'ensuit immédiatement que si f (M) est une fonction subharmonique et C une constante, alors Cf (M) est subharmonique pour C > et superharmonique pour" C < O. Si f (M) est superharmonique, alors Cf (M) est superharmonique pour C > 0 et subharmonique pour C < O. D'autre part, des définitions citées, il résulte que la somme finie de fonctions subharmoniques est une fonction subharmonique et la somme finie de fonctions superharmoniques est une fonction superharmonique.
°
22*
.CH. ·IL- PROBUlMES AUX LIMITES
'340
Supposons que f (M) = f (x, y) possède à l'intérieur du B des dérivées secondes continues et que
t!f=
:~
+ ::~
>0 (à l'intérieur de B).
domain~
(173 1)
En appliquant la formule de Green au disque K p de centre P (x, y) .contenu à l'intérieur de B et en posant u=f et v=1, on obtient
~ :~ cp
ds=
~~
/1fda,
(174)
Kp
où Cp est la frontière du disque K p • Appliquons encore à la fonction .f la formule (tome II, [VII-3-2])
2~
f (x, y) =
J(f
ô~: r
-ln r
:~
) ds +
cp
2~ ~
J/1f ln r da,
Kp
où r est la distance du point de coordonnées (x, y) au point variable d'intégration. Sur Cp, la direction de n est celle de r, et ds = pdçp. En se servant de (174), on peut mettre la formule précédente sous la forme 2:1:
tex, y)=
2~
)
f(x+pcosçp, y+psinçp)dçp+
2~)) /1fln
;'da.
o Kp Dans le disque K p , on a r/p ~ 1 et, en vertu de (173 1), la dernière formule nous donne l'inégalité (172 1), autrement dit, si la condition (173 1 ) est remplie, la fonction f (M) est une fonction subharmonique à l'intérieur de B. De façon analogue, si t!f ~ 0 (dans B), (173~) alors f (M) est une fonction superharmonique à l'intérieur de B. La définition principale des fonctions sub- et superharmoniques n'implique pas l'existence des dérivées. Les conditions (173 1 ) et (173 2 ) sont identiques aux conditions classiques de convexité et concavité d'une courbe (tome l, II-5-2). Etudions quelques propriétés simples des fonctions sub- et superharmoniques. Supposons que f (M) est une fonction continue dans un domaine fermé et subharmonique à l'intérieur de ce domaine. Soùs cette condition il s'ensuit aussitôt de (172 1) qu'une fonction subharmonique prend sa plus grande valeur sur le contour. De plus, à l'intérieur du domaine elle ne peut avoir un maximum au voisinage duquel elle n'est pas constante. D'une façon analogue, une fonction superharmonique prend sa plus petite valeur sur le contour.
11-2-25. Propositions auxiliaires. Prouvons quelques propositions Sur les fonctions sub- et superharmoniques qui nous seront utiles lors de la résolution du problème de Dirichlet. -
341
II-2-25. PROPOSITIONS. AUXILIAIRES
r ème I. Si ht (M) (k = 1, 2, ... , m) sont des fonctions continues dans un domaine B et subharmoniqucs dans B, alors la foncThé
0
tion
= max {fI (M), ... , fm (M)}
est continue dans B et subharmonique dans B.
Thé
0
r ème l'. De façon analogue, si fh (M) sont des fonctions
superharmoniques et
'1' alors
(M) = min {fI (M), ... , fm (M)},
(175 2)
'1'
(M) est superharmonique.. La continuité de
on a
2n
~ 2~ ~ ,
fI (x o -t- P cos
+ p sin
0
Or, en vertu de (175 1), q:J (M) ~ fI (M)sur le cercle le long duquel a lieu l'intégration, et à fortiori 2n
q:J
(x o' Yo) ~
2~ ~
q:J
(x o + p cos q:J, Yo+ P sin q:J) dq:J,
o
ce qui exprime que
r ème II. Si f (M) est une fonction subharmonique dans B et continue dans B, K, un disque contenu dans B et UK (M) une fonction harmonique à l'intérieur de K, dont les valeurs prises sur la 0
frontière de K sont confondues avec celles de f (M), alors f (M) ~ UK (M)
Thé
0
(dans K).
(176 1)
r ème II'. De façon analogue, si f (M) est une fonction
superharmonique, alors f(M)~uK
(M)
(dansK).
(176J
L'expression f - UK' = f + (-UK) est la somme de la fonction subharmonique f (MY et de la fonction harmonique (c'est-à-dire subharmonique aussi) (-UK)' Donc, f - UK est une fonction subharmonique à l'intérieur de K et nulle sur le contour. Donc, en vertu de ce qui a été dit dans le numéro précédent, f - UK ~ 0 à l'intérieur de K, ce q\li nous conduit à (176 1), Thé 0 r ème III. Si, dans les hypothèses du théorème II, on remplace les valeurs de f (M) dans le disqueK par les valeurs de UK (M)
342
CH. II. PROBUlM:ES AUX LIMITES
et que l'on désigne la nouvelle fonction par fK(M), alors fK(M) qui est continue dans B sera subharmonique à l'intérieur de B.
Thé 0 r ème III'. La construction du théorème précédent appliquée à une fonction f (M) superharmonique nous donnera une fonction fK(M) superharmonique. A l'extérieur de K, la fonction fK est confondue avec
f et la con-
dition (172 1) est manifestement remplie en tout point extérieur à K pour Ô assez petit. Al 'intérieur de K, la fonction f K est harmonique et l'égalité (172 1 ) est réalisée. Il reste à vérifier que (172 1) est satisfaite sur la frontière de K. Soit (x o, Yo) un point frontière (on admet que (x o' Yo) est intérieur à B s'il est commun aux frontières de K et de B). On a fK (x o, Yo)
= f (x o'
Yo) ~ 2n
~ 2~ ~ f(xc;+pcoscp, Yo+psincp)dcp
(p<ô).
o
En vertu du théorème II, fK";;3 f à l'intérieur de K et fK = à l'extérieur de K, donc à fortiori
f
2n
fK(X O,
Yo)~ 2~ ~ fK(XO+pcoscp, Yo+psincp)dcp, o
c.q.f.d. 11-2-26. Méthodes des fonctions inférieures et supérieures. Passons maintenant à l'exposition de la méthode de Poincaré-Perron. Soit donné dans le plan un domaine borné B de frontière l qui pour l'instant n'est assujettie à aucune condition. Soit donnée sur l une fonction co (N) = co (x, y), supposée pour l'instant bornée, c'est-à-dire il existe deux nombres a et b tels que a~oo(N)~b.
(177)
Appelons fonction inférieure une fonction cp (M) continue dans un domaine borné, subharmonique à l'intérieur de ce domaine et vérifiant la condition cp (N) ~ ,00 (N) sur la frontière de ce domaine. Par analogie, une fonction supérieure '\j) (M) est une fonction superharmonique à l'intérieur d'un domaine et vérifiant la condition 'P (N)";;3 00 (N) sur la frontière de ce domaine. Il existe de toute évidence une infinité de fonctions inférieures et de fonctions supérieures. Par exemple, toute constante ~ a est une fonction inférieure. Soient cp une fonction inférieure et '\j) une fonction supérieure. L'expression X = cp - '\j) = cp (-'\j) est une fonction subharmonique, car c'est la somme de deux fonctions subharmoniques et X~ 0 sur l. De là il s'ensuit que X~ 0 dans B, c' est-
+
.t
11-2-26. M:eTHODES DES FONCTIONS
INF~RIEURES
ET
SUP~RIEURES
M3
à-dire que (J) ~ 'li> dans ÏJ. Autrement dit, toute fonction inférieure est inférieure à toute fonction supérieure dans B. Les théorèmes 1 et l' entraînent immédiatement que si fI (M), f2 (M), ... , fm (M) sont des fonctions inférieures, alors il en est de même de la fonction (J) (M) définie par la formule (175 1 ); idem pour les fonctions supérieures et la formule (175 2 ). De façon analogue, les théorèmes III et III' nous disent que si f (M) est une fonction inférieure, alors il en est de même de la fonction fK (M) et si f (M) est une fonction supérieure, il en est de même de fK (M). Il est manifeste que les fonctions inférieures sont bornées supérieurement et les fonctions supérieures, inférieurement. Le nombre b de l'inégalité (177) par exemple, est une fonction supérieure et l'on a (J) (M) ~ b pour toute fonction inférieure. De façon analogue, $ (M) ~ a pour toute fonction supérieure. Donc, l'ensemble des valeurs prises par toutes les fonctions supérieures 1f (M) en un point donné M de B admet une borne inférieure (tome l, [1-2-18]) que l'on désignera par u (M). Ce sera une fonction définie dans B. De 'li> (M) ~ ail s'ensuit que u (M) ~ a et comme la constante b est une fonction supérieure, il vient u (M) ~ b c'est-à-dire la fonction u (M) vérifie la condition a ~ u (M) ~ b. Par définition de la borne inférieure, pour tout point Mo de B il existe une suite {'lI>n (M)} de fonctions supérieures telle que 'lI>n (Mo) ~ u (Mo) pour n ~ 00. S'il existe une fonction supérieure 'li> (M) telle que 'li> (Mo) = u (Mo), alors on peut admettre, par exemple, que 'lI>n (M) = 'li> (M) pour tout n. Les suites {'lI>n (M)} peuvent varier d'un point Mo à un autre. Prouvons le Thé 0 r ème. La fonction u (M) est harmonique dans B. Dans la suite, les fonctions seront affectées d'indices supérieurs notés entre parenthèses. Prouvons préalablement le Lem m e. Si P est un point arbitraire fixe de B, il existe alors une suite monotone de fonctions supérieures (J)(1) (M) ~ (J)(2) (M) ~ ... (M
E B)
(178)
telles que (J)(n) (P) ~ u (P). On a vu plus haut qu'il existe une suite {'lI>n (M)} de fonctions supérieures 'lI>n (M) telles que 'lI>n (P) ~ u (P). Posons (J)(n)
(M) = min {'lI>1 (M), 'lI>2 (M), .•. , 'lI>n (M)}.
(179)
Les fonctions (J)(n) (M) sont, nous l'avons vu, des fonctions supérieures continues. Lorsque n croît, le nombre de fonctions 'li> s (M) dont on considère le minimum croît aussi et par suite çp(n) (M) satisfont la condition (178). Le fait que la fonction u (M) est la borne inférieure des fonctions supérieures et la relation (179) entraînent que u (P) ~
,CH. II.PROBUlMES AUX
~
LIMITE~
cp(n) (P) ~ 'Pn (P) d'où cp(n) (P) ~ u (P) Ceci achève la démonstration du lemme.
pui~que
'l'n (P)
~
u (P).
Rem a r que. Soit K un disque de c-entre P contenu dans B. Construisons les fonctions cpW) (M) comme indiqué dans le théorème III'. Les inégalités (178) étant vérifiées sur la frontière du disque K, elles le seront sur le disque K tout entier. A l'extérieur de K, les fonctions cp'lP (M) sont confondues avec cp(n) (M) et par suite vérifient aussi la condition (178): cp<}l (M)
~ cp~)
(M) ~ • • •
(M E B).
D'autre part, u (M) ~ cp(W (M) ~ cp(n) (M) et cp1P(P) ~ u (P) puisque cp(n) (P) ~ u (P). On peut donc admettre que les fonctions cp(n) (M) du lemme sont harmoniques à l'intérieur de tout disque ~ centre P contenu dans B. . Passons à la démonstration du théorème. Il nous suffit de prouver que u (M) est harmonique à l'intérieur de tout disque K contenu dans B. Soit P le centre de ce disque. Construisons, en vertu du lemme et de la remarque qui le sui t, des fonctions cp(n) (M) harmoniques à l'intérieur de K. Ces fonctions tendent vers u (P) lorsque M ~ P" Le théorème de Harnack nous dit que ces fonctions tendent en tous les' points intérieurs à K vers une fonction harmonique: cp(n)(M) ~ v (M) (M intérieur à K), la convergence étant uniforme dans tout disque fermé K' de centre P contenu dans K. Montrons que v (M) = u (M) à l'intérieur de K. Ceci achèvera la démonstration du théorème. Supposons par absurde qu'en un point Pl intérieur à K, on a v (Pl) =1= u (Pl). Comme cp(n) (Pl) ~ v (Pl) et u (Pl) est la borne inférieure des valeurs prises par les fonctions supérieures en Pl' on doit avoir v (Pl) > U (Pl)' Donc, il doit exister une fonction supérieure w (M) telle que w (Pl) < < v (Pl)' Soit K' le disque de centre P sur la frontière duquel se trouve le point Pl' Composons les fonctions supérieures pen) (M) = min {w (M), cp(n) (M)} et p}?l (M), et de plus p1r,) (M)
~
pen)
(M)~
Comme cp(n) (M) tendent uniformément vers v (M) dans le disque fermé K', on peut affirmer que pen) (M) convergent uniformément vers la fonction P (M) = min {w (M), v (M)}. Donc, la convergence sur la frontière du disque K' est uniforme et on peut affirmer que les fonctions pIf'> (M), harmoniques à l'intérieur de K', convergent uniformément dans le disque fermé K' vers une fonction harmonique PK' (M). Comme w (Pl) < V (Pl)' il vient
II-2-27.~TUDE
DES VALEURS FRONTUlRES
P (Pl) < V (Pl) et d'une façon
PROBL~MES
CH. II.
AUX LIMITES
irontières du ·.domaine B étant désigné par l, introduisons la con-dition suivante qui mettra en jeu un point No fixe de l. Con dit ion 1. Il existe une fonction w (M) continue dans B ..et superharmonique dans B telle que w (No) = 0 et w (M) > 0 dans B, {No}. Prouvons maintenant le théorème suivant: Thé 0 r ème. Si la condition 1 est remplie et si la fonction fron:tière ffi (N) est continue en No, alors u (M) ~ ffi (No) lorsquè M ~ No .de l'intérieur du domaine. Désignons par ~t1 l'ensemble de tous les points du domaine B ·dont la distance à No est inférieure à 11 > O. Soit 8 > 0 un nombre ·donné. La fonction ffi (N) étant continue en No, il existe un nombre -1') > 0 tel que pour tous les points frontières de B appartenant à .~t1, l'on ait ffi
(No) -
8 ~ ffi
(N)
.construisons une fonction (J)l (M) =
ffi
~ ffi
(No)
(No) -
+8
8 -
(N E l et
Cw (M),
~11).
(180)
(181)
-continue dans B et subharmonique dans B, C > 0 étant une cons,tante que nous allons choisir. En vertu de (180) et puisque w (M) ~ :~ 0, on a (J)l (N) ~ ffi (N) aux points de l appartenant à ~t1. Choisis-sons C assez grand ~pour qu'à l'extérieur de ~t1 l'on ait la même -inégalité que sur l, c'est-à-dire que ,ffi (No) 8 Cw (N) ~ ffi (N) (N est sur l et extérieur à ~f). (182) :Sur l'ensemble des points de B se trouvant à une distance de No non inférieure à 11 la fonction w (M) prend la plus petite valeur ;strictement positive que nous désignons par m ll • Ceci résulte directe,ment du fait que cet ensemble est fermé et que la fonction w (M) y est ,continue et strictement positive. Pour que l'inégalité (182) soit ~éalisée, il suffit que ~ C ~max
{ID (No)-e-a." O} m
-où a•.est le:nombre figurant dans l'inégalité (177). La fonction (181) .sera une fonction inférieure pour un tel C. De façon analogue, si C ·est assez grand, la fonction 'Pl (M) = co (No) 8 Cw (M) (183) ~era une fonction supérieure. Comme w (No) = 0, il vient
+ +
11-2-27. :eTUDE DES VALEURS FRONTUl:RES
et puisque CP1 (M) est continue dans B, on peut exhiber un Ô1 petit tel que dans ~Ôl l'on ait: CP1 (M) ~ w (No) - 2e (M E ~Ôl).
347
>
0
Soit '1' (M) une fonction supérieure quelconque. Pour tous les points M de B, on a 'P (M) ~ CP1 (M) et par suite de la dernière inégalité il vient '1' (M) ~ w (No) - 2e (M E ~Ôl). La borne inférieure de '1' (M) doit également vérifier cette inégalité, c'est-à-dire que u (M) ~ w (No) - 2e (M E B et ~Ôl). (184) De façon analogue, de (183) il s'ensuit
'1'1 (No)
=
w (No)
+ 8,
et, par conséquent, en vertu de la continuité de '1'1 (M) il existe un petit 62 > 0 tel que dans ~ÔI' l'on ait 'Pl (M) ~ w (No) 28 (M E ~Ô2)' et à fortiori u (M) ~ w (No) 28 (M E B et ~Ô2)' (185) Soit ô = min{ô 1 , ô 2 }. D'après (184) et (185), on a w (No) - 28 ~ u (M) ~ w (No) 2e (M E B et ~ô). (186)
+
+
+
Le nombre 8 étant arbitrairement choisi, il s'ensuit que u (M) ~ ~ w (No) lorsque M ~ No de l'intérieur du domaine, ce qui prouve le théorème. Cette démonstration est valable dans le plan comme dans l'espace. Si w (N) est continue sur l et si la condition 1 est remplie pour chaque point No de l, alors la fonction u (M) est continue dans B et est égale à w (N) sur l. Dé fin i t i o:n. On dit qu'un point frontière No est régulier si pour toute fonction w (N) continue sur l, la fonction u (M) ~ w (No) lorsque M ~ No. Les points frontières ne jouissant pas de cette propriété sont dits points frontières irréguliers. Le théorème prouvé plus haut nous dit que la condition 1 est une condition suffisante de régularité du point No. Indiquons maintenant une condition suffisante simple de nature géométrique pour qu'un point frontière soit régulier dans l'espace. Supposons qu'un point frontière No jouit de la propriété suivante: il existe une boule qui ne contient aucun point de B autre que No. Soient Ml le centre de cette boule et R son rayon. Posons r = M 1M et considérons la fonction 1
1
w(M)~--R r •
CH. II. PROBU:MES AUX LIMITES
348
Cette fonction satisfait visiblement la condition 1 et de plus est harmonique dans B. Plaçons-nous maintenant dans le plan et supposons que la frontière de B est composée d'un nombre fini de courbes fermées simples d'équations x = x (t), y = y (t), où x(t) et y (t) sont des fonction~ de t périodiques continues (fig. 14). Supposons tout d'abord que le point No se trouve sur le contour extérieur lI. Plaçons l'origine des coordonnées en z = 0 et choisissons l'échelle de telle sorte que le domaine B contienne le disque 1 z 1 < 1. Composons la fonction 1
o
F(z)=--
Fig. 14
ln z·
Lorsque z se déplace dans B il ne peut contourner l'origine et F (z) est une fonction continue dans B et régulière dans B et de plus F (0) = O. En posant z = peï\P, on obtient pour la partie réelle de F (z) l'expression ln p
W
(z) = - (ln p)2+cp2 ,
ln p < O. Cette fonction harmonique remplit toutes les conditions ci-dessus. En particulier, à l'extérieur de .~ 8 on a w (z)
>-
InR (ln e)2...1-",2' l '1'0
où CPo est la plus grande valeur de cp dans Ë et R, la distance de l'origine au point de jj le plus éloigné de cette origine. , Supposons maintenant que No est situé sur le contour l2. Choisis~ sons à l'intérieur de l2 un point quelconque ex. et effectuons la transforma tion conforme
z
,
1 =--
z-a.·
Le contour l2 se transforme en un contour extérieur et l'on peut construire une fonction w (M) pour le point considéré par la méthode ci-dessus. En revenant à la variable z, on obtient la fonction cherchée. Donc, si 00 (N) est continue sur le contour l, alors u (M) le sera à l'intérieur et sur l et sera égale à 00 (N) sur l. Supposons maintenant que No est un point de discontinuité de première espèce de 00 (N), autrement dit 00 (N) tend vers des limites différentes selon que N -+ No le long du contour d'un côté ou de l'autre. Désignons ces limites par 001 (No) et 00 2 (No) et supposons que 00 1 (No) < 00 2 (No). En raisonnant comme plus haut, au lieu de
I1-2-27.
~TUDE
DES VALEURS.
FRONTI~RES
349
i
_~
(187) Si (ù (N) est une fonction bornée, c'est-à-dire vérifie les conditions (177), alors on a vu qu'il en est de même de la fonction u (M). Donc u (M) est une fonction harmonique bornée prenant les valeurs frontières (ù (N) en tous les points de continuité de (ù (N). Revenons maintenant à l'espace. On peut construire Une surface relativement simple possédant des points irréguliers. Cette construction a été proposée par Lebesgue et ensuite, indépendamment de lui, par P.S. Uryshon. Le problème des valeurs frontières est étudié plus en détail dans un article de M. K el d Y c h (UMN, 1941, 8). Citons encore un exemple dans le cas du plan. Soit B un disque centré en l'origine des coordonnées et privé de son centre. L'ensemble l des points frontières est constitué du cercle de ce disque et de son centre. Supposons que (ù (N) = 0 sur le cercle et (ù (N) = 1 au centre. Une telle fonction (ù (N) est continue sur l. La fonction harmonique u (M) tend visiblement vers zéro lorsque M tend vers le cercle. Montrons que u (M) ne peut tendre vers 1 lorsque M tend vers le centre. S'il en était ainsi, u (M) serait harmonique dans le disque au cas où elle serait égale à 1 au centre [I1-2-121. Or ceci contredit le théorème de la valeur moyenne d'une fonction harmonique au centre du disque. Donc, l'origine des coordonnées est un point frontière irrégulier. 0 dans le cas considéré. En On démontre aisément que u (M) effet, u (M) est bornée et par suite converge lorsque M tend vers le centre (I1-2-12] et si cette limite est égale à la valeur de u (M) au centre, alors u (M) est partout harmonique dans le disque [II-2-12] et nulle sur le cercle, c'est-à-dire que u (M) O. A noter qu'au lieu de la condition l, on aurait pu poser une condition portant uniquement sur le voisinage du point No et montrer en outre que cette nouvelle condition est identique à la condition 1.
==
==
Con dit ion II. Pour un voisinage ~" du point No, il existe une fonction w" (M) continue sur ~'" superharmonique dans ~1l et telle que w" (No) = 0 et w" (M) > 0 dans ~,,' {No}.
350
CH. II. PROBU;MES AUX LIMITES
On démontre que dans l'espace le point No vérifie la condition II s'il est le sommet d'un cône circulaire dont les points assez proches de No sont situés à l'extérieur de ff (sauf No). Donc, ces points sont réguliers (cf. 1. P é t r 0 v ski, Leçons sur le.séquationsauxdérivée$ partielles, M., Fizmatguiz, 1961 (en russe)). Dans la suite, sauf mention expresse du contraire, on admettra que les contours ou les surfaces limitant les domaines étudiés ont tous leurs points réguliers. Ce sera par exemple le cas des surfaces de Liapounov. Pour ces dernières nous avons construit la solution du problème de Dirichlet à l'aide de la théorie du potentiel et des équations intégrales. Si une fonction continue (ù (N) est définie sur la frontière et si tous les points de cette dernière sont réguliers, alors la fonction harmonique construite u (M) est continue à l'intérieur du domaine et sur la frontière et prend sur cette dernière les valeurs (ù (N). On sait que la fonction u (M) est unique. Si la frontière présente des points irréguliers, alors la fonction harmonique u (M) est bornée à l'intérieur du domaine et prend les valeurs (ù (N) en tous les points frontières réguliers. On démontre qu'il n'existe qu'une seule fonction possédant de telles propriétés. On peut trouver la démonstration de cette proposition et d'autres faits intéressants, dont le critère de régularité de Wiener, dans l'article déjà cité de M. Keldych. 11-2-28. Equation de Laplace dans un espace à n dimensions. Jusqu'ici nous avons étudié l'équation de Laplace dans le plan et dans l'espace. Les résultats acquis se généralisent facilement à un espace à n dimensions dans lequel l'équation prend la forme n
.1u=2J ux.x.=O. i=1
l
t
Citons les principaux résultats concernant les solutions de cette équation. Les fonctions qui possèdent des dérivées premières et secondes continues et qui sont solutions de cette équation sont dites harmoniques. La solution singulière fondamentale est de la forme C rn- 2
(n> 2),
la constante C étant égale à (n- ~) W ,où O>n est l'aire de la n sphère unité dans l'espace à n d'imensions, de sorte que la solution singulière fondamentale s'écrit 1
(n >
2).
II-2-29. FONCTION DE' GREEN DE
L'OP~RATEUR
DE LAPLACE
35~
Le volume Un d'une boule de rayon r à n dimensions s'exprim& par la formule (tome II, [III-4-11]) n Un
(2n)2 n 2' r n (n- ) ..• 2
=
pour n paIr,
n+ 1 n-l
Un
_ - -22 2 n n •. n(n-2) ... 1 r pour n ImpaIr,
=
ce qUI, on le vérifie sans peine, peut être mis sous la forme unIque
d'où, en dérivant par rapport à r et en posant r= 1, 2
w
n
(v~n)n
= r (~ ) .
Pour une fonction harmonique dans un domaine D limité par une' surface S on a la formule (tome II, [VII-3-3]) u (M) =
1 ( s
(j)o
(r)
:~
- u
a~on(r)
)
dS
(on n'écrira partout qu'un seul signe d'intégration). La quantité rest la distance du point variable d'intégration à M. Les propriétés. fondamentales des fonctions harmoniques restent en vigueur, y compris le théorème de la moyenne d'une fonction harmonique au centre d'une boule et l'unicité de la solution du problème de Dirichlet. La formule qui donne la solution du problème de Dirichlet pourune boule de rayon R est de la forme u(M)=_1_r (N)
Jf
CJJnR S
(R2_ p2)dS n ,
(188),
(R2+ p2_2Rp cos 8)2
où p est la distance du centre 0 à M, N un point variable de la boule,. e l'angle de ON et OMo La méthode des fonctions supérieures et inférieures 'se généralisesans changement à un espace à n dimensions. La condition de régularité des points frontières établie plus haut est valable aussi en, dimension n. 11-2-29. Fonction de Green de l'opérateur de Laplace. Nous pou-vons définir la fonction de Green pour une équation aux dérivées.
_:
352
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMI'l'ES"
partielles de la même manière que nous l'avons fait pour une équation différentielle ordinaire. Commençons par définir la fonction de Green pour l'équation de Laplace dans l'espace avec l'une des conditions aux limites homogènes suivantes:
u/s=o, au
. ~+p (N) uls=O
(189)
.
(190)
(p (N) >0).
Nous pouvons construire la fonction de Green aussi bien pour un domaîne fini Di intérieur à S que pour un domaine illimité De extérieur à S. Commençons par le domaine Di. La fonction de Green G (P; Q) doit être une fonction du couple de points (P ; Q). En tant que fonction de P, la fonction G (P ; Q) doit, dans Di" {Q}, posséder des dérivées premières et secondes continues et être harmonique, et sur la frontière, satisfaire la condition aux limites. En tant que fonction de P, elle doit par ailleurs présenter une singularité au point Q correspondant à une charge (ou une masse) ponctuelle en Q. En tenant compte du facteur 4n figurant dans la formule (tome II, [VII-2-81) il [) ) )
~ ~M)
dTMJ =
- 4rqt (Mo) Mo ED, (r = MoM) , (191)
Di
on définit la fonction de Green pour les conditions (189) ou (190) de la manière suivante: D é fin i t ion. On appelle fonction de Green de l'opérateur de Laplace, correspondant aux conditions aux limites (189) ou (190), une fonctionG (P; Q) vérifiant comme fonction de P, à Q E Di fixe, les conditions suivantes: 1) cette fonction est harmonique dans Di" {Q} ; 2) elle vérifie la condition aux limites (189) ou (190); 3) elle peut être mise sous la forme 1 +g(P,• Q), G(P; Q)=G(x, y, z; ~,11, ~)= 4nr
où r
=
(192)
PQ et g (P ; Q) est une fonction partout harmonique dans D i'
Construire la fonction de Green revient à en trouver la partie régulière g (P ; Q). Les conditions aux limites (189)~et (190) deviennent respectivement pour la fonction g (P; Q): 1
g (N: Q) = - - 4 ,!'l ES, (r= NQ); nr
C1g (~n; Q)L + p (N) g (N ; Q) =
ai.
-
4~ [ a~
+ p ~N)
(193)
] ,
NES. (194)
"~
II-2-29. FONCTION DE GREEN DE
L'OP~RATEUR
DE LAPLACE
353
Donc, la construction de la fonction de Green se ramène à la résolution des problèmes de Dirichlet et mixte pour l'équation de Laplace et l'on peut admettre comme acquise l'existence de la fonction de Green si S est une surface de Liapounov. . Dans le cas du domaine De' il faut inclure dans la définition de la fonction de Green la condition de régularité à l'infini, c'est-à-dire que G (P ; Q) à Q fixe situé à une distance finie, doit tendre vers 0 lorsque P ~ 00. Soit Di un domaine borné de frontière S. Le problème de Dirichlet admet dans Di une solution distributionnelle vérifiant la condition aux limites (193). La formule (192) définit la distribution de Green pour le domaine Di avec la condition aux limites (189). Si No est un point frontière régulier, alors G (P ; Q) ~ 0 pour P ~ ~ No. On peut prouver la réciproque, savoir que si G (P; Q) ~ 0 pour P~No' alors No est un point frontière régulier. Dans le plan, la fonction de Green se définit de façon analogue, sauf qu'il faut remplacer la formule (192) par G (P; Q)
1 1 = -2 ln -r + g (P ; Q) . n
(195)
Les formules (192) et (195) nous disent que G (P; Q) = 00 pour P Q et G (P ; Q) > 0 pour les P assez proches de Q. Le point Q s'appelle pôle de la- fonction de Green. On étudiera la fonction de Green uniquement pour la condition aux limites (189). Montrons que G (P ; Q) est une fonction continue des points P et Q dans Di, pourvu gue ces points ne soient pas confondus. En vertu ~e (192), on peut affirmer que la démonstration de la continuité de G (P; Q) peut être ramenée à celle de la continuité de g (P; Q). Estimons la différence g (P' ; Qf) _ g (P"; Q") ; en ajoutant et en retranchant g (P' ; QIf), on obtient
==
1g
(P'; Q') -
< 1 g (P';
g (P"; Q")
1~
Qf) _ g (P'; Q")
1
+
1
g (P' ; Q") -
g (P"; Q")
1.
La différence g (P' ; Q") - g (P"; Q") est la différence des valeurs de g (P ; Q") aux points P' et P" et cette différence tend visiblement vers 0 lorsque P" ~ P'. La différence g (P' ; Qf) - g (P' ; Q") est la valeur en P' de la fonction harme)ilique g (P; Q') - g (P; Q") 1 qui prend les valeurs frontières -4 (~-~) sur S,. où r' et r" n r r sont les· distances du point variable NES aux points Q' et Q". Si Q" est assez proche de Q', alors la: valeur absolue de la différence est aussi petite que l'on veut lorsque N varie sur S. Or la fonction harmon~gue g (P; Q') - g (P; Q") prend sa valeur minimale et sa valeur maximale sur la frontière S et l'on
(+- ;,,)
23-01017
354
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
peut affirmer que g (P' ; Q') - g (P' ; Q") ~ 0 pour Q" ~ Q'. Ceci prouve la continuité de la fonction g (P; Q), donc de G (P ; Q). La fonction G (P; Q) est strictement positive au voisinage du point Q et nulle sur S, donc elle est strictement positive dans le domaine Di. Ce raisonnement est valable dans l'espace pour le domaine De. Etablissons une inégalité simple pour G (P; Q). La fonction g (P ; Q) prend les valeurs strictement négatives (193) sur S. Donc, g (P; Q) < 0 dans Di et par suite 1
0< G (P; Q) < 4nr
dans
D,
(r= PQ).
(196)
On obtient une estimation analogue pour De. Plaçons-nous maintenant dans le plan. Soit d le diamètre d'un domaine fini B du plan, c'est-à-dire la borne supérieure des distances des couples de points de B. La fonction harmonique g (P ; Q) + 2~ ln ~ prEnd sur l lES valeurs 2~ ln ~ qui sont strictement négatives quelle que soit la pcsition du pôle dans B. 1 1. 1 1 Donc, g (P; Q) +:Et ln ëf< 0, 1. e. g (P; Q) < - 2n ln d dans B. Ce qui nous donne 1
1
1
1
G (P ; Q) < "7) ""n ln -r - -2 n ln -d '
c'est-à-dire 0< G (P; Q) < a ln
~
+b
(dans B),
(197)
où a et b sont des constantes. Les doubles inégalités (196) et (197) nous donnent des encadrements de la fonction de Green qui dépendent de la distance r des points P et Q. 11-2-30. Propriétés de la fonction de Green. Considérons la fonction de Green dans Dien désignant comme plus haut par r la distance du point courant au point Q E Di. Définissons la fonction g (P; Q),
v (P) = {
1 -
4nr '
PEDit PED e-
(198)
Cette fonction est harmonique dans Di et De et nulle à l'infini. Dans De elle possède des dérivées de tout ordre continues dans De U S. On peut traiter v (P) comme la solution dans De du problème de Neumann qui prend les valeurs frontières
f (M)= -
1 418
:n (~),
MES,
(199)
II-2-S0.
PROPRI~T~S
DE LA FONCTION DE GREEN
355
et représenter de la sorte v (P) comme un potentiel de simple couche de densité continue: v(P)= ) ) ~;:V) dS s
(r'=NP).
(200)
Ce potentiel est égal à - 4....!sur S, où r = MQ, autrement dit, il nr prend les mêmes valeurs que g (M; Q). De là il résulte que la formule (200) est valable dans l'espace tout entier, c'est-à-dire que g (P ; Q) =
) ) ~ ~~V) dS
(P EDt),
(201)
s
et par suite g (P ; Q) possède dans Dt des dérivées normales régulières sur S. On peut de toute évidence en dire autant de la fonction G (P; Q). Signalons à propos de la condition aux limites (199) que la fonction
1 T
possède, quel que soit Q E Di' des dérivées de tout ordre non seulement sur S mais dans un voisinage de S. Sur S le second membre de (199) vérifie la condition de Lipschitz 1
f (N 2 )1 - f (NI)
1 ~ arl.2
(rl,2
= N I N 2 ),
et l'on peut affirmer que Il (N) vérifie la condition de Lipschitz [11-2-5] et par suite G (P; Q) possède des dérivées premières continues dans Dt [11-2-7].
Prouvons maintenant que la fonction de Green est symétrique, c'est-à-dire que G (P; Q) = G (Q; P). (202) A noter qu'on vient de démontrer que G (P; Q) possède des dérivées normales régulières sur S. Par ailleurs elle possède des dérivées continues dans Dt' {Q}. Appliquons maintenant la formule ) ) ) (u L\v-v L\u) dT=
Di
JJ(u :: -v :: ) dS B'
aux fonctions u = G (P; QI) et v = G (P; Q2)' le domaine d'intégration Di étant constitué de Dt privé de deux sphères SI et S2 de centres QI et Q2 et de rayon e petit. L'application de cette formule est licite d'après ce qui a été dit plus haut. L'intégrale triple étendue à Di est nulle, puisque la fonction de Green est harmonique en dehors des pôles. L'intégrale étendue à S est nulle en vertu de la condition aux limites (peu importe laquelle), donc ] dS=O. 23·
356
Cff. II. PROBL:ElMES AUX LIMITES
Au point Q2' la fonction G (P; QI) ne présente aucune singularité, quant à la fonction G (P; Q2)' elle tend vers l'infini comme..!.. Le r
°
produit de .!par l'aire 4ne 2 de la sphère tendant vers avec e, B on voit que les seuls termes de la formule à ne pas tendre vers avec e sont ceux qui contiennent la dérivée normale de G (P; Qi), i = 1, ~, au voisinage du point où G = +00. Ces termes seront au nombre de deux, et, en les explicitant, on obtient la somme
4~ ~ ~ G (P ; QI) ~J
a_1_
'a:
dS -
4~ ~ ~ G (P; Q2)
°
a _1_
a:'·
dS
+ 11 = 0,
SI
où 11 -+ 0 avec e, r~ = PQ1' r 2 = PQ2' La formule de Green fait intervenir la 'normale extérieure, donc dans les dernières formules la normale doit être orientée vers l'intérieur des sphères, c'est-à-dire dans le sens contraire aux rayons et l'on a '--'-'
' ; j
4~B2
)l Œ
(P; QI) dS -
S2
4~82 ~ ~ G (P;
Q2) dS + 11 = O.
SI
En appliquant le-théorè:r;ne de la moyenne à ·ces intégrales, on peut écrire , G (P 2; QI) - G (Pl; Q2) 11 = 0,
+
est un point de S2 et pour e -+ 0, on trouve OÙP2
P1~
un point de SI' En passant à la limite
G (Q2; QI) = G (QI; Q2)'
ce qui prouve' que la fonction de Green est symétrique. Il s'ensuit de cette égalité que g (P; Q) est continue en (P, Q) dans Di X Di à l'exception de l'ensemble où; P = Q E S. Dans le cas d'une boule, la fonction de Green s'écrit (tome II, [VII-3-7l)
1 (1
R ) G(P' . , Q)=4n r -pr!'
(203)
où p est la distance de Q au' centre, rI' la distance de P à Q', symétrique de Q par rapport à la sphère, R, le rayon de la boule. En désignant par (x, y, z) et (6, 11, ~) les coordonnées de P et Q, on peut écrire
11-2-31. FONCTION DE GREEN DANS LE PLAN
357
En dérivant (203) par rapport à x par exemple, et comme 1x -
~:ç
1
-'--...:....---:.. ~ 1, rI
on trouve aG(p;
ax
l
Q)I~_1 ~ 4n
(_1 +~) r pri· 2
Les points P et Q étant intérieurs à la sphère, rI> r et G (P; Q) > on obtient
> 0,
aG(p; Q) 1~_1_
1
ax
~
2nr 2
(204)
•
On a des majorations analogues pour les autres dérivées partielles. Supposons que u (M) est la solution du problème intérieur de Dirichlet pour un domaine Di de frontière S avec les conditions aux limites f (N). Si l'on sait que u (M) possède une dérivée normale régulière, alors on peut appliquer la formule (91) en posant v = = g (P; Q). On obtient alors (tome II, [VII-3-7l) u (Q)
= - ) ) f (N)
aG
(:n;
Q) dS N.
(205)
S
A. Lia pou nov a prouvé que cette formule donne la solution du problème de Dirichlet pour toute fonction continue f (N) de la condition aux limites. On lui doit également la première démonstration rigoureuse de la symétrie de la fonction de Green. Ces résultats et d'autres portant sur la théorie du potentiel abordée plus haut se trouvent dans son travail Sur quelques questions liées au problème de Dirichlet, 1898 (en russe). 11-2-31. Fonction de Green dans le plan. L'étude de la fonction
de Green dans le plan diffère sur quelques points de celle effectuée dans l'espace. On envisagera la fonction de Green pour un domaine borné Bide contour l avec la condition aux limites (189) sur l. Définissons comme dans (11-2-30] la fonction v (P) dans le plan:
v (P) =
{
g (P; Q)
à l'intérieur de l,
2n
à l'extérieur de l.
__1_ ln 1r
(206)
Construisons comme au [II-2-30] le votentiel de=simple couche= VI
(P) =
~ ~ (S) ln 1
+-
ds,
(207)
CH.. Ii. PROB~MES AUX LIMITES
358
où r' = PN, N étant un point variable de l. La dérivée normale ( ÔV~~P) ) e prend sur l les valeurs
f (M) =
--
2~ :n ln ~ =
-
cos2~; n), MEL,
(208)
-+ où r est de même sens que MQ, et n, la normale extérieure à l en M. Composons maintenant la fonction
w (P) = ) JI (s) ln ~ ds + 2~ ln ~
(r = PQ, Q est intérieur à l)
l
(209)
harmonique dans Be et telle que ô~<;) = 0 sur l. Traçons à l'intérieur de Be une ligne fermée l' entourant l et appliquons la formule de Green pour u = w (P) et v = 1 au domaine limité par l et l'. On obtient
)Ô~~P) ds- )Ô~~P)ds=O, l
l'
n étant dans les deux cas la normale extérieure au contour fermé. De là il s'ensuit
rôw (P) ds= 0
J
(210)
ôn
l'
puisque
ÔW CP) Ôn
= 0 sur- l . Or Ô1D~CP) ôn
r
= l
J JI
(S) cos (r',
n) ds
+ cos (r, n)
r'
2nr
--+
' --+
où r' est de même sens que PN, r, de même sens que PQ. En intégrant le long de l', en changeant l'ordre d'intégration (tome IV 11 [1-16]) et puisque les points Q et N sont intérieurs à l', on trouve, en vertu de (83),
2n ) 1-1 (s)
ds
+1=
O.
l
On peut maintenant mettre (209) sous la forme
w(P)= ~J-L(s)ln+ds (r=PQ; r'=PN, NEl).
(211)
1
Lorsque le point P ~ 00, le rapport r/r' tend uniformément vers 1, c'est-à-dire que pour tout E > 0 donné on peut exhiber un nombre M > 0 tel que li - r/r' 1~ E pour tout N de l si seulement r > M.
11-2-31. FONCTION DE GREEN DANS LE PLAN
359
Donc, la fonCtion (211) est harmonique dans Be' possède sur lune dérivée normale régulière nulle et tend vers 0 lorsque P -+ 00. Cette fonction est justiciable de la formule
d'où il s'ensuit que w (P) = 0 dans Be, c'est-à-dire que
r
1
J II (s) ln --;:' ds = -
1
2n
ln
r1
dans Be.
1
De là il résulte aussitôt comme dans (I1-2-301 que le potentiel de simple couche (207) est confondu avec la fonction v (P) définie par (206) sur le plan tout entier et l'on peut affirmer que g (P ; Q) possède sur l une dérivée normale régulière. Par ailleurs, comme dans [11-2-30] on peut affirmer que g (P; Q) possède dans Bides dérivées premières continues dans Bi. On démontre que G (P; Q) est symétrique exactement comme dans [II-2-301. Pour un disque de rayon R la fonction de Green s'écrit G (P ; Q) =
2~ ln ';; ,
(212)
les notations étant les mêmes que dans [II-2-30l. Ceci nous conduit aux majorations suivantes: ôG (P; ôx 1
0) 1:::;:=_1_. ~ nr '
ÔG (P; Q) 1:::;:=_1_ ôy ~ nr • I
(213)
La solution du problème de Dirichlet dans Bi est justiciable d'une formule identique à (205). La fonction de Green de l'opérateur de Laplace pour un domaine simplement connexe plan avec la condition aux limites (189) est étroitement liée avec une fonction réalisant une transformation conforme du domaine considéré en le disque 1 w 1 < 1 (tome II1 2 , [11-7]). Soient B un domaine simplement connexe de contour l et Zo = S l'li, un point intérieur à B. Supposons par ailleurs que w = f (z) est une fonction réalisant une transformation conforme de B sur le disque unité, et de plus f (zo) = 0, c'est-à-dire que l'image de Zo est le centre du disque. Si le contour l remplit certaines conditions de régularité, alors la fonction f (z) est continue sur le disque 1 z 1 ~ 1 et transforme le cercle 1 z 1 = 1 en l. La transformation étant injective, f (z) possède une raCIne simple en z = Zo:
+
f (z)
=
(z -
zo) [a o
+ al (z -
zo)
+ ... J
(a o =1= 0).
(214)
360
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
Formons la fonction G (x, y ; ~, '1'1) =
-
1
2n ln 11(z) 1·
(215)
On vérifie immédiatement que cette fonction est la fonction de Green pour le domaine B avec un pôle en (~, '1'1). En effet, ln 1 1 (z) 1 est la partie réelle de ln 1 (z), donc est une fonction harmonique. En vertu de (214), la partie infinie de la fonction (215) sera égale à 1 ln 1 1 1 au point (~, '1'1) et enfin le contour l de B se trans2n Z-Zo forme en le cercle unité, autrement dit Il (z) 1 = 1 sur l, et la fonction (215) est nulle. Soit H (x, y; ~, '1'1) la fonction conjuguée harmonique de (215). On a G -t- il! =
- 2~
ln 1 (z) ,
(216)
et par suite l'on peut exprimer 1 (z) en fonction de G et de H:
f (z) = e- 2Jt(G+Hi). La fonction H est définie à un terme additif constant près, donc au second membre de la dernière formule on aura un facteur constant arbitraire de module 1 qui correspond à une rotation arbitraire du disque 1 w 1 < 1 autour de l'origine. Supposons que le contour l du domaine B est doué de la propriété suivante. L'angle 8 (s) formé par la tangente à l avec une direction quelconque fixe vérifie, comme fonction de la longueur d'arc s, la condition de LipEchitz (217)
où b > 0 et ~ > 0 wnt des constantes. On prouve que dans cette condition la dérivée f' (z) est continue dans B et il existe des constantes m > 0 et .M > 0 telles que m~
1
f'
(z)
1~
(218)
M.
Ces constantes dépendent évidemment du choix du point Zo qui se transforme en l'origine des coordonnées dans le plan de la variable w. Fixons le point Zo et construisons maintenant une transformation conforme de B sur le disque 1 w 1 < < 1, telle que l'antécédent de l'origine soit un point z' intérieur à B. Pour cela, il faut effectuer d'abord une transformation conforme w = f (z) et ensuite appliquer le disque 1 w 1 ~ 1 sur lui-même de telle sorte que l'image du point f (z') soit l'origine des coordonnées. Cette application est une application homographique et en écartant le facteur constant de module 1, on obtient en définitive -2nG(z· z')=Re [ln t
f(z)-f(z') 1-f(z)f(z')
J,
où Re désigne comme toujours la partie réelle et G (z, z'), la fonction de Green pour le domaine B de pôle en z'. En dérivant par rapport à x, où-x est une direc-
361
11-2-32. EXEMPLES
tion quelconque, on trouve -2n iJG (z; z') = Re [ iJx
+ W'J f' (z)
l'
(z) f(z)-f(z')
J
=
1-f(z)f(z')
2
_ Re { f' (z) [1-lf (z') 1 ] [f (z)- f (z')] [1- f (z) f (z')]
}
,
ou, si l'on remplace la partie réelle par le module 2n/ iJG~; z') I~
x
2
II'(z)II1-If(z')1 1
,
If(z)-f(z')II1-f(z)f(z')1
et si l'on tient compte du fait que If (z)1 < 1 et If (z')1 < 1, on trouve iJG (z; z') 1 If' (z)1 11-lf(z')1 2 1 211' (z)1 2n 1 iJx < If (z)-f(z') 1 (1-If(z')I) < If(z)-f(z')I· (218 1 ) Soit z = cp (w) la fonction réciproque de w = f (z). Cette fonction est définie sur le disque 1 w 1 ~ 1. De (218), il s'ensuit que 1 cp' (w) 1 ~ 1/m et l'on obtient w'
1
I CP'('t)d'tl~ ~
IW-lV'l,
w
l'intégration pouvant être effectuée le long d'un segment de droite. La dernière inégalité entraîne 1 f (z) - f (z') 1 ~ m 1 z - z' 1 et grâce à (2181), on a, compte tenu de la dernière inégalité, fiG (z; z') 1 1
ox
~ --=::
2M 2nm 1z - z'
- -M-
nmr '
1 -
(219}
où r est la distance de z à z'. Donc, sous l'hypothèse imposée au contour l, on obtient une majoration de la dérivée de la fonction de Green suivant une direction quelconque qui ne dépend que de r. Si le domaine B est multiplement connexe et chacun de ses contours fermés, vérifie la condition ci-dessus, alors on peut dans ce cas aussi établir une majoration de la forme (219). La démonstration de la majoration (219) pour un domaine simplement connexe et celle pour un domaine multiplement connexe, que j'ai omise ici, m'ont été communiquées par G. Golouzine. 11-2-32. Exemples. Voyons maintenant quelques exemples de construction de la fonction de Green. Commençons par le cas du disque 1 z 1 < 1. Au (tome 111 2 , [11-3]) on a trouvé une fonction appliquant ce disque sur lui-même et telle que l'image d'un point a = 6 + t']i intérieur au disque soit l'origine. Cette fonction est de la forme
ei1jJ a
w=--:-·
z-a , , z-a
où èi est le conjugué complexe de a, a', le point symétrique à a par rapport au cercle, c'est-à-dire que a' = ëi-l • En désignant par rI et r2 les distances du point variable z' aux points a et a', on obtient immédiatement l'expression suivantede la fonction de Green pour le disque: 1 2n
G (z; a)= - - ln
1-=-0 ei1jJ z- a i r , =---11l-1 + -1l n 1/62 +t']2. a
z- a
2n
r2
2n
Supposons maintenant que le domaine B est un rectangle de sommets (0, 0), ül l = 2a et ül 2 = 2bi et construisons la fonction de
(0, a), (a, b), (0, b). Posons
CH. II. PROBL:ElMES AUX LIMITES
362
Weierstrass cr (Z; (01' (02). On a vu que la fonction qui applique le rectangle B :sur le disque unité de telle sorte que le point z = 6 i'll ait l'origine pour image, ~st de la forme (tome 1II 2 , [VI-4-25])
+
f()= i'!Jcr (z-ç-it"j) cr (z+ç+iT)) z e cr(z-ç+iT)cr(z+ç-iT).
Donc, la fonction de Green pour le rectangle s'écrit: G (z; a) =
cr (z+ ~+ iT)) 1 cr (z- ç+ iT)) cr (z+ ç- iT) •
__1_ ln / cr (z-ç- iT) 2n
La théorie des fonctions d'une variable complexe peut être appliquée à la construction des fonctions de Green pour un domaine multiplement connexe avec une condition aux limites (189) sur l. Soit par exemple B un domaine doublement connexe limité extérieurement par un contour II et intérieurement par l2 et soit G (z; a), la fonction de Green pour ce domaine. Construisons la fonction H (z; a) conjuguée harmonique de G (z; a) et la fonction de la variable complexe '
+
-
2~ ln
(z - a) et d'un terme régulier en ce point. Lorsque le point z parcourt
une fois le contour l2' la fonction cp (z) augmente d'un terme imaginaire pur yi et la fonction f (z) = e- 2JlqJ (Z) sera multipliée par le facteur e2Jl î'i de module égal à l'unité. Par ailleurs, la fonction f (z) présentera une racine simple en z = a ~t son module sera égal à l'unité sur les contours II et l2' puisque la fonction de Green G (z; a) est nulle sur ces contours. La construction de la fonction de Green se ramène donc à celle d'une fonction analytique f (z) dont le module est univalent à l'intérieur du domaine multiplement connexe B et égal à l'unité sur le -contour du domaine et dont le point z = a est l'unique racine simple. Considérons à titre d'exemple le cas d'une couronne circulaire dont le centre est l'origine des coordonnées et les rayons égaux à h -1/2 et h 1/ 2 , où 0 < h < 1. On peut toujours se ramener à ce cas par une similitude convenablement choisie. Effectuons la substitution z = e inv et considérons en plus de h le nombre imaginaire pur 't = ci (c > 0) défini par la formule h = eTt'Ci. L'image de la couronne dans le plan de la variable v est une bande limitée par les droites y = +c/2, parallèles à l'axe réel et par deux droites parallèles à l'axe imaginaire et distantes de 2 unités. La fonction f (z), comme fonction de v, doit être analytique sur la bande 2 revient à effectuer un tour complet autour de indiquée. Le passage de v à v l'origine à l'intérieur de la couronne, ce qui a pour effet de multiplier la fonction f (z) par un facteur de module égal à l'unité. Sur les frontières y = +c/2 de la bande, on doit avoir 1 f (z) 1 = 1 et si z = a est un pôle de la fonction de Green ,dans le plan de la variable z, alors la fonction f (z), comme fonction de v, doit présenter des racines simples aux points ~ définis par a = eJl /3i. La fonction f (z) n'admet pas de zéros autres que ces points dans la bande. On peut toujours admettre que a est un réel strictement positif, quitte à effectuer une rotation de la couronne autour de l'origine. On vérifie immédiatement que la fonction
+
11:/3
ln ex
f (z) = z ""i'ilii""
.
--Vt
=e
't
(i-{-) o( ~ +~ )
Ô1
Ô
remplit toutes les conditions exigées ci-dessus. Dans cette formule {t~ (v) et Ô 1 (v) sont les fonctions définies au (tome III 2 , [VI-4-13]) et ~ désigne, pour fixer les idées, la racine imaginaire pure de l'équation a = e"'/3i. Pour vérifier toutes
II-2-33. FONCTION DE GREEN ET
~QUATION
AVEC SECOND MEMBRE
363
les propriétés de la fonction f (z) il nous faut utiliser les tables (109) et (110) du (tome 111 2 , [VI-4-14]) et le fait que pour les h réels, les fonctions {th (v) prennent des valeurs conjuguées complexes lorsque v prend des valeurs conjuguées complexes. Une fois en possession de la fonction f (z), on détermine la fonction de Green à partir de la formule: G (z; ex) = -
1 2n ln 1f (z) 1.
11-2-33. Fonction de Green et équation avec second membre. Considérons l'équation avec second membre !1u (P) = -cp (P) (220) dans un domaine Di limité par une surface S. Supposons que cp (P) est continue dans Di et possède dans Di des dérivées premières continues. On cherche une solution de (220) continue dans Di et vérifiant la condition aux limites (221) u Is= O. Cette solution est unique. Ceci résulte immédiatement du fait que la différence de deux solutions de l'équation (220) vérifiant la condition (221) est une fonction harmonique vérifiant la condition (221), c'est-à-dire est une fonction identiquement nulle. Montrons que la solution cherchée est de la forme
u (P) =
i ))
G (P; Q) cp (Q) dTQ,
(222)
s,
~) d~ d'rJ d~.
(223)
g (P; Q) cp (Q) dT.
(224)
Di
ou encore u (x, y, z) = ) )
i
G (x, Y, z;
'rJ.
