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Mesures canoniques sur les points extrˆ emaux d’une partie convexe compacte de R n

tandis que

(ddcρζ)n−1∧dcρζ ∼22n−2(n−1)!|2z1|ndt dw .

Nous laissons au lecteur le soin d’achever les calculs. ⊔⊓ La remarque 7.38 montre que les estimations du th´eor`eme 7.10 prennent en compte

`a la limite toute la masse deµz quandA tend vers +∞.Il serait n´eanmoins int´eressant de connaˆıtre le comportement de dµz(ζ) lorsque z tend vers ∂Ω , ζ n’´etant plus n´ecessairement astreint `a rester dans un ouvert du bord de la forme|ζ−z| ≤A|ρ(z)|1/2 ; pour cela, il serait n´ecessaire d’´etendre le lemme 7.14 au cas de boules osculatrices en deux points a, b ∈ ∂Ω simultan´ement, tout en conservant l’uniformit´e des estimations quand |a−b| tend vers 0 ; nous n’y sommes pas parvenus ici.

8. Mesures canoniques sur les points extrˆ emaux d’une partie convexe compacte de

Rn

Soit K ⊂ Rn une partie convexe compacte d’int´erieur K 6= ∅ . L’objectif de ce paragraphe est de montrer que les mesures de Monge-Amp`ere fournissent en dimension finie une solution explicite naturelle au th´eor`eme de Choquet (cf. [3],[13]), `a savoir que tout point d’une partie convexe compacte m´etrisable dans un espace vectoriel topologique localement convexe est barycentre d’une mesure positive port´ee par les

points extrˆemaux de cette partie. Bien sˆur, ce th´eor`eme est trivial dans Rn , tout point x ∈ K ´etant alors barycentre d’au plus n+ 1 points extrˆemaux ; l’int´erˆet de notre r´esultat r´eside plutˆot dans le caract`ere explicite de la solution et dans le fait que le noyau obtenu d´epend continˆument du point x et du convexe K .

Soitx ∈K un point fix´e. On associe `ax la fonction jauge px d´efinie surRn par px(ξ) = inf

λ > 0 ; x+ 1

λ(ξ−x)∈K , ξ ∈Rn .

La fonctionpx est convexe surRn ,positivement homog`ene de degr´e 1 relativement au pˆole x et on a px|∂K = 1 . On introduit maintenant l’espace de Stein

X = (C/iZ)n≃Rn+iTn

o`u T = R/Z , qu’on consid`ere comme une complexification de Rn . On introduit

´egalement l’ouvert

Ω =K +iTn ;

Ω est un ouvert pseudoconvexe relativement compact dansX (on notera que Ω n’aurait pas ´et´e relativement compact si on s’´etait content´e de prendre X = Cn et Ω = K +iRn) . On d´efinit maintenant une fonction psh continue pex sur X en posant

e

px(ζ) =px(ξ) o`u ζ =ξ+i η , ξ ∈Rn , η∈Tn .

On a alors Ω = {ζ ∈ X ; pex(ζ) < 1} , de sorte que pex est une fonction d’exhaustion psh born´ee de Ω .

Proposition 8.1. — On a (ddcpex)n = 0sur X r(x+iTn) .

D´emonstration. — K est r´eunion d’une suite croissante de parties convexesKν de classe C2 , et pex est la limite d´ecroissante des fonctions jauges ˜pνx associ´ees. Il suffit donc de d´emontrer le r´esultat lorsqueKest de classeC2 .Dans ce caspx ∈C2 X r(x+iTn)

, et on a les formules

(8.2)











dcpex = X

1≤k≤n

∂px

∂ξkk , ddcpex = X

1≤j,k≤n

2px

∂ξj∂ξkj∧dηk ,

(8.3) (ddcpex)n =n! det ∂2px

∂ξj∂ξk

1∧dη1∧. . .∧dξn∧dηn .

Orpx est lin´eaire sur la demi-droite affine x+R+·(ξ−x),doncξ−x est dans le noyau de la matrice ∂2px/∂ξj∂ξk

; par suite det ∂2px/∂ξj∂ξk

= 0 pour ξ6=x . ⊔⊓ Comme pex est invariante par les translations de Tn , il en est de mˆeme pour la mesure (ddcpex)n . On voit donc qu’il existe une constanteC =C(x, K)>0 telle que

(ddcpex)n=C.δx⊗σ ,

o`u δx est la mesure de Dirac au point x sur Rn et σ la mesure d’aire invariante sur Tn =Rn/Zn . D’apr`es le §1, on peut associer `a pex la mesure de Monge-Amp`ere (8.5) νex =µepx,1 = ddcmax(pex,1)n

