Bourbaki

§ 7. Barycentres

1. Définition des barycentres

Soient EE un espace localement convexe séparé sur R\mathbf{R}, E′E' son dual, E′∗{E'}^* le dual algébrique de E′E', EE étant canoniquement identifié à un sous-espace vectoriel de E′E'. Soit KK une partie compacte de EE; l’injection canonique de KK dans EE étant continue à support compact, pour toute mesure μ\mu sur KK, l’intégrale ∫x dμ(x)\int x\ d\mu(x) est donc définie et est un élément de E′E' (chap. III, § 3, n° 1). En outre, sur KK, la topologie induite par la topologie faible σ(E′,E′)\sigma(E', E') est identique à la topologie initiale. Enfin, si CC est l’enveloppe convexe fermée de KK dans E′E' muni de σ(E′,E′)\sigma(E', E'), C∩EC \cap E est l’enveloppe convexe fermée de KK dans EE pour la topologie initiale (ou la topologie affaiblie σ(E,E′)\sigma(E, E')).

Définition 1

Soit KK une partie compacte d’un espace localement convexe séparé EE. Pour toute mesure positive μ\mu sur KK, de masse totale égale à 1, on appelle barycentre de μ\mu le vecteur bμ=∫x dμ(x)b_\mu = \int x\ d\mu(x) (appartenant à E′E').

Exemple

Soit μ\mu une mesure discrète sur KK, positive et de masse totale 1 ; elle est donc de la forme μ=∑i=1nλiεxi\mu = \sum_{i=1}^n \lambda_i \varepsilon_{x_i}, où les xi∈Kx_i \in K, les λi\lambda_i sont des nombres réels tels que λi≥0\lambda_i \geq 0 pour tout ii et ∑i=1nλi=1\sum_{i=1}^n \lambda_i = 1. Comme ∫x dεy(x)=y\int x\ d\varepsilon_y(x) = y (chap. III, § 3, n° 1, Exemple 3), on a bμ=∫x dμ(x)=∑iλixib_\mu = \int x\ d\mu(x) = \sum_i \lambda_i x_i. En particulier, pour tout x∈Kx \in K, xx est barycentre de la mesure εx\varepsilon_x.

Proposition 1

Soient EE un espace localement convexe séparé, KK une partie compacte de EE, CC l’enveloppe convexe fermée de KK dans EE. L’ensemble CC est alors formé des points de EE qui sont barycentres d’au moins une mesure positive de masse 1 sur KK. Ce n’est autre que la prop. 5 du chap. III, § 3, n° 2, appliquée à l’injection canonique de KK dans EE.

Corollaire

Si l’enveloppe convexe fermée CC de KK dans EE est compacte, le barycentre de toute mesure positive de masse totale 1 sur KK appartient à EE. En effet, CC est alors aussi l’enveloppe convexe fermée de KK dans E′E' muni de la topologie faible σ(E′,E′)\sigma(E', E'), et il suffit d’appliquer à l’injection canonique de KK dans EE le chap. III, § 3, n° 2, prop. 4.

Remarque

Le cor. de la prop. 1 s’applique en particulier lorsque K est convexe, ou lorsque E est quasi-complet.

Proposition 2

Soient K une partie convexe compacte d’un espace localement convexe séparé E, μ une mesure positive de masse 1 sur K, b_μ son barycentre. Pour toute fonction numérique convexe f ≥ 0, semi-continue inférieurement dans K, on a

f(bμ)≤∫∗fdμ. f(b_{\mu}) \leq \int^* f d\mu.

On sait (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 5, n° 4, prop. 5) que f est l’enveloppe supérieure d’une famille de restrictions à K de fonctions linéaires affines continues hα:x↦cα+⟨x,zα′⟩h_{\alpha}: x \mapsto c_{\alpha} + \langle x, z'_{\alpha} \rangle. On a donc

∫hα(x)dμ(x)≤∫∗f(x)dμ(x) \int h_{\alpha}(x) d\mu(x) \leq \int^* f(x) d\mu(x)

pour tout α ; or ∫hα(x)dμ(x)=cα+∫⟨x,zα′⟩dμ(x)\int h_{\alpha}(x) d\mu(x) = c_{\alpha} + \int \langle x, z'_{\alpha} \rangle d\mu(x) puisque μ est de masse totale 1 ; mais ∫⟨x,zα′⟩dμ(x)=⟨bμ,zα′⟩\int \langle x, z'_{\alpha} \rangle d\mu(x) = \langle b_{\mu}, z'_{\alpha} \rangle par définition du barycentre. On a donc sup⁡α∫hα(x)dμ(x)=sup⁡αhα(bμ)=f(bμ)\sup_{\alpha} \int h_{\alpha}(x) d\mu(x) = \sup_{\alpha} h_{\alpha}(b_{\mu}) = f(b_{\mu}), d’où la conclusion.

Lorsque μ est une mesure discrète positive sur K, de masse totale 1, la prop. 2 redonne l’inégalité qui définit les fonctions convexes dans K.

Corollaire

Pour toute fonction numérique g convexe bornée et semi-continue inférieurement dans K, on a g(bμ)≤∫gdμg(b_{\mu}) \leq \int g d\mu.

Il suffit de remarquer que inf⁡x∈Kg(x)=a\inf_{x \in K} g(x) = a est fini et d’appliquer la prop. 2 à g−ag - a.

2. Points extrémaux et barycentres

Proposition 3

Soient K une partie convexe compacte d’un espace localement convexe séparé E, x un point de K. Toute mesure μ sur K, positive, de masse totale 1, et admettant x pour barycentre, est vaguement adhérente à l’ensemble des mesures positives discrètes de masse totale 1, admettant x pour barycentre.

Soit U un voisinage de μ pour la topologie vague ; on peut supposer que U est formé des mesures ν sur K telles que

(1)

∣μ(fi)−ν(fi)∣≤δ |\mu(f_i) - \nu(f_i)| \leq \delta

pour un nombre fini de fonctions fi∈C(K;C)f_i \in \mathscr{C}(K; \mathbf{C}) (1≤i≤p1 \leq i \leq p) et un nombre δ>0\delta > 0. Pour tout point a∈Ka \in K, il existe un voisinage convexe fermé VaV_a de 0 dans E tel que l’on ait

∣fi(y)−fi(a)∣≤δ/2 |f_i(y) - f_i(a)| \leq \delta/2

pour 1≤i≤p1 \leq i \leq p et pour tout y∈Wa=K∩(a+Va)y \in W_a = K \cap (a + V_a). Comme K est compact, il y a un nombre fini de points aja_j (1≤j≤r1 \leq j \leq r) de K tels que les WajW_{a_j} forment un recouvrement de K (1≤j≤r1 \leq j \leq r). Considérons une partition continue de l’unité (gj)1≤j≤r(g_j)_{1 \leq j \leq r} sur K, subordonnée au recouvrement (Waj)(W_{a_j}), et posons αj=μ(gj)\alpha_j = \mu(g_j) pour tout jj; si αj≠0\alpha_j \neq 0, posons μj=αj−1gj⋅μ\mu_j = \alpha_j^{-1} g_j \cdot \mu, et si αj=0\alpha_j = 0, posons μj=εaj\mu_j = \varepsilon_{a_j}. Chacune des mesures μj\mu_j est positive, de masse totale 1, et son support est contenu dans l’ensemble convexe compact WajW_{a_j}; en outre, on a par définition

μ=∑j=1rαjμj \mu = \sum_{j=1}^r \alpha_j \mu_j

puisque gj⋅μ=0g_j \cdot \mu = 0 si μ(gj)=0\mu(g_j) = 0; les αj\alpha_j sont ≥0\geq 0 et l’on a

∑j=1rαj=∑j=1rμ(gj)=μ(∑j=1rgj)=μ(1)=1. \sum_{j=1}^r \alpha_j = \sum_{j=1}^r \mu(g_j) = \mu \left( \sum_{j=1}^r g_j \right) = \mu(1) = 1.

