A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION B
T HIERRY DE L A R UE
L’ergodicité induit un type spectral maximal équivalent à la mesure de Lebesgue
Annales de l’I. H. P., section B, tome 34, n
o2 (1998), p. 249-263
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249
L’ergodicité induit
untype spectral maximal équivalent à la
mesurede Lebesgue
Thierry
DE LA RUEAnalyse et Modèles Stochastiques - UPRES-A CNRS 6085, Université de Rouen, Mathématiques Site Colbert F76821 Mont-Saint-Aignan Cedex .
e-mail : delarue@univ-rouen.fr
Vol. 34, n° 2, 1998, p. 263. Probabilités et Statistiques
ABSTRACT. - It is shown that every
ergodic automorphism
of aLebesgue
space
induces,
on a dense class of sets, some transformations whose maximalspectral type
isequivalent
to theLebesgue
measure. ©Elsevier,
Paris
RÉSUMÉ. - On montre ici que tout
automorphisme ergodique
d’un espace deLebesgue induit,
sur une famille dense departies
del’espace,
destransformations dont le
type spectral
maximal estéquivalent
à la mesurede
Lebesgue.
©Elsevier,
Paris1. INTRODUCTION ET NOTATIONS
On
désigne
par T unautomorphisme ergodique
del’espace
deLebesgue (X, ,A, m).
Sif
E on note af la mesurespectrale de f
sousl’action de
T,
c’est-à-dire la mesurepositive
finie sur le cercleT,
identifiéà l’intervalle
[-7r, ’if],
dont les coefficients de Fourier sont donnés parOn munit l’ensemble des mesures
positives
finies sur T de latopologie
dela convergence
faible ;
cettetopologie
étantmétrisable,
on fixe une distancequi
la définit. On note enfin À la mesure deLebesgue
normalisée sur T.Annales de l’Institut Henri Poincaré - Probabilités et Statistiques - 0246-0203 Vol. 34/98/02/@ Elsevier, Paris
250 T. DE LA RUE
1.1. Induction et
propriétés spectrales
Kakutani
( [7] )
a introduit en 1943 la notion de transformation induite par T sur unepartie
mesurable nonnégligeable
de X. Pour tout A G A demesure strictement
positive,
on définit la tribu nA, B
e~4},
etla
probabilité
Latransformation
induite par T sur A estl’automorphisme TA
del’espace
deLebesgue (A, AA ,
défini paroù
def
>1, Tkx
GAA
est le temps de retour de x enA, qui
estfini pour presque tout x dans A par le théorème de récurrence de Poincaré.
Pour p >
1,
on définitégalement
defaçon
évidente lep-ième temps
deretour en
A,
notér~,
de sorte que pour presque tout x dansA,
L’induction conserve
l’ergodicité,
mais demultiples
travauxprouvent
que d’autrespropriétés spectrales peuvent
êtregagnées
ouperdues
en induisant.Ainsi,
Conze[2]
et Hansel[6] ]
ont établi que Tpouvait toujours
induireune transformation
ayant
une valeur propre fixée à l’avance(ce qui peut
aussi être vu comme uneconséquence
de la théorie del’équivalence
ausens de
Kakutani, développée
un peuplus
tard dans[9]). Inversement,
Chacon a montré dans[1] que
l’onpouvait
aussi obtenir par induction par T une transformation faiblementmélangeante ;
ce résultat fut amélioré par Friedman etOrnstein, qui prouvent
dans[5]
que l’onpeut
même induireune transformation
mélangeante.
Deplus,
l’ensemble des A pourlesquels TA possède
l’une de cespropriétés spectrales
esttoujours
dense dansA,
la tribu A étant munie de la distance
(on
identifie deux ensembles de différencesymétrique négligeable).
On se propose ici de renforcer encore le résultat de Friedman et
Ornstein,
en montrant comment construire A tel que le
type spectral
maximal deT ~
soit
équivalent
à la mesure deLebesgue.
Cettepropriété, qui implique
lemélange
en vertu du lemme deRiemann-Lebesgue, peut
se caractériser de lafaçon
suivante : il existe une famille dénombrable( f n ),
dense dans le sous-espace deL2
formé des fonctions de moyennenulle,
telle que pourIl est
déjà
connu que T induit lespectre
deLebesgue
dans les deux cassuivants : si T est
d’entropie
strictementpositive,
car alors T induit unK-système (voir [10]),
ou si T estd’entropie
nulle et lâchement Bernoulli(par exemple
si T est une rotationirrationnelle),
car le flothorocyclique
estlui-même
d’entropie
nulle et lâchement Bernoulli(voir [ 11 ] ),
et aspectre
deLebesgue.
1.2. Mesure
spectrale
induiteSi A E
A
est de mesure nonnulle,
pourtout f
EL 2 ( m ),
est dansOn note alors af,A la mesure
spectrale
defj ,
sous l’action deTi.
LEMME 1. - Soit une suite d’éléments de
A,
et A E A. On suppose que A et tous lesAn
sont de mesure nonnulle,
et queAlors pour toute
fonction f
dansL°° (m),
on aPreuve. - Il suffit de montrer que pour
tout p
>0,
C’est évident pour p =
0,
on suppose doncp >
1.Etant
donné ~ >0,
choisissons un entier N assezgrand
pour quepuis
prenons n assezgrand
pour queVol. 34, n° 2-1998.
