Doctorat de l Université de Cergy-Pontoise. Sylvain GOLENIA. Département de mathématiques. l Université de Cergy-Pontoise - PDF

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Doctorat de l Université de Cergy-Pontoise Méthodes algébriques dans l analyse spectrale d opérateurs sur les graphes et les variétés Sylvain GOLENIA Département de mathématiques Université de Cergy-Pontoise

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Doctorat de l Université de Cergy-Pontoise Méthodes algébriques dans l analyse spectrale d opérateurs sur les graphes et les variétés Sylvain GOLENIA Département de mathématiques Université de Cergy-Pontoise Site de Saint-Martin 2, avenue Adolphe Chauvin Cergy-Pontoise Cedex - France Thèse présentée en vue de l obtention du doctorat de l Université de Cergy-Pontoise Spécialité : Mathématiques Soutenue le 22 juin 2004 Jury : Vladimir GEORGESCU Directeur de thèse Christian GERARD Rapporteur François GERMINET Francis NIER Rapporteur Hans Henrik RUGH Avraham SOFFER L imagination, c est l art de donner vie à ce qui n existe pas, de persuader les autres d accepter un monde qui n est pas vraiment là. Paul Auster Moon palace Remerciements Je remercie tout d abord Vladimir Georgescu pour avoir accepté de diriger cette thèse et de m avoir consacré le temps nécessaire. Ses précieux conseils ont su m aiguiller et me permettre de grandir mathématiquement. Je remercie aussi Andrei Iftimovici pour toute l attention qu il m a dédiée, pour sa bonne humeur et surtout sa modestie. Je remercie Christian Gérard et Francis Nier qui ont accepté de rapporter cette thèse et permis, aux travers de leurs commentaires, d en améliorer le propos en plusieurs points. Je remercie aussi dynamiquement Hans Henrik Rugh et sûrement (ou presque!) François Germinet d avoir accepté dese joindre à mon jury. I would also like to warmly thank Avraham Soffer to have accepted to join my jury. Je tiens aussi à remercier toutes les personnes du département qui ont su donner couleurs et chaleur à ce lieu terni de craie et de Veleda ; je saluerais, en particulier, affectueusement tous mes petits camarades, thésards, anciens thésards et amis qui surent me faire oublier, l espace d un instant, le cours du temps qui passait. Je remercie enfin ma famille qui m a toujours soutenu et bien sûr mes amis de toujours Frédéric le gentil papa, Josselin et Renaud qui se sont toujours portés volontaires à mes côtés dans le creux de la vague, au coeur de la tempête. Wreszcie, chcȩ Ci powiedzieć, że myślȩ o Tobie, Justynka. Bardzo Ciȩ kocham. Sylvain Golénia Abstract : In this thesis, we use C -algebraical techniques aiming for applications in spectral theory. In the first two articles, in the context of trees, we adapt the C -algebra methods to the study of the spectral and scattering theories of Hamiltonians of the system. We first consider a natural formulation and generalization of the problem in a Fock space context. We then get a Mourre estimate for the free Hamiltonian and its perturbations. Finally, we compute the quotient of a C -algebra of energy observables with respect to its ideal of compact operators. As an application, the essential spectrum of highly anisotropic Schrödinger operators is computed. In the third article, we give powerful critera of stability of the essential spectrum of unbounded operators. We develop an abstract approch in the context of Banach modules. Our applications cover Dirac operators, perturbations of riemannian metrics, differential operators in divergence form. The main point of our approach is that no regularity conditions are imposed on the coefficients. Table des matières : Introduction i. Arbres, espaces de Fock et estimation de Mourre ix. Arbres, espaces de Fock, anisotropie et spectre essentiel xii. Stabilité du spectre essentiel, opérateur agissant sur des modules de Banach C -algebras of anisotropic Schrödinger operators on trees 1. Introduction 5. Trees and related objects 11. Operators in l 2 (Γ) 