DE L ’U NIVERSITÉ DE C LERMONT -F ERRAND 2 Série Mathématiques
A. A CQUAVIVA
Mesures aléatoires t-régulières
Annales scientifiques de l’Université de Clermont-Ferrand 2, tome 71, sérieMathéma- tiques, no20 (1982), p. 11-24
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MESURES ALEATOIRES t-REGULIERES A.
ACQUAVIVA
Faculté des Sciences et
Techniques
de BRESTRésumé : A
partir
d’une famillecompatible
de lois surindexée par les éléments d’un
anneau
on construit une mesurealéatoire, tendue,
par rapport à une classecompacte,
surl’anneau puis
leprolongement
au r -anneauengendré,
sans aucune contrain-te de cr-finitude.
Application
est faite aux espaces Souslinien.Introduction : Le théorème d’existence d’une mesure aléatoire bornée sur un espace
polonais
est maintenant un résultatclassique
dû àSa démonstration repose sur
l’existence
d’une famille dénombrable de suites monotones telles que la continuitéd’une
fonction d’ensemble additive bornée sur ces suitesimplique
la continuité sur toute suite monotone. De
plus,
pour obtenir unemesure aléatoire non nécessairement bornée la méthode
classique
consiste à considérer une
partition
dénombrable del’espace
telleque la mesure soit finie sur
chaque
élément de lapartition ( ~1 ~
pour le cas localementcompacte
on n’obtient ainsi que des mesures aléatoires uniformêment cr -finies. Il nous a donc semblé intéressantd’examiner,
d’une part le cas d’un espace de Souslin où l’on nedispose
pas de cette famille dénombrable de suites et d’autre part de donner une formulation abstraiteet directe du théorème d’existence d’une mesure aléatoire non
nécessairement r -finie à l’aide de la notion de
capacité
faibleet des suites
privilégiées.
On peut construire ainsi une mesurealéatoire tendue par rapport à une classe compacte sur un anneau
générateur
pour la tribu borélienne et obtenir une sélection mesurableparmi
lesprolongements
à la tribu.1 Soit X un ensemble muni d’une cr
-algèbre
B departies.
On supposequ’il
existe un treillisdénombrable C générateur
pour 0153 tel que Xappartienne
à et on fait leshupothèses
suivantes:H.0 Il existe
x
classe compacte, stable par union et intersection finie telle que siK 6 ôé
et C E alors K -C 6 À3
1
1:; sépare 1( : V K
1 et tels queKI 1"B K - 2 ~ ~ T1
1 et tels que iK2 C T 2
etTI 1’B T2 -
,~1.Introduisons ici une notion essentielle pour la suite :
Définition 1 : Une suite
{T n
d’élémentsde 116
sera diteprivi- légiée
si est monotone décroissante de limite nonvide et appartenant telle que pour tout tel que lim ~.
T n
c C il existe n tel queTn G
C.On suppose alors :
H.2 et
K # ~
ilexiste {T n
suiteprivilégiée
telleque K = lim T
n n
Définition 2 : Une fonction d’ensemble
I’
définie sera ditecapacité
faible si pour toute suite croissante(Bn)
d’éléments de
9(X)
on aI* (lim t B ) =
n limîI*(B n )
etn
n
n n
si pour toute suite
privilégiée {Tn
} on aI (liml T )
= limlI*(T), Introduisons
alors notre der-n
n
n
n n
nière
hypothèse.
