Mesure produit Théorèmes de Fubini 1. Tribu produit

CHAPITRE 4
Mesure produit
Théorèmes de Fubini
1. Tribu produit
Définition
Soient (
X, A
)et (
Y, B
)deux espaces mesurables. On appelle tribu produit de
A
et
B
la tribu engendrée par
{A×B / A Aet BB}. On note A
|{z}
« tenseur »
B:=σ{A×B / A Aet BB}.
Exemple
On prend
X
=
Y
=
[
0
,
1
]
,
A
=
{,[
0
,
1
],[
0
,1
2[,[1
2,
1
]}
. Alors
AA){A×B / A Aet BA}
. En effet,
[1
2,1] ×[1
2,1] AA\ {A×B / A Aet BA}.
Proposition 1.1
Soient (
X, A
)et (
Y, B
)deux espaces mesurables. On définit
πX:X×YX
(x, y)7−x
et
πY:X×YY
(x, y)7−y. Alors πXest (AB,A)-mesurable et πYest (AB,B)-mesurable.
Si
T
est une tribu sur
X×Y
telle que
πX
est (
T,A
)-mesurable et
πY
est (
T,B
)-mesurable, alors
T
(
AB
).
ABest la plus petite tribu telle que πXet πYsont mesurables.
Démonstration :
Soit
AA
, on a
π1
X
(
A
) =
A×YAB
et pour
BB
, on a
π1
Y
(
B
) =
X×BAB
. Donc
πX
et
πY
sont mesurables.
Soit
T
une tribu sur
X×Y
comme dans l’énoncé, alors
AA
,
π1
X
(
A
) =
A×YT
et
BB
,
π1
Y
(
B
) =
X×BT
. Donc
(A×Y)(X×B) = A×BT. Finalement, Tσ({A×B / A Aet BB}) = AB.
Proposition 1.2
Soient (
X, A
),(
Y, B
)et (
Z, C
)trois espaces mesurables. On considère
f:(Z, C)(X×Y, AB)
z7−(fX(z), fY(z))
. Alors
fest (C,AB)-mesurable fXest (C,A)-mesurable et fYest (C,B)-mesurable.
Démonstration :
On a fX=πXfet fY=πYf.
On suppose
fX
et
fY
mesurables. Pour montrer que
f
est (
C,AB
)-mesurable, il suffit de prouvert que
AA
et
BB
,
f1
(
A×B
)
C
. On sait que
AA
,
f1
X
(
A
)
C
. On a aussi
f1
X
(
A
) =
f1
(
A×Y
)et d’autre part,
BB
,
f1
Y(B) = f1(X×B)inC. Donc f1(A×Y)f1(X×B) = f1((A×Y)(X×B)) = f1(A×B)C.
Définition
Soient (
X1,A1
)
,...,
(
Xn,An
)des espaces mesurables. On pose
A1⊗ ··· ⊗ An
=
σ
(
{A1× ··· × An/ Ai
Aipour 16i6n}).
Proposition 1.3 – Associativité
Soient (X, A),(Y, B)et (S, C)trois espaces mesurables. On a ABC=A(BC)=(AB)C.
Démonstration :
(
A, B, C
)
A×B×C
, on a
A×B×CA
(
BC
)car
AA
et
B×CBC
. Donc
ABCA
(
BC
).
Fixons
AA
. Notons
TA
=
{ZBC/ A ×ZABC}
. Montrons que
TA
est une tribu. On a
TA
car
A×
=
ABC
. Soit (
Zn
)
n=0 TA
. Alors
n
,
A×ZnABC
d’où
S
(
A×Zn
)
ABC
alors
A×SZnABC
et donc
SZnTA
. Si
ZTA
alors
A×ZABC
et alors
(X×Y×S)\(A×Z)
| {z }
ABC
=
((X\A)×Y×S)
| {z }
ABC
(
A×
((
Y×S
)
\Z
)).
