Chapitre 5
Int´egration sur des espaces produits
5.1 Produit de deux mesures
´
Etant donn´es deux espaces mesur´es (Ω1,F1, µ1) et (Ω2,F1, µ2), le but de cette section
est de construire une mesure µsur Ω1×2telle que µ(A1×A2) = µ1(A1)µ2(A2) pour
tous A1F1et A2F2. La premi`ere chose `a faire est de munir Ω1×2d’une tribu
ad´equate.
5.1.1 Produit de deux tribus
D´efinition 5.1 (Tribu produit). Soient (Ω1,F1)et (Ω2,F2)deux espaces mesurables.
On appelle tribu produit de F1par F2et on note F1F2, la tribu sur 1×2engendr´ee
par la famille Rdes «rectangles mesurables »A1×A2, o`u A1F1et A2F2:
F1F2:= σ{A1×A2;A1F1, A2F2}.(5.1)
Remarques 5.2. Il n’est sans doute pas superflu de noter d’embl´ee que :
a) La famille des rectangles mesurables 1n’est pas elle mˆeme une tribu en g´en´eral.
Elle n’est stable ni par r´eunion finie ni par compl´ementaire.
b) Le produit de deux tribus n’est pas commutatif. La tribu F2F1n’est pas en
g´en´eral ´egale `a F1F2, tout simplement parce que le produit cart´esien n’est pas
commutatif : Ω1×26= Ω2×1. Par cons´equent le produit de deux mesures
µ1µ2, que nous allons d´efinir sur F1F2ne sera pas non plus commutatif.
Proposition 5.3. Les deux projections canoniques
πi: Ω1×2,(ω1, ω2)7→ ωi(i= 1,2)
sont mesurables (F1F2)-Fi. La tribu produit F1F2est la plus petite tribu rendant
mesurables les projections canoniques πi.
1On l’aura compris, le mot rectangle n’est pas `a prendre ici au pied de la lettre.
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Chapitre 5. Int´egration sur des espaces produits
Preuve. En effet pour tout A1F1,π1
1(A1) = A1×2F1F2, ce qui ´etablit la
mesurabilit´e de π1. La v´erification pour π2est analogue. Soit maintenant Fune tribu
sur Ω1×2telle que les projections canoniques πisoient F-Fimesurables (i= 1,2).
N´ecessairement Fcontient les rectangles π1
1(A1) = A1×2pour tout A1F1et
π1
2(A2) = Ω1×A2pour tout A2F2. La tribu F´etant stable par intersection doit alors
contenir tous les
(A1×2)(Ω1×A2) = A1×A2.
Elle contient donc tous les rectangles mesurables, donc aussi la tribu qu’ils engendrent,
c’est `a dire F1F2. On voit ainsi que la tribu produit F1F2est la plus petite tribu
rendant mesurables les projections canoniques πi.
On introduit maintenant la notion de section d’une partie d’un produit cart´esien. La
d´efinition et le lemme qui suit sont purement ensemblistes et ne font pas intervenir les
propri´et´es des tribus.
D´efinition 5.4. Soit E1×2et ω11fix´e. On appelle section de Een ω1, le
sous-ensemble Eω1de 2d´efini par
Eω1:= {ω22; (ω1, ω2)E}.
De mˆeme pour tout ω22, on d´efinit la section de Een ω2par
Eω2:= {ω11; (ω1, ω2)E}.
1
21×2
E
ω21× {ω2}
:Eω2
Fig. 5.1 – Section Eω2de Een ω2
Lemme 5.5. La section commute avec le compl´ementaire, la diff´erence propre, l’union
et l’intersection. Plus pr´ecis´ement, si (Ei)iIest une famille quelconque (pas forc´ement
d´enombrable) de parties de 1×2, on a pour tout ω11,
132 Ch. Suquet,Cours I.F.P. 2003-2004
5.1. Produit de deux mesures
a) (Ω1×2)\Eω1= Ω2\Eω1et si EF1×2,(F\E)ω1=Fω1\Eω1;
b)
iIEiω1
=
iI(Ei)ω1;
c)
iIEiω1
=
iI(Ei)ω1
et les propri´et´es analogues pour les sections en ω22.