H.3 La classe
compacte K approche
la tribu (B au sens suivant : Pourtoute
capacité
faible tout élément B de 1B on a :l ~ (B) = Sup
{Si
A désigne
l’anneau dénombrableengendré
par letreillis 1
on poseo4Ù (X,A )
ensemble des mesures définies sur(X,,~ )
muni de la tribu1 .71 engendrée par
la famille :w(A) a } R } signi-
fications similaires pour
&4£ (X , (8)
etDéfinition 3: Une mesure est
t-ré g ulière
si elle vérifie pourpour tout B de LB c~
( B) = Sup (K)
K CB ~
et
c~(B) -
inf{ w(C)
B c C C Eune famille
compatible
de lois n N o u-9nous proposons donc dans cet article de montrer
qu’il
existe une loi Psur
( ~ (X, 0153), IB portée
par le sous-ensemble des mesurest-régulière
telle que pour tout borélien B de
Rn
et pour toute famille finien +
Dégageons
d’abord deux conditions nécessairesC 1 :Soit
A n E
telle que An soit monotone croissante vers A
E A
alorsC 2 : Soit
T n
une suitepriviliégiée
et An s.14-
monotone croissantetelle que K = lim
4-Tn
C limîA n
etn
soit w
t-régulière :
si w(K) (T ) =
n limfi w(A ) ;
n siw
(K)
00 il existeo tel que K c C et
w(C) 00
; mais Tn
étant
privilégiée T nc C
àpartir
d’un certain rang et doncw(K)=
lim lw
(T)
n etw(K)
lim fiw(A )
n donc P {w: lim lw (T) n limtw(An)}=
nLes deux théorèmes suivants montrent que ces deux conditions sont
aussi suffisantes.
Théorème 1.
Soit p.
une famillecompatible
de lois sur(R?
n cIN)
indexée par les éléments de
A,
définissant surJR
munide sa tribu
produit LA,
une loi P telle queP.ps
w EJR
soit additive
sur ~ .
Les conditions suivantes sont suffi-santes pour que P soit
portée
par un sous-ensemble de mesuresCl. Pour toute suite A ~hA avec A
n
et A
6.4
n n
P.ps : w(A n )tw (A) (l’ensemble négligeable dépendant
dela suite
C2 . Pour toute suite
priviligiêe Tn
telle que lim~Tn =
Remarque :
les deux conditions CI et C2 peuvent êtreexprimées
directe-ment à l’aide de la famille et on peut noter le lemme suivant : 1 ’ ’
*
n
lemme 1 : Les deux conditions nécessaires et suffisantes du théorème 1 sont
équivalentes
aux conditions suivantes :reuve Seule
l’implication (C’1) ~ (Cl)
n’est pas immédiate. Pour la montrer on considère uneapplication 1
continue strictement croissante detR
sur[0,1]
et la fonction d’ensembleI(A)=
dp définie surA.
Enapprochant Y
par unesuite croissante de fonction
étagée
c’est-à-direet en remarquant que
l’utilisation de C’l mène à
l’égalité
limt
I(A )
n =I(A)
c’est-à-dire limtw(An)
n =w(A) P.ps.
preuve du théorème La preuve étant
longue
nous ladécoupons
enplusieurs étapes.
1 -
Soit ’f
une fonctionpositive
continue strictement croissanteappliquant ÎR+
sur[0,11
telle que+Y(a)~
Pour tout A
de v4
on poseI(A) = f [w(A)] dp (si
onprend
RA+
Y(x)
= 1 -e-x
on aI(A)
= 1 -o(1A(w)) ou o est
la fonction-nelle
génératrice
de la loi POn définit ensuite
I (C) - Sup {1(A) AcC}
pourJ et pour tout
I’(B) =
inf{ I(C)
Bc:C CE 0 }
J
on définit de même
J(T) = I(T)
pour toutT é 1;
J(C) - Sup {J(T)
Tc C}pour
etJ"(B) =
inf{J(C)
B cCSur l’anneau est
positive, croissante,
fortement sous-additived’après
le choixde ’f
et siA n t
A avec A net A
6~
on aI(A I(A) d’après
la condition c. l . Il résulte d’un théorème connu(
p.66)
que les fonctions d’ensembles
I~et J.
sont croissantes telles que si B n n +BIÎB ) î I* (B) (resp.: J"(B)
nSi
Tn
est une suiteprivilégiée
de limite K non vide soittel que
J (K)
> J(C) -
e>J(T )
-e pour n assezgrand
doncJ n
J*(K) =
lim lJ(T )
etJ*
est unecapacité
faible : Il en est de mêmen n
pour
1 d’après l’hypothèse
C.2 etpuisque 1 et J coïncident sur C
elles coïncident
sur K et
on conclutd’après l’hypothèse
H.3 que V1+ (B) = J~(B).
