Soient E un espace localement convexe séparé sur R, E′ son dual, E′∗ le dual algébrique de E′, E étant canoniquement identifié à un sous-espace vectoriel de E′. Soit K une partie compacte de E; l’injection canonique de K dans E étant continue à support compact, pour toute mesure μ sur K, l’intégrale ∫xdμ(x) est donc définie et est un élément de E′ (chap. III, § 3, n° 1). En outre, sur K, la topologie induite par la topologie faible σ(E′,E′) est identique à la topologie initiale. Enfin, si C est l’enveloppe convexe fermée de K dans E′ muni de σ(E′,E′), C∩E est l’enveloppe convexe fermée de K dans E pour la topologie initiale (ou la topologie affaiblie σ(E,E′)).
Définition 1
Soit K une partie compacte d’un espace localement convexe séparé E. Pour toute mesure positive μ sur K, de masse totale égale à 1, on appelle barycentre de μ le vecteur bμ=∫xdμ(x) (appartenant à E′).
Exemple
Soit μ une mesure discrète sur K, positive et de masse totale 1 ; elle est donc de la forme μ=∑i=1nλiεxi, où les xi∈K, les λi sont des nombres réels tels que λi≥0 pour tout i et ∑i=1nλi=1. Comme ∫xdεy(x)=y (chap. III, § 3, n° 1, Exemple 3), on a bμ=∫xdμ(x)=∑iλixi. En particulier, pour tout x∈K, x est barycentre de la mesure εx.
Proposition 1
Soient E un espace localement convexe séparé, K une partie compacte de E, C l’enveloppe convexe fermée de K dans E. L’ensemble C est alors formé des points de E qui sont barycentres d’au moins une mesure positive de masse 1 sur K. Ce n’est autre que la prop. 5 du chap. III, § 3, n° 2, appliquée à l’injection canonique de K dans E.
Corollaire
Si l’enveloppe convexe fermée C de K dans E est compacte, le barycentre de toute mesure positive de masse totale 1 sur K appartient à E. En effet, C est alors aussi l’enveloppe convexe fermée de K dans E′ muni de la topologie faible σ(E′,E′), et il suffit d’appliquer à l’injection canonique de K dans E 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.
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′⟩. On a donc
∫hα(x)dμ(x)≤∫∗f(x)dμ(x)
pour tout α ; or ∫hα(x)dμ(x)=cα+∫⟨x,zα′⟩dμ(x) puisque μ est de masse totale 1 ; mais ∫⟨x,zα′⟩dμ(x)=⟨bμ,zα′⟩ par définition du barycentre. On a donc supα∫hα(x)dμ(x)=supαhα(bμ)=f(bμ), 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)≤∫gdμ.
Il suffit de remarquer que infx∈Kg(x)=a est fini et d’appliquer la prop. 2 à g−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
pour un nombre fini de fonctions fi∈C(K;C) (1≤i≤p) et un nombre δ>0. Pour tout point a∈K, il existe un voisinage convexe fermé Va de 0 dans E tel que l’on ait
∣fi(y)−fi(a)∣≤δ/2
pour 1≤i≤p et pour tout y∈Wa=K∩(a+Va). Comme K est compact, il y a un nombre fini de points aj (1≤j≤r) de K tels que les Waj forment un recouvrement de K (1≤j≤r). Considérons une partition continue de l’unité (gj)1≤j≤r sur K, subordonnée au recouvrement (Waj), et posons αj=μ(gj) pour tout j; si αj=0, posons μj=αj−1gj⋅μ, et si αj=0, posons μj=εaj. Chacune des mesures μj est positive, de masse totale 1, et son support est contenu dans l’ensemble convexe compact Waj; en outre, on a par définition
μ=j=1∑rαjμj
puisque gj⋅μ=0 si μ(gj)=0; les αj sont ≥0 et l’on a
j=1∑rαj=j=1∑rμ(gj)=μ(j=1∑rgj)=μ(1)=1.
Soit xj le barycentre de μj, qui appartient à Waj (n° 1, prop. 1), et considérons la mesure discrète v=∑j=1rαjεxj; elle est positive et de masse totale 1, et son barycentre est ∑j=1rαjxj, qui est aussi le barycentre de μ en vertu de (3), donc égal à x. Par ailleurs, en vertu de (2), on a ∣fi(y)−fi(a)∣≤δ/2 pour tout y∈Waj et tout i, d’où, puisque Supp(μj)⊂Waj, ∣μj(fi)−fi(aj)∣≤δ/2 pour 1≤i≤p. D’autre part, comme xj∈Waj, on a aussi
∣εxj(fi)−fi(aj)∣≤δ/2
pour 1≤i≤p, d’où ∣μj(fi)−εxj(fi)∣≤δ quels que soient i,j. Comme les αj sont ≥0 et ont pour somme 1, on déduit de (3) et de la définition de v que v vérifie l’inégalité (1).
