Distributions tempérées

Bonjour,
on appelle distribution tempérée sur $\R^k$ toute forme linéaire continue sur $S(\R^k)$. C'est la définition.
J'ai un exercice qui dit : est-ce que la fonction $f$ définie par $$
f(x)
=
\begin{cases}
x \log|x|-x &\text{si}\ x \neq 0,\\
0, &\text{si}\ x =0
\end{cases}
$$ est dans $S'(\R)$ ?
Comment voit-on si une fonction est $S'(\R)$ ou non ? Est-ce qu'il est possible de déduire une condition suffisante pour qu'une fonction soit $S'(\R)$ ?
Merci par avance.

Réponses

  • On peut utiliser le critère suivant :

    Si une fonction $L^1_{loc}$ est majorée en valeur absolue par un polynôme; alors elle est dans $S'$
  • Tryss est-ce que le critère que vous me donnez est une condition nécessaire ou bien suffisante? Et est-ce que ce critère découle de la définition d'une distribution tempérée?
  • Enfin, si tu connais la différence entre un "si" et un "seulement si" tu sauras répondre à cette question ! Au passage la réciproque est fausse, il y a un contre-exemple classique à base d'exponentielle et de cosinus dont je ne me rappelle plus le détail.
  • D'ac, c'est une condition suffisante, mais pas nécessaire. Est-ce que cette condition suffisante découle de la définition d'une distribution tempérée ou bien c'est une condition à part?
  • Qu'est-ce que ta question peut bien vouloir dire ? Ça découle forcément de la définition à un moment ou à un autre ! Ici, le résultat est facile à établir en écrivant les choses.
  • Je lis ceci: un exemple d'une fonction de classe $C^{\infty}$ non tempérée est $f(x)= e^{x^2}$.
    1) Pourquoi est-ce qu'on précise que malgré que la fonction est de classe $C^\infty$ elle n'est pas $S'$? Est-ce être de classe $C^\infty$ est une condition suffisante pour que la fonction soit une distribution tempérés?
    2) comment voir que $f= e^{x^2}$ n'est pas une distribution tempérée?
    Merci par avance.
  • Pour ta première question, il ne s'agit bien sûr pas d'une condition suffisante puisqu'on te donne un contre-exemple. Par contre une fonction de classe $\mathcal C^{\infty}$ définit toujours une distribution, donc ça permet de voir que cette condition suffisante simple ne s'étend pas aux distributions tempérées.

    Pour la deuxième, ce serait un bon exercice que tu cherches à le démontrer ! Écris quelque part la définition de distribution tempérée, et essaye de démontrer que ça ne marche pas ici.
  • Un indice pour la 2) : $e^{-x^2}$ est dans $S$
  • Merci pour ces indication.
    Pour la réponse: On dit d'une distribution qu'elle est tempérée si et seulement si
    $$
    \exists p \in \N, \exists C, \forall \varphi \in \mathcal{D}(\R): |<T,\varphi>| \leq C N_{p}(\varphi),
    $$
    où $N_p(\varphi)= \sum_{|\alpha| \leq p, |\beta| \leq p} ||x^{\alpha} D^{\alpha} \varphi(x)||_{L^{\infty}}$.

    $f =e^{x^2}$ est continue (elle est même de classe $C^{\infty}(\R)$) elle est donc $L^1_{loc}(\R)$ et elle définie une distribution:
    $$
    <e^{x^2}, \varphi>= \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} e^{x^2} \varphi(x) dx.
    $$
    Si on prend $\varphi(x)= e^{-x^2}$, on remarque que $\lim_{|x| \to +\infty} \varphi(x)$ ce qui est une condition nécessaire et suffisante pour dire que $\varphi \in S(\R)$. On remarque que
    $$
    <e^{x^2}, e^{-x^2}>= \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} dx = + \infty,
    $$
    ce qui montre que $e^{x^2}$ n'est pas une distribution tempérée sur $\R$.
    Si vous êtes d'accord avec cette solution, j'ai une question: le crochet $<e^{x^2}, e^{-x^2}>_{D',S}$ est bien un crochet $<.,.>_{D',S}$?
  • bill a écrit:
    $\lim_{|x| \to +\infty} \varphi(x)$ ce qui est une condition nécessaire et suffisante pour dire que $\varphi \in S(\R)$