D´emonstration. La v´erification de a) s’´ecrit
2\Eω1= Ω2\ {ω22; (ω1, ω2)E}
={ω22; (ω1, ω2)/E}
={ω22; (ω1, ω2)1×2\E}
= (Ω1×2\E)ω1.
Celle de b) est tout aussi facile :
iIEiω1
={ω22; (ω1, ω2)
iIEi}
={ω22;iI, (ω1, ω2)Ei}
=
iI{ω22; (ω1, ω2)Ei}
=
iI(Ei)ω1.
Enfin, c) s’obtient soit directement, soit par combinaison de a) et b).
Proposition 5.6. Toutes les sections d’un ensemble EF1F2sont mesurables, au
sens suivant :
ω11, Eω1F2,ω22, Eω2F1.
D´emonstration. Il suffit bien sˆur, de faire la preuve pour les sections en ω1. Fixons donc
ω11et d´efinissons
G1:= {E1×2;Eω1F2}.
Si on montre que G1est une tribu sur Ω1×2et qu’elle contient la famille des rectangles
mesurables R={A1×A2;A1F1,A2F2}, alors elle contiendra la tribu F1F2=
σ(R) et on aura ´etabli que pour tout EF1F2,EG1, donc Eω1F2. Ceci ´etant
vrai pour tout ω1, la proposition sera prouv´ee.
Pour voir que G1contient tous les rectangles mesurables A1×A2, il suffit d’´ecrire
(A1×A2)ω1={ω22; (ω1, ω2)A1×A2}
={ω22;ω1A1et ω2A2}
=(si ω1/A1,
A2si ω1A1.(5.2)
Dans les deux cas, on trouve un ´el´ement de F2.
Ch. Suquet,Cours I.F.P. 2003-2004 133
Chapitre 5. Int´egration sur des espaces produits
V´erifions que G1est une tribu. La section en ω1de l’ensemble vide (consid´er´e comme
sous-ensemble de Ω1×2) est bien ´evidemment l’ensemble vide (consid´er´e comme sous-
ensemble de Ω2) donc ∅ ∈ G1. La stabilit´e de G1par compl´ementaire r´esulte de celle de
F2, via le lemme 5.5 a). La stabilit´e de G1par r´eunion d´enombrable r´esulte de mˆeme de
celle de F2, via le lemme 5.5 b).
Voyons maintenant la question de la mesurabilit´e des applications partielles.
Lemme 5.7. Soit (Ω,F)un espace mesurable quelconque et f: Ω1×2une
application F1F2-Fmesurable. Alors pour tout ω11, l’application partielle
f(ω1, . ) : Ω2, ω27→ f(ω1, ω2),
est F2-Fmesurable. De mˆeme f(. , ω2)est F1-Fmesurable pour tout ω22.
D´emonstration. Par sym´etrie, il suffit de traiter le cas de f(ω1, . ). Fixons donc ω1quel-
conque dans Ω1et prenons un ´el´ement quelconque Bde la tribu F.
f(ω1, . )1(B) = {ω22;f(ω1, . )(ω2)B}
={ω22;f(ω1, ω2)B}
={ω22; (ω1, ω2)f1(B)}=f1(B)ω1.
Par la F1F2-Fmesurabilit´e de f,f1(B) est dans la tribu F1F2. La proposition 5.6
nous donne alors l’appartenance de sa section en ω1`a la tribu F2. La F2-Fmesurabilit´e
de f(ω1, . ) est ainsi ´etablie.
