A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION B
M ICHEL S CHREIBER
Quelques remarques sur les caractérisations des espaces L
p, 0 ≤ p < 1
Annales de l’I. H. P., section B, tome 8, n
o1 (1972), p. 83-92
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Quelques remarques
surles caractérisations des espaces Lp, 0 ~ p 1
Michel SCHREIBER Université de Nancy 1
Ann. Inst. Henri Poincaré, Section B :
Vol. VIII, n° 1, 1972, p. 83-92. Calcul des Probabilités et Statistique.
SOMMAIRE. - On montre la stabilité par
ultraproduit
de certainesclasses
d’espaces
F-normés etp-normés,
enparticulier
des espacesLP, 0 _
p 1. On en déduit une caractérisation detype
universel.SUMMARY. - It is shown that certain classes of F-normed and
p-normed
spaces, in
particular LP,
0 ~ p1,
are closed forultraproduct.
A charac-terisation of universel
type
is then deduced.§
0. Dans cetravail,
on montre que les résultats obtenus dans[1]
et
[2]
par J.Bretagnolle,
D. Dacunha-Castelle et J.-L.Krivine peuvent
s’étendre au cas des espacesLP, 0 ~
p1, l’espace L°
étant entenducomme un espace de variables aléatoires muni de la convergence en pro- babilité. Les classes de sous-espaces
LP, 0 p 1,
considérés commeespaces vectoriels
métriques
en différents sens sont stables par ultra-produit.
Les résultats de[2]
montrent donc l’existence d’une caractérisa- tion detype
universel. Il est curieux de remarquer que la démonstration faite dans[5]
pourp >
1 vaut pour p 1 bienqu’il
n’existe aucune inter-prétation (opérateur p-sommant)
utilisant la dualité. Pour cequi
est ducas 0 p
1,
latechnique
montre que la convexité nejoue
aucun rôledans ces
problèmes,
l’outil fondamental restantl’interprétation proba-
biliste par les lois stables et les
techniques d’espaces
réticulés.84 MICHEL SCHREIBER
§
1. ULTRAPRODUITS D’ESPACESF-NORMÉS
Soit E un espace vectoriel
réel ;
il est dit F-normé s’il existe une fonc- tionF, réelle,
définie surE,
telle queOn sait que
F,
laF-norme,
définit sur E une structured’espace
vectorieltopologique
métrisable[4].
Inversement,
si E est un espace vectorieltopologique
réelmétrisable,
il existe une F-norme
permettant
de définir la structure uniforme de E.En
particulier
si E est un espace localementborné,
une p-norme surE,
c’est-à-dire uneapplication réelle [ [ [ . [ [ définie
sur E telle queest une F-norme.
On remarque
qu’il
nes’agit
pas icid’espaces
deFréchet,
aucunehypo-
thèse de locale convexité
n’ayant
été faite.On considère maintenant une famille
(Ei, Fi)ieI d’espaces F-normés,
indexés par l’ensemble 1 et soit ~lC un ultrafiltre sur I. Soit
Eo l’espace
vectoriel
Eo
= xi EE~,
il existeMEIR +
tel que M pour tout pour lesopérations
+ =(Xi
+yi)i~I
et = Onpose = lim
F1(xi).
Soit N l’ensemble des E
Eo
tels queF((xJ)
= 0. Alors N est unsous-espace vectoriel de
Eo
carl’inégalité (1, d)
passe à la limite suivant ~.On note E = =
Eoll
lequotient
deEo
par JV. On écrit 0 pourI
l’élément nul de E.
PROPOSITION
(1.1).
-(E, F)
est un espace F-normé.Les
propriétés (1, a), (1, b), (1, c)
et(1, d)
sont clairement satisfaites par F. Pour montrer(1, e),
une suite d’éléments de E tels queF(~,(x"))
--~ 0quand n -
oo.Si ~, ~ 1, d’après (1, c), F(~,(xn))
--~ 0.Si 1 À )> 1,
onpeut toujours
écrire ~, =~,1
+ ...+ Àk avec ~.~ ~
1 pourtout j
=1, ..., k.
D’oùCARACTÉRISATIONS DES ESPACES Lp, 0 ~ p 1 85
DÉFINITION 1.1. - On
appelle ultraproduit
des espaces F-normés(Ei, Fi)
suivant l’ultrafiltre Glll’espace
F-normé(E, F).