Soit xjx_j le barycentre de μj\mu_j, qui appartient à WajW_{a_j} (n° 1, prop. 1), et considérons la mesure discrète v=∑j=1rαjεxjv = \sum_{j=1}^r \alpha_j \varepsilon_{x_j}; elle est positive et de masse totale 1, et son barycentre est ∑j=1rαjxj\sum_{j=1}^r \alpha_j x_j, qui est aussi le barycentre de μ\mu en vertu de (3), donc égal à xx. Par ailleurs, en vertu de (2), on a ∣fi(y)−fi(a)∣≤δ/2|f_i(y) - f_i(a)| \leq \delta/2 pour tout y∈Wajy \in W_{a_j} et tout ii, d’où, puisque Supp⁡(μj)⊂Waj\operatorname{Supp}(\mu_j) \subset W_{a_j}, ∣μj(fi)−fi(aj)∣≤δ/2|\mu_j(f_i) - f_i(a_j)| \leq \delta/2 pour 1≤i≤p1 \leq i \leq p. D’autre part, comme xj∈Wajx_j \in W_{a_j}, on a aussi

∣εxj(fi)−fi(aj)∣≤δ/2 |\varepsilon_{x_j}(f_i) - f_i(a_j)| \leq \delta/2

pour 1≤i≤p1 \leq i \leq p, d’où ∣μj(fi)−εxj(fi)∣≤δ|\mu_j(f_i) - \varepsilon_{x_j}(f_i)| \leq \delta quels que soient i,ji, j. Comme les αj\alpha_j sont ≥0\geq 0 et ont pour somme 1, on déduit de (3) et de la définition de vv que vv vérifie l’inégalité (1).

C.Q.F.D.

Corollaire

Soit K′K' une partie compacte de K telle que K soit l’enveloppe convexe fermée de K. Pour que x∈K′x \in K' soit point extrémal de K, il faut et il suffit que εx\varepsilon_x soit la seule mesure positive sur K′K', de masse totale 1, ayant xx pour barycentre.

Supposons que xx soit point extrémal de KK; pour prouver que εx\varepsilon_x est la seule mesure positive sur K′K', de masse totale 1, ayant xx pour barycentre, il suffit de voir, en vertu de la prop. 3, que l’ensemble des mesures discrètes vv sur K′K', positives, de masse totale 1 et ayant xx pour barycentre, est réduit à εx\varepsilon_x. Mais une telle mesure vv est de la forme ∑i=1rλiεxi\sum_{i=1}^r \lambda_i \varepsilon_{x_i} avec λi>0\lambda_i > 0 pour 1≤i≤r1 \leq i \leq r et ∑i=1rλi=1\sum_{i=1}^r \lambda_i = 1; et l’hypothèse que xx est barycentre de vv s’écrit x=∑i=1rλixix = \sum_{i=1}^r \lambda_i x_i. Comme xx est extrémal, cela entraîne xi=xx_i = x pour tout ii, d’où v=εxv = \varepsilon_x.

Inversement, supposons que εx\varepsilon_x soit la seule mesure positive sur K′K', de masse totale 1, ayant xx pour barycentre, et montrons que xx est extrémal. Dans le cas contraire, il y aurait deux points distincts x′,x′′x', x'' de KK et un nombre réel λ\lambda tels que 0<λ<10 < \lambda < 1 et

x=λx′+(1−λ)x′′. x = \lambda x' + (1 - \lambda)x''.
D’après la prop. 1, x′x' (resp. x′′x'') est barycentre d’une mesure positive μ′\mu' (resp. μ′′\mu'') de masse totale 1 sur K′K'. Alors xx est barycentre de λμ′+(1−λ)μ′′\lambda \mu' + (1 - \lambda)\mu''. Donc λμ′+(1−λ)μ′′=εx\lambda \mu' + (1 - \lambda)\mu'' = \varepsilon_x. Donc μ′\mu' et μ′′\mu'' sont proportionnelles à εx\varepsilon_x, d’où x′=x′′=xx' = x'' = x, ce qui est absurde.

Théorème 1 (Choquet).—Soient EE un espace localement convexe séparé sur R\mathbf{R}, KK une partie convexe compacte et métrisable de EE, MM l’ensemble des points extrémaux de KK. L’ensemble MM est intersection d’une famille dénombrable de parties ouvertes de KK, et tout point de KK est barycentre d’une mesure μ\mu sur KK telle que μ(K−M)=0\mu(K - M) = 0.

Pour démontrer la première assertion, désignons par II l’intervalle [0,1][0, 1] de R\mathbf{R}; puisque KK est compact et métrisable, il en est de même de K×K×IK \times K \times I; le sous-ensemble UU de K×K×IK \times K \times I formé des triplets (x,y,λ)(x, y, \lambda) tels que x≠yx \neq y et 0<λ<10 < \lambda < 1 est ouvert dans K×K×IK \times K \times I, et il y a donc une suite (Fn)(F_n) d’ensembles fermés dans K×K×IK \times K \times I dont UU est réunion (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 2, n° 5, prop. 7). L’application q:K×K×I→Kq : K \times K \times I \to K définie par q(x,y,λ)=λx+(1−λ)yq(x, y, \lambda) = \lambda x + (1 - \lambda)y est continue, et par définition des points extrémaux, on a K−M=q(U)=⋃nq(Fn)K - M = q(U) = \bigcup_n q(F_n); mais FnF_n est compact puisqu’il est fermé dans K×K×IK \times K \times I, donc q(Fn)q(F_n) est compact, et par suite fermé dans K ; l’ensemble Un=K−q(Fn)U_n = K - q(F_n) est donc ouvert dans K, et l’on a M=⋂nUnM = \bigcap_n U_n.

Dans la suite de la démonstration, on désignera par uu une fonction numérique continue et convexe dans K, par G⊂E×RG \subset E \times \mathbf{R} le graphe de uu, par S l’*enveloppe convexe fermée* de G dans E×RE \times \mathbf{R}.

Lemme 1

Soit uˉ\bar{u} l’enveloppe inférieure des fonctions linéaires affines continues dans E et ≥u\geq u dans K. Alors S est l’ensemble des points (a,b)∈E×R(\mathbf{a}, b) \in E \times \mathbf{R} tels que l’on ait

a∈Ketu(a)≤b≤uˉ(a). \mathbf{a} \in K \quad \text{et} \quad u(\mathbf{a}) \leq b \leq \bar{u}(\mathbf{a}).

En vertu du th. de Hahn–Banach, pour que (a,b)(\mathbf{a}, b) appartienne à S, il faut et il suffit que h(a,b)≥0h(\mathbf{a}, b) \geq 0 pour toute fonction linéaire affine continue hh sur E×RE \times \mathbf{R} telle que h(x,u(x))≥0h(x, u(x)) \geq 0 pour x∈Kx \in K. Posant h(x,t)=f(x)−λth(x, t) = f(x) - \lambda t, où ff est une fonction linéaire affine continue dans E, on voit que la relation (a,b)∈S(\mathbf{a}, b) \in S équivaut à la propriété suivante: la relation

(4)

f(x)≥λu(x)pour tout x∈K f(x) \geq \lambda u(x) \quad \text{pour tout } x \in K
implique

(5)

f(a)≥λb. f(\mathbf{a}) \geq \lambda b.

Faisons d’abord λ=0\lambda = 0; le fait que (4) implique (5) pour toute fonction linéaire affine continue ff sur E équivaut à la relation a∈K\mathbf{a} \in K en vertu du th. de Hahn–Banach. En second lieu, faisons λ=−1\lambda = -1 et remplaçons ff par −f-f; alors la relation f(x)≤u(x)f(x) \leq u(x) dans K doit entraîner f(a)≤bf(\mathbf{a}) \leq b. Mais comme uu est convexe et continue dans K, u(a)u(\mathbf{a}) est égal à la borne supérieure des f(a)f(\mathbf{a}) pour les fonctions linéaires affines continues ff sur E telles que f(x)≤u(x)f(x) \leq u(x) dans K (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 5, n° 3, cor. 6 de la prop. 4); on obtient donc la relation b≥u(a)b \geq u(\mathbf{a}). Enfin, faisons λ=1\lambda = 1; dire que (4) entraîne (5) signifie alors, par définition, que b≤uˉ(a)b \leq \bar{u}(\mathbf{a}). Cela prouve le lemme, puisque la relation (4) (resp. (5)) est équivalente à celle qu’on obtient en multipliant les deux membres par un scalaire >0> 0.

Lemme 2

Si u est strictement convexe dans K, on a u(x)<uˉ(x)u(x) < \bar{u}(x) pour tout point non extrémal x de K.

