§ 5. Fonctions et ensembles mesurables
1. Définition des fonctions et ensembles mesurables
Définition 1
Soient X un espace localement compact, une mesure sur X. On dit qu’une application f de X dans un espace topologique F est mesurable pour la mesure (ou encore -mesurable) si, pour toute partie compacte K de X, il existe un ensemble -négligeable N et une partition de formée d’une suite (finie ou infinie) d’ensembles compacts, tels que la restriction de f à chacun des soit continue.
Il est clair que toute application continue de X dans F est mesurable.
On notera que si et sont deux mesures sur X telles que tout ensemble -négligeable soit -négligeable, alors toute fonction -mesurable est aussi -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 et tout nombre , il existe un ensemble compact , tel que , et que la restriction de f à soit continue.
En effet, si cette condition est remplie, on peut définir par récurrence une suite d’ensembles compacts , deux à deux sans point commun, tels que , et que la restriction de f à chacun des soit continue; le complémentaire par rapport à K de la réunion des est alors négligeable (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 7), donc f est mesurable. Inversement, supposons qu’il existe un ensemble négligeable N et une partition de formée d’ensembles compacts tels que la restriction de f à chacun des soit continue; pour tout , il existe un entier tel que, si , on ait (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 7); l’ensemble est compact, les () forment une partition finie de en ensembles compacts et la restriction de à chacun des est continue; donc la restriction de à est continue.
Proposition 2
Soit* une suite d’espaces topologiques, et pour chaque , soit une application mesurable de dans . Pour tout ensemble compact et tout , il existe un ensemble compact tel que , et que la restriction à de chacune des fonctions soit continue.
En effet, il existe pour chaque entier un ensemble compact tel que , et que la restriction de à soit continue. L’ensemble est compact, les restrictions à de toutes les fonctions sont continues, et comme est contenu dans la réunion des , on a
Définition 2
On dit qu’une partie* de est mesurable si sa fonction caractéristique est mesurable.
En vertu de la déf. 1, il revient au même de dire qu’un ensemble mesurable est un ensemble tel que, pour tout ensemble compact , il existe un ensemble négligeable et une partition de formée d’une suite d’ensembles compacts, dont chacun est contenu dans ou dans .
Cette définition donne aussitôt le critère suivant:
Proposition 3
Pour qu’un ensemble* soit mesurable, il faut et il suffit que, pour tout ensemble compact , soit intégrable.
La condition est nécessaire parce que la réunion d’une suite d’ensembles intégrables est intégrable lorsque est finie (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 8). La condition est suffisante parce que, pour tout ensemble intégrable , il existe un ensemble négligeable et une partition de en une suite d’ensembles compacts (, n° 6, cor. 2 du th. 4).
Corollaire 1
Les ensembles ouverts et les ensembles fermés sont mesurables.
En particulier l’espace tout entier est mesurable.
Corollaire 2
Si est métrisable, tout sous-ensemble souslinien de (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 6, n° 2) est -mesurable pour toute mesure sur .
En vertu de la prop. 3, il suffit de vérifier que tout ensemble souslinien relativement compact est -intégrable. Or, est alors capacitable pour (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 6, n° 9, th. 5). Donc, pour tout , il existe une partie compacte de telle que . Soit une partie ouverte relativement compacte de contenant et telle que
Alors , donc , ce qui prouve que est -intégrable (, n° 6, cor. 1 du th. 4).
2. Principe de localisation. Ensembles localement négligeables
Proposition 4 (principe de localisation)
Soit une application de dans un espace topologique . On suppose que pour tout , il existe un voisinage intégrable de , et une application mesurable de dans telle que presque partout dans . Alors est mesurable.
En effet, soit un ensemble compact ; il existe un nombre fini de points tels que les forment un recouvrement de . On en conclut aussitôt (, n° 9, lemme 1) qu’il existe un ensemble négligeable et une partition finie de formée d’ensembles intégrables , tels que chacun des ensembles soit réunion d’une partie de et d’un certain nombre des , et que, dans chacun des , soit égale à une des fonctions . Or, pour chaque , il existe un ensemble négligeable et une partition de formée d’une suite d’ensembles compacts () ; d’autre part, pour chaque , il existe un ensemble négligeable , et une partition de formée d’une suite d’ensembles compacts () telle que la restriction de à chacun des soit continue. Comme la réunion de , des et des est négligeable, est mesurable.
La notion de fonction mesurable est donc une notion de caractère local.
Définition 3
On dit qu’un ensemble est localement négligeable (pour la mesure ) si, pour tout , il existe un voisinage de tel que 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 soit localement négligeable, il faut et il suffit que, pour tout ensemble compact , soit négligeable.
La condition est évidemment suffisante puisque tout point de a un voisinage compact. Elle est nécessaire, car si, pour tout , il existe un voisinage de tel que soit négligeable, alors il existe un nombre fini de points tels que les forment un recouvrement de , et est contenu dans la réunion des ensembles négligeables .
Corollaire 1
Pour qu'un ensemble 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, est contenu dans un ensemble ouvert intégrable , réunion d'un ensemble négligeable et d'une suite d'ensembles compacts (§ 4, n° 6, cor. 2 du th. 4); comme et les ensembles sont négligeables, il en est de même de leur réunion .