18. The main results Isometries, Fock spaces, and Spectral Analysis of Schrödinger Operators on Trees 25. Introduction 33. Number operator associated to an isometry 37. The Mourre estimate 45. A Fock space model 50. The anisotropic tree algebra 60. Appendix Quasilocal Operators and Stability of the Essential Spectrum 67. Introduction 72. Banach modules and quasilocal operators 82. Abstract compactness results 87. Pseudo-differential operators 92. Abstract riemannian manifolds 98. Weakly vanishing perturbations 110. Appendix Dans cette thèse, produit de techniques issues de la théorie des C - algèbres et de la théorie spectrale, nous établissons de nouveaux résultats concernant les propriétés spectrales d opérateurs agissant sur les arbres et divers critères concernant la stabilité du spectre essentiel d opérateurs nonbornés. Elle se compose de trois articles. Les deux premiers [Gol, GG1] traitent de la théorie spectrale et de la diffusion des opérateurs de Schrödinger sur un arbre et de sa généralisation naturelle aux espaces de Fock. Les problèmes abordés sont : la validité de l estimation de Mourre et la caractérisation du spectre essentiel d opérateurs anisotropes par des méthodes C -algébriques. L article [Gol] est par ailleurs accepté pour publication dans Annals of Henri Poincaré. Dans le troisième article [GG2], nous nous proposons une recherche de critères de stabilité du spectre essentiel pour des opérateurs agissant sur des modules de Banach. Les applications couvrent les opérateurs de Dirac, les perturbations de métriques riemanniennes, les opérateurs sous forme divergence et bien d autres. Outre son formalisme algébrique, ce travail est caractérisé par l absence de conditions de régularité dans les hypothèses. L introduction se découpera donc en trois parties : la première regroupera les liens entre arbres et espaces de Fock et nous permettra d exposer nos résultats relatifs à l estimation de Mourre, la seconde abordera le problème de l anisotropie de potentiels et enfin, dans la dernière, on dépeindra le fruit de notre formalisme dans la recherche de critères de stabilité du spectre essentiel. Notations : Pour H, K espaces de Banach, on notera par B(H, K ) l espace des applications linéraires continues de H dans K. Si H est égal à K, on notera tout simplement cet ensemble par B(H ). L ensemble des applications linéraires compactes sur H sera, quant à lui, noté K(H). Tous les espaces de Hilbert seront par la suite supposés complexes. Pour A opérateur auto-adjoint sur l espace de Hilbert H, on notera par D(A) son domaine, par σ(a) son spectre, σ ess (A) son spectre essentiel et par ρ(a) son ensemble résolvant. 1 Arbres, espaces de Fock et estimations de Mourre 1.1 Graphes et estimations de Mourre, généralités Un graphe est un couple Γ=(V, E),où V est un ensemble au plus dénombrable et E P 2 (V ), l ensemble des parties de V à deux éléments. On i dit que les sommets x, y Vsont voisins s ils sont reliés par une arête, i.e. {x, y} E. On le note alors par x y. On supposera par la suite que le nombre maximal de voisins possibles est fini et on identifiera Γ avec l ensemble de ses sommets V. Pour deux sommets x, y Γ, on appelle chemin de longueur n reliant x à y une suite de sommets x i tels que x 0 = x, x n = y et x i x i+1 pour i =0,...,n 1. La longueur minimale de ces chemins est appellé la distance de x à y, on la note d(x, y). Un graphe Γ est dit connexe si pour tous couples de sommets x, y Γ, un chemin relie x à y. Sous cette hypothèse, (Γ,d) est un espace métrique. Un chemin de longueur n 3 est appelé cycle s il relie x à lui-même et si les x i qui le composent sont deux à deux différents pour i =1,...,n. On appelle arbre un graphe connexe sans cycle. Soit ν N. Si le nombre de voisins est ν pour tous les sommets, l arbre est dit homogène. Si le nombre de voisins est ν pour tous les sommets sauf un, qui n a que ν 1 sommets voisins, l arbre est dit enraciné (en ce dernier point). Ce point est l origine de l