A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION B
J EAN -P IERRE R OTH
Reformulation et extension de certains théorèmes ergodiques
Annales de l’I. H. P., section B, tome 26, n
o3 (1990), p. 437-450
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Reformulation et extension de certains
théorèmes ergodiques
Jean-Pierre ROTH Faculté des Sciences et Techniques
4, Rue des Frères Lumière 68093 Mulhouse Cedex, France
Vol. 26 n° 3, 1990, p. 437-450 Probabilités et Statistiques
RÉSUMÉ. On énonce un lemme maximal
qui équivaut
au lemme deBrunel et
permet
d’ensimplifier
la démonstration. On établit un théorèmeergodique ponctuel généralisant
le théorème de Dunford et Schwartz et on en déduit un théorème dedécomposition
pour les contractionspositives
de
L~ .
ABSTRACT. - We state a maximal lemma which is
equivalent
toBrunel’s lemma and which leads to a
simple proof of it.
Wegive
apointwise ergodic
theorem which extends the Dunford-Schwartz’s theorem. From itwe deduce a
décomposition
result forpositive
contractions ofLl.
Mots clés : lemme maximal, théorème ergodique, convergence presque-partout Classification A.M.S : 28 D 05, 47 A 35
Annales de l’Institut Henri Poincaré - Probabilités et Statistiques - 0246-0203 437
INTRODUCTION
Soit T une contraction
positive
surL1 (S~, A, p)
où ~c est une mesure a-finie. Une fonctionintégrable f
étant donnée on s’intéresse au compor- tement des moyennesQn f
=(lin
+l)(f
+T f
+ ... +Tn f).
Dans la section III on montre que, pour
f positive,
la suite(Qnf)n
converge si et seulement si lim
Qn f
oo p,-pp(cf.
Théorème 7 etses
corollaires).
Ce résultat redonne le théorème de Dunford et Schwartz([6]) lorsque
Tl 1. On en déduit un théorème dedécomposition
en troisparties
pour les contractionspositives
deLi (théorème 10).
Pour établir le résultat de convergence on utilise le théorème de Chacon- Ornstein dont
l’ingrédient
essentiel est le lemme de Brunel. Dans la section I on redémontre ce lemme defaçon simple
en introduisant un nouvel énoncéqui
lui estéquivalent (lemme 1).
Dans la section IV on donne
l’exemple
de toute une famille de contrac- tionspositives auxquelles s’applique
le théorème de convergence.La section V offre une démonstration concise du théorème
ergodique stochastique
deKrengel ([10]
page143).
On y utilise defaçon implicite
la notion de «limites
tronquées»
queAckoglu
et Sucheston ont définieet
exploitée
dans le cadreplus général
des espaces de Banach réticulés[2]).
Notations : Soit T une contraction
positive
deL~
=A, p)
où ~c est une mesure a-finie sur la tribu A.On note
Qn
=(lin
+1 ) (I
+ T +... +Tn) et,
pour toute fonctionf
deLI,
on posef
= limQn f
et -f
= limQnf.
Si E est une
partie
deSZ,
on noteLl (E) l’espace
de toutes les fonctions deLl (S~, ,~t., p,)
nulles surS~ ~
E.I. UNE FORME
ÉQUIVALENTE
DU LEMME DE BRUNELLEMME 1 : Soient T une contraction
positive
deLB
E unepartie
de Q00
et ~ une suite de fonctions de
L1 (E)
telle que~
oo.n=o
On définit la suite
(hn)n>o
de fonctions deL1
parDémonstration : On
s’inspire
trèslargement
de la démonstration du lemme maximal deHopf ( cf.
Garsia[9]).
Pour toute
fonction g
deL1
on aT (g+),
doncc’est-à-dire
/(I - T) gdp
> 0.Cette
inégalité
n’est autrequ’une
traduction de l’accrétivité del’opéra-
teur
(I - T)
dansLi (cf.
Bénilan[3]).
p étant un
entier,
soitHp
= sup(ho
+ ... +hn).