~) cp (6,
'rJ,
Di
En vertu de (192), on a
u (P) =
4~
) ) Di
i
cp (Q)
+
dT+ ) )
i
Di
Le premier terme possède des dérivées premières et secondes continues dansD i et l'opérateur de Laplace de ce terme est égal à [-cp (P)] (tome II, VII-3-10l). Montrons que le second terme peut être dérivé sous le signe d'intégration autant de fois qu'on le veut par rapport aux coordonnées (x, y, z) du point P. De là il s'ensuivra que c'est une fonction harmonique dans Dit puisque g (P ; Q) est une fonction harmonique de P. Faisons d'abord une remarque. Supposons que les valeurs frontières f (N; a) de la fonction harmonique u (P; a) dépendent d'un paramètre a. La fonction harmonique u (P; a) dépendra alors de a. Si f (N; a) -+ f (N; ao) uniformément sur S pour a ~ ao, alors u (P; a) ~ u (P; ao) uniformément dans le domaine fermé Di [II-2-fOl.
364
Cff. II. PROBL1l:MES AUX LIMITES
Etant symétrique, la fonction g (P; Q) est une fonction harmonique de Q (s, 11, ~) [1I-2-29] prenant les valeurs frontières -4~ro' où ro=V(x-~0)2+(Y-110)2+(z-~0)2,QO(SO, 11°, ~O)ES. On admet que P EDi' La fonction g (x+ ~x, y, z;
ç,
- g (x, y, z;
~,
est une fonction harmonique du point (s, 11, valeurs
~)
11,
~) ~x
11,
~)
(225)
prenant sur S les
-=4-n1-:-~x- [1/(X+~X-~O)2+tY-110)2+(Z-~O)2- -Y(X_~O)2+(Y~110)2+(Z_~O)2 J. Lorsque ô'x -+ 0, ces valeurs tendent uniformément sur S vers -
1
f)
4n
f)x
1·
(-;:0)
(226)
et de là il s'ensuit immédiatement que le rapport (225) tend uniformément en (6, 11, ~) E Divers une fonction harmonique du point (S, 11, ~) prenant les valeurs (226) sur S. Ces raisonnements sont valables pour les dérivées de tout ordre. Donc, la fonction g (P ; Q) possède des dérivées continues de tout ordre par rapport aux coordonnées du point P lorsque P E Di et Q E Di' De là il s'ensuit aussitôt que la dérivation du second terme de la formule (224) par rapport à (x, y, z) est licite sous le signe d'intégration. Il reste à prouver que la fonction u (M) définie par (222) vérifie la condition aux limites (221). Ceci résulte en fait de ce que G (P ; Q) satisfait cette condition comme fonction de P. La faille d'un tel raisonnement réside dans le fait que lors de l'intégration le point Q peut être aussi proche que l'on veut de S, alors que le point P doit tendre vers S en vertu de la condition (221). Le comportement de la fonction G (P; Q) n'est pas clair dans cette situation. Prouvons rigoureusement que la fonction (222) vérifie la condition (221) en tout point No E S. Désignons par Di la partie du domaine Di extérieure à une sphère Sd1 (No) de centre No et de rayon dl et par Di, la partie de Di, intérieure à cette sphère. Si est donné un nombre E > 0, alors en tenant compte de l'encadrement (196) on peut prendre dl assez petit pour que l'intégrale de la formule (222) étendue à Di soit < ~ en valeur absolue pour tout point P intérieur à la sphère Sd1 (No). Lors de l'intégration sur Di, le point Q appartient à Di et le point P est supposé se trouver dans un petit voisinage du point No, par exemple, dans une sphère Sd 1/2 (No). Dans ces con.
II-2-33. FONCTION DE GREEN ET
~QUATION
AVEC SECOND MEMBRE
365
ditions, PQ > ~l et de [II-2-291 il s'ensuit que G (P; Q) est une fonction continue de (P; Q). Donc, dans l'intégrale étendue à Di on peut passer à la limite par rapport à P lorsque P -+- No et cette limite est nulle, car G (P ; Q) satisfait la condition (221). Par conséquent, l'intégrale étendue à Di sera < ~ en module si P est assez proche de No et par suite l'intégrale de la formule (222) sera <8 en valeur absolue. Comme 8 est arbitraire, il s'ensuit que cette intégrale vérifie la condition (221). Nous venons ainsi de prouver que la formule (222) donne bien la solution de l'équation (220) qui vérifie la condition (221). Rem a r que 1. Lors de la démonstration de l'existence des dérivées secondes continues du potentiel de volume et de la formule de Poisson, il suffit de supposer que sa densité dansD i vérifie la condition de Lipschitz au lieu de supposer l'existence de dérivées premières continues (voir par exemple N. G u n ter, Théorie du potentiel ... , Paris, 1934). Donc, l'assertion que la formule (222) donne la solution du problème (220) vérifiant la condition (221) est valable si cp (P) satisfait à la condition de Lipschitz 1 cp (P 2 ) - cp (Pl) 1 ~ br~.2 (rl • 2 = P I P 2 ). (227) Si cp (P) est seulement continue dans le dom,aine Di, alors on ne peut affirmer que le premier terme du second membre de la formule (224) possède des dérivées premières et secondes continues et vérifie l'équation (220). Mais la démonstration du fait que le second membre de cette formule est une fonction harmonique dans Di et que la fonction u (M) définie par (222) vérifie la condition (221) reste en vigueur. En tenant compte du fait que le potentiel de volume de densité continue est une solution distributionnelle de l'équation (220) [1-2-331, on peut affirmer que si cp (P) est continue dans D~, la formule (222) nous donne la solution distributionnelle de l'équation (220) qui vérifie la condition (221). Montrons que cette solution est unique. Supposons que l'équation (220) admet deux solutions distributionnelles continues u i (M) et u 2 (M) vérifiant la condition (221). On a ) ) ) UI
da dT =
-
D.l ) ) ) U2 D.l
) ) )
cpa dT ;
D.l
da dT =
-
S) ) cpa dT, D.l
où a est une fonction quelconque possédant des dérivées premières et secondes continues dans D h nulle au voisinage de S. En retranchant
366
CH. II. PROBIJ;:MES AUX LIMITES
membre à membre, on obtient ) ) ) (U 2 -
u1 ) da d't' = 0,
Di
d'où il s'ensuit que U 2 - Ul est une fonction harmonique dans Di [1-2-33]. La fonction U 2 - Ul étant continue dans Di et nulle sur S, il s'ensuit que u 1 == U 2 dans Di' Donc, la formule (222) nous donne l'unique solution distributionnelle de l'équation (220) avec la condition (221) quelle que soit la fonction continue cp (P). Cette solution possède des dérivées premières continues dans Di (tome II, [VII-3-9l). Rem a r que 2. Soit donnée une fonction U (P) continue dans D if vérifiant la condition (221) et possédant des dérivées premières et secondes continues dans Di, telles que l'opérateur de Laplace du (P) soit continu dans Di. En portant cette fonction dans le premier membre de l'équation (220), on obtient une fonction cp (P) continue dans Di' La fonction U (P) est visiblement une solution ordinaire et distributionnelle de l'équation (220) vérifiant la condition (221), donc elle doit s'exprimer au moyen de cp (P) par la formule (222). Tout ce qui vient d'être dit est valable en dimension deux, c'est-àdire pour le cas où l'équation (220) est la forme du (x, y)
= -cp
(x, y).
(228)
Dans un domaine B de contour l, la solution de cette équation qui vérifie la condition aux limites U Il = 0, (229) est donnée par la formule U
(x, y)
= ) ) G (x, y; St 11) cp (s, 11) dsd'Y].
(230)
B
II-2-34. Valeurs et fonctions propres. La propriété fondamentale de la fonction de Green qui a été démontrée pour l'équation (220) est à la base de l'application de cette fonction à la résolution du problème aux limites pour l'équation dv
+ Âv =
°
(à l'intérieur de Di)'
(231)
lB = 0,
(232)
avec la condition aux limites v
problème qui apparaît lors de la résolution de l'équation de la chaleur ou de l'équation des ondes qui seront abordées plus loin.
367
II-2-34. VALEURS ET FONCTIONS PROPRES
En portant Âv au second membre, on démontre comme dans [II-1-2] que le problème (231), (232) est équivalent à la résolution de l'équation intégrale v (P) = Â
III
(233)
G (P; Q) v (Q) dL
Di
à noyau symétrique. Le noyau de cette équation devient infini lorsque P ==.Q mais il est justiciable de la théorie du (tome IV!, [1-17l)~ car en vertu de (196), sa polarité est de l'ordre de 1 r
G (P; Q) =
K (P; Q) , r
(234)
où K (P; Q) est une fonction bornée. Mettons l'équation (233) sous la forme V(P)=4: IIiv(Q)+dL+ÂiiIg(p; Q)v(Q) dL (r=PQ). D,
Di
(?35) Si v (P) est une solution continue de cette équation, alors le premier terme du second membre possède en tant que potentiel de masses: distribuées sur Di avec une densité continue, des dérivées premières continues dans D il et le second terme, des dérivées de tout ordre continues dans Di comme nous l'avons vu plus haut; donc v (P) possède des dérivées premières continues dans Di' Or on sait (tome II,. [VII-3-10l) que le premier terme du second membre possède des dérivées premières et secondes continues dans Di' Donc, il en est demême de v (P) d'après ce qui précède. En appliquant l'opérateur Li aux deux membres de (235), on s'assure que L\v = -Âv. La condition aux limites (232) est aussi satisfaite comme nous l'avons vu au (11-2-33]. Inversement, l'équation (233) résulte, comme nous l'avons vu au [II-2-33J, de (231) et (232). Ceci prouve l'équivalence de l'équation (231) avec la condition aux limites (232) et de l'équation intégrale (233). Le noyau de cette équation intégrale vérifie (234), d'où il s'ensuit immédiatement que
)i JG2
(P; Q) dL ~ C,
(236)
Di
où C est une constante arbitraire. Soient Âk et Vk (P) les valeurs et fonctions propres de l'équation (233) ou, ce qui est équivalent, du problème (231), (232): Ô.Vk
+ ÂkVk =
0
vkls=O.
(à l'intérieur de Di);
368
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
On peut admettre que normé:
Vh
(P) forment dans Di un système ortho-
rrr {O JJJvz(P)vm(P)dT:= 1
pour pour
Di
l =1= m, l = m.
(238)
Soit w (P) une fonction continue avec ses dérivées premières et secondes dans Di et vérifiant la condition (232). On peut la mettre sous la forme [II-2-33l w (P)
= - )
ii
G (P; Q) dw (Q) dT:,
(239)
Di
.et en appliquant le théorème fondamental de développement du (tome IV!, [1-31]), on peut affirmer que w (P) se développe en une série de Fourier suivant les fonctions propres: 00
w (P)
=
LJ
h=1
ChV h (P),
cette série convergeant régulièrement dans déterminent de la manière habituelle Ch =
i Ji
(240)
Di'
w(P)Vh(P)dT:.
Les coefficients se (241)
Di
On a donc le Thé 0 r ème. Toute fonction w (P) continue avec ses dérivées premières et secondes dans Di et vérifiant la condition (232) se développe en une série de Fourier suivant les fonctions propres Vh (P) convergeant régulièrement dans Di' On montrera dans la suite qu'il existe une infinité de valeurs propres  h • Nous avons utilisé ce fait dans l'écriture de la série (240). La série (240) étant uniformément convergente, il s'ensuit que si w (P) vérifie les conditions du théorème, alors a lieu l'équation .de fermeture
iii Dt
00.
W2(P) dT: =
~ d.
(242)
h=1
On montrera plus bas que cette équation est satisfaite pour toute fonction continue dans Di' Il est immédiat de prouver que si la ;série de Fourier (243)
1I-2-3~.'N ALEURS
ET FONCTIONS PROPRES
369
d'une fonction (01 (P) continue dans fJ i converge uniformément dans Di, alors sa somme est égale à (01 (P). Désignons par (02 (P) la somme de la série (243) et considérons la fonction (02 (P) - (01 (P) continue dans Di et orthogonale à toutes les fonctions propres Vk (P). Cette fonction est par conséquent orthogonale au noyau, c'est-à-dire que
j j j G (P;
Q)
[(02
(Q) -
(01
(Q)] dL = 0
(P EDi).
Di
De là on voit que la solution distributionnelle de l'équation ~u
(P)
=
(01
(P) -
(02
(P)
==
==
qui satisfait la condition (232) est u (P) 0 et par suite (02 (P) (01 (P). Les raisonnements précédents nous montrent que le noyau G (P; Q) est un noyau complet [II-1-4] et par suite il existe une infinité de valeurs propres Âh (tome IV I , [I-42l). Montrons maintenant que l'équation de fermeture (242) a lieu pour toute fonction (0 (P) continue dans Di' Une telle fonction est nécessairement bornée, c'est-àdire qu'il existe un nombre M > 0 tel que 1 (0 (P) 1 ~ M. Soit e > 0 un nombre donné. Choisissons un domaine fermé Di c Di
==
tel que le volume de Di "",D i soit < 32~12. Traçons à l'intérieur de Di "",D i une surface fermée S' contenant Di et définissons une fonction cp (P) égale à (0 (P) dans li i et nulle sur S'et à l'extérieur de S'. Cette fonction peut être prolongée par continuité à l'espace tout entier et vérifiera l'inégalité 1 cp (P) 1 ~ M [1-2-31]. Soient {Pn (P) les fonctions moyennes de cp (P). Ces fonctions possèdent des dérivées de tout ordre pour tous les n assez grands, sont nulles sur S et telles que 1 CPn (P) 1 ~ M. Les fonctions CPn (PJ tendent uniformément vers (0 (P) dans Di et l'on peut fixer M assez grand pour que
D'après ce quï' précède, les fonctions CPn (P) vérifient l'équation de fermeture, c'est-à-dire qu'il existe un nombre N tel que
j j j [CPn(P)-sm(CPn)J2dL~ ~ Di
24-010t7
pour
m~N,
370
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
OÙ Sm (CPn) est une portion de la série de Fourier de la fonction CPn (P). En vertu de l'inégalité (a+b)2~2 (a 2+b 2), on peut écrire
i f~
[00 (P) - sm (CPn)]2 dT: =
Di
~2 ~ ~ ~
[oo(P)-CPn(P)]2dl"+2
Di
l ~ ~ [CPn(P)-Sm(CPn)]2dl"~ Di
~2 ~ ~ ~
[00 (P)-CPn (P)]2dl"+ : .
Di
On a par ailleurs 2
l
~~
l~~
[00 (P) - CPn (P)]2 dT: = 2
[00 (P) - CPn (P)]2 dl"
+
D."D~ l . l
Dl·
Comme 100 (P) - CPn (P) 12~4M2,
la dernière intégrale devient 2
III, [oo(P)-CPn(P)]2dl"~8M2.7)<:
Di"'-Di
(v est le volume de Di "" Di), et les inégalités précédentes nous
donnent
~~)
[00 (P) - Sm (CPn)]2dl" <
: +: +~
=8
pour
m~N
Di
et à fortiori (tome IV l ' [1-3])
~ ~ ~[oo(P)-Sm(oo)]2dT:<8,
m~N,
Di
d'où l'on déduit l'équation de fermeture pour 00 (P), puisque e est arbitraire. Signalons encore que de (236) il s'ensuit que la série 00
1
~Fk
k=1
II-2-35.
D~RIV~E
NORMALE D'UNE FONCTION PROPRE
371
est convergente (tome IV l , [1-3]). On démontre sans peine l'équation de fermeture pour les fonctions non bornées du type indiqué a·u (tome IV l , [1-3]) et notamment pour la fonction de Green GjP; Q). 11-2-35. Dérivée normale d'une fonction propre. Il nous est important pour la suite d'étudier le comportement des fonctions Vk (P) lorsque P -+ S. Thé 0 r ème. Toute fonction Vk (P) possède une dérivée normale régulière sur S. Composons le potentiel de volume u (P) =
2~ ~ ~ ~
Vh
;Q)
(r = PQ).
dT
Di
Ce potentiel est défini dans l'espace tout entier, est continu, possède des dérivées premières continues, est nul à l'infini, est une fonction harmonique dans De' possède des dérivées premières et secondes continues dans Di et enfin est solution de l'équation ~u
=
(244)
-ÂkVk.
On peut construire un potentiel de simple couche
v (P) =
Js~ ~ ~N)
dS,
vérifiant la condition aux limites
av (N) ) ( an e
au (N) an
(on rappelle que u (P) possède des dérivées continues dans l'espace tout entier). Composons la fonction w (P) = u (P) - v (P). Cette fonction est harmonique dans De, nulle à l'infini et telle que ( a~~p) ) e = 0 sur S. La fonction w (P) est justiciable dans De de la formule de Green [II-2-9l, d'où il résulte que w (P) == 0 dans De donc sur S. Dans Db la fonction w (P) est solution, en vertu de (244), de l'équation ~w
=
~u
-
~v
=
-ÂkVk'
d'où il s'ensuit que w (P) ==Vk (P) dans Di, c'est-à-dire que Vk (P) = u (P) - v (P) (P E Di), où u (P) et v (P) sont définies ci-dessus. De là et des propriétés de u et de v, il résulte que la fonction propre Vk (P) possède sur S une dérivée normale régulière. Grâce à ceci on peut appliquer la formule de Green 24-
372 à la fonction
CH. II. Vk
PROBL~MES
AUX LIMITES
(P) (qui n'est pas harmonique)
J))[(a;; ) + ( a;yk ) + ( a;zk ) JdT = 2
2
2
Di
= )
~ V k (~:k ) i dS -
S
En tenant compte de l'équation (237 2) et du fait que les fonctions
) ) )
Vk
~Vh
dT.
Di
~Vk = Vk
ÂkV k , de la condition (P) sont normées, c'est-à-dire
))Jvk (P) dT = 1, Di
on obtient la formule
d'où il s'ensuit que tous les Âk > O. On aurait pu aboutir à ce résultat par un procédé plus simple. En effet, ceci découle directement du théorème qui affirme que l'équation (231) avec la e6ndition (232) et  < 0 n'admet que la solution triviale. Ce théorème sera prouvé au (II-2-43l. Pour des résultats plus complets sur la régularité des fonctions propres au voisinage de S, voir [II-2-50, II-2-56l. Dans le plan, on démontre que les fonctions propres possèdent des dérivées régulières en modifiant la démonstration précédente de la même manière que nous l'avons fait au [11-2-311 en prouvant l'existence de la dérivée normale régulière de la fonction de Green.
II -2-36. Propriétés extrémales des valeurs et fonctions propres. On peut étudier les propriétés extrémales des valeurs propres Ân et des fonctions propres vn (P) exactement comme au [II-1-15l. On a vu que ce sont les valeurs et fonctions propres de l'équation intégrale (233) à noyau symétrique possédant en vertu de (234) une faible polarité. On admet que les valeurs propres Ân (>0) sont rangées par ordre ~e croissance, c'est-à-dire que Â1 ~ Â2 ~ Âs ~ • . . On sait que Â1 est la plus petite valeur de l'intégrale
Jj. JJJJG(P; Q)w(P)w(Q)dTpdTQ Di·
(246)
Di
dans la classe des fonctions w (P) continues vérifiant la condition
373
II-2-36. PROPRmTlj:S EXTR:BMALES DES VALEURS PROPRES
et cette valeur est réalisée pour 00 (P) = VI (P). L'indice de dl: désigne le point qui est pris pour variable d'intégration. L'ordre d'intégration dans l'intégrale (246) importe peu (tome IVI , [1-16]). Pour obtenir les autres valeurs et fonctions propres, il faut considérer les conditions d 'orthogonalité' "
~~~
oo(P) Vk (P)dT=O
(k~ 1, 2, ... , n~1).
Di
En introduisant la classe A des fonctions représentables par le noyau
v (P) -- ~ ~ ~ G (P; Q) 00 (Q) dl: Q , Di
où W (Q) est une fonction quelconque continue dans D h on peut rame':' ner le problème ci-dessus à un problème de minimum de l'intégrale
~~
j
V
(P)
00
(P) dT
sous la condition
Di
~ ~ ~ V2 (P) dT= 1 Di
sur la classe A des fonctions v (P). Cette classe de fonctions est la classe des solutions distribution... nelles de l'équation de Poisson .1v (P) = -00 (P), nulles sur S pour toute fonction 00 (P) continue dans peut en définitive parler du minimum de l'intégrale
Di,
et l'on (247)
sur la classe A, où .1v est l'opérateur généralisé de Laplace. Comme au [l1-1-15J, les conditions d'orthogonalité ci-dessus se ramènent aux conditions d'orthogonalité de v (P):
.l.\ ~
v(P)vk(P)dT=O
(k=1, 2, .•. ,
n~1).
(248)
Di
Toute fonction v (P) de la classe A possède des dérivées premières continues dans Di et en reprenant ad litteram les raisonnements de [1I-2-35J on démontre que v (P) possède sur S une dérivée normale régulière. Définissons maintenant une classe Al c: A de fonctions v (P) jouissant des propriétés suivantes. Les fonctions v (P) sont continues dans D h nulles sur S et possèdent des dérivées premières et secondes continues dans Di et de plus l'opérateur .1v est continu dans Di. La classe A 1 contient toutes les fonctions propres V n (P). Si v (P)
314
CH. II. PROBL:E:MES AUX' LIMITES
appartient à Al' alors on peut appliquer la formule de Green à l'intégrale (247) et puisque v (P) = 0 sur S on obtient ) ) ) (vi
+ v~ + v~) dT.
(249 1 )
Dt
On peut donc .affirmer que Âl est la plus petite valeur de cette intégrale dans la classe Al sous réserve que
et cette plus petite valeur est atteinte pour v (P) = VI (P). Pour obtenir les autres valeurs et fonctions propres, il faut joindre les conditions d'orthogonalité (248) aux fonctions propres déjà trouvées. On démontre que la formule de Green ) ) )
(v~ + v~ + v~) dT = - ) ) ) v ~v dT,
Di
Dt
où:~v est
l'opérateur généralisé de Laplace, a lieu pour toute fonction v de la classe A. Donc, les propriétés extrémales des valeurs et fonctions propres ont lieu pour la classe A tout entière. On montrera au [11-2-57) que ces propriétés extrémales sont réalisées dans une classe de fonctions bien plus large. Signalons que dans [11-2-50) et dans la suite on écrira le problème aux valeurs propres sous la forme Lu = Âu, u 1s = 0 et on appellera valeurs propres de L pour la condition aux limites du problème de Dirichlet les valeurs propres associées à ce problème et pour lesquelles u =1= o. 11-2-37. Equation de Helmholtz et principe de radiation. Considérons l'équation des ondes
(250) et cherchons sa solution sous forme d'un régime sinusoïdal établi de fréquence donnée: u = eiwtv. (251) On obtient l'équation de Helmholtz pour v: ~v k 2 v = 0 (k = ffi/a),
+
(252)
qui par sa forme rappelle l'équation de Laplace. Voyons tout d'abord la condition que doivent satisfaire les solutions de cette équation à l'infini. Nous avons déjà parlé de cette condition au (tome 1II 2 , rVI-2-12l) et l'avons appelée principe de radiation. Dans ce paragraphe on énonce rigoureusement cette condition. Soit donné un régime
375
II-2-37. SQUATION DE HELMHOLTZ ET PRINCIPE DE RADIATION
établi à l'extérieur d'une surface S. Traçons une sphère S p de centre M extérieur à S et de rayon assez grand pour que S c Sp et appliquons la formule de Kirchhoff (tome II, [VII-3-11l) (dans cette formule r = MN, NES): u (M· t)' =_1 , 4n
[!.!::..J [!.!::..J Jl Jl [-i-. r an + _1 ar at ~ an -
1
ru] a
anr
s+sp
]
as
à la solution (251). Dans cette formule, l'intégration est étendue à S et Sp- Pour la solution (251), on a pour t > pla
av. [au]=iroeiCt)(t-:)v [u]=eiCt)(t-:)v', [auJ=eiCt)(t-:) an an' _at ' et en intégrant sur Sp on obtient une intégrale de la forme
~~
e-;k
T
(~~ + ikv) as + ))
;2 e-
ikT
as,
(253)
sp
sp
p. Il est naturel d'exiger que cette expression tende vers 0 lorsque p --+ 00 (ceci correspond à une absence de source de vibrations à l'infini). L'aire élémentaire de la sphère contient le facteur p2 et la condition indiquée ci-dessus sera remplie si l'on impose à v les deux conditions suivantes:
()Ù r =
rv est borné et r (~~
+ ikv) ~ 0
pour r --+ 00, ces deux conditions devant être réalisées quelle que soit l'origine des rayons vecteurs r et uniformément par rapport aux directions de ces rayons vecteurs. Dans la suite on se servira des notations suivantes. Par 0 (,.ex) on désignera une quantité x telle que le rapport :x/ra soit borné lorsque r --+ 00 et par 0 (ra..), une quantité x telle qUé le rapportj x/ra.. --+ 0 lorsque r --+ 00, la convergence devant être uniforme par rapport à la direction du rayon vecteur r et ne pas dépendre du choix de son origine. Les conditions précédentes peuvent s'écrire: v = :J (r- 1) ; (254)
~~ + ikv =
0
(r- 1 ).
(255)
Ces conditions traduisent mathématiquement le principe de radiation dans l'espace. De façon analogue, elles s'écrivent dans le plan: 1
v=O(r-2); 1 av -a;+ ikv=o(r 2).
(256) (257)
376
CH..
n.
PROBL:Il:MES AUXLIMITES
La solution singulière fondamentale vérifiant le principe de radiation dans l'espace aura pour expression (P) =
V
e- ikT r
,
(258)
où r est la distance d'un point 0 fixe au point variable P. En dérivant la solution (258) par rapport à r, on s'assure qu'elle vérifie une condition plus forte que (255), plus exactement, au second membre au lieu de 0 (r- l ) on aura 0 (r- 2 ). Ceci étant, on admet que dans la formule (255), les distances sont mesurées à partir du même point O. Vérifions les formules (254) et (255) en admettant que les distances sont mesurées à partir d'un même point 0 1 et posons 0lP = p. Le fait que pv est borne résulte immédiatement de ce que p/r -+- 1. La formule (255) se vérifie par une simple dérivation de la solution (258) par rapport à p par l'intermédiaire de r. Ceci étant, on a àr
-=ccs'" àp J' où,\, -est l'angle des directions de r et de p; en appliquant la formule qui donne le carré du côté 00 1 dans le triangle OOlP, on obtient -cos,\,
1
=
+0
(r- 2 ).
(259)
Dans le plan, la solution fondamentale qui vérifie le principe de radiation sera la solution H~2) (kr) , où H~2) (z) est la deuxième fonction de Hankel. -Pour vérifier ceci, il suffit de se servir de l'expression asymptotique des fonctions de Hankel et de la formule
~ H~2) (z) =
-
H~2) (z).
(260)
La condition (257) sera remplie sous la forme forte, c'est-à-dire qu'au 3
1
second membre on aura 0 (r -2) au lieu de 0 (r- 2). En multipliant la solution H~2) (kr) par une constante qui ramène la singularité en r = 0 à ln .!, on obtient la solution r
v=
31
2, 1,
H~2) (kr).
(261)
On démontre comme plus haut que le principe de radiation sera aussi vérifié par les solutions H~)
(kr) cos mfl); Hi/;,) (kr) sin mfl) (m
= 1,
2, 3, ...).
(262)
Il-2-38. Théorème d'unicité. Si le principe de radiation a lieu, on peut démontrer le théorème d'unicité suivant: si une fonction v est solution de l'équation (252) à l'extérieur d'un contour fermé l, vérifie le principe de radiation à tinfini et une condition aux limites homogène.,
II-2-38. TH:eOR:eME D'UNICIT:e
par exemple la condition v quement nulle. _ Appliquons la formule
Il = ° ::/l = 0, ou
377
alors elle est identt,.:-
2 au! ) d s J\ J\ (Ul~U2-U2~UI) d't= Jr Jr (au u 1 an -u 2 a;-
(263)-
aBl
Bl
au domaine BI limité intérieurement par le contour l et extérieurement par un cercle ST de centre en un point fixe quelconque et de ray~~ assez grand, et posons U 1 = v et U 2 - li, où v est la conjuguée complexe de v. On admet que v est continue dans BI et possède une dérivée normale régulière. L'intégrale double est nulle en vertu de (252) et l'intégrale prise le long de l est nulle aussi en vertu de la condition aux limites. Reste l'intégrale étendue à ST' contour surlequel n est de même sens que r. La condition (257) nous permet deremplacer
-av
ar = -
1 -ikv .,.l- 0 (r 2). tl .
,
av-
--1
-
ar=ikvrt-o(r 2),
et l'on est conduit à l'égalité 2ik
JIv
1
l2
ds+ ) v·o(r -"2) ds+
Sr
Sr
Jv.o(r-2") ds=O. 1
br
Comme v Vr- et V Vr- sont bornés lorsque r ~ 00, les deux der-niers termes tendent vers et en considérant l'angle polaire cp sur lecercle ST' on obtient
°
2:rt
Vrv 12 dcp~ O.
(264)
) 1
o
Appliquons à présent la formule de Green à la solution v et à la première solution (262). L'intégrale double est nulle comme précédemment et il reste les intégrales prises le long de l et de ST' donc l'intégrale sur ST ne dépend pas de r. Les deux solutions considéréesvérifient le principe de radiation, et de plus les solutions (262) satisfont la condition (257) dans la forme forte au même titre que la solution H~2) (kr). En se servant comme plus haut de la condition (257), on trouve que l'intégrale prise le long de ST tend vers 0, et comme elle ne dépend pas de r, elle est tout simplement nulle, autre-ment dit
Hi/i) (kr)
av Jr 7ir
Sr
dH(2) (kr)
cos mcp dcp - -"':';'~::-r"""""""-';'"
r
J v cos Sr
mcp dcp = O.
CH. II.
PROBL~MES
AUX LIMITES
Si l'on pose lm (r) =
) vcosmcpd
-on trouve Hi// (kr) I~ (r)
=
dH(2) (kr)
~r
f m (r),
-d'où/m(r)=cmH;;/(kr), où Cm est une constante, m=0,1, •••.
De façon analogue, pour gm (r)
=
5 sin v
m
sr
-on obtient l'expression gm (r) = d mH5;,.> (kr), où dm est une constante -aussi. L'équation de fermeture (tome IV l , [1-31) et la formule (264) ~ous disent que pour m fixe et r -+ 00 Cm
Vr H~) (kr)
et
dm
V;: Hg) (kr)
-+
O.
'Ûr, de l'expression asymptotique de Hi:"J (kr) il s'ensuit que VrH~1 (kr) reste supérieur en module à un nombre strictement positif pour les grands r, donc Cm =dm = 0, c'est-à-dire que lm (r) = = gm (r) = 0, d'où il résulte, en vertu de l'équation de fermeture, que v = sur les cercles Sr' Si l est un cercle, alors en assimilant Sr à un cercle concentrique ·à l, on trouve que v à l'extérieur de l, c. q. f. d.
°
== °
°
Dans le cas d'un contour quelconque, les raisonnements précéau voisinage du point à l'infini. On ·dents montrent que v = montrera plus bas [11-2-39] que v (x, y) doit être, comme dans le cas de l'équation de Laplace, une fonction analytique et, en vertu ·du principe du prolongement analytique, la nullité de v au voisinage ·du point à l'infini entraîne sa nullité partout à l'extérieur de l. Le théorème d'unicité se démontre de façon tout à fait analogue . dans l'espace. 11-2-39. Principe de l'amplitude limite et principe de l'absorption limite. Comme au numéro précédent, on peut montrer que la condition de radiation ;permet de sélectionner une solution unique de l'équation dv
+ k~v = -F (P)
(k
>
0),
àéfinie dans l'espace tout entier. On admettra que F (P) est une fonction de point . continûment dérivable définie dans l'espace tout entier et nulle à l'extérieur ..d'un domaine D fini. La solution indiquée est alors donnée par la formule 1 v(P)= 4n
eJr 5Jr -,-, --F (Q) d'LQ ikr
D
(r=PQ).
II-2-39. PRINCIPE DE L'AMPLITUDE LIMITE
379
On est conduit- à cette solution en envisageant le problème non stationnaire des ()scillations forcées sous l'action d'une force périodique. Plus exactement, de la formule de Kirchhoff (tome II, [VII-3-11]) il s'ensuit immédiatement que r:(P)= Hm u(P, t) e- ikt , t-+oo
()ù u (P, t) est la solution de l'équation des ondes li.u -
Utt
=
-F (P) eikt ,
qui vérifie des conditions initiales nulles. Pour cette raison on dit de la solution v (P) qu'elle est 1'« amplitude limite d'une oscillation périodique établie pour les grands t sous l'action d'une force périodique ». Un tel principe de sélection des solutions de l'équation (2641 ) s'appelle principe de l'amplitude limite. Un autre principe de sélection des solutions de l'équation (264 1 ) appelé principe d'absorption limite (cf. V. 1 g n a t 0 vs k i, Ann. Phys., 1905, t8) consiste en ce qui suit: on introduit un paramètre complexe -ie (e > 0) «( absorption ») dans l'équation (2641 ):
+
li.ve (k 2 - ie) ve = -F (P), et l'on prend la solution ve (P) qui tend vers 0 à l'infini (cette solution est uni-
«ue) :
Ve
1 (P)= 4JT.
r
') ~
D
J
-ir(ae-ib e )
r
e
F(Q) dTQ,
()ù a e - ib e = V k 2 - ie (a e > 0, b e > 0), de plus b e -- 0 pour e -- +0. Lorsque e -- +0, la solution ve (P) admet une limite qui est confondue avec la solution v (P) définie par (264 2 ), Les trois principes envisagés ici et au [11-2-37] conduisent à la même solution (264 2), Il semble naturel de s'attendre à ce qu'ils soient applicables à des problèmes plus généraux, par exemple aux problèmes aux limites pour des équations elliptiques dans des domaines illimités. Cependant ces principes trouvent des champs d'application différents. Ainsi, le principe de radiation est favorable au cas où l'équation (2641 ) est considérée dans l'espace tout entier ()u dans un domaine E contenant le point à l'infini (11-2-38]. Si le domaine E est par exemple la bande 0 ~ z ~ 1, alors l'équation (264 1) n'admet aucune solution nulle pour z = et pour z = 1 et satisfaisant les conditions de radiation "Sous la forme (254) et (255) (F (Q) 0). Néanmoins si l'on modifie légèrement ces conditions, le problème admettra une solution unique (cf. A. S v e c h n i k 0 v, Sur le principe de radiation, DAN SSSR, 1950, 73, nO 5). En vertu des deux autres principes applicables ici sans aucun changement, .cet exemple montre que les « conditions de radiation » doivent dépendre de la forme du domaine E à l'infini. Des considérations physiques suggèrent que le principe d'absorption limite n'est pas toujours applicable dans la forme indiquée .ci-dessus si E se rétrécit assez vite à l'infini. Le problème de l'applicabilité des principes formulés ici reste ouvert. Indiquons à ce propos les travaux de F. Rellich (J ahresber. Deutsch. Math. Verein., 53, 57) qui étudient la forme des « conditions de radiation » pour l'équation (2641 ) dans des domaines illimités d'aspect divers, le travail de A. P 0 v z !Il e r, Sur le développement des fonctions suivant les fonctions propres de l'opérateur -li.u + cu. Matem. sb., 1953, 32, nO 1, qui démontre le principe d'absorption limite pour l'équation
°
li.u
*'
+ q (P) u + k
2
u = -F (P)
dans un espace illimité à trois dimensions et enfin l'article de Mme O. Lad y je n s ka ï a, Sur le principe d'amplitude limite. UMN, 1957, 12, nO 3. Cet article est consacré au principe d'amplitude limite pour l'équation ci-dessus.
380
CH. II. PROBUMES AUX LIMITES
Les travaux de Povzner et de Mme Ladyjenskaïa montrent que le principe d'absorption limite possède un plus vaste champ d'application que le principe d'amplitude limite, du moins tel qu'il est formulé plus haut. Plus exactement, les solutions des équations .1ve
+ q (P) ve + (k 2 -
iE) Ve
=
-F (P),
nulles à l'infini, admettent une limite pour E -+ +0 si seulement k 2 n'est pas une valeur propre de l'opérateur .1v q (P) v; la limite Hm u (P, t) e- i kt des t .... +oo solutions du problème non stationnaire correspondant est susceptible de ne pa~ exister si l'opérateur possède une valeur propre au moins. Signalons qu'un nomq (P) v si l'équation .1v bre c s'appelle valeur propre de l'opérateur .1v q (P) v cv = 0 admet une solution non triviale dont le carré du module est intégrable sur l'espace tout entier. Ces principes sont étudié~ ,pour des équations plus générales dans des travaux de D. E i d 0 u s, B. Van ber g et autres. .
+
+
+
+
+
II-2-40. Problèmes aux limites pour l'équation de Helmholtz. La solution (258) de l'équation (252) présente une singularité i. en r r = 0, ce qui nous permet d'élaborer pour cette équation une théorie du potentiel identique à celle du potentiel newtonien pour l'équation de Laplace. En désignant par r la distance du point variable NES au point P, on aura dans l'espace les analogues suivants des potentiels de simple et de double couche
J~ (N) e-;k ., s
v (P) = \"
T
dS,
aan (e- r Jr J ~r(N)
ikT
W
(P)
= -
(265) )
dS,
s
où n est la normale extérieure à S en N. En mettant les noyaux e- ikT 1 e- ikT _1 des potentiels v (P) et w (P) sous la forme - r = -r r on obtient des potentiels déjà étudiés dans lesquels le passage à la limite lorsque P tend vers la surface s'effectue d'après les formules de [11-2-2] et [11-2-4]. Dans l'intégrale restante, le noyau ne présentera plus de singularité pour r = et le passage à la limite est possible sous le signe d'intégration. On obtient ainsi les formules analogues à celles de [11-2-2] et [11-2-4]:
+
,.
°
L= 2a~ L
=
+ .\ J~t (N) iJ~o ( e-:o
kTO
(No)
)
dS,
s
(ro=NoN)
-2n~(No) + JJ ~ (N) a~o ( e-r~ro) dS s
(266)
II-2-40.
PROBL~MES
;LIMITES~VRL'ÉQU~TIONDE
AUX
et Wi
W
= 2n~ (No) -
(No)
) )
s
~
HELMHOLTZ
ro e-:: ) as, :n (e-::ro ) dS,
381
(N) :n (
e(No) = -2n~ (No) - ) ) ~l (N) s
(267)
à noter que le noyau de l'intégrale est dans (266) la valeur prise en No par la dérivée suivant la normale no, et dans (267), la valeur prise en N suivant la normale n; l'intégration est étendue à S comme dans toutes les formules de cette nature. Dans le plan, on obtient les potentiels de simple et de double couche v (P)
= )~
(Pl)
~ H~2) (kr) ds,
l
w(P)
= )~
(N) af)n
[2~ H~2)
(kr)
(268)
Jds,
l
qui sont justiciables de formules analogues aux formules (266) et (267) dans lesquelles il faut remplacer 2n par n. Ces potentiels sont solutions de l'équation (252) et en vertu du choix spécial des noyaux, chaque élément des intégrales écrites et ces intégrales elles-mêmes vérifient le principe de radiation. Considérons le noyau K (N
0'
N
;
k)
f) = an
(e- ikrO
)
= -
2nro
e
-ikrO('k o +1) l r ~nr5
cos m
't'O'
~
OÙ
NoN.
Le noyau transposé s'écrit:
(e-2 ikro ) = eikro (ikro+ 1) 22 nro
nr o
cos 'Po,
~
où tp 0 est l'angle de la normale no en No et de NoN. On peut poser les problèmes de Dirichlet et de Neumann exactement comme pour l'équation de Laplace. Le problème intérieur de Dirichlet consiste à trouver à l'intérieur de S la solution de l'équation (252) qui vérifie la condition aux limites uls=f(N o)· Le problème extérieur se formule de façon analogue, en outre le 'principe de radiation doit être vérifié à l'infini. Dans le cas du problème de Neumann on a la condition aux limites suivante:
382
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
Le théorème d'unicité [11-2-38] nous dit que les problèmes extérieurs n'admettent qu'une solution et une seule. Pour les problèmes intérieurs, l'unicité n'est -pas acquise pour tous les k. Le nombre k 2 s'appelle valeur propre du problème intérieur de Dirichlet s'il existe à l'intérieur de S une solution de l'équation (252) vérifiant la condition aux limites u 18 = O. On définit de façon analogue les valeurs propres du problème de Neumann. Si l'on cherche la solution du problème extérieur de Dirichlet sous la forme d'un potentiel de double couche, et celle du problème intérieur de Neumann, sous la forme d'un potentiel de simple couche, on est alors conduit aux équations intégrales associées: 11 (No)
+))
û)
(N) K (No, N; k) dB =
s
~ (No) + ) ) 11 (N)
K (N, No; k) dB =
- 2~ f (No),
(269)
2~ f (No),
(270)
s
où No est un point variable de S. Supposons que k 2 n'est pas une valeur propre du problème intérieur de Neumann. Montrons que l'équation homogène (269) n'admet alors que la solution triviale. Supposons par absurde qu'elle possède une solution non triviale. L'équation homogène (270) possédera alors elle aussi une solution 110 (N) non triviale. Le potentiel de simple couche de densité 110 (N) nous donne la solution de l'équation (252) qui vérifie la condition aux limites homogène ~~ 18 = O. Or, comme k 2 n'est pas une valeur propre du problème intérieur de Neumann, cette solution doit être nulle à l'intérieur de S. Etant continu, le potentiel de simple couche doit être également nul sur S et en vertu du théorème d'unicité, nul à l'extérieur de S. Ceci étant, 110 (N) == 0 en vertu d'une formule analogue à (54). Cette contradiction nous dit que si k 2 n'est pas une valeur propre du problème intérieur de Neumann, alors l'équation homogène (269) n'admet que la solution triviale et par suite l'équation non homogène admet une solution pour tout f (No), c'est-à-dire que pour tout f (No) le problème extérieur de Dirichlet admet une solution qui a la forme d'un potentiel de double couche. De façon tout à fait analogue, si k 2 n'est pas une valeur propre du problème intérieur de Dirichlet, alors le problème extérieur de Neumann admet une solution qui a la forme d'un potentiel de simple couche. Dans l'ouvrage: V. Kou pra d z é, Problèmes aux limites de la théorie des oscillations et équations intégrales. M., Gostekhizdat,
1950 (en russe) sont exposées en détailles recherches de l'auteur sur les régimes établis en électrodynamique et en théorie de l'élasticité et en particulier sur le problème de la diffraction qui fera l'objet du numéro suivant. Cet ouvrage traite les cas où k 2 est une valeur propre
II-2-40. PROBL:EJMES AUX LIMITES POUR L':E:QUATION DE HELMHOLTZ
383
du problème -intérieur de Dirichlet ou de Neumann et donne des méthodes de résolution des problèmes extérieurs. Montrons maintenant que toute solution v (P) de l'équation (252) possédant des dérivées premières et secondes continues à l'intérieur d'un domaine D sera une fonction analytique. Il suffit pour cela de montrer que v (P) est une fonction analytique à l'intérieurd'une sphère So centrée en un point quelconque Po intérieur à D. Essayons de représenter v (P) à l'intérieur de So par un potentiel de double couche (265). Pour la densité l.t (N) de cette couche, on. obtient l'équation intégrale
J.t (No)
=
1 2n
t (No) +
1 2n
j Jr l.t (N)
.
So
a
'-ikro
an (e ro ) dS,
où t (N) sont les valeurs de v (P) sur So. On peut prendre le' rayon de So assez petit pour que l'équation
J.t (No) = in
~ ~ l.t (N)
:ri (e-::
ro )
dS
(2ï2)
Sil
n'admette que la solution triviale. Prouvons ceci. Soit Â1la premièrevaleur propre de l'équation L'lu Âu = avec la condition aux limites u Is = 0, où So est une sphère de rayon unité. Par une similitude oil s'assure sans peine que la première valeur propre pourune sphère de rayon Rest Â1/R, le nombre R pouvant être pris assez petit pour que Â1 / R > k 2 • Ceci étant, le problème intérieur deDirichlet pour l'équation L'lu k 2u = avec une condition aux limites homogène n'admet que la solution triviale. L'équation intégrale (272) est une équation pour la densité du potentiel de double couche qui donne la solution du problème intérieur homogène de Dirichlet que nous venons de mentionner. En tenant compte du fait que ce problème n'admet que la solution triviale et en raisonnant comme au [11-2-16], on s'assure que l'équation (272) pour la sphère de rayon R ne possède que la solution triviale. Pour un tel choix, on peut affirmer que l'équation (271) admet une solution et l'onaura
°
+
+
v(P) =
- JrJ l.tr(N)aan
(e-- r ihr
)
dS
°
(P intérieur à So; r=PN)
So
ou (tome II, [VII-3-6])
v (P) =
r)
l.t (N)
(273) ,
So
où R est le rayon de S 0 et p = PoP. La fonction à intégrer est une· fonction analytique des coordonnées (x, y, z) du point P intérieur à, So, et de (273) il s'ensuit que v (P) est une fonction analytique de·
· CH. Il. PROBL~MES AUX LIMITES
,(x, y, z) [I-2..32]. Dans le plan, la démonstration - qui sera donnée plus bas - s'effectue de façon analogue à l'aide de la solution singulière correspondante. On peut construire la fonction de Green pour l'équation (252) exactement comme on l'a fait pour l'équation de Laplace. Dans l'espace, la solution singulière fondamentale de cette équation peut ,être mise sous la forme cos kr • La fonction de Green correspondant r
il la condition v
Is
(274)
= 0
,doit être cherchée sous la forme G1 (P, Q; k 2 )
= c~~~r
+ gl (P,
(r = PQ),
Q; k 2 )
(275)
,où gl (P, Q; k 2 ) est la solution de l'équation (252) qui vérifie la -condition aux limites gl (P, Q; k 2 )s = -
c~:~r
ts'
(276)
'si k 2 n'est pas une valeur propre de l'équation (252) avec la condition aux limites (274), alors on peut construire une telle fonction. Dans le plan, les solutions de l'équation (252) dépendant seulement de la distance r = PQ sont de la forme Zo (kr), où Zo (z) est une :solution quelconque de l'équation de Bessel correspondant à l'indice ,zero:
z; (z) +~z Z~ (z) + Zo (z) = O.
(277)
Prenons pour solution de cette équation la fonction de Neumann (tome III 2 , [VI-2-7]):
~
_No (z) =
Jo (z) (ln
_ 2. n
++ C)-
00
~ LJ
(~) 2k 2 1
(-1)k
(k!)2
(..!.k + k-1 1 + ... + 1 ) .
(278)
k=l
La solution singulière fondamentale présentant la singularité Q s ,'.' ecrit
. 1- 1n -1 en 2n
r
1
-7;N o (kr).
(279)
-Outre le terme singulier 2 ln ~ , la fonction (279) contiendra des n r termes en ln r de la forme r 2n ln r (n = 1, 2, ... ) qui tendent vers avec r. Par une dérivation on s'assure immédiatement que leurs .dérivées premières par rapport aux coordonnées tendent aussi vers 0, 1
°
II-2-40. PROBL:E:l\iES AUX LIMITES POUR L'ÉQUATION DE HELMHOLTZ
385
donc ils possèdent des dérivées premières continues dans R2. Supposons que k 2 n'est pas une valeur propre de l'équation (252) avec une condition aux limites de la forme (274). Pour de telles valeurs de k on n'éprouve aucune difficulté à construire la fonction de Green G1 (P, Q; k 2 ) pour l'équation (252). On cherchera la fonction de Green sous la forme 1
Gj (P, Q; k 2 )= -7;N o (kr)+gl(P' Q; k 2 ).
(280)
Comme le premier terme du second membre est solution de l'équation et présente la singularité requise, le problème consiste à trouver un terme gl (P, Q; k 2 ) tel qu'il ne présente pas de singularité, qu'il soit solution de (252) et vérifie sur l la condition aux limites non homogène suivante:
La valeur k 2 n'étant pas une valeur propre, on obtient une seule fonction gl satisfaisant ces conditions. Revenons à l'espace pour signaler une formule liée à l'équation (252). Soient V o (P, Q) une solution singulière quelconque de cette équation présentant la singularité p~, v (P), une fonction quelconque possédant dans Di des dérivées premières et secondes continues. Le raisonnement du (tome II, [VII-3-2l) nous conduit à v(Q)!=
4~
) ) [vo(P, Q)
aVa~) -v(P) avo~;
Q) JdS-
s -
4~
I)) [~v (P) + k v (P)J 2
V o (P,
Q)
dTp.
Di
Si v est solution de l'équation (252), alors l'intégrale triple est nulle. Appliquons la formule obtenue pour le cas où S est une sphère de rayon R et de centre Q, et en admettant que sin kR -=1= 0, prenons pour V o la fonction V o (r) =
cos kr sin kr -cotg kR , où r = PQ. r r
On obtient en défiritive sin kR kR
V (P)
=
r Jr v dS,
1 4nR2 j
s
où au second membre on reconnaît la moyenne de v sur la sphère S. Cette formule généralise la propriété de la moyenne des fonctions harmoniques. 25-01017
CH. II.
386
PROBL~MES
AUX LIMITES
11-2-41. Diffraction de l'onde électromagnétique. La diffraction d'une onde électromagnétique sinusoïdale rencontrant un corps de (lonstante diélectrique 8 et de coefficient de conductibilité cr conduit à un problème plus compliqué. Considérons le problème plan. Soit l le contour du corps, à l'extérieur de l c'est le vide. Soient Bi et Beles régions du plan intérieure et extérieure à l. Mathématiquement, le problème consiste à trouver une fonction E (x, y) vérifiant les équations
!1E
+ klE = 0
(dans Bi);
!1E
+ k:E = 0
(dans Be),
(281)
où 2
(02
k e = -c2' (0 étant la fréquence de l'onde incidente, c la vitesse de la lumière dans le vide. Dans Bi' la fonction E est la composante suivant l'axe des Z du vecteur champ électrique engendré par la perturbation incidente etrotA (x, y) ; dans Be, la fonction E est la somme de l'onde incidente A et de l'onde résultant de la diffraction sur l, de sorte que la différence (E - A) vérifie le principe de radiation. La fonction donnée A doit être solution de l'équation
!1A
+ k~A
=
0
(282)
dans le plan tout entier. Les conditions aux limites sont la continuité de E et de
~~
à la traversée
de l. . Appliquons la formule de Green (263) au domaine Bi et aux fonctions E (Q) et G (P; Q): G (P; Q) =
;i H~2)
(ker)
(283)
(r= PQ)
en admettant que P E Bi' On obtient
jl
(E
!1G-G~E)dS=~
B~
(E
:~ -G ~~) dS+ ~
l
2
ÔG 8E ( E ôn _G ôn
)dS'
V
où Bi= Bi """-X, y étant un petit cercle entourant le point P. La premiere équation (281) et l'équation analogue pour la fonction (283) nous donnent: E !1G - G ~E = (k~ - k~) G (P; Q) E (Q). 1
En tenant compte de ce que G (P; Q) présente la singularité ln r
r
=
pour
0 et en contractant indéfiniment le cercle y, on obtient (tome II, [VII-2-6]) : 2nE (P) =
(k~-k~) ~
) G (P; Q) E (Q) dS
Bi
+ ~ ( E ~~ -G ~~ )
ds. (284 1)
l
Soient S p un cercle centré en l'origine et de rayon p assez grand, B; la partie de Be intérieure à S p' En appliquant la formule de Green à B~ et en admettant que P se trouve à l'intérieur de Bi' on obtient 0=
~
sp
8G - - GôE - ) ds+ ( Eôn ôn
~ (ô G E - - GôE - ) ds. ôn
l
ôn
387
INTENSIT~ MAGN~TIQUE
II-2-42. VECTEUR
Si l'on suppose maintenant que P appartient à Be et que l'on applique la formule à Bi' on obtient 0=
(k~-k:)
) ) G (P; Q) E (Q) dS+ } ( E Bi
:~ -G ~~
(284 3 )
) ds.
l
Si, enfin, on admet que P appartient à Be et que l'on applique la formule à B;, on trouve 2nE (P) =
dS+) Jr (E ~-G!.!i.) an {Jn
(E
~-G aE~) ds. {Jn an
p
l
Les normales au contour l sout de sens contraires dans les formules (284 1 ) et (284 2), Il en va de même dans les formules (284 3) et (284 4 ), En ajoutant meIllpre à membre (284 1 ) et (284 2), ainsi que (283 3 ) et (284 4 ) et en tenant compte de la continuité de E et de {JE à la traversée du contour l, on obtient la mê~me équa-
an t ion pour P intérieur ou èxtérieur à Bi: 2nE (P)=
(k~-k:)
) } G (P; Q) E (Q) dS
+}
(E
:~ -G ~~ )
SP
B·l
ds. (285) .
.
Il nous reste à passer à la limite en faisant tendre p vers l'infini. En appliquant la formule de Green au disque limité par S p et aux fonctions A et G, et en admettant que P est intérieur à S P' on trouve 2nA (P)
Jr ({JG A an
=
aA ) - G an ds,
sp donc, l'intégrale curviligne de la formule (285) est égale à l'expression suivante: 2nA(p)+} {rE(Q)-A(Q)]
aG(:~
Q)-G(P; Q) {Jan [E(Q)-A(Q)]}dS.
sp (286) En se servant du fait que la différence (E - A) doit vérifier le principe de radiation, on montrera à la fin du numéro suivant que cette intégrale devra tendre vers o et la formule (285) nous donnera alors 2_
k
2
E (P) = ki '2n e .\
j G (P;
Q) E (Q) dS +A (P).