C.Q.F.D.
Corollaire
Soit K′ une partie compacte de K telle que K soit l’enveloppe convexe fermée de K. Pour que x∈K′ soit point extrémal de K, il faut et il suffit que εx soit la seule mesure positive sur K′, de masse totale 1, ayant x pour barycentre.
Supposons que x soit point extrémal de K; pour prouver que εx est la seule mesure positive sur K′, de masse totale 1, ayant x pour barycentre, il suffit de voir, en vertu de la prop. 3, que l’ensemble des mesures discrètes v sur K′, positives, de masse totale 1 et ayant x pour barycentre, est réduit à εx. Mais une telle mesure v est de la forme ∑i=1rλiεxi avec λi>0 pour 1≤i≤r et ∑i=1rλi=1; et l’hypothèse que x est barycentre de v s’écrit x=∑i=1rλixi. Comme x est extrémal, cela entraîne xi=x pour tout i, d’où v=εx.
Inversement, supposons que εx soit la seule mesure positive sur K′, de masse totale 1, ayant x pour barycentre, et montrons que x est extrémal. Dans le cas contraire, il y aurait deux points distincts x′,x′′ de K et un nombre réel λ tels que 0<λ<1 et
x=λx′+(1−λ)x′′.
D’après la prop. 1, x′ (resp. x′′) est barycentre d’une mesure positive μ′ (resp. μ′′) de masse totale 1 sur K′. Alors x est barycentre de λμ′+(1−λ)μ′′. Donc λμ′+(1−λ)μ′′=εx. Donc μ′ et μ′′ sont proportionnelles à εx, d’où x′=x′′=x, ce qui est absurde.
Théorème 1 (Choquet).—Soient E un espace localement convexe séparé sur R, K une partie convexe compacte et métrisable de E, M l’ensemble des points extrémaux de K. L’ensemble M est intersection d’une famille dénombrable de parties ouvertes de K, et tout point de K est barycentre d’une mesure μ sur K telle que μ(K−M)=0.
Pour démontrer la première assertion, désignons par I l’intervalle [0,1] de R; puisque K est compact et métrisable, il en est de même de K×K×I; le sous-ensemble U de K×K×I formé des triplets (x,y,λ) tels que x=y et 0<λ<1 est ouvert dans K×K×I, et il y a donc une suite (Fn) d’ensembles fermés dans K×K×I dont U est réunion (Top. gén., chap. IX, 2e éd., § 2, n° 5, prop. 7). L’application q:K×K×I→K définie par q(x,y,λ)=λx+(1−λ)y est continue, et par définition des points extrémaux, on a K−M=q(U)=⋃nq(Fn); mais Fn est compact puisqu’il est fermé dans K×K×I, donc q(Fn) est compact, et par suite fermé dans K ; l’ensemble Un=K−q(Fn) est donc ouvert dans K, et l’on a M=⋂nUn.
Dans la suite de la démonstration, on désignera par u une fonction numérique continue et convexe dans K, par G⊂E×R le graphe de u, par S l’*enveloppe convexe fermée* de G dans E×R.
Lemme 1
Soit uˉ l’enveloppe inférieure des fonctions linéaires affines continues dans E et ≥u dans K. Alors S est l’ensemble des points (a,b)∈E×R tels que l’on ait
a∈Ketu(a)≤b≤uˉ(a).
En vertu du th. de Hahn–Banach, pour que (a,b) appartienne à S, il faut et il suffit que h(a,b)≥0 pour toute fonction linéaire affine continue h sur E×R telle que h(x,u(x))≥0 pour x∈K. Posant h(x,t)=f(x)−λt, où f est une fonction linéaire affine continue dans E, on voit que la relation (a,b)∈S équivaut à la propriété suivante: la relation
(4)
f(x)≥λu(x)pour tout x∈K
implique
(5)
f(a)≥λb.
Faisons d’abord λ=0; le fait que (4) implique (5) pour toute fonction linéaire affine continue f sur E équivaut à la relation a∈K en vertu du th. de Hahn–Banach. En second lieu, faisons λ=−1 et remplaçons f par −f; alors la relation f(x)≤u(x) dans K doit entraîner f(a)≤b. Mais comme u est convexe et continue dans K, u(a) est égal à la borne supérieure des f(a) pour les fonctions linéaires affines continues f sur E telles que f(x)≤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). Enfin, faisons λ=1; dire que (4) entraîne (5) signifie alors, par définition, que b≤uˉ(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.
