Bourbaki

§ 5. Fonctions et ensembles mesurables

1. Définition des fonctions et ensembles mesurables

Définition 1

Soient X un espace localement compact, μ\mu une mesure sur X. On dit qu’une application f de X dans un espace topologique F est mesurable pour la mesure μ\mu (ou encore μ\mu-mesurable) si, pour toute partie compacte K de X, il existe un ensemble μ\mu-négligeable N ⊂K\subset K et une partition de K−NK - N formée d’une suite (finie ou infinie) (Kn)(K_n) d’ensembles compacts, tels que la restriction de f à chacun des KnK_n soit continue.

Il est clair que toute application continue de X dans F est mesurable.

On notera que si μ\mu et ν\nu sont deux mesures sur X telles que tout ensemble μ\mu-négligeable soit ν\nu-négligeable, alors toute fonction μ\mu-mesurable est aussi ν\nu-mesurable (cf. chap. V, § 5).

La déf. 1 se transforme en le critère suivant:

Proposition 1

Pour qu’une application f de X dans F soit mesurable, il faut et il suffit que, pour tout ensemble compact K ⊂X\subset X et tout nombre ε>0\varepsilon > 0, il existe un ensemble compact K1⊂KK_1 \subset K, tel que ∣μ∣(K−K1)≤ε|\mu|(K - K_1) \leq \varepsilon, et que la restriction de f à K1K_1 soit continue.

En effet, si cette condition est remplie, on peut définir par récurrence une suite d’ensembles compacts Kn⊂KK_n \subset K, deux à deux sans point commun, tels que ∣μ∣(K−(⋃i=1nKi))≤1/n|\mu|\left(K - \left( \bigcup_{i=1}^n K_i \right)\right) \leq 1/n, et que la restriction de f à chacun des KnK_n soit continue; le complémentaire par rapport à K de la réunion des KnK_n est alors négligeable (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 7), donc f est mesurable. Inversement, supposons qu’il existe un ensemble négligeable N ⊂K\subset K et une partition (Kn)(K_n) de K−NK - N formée d’ensembles compacts tels que la restriction de f à chacun des KnK_n soit continue; pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un entier nn tel que, si H=⋃i=1nKiH = \bigcup_{i=1}^n K_i, on ait ∣μ∣(K−H)≤ε|\mu|(K - H) \leq \varepsilon (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 7); l’ensemble HH est compact, les KiK_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) forment une partition finie de HH en ensembles compacts et la restriction de ff à chacun des KiK_i est continue; donc la restriction de ff à HH est continue.

Proposition 2

Soit* (Fn)(F_n) une suite d’espaces topologiques, et pour chaque nn, soit fnf_n une application mesurable de XX dans FnF_n. Pour tout ensemble compact K⊂XK \subset X et tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un ensemble compact K0⊂KK_0 \subset K tel que ∣μ∣(K−K0)≤ε|\mu|(K - K_0) \leq \varepsilon, et que la restriction à K0K_0 de chacune des fonctions fnf_n soit continue.

En effet, il existe pour chaque entier n≥1n \geq 1 un ensemble compact Kn⊂KK_n \subset K tel que ∣μ∣(K−Kn)≤ε/2n|\mu|(K - K_n) \leq \varepsilon/2^n, et que la restriction de fnf_n à KnK_n soit continue. L’ensemble K0=⋂n=1∞KnK_0 = \bigcap_{n=1}^\infty K_n est compact, les restrictions à K0K_0 de toutes les fonctions fnf_n sont continues, et comme K−K0K - K_0 est contenu dans la réunion des K−KnK - K_n, on a

∣μ∣(K−K0)≤∑n=1∞ε2n=ε. |\mu|(K - K_0) \leq \sum_{n=1}^\infty \frac{\varepsilon}{2^n} = \varepsilon.

Définition 2

On dit qu’une partie* AA de XX est mesurable si sa fonction caractéristique φA\varphi_A est mesurable.

En vertu de la déf. 1, il revient au même de dire qu’un ensemble mesurable AA est un ensemble tel que, pour tout ensemble compact KK, il existe un ensemble négligeable N⊂KN \subset K et une partition (Kn)(K_n) de K−NK - N formée d’une suite d’ensembles compacts, dont chacun est contenu dans K∩AK \cap A ou dans K∩∁AK \cap \complement A.

Cette définition donne aussitôt le critère suivant:

Proposition 3

Pour qu’un ensemble* AA soit mesurable, il faut et il suffit que, pour tout ensemble compact KK, A∩KA \cap K soit intégrable.

La condition est nécessaire parce que la réunion d’une suite d’ensembles intégrables AnA_n est intégrable lorsque ∑n∣μ∣(An)\sum_n |\mu|(A_n) est finie (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 8). La condition est suffisante parce que, pour tout ensemble intégrable BB, il existe un ensemble négligeable N⊂BN \subset B et une partition de B−NB - N en une suite d’ensembles compacts (§4§ 4, n° 6, cor. 2 du th. 4).

Corollaire 1

Les ensembles ouverts et les ensembles fermés sont mesurables.

En particulier l’espace XX tout entier est mesurable.

Corollaire 2

Si XX est métrisable, tout sous-ensemble souslinien AA de XX (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 6, n° 2) est μ\mu-mesurable pour toute mesure μ\mu sur XX.

En vertu de la prop. 3, il suffit de vérifier que tout ensemble souslinien relativement compact AA est μ\mu-intégrable. Or, AA est alors capacitable pour ∣μ∣∗|\mu|^* (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 6, n° 9, th. 5). Donc, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe une partie compacte KK de AA telle que ∣μ∣∗(A)≤∣μ∣∗(K)+ε=∣μ∣(K)+ε|\mu|^*(A) \leq |\mu|^*(K) + \varepsilon = |\mu|(K) + \varepsilon. Soit UU une partie ouverte relativement compacte de XX contenant AA et telle que

∣μ∣(U)=∣μ∣∗(U)≤∣μ∣∗(A)+ε. |\mu|(U) = |\mu|^*(U) \leq |\mu|^*(A) + \varepsilon.

Alors ∣μ∣∗(U−K)=∣μ∣(U)−∣μ∣(K)≤2ε|\mu|^*(U - K) = |\mu|(U) - |\mu|(K) \leq 2\varepsilon, donc ∣μ∣∗(A−K)≤2ε|\mu|^*(A - K) \leq 2\varepsilon, ce qui prouve que AA est μ\mu-intégrable (§4§ 4, n° 6, cor. 1 du th. 4).

2. Principe de localisation. Ensembles localement négligeables

Proposition 4 (principe de localisation)

Soit ff une application de XX dans un espace topologique FF. On suppose que pour tout x∈Xx \in X, il existe un voisinage intégrable VxV_x de xx, et une application mesurable gxg_x de XX dans FF telle que f(y)=gx(y)f(y) = g_x(y) presque partout dans VxV_x. Alors ff est mesurable.

En effet, soit KK un ensemble compact ; il existe un nombre fini de points xi∈Kx_i \in K tels que les VxiV_{x_i} forment un recouvrement de KK. On en conclut aussitôt (§4§ 4, n° 9, lemme 1) qu’il existe un ensemble négligeable N⊂KN \subset K et une partition finie de K−NK - N formée d’ensembles intégrables MjM_j, tels que chacun des ensembles K∩VxiK \cap V_{x_i} soit réunion d’une partie de NN et d’un certain nombre des MjM_j, et que, dans chacun des MjM_j, ff soit égale à une des fonctions gxig_{x_i}. Or, pour chaque MjM_j, il existe un ensemble négligeable Nj⊂MjN_j \subset M_j et une partition de Mj−NjM_j - N_j formée d’une suite d’ensembles compacts KnjK_{nj} (n∈Nn \in \mathbf{N}) ; d’autre part, pour chaque KnjK_{nj}, il existe un ensemble négligeable Pnj⊂KnjP_{nj} \subset K_{nj}, et une partition de Knj−PnjK_{nj} - P_{nj} formée d’une suite d’ensembles compacts KmnjK_{mnj} (m∈Nm \in \mathbf{N}) telle que la restriction de ff à chacun des KmnjK_{mnj} soit continue. Comme la réunion de NN, des NjN_j et des PnjP_{nj} est négligeable, ff est mesurable.

La notion de fonction mesurable est donc une notion de caractère local.

Définition 3

On dit qu’un ensemble A⊂XA \subset X est localement négligeable (pour la mesure μ\mu) si, pour tout x∈Xx \in X, il existe un voisinage VV de xx tel que V∩AV \cap A soit négligeable.

En vertu du principe de localisation, tout ensemble localement négligeable est mesurable. Les propriétés des ensembles négligeables (§ 2) montrent que toute partie d'un ensemble localement négligeable est localement négligeable, et que toute réunion dénombrable d'ensembles localement négligeables est localement négligeable.

Proposition 5

Pour qu'un ensemble AA soit localement négligeable, il faut et il suffit que, pour tout ensemble compact KK, A∩KA \cap K soit négligeable.

La condition est évidemment suffisante puisque tout point de XX a un voisinage compact. Elle est nécessaire, car si, pour tout x∈Kx \in K, il existe un voisinage VxV_x de xx tel que A∩VxA \cap V_x soit négligeable, alors il existe un nombre fini de points xi∈Kx_i \in K tels que les VxiV_{x_i} forment un recouvrement de KK, et A∩KA \cap K est contenu dans la réunion des ensembles négligeables A∩VxiA \cap V_{x_i}.

Corollaire 1

Pour qu'un ensemble AA soit négligeable, il faut et il suffit qu'il soit localement négligeable et de mesure extérieure finie.

La condition est évidemment nécessaire. Inversement, si elle est vérifiée, AA est contenu dans un ensemble ouvert intégrable GG, réunion d'un ensemble négligeable NN et d'une suite (Kn)(K_n) d'ensembles compacts (§ 4, n° 6, cor. 2 du th. 4); comme A∩NA \cap N et les ensembles A∩KnA \cap K_n sont négligeables, il en est de même de leur réunion AA.

Corollaire 2

Tout ensemble ouvert localement négligeable est négligeable (et par suite contenu dans le complémentaire du support de μ\mu).

En effet, la mesure extérieure d’un ensemble ouvert G est la borne supérieure des mesures ∣μ∣(K)|\mu|(K) des ensembles compacts K⊂GK \subset G (§ 4, n° 6, cor. 4 du th. 4); si G est localement négligeable, on a ∣μ∣(K)=0|\mu|(K) = 0 pour tout ensemble compact K contenu dans G, donc ∣μ∣∗(G)=0|\mu|^*(G) = 0.

Corollaire 3

Dans un espace localement compact X dénombrable à l’infini, tout ensemble localement négligeable est négligeable.

En effet, X étant réunion d’une suite (Kn)(K_n) d’ensembles compacts, tout ensemble localement négligeable A est réunion des ensembles négligeables A∩KnA \cap K_n, donc est négligeable.

On peut donner des exemples d’espaces localement compacts non dénombrables à l’infini, et de mesures sur un tel espace X, tels qu’il existe dans X des ensembles localement négligeables et non négligeables (§ 1, exerc. 5).

Corollaire 4

Soit f une application de X dans un espace topologique F. Si l’ensemble N des points de discontinuité de f est localement négligeable, f est mesurable.

En effet, pour tout ensemble compact K⊂XK \subset X, K∩NK \cap N est négligeable (prop. 5), donc, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un ensemble compact K1⊂K−(K∩N)K_1 \subset K - (K \cap N) tel que ∣μ∣(K−K1)≤ε|\mu|(K - K_1) \leq \varepsilon (§ 4, n° 6, th. 4), et par hypothèse la restriction de f à K1K_1 est continue, d’où la conclusion.

Si P{x}P\{x\} est une propriété, la propriété « P{x}P\{x\} localement presque partout (par rapport à μ\mu) » est par définition équivalente à la propriété « l’ensemble des x tels que (x∈X(x \in X et non P{x})P\{x\}) est localement négligeable (pour la mesure μ\mu) ». Si F est un ensemble quelconque, la relation « f(x)=g(x)f(x) = g(x) localement presque partout » est une relation d’équivalence dans l’ensemble des applications de X dans F. En particulier, si F est un espace vectoriel, une application ff de X dans F telle que f(x)=0f(x) = 0 localement presque partout est dite localement négligeable. Nous-laissons au lecteur le soin d’établir pour ces notions la plupart des propriétés correspondant à celles qui ont été énumérées au § 2, n°s 4, 5 et 6 pour les fonctions égales presque partout. Nous nous bornerons à remarquer que si deux applications continues f,gf, g de X dans un espace topologique séparé F sont égales localement presque partout, elles sont égales presque partout en vertu du cor. 2 de la prop. 5 (et par suite égales en tout point du support de μ\mu (§2,no 4,§ 2, n^o\ 4, prop. 9)); d’autre part, nous expliciterons la proposition suivante, conséquence immédiate du principe de localisation:

Proposition 6

Soit f une application mesurable de X dans un espace topologique F. Toute application de X dans F, égale à f localement presque partout, est mesurable.

3. Propriétés élémentaires des fonctions mesurables

Théorème 1

Soient X un espace localement compact, μ\mu une mesure sur X, (Fn)(F_n) une suite d’espaces topologiques, F=∏nFnF = \prod_n F_n leur produit. Pour chaque indice n, soit fnf_n une application mesurable de X dans FnF_n, et soit f(x)=(fn(x))∈Ff(x) = (f_n(x)) \in F; pour toute application continue u de f(X)f(X) dans un espace topologique G, la fonction x→u(f(x))x \to u(f(x)) est mesurable.

En effet, pour toute partie compacte K de X et tout nombre ε>0\varepsilon > 0, il existe un ensemble compact K1⊂KK_1 \subset K tel que

∣μ∣(K−K1)≤ε, |\mu|(K - K_1) \leq \varepsilon,
et que les restrictions à K1K_1 de toutes les fonctions fnf_n soient continues (n° 1, prop. 2); il est clair que u∘fu \circ f est continue dans K1K_1, d’où le théorème.

