Séminaire Brelot-Choquet-Deny. Théorie du potentiel G USTAVE C HOQUET Le théorème de représentation intégrale dans les ensembles convexes compacts Séminaire Brelot-Choquet-Deny. Théorie du potentiel, tome 4 (1959-1960), exp. no 3, p. 1-11 <http://www.numdam.org/item?id=SBCD_1959-1960__4__A3_0> © Séminaire Brelot-Choquet-Deny. Théorie du potentiel (Secrétariat mathématique, Paris), 1959-1960, tous droits réservés. L’accès aux archives de la collection « Séminaire Brelot-Choquet-Deny. Théorie du potentiel » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/legal.php). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright. Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques http://www.numdam.org/ Séminaire BRELOT-CHOQUET-DENY 3-01 (Théorie du Potentiel) 4e année, 1959/60, 3 . LE THÉORÈME DE 15 février 1960 REPRÉSENTATION INTÉGRALE DANS LES ENSEMBLES CONVEXES COMPACTS Gustave CHOQUET Dans un Soit travail antérieur trisable, ~ de Radon séparé, ©. convexe une convexe points extrémaux de (B . Alors si 03- est mé(E. est barycentre d’au moins une tout point de de S un positive portée 9 et par 0 0 en utilisant Récemment, Errett BISHOP et Karel de intéressante, ont pu simplifier notre démonstration et étendre forme atténuée partie S l’ensemble des et est démontre le théorème suivant :ô avons nous espace vectoriel localement un compacte de V , mesure [2J~ au cas où idée nouvelle fort le théorème sous une une úl n’est pas métrisable o de ß est alors barycentre d’une mesure de Radon positive sur ß, dispseudo-portée par ~ en ce sens qu’elle ne charge aucun compact de joint de ~ ; et il existe des cas où l’expression "pseudo-portée" ne peut être remTout point Baire ( ) placée par "’portée". L’utilisation analyse~ du théorème de représentation intégrale, l’enseignement une démonstration simpleo fréquente~ rend souhaitable pour en Nous allons ici reprendre la méthode de Bishop et de en la simplifierons~ notamment en supposant dès le départ que métrisable ~ d’autre part9 nous n’utiliserons pas comme eux l’inégalité de Schwarz ; pour cela9 nous remplacerons leurs fonctions f~ (où f est linéaire) par des fonctions convexes quelconques y plus maniables. Leeuw ; nous (S. est Dans leur une seconde et travail, pour en une troisième partie~ préciser la portée ;9 nous cet quelques points de amènera à poser quelques reviendrons examen nous sur problèmes. (1) de Un compact voisinages, de Baire de S est un compact autrement dit qui est un G. o qui a; dans une base dénombrable 3-02 représentation intégrale. 1. Le théorème de Les outils que 0 utiliserons sont1 nous 1° Lemme de Zorno (2) : 2° Théorème élémentaire des sections compacts métrisables, nion dénombrable de sur topologique séparé ; F (3) classe borélienne 3° Intégration des sur A B . Nous supposerons de est où NOTATIONS. - V, f une et A Soient topologique séparé et réuE une application continue de application g de première E f telle que E dans mesuresr continue de application alors il existe F de et Soit g des de Radon identité. mesures la définition et les connues = deux espaces B dans une mesure o positive sur propriétés élémentaires A . topologique (sur R ) , séparé espace vectoriel compacte de Y (B, une (; l’ensemble des éléments extrémaux partie convexe Jrt (resp. m, tives et de 0 l’ensemble des mesures de Radon positives sur ß (resp. posi- 1 ). norme ensemble des fonctions affines continues sur des fonctions C~ ensemble Relation d’ordre /f qui se = l’ensemble !