arbre et sera noté e. Soit l espace de Hilbert complexe l 2 (Γ) = {f :Γ C x Γ f(x) 2 }, munit du produit scalaire f,g = x Γ f(x)g(x). Le Laplacien est l opérateur borné auto-adjoint agissant sur les f l 2 (Γ) donné par : ( f)(x) = y x(f(y) f(x)), (1.1) pour tous x, y Γ. On note par V (Q) l opérateur de multiplication sur l 2 (Γ) par la fonction V :Γ R et on appelle H := + V (Q) l opérateur de Schrödinger, l Hamiltonien libre et V le potentiel. Nous sommes intéressés par l étude des propriétés spectrales des opérateurs de Schrödinger sur les arbres et plus particulièrement, par la continuité absolue de la mesure spectrale et l absence de spectre singulier continu. Nous utiliserons donc, à ces fins, la méthode des opérateurs conjugués initiée par E. Mourre dans [Mou]. On lui connaît depuis 20 ans de nombreuses applications en mécanique quantique (problème à N-corps) et en théorie des champs. Une exposition complète et bien référencée de la théorie se trouve dans [ABG]. Dans ce qui suit, nous essayerons d en donner un bref aperçu. ii Soit H un opérateur auto-adjoint sur un Hilbert H et J un ouvert dont l adhérence est incluse dans le spectre σ(h) de H. Le but est de trouver un opérateur auto-adjoint A tel qu il existe α 0 et un opérateur compact K pour lequel l inégalité suivante (prise au sens des formes) soit satisfaite : E H (J)[H, ia]e H (J) αe H (J)+K. (1.2) Ici E H (J) est la mesure spectrale de H prise en J et le commutateur a un sens sous des hypothèses convenables sur le couple (H, A). Un tel A est dit conjugué à H sur J. L inégalité est dite stricte si K = 0. Une conséquence immédiate de (1.2) est l existence d un nombre au plus fini de valeurs propres de H dans J. SiK =0, il n y a aucune valeur propre dans J. Si de plus, H appartient à une certaine classe de régularité par rapport à A, notée C 1,1 (A), on montre que le spectre singulier continu de H dans l intervalle J est vide. Dans la pratique, on montre généralement l inégalité stricte pour un opérateur libre, ici, puis on procède de façon perturbative. On peut ainsi mettre en évidence une classe de potentiels V, -compacts (ici, compacts), tel que (1.2) soit satisfaite pour H = +V et pour le même A que. Pour trouver un opérateur A conjugué à, on procède généralement par tranformée de Fourier. Dans cette nouvelle représentation, devient alors un opérateur de multiplication ϕ(q) par une fonction ϕ que l on prend dans C 1 (R) pour fixer les idées. On choisit alors où P = id/dx et on obtient A ϕ := 1/2(ϕ (Q)P + Pϕ (Q)), (1.3) [ϕ(q),ia ϕ ]=ϕ (Q) 2 (1.4) qui est strictement positif en dehors des points critiques de ϕ. On choisit ensuite J en dehors de ces points critiques et en revenant dans la représentation initiale, par transformation de Fourier inverse, on obtient bien l inégalité de Mourre stricte pour sur J. L exemple le plus simple est celui du laplacien usuel sur L 2 (R). Il est défini comme l unique extension auto-adjointe de l opérateur défini par f = f pour f Cc (R). L opérateur conjugué obtenu est alors A =(PQ+ QP )/2 et on obtient [,ia]=2, donc on a un estimation de Mourre stricte sur J si J ]0, [. L analyse de Mourre appliquée aux graphes est encore naissante. Nous trouvons principalement deux références : [AlF] pour le cas des arbres et iii [BoS] pour celui de Z d. La deuxième référence est une application directe de la technique décrite plus haut. Dans le cas d un arbre homogène, dans [Sun] par exemple, on utilise une transformé de Fourier sphérique pour transformer le laplacien en un opérateur de multiplication. Cela permet de montrer la continuité absolue de la mesure spectrale de et aussi de donner le spectre du laplacien. Cette diagonalisation a cependant un défaut majeur : elle ne permet pas de donner une écriture explicite de l opérateur conjugué. Ce même problème se pose également dans le cas du demi-plan de Poincaré dans le cas continu. Cette difficulté peut être levée en se réduisant à l étude d arbres enracinés. Ainsi, dans [AlF], en étudiant