Remarque 1

Le théorème ne s’étend pas à un produit quelconque d’espaces topologiques (exerc. 1).

Remarque 2

Si f est une application continue de X dans lui-même, g une application mesurable de X dans F, g∘fg \circ f n’est pas nécessairement mesurable (exerc. 2).

Corollaire 1

L’enveloppe supérieure et l’enveloppe inférieure d’un nombre fini de fonctions numériques mesurables (finies ou non) est mesurable.

En effet, sup⁡(u,v)\sup(u, v) et inf⁡(u,v)\inf(u, v) sont continues dans Rˉ×Rˉ\bar{\mathbf{R}} \times \bar{\mathbf{R}}.

Corollaire 2

Pour qu’une fonction numérique (finie ou non) soit mesurable, il faut et il suffit que f+f^+ et f−f^- le soient.

La condition est nécessaire d’après le cor. 1; elle est suffisante parce que l’image A de X par l’application x↦(f+(x),f−(x))x \mapsto (f^+(x), f^-(x)) dans Rˉ×Rˉ\bar{\mathbf{R}} \times \bar{\mathbf{R}} ne contient pas les points (+∞,+∞)(+\infty, +\infty) et (−∞,−∞)(-\infty, -\infty); par suite, l’application (u,v)↦u−v(u, v) \mapsto u - v est continue dans A.

Corollaire 3

Si ff et gg sont deux applications mesurables de XX dans un espace vectoriel topologique FF, f+gf + g et αf\alpha f sont mesurables (α\alpha scalaire quelconque).

L’ensemble des applications mesurables de XX dans un espace vectoriel topologique FF est donc un espace vectoriel.

Corollaire 4

Soit FF un espace vectoriel de dimension nn sur R\mathbf{R}, et soit (ek)1≤k≤n(e_k)_{1 \leq k \leq n} une base de FF. Pour qu’une fonction f=∑k=1nekfkf = \sum_{k=1}^n e_k f_k soit mesurable, il faut et il suffit que chacune des fonctions numériques fkf_k soit mesurable.

Corollaire 5

Soient FF, GG, HH trois espaces vectoriels topologiques et soit (u,v)↦[u.v](u, v) \mapsto [u . v] une application bilinéaire continue de F×GF \times G dans HH. Si ff est une application mesurable de XX dans FF, gg une application mesurable de XX dans GG, [f.g][f . g] est une application mesurable de XX dans HH.

En particulier, si ff est une application mesurable de XX dans un espace normé FF réel (resp. complexe) et gg une application mesurable de XX dans R\mathbf{R} (resp. C\mathbf{C}), gfgf est mesurable. Si FF est une algèbre normée, ff et gg deux applications mesurables de XX dans FF, fgfg est mesurable.

Corollaire 6

Si ff est une application mesurable de XX dans un espace normé FF, la fonction numérique ∣f∣|f| est mesurable.

4. Limites de fonctions mesurables

Théorème 2 (Egoroff)

Soient XX un espace localement compact, μ\mu une mesure sur XX, AA un ensemble dénombrable, F\mathfrak{F} un filtre sur AA ayant une base dénombrable, (fα)α∈A(f_\alpha)_{\alpha \in A} une famille d’applications mesurables de XX dans un espace métrisable FF. On suppose que lim⁡Ffα(x)=f(x)\lim_{\mathfrak{F}} f_\alpha(x) = f(x) existe dans le complémentaire d’une partie localement négligeable NN de XX. Dans ces conditions : 1° la fonction ff (prolongée de façon arbitraire dans NN) est mesurable ; 2° pour toute partie compacte KK de XX et tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un ensemble compact K1⊂KK_1 \subset K tel que ∣μ∣(K−K1)≤ε|\mu|(K - K_1) \leq \varepsilon, et tel que les restrictions des fαf_\alpha à K1K_1 soient continues et convergent uniformément vers ff dans K1K_1.

La première assertion résulte évidemment de la seconde, que nous allons démontrer. Il existe un ensemble compact K0⊂KK_0 \subset K tel que ∣μ∣(K−K0)≤ε/2|\mu|(K - K_0) \leq \varepsilon/2, et que les restrictions à K0K_0 de toutes les fonctions fαf_\alpha soient continues (n° 1, prop. 2). Soit (An)(A_n) une base dénombrable décroissante du filtre F\mathscr{F}; soit dd une distance sur FF compatible avec la topologie. Pour tout couple d’entiers n>0n > 0, r>0r > 0, soit Bn,rB_{n,r} l’ensemble des points x∈K0x \in K_0 tels que, pour au moins un couple d’indices α,β\alpha, \beta appartenant à AnA_n, on ait d(fα(x),fβ(x))≥1/rd(f_\alpha(x), f_\beta(x)) \geq 1/r; pour α\alpha et β\beta fixés, l’ensemble des x∈K0x \in K_0 tels que d(fα(x),fβ(x))≥1/rd(f_\alpha(x), f_\beta(x)) \geq 1/r est fermé dans K0K_0, donc compact; par suite, Bn,rB_{n,r} est réunion dénombrable d’ensembles compacts contenus dans K0K_0, donc est intégrable (§4§ 4, n° 5, prop. 6 et 8). Si l’on fixe rr, l’intersection de la suite décroissante des ensembles Bn,rB_{n,r} (n=1,2,…n = 1, 2, \ldots) est de mesure nulle, puisque fα(x)f_\alpha(x) tend presque partout vers f(x)f(x) dans K0K_0 suivant le filtre F\mathscr{F}; on a donc lim⁡n→∞∣μ∣(Bn,r)=0\lim_{n \to \infty} |\mu|(B_{n,r}) = 0 (§4§ 4, n° 5, cor. de la prop. 7), et il existe par suite un entier nrn_r tel que ∣μ∣(Bnr,r)≤ε/2r+2|\mu|(B_{n_r,r}) \leq \varepsilon/2^{r+2}. Soit BB la réunion (pour r=1,2,…r = 1, 2, \ldots) des ensembles Bnr,rB_{n_r,r}; BB est intégrable, et on a

∣μ∣(B)≤∑r=1∞∣μ∣(Bnr,r)≤ε/4 |\mu|(B) \leq \sum_{r=1}^\infty |\mu|(B_{n_r,r}) \leq \varepsilon/4
(§4§ 4, n° 5, cor. de la prop. 8). Soit CC le complémentaire de BB dans K0K_0; par construction, fα(x)f_\alpha(x) converge uniformément vers f(x)f(x) dans CC suivant le filtre F\mathscr{F}, et comme les restrictions des fαf_\alpha à CC sont continues, il en est de même de la restriction de ff à CC. Il suffit alors de prendre un ensemble compact K1⊂CK_1 \subset C tel que ∣μ∣(C−K1)≤ε/4|\mu|(C - K_1) \leq \varepsilon/4 pour satisfaire aux conditions de l’énoncé, puisque ∣μ∣(K−K1)=∣μ∣(K−K0)+∣μ∣(B)+∣μ∣(C−K1)≤ε|\mu|(K - K_1) = |\mu|(K - K_0) + |\mu|(B) + |\mu|(C - K_1) \leq \varepsilon.

Les conclusions du th. 2 ne subsistent plus nécessairement si FF n’est pas métrisable (exerc. 1). Si FF est métrisable et si l’ensemble AA n’est pas dénombrable, mais si le filtre F\mathscr{F} possède une base dénombrable, la première conclusion du th. 2 est encore valable; en effet, si (An)(A_n) est une base dénombrable de F\mathscr{F}, et αn\alpha_n un élément de AnA_n, ff est limite localement presque partout de la suite (fαn)(f_{\alpha_n}), donc est mesurable; mais la seconde conclusion du th. 2 n’est plus nécessairement valable (cf. exerc. 4).

Corollaire 1

Soit (fn)(f_n) une suite de fonctions numériques (finies ou non). Si les fnf_n sont mesurables, les fonctions sup⁡nfn\sup_n f_n, inf⁡nfn\inf_n f_n, lim sup⁡nfn\limsup_n f_n, lim inf⁡nfn\liminf_n f_n, sont mesurables.

En effet, la droite achevée Rˉ\bar{\mathbf{R}}, homéomorphe à un intervalle compact de R\mathbf{R}, est métrisable. La fonction sup⁡fn\sup f_n est limite simple de la suite croissante des fonctions gn=sup⁡n(f1,f2,…,fn)g_n = \sup^n (f_1, f_2, \ldots, f_n), qui sont mesurables (n° 3, cor. 1 du th. 1); de même, lim⁡n→∞sup⁡fn\lim_{n \to \infty} \sup f_n est limite simple de la suite décroissante des fonctions hn=sup⁡p≥0fn+ph_n = \sup_{p \geq 0} f_{n+p}, dont chacune est mesurable d’après ce qui précède. Enfin, comme inf⁡fn=−sup⁡(−fn)\inf f_n = -\sup(-f_n) et lim inf⁡fn=−lim sup⁡(−fn)\liminf f_n = -\limsup(-f_n), ces fonctions sont mesurables.

Corollaire 2

Les ensembles mesurables dans X forment une tribu (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 6, n° 3). En effet, si M et N sont mesurables,

φM∪N=φM+φN−φMφN \varphi_{M \cup N} = \varphi_M + \varphi_N - \varphi_M \varphi_N

et φM∩N=φM−φMφN\varphi_{M \cap N} = \varphi_M - \varphi_M \varphi_N sont mesurables en vertu du n° 3, th. 1. Si (Mn)(M_n) est une suite d’ensembles mesurables et M leur réunion, φM=sup⁡nφMn\varphi_M = \sup_n \varphi_{M_n} est mesurable en vertu du cor. 1 du th. 2. D’où le corollaire.

En particulier, comme les ensembles ouverts sont mesurables :

Corollaire 3

Les ensembles boréliens dans X (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 6, n° 3, déf. 4) sont μ\mu-mesurables pour toute mesure μ\mu sur X.

5. Critères de mesurabilité

Lorsque F est un espace vectoriel topologique, toute fonction étagée sur les ensembles mesurables (§4§ 4, n° 9, déf. 4), à valeurs dans F, est évidemment mesurable (n° 3, cor. 3 du th. 1); une telle fonction ff ne prend qu’un nombre fini de valeurs, et pour tout y∈Fy \in F, f−1‾(y)\overline{f^{-1}}(y) est mesurable. Plus généralement, soient F un espace topologique quelconque, ff une application de X dans F ne prenant qu’un nombre fini de valeurs distinctes aia_i (1≤i≤m1 \leq i \leq m); si les ensembles Ai=f−1‾(ai)A_i = \overline{f^{-1}}(a_i) sont mesurables, la fonction ff est mesurable. En effet, pour tout ensemble compact K, et pour chacun des ensembles Ai∩KA_i \cap K, il existe un ensemble négligeable Ni⊂Ai∩KN_i \subset A_i \cap K et une partition de Ai∩K∩CNiA_i \cap K \cap \mathbf{C} N_i formée d’une suite (Kin)(K_{in}) d’ensembles compacts ; comme K est la réunion des ensembles Ai∩KA_i \cap K, et que la restriction de ff à chacun des KinK_{in} est constante, donc continue, ff est mesurable. Par abus de langage, nous dirons qu’une application ff de XX dans FF est une fonction étagée mesurable si elle ne prend qu’un nombre fini de valeurs et si, pour tout y∈Fy \in F, f−1(y)f^{-1}(y) est mesurable.

Théorème 3

Pour qu’une application ff de XX dans un espace métrisable FF soit mesurable, il faut et il suffit que, pour tout ensemble compact K⊂XK \subset X, il existe une suite (gn)(g_n) de fonctions étagées mesurables, à valeurs dans FF, telle que gn(x)g_n(x) tende vers f(x)f(x) pour presque tout x∈Kx \in K.

La condition est suffisante, en raison du th. d’Egoroff et du principe de localisation. Montrons qu’elle est nécessaire : par hypothèse, il existe un ensemble négligeable N⊂KN \subset K et une partition (Km)(K_m) de K−NK - N formée d’ensembles compacts tels que la restriction de ff à chacun des KmK_m soit continue. Pour définir la suite (gn)(g_n), il suffit de procéder de la façon suivante : soit dd une distance compatible avec la topologie de FF; pour chaque KiK_i d’indice i≤ni \leq n, il existe une partition finie de KiK_i en ensembles intégrables assez petits AijA_{ij} (1≤j≤qi1 \leq j \leq q_i) tels que l’oscillation de ff dans chacun des AijA_{ij} soit ≤1/n\leq 1/n (§ 4, n° 9, lemme 1); on prendra gng_n constante dans chacun des AijA_{ij} et égale à une des valeurs de ff dans cet ensemble (pour 1≤i≤n,1≤j≤qi1 \leq i \leq n, 1 \leq j \leq q_i), et égale à un élément fixe a∈Fa \in F pour tout point de XX n’appartenant à aucun des AijA_{ij}. Il est clair que la suite (gn(x))(g_n(x)) converge vers f(x)f(x) en tout point de KK n’appartenant pas à NN.

Corollaire 1

Soit ff une application mesurable de XX dans un espace de Banach FF; pour tout ensemble compact K⊂XK \subset X, il existe une suite (gn)(g_n) de fonctions étagées mesurables, de support contenu dans KK, telles que ∣gn(x)∣≤∣f(x)∣|g_n(x)| \leq |f(x)| pour tout x∈Xx \in X et que gn(x)g_n(x) tende vers f(x)f(x) pour presque tout x∈Kx \in K.

Avec les notations de la démonstration du th. 3, et en désignant par aija_{ij} une des valeurs de ff dans AijA_{ij}, il suffira de prendre pour valeur de gng_n dans AijA_{ij}, le point 0 si ∣aij∣≤1/n|a_{ij}| \leq 1/n, et le point aij(1−1/(n∣aij∣))a_{ij}(1 - 1/(n|a_{ij}|)) dans le cas contraire; enfin, on prendra gn(x)=0g_n(x) = 0 dans le complémentaire de la réunion des Aij(1≤i≤n,1≤j≤qi)A_{ij} (1 \leq i \leq n, 1 \leq j \leq q_i).