-il - P2 /f pour toute A est homéomorphe A on sur + constante). a1 0 dira que majore si notera de Cantor Xn positives CY 0 sur m+ . - Soient 1, 2 ~ m+ ; f vue de renseignement, en voici adique (linéaire continues convexes partout XBT Nous noterons 10 et localement . convexe0 ce compacts, et 03C6 une de Radon positives est homéomorphe à à A . E a. une (cette condition équivaut à dire démonstration simple : l’ensemble tri- {0 , l} , donc aussi à ({0, 1}) ; donc Comme [0 ~ 1J est image continue de A, il en est alors de même de [0, 1 1 [0 , 1 ] , un tel espace est donc comme tout compact métrisable est plongeable dans image continue d’une partie fermée de A est continue d’un Il en résulte aussitôt que l’espace E de mé de R+: E=03C6(B) avec (p continue, et B fermé cR . 0 l’énoncé image - _ et. pour tout x e F , posons k(x) = classe dans R+ est semi-continue inférieurement, donc de Drom1ere cherchée borélienne. L’application g = ~ 0 k de F dans E est la section est une F 0 pour tout ouvert 03C9 de F" c’est-à-dire que Posons cation k c3) h = f de F 3-03 que et p ont ~2 même 2° masse totale et f pour toute e même barycentre) o C. La réflexivité et la transitivité de la relation sont et Donc cette relation est bien Pi = ~2 . L’ensemble 03C0+ En ont même Soit X soit effet, totale5 donc masse est relativement X f D’autre part, pour toute /f totalement ordonnée de /f X . Evidemment santes de relation une valeur d’adhérence de une p0 (4) d’ où ainsi ordonné est partie une d’autre part pour toute on a ..t 2 - ~ 1 ~ évidentes ; = E ~ ~ ~E X toutes les compact. suivant le filtre des sections finis- X /f d 0 pour toute f les /f dp convergent c: CL en et toute croissant ~ X. vers d’où f d 0 Donc bien majore toute ~ X o X. La démonstration montre outre en l’unicité de la valeur d’adhérence est COROLLAIRE 1. - Toute Ce corollaire et pour toute s’applique en majorée particulier par une mesure aux mesures }.l 0 0 maximale. 0 ponctuelles g x (où x E (~)~ d’où le corollaire suivant1 COROLLAIRE 2. - Tout point x est de ß barycentre d’une positive ma- mesure ’ ximale de 1 totale masse 0 est LEMME2. - La relation compatible avec l’addition. C’est évident pour l’addition d’un nombre fini de termes. On néralement que a ~ v(a) d’un espace déduit plus gé- s (v a où en a et a - vI K compact LEHÏ01523. - Soient drc pour tout -~’ (a) sont des dans 3’Î , et v a e 1,1 et a applications continues (ce qui suffira ici) où 03C0 est une mesure positive sur K. avec 03BD Si 03BD est maximale, est aussi maximale. (4) d sépare les points de B donc (STONE-WEIERSTRASS) les polynômes par rap- éléments de 0. forment un ensemble total dans C(lll) j or~ un tel polyport nôme est différence de deux polynômes convexes positifs, donc C est total dans aux C ( (11) . 3-04 Posons V / = v + p et +03A0: TC 1 u’ v v on aurait barycentre x , on a ù D’autre part&#x3E; . II , serait pas maximale ne Q, , et toute x OE telle que Il p OE m1 de 0 . On sait déjà /f x ; donc + 4. - Pour tout ~X p.’ f. S’il exista,it 0 /f de x /£ djJ, ,S /f f(x) $ /f ࣠convexe et OE continue, o cette car . elle est évidente duit, puisque toute même barycentre. OE p LEMME 5. - Lorsque male f pour toute dy x f pour toute = que m1 est limite faible de métrisable, i d@ ZÎ" 3st port(e discrète; est si &#x26; est le cas inégalité s’ écriti général s’en dé- et toute G 03B4 l’,/ , discrètes de mesures un on a mesure de maxi- ~ . par:. o DÉMONSTRATION. 