Donc A×((Y×S)\Z) = ((X×Y×S)\(A×Z)) \((X\A)×Y×S)ABC.
Donc BBet CC,A×B×CABCet B×CTA. Donc TAσ({B×C / B Bet CC}) = BC.
On a montré
AA
,
ZBC
,
A×ZABC
. Et donc
σ
(
{A×Z / A Aet ZBC}
)
ABC
, c’est-à-dire
A(BC)ABC.
– 1 –
Corollaire 1.4
Soient (
X1,A1
)
,...,
(
Xn,An
)des espaces mesurables tels que
i6n
,
Ai
=
σ
(
Fi
). On suppose que
i
,
XiFi
.
Alors Ai⊗ ··· ⊗ An=σ({F1× ··· × Fn/ FiFi}).
Démonstration :
Par récurrence, pour
n
= 2, on a
σ
(
{F1×F2/ F1F1et F2F2}
)
σ
(
{A1×A2/ AiAi}
) =
A1A2
.
On pose
A0
1
=
{A1X1/ A1×X2σ
(
F
)
}
F
=
{F1×F2/ F1F1et F2F2}
.
A0
1
est une tribu. En effet
×X1σ
(
F
).
Supposons que (
An
)
n=0 A0
1
. Alors
n
,
An×X2σ
(
F
)d’où
S
(
An×X2
) =
SAn×X2σ
(
F
)et donc
SAnA0
1
. Soit
A1A0
1
alors
A1×X2σ
(
F
)d’où (
X1×X2
)
\
(
A1×X2
)=(
X1\A1
)
×X2
. Donc (
X1\A1
)
×X2σ
(
F
)et
X1\A1A0
1
.
Par ailleurs,
F1F1
,
F1×X2σ
(
F
) =
F1A0
1
. Donc
σ
(
F1
) =
A1A0
1
. Alors
A1A1
,
A1×X2σ
(
F
)et de même,
A2A2,X1×A2σ(F). Donc (A1×X2)(X1×A2) = A1×A2σ(F). D’où A1A2σ(F).
A1⊗ · · · ⊗ AnAn+1 =A1(A2⊗ · · · ⊗ An+1)
=σ(F)σ({F2× · · · × Fn+1 / FiFi})
=σ({F1F2× · · · × Fn+1 / FiFi})
1.1. Exemple fondamental – La tribu borélienne sur Rd
B(Rd)est la tribu engendrée par les ouverts de Rd.
Théorème 1.5
B(Rd) = B(R)⊗ ··· B(R)
Démonstration :
Notons
I
l’ensemble des intervalles ouverts de
R
et
Od
l’ensemble des ouverts de
Rd
. On sait que
B
(
R
) =
σ
(
I
)
et
RI
. Donc
B
(
R
)
· · · B
(
R
) =
σ
(
{I1× · · · × Id/ IkI}
). Comme
I1,...,IdI
alors
I1× · · · × IdOd
donc
B(R)⊗ · · · ⊗ B(R)B(Rd).
Soit
OOd
. On pose
R
=
d
Q
k=1
]ak, bk[/ ak< bket akQ, bkQ
.
R
est dénombrable et
xO
,
δ >
0tel que
d
Q
k=1
]xiδ, xi
+
δ[O
. Alors
k
,
ak, bkQ
tels que
xiδ < ak< xi< bk< xi
+
δ
. D’où
xO
,
RR
tel que
RO
et
xR. Finalement, O=S
RR
RO
R. Donc OOd,OB(R)⊗ · · · ⊗ B(R)et ainsi, B(Rd)B(R)⊗ · · · ⊗ B(R)
| {z }
dfois
.
Proposition 1.6
Soient (
X, A
)et (
Y, B
)deux espaces mesurables. Soit
CAB
. Alors
xX
,
Cx
=
{yY /
(
x, y
)
C} ∈ B
et yY,Cy={xX / (x, y)C} ∈ A.
Démonstration :
Soit
xX
. On pose
Tx
=
{CAB/ CxB}
.