On introduit unepartition
finie de~Hp > 0]
telle que, pour tout ncompris
entre 0 et p, on ait
Pour 1 n
p,
on a surEp,n
Pour n =
0,
on a surEp,o
Donc,
sur~.Hp > 0],
on a(I - gp,
où l’on aposé
L’inégalité
d’accrétivitéappliquée
à la fonctionH:
montre alors quePour conclure il suffit de faire un passage à la limite
quand
p 2014~ oo.Or, d’après l’hypothèse
surE,
la suite de fonctions(gp)p>o
converge00
simplement
vers~’ fn;
eneffet,
pour ~ E E et m eN,
il existe q > m 7~=0tel que
J.P. ROTH
m
Pour tout p > q, r est alors dans
[Hp> 0] ( U
doncgp(r)
=n=o
fo(r)
+ ... +fn(r)
pour un certain n > m.~xJ
De
plus,
la convergence de la suite(gp)p
vers£ fn
est dominée parn=o
Notations : Si E est une
partie
de 03A9 on note Ec soncomplémentaire et,
pour toute fonctionf
deL1 (~.c),
ondésigne
parIE f
leproduit
def
par la fonction indicatrice de E.
LEMME 2
(de
Brunel[4]) :
Soient T une contractionpositive
deL1 (S~), f
une fonction deL~ (~c)
et E unepartie
incluse dansAlors
1 ~
n=of) dp
> 0 .Démonstration: Soient
f
et E comme dans l’énoncé.On pose
hn
= Tnf - IEC f
etfn
=IE(TIEc)n f.
D’une
part
on vérifie immédiatement qued’autre
part
on établit par récurrencel’inégalité
ce
qui
montre que ce.n=0
Comme E est inclus dans
{x
E >k,
+... +hn (x)
>0}
car
hn
= surE,
le lemme 1 donne alors"
n=o>
0.Remarque : Inversement,
enappliquant
le lemme de Brunel à la contraction’
(90 , 91 ~ 92 ~ ... )
~ + 91 ,92 ~ 93 ~ ... )
de
Li (N
xQ, P(N)
@A, T
@JL)
où T est la mesure de dénombrement surla tribu
P(N)
de l’ensemble desparties
deN,
on retrouve le lemme 1. Lesdeux énoncés sont donc
équivalents.
Par un raisonnement
classique
de Brunel([4])
on déduit aisément du lemme 2 le théorème de Chacon-Ornstein([5]).
THÉORÈME 3
(de Chacon-Ornstein) :
Soient T une contractionpositive
de
L1 (~c)
etf
et g des fonctions deL1 (~c),
g étantpositive.
Alors la suite
( ~’~- )
converge JL-Pp sur[sup Qng
>0]
vers une limiten n
finie.
II.
PROPRIÉTÉS
D’INVARIANCE DEf ET f
PROPOSITION 4 : Soit
f
une fonctionpositive
deLI.
Alorsf
est dansL1
etT( f)
=f.
_
Démonstration ;
L’intégrabilité de f
est uneconséquence
immédiate du lemme de Fatou. Onpose ~
= inf1 ( f -~ ... -~-
T nf ).
n>p n + 1
Pour tout n > p, on a
Donc,
pour tout p,T(03C8p) p + 2
p
-~- 1Lorsque
p tend vers l’infini(03C8p)p
converge encroissant,
donc dansL1,
vers
_f .
On a doncT (_f ) _f .
Par
ailleurs,
pour tout p,1 1 p+
1( f
+ . .. -+-- ~p
est une fonctionpositive. Donc,
T étant une contractionpositive
deL1,
soit, après simplification,
puis,
par passage à la limitequand
p tend versl’infini,
J.P. ROTH
On a donc établi
T f
=f.
DÉFINITION : Soit T une contraction
positive
deL1.
Unepartie
E de 03A9est dite absorbante si
T f
est dansLI (E)
dès quef
est dansL1 (E).
Notation :
f A g désigne l’enveloppe
inférieure des fonctionsf
et g.LEMME 5 : Soient
f et 9
deux fonctionspositives
de Alors(3) [ f
=00]
est absorbant.Démonstration :
(1)
Pour deux entiers p et q,p
q, on notePour tout n
compris
entre p et q, on ad’où
-~.