6 1° Soit x2) ~ la ---’2-- de £5 x ú3 son L’application 1’,Ù relèvement de un (©ig) ; morphie. et soit ÔL l’application o est points .p p«(B2~) Ko 3 donc un extrémaux de non 13 Son 0 aussi; or, ce ë; complément G03B4 . un 2° Soit sur 13 dans 11’ est au.tre que l’ ensemble des est donc x (túBt,) métrisable, 13 est Comme (G diagonale je Donc tp première classe de existence résulte du théorème des ,sections h g = h (x1 , x,) - §(c ’, 0 est Wo telle que pour tout x E 03C8(x) ~ ~x Une t: ) + application (lBB&#x26;) on et £52 de de (03B22B0394). l’application p de rappelé dans première m1 au est classe de début de le une homéo- (03B2B~) dans ait:i x = barjcentre ](x) de 0 m1, E 3° Sboit nI p n’étant pas portée par &#x26; ’3 on va mon,trer que pas maximale ; il suffira de montrer pour aula qu’il existe une qui n’est est pas maxim.ale (lemmo 3) . Commo &#x26; -mesurable, il existe (théorème de Lusin) K do tel- que un compact 1- Q que J_a .restriction d-J 4T à K soit c’ontinue. Désignons par v la partie de Il portée par ii . f Pour toute Soit fa E C et tout K on sait point du support fermé de pour laquelle v 00FF x0 un E C , a E (îenzme 4 ) comme que C existe ~C Comme les deux membres de cette 1’ , sur On la méme inégalité on a inégalité pour tout sont des fonctions continues de point a K de assez voisin de a x 0 donc ~ a ou encoret On a donc ~ ~ THÉORÈME. localement Soit convexe -~’ de C6 n’est pas maximale. -B; compact métrisable o (espace vectoriel topologique cY des points extréma.ux de (B, est barycentre d’au moins une mesure de... Radon 0 0 point (lemme 2)~ est 6 un 6 . portée par C’est la 03 ~v « comme séparé). L’ensemble convexe et tout Gô et conséquence immédiate du corollaire 2 du lemme et du lemme 5. 1, Résultats auxiliaires. o Jib 1° Le lemme montre que toute ~ ~ préciser la aussi)i soient pouvons m1 et Xl de Xi que p~ est évidemment Dans x tre que l’ensemble des m X2 Xi lorsque S deux espaces identiques x X2 ’ fermé ; non la l’ensemble A projection de m1; maximales de autrement dit, l’ensemble des éléments maximaux tat par nature de cette relation diagonale ~. majorée est maximale; métrisable (donc une mesure est à m1 des et soit A couples (A B:.) sur est un résulte que dans l’ensemble B des Xl x extrémale est un or~ d’aDrès le lemme 1$ la projection de p ~ - peut donc relever cette projection (~1 ’ ~2) on obtient p - p( p) de m1 (5) au- un GD (même (}.1-1’ en on 2° n’est Xl tels résul- dans ~ ). Il X2 ’ la (~ ~ ~2) cet ensemble est donc de m1 nous Supposons Une vert 03C9 dans application analytique (donc dans de encore (B E 0 universellement mesurable) 03C6( ) maximale. lui-même telle f application do F , f (uj) analytiques la une en avec métrisable ; dans F appartient au de E soit avec ~ Xl est dans application analytique (5) composant avec la projection sur Xl x B A en une de Xl ~ f une application universellement est dite ici analytique si pour tout oucorps borélion engendré par les ensembles 3-06 mesurable de a T x ; so it ° dit que telle que pour tout diffusion associée est la f(x) ~ x E f(x) ~: 9 ait pour 11 f ~ on a évidemment x ~ ~ 9 le môme raisonnement que pour tout e x dans lui-même définie par de l’ application T outre, ~; ’~ dans à barycentre ~f(x) dx On Si, en . celui du lemme 5 montre que (l-l = soit Ors et converge vers une mesure f. T