, qui est port´ee par ∂Ω =∂K+iTn . D’apr`es (1.10) on a

keνxk= Z

(ddcpex)n=C ;

comme νex est elle aussi invariante par les translations de Tn , on voit qu’il existe une mesure νx ≥0 sur ∂K telle que νexx⊗σ et C =νx(∂K) . Pour toute fonction psh V(ζ) =V(ξ+iη) sur X , la formule de Lelong-Jensen 1.7 s’´ecrit maintenant

Z

(ξ,η)∈∂K×Tn

V(ξ+iη)dνx(ξ)dσ(η)

x(∂K) Z

η∈Tn

V(x+iη)dσ(η) + Z

1−pex(ζ)

ddcV ∧(ddcpex)n−1 .

Choisissons en particulier pour V une fonction affine de ξ , ind´ependante de η . Nous obtenons

νx(V) =νx(∂K).V(x) quelle que soit V affine, d’o`u :

Th´eor`eme 8.6. — Le point x est barycentre de la mesure de probabilit´e mx := νx(∂K)−1

νx .

Remarque 8.7. — Il est clair que l’on pourrait encore d´efinir les mesuresνex sur l’espace X = Cn/iΓ , o`u Γ est un r´eseau quelconque de Rn . Les mesures νx telles que νex = νx⊗σRnne seraient alors modifi´ees que d’un facteur>0,´egal au volume deRn/Γ.De ceci, on d´eduit aussitˆot que les mesures νx (resp. mx) se transforment fonctoriellement par l’action du groupe sp´ecial affine (resp. du groupe affine) sur le convexe K . ⊔⊓ Par analogie avec ce qui a ´et´e fait dans le cas complexe, on introduit sur K la distance

δK(x, y) = lim sup

ξ→∂K

log px(ξ)−1 py(ξ)−1 ; cette distance est toujours compl`ete et on a l’encadrement

e−nδK(x,y)νx ≤νy ≤eK(x,y)νx , ∀x , y ∈K .

En particulier, on voit que les mesuresνxd´ependent continˆument dexpour la topologie de la masse. Elles d´ependent aussi continˆument de ∂K pour la topologie faible des mesures; ceci r´esulte du fait que l’op´erateur de Monge-Amp`ere

e

px 7−→ ddcmax(pex,1)n

est faiblement continu lorsque pex converge uniform´ement sur tout compact.

Lorsque K est de classe C2 , on a νex = (ddcpex)n−1 ∧dcpex , et les formules (8.2) donnent νexx⊗(dη1∧. . .∧dηn) avec

(8.8)









x(ξ) = (n−1)!

Xn l=1

(−1)l−1l(x, ξ)dξ1∧. . . cdξl . . .∧dξn ,

l(x, ξ) = det ∂2px

∂ξj∂ξ1,· · ·, ∂2px

∂ξj∂ξl−1,∂px

∂ξj,· · ·, ∂2px

∂ξj∂ξn

.

Dans ce cas, on sait que νex est port´ee par l’ensemble des points strictement pseudo-convexes de ∂Ω , par cons´equent νx est port´ee par l’ensemble des points strictement convexes de ∂K . Dans le cas g´en´eral, on va montrer que νx est port´ee par l’ensemble des points extrˆemaux de K .

D´efinition 8.9. — Soit ξ un point de∂K .

• Le point ξ est dit extrˆemal s’il n’existe pas de vecteur a 6= 0 tel que le segment [ξ−a, ξ+a] soit contenu dans∂K .On notera E(K) l’ensemble des points extrˆemaux de K .

• Un hyperplan affine H est dit hyperplan d’appui au point ξ si H ∋ ξ et si K est contenu dans l’un des deux demi-espaces ferm´es d´elimit´es par H .

Grˆace `a la transformation par polaires de centrex , on peut associer `aK le convexe dual

Kx =

y ∈(Rn) ; ∀x ∈K , y.(ξ−x)≤1 ;

Kx est une partie convexe compacte de (Rn) contenant 0 en son int´erieur. Siξ ∈∂K , on note ξx l’ensemble des formes lin´eairesy ∈(Rn) telles queHy ={y ; y.(y−x) = 1} soit un hyperplan d’appui au point ξ . Bien entendu, lorsque K est de classe C1 , ξx se r´eduit `a l’unique forme lin´eaire d´efinissant l’hyperplan tangent en ξ `a ∂K ; dans le cas g´en´eral, ξx est une partie convexe de (Rn) , contenue dans ∂(Kx) . Pour toute partie A⊂∂K , on pose plus g´en´eralement

Ax = [

ξ∈A

ξx .

