Ce lemme est un résultat mathématique qui donne des informations sur le comportement asymptotique d'intégrales oscillantes du type
quand le paramètre réel tend vers l'infini. Il affirme que ce type d'intégrale à paramètre tend vers zéro avec un certain taux de décroissance minimal, relatif à la phase .
Énoncé du théorème
Théorème — Soit une fonction à valeurs réelles. On suppose que :
sur l'intervalle et monotone, ou
il existe un entier tel que sur .
Alors il existe une constante indépendante de et de telle que
On peut remarquer que l'hypothèse est superflue ; en effet, il est suffisant que soit de classe pour que le théorème reste vrai.
Principe
Bien que différents dans leur forme, le lemme de van der Corput et la méthode de la phase stationnaire reposent sur la même observation : les points stationnaires de la phase (c'est-à-dire ) influencent la décroissance de l'intégrale.
Pour comprendre cela intuitivement, on regarde la partie réelle de l'intégrale, à savoir
Cette quantité mesure l'aire située entre la courbe définie par la fonction et l'axe des abscisses. Il est clair que cette fonction, qui représente une onde, oscille de plus en plus rapidement quand le paramètre tend vers l'infini. Si l'on suppose que la dérivée de la phase ne s'annule pas, on peut dire naïvement que les oscillations de l'onde se comportent « de la même manière » à mesure que devient grand. Il en résulte que l'aire positive et l'aire négative ont tendance à s'annuler mutuellement, ce qui fournit la décroissance.
Supposons à présent qu'il existe un point stationnaire de la phase, à savoir . Alors dans un voisinage du point , l'onde n'oscille que très peu, la courbe est en un sens plus « plate » dans cette zone. Il suit que les oscillations se compensent moins rapidement dans ce voisinage quand le paramètre tend vers l'infini, ce qui a pour effet de ralentir la décroissance. Et le phénomène est d'autant plus marqué quand l'ordre du point stationnaire est élevé.
Preuve
Nous allons faire la preuve par récurrence. Pour cela supposons que les hypothèses du premier cas soient satisfaites. Puisque ne s'annule pas sur , nous avons
Puisque par hypothèse, nous avons
Ensuite, étant supposée monotone, sa dérivée possède alors un signe constant. Il vient
Ceci termine le cas .
On procède à présent par récurrence: on suppose que le cas est connu et on suppose sur . Désignons par le point où la fonction atteint son minimum. Distinguons deux cas:
Si alors on peut supposer sans perdre de généralité que . Alors par récurrence
pour tout .
Si alors on découpe l'intégrale comme suit :
où est un réel fixé suffisamment petit. On traite à présent chaque intégrale.
Pour tout , nous avons
L'hypothèse de récurrence implique ainsi
un travail tout à fait similaire fournit
La dernière intégrale se majore brutalement :
Pour conclure, nous posons : . Nous obtenons ainsi la majoration finale :
Si ou , il suffit de découper l'intégrale en deux parties et de refaire exactement le même travail.