avoir p w (° ) w a Des 0 est croissante pour la relation exemples simples deuxième classe, de et = montrent que l’on , peut si lim = oep on 13 = définit par les alors 03B1 limo croissante des . n partie dénombrable de C qui est totail en résulte que toute partie totalement ordonnée je ~~+ (pour ~) est cofinale à une suite finie ou dénombrable. En particulier, il Comme l’ordre un }la il existe métrisable, est a le dans que o 0) par o Pour tout ordinal existe = T n0 ; la suite E 0 portée est }l ordinal a de deuxième classe tel que portée par (; soit une )la c’ est-à-dire tel = 0 PROBLÈMES. 0 1° Supposons , soit 2° l’image une par montrer (se diffusion du relation 1 ramener au cas suivantt ~1 et 2 étrangères compact quelconque. 2. Sur o ces La somme de deux Le point de départ (6 ) Prendre (8 = portées maximales est- /p( a) a dv de mesures trois problèmes sont évidenteso sur X compact. de BISHOP et de LEEUW est lt étude du dual d’un espace vecto- rial de fonctions continues explicitement qu’ils et par mesures espace vectoriel de fonctions continues l espace dual p1 ( 1 2)~( 1= 2)). généralement, est-ce qu’une intégrale maximale ( v mesure positive sur m+ ) ? Les relations entre entraîne que positive portée elle maximale ? Plus maximales est 2 type défini plus haut ? ° alors que convexe ’ métrisabloo Est-ce que touto encore &#x26; est maximale? ß a de 1 Supposons 3° Soit métrisableo Est-ce que la ß ne [0 , 2J le sur un espace X font, l’équivalence et T quei compact Fous allons montror, plus 0 entre cette étude et cel le des support dc x ’ 1[ pour tout 3-07 ensembles Soit X un m(X) forme ; soit B continues son X y muni sur muni de la dual, contient les constantes; et soit l’application canonique Soit 03C6 l’espace vectoriel de la topologie de la topologie faible. On tion C sur convergence uni- B* qui sépare les points de X et le dual de B , muni de la topologie faible. de ]l(X) dans B*; r (X) ~ B* on a = vertu du théo- en comme? est la trace d’une rème de Hahn-Banach toute forme linéaire continue sur ß forme linéaire continue nu- Cr(X) sous-espace vectoriel de un des fonctions Cr(X) soit compact ; espace mériques réelles Soit compacts. convexes ~(m(x») 0 peut évidemment identifier B* 2 l’espace quotient par la rela- de d’équivalence : (Notons / gdp 1 = gd 2 si 1-11 fBJ 1-12 (1-11 fBJ ~2~ (il (X) = 112 (X)) que g E B pour toute . ). Posons : ~(X) Comme affine f comme On )J. avec ~ ble des BISHOP et de par telle que Autrement dit, de e X engendre B~ donc les (B ) de = mesures ~ est (po f l’application dans sépare B les points X (x) )~ p. X dans )J. on a et par = l’ ensem- ê o ~(ë) . ri o positives X y dont l’image 03C6( ) est exest frontière. En effet : x sur rd é ~) ~ (()J.p ~X , où x est frontière). D’abord pui s i ’ image p ’ d,e p par 1 ’ homéomo rphi e f o p do 11 03C6( ) X ; est frontière si pour (p.E m+ dan s m1 ( x ) j f o (p(X) est et de o (B*)1 a. de homéomorphie. trëmale dans sont les base une o LEEUW, qu’un point x de )~ PJ ex (ce qui entraîne f(M(B) ) a une (B~) et l’ensemble des points frontière de M(B) points extrémaux On (B~)~ (B ) continue, et biunivoque puisque est y’~(X) désignera x ~ compacta c’est est X Disons, toute convexe l’application (B*)1 dans X c5ne du compacte Soit ~(X) y engendre mesures s 3, où est st = l’homéomorphie fo 03C6 de Xsur puisl’image ’ de par 03C6( ) (B*)+ une e extrémale, donc p.’ homéomorphes~ donc a t~ de