(287)
Bi
Si l'on admet que P E B Ï' alors l'équation (287) est une équation intégrale ordinaire. En tirant E (P) de cette équation (P E Bi) et en le portant ensuite dans le second membre de (287), on obtient l'expression explicite de E (P) pour P E Be. Nous avons établi l'équation (287) dans l'hypothèse que le problème admet une solution. A strictement parler, il faut étudier l'équation (287) et montrer qu'elle possède une solution lorsque P E Bi et que cette solution est la solution du problème de diffraction posé. Ceci a été fait dans les travaux qui seront indiqués à la fin du numéro suivant. Signalons en outre que dans l'équation (287), l'intégration a lieu non pas le long du c~ontour l, mais sur le domaine Bi tout entier. 11-2-42. Vecteur intensité magnétique. Pour déterminer le vecteur intensité magnétique H (x, y) on dispose des mêmes équations et conditions à une diffé25*
388
CH. II. PROBLfMES AUX LIMITES
' la con t'mUl't'e de âH, ' d e lest remplacee ' par celle de rence pres: ân a l a traversee 1âH k ân ,où k
=
k i dans Bi et k
=
k e dans Be· De plus, la différence (H -
B),
où B (x, y) est une fonction donnée, solution de l'équation (282), doit vérifier le principe de radiation. Ceci nous conduit aux équations (284) pour H. En nous rappelant que
1ââ~
doit être continue, multiplions (284 1 ) par
:r
(284 2) par
:2e et ajoutons les expressions obtenues. Faisons autant avec les équations (2843)
et (284 4 ). En passant comme plus haut à la limite on aura
H~)_k~-~: (" ki
2nk.
Z
(" G(P; Q)H(Q)dS+
JBJi
+ _1 (_1 _-!.) (" H (Q) âG (P; 2n
k:
k2 e
Z
J1
+ B (P)
Q) d
ân
S
k""
e
=
La fonction G (P; Q) présentant une singularité pour P Q, l'intégrale curviligne se conduit comme un potentiel de double couche lorsque P tend vers l et quand il est sur l, on obtient
1(1?;"+-21) H "2 k1
(P) = ... ,
ke
les points de suspension remplaçant le même membre que celui des deux dernières équations. On peut regrouper les trois dernières équations sous une seule formule:
..!- H k'A
2
(P)
2
=ki-~e 2nk'.1
(" (" G (P; Q) H (Q) dS+
JB.J Z
(_1__ 1) (" H (Q) âG (P; Q) ds+ B (P) +_1 2n k~ ke J ân ke 2
2
l
l
où
(
l 1 -2=~ k
1 k~ 1
si
P E Bi;
si
P E Be;
l 1 (1 . 1) k~
"2 ~+~ kt ke
si
PEL
(288) ,
II-2-43. UNICITÉ DE LA SOLUTION DU PROBL:E:ME DE DIRICHLET
389
Si P E Bi'· alors (288) est une équation intégrale immergée (tome IV}, [1-56]) et elle est justiciable alors de la théorie de Fredholm ordinaire. On demontre qu'elle admet une solution bien définie qui est solution du problème de diffraction posé. A noter que si l'on résout l'équation intégrale (288), c'est-à-dire si l'on connaît H (Q) dans ii;, alors la formule (288) nous donnera H (P) dans Be. Montrons maintenant que l'intégrale de (286) tend vers 0 lorsque p -+- 00. En vertu des expressions asymptotiques de H(~) (z) et H
3
+ 0(1' -
2)
(1'= PQ).
On admet tra dans la sui te que P est fixe et Q ES (J' On a 8G (P; Q)
op
ac
al'
= or .
8G
8p =7);" cos V,
où cos V est défini par (259). Par ailleurs, on a de toute évidence
o (ra) =
0 (pa),
et par suite
àG~;
3
Q)=-ikeG(P; Q)+O(P-z).
L'intégrale de (286) peut être mise sous la forme J=
i
3
{(E-A) [-ikeG+O (p - 2)]-G [- ik e (E--A)
+0 (1'-
1
2)]} ds,
S(J
ou J=
J S(J
3
1 [(E-a).O (p - Z)+G.o (p - 2)] ds= ) [0(1'-1)+0 (1'-1)] ds, S(J
d'où il s'ensuit immédiatement que J -+ O. Les problèmes de diffraction sont étudiés dans les ouvrages suivants: 1. V. Kou pra d z é, Problèmes aux limites de la théorie des oscillations et équations intégrales. M.-L., Gostekhizdat, 1950 (en russe). 2. Ste r n ber g, A nwendung der 1ntegralgleichungen in der elektromagnetischen Lichttheorie. Comp ..Math., 1936, 3, nO 2. 3. Fr e u den t a l, U ber Beugungsprobleme der elektrornagnetischen Lichttheorie. Comp. Math., 1938, 6, nO 2. .
II-2-43. Unicité de la solution du problème de Dirichlet pour équations elliptiques. Commençons par prouver une proposition auxiliaire se rapportant aux matrices. Lem m e. Soient A et B deux matrices symétriques réelles carrées, les valeurs caractéristiques de A étant toutes strictement positives. Si les valeurs caractéristiques de B sont toutes négatives, alors Tr (AB) ~ 0, si elles sont toutes positives, alors Tr (AB) ~ O. Soit U la matrice de la transformation orthogonale qui ramène B à la forme diagonale, c'est-à-dire que UBU- 1 = [Ill' ... , Il n l,
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
390
OÙ fJ.i sont les valeurs caractéristiques de B. On sait que Tr (AB) = Tr (UABU- l ) = Tr (UAU-lUBU- l )
(tome 111 1 , [11-1-8]) et que la matrice symétrique réelle A' = UA U-l possède les mêmes valeurs caractéristiques que A. Par hypothèse elles sont toutes >0 et par suite la forme quadratique n
~ {A'}ik Gi~k
i, R=1
est définie strictement positive. Si l'on admet que ~s = 1 et les autres ~i = 0, alors {A' }ss > (8 = 1, 2, ... , n). Par ailleurs
°
n
Tr (AB) = Tr (A' [fJ.l' fJ.2' •.. , fJ.n]) = Lj {A'}ss
fl.,
s=1
d'où il s'ensuit immédiatement que si tous les fls ~ 0, alors Tr (AB)~ ~ 0 et si tous les fls;:::: 0, alors Tr (AB) ;:::: O. Ce qui prouve le lemme. Signalons encore un fait qui nous sera utile pour la suite. Soit u (P) = u (Xl' X 2 , • • • , Xn) une fonction continue réelle définie dans un ouvert D de l'espace de point générique (Xl' X 2 , • • • , xn) admettant dans D des dérivées premières et secondes continues. Supposons que la fonction u (P) atteint son maximum en un point Po E D. Sous ces conditions. la forme symétrique réelle n
. .2J uXi~k (P 0) ~iÇk
t, R=1
ne peut prendre de valeurs strictement positives (tome 111 1 , [11-2-4]), c'est-à-dire que les valeurs caractéristiques de la matrice symétrique réelle Il u xixk (Po) Il ne sont pas toutes strictement positives. De façon analogue, elles ne sont pas toutes strictement négatives au point où u (P) présente un minimum. Considérons l' équation elHptique linéaire n
L (u)
n
= L} aUPx,xk z
i, k=1
+ i=1 .L: biuxz. + cu = f,
(289)
en admettant que aik' bh c et f sont des fonctions continues dans un domaine fini D et que la forme quadratique n
~ aik~i6k
i, k=1
est définie strictement positive dans D. Signalons que la somme (290)
II-2-43.
UNICIT~
DE LA SOLUTION DU PROBUJME DE DIRICHLET
391
est la trace du produit des matrices symétriques réelles Il aik Il et " U xixk II· On admet que la fonction U (P) possède des dérivées premières et secondes dans D. L'unicité de la solution du problème de Dirichlet pour l'équation (289) repose sur le théorème suivant. Thé 0 r ème. Si c sans second membre
<
0 dans D, alors les solutions de l'équation L (u) = 0
(291)
ne possèdent dans D ni de maximums strictement positifs ni de minimums strictement négatifs. Supposons par absurde que la fonction U (P) prend sa valeur maximale u (Po) > 0 en un point PoE D. Toutes les dérivées premières doivent être nulles en ce point et l'équation (291) nous donne n
~ aih.uxi~k = - cu
(au point Po).
(292)
i. h=l
De la condition de maximum il s'ensuit que les valeurs caractéristiques de la matrice Il u xixk Il ne sont pas toutes strictement positives et en vertu du lemme prouvé ci-dessus le premier membre de (292) est ~O, alors que le second est >0, car par hypothèse u (Po) > > 0 et c (Po) < O. Cette contradiction prouve le théorème. On démontre que la solution ne présente pas de minimum strictement négatif de façon analogue ou en remplaçant u par -u. On démontre de façon analogue que si dans l'équation (289) f (P) ~ 0 à l'intérieur de D, la solution de cette équation ne présente pas de maximum strictement positif dans D, si f (P) ~ 0, de minimum strictement négatif. Le théorème prouvé nous dit que si c < 0 dans D, alors le problème de Dirichlet pour l'équation (289) admet une solution unique. En effet, soient Ut (P) et U 2 (P) deux solutions de l'équation (289) dans D, continues dans jj et vérifiant la même condition aux limites
= cp (P). Sous ces conditions la différence v (P) =
(293)
u 1s
(P) - U 2 (P) doit être solution de l'équation sans second membre L (v) = 0 et s'annuler sur S. De là, en vertu du théorème prouvé, il s'ensuit que v (P) 0 dans D, autrement dit Ut (P) U 2 (P). En effet, s'il n'en était pas ainsi, alors v (P) devrait présenter dans D des maximums strictement positifs ou des minimums strictement négatifs (ou les uns et les autres), or le théorème affirme le contraire. On démontre l'unicité de la solution du problème de Dirichlet en remplaçant la condition c < 0 par la condition plus faible c ~ 0 dans D. Remplaçons à cet effet la fonction v (P) par w (P) en posant v = (ex - e-/3x 1 ) w, (294)
==
Ul
==
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
392
où les nombres a et ~ qui seront définis plus bas sont tels que la différence a - e-/3xl > 0 dans D. En portant (294) dans l'équation L (v) = 0, on obtient l'équation suivante pour w: n
.~
1, k=1
n
atkwXtXh
+ 1=1 ~ biwxi + c'w =
0,
(295)
où bi, tout comme bi! sont continus dans D, et c'
= c + e-/3X1
b R_ a H'
R2
1H'
a_e-/3x1
'
(296)
et en vertu de (294), on a w = 0 sur S. Etant donné que au > 0 dans D, on peut choisir ~ de telle sorte que bl~ - au~2 < 0 dans D et ensuite choisir a assez grand pour que a - e-/3xl > 0 dans D. Ceci étant, dans l'équation (295) on a c' < 0 dans D et la fonction w (P) qui est nulle sur S est justiciable du théorème ci-dessus, d'où w (P) 0 dans D. De (294) il s'ensuit qu'il en est de même de v (P). L'hypothèse c ~ 0 est essentielle pour l'unicité de la solution du problème de Dirichlet. Il est aisé d'exhiber un exemple dans lequel l'équation L (v) = 0 avec c > 0 possède une solution nulle sur S mais non identiquement nulle. Un tel exemple nous est fourni par l' équation (297)
==
que nous allons considérer sur le carré 0 ~ Xl ~ n, 0 ~ X2 ~ n. Si k est un entier naturel, alors l'équation (297) admet la solution v = sin kXl sin kx 2 ,
qUI est nulle sur la frontière du carré. On rappelle que l'équation 8. v
+ Âv =
0
(298)
possède une infinité de valeurs propres strictement positives  = = 11,1; 11, = 11,2' ••• , telles que pour 11, = Âh l'équation possède des solutions non identiquement nulles mais nulles sur la frontière· S du domaine considéré. Rem a r que. Les résultats ci-dessus nous permettent d'établir quelques estimations pour les solutions du problème de Dirichlet. Signalons les plus simples d'entre elles. Soit u (P) la solution du problème L (u) = f dans D; u 1s = o. (299) On admet que c < 0 dans D. Désignons par !-t le minimum de et par AI le maximum de 1 f 1 dans D.
1c 1
11-2-44. L'ÉQUATION
t\.1! -
Âv
=
393;
0
Introduisons la fonction v en posant v = u + k, où k est une·constante. On a L (v) = L (u) + ck = f + ck, de sorte que v (P) est la solution du problème L (v) = f + ck dans D; vis = k. (300}< Supposons d'abord que k
=
M•• ~
-
Sous cette condition f
+ ck ~ 0 dans-
D et les solutions de l'équation L (v) = f + ck ne peuvent présenter de minimum strictement négatif dans D. Or v (P) = M > 0 sur S, donc v (P) ~ 0, c'est-à-dire v = u
+
~
~ 0 ou u ~ _
M ~
M • De ~
façon analogue, en posant k = - M , on obtient u ~ ~ • En: !1 !1 définitive on peut affirmer que la solution du problème (299) (si elle· existe' oit vérifier dans D l'inégalité M lul~-. !1
Considérons maintenant le problème
L(u)=O
uls=cp
D;
dans
(301);"
et désignons par N le maximum de 1cp 1sur S. En posant de nouveau v = u k, on est conduit au problème
+
L (v)
=
ck
dans
D;
vis = cp
+ k.
Posons k = N. Vu que l'on a convenu que c < 0 dans D, la fonction v ne peut présenter de minimum strictement négatif dans D. Pour les valeurs frontières de v (P), on a de toute évidence cp N ~ O. D'où, comme plus haut, il résulte que 1l = U N ~ 0, c'est-à-dire-' u ~ -N. De façon analogue, en posant k = -N, on trouve u ~ N, c'est-à-dire 1 u 1 ~ N dans D pour le problème '(301).
+
11-2-44. L'équation
~v
-
+
J.v = O. Considérons l'équation
~v -
Âv =
0,
(303)<
où Â > 0 est un nombre donné et posons le problème intérieur deDirichlet avec la condition aux limites v
Is
=
f
(N).
(304);
Les solutions de l'équation (303) ne peuvent présenter ni de maximums strictement positifs ni de minimums strictement négatifsdans Di [II-2-43], d'où il résulte que le problème posé admet une solution unique. Si la fonction f (N) est telle que -a ~ f (N) ~ b, où a > 0 et, b > 0 sont des nombres arbitraires, alors la solution du problème.
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
294
Âv
=
-cp (P)
(dans Di)
(305)
avec la condition aux limites homogène v 18 = O.
(306)
On admet que cp (P) est continue dans Di et possède des dérivées .continues dans Di' Le problème (305), (306) est équivalent à l'équation intégrale ([II-2-33l)
:v (P)
=-
Â
III
G CP; Q) v (Q) dl:
+
III
Di
G (P; Q) cp (Q) dl:,
(307)
Di
()ù G (P; Q) est la fonction de Green pour l'équation de Laplace avec la condition aux limites (306). Comme -Â < 0 et que les valeurs propres du noyau G (P; Q) sont toutes strictement positives, l'équation (307) admet, quel que soit le second membre, une seule solution qui est solution du problème (305), (306). Passons maintenant à la résolution du problème de Dirichlet (303) , (304). Soit w (P) la solution du problème de Dirichlet pour l'équation de Laplace avec la condition aux limites (304). La fonction u (P) = v (P) - w (P) (308)
doit vérifier l' équa tion t1u -
Âu =
Âw
.avec la condition aux limites U
18 = O.
Dn vient juste de démontrer l'existence de la solution de ce problème. Sachant u (P), on trouve la solution v (P) du problème de Dirichlet avec la for'mule (308). La solution singulière fondamentale de l'équation (303) est - -v-ï: r Vo (P) = (309) r
e,
'où r est la distance du point P à un point fixe arbitraire Q. On peut, à partir de cette solution, bâtir une théorie du potentiel exactement
II-2-U.
L'~QUATION
Av -
Âv=O
395
sur S, et est de la forme (310)
(P, Q; Îv) possède des dérivées premières et secondes continues dans Di' La fonction gl (P, Q; Îv) est la solution du problème de Dirichlet pour l'équation (303) avec la condition aux limites
OÙ gl
- V~r
Is= __e_4-:-n-r-
• (311) s On peut exactement comme au [II-2-291 prouver que gl (P, Q; Îv) est une fonction continue en P et Q et que dans Dion a gl(P, Q; Îv)
0< G1 (P, Q; Îv) <
- v): r _e_=--4nr
(r=PQ).
(312)
La symétrie de la fonction G1 (P, Q; Îv) se démontre comme au [II-2-30l. La solution de l'équation (305) qui vérifie la condition (306) peut être exprimée par la formule
v (P) = ~ ~ ~ G1 (P, Q; Îv) cp (Q) dT.
(313)
Di
Ceci se prouve comme au [II-2-33J. L'intégrale
~~~
gtCP,
Q; Îv) cp (Q) dT
Di
est solution de l'équation homogène (303) dans Di [II-2-33J. L'intégrale du terme singulier peut se mettre sous la forme
Le premier terme est justiciable de la formule de Poisson, dans le deuxième, le noyau est borné, donc on peut effectuer une double dérivation sous le signe de la somme. De là, il s'ensuit immédiatement que l'opérateur (~ - Îv) appliqué à (313) nous donne [-cp (P)1. La condition aux limites (306) pour l'équation (313) se vérifie comme au [II-2-33l. On peut introduire la notion de fonction de Green d'une autre manière, notamment comme au [II-2-1]. Considérons l'équation avec second membre (305) et admettons que cp (P) est partout nulle sauf sur une boule De de centre Q
396
CH. II. PROBL:EJMES AUX LIMITES
et de rayon e petit et de plus
iii(()
(314)
(P) dT = 1.
De
La solution de l'Équation intÉgrale (307) qui est équivalente au problème posé s'écrit (tome IV l , [1-8]) v (P)=
i~l
R (P, Q'; 1.) (() (Q') dT Q/
(315)
Di
Q; Â) est la réwlvante de l'Équation (307). D'après la définition de cp (Q'), on peut s'attendre que lorsque e -+ 0, le premier membre de (315) tende vers Gl (P, Q; 1.) et le second, vers R (P, Q; 1.), de sorte que OÙ R (P,
Gl (P,
Q; 1.) = R (P, Q; 1.),
a utrement dit, la fonction de Green Gl (P, Q; Â) est la résolvante de l'équation (307). Ceci nous conduit naturellement à la relation Gl (P, Q; Â)=G (P, Q)-Â
i)i
G (P, Q') G l (Q', Q; 1.) dT Q"
(316)
Di
qri TEut facihmmt être pcuy{e. ruifque la difffrence]{ (P, Q) = G1 (P, Q; J.) G (P, Q) €Et la folution de l'Équation t:.H (P, Q) = JoG l (P, Q; 1.) qui vérifie la condition aux limites (306) et reste continue en Q. Or, on sait que la résolvante se reprùente par une sÉrie suivant les fonctions propres du noyau (tome IV l , [1-32]), ce qui nous .onne ici -
00
•
_
~
.
Gl (P, Q, ').)-G (P, Q)--Â L.J
Uk (p) Uk
(Q)
Âh (Âh+ ) , Â
1<=1
et ul? (P) wnt les valeurs et les fonctions propres du noyau G (P; Q), c'eEt-à-dire' de l'Équation (231) avec la condition (232). Une comparaison avec (316) nous donne
OÙ ÂI1
00
Ce qui vient d'être dit ne saurait se substituer à une démonstration rigoureuse. Nous allons prouver maintenant la formule (317) qui nous sera utile dans la suite. Rappelons tout d'abord que la série 00
~
k=1
:2'
(318)
1<
où 'Ah sont les valeurs propres du problème (237 1 ), (237 2 ), est convergente.
II-2-44.
L'~QUATION
6.v -
Î\.v =0
397
Définissons les coefficients de Fourier de la fonction G1 (Q' , Q; Â) par rapport aux fonctions propres du problème (237 1 ), (237 2 ): hh =
~~~
Gl (Q', Q; '1.-) Vh (Q') dT:Q'.
Di
En posant v (Q') = -
t!.Vh
'l.-hh h = -
~
,\
on obtient
(Q')
Âkl
h
'
~ Gl (Q', Q; '1.-) dV h (Q') dT:Q'.
Di
Les deux dernières formules en traînent ('l.- h
+ '1.-) hh =
-
~~~
Gl (Q', Q; '1.-) [dVh (Q') - 'l.-v h (Q')] dT:Q'.
(319)
Di
La fonction G1 (Q', Q; '1.-) étant symétrique et la formule (313) donnant la solution de l'équation (305) qui vérifie la condition aux limites (306), on peut affirmer que le second membre de (319) est égal à Vk (Q). Le rôle de cp (Q) est tenu ici par -[dVh (Q') - ÂVh (Q')] = (Â + 'l.- h) Vh (Q'). Cette fonction possède des dérivées continues dans Di et si on la prend pour second membre de l'équation (305), alors la solution de cette équation qui vérifie la condition (306) (cette solution est unique), est v (P) = Vit (P). La formule (319) nous donne
h -
l:h
(Q)
h - ÂIt+Â •
(320)
Le second membre de la formule (317) est donc la série de Fourier du premier membre qui est une fonction représentable par le noyau. La série du second membre de (317) converge régulièrement en P pour Q fixe. Ceci résulte des majorations
~ 00
];=1
v'ft (P)
Â~
=
l .\ l G2
(P; Q)
dT:Q~C;
Di
exactement comme au (tome IV l , (I-31l). La première de ces formules exprime l'équation de fermeture pour la fonction G (P ; Q) [11-2-34]. Signalons encore que le premier membre de (317) est une fonction de P et Q, continue dans le domaine fermé Di' Ceci peut être établi de la même manière que la continuité du potentiel de volume et de ses dérivées premières (tome II, [VII-3-9l). Signalons encore que le terme de plus forte singularité de la fonction à intégrer du premier
398
CR. II. PROBL1l:MES AUX LIMITES
membre de (317) est égal à
r = Q'Q et r' = Q' P. La véracité de la formule (317) résulte de ce qui précède. Lorsque P == Q, on obtient la formule OÙ
~
v~ (P)
00
Âk(Âk+ Â )
r r r "Q)G 1 (Q,
= J J J G(P;
k=l
(321)
P; 'A)d'tQ"
Di
la série étant uniformément convergente dans Di' puisque la fonction du second membre est une fonction de P continue d'après ce qui a été dit plus haut (tome IV l' [1-38]). L'intégration de (321) sur Di nous donne 00
~
Âk (Â:+Â)
k=l
= )
JJ'P (P, 'A) d't,
(322)
Di
où
'P (P, Â) =
)
JJG (P; Q) G (Q, P; 'A) dT:Q.
(323)
1
Di
La formule (322) nous servira à étudier les valeurs propres Âk •
11-2-45. Expression asymptotique des valeurs propres. Etudions préalablement quelques propriétés de la fonction 'P (P, 'A). En tenant compte des majorations de G et de G1 , on obtient
l '" (P, Â) 1";;;
SJ J e~6~:r:
d-rQ
(r = PQ).
(324)
Di
En intégrant sur l'espace tout entier et en introduisant les coordonnées sphériques d'origine P, on trouve 00
l
'P (P, Â) 1 ~
:Tt 2:Tt
1:n JJJe- V;:r sin e dr de dcp = 2
4n
~À.
(325)
000
Montrons maintenant que dans tout domaine fermé D' c Di
VÂ'P (P, 'A)
-+
4~ uniformément dans
D'
(326)
lorsque  -+ + 00. En tenant compte des valeurs prises par les fonctions g (P: () et gl (P, Q; Â) sur S, on obtient les estimations: 1
O~g (P; Qr~ -4T;
O~gl (P,
Q; 'A) > -
e- V~r'
4nr'.
(P ED'),
II-2-45. EXPRESSION ASYMPTOTIQUE DES VALEURS PROPRES
39!)
où r' est la dîstance de oD' à S. On a
VÀ'!J (P, Â) = VÀ ~ ~ ~ [ 4~r
+ g (P;
Q) ] X
Di
nr
eX [ 4nr
Chassons les éléments:
+ gl (P,
Q; Â) ] d'tQ.
parenthèses et décomposons l'intégrale en quatre
VT ~ ~ ~ g (P;
1
Q) g, (P, Q; Â) d-rQ 1 ,,;;VI
e~6~~r:'
. V,
Di
(v est le volume de Di), d'où il vient que l'intégrale du premier
membre tend uniformément vers 0 pour À -+ ailleurs
00
si P ED'. On a par
et l'intégrale du second membre est inférieure à une constante quelle que soit la position de P dans Di' donc l'intégrale du premier membre tend uniformément vers O. L'intégrale
- v~ r
g (P; Q) d'tQ,
e 4nr
se traite de façon analogue. Reste à étudier l'intégrale - \ \ Î e- v~7' V'A J J J 16n2r2
d'tQ
(327)
Di
et à prouver qu'elle tend uniformément vers 4~ si P ED'. Soient Do et Dl, des sphères de centre P et de rayons respectifs r' et d~ où d est le diamètre de Di' On a e - v~ 7' 16n 2r2
-
\
r r e-
d'tQ~VÀ J J J
vi 7'
16n2r2
d'tQ~
Di
Exprimons les intégrales étendues à Do et Dl en coordonnées sphériques d'origine P et introduisons la nouvelle variable
400
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
~=
VJ: r.
On est conduit ainsi à inégalité:
vi r'
4~
) o
r-
l _e_~6-:-=-~r-::":- d't~ 4~.1
e- P dp~V}: ) )
-V~ d
Di
.\
e- P dp.
0
-Les
termes extrêmes de cette double inégalité tendent vers - 4~ pour  -+ + 00 quelle que soit la position de P ED'. De là, ~il s'ensuit immédiatement que l'intégrale (327) tend uniformément verS 4~ dans D', ce qui prouve (326). En tenant compte ..de (325), on peut [rendre D'assez proche de Di pour que
)l l
YÂ'!'(P, Â)<
~
,
Di"D'
'Où .Â
8 > 0 est donné. Par ailleurs, en vertu de (326), on a pour les assez grands
1
JJJVÂ 'P (P, Â) d't- ~~ I~ ~ , D'
1J) l V Â 1jJ (P, Â) d't -
:n
1
~ 4~
(1J - v')
+8
l
Di
est le volume de Dio Il s'ensuit Hm
r Jr jr VÂ1jJ (P,
Â-++oo j
Â) d't=
Zn '
Di
~t
en vertu de (322) 00
Â:i~ooVX ~
Àk (À: +À)
h=l
4~'
(328)
L'utilisation de cette formule pour la déduction de l'expression .asymptotique de  k rapose sur le théorème suivant: Thé 0 r ème. Si la série 00
s (Â)
= ~ Àkc~À
(329)
k=1
~Ù 0
<Â ~Â ~ 1
2
0
•
0'
Ân -+
00,
Hm
Â-+ +00
converge pour  > 0 et
VÂ s (Â) =
H,
(330)
D-2-U. EXPRESSION ASYMPTOTIQUE DES VALJ!lURS PROPRES
401
alors (331)
la sommation étant étendue aux valeurs de k telles que Âk ~Â. Appliquons ce théorème à la série (328). Dans ce cas Ch = Âj;l et H = :11: et l'on obtient Hm _~
"'-++00
~
y Â. '" k-...-; ::::::Â
;k - 2:
2
ou, ce qui revient au même, (332) où
8 (Â) -+
0 pour
 -+
+ 00.
Si
 = Ân .,
alors (333)
Posons
et désignons le second membre de (332) par-cp (Â). C'est une fonction croissante de  et de plus 0 pour Â<Â}7 cp (Â) = { (334) am pour Âm~ < Âm+le Déduisons l'expression asymptotique de Ân • On a n
n=
'Ç1
L.J
Âk • _1 Â.k
=
k=1
=
al (ÂI -
Â2)
+ 0'2 (Â2 -
Â3)
+ ... + O'n-I (Î"n-I -.- Ân ) + O'nÂne
(335)
.La fonction croissante
est intégrable sur tout intervalle fini, donc il en est de même du second terme du second membre. Les relations (332) et (334) 26-01017
402
CH. II; PROBL:E:MES AUX LIMITES
nous permettent d'écrire
"'n
J
cp (Â) d =
(Â 2 - Âl )
al
+ O 2 (Â
Â2)
3-
+. ·.+
a n- l
(Â n - Ân - l )
=
o
Âo
= 3~2 Â~/2 +
n
Jo e
(Â)
yr dÂ.
(337)
00.
(338)
Il est immédiat de prouver que
"'n r e (Â) Y 1:" d ~ 0
3~2
pour n ~
~
Ân
Soit ô> 0 un nombre donné. Fixons p assez grand pour que 1 e (Â) 1 ~ô pour Â>Â p • On a
"'n J
~
e (Â)
o
"'p VI" dÂI~)
(Â~/2_Â~/2)
1e(Â) 1YÂ dÂ+2ô
(n>p),
3
0
d'où
l 'J.~2
"'n ~
e(A) l'AdA/:;;;;;
Le crochet est
t
~3 Ô
en
Ô+[
"'p
1
~le(A)ll'A
'J.;}'2
valeur
_
2ÔÂ. 3/2
dA-
3'J.f2]'
pour les n grands,
absolue
c'est-à-dire que 1
1.. 3/2 n
"'n Jr e (Â) V~ dÂ
~ô
pour les n grands,
0
d'où l'on déduit (338). En vertu de (337), on obtient donc al
(Â 2 -
Â1 )
+ O 2 (Â
3-
Â2 )
où B~ ~ 0 pour n ~ sant (333), on trouve
+... + an - l (Â
00.
= = _V_ 31[2
Ân - l )
+
H
Â3/ 2
en n
n
+ '
'l
3/2
en/lin .
(339)
,
O. D'où 2
4n
 3/2
En portant ceci dans (335) et en u tili-
v_ Â 3/2 n -_ _ 6n 2 n OÙ B~ ~
n -
=. (. 6n:n ) "3 ( 1
+
6: e~ 1
2
) - 3" ,
II-Z-4S. EXPRESSION· ASYMPTOTIQUE DES VALEURS PROPRES
'et
00.
403.
définitive (8~ -+
0).
Dans le plan, ce résultat s'écrit
"'n = '1
4nR -8-
+ 8 n'" n,
(341)-
où S est l'aire du domaine. Tout se ramène donc à la démonstration du théorème pour la série (329). T. Car 1 e man a appliqué la méthode ci-dessus dàns son travail Übet-die asymptotiscl&e Verteilung der Eigenwerte partieller Differentialgleichungen
(Ber.. Sachsisch. Akad. Wiss. Leipzig, Math. Phys. Klasse, 1936, 88) pourdéduire l'expression asymptotique des valeurs propres pour des équations deforme générale. Exhibons le résultat qu'il a obtenu. Soit donnée l'expression L(u)=
3 ~
LI
3
ô2 u ~ ôu apqôxpôxq+LI aPôxp+au
(aqp=a pq),
P. q = l p = l
où a Pq' a p et a sont des fonctions continues réelles données dans un domaine fermq D de l'espace de point générique (xl' x2,X3)' Soit par ailleurs la forme quadratique 3
~
apqSPSq
P. q=l
définie strictement positive si le point (Xl' X2,X3) E D. Considérons le problème aux limites: L (u)
+
Âu
= 0
avec la oondition (302). Ce problème possède une infinité de valeurs propres qui peuvent être complexes. Tout domaine borné du plan ne contient qu'un nombre liai de valeurs propres et si on les ordonne, on obtient la formule suivante:
~~ Â~2 =6~2 ) n
,~,
) ) D Y
,où !l est e déterminant d'éléments a pq . Signalons que li. > 0, puisque la forme quadratique est strictement positive et le second membre de la dernière formule est réel. Da~s l',~uvrage cité de R. Courant et D. Hilbert, les expression~ asymptôtiques :des valeurs propres 'An de l'équation /i,u +Âu -0 ont été déduites à l'aide des propriétés extrémales des valeurs prol pres. Cette méthode a été déjà exposée au [11-1-17] pour le cas d'une seul~ variable indépendante. Son application-à l'équation Au 'Au = = 0 soulève de plus' grosses difficultés..
+
26'"
PROB~MES
CH. II.
AUX LIMITES
11-2-46. Démonstration du théorème auxiliaire. Avant de passer il la démonstration du théorème énoncé dans le numéro précédent, -on établira quelques formules auxiliaires et prouvera quelques lemmes. Posons: (342) q> (A) = ~ Ck; ~k~).
0'" = q> (Â,,) =
" C"'. LJ k=l
(343)
Dans la formule (342) la sommation est étendue aux valeurs de k pour lesquelles Â", ~ Â. La fonction cp 0..,) est une fonction de Ât eroissante et positive: pour A < Â1 pour Âm~Â< Âm+t.
q> (A) = {O ,
Comme A",
+ A~ 2A
am
(344)
pour Â", ~ Â, il vient
cp(A)~2Â ~ Âkc~Â )."'~~
êt en vertu de (330), on obtient
,
cp (Â) = 0 (V~),
(345)
autrement dit, cp (Â}/Vl est borné pour  -+ 00. On a d'autre part 11-1
~ Â"'C~). = ~
k=l
~t
O'k (
k=l
Âk~Â - Âk+~ +1.) +1.,,0,+-).,
de plus
La formule (334) nous pèrmet d'écrire "
).n
"" c'" '~ LI A",+A = 1&=1 ',:.,1,
cp (x)
(X+A)I
d + 0'" x A,,+l·
'.
Or 'Un ='(P'(l n ) et, de (~45) il s'ensuit que 0'"/(1,, + 1) -.. 0 pour n -+ 00., donc la dernière formule nous donne 00
• (1) =,~
k=1
00
A1&c~A = ~ (x~~)2 "0
dx.
(346)
405
11-2-.6. DSMONSTRATION DU THSOlUl:ME AUXILIAIRE
De (345) il résulte aussitôt que la fonction à intégrer est de l'ordre de x-s/2 lorsque x -+ 00. Pour alléger l'écriture, si '1' (1) = a1b e (Â) Âb , où e (Â) -+ 0 pour 1 -+ 00, on écrira 'l' (Â) ~ aÂb (tome III" [V-151). Prouvons deux lemmes:
+
+
Lem m e I. Si 1 (Â) est définie pour tous les 1 > 0 assez grands~ admet une dérivée continue, ÂI' (Â) croît avec  et 1 (Â) ~ a1q (q > 0), alors l' (1) ~ aq1Q- l . Prouvons d'abord ce lemme pour a = 1 et q = 1. On al (Â) ~  et il nous faut montrer que l' (Â) ~ 1, c'est-à-dire il faut prouver que l' (Â) -+ 1 lorsque 1 -+ 00. Raisonnons par l'absurde. Si l' (Â) ne tend pas vers 1, il existeune suite de valeurs Ân , telle que Ân -+ 00 et l' (Ân ) -+ h, où h =1= 1. Supposons par exemple que h > 1. Soit y > 0 un nombre arbitraire.. Comme ÂI' (1) est une fonction croissante, il vient / (')..,n
+ y n ) -
/ (Â n ) _
y n
= y~"
-
ln+Vln
J
f'
(Â) d1>
Ân~~~n)
Ân+V"'n
l d:
~n
=
j'
~n)
ln (1
+ y) ..
ln
+
Le second membre tend vers !!:..ln (1 y) > 1 si y est assez voisin. y de O. Or de 1 (1) ~ 1, il s'ensuit immédiatement que / ( n +Y n ) - f ( n ) -+ 1. y /1
Cette contradiction prouve le lemme pour a = q = 1. Passons au cas 1 Q général. Posons 11. = 1 Q et fI (11) = ..!. a 1 (11 / ). On a
Donc, ,..,/; (11) est une fonction croissante et l'on peut appliquer le lemme à Il (,...) pour a = q = 1, d'où il vient
Il (,...)
~
1,
Le.
1 l..-1 ..!.. q q ) ~ 1, -l1 f' (l1 aq
et f' (1) ~ aqÂQ-1, ce qui prouve le lemme. Cette démonstration reste en vigueur pour h = 00. Considérons l'intégrale 00
Kp =
J
u
1 2
P+-
----,-,..."........,..2=-
o
(U+1)2p+
du
(p
= 1, 2, ... ).
(347)
. 'CH. II. PROBLt;:MES AUX LIMITES
406
La substitution u = x/(1-x) nous permet d'écrire cette intégralesous la forme (tome 1112 , [111-17)): 1
Kp
=
. 1 P 21 x + (1-x)P- 2dx=
J
(P+.!.)
r (p+.!) r 2 r
(2P+2)
(348}
2
o Lemme II. Soient l-a.
Jo
K p ,l =
u
P+-12
(U+1)2p+2
du; 1 P+u 2
r
00
J
K p ,3=
ô~,
du,
1+a.
-où 0 < a < 1. Alors
.qù
(U+1)2p+2
Kptl~Ô~Kp; K pt2 >(1-ô;)K p ; Kp.3~6;Kp-,
(349)
ô; et ô; qui dépendent de a, tendent vers 0 lorsque
p~ 00.
En appliquant la formule de Stirling (tome III" [111-20]) 1
r (z) = ·V21t zZ-2e- z [1 + 8 (z)]
(8 (z) ~ 0 pour Z~ 00),
au second membre de (348), on obtient 3
K p = V21t 2- 22-21'
(p+~)P+l 2
(p+1)
(p+.!.)P
3 2p+-
2
(1 +e p ),
2
()ù 8 p ~ 0 pour p ~ 00. Le produit de la fraction par vers 1 lorsque p ~ 00, donc
'V p
tend
1
Kp
= Ap- 22-2P (1 + 8~)
(8; ~ 0),
(350)
3
<>ù A= V2i2- 2. La fonction u/(u+1)2 présente un maximum égal il 1/4 en u=1, d'où
T' (U~1)' 1
K P.1";;'k"
r(U~1)' 1
du< k
P
du,
-où 0 < k < 1/4 et k dépend de a. On obtient donc K
Pt 1 ~AlkP,
(351)
()ù Al = 1t/2, et de façon analogue
K P. 3~AlkP.
(352)
407.
11-2-46. DSMQNSTRATION DU. TH:eOR~ME AUXILIAIRE
On a kP = (1/4- ô)P, où Ô> 0 et dépend de cx. De ce qui précède, il s'ensuit que k P.2 2P p 1/2=(1-4ô)P p1/2-+0 pour p-+oo et en vertu de (350), (351) et (352), on obtien~ les inégalités .(349) pour K P. 1 et K p. 3" On a par ailleurs K P.
2
= K P - K P. 1 - K p. 3> K p - (ô; + ô;) K P'
de là on déduit (349) pour K p. 2' ce qui prouve le lemme. Passons à la démonstration du théo;fème formulé au [11-2-45]. 1) 'après l'hypothèse de ce théorème
r cp (x) J (X+Â.)2
1
00
s (Â) =
dx ~ HÂ
- -
(353)
2.
o Considérons la fonction Â2S (Â) et montrons que sa dérivée est strictement positive et croît avec Â: 00
"2"
2
d dÂ. [l'v S (l'v)] =
r Â-xcp (x) J (X+Â.)8
00
d
Jr
ucp (Â.u) (U+1)3
d
u. o 0 De la dernière expression et du fait que la fonction cp (x) est croissante, il résulte immédiatement que la dérivée du premier membre est strictement positive et croissante. On peut donc appliquer le lemme 1 à la fonction Â2S (Â) et, en vertu de (353), obtenir d dÂ.
x=
2
3 ~ [Â2 S (Â)] ~"2 HÂ2,
d'où 00
-8'(Â)=2~
(354)
On a par ailleurs -
 3s'
r (u+ ucp (Â-u) 1)4
00
:!.
1
d
(Â) ~"2 HÂ2,
-
dÂ
[Â3 S '
(Â)] = 2·3
J
du,
o et l'on peut appliquer le lemme 1 à la fonction - 1..3S ' (1..) : -
d
dÂ.
[1.. 3s' (1..)]
~
1
!
3
2:."2 H)..2.
Une dérivation combinée à (354) nous donne 5
00
S" (")
l'v
= 3.f J\ o
cp (x)
(X+Â.)4
1
3
dx ~ 2'2H1..
- -
2.
(355)
408
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
En prolongeant cette procédure, on est conduit à la formule 00
(_1)ffl sm (Â)
=
+ 1) 1 )
(m
(X+~~+2 dx __ {·3 .. ~~m-1) RÂ-
2m+l -2-.
o
(356) Etudions maintenant le comportement de l'intégrale (357) pour de grands Â. On a (x
~
xp ).,)2p+2 -
( 1- x  ) (x+).,)p+1
+
p
-
~
s)
(
LJ
P
.=0
~(~).,).~ (x+).,)P+2+"
où S ) (
= p (p -1) ... (p - s + 1) .
psI
0
\1 p ) = 1 ,
'
et par suite p
J p (Â) =
00
~
( ; ) ( - Â)' ) (X;).,\Xj+2+. dx .
•=0
0
En tenant compte de (356) on obtient 1 p
J (Â) __ RÂ -p- 2 ~ (_1)' ( s) 1·3 ... (2p+2s+1) LJ
p
p
s=o
(p+s+1)12p+,'
(358)
1
Jo (Â) =s (Â) -- RÂ - 2. La première de ces formules peut être mise sous la forme -p_!
J p (Â) -- RÂ
2
1
PaS (-1) (p)
~
vn
r r
~
(p+s+ ) (p+s+2).
(359)
s=o Prouvons maintenant la formule 1
(S
p
../n ~
(_1)8
p)
r r
~
(p+s+ ) 2 K po (p+s+2) =
s=o A cet effet, considérons l'intégrale
rr:
(360)
(361)
409
11-2-46. DEMONSTRATION DU THEOR1lJME AUXILIAIRE
qui par la substitution x= Âu se ramène à la forme 1
p+ u 2 1 , 1 p+ - • (u+ 1)2p+2 du = 00
Lp= Â
2
1
(362)
P+.!. K po Â
0
2
On a p
X) P =.LJ(-1) "" & ( S) Â8 ( x+Â p (X+À)8'8=0
et l'intégrale (361) devient p
Lp =
~
00
(_1)8
(~)
Â8 ) 0
8=0
1
p
1
1
').P+'i
""
.LJ
00-
(_1)8
(Sp) Jr
8=0
u 2
(u+1)P+8+2
d
u.
(363)
0
Le changement u=x/(1-x) nous donne
r J
1
u"2 (U+1)P+8+2 du=
o
rJ x...!.. (1-x) P+8-i-~ dx= r({)r(p+s+{-) 2
r (p+s+2)
0
Portons ceci dans la formule (363) :
V-Lp=
p
~
p:J.. 2').
2
(_1)8
8=0
(~)
r
(p+s+-.!- )
r
(p+s+~
.
En comparant avec (362) on obtient (360) et la formule (359) devient 1
J
P
(Â) ~ 2H Â-P-T K Tt
(364)
P
ou (365) où Tb. dépend de p et de
Â
et ll;l.. -+ 0 pour p fixe et
 -+
00.
CH. II. PROBL:E}MES AUX LIMITES
410
Mettons l'intégrale J p (Â) sous forme d'une somme de quatre termes: (l-a)1I.
(Xx:
)
(l+a)1I.
+
00
)
1
+
)
(l-a)1I.
(l+a)1I.
= J p, 0+ J P,l + J p. 2 + J p, 3'
(366)
oQù 0 < ex. < 1. De (345), il s'ensuit O~{J) (Â)~A VÂ, {)ù A est une constante et par suite 1
(l-a)1I.
J P. ,,çA
J (X~:;p+. dx ~
-p-. 1
AÂ
o
K p. "
Jp,l=n-
1
Â
-P-T
Kp11 p,
, où 11p dépend de p et de ex. et 11p -+ 0 pour p On obtient de façon analogue 2H
1
J p'3=--;:-Â
{)ù
11~
-P-T
-+
00
et ex. fixe.
, Kp11 p,
est identique à 11p' Majorons J p, 0
:
1
J p, o~B
r
J
dx (X+Â)2p+2
o
=
B [ 2p+1
1 Â2p+1-
oQù B et BI sont des constantes (ne dépendant pas de p et de Â). De là on déduit que J p, 0 =
2H
n-
1
-P-T , Â K p 111
-et l'on a  ~ù
1 -P--
2
,
C est une constante. Les formules précédentes entraînent: 2H
Jp,2=n-Â
1 -P--
2Kp(1+T)1I.-T)~-1')p-T)~).
(367)
11-2-46.
D~MONSTRATION
DU
TH~OR~ME
411
AUXILIAIRE
En tenant compte de la définition de J p, 2 et du fait que
1
P+T
(X~Î.)2P+2
dx= 1
=
1
(1+a)T Â-P-TK (Î.+aÂ,)1/2· 1-a cp (Î.+aÎ.)
(368)
p, 2'
d'où 1 1 1
cp (Î.+aÂ,) 2ÂP+T J p . (Â,+aÂ,)1/2 ~ Kp,
2
P (1-a)2 2 Â + ~
1+a
Il
T
1
J p. 2
Kp
(1-a)T 1+a '
La relation (367) nous donne
+
cp (Î. aÎ.) .......... 2H (Î.+aÎ.)l/2::;::::;n-
(1
+ ''b,-l1'''-l1p-l1p ' ') .( 1+a 1- a ) 1/2 •
(369)
De façon analogue, à partir de (368) on déduit:
Jp
,2>
cp (Î.-aÎ.) (Î.+aÎ.)1/2
"'+a'" \
J
"'-a'"
1
P+-
x 2 (X+Î.)2p+2
dx=
d'où 1
cp(Î.-aÎ.) ~ ÂP + 2 J p , 2 (1+a) (Î.-aÂ,)1/2 -...;::: K p '2 1-a
1/2 '
et, en vertu du lemme II et de la formule (367),
~~:Î.~~J2 ~
:H (1 + l1"'-l1).-l1p-l1~) (~~~ )1/2(1_Ô~t1.
(370)
Montrons maintenant que le rapport
l'v
n:
D'une façon générale, un nombre A est une valeur limite admissible de
412
CH. II.
PROBL~MES
AUX LIMITES
admissible on entend des valeurs de A telles qu'il existe une suite infinie strictement croissante de valeurs Ân de  telle que cp (Ân)/VÂn-+i -+ A. Il nous faut prouver qu'il existe une seule valeur limite admissible et qu'elle est égale à 2H/n. Considérons les inégalités (369) et (370). Nous remarquons que leurs premiers membres ne dépendent pas de p contrairement aux seconds. Fixons d'abord p et ex et faisons tendre  vers l'infini de telle sorte que les premiers membres de ces inégalités tendent vers une valeur limite admissible de A. Nous obtenons, compte tenu du fai t que 'llp et 'll~ ne dépendent pas de Â:
A 2 2H (1 _ ~
1t
A ~ 2H (1-....;;;::
1t
'llp 'llp
_') ( 1- a 'llp
_') 'llp
+a ) 1/2 ' ( 1 +a ) 1/2 1-a . 1
Les premiers membres, c'est-à-dire A, ne dépendent ni de p ni de ex et en admettant que p a été pris assez grand et ex assez voisin de 0, on trouve que l'unique valeur admissible de A est 2H/n, c'est-à-dire qu'on a (371). Ce qui prouve la relation (331) du théorème de [11-2-45]. Cette démonstration est due à Hardy et Littlewood. Ces auteurs ont par ailleurs établi une proposition plus générale, le théorème prouvé ci-dessus n'en étant qu'un cas particulier. II-2-47. Equations linéaires de forme plus générale. Considérons l'équation 3
L(u)=2J ux·x·+b(x], x 2 ' xa)u= -f(x1 , x 2 , x a). i=1 1 1
(372)
Dans la suite on désignera simplement par (x) ou (~) les coordonnées (Xl' X 2 , XS) ou (~l' ~2' ~s) des points de l'espace. Supposons qu'on cherche la solution de l'équation (372) qui vérifie la condition aux limites homogène: u 18 = O. (373) Les fonctions données b (x) et f (x) sont supposées continues dans Di et possèdent des dérivées premières continues dans Di. Exactement comme au [l1-2-44J on cherchera la solution de ce problème sous la forme u (x)
= ) ) ) G (x; ~) f.t (~) d't;,
(374)
Di
où G (x; ~) est la fonction de Green pour l'opérateur de Laplace avec la condition aux limites (373). Cette condition est réalisée pour la fonction u (x) définie par la formule (374) quelle que soit la fonction continue f.t (~) et il faut choisir cette dernière de telle sorte
LIN~AIRES
11-2-47. SQUATIONS
DE FORME PLUS
G~NgRALE
413
que l'équation (372) soit vérifiée dans Di' En admettant que ~ (s) est continûment dérivable, on obtient pour elle l'équation intégrale f! (x) =
f (x) +
JJJK (x;
s)
~ Œ) dt'~
(375)
S).
(376)
Di
de noyau K (x; s)
b (x) G (x;
=
Considérons l'équation homogène associée
~ (x) =
JJJK (x;
s)~, (s) dt'~.
(377)
Di
Il nous faut voir si cette équation ne possède pas de solutions non triviales. Supposons que b (x) ~ 0 dans Di et soit ~o (x) une solution de l'équation (377). La formule (374) pour ~ (s) = ~o (6) nous donne la solution de l'équation L (u) = 0 qui satisfait la condition (373). Or cette solution est identiquement nulle [11-2-43], c'est-à-dire que
1JI
G (x; 6) ILo (6) dT. = O.
(378)
l
De la formule (377) pour ~ (x) = ~o (x), il s'ensuit immédiatement que lto (6) doit posséder dans Di des dérivées continues [11-2-33] et en appliquant l'opérateur de Laplace aux deux membres de (378), on trouve ~o (x) == 0, c'est-à-dire que l'équation (377) n'admet que la solution triviale pour b (x) ~ 0 et par suite l'équation (375) admet une solution quel que soit le second membre. Comme f (x) possède par hypothèse des dérivées premières continues dans Dit on peut affirmer qu'il en est de même de ~ (x), d'où il s'ensuit que la formule (374) nous donne la solution du problème posé. On démontre que l'équation homogène (377) n'admet que la solution triviale quel que soit le signe de b (x) si le domine Diest assez petit. Tout ce qui vient d.'être dit vaut pour le plan. Si l'on applique la méthode développée ci-dessus à l'équation 3
2J u i=1
3
X 'x
,
t
t
+ i=1 ~ a, (x) U + b (x) U = Xi
- / (x),
(379)
on est conduit à une équation intégrale de noyau 3
K (x;
s) = 2J ai (x) Gx · (x; s) + b (x) G (x; s). . t t
.t=
(380)
Si les dérivées de la fonction de Green sont telles que IG~I (x;
C
6) 1~7'
(381)
414
CH. II. PROBL:I!:MES AUX LIMITES
alors cette équation intégrale est justiciable des théorèmes habituels. On trouvera une démonstration relativement simple de la majoration (381) dans l'article de D. E ï d 0 u s (DAN SSSR, 1956, 106, nO 2). 11-2-48. Tenseur de Green. Soit L (u) une opération linéaire associant un vecteur au vecteur u (u I , U7" U3) dépendant de (x, y, z). Considérons l'équation L (u) = - /, (382) où 1 est un vecteur donné dépendant dé (x, y, z). Supposons que sur la surface S du domaine D est donnée une condition aux limites homogène, par exemple la condition: u Is = O. (383) Par tenseur de Green pour L (u) avec la condition aux limites (383) on sous-entend une matrice Gu Gu Gu G (P; Q) = G (x, y, z; 11, ~) = G21 G22 G23 , G31 G32 G33 telle que l'équation (382) avec la condition (383) soit équivalente à la formule
s,
u (P) = ) ) ) G (P; Q) 1 (Q) dTQ,
(384)
D
l'expression à intégrer étant l'image du vecteur f par la matrice G (P; Q) traitée comme un opérateur; c'est-à-dire que cette expres-
sion est un vecteur de coordonnées: Gil/l Gi2 /2 Gi3 /3 (i = 1, 2, 3). Chaque colonne du tenseur nous donne les composantes d'un vecteur gk (k = 1, 2, 3) qui possède des dérivées continues dans Di"'..... {Q} et vérifie l'équation homogène (382) avec la condition aux limites (383). La nature de la singularité en Q résulte immédiatement de la signification physique du problème. En se servant du tenseur de Green on peut ramener comme plus haut le problème aux valeurs et fonctions propres de l'équation L (u) Âu = 0 avec la condition aux limites (383) à un système d'équations intégrales.
+
+
+
Ecrivons l'équation fondamentale de la théorie de l'élasticité pour le vecteur déplacement (tome IVl , [11-35)) P
~:~=G(~U+mm 2graddiVu).
II-2-48. TENSEUR DE GREEN
En se servant de la formule (tome II, (IV-2-6]) rot rot u = grad div u -
415
&u,
on peut mettre cette équation sous la forme suivante pour le cas statique:
=
&*u
a grad div u -
b rot rot u
=
0,
(385}
où _ G (2m-2). b-G a- m- 2 ' ~
+
ou, en introduisant les coefficients de Lamé Â. et J.!., a = Â. 2,...; b = ,.... Dans un domaine illimité, la force unité appliquée en un point Q (S, parallèlement à l'axe des Z produit un déplacement de coordonnées *) :
T), ~}
où
On obtient des expressions analogues pour le déplacement dans le cas de forces parallèles aux axes des X et des Y. Le tenseur de Green s'écrit dans ce cas 1 G = 81ta Pa
+
1
(386)
81tb Pb,
où
Pa =
1
(x- ~)2
(x-è,) (y-rI)
(x-~) (z-~)
r
r3
r3
r3
(Y-'I']) (x-~)
r3
1
(Y_'I'])2
(y- T) (z-~)
r
r3
r3
(z-~) (x-~)
(z -~) (y - '1'])
1
(Z_~)2
r3
r3
r
r3
et
-.!. + (x _ Pb=
;)2
(Y-T) (x-~) (z-~)
(x-ç) (Y-T)
(x-;) (z-~)
r3
r3
r3
r
1
(Y_'I'])2
(Y-T) (z-~)
r3
r3
r3
r+
(x-;)
(z-~) (Y-'I'])
r3
r3
1
-,:+
(Z-~)2 r3
La condition aux limites (383) est remplacée ici par u 100
= O. L'équation
&*u = - f
*) A. L 0 v e, A treatise on the mathematical theory of elasticity. Cambridge University Press, 1906.
CH. II.