Corollaire 2

Soit X un espace localement compact dénombrable à l’infini. Si f est une application mesurable de X dans un espace métrisable F, il existe une suite (gn)(g_n) de fonctions étagées mesurables, à valeurs dans F, telle que gn(x)g_n(x) tende vers f(x)f(x) pour presque tout x∈Xx \in X.

En effet, si X est réunion d’une suite croissante (An)(A_n) d’ensembles compacts, les ensembles An−An−1A_n - A_{n-1} non vides forment une partition de X en ensembles intégrables ; il existe par suite un ensemble négligeable N⊂XN \subset X et une partition de CN\mathbf{C}N formée d’une suite (Kn)(K_n) d’ensembles compacts, tels que la restriction de ff à chacun des KnK_n soit continue ; la démonstration du th. 3 peut alors se terminer sans modification.

Proposition 7

Soit f une application mesurable de X dans un espace topologique F ; l’image réciproque par f de tout ensemble fermé (resp. ouvert) dans F est mesurable.

Il suffit de faire la démonstration pour l’image réciproque fˉ−1(A)\bar{f}^{-1}(A) d’un ensemble A fermé dans F. Soit K une partie compacte de X ; il existe un ensemble négligeable N⊂KN \subset K et une partition (Kn)(K_n) de K−NK - N formée d’ensembles compacts tels que la restriction de ff à chacun des KnK_n soit continue. L’intersection Kn∩fˉ−1(A)K_n \cap \bar{f}^{-1}(A) est donc l’image réciproque de l’ensemble fermé A par la restriction de ff à KnK_n ; c’est par suite un ensemble fermé dans KnK_n, donc compact. L’ensemble K∩fˉ−1(A)K \cap \bar{f}^{-1}(A) est donc réunion de l’ensemble négligeable N∩fˉ−1(A)N \cap \bar{f}^{-1}(A) et des ensembles compacts Kn∩fˉ−1(A)K_n \cap \bar{f}^{-1}(A), ce qui prouve que fˉ−1(A)\bar{f}^{-1}(A) est mesurable.

Théorème 4

Soit F un espace métrisable, et soit d une distance sur F compatible avec la topologie. Pour qu’une application f de X dans F soit mesurable, il faut et il suffit qu’elle vérifie les deux conditions suivantes :

a) l’image réciproque par f de toute boule fermée de F est mesurable ;

b) pour tout ensemble compact K⊂XK \subset X, il existe une partie dénombrable H de F, telle que f(x)∈Hˉf(x) \in \bar{H} pour presque tout x∈Kx \in K.

La condition a) est nécessaire en vertu de la prop. 7 ; d’autre part, avec les notations du th. 3, on satisfait à la condition b) en prenant pour H l’ensemble dénombrable formé des valeurs de toutes les fonctions gng_n.

Montrons maintenant que les conditions a) et b) sont suffisantes. Soit K une partie compacte quelconque de X; il existe une partie négligeable N de K telle que f(K−N)f(K - N) soit contenu dans l’adhérence d’un ensemble dénombrable de points de F, que nous rangerons en une suite (an)(a_n). Soit An,pA_{n,p} l’ensemble des x∈K−Nx \in K - N tels que d(f(x),an)≤1/pd(f(x), a_n) \leq 1/p. Il résulte de la condition a) que An,pA_{n,p} est mesurable. Pour pp fixé, définissons par récurrence une suite d’ensembles Bn,p⊂K−NB_{n,p} \subset K - N en posant B1,p=A1,pB_{1,p} = A_{1,p} et Bn+1,p=An+1,p∩⋂k≤nC(⋃kAk,p)B_{n+1,p} = A_{n+1,p} \cap \bigcap_{k \leq n} C(\bigcup_k A_{k,p}); les Bn,pB_{n,p} sont mesurables et ceux qui ne sont pas vides forment une partition de K−NK - N. Soit gm,pg_{m,p} la fonction égale à aia_i dans l’ensemble Bi,pB_{i,p} pour 1≤i≤m1 \leq i \leq m, et égale à une constante b∈Fb \in F dans le complémentaire de la réunion de ces ensembles ; gm,pg_{m,p} est une fonction étagée mesurable ; lorsque mm croît indéfiniment, gm,pg_{m,p} converge simplement vers la fonction fpf_p égale à ana_n dans Bn,pB_{n,p} (n≥1n \geq 1) et à bb dans N∪CKN \cup C K, donc (th. 2) fpf_p est mesurable. Lorsque pp croît indéfiniment, fp(x)f_p(x) tend vers f(x)f(x) pour tout x∈K−Nx \in K - N, et vers bb pour x∈N∪CKx \in N \cup C K; la limite des fpf_p est donc mesurable, et le principe de localisation prouve que ff elle-même est mesurable.

Remarque 1

La condition a) seule ne suffit pas pour que ff soit mesurable (exerc. 7).

Remarque 2

Si la topologie de F admet une base dénombrable, la condition b) du th. 4 est automatiquement remplie pour toute application de X dans F. La démonstration prouve en outre qu’il suffit de supposer que les images réciproques par ff des boules fermées de rayon rationnel, dont le centre appartient à un ensemble dénombrable partout dense dans F, sont des ensembles mesurables.

Remarque 3

On peut remplacer l’hypothèse a) par la condition que l’image réciproque par ff de toute boule ouverte de F est mesurable.

Le cas des fonctions numériques (finies ou non) mérite une mention particulière :

Proposition 8

Soit D un ensemble dénombrable partout dense dans R\mathbf{R}. Pour qu’une fonction numérique (finie ou non) ff soit mesurable, il suffit (et il faut) que pour tout a∈Da \in D, l’ensemble des x∈Xx \in X tels que f(x)≥af(x) \geq a soit mesurable.

En effet, s’il en est ainsi, pour tout b∈Rˉb \in \bar{\mathbf{R}}, l’ensemble des xx tels que f(x)≥bf(x) \geq b est mesurable, comme intersection des ensembles (formant une famille dénombrable) des xx tels que f(x)≥af(x) \geq a, lorsque aa parcourt l’ensemble des points de D qui sont ≤b\leq b. L’ensemble des xx tels que f(x)<bf(x) < b est mesurable, comme complémentaire d’un ensemble mesurable. Enfin, si bb est fini, l’ensemble des xx tels que f(x)≤bf(x) \leq b est mesurable, comme intersection des ensembles des xx tels que f(x)<b+1/nf(x) < b + 1/n; et f−1(−∞)f^{-1}(-\infty) est mesurable comme intersection des ensembles des xx tels que f(x)<nf(x) < n, où nn parcourt Z\mathbf{Z}. Finalement, l’image réciproque par ff de tout intervalle fermé de Rˉ\bar{\mathbf{R}} est mesurable, comme intersection de deux ensembles mesurables, et le th. 4 s’applique.

On montrerait de même qu’il suffit que pour tout a∈Da \in D, l’ensemble des xx tels que f(x)>af(x) > a soit mesurable.

Corollaire

Toute fonction semi-continue inférieurement* (resp. supérieurement) est mesurable.

En effet, si ff est semi-continue inférieurement, l’ensemble des x∈X−x \in X^- tels que f(xˉ)≤af(\bar{x}) \leq a est fermé pour tout a∈Rˉa \in \bar{\mathbf{R}}.

La prop. 7 permet de préciser comme suit le th. 3 lorsque F est métrisable et compact :

Proposition 9

Si F est un espace métrisable et compact, toute application mesurable f de X dans F est limite uniforme (dans X tout entier) d’une suite de fonctions étagées mesurables*.

Soit dd une distance compatible avec la topologie de F. Pour tout entier nn, il existe un nombre fini de points ak∈Fa_k \in F tels que les boules fermées BkB_k de centre aka_k et de rayon 1/n1/n forment un recouvrement de F ; les ensembles Ak=f−1(Bk)A_k = f^{-1}(B_k) sont donc mesurables (prop. 7), et forment un recouvrement de X. Il existe par suite (§ 4, n° 9, lemme 1) une partition (Ci)(C_i) de X en un nombre fini d’ensembles mesurables telle que chacun des AhA_h soit réunion d’un nombre fini des CiC_i. Soient cic_i un point de CiC_i, et gng_n la fonction étagée mesurable égale à f(ci)f(c_i) dans CiC_i (pour chaque indice i). Il est clair que d(f(x),gn(x))≤2/nd(f(x), g_n(x)) \leq 2/n pour tout x∈Xx \in X.

Proposition 10

Soient F un espace de Banach de type dénombrable, F' son dual, (an′)(\mathbf{a}'_n) une suite faiblement dense dans la boule unité de F' (Esp.-vect.-top., chap.-IV,-§ 5; n° 1, prop.-2). Pour qu’une application f de X dans F soit mesurable, il faut et il suffit que pour tout n la fonction scalaire x↦⟨f(x),an′⟩x \mapsto \langle \mathbf{f}(x), \mathbf{a}'_n \rangle soit mesurable*.

La condition étant évidemment nécessaire (n° 3, th. 1), prouvons qu’elle est suffisante ; il suffit de vérifier la condition a) du th. 4, et pour cela, en vertu du principe de localisation, il suffit de prouver que pour toute partie compacte K de X et toute boule fermée B ⊂F\subset F, de centre aa et de rayon rr, l’ensemble A=K∩f−1(B)A = K \cap f^{-1}(B) est mesurable; or, pour tout z∈Fz \in F, on a

∣z∣=sup⁡n∣⟨z,an′⟩∣/∣an′∣; |z| = \sup_n |\langle z, a'_n \rangle| / |a'_n|;
A est donc l’intersection de KK et des ensembles définis par
∣⟨f(x),an′⟩−⟨a,an′⟩∣≤r∣an′∣; |\langle f(x), a'_n \rangle - \langle a, a'_n \rangle| \leq r |a'_n|;
comme ces ensembles sont mesurables par hypothèse, A est mesurable.

Corollaire 1

Soit F un espace de Banach. Pour qu’une application ff de X dans F soit mesurable, il faut et il suffit qu’elle vérifie les deux conditions suivantes: a) pour tout a′∈F′a' \in F', la fonction scalaire x↦⟨f(x),a′⟩x \mapsto \langle f(x), a' \rangle est mesurable; b) pour tout ensemble compact K⊂XK \subset X, il existe une partie dénombrable HH de F telle que f(x)∈H‾f(x) \in \overline{H} pour presque tout x∈Kx \in K.

La nécessité des conditions résulte du n° 3, th. 1 et du th. 4. Pour prouver que les conditions sont suffisantes, il suffit encore de vérifier la condition a) du th. 4. Avec les mêmes notations que dans la démonstration de la prop. 10, on peut (en vertu de b)) supposer, en modifiant au besoin ff dans un ensemble négligeable, que l’on a f(K)⊂H‾f(K) \subset \overline{H}, où HH est une partie dénombrable de F. Si V est le sous-espace vectoriel fermé de F engendré par l’ensemble H∪{a}H \cup \{a\}, V est un espace de Banach de type dénombrable et toute forme linéaire continue dans V est la restriction d’une forme a′∈F′a' \in F'; le même raisonnement que dans la prop. 10 montre alors que K∩f−1(B)K \cap f^{-1}(B) est mesurable.

Corollaire 2

Soient F un espace localement convexe métrisable de type dénombrable, F′F' son dual. Pour qu’une application ff de X dans F soit mesurable, il faut et il suffit que pour tout a′∈F′a' \in F', la fonction scalaire x↦⟨f(x),a′⟩x \mapsto \langle f(x), a' \rangle soit mesurable.

En effet, F peut être considéré comme un sous-espace d’un produit dénombrable ∏nEn\prod_n E_n d’espaces de Banach (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 4, n° 3), et l’on peut supposer que prn(F)\mathrm{pr}_n(F) est dense dans EnE_n, qui est donc de type dénombrable. Pour tout nn, l’application prn∘f\mathrm{pr}_n \circ f est alors mesurable en vertu de la prop. 10, donc ff est mesurable en vertu du n° 3, th. 1.

Proposition 11

Soit F un espace localement convexe, limite inductive d’une suite d’espaces localement convexes métrisables FnF_n de type dénombrable, F étant réunion des FnF_n. Soit F′F' le dual de F muni de la topologie faible σ(F′,F)\sigma(F', F). Pour qu’une application ff de X dans F′F' soit mesurable, il faut et il suffit que, pour tout a∈Fa \in F, la fonction scalaire x↦⟨a,f(x)⟩x \mapsto \langle a, f(x) \rangle soit mesurable.

La condition est nécessaire en vertu du n° 3, th. 1 ; prouvons qu’elle est suffisante. Supposons d’abord que F soit métrisable et de type dénombrable, et soit D un ensemble dénombrable dense dans F. Soit (Vn)(V_n) une suite fondamentale décroissante de voisinages ouverts convexes équilibrés de 0 dans F ; les ensembles polaires VnoV_n^o sont équicontinu et leur réunion est F′F' tout entier. Soit Xn=f−1(Vno)X_n = f^{-1}(V_n^o); la suite (Xn)(X_n) est croissante et X=⋃nXnX = \bigcup_n X_n; montrons que chacun des XnX_n est μ\mu-mesurable. En effet, D∩VnD \cap V_n est dense dans VnV_n; pour tout y∈D∩Vny \in D \cap V_n, soit SyS_y l’ensemble des x∈Xx \in X tels que ∣⟨y,f(x)⟩∣≤1|\langle y, f(x) \rangle| \leq 1; l’hypothèse entraîne que chacun des SyS_y est mesurable, et XnX_n est l’intersection de la famille dénombrable des SyS_y pour y∈D∩Vny \in D \cap V_n. Cela étant, pour toute partie compacte K de X et tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un entier nn tel que ∣μ∣(K−(K∩Xn))≤ε/4|\mu|(K - (K \cap X_n)) \leq \varepsilon/4, puis une partie compacte K1K_1 de K∩XnK \cap X_n telle que ∣μ∣((K∩Xn)−K1)≤ε/4|\mu|((K \cap X_n) - K_1) \leq \varepsilon/4; enfin, il existe une partie compacte K2K_2 de K1K_1 telle que ∣μ∣(K1−K2)≤ε/2|\mu|(K_1 - K_2) \leq \varepsilon/2 et que les restrictions à K2K_2 de toutes les fonctions ⟨y,f⟩\langle y, f \rangle, où y∈Dy \in D, soient continues (n° 1, prop. 2). Comme l’ensemble f(K2)⊂f(Xn)⊂Vnof(K_2) \subset f(X_n) \subset V_n^o est équicontinu, la topologie induite par σ(F′,F)\sigma(F', F) sur f(K2)f(K_2) est identique à la topologie de la convergence simple dans D (Top. gén., chap. X, 2e éd., § 2, n° 4, th. 1); par suite, la restriction de f à K2K_2 est continue, d’où notre assertion dans ce premier cas.