Avec ces notations, on obtient la relation naturelle ∂(Kx) = (∂K)x . On d´efinit enfin une mesure positive θ sur ∂Kx en posant

θ(A) = Vol [0,1].A

pour toute partie bor´elienne A ⊂ ∂Kx , o`u Vol d´esigne le volume calcul´e relative-ment `a la mesure de Lebesgue de (Rn) . On a alors le th´eor`eme suivant, qui donne l’interpr´etation g´eom´etrique des mesures νx .

Th´eor`eme 8.10. — Pour tout point x ∈K et pour toute partie bor´elienne A ⊂ ∂K on a la formule

(8.11) νx(A) =n!θ(Ax) =n! Vol [0,1].Ax ,

en particulier νx(∂K) =n! Vol (Kx) .

De plus,νx est port´ee par l’ensemble des points extrˆemaux de K , c’est-`a-dire que νx ∂K rE(K)

= 0 .

D´emonstration. — On commence par v´erifier la formule (8.11) lorsqueA est une partie compacte de ∂K ; pour cela, on proc`ede en plusieurs ´etapes.

• Premi`ere ´etape : on suppose ∂K strictement convexe de classe C . Soitξ un point de ∂K . L’homog´en´e¨ıt´e depx entraˆıne la relation d’Euler

dpx(ξ).(ξ−x) =px(ξ) = 1 . L’hyperplan tangent `a ∂K au point ξ est donc donn´e par

y ; dpx(ξ).(y−x) = 1 , i.e. ξx = {dpx(ξ)} . La stricte convexit´e de ∂K montre que l’application ξ 7→ dpx(ξ) de ∂K sur ∂Kx est un C–diff´eomorphisme. Soit Φx :]0,1]×∂K −→ Kx r {0} le C–diff´eomorphisme d´efini par

y = Φx(t, ξ) :=t.dpx(ξ) , t ∈]0,1], ξ ∈∂K . On a alors par d´efinition

θ(Ax) = Vol ]0,1].dpx(A)

= Vol Φx(]0,1]×A)

= Z

]0,1]×A

x)(dy1∧. . .∧dyn) . En utilisant la formule (8.8) on voit aussitˆot que

x)(dy1∧. . .∧dyn) = tn−1

(n−1)!dt∧dνx(ξ), donc

θ(Ax) = Z 1

0

tn−1 (n−1)!dt .

Z

A

x(ξ) = 1

n!νx(A).

• Deuxi`eme ´etape : on suppose ∂K de classe C1+lip .

Dans ce cas, la diff´erentielle dpx est lipschitzienne, donc presque partout diff´eren-tiable relativement `a la mesure d’aire euclidienneα sur∂K ; la formule (8.8) est encore valable, dνx(ξ) ´etant ici une forme volume `a densit´e L par rapport `a α .

Soitξ un point o`udpx est diff´erentiable; supposons qu’il existe un segment [ξ1, ξ2]⊂

∂K contenant ξ et non r´eduit `a un point. Alors la matrice ∂2px/∂ξj∂ξk

a dans son noyau les deux directions ξ2−ξ1 etξ−x , ce qui entraˆıne dνx(ξ) = 0 . En particulier, on a dνx(ξ) = 0 α–presque partout sur ∂K rE(K) , d’o`u νx ∂K rE(K)

= 0 . Notons maintenantAbla r´eunion deAet des segments [ξ1, ξ2]⊂∂K tels queξ1 ∈A . Il est trivial de v´erifier que Abb = Ab d`es que ∂K est de classe C1 , et que Ab est une partie compacte de ∂K si A est elle-mˆeme compacte; de plus, d’apr`es ce qui pr´ec`ede, on a νx(Ab r A) = 0 . Par ailleurs, ∂K a mˆeme hyperplan tangent en tout point de

chaque segment [ξ1, ξ2]⊂ ∂K , donc Ab

x = Ax . Pour v´erifier (8.11) , on peut donc supposer sans perte de g´en´eralit´e que Ab=A .