Corollaire 2
Tout ensemble ouvert localement négligeable est négligeable (et par suite contenu dans le complémentaire du support de ).
En effet, la mesure extérieure d’un ensemble ouvert G est la borne supérieure des mesures des ensembles compacts (§ 4, n° 6, cor. 4 du th. 4); si G est localement négligeable, on a pour tout ensemble compact K contenu dans G, donc .
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 d’ensembles compacts, tout ensemble localement négligeable A est réunion des ensembles négligeables , 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 , est négligeable (prop. 5), donc, pour tout , il existe un ensemble compact tel que (§ 4, n° 6, th. 4), et par hypothèse la restriction de f à est continue, d’où la conclusion.
Si est une propriété, la propriété « localement presque partout (par rapport à ) » est par définition équivalente à la propriété « l’ensemble des x tels que et non est localement négligeable (pour la mesure ) ». Si F est un ensemble quelconque, la relation « 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 de X dans F telle que 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 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 ( 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, une mesure sur X, une suite d’espaces topologiques, leur produit. Pour chaque indice n, soit une application mesurable de X dans , et soit ; pour toute application continue u de dans un espace topologique G, la fonction est mesurable.
En effet, pour toute partie compacte K de X et tout nombre , il existe un ensemble compact tel que
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, 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, et sont continues dans .
Corollaire 2
Pour qu’une fonction numérique (finie ou non) soit mesurable, il faut et il suffit que et le soient.
La condition est nécessaire d’après le cor. 1; elle est suffisante parce que l’image A de X par l’application dans ne contient pas les points et ; par suite, l’application est continue dans A.
Corollaire 3
Si et sont deux applications mesurables de dans un espace vectoriel topologique , et sont mesurables ( scalaire quelconque).
L’ensemble des applications mesurables de dans un espace vectoriel topologique est donc un espace vectoriel.
Corollaire 4
Soit un espace vectoriel de dimension sur , et soit une base de . Pour qu’une fonction soit mesurable, il faut et il suffit que chacune des fonctions numériques soit mesurable.
Corollaire 5
Soient , , trois espaces vectoriels topologiques et soit une application bilinéaire continue de dans . Si est une application mesurable de dans , une application mesurable de dans , est une application mesurable de dans .
En particulier, si est une application mesurable de dans un espace normé réel (resp. complexe) et une application mesurable de dans (resp. ), est mesurable. Si est une algèbre normée, et deux applications mesurables de dans , est mesurable.
Corollaire 6
Si est une application mesurable de dans un espace normé , la fonction numérique est mesurable.
4. Limites de fonctions mesurables
Théorème 2 (Egoroff)
Soient un espace localement compact, une mesure sur , un ensemble dénombrable, un filtre sur ayant une base dénombrable, une famille d’applications mesurables de dans un espace métrisable . On suppose que existe dans le complémentaire d’une partie localement négligeable de . Dans ces conditions : 1° la fonction (prolongée de façon arbitraire dans ) est mesurable ; 2° pour toute partie compacte de et tout , il existe un ensemble compact tel que , et tel que les restrictions des à soient continues et convergent uniformément vers dans .
La première assertion résulte évidemment de la seconde, que nous allons démontrer. Il existe un ensemble compact tel que , et que les restrictions à de toutes les fonctions soient continues (n° 1, prop. 2). Soit une base dénombrable décroissante du filtre ; soit une distance sur compatible avec la topologie. Pour tout couple d’entiers , , soit l’ensemble des points tels que, pour au moins un couple d’indices appartenant à , on ait ; pour et fixés, l’ensemble des tels que est fermé dans , donc compact; par suite, est réunion dénombrable d’ensembles compacts contenus dans , donc est intégrable (, n° 5, prop. 6 et 8). Si l’on fixe , l’intersection de la suite décroissante des ensembles () est de mesure nulle, puisque tend presque partout vers dans suivant le filtre ; on a donc (, n° 5, cor. de la prop. 7), et il existe par suite un entier tel que . Soit la réunion (pour ) des ensembles ; est intégrable, et on a
Les conclusions du th. 2 ne subsistent plus nécessairement si n’est pas métrisable (exerc. 1). Si est métrisable et si l’ensemble n’est pas dénombrable, mais si le filtre possède une base dénombrable, la première conclusion du th. 2 est encore valable; en effet, si est une base dénombrable de , et un élément de , est limite localement presque partout de la suite , donc est mesurable; mais la seconde conclusion du th. 2 n’est plus nécessairement valable (cf. exerc. 4).
Corollaire 1
Soit une suite de fonctions numériques (finies ou non). Si les sont mesurables, les fonctions , , , , sont mesurables.
En effet, la droite achevée , homéomorphe à un intervalle compact de , est métrisable. La fonction est limite simple de la suite croissante des fonctions , qui sont mesurables (n° 3, cor. 1 du th. 1); de même, est limite simple de la suite décroissante des fonctions , dont chacune est mesurable d’après ce qui précède. Enfin, comme et , 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,
et sont mesurables en vertu du n° 3, th. 1. Si est une suite d’ensembles mesurables et M leur réunion, 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 -mesurables pour toute mesure sur X.