Passons au cas général. Si z′z' est une forme linéaire continue sur F, sa restriction zn′z'_n à FnF_n est continue; comme F=⋃nFnF = \bigcup_n F_n, le dual F′F' de F peut être identifié (algébriquement) à un sous-espace vectoriel du produit ∏nFn′\prod_n F'_n, et l’on a prn(z′)=zn′\mathrm{pr}_n(z') = z'_n. En outre, toute partie finie de F étant contenue dans l’un des FnF_n, la topologie σ(F′,F)\sigma(F', F) n’est autre que la topologie induite par la topologie produit des topologies σ(Fn′,Fn)\sigma(F'_n, F_n). Cela étant, si ⟨a,f⟩\langle a, f \rangle est mesurable pour tout a∈Fa \in F, il en est de même de ⟨an,prn∘f⟩\langle a_n, \mathrm{pr}_n \circ f \rangle pour tout nn et tout an∈Fna_n \in F_n, puisque ⟨an,prn∘f⟩=⟨an,f⟩\langle a_n, \mathrm{pr}_n \circ f \rangle = \langle a_n, f \rangle; la première partie de la démonstration montre donc que prn∘f\mathrm{pr}_n \circ f est mesurable pour tout nn, et il en est donc de même de ff (n° 3, th. 1).

6. Critères d’intégrabilité

Théorème 5

Pour qu’une application ff de XX dans un espace de Banach FF soit de puissance pp-ième intégrable (1≤p<+∞1 \leq p < +\infty), il faut et il suffit que ff soit mesurable et que Np(f)N_p(f) soit finie.

La condition est nécessaire : en effet, si f∈LFpf \in \mathscr{L}_F^p, il existe une suite (gn)(g_n) de fonctions continues à support compact qui converge presque partout vers ff (§3§ 3, n° 4, cor. 2 du th. 3); en vertu du th. 2 du n° 4, ff est mesurable.

Pour prouver que les conditions sont suffisantes, nous établirons d’abord un lemme :

Lemme 1

Soit gg une fonction à valeurs dans FF, telle que Np(g)<+∞N_p(g) < +\infty (autrement dit, une fonction de FFp\mathscr{F}_F^p). L’ensemble AA de points x∈Xx \in X tels que g(x)≠0g(x) \neq 0 est contenu dans la réunion d’un ensemble négligeable et d’une suite d’ensembles compacts.

En effet, soit AnA_n l’ensemble des points x∈Xx \in X tels que ∣g(x)∣≥1/n|g(x)| \geq 1/n; AA est réunion des AnA_n, et on a φAn≤n∣g∣\varphi_{A_n} \leq n|g|, d’où ∣μ∣∗(An)≤(nNp(g))p|\mu|^*(A_n) \leq (nN_p(g))^p; AnA_n est donc contenu dans la réunion d’un ensemble négligeable et d’une suite d’ensembles compacts (§4§ 4, n° 6, cor. 3 du th. 4); par suite, il en est de même de AA.

Ce lemme étant démontré, considérons d’abord le cas où ff a un support compact KK. D’après le cor. 1 du th. 3 du n° 4, il existe une suite (gn)(g_n) de fonctions étagées mesurables telles que

∣gn(x)∣≤∣f(x)∣ |g_n(x)| \leq |f(x)|

en tout point x∈Xx \in X, et que gn(x)g_n(x) tende presque partout vers f(x)f(x). Or, gng_n est combinaison linéaire de fonctions caractéristiques d’ensembles mesurables contenus dans KK; ces ensembles étant intégrables en vertu de la prop. 3 du n° 1, gng_n appartient à LFp\mathscr{L}_F^p. Comme Np(f)<+∞N_p(f) < +\infty, le th. de Lebesgue (§3§ 3, n° 7, th. 6) montre que ff appartient à LFp\mathscr{L}_F^p.

Dans le cas général, il résulte du lemme 1 qu’il existe une suite croissante (Kn)(K_n) d’ensembles compacts telle que f(x)f(x) soit nulle presque partout dans le complémentaire de la réunion des KnK_n. Soit fnf_n la fonction égale à f(x)f(x) dans KnK_n, et à 0 ailleurs ; fnf_n est mesurable en vertu du n° 3, cor. 5 du th. 1; comme ∣fn∣≤∣f∣|f_n| \leq |f|, fnf_n appartient à LFp\mathscr{L}_F^p en vertu de la première partie du raisonnement. Comme f(x)f(x) est presque partout égale à la limite de la suite des fn(x)f_n(x), le th. de Lebesgue prouve encore que f∈LFpf \in \mathscr{L}_F^p, ce qui achève la démonstration.

On aura soin de noter qu’une fonction localement négligeable mais non négligeable n’est pas intégrable; une fonction égale localement presque partout à une fonction intégrable n’est donc pas nécessairement intégrable.

Corollaire 1

Pour qu’un ensemble soit intégrable, il faut et il suffit qu’il soit mesurable et de mesure extérieure finie.

Corollaire 2

Soit (Fn)(\mathbf{F}_n) une suite d’espaces topologiques; pour chaque indice nn, soit fnf_n une application mesurable de XX dans Fn\mathbf{F}_n, et soit f(x)=(fn(x))∈F=∏nFnf(x) = (f_n(x)) \in F = \prod_n \mathbf{F}_n; soit enfin u\mathbf{u} une application continue de f(X)f(X) dans un espace de Banach GG. Pour que la fonction g(x)=u(f(x))g(x) = \mathbf{u}(f(x)) soit intégrable, il faut et il suffit que N1(g)<+∞N_1(g) < +\infty.

En effet, gg est mesurable (n° 3, th. 1).

Corollaire 3

Pour toute fonction intégrable ff et tout ensemble mesurable AA, la fonction fφAf \varphi_A est intégrable.

En effet, il résulte du th. 5 et du n° 3, cor. 5 du th. 1 que fφAf \varphi_A est mesurable, et on a N1(fφA)≤N1(f)N_1(f \varphi_A) \leq N_1(f).

On pose ∫Afdμ=∫fφAdμ\int_A f d\mu = \int f \varphi_A d\mu (ou ∫Afμ\int_A f \mu) pour toute fonction intégrable ff et tout ensemble mesurable AA. On écrit aussi ∫A∗fd∣μ∣\int_A^* f d|\mu| (ou ∫A∗f∣μ∣\int_A^* f |\mu|) au lieu de ∫A∗fφAd∣μ∣\int_A^* f \varphi_A d|\mu| pour toute fonction numérique (finie ou non) f≥0f \geq 0 (en posant f(x)φA(x)=0f(x) \varphi_A(x) = 0 si f(x)=+∞f(x) = +\infty et φA(x)=0\varphi_A(x) = 0).

Corollaire 4

Pour toute suite (fn)(f_n) de fonctions mesurables ≥0\geq 0 sur XX, on a

(1)

∫∗(∑nfn)d∣μ∣=∑n∫∗fnd∣μ∣. \int^* \left( \sum_n f_n \right) d|\mu| = \sum_n \int^* f_n d|\mu|.

Compte tenu du § 1, n° 3, th. 3, on est ramené à prouver que pour deux fonctions mesurables f≥0f \geq 0, g≥0g \geq 0 sur XX, on a

(2)

∫∗(f+g)d∣μ∣=∫∗fd∣μ∣+∫∗gd∣μ∣. \int^* (f + g) d|\mu| = \int^* f d|\mu| + \int^* g d|\mu|.

Ce n’est autre que l’additivité de l’intégrale lorsque ff et gg sont intégrables. Dans le cas contraire, si par exemple ff est non intégrable, on a ∫∗fd∣μ∣=+∞\int^* f d|\mu| = +\infty en vertu du th. 5; aa fortiori, on a ∫∗(f+g)d∣μ∣=+∞\int^* (f + g) d|\mu| = +\infty.

Corollaire 5

Pour toute suite (An)(A_n) d’ensembles mesurables deux à deux disjoints, on a

∣μ∣∗(⋃nAn)=∑n∣μ∣∗(An). |\mu|^*(\bigcup_n A_n) = \sum_n |\mu|^*(A_n).
Cela résulte du cor. 4 appliqué aux φAn\varphi_{A_n}.

7. Mesure induite sur un sous-espace localement compact

Soient X un espace localement compact, μ\mu une mesure sur X, Y un sous-espace localement compact de X. Comme Y est l’intersection d’un ensemble ouvert et d’un ensemble fermé dans X (Top. gén., chap. I, 3e éd., §9, n° 7, prop. 12), il est μ\mu-mesurable (n° 1, cor. de la prop. 3). Pour toute fonction g∈K(Y;C)g \in \mathscr{K}(Y; \mathbf{C}), soit g′g' la fonction définie dans X, égale à g dans Y et à 0 dans X − Y ; montrons que g′g' est μ\mu-intégrable. On peut se borner au cas où g est réelle et ⩾0\geqslant 0 (en écrivant g comme combinaison linéaire de telles fonctions); comme g′g' est bornée et à support compact, il suffit de montrer que g′g' est μ\mu-mesurable (n° 6, th. 5); mais cela résulte de ce que g′g' est semi-continue supérieurement dans X (n° 5, cor. de la prop. 8). On peut donc poser la définition suivante :

Définition 4

Etant donné un sous-espace localement compact Y d’un espace localement compact X, on appelle mesure induite sur Y par une mesure μ\mu sur X, et l’on note μY\mu_Y ou μ∣Y\mu|Y, la mesure définie par la formule

∫g dμY=∫g′ dμ \int g\, d\mu_Y = \int g'\, d\mu
pour toute fonction g∈K(Y;C)g \in \mathscr{K}(Y; \mathbf{C}), g′g' désignant la fonction égale à g dans Y et à 0 dans X − Y.

Exemple

Soient μ\mu la mesure de Lebesgue sur R\mathbf{R}, I un intervalle quelconque dans R\mathbf{R}; I est un sous-espace localement compact de R\mathbf{R} et la mesure induite par μ\mu sur I est la forme linéaire

g↦∫abg(x) dx g \mapsto \int_a^b g(x)\, dx
sur K(I;C)\mathscr{K}(I; \mathbf{C}), en désignant par aa et bb l’origine et l’extrémité (finies ou non) de I (cf. §4, n° 4, Exemple), autrement dit ce que nous avons appelé la mesure de Lebesgue sur I.

Lorsque Y est un sous-espace ouvert de X, la déf. 1 coïncide avec la définition de la mesure induite par μ\mu sur Y (ou restriction de μ\mu à Y) donnée au chap. III, § 2, n° 1 : en effet, pour toute fonction g∈K(Y;C)g \in \mathscr{K}(Y; \mathbf{C}), la fonction g′g' est alors continue dans X.

Nous étudierons en détail au chap. V, § 5 l’intégration par rapport à une mesure induite, et n’aurons besoin jusque-là que des résultats suivants :

Lemme 2

Soient μ\mu une mesure positive sur X, K une partie compacte de X.

(i) Pour toute partie compacte (resp. ouverte) H de K, on a μK(H)=μ(H)\mu_K(H) = \mu(H).

(ii) Pour qu’une partie N de K soit μK\mu_K-négligeable, il faut et il suffit qu’elle soit μ\mu-négligeable.

(iii) Si S est le support de μK\mu_K, on a Supp(μS)=S\mathrm{Supp}(\mu_S) = S.

(i) On peut se borner au cas où H est compact. Désignons par ff la fonction caractéristique de H dans l’espace K ; ff est semi-continue supérieurement, et est donc enveloppe inférieure d’une famille filtrante décroissante (gα)(g_\alpha) de fonctions de K+(K)\mathscr{K}_+(K); on a μK(H)=inf⁡∫gαdμK\mu_K(H) = \inf \int g_\alpha d\mu_K (§4§ 4, n° 4, cor. 2 de la prop. 5). Si gα′g'_\alpha est la fonction égale à gαg_\alpha dans K, à 0 dans X−KX - K, gα′g'_\alpha est semi-continue supérieurement, et l’enveloppe inférieure de la famille filtrante décroissante (gα′)(g'_\alpha) est la fonction caractéristique φH\varphi_H de H dans l’espace X ; on a donc

μ(H)=inf⁡α∫gα′dμ=inf⁡α∫gαdμK=μK(H) \mu(H) = \inf_\alpha \int g'_\alpha d\mu = \inf_\alpha \int g_\alpha d\mu_K = \mu_K(H)
en vertu de (1).

(ii) Si N est μ\mu-négligeable, pour tout ε>0\varepsilon > 0 il existe un voisinage ouvert relativement compact U de N dans X tel que μ(U)≤ε\mu(U) \leq \varepsilon; comme K−(U∩K)K - (U \cap K) est compact, il résulte de (i) que μK(U∩K)≤μ(U)≤ε\mu_K(U \cap K) \leq \mu(U) \leq \varepsilon, donc N est μK\mu_K-négligeable. Réciproquement, si N est μK\mu_K-négligeable, il existe un voisinage ouvert V de N dans X tel que μK(V∩K)≤ε\mu_K(V \cap K) \leq \varepsilon; en vertu de (i), on a

μ(V∩K)=μK(V∩K), \mu(V \cap K) = \mu_K(V \cap K),
donc μ(N)=0\mu(N) = 0 puisque ε\varepsilon est arbitraire.