des sous espaces invariants et en se ramenant ainsi à une étude unidimensionnelle, les auteurs sont capables de donner, explicitement cette fois, un opérateur conjugué à. Ils traitent aussi le cas où l on perturbe avec un potentiel de classe C 2 (A) (au sens de [ABG]) ce qui est un peu plus général que O(1/n 2 ) (n étant la distance sur le graphe jusqu à l origine). Dans [All], on traite aussi la question de la théorie de la diffusion. Dans [GG1], nous adoptons un point de vue différent qui nous permet de simplifier et de généraliser considérablement les résultats de [AlF, All]. Notre technique ne repose plus sur une étude de sous espaces invariants mais sur le fait que le laplacien s écrive, à facteur près, sous la forme =U + U où U est une isométrie totalement non unitaire. La perturbation V considérée est de classe C 1,1 (A) ce qui peut être vu, en première approximation, comme un potentiel en O(1/n 1+ε ) pour ε 0. Concernant l optimalitédurésultat, notons qu une décroissance du type O(1/n 1 ε ) permet l existence d un spectre ponctuel dense dans le spectre continu, voir [NaY]. 1.2 Arbres et espaces de Fock Si Γ est arbre enraciné, alors l 2 (Γ) peut être naturellement vu comme un espace de Fock à la Boltzmann (i.e. sans statistique). Nous devons, pour commencer, remarquer la structure de monoïde sousjacente à un arbre enraciné. En effet, soit A un ensemble constitué de ν éléments et soit Γ= n 0 A n, (1.5) où A n est le n-ième produit cartésien de A avec lui même. Pour n =0, A 0 iv est constitué d un seul élément e. On notera un élément x =(a 1,a 2,...,a n ) A n par x = a 1 a 2...a n. Si de plus, y = b 1 b 2...b m A m alors xy = a 1 a 2...a n b 1 b 2...b n A n+m avec la convention que xe = ex = x. Cela donne à Γ sa structure naturelle de monoïde. On remarquera que la structure de graphe est liée à celle de monoïde par : x y si et seulement s il existe a A tel que y = xa ou x = ya. Ainsi, Γ est donc bien un arbre enraciné en e tel que le nombre de voisins d un élément de Γ \{e} est ν +1. Quand ν =2, il s agit de l arbre binaire. Nous injectons Γ dans l 2 (Γ) en identifiant x Γ avec la fonction caractéristique de l ensemble {x}. Ainsi Γ devient la base orthonormale canonique de l 2 (Γ). En particulier, les combinaisons linéaires d éléments de Γ sont bien définies dans l 2 (Γ). Par exemple, a A a appartient bien à l 2 (Γ) et à pour norme ν. Grâce à la structure de monoïde de Γ, chaque élément v du sous espace linéaire engendré par Γ dans l 2 (Γ) définit deux opérateurs bornés λ v et ρ v sur l 2 (Γ), les opérateurs de multiplication à droite et à gauche par v. On voit alors facilement que si v = a A a alors l operateur adjoint ρ v agit comme suit : si x Γ alors ρ vx = x,où x est l unique élément de Γ tel que x = x a pour un certain a A, six Γ \{e}, etx =0si x = e. Ainsi, le laplacien défini par (1.1) peut se réécrire par: =ρ v + ρ v + e (ν +1). Pour la suite, nous n inclurons plus les termes e (ν +1)parce que e est une fonction Γ à support égal à {e}, et sera considérée dès lors comme faisant partie d un potentiel, et parce que ν +1est un réel, qui a donc une contribution triviale sur le spectre. Il est aussi agréable de renormaliser en remplaçant v par un vecteur de norme 1/2, ce qui revient à considérer v/(2 ν) au lieu de v = a A a. Nous expliquons maintenant comment passer des arbres aux espaces de Fock. Si A, B sont deux ensembles, nous avons l égalité (ou l isomorphisme canonique) l 2 (A B) =l 2 (A) l 2 (B). Ainsi, l 2 (A n )=l 2 (A) n si n 1 et l 2 (A 0 )=C. Alors, puisque l union dans (1.5) est disjointe, nous avons : l 2 (Γ) = l 2 (A n )= n=0 l 2 (A) n n=0 v qui est l espace de Fock construit sur l espace de Hilbert à une particule H = l 2 (A). Par conséquent, on est naturellement amenés à considérer le cadre abstrait d un espace de Hilbert complexe H et de l espace de Fock associé H : H = H n. (1.6) n=0 Le fait que H puisse être de dimension infinie n a pas importance ici. Nous la supposerons finie dans nos