5. Critères de mesurabilité
Lorsque F est un espace vectoriel topologique, toute fonction étagée sur les ensembles mesurables (, n° 9, déf. 4), à valeurs dans F, est évidemment mesurable (n° 3, cor. 3 du th. 1); une telle fonction ne prend qu’un nombre fini de valeurs, et pour tout , est mesurable. Plus généralement, soient F un espace topologique quelconque, une application de X dans F ne prenant qu’un nombre fini de valeurs distinctes (); si les ensembles sont mesurables, la fonction est mesurable. En effet, pour tout ensemble compact K, et pour chacun des ensembles , il existe un ensemble négligeable et une partition de formée d’une suite d’ensembles compacts ; comme K est la réunion des ensembles , et que la restriction de à chacun des est constante, donc continue, est mesurable. Par abus de langage, nous dirons qu’une application de dans est une fonction étagée mesurable si elle ne prend qu’un nombre fini de valeurs et si, pour tout , est mesurable.
Théorème 3
Pour qu’une application de dans un espace métrisable soit mesurable, il faut et il suffit que, pour tout ensemble compact , il existe une suite de fonctions étagées mesurables, à valeurs dans , telle que tende vers pour presque tout .
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 et une partition de formée d’ensembles compacts tels que la restriction de à chacun des soit continue. Pour définir la suite , il suffit de procéder de la façon suivante : soit une distance compatible avec la topologie de ; pour chaque d’indice , il existe une partition finie de en ensembles intégrables assez petits () tels que l’oscillation de dans chacun des soit (§ 4, n° 9, lemme 1); on prendra constante dans chacun des et égale à une des valeurs de dans cet ensemble (pour ), et égale à un élément fixe pour tout point de n’appartenant à aucun des . Il est clair que la suite converge vers en tout point de n’appartenant pas à .
Corollaire 1
Soit une application mesurable de dans un espace de Banach ; pour tout ensemble compact , il existe une suite de fonctions étagées mesurables, de support contenu dans , telles que pour tout et que tende vers pour presque tout .
Avec les notations de la démonstration du th. 3, et en désignant par une des valeurs de dans , il suffira de prendre pour valeur de dans , le point 0 si , et le point dans le cas contraire; enfin, on prendra dans le complémentaire de la réunion des .
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 de fonctions étagées mesurables, à valeurs dans F, telle que tende vers pour presque tout .
En effet, si X est réunion d’une suite croissante d’ensembles compacts, les ensembles non vides forment une partition de X en ensembles intégrables ; il existe par suite un ensemble négligeable et une partition de formée d’une suite d’ensembles compacts, tels que la restriction de à chacun des 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 d’un ensemble A fermé dans F. Soit K une partie compacte de X ; il existe un ensemble négligeable et une partition de formée d’ensembles compacts tels que la restriction de à chacun des soit continue. L’intersection est donc l’image réciproque de l’ensemble fermé A par la restriction de à ; c’est par suite un ensemble fermé dans , donc compact. L’ensemble est donc réunion de l’ensemble négligeable et des ensembles compacts , ce qui prouve que 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 , il existe une partie dénombrable H de F, telle que pour presque tout .
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 .
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 soit contenu dans l’adhérence d’un ensemble dénombrable de points de F, que nous rangerons en une suite . Soit l’ensemble des tels que . Il résulte de la condition a) que est mesurable. Pour fixé, définissons par récurrence une suite d’ensembles en posant et ; les sont mesurables et ceux qui ne sont pas vides forment une partition de . Soit la fonction égale à dans l’ensemble pour , et égale à une constante dans le complémentaire de la réunion de ces ensembles ; est une fonction étagée mesurable ; lorsque croît indéfiniment, converge simplement vers la fonction égale à dans () et à dans , donc (th. 2) est mesurable. Lorsque croît indéfiniment, tend vers pour tout , et vers pour ; la limite des est donc mesurable, et le principe de localisation prouve que elle-même est mesurable.
Remarque 1
La condition a) seule ne suffit pas pour que 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 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 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 . Pour qu’une fonction numérique (finie ou non) soit mesurable, il suffit (et il faut) que pour tout , l’ensemble des tels que soit mesurable.
En effet, s’il en est ainsi, pour tout , l’ensemble des tels que est mesurable, comme intersection des ensembles (formant une famille dénombrable) des tels que , lorsque parcourt l’ensemble des points de D qui sont . L’ensemble des tels que est mesurable, comme complémentaire d’un ensemble mesurable. Enfin, si est fini, l’ensemble des tels que est mesurable, comme intersection des ensembles des tels que ; et est mesurable comme intersection des ensembles des tels que , où parcourt . Finalement, l’image réciproque par de tout intervalle fermé de est mesurable, comme intersection de deux ensembles mesurables, et le th. 4 s’applique.
On montrerait de même qu’il suffit que pour tout , l’ensemble des tels que soit mesurable.
Corollaire
Toute fonction semi-continue inférieurement* (resp. supérieurement) est mesurable.
En effet, si est semi-continue inférieurement, l’ensemble des tels que est fermé pour tout .
