Báo cáo toán học: "Sous-espaces invariants pour les contractions de classe C_{1.}, et vecteurs cycliques dans C_0(Z) " pdf

BEAUZAMY Soient E un espace de Hilbert complexe et J un opérateur linéaire continu de £ dans E, satisfaisant ’hypothése suivante, notée 2: Si Pon s’intéresse 4 la question non résolue

SOUS-ESPACES INVARIANTS POUR LES CONTRACTIONS

DE CLASSE C,., ET VECTEURS CYCLIQUES DANS C,(Z)

B BEAUZAMY

Soient E un espace de Hilbert complexe et J un opérateur linéaire continu de

£ dans E, satisfaisant ’hypothése suivante, notée (2):

Si Pon s’intéresse 4 la question (non résolue) de l’existence de sous-espaces invariants non triviaux pour JT, on peut supposer que pour tout z #0 de E, T"z —+>0 L’opérateur T est alors une contraction de classe C, (cette H->-+-00

terminologie est due a Sz.-Nagy—Foias [10})

Dans [2], nous plagant dans le cadre plus général des espaces de Banach, nous avons montré lexistence d’un sous-espace invariant non trivial (en abrégé S.LN.T.) pour un opérateur inversible satisfaisant (7), sous ’hypothése supple- mentaire suivante (‘‘condition de Beurling locale”):

Tl existe un point y # 0, une suite de réels p, > 1, vérifiant py.5., < Pm'Pn

1 ) VmneN, X | rs + oo, tels que Va EN, ||T~"yll < p,

Le S.LN.T obtenu étạt d’un type particulier, que nous avions baptisé “type fonctionnel” (car issu d’une fonction dont la série de Fourier était absolument convergente) Dans le cas de l’opérateur de multiplication par e sur L*(T), dont les sous-espaces invariants sont parfaitement connus (voir par exemple K Hoffmann [8]), la méthode de notre article [2] donne les sous-espaces de type “‘spectral’’, consti- tués des fonctions de L*°(T) s’annulant identiquement sur un ensemble de mesure positive; elle ne donne pas l’autre genre de S.I.N.T., qui est du type mH*, ó m est une fonction intérieure C’est précisément une méthode permettant, lorsqu’elle est appliquée 4 l’opérateur de multiplication par e'®, de retrouver les sous-espaces mH?, que nous allons étudier ici

L’exemple typique de contraction de classe C, ne satisfaisant pas 1) est celui d’un shift 4 poids sur /7(Z); c’est un opérateur défini par (notant (e,),ez la base canonique):

Te, = Win 5 avec:

Ww, = 1 sin 20

bộ = l4 sin< 0

Ce shift vérifie

Pour un opérateur vérifiant (#) et 2), nous avons montré dans [3] une propriété

de régularité de la suite des itérés (T’z),ez, z¢ £, plus faible que fa basicité au sens de Schauder Cette basicité permettrait de conclure que

3) Vzz#0, z¿span {Tz, T?z, .},

ce qui impliquerait évidemment l’existence d’un S.I.N.T Nous avons par ailleurs montré (Í4]) que lopérateur de shift a poids ci-dessus défini possédait précisément

la propriété 3)

Une propriété voisine de 3) a été obtenue, pour au moins un point z # 0 de E£, par Brown—Chevreau— Pearcy [5], sous des hypothéses de type spectral (par exemple lorsque le spectre de lopérateur contient une couronne: c’est le cas du shift que nous avons évoqué) Ils ont er ~Fet montré dans ce cas que l’on pouvait trouver x

et » dans E tels que

le point x ne peut donc étre dans span{Tx, T?x, .}

La description d’un S.I.N.T que nous allons donner peut étre considérée comme analogue de 4), utilisant, comme nous Vavions fait dans [2], un ‘“‘calcul fonctionnel asymptotique’’

Nous reprenons les notations de [2]: si fe #(T), f(0) == Yael’, avec

i€Z 3:4; < co, on note:

Pnlf KO = Yael? We (N= Yo aT", VmeZ

1 UNE DESCRIPTION DES SOUS-ESPACES INVARIANTS NON TRIVIAUX

PROPOSITION I Supposons qwil existe une fonction fe f(T) et deux points

x #0, y 40 dans E tels que

et

6) Vk>0, Q/„)/@), TH” yy —->.0

alors Taun S.LN.T

Démonstration Pour chaque k €N, considérons:

PF, = {2 E, Wal SQ), T"**2) —> 0} M—>+00

et

f= "Fy

KEN

Test clair que F est un sous-espace vectoriel, qu'il est fermé (car Wil ilop < Wiley Vr), quil n’est pas réduit a {0} (car il contient y par hypothése) Tl est évident que F est invariant par 7 Reste 4 voir que ce n’est pas Yespace entier Il suffit évidemment pour cela de trouver z tel que

(Wn fx), TZ) Mat > 0

On vérifie immédiatement que lim |[i,,(f)(x)!| existe Notons-la « Par

m+> +00 hypothése, « > 0 Soient

2

o2

£<S————, 4I/l„IxIẺ

et m, tel que

¥) ial <e

J< ng

(rappelons que les a; sont les coefficients de Fourier de f) Ona alors, Vk > 0:

lIT*#„ (f) ~ Win tk )llop < ¥ la;| < é

Solent uy == Vm (A) et z tel que ||T”» z — wạii < e On a, pour m > my:

CW a AV), TZ) = Wn NOP + ba AQ), T"- to — Wn A) +

+ nl AO), T™z — T™- uy»

Or Jl/„ŒXx)l? > #°,

Win SX), mm tạ — Wulf)! S IW n€ Fc) || - Tuy —

= Wn AOD S eilF thes (iP

et

CỨm(ƒ(X), T”z — TP Pu) ŠS 0+, TK TOM ugh ing S6 f2: Xi, đdó la proposition

REMARQUE Pour un shift à poids sur /3(2), la caractérlsation donnée par la proposition est satisfaite, avec, par exemple, f(0) = e®, x = e,, y = ey

Puisque Test de norme 1, les quantités )7"**y = Ty admettent, pour tout ke Z, une limite lorsque m— —oo Il en résulte que

lim T” *x,T"y) existe Vk eZ

iM» +00

Nous notons 4,(x, 7) (ou plus simplement 7,) cette limite

PRoposITION 2 Pour fe xf(T), x, » € E, la condition 6) équivaut a

JEZ

Démonstration ~ On a:

ul CI, THY) = YY gy (IMI x THEY) i>-

Mais, pour chaque j,k eZ, (T™:/x, T"** y) ——+ 2,_, Comme la suite (a;) est q m+ 00 Gok J

sommable, il est immédiat que 6) implique 7) La réciproque s’établit en

remarquant que:

1 Ya CT" x, T! yy) — Yay jJ>—Pi al <

< x Gj KL" x, TMT VY) Aji ¬ ,

Définissons un opérateur U, de E dans £, par ta formule

(xy, Uxe) = lim (Tx, T" Xe), WX, Xa € E

Mo Lo

On vérifie immédiatement que U est un opérateur de norme 1, autoadjoint, injectif et d'image dense (car, puisque T est Cy., (Ux, x) > 0, Vxe E) On a:

24,=<Tix, Uy) sij 20

et

A, = (x, U(T A y)) =: (Ux, TY) si jf < 0 (et 1; == (Tx, Ur) Vj eZ si T est inversible).

Ii en résulte que on peut supposer que Vx,yeE, 4,(%, y) FoR 0 En

F940

effet, si 2,(x, y) we 0 ou si A,(x, 1)—> 0, alors 7/x—=>0faiblementou 7?y—z+>0 faiblement, lorsque j > + co, et on peut alors conclure à lexistence dìun S.LN.T pour T

En effet, T est alors de classe C,,(V xe E, x #0, T’x —+>0 et T#" —> 0) et Vexistence d’un §.L.N.T a été démontrée par $z.-Nagy —Foias [10] Nous supposerons done désormais que la suite (A,)jez appartient 4 ¢)(Z)

Soit S le shift usuel de c,(Z): c’est l’opérateur défini par Se, = e,,, Vne Z PROPOSITION 3 Les conditions 7) signifient que 4 = (A) jez West pas un élément cyclique pour le shift S de ¢(Z)

Démonstration Notons a = (aj)jez On a aef(Z), et les équations 7) signifient exactement que, dans la dualité cy, 7}:

8) <a, S" Dee, ol = 0 Vn>0,

ce qui est trivialement équivalent au fait que les (S"2),>0 n’engendrent pas c,(Z)

Nous avons donc obtenu le théoréme suivant:

THEOREME 1 Soit T une contraction de classe C, sur un espace de Hilbert Lune des trois conclusions suivantes est vraie :

a) Il existe une fonction f € of(T), non identiquement nulle, telle que

Ứ„(/X>) mẻ 0 VxeE

b) Pour tous points x,yE E(x #0,y #0), la suite (A(x, y)nez est dans C,(Z) et est un vecteur cyclique pour le shift usuel de c,(Z)

c) T aun sous-espace invariant non trivial

Si le cas a) se produit, nous dirons que T vérifie une équation fonctionnelle asymptotique (en abrégé E.F.A.), de fonction f

2 EQUATIONS FONCTIONNELLES ASYMPTOTIQUES

L’exemple le plus évident d’opérateur vérifiant une E.F.A est celui de la pro- jection sur un sous-espace fermé: pour la fonction f= 1 — e®, onaw,,(f)(x) = 0

Vx, sim 2 0

A Vopposé, le shift usuel sur /°(Z) ne vérifie aucune E.F.A.: soit f= DY aye’? ;

JEZ

supposons que w,,(f)(e,) mở 0, on aurait alors ¥ đ/2;+„p———> 0, donc pon 7"J+m m->-+-œ ,

jpim Heo

La notion d’E.F.A doit étre rapprochée de l'étude, faite par A Atzmon [lI] des opérateurs qui sont annihilés par une fonction analytique: il y a des analogies entre ces deux questions

Proposivion 4 L’ensemble des fonctions f pour lesquetles T satisfait une E.F.A

de fonction f constitue un idéal fermé propre de f(T)

Démonstration Cet ensemble ne contient pas f(0) == e!”, puisque T est C,

Il est clairement fermé Le fait que ce soit un idéal résulte du lemme qui suit: LEMME Si uv et v sont deux fonctions de f(T),

Dm nv’ (0) ~ @„() @„ (0) „ — 0

lorsque m et nm’ > -r CO

Démonstration du lemme Soient => Xuy€*?, vo Yo e”, w= w=

= Viw,e On a:

‡

“ Ht

(nl) + Ye mel? k<-.m )o 0 uc @(00) c3 w,etmH, Lec

Dot:

@„(1)- b— @„(Ð) = 3 ue “My + ` wel

ks:- 1H i-<-m

et donc:

@„(0)e'"'?p— eure @„(u0) = ` tụ, eitk 1+ H/)0 D+ ` wel mG

k< m }<—m

Or

elon _ P (0) = » vj, eden

isan’

et

—(mtarjy<eis—im

et l’on obtient donc:

li@„() @„(ĐÐ) —— Œm- mv (Uv) 1 ŠS TH og ni + 2 > Wp Holy k » lưyi;

< —HI <—fi

d’ot! le lemme découle immédiatement

Nous ne savons pas si toute contraction de classe C, vérifiant une E.F.A posséde nécessairement un S$.I.N.T Si la fonction f intervenant dans I°E.F.A vérifie,

pour un certain r: > 0,e'"®ƒ#e H®, alors 7 a un vecteur propre Plus générale- ment, si 7 est complétement non unitaire, la fonction fne peut étre quelconque: THEOREME 2 Soit fe A(T) telle que Vidéal fermé engendré par f contienne une fonction de sf non identiquement nulle

Si T est complétement non unitaire, Tne peut satisfaire d’E.F.A de fonction f Démonstration Rappelons que Vidéal fermé engendré par ƒ est Fadhérence

de Vensemble {f:g,g¢%¢} On suppose donc qu’il existe he@,, non identiquement nulle, et une suite (g,)nen de fonctions de s#, telles que /z,

dans 0

Deux cas peuvent se produire :

—ou bien ¥ XW lx) ——».0 Mais commehe /., WlM)(x)=T"( SA; T x)

On sait que Vz #0, T”- —z>0:ilen résue que Vxve £, Ÿ` hT/x = 0 Ceci Himy - OO

N=» 4-00 > h

520

signifie que HhỨ)=0, et T est une contraction de classe Cy; si T est complétement non unitaire, cect contredit Tz s Ô [8]