applications. Il n y a pas de vraie différence entre le modèle de l arbre et celui de l espace de Fock si ce n est le fait que le premier est plus géométrique et le deuxième plus algébrique. En fait, si H est un espace de Hilbert muni d une base orthonormée A Halors l arbre Γ associé à A peut s identifier de façon canonique à la base Hilbertienne de H donnée par les vecteurs de la forme: a 1 a 2 a n avec a k A. En d autres termes, la donnée d un arbre est équivalente à celle d un espace de Fock sur un espace de Hilbert de dimension finie muni d une certaine base orthonormale. Toutefois, ce choix d une base donne plus de structure à l espace de Fock : les notions de positivités, de localité intrinsèque à l espace l 2 (Γ) sont manquantes dans le modèle de Fock, il n y a pas non plus d analogue aux espaces l p (Γ), etc. Nos résultats montrent néanmoins que cette structure spécifique à l arbre n est pas indispensable pour les propriétés spectrale et de diffusion. Soit u Hun vecteur de norme 1 et soit U ρ u : H H defini par Uf = f u si f H n. Il est clair que U est une isométrie sur H, elle est en fait une isométrie totalement non-unitaire, i.e. s lim k U k =0. Ceci sera d ailleurs le point clef de notre approche. Nous nous intéresserons donc à l opérateur auto-adjoint : =Re U = 1 2 (U + U ). (1.7) Notre but sera donc d étudier les perturbations H = + V où les conditions sur V seront suggérées par la structure d espace de Fock de H. 1.3 Opérateur de nombre et estimation de Mourre Traduire le problème en termes d espace de Fock ne le résout pas pour autant. Nous nous proposons même de résoudre un problème plus général en fait : étant donné un isométrie U sur un espace de Hilbert, peut-on trouver vi un opérateur conjugué explicite et simple à sa partie réele? Peut-on aussi décrire simplement les perturbations autorisées? Si U est unitaire, il n y a pas d espoir d obtenir une solution générale à ce problème. En fait, pour la plus part des U, le spectre de est purement singulier continue. D un autre côté, si U est complètement non-unitaire, une construction simple et en un certain sens canonique pour un opérateur conjuguéà peut être menée. Soit U une isométrie sur un Hilbert H. On appelle opérateur de nombre associé à une isométrie U un opérateur auto-adjoint N sur H tel que UNU = N 1. Voici les exemples les plus simples d opérateurs de nombre. Exemple 1.1 Soit H = l 2 (Z) et (Uf)(x) =f(x 1). Si{e n } est la base orthonormale canonique de H alors Ue n = e n+1. Il suffit de définir N par la condition Ne n = ne n. En fait, n importe quel autre opérateur de nombre est de la forme N + λ pour un certain λ R. On a alors [N,U] =U au sense des formes sur le domaine D(N) de N. Exemple 1.2 Soit H = l 2 (N) et U définie précédement. Alors U e n = e n 1 avec e 1 =0, et soit P 0 = e 0 e 0, le projecteur orthogonal sur e 0. On obtient alors un opérateur de nombre en posant Ne n =(n +1)e n. Il est facile de voir que c est la seule possibilité. On remarquera aussi que H un espace de Fock construit sur un espace vectoriel de dimension 1. Il est ensuite facile de vérifier que, si S est la partie imaginaire de U, l opérateur A := (SN + NS)/2 vérifie [,ia]=1 2. (1.8) Nous obtenons ainsi une estimation de Mourre (stricte) sur [ a, a] pour chaque a ]0, 1[. L intuition derrière cette construction est immédiate. Dans les exemples 1.1 et 1.2 les opérateurs sont respectivement les laplaciens sur Z et N, les discrétisés du laplacien usuel, et S est un opérateur de dérivation, l analogue de P = i d sur R, alors il est naturel de chercher l analogue de l opérateur dx position Q et de A =(PQ+QP )/2. Il faut remarquer que nous n avons pas recours à une transformée de Fourrier comme dans [AlF] ou dans [BoS]. Dans le cas unitaire l existence de N est très restrictive. On montre alors que l étude de U se ramène à celle de l exemple 1.1. D autre part, un fait remarquable est que pour une isométrie complèteme
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