Une inégalité de grand crible simplifié

Bonsoir.
Je suis en train de faire un exercice guidé dont le but est de prouver l'inégalité suivante.

$\displaystyle \sum_{1 \leq m \leq Q } \sum_{\substack{a \pmod m\\ \mathrm{pgcd}(a,m)=1}} \bigg|\sum_{M < n \leq M+N} a_n e\big(\frac{an}{m}\big)\bigg| \leq \Delta \sum_{M< n \leq M+N} |a_n|^2$
où $Q$, $M$ et $N$ sont des entiers naturels fixés avec $N \geq 1$, $\Delta=2\pi N+Q^2$ et où $\forall z \in \C,\ e(z)=\exp(2i\pi z)$

Je dispose par ailleurs de la relation $\displaystyle f(x) \leq \frac{1}{\delta} \int_{x-\delta/2}^{x+\delta/2} |f(t)| dt+\frac{1}{2} \int_{x-\delta/2}^{x+\delta/2} |f'(t)|dt$ et ce pour tout $x$ réel et tout $\delta>0$ ainsi que $f$ lisse sur $[x+\delta/2,x+\delta/2]$

Puis en l'appliquant avec $x=a/m,\ m \leq Q,\ \mathrm{pgcd}(a,m)=1,\ \delta=Q^{-2}$ et $f(t)=\displaystyle \Big(\sum_{1 \leq n \leq N} a_n e(nt)\Big)^2$
et en remaniant un peu, j'obtiens
$\displaystyle\bigg|\sum_{1 \leq n \leq N} a_n e\big(n\frac{a}{m}\big)\bigg| \leq \Delta \int_{\frac{a}{m}-Q^{-2}/2}^{\frac{a}{m}+Q^{-2}/2} \bigg|\sum_{1 \leq n \leq N} a_n e(nt)\bigg|^2dt$

C'est la suite qui me pose problème, surtout que comme l'énoncé est en anglais et que la question 5 me semble avoir mal été tapée (il doit manquer un mot, à moins que cette impression ne me vienne que de mes lacunes en anglais).

La question qui suit me perturbe dans sa formulation et donc je préfère recopier intégralement les deux questions qui restent.

5. Observe that the intervals $(\frac{a}{m}-Q^{-2}/2, \frac{a}{m}+Q^{-2}/2)$ are pairwise disjoint for $m \leq Q$ and $a$ and $m$ coprime and

sum what was obtained in question 4 over $a$ and $m$

(la question 4 était celle qui disait d'appliquer la relation $\displaystyle f(x) \leq \frac{1}{\delta} \int_{x-\delta/2}^{x+\delta/2} |f(t)| dt+\frac{1}{2} \int_{x-\delta/2}^{x+\delta/2} |f'(t)|dt$ avec $x=a/m,\ m \leq Q,\ \mathrm{pgcd}(a,m)=1,\ \delta=Q^{-2}$ et $f(t)=\displaystyle \Big(\sum_{1 \leq n \leq N} a_n e(nt)\Big)^2$)

6. Conclude, using the Parseval identity and the Cauchy-Schwarz inequality.

Merci de bien vouloir m'éclairer.

Réponses

  • En sommant pour $1 \le m \le Q$ et $a \wedge Q=1$ à gauche on obtient ce qu'on veut et à droite on majore (en utilisant que les intervalles sont disjoints) par $\Delta \int_0^1 \left| \sum_n a_n e(nt) \right| ^2dt$. Puis on utilise que $\left| \sum_n a_n e(nt) \right| ^2=\sum_{m,n} a_n \overline{a_m} e(nt) \overline{e(mt)}$ et le fait que les $(e(n.))_{n \ge 0}$ forment une famille orthogonale dans $L^2([0,1])$.
  • Pour montrer que les intervalles sont deux à deux disjoints si a et m sont premiers entre eux, le problème n'est pas là,

    c'est surtout que je ne vois pas comment utiliser ce résultat ...
  • Ben la somme des intégrales de $f(t)$ prises sur des intervalles disjoints c'est l'intégrale prise sur l'union des intervales, n'est-ce pas?
  • Pour la majoration par l’intégrale entre 0 et 1, j'y avais aussi pensé mais si je calcule le maximum des $\frac{a}{m}+Q^{-2}/2$ avec $a$ et $m$ premiers entre eux et $m$ majoré par $Q$, je trouve $Q-1+Q^{-2}/2$ qui n'a aucune raison d'être majoré par 1