L’id´ee suivante est d’approximer K par des compacts strictement convexes. Pour tout ε >0 , il existe un compact Lε strictement convexe de classe C tel que

(1−ε).(K−x)⊂Lε−x⊂K −x ; par dualit´e on en d´eduit

(8.12) Kx ⊂(Lε)x ⊂(1−ε)−1Kx . Consid´erons le compactBε = [0,(1−ε)−1].Ax

∩∂(Lε)x ,image deAx par projection radiale sur ∂(Lε)x , et le compact Bε⊂∂Lε , image r´eciproque de Bε par la transfor-mation par polaires. D´esignons par νxε et θε les mesures associ´ees `aLε, analogues `a νx et θ . On sait queνxε converge faiblement vers νx et que νxε(Bε) =n!θε(Bε) grˆace `a la premi`ere ´etape. La double inclusion (8.12) implique

θ(Ax)≤θε(Bε)≤(1−ε)−nθ(Ax) , donc limθε(Bε) =θ(Ax) . En particulier, on voit que

θ(∂Kx) = limθε ∂(Lε)x

= lim 1

n!νxε(∂Lε) = 1

n!νx(∂K) .

On va montrer maintenant que lim supνxε(Bε) ≤ νx(A) . Soient en effet U ⊃⊃

V ⊃⊃ A deux voisinages ouverts arbitraires de A dans Rn et h ∈ C0 Rn,[0,1]

une fonction `a support compact dansU ,´egale `a 1 surV .Pourεassez petit, on aBε⊂V ; sinon, il existerait une suiteεk >0 tendant vers 0 et une suite de points ξk ∈Bεk rV convergeant vers un pointξ ∈∂K rV ; comme (ξk)x ∈Bεk et comme Ax est ferm´e, la suite (ξk)x aurait un point limite y ∈ Ax qui serait un hyperplan d’appui de K au point ξ ; mais par ailleurs y ∈ Ax serait l’hyperplan tangent en un point ξ ∈ A , d’o`u [ξ, ξ]⊂∂K etξ ∈Ab=A ,ce qui est contradictoire. Pourεassez petit il vient donc

νxε(Bε)≤νxε(V)≤νxε(h) , et puisque limνxε(h) =νx(h) on obtient

lim supνxε(Bε)≤inf

h νx(h) =νx(A) . On en d´eduit donc

νx(A)≥lim supνxε(Bε) =n! lim supθε(Bε) =n!θ(Ax) ; d’apr`es les r´eductions pr´eliminaires que nous avons faites, il vient

νx(A)≥n!θ(Ax)

pour toutepartie compacte A⊂∂K . L’ouvert∂K rA est d’autre part r´eunion d’une suite croissante de parties compactes Sk , par cons´equent

νx(∂K rA) = limνx(Sk)≥n! limθ (Sk)x

=n!θ (∂K rA)x .

Comme (∂Kx)r(∂K rA)x ⊂Ax il vient finalement νx(A) =νx(∂K)−νx(∂K rA)

≤n! θ(∂Kx)−θ((∂K rA)x)

≤n!θ(Ax) .

• Troisi`eme ´etape : K quelconque.

On pose alors :

Kε=K +B(0, ε) =

ξ∈Rn ; d(ξ, K)≤ε ,

o`u B(0, ε) et d sont respectivement la boule et la distance euclidienne de Rn . Soit r > 0 tel que B(x, r)⊂K . On a les inclusions A toute partie compacte A⊂∂K , on associe d’autre part

Aε={ξ ∈∂Kε ; d(ξ, A) = ε} ⊂∂Kε .

Nous aurons besoin du lemme ´el´ementaire suivant, dont la v´erification est laiss´ee au lecteur.

Lemme. — On a les deux propri´et´es suivantes : (8.14) ∂Kε est de classe C1+lip ;

. Des arguments identiques `a ceux de la deuxi`eme ´etape permettent d’obtenir successivement

n!θ(Ax) =n! limθε (Aε)x o`u Ak est la suite croissante de parties de ∂K d´efinie par

Ak=n

Pour l > k ,on pose

Ak,l =[ h

ξ−1 k − 1

l

u, ξ+1 k − 1

l ui

o`u la r´eunion est ´etendue aux couples (ξ, u)∈∂K×Rn tels que kuk= 1 et [ξ−u/k, ξ+u/k]⊂∂K . On pose enfin

Bk,l =n

ξ ∈Ak,l ; d(ξ, Ak)≥ 1 l

o⊂Ak,l .

Il est imm´ediat de v´erifier que Ak , Ak,l et Bk,l sont des parties compactes de ∂K , que les suites (Ak,l), (Bk,l) sont croissantes avec l , et que Ak ⊂Ak,l , Ak∩Bk,l =∅ . Comme tout hyperplan d’appui en un point de chaque segment

[ξ−(1/k−1/l)u, ξ+ (1/k−1/l)u]⊂Ak,l

est aussi un hyperplan d’appui au point ξ ∈ Ak , on voit que (Ak,l)x = (Ak)x , donc (Ak∪Bk,l)x = (Ak)x . Grˆace `a la troisi`eme ´etape, il vient νx(Ax∪Bk,l) = νx(Ax) , d’o`u

νx(Bk,l) = 0 =θ (Bk,l)x .