A
partir
de cetteinégalité
et de lapropriété
de contraction deT,
onmontre maintenant que ne
peut
être pasbeaucoup plus grande
que On pose
La
première
de ces deuxintégrales
estnégative
car T est une contraction 1/-
et la seconde est
majorée
par 20142014- /d’après l’inégalité
ci-dessus.p+1 ~
g)
est inférieure d’unepart
àTg
et d’autrepart
à elle-mêmeplus petite
que +0p,q ,
doncd’où
Lorsque
q tend vers l’infini les fonctions A g et ATg convergent
en
croissant,
donc dansL1,
versÇp A g
etc~p
AT g,
oùÇp
est la limite delorsque
q tend vers l’infini. On adonc,
Lorsque
p tend vers l’infiniles
fonctions A g et~p
ATg convergent
en décroissant vers
f A g
etf
AT g.
Ces convergences étant par ailleurs dominées par g etT g,
elles ont lieu dans On a doncce
qui
montre queT ( f
ng) f
IiTg
2
on vient de voir ueT CY’p>q ) > - 03C6p,q - f p+1.
Grâce à l’identité évidente = n
g
+T(03C6p,q - (03C6p,q ng))
Onen déduit
~p~q - ~ - ‘~P~q
n~)) ~ T (4’p~q
ng)
.p+1
En
intégrant
cetteinégalité
et en utilisant lapropriété
de contraction de T on ad’où
En
passant
successivement à la limitequand
q,puis
p, tendent versl’infini,
on obtient
L’inégalité
inverse est évidente.(3) Soit g
une fonctionpositive
deL~ nulle sur f oo].
Pour touts_>
0 on a,d’après
lepoint 1, Tg = T(g
AE f ) ~ f ,
doncTg
est nulle sur~ f
cequi
établit le faitque f
=oo]
soit absorbant.Remarques : (1)
Les résultats du lemme 5 vont être améliorés dans la section III.(2)
Si a = est unesuite numérique positive,
décroissante et tendant vers 0 et si l’on posef a -
lim + ... +T n f ),
alors lesconclusions du lemme 5 restent valables pour
f .
J.P. ROTH
III. UNE
GÉNÉRALISATION
DUTHÉORÈME
ERGODIQUE
DE DUNFORD-SCHWARTZLEMME 6 : Soit
f
une fonctionpositive
deLI.
Alors la fonction est aussi dansL1.
Démonstrat_ion : Soient g positive intégrable,
p(
et H =sup Qn ( f - p( f
Ag) ) . D’après
le lemme maximal deHopf ( cf. [9])
on an>o
donc
D’après
le lemme5,
on a_T ( f
n?) f .
Il s’ensuit que, pour tout ~,Z’n(f n 9) ~ f
et donc9) Ç .~~
_ _De
l’inégalité Qn ( f - p( f n g) ) _> /-’/
on déduit que,sur f lim ~n( f - P(f n 9)) ~ (1 r P)f ~
_
Ceci montre que
~0 f oo~
est inclus dans~I~
>0~ .
On a doncCeci étant vrai pour toute
fonction g positive intégrable
et tout p dans]0,1[,
il s’ensuit quef ~
estintégrable
et sonintégrale
est inférieureà ~
THÉORÈME 7 : Soient T une contraction
positive
de etf
unefonction
positive
deAlors,
à un ensemble-négligeable prés,
Démonstration :
D’après
le lemme 6 lafonction g - f .
i estintégrable.
D’après
le lemme 5 on aT g = T (g A f) f = g
sur E== [ f
On montre
alors,
par récurrence sur n, queTng
sur E :or EC est absorbant
d’après
le lemme5,
donc est nulle surE,
d’oùTn+2g
sur E.Sur E la suite de fonctions
(Tng)n>_o
est décroissante. Elle converge donc sur E. Il en est alors de même pour la suiteD’après
le théorème de Chacon-Ornstein la suite(Qn!)n>O
convergep-pp sur [0 f oo].
Par ailleurs elle converge évidemment vers 0sur [1
=0].
Le théorème 7 est donc démontré.COROLLAIRE 8 : Soit T une contraction
positive
deL1 (~).
S’il existeg strictement
positive
de telle que lim oo alors pour toute fonctionf
de la suite(Qnf)n>o
converge -pp vers une fonctionintégrable
T-invariante.Démonstration : La convergence est une
conséquence immédiate
duthéorème de Chacon-Ornstein et du théorème 7. Les
propriétés
de la limiterésultent de la
proposition
4.COROLLAIRE 9 : Soient T une
contraction positive
deL1 (p)
etf
unefonction
positive
de Alors(1) Z=7-i[y=~_
_(2)
Lesensembles f
=ooj
et~o f ooj
sontabsorbants,
(3)
pour toute fonction gpositive, intégrable,
nullesur f
=0]
on aTgd
=/
Démonstration :
(1)
Il est claird’après
le théorème 7 que_f
=f sur [/ oo].