416
PROB~MES
AUX LIMITES
admet ici la solution (385). Le tenseur (386) s'appelle en théorie de l'élasticité .tenseur de déplacement de Somigliana. On peut le mettre sous la forme
1
G-
8n~ (Â + 2~)
-
.i)Ù
[Â +3Â E+(Â+ )~J r ~ r 3
•
E est la matrice unité et r X r, le tenseur (X_~)2
r X r=
(x-~) (z-~)
(x-~) (Y-1')
(y _1')2
(Y-1') (x-~) (z-~) (x-~)
(Y-1') (z-~) (z_~)2
(z-~)(y-1')
Dans un travail de Weyl (Rend. Circ. math. Palermo, 1915) on trouvera les -divers analogues de la formule de Green pour l'équation (385), la construction .-du tenseur de Green pour un domaine borné et l'étude à l'aide de ce tenseur .des valeurs propres de l'équation L\*u ÂU = O.
+
11-2-49. Problème statique plan de la théorie de l'élasticité. Certains problèmes aux limites sont résolus dans le plan à l'aide de l'intégrale de Cauchy. "Tel est par exemple le cas du problème de Dirichlet pour une équation harmoni-que et biharmonique ou des problèmes de la transformation conforme d'un domaine simplement connexe en un disque ou d'un domaine multiplement connexe en un domaine d'un certain type (V. Kr y 1 0 v. Matem. zb., 1938,4 (46), nO 1). L'intégrale de Cauchy ramène ces problèmes à des équations intégrales. On se propose d'appliquer cette méthode à la résolution d'un problème statique plan -de la théorie de l'élasticité (N. Mou s k h é 1 i c b vil i, Quelques problèmes .de la théorie de l'élasticité, Moscou, «Naouka», 1966 (en russe». Si la condition aux limites se traduit par la donnée des déplacements sur le contour l d'un domaine B, alors la résolution du problème statique revient à trouver deux fonctions fP (z) et 'l' (z) régulières dans B et vérifiant sur le contour lIa condition - kfP (z') >OÙ
+ z'fP' (z')+'IJ (z') = f (z')
(z'
E 1)
(387)
k est une constante réelle, f (z') une fonction donnée sur l. En multipliant
1 les deux membres de (387) par 2 t ' 1 ,où z est extérieur à l et en intégrant 11: z - z le long de l, on obtient k
- 2ni
J.~
ëp(?) dz' +~
z' -z
2m
l
(z') Jr Z'q/ z' -z
dz' = F (z)
'
l
·où F(z)=_1_.
2m
r z'-z f(z')
J
dz'
(z est extérieur à l)
l
est une fonction connue à l'extérieur de l. En faisant tendre z vers le contour l, on obtient
~fP(t)-~ r qi(Z') 2 2m J z' - t l
dz'-! tfP' 2
(t)+~ r ?fP' (z') dz'=F (t) 2m J z' - t e ,
(388)
l
-()ù les intégrales sont comprises au Eens de leur valeur pr.incipale. Pour -obtenir une équation contenant des intégrales ordinaires, servons-nous des
II-2-49. PROBUlME STATIQUE PLAN DE
L'~LASTICIT~
417
formules
~-t)+_k_ \' (j)(?)d;? =0; 2 cp (
2J'ti
J
-.!..q)' (t) _ _1_. \' cp' (z')dz' 2 2m J z' - t
z' _ t
l
O.
l
En multipliant la deuxième équation par t et en ajoutant les deux équations terme à terme à l'équation (388), on trouve - (t) kcp
k + -:--)' _J'tl
1--
I
l
L
Zi-t + -2. 1 cp (z') d ln-'-t z J'tl
cp' (z') Zz'-t -,t dz' -
= Fe (t).
Enfin, en intégrant par parties l'intégrale qui contient cp' (z'), on obtient -
k
k
i--
?- t 1 ~ z' - t
l
Si l'on pose z' - t
(389)
L
= r;w"
l'équation précédente devient
k
J
(390)
l
En séparant la partie réelle de la partie imaginaire, on obtient un système de deux équations intégrales pour les valeurs de la partie réelle et imaginaire de cp (z') sur 1. La résolution de ces équations nous donne cp (z') sur l, et la formule de Cauchy, cp (z) à l'intérieur de l. Pour trouver 'IlJ (z) on multiplie les deux 1 membres de (387) par 2 . , 1 , où z est intérieur à l, et on intègre le long de l: J'tl z -" Z
'P (z) =~ (' ~)
2m' z - z
l
dz' __1_. \ ?cp' (z') dz' +_1_. \ ~ (z') dz'. 2m J z' - z 2m J z - z l
l
Cette méthode de réduction du problème aux limites (387) à une équation intégrale est due à,~N. Mou s k h é 1 i c h vil i (DAN SSSR, 1934, 3, nO 1). En composant l'équation (389), on a admis que le problème possédait une solution. L'étude de l'équation (389) nous permet d'établir le théorème d'existence de la solution du problème statique plan posé non seulement pour un domaine simplement connexe, ce que nous avons admis plus haut, mais aussi pour un domaine multiplement connexe *). La réduction du problème statique plan de la théorie de l'élasticité à une équation intégrale a été donnée dans le travail de V. A. Foc k (C.r. Acad. Sei. Paris, 1926, 182). Dans l'équation (390), ft est l'angle formé par le rayon vecteur d'origine un point t fixe du contour 1 et d'extrémité un point variable z' de l et l'axe des x. En prenant ceci en considération, on voit immédiatement que l'équation homogène (390) possède une solution cp (z') = const non triviale. On peut en dire autant de l'équation (389). On peut toujours admettre que z = 0 est intérieur à l. De la forme de la condition aux limites (387), il s'ensuit que l'on peut transporter le terme constant de cp (z) dans 'IlJ (z) et admettre que cp (0) = O. D'où il résulte que
\ cp (z') dz' =
J
z'
o.
,
l
*) D. S he r m a n, DAN SSS'R, 1935, 4, nO 3. 27-01017
418
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
en ajoutant cette équation à (389), on obtient une nouvelle équation qui ne possède plus de fonctions propres. On peut appliquer une autre méthode pour résoudre le problème aux limites (387) *). On cherchera
ül(Z')
2:n
z'-z
(z est intérieur
dz'
à 1),
l
'" (z) = _1_. 2m
r z'ffi(Z') - z
dz' _ _1_
J
2ni
l
r .?"z' - (z')z dz' + _1_ r (z') 2ni J z' - z
J
ül
ül
l
dz' '
l
où ül (z') est la fonction cherchée sur 1. En portant
nz .,
ül
(z') d ln
z' - t , z - t
1)
-2. nz
l
ül
(z') d
t
z' , = z - t
t (t).
l
Le travail de D. S h e r man traite le cas d'un domaine multiplement connexe et analyse l'équation intégrale obtenue.
11-2-50. Sur les résultats de Schauder. Les problèmes aux limites classiques pour les équations elliptiques du deuxième ordre n
L (u)
= .~ ~t
n
aihuxiXk
k=l
+ h=l ~ bhu Xk + cu = t
(391)
sont le pro b 1 ème d e D i r i chi e t dans lequel les valeurs de la fonction u sont données sur la frontière S d'un domaine D c Rn: (392) u 18 = cp (s) ; le pro b 1ème de N e u man n dans lequel les valeurs de la dérivée de u suivant la conormale à S sont données sur S: (393)
et enfin le pro b 1 ème m i x t e, où est donnée une combinaison linéaire de P (u) et de u sur S: P (u) au 18 = X (s). (394)
+
Les résultats les plus élégants sur l'existence d'une solution du problème de Dirichlet dans des domaines bornés D appartiennent à Schauder et partiellement à Caccioppoli: J. S cha u der, Uber lineare elliptische Dijjerentialgleichungen zweiter Ordnung. Math. Z., 1934, 38; Numerische Abschiitzungen in elliptischen linearen Differentialgleichungen. Studia Math., 1934, 5; R. Cac cio P pol i, Sulle equazioni ellittiche a derivate partiali con n variabili indepen*) D. S h e r m a n,
DAN SSSR, 1940,! 27, nO 9.
II-2-50. SUR LES
R~SULTATS
DE SCHAUDER
419
denti. Rend. Àcc. Lincei, 1934, 19. Ces résultats sont formulés en termes d'espaces de RaIder Cl fa, (D). Les éléments de Ca (D) sont des fonctions u (x) RaIder-continues d'ordre ex (ex E ] 0, 1 [) dans D, c'est-à-dire u (x) est continue dans D et la constante de RaIder est finie pour elle: sup lu ex) - uCi(Y)I Ix-yi On définit une norme dans Ca (D) par x, yED
Il u II~ = sup lu xED
(395)
== ()a
U D'
+
(x) 1 (u)~.
(396)
Les éléments de Cl fa, (D), l ~ 1, sont des fonctions continues dans D et dérivables jusqu'à l'ordre l, les dérivées d'ordre l appartenant à Ca (D). La norme de Cl +CI.. (D) est définie par l
Il u 11~+a) =
2J 2J sup IDRu (x) 1+ .2: (DlU)~, k=O (k) xED
(397)
(Z)
où 1j signifie que la sommation est étendue à toutes les dérivées (k)
d'ordre k. Les espaces Cl fa, (D), l ~ 0, sont des espaces de Banach. Il en est de même des espaces Cl (D), l = 0, 1, ~ .. , constitués d~ fonctions continues dans D et possédant des dérivées jusqu'à l'ordre l continues dans D. La norme dans Cl (D) est définie par
Il u II~) =
l
~ ~
SUp
1Dk U (x) 1.
(398)
k=O (h) xED
Il est d'usage d'écrire simplement C (D) pour Co '(D). On dira que la frontière S d'un domaine D c Rn est de classe Cl +CI.. , l ~ 1, ex E 10, 1[, s'il existe un nombre p > tel que l'intersection de 8 et d'une boule B p de rayon p centrée en un point arbitraire XO E 8 est une surface connexe définie dans un système de coordonnées cartésiennes locales (YI' ... , Yn) d'origine XO par l'équation.. Yn = 0) (YI' ... , Yn-I), la fonction 0) (YI' ... , Yn-I) appartenant. à la classe Cl +Ci dans le domaine fermé B (XO, p) qui est le projet~ orthogonal de l'intersection 8 B p sur le plan Yn = O. Par « système de coordonnées cartésiennes locales d'origine XO E 8 » on désigne un système dont l'axe des Yn est orienté suivant la normale à S en XO et les autres axes Yi7 qui sont deux à deux orthogonaux, sont situés dans l'hyperplan tangent à S en xO. Dire qu'une fonction cp définie sur une surface 8 de classe Cl i«. appartient à Ck+/3 (8), k ~ ~ l ex revient à dire qu'elle appartient en tant que fonction des coordonnées locales (Yh ... , Yn -1) à Ch +/3 (B (XO, p)) pour tous les XO E S.
°
n
+
27'
+
420
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
Voici le résultat fondamental de Schauder: Thé 0 r ème 1. Si les coefficients et le second membre f de l'équation (391) sont des éléments de Cl +a (D), l ~ 0, où D est un domaine borné de Rn, n
2J
n
i, k=1
aih~i~k > V ~ ~L i=1
V
=
const > 0,
~
0, S est de classe Cl +2+a et cp E Cl +2+a (S), alors le problème (391), (392) admet une solution u et une seule de la classe Cl +2 +a (D). Ce théorème combiné à la compacité de l'immersion de Cl +a (D) dans Cl (D) et aux propriétés spectrales des opérateurs complète-
C
(x)
ment continus nous permet d'établir l'analogue du premier et du deuxième théorème de Fredholm pour l'opérateur L avec la condition de Dirichlet. Plus exactement, considérons parallèlement au problème (391), (392) le problème spectral L (u) = 'Au, uls = O. (399) Pour que le résultat soit plus complet il faut admettre que 'A est un nombre complexe et u une fonction de la variable réelle x à valeurs complexes. De ce fait, il faut introduire les analogues des espaces Cl +fi. (D), dont les éléments sont des fonctions à valeurs complexes u (x) = Ul (x) l,U 2 (x), où Ul (x) et U 2 (x) appartiennent à Cl+a (D). On désignera aussi ces espaces par Cl +a (D). Une norme dans un tel Cl +a (D) est définie comme la somme des normes (397) pour Ul et u 2 . On a la proposition suivante:
+
Thé
°
r ème 2. Supposons que toutes les hypothèses du théorème 1 à l'exception de c (x) ~ sont remplies pour Let S. Alors le problème (399) possède des solutions non triviales pour un nombre au plus dénombrable de valeurs 'A: 'A = 'Ah, k = 1, 2, ... , et ces solutions appartiennent à Cl +2 +a (D). Les nombres 'Ah sont situés dans la parabole quadratique n = {'A = 'A' i'A": 'A"2 ~ al (a 2 - 'A'), al > O} dont les 0
+
paramètres ai se déterminent à l'aide des coefficients de L. Chaque Â'1~ est de multiplicité finie, c'est-à-dire qu'à chaque 'Ah. est associé un nombre fini de solutions linéairement indépendantes. Le problème
L (u) = 'Au
+ f,
u 1s = cp,
admet une solution unique dans Cl +2+'X (D) quels que soient f et cp E Cl +2+a (S), pourvu que 'A =1= 'Ah, k = 1, 2, ...
(400)
E Cl+a (D)
La dernière proposition du théorème peut être brièvement formulée comme suit: le théorème d'existence résulte du théorème d'unicité pour le problème (400). Les nombres {'Ah} constituent le spectre de l'opérateur L pour la condition aux limites du problème de Dirichlet. Les solutions correspondantes Uh., c'est-à-dire les solutions du
II-2-51. SOLUTIONS DISTRIBUTIONNELLES DE LA CLASSE
W~ (D)
421
problème (399)- pour Â, = Â,ln s'appellent fonctions propres de l' opérateur L pour la condition aux limites du problème de Dirichlet. Elles sont toutes de la classe Cl +2+'"1. (D). Il est impossible de formuler sous une forme simple le troisième théorème de Fredholm pour le problème (400) sous les conditions de régularité imposées plus haut aux coefficients de L. Nous ferons ceci plus loin en imposant d'autres conditions aux coefficients de L lorsque nous étudierons en détail le problème (400) dans l'espace hilbertien W; (D). La démonstration de ces théorèmes repose essentiellement sur l'importante inégalité suivante: " u Il YJ+2+a) ~ C [II L (u) IIYJ+a) max 1u 1 Il u 11~+2+a)J. (401)
+
+
D
Cette inégalité est valable pour toute fonction u E Cl +2 +CI.. (D). La constante C dépend seulement des normes des coefficients de L dans l'espace Cl+a (D), de la constante d'ellipticité v et de la frontière S qui doit appartenir à la classe Cl +2 +a. Si le coefficient c (x) ~ 0, alors on peut éliminer le terme max 1 u 1 du second membre de (401). D
Il est d'usage d'appeler l'inégalité (401) inégalité de Schauder (qui l'a établie pour l = 0). Nous ne développerons pas ici les démonstrations des faits mentionnés, car elles sont compliquées et assez laborieuses. Le lecteur intéressé pourra consulter la monographie de O. Lad y j e n s k a ï a et N. 0 u raI t s é v a, Equations linéaires et quasi linéaires de type elliptique, M., Naouka, 1973 (en russe). Signalons à ce propos l'idée originale et assez fructueuse de Korn, appelée généralement « gel }) des coefficients. Cette idée a permis de décomposer le problème en plusieurs problèmes « canoniques}) faisant intervenir seulement l'opérateur de Laplace. Pour résoudre ces problèmes on se sert de la théorie classique du potentiel exposée dans les paragraphes précédents. Cette idée est largement utilisée dans l'étude des problèmes aux limites généraux pour équations et systèmes d'équations d'ordre quelconque de type elliptique et parabolique; elle a permis en particulier de prouver que les problèmes (391), (393) et (391), (394) admettaient une solution au sens de Fredholm. On prouvera dans les numéros suivants que le problème (400) admet une solution au sens de Fredholm dans l'espace hilbertien W; (D). Cette démonstration est bien plus simple que dans les autres espaces et ne fait pas intervenir l'idée de Korn. 11-2-51. Solutions distributionnelles de la classe IV~ (D). Pour la suite de l'exposé il nous sera utile de mettre l'opérateur L sous la forme n
L(u)= • 'l,
n
au) + ~ b.-+cu au ()x. , ~ -ax·a ( a· .. -ax.. k=1
1
1 ...
1
H.
i=1
1
(402)
422
CH. II. PROBL:E:.MES AUX LIMITES
Si les coefficients aik possèdent des dérivées distributionnelles premières dans D, alors tout opérateur L de (391) peut être représenté sous la forme (402) et réciproquement (aux valeurs près des coefficients bi)' Dans les numéros suivants, on se propose d'étudier la résolubilité du problème de Dirichlet
=
L (u)
'Au
+ f,
u 1s
=0
(403)
dans un domaine borné D pour des opérateurs elliptiques généraux L à coefficients variables en fonction des valeurs du paramètre 'A. Si ailu b i et c sont des fonctions mesurables bornées sur D et aik possèdent des dérivées distributionnelles bornées, alors pour toute fonction u E W; (D), l'opérateur L (u) est un élément de L 2 (D) et pour tout 11 E C~ (D), on a
~ L (u) 11 dx = L (u, 11),
-
(404)
D
où L (u, 11) désigne la forme bilinéaire L (u, 11) =
~ (ai1~uXk11 Xi -
biu Xi 11 - CU11) dx.
(405)
D
Ici et dans la suite on omettra le signe ~ lorsque la sommation est étendue aux indices se répétant deux fois. L'égalité (404) s'obtient par une intégration par parties du premier groupe de termes du premier membre de (404) (voir formule (107) de [1-2-19]). Comme L (u) E L 2 (D) et que l'ensemble C~ (D) est dense dans l'espace o . ~ (D), alors la relation (404) est satisfaite pour tout 11 E W~ (D). o Toute fonction 11 E ~ (D) peut être approximée pour la norme de ~ (D) par des fonctions 11m E C~ (D). La relation (404) est vérifiée pour u et 11m et l'on peut y passer à la limite par rapport à m pour m --+ 00. On obtient (404) pour toute fonction u E W; (D) et o 11 E ~ (D). Si u appartient à W: (D) et est solution de l'équation 0
L (u) = 'Au
+f
(406)
(pour presque tous les x E D) où f E L 2 (D), alors pour cette fonction u o et pour tout 11 E W~ (D), on a L (u, 11) = -
~
('Au
+ f) 11 dx.
(407)
D
La réciproque est également vraie: si la relation (407) est réalisée o pour un élément u E W: (D) et pour tout 11 E W~ (D) (ou à la rigueur pour tout 11 E Cc;' (D)), alors u est solution de l'équation (406). En
11-2-51. SOLUTIONS DISTRIBUTIONNELLES DE LA CLASSE
W~ (D)
423
effet, de (407) et (404) il s'ensuit que
l (L (u) -- 'Au -
f) Tl dx = 0,
D
et puisque le premier facteur appartient à L 2 (D) et le second est un o élément quelconque de W~ (D) (ou à la rigueur de C~ (D)), alors le premier facteur sera nul en vertu du théorème 2 de (tome IV1 , [111-4]). Donc, l'équation (406) et l'identité (407) prise avec un Tl o quelconque de W~ (D) ou de C: (D) sont équivalentes sur W; (D). Néanmoins l'identité (407) est valable pour les fonctions u E W~ (D). Bien plus, elle ne contient pas les dérivées de ail1. par rapport à x. Ceci nous permet d'introduire la généralisation suivante de la notion de solution de l'équation (406): On dit qu'une fonction u (x) est une solution distributionnelle de classe ~ (D) de l'équation (406) si elle appartient à W~ (D) et vérifie o l'identité (407) pour tout Tl E Wi (D). S'agissant des coefficients aik, b i et c, on peut supposer simplement que ce sont des fonctions mesurables bornées sur D. De ce fait, on appelle solution distributiono nelle de classe ~ (D) du problème (403), une fonction u E W~ (D) o vérifiant l'identité (407) pour tout Tl E W~ (D). Cette généralisation de la notion de solution du problème (403) est adéquate. Si les aik vérifient, quels que soient les réels 61' ... ... , Sn, l'inégalité n
n
~ aik (x) 6iSk>V ~
i, k=1
i=1
sL
x ED,
'V
= const
> 0,
inégalité qui n'est autre que la condition d'ellipticité de L, et s'ils sont dérivables, alors le problème (403) est justiciable de propositions qu'il serait naturel d'appeler théorèmes de Fredholm. Celles-ci sont identiques aux trois théorèmes de Fredholm prouvés précédemment pour des équations intégrales de Fredholm de seconde espèce ainsi que pour des équations plus générales de la forme u = 'AA (u) f dans un espace hilbertien séparable (notamment dans L 2 ) avec un opérateur A complètement continu [(tome IV1 , chap. 1), (tome V»), Formulons ces théorèmes. Leur démonstration, quoique élémentaire du point de vue analytique, implique des notions et théorèmes de l'analyse fonctionnelle qui seront abordés seulement au tome V. Le premier théorème de Fredholm dit que si le problème (403) possède au plus une solution distributionnelle de W~ (D), alors il admet une solution pour tout f E L 2 (D). Ceci est également vrai pour 'A complexe, mais dans des espaces o complexes L 2 (D), W~ (D) et W~ (D), c'est-à-dire qu'il faut admettre que u et f sont des éléments de ces espaces. Les coefficients de L sont
+
424
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
partout supposés réels. Pour formuler le deuxième théorème de Fred-
holm, il faut envisager les deux problèmes spectraux suivants: L (u) = Âu, U 18 = 0, (408) et (409) L * (u) = Âu, u 1 8 = 0, où L* est l'opérateur différentiel adjoint de L au sens de Lagrange. En vertu de [I-2-19l l'opérateur L* est de la forme {j L * (u )_ '--{j
au- ') --a-(biu)+cu. f) (410) aikaxk xi Par solutions distributionnelles non triviales de classe W~ (D) du pro(
Xi
o
blème (408) on entend les éléments u E W~ (D) non identiquement nuls vérifiant l'identité (407) avec 1 = O. De façon analogue, les solutions distributionnelles de la classe W~ (D) du problème (409) sont les élé-
ments de W~ (D) vérifiant l'identité
L* (u, 11) ==
)
(aiku Xk 11xi - biU11xi - cU11) dx =
-
D
 ) u11 D
o
pour tout 11 E W~ (D). Le deuxième théorème de Fredholm dit que les problèmes (408) et (409) possèdent des solutions distributionnelles non triviales pour un ensemble au plus dénombrable de valeurs Â:  = Âk , k = 1, 2, ... Ces valeurs sont confondues avec les  k mentionnés au [II-2-50l. A chaque  k est associé seulement un nombre fini de solutions distributionnelles linéairement indépendantes du problème (408) et du problème (409) et ce nombre est le même dans les deux cas. La collection de nombres { k } s'appelle spectre de l'opérateur L et de l'opérateur L* dans le domaine D sous la condition de Dirichlet. Donc, le problème (403) admet une solution unique pour tout f E L 2 (D) pour tous les  =1=  k • Si  = Âk dans (403), on s'assure sans peine qu'une condition nécessaire pour que le problème (402)
admette une solution est que
1 vérifie
l Iv
k
les égalités
dx = 0,
(411)
D
où Vk est une solution distributionnelle quelconque du problème (409) pour  =  k • Ceci résulte de (407) si l'on y pose  = Âk , 11 = = Vk et que l'on remarque que L (u,
Vk)
= L* (Vk'
u)
= -
Âk
)
vku dx.
D
Le troisième théorème de Fredholm pour le problème (403) avec  =  k affirme que la réalisation de (411) est une condition nécessai-
II-2-51. SOLUTIONS DISTRIBUTIONNELLES DE LA CLASSE
W:~ (D)
425-
re et suffisante pour que le problème (403) admette une solution dans l'espace W~ (D). Dans ce cas le problème possède une infinité· Nk
de solutions de forme générale u
=
Uo
+ i=l ~ CiUhi'
où
Uo
est une so-
lution distributionnelle particulière du problème (403), Uh.'l i = = 1, . . ., N h les solutions distributionnelles du pro blème (408} pour 'A = 'Ah' et Ci des nombres arbitraires. Pour que toutes lespropositions précédentes soient vraies, il est essentiel que D soit borné et que les coefficients aih satisfassent les conditions n V
n
~ Sr~aih (x) SiSh~~ ~ sT,
i=l
i=l
où v > 0 et ~ > 0 sont des constantes. La condition que b i et c sont bornés peut être affaiblie, plus exactement remplacée par la condition b i E L q (D), q > n et C E L q (D), q > n/2. On peut demême affaiblir l 'hypothèse sur l, la remplacer par exemple par 1 E E L q (D), où q ~ n2n ') pour n > 2 et q fini quelconque pour n = 2. ... On étudie de façon analogue le cas d'une condition aux limites de Dirichlet non homogène ainsi que le problème de Neumann et le problème mixte. Lorsque b i 0, l' équation (412) L (u) = 1
==
est une équation d'Euler pour la fonctionnelle quadratique J (u)
j (aUiuXhuXi -
=
cu 2
+ 2ut) dx,
D
et l'identité L(u, YJ)==
j (ai1iuxhYJ~i-cuYJ)dx= - j IYJdx D
D
correspondant à (412) n'est autre que l'égalisation à zéro de la première variation de J (u) sur les fonctions u et ÔU = 'YJ. Donc, au problème de Dirichlet pour l'équation (412) est relié un problème variationnel de recherche des points extrémaux de la fonctionnelle J (u) sur une classe de fonctions de W~ (D). Les solutions de ce problème (si elles existent) ne sont autres que les solutions distributionnelles de classe W~ (D) du problème de Dirichlet pour (412). Au (tome IV!, [III-9 à III-11l) on a montré que l'infimum de la o fonctionnelle J (u) sur W~ (D) est réalisé par un élément unique de o W~ (D) si C (x) == 0 (ceci est également vrai pour toute fonction C (x) ~ 0 bornée). Les raisonnements effectués n'impliquaient pas
~6
CH. II. PROBLRMES AUX LIMITES
l'existence de la solution du problème de Dirichlet pour l'équation (412); au contraire, ils garantissent l'existence de la solution distributionnelle de classe W~ (D) du problème de Dirichlet pour (412). Les bases d'une telle étude des problèmes aux limites (méthodes di'l'ectes) ont été jetées par Hilbert qui a justifié le principe de Riemann pour L = A. Plus exactement, sans faire intervenir la théorie .du potentiel il a prouvé que parmi les fonctions indéfiniment dérivables vérifiant la condition aux limites u 1s = cp il en existe une (Jui réalise l'infimum de l'intégrale 2
J (u) =
j ~ U~i dX
1
dx 2 ,
D i=l
-et cette fonction est harmonique dans D. Certes, à l'époque on n'opérait qu'avec des fonctions continûment dérivables et on essayait ·d'obtenir directement des solutions classiques. Ceci a compliqué singulièrement les choses. Dans les années 20, on a commencé à renoncer aux dérivées ordinaires (classiques) en introduisant des dérivées distributionnelles. Au début des années 30, lorsque la notion de ·dérivée distributionnelle exposée à la fin du tome IV 1 a pris corps, le problème de la détermination de l'infimum de J (u) (pour c (x) ~ ~ 0) a été posé et résolu en fait dans la forme exposée au (tome IV I , UII-9], [III-10l). Dans le travail de K. F rie der i c h s, Spektraltheorie halbbeschriinkter Operatoren und Anwendungen auf die Spektralzerlegung von Differentialoperatoren (Math. Ann., 1934, 109, na 4-5) la résolubilité de ce problème a été posée à la base de la construction .de prolongements hermitiens semi-bornés des opérateurs elliptiques n
L (u)
==
~ à~i
(aik ::k ) +cu,
i, k=1
définis initialement sur l'ensemble de toutes les fonctions régulières nulles sur S. Les coefficients aik ont été supposés continûment dérivables (ou, de façon générale, des fonctions de x de dérivées bornées) et le problème du prolongement des opérateurs non bornés L a -été posé dans l'espace hilbertien L 2 (D). Nous reviendrons sur cette .question au tome V. Les théorèmes de résolubilité du problème (403) (et les théorèmes analogues de résolubilité d'autres problèmes aux limites classiques pour l'équation L (u) = Âu f) formulés dans ce numéro ont été prouvés à la fin des années 40 par des méthodes différentes par M. Vi-chik, O. Ladyjenskaïa et S. Mikhline. Les définitions des solutions .distributionnelles introduites diffèrent par leur forme mais sont équivalentes dans leur fond. Nous avons exhibé les définitions d'une solution distributionnelle d'une équation et d'une solution distributionnelle du problème (403) proposées par O. Ladyjenskaïa. Ces
+
II-2-52. PREMUJRE
I~GALIT:m
FONDAMENTALE
427
définitions Olit été commodes pour l'étude des problèmes aux limites non seulement linéaires mais aussi non linéaires. La démonstration qu'elle a donnée des théorèmes de Fredholm se décompose en deux étapes: elle établit d'abord l'équivalence de 1 identité (407) à une équation opératorielle de la forme u = ÂA (u) f dans l'espace o hilbertien W; (D), où A est un opérateur complètement continu. Pour cela elle utilise les estimations qui seront prouvées au numéro suivant ainsi que le théorème de Riesz sur la forme générale des fonctionnelles linéaires; ensuite à l'aide des théorèmes de Fredholm valables pour de telles équations elle déduit les propositions sur la résolubilité du problème (403) énumérées plus haut (voir à ce sujet les leçons de O. Lad y j e n s k a ï a regroupées dans l'ouvrage: Problèmes aux limites de physique mathématique. M., Naouka, 1970 (en russe). Une analyse plus détaillée des problèmes (403) et (408) et la bibliographie correspondante sont données dans la monographie de O. Ladyjenskaïa et N. Ouraltséva indiquée dans le numéro précédent).
+
11-2-52. Première inégalité fondamentale (ou énergétique). Supposons que les coefficients de l'opérateur L de (402) satisfont les conditions du [11-2-51], plus exactement, quels que soient les réels SI' ... , Sn et xÉ D, n V
n
2J
i=1
-\1
/
sf~aik (x) SiSk~f-l n
~1 br (X)~f-ll'
2J
sÏ,
i=1
(413)
f-l2~C (X)~~t3'
où V> 0, f-l > 0, f-ll;;;:: 0, f-l2 et ~L3 des nombres quelconques (pas forcément strictement positifs). Posons (u, v) =
l
n
uv dx,
Il u Il = V (u, u), ui: = ~ U~i' i=1
D
1U x 1= Il u
H<0 =
(II
U
ux , V '2"
11 2
Il U x Il =
+ Il U x 11 2) 1/2 =
(\ ~
(
dx )
2
Ux
1/2
,
l (u + ui:) dx) 2
1/2 •
(414)
D
On admettra que le paramètre  et toutes les fonctions sont réels, quoique tous les raisonnements qui suivront se généralisent sans peine pour des Â, u et f complexes. On se servira de l'inégalité
Ji~ N
(J i~ ur N
u,v, dx";;'
(J i~' vl dx) N
dx)
1/2
1/2 ,
(415)
428
CH. II. PROBLBMES AUX LIMITES
qui généralise l'inégalité de Bouniakovski-Schwarz (tome II, [VI-1-8J) et qui se démontre de la même manière, et de l'inégalité élémentaire (416) valable quels que soient les nombres a et b et le nombre 8 > O. Minorons la forme L (u, u) définie dans (405) en se servant de (413) et (415): n
L(u, u»vllu x I/ 2- ( )
n
~u~idxr/2(", ~ (biU)2dxr/2-
D i=1
-1l311 u 11
D 1=1 2
>v Il Ux 11
2
-Ill" Ux
1111
u 1l-1l311 u 11 2 •
De là il s'ensuit En vertu de (416)
L(u, u»(v-81)lIuxIl2-(1l3+
~~)
lIull 2
(417)
quel que soit 8 1 > O. Supposons que u est une solution distributionnelle de classe W~ (D) du problème (403), de sorte que cette solution est justiciable de l'identité (407). En faisant 11 = u dans (407), on obtient
L (u, u) + Â Il U 11 2 =
.-
~ fu dx.
(418)
D
En se servant de (417), de l'inégalité de Bouniakovski-Schwarz et de (416), on déduit de (418) l'inégalité suivante: (v -- 8 1 )
Il Ux 11 2 + (Â -1l3 - ~tl ) Il U 11 2 ~ ~ Il f" Il u Il ~ë211
11 2+ 48 Il f !1 2, 1
U
2
(419)
où 8 2 > 0 est un nombre arbitraire. Cette inégalité s'appelle première inégalité fondamentale (ou énergétique). Sur (419) on voit que la norme Il U x Il de la solution distributionnelle du problème (403) se majore en fonction de Il fI/et Il u Il. Si (420) alors (419) nous permet d'estimer la norme 1/ U x Il uniquement en fonction de Il f 1/. En effet, prenons par exemple 8 2 = ô/4 et 81 tel que  - Ila - Il~ (481t1 = 3ô/4. Alors par des calculs élémentaires on trouve que 8 1 = vll~ (ôv + Il~) -1, et de (419) on déduit la majoration voulue: (421)
11-2-52. PREMIÈRE IN);:GALIT);: FONDAMENTALE
429
ou, pour abréger, "u
Il (1)
~ Cô
Il fil.
(422)
Grâce à cette majoration on a le théorème d'unicité suivant: Thé 0 r ème 1. Si les coefficients de L satisfont les conditions (413) et si est réalisée la condition (420), alors le problème (403) possède une solution distributionnelle au plus de classe W~ (D) (le domaine D peut- être illimité). En effet, la différence v = u' - u" de deux solutions distributionnelles éventuelles du problème (403) vérifie l'identité (407) avec / = 0, donc l'inégalité (422) avec f = 0, inégalité de laquelle il résulte que v = 0, c'est-à-dire que u' = u". Si le domaine D est borné, on peut affaiblir la condition (420). On se sert à cet effet de l'inégalité
l u2dx~CD l u~ dx D
(423)
D
(l'inégalité (32) du (tome IV1 , [III-7]) valable pour toute fonction o u EW~ (D) et tout domaine borné D. Pour 8 1 E]0, vI il s'ensuit de (419) que ( v-el CD
+ Â - ~l3 -
4l-ti - 8 2 ) Il u el
112~-41 Il f e
11 2 ,
(424)
2
donc, si max
O<el~'V
alors en faisant
82
'V (
C
10,
D
I-tt ) _
1
-r  - !J.3--4-
=
.e l
61 > 0,
(425)
= 61 /2 dans (424), on obtient
Il u 11 ~ 2
612 Il f
2 11
•
(426)
De là ·et de (419) dans laquelle on aura posé par exemple 8 1 = v/2 et 8 2 = 1 on trouve la majoration de la norme complète de u dans W~ (D), soit: Il u 11(1) ~ C Il f Il. (427) La condition (425) est remplie par exemple pour L = â quel que soit  ~ O. La condition (420) au contraire n'est pas satisfaite pour L = ~ et  = O. Si les coefficients sont donnés dans un domaine quelconque Dl et qu'ils satisfont les conditions (413) dans Dl' alors la condition (425) est vérifiée pour tout  fixe (en particulier pour  = 0), pourvu que le domaine D c Dl soit de volume assez petit, car CD -+ lorsque mes D -+ O. On dit pour cette raison que le théorème d 'unici té est valable pour le problème (403) dans des domaines de « volume assez petit ».
°
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
430
Rem a r que. Au (tome IV I , [111-7]), on a montré que CD -+ 0 si le diamètre deD tend vers O. Des raisonnements plus fins montrent que CD est proportionnel à 1 mes D 1 2/ n •
11-2-53. L'espace W;, 0 (D) et la deuxième inégalité fondamentale. Prouvons préalablement l'inégalité
i Ivl dS~q)~(IVI + Ivxl)
(428)
dx.
D
S
Cette inégalité est valable pour toute fonction v E WI (D), c'est-à dire pour toute fonction v E LI (D) possédant des dérivées distributionnelles premières sommables sur D. La frontière S du domaine D doit être assez régulière, par exemple être de classe Cl. L'inégalité (428) est valable pour une classe plus large de domaines: pour des domaines à frontière lipschitzienne. Nous ne donnerons pas leur définition exacte mais de la conclusion déduite plus bas il est aisé d~ voir quelles sont les propriétés de S qui sont suffisantes pour qu~ (428) ait lieu. L'inégalité (428) nous sera utile uniquement pour les fonctions v E Cl (D). C'est pourquoi nous nous bornerons à la démontrer seulement pour de telles v. De ce fait et de la densité d~ Cl (D) dans Wi (D), il s'ensuit que (428) a lieu pour tout v E Wi (D). Considérons un système de coordonnées cartésiennes locales (YI' ... , Yn) ayant pour origine un point quelconque XO ES, et un morceau Sp (XO) de S d'équation
y'
== (YI'
.•. , Yn-l) E B p = {y': 1 y' 1 <
pl·
Supposons que p est tel que le domaine D p,ô = {y; y' EB p , (ù (y') - ô < Yn < (ù (y')} appartient à D. Admettons que la fonction 0> est continûment dérivable dans Bp • Traitons la fonction v E Cl (D) comme une fonction de y dans Dp,ô. Le théorème de Newton-Leibniz nous dit que
,v (y',
(ù
(y')) = v (y',
(ù
(y') --'t) -
o ) av (y', CJ)a~') + ~) ds.
(429)
-'f
Prenons le module des deux membres de (429), multiplions résultat obtenu par
V + ~: Ol~i 1
l~
(y') dy' et intégrons sur B.;
Des majorations élémentaires nous condllisent aux
r~lations
sui-
W~. 0 (D)
II-2-53. L'ESPACE
431
DEUXI~ME IN~GALIT~
ET LA
vantes:
i Iv
r
(y',
Cl)
(y'))1
i
n-l
V 1 + ~ Cl)~i (y') dy'
Bp
=
8 p(xO)
i=l
=
i
o
1v
(y',
(y') - T)
Cl)
Bp
Ivl dS=
i av
+
(y',
~~y') + ç) d 61 x
-~
Vt + ~1 (f)~i
x
(y') dy'
i=1
~CI [j
Iv (y'),
Cl)
(y') --T) 1 dy'
+
~
i
1
a;y(:)
D p, ô
Bp
pour TE ]0, ô[. La constante Cl est un majorant de
1dy]
(430)
V1 + ]1 Cl)~. i=l
(y'}
l
dans B p • Intégrons maintenant l'inégalité (430) par rapport à "t entre 0 et ô et multiplions le résultat obtenu par ô- 1 • On verra apparaître au second membre l'intégrale ô
ôqui est ~Ô-1
i
i
Cl)
(y') - T) 1 dy',
Bp
Iv(y)ldy. On obtient donc l'inégalité
dS~CIÔ-1
8 p(xO)
j dT i 1v (y', o
Dp, ô
Ivl
1
i
j
Ivl dy+ Cl
D p, ô
1
a~n 1dy~
D p, ô
~CIÔ-1
i
Dp, ô
Ivldx+CI
i
IVxldx.
(431)
Dp, ô
Si l'on admet que la surface S est recouvrable par un nombre fini de morceaux Sp (XO), on est conduit à l'inégalité (428) en sommant. (431) sur de tels morceaux. Définissons maintenant l'espace W:,o (D). Cet espace est un sousespace fermé de l'espace hilbertien W: (D) défini au (tome IV b [111-7]). On rappelle que W: (D) est l'espace des fonctions de carré sommable sur D possédant des dérivées distributionnelles premières et secondes de carré sommable sur D. L'espace (D) est muni du produit scalaire suivant:
w:
(u,
V)2
=
i
D
(uv + uxv x + uxxv xx ) dx,
(432)
432
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
n
,oÙ
Uxl)x
n
=~ uX'V x " et . 1 1=
1
1
uxxv xx
= ~ ux'X,..vx' Xk ' "1 . 1, H.=
1
H.
1
C'est
un espace
.hilbertien complet dont une norme est désignée par Il u II~~) D = = (u, u)Y2, et parfois plus brièvement par Il u W2 ). Le sous-espace W:,o (D) est constitué des éléments de W; (D) ,qui s'annulent sur la frontière S du domaine D. Si les frontières S ·sont « bonnes >}, l'ensemble des fonctions de C2 (D) nulles sur S est dense dans W:. o (D). Pour ne pas avoir à prouver ce fait important ·on définira W;.o (D) d'une autre manière: W;,o (D) est l'adhérence pour la norme de W; (D) de l'ensemble C~ (D) des fonctions u de C2 (D) nulles sur S. (L'ensemble C~ (D) introduit ici ne doit pas être confondu avec l'ensemble C~ (D) des fonctions bicontinûment dérivables à support compact contenu dans D. Les éléments de C~ (D) sont nuls sur S et dans son voisinage.) W:,o (D) est un espace hilbertien complet muni du même produit .scalaire que W~ (D). L'ensemble W;.o (D) est un sous-ensemble de c W~ (D) pour les frontières S régulières (ou même lipschitziennes). Nous laissons au lecteur le soin de prouver cette assertion. Majorons maintenant la norme des solutions u du problème (403) .dans l'espace W; (D) en fonction des normes de u et f dans L 2 (D). Pour cela, outre les conditions (413) sur les coefficients de L, on admettra que aik possèdent des dérivées distributionnelles premières hornées, c'est-à-dire que 1
~:ijk 1~ ~i'
(433)
{)n supposera par ailleurs que S est de classe C2 (pour les éventuels .affaiblissements de cette condition voir remarque en fin de ce numéro). Cette maj oration résulte de l' inégalité (434) .qui est vraie pour toute fonction u E W:. o (D). On l'appelle deuxième inégalité fondamentale pour opérateurs elliptiques. La constante Cl y est définie par certaines caractéristiques de la frontière du domaine D et par les constantes v, lA- et lA-i des conditions (413), (433). Il :suffit d'établir l'inégalité (434) pour u E C~ (D) puisque C~ (D) est dense dans W:,o (D). En effet, tout élément u E W:.O (D) peut être .approché pour la norme de W; (D) par des fonctions U m E C~ (D). Supposons que (434) est vraie pour toutes les fonctions u m . En vertu de la convergence de U m vers u dans (434) prise pour u m , on peut passer à la limite pour m -+ 00 et obtenir (434) pour u. Supposons donc que u E C~ (D). Considérons l'intégrale ) (L (U))2 dx et D
II-2-53. L'ESPACE
W:~'O (D)
ET LA DEUXI:E:ME
433
IN~GALIT~
minorons-la comme suit:
i
) (L (U))2 dx = D
[(aikuXiXk)2 + 2ai1~uxiXh (
~;:
u Xh + btuxi + cu)
+
D
+ ( ~;ik
J
u Xh + biu xi + cu) 2 dx> (1- 8)
)
(athUxixh)2 dx +
D
+ (1-+) ) ( aa;iR u Xk +btuxi +CU)2 dx> D
>(1-8)) (aikuxix,)2dx-C2
(+-1) ) (u
2
(435)
+ui)dx.
D
D
Sauf mention du contraire, ici et dans la suite, la sommation est étendue de 1 à n sur les indices se répétant deux fois; 8 E] 0, 1[ est un nombre arbitraire, la constante C 2 et les constantes Ch introduites plus bas dépendent des paramètres numériques des conditions (413), (433) et éventuellement du domaine D. Une double intégration par parties (cf. (107) [1-2-19]) nous permet de ramener l'intégrale
i (aihuXiXh)2 dx à la forme: D
J
- -:::.a (aikail) U xl. u xhxl dx + a (aikaiZ) Ux.U a x 'Xl + - Xi VXk l)
J (s) dS, l
où *) l (s)
=
aihajlu Xi [U XjXZ cos (n, Xk) -u xkxl cos (n, xJ)], x=sES.
(436)
*) Pour que la première intégration par parties soit possible, il faut que la fonction U possède des dérivées troisièmes, mais l'égalité écrite qui a été obtenue par une double intégration par parties ne contient que les dérivées secondes de u et est valable pour toute fonction u E C2 (D). Pour s'en assurer il faut approximer u E C2 (D) par des fonctions u m E ()3 (iJ) pour la norme de C2 (D). L'égalité (436) a lieu pour chaque Ume En passant à la limite pour m __ __ 00, on obtient (436) pour u. Les approximations um peuvent être construites par exemple de la manière suivante. On prolonge u à un domaine plus large ::::J D de telle sorte que ce prolongement appartienne à C2 (D) et ensuite on prend les moyennes Uh avec h = 1/m (tome IV!, [111-2]). On peut s'assurer que (436) est vérifiée pour U E C2 (i5) d'une autre manière sans prolonger U à un domaine plus large. Plus exactement, on considère une suite de sous-domaines Dl c D 2 C . • . du domaine D de frontières aD k équidistantes de aD [11-2-9]. Supposons que aD k est l'image de aD par une 1/k-translation le long des norma-
D
28-01017
434
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
De (436) il s'ensuit
) (aikuXiXk)2 dx> ) /1 (x) dx +D
D
) / (s) dSS
-C 3 ~
(ElU~X+ e~ U~)
dx,
E1
EJO, 1 [,
(437)
D
dans laquelle pour abréger on a posé /1
(x)
= ai1~
(x) ajl (x)
U xix j
(x)
U xkxl
(438)
(x).
Montrons qu'en vertu de (413) on a /1 (x) ~ 'V2U~x (x).
(439)
Fixons à cet effet un point X U E D et considérons dans son voisinage les nouvelles coordonnées cartésiennes: lJk = ak 1 (Xl - xY), k, l = 1, ... , n. Choisissons la matrice orthogonale ak l de telle sorte qu'elle diagonalise la forme quadratique aik (XO) SiSk' c'est-à-dire de telle sorte que aik (XO) ajialk = Â j (XO) Ôjz,
=1
où Â j (XO) sont les valeurs propres de la forme aik (XO) SiSk et ÔjI le symbole de Kronecker *). En tenant compte de la condition (413) et de la façon dont U x . x . se transforme par un passage aux coordonl J nées y on obtient
Or il est immédiat de vérifier que u~ y = u~x, donc l' inégalité (439) a bien lieu pour tous les points XO de D. Grâce à (437) et (439), on déduit de (435) l'inégalité
i (L(u»2dx~(1-ë)['V2I1uxxI12+ i /(s)dS-
D
S
-- C3El II u xx 11 2 _ C3E~11l
UX
!1 2
J- C (E2
1 --
1)
(II U Wl»2 t
les intérieures à aD. Pour un domaine D k fixe, les moyennes Ul/ m de la fonction U pour m ~ k sont déterminées uniquement par les valeurs de U dans D et convergent vers U pour m ~ 00 pour la norme de C 2 (Dk). L'égalité (436) est vérifiée pour D k et toutes les U t / m telles que m ~ k. En passant à la limite polir m ~ 00, on s'assure que (436) est vraie pour la fonction U dans D k • En passant ensuite à la limite sur les domaines D k , en faisant tendre k vers 00, on obtient (436) pour U et pour .le domaine D. *) On rappelle que ôjl = 1 pour j = l et 0 pour j =1= 1.
~
11-2-53. L'ESPACE
W~,O (D)
435
ET LA DEUXmME INÉGALITÉ
et de cette dernière, l'inégalité
(1-E)(v2-C3EI)IIUxxI12~IIL(u)112.--(1-E») I (s)dS+ s
°
est un nombre arbitraire, E un nombre arbitraire compris dans l'intervalle ] 0, 1 [, "U xx 11 2 = ~ u;xdx. Pour 8= 1/7 et OÙ El>
D E1
,,2 = Be ' l'inégalité (440) devient s
~ \.2" U xx 112~ "L (U) 11 2_ ~ \ 1 (s) dS + C~ ( Il U WU)2. (441) S
Jusqu'ici nous n'avons pas utilisé le fait que u s'annule sur S. Montrons que si l'on fait jouer cette condition, alors l'intégrale ) 1 dS s
peut être ramenée à une forme ne contenant pas les dérivées secondes de u par rapport à x. Ce fait est primordial lors de la déduction de l'inégalité (434). Pour le prouver, considérons un point arbitraire XO E S et introduisons un système de coordonnées cartésiennes locales y: Yh = Chl (Xl - xV, k = 1, ... , n, c'est-à-dire un système dont l'axe des Yn est orienté suivant la normale extérieure n à S en XO et la matrice (Ch l), orthogonale. Soit Yn = (ù (YI' . • ., Yn -1) l' équation de S au voisinage de l'origine des coordonnées Y = (0, ... , 0). Par hypothèse, (ù (YI' ••. , Yn-I) E C 2• La matrice (Ch l) étant orthogonale, on a Xl - xY = ChlYh, l = 1, ... , n. Donc cos (n, Xl) = = Cnz, l = 1, ... , n. Considérons l'expression 1 (s) au point XO et passons dans cette expression aux coordonnées y: 1 (XO) -
= aihajlCmiUYmCpjCqlUYpylnhaihajlCmiuYmc PkCqlUYpylnj
== (bmnb pq -
bmpbqn ) uYmuYpYq'
(442)
où
b pq
=
ajlCpjcql'
p, q
= 1, ... , n.
Utilisons maintenant la condition aux limites U 1s = O. Au VOISInage du point XO dont les coordonnées Y l sont nulles, cette condition devient U (YI' ••• , Yn-l'
(ù
(YI' ••• , Yn-l))
= 0,
et de plus elle est identiquement satisfaite par rapport à YI' ••• • • • , Yn -1 au voisinage de YI = ... = Yn -1 = O. Dérivons cette identité par rapport à Yi et Yh, i, k = 1, , n - 1, et prenons en considération le fait que (ÙYi = 0, i = 1, , n - 1, au point xo. 28*
CH. II.
436
PROBL~MES
Ceci nous donne au point Uv.~
AUX LIMITES
XO:
(443)
= 0,
i, k=1, ... , n-1. Grâce à
:~ /xo=O, i=1, ... , n-1, on a ôu au bnpbqn ) -a- a ô ' (444) n YP Yq 2
1
(xO) =
(bnnb pq -
Pour p = n et q quelconque, ainsi que pour q = n et p quelconque, les termes entre parenthèses dans (444) se simplifient mutuellement, ce qui, combiné avec (443), nous donne pour 1 (XO) l'expression suivante: n-1
1
~
(XO) = -
(bnnb pq -
bnpbqn ) ( ; : ) 2 (OYpY q •
(445)
P. q=1
On admettra que les coordonnées YI' ... , Yn -1 sont choisies dans le plan tangent à S en XO de telle sorte que toutes les dérivées mixtes (OlIpllq' p =1= q, soient nulles en XO (on sait qu'on peut toujours réaliser ceci par une transformation orthogonale des coordonnées YI' ••• , Yn -1)' Alors n-1
l (xO)
= -
~
(bnnbpp-b;p) ( ; :
)2 (OYpYp.
(446)
p=1
En vertu de l'hypothèse SE C2 , on peut exhiber un nombre tel que (OYpYplxo~K,
p=1, ... , n-1,
K~O
(447)
quel que soit XO E S. Si, en particulier, le domaine D est convexe, alors on peut prendre pour K. De la condition (413), il s'ensuit bnnb pp - b~p ~ ~2, et par suite
°
0-<
-1 (XO) ~~2 (n-1) K
an ( au)
2
.
(448)
Ceci nous permet de déduire de l'inégalité (441): : ,,2/1 U xx 112~L (u) 11 2
+~
~2 (n-i) K
J(:: r
d8 + Cd Il u 1I'")2, (449)
437
II-2-53.L'ESPACE W~, 0 (D) ET LA DEUX!:E:ME IN~GALIT:e
Majorons l'intégrale de surface pour K (428) en y posant v = u~:
J(:: ) dS 2
>
0 à l'aide de l'inégalité
n
~
=
fi u~, dS';;;
~c. Hu~+ D
= Cs ~ (u~ + 2 1Ux
V ±[a:k (± U~i)
1 1 U xx 1)
D
y}dx=
~1
k=1
dx~ Cs ~
(8uix
+ (1 + 8-1) U~) dx,
(450)
D
où 8> 0 est un nombre arbitraire. La constante Cs est égale à la constante C de (428). Portons cette majoration dans (449) en prenant ~ (n-1) KC s et réduisons les termes semblables:
8=+ 'V2[ fl2
J-l ,
,,2
En ajoutant ""2 ( Il U WH)2 aux deux membres de cette majoration, on obtient (451) D'autre part, pour toute fonction u E C~ (D), on a
Ju~dx ~ J -
u!lu dx~ Il u Il Il !lu Il ~Vn Il u 1111 u xx Il';;; ~8" U xx 11
2
+
n 48 "U 11
2
2
où 8 > O. Utilisons cette relation avec 8 = 4~7 pour majorer le terme C7 " U x 11 2 du second membre de (451). Des transformations élémentaires nous conduisent à l'inégalité (452)
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
438
d'où résulte l'inégalité (434) voulue. On rappelle que toutes les constantes Ch dépendent de D et des paramètres des conditions (413), (433). Ces constantes peuvent être aisément explicitées en suivant le raisonnement qui nous a conduits à l'inégalité (434). Si u est une solution du problème (403) appartenant à l'espace W;,Q (D), alors l'inégalité (434) nous permet d'estimer la norme de u dans W~ (D) en fonction de Il f Il et Il u Il. Plus exactement: " u W) ~ ~ v " Âu + f " + Cl " U 2
,,~~v " f" +( 2 1v 1 + Cl ) "u ". (453)
Si  est tel que (420) est réalisée, alors de là et de (421) il s'ensuit qu'on peut majorer" u Il (2) uniquement en fonction de Il f Il:
"UW2)~[~+(21;1 +C
I )
~2Jllf".