—>-¡-OC

— Ou bien, et c’est ce que nous supposerons désormais, il existe un point Xo tel que ¥,,(4)(%9) +> 0 On peut alors trouver « >O tel que l|„()(xe)Ìl> ø Vm Soit ny tel que WF8n,— My < 2/4 D’aprés Je lemme, il existe mm, > 0 tel que Vm,im' > m,,

ut

II Ont) Pm’ (Sng) — Ome im (8m) tự <Š g/4

et donc

II Pull) Pu'(Sn,) T— Pine mf) lle < z/2 *

fl en résulte que:

lứ„(6,„) ° Wn SX) — Wn mA) |! < #/2 ?

et donc

n VY m'(Sn,) ° mC P(X)! > %/2 >

Pot Wal f%) |) = ø/2 Su, ther » Ce qui contredit w,,(f)(x) — 0 VxeEF; ce

second cas doit donc étre éliminé

Le fait que Pidéal fermé engendré par f contienne une fonction de 9 non identiquement nulle est lié aux propriétés géométriques de l’ensemble des zéros de /: COROLLAIRE Soit Z(f) ensemble des zéros de la fonction f Si Z(f) est un ensemble de synthése harmonique de type ZA., et si T est complétement non unitaire, T ne satisfait pas d’E.F.A de fonction f

Đêmonsirafion Sĩ Z(ƒ) est una ensemble de synthèse, Pidéal fermé engendrẻ par ƒ cọncide avec fz,;;, Vidéal des fonctions quis’annulent sur Z(ƒ)(voir W Rudin, [12]) Si Z(/) est de plus de type ZA , on peut (par définition) trouver une fonction

de x , non identiquement nulle, qui s'annule sur Z(/) Il suffit alors d’appliquer

le théoréme

3 VECTEURS CYCLIQUES POUR LE SHIFT USUEL DE c,(Z)

Dans ce paragraphe, nous nous plagons dans le cas ott T ne vérifie pas d’E.F.A.,

et nous examinons dans quelles conditions on peut trouver x et y tels que (<T*x, Uy))vez ne soit pas un élément cyclique pour le shift usuel de c)(Z) Par commodité d’écriture, nous supposerons T inversible

On peut introduire sur E la norme:

[x]l =_ lim (7”x;, Pi—>-+oo

qui provient du produit scalaire

[x, y] = (x, Uy) = lim (Tx, T”y)

ht» +00

T devient une isométrie, mais E n’est pas complet pour cette norme Avec ces nota- tions, on peut écrire 4,(x, y) = [T*x, y], ke Z

A un élément quelconque (&)cez €¢(Z), on associe la série de Fourier

¥) é,e'*°, qui converge au sens des distributions La somme de cette série, que nous KEZ

notons ¢, est une pseudo-fonction (voir J P Kahane [9]) On note PF l’ensemble des pseudo-fonctions et PF lVensemble de celles dont les coefficients de Fourier dindices négatifs sont nuls

On peut caractériser trés simplement sur la pseudo-fonction € le fait que la suite (€,)cez soit un élément cyclique de c,(Z) pour le shift usuel

Proposition 5 La suite (€,)xnez n'est pas cyclique pour le shift usuel de eZ)

si et seulement si il existe une fonction e f(T) non identiquement nulle telle que

wé appartienne ad PF,

Démonstration Supposons que (€,) ne soit pas cyclique: les itérés par S sont alors contenus dans un hyperplan, noyau d’une forme linéaire continue: il existe une suite (a,);ez de Z1 telle que:

j€Z Posons f,(0) = Nja_,e'" ; le produit f,-€ s’écrit:

Ag ~ (ia-;e Quá) ~ }Ơie-z eo) e”

et la formule 9) signifie que les coefficients de Fourier d’indices négatifs de f,-¢ sont nuls Donec f,-¢ ¢ PF Inversement si f,-¢ e PF, , on obtient 9), et (€xrez nest pas cyclique

Le fait que les itérés négatifs (T~* xp)sen aient des normes rapidement croissantes peut étre caractérisé par Phypothése suivante:

Sỉ ø(Ø) = ¥, y,;e'”" est une fonction de (T) telle que la série

JEZ

(@œ) 3; y;Tỉ xạ soit absolument convergente en un poiïnt xạ # 0, alors

JEZ

les zéros de gw sont de mesure nulle

En particulier, sil existe une suite ( > Pr, ncN de nombres réels vérifiant >1,

n

| man © Pm Py Vm, n, yy TẾ = + co et ||T""x,i] > P, Vn20, chaque fonction @ pour laquelle la série est absolument convergente a l’ensemble de ses zéros de mesure nulle (voir Y Domar [6]) C’est le cas, par exemple, d’un opérateur satisfaisant ||T-" xj] > C(x)4*ˆ, VøeN

Vn, p

PROPOSITION 6 On suppose que T vérifie (*) Soient x, #0, y, #0 Soient x= ) «Tx, y= XS Ty deux séries normalement convergentes dans E, de

sommes x #0, y # 0 Posons:

A9 = (4/)xez = ([TỶ xụ yel)xez

4 = (Àjk¿ez = ÑT*x,y]kxez

Si A° est cyclique pour le shift usuel de c,(Z), il en est de méme de A

Démonstration Puisque les séries sont normalement convergentes, on a

a fortiori }) |a;| < +00 et ¥} (f,| < + oo Par ailleurs :

[T*x, y] = » %8, [T*ti xy, TỶ mị = » 1B, Ât+j— :

Posons (0) = 3) a_j;e/?, (0) = VY Be” Ce sont des fonctions de (T) jez 1Ez

Si A®, A désignent les pseudo-fonctions associées a 2°, A, le produit ~,-A°-@, est une pseudo-fonction dont le k*™® coefficient de Fourier (k ¢ Z) vaut

» %_/j_Ãã-j— = YB ARs jr = [T* x, YI

et donc A = @,-A®- pe.

Si maintenant A n’est pas cyclique, on peut trouver tý e «⁄(T) non iđentique- ment nulle, telle que WA ePE Mais alors @¡@s⁄40°e PF* L’ensemble des zéros

de ~,-@, est de mesure nulle, donc ý@;@; nˆest pas identiquement nulle Ceci prouve

la proposition

Cette proposition montre qu’on ne peut rien “‘gagner’”, dans le cas qui nous intéresse, en partant d‘un couple (x, , 44) arbitraire et cherchant des points convena- bles x et y sous la forme de séries normalement convergentes des T*xy, T*)'y (k € Z) Nous allons maintenant nous intéresser a4 la structure de l’ensemble des ((T*x, kez, dans ¢,(Z)

PROPOSITION 7 Si T ne vérifie aucune E.F.A., pour chaque y # 0, l'ensemble U[T*x, kez, x € E} est dense dans c((Z)

Démonstration Supposons au contraire que, pour un 1, # 0, cet ensemble ne soit pas dense Comme c’est un s.e.v il est alors contenu dans un hyperplan fermé:

on peut trouver une suite (a,)je¢z dans /(Z) telle que

» aj[T? x, xạ) =0 VxeE,

Jẽ

et donc

3 2T Jyạ, x] =0

J€Z

En posant 6; = a —-j? on obtient :

b{T! yo, x] == 0

JEZ

Sion pose f(0) -= ¥) b,e'” on obtient, d’apris la proposition 2 Chill) Ôn),

ez Tx) m-> +00 > 0, pour tout xe E

Mais ona vu (prop 1) quesi W,,( 1) i, 0, on pouvait trouver x tel que

‹Ù„(ƒf)*u, T”x) 2, 0 Ceci prouve la proposition

m+

La caractérisation donnée par la proposition | permet d’obtenir du méme coup des S.LN.T pout T 1:

PROPOSITION 8 Si J’ ne vérifie pas @’E.F.A et si on peut trouver Xy et Vy tels que ([T*x9, VoDeezne soit pas cyclique pour le shift usuel de c(Z), alors T ' a@ua S.IN.T

Đémonstration Supposons que 7T! nai pas de S.LN.T Solent

4 >- (Mx)kez € Co(Z), et € > 0 Soient xạ #0 et yụz£0 Puisque {([7^x, r])¿ez; X £ FE} est dense dans c,(Z), on peut trouver z)¢ Etelque Vk eZ: pty —[T*zZ, Voli <e/2