En effet, il existe alors deux points distincts y, z de K tels que x=(y+z)/2x = (y + z)/2, d’où u(x)<(u(y)+u(z))/2u(x) < (u(y) + u(z))/2 puisque uu est strictement convexe. Si ff est une fonction linéaire affine dans E, on a f(x)=(f(y)+f(z))/2f(x) = (f(y) + f(z))/2; appliquant cette relation aux fonctions linéaires affines continues ff qui sont ≥u\geq u dans KK, il vient

uˉ(x)≥(uˉ(y)+uˉ(z))/2≥(u(y)+u(z))/2>u(x). \bar{u}(x) \geq (\bar{u}(y) + \bar{u}(z))/2 \geq (u(y) + u(z))/2 > u(x).
Ces lemmes étant établis, on a donc (lemme 1), pour tout a∈Ka \in K, (a,uˉ(a))∈S(a, \bar{u}(a)) \in S. Comme GG est compact, étant image de KK par l’application continue x↦(x,u(x))x \mapsto (x, u(x)), il existe, en vertu de la prop. 1 du n° 1, une mesure positive ν\nu sur GG, de masse totale 1, ayant (a,uˉ(a))(a, \bar{u}(a)) pour barycentre. Comme la restriction à GG de la projection pr1pr_1 est un homéomorphisme de GG sur KK, on peut transporter la mesure ν\nu à l’aide de cet homéomorphisme, ce qui donne une mesure μ\mu sur KK (positive et de masse totale 1) telle que l’on ait
(6)a=∫x dμ(x)etuˉ(a)=∫u(x) dμ(x). \text{(6)} \quad a = \int x \, d\mu(x) \quad \text{et} \quad \bar{u}(a) = \int u(x) \, d\mu(x).
La première des relations (6) signifie que aa est le barycentre de μ\mu. La fonction uˉ\bar{u} est semi-continue supérieurement et bornée dans KK, donc μ\mu-intégrable (§4§ 4, n° 4, cor. 1 de la prop. 5); en outre, comme la fonction −uˉ-\bar{u} est convexe par définition, on a, en vertu du cor. de la prop. 2 du n° 1
(7)uˉ(a)≥∫uˉ(x) dμ(x) \text{(7)} \quad \bar{u}(a) \geq \int \bar{u}(x) \, d\mu(x)
d’où, en comparant avec la seconde formule (6)
(8)∫u(x) dμ(x)≥∫uˉ(x) dμ(x). \text{(8)} \quad \int u(x) \, d\mu(x) \geq \int \bar{u}(x) \, d\mu(x).
Mais comme u(x)≤uˉ(x)u(x) \leq \bar{u}(x) dans KK, la relation (8) implique que u(x)=uˉ(x)u(x) = \bar{u}(x) presque partout pour μ\mu. Compte tenu du lemme 2, on voit que le théorème 1 sera démontré une fois établi le

Lemme 3

Soient E un espace localement convexe séparé sur R, K un partie convexe compacte métrisable de E. Il existe une fonction numérique strictement convexe dans K.

En effet, l’espace de Banach C(K;R)\mathscr{C}(K; \mathbf{R}) est de type dénombrable (Top. gén., chap. X, 2e éd., § 3, n° 3, th. 1), et il en est donc de même du sous-espace A\mathscr{A} de C(K;R)\mathscr{C}(K; \mathbf{R}) formé des restrictions à KK des fonctions linéaires affines continues dans EE. Soit donc (hn)(h_n) une suite partout dense dans A\mathscr{A}, et soit αn>sup⁡x∈K∣hn(x)∣\alpha_n > \sup_{x \in K} |h_n(x)|. Alors, chacune des fonctions hn2/n2αn2h_n^2/n^2 \alpha_n^2 est convexe dans KK (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 2, n° 8, Exemples), et la série de terme général hn2/n2αn2h_n^2/n^2 \alpha_n^2 est normalement convergente, donc sa somme uu est continue et convexe dans KK. Il reste à voir que uu est strictement convexe, et pour cela, il suffit de prouver que pour deux points distincts x,x′x, x' de KK, il y a un entier nn tel que la restriction au segment d’extrémités x, x' de hn2h_n^2 est strictement convexe; mais pour cela il suffit que hn(x)≠hn(x′)h_n(x) \neq h_n(x') (loc. cit.). Or, il y a une fonction h∈Ah \in \mathscr{A} telle que h(x)≠h(x′)h(x) \neq h(x') (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 4, n° 1, cor. 1 de la prop. 2) et comme la suite (hn)(h_n) est dense dans A\mathscr{A}, il existe un nn tel que hn(x)≠hn(x′)h_n(x) \neq h_n(x').

C.Q.F.D.

Corollaire

Soient E un espace localement convexe séparé sur R\mathbf{R}, C un cône convexe saillant de sommet 0 dans E, complet et métrisable pour la structure uniforme induite par la structure uniforme affaiblie de E. Soit M la réunion des génératrices extrémales de C. Pour tout x∈Cx \in C, il existe une partie compacte K de C et une mesure λ≥0\lambda \geq 0 de masse 1 sur K, telles que K−(M∩K)K - (M \cap K) soit λ\lambda-négligeable et que le barycentre de λ\lambda soit égal à x.

En effet, x appartient à un chapeau de C (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., §7, n° 2, prop. 5), et M∩KM \cap K contient l’ensemble des points extrémaux de K (loc. cit., cor. 1 de la prop. 4). Il suffit alors d’appliquer le th. 1.

3. Applications: I. Espaces vectoriels de fonctions continues réelles

Soient X un espace compact non vide, H\mathscr{H} un sous-espace vectoriel de l’espace de Banach C(X;R)\mathscr{C}(X; \mathbf{R}) qui contient les constantes et sépare les points de X (Top. gén., chap. X, 2e éd., § 4, n° 1, déf. 1). Nous munirons H\mathscr{H} de la topologie d’espace normé induite par celle de C(X;R)\mathscr{C}(X; \mathbf{R}), et désignerons par H′\mathscr{H}' le dual de cet espace normé. Pour tout x∈Xx \in X, l’application f↦f(x)f \mapsto f(x) est une forme linéaire continue sur H\mathscr{H} (restriction à H\mathscr{H} de la mesure de Dirac εx\varepsilon_x), donc un élément de H′\mathscr{H}' que nous noterons iH(x)i_{\mathscr{H}}(x), de sorte que l’on a

⟨f,iH(x)⟩=f(x) \langle f, i_{\mathscr{H}}(x) \rangle = f(x)
pour toute fonction f∈Hf \in \mathscr{H} et tout x∈Xx \in X.

L’application iHi_{\mathscr{H}} de X dans H′\mathscr{H}' est injective et continue lorsqu’on munit H′\mathscr{H}' de la topologie faible σ(H′,H)\sigma(\mathscr{H}', \mathscr{H}); la seconde assertion résulte aussitôt des définitions et de (9); quant à la première, notons que si x,x′x, x' sont deux points distincts de X, il existe par hypothèse une fonction h∈Hh \in \mathscr{H} telle que h(x)≠h(x′)h(x) \neq h(x'), donc, en vertu de (9), ⟨h,iH(x)⟩≠⟨h,iH(x′)⟩\langle h, i_{\mathscr{H}}(x) \rangle \neq \langle h, i_{\mathscr{H}}(x') \rangle et a fortiori iH(x)≠iH(x′)i_{\mathscr{H}}(x) \neq i_{\mathscr{H}}(x'). L’image iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) est donc une partie compacte de H′\mathscr{H}' (pour la topologie faible), et iHi_{\mathscr{H}} un homéomorphisme de X sur iH(X)i_{\mathscr{H}}(X).

Proposition 4

(i) L’enveloppe convexe fermée C de iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) dans H′\mathscr{H}' (pour la topologie faible σ(H′,H)\sigma(\mathscr{H}', \mathscr{H})) est compacte.

(ii) Pour qu’un point iH(x)i_{\mathscr{H}}(x) soit point extrémal de C, il faut et il suffit que la seule mesure positive λ\lambda sur X, telle que

h(x)=∫h dλ h(x) = \int h \, d\lambda
pour toute fonction h∈Hh \in \mathscr{H} (ce qui entraîne en particulier que λ\lambda est de masse totale 1 puisque 1∈H1 \in \mathscr{H}) soit la mesure de Dirac εx\varepsilon_x.

La fonction z′↦⟨h,z′⟩z' \mapsto \langle h, z' \rangle sur C atteint sa borne supérieure en un point extrémal de C au moins (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 7, n° 1, prop. 1), et ce point appartient à iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) (loc. cit., cor. de la prop. 2).

(i) D’après (9), on a ∥iH(x)∥≤1\| i_{\mathscr{H}}(x) \| \leq 1 dans l’espace normé H′\mathscr{H}', autrement dit, iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) est borné, et l’assertion résulte de ce que H′\mathscr{H}', muni de la topologie faible σ(H′,H)\sigma(\mathscr{H}', \mathscr{H}), est quasi-complet (Esp. vect. top., chap. IV, § 2, n° 2, cor. 2 du th. 1).

(ii) Toute mesure positive μ\mu de masse 1 sur iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) provient, par transport de structure au moyen de l’homéomorphisme iHi_{\mathscr{H}}, d’une mesure positive λ\lambda de masse 1 sur X, la mesure de Dirac εiH(x)\varepsilon_{i_{\mathscr{H}}(x)} provenant de εx\varepsilon_x. Dire que μ\mu admet iH(x)i_{\mathscr{H}}(x) pour barycentre signifie, par définition, que l’on a

∫X⟨h,iH(z)⟩ dλ(z)=⟨h,iH(x)⟩ \int_X \langle h, i_{\mathscr{H}}(z) \rangle \, d\lambda(z) = \langle h, i_{\mathscr{H}}(x) \rangle
pour toute fonction h∈Hh \in \mathscr{H}. Compte tenu de (9), l’assertion (ii) n’est autre que la traduction du critère du n° 2, cor. de la prop. 3, pour que iH(x)i_{\mathscr{H}}(x) soit point extrémal de C.