(454)
Rem a r que. Sur la démonstration de l'inégalité (434), on voit que seules deux caractéristiques du domaine D ont été utilisées: la constante C de (428) et la constante K de (447), en outre la condition (447) peut être violée en des points isolés de S et même dans des ensembles de points de S de mesure nulle. La déduction de (434) est valable pour une large classe de domaines D (par exemple pour des polyèdres quelconques). L'inégalité (434) et sa déduction ont été empruntées à un article de O. Lad y j e n s k a ï a (DAN SSSR, 1951, 79). Ladyjenskaïa a établi la même inégalité pour des conditions aux limites homogènes générales de la forme (~~+ au) 1s = 0, où %z représente la dérivation suivant une direction non tangente à S et variant continûment d'un point à un autre de S. Bien plus, elle a établi des majorations généralisant (434) au cas des dérivées de u de tout ordre (les démonstrations intégrales figurent dans l'ouvrage: O. Lad y j e n s ka ï a, Problème mixte pour l'équation hyperbolique. M., Gostekhizdat, 1953 (en russe)). L'inégalité (434) pour la condition aux limites u 1s = 0 a été établie indépendamment de O. Ladyjenskaïa par une autre méthode par Cac c 0 p pol i (Giorn. Mat. Battaglini, 1950-51,80). Le cas particulier de (434), oùD est un disque, est accessible dans les travaux de S. Ber n ste i n (Math. Ann., 1906, 62; 1910, 69). Il est remarquable qu'en dimension deux l'inégalité (434) a lieu pour les opérateurs 2
L (u) =
2
~ aihuxoxh + ~ biuxo + cu
i, h=l
z
i=l
z
dont les coefficients dominants aih peuvent être des fonctions mesurables quelconques satisfaisant seulement les conditions (413). Ce
II-2-5~.
439
QUELQUES CONSID:E':RATIüNS SUR LES ESPACES HILBERTIENS
fait se prouve -par la méthode de S. Bernstein qui ramène le problème pour L à un problème analogue pour l'opérateur de Laplace, et par la méthode de Ladyjenskaïa de transformation et d'estimation de l'intégrale de surface \ 1 (s) dS, exposée plus haut. En dimension S supérieure à deux, la méthode de Bernstein ne passe pas et pour que l'inégalité (434) ait lieu, il faut imposer des contraintes supplémentaires aux coefficients ai11. (en ce qui nous concerne, il s'agit de la condition (433)) (voir à ce propos les chapitres 1 et III de l'ouvrage: O. Lad y j e n s k a ï a, N. 0 u rai t s é v a, Equations linéaires et quasi linéaires de type elliptique. M., Naouka, 1973 (en russe)). II-2-54. Quelques considérations sur les espaces hilbertiens et les opérateurs opérant dans ces derniers. Nous avons eu affaire auparao vant à des espaces hilbertiens: les espaces L 2 (D), W~ (D), W~ (D), IV; (D), W:. o (D). Ces espaces ont en commun des propriétés qui servent de base à la définition de l'espace hilbertien séparable complet abstrait H. Formulons brièvement les axiomes définissant l'espace hilbertien complexe H ainsi que certaines de leurs conséquences (pour plus de détails voir (tome V, lchap. Vl)). Primo: H est un espace vectoriel, c'est-à-dire que ses éléments u, v, ... peuvent être multipliés par des nombres complexes a, b, ... et ajoutés et ces opérations sont commutatives et associatives comme pour un espace vectoriel complexe à n dimensions (tome III I , [II-1-6l). Secundo: pour tout entier m > 0, il existe m éléments linéairement indépendants. Tertio: à tout couple d'éléments u et v de H est associé un nombre complexe appelé produit scalaire de u et v et noté (u, v). Ce produit scalaire doit jouir des propriétés suivantes: (v, u)=(u, v), (u+v, w)=(u, w)+(v, w), { (au, v) = a (u, v) et (u, u) > 0, si u =f= O.
(455)
Le produit scalaire (u, u) permet de définir un nombre strictement positif appelé norme de l'élément u: plus exactement, Il u Il = = V (u, u). La norme est nulle uniquement pour l'élément nul de H (que nous désignerons simplement par 0). Ce qui précède nous permet d'introduire la notion de convergence: une suite {Uk} k=t converge vers un élément u si lim Il Uk - U Il = O. Une suite {Uk} k-l est k-...oo
°
dite suite de Cauchy (ou suite fondamentale) si Il Uk - Um Il ~ lorsque k et m ~ 00. L'espace H est dit complet si toute suite de Cauchy {Uk}:' 1 converge vers un élément u E H. Enfin, l'espace H est dit séparable s'il existe un ensemble dénombrable d'éléments de H: {Vk} k-1'
440
CH. Il. PROBL1lJMES AUX LIMITES
dense dans H. Ceci signifie que pour tout élément u E H et tout 8 > 0 il existe un élément Vk tel que Il u - Vk Il ~ 8. Si H possède les propriétés énumérées ci-dessus, on l'appelle espace hilbertien complexe séparable complet. Souvent, les propriétés de complétude et de séparabilité sont implicitement incluses dans la notion d'espace hilbertien et dans la suite ne seront pas spécifiées. De même, nous ne les signalerons pas séparément, car on admettra qu'elles sont toutes deux réalisées. Si a, b, ... sont des réels, alors le produit scalaire (u, v) l'est aussi et la conjugaison complexe disparaît des égalités (455). Dans ce cas on parle d'un espace hilbertien réel H. On démontre que dans un espace hilbertien abstrait H, il existe une base orthonormée, c'est-à-dire un système d'éléments {(})k}k' 1 tels que {(})k' (})z} = {hl et tout élément u se représente par une série 00
u =
L
(u,
(})k) (})k
convergente vers u pour la norme de H. De là il
k=l 00
s'ensuit que" u
11
2
=
LJ
1 (u, (})k) 12 •
Il existe une infinité de telles
k=l
bases. Mais en en choisissant une on peut établir un isomorphisme entre deux espaces hilbertiens complexes quelconques Hi et notamment entre H et l'espace hilbertien complexe l2 dont les éléments sont les suites x = (Xl' X 2 , • • • ) de nombres complexes Xk 00
tels que
2:
1 Xk
k=l
/2 < 00. La multiplication par un nombre et
+
l'addition se définissent comme suit: ax = (axI' ax 2 , • • • ), X y = = (Xl YI' X2 Y2' ... ) et le produit scalaire par l'égalité
+
+
00
(X, Y)l2 =
LJ
k=l
XkY k·
L'isomorphisme indiqué se construit comme suit: à un élément u E H on associe la collection ;; = «u, (})I), (u, (})2), ••. ) de ses coefficients par rapport à la base orthonormée {(})k}k' 1 choisie dans H. '" '" Il est immédiat de voir que (u, v) = (u, v) 1 Grâce à cela tous les espaces hilbertiens (il s'agit uniquement des espaces séparables complets) ont la même structure d'un point de vue abstrait et les faits prouvés pour l'un peuvent être reformulés pour l'autre. Les espaces signalés au début de ce numéro sont isomorphes à l'espace l2 et partant l'un à l'autre. Donc, de nombreux résultats établis pour L 2 (D) sont valables pour les autres espaces. Par exemple, l'inégalité de Bouniakovski-Schwarz est un simple corollaire des axiomes (455). Dans le cas d'un espace abstrait H elle devient 1(u, v) 1~ " u Il Il v Il. Cependant nous n'utiliserons pas l'isomorphisme entre les espaces fonctionnels qui nous intéressent, car les faits qu'on en tire sont peu suggestifs et de plus nous n'avons 2
•
11-2-54. QUELQUES
CONSID~RATIONS
SUR LES ESPACES HILBERTIENS
441
pas encore prouvé que les espaces WJ (D) avec l entier sont séparao bles. La séparabilité de ~ (D) et de W;,o (D) résultera des propositions du numéro [II-2-57). Il est aisé de prouver la séparabilité detous les espaces (D) à partir de considérations plus simples et plus générales, ce qui sera fait au tome V, chapitre IV. Dans un espace hilbertien donné H, on peut introduire une nou-· velle structure hilbertienne (c'est-à-dire un autre produit scalaire) de telle sorte que cet espace soit de nouveau complet. Pour cela, il faut que la nouvelle norme Il • 11* correspondant au nouveau produit. scalaire (,)* (c'est-à-dire Il u 11* = V (u, uf*) soit équivalente à la norme initiale Il . Il. L'équivalence des normes Il • 11* et Il . Il signifiequ'il existe deux constantes Cl > 0 et C 2 > 0 telles que pour tous les éléments de Hl' on ait
w1
Cl
Il
u
~
Il
Il
11*
u
~ C2
Il
u
II·
Il est clair que si une suite d 'éléments u k, k = 1, 2, . . . converge· pour la norme Il . Il, alors elle convergera pour la norme Il . 11* et réciproquement. Ceci garantit la complétude de H relativement à la convergence pour la nouvelle norme. Si H est séparable, alors il en est de même du nouvel espace hilbertien engendré par lui. Les opérateurs linéaires sont l'un des principaux objets d'étudedans les espaces hilbertiens. On dit qu'un opérateur A est un opérateur linéaire borné dans H s'il applique H dans H de telle sorteque A (au bv) = aA (u) bA (v) et s'il existe un nombre C >Û' tel que pour tous les éléments de Hl' on ait *)
+
+
Il A
(u)
Il
-< C Il u II·
La borne inférieure de tous les tels C s'appelle norme de l'opérateur A et se note Il A Il. Démontrons une proposition simple qu'en fait nous avons rencontrée à maintes reprises en étudiant des espaces fonctionnels concrets et des opérateurs concrets évoluant dans ces espaces. Lem m e 1. Soit A un opérateur linéaire borné dans un espacehilbertien H et supposons que sa norme Il A Il < 1. Alors l'équation u
=
A (u)
+v
(456}
admet une solution unique dans H quelle que soit v. Pour intégrer l'équation (456), on se sert de la méthode des approximations successives dans sa forme élémentaire, c'est-à-dire: soient UI = v, Un+l = A (un) v, n = 1, 2, ... Il est aisé de voir-
+
*) On écrit souvent Au pour A (u).
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
442
-que " Ul
= Il v /l, Il ~ Il A Il Il Un
/1
Un +1 -
Un
Un -1
Il = Il A
/1 ~ •••
-<
Un -1)
(Un -
/1 A
/ln-l
/1
Il
~
U2 -
-<
Ul
/1
/1 A
-< /In /1
V
/1.
De là et de la condition /1 A /1 < 1 il s'ensuit que {Uk}r 1 est une -suite de Cauchy dans l'espace H et comme H est complet, il existe ~lors un élément U vers lequel cette suite converge. L'opérateur A étant borné, les éléments A (Uk) convergent vers A (u), donc usera -solution de l'équation (456). Si (456)'possédait deux solutions distinctes U et u', alors leur différence" w serait solution de l'équation w = A (w). Or, ceci est impossible, car /1 w /1 = /1 A (w) Il ~ /1 A /1 /1 w /1 < /1 w /1. Ce qui prouve le lemme.
-<
Rem a r que. Au (tome V, [IV-3J) on démontre une proposition analogue pour les applications contractantes non linéaires qui entraînent le lemme 1. Dans la suite on aura affaire à des opérateurs linéaires non bornés opérant dans l'espace hilbertien abstrait H. On étudie des classes ,différentes de tels opérateurs dans H. Dans la plupart des cas, on admet que l'opérateur linéaire non borné A est défini sur un espace vectoriel dense dans H. Cet espace s'appelle domaine de définition ·de A et se note 3J (A). Ainsi, par exemple, l'opérateur différentiel L de (402) sera un opérateur non borné dans l'espace L 2 (D) même .si ses coefficients sont réguliers. Pour domaine de définition de cet opérateur on peut prendre l'espace W: (D) ou W:,o (D) si les conditions (413) et (433) sont remplies pour L. Ces deux espaces sont ·denses dans L 2 (D). Les opérateurs abstraits A associés à L par l'indication du domaine de définition de L ne sont pas doués des mêmes propriétés, aussi faut-il établir une distinction entre eux. Dans la suite, s'agissant du problème de Dirichlet, on admettra que:!lJ (L) = = W~,o (D). Pour simplifier l'écriture on n'introduit généralement pas de notation spéciale pour l'opérateur engendré par un opérateur ·différentiel concret L, mais on spécifie clairement son domaine de définition (on conserve le symbole L pour cet opérateur). Dans le numéro suivant, on aura besoin encore d'une notion reliée aux opérateurs linéaires, plus exactement la notion d'opérateurs linéaires bornés A d'un espace hilbertien H dans un autre espace hilbertien Hl. Un tel opérateur est défini sur H tout entier et prend ses valeurs dans Hl' est distri butif, c'est-à-dire que A (au bv) = aA (u) bA (v) et il existe une constante Cl telle .que pour tout élément U E H l'on ait
+
+
/1 A (u) 111
-< Cl Il
U
Il,
(457)
11-2-55. PROBLBME DE DIRICHLET DANS L'ESPACE Wi (D)
443
où Il . \1 est là norme dans H, et Il . 111' la norme dans Hl' La borne inférieure des nombres Cl s'appelle norme de l'opérateur A; on la désigne le plus souvent par Il A \1 aussi, sans spécifier l'espace H et Hl (si aucune confusion n'est à craindre). En vertu de cette définition, l'opérateur différentiel L de (402) sera un opérateur linéaire borné de H = Wto (D) dans Hl = L 2 (D) si les coefficients de L satisfont les conditions (413), (433). Dans ce cas aussi on n'usera pas d'un symbole spécial pour l'opérateur L et on se contentera d'indiquer clairement ses domaines de définition et de valeurs. 11-2-55. Sur la résolubilité du problème de Dirichlet dans l'espace (D). Passons maintenant à l'étude de la résolubilité du problème (403) dans l'espace W; (D). Supposons que les conditions des numéros [II-2-52J et [II-2-53J qui garantissent la réalisation de la première et de la deuxième inégalité énergétique sont remplies pour L et D. Désignons par LI l'opérateur L - ÀoE, où E est l'opérateur identité, et 1.. 0 tel que W~
(458)
Alors, en vertu de (417), pour toute fonction u E W~,o (D), on a LI(u, u)=:- \ LI(u)udx=L(u, u)+ÀolluI12~ôllluI12,
(459)
b
d'où l'on déduit la majoration \1 u Il ~ Ô;l \1 LI (u)
Il.
(460)
D'autre part, l'inégalité (434) est vérifiée par l'opérateur LI et un élément quelconque u E W~,o (D) pour une constante Cl dépendant du domaine D, des nombres v, /-l, /-lI' /-lt. des conditions (413) et (433) et du nombre ~t.'j + 11.. 0 l, où /-l5 = max {I /-l2 \, 1/-la I}. Cette inégalité et la majoration (460) entraînent Il u 11(2) ~ C2 Il LI (u) Il, , (461) où C2
=
2v- 1
+ CIÔtl.
Prouvons la proposition auxiliaire suivante:
Thé 0 r è ru e 1. Supposons qu'un opérateur L et un opérateur L o de la même forme que L remplissent les conditions (413) et (433) et que les opérateurs LI = L - ÀoE et L o vérifient l'inégalité (459). Admettons que le domaine D satisfait les conditions du numéro précédent et de plus que le problème L 0 (u) = f, u 18 = 0, (462) possède des solutions u E W~,o (D) pour tout f d'un ensemble dans L 2 (D). Sous ces conditions le problème
L-r (u) = f,
U
18 = 0,
m dense (463)
444
CH. II. PROBLl1JMES AUX LIMITES
+
L't = L o 't (LI - L o) admet une solution unique dans quels que soient 't E [0, 1) et f E L 2 (D). Par hypothèse
OÙ
L o (u, u) == - ~ L o (u) U dx>ô 1 "u 1/2
~,o
(D)
(464)
D
et
1/ u Il
(2)
~
C 2 1/ L o (u) "
(465)
quel que soit u E ~,o (D). L'inégalité (465) nous dit que le problème (462) admet une solution unique dans W;,o (D) pour tout 1 E E L 2 (D). En effet, pour f E m l'existence de la solution est acquise par une hypothèse du théorème, quant à l'unicité, elle résulte de (465). Si 1 E L 2 (D) mais pas ~)1, considérons une suite lm, m = = 1, 2, ... de m convergeant vers 1 pour la norme de L 2 (D). Pour toute fonction lm, le problème (462) avec 1 = lm admet une solution U m E W:. o (D). Ce problème étant linéaire, la différence Uk U m est sa solution qui correspond au second membre 1 = Ik - lm' Cette solution vérifie l'inégalité (465), c'est-à-dire
Il
Uk -
U
m 1/(2)
~ C 2 111k
-lm Il,
sur laquelle on voit que {U m }:=1 est une suite de Cauchy dans l'espace W:,o (D). Cet espace étant complet, la suite {u m } tend vers un élément unique u E W:,o (D) pour la norme de W~,o (D). Comme les coefficients de L o sont des fonctions bornées, L o (u m ) convergeront vers L o (u) dans L 2 (D), et par suite L o (u) = f. On vient donc de montrer que le problème (462) admet une solution dans W~,n (D) quel que soit 1 E L 2 (D) et cette solution est unique en vertu de (465). On peut donc affirmer que l'opérateur L o établit une bijection entre les espaces complets W;,o (D) et L 2 (D). L'opérateur L-~ réciproque de L o applique L 2 (D) sur W;,o (D) et en vertu de (465), pour tout élément v E L 2 (D), on a
:=1
" L-~ (v) 1/ (2) ~ C 2
"
v
Il.
(466)
La majoration (466), ou ce qui est équivalent, la majoration 1/ L-~ II~ C2 de la norme de L-~, traitée comme un opérateur de L 2 (D) vers W;,o (D), est donnée par l'inégalité (465) (en effet, si dans (465) on désigne la fonction L o (u) par v, alors U n'est autre que L-~ (v». Montrons que ces propriétés sont le lot de tous les opérateurs L'tt 't E [0, 1]. Appliquons pour cela l'opérateur L-~ aux deux membres de l'équation (463) et mettons le résultat sous la forme:
~
U
+ 'tL-~ (LI -
L o) (u) =
L-~ (f).
Traitons (467) comme une équation opératorielle u 'tAo (u) = L-~ (f)
+
(467) (468)
II-2-55. PROBUlME DE DIRICHLET DANS L'ESPACE
445
W~ !(D)
dans l'espace W;,o (D) avec L-~ (j) pour second membre. Dans cette équation, A 0 = L-~ (LI - L o) est un opérateur borné agissant dans l'espace W:,o (D). Sa norme est:::::;; à une constante Cs définie par les maximums des modules des coefficients de LI et de L o et par C 2' car la norme" (LI - L o) (u) II~ C,. " U 11(2) pour tout u E W~,o (D) et en vertu de (466) " A o (u) " (2) ~ Il L-~ " Il (LI - L o) (u) Il :::::;; Cs" U 11(2), (469) où Cs = C2C,.. Le lemme 1 du [11-2-541 nous dit que l'équation (468) admet une solution unique dans W;,o (D) pour 1: E [0, C-~]. Or, ceci signifie que le problème (463) possède une solution unique dans 0 (D) pour tout 1 E L 2 (D) et tout 1: < C-~ et les opérateurs L't,' 1: E [0, C-~ [établissent une bijection entre W;.o (D) et L 2 (D). Si C-~ :::::;; 1, prenons un 1:1 arbitraire dans l'intervalle [1/2C-~, C-~[, représentons L't sous la forme L't = Lt:l (1: 1:1) (LI - L o) et écrivons le problème (463) sous la forme équivalente: U (1: 1:1) L:t~ (LI - L o) (u) = L:t~ (j). (470)
w:
+
+
L'opérateur Al -=== L:t 1 (LI - L o) est borné dans l'espace W:. o (D). Montrons que sa norme est:::::;; à C3 • Pour cela on remarquera que les conditions (459) pour LI et L o entraînent
L't (u, u) == -
l L't
(u) u dx = (1- 1:) L o (u, u)
+ 1:L
1
(u, u)
>ô
1
Il u 11 2 ,
D
[0, 1]. De plus, les coefficients de Lt: en Uxi et UXixk vérifient les mêmes inégalités (413) et (433) que les coefficients homologues de L et L o, quant au coefficient en u, il est:::::;; 115 1Âo 1. Donc, Lt: vérifie les inégalités (460) et (461), et de là il s'ensuit que Il L-i (LI - L o) Il :::::;; ~ C 3 pour les 1: pour lesquels existe L -i et en particulier pour 1: = = 1:1. Mais alors l'équation (470) admet une solution unique dans W;.o (D) pour 1: - 1:1 E [0, C-~[ et en particulier pour 1: = 21:1. On a donc établi l'existence de l'opérateur L"2i 1 réciproque de L 2 't 1 • Si 21:1 < 1, mettons L't sous la forme L 2 'tl (1: 21:1) (LI - L o) et reprenons les raisonnements précédents. En épuisant en un nombre fini de pas tous les 1: E [0, 1] on établit l'existence des opérateurs réciproques de L't et partant le théorème 1. Pour 1: = 1, l'opérateur L't est confondu avec l'opérateur LI = L - ÂoE. Le théorème 1 permet de prouver les théorèmes d'existence inconditionnels de la solution du problème 1:E
+
+
LI (u) -===L (u) - Âou = l, u Is = 0, (471) pour une assez vaste classe de domaines D. Supposons tout d'a bord que D est une boule ou un parallélépipède *). Pour de tels D pre*) Pour n
=
2, le domaine D est un disque ou un rectangle.
CH. II. PROBL:I;:MES AUX LIMITES
446
nons L o =::=Ô, ~ étant l'opérateur de Laplace. Le problème (462) pour ~ vérifie toutes les hypothèses du théorème 1. En effet, on sait que pour de tels D l'opérateur de Laplace avec la condition aux limites du problème de Dirichlet possède des fonctions propres {U1J h:l régulières dans D et formant un système complet dans L 2 (D) *). On peut admettre que ce système est orthonormé dans L 2 (D). Toute fonction f E L 2 (D) se représente par la série 00
f (x) = ~ (f,
Uk)
uR. (x),
h=l
convergente vers f pour la norme de L 2 (D). Les fonctions solutions des équations Ô. Uh
=
ÀhUk' Uk 1S
sont
Uh
= O.
(472)
0,
(473)
Le problème ~U = N
admet une solution U (x) =
f,
U 1s
2J ~hh Uh
k=l
=
N
(x) pour tout
f
(x) = ~
CkUk
(x),
~
des
k=1
et cette solution appartient à W;,o (D). De plus, l'ensemble N
fonctions
f
(x)
=
2J
ChUk
(x), où
Ch
sont des coefficients arbitraires,
k=1
est dense dans L 2 (D). L'opérateur Là = ~ satisfait toutes les hypothèses du théorème 1, il est vrai, avec des constantes v, ~ i et 8 généralement différentes de celles de LI' Mais ceci n'est pas essentiel: on peut dans les conditions (413), (433) et (459) choisir les constantes v, ~i et 81 communes à L o = ~ et LI' On a donc montré que le problème (471) admet une solution unique dans W:,o (D) quelle que soit f E L 2 (D), le domaine D étant une boule ou un parallélépipède. Ce raisonnement est valable pour d'autres domaines D pour lesquels les fonctions propres Uh du problème spectral (471) appartiennent à W;,o (D). C'est par exemple le cas pour une couronne sphérique D = {x: 0 < P < 1 x 1 < Pl} et pour d'autres domaines qui sont des parallélépipèdes en coordonnées sphériques ou cylindriques. Supposons maintenant que le domaine D peut être transformé "'"' en un tel domaine, que l'on désignera par D, par une fonction y = "'"'
= y (x), x E 15 de C2 (D) dont la réciproque x = x (y), y E D est de classe C 2 (iJ), les jacobiens ~~~~ et ~~;~ étant> O. Il est aisé de *) Au (tome II, [VIJ-1-15], [VII-1-16]) et au (tome III 2 , [VI-1-5] à [VI-1-8], (VI-2-3], (VI-2-11] à [VI-2-13]) on donne la forme explicite de tous les Uh pour de tels D, forme de laquelle il résulte que Uh E Coo {D); la complétude de {uk}~ 1 est prouvée au [11-2-34].
II-2-56. LA R:E:SOLUBILIT:E: AU SENS DE FREDHOLM
447
voir que si u (x) E W:. o (D), alors u (y) = u (x (y)) sera un élément de W;.o (D) et réciproquement. Lorsqu'on passe de x à y, l'opérateur différentiel L (u) s'écrit:
'" ""
L
(u) =
,...,
a (""
OYi
aik
OU)
(y) oYk
""
'"
+ b i (y)
ou
,. ., + '"C (y) u,
0Yi
où , '" aik
bi (y) =
[b
j
(x)
(y)
=
[
a il (x)
°Yi (x) ] 1
OX j
OX j
aYk (x) ] oxz
1 x=x(y) ,
-
X=X(Y)
-r
aZk (x)
,...,
0Yi (x)
f)Yi (x) ] 1
a (a yj
(x) ) 1 dXz x=x(y)
On vérifie sans peine que les coefficients de L oXk
x=x(y)
ay j
,
et C (y) = C (x (y». satisfont les inégalités (413) et (433), mais avec d'autres constantes. Ces constantes nous permettent de choisir un  o assez grand pour ,..., "" que L - ÂoE vérifie la condition (458) dans D, et par suite l' iné,..., galité (459). Si D est une boule, un parallélépipède ou une couronne sphérique, alors de ce qui a été démontré plus haut, il s'ensuit que le problème L (;;) - Âo;;' = (y), ;;, laD = 0, admet une solution ,..., "" unique dans W:. o (D) pour tout f E L 2 (D). En passant dans ce problème à l'ancienne variable x, on s'assure que le problème (471) admet une solution unique dans W;,o (D) pour la valeur de  o retenue et pour toute fonction f E L 2 (D). On a donc prouvé le théorème suivant:
7
Thé 0 r ème 2. Si les coefficients de L de (402) vérifient lesconditions (413) et (433) et si le domaine D est une boule, un parallélépipède ou une couronne sphérique ou est susceptible d'être transforméen l'un de ces derniers par une fonction régulière y = y (x) E C 2 (D),. alors le problème (471) admet une solution unique dans W;,o (D) pour toute fonction f E L 2 (D) et pour  o assez grand. Rem a r que. Ce théorème nous permet de prouver que le problème posé admet une solution unique dans tout domaine D (éventuellement illimité) dont la frontière est une surface de classe C2. 11-2-56. Sur la résolubilité au sens de Fredholm du problème de Dirichlet. Considérons maintenant la résolubilité du problème de Dirichlet L (u) = Âu + f, u 1s = 0, (474) pour  réel arbitraire. Tout ce qui va suivre est valable pour  complexe, mais on se bornera au cas réel. Supposons que les conditions
448
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
.du théorème 2 du numéro précédent sont remplies pour L et D. Prenons Âo assez grand pour que LI = L - ÂoE soit justiciable de la -conclusion de ce théorème et ramenons le problème (474) à la forme -équivalente u = (Â - Âo) L -~ (u) L -~ (f). (475)
+
Au [lI-2-55J on a montré que L-~ transforme les éléments de L 2 (D) .en ceux de W 2: 0 (D) et que pour tout f E L 2 (D)
Il
L~l (f) "
::s; C 2 1/ f Il
(2)
(476)
{cf. (461)). En vertu du théorème de Rellich (tome IVI , [lII-7J) il ;s'ensuit de là que L-~ est un opérateur complètement continu dans L 2 (D) (c'est-à-dire comme un opérateur de L 2 (D) dans L 2 (D)). Donc, l'équation (475) est justiciable des théorèmes de Fredholm (tome IVI , [I-28J et tome V, [V-1-14J à [V-1-16J) qui nous disent -que l'équation (475) admet une solution unique dans L 2 (D) pour tous les  à l'exception d'un ensemble dénombrable que l'on désignera par { h } , k = 1, 2, ... Supposons que  =1=  h et que u est la .solution correspondante de l'équation (475). Cette solution est un -élément de W2~O (D), puisque les deux termes du second membre de (475) le sont si f E L 2 (D). Donc, u est une solution du problème (474) appartenant à l'espace W 270 (D). Pour  =  h (et uniquement pour de tels Â), l'équation sans se.cond membre admet les solutions non triviales Uh
=
(Â h -
 o) L-~ (Uh).
(477)
Ces solutions sont aussi des éléments de W 270 (D), car l'appartenance de Uh à L 2 (D) et les propriétés de l'opérateur L-~ entraînent que L-~ (Uh) E W 270 (D). Donc, Uh sont solutions du problème L
(Uh)
=
ÂhUh'
Uh 1S
= O.
(478)
Ces solutions s'appellent fonctions propres de l'opérateur L dans le domaine D pour la condition aux limites du problème de Dirichlet, et Âh , les valeurs propres correspondantes. La théorie des équations linéaires à opérateurs complètement continus nous dit qu'à chaque  h est associé un nombre fini de solutions linéairement indépendantes du problème (478), autrement dit chaque Âh est de multiplicité finie. Pour formuler les autres propositions, il nous faut introduire les opérateurs adjoints de L et de LI agissant dans L 2 (D). L'opérateur A * adjoint d'un opérateur (linéaire) A donné se définit par l'identité (479) (A (u), v) = (u, A * (v)), qui est réalisée pour tous les éléments u sur lesquels est donné A. On admet que le domaine de définition :!lJ (A) de A est l'espace L 2 (D) tout entier si A est borné et un ensemble :!lJ (A) dense dans
1
4i9
II-2-58. LA RaSOLUBILIT&AU SENS DE FREDHOLM
L.iD) si A n'ést pas borné. L'ensemble de définition ~(A *) de l'opérateur A* est composé des éléments v (et d'elix seuls) pour lesquels l'expression (A (u), v) qui est une fonction linéaire de u sur l'ensemble ~(A) peut être mise sous la forme (u, w), où west un élément quelconque de L,(D). L'ensemble ~(A) étant dense dans L,(D), l'élément west unique et il doit être égal à A* (v). Si A est un opérateur borné on démontre que ~(A *) est l'espace Ls(D) tout entier (ou l'espace hilbertien H tout entier si L 2 (D) = == H). Ceci résulte aussitôt du théorème de Riesz sur la forme ~énérale des fonctionnelles linéaires de L,(D) (tome V, [V-1-4]). En effet, pour tout v E L" (D) l'expression (A (u), v) est une fonction continue linéaire u définie sur l'espace L 2 (D) tout entier (c'est-àdire une fonctionnelle linéaire), donc il existe un élément unique w tel que (A (u), v) = (u, w) pour tous les u E L,,(D). Or, ceci signifie que v E ~(A *), w = A* (v) et ~(A *) = L,(D). Si A n'est pas borné, la détermination de 9J(A*) et de la forme explicite de A* est une tâche ardue. Les opérateurs L et LI considérés sont des opérateurs non bornés, définis sur l'ensemble ~(L) = = ~(Ll) = W,~o (D), dense dans L 2(D). On montrera que les opérateurs adjoints L* et LT sont de la forme
L*(u)=-aa (a'k aau (biu)+cu, Li(u) =L* (u)-Âou. (480) Xi xk )--aa Xi (c'est-à-dire sont des opérateurs différentiels adjoints de L et LI respectivement au sens de Lagrange (cf. formule (410» et leurs domaines de définition sont confondus avec W2~O (D). Assurons-nous à cet effet que le problème L~ (u) = f, u Is = 0, (481) où L*(u) est donné par (480),· admet une solution unique dans W,~o lD) pour toute fonction f E L, (D). En effet, l'opérateur L~ remplit toutes les conditions du théorème 2 de [11-2-55], y compris la condition L~ (u, u) ~ cS l Il u Il', cS l > 0 si Âo ~ 1, car Li(u, u)=(-L~(u), u)=
=
J(aikuXkux,~biUUXi-cu2+Âou2) dx=L
1
(u, u).
g
Désignons par (L~) _1 l'opérateur associant à f la solution u du problème (481). Cet opérateur est un opérateur borné dans La(D) mettant L,(D) et W,~o (D) en correspondance bijective. D'autre part, pour toutes fonctions u et v de W,~o (D), on a la relation . (LI (u), v) = (u, L~ (v», (481,.) qui s'obtient par une double intégration par parties du premier membre. En comparant cette égalité avec celle qui a servi à définir l' opé29-01017
450
CB.IL PROBLDlES AUX LIMITES,
rateur A * on voit que les éléments.v de W2~O (D) appartiennent à 9J(A*) = 9J (L~) et A* = L~ est défini par (480). Il reste à véri-' fier que ~ (L~) == W2~O (D), c'est-à-dire à prouver que si pour de~ éléments quelconques v et f de L 2 (D) on a (L 1 (u), v)
= (u, f)
pour toutu E W2~O (D), alors v,E W2~O (D) et f = L~ (v). Déterminons à l'aide de f l'élément w = (L;tif, solution du problème (481) (cette solution est un élément de Wi,o (D» et mettons (u, f) sous la forme (u, L~ (w» = (L 1 (u), w) en vertu de la formule (482). Alors (u, f) = (L 1 (u), w) = (L 1 (u), v), et puisque les éléments L 1 (u) parcourent l'espace L 2 (D) tout entier lorsque u parcourt W2~O (D), il s'ensuit de là que v = w, c'est-à-dire que v appartient bien à W2~O (D) et f = L~ (v). , On a donc démontré que l'opérateur L~, adjoint de l'opérateur non borné L 1 de L 2 (D) dans L 2 (D) et défini sur l'ensemble 3J (L 1 ) = W2~O (D), est également défini sur W2~O (D) et agit Sur les éléments de W 2~ 0 (D) en vertu de (480). L'opérateur L (u) ne différant de L 1 (u) que par un terme additif Âou auquel correspond un opérateur borné, on a 9J (L) = ~ (L 1) = W2~O (D), ~ (L*) = = 9J (L~) = W2~O (D) et l'action de l'opérateur L* sur W2~O (D) est définie par (480). Rem a r que. Quand on dit que l'opérateur différentiel L* est défini par (480), on entend par là la méthode de calcul de L* (u) sur les fonctions u (x). Il faut distinguer cette notion de la notion d'opérateur adjoint d'un opérateur non borné L engendré par un opérateur différentiel L. Dans ce cas il faut indiquer le domaine de définition de l'opérateur différentiel L et trouver le domaine de définition de l'opérateur adjoint. Revenons à l'étude des opérateurs L et L* ainsi que des opérateurs L 1 = L - ÂoE et L! = L* - ÂoE, définis sur W~,o (D) de l'espace L 2 (D). Montrons que l'opérateur adjoint de l'opérateur L-~ de L 2 (D) dans L 2 (D) est l'opérateur borné (L1)-1, c'est-à-dire que
(L-D* = (L1t 1 et 9J«L1)-1) = $«L-D*) = L 2 (D). Ceci résulte immédiatement de faits déjà connus et notamment de ce que l'opérateur L 1 et son adjoint Li mettent en correspondance biunivoque l'espace ~ (L 1 ) = ~ (L~) = W2~O (D) et l'espace L 2 (D) tout entier et vérifient l'identité (481 1) pour tous u, v E W 2~ 0 (D). Lorsque u et v parcourent W2~O (D), les opérateurs L 1 (u) et L 1 (v) parcourent l'espace L 2 (D) tout entier. Désignons L 1 (u) par (C), L~ (v) par 1j), .et mettons l'équation (481 1) sous la forme
(cp,
(L~t11j)
=
(L-~cp, 1j).
11-2-56. LA R:eSOLu:aILIT:e AU SENS DE FREDHOLM
451
Cette égalité 'étant valable pour tous !p, '" E L 2 (D), elle traduit lefait que (L-~)· est égal à l'opérateur borné (L~)-l dans L 2 (D). 'Revenons maintenant au problème (474) et aux problèmes (475)" (477) et (478) qui lui sont reliés. L'opérateur L-i étant complètement continu dans LI (D), ses valeurs propres sont confondues avec celles de son adjoint (L-~)*, c'est-à-dire avec O-k - Âo)' autrement dit l'équation v = ( - Âo) (L-D* (v) (482)\ n'admet des solutions non triviales que pour  =  k , k = 1, 2, . . .' (on rappelle qu'on s'est limité à l'étude des  réels). A chaque Âlt est associé un nombre fini de solutions non triviales Vk de l'équation (482), égal au nombre des solutions linéairement indépendantes del'équation (477) correspondant au même  k • En d'autres termes,. les valeurs propres  k - Âo des opérateurs L-~ et (L-i)* ont mêmemultiplicité. Comme (L-D* = (L~)-\ l'équation (482) équivaut a,a système L~ (v) = ( - Âo) v, vis = 0, qui n'est autre que le système L * (v) = Âv, vis = 0, (483) dont les solutions sont des éléments de W2~O (D), l'opérateur diffé-: rentiel L* étant défini par (480). Donc, le spectre réel des opérateurs L et L* pour la condition aux limites du problème de Dirichlet est au plus dénombrable, chaque valeur propre  k est de multiplicité; finie et les seuls points limites de { k } sont  = + 00. Mais le; théorème 2 du [11-2-55] nous dit que pour  ~ Âo, le problème (478), ne possède pas de solutions non triviales, donc tous les Âk < Âo~ Si nous avions dès le départ envisagé un espace hilbertien complexe L 2 (D) et le problème (474) avec des Âcomplexes, alors en appliquant les théorèmes de Fredholm à l'équation (475) nous aurions déduit que le spectre des opérateurs L et L* est composé d'un nombre, au, plus dénombrable de valeurs propres ayant chacune une multiplicité finie. Des estimations relativement simples du type de celles d& [II-2-52] montrent que le spectre est compris dans une parabole d~ la forme Â"2 = al (a 2 - Â'), où ai sont des nombres réels qui se dé.... terminent sans peine à l'aide de la constante d'ellipticité '\1 et des majorants .... i des coefficients de L, ceci étant, al > 0 etÂ' etl'~ sont les parties réelle et imaginaire de  (Le.  = Â' + iÂ'").. Uneanalyse plus poussée montre que le spectre du problème (474) est: constitué d'un nombre infini de valeurs propres {JI'kl k~l et Re Â.k ~. ~ - 00 pour k ~ 00. Ceci a été étab~i par Carleillan (cf. [II-2~45I) ..\ Au numéro suivant on démontrera cette proposition pour un opé-;. rateur symétrique L, c'est-à-dire lorsque L* = L ou, ce qui est. équivalent, lorsque bi (x) === O. Pour l'instant on se propose de prou-· ver le troisième théorème de Fredholm pour le problème (474)~ 29*
452
CH. ,II. PROBLIlMES AUX LIMITES
Supposons que dans ce problème  est égal à une valeur propre  k • Si ce problème admet une solution u pour f E LI (D) (dans la suite toutes les solutions sont supposées appartenir à W2~O (D)), alors en multipliant la première équation (474) par une fonction arbitraire v E W2~O (D) et en intégrant ensuite sur D, on peut transformer le résultat de la manière suivante:
J
L (u) vdx=
J
uL* (v) dx=Â.
J Jt uvdx+
vdx .
Si v est confondu avec une solution Vk du problème (483) avec =Âk , alors cette égalité devient
Â
=
(484)
) fVkdx=O, D
et par suite elle est nécessaire pour que le problème (474) admette une solution. Montrons que la condition (484) est également suffisante. En effet, le troisième théorème de Fredholm appliqué à une équation pour un opérateur complètement continu L-~ nous dit qu'une condition nécessaire et suffisante pour que l'équation (475) admette une solution dans L'J, (D) est que
O=(L~l(f), vk)=(f, (L~l)* (v,J)=
Â. f Â. k- 0
(f, Vk)'
où Vk est une solution de (482) avec  = Âk • Or le problème (482) est équivalent au problème (483) avec  = Âk et leurs solutions sont confondues, de sorte que cette condition n'est autre que la condition (484). Cette condition est de la même forme pour les Âk complexes. Récapitulons ce que nous venons de démontrer sous la forme du Thé 0 r ème 1. Si les hypothèses du théorème 2 du numéro précédent sont remplies pour L et D, alors le problème (474) admet une solution unique dans wto (D) quelle que soit f E L 2 (D) pour tous les l'réels sauf pour un nombre au plus dénombrable de Âk , k = 1, 2, ... , qui constituent les valeurs propres réelles du spectre de L dans D pour la 'Condition aux limites du problème de Dirichlet. Le problème homogène (478) admet des solutions réelles non triviales pour ces valeurs Âk et pour elles seules et à chaque Âk est associé un nombre fini de solutions linéairrement indépendantes du problème (478). L'ensemble {Âk } est composé de valeurs propres qui sont les valeurs propres réelles du spectre du problème adjoint (483), lesÂkétantde même multiplicité que dans le problème (478). ~es valeurs Âk , k =1, 2, ... peuvent être rangées par ordre' de décroissance et le seul point d'accumulation de {Âk } est·Ze point 1= -' 00. Une condition nécessaire et suffisante pour que le problème (474) (J,l)ec  = ,Â"l possède une solution unique est que soit réalisée, la condi';'
453
11-2-56. LA USOLUBlLIftAU. SBNS DE :PJUmBOLM
tion (484) d'orthogonalité de f à toutes les solutions du problème homogène adjoint (483) avec le même Âk • Sous ces conditions la solution géNil.
nérale du problème (474) est u =
Uo
+ ~CtUkt' où Uo est une solution ~1
particulière du problème (474), Ch des nQmbres arbitraires et Uk t ' i = 1, ... , N k , les solutions du problème (478) avec ÂIl, Ce théorème exprime l'un des énoncés de la résolubilité au sens de Fredholm du problème de Dirichlet (474). Comme indiqué plus haut, le problème (474) s'étudie de façon analogue pour les  complexes. La condition de résolubilité du problème (474) pour ÂIl complexes est de la même forme que (484). Il est utile de remarquer que pour les solutions du problème (474) on a Il u Il 2 ~ c). Il f Il, (485) pour tous les  =1= À k , k = 1, 2, ... , la constante C). dépendant des coefficients de L, du domaine D et du  considéré. Pour les  vérifiant la condition (420), on aurait pu expliciter C). en fonction de caractéristiques relativement simples du domaine D et des para~ mètres ~, t-'t et 'Â. Dans le cas général, lorsqu'on sait seulement que  =1= Âkt' k = t, 2, on peut affirmer l'existence de la constante C,,-, mais sans pouvoir l'expliciter. Il est clair que C,,- tend vers l'infini lorsque  tend vers une valeur propre de {ÂIl}. Signalons qU& la détermination des valeurs propres ÂIl pour un L et un D concrets donne lieu à des calculs assez compliqués. Le théorème t de ce numéro et le théorème 2 du numéro précé~ dent entraînent le
v,
0
•
0'
Thé 0 t ème 2. Si les hypothèses duthéotème 2 du numéro précédent sont remplies pour L et D, alors toute solution distributionnelle du problème (474) de classe ~ (D) est un élément de W2~0 (D). En effet, supposons qu'une fonction u est une solution distributionnelle du problème (474) de classe ~ (D), c'est-à-dire appartient o à ~ (D) et vérifie l'identité (407) pour toute fonction Tl E ~ (D) .. Mettons l'identité (407) sous la forme 0
L (u, 1J) =
+
-
J
(Aou
+ F) 1J dx.
(486)
où F = f ( - Âo) u. Prenons le nombre  o assez grand pour que soit réalisée l'inégalité (420), inégalité qui assure l'existence d'une solution unique du problème (474) avec  - Âo, c'est-à-dire du problème L (v) = Âov + F, v lB -:- 0, (487) la fonction F - f ( - Âo) u étant une fonction connue (puisqueu • est par hypothèse une solution connue qe W~ (D». Il est manifeste
+
454
'CH. II. PROBL~MES AUX LIMITES
que F E L 2 (D). En vertu de (486), la fonction u est une solution d.istributionnelle du problème (487) de classe ~ (D) pour F = f (À - Ào) u. D'autre part, le théorème 2 du numéro précédent nous dît que le problème (487) admet une solution unique dans la classe W 2: 0 (D) (le premier théorème de Fredholm a lieu grâce à (420». En vertu du théorème 2 de (l1-2-52J cette solution doit nécessairement être confondue avec la solution distributionnelle étudiée u o de ,~(D), donc u est u,n élément de W2~O (D), c.q.f.d.
+
+
]1-2-57. Sur le spectre d'un opérateur symétrique. Considérons -des opérateurs différentiels symétriques L de la forme (402), c'està-dire des opérateurs tels que L = L* (l'adjoint L* de L au sens de Lagrange est défini par (480»: L (u) =
f)~i (ai1~ :~
)
+ cu.
(488)
Posons le problème
L (u) = Àu,
u 1s
= 0,
(489)
dans un domaine borné Den admettant que léS coefficients de L et le domaine D remplissent les conditions du théorème 2 de [1I-2-55l. Des résultats prouvés au numéro précédent, il s'ensuit que l'adjoint d'un opérateur non borné L défini sur un ensemble :2J(L) = W2~o(D) dense dans L 2 (D) par (488) est cet opérateur lui-même défini sur le même ensemble W2~O (D). On dit dans ce cas que l'opérateur Lest hermitien (ou auto-adjoint) et on note ceci par L = L*. La forme quadratique correspondant à L s'écrit:
L (u, u)
= -
)
L (u) u dx =
D
)
(aikuxiuXk - cu 2) dx.
D
Comme par hypothèse -c(x)~-. J!3' on a pour ÂO=l-t3 LI (u, U) E = -
)
(L- Ào) (u) dx =
D
=L(u, u)
+Âol/uIl 2 >v )
u~dx>vCÏllluIl2t (490)
D
où CD > 0 est la constante de l'inégalité (423) [11-2-52]. En vertu des résultats de (11-2-55], l'opérateur LI == L o - ÂoE admet un réciproque L~l qui est complètement continu, hermitien de, L 2 (D) dans L 2 (D). Donc, il est justiciable des théorèmes prouvés au (tome IVI , [1-30 à 1-36]). Plus exactement, son spectre est composé d'un nombre au plus dénombrable de valeurs propres réelles que l'on désignera par I1k, k = 1, 2, ... A chaque I1k correspond un nombre fini de solutions linéairement indépendantes de l'équation L;l Uk = J!kUkt (491)
455
II-2-57. SUR LE SPECTRE D'UN OP:eRATEUR SYM:eTRIQUE
°
qui sont des éléments de L 2 (D). L'opérateur L-~ étant inversible, le nombre !..t = n'est pas un point de son spectre (c'est-à-dire qu'aucun !..th n'est nul), donc il existe une infinité de valeurs propres !..tA distinctes. Des propriétés de L-~ il s'ensuit que Uh E W2~O (D) et tout UA est solution du problème 1
L 1 u=-u,
U
fL
18=0,
(492)
pour !..t = !..th et, réciproquement, toute solution du problème (492) appartenant à W2~ 0 (D) est solution du problème (491). Le problème (492) n'est autre que le problème (489) correspondant à Îv = = Îv o !..t _1. De l'inégalité (490), il s'ensuit que les !..th '< et -!..th ~ V-1CV • En effet, pour U = Uk, l'inégalité (490) nous donne
°
+
L l (u h ,
Uh) =
-.
--!-.II Uh I/2~vCÏlll Uh 1/2. fLk
En vertu toujours des propriétés établies au (tome IV1 , (1-30] à '(1-36]) pour les opérateurs symétriques complètement continus, les valeurs propres !..th, k = 1, 2, ... peuvent être supposées numérotées dans leur ordre de croissance. Par ailleurs, dans la suite {!..th} h CX\ il est commode de faire figurer chaque valeur propre en un nombre .d'exemplaires égal à sa multiplicité et d'associer à chacune d'elles une fonction propre Uh normée dans L 2 (D), ces fonctions devant être choisies de manière à être deux à deux orthogonales. D'après ce qui vient d'être dit, on peut a dmettre que
-v_1CV
~ !..tl ~ ft2 ~ •••
<
f1h ~ 0 pour k ~ 00,
0,
et les fonctions propres associées
{Uh} h 00 1
(Uh' Ul) =
(493)
vérifient les conditions (494)
Ôhl.
Le spectre de l'opérateur L pour la condition de Dirichlet est composé des valeurs propres {Îvhh~1' Îv h = Îv o ft-k, et à chaque valeur Îv h est associée une fonction propre Uh, solution du problème (489) pour Îv = Îv h • Comme indiqué plus haut, toutes les fonctions UA sont des éléments de W2~O (D). Il est clair que Îv k ~ - 00 pour
+
k~ 00.
Penchons-nous maintenant sur les théorèmes de décomposition suivant les fonctions propres {Uh} k co 1. Le théorème 5 du (tome IV17 II-36]) affirme que le système {Uk} h co 1 forme une base dans L 2 (D), c'est-à-dire que toute fonction f E L 2 (D) se développe en une séde de Fourier suivant les fonctions UA: . co
f (x) = ~
h=1
(f,
Uk) Uh
(x),
(495)
CH. II.
PROBL~S
AUX LIMITES
convergente vers! (x) pour la norme de L 2 (D) et
,,!
00
~ (f,
11 2 =
(496)
Uk)2.
k=l
Montrons maintenant que si ! E W2~O (D), alors la série (495) con;' verge vers! pour la norme de W2~O (D), c'est-à-dire que la série (495) est dérivable terme à terme deux fois par rapport à x, les séries obtenues par la première et la deuxième dérivation (séries qui ne sont plus orthogonales dans L 2 (D)!) convergeant dans L 2 (D) vers l' et!" respectivement. Pour prouver ceci, traitons W2~O (D) comme un / espace hilbertien muni du. produit scalaire (432) et de la norme Il . 1/(2) [1I-2-53J. . Munissons W2~O (D) du nouveau produit scalaire {u, v}
== ) LI (U) LI (v) dx. D
La norme correspondant à ce produit et que l'on désignera par 1/ • II_ est équivalente à la norme Il . 11(2) (cf. [11-2-541). En effet, l'iné~ galité Il U 1/2 ~ Cl Il U 11(2), U E W2~O (D), résulte directement du fait que aik,
Il
ô:::
1/ LI (u) Il n'est autre que l'inégalité (461). Ceci prouve l'équivalence des normes Il . /1<2) et Il . 112' L'espaceW2~o (D) contenant les fonctions Uk, il contiendra des portions finies de la série (495). Par ailleurs, les fonctions {Uk} k 1 sont deux à deux orthogonales au sens du nouveau produit scalaire, car de (492) il s'ensuit que U 11(2)
~C2
Il U 112
et c sont bornés. L'inégalit~
= C2
aD
{Uk' U,} == (LI (Uk), LI (Ul» = _1_ (Uk' U,) = I-tkl-tl De ce fait, il est immédiat de calculer la quantité m+p
1/
~ (f, Uk) Uk
k=m
Il: =
m+p
~ ....k2 (f, Uk)2=
k=m
m+p
=
..2J
2J
k=m
On s'est servi (LI (f),
Uk)2
....;;I Ôkl •
du
m+p
(f, LI (Uk»2= ~ (LI (f), Uk)2. k=m
fait que! E W2~O (D).
converge vers Il LI (f)
k=l
(cf. (496». Donc, les fonctions
IN
2
11 ,
La série numérique car
LI (f) E L 2 (D)
N
(x) =
2J
k=l
(f,
Uk) Uk
(x), N
=
11-2-57. SUR LB SPECTRE D'UN OpanATEUI\ SYMgTRIQUE
457
=
1, 2, .• ~t forment une suite de Cauchy dans l'espace W2~O (D), '" et comme cet espace est complet, il existe un élément / (x) E W2~O (D) vers lequel /N (x) convergent pour la norme de W2~O (D). Or, on sait d'autre part que /N (x) convergent vers / (x) pour la norme de L 2 (D), donc (x) = / (x). Nous avons donc prouvé que la série (495), où / E W2~O (D), converge pour la norme de l'espace W2~o~(D) (c'est-à-dire pour 11·112 et Il.11(2)), donc
7
00
•
L (f) == ~ (f,
L
Uh)
(Uk)
k==l
= ~
k==1
'AA (/,
(497)
Uk) Uk,
cette série étant convergente pour la norme de L 2 (D) et 00
Il L
(f)
11
2
.-12J 'Al
=
(f,
(498)
Uk)2.
•
Montrons la proposition suivante: si / E W~ (D), alors la Isérie (495) converge vers / pour la norme de W~ (D), c'est-à-dire que la série (495) et celles qui en sont déduites par une dérivation terme à terme par rapport à Xit convergent respectivement vers f et fXi pour o la norme de L 2 (D). Munissons à cet effet l'espace hilbertien ~ (D) du nouveau produit scalaire ru,
vl e: LI (u, v) =
J
(aihUX,V Xk -
cuv + Âouv) dx.
D
De (490) et du fait que 1 aik 1 et 1 C 1 sont bornés, on déduit que la norme II· III correspondant à ce nouveau produit scalaire est équivalente à la norme initiale II· 11(1) de l'espace ~ (D). Les fonctions • propres u'" appartiennent à W~ (D) et sont deux à deux orthogonales au sens du produit scalaire [', l, car 0
[Uk, Ul]
=
(-L 1U h'
Ul)
= -fJ. -1
(Uh'
Ul)
=
-!.t -lôklo
(499)
Les fonctions {V -fJ.kUk (x) h 1 forment de ce fait un système o orthonormé dans l'espace W~ (D) pour le nouveau produit scalaire. Donc, toute fonction / E W~ (D) du système fV -fJ.kU"'}AOO 1 vérifie l'inégalité de Bessel (tome IVlt [1-46]) . 00
00
2J
h=1
[j, V -!.tA UA]' ~ Il / II~.
D'autre part
[f, Y -
!.th UA}I = (j,
y.
flA L 1u A )1 = ( - !.tAt1 (f,
Uk)2
(500)
CH. II.
458
PROB~MES
AUX LIMITES
et
_En comparant ces expressions on constate que les fonctions fN = N
=
~
(f, Uk) Uk, k = 1, 2, ... forment une suite de Cauchy dans
k=1
o
A
0
l'espace W~ (D), donc il existe un élément f (x) E W~ (D) vers lequel lN (x) converge pour l'une des deux normes de W~ (D) et 00
iIÎII~= ~ [f, k=1
00
V -flkUkt= k=1 ~ (-flkt
1
(f, Uk)2= 00
=
~ (Â o - Â k ) (f,
Uk)2.
k=1
Mais comme fN converge vers f pour la norme de L 2 (D), alors 1 (x) = f (x) et A
00
Ilfll~=Ll(f,f)= ~ (ÂO-Âk)(f, Uk)2.