Tx
est une tribu. Soit
AA
et
BB
. On pose
C
=
A×B
. Alors
Cx
=
B
si
xA
et
Cx
=
si
x /A
. Dans tous les cas,
CxB
. Comme
Tx
est une tribu, alors
Txσ({A×B / A Aet BB}) = AB.
Corollaire 1.7
Soit
f:
(
X×Y, AB
)
(
R,B
(
(R
)) mesurable. Alors
xX
,
fx:(Y, B)(R,B((R))
y7−f(x, y)
est mesureabe
et yY,fy:(X, A)(R,B(R))
x7−f(x, y)est mesurable.
Démonstration :
Soit
CAB
. On pose
f
=
C
et
fx
=
Cx
. Comme
CxA
, alors
fx
est mesurable.
f:X×YR
est
étagée donc on peut écrire f=
n
P
i=1
αi Ciet donc fx=Pαi(Ci)xest donc mesurable.
Soit
f
mesurable, alors
(
fn
)étagées telles que
fn
n→∞ f
simplement. ET donc (
fn
)
x
n→∞ fx
simplement. Donc
fx
est
mesurable.
2. Mesures produit de mesures σ-finies
Définition
Une mesure
µ
sur (
X, A
)un espace mesurable est dite
σ
-finie s’il existe une suite (croissante) d’ensembles
EnA
tels que X=
S
n=
Enet nN,µ(En)<+.
– 2 –
Exemple
On prend (X, A)=(R,B(R)) et λla mesure de Lebesgue.
En= [n, n]et R=
S
n=0
Enet λ(En)=2ndonc λest σ-finie.
Soit Γnon dénombrable, on prend X=P(Γ) et µla mesure de décompte.
Théorème 2.1
Soient (
X, A, µ
)et (
Y, B, ν
)deux espaces mesurés
σ
-finis. Alors il existe une unique mesure
m
sur (
X×Y, AB
)
telle que AAet BB,m(A×B) = µ(A)ν(B). Cette mesure est σ-finie et elle est notée m=µν.
On a les propriétés suivantes :
• ∀CAB,x7−ν(Cx)est A-mesurable et y7−µ(Cy)est B-mesurable
m(C)=(µν)(C) = RXν(Cx) dµ(x) = RYµ(Cy) dν(y)
Démonstration :Admis.
Proposition 2.2
Le
Théorème 2.1
s’étend aux produits finis de mesures
σ
-finies. Soient (
Xi,Ai, µi
)des espaces mesurés
σ
-finis
avec 1
6i6n
. Alors
µi⊗ ··· ⊗ µn
est caractérisé par (
µ1⊗ ··· ⊗ µn
)(
A1× ··· × An
) =
n
Q
i=1
µi
(
Ai
)avec
AiAi
.
Exemple
On appelle mesure de Lebesgue sur (Rd,B(Rd)) λd:=λ⊗ ··· ⊗ λ
| {z }
dfois
.
3. Théorèmes de Fubini
Théorème 3.1 – Théorème de Fubini-Tonelli
Soit
f:
(
X×Y, AB
)
(
R+,B
(
R+
)) positive et mesurable. Soient
µ
et
ν
des mesures
σ
-finies sur
A
et
B
respectivement.
(a) (X, A)R
x7−RYf(x, y) dν(y)et (Y, B)R
y7−RXf(x, y) dµ(x)sont mesurables
(b) ZX×Y
f(x, y) d(µν) = ZXZY
f(x, y) dν(y)dµ(x) = ZYZX
f(x, y) dµ(x)dν(y)(?)
Démonstration :(a) On sait que fx:y7−f(x, y)est mesurable et positive, donc RYf(x, y) dν(y)a un sens.
Si f=Cavec CAB,RYf(x, y) dν(y) = RYC(x, y) dν(y) = ν(Cx). On a admis que x7−ν(Cx)est mesurable.
Si f=
n
P
i=1
α1Ciavec αi>0,x7−
n
P
i=1
αiν(Ci)xest mesurable.