barvcentre 03C6( ); positive sur un support ponctuel ; les est de la forme Ce mesure c . o supports point x or et est sur sont ’ frontière est y sinon 3-08 il existerait (p(e ) b. mesure v e , telle que elle ëpaussi dequi laestforme impossible d’après ~0 ~ aurait alors on = qu’on ce seconde une ce e vient de voir. e &#x26; Sinon point frontière ~ je dis que donc serait milieu de deux points distincts do ~p(~) où est frontière. x or ceci est exclu puisque / et Inversement, soit un x o (B~) ~ p e Conséquence :i L’application vexe (B* ) 1 compact On se a. Pour problème ~ m1 (X) , toute plonge homéomorphiquemont f et transforme pose alors le M(B) sens moins ou con- en ~. existe-t-il (X) telle une mesure v soit portée plus dans le X suivanti (ou encore un = que M(B) et par par p en strict. 0 se traduit par ~ ~(~) est barycentre Remarquons que la condition de V’ ~ image de v par l’ homéomorphie f o tp. La réponse au problème a sera donc positive si la réponse au problème ? suivant est positivet 6. Soit &#x26;, un ensemble convexe compact d’un espace vcctorieltopdLpgique’-locale5 l’ensemble de ses points extrémaux. Est-ce que ment convexe séparée et soit masse totale 1, tout point de (8 est barycentro d’une mesure positive v = o portée § ~ et par par 6 en un plus sens ou moins strict ? ° Inversement, problème une réponse positive problème p entraîne au a . constitué par les C r ( @) effet, soit B le sous-espace de frontières affines continuas; on a ici ë= 1-1(B) , donc comme un cas particulier du problème a 0 au En réponse positive une le problème ? apparaît ’ 30 Etude d’un exemple. BISHOP et de LEEUW démontrent que les positive, même si X pression ~mesure portée par dans le langage des mesures ponse DÉFINITION. - Soit de Radon positive pour tout 10 A 2° K (7) Si firmer compact n K X un un sens X dû très large$ que et ont p une ré- de définir nous traduirons ici de Radonr espace compacta soit On dit que sur K lg§ ’1 dans a est A et soit pSGudo-portée par J1 A une mesure si p(15) = 0 ., toi quet ; c - est X n’est pas problèles équivalents métrisable à condition un G. ~ X est tel que tout = 0 . (~) compact de X soit ’ un Go de X , on peut ’ alors af- 3-09 plus large Cette condition est encore 0 ; elle que la est ~ môme compatible On âtre tenté de croire donc pourrait = 0 0 o n’est que le résultat de BISHOP et do Nous allons montrer possible. pas le "neilleur p/ (8.) la relation avec qu’il n’en est rien, en utilisant exemples construits par ces auteursi Soit X b , c } ~ l’ensemble des (t ~ a) sera désigné par [0} 1 j on définit de même Xb et Xc. La topologie de X est définie comme la moins fine des topologies telles que 1° Toute partie de (X u X ) est ouverto ; 0) x {a $ b} c } est ouvert 2° Pour toute partie ouverte w de [0 j 1 j p dans X 9 3° Pour tout x e X y {x} est fermé. l’un des - x = , On vérifie que ""’1 est compact 9 et que tout X - est l’ensemble des fonctions B pour tout [0 , 1] t e On vérifie que (X a de numériques continues X c) u o telles que, sur X g est fini. ait1 on M(B) compact - X , et que les mesures positives pseudo-portées sont les mesures qui ne chargent aucun point de une telle mesure par M(B) peut donc charger X ; ce paradoxe apparent résulte de ce que tout compact K de est au plus dénombrable. Xb qui est un X = u (X) Il est immédiat que pour toute pseudo-portée simplexe) j un pseudo-portée M(B) par or, la de mesure M(B) malgré X = Par BISHOP et de LEEUW ouvert, et telle u m Lebesgue, X On ne 0 la circonstance il existe une mesure Il (il résulte par exemple y est unique ~ ~ de là que (B*) 1 portée X. par 0 est et peut donc pas améliorer le résultat de priori favorable a est ici que donc universellement mesurable. o PROBLÈMES. 