Si(E~, Fi)
estcomplet
pour
chaque i,
onappelle ultraproduit
des(Ei, Fi)
lecomplété
de(E, F).
La
proposition
1.1peut
encore s’énoncerPROPOSITION 1.1’. - Le classe des espaces F-normés est stable par ultra-
produit.
En
particulier si
F est un p-norme,PROPOSITION 1.2. - La classe des espaces
p-normés
est stable par ultra-produit.
Étant
donné un espace F-normé(E, F),
soient ~ la famille de ses sous-espaces S de dimension
finie,
un ultrafiltre sur G et l’ultra-produit
des S suivantUG (l’existence
d’un ultrafiltre sur EX est assuréepuisque {A(S) == {
S’ E~,
S’ >S ~ ,
en est un.L’injection h qui
à x E E fait
correspondre (xS)S~G
E où xs = x si x E S et xs = 0 six rt
S est linéaire etisométrique (F(h(x))
=lim F((xs))
=F(x)).
Soit E une classe
d’espaces F-normés ;
DÉFINITIONS( 1 . 2).
1)
Un espace F-normé est dit detype ~
s’il existe un élémentet une isométrie de E dans C.
2)
UnÀ-isomorphisme
T d’un espace F-normé dans un espace F’-normé E’ est uneapplication
linéaire continue T de E dans E’ telle quesi
on note ~ T - Su
F’(Tx)
alors ~ T -1 ’ ’
si on
note !! alors !! Il T-1~ 03BB. (On a
engénéral 03BB 1,
le cas À = 1correspondant
à uneisométrie).
3)
On ditqu’un
espace F-normé E seplonge À-isomorphiquement
dans ~ ou est de
type
~, - ~ s’il existe C E CC et unÀ-isomorphisme
de Edans C.
4)
Une classe ~d’espaces
F-normés a lapropriété
de À-finitude si pour tout espace F-normé E les deuxpropriétés
suivantes sontéquiva-
lentes :
a)
E est detype ~, - ~,
b)
tout sous-espace de dimension finie de E est detype
À - ~.86 MICHEL SCHREIBER
PROPOSITION 1. 3. - Toute classe ~
d’espaces
F-normés stable par ultra-produit
a lapropriété
de À-finitude.La démonstration se fait comme dans le cas des espaces de Banach
[2].
Il est évident que
a)
entraîneb).
Si E est un espaceF-normé, (Es)sey
lafamille de ses sous-espaces de dimension
finie,
il existe pourchaque
un
À-isomorphisme Ts
deEs
dans un espaceCs
deE,
donc un À-isomor-phisme
de dans et on saitqu’il
existe une isométrienaturelle de E dans
§
2. RAPPELS SUR LES ESPACES VECTORIELSMÉTRIQUES RÉTICULÉS
On suppose maintenant que pour
chaque i, Ei
est un espace vectorielréel, F i-normé, réticulé, complet
pour latopologie
définie parFi
et on notel’ordre
,
le supV,
l’infA, xi =
xi V0, xi =
xi A0, |xi| = xi
+xi .
On suppose de
plus
que pourchaque
i les relations1) Fit 1
xiI )
=2) C Fi(xi) Fi( Yi)
si 0 yi,sont satisfaites. On remarque que ces conditions sont du
type
de cellesqu’on
note(A, B)
dans le cas normé[3].
Ces relations entraînent : -a)
danschaque (Ei, Fi)
lesopérations
V et A sontcontinues ;
en effetpour xi et Yi E
Ei,
on a xiV yi
=(x; -
+ yi et, comme lesopérations
vectorielles sont
continues,
la continuité de V estéquivalente
à celle de( )+.
Mais en vertu de lasous-linéarité vi
=xi + yi+ (x; - yj
et- vi
- Yi xl 5 (Yi - xi)+ - (xi Yi) .
D’oùFi(xi - yi) = Fi(Vi)
=
Fi(vi
+VF) 5 Fi((xi - Yi)+
+(Xi - Yi)-) =
ib) puisque
dans tout espace vectorielréel [
on a pour tout
i, Fi(xi
V y; - z; VFi(xi - z;)
+Fi( Yi - ui).
On munit
Eo
de l’ordre si pour tout i et on pose(Xi)ieI V
=(Xi
V On a donc pour et(Zi)ieI
dansEo, Fi(xi
V Zi - yi Vz;)
xFi(xi - yj
pour touti,
soitFi((xi)
V(zj - (yj
V(zi))
~
(y,)).
