Inégalité de Young pour la convolution

En mathématiques, l'inégalité de Young pour la convolution est le théorème d'analyse fonctionnelle suivant, démontré pour la première fois par William Henry Young en 1912^[1] :

Soient ${\displaystyle f}$ dans l'espace L^p de Lebesgue et ${\displaystyle g}$ dans L^q et

${\displaystyle {\frac {1}{p}}+{\frac {1}{q}}=1+{\frac {1}{r}}\quad {\text{avec}}\quad 1\leq p,q,r\leq \infty .}$

Alors le produit de convolution ${\displaystyle f\ast g}$ appartient à L^r et

${\displaystyle \|f\ast g\|_{r}\leq \|f\|_{p}\|g\|_{q}.}$

Démonstration^[2]

Notons ${\displaystyle q':={\frac {q}{q-1}}}$ l'exposant conjugué de ${\displaystyle q}$ (c.-à-d. que 1/q + 1/q' = 1) et ${\displaystyle h(x,y):=|f(x-y)|^{p/r}|g(y)|}$. Ainsi,

${\displaystyle |f(x-y)g(y)|=h(x,y)|f(x-y)|^{p/q'}}$

donc, d'après l'inégalité de Hölder,

${\displaystyle |f\ast g\left(x\right)|\leq \|h(x,\cdot )\|_{q}\|f(x-\cdot )^{p/q'}\|_{q'}=\|h(x,\cdot )\|_{q}\|f\|_{p}^{p/q'},}$

si bien que (en excluant le cas immédiat ${\displaystyle r=\infty }$)

${\displaystyle \|f\ast g\|_{r}\leq \|f\|_{p}^{p/q'}\left(\int \|h(x,\cdot )\|_{q}^{r}\,\mathrm {d} x\right)^{1/r}=\|f\|_{p}^{p/q'}\left(\int \left(\int h(x,y)^{q}\,\mathrm {d} y\right)^{r/q}\,\mathrm {d} x\right)^{1/r}.}$

Or d'après l'inégalité intégrale de Minkowski,

${\displaystyle \left(\int \left(\int h(x,y)^{q}\,\mathrm {d} y\right)^{r/q}\,\mathrm {d} x\right)^{q/r}\leq \int \left(\int h(x,y)^{r}\,\mathrm {d} x\right)^{q/r}\,\mathrm {d} y=\int \|f(\cdot -y)\|_{p}^{pq/r}|g(y)|^{q}\,\mathrm {d} y=\|f\|_{p}^{pq/r}\|g\|_{q}^{q}.}$

On peut ainsi conclure :

${\displaystyle \|f\ast g\|_{r}\leq \|f\|_{p}^{p/q'}\left(\|f\|_{p}^{pq/r}\|g\|_{q}^{q}\right)^{1/q}=\|f\|_{p}\|g\|_{q}.}$

Plus précisément^[3],[4], pour des fonctions sur ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$,

${\displaystyle \|f\ast g\|_{r}\leq c_{p,q}^{n}\|f\|_{p}\|g\|_{q}}$,

avec ${\displaystyle c_{p,q}:=A_{p}A_{q}/A_{r}}$ et ${\displaystyle A_{p}:={\sqrt {p^{1/p}/p'^{1/p'}}}}$ pour ${\displaystyle p,p'}$ conjugués (donc A₁ = 1 mais si p, q > 1 alors c_p,q < 1).

Notes et références

• Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article intitulé « Inégalité de Young » (voir la liste des auteurs).

1. (en) W. H. Young, « On the multiplication of successions of Fourier constants », Proc. Roy. Soc. Lond. Series A, vol. 87,‎ 1912, p. 331-339 (lire en ligne).
2. Suggérée par (en) René Erlín Castillo et Humberto Rafeiro, An Introductory Course in Lebesgue Spaces, Springer, coll. « CMS Books in Mathematics », 2016 (lire en ligne), p. 294.
3. (en) William Beckner (en), « Inequalities in Fourier analysis », Annals of Math., vol. 102,‎ 1975, p. 159-182 (JSTOR 1970980), Theorem 3.
4. (en) Elliott H. Lieb et Michael Loss (en), Analysis, coll. « GSM » (n^o 14), 2001 (1^re éd. 1997) (lire en ligne), p. 98-105.

Articles connexes

• Inégalité de Babenko-Beckner (en)
• Inégalité de Brascamp-Lieb (en)
• Théorème de Riesz-Thorin

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