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 une distance compatible avec la topologie de F. Pour tout entier , il existe un nombre fini de points tels que les boules fermées de centre et de rayon forment un recouvrement de F ; les ensembles sont donc mesurables (prop. 7), et forment un recouvrement de X. Il existe par suite (§ 4, n° 9, lemme 1) une partition de X en un nombre fini d’ensembles mesurables telle que chacun des soit réunion d’un nombre fini des . Soient un point de , et la fonction étagée mesurable égale à dans (pour chaque indice i). Il est clair que pour tout .
Proposition 10
Soient F un espace de Banach de type dénombrable, F' son dual, 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 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 , de centre et de rayon , l’ensemble est mesurable; or, pour tout , on a
Corollaire 1
Soit F un espace de Banach. Pour qu’une application de X dans F soit mesurable, il faut et il suffit qu’elle vérifie les deux conditions suivantes: a) pour tout , la fonction scalaire est mesurable; b) pour tout ensemble compact , il existe une partie dénombrable de F telle que pour presque tout .
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 dans un ensemble négligeable, que l’on a , où est une partie dénombrable de F. Si V est le sous-espace vectoriel fermé de F engendré par l’ensemble , V est un espace de Banach de type dénombrable et toute forme linéaire continue dans V est la restriction d’une forme ; le même raisonnement que dans la prop. 10 montre alors que est mesurable.
Corollaire 2
Soient F un espace localement convexe métrisable de type dénombrable, son dual. Pour qu’une application de X dans F soit mesurable, il faut et il suffit que pour tout , la fonction scalaire soit mesurable.
En effet, F peut être considéré comme un sous-espace d’un produit dénombrable d’espaces de Banach (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 4, n° 3), et l’on peut supposer que est dense dans , qui est donc de type dénombrable. Pour tout , l’application est alors mesurable en vertu de la prop. 10, donc 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 de type dénombrable, F étant réunion des . Soit le dual de F muni de la topologie faible . Pour qu’une application de X dans soit mesurable, il faut et il suffit que, pour tout , la fonction scalaire 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 une suite fondamentale décroissante de voisinages ouverts convexes équilibrés de 0 dans F ; les ensembles polaires sont équicontinu et leur réunion est tout entier. Soit ; la suite est croissante et ; montrons que chacun des est -mesurable. En effet, est dense dans ; pour tout , soit l’ensemble des tels que ; l’hypothèse entraîne que chacun des est mesurable, et est l’intersection de la famille dénombrable des pour . Cela étant, pour toute partie compacte K de X et tout , il existe un entier tel que , puis une partie compacte de telle que ; enfin, il existe une partie compacte de telle que et que les restrictions à de toutes les fonctions , où , soient continues (n° 1, prop. 2). Comme l’ensemble est équicontinu, la topologie induite par sur 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 est continue, d’où notre assertion dans ce premier cas.
Passons au cas général. Si est une forme linéaire continue sur F, sa restriction à est continue; comme , le dual de F peut être identifié (algébriquement) à un sous-espace vectoriel du produit , et l’on a . En outre, toute partie finie de F étant contenue dans l’un des , la topologie n’est autre que la topologie induite par la topologie produit des topologies . Cela étant, si est mesurable pour tout , il en est de même de pour tout et tout , puisque ; la première partie de la démonstration montre donc que est mesurable pour tout , et il en est donc de même de (n° 3, th. 1).
6. Critères d’intégrabilité
Théorème 5
Pour qu’une application de dans un espace de Banach soit de puissance -ième intégrable (), il faut et il suffit que soit mesurable et que soit finie.
La condition est nécessaire : en effet, si , il existe une suite de fonctions continues à support compact qui converge presque partout vers (, n° 4, cor. 2 du th. 3); en vertu du th. 2 du n° 4, est mesurable.
Pour prouver que les conditions sont suffisantes, nous établirons d’abord un lemme :
Lemme 1
Soit une fonction à valeurs dans , telle que (autrement dit, une fonction de ). L’ensemble de points tels que est contenu dans la réunion d’un ensemble négligeable et d’une suite d’ensembles compacts.
En effet, soit l’ensemble des points tels que ; est réunion des , et on a , d’où ; est donc contenu dans la réunion d’un ensemble négligeable et d’une suite d’ensembles compacts (, n° 6, cor. 3 du th. 4); par suite, il en est de même de .
Ce lemme étant démontré, considérons d’abord le cas où a un support compact . D’après le cor. 1 du th. 3 du n° 4, il existe une suite de fonctions étagées mesurables telles que
en tout point , et que tende presque partout vers . Or, est combinaison linéaire de fonctions caractéristiques d’ensembles mesurables contenus dans ; ces ensembles étant intégrables en vertu de la prop. 3 du n° 1, appartient à . Comme , le th. de Lebesgue (, n° 7, th. 6) montre que appartient à .
Dans le cas général, il résulte du lemme 1 qu’il existe une suite croissante d’ensembles compacts telle que soit nulle presque partout dans le complémentaire de la réunion des . Soit la fonction égale à dans , et à 0 ailleurs ; est mesurable en vertu du n° 3, cor. 5 du th. 1; comme , appartient à en vertu de la première partie du raisonnement. Comme est presque partout égale à la limite de la suite des , le th. de Lebesgue prouve encore que , 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 une suite d’espaces topologiques; pour chaque indice , soit une application mesurable de dans , et soit ; soit enfin une application continue de dans un espace de Banach . Pour que la fonction soit intégrable, il faut et il suffit que .
