En analyse mathématique, un opérateur pseudo-différentiel est une extension du concept familier d'opérateur différentiel, permettant notamment l'inclusion d'ordres de dérivation non entiers. Ces opérateurs pseudo-différentiels sont abondamment utilisés dans la théorie des équations aux dérivées partielles et en théorie quantique des champs.
On reprend ci-dessous les notations introduites dans l'article opérateur différentiel.
Rappelons qu'un opérateur différentiel linéaire d'ordre m {\displaystyle m} s'écrit :
D = ∑ | α | = 0 m a α ( x ) D α {\displaystyle {\mathfrak {D}}=\sum _{|\alpha |=0}^{m}a_{\alpha }(x)D^{\alpha }}où les a α ( x ) {\displaystyle a_{\alpha }(x)} , appelées coefficients de l'opérateur D {\displaystyle {\mathfrak {D}}} , sont des fonctions des n {\displaystyle n} variables d'espace x k , k = 1 , … , n {\displaystyle x^{k},k=1,\dots ,n} .
On définit ici la transformée de Fourier de la fonction f {\displaystyle f} de n {\displaystyle n} variables par :
f ^ ( ξ ) = ∫ e − i ξ ⋅ x f ( x ) d x {\displaystyle {\hat {f}}(\xi )=\int \mathrm {e} ^{-\mathrm {i} \xi \cdot x}f(x)\;\mathrm {d} x} .La formule de transformation inverse s'écrit alors :
f ( x ) = 1 ( 2 π ) n ∫ e + i ξ ⋅ x f ^ ( ξ ) d ξ {\displaystyle f(x)={\frac {1}{(2\pi )^{n}}}\int \mathrm {e} ^{+\mathrm {i} \xi \cdot x}{\hat {f}}(\xi )\;\mathrm {d} \xi } . Application aux opérateurs différentielsLe symbole de l'opérateur différentiel D {\displaystyle {\mathfrak {D}}} d'ordre m {\displaystyle m} est la fonction σ ( x , ξ ) {\displaystyle \sigma (x,\xi )} des 2 n {\displaystyle 2n} variables ( x , ξ ) {\displaystyle (x,\xi )} polynomiale en ξ {\displaystyle \xi } :
σ ( x , ξ ) = ∑ | α | = 0 m a α ( x ) ξ α {\displaystyle \sigma (x,\xi )=\sum _{|\alpha |=0}^{m}a_{\alpha }(x)\xi ^{\alpha }} .L'opérateur différentiel D {\displaystyle {\mathfrak {D}}} linéaire d'ordre m {\displaystyle m} vérifie alors la relation :
( D f ) ( x ) = ∫ d ξ ( 2 π ) n e + i ξ ⋅ x σ ( x , ξ ) f ^ ( ξ ) {\displaystyle ({\mathfrak {D}}f)(x)=\int {\frac {\mathrm {d} \xi }{(2\pi )^{n}}}\mathrm {e} ^{+\mathrm {i} \xi \cdot x}\sigma (x,\xi ){\hat {f}}(\xi )} .On constate que cette formule pourrait en fait permettre de définir l'opérateur D {\displaystyle {\mathfrak {D}}} à partir de son symbole σ ( x , ξ ) {\displaystyle \sigma (x,\xi )} . Nous allons mettre cette idée à profit dans le paragraphe suivant.