(iii) Pour toute partie ouverte U de K rencontrant S, on a par hypothèse μK(U∩S)≠0\mu_K(U \cap S) \neq 0, donc μ(U∩S)≠0\mu(U \cap S) \neq 0 par (i), et comme U∩SU \cap S est ouvert dans S, μS(U∩S)≠0\mu_S(U \cap S) \neq 0 par (i); comme tout ensemble ouvert non vide dans S est de la forme U∩SU \cap S, où U est ouvert dans K, cela prouve que Supp(μS)=S\mathrm{Supp}(\mu_S) = S.

Lemme 3

Soit Y un sous-espace localement compact de X ; pour toute mesure μ\mu sur X, on a ∣μY∣=∣μ∣Y|\mu_Y| = |\mu|_Y.

Soient ff une fonction de K+(Y)\mathscr{K}_+(Y), ε\varepsilon un nombre >0> 0 arbitraire ; par définition, il existe une fonction g∈K(Y;C)g \in \mathscr{K}(Y; \mathbf{C}) telle que ∣g∣≤f|g| \leq f et ∣μY∣(f)≤∣μY(g)∣+ε|\mu_Y|(f) \leq |\mu_Y(g)| + \varepsilon. Si l’on désigne par f′f' et g′g' les fonctions obtenues respectivement en prolongeant ff et gg par 0 dans X−YX - Y, on a μY(g)=μ(g′)\mu_Y(g) = \mu(g'), et comme ∣g′∣≤f′|g'| \leq f',

∣μ(g′)∣≤∣μ∣(∣g′∣)≤∣μ∣(f′)=∣μ∣Y(f) |\mu(g')| \leq |\mu|(|g'|) \leq |\mu|(f') = |\mu|_Y(f)

d’où ∣μY∣(f)≤∣μ∣Y(f)+ε|\mu_Y|(f) \leq |\mu|_Y(f) + \varepsilon, et comme ε\varepsilon est arbitraire,

∣μY∣(f)≤∣μ∣Y(f). |\mu_Y|(f) \leq |\mu|_Y(f).

D’autre part, soient KK le support de ff, UU un voisinage compact de KK dans XX tel que ∣μ∣(U−K)≤ε|\mu|(U - K) \leq \varepsilon; en vertu du th. d’Urysohn, il existe une fonction f1∈K+(X)f_1 \in \mathscr{K}_+(X), prolongeant ff, de support contenu dans UU et telle que ∥f1∥=∥f∥\|f_1\| = \|f\|. Il existe une fonction h1∈K(X;C)h_1 \in \mathscr{K}(X; \mathbf{C}) telle que ∣h1∣≤f1|h_1| \leq f_1 et que ∣μ∣(f1)≤∣μ(h1)∣+ε|\mu|(f_1) \leq |\mu(h_1)| + \varepsilon. Si hh est la restriction de h1h_1 à YY, on a h∈K(Y;C),∣h∣≤fh \in \mathscr{K}(Y; \mathbf{C}), |h| \leq f, et μ(h1)−μY(h)=μ(h1φU−K)\mu(h_1) - \mu_Y(h) = \mu(h_1 \varphi_{U-K}), donc ∣μ(h1)−μY(h)∣≤∥f∥⋅∣μ∣(U−K)≤ε∥f∥|\mu(h_1) - \mu_Y(h)| \leq \|f\| \cdot |\mu|(U - K) \leq \varepsilon \|f\|; par ailleurs, on a de même

∣μ∣(f1)−∣μ∣Y(f)=∣μ∣(f1φU−K)et∣∣μ∣(f1)−∣μ∣Y(f)∣∣≤ε∥f∥. |\mu|(f_1) - |\mu|_Y(f) = |\mu|(f_1 \varphi_{U-K}) \quad \text{et} \quad ||\mu|(f_1) - |\mu|_Y(f)|| \leq \varepsilon \|f\|.

On en tire que

∣μ∣Y(f)≤∣μY(h)∣+ε(1+2∥f∥)≤∣μY∣(f)+ε(1+2∥f∥) |\mu|_Y(f) \leq |\mu_Y(h)| + \varepsilon(1 + 2\|f\|) \leq |\mu_Y|(f) + \varepsilon(1 + 2\|f\|)

et comme ε\varepsilon est arbitraire, ∣μ∣Y(f)≤∣μY∣(f)|\mu|_Y(f) \leq |\mu_Y|(f), ce qui achève la démonstration.

8. Familles μ\mu-denses d’ensembles compacts.

Proposition 12

Soient μ\mu une mesure sur un espace localement compact XX, AA une partie μ\mu-mesurable de XX, R\mathfrak{R} un ensemble de parties compactes de AA, satisfaisant aux conditions suivantes :

(PL_I) Toute partie fermée (donc compacte) d’un ensemble de R\mathfrak{R} appartient à R\mathfrak{R}.

(PL_{II}) Toute réunion finie d’ensembles de R\mathfrak{R} appartient à R\mathfrak{R}. Les quatre propriétés suivantes sont alors équivalentes : a) Pour qu’une partie BB de AA soit localement μ\mu-négligeable, il faut et il suffit que ∣μ∣∗(B∩K)=0|\mu|^*(B \cap K) = 0 pour tout K∈RK \in \mathfrak{R}. b) Pour tout partie compacte K0K_0 de AA et tout ε>0\varepsilon > 0, il existe une partie K∈RK \in \mathfrak{R}, contenue dans K0K_0 et telle que ∣μ∣(K0−K)≤ε|\mu|(K_0 - K) \leq \varepsilon. c) Pour toute partie compacte BB de AA, il existe une partition de BB formée d’un ensemble μ\mu-négligeable NN et d’une suite (Hn)(H_n) d’ensembles compacts appartenant à R\mathfrak{R}.

d) Pour toute partie compacte B de A. il existe une suite croissante (Kn)(K_n) d’ensembles compacts de AA, contenus dans B et tels que l’ensemble N=B−⋃nKnN = B - \bigcup_n K_n soit μ\mu-négligeable.

Il est immédiat (n° 2, prop. 5) que d) entraîne a); c) entraîne d) en prenant pour KnK_n la réunion des HpH_p tels que p≤np \leq n, et en utilisant (PL_{II}). Pour démontrer que b) entraîne c), on définit par récurrence une suite (Hp)(H_p) d’ensembles de AA de sorte que Hn+1⊂B−⋃p≤nHpH_{n+1} \subset B - \bigcup_{p \leq n} H_p et que l’on ait ∣μ∣(B−⋃p≤nHp)≤1/n|\mu| \left( B - \bigcup_{p \leq n} H_p \right) \leq 1/n (§ 4, n° 6, th. 4). Reste enfin à prouver que a) entraîne b). Raisonnons par l'absurde, et supposons que la borne supérieure α\alpha des nombres ∣μ∣(K)|\mu|(K), où K parcourt l'ensemble des parties de K0K_0 appartenant à AA, soit <∣μ∣(K0)< |\mu|(K_0). En vertu de (PL_{II}), il existe une suite croissante (Ln)(L_n) de parties compactes de K0K_0, appartenant à AA et telle que sup⁡n∣μ∣(Ln)=α\sup_n |\mu|(L_n) = \alpha.

Posons B=⋃nLnB = \bigcup_n L_n; B est intégrable et l'on a ∣μ∣(B)=α|\mu|(B) = \alpha, donc ∣μ∣(K0−B)=∣μ∣(K0)−α>0|\mu|(K_0 - B) = |\mu|(K_0) - \alpha > 0. Mais nous allons voir d'autre part que, pour toute partie K∈AK \in A, on a ∣μ∣(K∩(K0−B))=0|\mu|(K \cap (K_0 - B)) = 0, ce qui, en vertu de a), entraînera contradiction. En effet, s'il existait une partie K∈AK \in A telle que ∣μ∣(K∩(K0−B))>0|\mu|(K \cap (K_0 - B)) > 0, il existerait une partie compacte H de K∩(K0−B)K \cap (K_0 - B) telle que ∣μ∣(H)>0|\mu|(H) > 0. D'après (PL_I), on aurait H∈AH \in A et, pour nn assez grand,

∣μ∣(Ln∪H)=∣μ∣(Ln)+∣μ∣(H)>α. |\mu|(L_n \cup H) = |\mu|(L_n) + |\mu|(H) > \alpha.

Mais Ln∪HL_n \cup H appartient à AA en vertu de (PL_{II}), et cela contredit la définition de α\alpha.

Définition 6

Soit A une partie μ\mu-mesurable de X. On dit qu’un ensemble AA de parties compactes de A est μ\mu-dense dans A s’il vérifie les conditions (PL_I), (PL_{II}), a), b), c), d) de la prop. 12.

L’ensemble de toutes les parties compactes de A est μ\mu-dense dans A.

Lorsque A=XA = X, on dira simplement « ensemble μ\mu-dense » au lieu de « ensemble μ\mu-dense dans X ». Si X−AX - A est localement μ\mu-négligeable, tout ensemble de parties compactes de A, μ\mu-dense dans A, est μ\mu-dense dans X.

Remarque

Supposons que A soit réunion d’une suite (Ln)(L_n) d’ensembles compacts et d’un ensemble μ\mu-négligeable (resp. localement μ\mu-négligeable), et soit AA un ensemble de parties compactes, μ-dense dans A. Appliquant à chaque LnL_n la propriété c) de l’énoncé de la prop. 12, on voit que A est réunion d’une suite d’ensembles compacts appartenant à R\mathfrak{R} et d’un ensemble μ\mu-négligeable (resp. localement μ\mu-négligeable).

Si K est une partie compacte de X, il revient au même de dire qu’un ensemble de parties compactes de K est μ\mu-dense dans K ou μK\mu_K-dense dans K ; cela résulte des lemmes 2 et 3 du n° 7 et de la condition b) de la prop. 12.

Proposition 13

Soient A une partie μ\mu-mesurable de X, R\mathfrak{R} un ensemble de parties compactes, μ\mu-dense dans A. Soit H\mathfrak{H} un ensemble de parties compactes de A satisfaissant à (PL_I) et (PL_{II}) et tel que, pour tout K∈RK \in \mathfrak{R}, l’ensemble des H∈HH \in \mathfrak{H} tels que H⊂KH \subset K soit μK\mu_K-dense (ou, ce qui revient au même, μ\mu-dense) dans K. Alors H\mathfrak{H} est μ\mu-dense dans A.

En effet, soit L une partie compacte de A. Pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe K∈RK \in \mathfrak{R} tel que K⊂LK \subset L et ∣μ∣(L−K)≤ε/2|\mu|(L - K) \leq \varepsilon/2, puis H∈HH \in \mathfrak{H} tel que H⊂KH \subset K et ∣μ∣(K−H)≤ε/2|\mu|(K - H) \leq \varepsilon/2; on en déduit ∣μ∣(L−H)≤ε|\mu|(L - H) \leq \varepsilon, d’où la proposition.

9. Partitions localement dénombrables

Définition 7

On dit qu’un ensemble de parties U\mathfrak{U} d’un espace topologique T est localement dénombrable si, pour tout t∈Tt \in T, il existe un voisinage V de t tel que l’ensemble des A∈UA \in \mathfrak{U} rencontrant V soit dénombrable.

Si l’ensemble U\mathfrak{U} de parties de T est localement dénombrable, alors, pour toute partie compacte K de T, l’ensemble des A∈UA \in \mathfrak{U} rencontrant K est dénombrable, puisqu’on peut recouvrir K par un nombre fini de voisinages ouverts de points de K, dont chacun ne rencontre qu’un sous-ensemble dénombrable de parties appartenant à U\mathfrak{U}.

La déf. 7 montre que la réunion d’une ensemble localement dénombrable de parties μ\mu-mesurables (resp. localement μ\mu-négligeables) d’un espace localement compact est μ\mu-mesurable (resp. localement μ\mu-négligeable) (n° 1, prop. 3 et n° 2, prop. 5).

Proposition 14

Soient X un espace localement compact, μ\mu une mesure sur X, A une partie μ\mu-mesurable de X, R\mathfrak{R} un ensemble de parties compactes de A, μ\mu-dense dans A. Il existe un ensemble H⊂R\mathfrak{H} \subset \mathfrak{R} localement dénombrable, formé de parties deux à deux disjointes, tel que A−⋃K∈HKA - \bigcup_{K \in \mathscr{H}} K soit localement μ\mu-négligeable et que, pour tout K∈HK \in \mathscr{H}, le support de μK\mu_K soit KK tout entier.