Lemme 2
Si u est strictement convexe dans K, on a u(x)<uˉ(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)/2, d’où u(x)<(u(y)+u(z))/2 puisque u est strictement convexe. Si f est une fonction linéaire affine dans E, on a f(x)=(f(y)+f(z))/2; appliquant cette relation aux fonctions linéaires affines continues f qui sont ≥u dans K, il vient
uˉ(x)≥(uˉ(y)+uˉ(z))/2≥(u(y)+u(z))/2>u(x).
Ces lemmes étant établis, on a donc (lemme 1), pour tout a∈K, (a,uˉ(a))∈S. Comme G est compact, étant image de K par l’application continue x↦(x,u(x)), il existe, en vertu de la prop. 1 du n° 1, une mesure positive ν sur G, de masse totale 1, ayant (a,uˉ(a)) pour barycentre. Comme la restriction à G de la projection pr1 est un homéomorphisme de G sur K, on peut transporter la mesure ν à l’aide de cet homéomorphisme, ce qui donne une mesure μ sur K (positive et de masse totale 1) telle que l’on ait
(6)a=∫xdμ(x)etuˉ(a)=∫u(x)dμ(x).
La première des relations (6) signifie que a est le barycentre de μ. La fonction uˉ est semi-continue supérieurement et bornée dans K, donc μ-intégrable (§4, n° 4, cor. 1 de la prop. 5); en outre, comme la fonction −uˉ est convexe par définition, on a, en vertu du cor. de la prop. 2 du n° 1
(7)uˉ(a)≥∫uˉ(x)dμ(x)
d’où, en comparant avec la seconde formule (6)
(8)∫u(x)dμ(x)≥∫uˉ(x)dμ(x).
Mais comme u(x)≤uˉ(x) dans K, la relation (8) implique que u(x)=uˉ(x) presque partout pour μ. 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) 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 de C(K;R) formé des restrictions à K des fonctions linéaires affines continues dans E. Soit donc (hn) une suite partout dense dans A, et soit αn>supx∈K∣hn(x)∣. Alors, chacune des fonctions hn2/n2αn2 est convexe dans K (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 2, n° 8, Exemples), et la série de terme général hn2/n2αn2 est normalement convergente, donc sa somme u est continue et convexe dans K. Il reste à voir que u est strictement convexe, et pour cela, il suffit de prouver que pour deux points distincts x,x′ de K, il y a un entier n tel que la restriction au segment d’extrémités x, x' de hn2 est strictement convexe; mais pour cela il suffit que hn(x)=hn(x′) (loc. cit.). Or, il y a une fonction h∈A telle que h(x)=h(x′) (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 4, n° 1, cor. 1 de la prop. 2) et comme la suite (hn) est dense dans A, il existe un n tel que hn(x)=hn(x′).
C.Q.F.D.
Corollaire
Soient E un espace localement convexe séparé sur 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∈C, il existe une partie compacte K de C et une mesure λ≥0 de masse 1 sur K, telles que K−(M∩K) soit λ-négligeable et que le barycentre de λ 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∩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 un sous-espace vectoriel de l’espace de Banach C(X;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 de la topologie d’espace normé induite par celle de C(X;R), et désignerons par H′ le dual de cet espace normé. Pour tout x∈X, l’application f↦f(x) est une forme linéaire continue sur H (restriction à H de la mesure de Dirac εx), donc un élément de H′ que nous noterons iH(x), de sorte que l’on a
⟨f,iH(x)⟩=f(x)
pour toute fonction f∈H et tout x∈X.
L’application iH de X dans H′ est injective et continue lorsqu’on munit H′ de la topologie faible σ(H′,H); la seconde assertion résulte aussitôt des définitions et de (9); quant à la première, notons que si x,x′ sont deux points distincts de X, il existe par hypothèse une fonction h∈H telle que h(x)=h(x′), donc, en vertu de (9), ⟨h,iH(x)⟩=⟨h,iH(x′)⟩ et a fortiori iH(x)=iH(x′). L’image iH(X) est donc une partie compacte de H′ (pour la topologie faible), et iH un homéomorphisme de X sur iH(X).
Proposition 4
(i) L’enveloppe convexe fermée C de iH(X) dans H′ (pour la topologie faible σ(H′,H)) est compacte.
(ii) Pour qu’un point iH(x) soit point extrémal de C, il faut et il suffit que la seule mesure positive λ sur X, telle que
h(x)=∫hdλ
pour toute fonction h∈H (ce qui entraîne en particulier que λ est de masse totale 1 puisque 1∈H) soit la mesure de Dirac εx.