Si les coefficients a α {\displaystyle a_{\alpha }} de l'opérateur différentiel D {\displaystyle {\mathfrak {D}}} d'ordre m {\displaystyle m} sont indépendants des n {\displaystyle n} variables d'espace x k {\displaystyle x^{k}} , son symbole est seulement une fonction σ ( ξ ) {\displaystyle \sigma (\xi )} des n {\displaystyle n} variables ξ {\displaystyle \xi } polynomiale en ξ {\displaystyle \xi } :
σ ( ξ ) = ∑ | α | = 0 m a α ξ α {\displaystyle \sigma (\xi )=\sum _{|\alpha |=0}^{m}a_{\alpha }\xi ^{\alpha }}de telle sorte que :
( D f ) ( x ) = ∫ d ξ ( 2 π ) n e + i ξ x σ ( ξ ) f ^ ( ξ ) {\displaystyle ({\mathfrak {D}}f)(x)=\int {\frac {\mathrm {d} \xi }{(2\pi )^{n}}}\mathrm {e} ^{+\mathrm {i} \xi x}\sigma (\xi ){\hat {f}}(\xi )}soit encore, en utilisant la transformation de Fourier inverse :
( D f ^ ) ( ξ ) = σ ( ξ ) f ^ ( ξ ) {\displaystyle ({\widehat {{\mathfrak {D}}f}})(\xi )=\sigma (\xi ){\hat {f}}(\xi )} .Soit une fonction p {\displaystyle p} des n {\displaystyle n} variables ξ {\displaystyle \xi } . On associe à cette fonction un opérateur pseudo-différentiel P D {\displaystyle P_{D}} à coefficients constants, dont l'action sur une fonction f {\displaystyle f} est définie par l'intégrale suivante :
( P D f ) ( x ) = ∫ d ξ ( 2 π ) n e + i ξ ⋅ x p ( ξ ) f ^ ( ξ ) {\displaystyle (P_{D}f)(x)=\int {\frac {\mathrm {d} \xi }{(2\pi )^{n}}}\mathrm {e} ^{+\mathrm {i} \xi \cdot x}p(\xi ){\hat {f}}(\xi )} .Pour que l'intégrale ait un sens, il faut que le symbole p ( ξ ) {\displaystyle p(\xi )} présente quelques « bonnes » propriétés :
où les C α {\displaystyle C_{\alpha }} sont des constantes, qui peuvent dépendre de α {\displaystyle \alpha } .
Soient P 1 {\displaystyle P_{1}} et P 2 {\displaystyle P_{2}} deux opérateurs pseudo-différentiels à coefficients constants, définis respectivement par les symboles p 1 ( ξ ) {\displaystyle p_{1}(\xi )} et p 2 ( ξ ) {\displaystyle p_{2}(\xi )} . Alors, l'opérateur P = P 1 P 2 {\displaystyle P=P_{1}P_{2}} est encore un opérateur pseudo-différentiel à coefficients constants, dont le symbole est le produit p 1 ( ξ ) p 2 ( ξ ) {\displaystyle p_{1}(\xi )p_{2}(\xi )} .
Soit une fonction p ( x , ξ ) {\displaystyle p(x,\xi )} des 2 n {\displaystyle 2n} variables ( x , ξ ) {\displaystyle (x,\xi )} . On associe à cette fonction un opérateur pseudo-différentiel P D {\displaystyle P_{D}} , dont l'action sur une fonction f {\displaystyle f} est définie par l'intégrale suivante :
( P D f ) ( x ) = 1 ( 2 π ) n ∫ e + i ξ ⋅ x p ( x , ξ ) f ^ ( ξ ) d ξ {\displaystyle (P_{D}f)(x)={\frac {1}{(2\pi )^{n}}}\int \mathrm {e} ^{+\mathrm {i} \xi \cdot x}p(x,\xi ){\hat {f}}(\xi )\;\mathrm {d} \xi } .Remarque : on note parfois cet opérateur pseudo-différentiel à partir de son symbole de la façon suivante : P D = p ( x , D ) {\displaystyle P_{D}=p(x,D)} . Il existe une autre définition, celle de Weyl:
( O p ( a ) f ) ( t ) = ( 2 π ) − n ∫ R 2 n a ( t + y 2 , ξ ) f ( y ) e i ξ ⋅ ( t − y ) d y d ξ . {\displaystyle (Op(a)f)(t)=(2\pi )^{-n}\int _{\mathbb {R} ^{2n}}a\left({\frac {t+y}{2}},\xi \right)f(y)e^{i\xi \cdot (t-y)}dyd\xi .} .On trouvera plus de détails dans le livre et dans la pageAndré Unterberger.
Pour que l'intégrale ait un sens, il faut que le symbole p ( x , ξ ) {\displaystyle p(x,\xi )} présente quelques « bonnes » propriétés, énoncées ci-dessous :
Ces deux conditions peuvent être combinées en une seule, utilisée ci-dessous pour définir plus précisément la classe des symboles d'ordre m {\displaystyle m} .