Parailleurs,
comme
f
estT-invariante,
on déduit du théorème de Chacon-Ornstein que(Qn f ) n
convergesur [ f
>0].
Ceci montre quef
= 0sur [ f
=oo].
(2)
Cequi concerne [ f
=oo]
adéjà
été vu au lemme 5. Soit g une fonctionintégrable, positive,
nulle sur[ f
=0].
Pour tout n,T (g
An f) nf,
doncT (g
An f)
est nulle sur[f
=0].
Comme la suite(g
An f )n>o
converge vers g dans on en déduit que la fonction
T g
est aussi nullesur
[f
=0].
On a doncprouvé que [1
>0]
=[0 f ~]
est absorbant.(3) Soit g
une fonctionintégrable, positive,
nullesur [ f
=0]. D’après
le lemme
5,
on a, pour toutn, T(g A == ~ (g A
Par passage à la limite
quand
n tend vers l’infini on obtientTous les résultats que l’on vient de démontrer dans cette section
permet-
tent d’énoncer le théorème de
décomposition
suivant.THÉORÈME 10 : Soit T une contraction
positive
deL1 (SZ, ,~t., ~C) .
Ilexiste une
unique partition (I, L, N)
de 0 telle que, pour toute fonctionstrictement positive fjJ
deLI,
on ait surE]O, oo[
sur L etc~=0
surN.Cette
décomposition
vérifie lespropriétés
suivantes(1)
l et L sontabsorbants,
(2)
L est leplus grand
ensemble dutype [g
>0]
avec gpositive intégrable
etT-invariante,
(3)
Pour toute fonctionintégrable f,
limQn f
existe -pp sur L U N et est nulle surN,
(4) Pour toute fonction positive intégrable f ,
limQn f
est nulle surI,
(5)
Pour toute fonctionintégrable f,
nulle surN, Î
=Remarque :
L n’est autre que lapartie
fortement conservative de la contraction T(cf. Krengel [10]
pages141-143). L’originalité
de ce théorèmetient essentiellement dans
l’équivalence
entre les deux caractérisations deL,
d’unepart
lapropriété (2),
d’autrepart
L =[0 ~ oo].
IV. EXEMPLE D’APPLICATION
DU
THÉORÈME
DE CONVERGENCEDÉFINITION : On dira
qu’une
contractionpositive
T deL1 appartient
àla classe de
Hopf
si elle satisfait aux deuxpropriétés équivalentes
suivantes(cf. corollaire 8) :
(i)
il existe une fonction gstrictement positive intégrable
g telle que limQng
p-pp,(ii)
pour toute fonctionintégrable f,
limQn f
existe et est finie j1,-pp.Les contractions
positives
T deLI
telles que Tl 1 sont évidemment dans la classe deHopf.
Nous allons décrire une autre famille de contrac- tionspositives
deL~ qui
sont aussi dans la classe deHopf.
Soit T la mesure de dénombrement sur la tribu
P(N)
de toutes lesparties
de N.LI (N
xSZ,
®A,
T ® s’identifie àl’espace
des suites(fn)n>o
~ de telles que03A3~fn~1
oo.~,=o
On note
Oi
=={il
x SZ.Soit une famille de contractions
positives
de dansL1(Oi) qui contractent
aussi laSoit une famille de réels
positifs
telle que, pourtout j
On construit alors sur x
SZ, P(N)
®A,
T ®l’opérateur
T parOn vérifie facilement que T est une contraction
positive
de maisen
général
T ne contracte pas lanorme )) .
On acependant
le résultat suivant.PROPOSITION 11: T est dans la classe de
Hopf.
Démonstration :
Soit ~
une fonction strictementpositive
deLI (JL)
telleque 03C8
1. On considère alors l’élémentde
L1(N
xS~, P(N) ® ,~t, T ~ JL).
On vérifie facilement par récurrence sur nque
(cxn,o,
an,l,03B1n,2,...)
Où(Qn,p)p>o
est une suite de réelspositifs
telle que 2.
p=o
En
particulier
et doncQnf/J
sontmajorés
par(2, 2, 2, ...).