Considérons les ensembles Ω⊂R\Omega \subset \mathfrak{R} formés d’ensembles deux à deux disjoints tels que, pour tout L∈ΩL \in \Omega, on ait Supp(μL)=L\mathrm{Supp}(\mu_L) = L. Ces ensembles Ω\Omega forment une partie H\mathscr{H} de P(R)\mathfrak{P}(\mathfrak{R}), qui est non vide (car elle contient l’élément ∅\emptyset) et que nous ordonnerons par la relation d’inclusion dans P(R)\mathfrak{P}(\mathfrak{R}). Il est immédiat que H\mathscr{H} est inductif ; soit H\mathscr{H} un élément maximal de H\mathscr{H} (Ens. R, § 6, no 10). Montrons tout d’abord que H\mathscr{H} est localement dénombrable. En effet, pour tout x∈Xx \in X, soit VV un voisinage ouvert relativement compact de xx; si (Ki)1≤i≤n(K_i)_{1 \leq i \leq n} est une famille finie d’ensembles distincts de H\mathscr{H} rencontrant VV, on a ∑i=1n∣μ∣(Ki∩V)=∣μ∣(V∩(⋃i=1nKi))\sum_{i=1}^n |\mu|(K_i \cap V) = |\mu|\left(V \cap \left( \bigcup_{i=1}^n K_i \right)\right) puisque les KiK_i sont deux à deux disjoints, d’où ∑i=1n∣μ∣(Ki∩V)≤∣μ∣(V)\sum_{i=1}^n |\mu|(K_i \cap V) \leq |\mu|(V). Si HV\mathscr{H}_V est l’ensemble des K∈HK \in \mathscr{H} rencontrant VV, on a donc

∑K∈HV∣μ∣(K∩V)<+∞, \sum_{K \in \mathscr{H}_V} |\mu|(K \cap V) < +\infty,
et comme ∣μ∣(K∩V)>0|\mu|(K \cap V) > 0 pour tout K∈HVK \in \mathscr{H}_V, HV\mathscr{H}_V est nécessairement dénombrable. Prouvons ensuite que N=A−⋃K∈HKN = A - \bigcup_{K \in \mathscr{H}} K est localement μ\mu-négligeable. On a vu plus haut que NN est μ\mu-mesurable. Si NN n’était pas localement négligeable, il contiendrait un ensemble compact non négligeable L0L_0, et par suite (no 8, prop. 12) un ensemble compact non négligeable L⊂L0L \subset L_0 appartenant à R\mathfrak{R}. Comme ∣μL∣(L)=∣μ∣(L)>0|\mu_L|(L) = |\mu|(L) > 0 (no 7, lemmes 2 et 3), la mesure induite μL\mu_L sur LL par μ\mu n’est pas nulle; son support SS est donc une partie compacte non vide appartenant à R\mathfrak{R} en vertu de (PL₁), et l’on a Supp(μS)=S\mathrm{Supp}(\mu_S) = S (no 7, lemme 2, (iii)). On en conclut que l’ensemble H∪{S}\mathscr{H} \cup \{S\} appartiendrait à H\mathscr{H}, ce qui contredit la définition de H\mathscr{H}; l’ensemble NN est donc localement négligeable, ce qui achève la démonstration.

10. Fonctions mesurables définies dans une partie mesurable

Proposition 15

Soient XX un espace localement compact, μ\mu une mesure sur XX, AA une partie μ\mu-mesurable de XX, ff une application de AA dans un espace topologique FF. Les conditions suivantes sont équivalentes :

a) L’ensemble H\mathfrak{H} des parties compactes KK de AA telles que la restriction de ff à KK soit continue, est μ\mu-dense dans AA.

b) Il existe un ensemble R\mathfrak{R} de parties compactes de AA, μ\mu-dense dans AA, et tel que la restriction de ff à tout K∈RK \in \mathfrak{R} soit μK\mu_K-mesurable.

c) Il existe un homéomorphisme jj de FF sur un sous-espace d’un espace topologique GG et une application μ\mu-mesurable gg de XX dans GG, tels que g∣A=j∘fg|A = j \circ f.

d) Tout prolongement de ff en une application de XX dans FF, constante dans X−AX - A, est μ\mu-mesurable.

Il est clair que a) implique b) et que d) implique c). Le fait que c) implique a) résulte de la condition c) de la prop. 12 du n° 8. D’autre part, b) implique a): en effet, la déf. 1 montre que l’ensemble des parties H∈RH \in \mathfrak{R} contenues dans un K∈RK \in \mathfrak{R} quelconque est μK\mu_K-dense dans KK (n° 8, prop. 12, c)), et la prop. 13 du n° 8 montre que R\mathfrak{R} est μ\mu-dense dans AA. Reste à voir que a) implique d). Soit gg un prolongement de ff à XX, constant dans X−AX - A. Pour toute partie compacte LL de XX, L∩AL \cap A et L∩(X−A)L \cap (X - A) sont μ\mu-intégrables; donc, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe une partie compacte P⊂L∩AP \subset L \cap A et une partie compacte

Q⊂L∩(X−A) Q \subset L \cap (X - A)
telles que ∣μ∣(L∩A)−P)≤ε/4|\mu|(L \cap A) - P) \leq \varepsilon/4 et ∣μ∣(L∩(X−A))−Q)≤ε/4|\mu|(L \cap (X - A)) - Q) \leq \varepsilon/4. Il existe d’autre part une partie H∈HH \in \mathfrak{H} contenue dans PP et telle que ∣μ∣(P−H)≤ε/2|\mu|(P - H) \leq \varepsilon/2; la restriction de gg à l’ensemble compact K=H∪QK = H \cup Q est alors continue (gg étant constante dans QQ) et l’on a ∣μ∣(L−K)≤ε|\mu|(L - K) \leq \varepsilon, ce qui achève la démonstration.

Définition 8

Soient XX un espace localement compact, μ\mu une mesure sur XX, AA une partie μ\mu-mesurable de XX. On dit qu’une application ff de AA dans un espace topologique FF est μ\mu-mesurable si elle vérifie les conditions équivalentes de la prop. 15.

Si AA est localement μ\mu-négligeable, toute application de AA dans FF est donc μ\mu-mesurable.

Corollaire 1

Soient XX un espace localement compact, μ\mu une mesure sur XX, AA une partie μ\mu-mesurable de XX, ff une application μ\mu-mesurable de AA dans un espace topologique FF. Soit R\mathfrak{R} un ensemble de parties compactes de XX, μ\mu-dense dans XX. Il existe alors une partition de AA formée d’un ensemble localement négligeable NN et d’une famille localement dénombrable (Kλ)λ∈L(K_\lambda)_{\lambda \in L} d’ensembles Kλ∈RK_\lambda \in \mathfrak{R}, telle que f∣Kλf|K_\lambda soit continue pour tout λ∈L\lambda \in L.

Compte tenu du n° 9, prop. 14, il suffit de montrer que l’ensemble H⊂K\mathfrak{H} \subset \mathfrak{K} des parties K∈KK \in \mathfrak{K} telles que K⊂AK \subset A et que f∣Kf|K soit continue, est μ\mu-dense dans AA. Or, il résulte aussitôt de la prop. 1 du n° 1 et de la condition d) de la prop. 15 que, pour toute partie compacte K0K_0 de AA et tout ε>0\varepsilon > 0, il existe une partie K⊂K0K \subset K_0 appartenant à K\mathfrak{K}, telle que ∣μ∣(K0−K)≤ε|\mu|(K_0 - K) \leq \varepsilon et que f∣Kf|K soit continue; la conclusion résulte donc de la prop. 12 du n° 8.

Corollaire 2

Soit KK un sous-espace compact de XX; pour qu’une application ff de KK dans un espace topologique FF soit μ\mu-mesurable, il faut et il suffit qu’elle soit μK\mu_K-mesurable.

Compte tenu du lemme 2 du n° 7, cela résulte aussitôt de la prop. 1 du n° 1, et de la condition a) de la prop. 15.

Proposition 16

Soit U\mathfrak{U} un ensemble localement dénombrable de parties μ\mu-mesurables de XX, et soit B=⋃A∈UAB = \bigcup_{A \in \mathfrak{U}} A. Pour qu’une application ff de BB dans un espace topologique FF soit μ\mu-mesurable, il faut et il suffit que la restriction de ff à tout A∈UA \in \mathfrak{U} soit μ\mu-mesurable.

On a déjà remarqué (n° 9) que BB est μ\mu-mesurable. La condition étant évidemment nécessaire, prouvons qu’elle est suffisante. Soit donc KK une partie compacte de BB. Par hypothèse, il existe une suite (An)(A_n) d’ensembles appartenant à U\mathfrak{U} et telle que les K∩AnK \cap A_n forment un recouvrement de KK. Posons C0=K∩A0C_0 = K \cap A_0,

Cn=K∩An∩∁(⋃i<nCi) C_n = K \cap A_n \cap \complement \left( \bigcup_{i < n} C_i \right)

pour n>0n > 0, de sorte que les CnC_n non vides forment une partition de KK en ensembles μ\mu-intégrables. La restriction de ff à CnC_n étant μ\mu-mesurable, il existe une partition de CnC_n formée d’un ensemble μ\mu-négligeable NnN_n et d’une suite (Lmn)m≥0(L_{mn})_{m \geq 0} d’ensembles compacts tels que f∣Lmnf|L_{mn} soit continue. Comme N=⋃nNnN = \bigcup_n N_n est μ\mu-négligeable, on voit que la condition a) de la prop. 15 est satisfaite, d’où la proposition.

La propriété d) de la prop. 15 permet aussitôt de généraliser aux fonctions mesurables définies dans une partie mesurable AA de XX les propriétés des fonctions mesurables définies dans XX tout entier vues aux n°s 2 à 5; nous laissons ces généralisations au lecteur. Signalons seulement que le principe de localisation (n° 2, prop. 4) est encore valable lorsqu’on suppose que chacune des fonctions gxg_x n’est définie que dans VxV_x (ou presque partout dans VxV_x) et est mesurable.

11. Convergence en mesure

Soient X un espace localement compact, μ\mu une mesure sur X, A une partie μ\mu-mesurable de X, F un espace uniforme; nous désignerons par S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu ; F), ou SF(A,μ)\mathscr{S}_F(A, \mu) (ou simplement SF(μ)\mathscr{S}_F(\mu), ou même SF\mathscr{S}_F, lorsque A=XA = X) l’ensemble des applications μ\mu-mesurables de A dans F (n° 10, déf. 8). Pour tout entourage V de la structure uniforme de F, tout ensemble μ\mu-intégrable B⊂AB \subset A et tout nombre δ>0\delta > 0, nous désignerons par W(V,B,δ)W(V, B, \delta) l’ensemble des couples (f,g)(f, g) de fonctions de S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu ; F) ayant la propriété suivante: l’ensemble M des x∈Bx \in B pour lesquels (f(x),g(x))∉V(f(x), g(x)) \notin V est tel que ∣μ∣∗(M)≤δ|\mu|^*(M) \leq \delta. Montrons que les ensembles W(V,B,δ)W(V, B, \delta) forment un système fondamental d’entourages d’une structure uniforme sur S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu ; F): il est clair que W(V,B,δ)W(V, B, \delta) est symétrique si V l’est, et que si V′⊂V,B′⊃BV' \subset V, B' \supset B et δ′≤δ\delta' \leq \delta, on a

W(V′,B′,δ′)⊂W(V,B,δ); W(V', B', \delta') \subset W(V, B, \delta);
il suffit donc de vérifier l’axiome (U_{III}) (Top. gén., chap. II, 3e éd., § 1, n° 1). Or, si V′V' est un entourage tel que V′2⊂V{V'}^2 \subset V, on a
W(V′,B,δ/2)∘W(V′,B,δ/2)⊂W(V,B,δ). W(V', B, \delta/2) \circ W(V', B, \delta/2) \subset W(V, B, \delta).
On notera que lorsque K parcourt un ensemble μ\mu-dense K\mathfrak{K} de parties compactes de A, les ensembles W(V,K,δ)W(V, K, \delta) forment aussi un système fondamental d’entourages de la structure uniforme précédente: en effet, pour tout ensemble intégrable B⊂AB \subset A, il existe une partie compacte K∈KK \in \mathfrak{K} contenue dans B et telle que ∣μ∣(B−K)≤δ|\mu|(B - K) \leq \delta, et par suite W(V,K,δ)⊂W(V,B,2δ)W(V, K, \delta) \subset W(V, B, 2\delta).

Définition 9

On dit que la structure uniforme sur S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu ; F) dont les W(V,B,δ)W(V, B, \delta) forment un système fondamental d’entourages est la structure uniforme de la convergence en mesure dans A.

La topologie correspondante est dite topologie de la convergence en mesure dans A, et on dit qu’un filtre (resp. une suite) qui converge pour cette topologie est convergent (resp. convergente) en mesure dans A; on supprime souvent la mention de A lorsque A=XA = X.

Supposons F séparé; alors, pour tout ensemble μ\mu-intégrable B⊂AB \subset A, l’intersection des entourages W(V,B,δ)W(V, B, \delta), où V parcourt un système fondamental d’entourages de F et δ\delta parcourt l’ensemble des nombres > 0, est l’ensemble des couples (f,g)(f, g) tels que f(x)=g(x)f(x) = g(x) presque partout (pour μ\mu) dans B. En effet, l’ensemble M des x∈Bx \in B tels que f(x)≠g(x)f(x) \neq g(x) est μ\mu-intégrable, puisque c’est l’image réciproque par l’application μ\mu-mesurable x↦(f(x),g(x))x \mapsto (f(x), g(x)) du complémentaire de la diagonale dans F×FF \times F, qui est ouvert (n° 5, prop. 7); si ∣μ∣(M)=α>0|\mu|(M) = \alpha > 0, il existe une partie compacte K⊂MK \subset M telle que ∣μ∣(M−K)<α/2|\mu|(M - K) < \alpha/2 et que les restrictions de ff et gg à KK soient continues; il y a donc un entourage V0V_0 de FF tel que (f(x),g(x))∉V0(f(x), g(x)) \notin V_0 pour tout x∈Kx \in K, et par suite, on a (f,g)∉W(V0,B,α/2)(f, g) \notin W(V_0, B, \alpha/2).

On en conclut que, lorsque FF est séparé, l’intersection de tous les entourages de S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F) est l’ensemble des couples (f,g)(f, g) tels que f(x)=g(x)f(x) = g(x) localement presque partout dans AA. L’espace uniforme séparé associé à S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F), que nous noterons S(A,μ;F)S(A, \mu; F) ou SF(A,μ)S_F(A, \mu) (ou même SF(μ)S_F(\mu) ou SFS_F lorsque A=XA = X) est donc formé des classes d’équivalence pour la relation «f(x)=g(x)f(x) = g(x) localement presque partout dans AA » dans l’ensemble S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F).