Donc si(mod %)
on a V(zi)im "’
V
(mod ~).
Il s’ensuit que E est réticulé.D’autre
part,
commeF((xJ
V( y;) -
V( y~)) F(xi - x~)
+F( yi - Yi)
l’opération
v de E x E dans E est continue.CARACTÉRISATIONS DES ESPACES LP, 0 ~ p 1 87
Enfin,
les conditions 1 et 2 sont satisfaites :F( ( xi ~ )
=F((xJ)
et0 F((x;)) 5
si0 ~ (xi 5
On a doncPROPOSITION 2.1. - La classe des espaces vectoriels réels
réticulés, F-normés,
de F-norme satisfaisant les conditions 1 et 2 est stable parultraproduit.
C’est enparticulier
vrai si les F-normes sont des p-normes.On a d’autre
part
PROPOSITION 2.2. - Soit E un espace vectoriel
réel, F-normé, réticulé, complet,
de F-norme satisfaisant les conditions1)
2)
si0 ~
x y, on aF(x) F( y)
est si deplus x ~ y, F(x) F( y), 3)
toute suite décroissanted’éléments ~
0 converge.Alors il existe dans E une
algèbre
de Boole B vérifiant les deuxpropriétés a)
pour tout z ~0, zEE,
il existe e e é0 tel que z A e =0,
b)
si e e é3 et u EE,
si u A(e - u)
=0,
alors u E PA et le sous-espace vectoriel 6engendré par é0
estpartout
dense dans E.La démonstration se fait comme dans le cas des espaces de Banach
[2].
L’algèbre
est de la forme-I- ~ J
oùchaque ~~
est unealgèbre
de Boolede E telle que J
pour tout
zeE,
z >0,
il existe tel que z A x ~ 0(ou
encore lafamille est maximale
parmi
celles satisfaisant aux deuxpremières propriétés).
§
3. LES ESPACESLP,
0 p 1Soit
LP(Q;, di,
0 p1, l’espace
des classesd’équivalence
desfonctions mesurables à valeurs réelles définies sur
S21
telles quepour la relation
d’équivalence fi ~ gi si ( f - gi~ Ip
= o. On sait queIl f ~ ~ p
est une p-norme, donc une F-norme[4],
d’où enparticulier
88 MICHEL SCHREIBER
La
quasi-norme
définit surLp(S2i, ~~,
unetopologie d’espace
vectoriel
topologique
réel localement borné parl’inégalité
Pour tout
i,
on poseE,
= le sous-espace vectorielEo
dedi, ~~)
est alors défini parI
Eo di, Jli)’
il existe M~R + telque ! h ~pp
M pour touti}.
Pour tout élément
(h)iEI
deEo,
on écritIl ( f ) IIp
=lim Il alors ( ( ( f )
est une
semi-p-norme.
Soit % l’ensemble des éléments deEo
de semi-p-norme
nulle ;
alorsDÉFINITION 3.1. -
L’ultraproduit
E est lecomplété
duquotient
pour la
On a dans le cas
présent
PROPOSITION 3.1. - E est un espace vectoriel
réel, réticulé, p-normé,
de p-norme satisfaisant les conditions 2.1 et 2.2.
Pour
chaque i, Ei
est un tel espace.D’après
laproposition
2.1 il en estde même de E.
PROPOSITION 3.2. - Toute suite décroissante
d’élément ~
0 de E estconvergente.
Pour tout
i,
on apuisque
la fonction x -xP, 0
p 1 est concave. Considérons une suite décroissante d’élémentspositifs
de E. Pourchaque i,
donc
Il Il hn+ ~p,
cequi
entraînelim Il
>lim Il fn+1i ~p
etLa suite décroissante des nombres
positifs Il
tend en décroissant vers une limite a. Pour tout B >0,
il existeun nombre
positif
N tel quesi n
N onait Il IIp
a + e.Si m
n >N,
1 lp
+ soit e, cequi
montre que la suite est de
Cauchy.
Les conditions de la
proposition
2.2 étantsatisfaites,
on saitqu’il
existedans E une
algèbre
de Boole B telle que le sous-espace de Eengendré par B
soit dense dans E. La construction de B se fait comme dans le cas des espaces de Banach
[1].
CARACTÉRISATIONS DES ESPACES Lp, 0 ~ p 1 89
PROPOSITION 3. 3. - La classe des espaces
LP(Q, J1),
0 p1,
est stablepar
ultraproduit.