Nous dirons qu’un point x∈Xx \in X vérifiant la condition (ii) de la prop. 4 est H\mathscr{H}-extrémal ; nous désignerons par ChH(X)\mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X) (ou simplement Ch(X)\mathrm{Ch}(X)) l’ensemble de ces points, par SˇH(X)\check{S}_{\mathscr{H}}(X) (ou simplement Sˇ(X)\check{S}(X)) l’adhérence de ChH(X)\mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X) dans X.

Proposition 5

Toute fonction h∈Hh \in \mathscr{H} atteint sa borne supérieure en un point H\mathscr{H}-extrémal au moins.

Soient xx un point de X, hh une fonction de H\mathscr{H}. La relation h(z)≤h(x)h(z) \leq h(x) pour tout z∈Xz \in X s’écrit ⟨h,iH(z)⟩≤⟨h,iH(x)⟩\langle h, i_{\mathscr{H}}(z) \rangle \leq \langle h, i_{\mathscr{H}}(x) \rangle pour tout z∈Xz \in X, et signifie donc que l’hyperplan faiblement fermé de H′\mathscr{H}', d’équation ⟨h,t′⟩=⟨h,iH(x)⟩\langle h, t' \rangle = \langle h, i_{\mathscr{H}}(x) \rangle est un hyperplan d’appui de iH(X)i_{\mathscr{H}}(X). On sait (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 7, n° 1, cor. 1 de la prop. 1), qu’un tel hyperplan contient un point extrémal au moins de iH(X)i_{\mathscr{H}}(X), et un tel point iH(y)i_{\mathscr{H}}(y) est l’image d’un point H\mathscr{H}-extrémal yy par définition ; h(y)h(y) est donc égal à la borne supérieure de hh dans X.

Proposition 6

Pour tout point x∈Xx \in X, les propriétés suivantes sont équivalentes :

a) xx est H\mathscr{H}-extrémal.

b) Pour tout voisinage ouvert UU de xx dans XX et tout ε>0\varepsilon > 0, il existe une fonction h≥0h \geq 0 dans H\mathscr{H} telle que h(x)≤εh(x) \leq \varepsilon et h(y)≥1h(y) \geq 1 pour tout y∈X−Uy \in X - U.

Soient xx un point quelconque de XX, ff une fonction de C(X;R)\mathscr{C}(X; \mathbf{R}); on sait (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 3, n° 1, prop. 1) que la borne inférieure des nombres λ(f)\lambda(f), pour toutes les mesures positives sur XX telles que λ(h)=h(x)\lambda(h) = h(x) pour toute fonction h∈Hh \in \mathscr{H}, est égale à la borne supérieure des nombres h(x)h(x), où hh parcourt l’ensemble des fonctions h∈Hh \in \mathscr{H} telles que h≤fh \leq f. Supposons que xx soit H\mathscr{H}-extrémal; alors il résulte de la prop. 4, (ii), que, pour toute fonction f∈C(X;R)f \in \mathscr{C}(X; \mathbf{R}), on a

f(x)=sup⁡h∈H,h≤fh(x). f(x) = \sup_{h \in \mathscr{H}, h \leq f} h(x).
Pour montrer que a) entraîne b), prenons pour ff une application continue de XX dans {0,1}\{0, 1\}, de support contenu dans UU et telle que f(x)=1f(x) = 1; il y a donc en vertu de (11) une fonction h′∈Hh' \in \mathscr{H} telle que h′≤fh' \leq f et h′(x)≥1−εh'(x) \geq 1 - \varepsilon. Comme 1∈H1 \in \mathscr{H}, la fonction h=1−h′h = 1 - h' répond aux conditions de b).

Réciproquement, supposons vérifiée la condition b); cette condition entraîne que 1−h≤φU1 - h \leq \varphi_U; pour toute mesure positive λ\lambda sur XX vérifiant la condition (7), on a donc

λ(U)=λ(φU)≥λ(1−h)=1−h(x)≥1−ε. \lambda(U) = \lambda(\varphi_U) \geq \lambda(1 - h) = 1 - h(x) \geq 1 - \varepsilon.
Comme par hypothèse cette relation a lieu pour tout ε>0\varepsilon > 0 et tout voisinage ouvert UU de xx, on en conclut
λ({x})=inf⁡Uλ(U)≥1−ε \lambda(\{x\}) = \inf_U \lambda(U) \geq 1 - \varepsilon
pour tout ε>0\varepsilon > 0, donc λ({x})=1\lambda(\{x\}) = 1. Comme λ\lambda est positive et de masse totale 1, on a nécessairement λ=εx\lambda = \varepsilon_x, ce qui prouve que xx est H\mathscr{H}-extrémal en vertu de la prop. 4, (ii).

Proposition 7

Soit FF une partie fermée de XX. Les propriétés suivantes sont équivalentes :

a) FF contient SˇH(X)\check{S}_{\mathscr{H}}(X).

b) Pour toute fonction h∈Hh \in \mathscr{H}, l’ensemble FF rencontre l’ensemble des points de XX où hh atteint sa borne supérieure.

c) Pour tout point x∈Xx \in X, il existe une mesure positive μ\mu de masse 1 sur XX, telle que Supp⁡(μ)⊂F\operatorname{Supp}(\mu) \subset F et que h(x)=∫h dμh(x) = \int h \, d\mu pour toute fonction h∈Hh \in \mathscr{H}.

Soit G=iH(F)G = i_{\mathscr{H}}(F). La condition a) signifie que GG contient l’ensemble des points extrémaux de CC. La condition b) signifie que GG rencontre l’intersection de iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) avec chacun des hyperplans d’appui fermés de iH(X)i_{\mathscr{H}}(X). Enfin la condition c) signifie que tout point de iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) est barycentre d’une mesure de support contenu dans GG; en vertu du n° 1, prop. 1, cela équivaut encore à dire que l’enveloppe convexe fermée de iH(X)i_{\mathscr{H}}(X) est égale à l’enveloppe convexe fermée de GG. L’équivalence des conditions a), b) et c) résulte donc d’*Esp. vect. top.*, chap. II, 2° éd., § 7, n° 1, cor. 2 de la prop. 2.

Proposition 8

Supposons XX métrisable. Alors l’ensemble ChH(X)\mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X) des points H\mathscr{H}-*extrémaux de* XX est intersection d’une famille dénombrable d’ensembles ouverts dans XX, et pour tout x∈Xx \in X, il existe une mesure positive μ\mu de masse 1 sur XX telle que

μ(X−ChH(X))=0et∫h dμ=h(x) \mu(X - \mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X)) = 0 \quad \text{et} \quad \int h \, d\mu = h(x)
pour toute h∈Hh \in \mathscr{H}.

C’est la traduction du th. 1 du n° 2, par transport de structure au moyen de l’homéomorphisme x↦iH(x)x \mapsto i_{\mathscr{H}}(x), comme dans la prop. 5.

Un certain nombre de résultats de ce n° s’étendent lorsqu’on remplace H\mathscr{H} par un ensemble P\mathscr{P} de fonctions définies dans XX, à valeurs dans R∪{+∞}\mathbf{R} \cup \{+\infty\}, semi-continues inférieurement, P\mathscr{P} étant supposé contenir les constantes et être tel que P+P⊂P\mathscr{P} + \mathscr{P} \subset \mathscr{P} (exerc. 2).

Exemple

Prenons pour XX la boule unité ∥x∥≤1\|x\| \leq 1 dans R3\mathbf{R}^3, et soit H\mathscr{H} un espace vectoriel de fonctions continues dans XX, contenant les restrictions à XX des fonctions linéaires affines dans R3\mathbf{R}^3, et vérifiant le « principe du maximum », c’est-à-dire que pour toute fonction h∈Hh \in H non constante, l’ensemble des points de XX où hh atteint sa borne supérieure est contenu dans la sphère S2S_2. Il résulte alors aisément des prop. 5 et 7 que ChH(X)=S~H(X)=S2\mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X) = \tilde{S}_{\mathscr{H}}(X) = S_2. Un exemple important d’espace vectoriel H\mathscr{H} vérifiant les conditions précédentes est l’ensemble des fonctions continues dans XX et harmoniques dans la boule ouverte ∥x∥<1\|x\| < 1. Pour ces fonctions, on démontre que la mesure positive μ\mu de masse 1 telle que Supp(μ)⊂S2\mathrm{Supp}(\mu) \subset S_2 et que h(x)=∫h dμh(x) = \int h \, d\mu pour toute h∈Hh \in \mathscr{H}, est donnée, si ∥x∥<1\|x\| < 1, par la formule de Poisson

dμ(z)=1−∥z∥2∥z−x∥3dσ(z) d\mu(z) = \frac{1 - \|z\|^2}{\|z - x\|^3} d\sigma(z)
où σ\sigma est la mesure sur S2S_2 invariante par le groupe orthogonal et telle que σ(S2)=1\sigma(S_2) = 1 (chap. VII, § 3, exerc. 8).