Proposition 17

Soit (Aλ)λ∈L(A_\lambda)_{\lambda \in L} une famille localement dénombrable de parties μ\mu-mesurables de AA, deux à deux disjointes et telles que A−⋃λ∈LAλA - \bigcup_{\lambda \in L} A_\lambda soit localement μ\mu-négligeable. Alors, si, pour toute classe f∈S(A,μ;F)f \in S(A, \mu; F), et tout λ∈L\lambda \in L, fλf_\lambda désigne la classe de la restriction à AλA_\lambda de l’une quelconque des fonctions de la classe ff, l’application ψ:f↦(fλ)λ∈L\psi : f \mapsto (f_\lambda)_{\lambda \in L} est un isomorphisme de l’espace uniforme S(A,μ;F)S(A, \mu; F) sur l’espace uniforme produit ∏λ∈LS(Aλ,μ;F)\prod_{\lambda \in L} S(A_\lambda, \mu; F).

Il résulte du n° 10, prop. 16 que ψ\psi est bijective. Considérons un entourage TT de S(A,μ;F)S(A, \mu; F), image canonique d’un W(V,B,δ)W(V, B, \delta), où BB est une partie compacte de AA; on sait que l’ensemble JJ des λ∈L\lambda \in L tels que B∩Aλ≠∅B \cap A_\lambda \neq \varnothing est dénombrable (n° 9), et l’on a ∣μ∣(B)=∑λ∈J∣μ∣(B∩Aλ)|\mu|(B) = \sum_{\lambda \in J} |\mu|(B \cap A_\lambda); il y a donc une partie finie HH de JJ telle que l’on ait

∑λ∈J−H∣μ∣(B∩Aλ)≤δ2. \sum_{\lambda \in J - H} |\mu|(B \cap A_\lambda) \leq \frac{\delta}{2}.
Ceci posé, l’image de TT par ψ×ψ\psi \times \psi est contenue dans l’image canonique du produit ∏λ∈HW(V,B∩Aλ,δ)\prod_{\lambda \in H} W(V, B \cap A_\lambda, \delta). D’autre part, si mm est le nombre des éléments de HH, l’image de TT par ψ×ψ\psi \times \psi contient l’image canonique de l’entourage ∏λ∈HW(V,Aλ,δ/2m)\prod_{\lambda \in H} W(V, A_\lambda, \delta/2m), ce qui prouve la proposition.

Proposition 18

Si F est métrisable, et si A est réunion d’un ensemble localement μ-négligeable et d’une suite (A_n) d’ensembles μ-intégrables, l’espace S(A, μ; F) est métrisable.

Comme chaque A_n est réunion d’un ensemble négligeable et d’une suite d’ensembles compacts, on peut déjà supposer que les A_n sont compacts et deux à deux disjoints. La prop. 17 permet ensuite de supposer que A est compact. Si (V_n) est un système fondamental dénombrable d’entourages de F, il est clair que les W(V_n, K, 1/n) forment un système fondamental d’entourages de S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F) lorsque n parcourt N\mathbf{N}, d’où la proposition.

Lemme 4

Soit F un espace uniforme métrisable, et soit B ⊂ A une réunion dénombrable d’ensembles μ-intégrables. Alors, pour toute suite de Cauchy (f_n) dans S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F), il existe une suite (f_{n_k}) extraite de (f_n), telle que (f_{n_k}(x)) soit une suite de Cauchy dans F pour presque tout x ∈ B.

Supposons d’abord B intégrable, et désignons par d une distance compatible avec la structure uniforme de F. Nous allons définir par récurrence une suite double (f_{mn}) de fonctions de S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F) telle que f_{0n} = f_n pour tout n, que (f_{mn})_{n ≥ 0} soit extraite de (f_{m-1,n})_{n ≥ 0} pour tout m > 0, et enfin que, pour m > 0, l’ensemble M_{mn} des x ∈ B pour lesquels d(f_{mn}(x), f_{m,n+1}(x)) > 1/2^{m+n+1} ait une mesure |μ|(M_{mn}) ≤ 1/2^{m+n+1}; la possibilité de cette définition résulte de ce que (f_n) est une suite de Cauchy dans S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F). Posons Mm=⋃n≥0MmnM_m = \bigcup_{n \geq 0} M_{mn}; on a

∣μ∣(Mm)≤∑n=0∞∣μ∣(Mmn)≤1/2m |\mu|(M_m) \leq \sum_{n=0}^{\infty} |\mu|(M_{mn}) \leq 1/2^m

et pour tout x ∈ B − M_m, on a d(fmn(x),fm,n+p(x))≤1/2m+n+1d(f_{mn}(x), f_{m,n+p}(x)) \leq 1/2^{m+n+1} pour tout n ≥ 0 et tout p > 0; donc, la suite (f_{mn}(x))_{n ≥ 0} est une suite de Cauchy dans F. Soit alors N=⋂m=0∞MmN = \bigcap_{m=0}^{\infty} M_m; N est négligeable.

Posons εn=fnn\varepsilon_n = f_{nn} pour tout n ≥ 0; pour tout m, la suite (g_n)_{n ≥ m} est extraite de la suite (f_{mn})_{n ≥ 0}; si x ∈ B − N, il y a un indice m tel que x ∉ M_n, ce qui prouve que la suite (g_n(x)) est une suite de Cauchy dans F.

Si maintenant B est réunion d’une suite (B_m) d’ensembles intégrables, on peut définir par récurrence une suite double (g_{mn}) telle que g_{0n} = f_n, que (g_{mn})_{n ≥ 0} soit une suite extraite de (g_{m-1,n})_{n ≥ 0} pour tout m>0m > 0, et que la suite (gmn(x))n≥0(g_{mn}(x))_{n \geq 0} soit une suite de Cauchy dans Bm−PmB_m - P_m, où PmP_m est négligeable. Posons hn=gnnh_n = g_{nn} pour tout n≥0n \geq 0, de sorte que, pour tout mm, la suite (hn)n≥m(h_n)_{n \geq m} soit extraite de (gmn)n≥0(g_{mn})_{n \geq 0}; la suite (hn(x))n≥0(h_n(x))_{n \geq 0} est alors une suite de Cauchy dans FF pour tout x∈B−Px \in B - P, où P=⋃m=0∞PmP = \bigcup_{m=0}^{\infty} P_m est négligeable.

Proposition 19

Si l’espace uniforme FF est métrisable et complet, l’espace uniforme S(A,μ;F)S(A, \mu; F) est complet.

Il existe une famille (Kλ)λ∈L(K_\lambda)_{\lambda \in L} de parties compactes de AA, localement dénombrable, telle que les KλK_\lambda soient deux à deux disjointes et que A−⋃λKλA - \bigcup_\lambda K_\lambda soit localement négligeable (n° 9, prop. 14). En vertu de la prop. 17, S(A,μ;F)S(A, \mu; F) est isomorphe au produit ∏λ∈LS(Kλ,μ;F)\prod_{\lambda \in L} S(K_\lambda, \mu; F); on est donc ramené à démontrer la proposition lorsque AA est intégrable; alors (prop. 18), S(A,μ;F)S(A, \mu; F) est métrisable, et en vertu du lemme 4, pour toute suite de Cauchy (fn)(f_n) dans S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F), il y a une suite extraite (fnk)(f_{n_k}) qui est convergente dans A−NA - N, où NN est négligeable; la limite ff de (fnk)(f_{n_k}) (prolongée de façon arbitraire à AA tout entier) est alors μ\mu-mesurable, et il résulte de l’extension du th. d’Egoroff mentionnée au n° 10 que la suite (fnk)(f_{n_k}) converge en mesure vers ff dans AA. Cela entraîne que ff est une valeur d’adhérence de la suite (fn)(f_n) dans S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F), et comme la suite (fn)(f_n) est par hypothèse une suite de Cauchy, elle converge vers ff.

C.Q.F.D.

Corollaire

Soit FF un espace uniforme métrisable.* (i) Toute suite (fn)(f_n) d’éléments de S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F) qui converge localement presque partout vers une application ff (nécessairement μ\mu-mesurable) de AA dans FF, converge en mesure vers ff dans AA. (ii) Soit (fn)(f_n) une suite d’éléments de S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F), qui converge en mesure vers une application ff de AA dans FF. Pour tout ensemble B⊂AB \subset A réunion dénombrable d’ensembles intégrables, il existe une suite (fnk)(f_{n_k}) extraite de (fn)(f_n) telle que la suite (fnk(x))(f_{n_k}(x)) converge dans FF vers f(x)f(x) pour presque tout x∈Bx \in B.

(i) L’assertion résulte aussitôt de l’extension du th. d’Egoroff mentionnée au n° 10. (ii) En vertu du lemme 4, il existe une suite (fnk)(f_{n_k}) extraite de (fn)(f_n) telle que (fnk(x))(f_{n_k}(x)) soit une suite de Cauchy dans FF pour tout x ∈ B − N, où N est négligeable ; soit f′(x) ∈ F^\hat{F} la limite de cette suite pour x ∈ B − N. Il est clair que f′ est une application μ-mesurable de B − N dans F^\hat{F}, et la suite (f_n) converge en mesure vers f′ dans B − N, en vertu de (i); f′ est par suite égale à f presque partout dans B.

Proposition 20

Soit F un espace de Banach, muni de la structure uniforme définie par sa norme.

(i) Pour toute partie μ-mesurable A de X, la topologie de la convergence en mesure est compatible avec la structure d’espace vectoriel de S(A,μ;F)\mathscr{S}(A, \mu; F).

(ii) L’espace K(X;F)\mathscr{K}(X; F) est partout dense dans S(X,μ;F)\mathscr{S}(X, \mu; F).

(iii) Pour tout nombre réel fini p ≥ 1, la topologie induite par la topologie de la convergence en mesure sur l’espace LFp(X,μ)\mathscr{L}_F^p(X, \mu) est moins fine que la topologie de la convergence en moyenne d’ordre p.

(i) Pour toute partie μ-intégrable B de A et tout δ > 0, désignons par T(B,δ)T(B, \delta) l’ensemble des f∈S(A,μ;F)f \in \mathscr{S}(A, \mu; F) tels que l’ensemble C des x∈Bx \in B tels que ∣f(x)∣≥δ|f(x)| \geq \delta vérifie la relation ∣μ∣(C)≤δ|\mu|(C) \leq \delta; il est clair que si VδV_\delta est l’entourage de F formé des couples (y, z) tels que ∣y−z∣≤δ|y - z| \leq \delta, l’entourage W(Vδ,B,δ)W(V_\delta, B, \delta) est l’ensemble des couples (f, g) d’applications mesurables de A dans F telles que f−g∈T(B,δ)f - g \in T(B, \delta). Il est clair que les ensembles T(B,δ)T(B, \delta) sont symétriques, et que l’on a T(B,δ)+T(B,δ)⊂T(B,2δ)T(B, \delta) + T(B, \delta) \subset T(B, 2\delta) et T(B,αδ)⊂αT(B,δ)T(B, \alpha \delta) \subset \alpha T(B, \delta) pour tout scalaire α\alpha tel que ∣α∣≤1|\alpha| \leq 1; il suffit donc de vérifier que les ensembles T(B,δ)T(B, \delta) sont absorbants (Esp. vect. top., 2e éd., chap. I, § 1, n° 5, prop. 4). Or, si f est une application μ-mesurable de A dans F, la fonction numérique ∣f∣|f| est aussi μ-mesurable (n° 3, cor. 6 du th. 1). Soit CnC_n l’ensemble des x∈Bx \in B tels que ∣f(x)∣≥n|f(x)| \geq n; les CnC_n forment une suite décroissante d’ensembles intégrables dont l’intersection est vide; donc il existe un entier n tel que ∣μ∣(Cn)≤δ|\mu|(C_n) \leq \delta (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 7); on peut en outre supposer n pris assez grand pour que 1/n≤δ1/n \leq \delta; alors on a f/n2∈T(B,δ)f/n^2 \in T(B, \delta), ce qui achève de prouver l’assertion (i).

(iii) La relation ∫∣f∣pd∣μ∣≤δp+1\int |f|^p d|\mu| \leq \delta^{p+1} entraîne que si C est l’ensemble des x∈Xx \in X tels que ∣f(x)∣≥δ|f(x)| \geq \delta, on a

δp∣μ∣∗(C)≤∫∣f∣pd∣μ∣≤δp+1 \delta^p |\mu|^*(C) \leq \int |f|^p d|\mu| \leq \delta^{p+1}

d’où ∣μ∣∗(C)≤δ|\mu|^*(C) \leq \delta, ce qui démontre (iii).

(ii) En vertu de (iii), il suffit de montrer par exemple que LF1\mathscr{L}_F^1 est partout dense dans SF\mathscr{S}_F, puisque par définition K(X;F)\mathscr{K}(X; F) est dense dans LF1\mathscr{L}_F^1 pour la topologie de la convergence en moyenne. Or, soient ff un élément quelconque de SF\mathscr{S}_F, et T(B,δ)T(B, \delta) un voisinage de 0 dans cet espace ; on voit comme dans (i) qu’il existe une partie intégrable CC de BB telle que ∣μ∣(C)≤δ|\mu|(C) \leq \delta et que ff soit bornée dans B−CB - C; désignant alors par gg la fonction égale à ff dans B−CB - C, à 0 dans X−(B−C)X - (B - C), il résulte du n° 6, th. 5 que gg est intégrable, et l’on a évidemment f−g∈T(B,δ)f - g \in T(B, \delta).

Remarque 1

L’espace vectoriel topologique S(X,μ;F)\mathscr{S}(X, \mu; F) n’est pas nécessairement localement convexe (exerc. 24).

Remarque 2

La topologie induite par la topologie de la convergence en mesure sur l’ensemble des ff telles que Np(f)≤1N_p(f) \leq 1 peut être strictement moins fine que la topologie induite sur cet ensemble par la topologie de la convergence en moyenne d’ordre pp (exerc. 22). Voir toutefois la prop. 21 ci-dessous.

Définition 10

Soient XX un espace localement compact, μ\mu une mesure sur XX, FF un espace de Banach, et p∈[1,+∞[p \in [1, +\infty[. Une partie HH de LFp(X,μ)\mathscr{L}_F^p(X, \mu) est dite équiintégrable d’ordre pp (pour μ\mu) si elle satisfait aux conditions suivantes : (i) Pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que, pour tout ensemble intégrable AA de mesure ∣μ∣(A)≤δ|\mu|(A) \leq \delta et pour toute f∈Hf \in H, on ait

∫∣f∣pφAd∣μ∣≤ε. \int |f|^p \varphi_A d|\mu| \leq \varepsilon.
(ii) Pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe une partie compacte KK de XX telle que, pour toute f∈Hf \in H, on ait ∫∣f∣pφX−Kd∣μ∣≤ε\int |f|^p \varphi_{X-K} d|\mu| \leq \varepsilon.