La fonction z′↦⟨h,z′⟩ 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) (loc. cit., cor. de la prop. 2).
(i) D’après (9), on a ∥iH(x)∥≤1 dans l’espace normé H′, autrement dit, iH(X) est borné, et l’assertion résulte de ce que H′, muni de la topologie faible σ(H′,H), est quasi-complet (Esp. vect. top., chap. IV, § 2, n° 2, cor. 2 du th. 1).
(ii) Toute mesure positive μ de masse 1 sur iH(X) provient, par transport de structure au moyen de l’homéomorphisme iH, d’une mesure positive λ de masse 1 sur X, la mesure de Dirac εiH(x) provenant de εx. Dire que μ admet iH(x) pour barycentre signifie, par définition, que l’on a
∫X⟨h,iH(z)⟩dλ(z)=⟨h,iH(x)⟩
pour toute fonction h∈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) soit point extrémal de C.
Nous dirons qu’un point x∈X vérifiant la condition (ii) de la prop. 4 est H-extrémal ; nous désignerons par ChH(X) (ou simplement Ch(X)) l’ensemble de ces points, par SˇH(X) (ou simplement Sˇ(X)) l’adhérence de ChH(X) dans X.
Proposition 5
Toute fonction h∈H atteint sa borne supérieure en un point H-extrémal au moins.
Soient x un point de X, h une fonction de H. La relation h(z)≤h(x) pour tout z∈X s’écrit ⟨h,iH(z)⟩≤⟨h,iH(x)⟩ pour tout z∈X, et signifie donc que l’hyperplan faiblement fermé de H′, d’équation ⟨h,t′⟩=⟨h,iH(x)⟩ est un hyperplan d’appui de iH(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), et un tel point iH(y) est l’image d’un point H-extrémal y par définition ; h(y) est donc égal à la borne supérieure de h dans X.
Proposition 6
Pour tout point x∈X, les propriétés suivantes sont équivalentes :
a) x est H-extrémal.
b) Pour tout voisinage ouvert U de x dans X et tout ε>0, il existe une fonction h≥0 dans H telle que h(x)≤ε et h(y)≥1 pour tout y∈X−U.
Soient x un point quelconque de X, f une fonction de C(X;R); on sait (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 3, n° 1, prop. 1) que la borne inférieure des nombres λ(f), pour toutes les mesures positives sur X telles que λ(h)=h(x) pour toute fonction h∈H, est égale à la borne supérieure des nombres h(x), où h parcourt l’ensemble des fonctions h∈H telles que h≤f. Supposons que x soit H-extrémal; alors il résulte de la prop. 4, (ii), que, pour toute fonction f∈C(X;R), on a
f(x)=h∈H,h≤fsuph(x).
Pour montrer que a) entraîne b), prenons pour f une application continue de X dans {0,1}, de support contenu dans U et telle que f(x)=1; il y a donc en vertu de (11) une fonction h′∈H telle que h′≤f et h′(x)≥1−ε. Comme 1∈H, la fonction h=1−h′ répond aux conditions de b).
Réciproquement, supposons vérifiée la condition b); cette condition entraîne que 1−h≤φU; pour toute mesure positive λ sur X vérifiant la condition (7), on a donc
λ(U)=λ(φU)≥λ(1−h)=1−h(x)≥1−ε.
Comme par hypothèse cette relation a lieu pour tout ε>0 et tout voisinage ouvert U de x, on en conclut
λ({x})=Uinfλ(U)≥1−ε
pour tout ε>0, donc λ({x})=1. Comme λ est positive et de masse totale 1, on a nécessairement λ=εx, ce qui prouve que x est H-extrémal en vertu de la prop. 4, (ii).
Proposition 7
Soit F une partie fermée de X. Les propriétés suivantes sont équivalentes :
a) F contient SˇH(X).
b) Pour toute fonction h∈H, l’ensemble F rencontre l’ensemble des points de X où h atteint sa borne supérieure.
c) Pour tout point x∈X, il existe une mesure positive μ de masse 1 sur X, telle que Supp(μ)⊂F et que h(x)=∫hdμ pour toute fonction h∈H.
Soit G=iH(F). La condition a) signifie que G contient l’ensemble des points extrémaux de C. La condition b) signifie que G rencontre l’intersection de iH(X) avec chacun des hyperplans d’appui fermés de iH(X). Enfin la condition c) signifie que tout point de iH(X) est barycentre d’une mesure de support contenu dans G; en vertu du n° 1, prop. 1, cela équivaut encore à dire que l’enveloppe convexe fermée de iH(X) est égale à l’enveloppe convexe fermée de G. 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 X métrisable. Alors l’ensembleChH(X)des pointsH-*extrémaux de* Xest intersection d’une famille dénombrable d’ensembles ouverts dansX, et pour toutx∈X, il existe une mesure positiveμde masse 1 surXtelle que
μ(X−ChH(X))=0et∫hdμ=h(x)
pour touteh∈H.