T vérifiant la
propriété (i) appartient
à la classe deHopf.
Pour illustrer la
proposition
11 on va examiner le casparticulier simple
suivant.
Soit R une contraction
positive
de telle que Rl 1. On définitT,
contractionpositive
deLI (N
xSZ, ~(fv!) ~ A, T ® ~C),
parT ne contracte pas la mais
appartient cependant
à la classe deHopf.
En
regardant
cequi
se passe sur lapartie S2o
=~0~
xn,
on déduit decet
exemple
le résultat suivant.PROPOSITION 12 : Soient R une contraction
positive
deL1 (SZ, ,A, ~cc)
telle que RI 1 et une suite de fonctions de telle que
00
L
oc. On définit par récurrence la suite(hn)n>o
parn=0
Alors
1 (ho
+ ... +hn)
converge vers une fonctionintégrable
R-invariante.
V.
THÉORÈME ERGODIQUE STOCHASTIQUE
On
reprend
les notations du théorème 10. On a vu que la suite converge sur L U N et que ses limites inférieure etsupérieure
valentrespectivement
0 et oo sur I. Le théorèmeergodique stochastique
deKrengel ([10]
page143) permet
depréciser
lecomportement
de cette suitesur I : elle converge en mesure vers 0. On va donner une démonstration courte de ce résultat en utilisant de
façon implicite
la notion de «limitestronquées »
due àAckoglu
et Sucheston([1],[2]).
THÉORÈME 13
(de Krengel) :
Soient T une contractionpositive
deL1
et
f
une fonctionintégrable positive.
La suite
(Qn f)n
converge en mesure versf.
Démonstration : On pose
f n
=Qn f.
Soit U un ultrafiltre sur N
convergeant
vers l’infini.Soit g
une fonctionpositive intégrable.
Pour toute
fonction ~ positive
dans L°°(~cc)
on ad’où
On déduit alors du théorème de
Lebesgue-Nikodym
l’existence d’une fonctionpositive fg
de~l (~C), majorée
par g, telle queLa suite
( f n
Ag ) n
converge donc faiblement versf 9
suivant U.La famille
.~ _ ~ f 9 ~g positive intégrable}
est filtrante croissante dans Deplus
L’enveloppe supérieure
essentielle de .~ est donc une fonctionintégrable f,
limite d’une suite croissante de fonctions de .~’.On va montrer que
f
est T-sous-invariante.Par passage à la limite faible suivant U dans
l’inégalité précédente,
onobtient
On en déduit que
(Qn f)n
converge -pp sur Q.Le théorème de Chacon-Ornstein montre alors que
( f n ) n
converge donc en mesure, versf
=f
sur[ f
>0].
Par
ailleurs,
pour toute fonctionpositive intégrable
g,En
appliquant
cettepropriété â g
où ~ > 0 et A est unepartie intégrable
inclusedans [ f
=0]
et enremarquant
queon obtient
Sur [ f
=0]
la suite( f n ) n
converge donc en mesure vers 0 suivant U. Il s’ensuit enparticulier
quef
= 0sur [/
=0].
Finalement
( fn)n
converge en mesure vers_f
suivant U. Ceci étant vrai pour tout ultrafiltre Uconvergeant
versl’infini,
le théorème est donc démontré._
On
peut
facilement montrer que, deplus, f
=f.
REMARQUES
FINALES1)
Onpeut
étendre le résultat de convergence du corollaire 8 au casde contractions
complexes
de en utilisant un théorème deFeyel ([7])
permettant dereprésenter
de telles contractionscomplexes
commedes contractions
positives
surLI (U
xS2, d8 ~ JL)
où d8 est la mesure deLebesgue
sur le cercle unité U duplan complexe.
2)
Dans cetarticle,
on s’est intéressé aux moyennes de Césaro relativesau
semi-groupe
discret)~ >_o .
Il semble que toutes les méthodes et tous les résultatspuissent
êtreadaptés
sans difficultés au cas des moyennes abéliennes relatives à unsemi-groupe
fortement continude contractions
positives
de On obtient ainsi unegénéralisation
aucas où
~l-’,~
ne contracte pas la norme de L’x d’un théorèmeergodique
deFeyel
pour les familles résolvantes([8]).
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