2 . Soit A
6~’
tel queI ( A ) >
0I(A)
=1"" (A)
doncd’après
H.3 ilexiste une suite
K. 1
croissante(K stable
parréunion)
telle queK.
c A Vi etI (A)
=1 im.t
’ ’ ’D’après
H.2 lim etK.c T711A c TÔ implique
~ .
1
J
. J 1 J Jf (K.) =
lim+I(TÎfI A)D’autre
part, on al’égalité If- (A)
=J~ (A)
donc1
J
. J
I (A)
= 1 i m -J.1c~> = 1 i m-J.
1 i m tI ( D ~
oùchaque D é 2’
n
n
n k 1 n ,k
L’application
du théorèmede, Lebesgue
donne :pothèse
C.2implique_que
c limtdk
entraîne liml~
’
i i k J n~K
V(i,n)
d’où les deux relations fondamentales suivantes valables carA
estdénombrable*. Il existe N ensemble
P-négligeable
tel quesi w e
NR.1 1 0
w(A)
= limtlimi w(T’(A)(1 A)
oùT’(A)
est une suiteA
£A i j
J ’ JV
A£14
privilégiée telle que
que Vii T (A) -a i A et e t K. K i é Ôé
J
j
. 1 1
(provient
du cas oùI(A)
=0) .
Alors V une mesure. Il suff i t pour cela de montrer que pour toute suite k telle que
A k
k tA ou on a lim =w(A) .
k k
Distinguons
deux cas(celui
oùw(A)
= 0 étanttrivial) :
3 . 0 ~ on peut se ramener aux suites décroissantes vers 0’
en posant
Dk
= A -Ak
avec 0153 et on suppose que 0 Vkk
Ç
kd’où e, T It. D > - £ Vj
et on en déduitf, chaque
K. étant’=1 J (,=]
k
1l 1l
non vide
d’après
R.l.Supposons
en effet quefl
= 1
K. et soit n le
n n
plus grand
entier( 4 ,n k)
tel que/Î
=
K.
et n
K it il Kn+l
= ji
l=1
1l
Tl=1
1l Avecl’hypothèse
H.0 on peut trouver u, v,n éléments
de 6
tels que K.
cl f)
n c L4, K CV=,6.
Les suitesT. (EL )
."...1--- .."..n
( ) 1B
i n+l
(D )"
.étant
privilégiées
onaurait nn 1 T.n+1 (D n+ = flÔ pour j
=j 1 J J n+
k
assez
grand
cequi
estimpossible.
Donc/l
K. est une suite décroissan-l=1 1l
Mte non vide d’éléments
de k
d’oùri
K.t1 De = fÉ
cequi
estl=1
1l l=1 l
’impossible
et prouve quew(D k)
l0.4.
w(A)
= mSupposons qu’il
existe M 00 tel que pour tout k on aitM. l’application
de R. ’ 1 donne un to tel que MVj
i
.io ï.
alors nécessairement
w(TÎ’ (A))= -(Yi)
sinonw (T (A) n A)
=J J J
i,
et donc
w(T.
M cequi
n’est pas.J
1
On note K. = lim~T
0(A)
élément dex
contenu dans A.io J
. JD’autre part,
A.
