3.2. INT ´
EGRALE DES FONCTIONS ´
ETAG ´
EES 17
3.1.3 Limites de fonctions mesurables
Th´eor`eme 3.1.11. Soit (X, A)un espace mesurable, Yun espace m´etrique. Soit fn:X→Yune suite de
fonctions mesurables, convergent simplement vers une limite f:X→Y. Alors fest mesurable.
D´emonstration. Soit Uun ouvert de Y. Soit d(·, Uc) la fonction distance `a Uc, d´efinie pour y∈Ypar
d(y, Uc) = inf{d(x, y); x∈Uc}.
On rappelle que c’est une fonction continue, donc chaque d(fn, Uc):X→R+est mesurable. Comme Uest
ouvert, f(x)∈Ussi d(f(x), Uc)>0. Cela ´equivaut `a ce que d(fn(x), Uc) soit plus grande qu’une certaine
constante >0 `a partir d’un rang. Donc
f−1(U) = ∪k∈N∗∪l∈N∩n≥l{d(fn, F )≥1/k} ∈ A.
D´efinition 3.1.12. Si unest une suite d’´elements de [−∞,+∞], on d´efinit
lim sup
n→+∞
un:= lim
n→+∞sup
k≥n
uket lim inf
n→+∞un:= lim
n→+∞inf
k≥nuk.
D´emonstration de l’existence des limites. La suite vn:= supk≥nukest d´ecroissante, donc est convergente dans
[−∞,+∞]. La suite wn:= infk≥nukest croissante, donc converge dans [−∞,+∞].
Proposition 3.1.13. Soit unune suite de [−∞,+∞].
(1) lim sup unest la plus grande valeur d’adh´erence de un,lim inf unla plus petite.
(2) lim inf un≤lim sup un, avec ´egalit´e ssi la suite converge dans [−∞,+∞].
D´emonstration. (1) : soit l∈[−∞,+∞] et ϕstrictement croissante telle que uϕ(n)→l. Comme ϕ(n)≥n,
wn≤uϕ(n)≤vn. Passage `a la limite : lim inf un≤l≤lim sup un. Il reste `a montrer que lim sup unet lim inf un
sont effectivement des v.a.
Soit L= lim sup un. Si L=−∞ alors un=−∞ ∀n, rien `a d´emontrer. Si L= +∞, on choisit kn≥nt.q
ukn≥vn−1, cqfd. Sinon, l∈R, et on choisit kn≥ntel que vn−1/n ≤ukn≤vn. Idem pour la lim inf. cqfd.
(2) : si ´egalit´e, una une seule v.a. Comme [−∞,+∞] est compact, cqfd.
Corollaire 3.1.14. Soit (X, A)un espace mesurable, et fn:X→[−∞,+∞]une suite de fonctions mesu-
rables. Alors lim sup fnet lim inf fnsont mesurables.
Corollaire 3.1.15. Soit (X, A)un espace mesurable, et fn:X→R,Cou [0,+∞]une suite de fonctions
mesurables. Si la s´erie de fonctions fnconverge simplement, sa somme est mesurable.
3.2 Int´egrale des fonctions ´etag´ees
On fixe un espace mesur´e (X, A, µ).
D´efinition 3.2.1. Soit E⊂X. La fonction indicatrice de Eest d´efinie par
1E(x) = 1si x∈E,
0si x /∈E.
Si Eest mesurable, 1Eest mesurable, et r´eciproquement.