Soit
f
mesurable et positive, alors
(
fn
)étagées positives telles que
fn
converge simplement en croissant vers
f
et alors
x
,
RYfn(x, y) dν(y)
n→∞ RYf(x, y) dν(y)d’après le théorème de convergence monotone.
x7−RYf(x, y) dν(y)est donc A-mesurable.
(b) Toutes les intégrales impliquées ont un sens.
Si f=Cavec CAB, le Théorème 2.1 entraîne que (µν)(C) = RXν(Cx) dµ(x) = RYµ(Cy) dν(y)i. e.
ZY
Cd(µν) = ZXZY
C(x, y) dν(y)dµ(x) = ZYZX
C(x, y) dµ(x)dν(y)
Comme (
?
)est vraie pour les fonctions indicatrices, alors (
?
)est vraie pour les fonctions étagées positives. Donc (
?
)est
vraie pour les fonctions mesurables et par approximation croissante par des fonctions étagées positives et par le théorème de
convergence monotone.
– 3 –
Théorème 3.2 – Théorème de Fubini
Soit f: (X×Y, AB)(R,B(R)) mesurable. Si de plus, fL1
R(µν), alors
(i) x-presque partout, fx:y7−f(x, y)L1(ν)
(ii) y-presque partout, fy:x7−f(x, y)L1(µ)
(iii) La fonction définie x-presque partout par x7−RYf(x, y) dν(y)L1(µ)
(iv) La fonction définie y-presque partout par y7−RXf(x, y) dµ(x)L1(ν)
(v) RX×Yf(x, y) d(µν) = RXRYf(x, y) dν(y)dµ(x) = RYRXf(x, y) dµ(x)dν(y).
Démonstration :(i) et (ii)
Par hypothèse,
RX×Yf+d
(
µν
)
<
+
et
RX×Yfd
(
µν
)
<
+
. On applique Fubini-Tonelli à
f+
et alors
RX×Yf+d
(
µν
) =
RXRYf+dν(y)dµ
(
x
)
<
+
. Donc
x
-presque partout,
RYf+
(
x, y
)
dν
(
y
)
<
+
. Il en est
de même pour f. Donc x-presque partout, RY|f|(x, y) dν(y)<+.
(iii) et (iv)
On applique Fubini-Tonelli,
RX×Yf+d
(
µν
) =
RXRYf+dν(y)dµ
(
x
)+
et
RX×Yf+d
(
µν
) =
RYRXf+dµ(x)dν
(
y
)+
. Donc x7−RYf+(x, y) dν(y)L1(µ)et y7−Ryf+(x, y) dµ(x)L1(ν). Il en est de même pour f, d’où (iv) .
(v) On applique Fubini-Tonelli à f+et fet on fait la différence.
Comment les appliquer ?
1. On applique Fubini-Tonelli à |f|pour montrer que fL1(µν)(on choisit entre RXRYet RYRX).
2. On applique Fubini pour calculer RX×Yfd(µν).
Exemple
Calcul de F(t) = R+
0
sin x
xetdxpour t > 0.
On a
sin x
x
=
R1
0cos
(
xy
)
dy
pour
x >
0. Soit
f
(
x, y
) =
cos
(
x, y
)e
tx
avec (
x, y
)
[
0
,
+
[×[
0
,
1
]
. On a alors
F
(
t
) =
R+
0R1
0f(x, y) dydx
. On a
|f
(
x, y
)
|6
e
tx
, d’où
R+
0R1
0|f(x, y)|dydx6R+
0
e
tx dx
=
1
t<
.