= lim llimî w(D j (R.2)
donc il existe’
=
n
+
si on pose
~(C.) -
w J Sup { w(T);
1 T J 1 alors on a7(c )
J Mmais
T f1 D k
n n j k j(A.) t Tn
nimplique
"- " n lim î w(Dk(4.)) M
j, 3 e
b) si alors il existe
T. £ C
T. C C. et °5J J J J J
car
d’après
cequi précède
siw(T)
on a nécessairementw (T)
M ;on a donc la situation suivante :
oo; T = limî T n D (A.)
etJ / J
k J
k 39
njk (A.)) j
M V k onréapplique
leraisonnementf pour
l’ obtentionr
i i
de
T ?
et on obtient une suiteprivilégiée
T(T.)
telle queJ p J
i i
(jo(T i
(T)n T)
= oo V V et et soitKi -
1im-r11 TP (T.) (T.)
on ne on ne peut peut paspasP J J P 11
p J
i
avoir
k :Kil c D nji, k (A
car la suiteTp
1 étantprivilégiée
et1 J ?
.
11
D
GT
on auraitK. 11 C Tp
1
(T. ) J c
Dn. k(Aj)
pour p assezgrand
j, l l,
ce
qui
estimpossible.
Donc,
K. 11 - D k(A.)
est une suite décroissante non vide d’élé-1
J, Jments de
flÉ
donc d’intersection non vide orn
k
(K. 11
1 - Dj (A.) J inclu
dansk
1l J ,
T. - lim fiD
n
(A) = 0
donc une contradictionqui
prouve que J k n. k Jw(C)
J M et donc quew(C) =
Jlimî w (Dn.
k
le k (Aj)).
i . ,P" j,
.1 , e
et 2 M V k . On déduit de ce
qui précède
queC >
2MOn forme alors la suite
n
monotone croissante D -
U
C. avec 00 et D 6~ :
il resten i=1 i n no
à voir que
K. 1 - Dn
est une suite monotone décroissante d’éléments nono
vides de
1(
cequi
est clair carD n ’C
cret
K. 1
Go D nimpliquerait
o
-
i i
T ?
c Dpour j
assezgrand
avecw T. = 00
etw D 00
cequi
estj n J n
impossible.
A C D. On aboutit à une contradiction
qui
prouve le théorème.n n
Soit
4
le sous-ensemble detR
constitué des éléments w -(...w(A) ...)
dont les coordonnés définissent une mesure sur
(X, / ) :
si on pose27(w ) (A)
=w(A)
pour définit uneapplication
mesurable de-A £
i+ LA, P)
ouLA
est lacomplétée
deLA
pour P, dans(-~(X,~)~ ~ )
et la loiimage Po
est une mesure aléatoire sur(X,
Etant donné une mesure aléatoire
quelconque
sur(X,-4 )
il esttoujours possible
de construire une mesure aléatoire sur(X,S)
où LB = c’esta dire d’obtenir une
application
mesurable dedans 4 (X,
lemme 2 :Soit w une mesure
quelconque
sur(X,
On définit les fonc-tions d’ensembles suivantes :
Ù (C)
=Sup
{w (T) Tc C
V aw" (B)
= Infw (C)
BcCC 6*e
V B c Xa
et de même pour
remplaçant
dans lesformules Z7
par~T.
Alors
w¥
est une mesure extérieure telle que ensemble desparties w4-mesurables
et la restriction dew.à
S est unemesure
régulière.
preuve 1 le fait que
w.,soit
une mesure extérieure telle queest bien connu. On sait que
( [4j p.66J 1 w¥-
est aussi unemesure extérieure et il est clair que
w «* ( B ) 4’ w (B)
et que= V
implique W,,(B)
= si . On endéduit immédiatement que IB
= v-
c2,
w.restreinte
à 0153 est une mesuret-régulière
car il découle de la construction que c’est unecapacité
faible et onapplique
H.3.Théorème 2 Soit
Po
une loiquelconque
sur2À,
1 -
L’application
de(~(X,~),~ )
dansS~)
qui
à w faitcorrespondre w*
définie ci-dessus est mesu-rable et définit donc une mesure aléatoire sur
(X, ?)