(502)
k=1
Récapitulons ce qui vient d'être démontré dans ce numéro sous forme du théorème suivant (voir à ce propos la remarque de la page 374): Thé 0 r ème 1. Sil' opérateur symétrique L défini par (488) .et le domaine D remplissent les conditions du théorème 2 de [11-2-55], .alors le spectre du problème (489) (ou, ce qui revient au même, le spectre de l'opérateur L dans le domaine D pour la condition de Dirichlet) .est composé d'un nombre dénombrable de valeurs propres réelles {Â k }k;l tendant vers - 0 0 pour k -+ 00 et inférieures au majorant "'0 du coefficient c (x). Les fonctions propres correspondantes {ukh~l $ont orthonormalisables dans L 2 (D). Elles forment une base dans les o .espaces L 2 (D), ~ (D) et W2~0 (D), de sorte que la série de Fourier o {495) de toute fonction f de L 2 (D) (resp. de W~ (D), W2~0 (D» suivant les fonctions propres Uk converge vers f pour la norme de L 2 (D)(resp. de W~ (D), W; (D». De plus, l'égalité (496) est satisfaite par f E L 2 (D), o l'égalité (502), par f E W~ (D), les égalités (497) et (498), par f E <E W2~O (D). La démonstration de la convergence des séries (495) pour la norme de W: (D) développée ici est due à Q. Ladyjenskaïa. Ladyjen- ' :skaïa a prouvé ce fait pour les trois problèmes aux limites classiques dans l'espace W: (D) et dans les espaces W~ (D) avec l entier (cf.
11-2-57. SUR LE SPECTRE D'UN OP:mRATEUR S"DmTRIQUE
459
chapitre II de l'ouvrage: O. Lad y j e n s k a ï a, Problème mixte pour équations hyperboliques. M., Fizmatguiz, 1953 (en russe». Les fonctions et valeurs propres de l'opérateur L jouissent de nombreuses propriétés extrémales identiques à celles établies précédemment pour les opérateurs intégraux à noyaux symétriques, les opérateurs symétriques complètement continus dans L 2 (D) (tome IVlt [1-36 J, [1-37]), les opérateurs différentiels ordinaires de type SturmLiouville [l1-1-16J, l'opérateur de Laplace pour la condition de Dirichlet [11-2-36]. Ainsi, par exemple, les égalités (496) et (502), o valables pour toute fonction f E W~ (D), nous permettent de démontrer facilement le théorème suivant: Thé tiqUe
0
r ème 2. La plus petite valeur de la fonctionnelle quadraJ (f)
= L (f, f)
==.) (aihfx/xk -
cj2) dx
D o
sur un ensemble de fonctions f E w~ (D) avec 1/ f Il = 1 est égale à la première valeur propre Â1 prise avec le signe opposé. Ce minimum est réalisé sur la première fonction propre Ul' La deuxième valeur propre prise avec le signe opposé représente le minimum de la fonctionnelle o J (f) sur l'ensemble des fonctions f E w~ (D) satisfaisant les deux conditions suivantes: Il f 1/ = 1 et (f, Ul) = O. Ce minimum est réalisé sur les fonctions propres associées à Â2 (on désignera une de ces fonctions propres par u 2 ) *). La fonction propre suivante Us se cherche comme la solution du problème isopérimètre consistant à déterminer la borne o inférieure de J (f) sur l'ensemble des fonctions f E w~ (D) soumises aux conditions: 1/ f 1/ = 1, (f, Ul) = 0, (f, u 2 ) = O. Cette borne est égale à - s (elle est égale à - 2 si  2 n'est pas une valeur propre simple, c'est-à-dire si sa multiplicité est >1). Les fonctions propres Uh et les valeurs propres correspondantes se déterminent ainsi de proche en proche. Pour démontrer ces propositions, on prendra en considération le fait que 0 < Âo - Â1 ~ Âo - Â2 ~ • • • Alors pour toute fonction o f EW~ (D) on a 00
L1(f, f)~(Âo-Âl) ~ (f, uk)2=(Â o-Â1)//f// 2, k=l
et
*) Un raisonnement supplémentaire montre que la première valeur propre est simple. .
460
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES o
pour f = Ui' donc pour toute fonction f E W~ (D) telle que Il f Il = 1, on a J (f)
=
L (f, f) = Li (f, f) -
Âo Il
f 11 2 ~ -Âi = J
~
(Ui)'
c'est-à-dire que Ui donne bien la solution du premier problème aux variations posé dans le théorème. Dans le deuxième problème, nous o devons considérer toutes les fonctions f E W~ (D) vérifiant les conditions Il f Il = 1 et (f, Ui) = O. Pour ces fonctions Li (f, f) ~ -~ (Â o - Â2 ) Il f 11 2 = (Â o - Â2) et par ailleurs Li (U 2, U2) = Âe - Â, et par suite L (f, f) ~ L (u 2 , u 2 ) = -Â 2 • Les autres propositions du théorème s'établissent de façon analogue. - Signalons que les problèmes variationnels décrits dans le théorème possèdent des solutions pour des conditions moins astreignantes sur les coefficients de L et sur D. Il suffit par exemple d'exiger que L remplisse les conditions du [II-2-511 et que D soit un domaine borné quelconque. Sous ces conditions, on obtient les mêmes valeurs propres Â1 , Â2 , ••• , mais la seule chose qu'on puisse affirmer sur les fonctions • (D). En propres correspondantes, c'est qu'elles appartiennent à vertu de la définition donnée au [II-2-511, les fonctions Ult sont les • solutions distributionnelles de classe ~ (D) du problème spectral (489) correspondant à Â k • Si L et D vérifient les conditions du théorème 2 de [II-2-551, alors chaque fonction Uk est un élément de W 2z0 (D) et sera solution des équations (489) (cf. théorème 2 de [II-2-56l).
w:
11-3. Equations de types parabolique et hyperbolique 11-3-1. Dépendance des solutions de l'équation de la chaleur par rapport aux conditions initiales, aux conditions aux limites et au second membre. Nous avons établi précédemment le théorème d'uni~ cité pour l'équation de la chaleur en nous servant d'un théorème qui affirmait que la solution de l'équation de la chaleur sans second membre prend son minimum et son maximum pour t = 0 ou sur la frontière du domaine. Ce théorème a été prouvé en dimension un (tome II, [VII-4-7l). La démonstration est exactement la même en dimension n. Considérons maintenant l'équation de la chaleur dans un domaine B du plan (x, y): Ut
=
U xx
+ u uu + f (x,
(1)
y, t)
avec les conditions initiale et aux limites U
It=o
=
dans B;
u
Il = '!' (x, y,
t),
(2)
11-3-1.
D~PENDANCE
DES SOLUTIONS DE
L'~QUATION
DE LA CHALEUR
461
où 1 est le contour de B. On admet que la fonction f est continue dans le domaine B pour t ~ O. On admet de même que q> est continue dans B et"i' sur 1 pour t ~ O. Imaginons dans l'espace (x, y, t) un cylindre D dont la base est le domaine B du plan (x, y) et dont les génératrices sont parallèles à l'axe des t. Soit D T la partie du cylindre comprise entre les plans t = 0 et t = T (T > 0). Désignons par S' la base inférieure t = 0 et la surface latérale de DT. Des raisonnements analogues à ceux effectués au (tome II, (VII-4-7l) nous permettent d'établir sans peine le théorème suivant: T h ~ 0 r ème 1. Si u est solution de l'équation (1) à l'intérieur de D et est continue à l'intérieur de DT et sur S', alors u prend sa plus petite valeur sur S' si / ~ 0 dans D T' et sa plus grande valeur sur Si si / ~ 0 dans DT. . Donnons brièvement la démonstration de ce théorème. Considérons seulement le cas / ~ 0 et prouvons-le par l'absurde. Supposons que u prend sa valeur maximale M non pas sur Si mais en un point (x', y', t'). Considérons la fonction
v
=
u - k (t - T),
(3)
où k est un nombre >0 que nous allons définir. On a dans DT: u ~ v~ u kT,
+
et on peut fixer k assez proche de 0 pour que la plus grande valeur de v sur S' soit inférieure à la valeur de u en (x', y', t'). Pour un tel k la fonction v prendra sa plus grande valeur à l'intérieur de DT ou de la base supérieure t = T. Ramenons ces deux cas à une contradiction. Supposons que v prend sa valeur maximale en un point C (x, y, t) intérieur à DT. Donc, en ce point
v, = 0;
vxx
~
0;
V llll
~
0,
d'où Vt - V xx - vllll ~ 0 ou, en vertu de (3), Ut - U xx - U llll - k~ ~ 0, or ceci contredit le fait qu'en C on doit avoir Ut - U xx U llll / = 0 et / ~ O. Supposons maintenant que v prend sa valeur maximale en un point C intérieur à la base t = T. On doit avoir en ce point v, ~ 0 et en étudiant les variations de v sur la base supérieure, on obtient: V xx ~ 0 et V llll ~ 0 en C. Cette nouvelle contradiction prouve le théorème. Une conséquence du théorème 1 est le Thé 0 r ème 2. Si cp, '1' et / vérifient les conditions 1cp 1~ a sur la base inférieure de D T' si 1'1' 1~ a sur la sur/ace latérale de DT a ~t 1/ 1~ T dans D 7) alors 1u 1~ 2a dans DT.
462
CH. II. ·PROBUlMES AUX LIMITES . .
Considérons la fonction V=U
a (T-t)
+
(4)
T'
qui est solution de l'équation Vt
= vxx+v yy + (/-7)
avec les conditions suivantes: V 1t=o
v 1l =11,+a(T-t) 't' T.
= cp -l- a; 1
En vertu de l'hypothèse du théorème et du fait que sur la surface latérale de DT, on peut affirmer que a f-T~O 1
1h 't'
1 cp+a 1 ~2a
dans DT;
+ a (TT- t) 1:::.:::. 2a
tE [0, Tl
sur la base t = 0;
' 1e d e DT. sur 1a surf aceiatera
:::::::::
Le théorème 1 nous dit que v atteint son maximum sur S', donc v ~ 2a dans fJ T' Le second terme du second membre de la formule (4) étant ~O, on affirme que u ~ 2a. De façon analogue, en considérant la fonction
v=u-
a (T- t)
T
'
on démontre que u ~ -2a, d'où il s'ensuit quel u 1 ~ 2a. Le théorème 2 donne une majoration de la solution de l'équation (1) en fonction de la majoration du second membre 1 et des fonctions figurant dans les conditions initiale et aux limites. . Ce théorème s'établit de façon analogue dans le cas d'un nombre quelconque de variables spatiales. 11-3-2. Potentiels pour l'équation de la chaleur en dimension
UD.
Nous allons montrer maintenant comment on peut construire pour l'équation de la chaleur une théorie identique à celle du potentiel pour l'équation de Laplace et ramener de la sorte les problèmes aux limites pour l'équation de la chaleur à des équations intégrales. Considérons l'équation de la chaleur en dimension un Ut a2u xx = 0 (5) et cherchons la solution qui satisfait les conditions aux limites
u Ix=o = et la condition initiale
(1)1
u 1t=o
(t) ;
= f
(x)
u Ix=l = x
(1)2
E [0, ll.
(t)
(6)
(7)
11-3-2. POTENTIELS POUR L':eQUATION DE LA CHALEUR
463
Prolongeons -la fonction f (x) définie sur l'intervalle [0, II à l'axedes x tout entier de telle sorte qu'elle soit continue et s'annule en dehors d'un intervalle fini, -et formons la solution de l'équation (5} (tome II, [VII-4-2l): Uo (x, t)
=
1
V 2a :nt
(t>O)
(8)
-00
qui vérifie la condition U o 1t=o :..- f (x) x E 1-00, 00[. (9} En substituant à u (x, t) la fonction w (x, t) = u (x, t) - Uo (x, t),. on obtient pour w l'équation (5) avec la condition initiale homogène
°
w 1t=o = x E [0, ll, avec des conditions aux limites dont les seconds membres sont égaux aux différences Û)t (t) - w (0, t) et Û)2 (t) - w (l, t). Donc, dans la suite, on cherchera la solution de l'équation (5) qui vérifie les conditions aux limites (6) et la condition initiale homogène
°
u It=o = x E [0, ll. (10) La solution singulière fondamentale correspondant à une source placée en x = ~ à l'instant t = 't est la solution (tome II, [VII-4-21) 1
u= 2a
_
-Yn (t-'t)
e
(S-X)2
(11)
4a2tt-'t).
En dérivant par rapport à ~ et en multipliant par le facteur constant 2a 2 , on obtient la solution singulière correspondant à un dipôle: U
1
= 2a
-.In (t-'t)3/2
(x _ ~) e-
(s _X)2
4a l (t-'f).
(12)
°
En multipliant la dernière solution par une fonction cp ('t) et en intégrant par rapport à 't de 't = à 't = t, on obtient la solution t
u (x, t) =
r
o
°
(S-X)2
4a 2 (t-'t)
d't,
(13)
1t
correspondant à un dipôle placé en x = ~ et agissant à partir de l'instant 't = avec une intensité cp ('t). Le fait que la fonction (13) est solution de l'équation (5) pour x =1= ~ se vérifie immédiatement par une simple dérivation; la dérivation par rapport à la limite supérieure nous conduit à un résultat nul, puisque l'intégrant pour x =1= ~ tend vers pour 't ~ t. Montrons que la fonction (13) satisfait les conditions aux limites suivantes si x ~ ~ à gauche ou à droite: u (~ + 0, t) = cp (t) ; u (~ - 0, t) = -cp (t). (14)
°
464
CH. II. PROBL!:14ES AUX LDlITES
Considérons la substitution
a-
x-; 2a-vt=i
dans l'hypothèse que x =1= ~. Lorsque 'f -+ t, alors a -+ + 00 pour > ~ et a -+ - 0 0 pour x < ~. On obtient dans la nouvelle variable
:x
:n .J +oe
U
(x, t)..
2
n a:-ç 2a Yi'
cp
[t-
(15)
et lorsque x -+I~ + 0 co
.u (S
+ 0, t) =
2
~ Tt
_
J
LO~
e- a• da =
~ (e-œI da n ~
a:=, (t).
On démontre de façon analogue la deuxième égalité (14). D'autre part, la solution (13) satisfait manifestement la condition initiale homogène u It=o = O. (16) Nous ne nous attarderons pas sur l'étude détaillée du passage à la limite dans la formule (15). Celui-ci peut être facilement réalisé BOUS l'hypothèse de la continuité de
II
r 2a ~(t-'t)3/2 xe-
(x, t) =
~
('t)
n
Xl l
4a (t-'t)
d't
+
+ J 2a -vn! (t-'t)3/' (or) t
(l-X)I
(x-l) e-
bl(t-'r)
d'te
(17)
o
En vertu de (14), les conditions aux limites (6) s'écrivent:
r
q>(t)-l
{ 1 -1J' (t) + l
l
ï ~
J 0
(18)
II-3-3. SOURCES DE CHALEUR EN DIMENSION n
465
Ces équations forment un système intégral de Volterra pour
t - l' de sorte que ce système est justiciable de la transformation de Laplace (tome IVl , [1-53]). Si, par exemple, à l'une des extrémités on donne non pas la fonction u mais sa dérivée ~~, alors en ce point il faut placer non pas un dipôle, mais une source simple dont l'action est définie par la formule (11). Supposons par exemple que les conditions aux limites sont de la forme u Ix=o
=(Ùl
aaux 1x=l =
(t) ;
(Ù2
(19)
(t)
et les conditions initiales sont de la forme (16). Pour simplifier l'écriture des formules ultérieures, multiplions la solution (11) par 2a 2 et cherchons de ce fait la solution sous la forme x2
t
U
(x, t)
r 2a y n
=
xe
Jo
2
4a (t-T)
+
dl'
t
(l- X)2
+\
e
a\jJ (T)
b Yn.,lt
4a 2 (t-'t)
dl'.
(20)
T
La première condition (19) nous donne
'" (1') dl' =
(Ùl
(t).
En dérivant la formule (20) par rapport à x et en faisant tendre x vers l, on trouve, en vertu de (14), la deuxième des conditions (19) t
'i' (t) +
~ o
_
e
2a
.t
l2
4a 2 (t-T)
y n (t_T)3/2
cp (1') dl' - l2
~
_
e
l2
4a 2 (t-T)
4 3 (t 0
a
-T
)6/2 cp
(1') dl' =
Cù2
(t),
et l'on obtient de nouveau pour
a 2 (u X %
+ u yy ) =
O.
(21)
Soit donné sur le plan (x, y) un domaine B de contour l. La solution singulière fondamentale corresnondant à une source placée au point (~, 11) agissant à partir 30-01017
CH. IL
466
PROB~MES
AUX LIMITES
de l'instant 'test de la forme
L'analogue. du potentiel de simple couche est donné par la formule suivante: t
1Jd
- -2 u ( x, y, t) n
r2
T
o
Ja(a,'t)e- 4a2 (t-'t)d
t-'t
a,
(22)
l
où a est la longueur d'arc du contour l mesurée à partir d'un point fixe, a (a, 't) une fonction du point variable a du contour et du paramètre 1'. Par r, on a désigné la distance d'un point (x, y) au point variable a du contour l. Le potentiel thermique de double couche est défini par la formule
J J t
- - 1v (x y t) -
dl'
"2n
o
r2
b (a, 1') - iJ e - 4a 2 (t-'t) drr v, t-'t
(23)
an
l
où n est la normale extérieure au point variable d'intégration, ou encore par ~
t
v (x, y, t) =
\
\
o
l
J dT J
b(a,'t) -4a2(t-'t) 4na 2 (t :-1')2 e r cos (r, n) da,
r étant le vecteur d'origine a et d'extrémité (x, y). Si l'on introduit l'angle dq> sous lequel on voit la longueur élémentaire da à partir du point (x, y), alors
la formule précédente devient t V
\
J
(x, y, t)= -
(a, 't) - 4a 2 dcp J 4Jla 2 (t-'t)2 e \
b
r2 (t-'t)
2
r d't.
0
l
Les valeurs limites du potentiel de double couche au point contour sont définies par les formules Vi
o ve (xo,Yo, t)=b (ao, t)
(xo, Yo) du
2 ro
t
\ r b (a, 1') (xo' Yo, t)= -b (ao, t) + J d't J 4na2 (t-T)2 e
0'0
4a 2 (t-'t) ro
cos (ro'
n) da,
l
(24)
+ ...,
oùro est la distance du point variable d'intégration au point 0'0 (xo, Yo)' Le poten.. tiel de simple couche (22) est continu à la traversée du contour l et sa dérivée suivant la normale n au point 0'0 du contour prend en ce point les valeurs limites suivantes: (
"t t)-\d't\
8U(XO,YO,t)) =-a(a
ano
( iJU(X~noYr"
.i
0'
J
o
t») =-a(a11t)-... e '
r2
a(a,'t)
J 4na 2 (t-'t)2 l
e
-4a2(~-'t)rcos(r 0
0'
n)da
° , '
(25)
Ces formules nous permettent de ramener la résolution des problèmes aux limites à celle d'équations intégrales. Supposons par exemple qu'on cherche une fonction'
467
11-3-4. FONCTION DE GREEN
v (x, y, t) satisfaisant à l'intérieur de B l'équation (21) et prenant sur lIes valeurs frontières: v Il
=
Cl)
(26)
(s, t),
où s est la longueur d'arc s mesurée à partir d'un certain point. Les conditions initiales sont supposées nulles. En cherchant la solution sous la forme du potentiel de double couche (23), on obtient en vertu de la première égalité (24) l'équation intégrale suivante pour la fonction b (a, "t): ' - b (s, t)
t r + J d"t Jr 4na
b(a, t) -4a 2 2 (t-"t)2 e
o
r2 (t-'t)
r cos (r, n) da =
(j)
(s, t),
(27)
l
où r est le vecteur d'origine a et d'extrémité s. Dans cette équation, l'intégration par rapport à (J a lieu sur un intervalle fixe [0, L], où L est la longueur du contour l; quant à la borne supérieure de l'intégrale par rapport à "t, elle est variable. Autrement dit, cette équation intégrale est une équation de Fredholm par rapport à la variable a et une équation de Volterra par rapport à la variable "t. Malgré cette mixité, l'équation (27) s'intègre normalement à l'aide de la méthode habituelle des approximations successives décrites pour les équations de Volterra. Cette méthode est valable pour un domaine limité par plusieurs contours. Elle se généralise sans peine à la dimension trois et s'applique aux problèmes extérieurs. La réduction de la condition initiale à une condition homogène s'effectue comme en dimension un à l'aide de la solution du problème pour le plan ou l'espace tout entier. La formule de la solution dans l'espace a été donnée au (tome II, [VII-4-2]). Dans le plan, cette formule devient
Les propriétés des potentiels thermiques et leurs applications aux problèmes aux limites sont étudiées dans les travaux suivants: E. Lev i, Ann. di Mat., f908; M.G e v r e y, J. Math. pures et appl., 1913, 9; G. Mun t z, Math. Z., 1934, 38, nO 3; G. Mun t z, Equations intégrales. M; L.: GNTI, 1934 (en ' russe); A. Ti k h 0 nov, Bul. MGU, 1938. 11-3-4. Fonction de Green pour l'équation de la chaleur. De même que pour l'équation de Laplace, on peut introduire la 'fonction de Green pour l'équation de la chaleur. Pour la commodité de l'écriture des formules, on désignera la solution singulière fondamentale (11) par Uo (x -~, t -- "t). La fonction de Green correspondant aux conditions aux limites homogènes U Ix=o=u Ix=l=O, xE [0, 1] (28) se définit comme suit . G( x, t,
t '0,
)_{uo(x-~, t-"t)-u(x, t;~, "t)
"t -
0
t
> "t,
t~"t,
(29)
où u (x, t; S, "t) est la solution de l'équation de la chaleur par rapport à (x, t) pour x E ]0, I[ et t > "t, qui satisfait la condition initiale homogène pour t = "t u (x, "t; ~, "t) = 0 (30) et les conditions aux limites u (0, t; ~, "t) = Uo (-~, t - "t) ; u (l, t; ~, "t) = Uo (l - ~, t - "t). (301) Dans ces formules, ~ et "t sont figés, et de plus ~ E ]0, l[. De cette définition, il s'ensuit immédiatement que u (x, t; ~, "t) et la fonction de Green dépendent 30·
468
CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
uniquement de la différence a = t - T et l'on peut remplacer u (x, t; ~, l') par u (x, ~, a) et G (x, t; ~, l') par G (x, ~, a). Les conditions (30) et (301) nous donnent les valeurs frontières de la fonction u (x, ~, a) sur le contour de la demi-bande bornée par x = et x = Z(t ~ T) et par le segment [0, Z] de la droite t = T. Ces valeurs frontières sont continues aux sommets de cette demi-bande. Ceci résulte immédiatement du fait que pour x =1= ~ fixe et t -+ T 0, la solution (11) tend vers o. Ces valeurs frontières étant ~O, on peut affirmer qu'il en est de même de u (x, t, a) et par suite en vertu de (29) on a G (x, ~, a) ~ Uo. Pour t = T et x = ~, la fonction de Green présente une singularité caractérisée par celle de Uo. On a Uo ~ et, en vertu de (30), u (x, ~, a) -+ pour a-+ -+ +0, d'où il s'ensuit immédiatement la deuxième inégalité pour la fonction de Green, à savoir G (x, ~, a) ~ O. On démontre que la fonction de Green est symétrique par rapport à x et ~. La fonction de Green nous permet de construire la solution de l'équation de la chaleur avec second membre qui satisfait des conditions aux limites et initiale homogènes, plus exactement, si n (x, t) est une fonction continue dans l'intervalle ]0, Z[ et possède des dérivées premières continues pour t > 0, alors la fonction
°
+
+°
°
°
t
l
w (x, t) = .\ dl' ) G (x,
o
0
ôw
2
~,
a) n
(~,
T)
d~
(31)
est la solution de l'équation 7jt=a
ô2w
ôx 2
+ n (x, t)
qui vérifie des conditions aux limites et initiale homogènes. Tout ce qui vient d'être dit est valable en dimension n. Une démonstration des propositions avancées figure dans le travail mentionné ci-dessus de A. Tikhonov. 11-3-5. Usage de la transformation de Laplace. Nous avons déjà signalée lors de la résolution du système d'équations intégrales (18) qu'on pouvai t user dIa transformation de Laplace. Cette transformation peut être appliquée directement à l'équation différentielle (5). On se servira ici de la transformation unila térale 00
/(s)=) .-stF(t) dt=L 1 (F).
(32)
o Soient données les conditions aux limites (6) et la condition initiale homogène (10). Au lieu de la fonction u (x, t), on cherchera sa transformée de Laplace: 00
(33)
o
Intégrons par parties en admettant que le produit e-stu (x, t) est nul pour t = En tenant compte de la condition initiale homogène (16), on obtient 00
1
Jr u (x, o
00.
00
t) de-st
1
= -;
ôu Jr 7ft e- st dt. 0
Quitte à changer l'échelle de t ou de x on peut rendre a = 1 dans l'équation (5). En appliquant la transformation de Laplace aux deux membres de l'équation
II-3-5. USAGE DE LA TRANSFORMATION DE LAPLACE
469
et en admettant -que dans la formule (33) la dérivation par rapport à x est possible eous le signe d'intégration, on obtient pour q:J (x, s) une équation dans laquelle ne figurera que la dérivée par rapport à x:
a2q:J ax = Sq:J.
(34)
2
L'application de la transformation de Laplace aux équations (6) nous donne les conditions aux limites suivantes pour q:J: q:J Ix=o=ads);
(35)
q:J Ix=l=a 2 (s),
où 00
(k= 1, 2).
ah (s)= .\ e-stwh (t) dt
(36)
()
La eolution de l'équation (34) qui vérifie les conditions aux limites (35) s'explicite sans peine: q:J (x, s)
=
+a
al (s) q:JI (x, s)
(s) q:J2 (x, s),
2
(37)
où sin (l-x) Y~. sin x -,I=-; . ~ _ , q:J2 (x, s) =. JO. (38) sm l -y - s sm l JI - s En appliquant à la fonction (37) la transformation réciproque (32), on obtient la fonction cherchée u (x, t). Il se trouve que cette fonction s'exprime simple.ment par l'intermédiaire des fonctions WI (t) et W 2 (t) figurant dans les conditions aux limites et par l'intermédiaire de la fonction de Jacobi '6'3 (v) (tome III 2 , [VI-4-13]) (pour construire cette fonction on prend h = e- nt ). Désignons la fonction de Jacobi par '6'3 (v, t) : q:JI (x, s)
=
+00
~ LJ
Us v, t =
.Q.
(
)
2 2 e 2ninv-n n t •
(39)
n=-oo
Les calculs ultérieurs reposent sur la formule suivante: cos (2v-1)
LI ['fr s (v, t)) = -
-,1 ~s
.. -y -SSIllY-S
= \jJ (v,
vE [0,1],
s),
(40)
où pour abréger on ,a désigné lalfraction par \jJ (v, s). Les formules (38) peuvent être mi ses sous la forme:
( )__ ..!-2 [a\jJ (v,av l2 S )j
q:JI x,
S
.
V=
__..!-2 [a\jJ (v,a l2 'P2 (X,S )v
xE [0, 2l],
x
-
2l
(41) S)]
l-x
'
:rEl-l, l].
V=2T
Par ai lIeurs, on a de toute évidence 00
1 (l2 S )=
J.()
00
l2st
p(t)dt= l12
J
e-stF(
l~)
dt,
()
c'est-à-dire que le passage de f (s) à f ([2s) par la transformation (32) est équivalent au passage de F (t) à
:2 F (t2) . En tenant compte de cette circonstance
470
CH. II. PROBU;MES AUX LIMITES
ainsi que des formules (40) et (41) et en dérivant par rapport à v sous le signe dtintégration, on obtient .
(v, 1~) ]
1 att
1 [Oi}s 212 av
-1
LI {
-T
=
x
s (;/ ' 1~ ) ax
v= 21
xE [-1, 1]. En appliquant maintenant la transformation Lï l à la fonction (37) et en tenant compte de la formule (36) et du théorème de convolution, on obtient en définitiv e ' ' , '1
. ' . ai}s u(x, t)=-TCùd t ).
(~
l~)
,
ax
1
1 att s ( 21 x ,
'.
+T(J)2(t)*
ax
l~)
,(42)
xE]O, 1 [t
Où t
FI (t). F z (t)=
fo
FI ('t) F 2 (t-'t) d't.
On peut exprimer la fonction de, Green au moyen de {ts (v, t). On remarquera tout d'abord que la formule (40) n'a lieu que pour v E [0, 1]. Si v E [-1,0], alors v 1 E [0, 1], et la périodicité de '6's (v, t) nous permet d'écrire:
+
, LI [i}3 (v, t)] = LI [i}3 (v
. t)]
+ 1,
=-
-r=s.sin
. cos[2(v+1)-1]~ -s
!~
,
v+1 E [0, 1],
vE[-1,0].
(43)
l'
-s
c'est-à-dire LI [tt,(v. t)]=-
co~(2v~t)y=-s
,
y'-ssmy-s
Considérons maintenant 'l'équation avec second membre
au
7ft -
azu
ôx2 = n (x! t)
(44)
avec des conditions aux limites .et initiale homogènes. En introduisant la fonction 00
,,(x, s) =
Ld" (x, tll =
J.-""
(x, t) dt
(45)
et en appliquant la transformation de Laplace à l'équation (44), on obtient
a2<pax(x ' 2
s)
-s
= - (] (x, s)
(46)'
471
II-3-5. USAGE DE LA TRANSFORMATION DE LAPLACE
avec les- conditions aux limites
cp (0, 8)
=
=
cp (l, s)
(47)
O.
Il est immédiat de vérifier que la fonction de Green pour l'opérateur du premier membre de l'équation (46), correspondant à -ces conditions aux limites . est sin(l-ç) vr~.sinxl"~ ~;
'Y (x,
-.1 -
l'r - s sin l
s) =
sin (l-x) -
s
-.1 =S. sin ~ l'F=8 .
r
l' - s sm l
l' -
s
(48)
(x ~ s);
la solution de l'équation (46) vérifiant les conditions aux limites (47) s'exprime par l'intermédiaire de la fonction de Green (48) de la manière suivante: l
l
cp (x, s) =
ç;
'V (x,
s) cr (6; s)
ds·
(49)
o Pour effectuer la transformation Lï l \ mettons la fonction (48) sous la forme
y{x,
~;
cos (x-~:- l) 1/=8 2"'; -s sm ll; - s
s)=
-
cos(x-S-Ol'r -s . l JIr -s 2 JI·- -ssm
+ cos <: -+ ~~l) -.rr=s(x ~ s), 2V
+
-8
sm Z1"-s
(50)
cos(.t-~_l)vr=s 2 -l'r-: . l J' -ssm l' - 8
En tenant compte du fait que si 0 ~ x
~ S~ 1,
alors -
(x~s).
~ ~ x 2Z ~ ~ 0
x+s
x+~. x-s 1 etO~21~1, et SI 0~s~x~1,.alors O~21~2et O~~ ~1,
et en se servant des formules (40) et (43), on obtient
L il l'Y (x,
ç;
s)] = G (x,
ç;
t) =
;z [ô3 (X 21 s,
l~) -
ô3 (X t s,.:2 ) J.
(51)
Le théorème de convolution nous donne t
Li l
l'Y (x,
ç;
s) cr (s; ,s)] = )
JI
(~,
T)
G (x, s; t-T) dT,
o
et par suite, en vertu de la formule (49) . t
l
u(x. 1) =
J J dg
,,(g. <) G (x,
g;
(52)
1-<) d<.
En comparant cette formule à la formule (3i), on voit que la fonction G (x, t - T) définie par (51) par l'intermédiaire de ô 3 (v, t) est la fonction de Green de l'équation de la chaleur. Brossons maintenant la démonstration de la formule (40). On sait que
s;
cos zx= 2z sin fi: fi
(--!+ 1cos_zx 2: 2
2
2
_ cos 2x
2 2 -,-Z2
-+ ••. )
,
PROBL~MES
CH. II.
472
formule valable pour xE [ et z sin, on obtient
=.,r-
J't, J't]
AUX LIMITES
(tome II, [VI-1-4]). En faisant
x = 2nv-tI
00
cos (2v -1 )yr=s . r -yr - s sIn}'/ - s
1
= 7+
~ cos 2nJ'tv 2 LJ s n2J't2 , n=l
-+
où vE [0, 1]. D'autre part, on a le développement suivant en série de Fourier de Ô 3 (v, t) (tome 111 2 , [VI-4-12]) Ô 3 (v, t)=l
+2
00
~ e-n2Jt2tcos2nJ'tv. n=l
Cette série converge uniformément en t sur tout intervalle fini [e, Tl, où
e > O. En admettant que Re s> 0 et en intégrant par parties, on obtient T
00
J
e- st Ô 3 ( ,t) dt
=e
-sE
-; e
-SE
+ 2 LJ ~
cos s
')
-+ _nJW n 2J't2
[
e
-
(s+n 2 Jt2)
E
- e
-
(s+n2Jt2)T]
•
n=l
E
La présence de n 2 au dénominateur assure la convergence uniforme de cette série par rapport à e et T et un passage à la limite pour e --+ 0 et T --+ 00 nous donne 00
-j ~~Et ô a ~v,
00
t) dt =
~ +- 2 ~
o
n=l
d'où l'on déduit la formule (40). Un exposé détaillé de l'application de la transformation de Laplace aux équations de la chaleur figure dans les travaux de G. D 0 e t s c h. Math. Z., 22, 25, 26, 28 et dans son ouvrage A nleitung zum praktischen Gebrauch der LaplaceTransformation. München, Oldenbourg, 1961.
11-3-6. Application des différences finies. Considérons l'équation de la chaleur' avec second membre Ut -
a 2u xx =
1t
(x, t)
(53)
x
E [0, ll,
(54)
avec la condition initiale U
1t=o
= f (x),
et les conditions aux limites homogènes U
Ix=o
= 0;
U
Ix=l
= O.
(55)
On admettra dans la suite que a = 1 et l = 1 quitte à modifier l'échelle de t et de x. Prenons un intervalle [0, T] de variation de t et partageons-le en n parties égales par les points th = kh (k = = 0, 1, ... , n), où h = Tin. Dans l'équation (53), posons t = t h +1 et remplaçons la dérivée par rapport. à t par le rapport de l' accroissement de la fonction à l'accroissement h de la variable indépendante. On obtient ainsi un système d'équations différentielles ordinaires pour les fonctions Uh (i) qui sont les valeurs approchées de U (x, t h +1 ),
II-3-6. APPLICATION DES DIFF:f:RENCES FINIES
473
puisque nous avons remplacé la dérivée par rapport à t par le rapport ci-dessus. Ce système d'équations différentielles est de toute évidencede la forme cJ2uk+l
dx 2
(x) _
Uh+l
ex) h
Uh
n ( x, t h+l ) (k =
(x) _ _ -
° ,
1,
••• ,
n _ 1) . (56).
En vertu de (54), posons U o (x) = f (x) et imposons aux autres fonctions Uh+l (x) de satisfaire les conditions aux limites (55) : Uh+l
(0) =
°
(1) =
Uk+l
(k = 0, 1, ... , n -
1).
°
(57}
La procédure de calcul sera la suivante: en faisant k = dans l'équation (56) et en posant U o (x) = f (x), on obtient une équation du second ordre pour Ul (x) que l'on doit intégrer pour les conditions aux limites (57). Une fois en possession de Ul (x), on pose k = 1 dans l'équation (56) et l'on intègre l'équation pour U 2 (x) obtenue pour les conditions aux limites (57), et ainsi de suite. Dans la suiteon aura à étudier une équation de la forme d2 y
dx 2
m 2 y = - n (x)
-
(58)
avec les conditions aux limites y (0) = y (1) =0,
(59)
où l'on aura posé m 2 = 1/h. Considérons la fonction de Green pour l'opérateur du premier membre de l'équation (58), correspondant aux conditions aux limites (59). Il est immédiat de vérifier que cettefonction sera de la forme [II-1-1] G (x, s) =
= { _(emx_e- mx ) [em(~-1)-e-m(~-1)l:
2m(e m -e-m) -[em(X-1)_e- m (X-1)J (ems-e- ms ): 2m(e m -e- m)
(x~s),
(60)
(X~6),
et la solution de l'équation (58) qui vérifie les conditions aux limites (59) est exprimée par la formule 1
y (x)
=
iG
(x, s) n (s) ds·
(61)
o
Prouvons le Lem m e. La solution de l'équation (58) satisfaisant les conditionsaux limites (59) est telle que 1y
(x)
1
~-\- max m
O~x~1
1n
°
(x) /'
(62}
Considérons d'abord le cas où n (x) ~ dans l'intervalle [0, il. Montrons que y (x) ~ O. En effet, si, par absurde, y (x) < 0, alors
474
CH. IL PROBL"E:MES AUX LIMITES
elle doit présenter un minimum <0 dans l'intervalle [0, il et en ce point de minimum y" ~ 0 et m 2y < 0, ce qui contredit (58) pour :xt (x) ~ O. L'inégalité y (x) ~ résulte aussi de (61). Donc, y (x) ~ et cette fonction prend sa plus grande valeur en un point de l'intervalle [0, 1]. En ce point on doit avoir y" (x)~ 0€t de l'équation (58) il s'ensuit immédiatement que _m 2y (x) ~ ~ -n (x), d'où l'on déduit la majoration (62). Si n (x) < 0, en se servant de la formule (61) et du fait que la fonction de Green (60) est ~O, on obtient la majoration
°
°
1
1 y (x) 1~ ) G (x,
s)
1n
(s)
(63)
1 ds·
o
Le second membre de (63) est la solution de l'équation
:;~ - m 2 z =
1n (x) l,
-
qui satisfait les conditions aux limites (59). Or, on vient juste de montrer que la solution de cette équation est telle que z (x)~~ max
O~x~l
m
ln (x) 1.
Donc, en vertu de (63), on a à fortiori la majoration (62). Introduisons les erreurs l'h+l (x) et 1lh+l (x) suivantes: (' l'hh
(x) = u (x, t h +1 ) -
~
( ) _ au (x,
l
'Y\h+l
x -
U h +1
t) 1
iJt
t=t
h+1
(x) ;
(64)
_ u (x, th+l)-U (x, th) h '
==
oQù il est évident que î'o (x) O. En posant t = t k +1 dans l'équation (53) et en ajoutant membre à membre l'équation obtenue à (56), oQn trouve d 2 1'h+l (x) _
1'11+1 (x) -
'Vh (x)
h
dx2
+ "lit+! (x)
oQu 2
d Yh+1 (x)
dx 2
-
m 2î'/àl (x)
=
-m 2l'h (x) + 'Y\1t+l
(X )•
(65)
Si l'on admet que la fonction u (x, t) possède une dérivée par rapport à t continue pour t = 0, alors en appliquant la formule des accroissements finis à l'expression (64) pour 'Y\k+l (x), on conclut que l 'Y\k+l (x) 1 ~ T, où T ne dépend pas de k et de x et tend vers avec h. Posons Ôk = max 1 î'h (x) 1 pour x E [0, 1). En appliquant à l'équation (65) le lemme prouvé ci-dessus, on obtient Ôk+l ~ Ôk + kT. En sommant cette inégalité de k = à k = n - 1 et comme Ôo = 0,
°
°
II~3-7.
475
M:eTHODE DE FOURIER
on obtient ôn ~ nhl: = Tl:. Cette inégalité sera à fortiori réalisée si l'on somme de k = 0 à un k = m ~ n - 1, c'est-à-dire qu'on a u (x, tm) - u m (x) 1 ~ Tl:(m = 1, 2, ... , n - 1). (66) On voit donc que l'erreur l'm (x) tend vers 0 avec h. Pour prouver ce fait, on a admis l'existence de la solution u (x, t) du problème et que cette solution possédait une dérivée par rapport à t, continue pour t = O. Cette application de la méthode des différences finies est due à E. Rot h e et est exposée dans son travail Zweidimensionale paraboUche Randwertaufgaben als Grenzfall eindimensionaler Randwertaufgaben (Math. Ann., 1929, 102). Rothe considère dans son travail l'équation de forme plus générale 1
ou
02 u
o:r 2 -a (x, t) iJt= n (x, t, u),
à laquelle il applique cette méthode pour prouver l'existence d'une solution. Si l'on a affaire à des conditions aux limites non homogènes u Ix=o
=
<.ùl
(t);.
U IX=l
=
<.ù2
(t),
alors par la substitution v = u -
(1 - x)
<.ùl
(t) -
X<.ù 2
(t)
on ramène les conditions aux limites à des conditions homogènes. Cette substitution modifie le second membre n (x, t) mais pas le fond du problème. Cette méthode a permi~ d'étudier des équations paraboliques en dimension n aussi bien linéaires que quasi linéaires (cf. travail de O. Lad y j e n s k a ï a, Problème de Dirichlet pour équations paraboliques quasi linéaires. DAN SSSR, 1956, 107; Tr. Mosc. Math. Ob-va, 1958, 7, et son ouvrage Problèmes aux limites de physique mathématique, M., Naouka, 1972 (en russe). 11-3-7. Méthode de Fourier pour l'équation de la chaleur. On s'est servi de la méthode de Fourier pour résoudre les problèmes aux limites. On se propose de légitîmer cette méthode à l'aide de la théorie des équations intégrales. On se place en dimension trois et on cherche dans un domaine B de contour lIa solution de l'équation sans second membre (67) Ut U xx u llll = 0
satisfaisant les conditions suivantes: u
1t-o
= f
(P),
ail
= o.
P
E B;
(68) (69)
476
CH. II. PROBLEMES AUX LIMITES
La méthode de Fourier nous donne la solution formelle de ce problème sous la forme 00
~ ake-'Akt vk (P),
U (P ; t) =
(70)
k=l
OÙ Âk
et
Vk
(P) sont les valeurs et fonctions propres de l'équation
+
Av
0
Âv =
avec la condition aux limites
Il
V
et
ak
=
0
(71)
les coefficients de Fourier de la fonction f (P) :
iif
ak =
(72)
(P) v k (P) dS.
B
Supposons que la fonction f (P) est continue, possède des dérivées premières et secondes continues dans B et s'annule sur l. Sous ces conditions 00
f (P) =
2J
h=l
akv k
(73)
(P)
et cette série converge régulièrement dans B, c'est-à-dire que la série (74)
converge uniformément dans jj [II-2-34J. Comme 0 ~ e-'Akt ~ 1 pour t ~ 0, on affirme que la série (70) converge régulièrement si P E Jj et t ~ O. Donc, sa somme u (P, t) est une fonction continue de P et t si P E B-et t ~ O. De là il s'ensuit 00
Hm u (P ; t)
=
u (P ; 0) =
t-+O
~ akv h (P)
=
f (P),
k=l
c'est-à-dire que la fonction u (P; t) définie par la formule (70) satisfait la condition initiale (68). D'autre part, chaque fonction Vk (P) satisfait la condition aux limites (69), donc il en est de même de la fonction u (P; t) pour t ~ O. Il reste à s'assurer que u (P; t) possède à l'intérieur de B et pour t > 0 des dérivées Ut, U xx et U UlI continues et satisfait l'équation (67). Dérivons la série (70) terme à terme par rapport à t: 00
- k=l 2J ahÂhe -'A.'v k (P), .
(75)
II-3-7. MÉTHODE DE FOURIER
477
et soit a > 0 un nombre arbitrairement choisi. Etant donné que pour tous les k assez grands on a 0 < Âke-~ ha < 1 et que la série (74) converge uniformément, on peut affirmer que la série (75) converge régulièrement si P E lJ et t ~ a. On démontre de façon analogue que la série 00
lJ
akÂ'ke-Âktvk (P),
k=l
obtenue par une dérivation terme à terme de (75) par rapport à t, converge aussi régulièrement sous les conditions indiquées. De là il s'ensuit que u (P; t) possède des dérivées première et seconde par rapport à t continues pour t > 0 et P E jj et pour ces dérivées on a 00
Ut (P ; t)
=
h
-
akÂhe-Âhtvk (P) ;
k=l 00
Utt (P ; t) = ~ ahÂke-Âhtvk (P). k=l
Ce raisonnement est valable pour n'importe quelle dérivée de par rapport à t. Or
U
Vk(P)=Â k ) )G(P; Q)vk(Q)dS, .
B
où G (P; Q) est la fonction de Green pour l'opérateur de Laplace correspondant à la condition aux limites (71), donc la formule (76 1 ) peut se mettre sous la forme 00
udP; t) =
-
~
) ) ahÂke-Âk,tG
k=l
(P ; Q) v k (Q) dS.
B
La série (76 2) étant uniformément convergente dans B pour t > 0 on peut intervertir la sommation et l'intégration et l'on obtient udP; t)= - ) )G(P; Q)Utt(Q; t)dS,
(77)
B
et de façon analogue u(P; t)= - ) .\G(P; Q)udQ; t)dS.
(78)
B
La fonction Utt (Q; t) est continue dans Ë pour t > 0 et de (77) il s'ensuit que Ut (P; t) possède à l'intérieur de B pour t > 0 des dérivées premières par rapport à x et y continues. Par ailleurs, la formule (78) montre que u (P; t) possède dans B pour t > 0 des déri-
478
PROBL~MES
CH. II.
AUX LIMITES
vées du premier et du'second ordre continues et est solution de l'équation tJ.u (P; t) - Ut (P; t) = 0, ce que nous voulions.
II-3-S. Equation avec second membre. Considérons maintenant l'équation avec second membre Ut U xx u YlI = n (x, y; t) (79) avec les conditions aux limites et initiale homogènes lim u= 0; (80) t-+o
ulz=O.
(81)
Considérons lES coefficients de Fourier du second membre n (x, y; t) bk (t) =
~ ~ n (P ;
t) Vk (P) dS
(82)
B
et cherchons la solution du problème sous la forme 00
2J
u(P; t)=
(83)
Ck(t)Vk(P).
k=1
En portant u (P; t) dans l'équation (79) et comme L\Vk = -Â'kVht on obtient pour les coefficients Ck (t) l'équation différentielle Ck (t) = -ÂkCk (t) b k (t),
+
=
0, on obtient
(t') dt'.
(84)
d'où, compte tenu de (80), c'est-à-dire que Ck (0) t
Ch
(t)
=
J
e),k(t'-t>b,; (t')
dt' ,
o et en portant ceci dans (83), on trouve t
00
U
(P ; t) = ~
Vk
(P) )
. k=O
e'J..kw-t)b k
0
Montrons que cette formule nous donne bien la solution sous les conditions suivantes sur le second membre: n (P; t) possède dans B pour t ~ 0 des dérivées premières par rapport à x et y continues et les séries 00
~ bk (t) v k (P);
k=1
00
~ bk (t)
h=\
00
ÂkV k
(P) ;
LJ
k=1
bk (t) Â~Vk (P)
(85)
convergent régulièrement si P E B et t E [0, TI. La première des séries (85) étant régulièrement convergente et 0 ~ éMt'-t) ~ 1 pour
47~
II-3-S. EQUATION AVEC SECOND MEMBRE
t' E [0, tl, on peut affirmer que la série du second membre de (84) converge uniformément sous les conditions imposées à P et t. Sa somme u (P; t) est une fonction continue de P et de t pour P E B et t E [0, Tl. La forme du second membre nous montre que u (P; t} vérifie les conditions (80) et (81). Il reste à vérifier que la fonction u (P; t) définie par la formule (84) possède dans B pour t > les dérivées requises continues et satisfait l'équation (79). Une dérivation de la série de la formule (84) terme à terme par rapport à t nous donne
°
00
t
00
~ bk (t) v k (P) - ~ k=l
ÂhV k
(P) ~ i'kW-t)b k (t') dt'.
h=l
0
La deuxième série (85) étant régulièrement convergente, la sé00
rie
2i
ÂhVh
(P) converge uniformément pour P
EÏ3 et tE [0, Tl. La
k=l 00
somme de la série
2i
h=l
bk (t) vh (P) est égal~ à .il (P ; t), car cette
série converge régulièrement par hypothèse (tome IV l , [1-31]) .. Donc t
00
Ut
(P ; t) =:Tt (P; t) - ~ v h (P) Â h ~ i'kW-t)b k (t') dt',
(86)
0
k=l
Ut (P; t) est continue pour P E B et t E [0, Tl. En remplaçant P par Q dans cette formule, en multipliant ses deux membres par G (P; Q) et en intégrant sur B, on obtient, compte tenu de l'équation intégrale pour Vk (P) :
où
JJG(P; Q)u,(Q; t)dS= B t
00
= SSG (P ; Q) n (Q ; t) dS - 2} B
.
k=l
v k (P) ~ e"'kW-t)b k (t'>.dt', 0
la somme de la dernière série étant égale à u (P; t). Donc u (P ; t) =
- ~ ~ G (P ; Q) ut{Q ; t) dS + ~ ~ G (P ; Q) n (Q ; t) dS. B
B
(87) Comme :Tt (Q; t) possède dans B des dérivées continues, il vient que la dernière intégrale possède des dérivées premières et secondes par rapport à x et y continues dans B et l'opérateur de Laplace de cette intégrale est égal à -:Tt (Q; t).
480
CH. II. PROBLE:MES AUX LIMITES
Mettons maintenant à profit la convergence régulière de la troisième série (85) pour prouver que u (P; t) possède dans B des dérivées premières et secondes continues et satisfait l'équation (79). Posons t
00
w(P; t)= -Ut(P; t)+n(P; t)= ~ Vk(P)Âk~i·k(t'-t)bk(t')dt'. k=l
. 0
La troisième série (85) étant régulièrement convergente, on peut dériver terme à terme par rapport à t la série uniformément convergente ci-dessus: 00
00
Wt (P: t) = ~
(t)
Âhb k
Uk
(P) - ~
k=l
Uk
(P) Â~ ~ i'k(t'-t)b k (t') dt', 0
k=l
les séries intervenant dans cette formule étant uniformément convergentes. En remplaçant P par Q dans la dernière formule, en multipliant ses deux membres par G (P; Q), en intégrant par rapport à Q et en tenant compte de l'équation intégrale pour Uk (P), on ~btient
5~ G (P: Q) wdQ; t) dB = B 00
t
00
= ~ bk (t) U k (P) - ~ U k (P) k=l
k=l
Âk
~ eJokW-t)bk (t') dt', 0
donc, en vertu de (86), il vient
ut< P
; t)
= ) ~ G (P ; Q) wt{ Q ; t) dS, B
d'où il s'ensuit que Ut (P ; Q) possède dans B des dérivées premières continues. La formule (87) montre que U (P; t) possède dans B des dérivées premières et secondes continues et satisfait l'équation !1u (P; t) -
Ut (P; t)
= n (P; t),
ce qui prouve la formule (84). Si l'on ne considère que les solutions distributionnelles de l'équation (79), on peut légitimer cette formule pour des conditions moins astreignantes sur le second membre. Rappelons la définition d'une solution distributionnelle de l'équation (79). Soient D le cylindre mentionné dans [11-3-11, DT la partie de ce dernier limitée supérieurement par le plan t = T. On dit qu'une fonction u (P; t) est une solution distributionnelle de l'équation (79) si toute fonction (J (P; t) possédant dans DT des dérivées premières et secondes continues et
481
II-3-9. SOLUTIONS DE L'11:QUATION DE LA CHALEUR
s'annulant dans un voisinage de BD T est justiciable de la formule
~ ~ ~U(Œxx+ Œyy+Œt)dxdydt= DT
-
J'.\ InŒdxdydt.
(88)
DT
On se bornera à étudier les solutions distributionnelles de la classe C (D T). Supposons que la première série (85) converge régulièrement si P Effet t E [0, Tl. Alors la somme de cette série est égale à n (P; t) et nous avons vu plus haut que la série (84) converge uniformément, de sorte que U E C (D~). Désignons par nn (P; t) la somme partielle de la première série (85) : n
nn (P ; t)
= ~ bk (t) Vh (P), k=1
et par Un (P; t), la somme partielle de la série (84): n
Un (P ; t) = ~ h=l
t Vh
(P) ~ e?-"k
La fonction Un (P; t) est solution de l'équation (79) avec au second membre. On peut donc écrire .\) &\Un(Œxx+Œyy+Œt)dxdYdt= DT
rt n (P; t)
-~ ~ ~TCn(JdxdYdt. DT
En passant à la limite pour n --+ 00 et en tenant compte de ce que rt n (P ; t) --+ TC (P ; t) et Un (P; t) --+ U (P ; t) uniformément dans DT' on obtient (88), c'est-à-dire que la fonction U (P; t) définie par la formule (84) est une solution distributionnelle de l'équation (79). On voit de même que cette somme satisfait les conditions (80) et (81). Si l'on se sert du fait qu'une solution distributionnelle continue de l'équation de la chaleur sans second membre est une solution classique de cette équation [1-2-33] et du théorème d'unicité de la solution du problème aux limites pour l'équation de la chaleur, alors exactement comme pour l'équation de Poisson, on peut montrer que la solution distributionnelle de l'équation avec second membre (79) qui vérifie des conditions aux limites et initiales données est unique. 11-3-9. Propriétés des solutions de l'équation de la chaleur. Considérons l'équation (89) Ut - Uxx = O. Supposons qu'on connaisse une solution U (x, t) de cette équation possédant des dérivées Ux et Ut continues en un point M et en son voisinage. De l'équation (89), il s'ensuit alors que la dérivée Ux:Jt est continue. 31-01017
482
CH. II.