En effet, est mesurable (n° 3, th. 1).
Corollaire 3
Pour toute fonction intégrable et tout ensemble mesurable , la fonction est intégrable.
En effet, il résulte du th. 5 et du n° 3, cor. 5 du th. 1 que est mesurable, et on a .
On pose (ou ) pour toute fonction intégrable et tout ensemble mesurable . On écrit aussi (ou ) au lieu de pour toute fonction numérique (finie ou non) (en posant si et ).
Corollaire 4
Pour toute suite de fonctions mesurables sur , on a
(1)
Compte tenu du § 1, n° 3, th. 3, on est ramené à prouver que pour deux fonctions mesurables , sur , on a
(2)
Ce n’est autre que l’additivité de l’intégrale lorsque et sont intégrables. Dans le cas contraire, si par exemple est non intégrable, on a en vertu du th. 5; fortiori, on a .
Corollaire 5
Pour toute suite d’ensembles mesurables deux à deux disjoints, on a
7. Mesure induite sur un sous-espace localement compact
Soient X un espace localement compact, 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 -mesurable (n° 1, cor. de la prop. 3). Pour toute fonction , soit la fonction définie dans X, égale à g dans Y et à 0 dans X − Y ; montrons que est -intégrable. On peut se borner au cas où g est réelle et (en écrivant g comme combinaison linéaire de telles fonctions); comme est bornée et à support compact, il suffit de montrer que est -mesurable (n° 6, th. 5); mais cela résulte de ce que 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 sur X, et l’on note ou , la mesure définie par la formule
Exemple
Soient la mesure de Lebesgue sur , I un intervalle quelconque dans ; I est un sous-espace localement compact de et la mesure induite par sur I est la forme linéaire
Lorsque Y est un sous-espace ouvert de X, la déf. 1 coïncide avec la définition de la mesure induite par sur Y (ou restriction de à Y) donnée au chap. III, § 2, n° 1 : en effet, pour toute fonction , la fonction 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 une mesure positive sur X, K une partie compacte de X.
(i) Pour toute partie compacte (resp. ouverte) H de K, on a .
(ii) Pour qu’une partie N de K soit -négligeable, il faut et il suffit qu’elle soit -négligeable.
(iii) Si S est le support de , on a .
(i) On peut se borner au cas où H est compact. Désignons par la fonction caractéristique de H dans l’espace K ; est semi-continue supérieurement, et est donc enveloppe inférieure d’une famille filtrante décroissante de fonctions de ; on a (, n° 4, cor. 2 de la prop. 5). Si est la fonction égale à dans K, à 0 dans , est semi-continue supérieurement, et l’enveloppe inférieure de la famille filtrante décroissante est la fonction caractéristique de H dans l’espace X ; on a donc
(ii) Si N est -négligeable, pour tout il existe un voisinage ouvert relativement compact U de N dans X tel que ; comme est compact, il résulte de (i) que , donc N est -négligeable. Réciproquement, si N est -négligeable, il existe un voisinage ouvert V de N dans X tel que ; en vertu de (i), on a
(iii) Pour toute partie ouverte U de K rencontrant S, on a par hypothèse , donc par (i), et comme est ouvert dans S, par (i); comme tout ensemble ouvert non vide dans S est de la forme , où U est ouvert dans K, cela prouve que .
Lemme 3
Soit Y un sous-espace localement compact de X ; pour toute mesure sur X, on a .
Soient une fonction de , un nombre arbitraire ; par définition, il existe une fonction telle que et . Si l’on désigne par et les fonctions obtenues respectivement en prolongeant et par 0 dans , on a , et comme ,
d’où , et comme est arbitraire,
D’autre part, soient le support de , un voisinage compact de dans tel que ; en vertu du th. d’Urysohn, il existe une fonction , prolongeant , de support contenu dans et telle que . Il existe une fonction telle que et que . Si est la restriction de à , on a , et , donc ; par ailleurs, on a de même
On en tire que
et comme est arbitraire, , ce qui achève la démonstration.
8. Familles -denses d’ensembles compacts.
Proposition 12
Soient une mesure sur un espace localement compact , une partie -mesurable de , un ensemble de parties compactes de , satisfaisant aux conditions suivantes :
(PL_I) Toute partie fermée (donc compacte) d’un ensemble de appartient à .
(PL_{II}) Toute réunion finie d’ensembles de appartient à . Les quatre propriétés suivantes sont alors équivalentes : a) Pour qu’une partie de soit localement -négligeable, il faut et il suffit que pour tout . b) Pour tout partie compacte de et tout , il existe une partie , contenue dans et telle que . c) Pour toute partie compacte de , il existe une partition de formée d’un ensemble -négligeable et d’une suite d’ensembles compacts appartenant à .
d) Pour toute partie compacte B de A. il existe une suite croissante d’ensembles compacts de , contenus dans B et tels que l’ensemble soit -négligeable.