Si p=1p = 1, on dit « équiintégrable » au lieu de « équiintégrable d’ordre pp ».

Remarque

Supposons μ\mu bornée. Pour tout a>0a > 0, l’ensemble des applications mesurables de XX dans FF telles que ∣f(x)∣≤a|f(x)| \leq a presque partout est équiintégrable d’ordre pp, et ceci quel que soit p∈[1,+∞[p \in [1, +\infty[.

Proposition 21

Soit HH une partie de LFp(X,μ)\mathscr{L}_F^p(X, \mu) équiintégrable d’ordre pp. Sur HH, la structure uniforme de la convergence en mesure est égale à la structure uniforme induite par celle de LFp(X,μ)\mathscr{L}_F^p(X, \mu).

Soit ε>0\varepsilon > 0. Il existe δ\delta et KK avec les propriétés (i) et (ii) de la déf. 10. Soient f,gf, g dans HH telles que

∣f(x)−g(x)∣≤(ε∣μ∣(K))1/p |f(x) - g(x)| \leq \left( \frac{\varepsilon}{|\mu|(K)} \right)^{1/p}

pour x∈Kx \in K, sauf sur un ensemble MM de mesure ≤δ\leq \delta. On a

(∫X−K∣f−g∣pd∣μ∣)1/p≤(∫X−K∣f∣pd∣μ∣)1/p+(∫X−K∣g∣pd∣μ∣)1/p \left( \int_{X-K} |f-g|^p d|\mu| \right)^{1/p} \leq \left( \int_{X-K} |f|^p d|\mu| \right)^{1/p} + \left( \int_{X-K} |g|^p d|\mu| \right)^{1/p}
≤2ε1/p \leq 2\varepsilon^{1/p}

et de même

(∫M∣f−g∣pd∣μ∣)1/p≤2ε1/p \left( \int_M |f-g|^p d|\mu| \right)^{1/p} \leq 2\varepsilon^{1/p}

donc

∫∣f−g∣pd∣μ∣=∫X−K∣f−g∣pd∣μ∣+∫M∣f−g∣pd∣μ∣ \int |f-g|^p d|\mu| = \int_{X-K} |f-g|^p d|\mu| + \int_M |f-g|^p d|\mu|
+∫K−M∣f−g∣pd∣μ∣ + \int_{K-M} |f-g|^p d|\mu|
≤2pε+2pε+ε∣μ∣(K)∣μ∣(K−M)≤(2p+1+1)ε. \leq 2^p \varepsilon + 2^p \varepsilon + \frac{\varepsilon}{|\mu|(K)} |\mu|(K-M) \leq (2^{p+1} + 1)\varepsilon.

Donc la structure uniforme de la convergence en mesure sur HH est plus fine que la structure uniforme induite par celle de LFp(X,μ)\mathscr{L}_F^p(X, \mu). Il suffit alors d’appliquer la prop. 20.

12. Une propriété de la convergence vague

Lemme 5

Soient XX un espace localement compact, μ\mu une mesure positive bornée sur XX, FF un espace de Banach, ff une fonction bornée sur XX à valeurs dans FF. Les conditions suivantes sont équivalentes:

(i) L’ensemble des points de discontinuité de ff est μ\mu-négligeable.

(ii) Pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe des éléments a1,…,ana_1, \ldots, a_n de FF, des fonctions g1,…,gng_1, \ldots, g_n appartenant à H(X)\mathscr{H}(X), et une fonction h≥0h \geq 0 continue bornée sur XX, tels que ∣f−g1a1−⋯−gnan∣≤h≤2sup⁡∣f∣|f - g_1 a_1 - \cdots - g_n a_n| \leq h \leq 2 \sup |f| partout sur XX, et ∫h dμ≤ε\int h \, d\mu \leq \varepsilon.

Nous noterons N l’ensemble des points de discontinuité de f, et nous poserons M = sup |f|.

(i) ⇒ (ii). Supposons la condition (i) satisfaite. Soit ε > 0. La fonction f est μ-intégrable (n° 2, cor. 4 de la prop. 5 et n° 6, th. 5), donc il existe a_1, ..., a_n dans F, g_1, ..., g_n dans K(X)\mathscr{K}(X) tels que, posant k=∣f−g1a1−...−gnan∣k = |f - g_1 a_1 - ... - g_n a_n|, on ait ∫k dμ≤ε/2\int k\ d\mu \leq \varepsilon/2 (§ 3, n° 5, prop. 10). En multipliant g_1, ..., g_n par un même élément convenable de K(X)\mathscr{K}(X), on peut en outre supposer que

∣g1a1+...+gnan∣≤∣f∣ |g_1 a_1 + ... + g_n a_n| \leq |f|
sur X, d’où k≤2Mk \leq 2M. L’ensemble N’ des points de discontinuité de k est contenu dans N, donc est négligeable. Pour tout x∈Xx \in X, posons l(x)=lim sup⁡y→xk(y)l(x) = \limsup_{y \to x} k(y). On a 2M≥l≥k2M \geq l \geq k sur X, et l=kl = k sur X−N′X - N', c’est-à-dire presque partout pour μ\mu, donc ∫l dμ≤ε/2\int l\ d\mu \leq \varepsilon/2. D’autre part, l est bornée et semi-continue supérieurement, donc enveloppe inférieure de l’ensemble des fonctions continues bornées majorant l. Il existe donc une fonction continue bornée h ≥l\geq l sur X telle que h≤2Mh \leq 2M et ∫h dμ≤∫l dμ+ε/2\int h\ d\mu \leq \int l\ d\mu + \varepsilon/2 (§ 4, n° 4, cor. 2 de la prop. 5). On a alors ∫h dμ≤ε\int h\ d\mu \leq \varepsilon, et ∣f−g1a1−...−gnan∣≤h|f - g_1 a_1 - ... - g_n a_n| \leq h.

(ii) ⇒ (i). Supposons la condition (ii) satisfaite. Pour tout x∈Xx \in X, soit ω(x)\omega(x) l’oscillation de f en x. Soit ε>0\varepsilon > 0. Il existe a_1, ..., a_n, g_1, ..., g_n, h avec les propriétés de (ii). Pour tout x∈Xx \in X, ω(x)\omega(x) est l’oscillation de f−g1a1−...−gnanf - g_1 a_1 - ... - g_n a_n en x, donc ω(x)≤2h(x)\omega(x) \leq 2h(x). Donc ∫ω dμ≤2ε\int \omega\ d\mu \leq 2\varepsilon. Par suite, l’ensemble AεA_\varepsilon des x∈Xx \in X tels que ω(x)≥ε\omega(x) \geq \sqrt{\varepsilon} est tel que μ(Aε)≤2ε\mu(A_\varepsilon) \leq 2\sqrt{\varepsilon}. Ceci prouve que μ(N)≤2ε\mu(N) \leq 2\sqrt{\varepsilon}, d’où μ(N)=0\mu(N) = 0.

Proposition 22

Soient F un espace de Banach, X un espace localement compact, E\mathscr{E} l’ensemble des mesures positives bornées sur X, μ\mu un élément de E\mathscr{E}, B\mathscr{B} une base de filtre sur E\mathscr{E}. On suppose que B\mathscr{B} converge vaguement vers μ\mu et que ∥v∥\|v\| tend vers ∥μ∥\|\mu\| suivant B\mathscr{B}. Soit f une application de X dans F vérifiant les conditions suivantes: (i) f est bornée, intégrable pour μ\mu et pour toute mesure appartenant à un élément de B\mathscr{B}; (ii) l’ensemble des points de discontinuité de f est μ\mu-négligeable.

Alors ∫f dv\int f\ dv tend vers ∫f dμ\int f\ d\mu suivant B\mathscr{B}.

Soit ε>0\varepsilon > 0. Il existe des éléments a_1, ..., a_n de F, des fonctions g_1, ..., g_n de K(X)\mathscr{K}(X), et une fonction h ≥0\geq 0 continue bornée sur X, tels que ∣f−g1a1−...−gnan∣≤h≤2sup⁡∣f∣|f - g_1 a_1 - ... - g_n a_n| \leq h \leq 2 \sup |f| sur X et ∫h dμ≤ε\int h\ d\mu \leq \varepsilon (lemme 5). Soit M = sup|f|. Il existe une partie compacte K de X telle que μ∗(X−K)≤ε\mu^*(X - K) \leq \varepsilon (§ 4, n° 7, prop. 12, et n° 6, th. 4), un voisinage compact K' de K dans X, et une application continue h' de X dans [0, 2M] tels que h' = h sur K, h' = 2M sur X - K'; en remplaçant h par sup(h, h'), on peut supposer en outre que h' majore h. On a ∫(h′−h)dμ≤2Mμ∗(X−K)≤2Mε\int (h' - h) d\mu \leq 2M \mu^*(X - K) \leq 2M \varepsilon. D’autre part, h′=h1+2Mh' = h_1 + 2M, où h1∈K(X)h_1 \in \mathscr{K}(X). Compte tenu du § 4, n° 7, prop. 12, le nombre ∫h′dv=∫h1dv+2M∥v∥\int h' dv = \int h_1 dv + 2M \|v\| tend suivant B\mathscr{B} vers

∫h1dμ+2M∥μ∥=∫h′dμ. \int h_1 d\mu + 2M \|\mu\| = \int h' d\mu.

Il existe alors un A∈BA \in \mathscr{B} tel que, pour toute v∈Av \in A, on ait

∣∫(g1a1+…+gnan)dv−∫(g1a1+…+gnan)dμ∣≤ε, \left| \int (g_1 a_1 + \ldots + g_n a_n) dv - \int (g_1 a_1 + \ldots + g_n a_n) d\mu \right| \leq \varepsilon,
∫hdv≤∫h′dv≤∫h′dμ+ε≤∫hdμ+2Mε+ε≤2(M+1)ε. \int h dv \leq \int h' dv \leq \int h' d\mu + \varepsilon \leq \int h d\mu + 2M \varepsilon + \varepsilon \leq 2(M + 1)\varepsilon.

Ces inégalités entraînent

∣∫fdv−∫fdμ∣≤ \left| \int f dv - \int f d\mu \right| \leq
∫hdv+∣∫(g1a1+…+gnan)dv−∫(g1a1+…+gnan)dμ∣ \int h dv + \left| \int (g_1 a_1 + \ldots + g_n a_n) dv - \int (g_1 a_1 + \ldots + g_n a_n) d\mu \right|
+∫hdμ≤2(M+2)ε, + \int h d\mu \leq 2(M + 2)\varepsilon,

ce qui démontre la proposition.

Remarque

Les conditions (i) et (ii) de la proposition 22 sont satisfaites si f est continue et bornée.

Exemple

Prenons pour X l’espace compact U des nombres complexes de valeur absolue 1. En posant, pour toute f∈K(U)f \in \mathscr{K}(U),

μ(f)=∫01f(e2iπt)dt, \mu(f) = \int_0^1 f(e^{2i\pi t}) dt,
on définit une mesure positive de masse 1 sur X. D’autre part, soit θ\theta un nombre réel ; pour tout entier n≥0n \geq 0, soient vnv_n la masse unité placée au point e2iπnθe^{2i\pi n \theta} de U, et
μn=1n+1(v0+…+vn), \mu_n = \frac{1}{n+1} (v_0 + \ldots + v_n),
de sorte que μn\mu_n est une mesure positive de masse 1 sur U. Alors, si θ\theta est irrationnel, μn\mu_n tend vaguement vers μ\mu. En effet, comme les combinaisons linéaires des fonctions z↦zkz \mapsto z^k (k∈Zk \in \mathbf{Z}) sont partout denses dans K(U)\mathscr{K}(U) (Top. gén., chap. X, 2e éd., § 4, n° 4, prop. 8), il suffit de prouver que μn(zk)\mu_n(z^k) tend vers μ(zk)\mu(z^k) pour k∈Zk \in \mathbf{Z}. Or, pour k=0k = 0, on a μn(zk)=μ(zk)=1\mu_n(z^k) = \mu(z^k) = 1; pour k≠0k \neq 0, on a
μn(zk)=1n+1(1+e2iπkθ+e4iπkθ+…+e2iπknθ). \mu_n(z^k) = \frac{1}{n+1}(1 + e^{2i\pi k\theta} + e^{4i\pi k\theta} + \ldots + e^{2i\pi kn\theta}).
Comme e2iπkθ≠1e^{2i\pi k\theta} \neq 1 (puisque θ\theta est irrationnel), on en déduit
∣μn(zk)∣=∣1n+1e2iπk(n+1)θ−1e2iπkθ−1∣≤1n+12∣e2iπkθ−1∣, |\mu_n(z^k)| = \left| \frac{1}{n+1} \frac{e^{2i\pi k(n+1)\theta} - 1}{e^{2i\pi k\theta} - 1} \right| \leq \frac{1}{n+1} \frac{2}{|e^{2i\pi k\theta} - 1|},
donc μn(zk)\mu_n(z^k) tend vers 0=μ(zk)0 = \mu(z^k). Dans ces conditions, on peut appliquer la proposition 22, et on voit en particulier que, si AA est une partie de UU de frontière négligeable pour μ\mu, μn(A)\mu_n(A) tend vers μ(A)\mu(A). Autrement dit, si pnp_n désigne le nombre d’entiers k∈{0,n}k \in \{0, n\} tels que e2iπkθ∈Ae^{2i\pi k\theta} \in A, n−1pnn^{-1} p_n tend vers μ(A)\mu(A) quand nn tend vers +∞+\infty.

Exercices

See the exercises for § 5.

Transcribed from the printed volume. Not translated.