Soit Ω ⊂ R n {\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{n}} un compact, et p ( x , ξ ) {\displaystyle p(x,\xi )} une fonction lisse de C ∞ ( Ω × R n ) {\displaystyle {\mathcal {C}}^{\infty }(\Omega \times \mathbb {R} ^{n})} . Soit m {\displaystyle m} un nombre réel quelconque. La classe S m ( Ω × R n ) {\displaystyle S^{m}(\Omega \times \mathbb {R} ^{n})} des symboles d'ordre m {\displaystyle m} est définie par :
S m ( Ω × R n ) = { p ( x , ξ ) ∣ | ∂ ξ α ∂ x β p ( x , ξ ) | ≤ C α , β , Ω ( 1 + | ξ | ) m − | α | } {\displaystyle S^{m}(\Omega \times \mathbb {R} ^{n})=\left\{p(x,\xi )\mid \left|\partial _{\xi }^{\alpha }\partial _{x}^{\beta }p(x,\xi )\right|\leq C_{\alpha ,\beta ,\Omega }\left(1+|\xi |\right)^{m-|\alpha |}\right\}}pour tout x ∈ Ω {\displaystyle x\in \Omega } , ξ ∈ R n {\displaystyle \xi \in \mathbb {R} ^{n}} , et pour tous les multi-indices α , β {\displaystyle \alpha ,\beta } . Les C α , β , Ω {\displaystyle C_{\alpha ,\beta ,\Omega }} sont des constantes, qui peuvent dépendre de α , β {\displaystyle \alpha ,\beta } et Ω {\displaystyle \Omega } .
Remarque : lorsque la mention du compact Ω {\displaystyle \Omega } est indifférente, on note simplement : S m = S m ( Ω × R n ) {\displaystyle S^{m}=S^{m}(\Omega \times \mathbb {R} ^{n})} .
On note souvent Ψ m {\displaystyle \Psi ^{m}} l'ensemble des opérateurs pseudo-différentiels à symbole dans S m {\displaystyle S^{m}}
Cet article est une ébauche concernant l’analyse.
Vous pouvez partager vos connaissances en l’améliorant (comment ?) selon les recommandations des projets correspondants.
On appelle support singulier d'une distribution u {\displaystyle u} le complémentaire de l'ensemble des points au voisinage desquels u {\displaystyle u} est une fonction C ∞ {\displaystyle C^{\infty }} .
Cette section est vide, insuffisamment détaillée ou incomplète. Votre aide est la bienvenue ! Comment faire ?Soient p j , ( j = 1 , 2 ) {\displaystyle p_{j},(j=1,2)} des éléments de S m j ( R n × R n ) {\displaystyle S^{m_{j}}(\mathbb {R} ^{n}\times \mathbb {R} ^{n})} . Alors l'opérateur p 1 ( x , D ) ∘ p 2 ( x , D ) {\displaystyle p_{1}(x,D)\circ p_{2}(x,D)} est aussi un opérateur pseudo-différentiel, dont le symbole, qui appartient à S m 1 + m 2 {\displaystyle S^{m_{1}+m_{2}}} est donné par une somme asymptotique dont le premier terme est p 1 ( x , ξ ) p 2 ( x , ξ ) {\displaystyle p_{1}(x,\xi )p_{2}(x,\xi )}
On note H s ( R n ) {\displaystyle H^{s}(\mathbb {R} ^{n})} l'espace de Sobolev standard d'ordre s {\displaystyle s} sur R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} . Soient s {\displaystyle s} et m {\displaystyle m} deux nombres réels. Un opérateur pseudo-différentiel d'ordre m {\displaystyle m} sur R n {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} (c.-à-d. un élément de Ψ m {\displaystyle \Psi ^{m}} ) est continu de H s ( R n ) {\displaystyle H^{s}(\mathbb {R} ^{n})} dans H s − m ( R n ) {\displaystyle H^{s-m}(\mathbb {R} ^{n})} .
Soit a ∈ S m {\displaystyle a\in S^{m}} et soit K {\displaystyle K} le noyau de a ( x , D ) {\displaystyle a(x,D)} . Alors K {\displaystyle K} est C ∞ {\displaystyle C^{\infty }} pour x ≠ y {\displaystyle x\neq y} . En particulier, pour toute distribution tempérée u {\displaystyle u} , supp sing a ( x , D ) u ⊂ {\displaystyle a(x,D)u\subset } supp sing u {\displaystyle u} .
(en) M. S. Joshi, Lectures on Pseudo-differential Operators, cours disponible sur arXiv.