C’est la traduction du th. 1 du n° 2, par transport de structure au moyen de l’homéomorphisme x↦iH(x), comme dans la prop. 5.
Un certain nombre de résultats de ce n° s’étendent lorsqu’on remplace H par un ensemble P de fonctions définies dans X, à valeurs dans R∪{+∞}, semi-continues inférieurement, P étant supposé contenir les constantes et être tel que P+P⊂P (exerc. 2).
Exemple
Prenons pour X la boule unité ∥x∥≤1 dans R3, et soit H un espace vectoriel de fonctions continues dans X, contenant les restrictions à X des fonctions linéaires affines dans R3, et vérifiant le « principe du maximum », c’est-à-dire que pour toute fonction h∈H non constante, l’ensemble des points de X où h atteint sa borne supérieure est contenu dans la sphère S2. Il résulte alors aisément des prop. 5 et 7 que ChH(X)=S~H(X)=S2. Un exemple important d’espace vectoriel H vérifiant les conditions précédentes est l’ensemble des fonctions continues dans X et harmoniques dans la boule ouverte ∥x∥<1. Pour ces fonctions, on démontre que la mesure positive μ de masse 1 telle que Supp(μ)⊂S2 et que h(x)=∫hdμ pour toute h∈H, est donnée, si ∥x∥<1, par la formule de Poisson
dμ(z)=∥z−x∥31−∥z∥2dσ(z)
où σ est la mesure sur S2 invariante par le groupe orthogonal et telle que σ(S2)=1 (chap. VII, § 3, exerc. 8).
4. Applications. II. Espaces vectoriels de fonctions continues complexes
Soient X un espace compact non vide, H un sous-espace vectoriel de l’espace de Banach complexe C(X;C) qui contient les constantes et sépare les points de X. L’ensemble des parties réelles R(f) des fonctions f∈H est un sous-espace vectoriel Hr de l’espace vectoriel réel C(X;R); pour toute f∈H, l’ensemble Hr contient aussi J(f)=R(−if); il en résulte que Hr sépare les points de X puisque la relation h(x)=h(y) pour toute h∈Hr entraîne R(f(x))=R(f(y)) et J(f(x))=J(f(y)), donc f(x)=f(y) pour toute f∈H. Les points Hr-extrémaux dans X sont encore appelés H-extrémaux, et on note leur ensemble ChH(X), et l’adhérence de ce dernier SˇH(X). Les analogues des prop. 5 et 7 sont les suivantes :
Proposition 9
Pour toute fonction f∈H, ChH(X) rencontre l’ensemble des points où ∣f∣ atteint sa borne supérieure.
On peut se borner au cas où f n’est pas la constante 0. Soit a un point de X où ∣f∣ atteint sa borne supérieure, et posons g=f/f(a); on a g(a)=1 et ∣g(x)∣≤1 pour tout x∈X, d’où
R(g(a))=1etR(g(x))≤1 pour tout x∈X.
En vertu de la prop. 5 du n° 3 appliquée à Hr, il existe b∈ChH(X) où R(g(x)) atteint sa borne supérieure 1, d’où ∣g(b)∣=1 puisque ∣g(b)∣≤1; on en conclut que ∣f(b)∣=∣f(a)∣≥∣f(x)∣ pour tout x∈X.
Proposition 10
Soit F une partie fermée de X. Les propriétés suivantes sont équivalentes : a) F contient SˇH(X). b) Pour toute fonction f∈H, F rencontre l’ensemble des points de X où ∣f∣ atteint sa borne supérieure. c) Pour tout point x∈X, il existe une mesure positive μ de masse totale 1 sur X telle que Supp(μ)⊂F et que f(x)=∫fdμ pour toute fonction f∈H.