4. Applications. II. Espaces vectoriels de fonctions continues complexes

Soient X un espace compact non vide, H\mathscr{H} un sous-espace vectoriel de l’espace de Banach complexe C(X;C)\mathscr{C}(X; \mathbf{C}) qui contient les constantes et sépare les points de X. L’ensemble des parties réelles R(f)\mathscr{R}(f) des fonctions f∈Hf \in \mathscr{H} est un sous-espace vectoriel Hr\mathscr{H}_r de l’espace vectoriel réel C(X;R)\mathscr{C}(X; \mathbf{R}); pour toute f∈Hf \in \mathscr{H}, l’ensemble Hr\mathscr{H}_r contient aussi J(f)=R(−if)\mathscr{J}(f) = \mathscr{R}(-if); il en résulte que Hr\mathscr{H}_r sépare les points de X puisque la relation h(x)=h(y)h(x) = h(y) pour toute h∈Hrh \in \mathscr{H}_r entraîne R(f(x))=R(f(y))\mathscr{R}(f(x)) = \mathscr{R}(f(y)) et J(f(x))=J(f(y))\mathscr{J}(f(x)) = \mathscr{J}(f(y)), donc f(x)=f(y)f(x) = f(y) pour toute f∈Hf \in \mathscr{H}. Les points Hr\mathscr{H}_r-extrémaux dans X sont encore appelés H\mathscr{H}-extrémaux, et on note leur ensemble ChH(X)\mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X), et l’adhérence de ce dernier SˇH(X)\check{S}_{\mathscr{H}}(X). Les analogues des prop. 5 et 7 sont les suivantes :

Proposition 9

Pour toute fonction f∈Hf \in \mathscr{H}, ChH(X)\mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X) rencontre l’ensemble des points où ∣f∣|f| atteint sa borne supérieure.

On peut se borner au cas où ff n’est pas la constante 0. Soit aa un point de X où ∣f∣|f| atteint sa borne supérieure, et posons g=f/f(a)g = f/f(a); on a g(a)=1g(a) = 1 et ∣g(x)∣≤1|g(x)| \leq 1 pour tout x∈Xx \in X, d’où

R(g(a))=1etR(g(x))≤1 pour tout x∈X. \mathscr{R}(g(a)) = 1 \quad \text{et} \quad \mathscr{R}(g(x)) \leq 1 \text{ pour tout } x \in X.
En vertu de la prop. 5 du n° 3 appliquée à Hr\mathscr{H}_r, il existe b∈ChH(X)b \in \mathrm{Ch}_{\mathscr{H}}(X) où R(g(x))\mathscr{R}(g(x)) atteint sa borne supérieure 1, d’où ∣g(b)∣=1|g(b)| = 1 puisque ∣g(b)∣≤1|g(b)| \leq 1; on en conclut que ∣f(b)∣=∣f(a)∣≥∣f(x)∣|f(b)| = |f(a)| \geq |f(x)| pour tout x∈Xx \in X.

Proposition 10

Soit F une partie fermée de X. Les propriétés suivantes sont équivalentes : a) F contient SˇH(X)\check{S}_{\mathscr{H}}(X). b) Pour toute fonction f∈Hf \in \mathscr{H}, F rencontre l’ensemble des points de X où ∣f∣|f| atteint sa borne supérieure. c) Pour tout point x∈Xx \in X, il existe une mesure positive μ\mu de masse totale 1 sur X telle que Supp(μ)⊂F\mathrm{Supp}(\mu) \subset F et que f(x)=∫f dμf(x) = \int f \, d\mu pour toute fonction f∈Hf \in \mathscr{H}.

Prouvons l’équivalence des conditions a) et c): soit f=f1+if2f = f_1 + if_2 avec f1,f2f_1, f_2 dans Hr\mathscr{H}_r; la relation f(x)=∫f dμf(x) = \int f \, d\mu équivaut aux deux relations f1(x)=∫f1 dμf_1(x) = \int f_1 \, d\mu et f2(x)=∫f2 dμf_2(x) = \int f_2 \, d\mu; il suffit donc d’appliquer à Hr\mathscr{H}_r l’équivalence des conditions a) et c) de la prop. 7 du n° 3. Le fait que a) entraîne b) résulte de la prop. 9. Montrons que b) entraîne a); il s’agit de voir que si b) est vérifiée, alors, pour toute h∈Hrh \in \mathscr{H}_r, F rencontre l’ensemble des points où hh atteint sa borne inférieure dans X. La condition b) entraîne que F est non vide; comme F est compact, il existe a∈Fa \in F tel que h(a)≤h(y)h(a) \leq h(y) pour tout y∈Fy \in F. Soit f∈Hf \in \mathscr{H} telle que h=R(f)h = \mathscr{R}(f); pour tout ε>0\varepsilon > 0, la fonction g=f−h(a)+εg = f - h(a) + \varepsilon appartient à H\mathscr{H}, et l’on a

R(g(y))=h(y)−h(a)+ε≥ε \mathscr{R}(g(y)) = h(y) - h(a) + \varepsilon \geq \varepsilon
pour tout y∈Fy \in F. Soit c la borne supérieure de ∣g∣|g| dans X, et posons b=c2/2εb = c^2 / 2\varepsilon; pour tout y∈Fy \in F, on a
∣g(y)−b∣2=∣g(y)∣2−2bR(g(y))+b2≤c2−2bε+b2=b2, |g(y) - b|^2 = |g(y)|^2 - 2b \mathscr{R}(g(y)) + b^2 \leq c^2 - 2b\varepsilon + b^2 = b^2,
autrement dit, la borne supérieure dans F de la fonction ∣g−b∣|g - b| est ≤b\leq b. Comme g−b∈Hg - b \in \mathscr{H}, l’hypothèse faite sur F entraîne ∣g−b∣≤b|g - b| \leq b, d’où
b2≥∣g−b∣2=∣g∣2−2bR(g)+b2 b^2 \geq |g - b|^2 = |g|^2 - 2b \mathscr{R}(g) + b^2
et par suite R(g)≥∣g∣2/2b≥0\mathscr{R}(g) \geq |g|^2 / 2b \geq 0; comme R(g)=h−h(a)+ε\mathscr{R}(g) = h - h(a) + \varepsilon, et que ε>0\varepsilon > 0 est arbitraire, on a h≥h(a)h \geq h(a), et h(a)h(a) est la borne inférieure de hh dans X, ce qui achève la démonstration.

Remarque

Si ff est une fonction continue réelle, un point où ∣f∣|f| atteint sa borne supérieure est un point où l’une des fonctions f,−ff, -f atteint sa borne supérieure. Pour un espace vectoriel H\mathscr{H} de fonctions continues réelles vérifiant les hypothèses du n° 3, les prop. 9 et 10 sont donc des corollaires triviaux des prop. 5 et 7 respectivement.

5. Applications: III. Algèbres de fonctions continues

Lemme 4

Soient X un espace compact, H\mathscr{H} un sous-espace vectoriel fermé de l’espace de Banach C(X;C)\mathscr{C}(X; \mathbf{C}) (resp. C(X;R)\mathscr{C}(X; \mathbf{R})). Soit a un point de X admettant un système fondamental dénombrable de voisinages; on suppose que, quels que soient les nombres c et d tels que 0<c<d<10 < c < d < 1, et le voisinage ouvert U de a, il existe f∈Hf \in \mathscr{H} telle que (12) ∣f∣≤1,∣f(a)∣≥d,∣f(x)∣≤c|f| \leq 1,\quad |f(a)| \geq d,\quad |f(x)| \leq c pour tout x∈X−Ux \in X - U. Alors il existe une fonction u∈Hu \in \mathscr{H} telle que ∣u(x)∣<∣u(a)∣|u(x)| < |u(a)| pour tout x≠ax \neq a.