Soit maintenant H un hyperplan d’appui en un point ξ ∈ Ak . Alors H ∩∂K = H ∩ K est une partie compacte convexe, et il existe u ∈ Rn tel que kuk = 1 et [ξ−u/k, ξ+u/k]⊂H ∩∂K . Soient ξ1, ξ2∈H ∩∂K tels que

2−ξ1k = diam (H ∩∂K)≥ 2 k , et soient

u0 = ξ2−ξ1

2−ξ1k , ξ01+ 1 ku0 . Il est imm´ediat que

0− 1

ku0, ξ0+ 1 ku0i

⊂[ξ1, ξ2]⊂H∩∂K ,

doncξ0 ∈Ak .Posonsξε1+εu00−(1/k−ε)u0 .Tout intervalle [ξε−a, ξε+a]⊂

∂K est en fait contenu dans H ∩∂K ⊂ B(ξ2,kξ2 −ξ1k) , d’o`u, par un argument de g´eom´etrie ´el´ementaire :

kak ≤p

ε(kξ2−ξ1k −ε)≤√ ε .p

2−ξ1k .

Si l’on choisit ε < k−22 −ξ1k−1 il en r´esulte que ξε ∈/ Ak , donc ξε ∈ Bk,l pour l assez grand. Comme H est aussi un hyperplan d’appui au point ξε , on en d´eduit

(Ak)x ⊂ [

l>k

(Bk,l)x ,

θ (Ak)x

• Cinqui`eme ´etape : montrons pour terminer que la formule (8.11) est vraie quelle que soit la partie bor´elienne A ⊂∂K .

Pour cela, il suffit de v´erifier que la fonction d’ensemblesA 7→θ(Ax) est d´enombra-blement additive sur les bor´eliens. Or, pour toute suiteAk croissante, on a

θ [

La d´emonstration du th´eor`eme 8.10 est achev´ee. ⊔⊓

Pour terminer, nous allons expliciter les mesures νx et mx dans le cas de la boule euclidienne de Rn .

Exemple 8.16. — K =Bn =

ξ∈Rn ; kξk ≤1 .

Dans ce cas, la fonction jauge px(ξ) est la solution positive λ ∈ R de l’´equation kx+ (ξ−x)/λk2 = 1 , ce qui donne

px(ξ) = hx, ξ−xi+p

hx, ξ−xi2+ (1− kxk2)kξ−xk2

1− kxk2 .

Apr`es quelques transformations ais´ees, on obtient px(ξ)−1 = 1− hx, ξi Le th´eor`eme de comparaison 3.8 entraˆıne par cons´equent

x(ξ) = 1

(1− hx, ξi)n0(ξ) , ξ∈∂Bn .

D’apr`es le th´eor`eme 8.10, la masse totale deνx vaut n! Vol (Bn)x

.La transformation par polaires de centre x s’´ecrit ici

ξ7−→dpx(ξ) = hξ, dξi 1− hx, ξi ,

c’est-`a-direξ 7→ξ/(1− hx, ξi) modulo l’identification (Rn) ≃Rn .On v´erifie alors que (Bn)x est l’ellipso¨ıde de centre x/(1− kxk2), de demi-grand axe (1− kxk2)−1 dans la directionR.xet de demi-petit axe (1−kxk2)−1/2 dans les n−1 directions orthogonales

`a x . Par suite

νx(∂Bn) =n! (1− kxk2)−(n+1)/2Vol (Bn) .

Comme ν0 est invariante par rotation, on voit que ν0 = (n−1)!α , o`u α d´esigne la mesure d’aire euclidienne sur la sph`ere. On obtient donc finalement les formules

x(ξ) = (n−1)!dα(ξ) (1− hx, ξi)n , dmx(ξ) = 1

α(∂Bn) · (1− kxk2)(n+1)/2

(1− hx, ξi)n dα(ξ) .

On observera que dmx(ξ) diff`ere du noyau de Poisson euclidien de la boule pour tout n >1,bien que le noyau de Poisson r´esolve ´egalement le probl`eme de la repr´esentation barycentrique d’un point x ∈ K en fonction des points de ∂K (ceci parce que les fonctions coordonn´ees de Rn sont harmoniques) .Ce ph´enom`ene n’est pas surprenant, puisque le noyau de Poisson euclidien n’est pas port´e par E(K) en g´en´eral.

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