PROB~MES
AUX LIMITES
Comprenons le point M dans un rectangle ABCD assez petit de côtés parallèles aux axes (fig. 15) de sorte que la solution u (x, t) y existe. Plaçons l'origine des coordonnées en A et soit lIa longueur de AB. Désignons par Cùl (t) et Cù2 (t) les valeurs de la solution u sur les côtés AD et BC et par f (x) ses valeurs sur AB. Traitons d'abord le cas où f (x) O. En vertu de la formule (17) on peut mettre la solution u (x, t) sous la forme
==
t
U
(x, t) =
xZ
cp Ct) xe j 2a V n (t-T)3/2 \
4a Z(t--r)
d't +
o
t
-+ \
J
(x-OZ
.'P (T)
2a V n (t-T)
(x -1) e-
4a 2(t--r)
d't,
(90)
où les fonctions continues cp ('t) et 1P ('t) se déterminent à partir des équations intégrales (18). A noter que l'équation (89) est justiciable du théorème d'unicité. y Prenons un point (x o' Yo) intérieur à ABCD. Considérons par exemple la première intégrale [) C (90). Si l'on y remplace X o par x' +x "i, où x' est assez proche de X o et x" assez proche de 0, alors Re (x' + x"i)2 > 0, d'où il s'ensuit que l'intégrale considérée converge uniformément sur l'intervalle [0, t] par rapport au A B x paramètre x = x' + x "i pour tous les x complexes assez proches de X o et, d'autre part, l'intégrant de cette intégrale est une fonction F1Og • 15 entière de x pour 't E [0, tL De là il résulte que cette intégrale est une fonction holomorphe de x au voisinage de tout point (x, t) intérieur à ABCD (tome 111 2 , [I1I-16]) et en particulier du point M. On peut en dire autant de la deuxième intégrale de la formule (90). Donc, les solutions de l'équation (89) sont des fonctions analytiques de x.
Cette assertion est mise en défaut pour la variable t. En effet, si toute solution u (x, t) de l'équation (89) était une fonction analytique de t, alors les valeurs de u (x, t) sur toute droite d parallèle à l'axe des t et appartenant à la demi-bande de la figure 15 seraient entièrement définies, en vertu du principe du prolongement analytique, par les valeurs que u (x, t) prend sur le segment de d compris dans ABCD. Or ceci est impossible, car les valeurs de u (x, t) dépendent manifestement du procédé qui a servi à prolonger les fonctions 001 (t) et Cù2 (t) données initialement seulement sur les segments AD et BC des droites x = 0 et x = 1. Jusqu'ici on a supposé que f (xo) 0 sur ]0, lL Si f (xo) =;É 0 on peut prolonger cette fonction à un intervalle [a, b] plus large de
==
II-3-9. SOLUTIONS DE V:eQUATION DE LA CHALEUR
483
sorte qu'elle soit nulle en a et b et ensuite la prolonger par 0 au delà de cet intervalle. Composons la différence (~-X)I
b
U-
1
\
2 V nt.
f (~) e-
. 4t
ds.
a
Cette différence est nulle sur le segment AB et elle est justiciable des raisonnements ci-dessus. Il reste à considérer la solution ua (x, t) = 2 ~ nt
(~-X)I
b
Jf (~)
e-
4t
ds.
a
En appliquant le théorème relatif à une intégrale dépendant d'un paramètre (tome II1 2 , [III-16J), on voit que Ua (x, t) sera une fonction régulière de (x, t) au voisinage de tout point situé au-dessus de l'axe t = 0, c'est-à-dire pour t > O. Signalons encore que la formule (90) nous dit que la fonction U possède des dérivées de tout ordre par rapport à t pour x E JO, ZL Il est possible de majorer les dérivées de la solution de l'équation (89) par rapport à t. Supposons que U (x, t) est analytique en x, possède des dérivées de tout ordre par rapport à t au voisinage de x = t = 0 et est impaire en x. On a alors le développement de Maclaurin U
=
t x + 3! x
U1 ( )
Us
(t)
3
+ . . • + (2n U2n+l (t) 2n+1 + + 1)! X •• • ,
(91)
où (n=O, 1,2, ... ).
L'équation (89) nous permet d'écrire U 2n +I
(t)
=
an ( au ) atn ax x=o
=
dnUl (t) dt n •
(92)
Si p > 0 est strictement inférieur au rayon de convergence de la série (91), alors on a l'inégalité (tome 111 2 , [IV-3D u2n+1 (t)
1(2n+ 1)1
1
~
M pn ,
où M > 0 est un nombre arbitraire. De (92) on déduit la majoration suivante pour les dérivées de Ul (t) : dnul (t) I:s:::: M (2n + 1) ! pn • 1 dtn -...;:::: Cette majoration n'assure pas l'analyticité de la fonction Ut (t). Si nous avions la majoration plus forte dnUl (t) I:s:::: M·nl 1 dt n -...;:::: pn , 81*
484
CH. II. PROBLi!.:MES AUX LIMITES
alors la série de Maclaurin de la fonction U1 (t) aurait été convergente et cette fonction, régulière au voisinage de l'origine. II-3-10. Potentiels de simple et de double couche généralisés en dimension un. Au [11-3-2] nous avons résolu un problème aux limites pour l'équation (5) dans une demi-bande limitée inférieurement par la caractéristique t = 0 et latéralement t par les droites x = 0 et x = l. Considérons maintenant un domaine du plan (x, t), limité inférieurement par la caractéristique t = b et latéralement par les courbes li d'équations (fig. 16) 4 1
b'\
x = 0'1 (t) ;
o
x = 0'2 (t) [0'1 (t)
<
0'2
(t)], (93)
:c
les fonctions ai (t) possédant des dérivées continues pour t ~ b. Pour résoudre le problème posé dans un tel domaine, il nous faut construire les potentiels généralisés de simple et de double couche qui se transforment pour ai (t) = const en les potentiels indiqués dans [11-3-2]. Ces potentiels généralisés sont de la forme Fig. 16
t
ui (x, t) =
1
2a -V 3t
r
Icri(t')-X!·
t
v. (x t) = l'
2a
1 r 1I'i (t') -V 3t J (t-t')3/2
(94)
[x- 0' (t')] e
!.iat(t-t')
i
dt'
,
(95)
b
"'i
où
(t'
< t o<
t),
d'où résulte la convergence de l'intégrale (95). L'intégrale de (94) prise entre t - ô et t tend vers 0 avec ô pour tout point (x, t), d'où il s'ensuit immédiatement que Ui (x, t) est continue sur li. L'intégrale de (95) admet des limites différentes
II-3-iO. POTENTIELS DE SIMPLE ET DE DOUBLE COUCHE
lorsque (x, t)
~
485
(X O' to) E li:
Hm
Vt
(x. O-(Xo,
t o)
(x, t)
= + 'Pi (to) + Vi (xo, t o),
(96)
où Vi (x o' to) est la valeur prise par l'intégrale de (95) au point (x o, to), le signe (resp. -) correspondant au cas où (x, t) ~ (x o' to) à droite (resp. à gauche) de li' Si ai (t) = const, il est alors évident que Vi (x o, to) = 0 et l'on obtient le résultat de [11-3-2]. On omettra d'écrire l'indice i lors de la démonstration de la formule (96). Considérons la formule (95) pour 'P (t') = t :
+
t
V
(x t)
0'
=
r 2a -Vn .1 (t 1
la(t')-xf2
1 [x - a (t')] et' )312
2
4a (t-t')
dt'
(97)
b
et la fone tion W o(x,
t)
=
~ I
1
2a -vn
b
-2a' (t') --===="-e-vt- t'
la(t')-xI 4a 2 (t-I')
2
dt'.
(98)
La substi tution x- a (t')
z----:.........:........... -
2a -vt-t' ,
nous donne V
o (x, t) + W o (x, t) =
±oo
J'ii
~
e- z2 dz,
(99)
x-a(b)
2a V t-b
+
la borne superIeure étant prise avec le signe (resp. -) si x - a (t) > 0 (resp. <0). Si le point (x o, to) E l, c'est-à-dire x o - a (t o) = 0, alors o V o (x o, to) + W o (x o' to) = _2_ ~ e- z2 dz. (tOO)
-vn
Xo-G (b)
2 Vto-b
De la définition de Wo (x, t), il s'ensuit immédiatement comme plus haut que Wo (x, t) est continue sur l. De (99) il résulte Hm
[vo (x, t)
(x, t)-+(xo, 10)
+ W o (x,
....
±oo
t)] = _;JI
n
r J
e- Z2 dz ,
xo- a (b)
2a Vt o-b
et en:soustrayant terme à terme la formule (tOO) de la dernière formule, on obtient ±oo
Hm (x, t)-(xo, to)
V o (x,
t)
= va (x o, to) +
_;:;;J~ ~r eli
z2
dz,
486
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
c'est-à-dire que
Hm (x, t) .... (xo, to)
V o (x,
t)" =
V o (x o'
to)
+ 1,
==
ce qui n'est autre que la formule (96) pour 'li' (t') 1. Passons au cas général. Mettons v (x, t) sous la forme V
(x, t) =
20
~n
t
)
,
['li' (t') - 'li' (to)} ~t=~'\~!2 e-
2
[a (t')-x]2
4a (1-1')
dt' +
b 1
+ 2a'i' (to) y n Jr (t-t'1
[x- cr (t')) e
[0' (t')-x]2 4a 2 (1-1')
)3/2
dt'
(101) •
b
Exactement comme au [11-2-2], il suffit de montrer que le premier terme reste continu lorsque le point (x, t) traverse l en (x o, to). Soit e > 0 un nombre donné. Choisissons Ô > 0 assez petit pour que l 'li' (t') - 'li' (to) 1 ~ e pour 1 t' - t o 1 ~ ô, et partageons l'intervalle d'intégration [b, t) en deux parties lb, t o - ô] et [to - ô, t). La fonction exprimée par l'intégrale étendue au premier de ces intervalles est continue en (x o' t o)' il suffit donc de montrer que l'intégrale .
est assez petite quel que soit (x, t) assez proche de (x o, to) ou confondu avec lui. Le module de cette intégrale est ~ à
rJt
e 2a vrn
,
lx-a (t )1 e -
[0'(t')-x]2 4a 2 (1-1')
(t- t')3/2
dt' •
to-6
Supposons que la différence x - cr (t') change de signe k fois au plus, où k > 0 est un entier bien défini, pour t' E [to - Ô, t] et quelle que soit la position du point (x, t) dans un voisinage de (x o' to). Sous ces conditions l'intégrale t
~
lx-a
(t') 1
(t- t')3J2
e
-
[0' {t')-x]2 4a2 (t-I')
dt'
10- 6
se représente par la somme de k intégrales au plus de la forme [0' (t')-x]2
x-a (t') (t- t')3/2
e
4a 2 (t-t')
dt'
487
II-3-10. POTENTIELS DE SIMPLE ET DE DOUBLE COUCHE
qUi diffèrent des intégrales x - a (li+l) 2a Vl - li+1
~
+ 4a
x-a
e- z2 dz
par la quantité
(li)
2a Vi-t.l
-2cr' (t') ---==:::-'- e l/ t - t'
[a (l')-x]2 4a 2 (l-l')
dt' ,
qui est ::::;;; en module à une certaine constante. Donc, l'intégrale étudiée reste bornée lorsque le point (x, t) se trouve dans un voisinage de (x o, t o). Cette intégrale est multipliée par 8, donc la démonstration du fait que le premier terme du second membre de la formule (101) est continu lorsque le point (x, t) traverse l en (x o' t o) s'achève exactement comme au [II-2-2]. En se servant des potentiels mentionnés plus haut, on peut ramener le problème aux limites pour le domaine de la figure 16 à une équation intégrale comme on l'a fait au (11-3-2]. Supposons que les conditions sont les suivantes: u = 0 sur la caractéristique t = b et u = Wi (t) sur li. On cherchera la solution sous la forme 2
t) u ( x"
=
1
~
2ayn L.J
t
Jr
[ai (t')-xJ2
'\Ji
(t')
(t-t')3/2
[x - al' (t')] e
4a 2 (l-l')
dt'.
(102)
i=1 b
Sous ces conditions, quelle que soit 'Pi (t'), l'équation (5) est satisfaite avec la condition aux limites supportée par la caractéristique t = b; quant aux conditions aux limites supportées par li' elles nous donnent le système d'équations intégrales de Volterra suivant pour 'Pi (t):
(103)
-ai(t')]e
488
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
COllsidérons les intégrales de la première équation t
r (t'\JI (t') t')3/2
J
[al
[a (t)-a (t')] 1
e-
(t')-al (t)J2 4a 2 (t-t')
1
dt' ,
(104)
dt' .
(105)
b
t
r '\J2 (t') J (t-t')3/2
[a2 (t')-al (t)J2 4a 2 (t- t')
[al (t) -a2 (t')] e
b
Dans l'intégrale (104), la singularité pour t' = t est affaiblie par le numérateur durapport (JI
(t) - (JI (t') (t-t')3/2
exactement comme nous l'avons signalé plus haut. Dans la deuxième intégrale, l'exposant de e tend vers - 0 0 pour t' -+ t et ceci fait entièrement disparaître la singularité. On étudie de façon analogue les intégrales de la deuxième équation (103). Donc, le système (103) possède une solution unique et peut être résolu par la méthode des approximations successives. On peut chercher la solution du problème aux limites posé ci-dessus sous la forme d'une somme de deux potentiels de simple couche: t
2
u (x, t)=
, [[a j(t')-x]2
r
1 _ ~ 2a 1" n
Jb y t -
j=l
(106)
t'
On est conduit ainsi au système d'équations intégrales de première espèce
(01
1
(t)=
1 r- ~ 2a l' n .
l
l l -1
J=l
{
1
t
2
(
b
=
1 r- ~ 2a JI n .
b
J=l
Multiplions les deux membres par t = y:
(y -
(
2
1 { 1
l
ft
(y)= 2
-~ 1=1
b
2
1
2a
l'
n .
e-
t)-1/2
l l
~- ~
an.
J=l
f2(y)=
e
t
2
(02 (t)
yt-t'
[a j (t')-al (t)]2 4a 2 (t-t') dt' ,
(107)
[a j (t')-a2 (t)]2 4a 2 (t-t') dt' •
et intégrons sur
t
entre
t
=
b et
Y
CPj (t')
K lj (t', y) dt',
b
(10S)
y
cpj(t')K 2j (t', y)dt',
48~
II-3-10. POTENTIELS DE SIMPLE ET DE DOUBLE COUCHE
où
(
I {
li (y) =
r~
(t) dt, V"y-t roi
y
l
1
j t' V"(y-t)(t-t')
1 Ki·(t',y)= J
(109)
[a. (t')-a. (t»)2
-
J
e
l
4.a 2 (t-t')
dt ,
au second membre on a modifié l'ordre d'intégration puis on s'est servi de Il\' formule de Dirichlet (tome II [11-3-2]). Le système (108) est équivalent aa système (107) (tome II, [111-3-2]). On a de toute évidence [a j (t')-a i (t)]2 4a 2 (t-t')
Hm e
_{O - 1
t-t'+O
pour i=l=i, pour i=j,
et compte tenu de la formule (tome II, [III-2-11]) y
\ t
J
dt l/(y-t) (t-t')
=n,
on trouve K 12 (y, y) = K 2! (y, y) = O.
Ku (y, y) = K 22 (y, y) = n;
(t)
Dérivons le système (108) par rapport à y en admettant que roi possède des dérivées continues, donc que les fonctions li (y) admettent aussi des dérivées continues (tome II, [111-3-3]) (
1
J' -
JI2an cp! ()+ f '() 1 Y = y
{
l
1
2
~ ~ L.J 2a JI n j=1
_
2
f~ (y)= ~: CP2 (y) + 2a: it ~ i
jY
·(t')
aK
IO 't' J
(t'
)
1jay: Y dt'·,
b Y
!
j CPj (t') aK j i;" 2
j=1 b
(110)
1
y) dt'.
.
Pour calculer les dérivées, mettons K ij (t', y) sous la forme
j ey
Kij(t', y)=
[aj(t')-ai(t)]2 4a 2 (t-t')
[.
(t-t')J ,-1 .
arcsin 2 _
d
y
t
t'
Une intégration par parties et une dérivation par rapport à y nous donney
àKij(t', y) _ _ 2 \ 1 ay (y- t') t J V"ty- t) (t- t')
e-
[aj(t')-a i (t)]2 4a 2 (t-t')
X { [a i (t)- a j (t')] ai (t) - [a j
X
~'lt-=-~!/t)F} dt.
Pour i =F j, la convergence de l'intégrale pour t = t'est assurée par la fonctioD exponentielle et pour i = j la fraction entre accolades ne présente pas de singularité et l'expression entre accolades tend vers 0 comme t - t'. En tenant
490
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
compte de tout cela et en effectuant des majorations élémentaires sur la fonction -à intégrer pour i =1= j et i = j, on s'assure sans peine que ces intégrales sont majorées par la fonction 11
C
r
~ dt
J ~/ y- t
,
t' •
·oÙ C est une constante. De là il vient que oKij(t', yl_Lij(t', y) oy - -{y-t' ,
·où Lu (t', y) sont des fonctions continues de (t', y) et on peut appliquer la méthode des approximations successives au système (110) (tome IVI , [1-50]). 11-3-11. Fonctions suh- et superparaholiques. Pour résoudre le problème aux limites de l'équation de la chaleur, on peut appliquer une méthode analogue .à celle des fonctions supérieures et inférieures qui a été développée au [II-2-26]. -On considère dans le plan (x, t) un domaine B limité supérieurement et inférieurement par les caractéristiques t = 0 et t = b et latéralement par des courbes définies par les équations (93). Pour l'instant nous n'imposerons aucune condition aux fonctions (Ji (t) sauf qu'elles doivent être des fonctions continues et (JI (t) < -< (J2 (t). Pour définir les fonctions suh- et superparaholiques, nous devons choisir un domaine fondamental pour lequel on aura à résoudre le problème aux limites pour l'équation Ut -
U xx
=
0
(111)
·avec des conditions aux limites continues quelconques. Pour l'équation de Laplace, ce domaine était un disque. Pour l'équation (111), on choisira par exemple un triangle équilatéral ~ dont la base sera parallèle à l'axe t = 0 et les côtés Jatéraux orientés vers les t croissants. La solution u (x, t) du problème aux limites pour le triangle ~ peut être obtenue par la méthode développée au [II-3-10] et ,cette solution est unique. Cette solution atteint ses valeurs maximale et minimale sur les côtés de ~ (tome II, [VII~4-7]). Une fonction cp (M) = cp (x, t) continue ,dans un domaine fermé B s'appelle subparabolique si en tout point Mo E Belle prend une valeur cp (Mo) ~ à la valeur prise en ce point par la solution de l'équa-tion (111) pour un triangle ~ assez petit contenant Mo à l'intérieur, qui est con,fondue avec cp (M) sur les côtés de ~. La fonction superparabolique 'l' (M) = = 'l' (x, t) se définit de façon analogue sauf que 'l' (Mo) doit être> aux valeurs ·des solutions de l'équation (111) dans ~. Le minimum d'une fonction superparabolique et le maximum d'une fonction subparabolique sont réalisés sur la 'frontière de B. Il est immédiat de voir que si 'l' (x, t) possède dans B des dérivées 'l't, 'l'x, 'l'xx ·continues et 'l't - 'l'xx> 0 dans B, alors'\jJ (x, t) est une fonction superparabolique. En effet, soit u une fonction satisfaisant l'équation (111) et confondue avec 'l' sur les côtés de ~. La différence w = 'l' - u est alors nulle sur les côtés de ~ et .Wt W xx > 0 dans ~. Mais la fonction W doit prendre sa valeur minimale sur la -frontière de ~ [II-3-1], frontière sur laquelle elle est nulle, c'est-à-dire que W > 0 ·dans ~, c'est-à-dire que 'l' > u dans ~, c.q.f.d. De façon analogue, si CPt - CPxx ~ 0 dans B, alors la fonction cP est sub'parabolique. Toute solution de l'équation (111) est à la fois sub- et superparaboli·que. Exactement comme au [11-2-25] on peut démontrer que si h (M), ... , lm (AI) .sont des fonctions superparaboliques, alors il en est de même de 'l' (M) = = min [h (M), ••• , lm (M)]. Désignons par 113 (M) la fonction confondue avec .J (M) en dehors du triangle ~ et sur ses côtés et égale à l'intérieur de ~ à la solu.tion de l'équation (111) prenant sur les côtés de ~ les mêmes valeurs que 1 (M).
II-3-12. ÉQUATIONS PARABOLIQUES GÉNÉRALES
491
Comme au [II-2-25] on peut démontrer que si 1 (Al) est une fonction superparabolique, alors il en est de même de lB (M), et de plus 1(3 (M) ::Ç f (M) dans B. Les valeurs frontières sont données sur la base inférieure t = 0 et sur les côtés latéraux li' Désignons cette partie du contour de B par l'. Les fonctions supérieures et inférieures se définissent comme pour l'équation de Laplace. En particulier, on appelle fonction supérieure une fonction superparabolique qui prend sur l' des valeurs ;> a'UX valeurs frontières données. On définit ensuite dans B une fonction u (x, t) dont la valeur en chaque point M de B est la borne inférieure des valeurs de toutes les fonctions supérieures en M. On démontre que cette fonction satisfait l'équation (111) [II-2-26]. Cette fonction est solution distributionnelle du problème aux limites posé ci-dessus pour l'équation (111). Le comportement de la fonction u (x, t) au voisinage de l' est étudié dans le travail de 1. P é t r 0 vs k i, Sur le problème aux limites de Dirichlet pour l'équation de la chaleur (Comp. Math. 1935, 1, no 3).
11-3-12. Equations paraboliques générales. Inégalité énergétique. L'équation de la chaleur étudiée dans les numéros précédents est le représentant le plus simple des équations paraboliques. La forme canonique des équations paraboliques à coefficients variables est n
Ut -
2J
i,k=l
n
aik
(x, t)
Ux.x
1
li
+ i=1 ~ bdx, t)
UX
' l
+ c (x,
t) U =
f (x,
t),
(112)
n
aik =
aki
et la forme quadratique i,
2Jk=l
aik
(x, t) ~i~k doit être
définie positive dans le domaine D de variation' des variables (x, t), x = (Xl' • • . , x n ). Les variables Xi s'appellent' variables spatiales, la variable t, temps. Le problème de Cauchy et les divers problèmes aux limites pour t > 0 *) sont bien posés pour de telles équations. Le problème de Cauchy pour l'équation (112) consiste à trouver les solutions U (x, t) de l'équation (112) dans le demi-espace TI+ =
{(x, t): xERn,
t~to}
vérifiant la condition initiale U 1t= to = cp (x). Les problèmes aux limites avec conditions initiales dans un domaine B de l'espace Rn consistent à trouver les solutions de l'équation (112) dans un domaine cylindrique D = B X ]to, T[ de l'espace Rn +1 = Rn X RI (c' est-àdire pour x E B, t E ]to, T[) vérifiant la condition initiale U
(x, t) 1t= tl}
=
cp (x),
x E B,
et l'une des trois conditions aux limites classiques: la condition de Dirichlet U (x, t) lx ES = 'lJ' (x, t), t E [t o, Tl, *) Le cas où la première somme de l'équation (112) est précédée du signe se ramène à celui que l'on traite par la substitution 't' = -ta
+
PROBL~ES
CH. II.
492
AUX LIMITES
la condition de Neumann n
P(u(x, t»lxES== LJ ~ aik(x, t) aua(x, Xk
t)
cos (n, Xi)/xES='1'(X, t),
i, k=l
et la condition mixte (P (u (x, t)) + cr (x, t) u (x, t» 1xE S = '1' (x, t) , t E [t 0' T] . S est la frontière du domaine B ; n, le vecteur unitaire de la normale extérieure à S; çp', '1' et cr des fonctions connues définies sur B, S X [t o, T) et S X [t o, Tl respectivement. Dans les numéros précédents de ce paragraphe, on a étudié le problème de Cauchy et le problème de Dirichlet (ce dernier dans une position plus générale dans laquelle la frontière du domaine B variait avec t) pour l'équation de la chaleur. Ces études ont été généralisées aux équations (112) ainsi qu'à une vaste classe de systèmes d'équations paraboliques. Pour faire le point en théorie des équations et systèmes d'équations paraboliques, on peut consul ter les monographies de O. Lad y zen s k a ï a, V. Solon n i k 0 v, N. U rai c e v a, Linear and quasilinear equations ot parabolie type, AMS Providence, 1968 et S. E ide 1 m a n, Systèmes paraboliques, M.; Naouka, 1964 (en russe) ainsi que les travaux de V. Solon n i k 0 v, Sur les problèmes aux limites pour les systèmes d'équations différentielles paraboliques linéaires générales (Tr. MIAN SSSR, 1965, 83) et autres. Nous exposons ici quelques résultats seulement établis par O. Ladyjenskaïa au début des années 50. Commençons par la déduction de l'inégalité énergétique pour le problème de Dirichlet-Cauchy. De cette inégalité il s'ensuivra que le problème est bien posé. Au lieu de (112) considérons l'équa tion M (u) =
a
Ut, -
.
aXi (ai1~ (x, t) U Xk )
+ bi (x,
t)
U Xi
+ e (x,
t) u = f (x, t),
(113) où la sommation est étendue de 1 à n sur les indices qui se répètent. Si aik (x, t) sont dérivables par rapport à Xh alors l'équation (113) peut être mise sous la forme (112) et réciproquement. On retiendra la forme (113), car elle sert mieux nos objectifs. Supposons que l'équation (113) est donnée dans un domaine DT = B X )0, T[ c ' c: Rn +1, et que ses coefficients satisfont dans DT les conditions n 'V
n
~ ~~~ai1~
(x,
i=1
. 1
t) ~i~k ~ ~ 2J ~L i=l
aaik (x, t) 1 ~
aXk
-.. .;::: I-tl'
(114), "
(115)
n
(~ bÏ (x, t») 1/2 ,le (x, t) 1~1-t2' i=1
(116)
II-3-12. :E:QUATIONS PARABOLIQUES G:E:N:E:RALES
°
493
°
où v > 0, ~ > et ~i > sont des constantes arbitraires. Supposons que u (x, t) satisfait (dans DT) l'équation (113) et les conditions initiale et aux limites u 1t= 0 = cp (x) (117) et U IST = 0, ST = S X [0, Tl. (118) Point n'est besoin de supposer dans la suite que la fonction u (x, t) est régulière, il suffit simplement d'exiger qu'elle appartienne à la classe L 2 (D T) avec ses dérivées distributionnelles Uh U Xi et u xixh ' Ces fonctions satisfont les conditions (117), (118) (voir à ce propos tome V [chap. IV]) et elles sont justiciables de tous les raisonnements effectués plus bas. L'équation (113) est vérifiée par de telles fonctions~ pour presque tous (au sens de la mesure de Lebesgue) les points (x, t) de DT' S'agissant des fonctions f (x, t) et cp (x), il suffit de supposer que 1 E L 2 (D T) et cp E L 2 (B). Les dérivées f)aa:~ peuvent être aussi supposées distributionnelles et de plus les con~tantes ~ et ~1 n'interviendront pas dans les majorations effectuées plus bas. Le lecteur non initié à la théorie des dérivées distributionnelles peut admettre que toutes les dérivées intervenant dans nos raisonnements sont continues dans 15T' De (113) il s'ensuit )
J.l,f
(u) u dx =
B(t)
)
lu dx,
(119)
B(t)
où B est la section du domaine D par le plan t = t 1 • Une intégration par parties et la condition (118) nous permettent d'écrire le premier membre de (119) sous la forme (t 1 )
-} :t ) u2dx + ) (aihuXhuXi + biuXilf+ cu 2) dx. B(t)
(120)
B(t)
Portons cette expression dans (119) et en utilisant les conditions (114), (115) et (116) effectuons les majorations suivantes:
~ td~ )
u 2dx+ v )
B(t)
u~ dx~ -
B(t)
+)
B(t)
lu dx ~ ( )
B (t)
~ ui i dx) 1/2
(
n
()
~ b~U2 dx) 1/2 +
B (t) i=1
J U2dx + ( J j2 dx) U2 dx ) ~ J U~ dx ) j U2dx) 1/2 + ~2 j U2dx + 1/2 (
B (t)
~ fl2
n
B (t) i=1
+ ~2
) (b i u XiU+cu 2) dx+
B (t)
)
1/2
B (t)
1/2 (
B (1)
B (t)
B (t)
494
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
+( l
12 dx) 1/2
l
(
B(t)
U
2
dx)
1/2
~~
l u~ +; l 1
dx +
B(t)
B(t)
l
+ ( ~~ + ~2 + ~)
U
2
dx
2
B(t)
dx.
(121)
B(t)
On s'est servi de l'inégalité de Cauchy-Bouniakovski et de l'inégalité de Cauchy sous la forme labj ~ ~ a2 2~ b2, et l'on a posé
+
n
u~
=
~ u~ .. De (121), il s'ensuit
i=1
l
:t
~
u 2 dx+v
B(t) 2
OÙ
Cl = /l2 'V
~ uidx~Cl ~ B(t)
+ 2~2 + 1.
~ 12 dx,
u 2 dx+
B(t)
(122)
B(t)
Utilisons maintenant le lemme de [1-2-27].
Eliminons à cet effet le terme v ~ nous dit alors que pour w (t)
=
l
ui dx
de (122). Ce lemme
B(t)
u 2 dx on a la majoration
B(t)
l
t
u
2
dx~eClt ~
B (t)
2
u dx+
~ eCdt -1:)d't ~ 12 (x, 0
B(O)
B
't) dx==. y (t).
(1:)
En portant ceci dans (122), on obtient
:t l B(t)
u 2 dx + v
l
u~ dx~ C1y (t) +
B(t)
J j2 dx. B(t)
Soit Dt = B X ]0, tl. Intégrons l'inégalité (123) sur t entre Des calculs et majorations élémentaires nous donnent
) u 2 dx+v ~ u~dxdt~eClt[) qJ2dx+) j2dxdt], B (t)
Dt
B
(123)
°et t.
tElO, Tl.
Dt
(124) Ceci n'est autre que l'inégalité énergétique pour les solutions u du problème (113), (117), (118). Si u est une solution distributionnelle jouissant seulement des propriétés décrites à la page 493, alors les relations (122) et (123) sont valables non pas pour tous les t E [0, Tl mais pour presque tous (au sens de la mesure de Lebesgue) les t E E [0, Tl. L'inégalité (124) est réalisée pour tous les t E [0, Tl. Les quantités du second membre de (124) sont toutes connues. Elles permettent de majorer les intégrales du premier membre de (124) pour u. De l'inégalité (124) on déduit l'important théorème suivant pour le problème (113), (117), (118).
II-3-13. l'TÉTRaDE DE FOURIER
495~
Thé 0 l' ème. Si les conditions (114), (115), (116) sont réalisées, le problème (113), (117), (118) peut posséder une solution distributionnelle u au plus appartenant à la classe L 2 (D T) avec ses dérivées distributionnelles Uh U x l. et u x l. xh • En effet, supposons que ce problème possède deux solutions distributionnelles u' et u ", de la classe L 2 (D T). Leur différence u = = u' - u" est alors une solution distributionnelle du même problème mais avec f (x, t) =: 0 et cp (x) =: O. Donc, cette solution est justiciablej de l'inégalité (124) dans laquelle f et cp sont égales à O. l'iIais alors u 2 (x, t) dx = 0 pour tous les t E [0, Tl, c'est-à-dire
J
B
que u' == u" pour presque tous les (x, t) E DT. (Signalons que notre· conclusion est valable aussi pour le cas où u' et u" satisfont une condition aux limites non homogène: u' (x, t) lx E 8 = u" (x, t) lx E 8 = = 'P (x, t), t E]O, T[). L'inégalité (124) entraîne aussi la dépendance des solutions (sous réserve qu'elles existent!) du problème considéré par rapport à f et cp au sens suivant n
\ (u l B(t)
-
U Z)2
dx
+v
\
~
(u 1Xi -
UZXi)Z
dx dt ~
Dt i=1
~eClt{J
J(/I-f2)2 dx dt } ,
(CPI-CP2)2dx+
B
(125)
Dt
où ui, i = 1, 2 sont les solutions distributionnelles du problème (113), (117), (118) correspondant aux seconds membres fi et aux conditions initiales CPi. La majoration (125) résulte immédiatement de l'inégalité (124) pour u = UI - u 2 , qui est également la solution du même problème correspondant à / = /1 - /2 et cp = CPI - CP2· Au numéro suivant on prouvera le théorème d'unicité de la solution du problème (113), (117), (118) pour les équations (113) dont les solutions sont représentables par des séries de Fourier.
11-3-13. Méthode de Fourier pour les équations paraboliques. Etablissons le théorème d'unicité de la solution de l'équation parabolique M (u) =
a
Ut -
.
ax:- (aik (x) U Xk ) + c (x) u =
0
(126)
l
qui satisfai t la condi tion aux limites homogène u
18
t
= 0,
S t = S X [0, t l,
(127)
et la condition initiale u It=o
=
cp (x)
(128)
496
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
<>ù cp E L 2 (B). On supposera que les coefficients de l'opérateur 1\11 et le domaine B remplissent les conditions du théorème 2 [II-2-55l. Le théorème 1 de [11-2-57] nous dit que le problème aux valeurs propres L (u) {
== a~z'
(aik (x) UXk ) - c (x) U = 'Au,
(129)
uls=O,
-<>ù S est la frontière du domaine B possède un spectre réel {À h }, k = 1, 2, ... , qui est supposé rangé dans l'ordre de décroissance des valeurs propres 'Ah' 'Ah ~ - 0 0 pour k -+ 00. Supposons pour simplifier l'écriture que c (x) ~ O. Alors tous les Àh < O. On admettra par ailleurs que le système de toutes les fonctions propres {Uh (x)}, k = 1, 2, . . ., est orthonormé dans L 2 (B), c'est-à-dire que (Uh' ul) =
Juhul dx = 8h1 ,
(130)
B
étant la fonction propre associée à Àh • Au [11-2-57] on a montré .que toutes les fonctions propres Uh appartenaient à l'espace W:. o (B) o et formaient une base dans les espaces L 2 (B), W~ (B) et W:. o (B). Par ailleurs, on a démontré dans ce même numéro que l'on pouvait o munir les espaces W~ (B) et W;,o (B) de nouveaux produits scalaires
Uh
ru, v]
= )
[aikuXivXh
+ cuv] dx
B
.et
{U, v} =
)
L (u) L (v) dx
B
.auxquels étaient associées les normes " U III = V[u, u] et II U 112 = = V {u, u} équivalentes aux normes initiales de ces espaces. Le système de fonctions propres {Uh}h-l est orthogonal pour ces nou-veaux produits scalaires et de plus [Uh' uz}
=
-À h8h Z,
(131)
et {Uh' Ul} = Ài8 h l'
(132)
Les fonctions ahihtuh (x), k = 1, 2, ... , sont, quels que soient ah, .solutions de l'équation (126) avec la condition aux limites (127). Ces fonctions et toutes leurs dérivées par rapport à t appartiennent pour tous les t ~ 0 à l'espace W;.o (B). Elles satisfont l'équation {126) pour tous les t ~ 0 pour presque tous les x E B. Cherchons la
II-3-13.
solution
M~THODE
DE FOURIER
497
du problème (126), (127), (128) sous forme de la série
U
00
U
(x, t)
= ~
aki"ktuk
(x).
k=1
En portant formellement cette série dans (128) et en se servant de la relation (130), on trouve les expressions suivantes pour ak: ak
= (cp,
Uk),
= 1, 2, •••
k
On se propose d'étudier le caractère de convergence de la sérîe 00
U (x, t) =
LJ
(cp,
u ,.J eÎ.kt uk (x)
(133)
h=1
et de s'assurer qu'elle donne une solution distributionnelle du problème (126), (127), (128) appartenant à une classe justiciable du théorème d'unicité. Il est immédiat de voir que la série (133) converge dans L 2 (B) uniformément en t ~ O. En effet, pour tous m et p et t ~ 0 on a
.Xl
la série ~
(cp,
Uh)2
étant convergente et sa somme égale à " cp
°
Il-t
2
11 •
Donc, la somme U de la série (133) est pour tout t ~ un élément de L 2 (B) dépendant continûment de t ~ 0 pour la norme de L 2 (B). Ceci signifie que Il U (x, t + I1t) - u(x, t) " -+ 0 avec I1t et t, t + I1t ~ O. Pour t = 0, la série (133) converge vers cp pour la norme de L 2 (B). Donc, Il U (x, I1t) - cp (x) ,,-+ 0 pour I1t -+ +0. Montrons que pour t > 0 la série (133) converge pour la norme de W~, 0 (B) uniformément en t E [e, 00[, où e > 0 est un nombre arbitraire. En effet, en vertu de (1.32) p
jm.
p
(t)
==" k=m ~ (cp,
Uh) eÎ.ktuk (x)
II~ =
p
2J
k=m
Â~e2Âkt (cp,
Uk)2.
Or pour t>e > 0, les fonctions Â~e2Âkt, k = 1, 2, ... sont ~ à un nombre Ce dépendant seulement de e. Donc pour t>8>0, on a p
im, p (t) ~ Ce 2J
k=m
(cp,
U k )2.
Ceci prouve la convergence de la série (133). De cette convergence, il s'ensuit que la somme U de la série (133) est un élément de W~ 0 (B) dépendant continûment de t > 0 pour la norme de cet espacé. 32-01017
498
CH. II. PROBL:E:MES AUX LIMITES
Une dérivation terme à terme de la série (133) par rapport à t nous donne la série 00
2J
h=1
(134)
'Ah (
°
qui converge pour la norme de L 2 (B) et même pour la norme de W; (B) uniformément en t pour t ~ 8 > 0, où 8 > est un nombre arbitraire. On prouve ceci comme plus haut en prenant en considération le fait que les fonctions l 'Ah Ir /"k t , k = 1, 2, ... , pour t ~ 8 > sont ~ à un nombre C e,r dépendant uniquement de 8 et de r. Une pareille convergence de la série (134) garantit l'appartenance de sa somme à wto (B) pour tous les t > 0, et que cette somme est la dérivée distributionnelle par rapport à t de la somme u (x, t) de la série (133) dans les domaines De, T = B X ]8, T[, 8 > O. De tout ce qui vient d'être dit, il s'ensuit que la somme u (x, t) de la série (133) est une solution distributionnelle du problème (126), (127), (128) dans le domaine DT = B X JO, T[ de la classe mT dont les éléments v (x, t) sont doués des propriétés suivantes: ce sont des éléments de L 2 (B) dépendant continûment de t E [0, Tl pour la norme de L 2 (B) ; ils possèdent une dérivée distributionnelle Vt (x, t) dans DT et de plus v (x, t) et Vt (x, t) sont des éléments de W~. 0 (B) dépendant continûment de t E JO, Tl. La somme u (x, t) de la série (133) est solution de l'équation (126) pour tout t > et pour presque tous les x E B. Elle satisfait la condition aux limites (127) en ce sens que pour t > elle est un élément de W;,o (B). La condition initial e est vérifiée «en moyenne»:
°
°
°
" u (x, t) -
,,-+ °
pour
t
-+ +0.
Montrons que le problème (126), (127), (128) ne peut admettre deux solutions différentes dans une telle classe. On connaît déjà une solution, celle définie par la formule (133). Soit u' (x, t) une autre solution distributionnelle du problème (126), (127), (128) de classe :]1 T' Leur différence v (x, t) est une solution distributionnelle de la même classe mT du problème homogène (126), (127), (128), c'est-àdire du problème M (v) = 0, v ISt = 0, v It=o = O. (135) Dans le domaine De, T' 8 > 0, cette solution est douée de la régularité requise pour la déduction de l'inégalité énergétique (124), donc elle est justiciable de la majoration ) v 2.dx ~ eC l(t B(t)
e)
)
B(e)
V2
dx
(136)
II-3-t3.
M~THODE
pour tout 8 E JO, t[ et t E [8, TJ. En faisant tendre 8 vers que v 2dx -+' pour 8 -+ 0, on s'assure que v (x, t)
j
499
DE FOURIER
°
°
==
et du fait O. Ce qui
B(e)
prouve le théorème d'unicité. Si l'on soumet {fJ (x) à des conditions subsidiaires, alors la série (133) convergera plus vite, et sa somme sera douée de meilleures o propriétés différentielles. Si, par exemple, {fJ E W~ (B), alors la o série (133) converge pour la norme de W~ (B) uniformément en • t ~ et sa somme sera donc un élément de ~ (B) dépendant continûment de t pour la norme de cet espace pour tous les t ~ O. En effet, en vertu de (131) et (129), on a
°
p
p
\1 ~
({fJ, Uh) i'htU k
II~ = ~ PI/hl
k=m
({fJ,
Uh)2e2"'kt~
k=m
et 00
~l [ 'l', l"" ~;k 1 J=
['l', 'l' l , o
c'est-à-dire que la série (133) converge pour la norme de ~ (B) o uniformément en t E [0, 00[. Montrons que si {fJ E ~ (B), les séries obtenues par une double dérivation terme à terme de la série (133) par rapport à Xh i = 1, ... , n, convergent pour la norme de L 2 (D T), où D T = B X JO, T[ et T est un nombre fini quelconque. Nous avons bien ceci, puisque T
p
~ Il ~ o
({fJ, Uh) e"'ktuk
1/: dt =
h=m p
=
p
T
~ ~ "-l ({fJ, k=m 0
2
U k )2 e "'k
t
dt~ ~ -} l''-hf ({fJ,
U h )2 -+
0
k=m
pour m, p -+ 00. Cette inégalité exprime que la série (134) est convergente pour la norme de L 2 (D). Enfin, le système {Uk}k 1 formant une base dans W~, 0 (B) (11-2-571, il s'ensuit que si {fJ E Wt 0 (B), alors la série (133) converge uniformément en t E [0, oo[ pour la norme de W; (B) et sa somme est un élément de Wt 0 (B) dépendant continûment de t E [0, oo[ pour la norme de W; (B). La série (134) convergera 32*
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
500
pour la norme de L 2 (B) uniformément en t E [0, oo[ et sa somme v (x, t) = Ut (x, t) sera un élément de L 2 (B) dépendant continûment de t E [0, oo[ pour la norme de L 2 (B). Nous avons donc prouvé le théorème suivant: Thé 0 r ème 1. Si les coefficients de l'équation (126) et le domaine B remplissent les conditions du théorème 2 de [II-2-55l, c (x) ;:::= ~ et cp E L 2 (B), alors la solution du problème (126), (127), (128) est donnée par la série (133) qui converge uniformément en t E [0, oo[ pour la norme de L 2 (B); pour t > 0, cette série converge uniformément en t E [8, 00[, où 8 > est un nombre arbitraire, pour la norme de w; (B). La série obtenue par une dérivation terme à terme de la série (133) par rapport à t converge uniformément en t E [0, oo[ pour la norme de L 2 (B). La somme de la série (133) est une solution distributionnelle du problème de classe T (T quelconque) et de plus cette
°
°
:m
o
classe est justiciable du théorème d'unicité. Si cp
E W~ (B), alors la 0,'11-
série (133) converge uniformément en t E [0, oo[ pour la norme de W~ (B) et les séries obtenues par une simple dérivation terme à terme par rapport à t et une double dérivation par rapport à x convergent pour la norme de L 2 (D T), DT = B X ]0, TL Enfin si cp E W~, 0 (B), la série (133) converge pour la norme de W: (B), et la série (134), pour la norme de L 2 (B) uniformément en t E [0, 00[.
iConsidérons encore le problème L (u)
=f
(x, t), u
1ST
= 0,
~ u 1 t-o
= 0,
(137)
où L est le même que dans (126) et f E L 2 (D T)' Ce problème est formellement satisfait par la somme de la série t
00
U (x, t)
= ~ ~ f k Ct) i"k(t-T.) d't Uk (x),
(138)
k=l 0
où fk ('t)
= ~
f (x, 't) Uk (x) dx. Montrons que la série (138) et les
B
séries déduites par une simple et une double dérivations terme à terme par rapport à x convergent pour la norme de L 2 (D T)' de sorte que la somme u (x, t) de la série et ses dérivées U X z• et u Xoxlt appartiennent z à L 2 (D T). Pour cela il suffit de s'assurer que T
jp,
m
== ~ o
m
Il:2}
t
~
k=p 0
fk ('t) e"k(t-T.) d'tuk (x)
Il: dt
(139)
501
II-3-t3. M:E:THODE DE FOURIER
tendent vers 0 pour p, m -+ grâce à (132), on a t
T
m
i p , m = ~ ~ Â~ 1 ~ k=p 0 m
IR (l:) /'k(t-'t) dl: 1 dt~ 2
0
T
t
t
~ ~ ~ Â~ (~ f~ (l:) k=p 0
0
t)
t
T
i in
k=p
f (x,
0
dl:) dt~ m
(l:)
dl:
/'k(t-'t)
dt~ ~
i f~ T
(l:) d't,
k=p 0
0
EL 2 (DT) satisfont les égalités
T
T
f2
i"h(t-'t)
0
~ ~ IÂkl et les fonctions
(i
dl:)
i"k(t-'t)
m
lJ
Ce qui est immédiat, puisque
00.
(x, l:) dx dl:
I~ n
=
00
T
00
i
= ~
(l:) dl:
f'k
(l:) dl:.
oB 0 k=l k=l 0 De la majoration de jp,m il s'ensuit également que la série déduite par une dérivation terme à terme de la série (133) par rapport à t converge pour la norme de L 2 (D). Les sommes finies N
UN
(x, t)
= ~
i t
fk
(l:)
i"k(t-'t)
dl: Uk (x)
k=l 0
satisfaisant (pour presque tous les (x, t) de DT) l'équation L
(UN)
=
N
=
où
fN,
fN
(x, t)
=
~
fk
(t)
Uh
(x), et
fN
convergent vers
f
pour
k=l
la norme de L 2 (D T), la somme de la série (138) sera solution de l'équation (137) pour presque tous les (x, t) de DT' Pour que les conditions initiale et aux limites de (137) soient remplies, il faut que la série (138) converge pour la norme de W~ (B) pour tout t ~ O. En effet, les raisonnements qui nous ont servi à majorer jp,m nous donnent 00
I~
t
~
k=l 0
t
~ IÂ k Il
i
k=l
0
00
fk
(l:)
/'h(t-'t)
dl: Uh (x)
Il: =
00
~~
fk
Ct) i"k(t-'t) dl:
h=l 0
2
t
t
i
1~
f'k
(l:) dl: =
i i If
(x, t) 12 dx dt.
0 B
De là il est évident que pour tout t ~ 0, la somme o élément de W~ (B) et Il U (x, t) 111 -+ 0 avec t. Nous venons de prouver le
U
(x, t) est un
502
CH. II. PROBL:RMES AUX LIMITES
Thé 0 r ème 2. Si L et B remplissent les conditions du théorème 2 [II-2-55], f E L 2 (D T), DT = B X ]0, Tl, alors la solution du problème (137) dans DT est donnée par la série (138). Cette série et les séries déduites par une simple dérivation terme à terme par rapport à t et x et une double dérivation par rapport à x convergent pour la norme de L 2 (D T)' La somme de la série (138) satisfait l'équation (137) pour o presque tous les (x, t) E D T' appartient à W~ (B) pour tout t E [0, T] et " u (x, t) III -+ pour t -+ O. Signalons que les solutions des problèmes de Dirichlet et mixte avec des conditions initiale et aux limites pour l'équation L (u) = = f (x, t) sont données par des séries de la forme (133) et (138) dans lesquelles il faut remplacer Uh (x) par les fonctions propres de L correspondant à la condition aux limites considérée.
°
11-3-14. Deuxième inégalité fondamentale et existence de la solution du problème de Dirichlet-Cauchy. Décrivons une méthode de démonstration de l'existence de la solution du problème (113), (127), (128) dans la classe des fonctions W~, 1 (D T), DT = B X ]0, Tl, composée de toutes les fonctions u (x, t) appartenant à L 2 (D T) avec leurs dérivées distributionnelles Ut, U Xt et u xixk ' Cet ensemble peut être traité comme un espace hilbertien complet muni du produit scalaire (u,
v)~~'.J~ = ..\ (uv + UxV x + UxxV xx + UtVt) dx dt
(140)
DT
(on utilise les abréviations de [II-2-52J et [11-2-53]). Désignons la norme de W;,l (DT) par 11·11 ;~rJ~. L'adhérence pour la norme de W;,l (DT) de l'ensemble de toutes les fonctions de C2 (DT)' nulles sur la surface latérale ST du cylindre D T' est un sous-espace de W;,l (D T) qui sera désigné par W~:~ (D T)' On admettra que le domaine B remplit les conditions du théorème 2 de [II-2-55] et que les coefficients de M satisfont les conditions (114), (115), (116) et ôaih (x, t)
1
at
1::;:::: -..;;::~
(141)
Ils'
Montrons que les opérateurs paraboliques M vérifient une inégalité de nature voisine de l' inégalité (434) de [I -2-53]. Considérons à cet effet l'intégrale
~ (M(u»)2dxd1:= ~ Dt
[U'{-L.(U)]2 dx dl",
Dt=BxJO, t[,
Dt
où L (u) ,
ô = -ôXi (
ih
(x, t)
U Xk ) -
bi (x, t)
U.r; i -- C
(x, t) u,
II-3-14. DEUXI:SlME IN:eGALIT:e FONDAMENTALE
503
et U (x, t) est Une fonction arbitraire de C2 (D T), nulle sur ST. Transformons cette intégrale à l'aide de la formule d'intégration par parties (107) de [1-2-19J:
l
[u~ + (L (U))2 + 2aihuXhuxit +
(M (U))2 dx dT: = )
Dt
Dt
+ 2 (biu Xj + cu) u,J dx dT: =
l [u~ +
(L (U))2+.
Dt
+ :1:
(aihUXiuXh) -
Ô;~h
UXiU xh + 2 (biu Xi
+ cu) UT] dx dT:.
(142)
De cette égalité et des conditions (116) et (141), on déduit
l
aihuXiuXh dx+
~ [u~ +. (L (U))2J dx dT:~ ~ Dt
B(t)
+ Cl ~
aihUXjUXk dx+
B(O>
[eui + (1 + e- i ) (ui + u 2)J dx dT:
+~
(M (U))2 dx dT:,
(143)
~
Dt
inégalité dans laquelle la constante Cl ne dépend que de !L2 et !Ls. ~ > 0 est un nombre arbitraire et B (t), B (0) désignent respectivement les bases supérieure et inférieure de Dt. Utilisons maintenant l'inégalité (452) de [II-2-53J. Cette inégalité et la condition (114) nous permettent de déduire de (143) l'inégalité v
~ u~dx+ ~ [u~+ B(t)
:2 (uix+U~+u2)J dxd-r~
Dt
~ f-t ~ U~ dx + C2 ~ [eu~ + (1 + e- i )
(ui + u 2)J dx dT:
+
Dt
B(O)
+ ) (M (u))2dx dT:,
(144)
Dt
où la constante C 2 dépend de v, f-t, f-ti et du domaine B. Faisons e = (2C 2)_1 dans (144). Une majoration grossière de (144) nous donne
~ u~ dx + ~ (2u~ + uix + u~ -+- u2) dx dT:~ B(t)
Dt
~C3[ ~ u~dx+ ~ (u~+u2)dxdT:+ ~O)
Dt
l
Dt
(M(U))2 dx d-rJ.
(145)
·CH. II. PROBUlMES AUX LIMITES
504
L'inégalité
u2dx~ ) u 2dx+) (u~+u2):d't,
) B(t)
(146)
Dt
B(O)
qui se déduit aisément à partir de la formule de Newton-Leibnitz pour u 2 (x, t) à l'aide de l'inégalité de Bouniakovski-Schwarz (cf. (198) [1-2-27]) nous permet de tirer de (145): )
J(ui + u~:c+u~ + u 2) dx d't~
(u~+ u 2) dx +
Dt
B(t)
~c~ [) (U~+U2) dx+ ) (U~+U2) dx dl' + Dt
B(O)
) (M (U»2 dxd't
J.
(147)
Dt
Le lemme de [1-2-27] nous permet de déduire toujours de (145) la majoration désirée )
(u~ + u 2) dx + ) (u~ + u;~ + ui: -t- u 2) dx dl' ~ Dt
B(t)
~ C~eC4t
[i
(U~ + u 2) dx +
B(O)
i
(M (U»2 dx dl'
J
(148)
Dt
(la marche est presque la même que pour (124». L'inégalité (148) n'est autre que la deuxième inégalité énergétique pour les opérateurs paraboliques M pour la condition (127). Cette inégalité a été établie pour toute fonction u (x, t) E C 2 (DT)' nulle sur ST. Montrons que pour de telles fonctions les intégrales () (u~ u 2 ) dx t E
f/2,
+
B(t)
Il u 1I~~'ri~. Considérons à cet effet une régulière, égale à 1 pour tE [~ , T et à 0
E [0, Tl, sont majorées par fonction X (t) ~ pour t E [ 0, ~
i
°
J et utilisons
J
les égali tés
t
(u~ + u 2) X dx =
i i :,; [(ui: +
u 2) xl dx dl' =
0 B('t)
B(t)
=)
(2u x u x -rX + u~X'
+ 2uu-rX + u 2x') dx dl' =
Dt
= ) ( - 2u't~uX Dt
+ uix' + 2uu-rX + u X') dx dT. 2
11-3-14. DEUXUlME INÉGALITÉ FONDAMENTALE
De là il s'ensuit pour tE [
~ ,
TJ :
~ (ui+u 2) dX~C5 ~ (u~+u~x+u~+u2)dxd't'. B(t)
505-
DT
(149)1
J.
On établit une inégalité similaire pour tE [0, ~ La démonstra-tion est la même sauf qu'il faut remplacer la fonction X (t) parune fonction régulière positive égale à 1 Sur [0, ~ ] et à sur-
°
[3{ , TJ.
Grâce à cela la norme
équivalente à la norme "u
11* = max [~ O~t~T
(ui
B(t)
1I·1I~~·~~ de w~: 6(DT) est-
+ u 2) dx f /2 + Il u II~~'~~.
(150).