2 - Avec les notations du théorème
let
sousl’hypothèse
C.2 la loi
image Pj
surLB)
est une mesurealéatoire
t-régulière
telle que : w1 } = il ~1 i
ou lesA. 1.
sontdans
Preuve 1 Soit
J*
lacapacité
faible définie à l’aide dutreillis C
et B C. 19. on a
J4 (B)
= etJ* (K.)
= liml I(Ti.) =~ . T- . ~
i
. i]
dP(T1 privilégiée)
mais w* est unei
.Î j
0 j .capacité
faible donc P 0 p,s : = et donco 1. j
D’ autre part, par
déf inition, : J If (B) -
nj
kn,k )] dP0
n, K 0w étant une mesure lim
k)
=(i)(C ) n
d’oùc’est-à-dire
w*(B) =
lim t d’où la mesurabilitéL J
j1
J
de
l’application w
-> w+2 Dans le cas
général
la mesurewv-est
définie par w mais n’est pas unprolongement
à la tribu car w etw*
necoïncident
que sur letreillis %. Cependant
sousl’hy- pothèse
C.2 on aP .ps : w(A) =
lim+7(C ) (relation R.2)
o n
pour A et donc
d’après
cequi précède w*(A) = w(A)
c’est-à-direquel’on
a bien unprolongement
et doncl’éga-
lité
uA 1 "’ A k
où lesAi
sontdans d
cequi
prouve le théorème.Corollaire : Soit
PI
la mesure aléatoire construiteprécédemment
àl’aide des théorèmes 1 et 2. La loi
Pj
1 est compacte.Preuve : La preuve
s’appuie
sur la notion de mesureparfaite
([5 ]p. 242) .
La loi P construite sur(IRA, LA)
+ estparfaite
donc aussi sesimages
et doncPl
estparfaite
sur
(04i(X,
IB),.t0153)
IB et compacte sur la sous-tribuLA qui
est a base dénombrable. La loi P1 est donc
encore compacte sur la
complétée LA
l or la relation..
.
P
w*(B) =
limî lim 1 Jlw (T1
J montre quetB C
lB 1 d’où le corollaire.II
Application
au castopologique
Nous nous proposons de montrer dans cette
partie
que lesrésultats
précédents s’appliquent
au cas où X est un espace souslinienrégulier
à base dénombrable. Les notations suivantes sont utilisées :a)
Edésigne
l’ensemble des suites d’entiers : E - QVoq
. Les élémentsde E seront
désignés
par la lettre Q .b)
S est l’ensemble des suites d’entiers delongueurs
finies : les éléments de S seront notés s ou s’.c)
s a ou s s’signifie
que la suite s est commençante pourQ(OU s’) .
d) sis’ signifie
que les deux suites finies sont de mêmelongueur
etque si s =
(s 1*** sn )
et s’ =(s’ 1*** s’ n)alors
pour tout i - l...n :Si
o 1e)
lalongueur
d’une suite s est notéeIsl .
X est dit souslinien s’il existe un espace
complet métriqiie- réparable
x0
uneapplication
continue deXo
sur X. Lespropriétés
essen-tielles de X que nous utiliseront sont rassemblés dans le lemme ci- dessous
(E 61).
lemme 3 : Soit B un borélien de X
(
lI3désigne
ici la tribuborélienne)
non vide.
i)
B =L) fl
fermé et sis~s :
A s 1cr E E
s a
~ii) V
a : 1 imU
AA, =
H(B,a ) compact
non vide contenuscr Sids s’ s s dans B.
iii)
Pour tout ouvert V tel que il existe satel
que A
s =W
’ s
s
Preuve
i)
SoitXo
espacepolonais et - 1 Y
uneapplication surjective
continue de
Xo
surX,Si (B)
est un borélien deXo
donc peut s’écrire :
=
L7 fit Fs ([6J) où F s
s est fermé,
de diamètre1
pour une
métrique
d surXo, plus petit
que2|s|
et oùle schéma est monotone c’est-à-dire F
s si ss’. On a
_
s s
alors B
n ’f(F ) .