Il est immédiat (n° 2, prop. 5) que d) entraîne a); c) entraîne d) en prenant pour la réunion des tels que , et en utilisant (PL_{II}). Pour démontrer que b) entraîne c), on définit par récurrence une suite d’ensembles de de sorte que et que l’on ait (§ 4, n° 6, th. 4). Reste enfin à prouver que a) entraîne b). Raisonnons par l'absurde, et supposons que la borne supérieure des nombres , où K parcourt l'ensemble des parties de appartenant à , soit . En vertu de (PL_{II}), il existe une suite croissante de parties compactes de , appartenant à et telle que .
Posons ; B est intégrable et l'on a , donc . Mais nous allons voir d'autre part que, pour toute partie , on a , ce qui, en vertu de a), entraînera contradiction. En effet, s'il existait une partie telle que , il existerait une partie compacte H de telle que . D'après (PL_I), on aurait et, pour assez grand,
Mais appartient à en vertu de (PL_{II}), et cela contredit la définition de .
Définition 6
Soit A une partie -mesurable de X. On dit qu’un ensemble de parties compactes de A est -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 -dense dans A.
Lorsque , on dira simplement « ensemble -dense » au lieu de « ensemble -dense dans X ». Si est localement -négligeable, tout ensemble de parties compactes de A, -dense dans A, est -dense dans X.
Remarque
Supposons que A soit réunion d’une suite d’ensembles compacts et d’un ensemble -négligeable (resp. localement -négligeable), et soit un ensemble de parties compactes, μ-dense dans A. Appliquant à chaque la propriété c) de l’énoncé de la prop. 12, on voit que A est réunion d’une suite d’ensembles compacts appartenant à et d’un ensemble -négligeable (resp. localement -négligeable).
Si K est une partie compacte de X, il revient au même de dire qu’un ensemble de parties compactes de K est -dense dans K ou -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 -mesurable de X, un ensemble de parties compactes, -dense dans A. Soit un ensemble de parties compactes de A satisfaissant à (PL_I) et (PL_{II}) et tel que, pour tout , l’ensemble des tels que soit -dense (ou, ce qui revient au même, -dense) dans K. Alors est -dense dans A.
En effet, soit L une partie compacte de A. Pour tout , il existe tel que et , puis tel que et ; on en déduit , d’où la proposition.
9. Partitions localement dénombrables
Définition 7
On dit qu’un ensemble de parties d’un espace topologique T est localement dénombrable si, pour tout , il existe un voisinage V de t tel que l’ensemble des rencontrant V soit dénombrable.
Si l’ensemble de parties de T est localement dénombrable, alors, pour toute partie compacte K de T, l’ensemble des 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 .
La déf. 7 montre que la réunion d’une ensemble localement dénombrable de parties -mesurables (resp. localement -négligeables) d’un espace localement compact est -mesurable (resp. localement -négligeable) (n° 1, prop. 3 et n° 2, prop. 5).
Proposition 14
Soient X un espace localement compact, une mesure sur X, A une partie -mesurable de X, un ensemble de parties compactes de A, -dense dans A. Il existe un ensemble localement dénombrable, formé de parties deux à deux disjointes, tel que soit localement -négligeable et que, pour tout , le support de soit tout entier.
Considérons les ensembles formés d’ensembles deux à deux disjoints tels que, pour tout , on ait . Ces ensembles forment une partie de , qui est non vide (car elle contient l’élément ) et que nous ordonnerons par la relation d’inclusion dans . Il est immédiat que est inductif ; soit un élément maximal de (Ens. R, § 6, no 10). Montrons tout d’abord que est localement dénombrable. En effet, pour tout , soit un voisinage ouvert relativement compact de ; si est une famille finie d’ensembles distincts de rencontrant , on a puisque les sont deux à deux disjoints, d’où . Si est l’ensemble des rencontrant , on a donc
10. Fonctions mesurables définies dans une partie mesurable
Proposition 15
Soient un espace localement compact, une mesure sur , une partie -mesurable de , une application de dans un espace topologique . Les conditions suivantes sont équivalentes :
a) L’ensemble des parties compactes de telles que la restriction de à soit continue, est -dense dans .
b) Il existe un ensemble de parties compactes de , -dense dans , et tel que la restriction de à tout soit -mesurable.
c) Il existe un homéomorphisme de sur un sous-espace d’un espace topologique et une application -mesurable de dans , tels que .
d) Tout prolongement de en une application de dans , constante dans , est -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 contenues dans un quelconque est -dense dans (n° 8, prop. 12, c)), et la prop. 13 du n° 8 montre que est -dense dans . Reste à voir que a) implique d). Soit un prolongement de à , constant dans . Pour toute partie compacte de , et sont -intégrables; donc, pour tout , il existe une partie compacte et une partie compacte
Définition 8
Soient un espace localement compact, une mesure sur , une partie -mesurable de . On dit qu’une application de dans un espace topologique est -mesurable si elle vérifie les conditions équivalentes de la prop. 15.
Si est localement -négligeable, toute application de dans est donc -mesurable.