Soit (Vn)(V_n) (n≥1n \geq 1) un système fondamental de voisinages de a, et soient λ,μ,ε\lambda, \mu, \varepsilon des nombres tels que

0<λ<1,1<μ<μ+ε≤1+λ. 0 < \lambda < 1,\quad 1 < \mu < \mu + \varepsilon \leq 1 + \lambda.
On a donc 0<λ/μ<1/μ<10 < \lambda / \mu < 1 / \mu < 1. Nous allons définir par récurrence sur nn (n≥1n \geq 1) une suite décroissante (Un)(U_n) de voisinages ouverts de a tels que Un⊂VnU_n \subset V_n pour tout nn, et une suite (hn)(h_n) de fonctions de H\mathscr{H} vérifiant les relations

(13n)(13_n)
∣hn(x)∣≤μ|h_n(x)| \leq \mu pour tout x∈Xx \in X
(14n)(14_n)
hn(a)=1h_n(a) = 1
(15n)(15_n)
∣hn(x)∣≤λ|h_n(x)| \leq \lambda pour tout x∈X−Unx \in X - U_n
(16n)(16_n)
∣∑j=1nλjhj(y)∣<∑j=1n+1λj\left| \sum_{j=1}^n \lambda^j h_j(y) \right| < \sum_{j=1}^{n+1} \lambda^j
pour tout y∈Xy \in X.

Supposons les hmh_m et UmU_m définis pour 1≤m<n1 \leq m < n et vérifiant les quatre conditions précédentes (où nn est remplacé par mm); posons d’autre part U0=XU_0 = X. La fonction ∑j=1n−1λjhj\sum_{j=1}^{n-1} \lambda^j h_j (égale à 0 si n=1n = 1) est continue et prend la valeur ∑j=1n−1λj\sum_{j=1}^{n-1} \lambda^j au point aa; il existe donc un voisinage ouvert UnU_n de aa, contenu dans Un−1∩VnU_{n-1} \cap V_n, tel que l’on ait

(17)(17)
∣∑j=1n−1λjhj(y)∣<∑j=1n−1λj+ελn\left| \sum_{j=1}^{n-1} \lambda^j h_j(y) \right| < \sum_{j=1}^{n-1} \lambda^j + \varepsilon \lambda^n
pour tout y∈Uny \in U_n.

Par hypothèse il existe une fonction f∈Hf \in \mathscr{H} telle que

∣f(x)∣≤1 pour tout x∈X,∣f(a)∣≥1/μ,∣f(x)∣≤λ/μpour x∈X−Un. \begin{align*} |f(x)| &\leq 1 \text{ pour tout } x \in X, \quad |f(a)| \geq 1/\mu, \\ |f(x)| &\leq \lambda/\mu \quad \text{pour } x \in X - U_n. \end{align*}
Posons hn=f/f(a)h_n = f/f(a); on a donc les relations (13n)(13_n), (14n)(14_n) et (15n)(15_n); posons
g=∑j=1nλjhj=∑j=1n−1λjhj+λnhn. g = \sum_{j=1}^n \lambda^j h_j = \sum_{j=1}^{n-1} \lambda^j h_j + \lambda^n h_n.
En vertu de (17) et de (13n)(13_n), on a, pour y∈Uny \in U_n
∣g(y)∣<∑j=1n−1λj+ελn+μλn≤∑j=1n+1λj, |g(y)| < \sum_{j=1}^{n-1} \lambda^j + \varepsilon \lambda^n + \mu \lambda^n \leq \sum_{j=1}^{n+1} \lambda^j,
puisque ε+μ≤1+λ\varepsilon + \mu \leq 1 + \lambda; pour x∈X−Unx \in X - U_n, on a ∣hp(x)∣≤λ|h_p(x)| \leq \lambda pour 1≤p≤n1 \leq p \leq n, d’où encore
∣g(x)∣≤∑j=2n+1λj<∑j=1n+1λj |g(x)| \leq \sum_{j=2}^{n+1} \lambda^j < \sum_{j=1}^{n+1} \lambda^j
ce qui achève de prouver (16n)(16_n).

Cela étant, la série ∑n=1∞λnhn\sum_{n=1}^\infty \lambda^n h_n est normalement convergente dans XX puisque λ<1\lambda < 1 et ∣hn(x)∣≤μ|h_n(x)| \leq \mu pour tout nn et tout x∈Xx \in X; soit uu sa somme, qui appartient à H\mathscr{H} puisque H\mathscr{H} est fermé. En vertu de la n° 5

relation (14_n), on a u(a)=∑n=1∞λnu(a) = \sum_{n=1}^{\infty} \lambda^n; d’autre part, si x≠ax \neq a, il existe un entier nn tel que x∉Un+1x \notin U_{n+1}; on a donc ∣hn+k(x)∣≤λ|h_{n+k}(x)| \leq \lambda pour tout k≥1k \geq 1 en vertu de la relation (15_n); on en déduit, en utilisant (16_n)

∣u(x)∣≤∣∑j=1nλjhj(x)∣+∣∑j=n+1∞λjhj(x)∣<∑j=1n+1λj+λ∑j=n+1∞λj |u(x)| \leq \left| \sum_{j=1}^{n} \lambda^j h_j(x) \right| + \left| \sum_{j=n+1}^{\infty} \lambda^j h_j(x) \right| < \sum_{j=1}^{n+1} \lambda^j + \lambda \sum_{j=n+1}^{\infty} \lambda^j
=∑j=1∞λj=∣u(a)∣. = \sum_{j=1}^{\infty} \lambda^j = |u(a)|.

Théorème 2 (E. Bishop)

Soient X un espace compact, A\mathscr{A} une sous-algèbre fermée de l’algèbre de Banach complexe C(X;C)\mathscr{C}(X; \mathbf{C}). On suppose que A\mathscr{A} contient les constantes et sépare les points de X. Soit a un point de X ; les conditions suivantes sont équivalentes :

a) Il existe une fonction f∈Af \in \mathscr{A} telle que ∣f(x)∣<∣f(a)∣|f(x)| < |f(a)| pour tout x≠ax \neq a.

b) Le point a est A\mathscr{A}-extrémal et admet un système fondamental dénombrable de voisinages.

a) ⇒\Rightarrow b) : Soit f∈Af \in \mathscr{A} telle que ∣f(a)∣>∣f(x)∣|f(a)| > |f(x)| pour x≠ax \neq a; en vertu de la prop. 9 du n° 4, a est un point A\mathscr{A}-extrémal. D’autre part, si UnU_n est l’ensemble des x∈Xx \in X tels que ∣f(x)∣>∣f(a)∣−1/n|f(x)| > |f(a)| - 1/n, UnU_n est un voisinage ouvert de a, et l’intersection des UnU_n est réduite à a ; comme X est compact, les UnU_n forment un système fondamental de voisinages de a (Top. gén., chap. I, 3e éd., § 9, n° 1, th. 1).

b) ⇒\Rightarrow a) : Il suffit de vérifier que b) implique les hypothèses du lemme 4. Avec les notations de ce lemme, posons ε=log⁡d/log⁡c\varepsilon = \log d / \log c; on a 0<ε<10 < \varepsilon < 1. Comme a est un point Ar\mathscr{A}_r-extrémal, il existe une fonction g∈Ag \in \mathscr{A} telle que

R(g)≥0,R(g(a))≤ε,R(g(x))≥1pour x∈X−U \mathscr{R}(g) \geq 0, \quad \mathscr{R}(g(a)) \leq \varepsilon, \quad \mathscr{R}(g(x)) \geq 1 \quad \text{pour } x \in X - U
(n° 3, prop. 6, b)). Posons f=cgf = c^g; comme ff est somme de la série normalement convergente ∑n=0∞(log⁡c)ngn/n!\sum_{n=0}^{\infty} (\log c)^n g^n / n!, on a f∈Af \in \mathscr{A}, et
∣f∣≤1,∣f(a)∣≥cε=d,∣f(x)∣≤cpour x∈X−U. |f| \leq 1, \quad |f(a)| \geq c^{\varepsilon} = d, \quad |f(x)| \leq c \quad \text{pour } x \in X - U.

C.Q.F.D.

Corollaire

Supposons de plus que X soit métrisable. Alors les propriétés suivantes sont équivalentes :

a) a est un point A\mathscr{A}-extrémal de X. b) Il existe u∈Au \in \mathscr{A} tel que ∣u(x)∣<∣u(a)∣|u(x)| < |u(a)| pour tout x≠ax \neq a.

c) Soit M\mathfrak{M} l’ensemble des parties MM de XX telles que pour toute fonction f∈Af \in \mathscr{A}, ∣f∣|f| atteigne sa borne supérieure dans XX en un point au moins de MM. Alors aa appartient à tous les ensembles M∈MM \in \mathfrak{M}.

d) Soit N\mathfrak{N} l’ensemble des parties NN de XX telles que, pour toute fonction f∈Af \in \mathscr{A}, ℜ(f)\Re(f) atteigne sa borne supérieure dans XX en un point au moins de NN. Alors aa appartient à tous les ensembles N∈NN \in \mathfrak{N}.