Prouvons l’équivalence des conditions a) et c): soit f=f1+if2 avec f1,f2 dans Hr; la relation f(x)=∫fdμ équivaut aux deux relations f1(x)=∫f1dμ et f2(x)=∫f2dμ; il suffit donc d’appliquer à Hr 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∈Hr, F rencontre l’ensemble des points où h atteint sa borne inférieure dans X. La condition b) entraîne que F est non vide; comme F est compact, il existe a∈F tel que h(a)≤h(y) pour tout y∈F. Soit f∈H telle que h=R(f); pour tout ε>0, la fonction g=f−h(a)+ε appartient à H, et l’on a
R(g(y))=h(y)−h(a)+ε≥ε
pour tout y∈F. Soit c la borne supérieure de ∣g∣ dans X, et posons b=c2/2ε; pour tout y∈F, on a
∣g(y)−b∣2=∣g(y)∣2−2bR(g(y))+b2≤c2−2bε+b2=b2,
autrement dit, la borne supérieure dans F de la fonction ∣g−b∣ est ≤b. Comme g−b∈H, l’hypothèse faite sur F entraîne ∣g−b∣≤b, d’où
b2≥∣g−b∣2=∣g∣2−2bR(g)+b2
et par suite R(g)≥∣g∣2/2b≥0; comme R(g)=h−h(a)+ε, et que ε>0 est arbitraire, on a h≥h(a), et h(a) est la borne inférieure de h dans X, ce qui achève la démonstration.
Remarque
Si f est une fonction continue réelle, un point où ∣f∣ atteint sa borne supérieure est un point où l’une des fonctions f,−f atteint sa borne supérieure. Pour un espace vectoriel 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 un sous-espace vectoriel fermé de l’espace de Banach C(X;C) (resp. C(X;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<1, et le voisinage ouvert U de a, il existe f∈H telle que (12) ∣f∣≤1,∣f(a)∣≥d,∣f(x)∣≤c pour tout x∈X−U. Alors il existe une fonction u∈H telle que ∣u(x)∣<∣u(a)∣ pour tout x=a.
Soit (Vn) (n≥1) un système fondamental de voisinages de a, et soient λ,μ,ε des nombres tels que
0<λ<1,1<μ<μ+ε≤1+λ.
On a donc 0<λ/μ<1/μ<1. Nous allons définir par récurrence sur n (n≥1) une suite décroissante (Un) de voisinages ouverts de a tels que Un⊂Vn pour tout n, et une suite (hn) de fonctions de H vérifiant les relations
(13n)
∣hn(x)∣≤μ pour tout x∈X
(14n)
hn(a)=1
(15n)
∣hn(x)∣≤λ pour tout x∈X−Un
(16n)
j=1∑nλjhj(y)<j=1∑n+1λj
pour tout y∈X.
Supposons les hm et Um définis pour 1≤m<n et vérifiant les quatre conditions précédentes (où n est remplacé par m); posons d’autre part U0=X. La fonction ∑j=1n−1λjhj (égale à 0 si n=1) est continue et prend la valeur ∑j=1n−1λj au point a; il existe donc un voisinage ouvert Un de a, contenu dans Un−1∩Vn, tel que l’on ait
(17)
j=1∑n−1λjhj(y)<j=1∑n−1λj+ελn
pour tout y∈Un.
Par hypothèse il existe une fonction f∈H telle que
∣f(x)∣∣f(x)∣≤1 pour tout x∈X,∣f(a)∣≥1/μ,≤λ/μpour x∈X−Un.
Posons hn=f/f(a); on a donc les relations (13n), (14n) et (15n); posons
g=j=1∑nλjhj=j=1∑n−1λjhj+λnhn.
En vertu de (17) et de (13n), on a, pour y∈Un
∣g(y)∣<j=1∑n−1λj+ελn+μλn≤j=1∑n+1λj,
puisque ε+μ≤1+λ; pour x∈X−Un, on a ∣hp(x)∣≤λ pour 1≤p≤n, d’où encore
∣g(x)∣≤j=2∑n+1λj<j=1∑n+1λj
ce qui achève de prouver (16n).
Cela étant, la série ∑n=1∞λnhn est normalement convergente dans X puisque λ<1 et ∣hn(x)∣≤μ pour tout n et tout x∈X; soit u sa somme, qui appartient à H puisque H est fermé. En vertu de la n° 5
relation (14_n), on a u(a)=∑n=1∞λn; d’autre part, si x=a, il existe un entier n tel que x∈/Un+1; on a donc ∣hn+k(x)∣≤λ pour tout k≥1 en vertu de la relation (15_n); on en déduit, en utilisant (16_n)
Soient X un espace compact, A une sous-algèbre fermée de l’algèbre de Banach complexe C(X;C). On suppose que 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∈A telle que ∣f(x)∣<∣f(a)∣ pour tout x=a.
b) Le point a est A-extrémal et admet un système fondamental dénombrable de voisinages.
a) ⇒ b) : Soit f∈A telle que ∣f(a)∣>∣f(x)∣ pour x=a; en vertu de la prop. 9 du n° 4, a est un point A-extrémal. D’autre part, si Un est l’ensemble des x∈X tels que ∣f(x)∣>∣f(a)∣−1/n, Un est un voisinage ouvert de a, et l’intersection des Un est réduite à a ; comme X est compact, les Un forment un système fondamental de voisinages de a (Top. gén., chap. I, 3e éd., § 9, n° 1, th. 1).