4° a. Soit infini de que A X un espace X . Existe-t-il est fini, X compact métrisable un doit être de dimension relèvent alors do la topologie Peut-on en outre choisir revient [; dire que bo Que dire des B sous-espace A X tel que A de Cr(X) tel que A c soit = un Gô M(B) ? (Lors finie; les conditions de possibilité algébrique ) B B , ordonné J1(B) et lorsque o telle sorte que par X (B 5 n’est (B’~)~ soit soit réticulé ? plus métrisable ? un simplexe, qui 3-10 5° Avec les notations initiales, désignons par B le cône convexe des g ) 0 de B . Pour tout élément b de B* qui est 0 sur B y on a :i b Sinon, en effet, il existerait une forme linéaire l faiblemcnt continue dans o B* , telle que élément de B ~ t(b) 0 dire qu’il 0 pour toute t(b) et ~ ~0 est (B*)+ (B ) signifie sur ~0 o sur B x 9 sur par le B cône normé et ordonné Il Il est donc impossible que ce 0 répétant an (h) 9 C (B ) ) par démonstration une B ~ (ordonné que si B+ ) par dans connue est où est de B l’est aussi. réciproque est inexacte ; on offotp quand B ct b , c}), B l’exemple précédent (X = [0 , 1J sont définis X est x ne cas réticulé, B’’~ (ordonné La réticulé, comme dans tandis que l’est pas. Peut-on mettre la condition culée où le dans cas B’ serait localement un " B* est réticulé" un convexe espace vectoriel contcnant qui sont pseudo-portées par 6 (B est 0 pseudo-portée La réciproque est-elle vraie ? Dans cet ordre d’ idéess on peut sens que F’ et associé à B barycentro d’au plus p(1) = 0 un p E compact K un portées par ë cône convexe plus barycentre est rétiB ? (C’ost pour une o ost qui soit disjoint de simplcxe, tout point quasi-portée par ~ on un &#x26; . antérieurement pour (CHOQUET [2]). 0 Ce résultat s’étend d’ailleurs, avec une formulation adaptée quelconques, à tout cône convexe saillant e tel quei a. Toute suite décroissante û’ éléments de C converge vcrs (l’ordre étant réticulé simplexe. montrer que si ß une pour tout est 18, est La démonstration est presque la même que- celle donnée mesures i~ non ordre propre. Donc si tout roint de est la forme métrisable d’un espace vectoriel topologique l’ensemble de ses points oxtrémaux. L’ensemble compact et soit S séparé, ~ m+(ß) de ß sous précédent). 6° Soit ß ce 0 que B résulte, en la forme fl encore n’est qui précède montre quo.continues et positives sur l’espace ) convexe autre que l’ensemblo des formes son un 0 . Ordonnons B est identifiable à o celui associé â ~ canoniquement). o auc convexes élément do e 3-11 b. Pour tout ensemblo totalement ordonné dénombrable coo co-initial à Pour tout élément extrdmal contenant pas 6 y l’enveloppe A c C y il existe un sous-ensemble A . 6 convexe et tout sous-"c$ne fermé 03B1 ~ C fermée de J ne contient pas ne 6 . Il BIBLIOGRAPHIE [1] BISHOP (Errett) and LEEUW (Karel de). - The representation of linear functionals by measures on sets of extreme points, Ann. Inst. Fourier Grenoble, t. 9, 1959, p. 305-331. [2] CHOQUET (Gustave). - Existence et unicité des représentations intégrales au moyen des points extrémaux dans les cônes convexes, Séminaire Bourbaki, t. 9, 1956/57, exposé n° 139.