La
proposition
1.3 entraîneCOROLLAIRE 3 . 3. - La classe des espaces
LP(Q,
0 p 1possède
la
propriété
de finitude.DÉFINITION 3.2. - Un espace vectoriel réel
E, p-normé
est dit detype
p, 0 p 1 s’il existe un espace mesuré(X, ~)
et uneapplication
linéaireisométrique
de E dansLP(X, /~).
En
particulier l’ultraproduit
d’une familled’espaces ~c~),
i E 1suivant un ultrafiltre % sur 1 est de
type
p.PROPOSITION 3.4. - La classe des espaces réels
p-normés
detype p
est stable par
ultraproduit
etpossède
donc lapropriété
de finitude.Soit une famille
(E~, d’espaces p-normés
et Gll un ultrafiltre sur I.A tout
(E, Fi)
on associe unLP(Q;,
par l’isométrieh; :
xt - On a alorsF(xi)) = lim Fi(xi) =
=Il I h((xt)) ~pp
où h =définit bien une isométrie de dans
I I
Soit E un espace vectoriel réel et
soit ~
une fonction réelle définie sur E telle que1)
0 et = 0 entraîne x =0,
2) cjJ
esthomogène : 1 À
pour tout Àréel,
3)
1 + ... + est continue en(~, l,
...,Àn) quels
que soient xi, ..., x~ deE,
4)
il existe un nombre p, 0 p1,
pourlequel
est detype négatif
n
sur
E,
c’est-à-dire satisfait à lacondition
0quels
j,k = 1
que soient l’entier
positif n,
les éléments =1,
...,n)
de E et les nom-n
bres réels =
1,
...,n)
telsque a -
0.PROPOSITION 3. 5.
- L’espace (E,
est un espace vectoriel réelp-normé
de
type
p.Soient xi, ..., Xm n éléments de E linéairement
indépendants ; Exl,, ..,xn
peut
donc être identifié à (Rn et considérée comme une fonction detype négatif
sur D~n.90 MICHEL SCHREIBER
On sait
[1] qu’on peut
écrireoù est une mesure de
Radon >
0 sur lasphère
unitéS~
de ~n.Cette
expression
définit uneapplication
linéaire deEx1,...,xn
dansx1,...,xn) qui à 03A3nj=103BBjxj
faitcorrespondre 03BBjSj,
et enposant
~03A3n03BBjxj~p
= + ... + on définit une p-norme surEx
1,, ,P
Tout sous-espace de dimension finie de E
pouvant
être défini par des éléments xi , ..., x~ linéairementindépendants
est donc un espacep-normé isométrique
à un espaceLP,
c’est-à-dire un espace detype
p. La classe des espaces(E,
est stable parultraproduit puisque
La
proposition
3.4 entraîne donc que(E,
est detype
p.On suppose maintenant que E est un espace vectoriel réel réticulé et
que ljJ
est une fonction réelle définie sur E pourlaquelle
il existe un p, 0 p 1 tel que soit une p-norme sur E satisfaisant les conditions1)
E estcomplet
pour latopologie
définie par2)
3) ljJ(x
+y) > ljJ(x)
+ljJ( y)
si x ety > 0,
4)
Vy)
+ Ay) =
+ si x 0.Alors
PROPOSITION 3.6. - Il existe un espace mesuré
(X, J1)
tel quel’espace p-normé,
réticulécomplet (E,
soitisomorphe
àLP(X, ,u).
Les conditions
imposées
entraînent que les conditions de la propo- sition 2.2 sont satisfaites par d’où l’existence d’une6-algèbre
deBoole [JI = La mesure sur
chaque peut
alors être définie parJ
,u~-(u~) _
La démonstration se termine comme dans le cas des espa-ces de Banach
[1].
On
peut
enfin montrer le résultat suivantqui généralise
ceux de[5] :
PROPOSITION 3.7. - Soient E un espace
p-normé et ~, >_
1. Une condi-tion nécessaire et suffisante pour que E soit
À-isomorphe
à un sous-espace d’un espaceLp,
0 p1,
est quequels
que soient les rationnels a~~,CARACTÉRISATIONS DES ESPACES LP, O p 1 91
m n
v v p
1
_ j
_ m, 1 _ i _ n tels que03C3j|03A3 aij03C1i|p >__
0 pour tous p 1, ... , pnréels,
on ait :quels
que soient x1, ..., xn deE, où mj
= 03BB si03C3j ~
0 etmj
= 1 si03C3j
0.La démonstration se fait comme dans le cas des espaces normés
[2].