b) ⇒ a) : Il suffit de vérifier que b) implique les hypothèses du lemme 4. Avec les notations de ce lemme, posons ε=logd/logc; on a 0<ε<1. Comme a est un point Ar-extrémal, il existe une fonction g∈A telle que
R(g)≥0,R(g(a))≤ε,R(g(x))≥1pour x∈X−U
(n° 3, prop. 6, b)). Posons f=cg; comme f est somme de la série normalement convergente ∑n=0∞(logc)ngn/n!, on a f∈A, et
∣f∣≤1,∣f(a)∣≥cε=d,∣f(x)∣≤cpour x∈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-extrémal de X. b) Il existe u∈A tel que ∣u(x)∣<∣u(a)∣ pour tout x=a.
c) Soit M l’ensemble des parties M de X telles que pour toute fonction f∈A, ∣f∣ atteigne sa borne supérieure dans X en un point au moins de M. Alors a appartient à tous les ensembles M∈M.
d) Soit N l’ensemble des parties N de X telles que, pour toute fonction f∈A, ℜ(f) atteigne sa borne supérieure dans X en un point au moins de N. Alors a appartient à tous les ensembles N∈N.
En d’autres termes, on a
ChA(X)=M∈M⋂M=N∈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 a est l’unique point où ∣u∣ atteint sa borne supérieure; d’autre part, c) entraîne a), car ChA(X) rencontre, pour tout f∈A, l’ensemble des points où ∣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 X n’est pas réduit au point a, donc u(a)=0; la fonction v=u/u(a) appartient alors à A, et l’on a v(a)=1 et ∣v(x)∣<1 pour x=a, d’où ℜ(v(a))=1 et ℜ(v(x))<1 pour x=a. La fonction ℜ(v) n’atteignant sa borne supérieure qu’au point a, on a bien a∈N pour tout N∈N.
Exemple
Soit X1 l’ensemble des points (z1,z2)∈C2 tels que ∣z1∣2+∣z2∣2≤1 (boule unité dans R4), et soit A1′ l’ensemble des restrictions à X1 des fonctions holomorphes, à valeurs dans C, définies dans un voisinage de X1 dans C2 (voisinage dépendant de la fonction considérée); soit A1 l’adhérence de A1′ dans C(X1;C), qui est évidemment une sous-algèbre complexe fermée de C(X1;C) et sépare les points de X1. L’application du « principe du maximum » pour les fonctions holomorphes montre que ChA1(X1) est la sphère S3.
Dans la définition précédente, remplaçons X1 par le « polydisque » X2 défini par les relations ∣z1∣≤1 et ∣z2∣≤1, ce qui donne des sous-algèbres A2′ et A2 (adhérence de A2′) dans C(X2;C). Ici le principe du maximum montre que ChA2(X2) est le « tore » défini par les relations ∣z1∣=1 et ∣z2∣=1.
On déduit de ces résultats qu’il n’existe pas d’isomorphisme analytique d’un voisinage ouvert de X1 sur un voisinage ouvert de X2 qui transforme X1 en X2; en effet, si v était la restriction à X1 d’une telle application, on aurait A2=v∗A1v−1, et par suite v transformerait S3 en un espace homéomorphe à T2, ce qui est absurde, car S3 est simplement connexe, mais non T2.
On notera toutefois que les espaces X1 et X2 sont homéomorphes, étant tous deux des ensembles convexes bornés dans R4 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 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 l’ensemble des restrictions à C des formes linéaires continues sur E. Soient (fλ)λ∈Λ une famille finie d’éléments de A, et f=sup(fλ). Pour tout x∈C, on pose
fˉ(x)=sup(f(x1)+f(x2)+…+f(xn))
la borne supérieure étant prise sur l’ensemble Sx des suites (x1,x2,…,xn) d’éléments de C telles que x1+x2+…+xn=x. Posons Card Λ=p. Alors il existe (y1,…,yp)∈Sx tels que fˉ(x)=f(y1)+…+f(yp).