La barredésignant
la fermeture dans Xs a s0
(on
vérifiesimplement,
X étantrégulier,
quen
s so
ii)
Soit a une suite fixée et considérons Us
’s S.1)
i
HO=lim + W Fs
t on sait queH0
est un compact non vide deX0 ([6]
p .29)
so s
’
Sa s ’ s
et par construction
F s 2 1 si . est un
compact non vide de X. Soit alors V un ouvert
quelconque
tel que
T(H 0) r- V : H c ~ - 1 (V)
donc il existe s tel quemais
l’inégalité
inverseétant triviale on a
l’égalité
cequi
prouve le lemme si on pose doncAs
=Y(F S).
Soit
alors
une base dénombrable d’ouverts pour latopologie
de X telle que
cr
(on
peutsupposer
stable par réunion et in- tersection finie doncque
est untreillis)
et soit03, ’- respecti-
vement la tribu borélienne et la classe des compacts de X. Il est
clair que les
hypothèses HOP HI) H 2
sontsatisfaite-t,(Remarque 2).
Soit alors
1
unecapacité
faiblesur
X et B un borélien. On peuttoujours
supposerif
bornée sinon on considèreY(I*) où Y
eststrictement croissante et
applique P.
sur[0,13
.Reprenons les notations du lemme 3.Le théorème decapacitabilité
se prouve en montrant que pourtout E il existe une suite
~*
=(rj... fi...)
telle que sis,,
=(0- ...r)
on ait1 ( U A )+1
pour tout p.D’apres
leSSp
lemme ! 1 on a lim
(J At
=H (B,eri
compact non vide. SoitT n
s 4.4r
suite
privilégiée
telle queL’espace
étantrégulier 3u
n
tel que
un
ouvert etn e G n aT n d’après
le lemme ! 1 il existeI~ (H(B,’i) avec
B . C’est bien dire que1 (B) = Sup i I- (K)
Kc B K
compact)d’où
laproposition
suivante :Pro osition
Si X est un espace Souslinienrégulier
à base dénombrable alors Xremplit
toutes leshypothèses d’application
desthéorèmes ! 1 et 2.
Remarque
1. Si on veut construire une mesure aléatoire de Radon il suffitd’imposer
à la famillecompatible t-A
1 "’ An
la condition suivante 1
~
C.3 Pour toute suite
privilégiée T n
on a :li m hT 1
. La mesure ainsi obtenue est en effetn n
t-régulière
et finie sur les compacts. On peut alorsmettre une
topologie
sur cet espace de mesures et étendre les théorèmesclassiques
de convergences.(G~a).
Remarque
2 : Pour montrerHo
remarquons que si K estcompact,
pour tout ouvert V tel que KC.V il existe Sappartenant
à T tel
que alors K -puisque
nma
Kr- S
n
est dénombrable. Il suffit de poser T n
0
S. et Tn n
est une suite
privilégiée
telle que lim+T -
K.n
1 T.E. HARRIS
Counting
measures, monotone random. Set functions.Z. Wahrscheinlichkeitstheorie verw. Geb 10 . 102-119
(1968)
2 et 3 P. JAGERS
Aspects of random measures and
point
processes.Advances in
Probability.
Vol. 3Edited
by
NEY and PORT. Marcel DEKKER. New York(1974)
4 P.A. MEYER
Probabilités et
potentiel.
Acutalités
Scientifiques
et industrielles 1318. Hermann 1966.5 A. TORTRAT - HENNEQUIN :
Théorie des Probabilités et
quelques applications :
MASSON6 K.R. PARTHASARATHY
Probability
measures on metric spaces.Academic Press. New York. 1967
7 A.
ACQUAVIVA
Partitions et mesures aléatoires. Mesures dominantes.
C.R. Acad. Sc. Paris t. 288