5.1.2 Construction de la mesure produit
Th´eor`eme 5.8 (mesure produit). Pour i= 1,2, on suppose que µiest une mesure
σ-finie sur (Ωi,Fi). Alors il existe une unique mesure µsur (Ω1×2,F1F2)telle que
A1F1,A2F2, µ(A1×A2) = µ1(A1)µ2(A2).(5.3)
On la note µ=µ1µ2et on l’appelle mesure produit de µ1par µ2. Elle v´erifie
EF1F2, µ1µ2(E) = Z1
µ2(Eω1) dµ1(ω1) = Z2
µ1(Eω2) dµ2(ω2).(5.4)
Preuve de l’unicit´e de µ.eglons d’abord cette question qui est la plus facile, en sup-
posant que µet νsont deux mesures sur F1F2v´erifiant (5.3). Elles co¨
ıncident donc
sur la classe Rdes rectangles mesurables :
A1F1,A2F2, µ(A1×A2) = ν(A1×A2) = µ1(A1)µ2(A2).(5.5)
On remarque alors que Rest un π-syst`eme (i.e. stable par intersections finies). Ceci
r´esulte de l’´egalit´e
(A1×A2)(B1×B2) = (A1B1)×(A2B2),
134 Ch. Suquet,Cours I.F.P. 2003-2004
5.1. Produit de deux mesures
vraie pour tous A1, B11et A2, B22. Comme µi(i= 1,2) est σ-finie, il existe
une suite (Ωi,n)n1dans Fi, croissante pour l’inclusion et telle que
n1, µi(Ωi,n)<+et Ωi,n i,(n+), i = 1,2.
Il est facile d’en d´eduire que Ω1,n ×2,n 1×2et que
n1, µ(Ω1,n ×2,n) = ν(Ω1,n ×2,n) = µ1(Ω1,n)µ2(Ω2,n)<+.
On peut alors conclure par le th´eor`eme d’unicit´e des mesures (th. 1.34) que µet ν
co¨
ıncident sur σ(R) = F1F2.
Preuve de l’existence de µ.
On va d´efinir µpar la formule
EF1F2, µ(E) := Z1
µ2(Eω1) dµ1(ω1).(5.6)
Pour motiver cette formule, regardons ce qu’elle donne dans le cas particulier o`u E=
A1×A2est un rectangle mesurable. Alors grˆace `a (5.2), on peut l’´ecrire
µ(A1×A2) = ZA1
µ2(A1×A2)ω1dµ1(ω1) + Z1\A1
µ2(A1×A2)ω1dµ1(ω1)
=ZA1
µ2(A2) dµ1(ω1) + Z1\A1
µ2() dµ1(ω1)
=µ2(A2)ZA1
dµ1(ω1) + 0 = µ1(A1)µ2(A2).
Pour montrer l’existence de µayant la propri´et´e (5.3), il suffit donc de prouver que (5.6)
d´efinit bien une fonction d’ensembles µsur F1F2et que µest une mesure sur cette
tribu. Pour r´ealiser ce programme, supposons dans un premier temps que µ2est une
mesure finie.
D´efinition de µ.
On sait par la proposition 5.6 que µ2(Eω1) a bien un sens pour tout EF1F2.
Pour que l’int´egrale d´efinissant µ(E) dans (5.6) soit elle aussi d´efinie, il reste `a v´erifier
que l’application
hE: Ω1R+, ω17→ µ2(Eω1)
est bien mesurable F1- Bor(R+).
Mesurabilit´e de hE.On utilise la mˆeme approche indirecte que dans la preuve de la
proposition 5.6, en introduisant la famille d’ensembles
E:= {EF1F2;hEest F1- Bor(R+) mesurable}.
On va montrer que Eest une tribu qui contient la classe Rdes rectangles mesurables
A1×A2, donc aussi F1F2=σ(R), d’o`u E=F1F2. Ceci entraˆınera la mesurabilit´e
de hEpour tout EF1F2.
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