En d’autres termes, on a

ChA(X)=⋂M∈MM=⋂N∈NN. \mathrm{Ch}_{\mathscr{A}}(X) = \bigcap_{M \in \mathfrak{M}} M = \bigcap_{N \in \mathfrak{N}} N.

Comme, dans un espace métrisable, tout point admet un système fondamental dénombrable de voisinages, l’équivalence de a) et b) résulte du th. 2. Montrons que b) entraîne c): en effet aa est l’unique point où ∣u∣|u| atteint sa borne supérieure; d’autre part, c) entraîne a), car ChA(X)\mathrm{Ch}_{\mathscr{A}}(X) rencontre, pour tout f∈Af \in \mathscr{A}, l’ensemble des points où ∣f∣|f| atteint sa borne supérieure (n° 4, prop. 9). Le même raisonnement utilisant la prop. 5 du n° 3 montre que d) entraîne a). Enfin, pour voir que b) entraîne d), on peut se borner au cas où XX n’est pas réduit au point aa, donc u(a)≠0u(a) \neq 0; la fonction v=u/u(a)v = u/u(a) appartient alors à A\mathscr{A}, et l’on a v(a)=1v(a) = 1 et ∣v(x)∣<1|v(x)| < 1 pour x≠ax \neq a, d’où ℜ(v(a))=1\Re(v(a)) = 1 et ℜ(v(x))<1\Re(v(x)) < 1 pour x≠ax \neq a. La fonction ℜ(v)\Re(v) n’atteignant sa borne supérieure qu’au point aa, on a bien a∈Na \in N pour tout N∈NN \in \mathfrak{N}.

Exemple

Soit X1X_1 l’ensemble des points (z1,z2)∈C2(z_1, z_2) \in \mathbf{C}^2 tels que ∣z1∣2+∣z2∣2≤1|z_1|^2 + |z_2|^2 \leq 1 (boule unité dans R4\mathbf{R}^4), et soit A1′\mathscr{A}_1' l’ensemble des restrictions à X1X_1 des fonctions holomorphes, à valeurs dans C\mathbf{C}, définies dans un voisinage de X1X_1 dans C2\mathbf{C}^2 (voisinage dépendant de la fonction considérée); soit A1\mathscr{A}_1 l’adhérence de A1′\mathscr{A}_1' dans C(X1;C)\mathscr{C}(X_1 ; \mathbf{C}), qui est évidemment une sous-algèbre complexe fermée de C(X1;C)\mathscr{C}(X_1 ; \mathbf{C}) et sépare les points de X1X_1. L’application du « principe du maximum » pour les fonctions holomorphes montre que ChA1(X1)\mathrm{Ch}_{\mathscr{A}_1}(X_1) est la sphère S3S_3.

Dans la définition précédente, remplaçons X1X_1 par le « polydisque » X2X_2 défini par les relations ∣z1∣≤1|z_1| \leq 1 et ∣z2∣≤1|z_2| \leq 1, ce qui donne des sous-algèbres A2′\mathscr{A}_2' et A2\mathscr{A}_2 (adhérence de A2′\mathscr{A}_2') dans C(X2;C)\mathscr{C}(X_2 ; \mathbf{C}). Ici le principe du maximum montre que ChA2(X2)\mathrm{Ch}_{\mathscr{A}_2}(X_2) est le « tore » défini par les relations ∣z1∣=1|z_1| = 1 et ∣z2∣=1|z_2| = 1.

On déduit de ces résultats qu’il n’existe pas d’isomorphisme analytique d’un voisinage ouvert de X1X_1 sur un voisinage ouvert de X2X_2 qui transforme X1X_1 en X2X_2; en effet, si vv était la restriction à X1X_1 d’une telle application, on aurait A2=v∗A1v−1\mathscr{A}_2 = v_* \mathscr{A}_1 v^{-1}, et par suite vv transformerait S3S_3 en un espace homéomorphe à T2T^2, ce qui est absurde, car S3S_3 est simplement connexe, mais non T2T^2.

On notera toutefois que les espaces X1X_1 et X2X_2 sont homéomorphes, étant tous deux des ensembles convexes bornés dans R4\mathbf{R}^4 d’intérieur non vide.

6. Unicité des représentations intégrales

Soient E un espace localement convexe séparé faible, C un cône convexe pointé saillant dans E. On sait que C est l’ensemble des éléments ⩾0\geqslant 0 de E pour une relation d’ordre compatible avec la structure vectorielle de E. Quand on dira que C est réticulé, il s’agira bien entendu de l’ordre induit sur C par celui de E.

Lemme 5

On suppose C faiblement complet. Soit A\mathscr{A} l’ensemble des restrictions à C des formes linéaires continues sur E. Soient (fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda \in \Lambda} une famille finie d’éléments de A\mathscr{A}, et f=sup⁡(fλ)f = \sup (f_\lambda). Pour tout x∈Cx \in C, on pose

fˉ(x)=sup⁡(f(x1)+f(x2)+…+f(xn)) \bar{f}(x) = \sup (f(x_1) + f(x_2) + \ldots + f(x_n))

la borne supérieure étant prise sur l’ensemble SxS_x des suites (x1,x2,…,xn)(x_1, x_2, \ldots, x_n) d’éléments de C telles que x1+x2+…+xn=xx_1 + x_2 + \ldots + x_n = x. Posons Card Λ=p\Lambda = p. Alors il existe (y1,…,yp)∈Sx(y_1, \ldots, y_p) \in S_x tels que fˉ(x)=f(y1)+…+f(yp)\bar{f}(x) = f(y_1) + \ldots + f(y_p).

Notons f1,f2,…,fpf_1, f_2, \ldots, f_p les éléments de la famille (fλ)(f_\lambda). Pour k=1,2,…,pk = 1, 2, \ldots, p, soit CkC_k l’ensemble des y∈Cy \in C tels que f1(y)<f(y),f2(y)<f(y),…,fk−1(y)<f(y),fk(y)=f(y)f_1(y) < f(y), f_2(y) < f(y), \ldots, f_{k-1}(y) < f(y), f_k(y) = f(y). Les CkC_k sont des cônes convexes disjoints de réunion C. Soient x1,x2,…,xnx_1, x_2, \ldots, x_n dans C tels que x1+x2+…+xn=xx_1 + x_2 + \ldots + x_n = x. Soit yky_k la somme des xix_i qui appartiennent à CkC_k. On a y1+y2+…+yp=xy_1 + y_2 + \ldots + y_p = x. Comme ff est affine sur CkC_k, f(y1)+…+f(yp)=f(x1)+…+f(xn)f(y_1) + \ldots + f(y_p) = f(x_1) + \ldots + f(x_n). Donc

f(x)=sup⁡(f(y1)+…+f(yp)) f(x) = \sup (f(y_1) + \ldots + f(y_p))

où (y1,y2,…,yp)(y_1, y_2, \ldots, y_p) parcourt l’ensemble des suites de p points de C telles que y1+y2+…+yp=xy_1 + y_2 + \ldots + y_p = x. Posons D=C∩(x−C)D = C \cap (x - C). Comme D est compact (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 6, n° 8, cor. 2 de la prop. 11), il en est de même de l’ensemble des éléments (y1,…,yp)(y_1, \ldots, y_p) de DpD^p tels que y1+…+yp=xy_1 + \ldots + y_p = x, de sorte que la borne supérieure (19) est atteinte.

Lemme 6

On conserve les hypothèses et les notations du lemme 5, et on suppose les fλf_\lambda positives. La fonction fˉ\bar{f} est positivement homogène, concave et semi-continue supérieurement dans C. Elle est affine si C est réticulé.