§
4. LE CASL °.
Soient
(Q;, di,
une familled’espaces
deprobabilité
indexée par l’ensemble 1 et Gll un ultrafiltre sur I. Soit d’autrepart
unefonction f, réelle,
définiesur (~, paire,
strictement croissantesur f~ +
et telle quef (o) = o, f(l)
= 1 et lim00 f(x) =
K oo(par exemple /(x) = 201420142014 .
. Unetelle fonction
permet
de définir pourchaque
i E I une F-norme surl’espace
vectoriel
L? = L(Qi’ di, P;)
des classes de variables aléatoires réelles définies sur(Qi’ ~~, P;)
parOn sait que la
topologie
del’espace
vectoriel F-normé(L?, F;)
est cellede la convergence en
probabilité
des variables aléatoires deL?
et que(L?, Fi)
estcomplet.
D’autre
part L?
est réticulé pour l’ordre naturel pour les variables aléatoires réelles etFi
satisfait les conditions 2.1 et 2.2.Soit
(L°, F) l’ultraproduit
des(L?, Fi)
suivant % construit àpartir
del’espace
vectorielLg XiEL? ;
il existeM,
0 M K tel queFi(Xi)
M pour touti ~ .
On sait que
(L°, F)
est un espace vectorielréel, réticulé,
F-normé(pro- position 2 .1 ).
Soit maintenant
~°
l’ensemble des éléments deL°
de la forme(lpi)iEI,
pour tout i : c’est une
algèbre
deBoole,
d’élément unitéen effet et si
(1pi)iEI
et(lA)iEI
sont dans~°,
sont dans Et F est une
probabilité
additive suré0o
carF«(lg))
= 1et
F((lA)
V(lA))
=F((lA~))
+ si A(lA)iEI
= 0.92 MICHEL SCHREIBER
Soit B le
complété
deé3o
dansL° ;
comme F est continue surL° puisque 1 Fi(Xi) - Fi(Xi - YJ
pour touti,
il s’ensuitque B
est une6-algèbre
surlaquelle
F est a-additive. Pour tout élément B de~,
on poseP(B)
=F(B).
La03C3-algèbre probabilisée (B, P)
estisomorphe, d’après
le théorème de
Loomis,
à une6-algèbre probabilisée P) quotient
d’une(7-algèbre
departies
d’un ensemble Q par un 7-idéal d’éléments de pro- babilité P nuls.L’espace R
des fonctionsétagées
sur B estisomorphe
àl’espace 6
desfonctions étagées
sur(Q, d, P). Puisque
P est additive sur B pour les élé- mentsétrangers
etF(03BBB)
=lim
=f(03BB) lim Fi(Bi)
=f(03BB)F(B),
lafonctionnelle F définit sur
P)
unetopologie d’espace
F-normééqui-
valente à celle de la convergence en
probabilité.
Lecomplété
pour F de6(Q, P)
étant~, P),
espace des variables aléatoires réelles définiessur
(Q, ~, P)
munies de la convergence enprobabilité,
on aPROPOSITION 4.1. - Le
sous-espace ~
deL°, complété
del’espace
engen- dré par estisomorphe
àd, P).
Soit maintenant un élément
étranger
àé3o,
c’est-à-dire tel queF((X;)
A(lA))
= 0 pour tout élément deé3o,
enparticulier
pourAlors
lim
A103A9i) =
0 cequi implique
que l’ensemble{
i EI, Xi
=0, P, -
p.s. }
EGll,
c’est-à-dire = 0. Lesous-espace R
de
L°
est doncidentique
àL°,
d’oùPROPOSITION 4.2. -
L’ultraproduit L~
d’une familled’espaces
de varia-bles aléatoires munies de la convergence en
probabilité ~~, P;)
est
isométrique,
en tantqu’espace
vectorielmétrique
réticulé à un espace du mêmetype, d, P).
BIBLIOGRAPHIE
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( Manuscrit reçu le 21 juillet 1971 ) .
Directeur de la publication : GUY DE DAMPIERRE.
IMPRIMÉ EN FRANCE
OÉPOT LÉGAL ÉD. N° 1859b. IMPRIMERIE BARNÉOUD S. A. LAVAL, N° 6334. 1-1972.