Notons f1,f2,…,fp les éléments de la famille (fλ). Pour k=1,2,…,p, soit Ck l’ensemble des y∈C tels que f1(y)<f(y),f2(y)<f(y),…,fk−1(y)<f(y),fk(y)=f(y). Les Ck sont des cônes convexes disjoints de réunion C. Soient x1,x2,…,xn dans C tels que x1+x2+…+xn=x. Soit yk la somme des xi qui appartiennent à Ck. On a y1+y2+…+yp=x. Comme f est affine sur Ck, f(y1)+…+f(yp)=f(x1)+…+f(xn). Donc
f(x)=sup(f(y1)+…+f(yp))
où (y1,y2,…,yp) parcourt l’ensemble des suites de p points de C telles que y1+y2+…+yp=x. Posons D=C∩(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) de Dp tels que y1+…+yp=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 fλ positives. La fonction fˉ est positivement homogène, concave et semi-continue supérieurement dans C. Elle est affine si C est réticulé.
Il est clair que fˉ est positivement homogène. Soient x,y dans C. Si x1,…,xm,y1,…,yn dans C sont tels que x1+…+xm=x, y1+…+yn=y, on a x1+…+xm+y1+…yn=x+y, donc
f(x1)+…+f(xm)+f(y1)+…+f(yn)≤fˉ(x+y);
on en déduit que fˉ(x)+fˉ(y)≤fˉ(x+y), donc fˉ est concave. Soit L (resp. Lλ) l’ensemble des (t,x)∈R×E tels que x∈C et 0≤t≤fˉ(x) (resp. 0≤t≤fλ(x)). Chacun des Lλ est fermé dans le cône convexe saillant faiblement complet R+×C, donc la somme ∑λ∈ΛLλ 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 L. Donc L est fermé, ce qui prouve que fˉ est semi-continue supérieurement. Enfin, supposons C réticulé, et prouvons que fˉ est convexe. Soient x,y dans C et ε>0. Il existe z1,z2,…,zn dans C tels que f(z1)+…+f(zn)≥fˉ(x+y)−ε et z1+…+zn=x+y. L’espace vectoriel C−C est réticulé pour l’ordre induit par celui de E (\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,…,yn dans C tels que x1+y1=z1,…,xn+yn=zn,x1+…+xn=x,y1+…+yn=y. Alors, comme f est positivement homogène et convexe, on a
Comme ε est arbitraire >0, on a bien prouvé que fˉ est convexe.
Théorème 3 (Choquet).—*Soient* Eun espace localement convexe faible séparé, Cun cône convexe saillant faiblement complet de sommet 0 dansE, Gla réunion des génératrices extrémales deC, Kune partie compacte convexe deC, λetλ′des mesures positives de masse 1 surK, admettant le même barycentre, et telles queλ∗(K−(K∩G))=λ′∗(K−(K∩G))=0. SupposonsCréticulé. Alors, pour toute fonctionfconvexe≥0semi-continue inférieurement et positivement homogène surC, on aλ∗(f∣K)=λ′∗(f∣K).
Soit A (resp. A′) l’ensemble des restrictions à C des formes linéaires (resp. des fonctions affines) continues sur E. On sait (\emph{Esp. vect. top.}, chap. II, 2e éd., § 5, n° 4, Remarque 2) que f est l’enveloppe supérieure de l’ensemble des éléments de A majorés par f. L’ensemble des fonctions de la forme sup(f1,…,fp) où f1,…,fp appartiennent à A, f1≥0,…,fp≥0, est filtrant croissant et admet f pour enveloppe supérieure. Compte tenu du § 1, n° 1, th. 1, il suffit de vérifier l’égalité λ(f∣K)=λ′(f∣K) lorsque f est de la forme précédente.
Définissons fˉ comme dans le lemme 5. Il est clair que fˉ(y)=f(y) si y∈G. Comme λ∗(K−(K∩G))=0, on a λ(f∣K)=λ(fˉ∣K). D’après le lemme 6, fˉ est affine et semi-continue supérieurement. Donc fˉ∣K est enveloppe inférieure d’un ensemble filtrant décroissant de restrictions d’éléments de A′ à K (Esp. vect. top., chap. II, 2e éd., § 5, n° 4, prop. 6). Soit x∈K le barycentre de λ. Si g∈A, on a λ(g∣K)=g(x). Donc λ(fˉ∣K)=fˉ(x) (§4, n° 4, cor. 2 de la prop. 5). Ainsi, λ(f∣K)=fˉ(x), et on voit de même que λ′(f∣K)=fˉ(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∈M. Si C est réticulé, il existe au plus une mesure positive λ de masse 1 sur M, telle que λ∗(M−(G∩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 et λ′ 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)=1. Soit S le sous-ensemble de C(M) constitué par les restrictions à M des fonctions convexes ≥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) pour toute f∈S.
Puisque h∣M∈S, S−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 réels, il existe f∈S−S tel que f(x)=α,f(y)=β.
Alors S−S est partout dense dans 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 et λ′ coïncident sur S−S, on a λ=λ′.