Il est clair que fˉ\bar{f} est positivement homogène. Soient x,yx, y dans C\mathbf{C}. Si x1,…,xm,y1,…,ynx_1, \ldots, x_m, y_1, \ldots, y_n dans C\mathbf{C} sont tels que x1+…+xm=xx_1 + \ldots + x_m = x, y1+…+yn=yy_1 + \ldots + y_n = y, on a x1+…+xm+y1+…yn=x+yx_1 + \ldots + x_m + y_1 + \ldots y_n = x + y, donc

f(x1)+…+f(xm)+f(y1)+…+f(yn)≤fˉ(x+y); f(x_1) + \ldots + f(x_m) + f(y_1) + \ldots + f(y_n) \leq \bar{f}(x + y);

on en déduit que fˉ(x)+fˉ(y)≤fˉ(x+y)\bar{f}(x) + \bar{f}(y) \leq \bar{f}(x + y), donc fˉ\bar{f} est concave. Soit LL (resp. LλL_\lambda) l’ensemble des (t,x)∈R×E(t, x) \in \mathbf{R} \times E tels que x∈Cx \in \mathbf{C} et 0≤t≤fˉ(x)0 \leq t \leq \bar{f}(x) (resp. 0≤t≤fλ(x)0 \leq t \leq f_\lambda(x)). Chacun des LλL_\lambda est fermé dans le cône convexe saillant faiblement complet R+×C\mathbf{R}_+ \times \mathbf{C}, donc la somme ∑λ∈ΛLλ\sum_{\lambda \in \Lambda} L_\lambda est fermée (\emph{Esp. vect. top.}, chap. II, 2e éd., § 6, n° 8, cor. 2 de la prop. 11). D’après le lemme 5, cette somme est égale à LL. Donc LL est fermé, ce qui prouve que fˉ\bar{f} est semi-continue supérieurement. Enfin, supposons C\mathbf{C} réticulé, et prouvons que fˉ\bar{f} est convexe. Soient x,yx, y dans C\mathbf{C} et ε>0\varepsilon > 0. Il existe z1,z2,…,znz_1, z_2, \ldots, z_n dans C\mathbf{C} tels que f(z1)+…+f(zn)≥fˉ(x+y)−εf(z_1) + \ldots + f(z_n) \geq \bar{f}(x + y) - \varepsilon et z1+…+zn=x+yz_1 + \ldots + z_n = x + y. L’espace vectoriel C−C\mathbf{C} - \mathbf{C} est réticulé pour l’ordre induit par celui de EE (\emph{Alg.}, chap. VI, 2e éd., § 1, n° 9, prop. 8). D’après le théorème de décomposition (\emph{loc. cit.}, n° 10, th. 1), il existe x1,…,xn,y1,…,ynx_1, \ldots, x_n, y_1, \ldots, y_n dans C\mathbf{C} tels que x1+y1=z1,…,xn+yn=zn,x1+…+xn=x,y1+…+yn=yx_1 + y_1 = z_1, \ldots, x_n + y_n = z_n, x_1 + \ldots + x_n = x, y_1 + \ldots + y_n = y. Alors, comme ff est positivement homogène et convexe, on a

fˉ(x+y)≤ε+f(z1)+…+f(zn)≤ε+f(x1)+f(y1)+…+f(xn)+f(yn)≤ε+fˉ(x)+fˉ(y). \begin{align*} \bar{f}(x + y) &\leq \varepsilon + f(z_1) + \ldots + f(z_n) \\ &\leq \varepsilon + f(x_1) + f(y_1) + \ldots + f(x_n) + f(y_n) \\ &\leq \varepsilon + \bar{f}(x) + \bar{f}(y). \end{align*}

Comme ε\varepsilon est arbitraire >0> 0, on a bien prouvé que fˉ\bar{f} est convexe.

Théorème 3 (Choquet).—*Soient* EE un espace localement convexe faible séparé, CC un cône convexe saillant faiblement complet de sommet 0 dans EE, GG la réunion des génératrices extrémales de CC, KK une partie compacte convexe de CC, λ\lambda et λ′\lambda' des mesures positives de masse 1 sur KK, admettant le même barycentre, et telles que λ∗(K−(K∩G))=λ′∗(K−(K∩G))=0\lambda^*(K - (K \cap G)) = {\lambda'}^*(K - (K \cap G)) = 0. Supposons C\mathbf{C} réticulé. Alors, pour toute fonction ff convexe ≥0\geq 0 semi-continue inférieurement et positivement homogène sur CC, on a λ∗(f∣K)=λ′∗(f∣K)\lambda^*(f|K) = {\lambda'}^*(f|K).

Soit A\mathscr{A} (resp. A′\mathscr{A}') l’ensemble des restrictions à CC des formes linéaires (resp. des fonctions affines) continues sur EE. On sait (\emph{Esp. vect. top.}, chap. II, 2e éd., § 5, n° 4, Remarque 2) que ff est l’enveloppe supérieure de l’ensemble des éléments de A\mathscr{A} majorés par ff. L’ensemble des fonctions de la forme sup⁡(f1,…,fp)\sup(f_1, \ldots, f_p) où f1,…,fpf_1, \ldots, f_p appartiennent à A\mathscr{A}, f1≥0,…,fp≥0f_1 \geq 0, \ldots, f_p \geq 0, est filtrant croissant et admet ff pour enveloppe supérieure. Compte tenu du § 1, n° 1, th. 1, il suffit de vérifier l’égalité λ(f∣K)=λ′(f∣K)\lambda(f|K) = \lambda'(f|K) lorsque ff est de la forme précédente.

Définissons fˉ\bar{f} comme dans le lemme 5. Il est clair que fˉ(y)=f(y)\bar{f}(y) = f(y) si y∈Gy \in G. Comme λ∗(K−(K∩G))=0\lambda^*(K - (K \cap G)) = 0, on a λ(f∣K)=λ(fˉ∣K)\lambda(f|K) = \lambda(\bar{f}|K). D’après le lemme 6, fˉ\bar{f} est affine et semi-continue supérieurement. Donc fˉ∣K\bar{f}|K est enveloppe inférieure d’un ensemble filtrant décroissant de restrictions d’éléments de A′\mathscr{A}' à K (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 5, n° 4, prop. 6). Soit x∈Kx \in K le barycentre de λ\lambda. Si g∈Ag \in \mathscr{A}, on a λ(g∣K)=g(x)\lambda(g|K) = g(x). Donc λ(fˉ∣K)=fˉ(x)\lambda(\bar{f}|K) = \bar{f}(x) (§4§ 4, n° 4, cor. 2 de la prop. 5). Ainsi, λ(f∣K)=fˉ(x)\lambda(f|K) = \bar{f}(x), et on voit de même que λ′(f∣K)=fˉ(x)\lambda'(f|K) = \bar{f}(x).

Corollaire

Soient E un espace localement convexe séparé, C un cône convexe saillant de sommet 0 dans E, admettant une semelle compacte M, et G la réunion des génératrices extrémales de C. Soit x∈Mx \in M. Si C est réticulé, il existe au plus une mesure positive λ\lambda de masse 1 sur M, telle que λ∗(M−(G∩M))=0\lambda^*(M - (G \cap M)) = 0, et admettant x pour barycentre.

En remplaçant la topologie de E par la topologie affaiblie, (ce qui ne change pas la topologie de M), on peut supposer E faible. Soient λ\lambda et λ′\lambda' deux mesures sur M possédant les propriétés de l’énoncé, h une forme linéaire continue sur E telle que M soit l’intersection de C et de l’hyperplan d’équation h(x)=1h(x) = 1. Soit S\mathscr{S} le sous-ensemble de C(M)\mathscr{C}(M) constitué par les restrictions à M des fonctions convexes ≥0\geq 0 positivement homogènes et continues dans C. Le cône C est faiblement complet (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 7, n° 3). D’après le th. 3, on a λ(f)=λ′(f)\lambda(f) = \lambda'(f) pour toute f∈Sf \in \mathscr{S}.

Si f1,f2,f3,f4f_1, f_2, f_3, f_4 appartiennent à S\mathscr{S}, on a

sup⁡(f1−f2,f3−f4)=sup⁡(f1+f4,f3+f2)−(f2+f4)∈S−S \sup(f_1 - f_2, f_3 - f_4) = \sup(f_1 + f_4, f_3 + f_2) - (f_2 + f_4) \in \mathscr{S} - \mathscr{S}
inf⁡(f1−f2,f3−f4)=−sup⁡(f2−f1,f4−f3)∈S−S. \inf(f_1 - f_2, f_3 - f_4) = -\sup(f_2 - f_1, f_4 - f_3) \in \mathscr{S} - \mathscr{S}.
Puisque h∣M∈Sh|M \in \mathscr{S}, S−S\mathscr{S} - \mathscr{S} contient les fonctions constantes. Si x et y sont deux points distincts de M, il existe une forme linéaire continue sur E qui sépare x et y, et cette forme est différence de deux formes linéaires continues positives sur C (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 6, n° 8, lemme 1). Il résulte de ce qui précède que, pour α,β\alpha, \beta réels, il existe f∈S−Sf \in \mathscr{S} - \mathscr{S} tel que f(x)=α,f(y)=βf(x) = \alpha, f(y) = \beta.

Alors S−S\mathscr{S} - \mathscr{S} est partout dense dans C(M)\mathscr{C}(M) pour la topologie de la convergence uniforme (Top. gén., chap. X, 2\textsuperscript{e} éd., § 4, n\textsuperscript{o} 1, cor. de la prop. 2). Comme λ\lambda et λ′\lambda' coïncident sur S−S\mathscr{S} - \mathscr{S}, on a λ=λ′\lambda = \lambda'.

EXERCICES

Exercices

See the exercises for § 7.

Transcribed from the printed volume. Not translated.