Corollaire 1
Soient un espace localement compact, une mesure sur , une partie -mesurable de , une application -mesurable de dans un espace topologique . Soit un ensemble de parties compactes de , -dense dans . Il existe alors une partition de formée d’un ensemble localement négligeable et d’une famille localement dénombrable d’ensembles , telle que soit continue pour tout .
Compte tenu du n° 9, prop. 14, il suffit de montrer que l’ensemble des parties telles que et que soit continue, est -dense dans . 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 de et tout , il existe une partie appartenant à , telle que et que soit continue; la conclusion résulte donc de la prop. 12 du n° 8.
Corollaire 2
Soit un sous-espace compact de ; pour qu’une application de dans un espace topologique soit -mesurable, il faut et il suffit qu’elle soit -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 un ensemble localement dénombrable de parties -mesurables de , et soit . Pour qu’une application de dans un espace topologique soit -mesurable, il faut et il suffit que la restriction de à tout soit -mesurable.
On a déjà remarqué (n° 9) que est -mesurable. La condition étant évidemment nécessaire, prouvons qu’elle est suffisante. Soit donc une partie compacte de . Par hypothèse, il existe une suite d’ensembles appartenant à et telle que les forment un recouvrement de . Posons ,
pour , de sorte que les non vides forment une partition de en ensembles -intégrables. La restriction de à étant -mesurable, il existe une partition de formée d’un ensemble -négligeable et d’une suite d’ensembles compacts tels que soit continue. Comme est -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 de les propriétés des fonctions mesurables définies dans 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 n’est définie que dans (ou presque partout dans ) et est mesurable.
11. Convergence en mesure
Soient X un espace localement compact, une mesure sur X, A une partie -mesurable de X, F un espace uniforme; nous désignerons par , ou (ou simplement , ou même , lorsque ) l’ensemble des applications -mesurables de A dans F (n° 10, déf. 8). Pour tout entourage V de la structure uniforme de F, tout ensemble -intégrable et tout nombre , nous désignerons par l’ensemble des couples de fonctions de ayant la propriété suivante: l’ensemble M des pour lesquels est tel que . Montrons que les ensembles forment un système fondamental d’entourages d’une structure uniforme sur : il est clair que est symétrique si V l’est, et que si et , on a
Définition 9
On dit que la structure uniforme sur dont les 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 .
Supposons F séparé; alors, pour tout ensemble -intégrable , l’intersection des entourages , où V parcourt un système fondamental d’entourages de F et parcourt l’ensemble des nombres > 0, est l’ensemble des couples tels que presque partout (pour ) dans B. En effet, l’ensemble M des tels que est -intégrable, puisque c’est l’image réciproque par l’application -mesurable du complémentaire de la diagonale dans , qui est ouvert (n° 5, prop. 7); si , il existe une partie compacte telle que et que les restrictions de et à soient continues; il y a donc un entourage de tel que pour tout , et par suite, on a .
On en conclut que, lorsque est séparé, l’intersection de tous les entourages de est l’ensemble des couples tels que localement presque partout dans . L’espace uniforme séparé associé à , que nous noterons ou (ou même ou lorsque ) est donc formé des classes d’équivalence pour la relation « localement presque partout dans » dans l’ensemble .
Proposition 17
Soit une famille localement dénombrable de parties -mesurables de , deux à deux disjointes et telles que soit localement -négligeable. Alors, si, pour toute classe , et tout , désigne la classe de la restriction à de l’une quelconque des fonctions de la classe , l’application est un isomorphisme de l’espace uniforme sur l’espace uniforme produit .
Il résulte du n° 10, prop. 16 que est bijective. Considérons un entourage de , image canonique d’un , où est une partie compacte de ; on sait que l’ensemble des tels que est dénombrable (n° 9), et l’on a ; il y a donc une partie finie de telle que l’on ait
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 lorsque n parcourt , 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 , 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 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 . Posons ; on a
et pour tout x ∈ B − M_m, on a 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 est négligeable.
Posons 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 , et que la suite soit une suite de Cauchy dans , où est négligeable. Posons pour tout , de sorte que, pour tout , la suite soit extraite de ; la suite est alors une suite de Cauchy dans pour tout , où est négligeable.
Proposition 19
Si l’espace uniforme est métrisable et complet, l’espace uniforme est complet.
Il existe une famille de parties compactes de , localement dénombrable, telle que les soient deux à deux disjointes et que soit localement négligeable (n° 9, prop. 14). En vertu de la prop. 17, est isomorphe au produit ; on est donc ramené à démontrer la proposition lorsque est intégrable; alors (prop. 18), est métrisable, et en vertu du lemme 4, pour toute suite de Cauchy dans , il y a une suite extraite qui est convergente dans , où est négligeable; la limite de (prolongée de façon arbitraire à tout entier) est alors -mesurable, et il résulte de l’extension du th. d’Egoroff mentionnée au n° 10 que la suite converge en mesure vers dans . Cela entraîne que est une valeur d’adhérence de la suite dans , et comme la suite est par hypothèse une suite de Cauchy, elle converge vers .
C.Q.F.D.
Corollaire
Soit un espace uniforme métrisable.* (i) Toute suite d’éléments de qui converge localement presque partout vers une application (nécessairement -mesurable) de dans , converge en mesure vers dans . (ii) Soit une suite d’éléments de , qui converge en mesure vers une application de dans . Pour tout ensemble réunion dénombrable d’ensembles intégrables, il existe une suite extraite de telle que la suite converge dans vers pour presque tout .