Ce fait et l'inégalité (148) prouvée pour les u E C 2 (D T), nuls surS T' entraînent la validité de (148) pour tout élément u E W~:6 (D T). Cette inégalité permet de prouver l'unicité de la solution du problème (113), (127), (128) quelles que soient f (x, t) E L 2 (D) et cp (x) E o E w~ (B), en utilisant la méthode de prolongement par rapport au paramètre ([11-2-55] et le théorème 2 de [11-3-131). Plus exactement,. il nous faut considérer les problèmes
==
+
M,; (u) (1- 't') Mo (u) 't'Ml (u) = { ulsT-O, Ult=o-cp, 't'E[O, 1],
f,
(151)1
n
où Mo (u)
= Ut -
2J i=1
UXiX • et Ml (u)
= 111 (u), ainsi que le couple-
t
o
d'espaces hilbertiens ~:~ (DT) et W = L 2 (DT) X W~ (B). L'espaceWest constitué des couples de fonctions {f (x, t) ; cp (x)} et est muni du produit scalaire
(ff;
cp},
ft; ~})w =
l ff
dx dt
+ l (CPxq;x + cp~) dx.
DT
B
Les problèmes (151) peuvent être interprétés comme une familled' équations opératorielles A'( (u) = {f; cp},
't' E [0, il,
où les opérateurs A'( sont définis par A,; (u) = {M'( (u); u It=o},
't' E [0, 1].
(152} (153}
Les opérateurs A,; sont des opérateurs de W~:6 (D T) dans W. L'unicité· de la solution de l'équation (152) pour 't' = et pour {f; cp} E W quelconques est acquise grâce aux théorèmes de (11-3-131. A partir de
°
CH. II. PROBUiMES AUX LIMITES
là on démontre sans peine l'unicité de la solution de tous les problè;mes (152) quelles que soient {f; cp} E W à l'aide des inégalités «149) et de l'inégalité (148), valable pour tous les M.r;, l' E [0, 1] avec une constante C 4 que l'on peut choisir commune pour tous les l' E E [0, il. Nous glisserons sur cette démonstration, car elle est calquée :sur celle du théorème 1 de [II-2-551. Enonçons seulement le résultat :final: Thé 0 r ème. Si les coefficients ,conditions (114), (115), (116) et (141) et 2 de [II-2-55J, alors le problème (113), .unique dans W~', A0(D T), DT =1= B X lE L 2 (D T) et cp E W~ (B).
de M de (113) remplissent les le domaine B, celles du théorème (127), (128) admet une solution ]0, T[ quelles que soient f E
11-3-15. Equations hyperboliques de forme générale. Inégalité 'énergétique pour le problème de Dirichlet-Cauchy. Les numéros suivants de cet ouvrage seront consacrés au problème de DirichletCauchy pour les équations hyperboliques. Considérons l'équation n
n
M(u)= ~ aikuX'Xk+~ biuxi+cu-Utt=f i, k=l
~
i=l
(154)
f(Jui est de la même forme que dans [1-2-27] dans un domaine DT = = B X ]0, T[ d'un espace euclidien Rn+l (x E B c Rn, t E ]0, TO. Les coefficients de l'équation (154) et le second membre f peuvent -dépendre de (x, t). On supposera que ces coefficients sont des fonctions mesurables bornées sur DT et de plus que aik sont dérivables . , ---at' 8aïk 8aih ( , , 1 t d'IS t rl. ;par rapport a" x et t et 1eurs d'erlvees ~ genera emen butionnelles) sont bornées dans DT' Supposons que f E L 2 (DT)' L 'hyperbolicité de l'équation (154) est assurée par la condition n
aih (x, t) ~i~k~ V
2J sr
(155)
i=l
-dans laquelle v > 0 est une constante, ~i des paramètres réels -arbitraires (on convient comme partout que aik = aki)' Posons le problème de Dirichlet-Cauchy pour l'équation (154) dans le domaine .D T' Ce problème consiste à trouver la solution u (x, t) de l'équation (154) dans DT qui satisfait les conditions initiales
ult=o=cp(x),
utlt....o=,p(x),
xEB,
(156)
:et la condition aux limites u
1 ST
= 0,
ST
= S
X [0, T],
(157)
.où S est la frontière de B. Autrement dit, nous cherchons une solution u (x, t) de l'équation (154) dans B c Rn pour t E ]0, T[ vérifiant
II-3-15. EQUATIONS HYPERBOLIQUES DE FORME GENÉRALE
507
les conditions initiales (156) à l'instant t = 0 et s'annulant sur la frontière de B pour t E JO, TL Montrons que ce problème est bien posé, c'est-à-dire qu'il admet une solution au plus et que cette dernière dépend continûment des conditions initiales et du second membre de l'équation. La continuité est comprise au sens des normes intégrales définies par l'inégalité énergétique que nous allons établir. On prouvera l'existence de la solution du problème (154), (156), (157) au numéro suivant en imposant aux coefficients de l'équation (154) des conditions supplémentaires permettant de construire la solution sous la forme d'une série de Fourier. Dans la suite, on aura affaire à des solutions distributionnelles de la classe W~ (D T). Les éléments U (x, t) de cette classe satisfont l'équation (154) pour presque tous (au sens de Lebesgue) les points (x, t) de DT. Ils appartiennent à W~ (B) pour tous les t E [0, Tl et dépendent continûment de t pour la norme de W~ (B) (c'est-à-dire 1/ U (x, t At) - U (x, t) Il "i,B -+0 pour At -+ 0 et t, t At E [0, Tl). La dérivée Ut (x, t) est un élément de L 2 (B) pour tous les t E [0, Tl et dépend continûment de t pour la norme de L 2 (B). Pour cette raison les conditions initiales seront les suivantes: 11 U (x, t) - fP (x) 1/ ~~)B -+ 0 et Il Ut (x, t) - '" (x) 112,B -+ 0 o pour t -+ 0 et la condition aux limites (157) deviendra U (x, t) E W~ (B) pour tous les t E [0, Tl (pour plus de détails sur les espaces W~, voir tome V chap. IV). On supposera naturellement que
+
+
+
o
fP (x) E W~ (B), '" E L 2 (B).
(158)
L'inégalité énergétique pour les solutions du problème (154), (156), (157) (nous omettrons plus bas le terme « distributionnel », car il sera partout question de solutions distributionnelles de la classe W; (D T) sauf, mention expresse du contraire) s'établit de la même manière que l'inégalité énergétique pour les solutions du problème de Cauchy [1-2-271. Sa déduction est même plus simple ici, car les intégrales étendues à la surface l~térale ST sont nulles en vertu de la condition (157). De nombreuses notations et majorations sont empruntées au [1-2-271. Plus exactement, désignons par K (t) l'intégrale K (t)
=
(aikuxiuXh
)
+ un dx,
B(t)
où B (t o) est la section du cylindre DT par le plan t = t o, et par D tt le cylindre B X JO, t l [, en admettant que t i ~ T. Multiplions l'équation (154) par -2u t et intégrons le résultat obtenu sur Dt: - ) 2M (u) Dt
Ut
dx dt = - ) 2fut dx dt. Dt
(159)
508
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
Intégrons le premier membre de (159) par parties en procédant comme suit
:t (Ut)2 dx dt =
) 2UttUt dx dt = ) Dt Dt
~\ ll~ dx B(t)
) 2aikUXiXk . Ut dx dt = ) (2aikUxiUtxk + 2 Dt Dt
-
= Jr r_at()
(aikUXiuXk) -
)
ui dx,
B(O)
~;:
UxiUt) dx dt =
éJai"k ] d a t UXiU xk + 2 éJaik éJxk uxiUt x dt =
Dt
Pour établir ces relations on s'est servi du fait que uls T = 0, donc que Ut IS T = O. La relation (159) équivaut donc à la suivante: K (t)
=
K (0) +
) [ éJ;;h
UXiU Xk - 2
~:~h
UxiUt
+
Dt
+ 2biuxiUt + 2cuut -
2fut ] dx dt.
(160)
L'intégrale du second membre de (160) se majore comme au [I-2-27) (le fait que Dt est un cylindre et non pas un cône importe peu). Nous ne reprendrons pas ici ces raisonnements et écrirons seulement l'inégalité énergétique déduite à partir de (160). Cette inégalité (dont l 'homologue est l'inégalité (201) dans [I-2-271) s'écrit )
(ui
+ aikuxiuxk + u 2) dx~
B(t)
~eCt[ ) (u~+aikuX,uXk + u 2 ) dx+ ) j2dx dt]. B(O)
.
(161)
Dt
La constante C dépend dES coefficients de M, plus exactement du nombre v de la condition (155) et des maximums des modun
les des fonctions éJ:~k, ~ (~:ikk - bi ) et c dans le domaine Dte k=l
Les fonctions du second membre de (161) sont connues à partir des conditions du problème, en particulier l'intégrale étendue
509
II-3-16. M:eTHODE DE FOURIER. :eQUATIONS HYPERBOLIQUES
il B (0) est égale à
l ('1'2 +
aikcpXiCPXk +cp2) dx.
B
De (161), il s'ensuit
l
(uï
+ vui + u
2
)
dx~
Blt)
~ eCt
[ )
('1'2 + ~cpi + cp2) dx
B
+ .\ f2 dx dt],
tE [0, Tl, (162)
Dt n
OÙ
~ est la constante de l'inégalité aiksisk ~ ~ ~
i=l
s~ (de sorte que
!.t est un majorant pour aih). L'inégalité (162) s'appelle aussi inégalité énergétique. On en déduit le
Thé
0
r ème
1. Le problème (154), (156), (157) admet une
solution au plus de W~ (D T) qui dépend continûment des conditions initiales et du second membre. En effet, si Ui (x, t), i = 1, 2, sont deux solutions de W~ (D T) correspondant aux conditions initiales CPi (x), 'Pi (x) et aux seconds membres (aux forces) fi (x, t), i - 1, 2, alors leur différence u (x, t) est une solution du même problème de W~ (D T), correspondant aux conditions initiales cp (x) = CPI (x) - CP2 (x), 'P (x) = 'Pl (x) - 'P2 (x) et au second membre f (x, t) = fI (x, t) - f2 (x, t). Donc, u (x, t) est
justiciable de l'inégalité (162), d'où résultent les deux propositions du théorème. 11-3-16. Méthode de Fourier pour les équations hyperboliques. On se propose de prouver l'existence d'une solution du problème de Dirichlet-Cauchy pour les équations hyperboliques de la forme n
i, h=l
+
Supposons que la partie elliptique L (u) = :Jô (aihux) cu UXi h de cette équation et le domaine B remplissent les conditions du théorème 2 [II-2-551, donc que le système de fonctions propres {Uh (X)}~l et de valeurs propres {Î"h} de l'opérateur L pour la condition u 1s = 0 est doué des propriétés décrites dans [II-2-57J. Supposons provisoirement que c (x) ~ O. Ceci exprime que  h < 0 de sorte qu'il est commode de désigner Âh par -~~, en admettant que lth > O. Les solutions u (x, t) = X (x) T (t) de l'équation (163) vérifiant la condition aux limites (157) sont toutes de la forme (ah cos ~ht bit sin ~ht) Uh (x), où ah et b h sont des constantes
+
510
CH. II.
PROBL~MES
AUX LIMITES
arbitraires et Uh (x), la fonction propre associée à la valeur propre Âk
=
-fJ~·
De ce fait, on cherchera la solution du problème (163), (156), (157) sous la forme de la série 00
U (x, t) = ~ (ah cos fJkt h=1
+ bk sin fJht) Uh (x),
(164)
dont on déterminera les coefficients ah et b h à partir des conditions initiales (156). La première de ces conditions nous donne ah = (cp, Uh),
(165)
bA = _1_ ('1', Uk).
(166)
et la deuxième, JLk
Formellement cette série satisfait toutes les conditions de notre problème. On se propose d'étudier sa convergence et en particulier de montrer qu'on peut la dériver terme à terme deux fois par rapport à x et à t. Cette dérivation est nécessaire pour justifier les égalités 00
M (u)
=
M
(2J (ah cos fJh t + bh sin fJh t) Uk (x») = k=1 00
= ~ M (ah cos fJkt -I- bh sin fJht) Uk h=1
(x»
=
0,
(167)
c'est-à-dire s'assurer que la somme de la série (164) est solution de l'équation (163). On montrera que la série (164) et les séries obtenues par une double dérivation terme à terme par rapport à x et t convergent pour la norme de L 2 (B) uniformément en t E [0, 00[. Ceci prouvera que la somme de la série (164) est solution de l'équation (163) pour presque tous les (x, t) de DT (et même plus, pour tous les t E [0, co[ pour presque tous les x E B). Les conditions initiales seront satisfaites au sens suivant:
Il U (x,
t) - cp (x)
IIh2.) B
-+
0,
Il Ut (x,
t) -
'1' (x)
II~~) B -+
°
(168)
pour t -++. O. La condition aux limites (157) sera exprimée par l'appartenance de u (x, t) à W~, 0 (B) pour tous les t ~ O. Tout o ceci aura lieu si cp (x) E 0 (B) et '1' (x) E W~ (B). En effet, on a vu au [II-2-57] que la fonction cp (x) se décompose en la série
wt
00
de Fourier cp (x) =
2J
(cp, uhfuh (x) convergente vers elle pour la_
h=1
norme 11·112 et de plus 00
Il cp Il; = ~ (cp, k=1
00
Uh)2 Jt~
=
2J
h=l
a~fJ~,
(169)
11-3-16.
M~THODE
DE FOURIER. :eQUATIONS HYPERBOLIQUES
5tl
DO
et la fonction '1' (X), en la série de Fourier '\j? = convergeant vers '\j? (x) pour la norme
/1·/11 et
00
/1 '\j? /I~ = ~
k=l
2J ('\j?,
Uk) Uk (x),.
k=1
00
('\j?, Uk)211~
=
2J b~fl:· k=l.
(170).
D'autre part,
Il k=m f (ak cos IIk t + bk sin IIh t ) Uk II~ = p
=
2J
k=m
p
(ak cos IIk t + bk sin IIk t )2 111 ~ 2
2J
h=m
(a: + b:) (-tt,
(171»)
p
Il k=m ~ :t (ah cos IIh t + bh sin (-th t ) Uh Il: = p
=
p
~ (-t~(-ahsin(-tht+bhcos(-tkt)2~t~~2 ~ (a~+b~)111 (172p
k=m
k=m
et p
;;1 (ak cos (-tk t + bk sin J.tk t ) Uk W = k=m
Il ~
p
=
p
~ (ah cos (-tk t + bh sin IIh t )2 (-tt ~ 2 ~ (a~ + b~) (-th.
(1731
h=m h=m En comparant les majorations (171), (172) et (173) à (169) et (170, on s'assure de la validité des propositions concernant la convergence de la série (164) et des séries obtenues par dérivation terme à terme' de (164) par rapport à x et t. Ceci étant, on se rappellera que les normes II· 1/1 et 11·112 sont équivalentes aux normes initiales des espaces~ o W~ (B) et Wt 0 (B) respectivement. Que pour tous les t ~ 0, la somme U (x, t) de la série (164) appartienne à W~,o (B) et Ut (x, t) et Utt (x, t) o respectivement à W~ (B) et L 2 (B) résulte de la convergence de cesséries et du fait que leurs sommes partielles sont des éléments deo W~, 0 (B), W~ (B) et L 2 (B). On a donc prouvé le Thé 0 r ème 1. Supposons que les coefficients de M et le domaineB remplissent les conditions du théorème 2 de [II-2-55J et c (x) ~ o. o Si cp E W~,o (B) et'\j? E W~ (B), alors lasomme U (x, t) de la série (164), dont les coefficients ak et bk sont définis par les formules (165) et (166)" est une solution du problème (163), (156), (157). Cette solution appar-
:512
CH. II.
PROBL~MES
AUX LIMITES
°
.tient à W~. 0 (B) pour t ~ et dépend continûment de t pour la norme de cet espace. Ses dérivées Ut (x, t) et Utt (x, t) sont des éléments de o
W~ (B) et L 2 (B) dépendant continûment de t ~
°
pour les normes de ces espaces. Les séries obtenues par une double dérivation terme à terme par rapport à x et t de la série (164) convergent pour la norme de L 2 (B) .uniformément en t ~ O.
Rem a r que 1. Si l'on écarte la condition c (x) ~ 0, lt théorème reste en vigueur mais il est possible que quelques-unes des -premières valeurs propres Âk soient strictement positives ou nulles. Les termes correspondants seront alors de la forme (akeV"'k i bke- V"'k t ) Uk (x) ou (ak bkt) Uk (x). La convetgence de la série (164) n'est pas affectée par ces termes: en effet, leur somme peut ,être représentée par un seul terme dans (164).
+
+
+
Rem a r que 2. Les problèmes de Cauchy et de Dirichlet.. 'Cauchy pour les équations hyperboliques se résolvent de façon analogue pour t > ou t < O. La série (164) converge comme ci-des:sus pour ·t ~ O. Considérons maintenant l'équation avec second membre
°
M (u) =
f
(x, t),
(174)
'Üù M est donnée par (163). Trouvons la solution qui vérifie les conditions initiales et aux limites homogènes suivantes: u It=o =
Développons à cet effet
0,
Ut
It=o
=
0,
U
IS T = O.
f en une série suivant
{Uk }h' 1: 00
00
t (x,
(175)
t) = ~ (f (x, t) 1
Uh
h=l
(x))
Uh
(x) ===
LJ
fh
(t)
Uh
(x),
h=1
et trouvons les solutions U (x, t) = X (x) T (t) de l'équation M (u) = fh (t) Uh (x) (176' qui satisfont les conditions (175). Posons u (x, t) = De (176), on obtient alors pour Th (t) l'équation
Th
(t)
Uh (x)~
(177)
On sait que la solution qui s'annule avec sa dérivée pour t = la fonction
°
esi
t
Th (t) = - _1_ f-lh
r sin P'h (t-T) th ('t) dT,
Jo
(178) .1
11-3-16.
M~THODE
où comme plus haut
DE FOURIER.
Ill' =
-Â h •
(x, t) = -
~ _1_ \ k-l
513
HYPERBOLIQUES
La somme de la série
t
00
U
~QUATIONS
~h ~
fk
(T) sin Ilh (t -T) dT u k (x)
(179)
satisfait formellement toutes les conditions du problème (174), (175). Pour justifier la formule (179), il faut s'assurer que la série (179) converge comme la série (164) du théorème 1. Prouvons la proposition suivante. Thé 0 r è ID e 2. Supposons que les coefficients de M et le domaine B vérifient les mêmes conditions que dans le théorème 1. Si o f (x, t) E L 2 (D 7), alors la série (179) converge pour la norme de W~ (B) uniformément en t E [0, Tl. Si, de plus, f (x, t) possède une dérivée distributionnelle ft (x, t) EL 2 (DT)' alors la série (179) et lesséries obtenues à partir d'elle par une simple et une double dérivations terme à terme par rapport à x et t convergent pour la norme de L 2 (B) uniformément en t E [0, Tl. Dans le dernier cas la somme u de la série est une solution distributionnelle du problème (174), (175) de la classe (D T) (et même d'une meilleure classe). . Les propositions du théorème résultent des relations et majorations suivantes:
W: p
P
2
~ T k (t) uk (x)
1-
~ Il~T~ (t)~ k=m
k=m
P
t
P
T
~ ~ (~I th (T) 1d't)2 ~T ~ ~ h=m
00
00
(180)
k=m 0
0
et T
n('t) d'tt
T
~ ~ /l('I:) d'l: = ~1 ~ Il ('1:) d'l: =
l
12 (x,
t) dx dt.
(181)
Si de plus ft (x, t) EL 2 (DT)' alors t
'r k (t) =
-
= - !'~
--4\ th ('t) d cos J.tk (t -'t) = ~h ~
[-1 t
1. ('1:) cos P.k (t-'t) d't+ fh (t) -tk (0) cos J.tktJ = t
= -
:1 [)
o
th ('t) (1- cos flk (t - 't» dT
+ th (0)~(1- cos flk t )J.
CH. II. PROBLÈMES AUX LIMITES
5t4
D'où T
T~(t)<
1184 [T ) k
0
(fk(-r))2d-r+f~(0)J,
donc ,
p
Il
h
p
Th (t) u k (X)/I: =
k=m
~ T~ (t) ~:~ k=m
P
T
p
~8T ~ \ (th (-r»)2d-r + 8 ~ k=m Ô
n (0).
(182)
k=m 00
k=1
= ) 12 (x, 0) dx et B 00
T
~ ) (th (-r)2 d-r = ) fi (x, t) dx dt, h=1 0
DT
ce qui prouve le théorème 2. La convergence des séries (164) et (179) est encore meilleure si les coefficients de M, les fonctions (f), '\jJ, t et la frontière de B sont plus réguliers et si le degré de compatibilité des conditions initiales et aux limites et de l'équation est plus élevé sur l'ensemble {(x, t): x ES, t = O}. Nous ne donnerons pas les énoncés exacts de cette dépendance, nous contentant de renvoyer le lecteur au chapitre II de l'ouvrage de O. Lad y j e n s k a ï a, Problème mixte pour l'équation hyperbolique (1953) (en russe) auquel ont été empruntés les thèmes développés dans ce numéro. O. Ladyjenskaïa a étudié la convergence des séries (164), (179) dans tous les espaces WJ (B), l ~ 1, pour des conditionsqui, dans un certain sens, sont nécessaires et ce pour les trois problèmes aux limites classiques avec des conditions initiales. La convergence pour la norme de W~ (B) et le théorème d'immersion entraînent la convergence correspondante pour les normes des autres espaces et en particulier la convergence uniforme pour l ~ 1. Cet ouvrage contient la justification des autres méthodes de résolution de problèmes aux limites pour l'équation hyperbolique et notamment la méthode des différences finies pour des équations (154) de forme générale. Ces problèmes se résolvent aussi par la méthode de Galerkine et par la méthode « fonctionnelle » proposée par O. Ladyjenskaïa dans la note Sur la
[iJ +
II-3-17.
PROBL~ME
AUX LIMITES POUR LA
515
SPH~RE
résolubilité des problèmes aux limites fondamentaux pour les équations hyperboliques et paraboliques (DAN SSSR, 1954, 97, no 3). . Voir à ce sujet aussi les travaux: o. Lad y j e n s k a ï a Sur la résolution des équations opératorielles non s~ationnaires(Matem. zb. 1956, 39, nO 4); o. Lad y j e n s k a ï a, Sur les équations'opératorielles non stationnaires et leurs applications aux problèmes linéaires de physique mathématique (Matem. zb., 1958, 45, nO 2); O. Lad y j e n s k a ï a, M. Vic h i k, Problèmes aux limites pour les équations aux dérivées partielles et certaines classes d'équations opératorielles
(UMN, 1956, 11, nO 6). Signalons enfin que de la résolubilité du problème de Dirichlet:.. Cauchy pour les équations hyperboliques et de la finitude du domaine de dépendance des solutions du problème de Cauchy (cf. 1-2-26), on déduit sans peine l'existence d'une solution du problème de Cauchy pour les équations hyperboliques.
11-3-17. Problème aux limites pour la sphère. On se propose d'étudier maintenant le problème aux limites pour l'équation des ondes ô2u
ô2u
a2u
7ft2 = ôx2 + ôy2
2
+ ôôz2u
(183)
dans le cas d'une sphere. Prouvons préalablement le
°
Lem m e. Si u = cp (x, y, z, t) = cp (M, t) est une solution de l'équation (183), homogène, de degré par rapport aux variables (x,y, z, t), et si elle s'annule sur la sphère r = V x 2 y2 Z2, alors l'expression·
+ +
=
t, où r =
t-r
u=
J
(184)
ûl('t)
où W ('t) est une fonction continue quelconque et la borne d'intégration peut être un nombre arbitrairement donné, l'est aussi.
En dérivant la solution (184) on obtient t-r
ax = r, o ôu
w ('t)
ôcp (M t-'t) ~x
d't-w (t - r) cp (1~f, r)
x r.
Or, par hypothèse, cp (M, r) =0, donc t-r
!!:..-= rax
J w
()ôcp(iVl,t-'t)d 't ax 't.
o
Une nouvelle dérivation nous donne a:~ _
a ...
33*
t-r
r w('t) J o
2
a cp(M, t-'t) d't-w(t-r) ôx 2
[oCP(M,
(Jx
. .!-
t-'t)] 't=t-r
r·
516
CH. II.
PROBL~MES
AUX LIMITES
On obtient des expressions analogues pour les dérivées secondes par rapport à y et à z. La dérivée seconde par rapport à t s'écrit: 2 ô u
a,a
t-r
= \ ~
()
ID 't
2 ô q> (M, t-T) d ôt 2 't
+
(t _ ID
r
) [ôq> (M, t-T)] ôt 't-t-r •
En portant cette expression dans (183) et puisque
(t- r) T
Ôq>(M, t-T) [_ ôt
+
r
+ôq>(M, t-T) ôx
ôq>(M, t-T) oy
y
x
+
+oq>(M, t-T) ] 0 oz Z ~=t-r = •
(185)
Or, en vertu du théorème d'Euler sur les fonctions homogènes, on a (tome l, [V-1-41) ôq>(M,t-T)(t_ )+oq>(M,t-'t) +oq>(M,t-'t) +oq>(M,t-'t) =0 ot 't OX X oy Y oz z •
On s'assure par la substitution 't = t - r que la relation (185) est réalisée et par suite la formule (184) donne bien une solution de l'équation (183). Cherchons maintenant une solution de l'équation (183) sous la forme spéciale
u-'1'
(+) Y n (e,
(186)
Y n (e,
OÙ
UV-2-13l)
~:~
=
:2
[:r (r :~ + si~ e 2
)
:e
(sin e
J.
~~ ) + Si:' e :~~
(187)
En portant (186) dans (187) et puisque Y n (e,
)
+ sin21 e
o2Yn oq>2
+ n (n + 1) y n --
0
,
on est conduit à l'équation suivante pour '1' ( ~ ) :
ou (1-x2)~" (x)
+ n (n+ 1) 1J' (x) =
0
(188)
11-3-17. PROBUlME AUX LIMITES POUR LA SPHERE
517
Pour trouver 'li (X), on se rappellera que les polynômes de Legendre (tome 1II 2 , [V-8]) satisfont l'équation [(1-X2)P~ (x)]'+n(n+1) Pn(x)=O.
Introduisons le polynôme de degré n + 1 x
Qn+, (x)
I
=
(189)
P n (x) dx.
En intégrant les deux membres de l'équation précédente entre 1 et x, on obtient (1- x 2) P~ (x)
+ n (n + 1) Qn+l (x) = 0,
ou, en vertu de (189), (1 - x 2 ) Q~+l (x)
+ n (n + 1) Qn+l (x)
= 0,
et en comparant avec (188), on voit que la fonction u = Qn+l
(+) y
n
(e,
(190)
(J)
est une solution de l'équation (183). En vertu de (189), on a = 0, c'est-à-dire que la solution (190) est nulle pour r = t. Par ailleurs, il est évident que cette solution est une fonction homogène de degré 0 par ranport aux variables (x, y, z, t). Le lemme nous ,dit que la fonction Qn+l (1)
t-r
u(M, t)=Y n (e,
(J)
ffi('t)Qn+1 (
\
t-;T) dt:
(191)
ô
est aussi solution de l'équation (183) quelle que soit la fonction continue ffi (t:). Après ces considérations préliminaires, passons à la résolution 4'un problème aux limites pour une condition aux limites spéciale. Supposons qu'on cherche en dehors de la sphère r = 1 une solution de l'équation (183) satisfaisant les conditions initiales homogènes u It=o =
~I -0 ôt t=o-
0;
(192)
et la condition aux limites u I r =l
=f
(t) Y n
(e,
(J),
(193)
où f (t) est une fonction donnée. On admet que cette fonction possède des dérivées première et seconde continues et que
f
(0)
= t'
(0)
=
O.
(194)
CH. II. PROBLElMES AUX LIMITES
518
Attardons-nous sur la formule (191). Si dans son second membre on substitue t 1 à t, on obtient de nouveau une solution de l'équation (183), puisque les coefficients de cette équation ne dépendent pas de t. Cherchons la solution du problème aux limites posé sous la forme
+
t+1-r
r () Q
Yn (0' cp )
u=
~
(ù';
n+l
(
t
+ ~ - L)
d"", Il
t~r-1,
{
0,
(195)
t~r-1,
(1') est la fonction inconnue, l' ~ O. La première condition (192) résulte immédiatement de (195). En dérivant (195) par rapport
où
(ù
à t pour r = 1 et en faisant ensuite t = 0, on obtient la deuxième condition (192), puisque Qn+l (1) = O. La condition aux limites (193) nous donne l'équation intégrale suivante pour (ù (1'): t
~
Qn+l (t
(ù (,;)
+ 1- 1') d,; =
f
(t).
o
Cette équation est une équation de Volterra de première espèce. En la dérivant terme à terme on obtient l'équation t
~
(ù
(1') P n (t+ 1-1') d1'=f' (t),
o qui, en vertu de (194), est équivalente à la précédente. Une nouvelle dérivation nous donne en vertu de (194) l'équation de deuxième espèce équivalente: t
ùl
(t)
+J
ùl
('I)
p~
(t
+ 1- 't) d't = f" (t).
Les noyaux des équations écrites ne dépendent que de la différence t - 't, et en appliquant la méthode développée au (tome IVlt [1-53]) on obtient une solution de la forme (ù
(t)
= f" (t) -
, JH (t -
x)
f" (x) dx,
o
où H (z) est la somme des résidus de la fonction -sn ________ ______
~-esz
sn+sn-lp~ (1)+sn-2p~ (1)+ ... +p~n) (1)
par rapport à ses pôles. La condition aux limites (193) entre en jeu à partir de l'instant t =0. Avant cet instant c'est le repos. Le front d'onde se propagera
II-S-18. VIBRATIONS DE
L'INT~RIEUR
DELA SPH:E:RE
519
à une vitesse égale à 1. En dehors de la sphère centrée en l'origine et de rayon t 1, on aura le repos à l'instant t en vertu de (195). Les dérivées secondes peuvent être affectées d'une discontinuité sur le front d'onde. Signalons que toute condition aux limites continue peut être approchée en moyenne sur la sphère par des conditions aux limites de la forme (193). Ceci résulte de la fermeture des fonctions sphériques. La méthode indiquée ci-dessus est valable dans le plan pour l'extérieur d'un disque (V. S mir nov, DAN SSSR, 1937, 14, nO ,1). .
+
11-3-18. Vibrations de l'intérieur de la sphère. Cherchons main.;. tenant la solution de l'équation (183) qui satisfait les conditions (192) et (193) pour l'intérieur de la sphère. Si 1, alors il est immédiat que Qn +1 (x) est de même parité que n 1 et la solution (191) peut être mise sous la forme
n> +
t-r
Ut
(M, t)
=
Y
n
(8, cp) ~ o
Û)1 (T)
Qn+t (
T-;
t )
dT.
(196)
En remplaçant t par t-1, on obtient une solution de la forme t+r-l
2
u (111, t) = Y n (8, cp)
l
Û)2
(T) Qn+]
(T+:-t) dT,
(197)
-0
< O. Cette solution décrit une onde qui se déplace de la frontière vers l'intérieur de la sphère. Cette solution cesse d'être finie pour t > 1 au centre de la sphère, c'est-à-dire pour
OÙ Û)2 (T)
= 0 pour
T
r= O. Pour t = 1, l'onde correspondante atteint le centre de la sphère et il faut alors ajouter à la solution correspondante la solution (196) dans laquelle on aura remplacé t par t - 1 et dûment choisi 0)1 (T). Ceci nous conduit à une solution de la forme t - l +r
u 3 (M, t)=Y n (8, cp)
l
û)3(T)
Qn+l
(T+;-t) dT,
(198)
t - 1-1'
où û) (T) = 0 pour T < O. Entre les limites d'intégration on a -r T 1 - t r, et la solution (198) reste finie même pour r = O. Pour imposer des conditions moins astreignantes aux dérivées de la fonction I(t) qui figure dans la condition aux limites (193), on prendra pour solution fondamentale la solution déduite à partir de (198) par une dérivation par rapport à t. Comme Qn +1 (+1) = 0 pour n 1, on obtient la solution u (M, t) = Yn (8, cp) CPn (r, t), (199)
< +
>-
<
CH. II.
520
PROBL~MES
AUX LIMITES
où t-1+r
_1 rn 't'n
(r ,t)-
r
{
r
J t-f-r
00
('t) P n
(
't+1-t)
d't
r
o
pour
t> 1-r,
pour
t~1-r
(200) et 00 ('t) = 0 pour 't ~ O. De cette expression, il s'ensuit comme al' [11-3-17] que la condition (192) est satisfaite pour tout 00 ('t). Il es. immédiat de vérifier que les formules (199) et (200) donnent let solution de l'équation (183) pour n = 0 aussi, pourvu que 00 (T~ possède une dérivée continue. Signalons que la fonction (198) n'e~ pas solution de l'équation (183) pour n = O. La condition aux limites (193) nous conduit à l'équation suivantt t
~
('t) P n ('t --+-1- t) d't = f (t).
00
(201
t-2
Supposons que f (t) admet une dérivée continue et f (0) = t (0) = O. En dérivant l'équation (201) par rapport à t, on trouve 00 (t) +(-1)n+ 1 oo(t-2)t
~
-
00
('t) P~ ('t + 1- t) d't = j' (t)
(n> 1) (2021 ,
t-2
et pour n = 0
/00 (t) -
00
(t -
(202 2)
2) = j' (t).
L'équation (202 1) nous permet de construire 00 ('t) par la méthode des approximations successives. Déterminons d'abord 00 (t) dans l'intervalle [0, 2] à partir de l'équation de Volterra: t
00
(t) -
J ('t) P~ ('t + 1- t) d't= f' (t), 00
o
ensuite
00
(t) dans l'intervalle J2, 4J à partir de l'équation
t
00 (t)-
) oo(t)P~('t+1-t)d't= 2
l 2
= j' (t) + (_1)n 00 (t-2) + co ('t)~P~
('t
+ 1-t) dT .
o
dont le second membre est connu, et ainsi de suite. Portons la fonctior 00 ('t) trouvée dans le second membre de (200).
521
II-3-t8. VIBRATIONS DE L'INT9RIEUR DE LA SPH1l:RE
Utilisons la transformation unilatérale de Laplace pour résoudre l'équation (202 1). Esquissons cette méthode. La formule définitive sera établie plus bas par une autre méthode. Dans l'équation (202 1), représentons l'intégrale par une somme de deux intégrales avec des bornes inférieures nulles, multiplions l~ deux membres par e -st, où S = al 0'2i et al > 0 est un nombre 'Wsez grand et intégrons sur t entre 0 et 00. Posons
+
IH .t~
B
00
00
Q (s)
=
Je-:stw (t) dt,
Je-stf (t) dt;
F (s) =
o
o
("
(203)
;tal
il.ilisons le théorème de convolution (tome IV1 , [1-52]) et les 1:1g,nules
~es formules se déduisent 'sans peine par une intégration direct des premiers membres. Cette méthode nous conduit à l'équation suivante pour Q (s): (~
~
-----
.. /" 2n
V
n
efT (2n+1) e-sJ
s
1 (_
is) Q (s)
= F (s).
n+2'
~
La transformation réciproque de Laplace nous donne co (t) =
- i"::"'( 2n+ 1)
4 ---:::-21t~i-t
O'+ioo
r
J
O'-ioo
1
JI
_ 8
2n
(8) J 1 ( - is) n+e(t+1)SF
ds.
(205)
2
Le nombre réel al est pris assez grand pour que tous les points singuliers de la fonction F (s) soient situés à gauche de la droite d'in tégration. La justification de la possibilité d'appliquer les transformations d,irecte et réciproque de Laplace est facilitée par le fait qu'on a déjà établi l'existence de co (t) par la méthode des approximations suc(~essives et qu'on peut majorer cette fonction pour de grands t en lHt]>osant certaines conditions à f' (t) pour de grands t. En portant j'expression (205) dans (200), en permutant l'ordre d'intégration et 36-01017
522
CH. II. PRDBL:I!:MES AUX LIMITES'
en utilisant la relation facilement démontrable 1
~
J
3t
ePxPn (x) dx=
t ( - ip)
_y--=p=--_,
eiT(2n+t) _n_+_2
V2:rt
(206)
-1
on obtient O'+ioo J
CPn (r, t) =
r
1 _Î
y
T21li
1 ( - irs)
n+-
J.
~
J
(_ is)
3t
F (s) e ds
(n=O, 1, 2, ... ).
n+2
0'-1,00
(207)
Indiquons un moyen plus rapide pour établir la formule (207). En portant (199) dans (183) et en se servant de l'équation pour Y n (e, cp), on obtient l'équation suivante pour q:Jn (r, t): 8 2cpn _ 8t 2 -
8 2 cpn 8r 2
+!
8CPn _
r
n (n+ 1)
8r
r2
q:Jn'
(208)
A cette équaiton il faut adjoindre les conditions q:Jn
It=o =
8~n
CPn Ir=1 =
t=o = 0;
(209)
t (t).
(210)
En multipliant les deux membres de l'équation (208) par e-st , en intégrant sur t entre 0 et 00 et en tenant compte de la condition (209), on obtient pour la fonction 00
X n (r, s)= ~ o
e-stq:Jn
(r, t)dt
(211)
l'équation
d~~n
+; d:; + (-S2- n(~:1) ) Xn=O.
(212)
La transformation de Laplace appliquée à (210) nous donne
= F (s).
X n Ir=1
(213)
La fonction X n (r, 8) doit de plus être finie pour r = O. L'équation (212) se ramène à une équation de Bessel et en se servant de (213) et du fait que X n est finie pour r = 0, on trouve J
X n (r, s.) =
1
y- r
(-irs)
t
n+'2 J
1 ( - is
n+'2
)
F (8).
II-3-19. DISCUSSION DE LA SOLUTION
523
La transformation réciproque de (211) nous conduit ensuite à la formule (207). Les conditions qu'il faut imposer à f (t) pour justifier l'application de la transformation de Laplace et de la formule (207) figurent dans le travail de G. Pet r a che n e, Problèmes dynamiques de la théorie de l'élasticité pour une sphère isotrope. Utch. Zap. LGU, ser. matem. naouk, 1950, nO 21. L'exposé de ce numéro et du suivant est emprunté à ce travail. II-3-19. Discussion de la solution. Etudions la solution
i
o+ioo J lf/l
1 (r, t)=-= , _ .
JI r2m. 0-100
1 (-
J
n+-
.) F (s)
2( 1
irs)
-lS
n+ 2
e~t ds.
(214)
On admettra pour fixer les idées que la fonction f (t) =1= 0 seulement sur un intervalle fini [0, Tl, possède des dérivées première et seconde continues et j (0) = f' (0) = j (T) = f' (T) = ü. Sous ces conditions, une double intégration par parties nous donne T
F(s)=
T
i e-~tf(t)dt= :2 i
e-stj"(t) dt.
(215)
o 0 On admettra que la fonction F (s) est de la forme F (s) = FI (s) F 2 (s) e- sT , (216} où FI (s) et F 2 (s) sont des fractions rationnelles dont le degré du dénominateur est de deux unités au moins supérieur à celui du numérateur. Il est immédiat de vérifier que la fonction F (s) jouira de cette propriété par exemple dans les deux cas suivants:
+
j(t)=t 2 (T-t)2;
j(t)=sin 2
n.:,
tElÜ, T].
On voit sur la formule (215) que F (s) est une fonction entière. La fonction J n +I / 2 (-is) possède des zéros imaginaires que l'on désignera par +ksi (8 = 1, 2, 3, ...), où k s sont les zéros de l'équation J n +I / 2 (k) = (1. (tome 1H z, [V1-2-3]). Utilisons la formule J
1 (z) =
~ [H(1)
n+2 2
+
1 (z) H(2) 1 (z) n+n+2 2
i ]
et les expressions suivantes des fonctions de Hankel:
(217)
524
PROBL~MES
CH. II.
AUX LIMITES
OÙ
is)
n+2 9(1) 1
(-is)
n+2 est J
~
à un nombre 1 (-irs)
1. Ceci nous permet d'écrire (-irs)
H(1) 1
1 (-
...,....-~--- ~ 'H( 1) 1 ( - is)
is)
+ nT
H<2> 1
00
n+T
n+'2 J
<
( -1)P.
---:-:"":----is)
H(1) 1 ( -
H(2) 1 ( -
irs)
H(2) 1
00
n+T
(-irs)-P
n+2
n+T +~...,...,.--- ~ (-1)P H(1) 1 ( -
+
+ nT
p=o
+ nT
(-irs}-P
' n+T
is)
H(1) 1
(-is)
n+2
P=O
En portant ceci dans la formule (214) et en intégrant la série terme à terme, on ltrouve 00 o+ioo H( 1) 1 ( - irs) 1 ,,(-1)P n+?,
r
~ LJ
l/rr p=O
irs) - P
n+'2 H(1)
+1 n 2'
. (-is)
F(s) est ds
+
O'+ioo H(2) 1 ( - irs) -H(1) 1 ( - trs) - P
(1)P
J
n+2
2m
.
H(1) 1
00
+ _1
-H(2) 1 ( -
-. .
0-100
n+2
n+-
(-is)
F (s) est d,.
H(1) 1
2
n+-
(-is)
(218)
2
Montrons qu'au second membre, le nombre de termes est fini et croît avec t. Considérons par exemple les termes de la première somme. Les formules (217) nous permettent d'écrire les intégrales de cette somme sous la forme o+ioo
J
0-
F (s) [1
+ 0 ( 1z 1-1 )] eS [t-(2p+1)+r] d,.
(219)
ioo
Su pposons que p est assez grand pour que t -
(2p
+ 1) + r <
O.
(220)
Traçons à droite de la droite d'intégration un demi-cercle C de centre C1 et de rayon R assez grand. La formule (216) pour F (s) et les propriétés de FI (s) et F 2 ~s) nous permettent d'affirmer que sous les conditions (220), l'intégrale (219) etendue à C tend vers 0 lorsque R ~ 00. Par ailleurs, l'intégrale étendue au contour formé par C et le segment ]-R, R] de la droite d'intégration de l'intégrale (219) est nulle, puisque la fonction à intégrer ne présente aucun point singulier à l'intérieur de ce contour. De là il s'ensuit que l'intégrale (219) est nulle sous les conditions (220). De façon
II-3-19. DISCUSSION DE LA SOLUTION
525
analogue, les iermes de la deuxième somme du second membre de (218) sont nuls si (221.) t - (2p 1) - r < o.
+
Les termes restants décrivent des ondes sphériques qui ont été réfléchies une ou plusieurs fois par la sphère r = 1. La première des formules (204) nous permet de démontrer sans peine que la fonction à intégrer des intégrales du second membre de (218) possède un nombre fini de points singuliers situés à une distance finie, qui sont les zéros de l'équation zn -
p~
(1) zn-l
+ ... +
(-1)n
p~n)
(1) = 0,
et que l'intégrale est la somme des résidus relatifs à ces pôles, c'est-à-dire que ces intégrales s'expriment par des fonctions élémentaires. L'utilisation de la méthode (214) nous conduit donc à la méthode de d'Alembert de résolution du problème des vibrations d'une sphère avec la condition aux limites (193). Indiquons maintenant une autre transformation de la formule (214) qui nous conduit à la méthode de Fourier ou, plus exactement, au développement de la solution en série suivant les vibrations propres de la sphère. Portons dans la formule (214) l'expression (216) pour F (s). La substitution de F 2e-.~T fera apparaître le facteur e-s(t- T) dans la' fonction à intégrer et comme plus haut on peut montrer que l'intégrale correspondante s'annule pour t < T" c'est-à-dire qu'on a 'Pn(r, t)=.r 1.
:~
r2m
O'+ioo
r
0' -
Jioo
J
1 (-
n+-
irs)
__=---....;2~_____ FI (s) e$t ds.
J
(222)
1 ( - is)
n+2"
On démontre que cette intégrale est égale à la somme des résidus de son intégrant et sous réserve que les pôles de FI (s) sont distincts des zéros de J n +I / 2 (-is) (absence de résonance) on trouve 00 J 1 (kpr) m (r t)=.h (r t)-2 ~ Apsin(kpt+<.ùp). n+'2 (223) Tn,
't'n,
.LJ
p=1
J
1· (kp)
-.f r
,
n-T
où 'i'n (r, t) représente la somme des résidus relatifs aux pôles de FI (s) et FI (kpi)= ApeiCl>p.
On démontre que sous les conditions imposées à FI (s) la série converge uniformément en t et r. Cette série est la superposition des vibrations propres du système. De là il s'ensuit que le terme 'Pp (r, t) qui peut être représenté par une somme finie de termes est solution de l'equation (183) avec la condition aux limites (193). Si un pôle de FI (s) est confondu avec un zéro de J n +I / 2 (-is), on verra apparaître au second membre de (223) un terme résonnant qui est le produit de t par une fonction trigonométrique. ' Si t > T, on obtient seulement une série suivant les vibrations propres, puisque F (s) est une fonction entière et l'on peut appliquer le lemme de Jordan (tome 111 2 , [111-5]) pour un système de demi-cercles centrés en al et une fonction à intégrer qui ,contient la fonction F (s) tout entière. Si t < T, nous ne possédons pas de majorations requises pour la fonction à intégrer le long des demi-cercles mentionnés. Si le second membre n'est composé que de la série suivant les fonctions propres, c'est que la condition aux limites ne comporte pas de force extérieure.
CH. II. PROBL~MES AUX LIMITES
·526
11-3-20. Problème aux limites pour l'équation des télégraphistes. Pour résoudre les problèmes aux limites pour des équations elliptiques et paraboliques on s'est servi de la théorie du potentiel en se basant sur une solution singulière de l'équation étudiée. L'usage de cette méthode pour les équations hyperboliques pose des problèmes. L'idée fondamentale de cette méthode permet seulement dans le cas unidimensionnel de ramener le problème aux limites à une équation intégrale de Volterra. Considérons l'équation (tome II, [VII-2-5]) {j2 U {jt 2
=
{j2 U {jx 2
+ c2u
(224)
pour x E [0, l] avec les conditions initiales
=
U 1t=o
Ut 1t=o
=
°
(225)
et les conditions aux limites u Ix=o =
°
1
u IX=l =
(t) ;
02
(226)
(t).
Signalons que les conditions initiales peuvent toujours être ramenées à des conditions homogènes à l'aide de la solution du problème pour un intervalle illimité (tome II, [VII-2-5]) comme on l'a fait pour l'équation de la chaleur dans (11-3-2]. En introduisant comme au (tome II, [VII-2-5]) la fonction l (z) = = Jo (iz), on s'assure sans peine que la fonction l (c yt 2 - x 2) est solution de l'équation (224). Cette solution sera prise pour solution fondamentale. En plaçant aux bornes de l'intervalle [0, l] les sources continues correspondant à cette solution, on obtient, ce qu'on vérifie immédiatement, les solutions suivantes de l'équation (224): t-x
) cp Cr) l (c Vr(t-L)2_ x 2) dL o et t-(l-x)
,
\jJ (L) l
(c
y(t-L)2_ X2) dL,
Ô
où les fonctions cp (L) et"P (L) sont supposées dérivables. En dérivant ces fonctions par rapport à x, on obtient de nouvelles solutions. On cherchera la solution du problème (224), (225), (226) sous la forme t-x
u=~ \ cp (L) l (c yr(t_L)2_x 2) dL + (jx
J o
+ :x
t-(l-x)
)
"li (T) l (c y(t-T)2_(l-rfl)
o en admettant que cp (L) = \jJ (L) =
°pour
T<
o.
d't,
(227)
11-3-20. :EQUATION· DES T:EL2GRAPHISTES
527
La formule (.227) peut être mise sous la forme
(228)
On rappelle que 00
~
1 1 (z) = LJ (8!)2
(Z) 2s 2" •
s=o L'équation (224) avec les conditions initiales (225) admet une solution quelles que soient
(229)
On admet que les fonctions Supposons que
Û)l
(t) et
Û)2
(t)
'1' (t) -
sont continûment dérivables.
+
En ajoutant et en retranchant membre à membre les équations (229), on obtient les équations suivantes séparément pour
(230)
OÙ
't'
<
O.
528
CH. Il. PROBLaMES AUX LIMITES
Ces équations nous permettent de déterminer CPI (t) et "i'1 (t) par la méthode des approximations successives sur les intervalles [0, 1], [l, 21J, etc. On a cpdt) = rodt) roB (t); "i'dt) = WB (t) -wdt) pour tE [0, 1] ; ( CPI (t)=w 1 (t) WB (t)-CPI (t-l)-
+
+
t-l
- cl ) CPI ('t)
o
t
l'
(c i"(t-'t)2-12)
i"(t-'t)2 -1
"i'1 (t)=w 2 (t)-w 1 (t)
2
d't,
+ "i'1 (t-l) +
(231)
t-l
+cl
etc.
1
r "i'1 ('t) l' (cj(t-'t)2- 12) d't
J
JI (t-'t)2-l2
pour tE [l, 21],
On peut encore se servir de la transformation de Laplace pour résoudre les équations intégrales. Les matériaux de ce numéro ont été empruntés à un travail non publié de D. D 0 b rot i n e.
INDEX
Axes locaux 272 Bande (s) 92 - caractéristiques 32, 94 - de premier ordre 93 Base orthonormée 440 Bicaractéristiques 108 Caractéristiques 11, 105, 185 - réelles et imaginaires 99 Condition de compatibilité cinématique, 117, 191 - - dynamique 117, 192 - de Hiilder 287 - initiales générales 147 - - spéciales 91 - de Lipschitz 287 Cône T 28 Conoïde caractéristique 109 - intégral 42 Conormale 132 Convergence d'une suite 439 Coordonnées cartésiennes locales 435 Corps élastique anisotrope 198 Courbe caractéristique 32 Crochet de Mayer 60 - de Poisson 60 Dérivée normale d'une fonction pro pre 371 - - du potentiel de simple couche 283 - - régulière 287 Deuxième inégalité énergétique 432, 504 Diffraction de l'onde électromagnétique-386 Discontinuité faible 114
Discontinuité forte 116 - - en théorie de l'élasticité 204 Distribution de Green 229 Domaine de définition d'un opérateur 442 Ensemble C 00 (D) 116 - C2 (D) 116 - q(D) 119 Equation elliptique 84 - de Helmholtz 374 - hyperbolique 85 - intégrale pour fonctions ques 327 de M onge-A mpère 103 - des ondes généralisée 149 - parabolique 85 - quasi linéaire 10 - ultrahyperbolique 85 Espace complet 439 - hilbertien complexe 439 - - réel 440 - séparable 439 Ca (13) 419 C l +a (15) 419 Cl 05), 1 = 0, 1, 419 Co (D) = C (D) 419 Ck +13 (8) 436 LV: (D) 163 W~
sphéri-
(D) 163
wr.loc (Rn) 170 0 (D) 448
wt
Exemple de R itz 268 Expression asymptotique des valeurspropres 260 Fonction de Green pour le disque 361 - - et équation avec second membre 363
~30
INDEX
Fonction de Green pour l'équation de la chaleur 467 de Helmholtz 384 - linéaire 213 - ~v - 'Av = 0 394 de l'opérateur de Laplace 352 pour le rectangle 362 d' Hermite et de Laguerre 238 inférieure 342 (s) en involution 61 propre 215, 448 - régulière à l'infini 306, 312 - de Riemann 122 - subharmonique 339 - subparabolique 490 - superharmonique 339 - supérieure 342 - superparabolique 490 Formule de Green 120, 132, - d'intégration par parties 130 - de Sobolev 136 Inégalité énergétique 159, 508, 509 - généralisée de Cauchy-Bouniakovski 426
- de Harnack 303 - de Schauder 421 Intégrale complète 45, 53 - générale 46 - intermédiaire 103 - singulière 46 Méthode de d'A lembert 525 - de Cauchy 32 - de Fourier pour l'équation de la chaleur 246, 475, 495 - - des vibrations 249 d' Hadamard 136 de H olmgren 176 de Jacobi 69 de Lagrange-Charpie 59 de Riemann 119 de Ritz 267 de Schwarz 330 des séries majorantes 73 de Volterra 132 Norme(s) équivalente(s) 441 - d'un opérateur 441 Ondes électromagnétiques 200 Opérateur adjoint 120, 448 - - au sens de Lagrange 132
Opérateur linéaire borné 441 de Lorentz 116 - symétrique 125, 132 Plan caractéristique 185 Points frontières irréguliers 347 - - réguliers 347 Pôle de la fonction de Green 353 Polynômes de Legendre 234 Potentiel de double couche 275 - logarithmique 294 - newtonien de volume 271 - de simple couche 271 Première inégalité énergétique 428 Principe d'absorption limite 379 - de l'amplitude limite 379 - de radiation 374 Problème(s) de Cauchy 13, 35, 91 - aux conditions initiales caractéristiques 125 - extérieur de Dirichlet dans l'espace 312 - - de Neumann dans l'espace 313 - - pour le plan 306 - intérieur de Dirichlet dans l'espace 304 - - mixte dans l'espace 305 - - de Neumann dans l'espace 305 - aux limites pour l'équation de Helmholtz 380 Propriétés extrémales des valeurs et fonctions propres 254 Résolubilité au sens de Fredholm 453 Série majorante 74 Solution distributionnnelle 171, 175, 345, 423, 498 Spectre d'un opérateur 424 Suite de Cauchy (ou fondamentale) 439 Surface:s) différentiables 11 de Liapounov 271 - orientée dans l'espace 148 - parallèle 299 - régulières 11 Système(s) canoniques 71 - caractéristique 31 - complet 63 - complètement intégrable 57 elliptique 188 hyperbolique 211 - jacobien 64 - paraboliquement dégénéré 188 - quasi linéaire 188 .
531
INDEX
Tenseur de déplacement 416 - de Green 416 Théorème de Courant 259 - de décomposition de Stéklov 241 - d'immersion 166 - de Jacobi 55 - de Kovalevskaïa 76 Transformation de Kelvin 310 - de Laplace 468
Valeur directe de la dérivée normale 287
-
du problème intérieur de Dirichlet 382
- propre 215, 448 Validité du problème de Cauchy 36 Variété caractéristique 22 Vitesse de 'propagation de l'onde 194