Croissance et ensemble nodal de fonctions propres du laplacien sur des surfaces

Abstract

Dans cette thèse, nous étudions les fonctions propres de l'opérateur de Laplace-Beltrami - ou simplement laplacien - sur une surface fermée, c'est-à-dire une variété riemannienne lisse, compacte et sans bord de dimension 2. Ces fonctions propres satisfont l'équation $\Delta_g \phi_\lambda + \lambda \phi_\lambda = 0$ et les valeurs propres forment une suite infinie. L'ensemble nodal d'une fonction propre du laplacien est celui de ses zéros et est d'intérêt depuis les expériences de plaques vibrantes de Chladni qui remontent au début du 19ème siècle et, plus récemment, dans le contexte de la mécanique quantique. La taille de cet ensemble nodal a été largement étudiée ces dernières années, notamment par Donnelly et Fefferman, Colding et Minicozzi, Hezari et Sogge, Mangoubi ainsi que Sogge et Zelditch. L'étude de la croissance de fonctions propres n'est pas en reste, avec entre autres les récents travaux de Donnelly et Fefferman, Sogge, Toth et Zelditch, pour ne nommer que ceux-là. Notre thèse s'inscrit dans la foulée du travail de Nazarov, Polterovich et Sodin et relie les propriétés de croissance des fonctions propres avec la taille de leur ensemble nodal dans l'asymptotique $\lambda \nearrow \infty$. Pour ce faire, nous considérons d'abord les exposants de croissance, qui mesurent la croissance locale de fonctions propres et qui sont obtenus à partir de la norme uniforme de celles-ci. Nous construisons ensuite la croissance locale moyenne d'une fonction propre en calculant la moyenne sur toute la surface de ces exposants de croissance, définis sur de petits disques de rayon comparable à la longueur d'onde. Nous montrons alors que la taille de l'ensemble nodal est contrôlée par le produit de cette croissance locale moyenne et de la fréquence $\sqrt{\lambda}$. Ce résultat permet une reformulation centrée sur les fonctions propres de la célèbre conjecture de Yau, qui prévoit que la mesure de l'ensemble nodal croît au rythme de la fréquence. Notre travail renforce également l'intuition répandue selon laquelle une fonction propre se comporte comme un polynôme de degré $\sqrt{\lambda}$. Nous généralisons ensuite nos résultats pour des exposants de croissance construits à partir de normes $L^q$. Nous sommes également amenés à étudier les fonctions appartenant au noyau d'opérateurs de Schrödinger avec petit potentiel dans le plan. Pour de telles fonctions, nous obtenons deux résultats qui relient croissance et taille de l'ensemble nodal.

In this thesis, we study eigenfunctions of the Laplace-Beltrami operator - or simply the Laplacian - on a closed surface, i.e. a two dimensional smooth, compact Riemannian manifold without boundary. These functions satisfy $\Delta_g \phi_\lambda + \lambda \phi_\lambda = 0$ and the eigenvalues form an infinite sequence. The nodal set of a Laplace eigenfunction is its zero set and is of interest since the vibrating plates experiments of Chladni at the beginning of the 19th century as well as, more recently, in the context of quantum mechanics. The size of the nodal sets has been largely studied recently, notably by Donnelly and Fefferman, Colding and Minicozzi, Hezari and Sogge, Mangoubi as well as Sogge and Zelditch.The study of eigenfunction growth is also an active topic, with the recent works of Donnelly and Fefferman, Sogge, Toth and Zelditch to name only a few.

Our thesis follows the work of Nazarov, Polterovich and Sodin and links growth and nodal sets of eigenfunctions in the asymptotic $\lambda \nearrow \infty$. To do so, we first consider growth exponents, which measure the local growth of eigenfunctions via their uniform norm. The average local growth of an eigenfunction is built by averaging growth exponents defined on small disks of wavelength like radius over the whole surface. We show that the size of the nodal set is controlled by the product of this average local growth with the frequency $\sqrt{\lambda}$. This result allows a function theoretical reformulation of the famous conjecture of Yau, which predicts that the size of the nodal set grows like the frequency. Our work also strengthens the common intuition that an eigenfunction behaves in many ways like a polynomial of degree $\sqrt{\lambda}$. We then generalize our results to growth exponents built upon $L^q$ norms. We are also led to study functions belonging to the kernel of Schrödinger operators with small potential in the plane. For such functions, we obtain two results linking growth and size of nodal sets.