(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 extraite de telle que soit une suite de Cauchy dans pour tout x ∈ B − N, où N est négligeable ; soit f′(x) ∈ la limite de cette suite pour x ∈ B − N. Il est clair que f′ est une application μ-mesurable de B − N dans , 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 .
(ii) L’espace est partout dense dans .
(iii) Pour tout nombre réel fini p ≥ 1, la topologie induite par la topologie de la convergence en mesure sur l’espace 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 l’ensemble des tels que l’ensemble C des tels que vérifie la relation ; il est clair que si est l’entourage de F formé des couples (y, z) tels que , l’entourage est l’ensemble des couples (f, g) d’applications mesurables de A dans F telles que . Il est clair que les ensembles sont symétriques, et que l’on a et pour tout scalaire tel que ; il suffit donc de vérifier que les ensembles 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 est aussi μ-mesurable (n° 3, cor. 6 du th. 1). Soit l’ensemble des tels que ; les forment une suite décroissante d’ensembles intégrables dont l’intersection est vide; donc il existe un entier n tel que (§ 4, n° 5, cor. de la prop. 7); on peut en outre supposer n pris assez grand pour que ; alors on a , ce qui achève de prouver l’assertion (i).
(iii) La relation entraîne que si C est l’ensemble des tels que , on a
d’où , ce qui démontre (iii).
(ii) En vertu de (iii), il suffit de montrer par exemple que est partout dense dans , puisque par définition est dense dans pour la topologie de la convergence en moyenne. Or, soient un élément quelconque de , et un voisinage de 0 dans cet espace ; on voit comme dans (i) qu’il existe une partie intégrable de telle que et que soit bornée dans ; désignant alors par la fonction égale à dans , à 0 dans , il résulte du n° 6, th. 5 que est intégrable, et l’on a évidemment .
Remarque 1
L’espace vectoriel topologique 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 telles que peut être strictement moins fine que la topologie induite sur cet ensemble par la topologie de la convergence en moyenne d’ordre (exerc. 22). Voir toutefois la prop. 21 ci-dessous.
Définition 10
Soient un espace localement compact, une mesure sur , un espace de Banach, et . Une partie de est dite équiintégrable d’ordre (pour ) si elle satisfait aux conditions suivantes : (i) Pour tout , il existe tel que, pour tout ensemble intégrable de mesure et pour toute , on ait
Si , on dit « équiintégrable » au lieu de « équiintégrable d’ordre ».
Remarque
Supposons bornée. Pour tout , l’ensemble des applications mesurables de dans telles que presque partout est équiintégrable d’ordre , et ceci quel que soit .
Proposition 21
Soit une partie de équiintégrable d’ordre . Sur , la structure uniforme de la convergence en mesure est égale à la structure uniforme induite par celle de .
Soit . Il existe et avec les propriétés (i) et (ii) de la déf. 10. Soient dans telles que
pour , sauf sur un ensemble de mesure . On a
et de même
donc
Donc la structure uniforme de la convergence en mesure sur est plus fine que la structure uniforme induite par celle de . Il suffit alors d’appliquer la prop. 20.
12. Une propriété de la convergence vague
Lemme 5
Soient un espace localement compact, une mesure positive bornée sur , un espace de Banach, une fonction bornée sur à valeurs dans . Les conditions suivantes sont équivalentes:
(i) L’ensemble des points de discontinuité de est -négligeable.
(ii) Pour tout , il existe des éléments de , des fonctions appartenant à , et une fonction continue bornée sur , tels que partout sur , et .
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 tels que, posant , on ait (§ 3, n° 5, prop. 10). En multipliant g_1, ..., g_n par un même élément convenable de , on peut en outre supposer que
(ii) ⇒ (i). Supposons la condition (ii) satisfaite. Pour tout , soit l’oscillation de f en x. Soit . Il existe a_1, ..., a_n, g_1, ..., g_n, h avec les propriétés de (ii). Pour tout , est l’oscillation de en x, donc . Donc . Par suite, l’ensemble des tels que est tel que . Ceci prouve que , d’où .
Proposition 22
Soient F un espace de Banach, X un espace localement compact, l’ensemble des mesures positives bornées sur X, un élément de , une base de filtre sur . On suppose que converge vaguement vers et que tend vers suivant . Soit f une application de X dans F vérifiant les conditions suivantes: (i) f est bornée, intégrable pour et pour toute mesure appartenant à un élément de ; (ii) l’ensemble des points de discontinuité de f est -négligeable.
Alors tend vers suivant .
Soit . Il existe des éléments a_1, ..., a_n de F, des fonctions g_1, ..., g_n de , et une fonction h continue bornée sur X, tels que sur X et (lemme 5). Soit M = sup|f|. Il existe une partie compacte K de X telle que (§ 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 . D’autre part, , où . Compte tenu du § 4, n° 7, prop. 12, le nombre tend suivant vers
Il existe alors un tel que, pour toute , on ait
Ces inégalités entraînent
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 ,
Exercices
See the exercises for § 5.