    Si seulement :-D
  • Oui une fonction à décroissance rapide veut dire que sa limite à l'infini vaut 0.
    La définition d'une fonction $S$ dit ceci: $\psi \in C^\infty$ et pour tout polynôme $P$ et tou multi indice $\alpha$, il existe une constante $C$ telle que $||P. D^\alpha \psi||_{L^\infty} \leq C$ donc $|D^\alpha \psi(x)| \leq \dfrac{C}{P(x)} \to 0$ quand $x \to +\infty$.
    Ou bien la condition $\lim_{|x| \to +\infty} \psi(x) dx$ est une condition suffisante et non nécessaire pour dire que $\psi \in S$?
  • Tu penses vraiment que si une fonction tend vers 0 en l'infini alors toutes ses dérivées sont à décroissance rapide ?
  • Ah c'est mon erreur! Oui c'est vrai. Alors la condition nécessaire et suffisante pour qu'une fonction $\psi$ soit dans $S(\R^n)$ et que $\lim_{|x| \to +\infty} |D^{\alpha} \psi(x)|=0$ pour tout $\alpha \in \N^n$.
    Dans mon exemple, $\psi(x) = e^{-x^2} \in S(\R)$ si et seulement si $\lim_{|x| \to +\infty} e^{-x^2}=0$ et $\lim_{|x| \to +\infty} |\psi'(x)|= \lim_{|x| \to +\infty} |-2x e^{x^2}|=0$ et en général, pour tout $\alpha \in \N$ on a $\lim_{|x| \to +\infty} |\psi^{(\alpha)}(x)|= \lim_{|x| \to +\infty} |P(x) e^{-x^2}|=0$ car l'exponentielle est plus rapide que n'importe quel polynôme. On conclut que $\psi(x)= e^{-x^2} \in S(\R)$. Vous êtes d'accord avec mon raisonnement?
  • la condition nécessaire et suffisante pour qu'une fonction $\psi$ soit dans $S(\R^n)$ et que $\lim_{|x| \to +\infty} |D^{\alpha} \psi(x)|=0$ pour tout $\alpha \in \N^n$.
    Pour la fonction $\psi(x) = e^{-x^2} \in S(\R)$ si et seulement si $\lim_{|x| \to +\infty} e^{-x^2}=0$ et $\lim_{|x| \to +\infty} |\psi'(x)|= \lim_{|x| \to +\infty} |-2x e^{x^2}|=0$ et en général, pour tout $\alpha \in \N$ on a $\lim_{|x| \to +\infty} |\psi^{(\alpha)}(x)|= \lim_{|x| \to +\infty} |P(x) e^{-x^2}|=0$ car l'exponentielle est plus rapide que n'importe quel polynôme. On conclut que $\psi(x)= e^{-x^2} \in S(\R)$. Vous êtes d'accord avec mon raisonnement?
  • Non. La fonction $x\mapsto \frac{1}{1+x^2}$ a toutes ses dérivées qui tendent vers $0$ à l'infini, mais n'est pas dans $\mathbb{S}$
  • Tryss merci pour la réponse.
    1. Alors on ne peut pas déduire de la définition d'une fonction $S$ que la limite de toutes ses dérivées sont nulles à l'infini?
    $||P(x) D^{\alpha} \psi(x)||_{L^{\infty}} \leq C$ n'implique pas que $|D^{\alpha} \psi(x)| \leq \dfrac{C}{P(x)|}$ et puisque $\lim_{x \to +\infty} \dfrac{C}{P(x)}=0$ alors $\lim_{|x| \to +\infty} |\psi(x)|=0$?
    2. Sinon, en général comment on montre qu'une fonction est dans $S$? (à decroissance rapide)?
  • Je pense qu'on ne peut pas raisonnablement étudier les distributions tempérées si on ne fait pas la différence entre $A \Rightarrow B$ et $B \Rightarrow A$.
  • M'enfin biensur que je fais la différence entre condition nécessaire et suffisante!
    Donc $\lim_{|x| \to +\infty} \psi(x) =0$ est une condition suffisante pour dire que $\psi \in S$ mais pas nécessaire. On est d'accord?
  • Sauf qu'il s'agit d'une condition nécessaire mais pas suffisante...
  • Ok ok c'est compris. C'est une condition necessaire.
    A implique B veut dire que B est nécessaire à A
    B implique A veut dire que B est une condition suffisante pour avoir A.
    vous êtes d'acord? Tryss
  • Oui, et donc $f \in S$ implique que toutes ses dérivées tendent vers $0$, mais ça n'est pas parce qu'une fonction a toutes ses dérivées qui tendent vers $0$ qu'elle est dans $S$.

    Pour montrer que $f(x) = e^{-x^2} \in S$, il faut montrer que quelque soit le polynôme $P$ et $n \in \mathbb{N}$, $P(x) [D^nf](x)$ est borné (bref, la définition).
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