    (mais c'est là que je dois me tromper, de toute évidence et d'une façon tout à fait triviale et pourtant ça fait un bon moment que je bloque là-dessus)
  • On dirait bien que je suis en train de patauger dans une erreur ridicule qui m’échappe.
  • Vu que tu n'as pas précisé les bornes pour $a$ j'ai juste supposé que tout marchait bien.

    Edit: ah pardon je n'avais pas vu $a$ mod $m$.
  • Oui, je ne les ai pas précisé dans la formule en tête de mon premier message car c'est ainsi sur ma feuille.
  • On a $\frac1m \le \frac{a}m \le 1-\frac1m$. Et $m \le Q$ donc c'est bon non?
  • Mais je suppose que le deuxième symbole de sommation porte sur les toutes les classes d'équivalence modulo m avec a et m premiers entre eux.
  • Oui, tu peux remplacer la condition $a$ mod $m$ par $0 \le a \le m-1$ si tu préfères.
  • Ah ça y est, j'ai enfin compris ma c*n*erie !!

    J'ai perdu de vue que a restait toujours majoré par m, parce que, moi, ce que je faisait toujours bêtement,

    c'était d'écrire a/m avec a=Q-1 et m=1 afin de rendre a/m le plus grand possible

    (consterné ...)
  • Oui, c'est le genre d'erreur bête que l'on commet quand on essaye de faire des maths à trois heure du matin. Sur ces bonnes paroles, je vais me coucher, bonne nuit.
  • Merci !!
  • Cette forme de grand crible est due à Gallagher [1] (avec le facteur $2$ en moins, que l'on peut enlever au prix d'un effort un peu plus grand), et son intérêt réside dans la démonstration, bien plus simple que celle avec la meilleure constante $\Delta$ possible obtenue par Selberg quelques années plus tôt, et qui demande des mathématiques très pointues.

    À noter : il manque les modules sur $f(x)$ dans l'inégalité (due aussi à Gallagher) de la troisième ligne.

    Références.

    [1] P. X. Gallagher, The large sieve, Mathematika 14 (1967), 14--20.
  • Merci noix de totos !
  • Zut, je rencontre une autre difficulté.

    Afin d’obtenir la majoration de $f(\frac{a}{m})$ par $\Delta \displaystyle \int_{\frac{a}{m}-Q^{-2}/2}^{\frac{a}{m}+Q^{-2}/2} \Big|\sum_{1 \leq n \leq N} a_n e(nt)\Big|^2dt$

    j'avais cru que ça marchais en faisant la majoration suivante :

    $\displaystyle \frac{1}{2} \int_{x-\delta/2}^{x+\delta/2} |f'(t)|dt=\displaystyle \frac{1}{2} \int_{x-\delta/2}^{x+\delta/2} 2\displaystyle \Big(\Big|2i \pi\sum_{1 \leq n \leq N} n a_n e(nt)\Big|\Big) \Big(\Big|\sum_{1 \leq n \leq N} a_n e(nt)\Big|\Big)dt \leq 2 \pi \int_{x-\delta/2}^{x+\delta/2} \displaystyle \Big(\Big|\sum_{1 \leq n \leq N} Na_n e(nt)\Big|\Big) \Big(\Big|\sum_{1 \leq n \leq N} a_n e(nt)\Big|\Big)dt$

    avant de me rendre compte que je ne peux pas majorer les $n$ par $N$ comme ça ...

    Et pourtant, ça semblait marcher si bien, même si à la fin, je n'avais besoin pour conclure que de Parseval et plus du tout de Cauchy-Schwarz,

    ce qui me donnait quelques soupçons ...
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