Méthode de la phase stationnaire

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En mathématiques, la méthode de la phase stationnaire permet d'évaluer le comportement asymptotique d'une intégrale du type :

$I(\lambda) = \int_a^b f(x) e^{i \lambda g(x)} \, dx\,$

lorsque $\lambda\rightarrow +\infty$ . (avec $i 2 = - 1$ )

[modifier] Idée générale

Le comportement de l'intégrale est approché par son comportement au voisinage des bornes d'intégration mais aussi au voisinage du point où la phase $λ g (x)$ est stationnaire, c’est-à-dire pour les points $x_s\,$ tels que la dérivée de $g$ soit nulle, i.e. $g'(x_s) = 0\,$ .

Lorsqu'il existe un ou plusieurs points stationnaires, la contribution principale de l'intégrale sera donnée uniquement par l'expression approchée de l'intégrale au voisinage de ces points, lorsque $\lambda \to +\infty$ . L'erreur commise par cette méthode est de l'ordre de $O\left( 1/\lambda \right)\,$ dans la notation de Landau.

[modifier] Hypothèses

$f (x)$ et $g (x)$ sont des fonctions continues et dérivables (la dérivée de g est aussi continue) d'une variable réelle $x$ sur le segment $[a, b]$ , soit :

(i) $f \in \mathcal{C}[a,b]$

(ii) $g \in \mathcal{C}^2[a,b]$

[modifier] Cas de figure et résultats

plusieurs cas de figure peuvent être distingués :

$g (x)$ ne possède pas de points stationnaires sur $a \leq x \leq b$ . L'intégrale est alors approchée par intégration par parties successives :

$I(\lambda) = \frac{f(b)}{i \lambda g'(b)} e^{i\lambda g(b)} - \frac{f(a)}{i \lambda g'(a)} e^{i\lambda g(a)} + O\left(\frac{1}{\lambda^2}\right)\,$

$g (x)$ possède un seul point stationnaire $x s$ sur $a < x < b$

- Si $g''(x s) > 0$ :

$I(\lambda) = \sqrt{\frac{\pi}{2 \lambda g''(x_s)}}f(x_s) e^{i \lambda g(x_s)} e^{i \frac{\pi}{4}} + O\left(\frac{1}{\lambda}\right)\,$

- Si $g''(x s) < 0$ :

$I(\lambda) = \sqrt{\frac{\pi}{-2 \lambda g''(x_s)}}f(x_s) e^{i \lambda g(x_s)} e^{-i \frac{\pi}{4}} + O\left(\frac{1}{\lambda}\right)\,$

Remarque 1: En notant $σ = sgn(g''(x s))$ , les expressions précedentes peuvent être réduite à :

$I(\lambda) = \sqrt{\frac{\pi}{2 \lambda | g''(x_s)| }}f(x_s) e^{i \lambda g(x_s)} e^{i \sigma \frac{\pi}{4}} + O\left(\frac{1}{\lambda}\right)\,$

Remarque 2: Si $g (x)$ possède plusieurs points stationnaires sur $a < x < b$ , alors il convient de faire la somme des contributions de chacun des points stationnaires.

$g (x)$ possède un seul point stationnaire correspondant à la borne inférieure de l'intégrale $x s = a$

$I(\lambda) = \frac{f(b)}{i \lambda g'(b)} e^{i\lambda g(b)} + \frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{2 \lambda | g''(x_s)| }}f(x_s) e^{i \lambda g(x_s)} e^{i \sigma \frac{\pi}{4}} + O\left(\frac{1}{\lambda}\right)$

$g (x)$ possède un seul point stationnaire correspondant à la borne supérieure de l'intégrale $x s = b$

$I(\lambda) = -\frac{f(a)}{i \lambda g'(a)} e^{i\lambda g(a)} + \frac{1}{2}\sqrt{\frac{\pi}{2 \lambda | g''(x_s)| }}f(x_s) e^{i \lambda g(x_s)} e^{i \sigma \frac{\pi}{4}} + O\left(\frac{1}{\lambda}\right)$

Remarque 3: Cette approximation n'est pas valide lorsque le point stationnaire $x s$ approche de l'une des bornes de l'intégrale. Par exemple, si le point stationnaire varie et dépasse la borne supérieure, l'approximation devient discontinue selon la position du point stationnaire: inférieur, égal ou supérieur à la borne supérieure. Dans ce cas, il convient alors d'utiliser une approximation asymptotique uniforme, faisant intervenir les intégrales de Fresnel.

[modifier] Origine de la méthode

Cette méthode est dérivée de la méthode de Laplace. Lorsque l'intégration porte sur un domaine complexe (et non plus sur des bornes réelles), on utilise la généralisation complexe de cette méthode : la méthode du chemin de descente rapide ou la méthode du point col (ou du point selle).

[modifier] Références

N. Bleistein, R.A. Handelsman, Asymptotic Expansions of Integrals, Dover, 1986 [1975].
L.B. Felsen, N. Marcuvitz, Radiation and Scattering of Waves, IEEE-Wiley, 1994 [1972], chap. 4.
E.T. Copson, Asymptotic Expansions, Cambridge University Press, 1965.