Donc
fL1
(
]
0
,
+
[,[
0
,
1
]
), d’après le théorème de Fubini-Tonelli. On peut donc appliquer le théorème de
Fubini, ainsi
F(t) = Z
0Z1
0
f(x, y) dydx
=Z1
0Z
0
cos(xy)etx dxdy
=Z1
0
Re Z
0
e(iyt)xdxdy
=Z1
0
Re e(iyt)x
iyt+
0
dy
=Z1
0
Re 1
tiydy
=Z1
0
t
t2+y2dy
=Z1
0
1
1 + y2
t2
dy
t
=Z1
t
0
1
1 + u2
d
u
= Arctan 1
t
=π
2Arctan t
4. Théorème de changement de variables
Définition
Soient
U
et
V
deux ouverts de
Rn
. Une application
ϕ:UV
est un
C1
-difféomorphisme de
U
sur
V
si
ϕ
est
une bijection de Usur Vtelle que ϕet ϕ1sont de classe C1.
– 4 –
Rappel
Soit
ϕ:URn
U
est un ouvert de
Rp
. Alors
ϕ
est de classe
C1⇒ ∀xU
,
i∈ {
1
, . . . , p}
,
ϕ
xi
existe et
est continue sur U.
Exemple
ϕ: ]a, b[]c, d[
est un
C1-difféomorphisme ϕ
est
C1
, surjective et
ϕ0
ne s’annule pas (
ϕ0>
0sur
]a, b[
ou
ϕ0<0sur ]a, b[).
Définition
Soit
ϕ:URn
U
est un ouvert de
Rn
. On a
ϕ
= (
ϕ1, . . . , ϕn
)
ϕi:UR
est de classe
C1
. On appelle
déterminant jacobien de ϕen xet on note
Jϕ(x) =
ϕ1(x)
x1··· ϕ1(x)
xn
.
.
.....
.
.
ϕn(x)
x1··· ϕn(x)
xn
Théorème 4.1 (admis)
Soit Uun ouvert de Rnet ϕ:URnde classe C1. Les propositions suivantes sont équivalentes :
(i) ϕ(U)est un ouvert de Rnet ϕest un C1-difféomorphisme de Usur ϕ(U)
(ii) ϕest injective et xU,Jϕ(x)6= 0
Théorème 4.2
Soient Uet Vdes ouvert de Rnet ϕun C1-difféomorphisme de Usur V.
(a) Soit f:VR+borélienne alors (fϕ)|Jϕkest borélienne et RVfdλn=RU(fϕ)|Jϕ|dλn.
(b)
Soit
f:VR
borélienne. Alors
fL1
(
V, λn
)
(
fϕ
)
|Jϕ| ∈ L1
(
U, λn
). Dans ce cas,
RVfdλn
=
RU(fϕ)|Jϕ|dλn.
Démonstration :(a) f
est borélienne,
ϕ
et
|Jϕ|
sont continues car
ϕ
est
C1
. Alors (
fϕ
)
|Jϕk
est borélienne. Supposons (a)
prouvé.
(b) On applique (a) à |f|=|f| ◦ ϕet on applique (a) à f+et f.
Exemple 1
Soit ϕ: ]a, b[]c, d[C1et bijective telle que ϕ > 0sur ]a, b[. Alors |Jϕ(x)|=|ϕ0(x)|=ϕ0(x).
Z]a,b[
(fϕ)ϕ0dλ=Zb
a
(fϕ)(x)ϕ0(x) dx
=Z]c,d[
fdλ
=Zd
c
f(x) dx
Si ϕ0<0sur ]a, b[,R]a,b[(fϕ)ϕ0dλ=R]c,d[fdλi. e. Rb
a(fϕ)(x)ϕ0(x) dx=Rd
cf(x) dx.
Remarque
Soient ϕ: [a, b]Rde classe C1,f:ϕ([a, b]) Rcontinue et Fune primitive de f.
Zb
a
(fϕ)(x)ϕ0(x) dx= [Fϕ]b
a
=F(ϕ(b)) F(ϕ(a))
=Zϕ(b)
ϕ(a)
f(x) dx
Cette formule est encore vraie lorsque l’on n’a pas supposé que ϕ0ne s’annule pas.
fa une primitive et on a utilisé le lien intégrale-primitive en dimension 1.
– 5 –
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