252 T. DE LA RUE
2.
ÉTALEMENT
D’UNE MESURE SPECTRALE PAR PRODUIT GAUCHE AVEC UN BERNOULLIÉtant
donné un nombre réel 8E ]0, 1 [,
on définit surl’espace
la
probabilité P8,
souslaquelle
les coordonnées d’unpoint
c.~ E Qsont des variables aléatoires
indépendantes vérifiant,
pour tout entier p,Le
décalage
descoordonnées,
notéS,
définit sur Q muni de laprobabilité P8
unsystème dynamique
de Bernoulli.(X, A, m, T)
étant unsystème dynamique ergodique,
on définit surl’espace
03A9 X la transformation T parCette transformation est
appelée
unproduit gauche
de S etT ;
ellepréserve
bien sûr la mesure
produit,
et certaines de sespropriétés
ont été étudiées par I.Meilijson [8],
dans un cadre un peuplus général. Meilijson
démontre le résultatsuivant,
utilisé notamment par Omstein etSmorodinsky
dans[10].
THÉORÈME 2
(Meilijson). -
Leproduit gauche
Tdéfini
ci-dessus est unK-système.
On n’aura pas besoin ici de ce
théorème,
mais il a néanmoinsinspiré
le travail
qui
va suivre.2.1.
Étude
d’une mesurespectrale
dans leproduit gauche Soit f
EL2(m),
de moyenne nulle(ce qui
assureque ~-({0}) = 0,
carT est
ergodique).
On définit sur la fonctionf
parx)
déff(~),
eton
note o.
la mesurespectrale
def
sous l’action de T. UnK-système ayant toujours spectre
deLebesgue,
le théorème deMeilijson
énoncé ci-dessuslaisse
prévoir
queOr
est absolument continue parrapport
à A. L’étudequi
va suivre confirme ce
résultat,
et montre mêmeque a j
estéquivalente
à ~.On a
puis,
pour p >1,
où le
complexe
est défini parSi p
0,
on a enfinCe calcul montre
déjà
que,$
étantnxë,
la mesurespectrale (7. de /
dansle
produit gauche
nedépend
que de la mesurespectrale
de/
sous l’actionde T. Ceci nous amène à poser la définition suivante.
DÉFINITION 3. - 57 0- est une mesure
positive finie
sur Tqui vérifie
r({0})
=0,
G]0,1[,
on appelle 03B4-étalée de 9’ la mesure surT,
(03C3)03B4, dont
lescoefficients
de Fourier sont donnés paroù est
dé~ni
par(1 ), ,
2.2.
Propriétés
de la 03B4-étalée d’une mesure aPROPOSITION 4. - Soit a une mesure
finie
non nulle surT,
telle que03C3({0})
=0,
et soit 8E ]0,1[.
La 03B4-étalée de a esttoujours équivalente
àÀ,
sa densité étant donnée parVol. 34, n° 2- 1998.
254 T. DE LA RUE
où
Cette densité est continue et strictement
positive sur T B {0}. Enfin,
la03B4-étalée de 03BB reste
égale
à 03BB.Preuve. - On vérifie facilement que la fonction
K 8
est définie et continueen dehors de
(0,0),
etqu’elle
est strictementpositive
dès queT #
0. Onen déduit que la fonction
~~ (a, .)
est strictementpositive (éventuellement
infinie
pour t
=0),
etqu’elle
est continue en dehors de zéro par lethéorème de convergence dominée.
Par
ailleurs,
siT #
0 estfixé,
comme1 1,
la fonctiont - ) n’est autre
qu’un
noyau dePoisson,
que l’onpeut
écriresous la forme
En
particulier,
cette fonction estd’intégrale
1. Le théorème de Fubinipermet
alors de calculer les coefficients de Fourier de la fonction/5(7,.) :
pour tout entier p >
0,
et ceci suffit pour prouver que admet
f s (o-, . )
comme densité.Enfin,
remarquons que pourtout p
>0,
On a donc
bien (À)5
=À,
cequi
achève la preuve de laproposition
4. DDes résultats
qui
viennent d’êtreétablis,
on déduit facilement un corollaire utile dans la suite.2.3.
Approximations
de la 8.étalée de ~r~ par inductionOn fixe ici un réel 03B4
E ]0, 1/2[,
et une fonctionsimple
de moyenne nulleoù les ai sont des nombres
complexes,
et7~ ~ {jPi,..., PL ~
est unepartition
finie de X.Prenons un entier h > 3. Le lemme de Rokhlin-Halmos assure
qu’il
existe un F dans A tel que
.
F, T F, ... ,
sont deux à deuxdisjoints,
~ F est
indépendant
de lapartition
Pour & >
1,
soit~= {1,2}~.
Si s =(so, ... ,
on noteOn
peut partitionner
F en2h parties
notées de telle sorte que, pour tout atomeQ de Q,
et tout s E on aitPosons
aussi,
pour s =(so,
... ;On définit enfin
BEA
par.
LEMME 6. - Etant donné ~ >
0,
si on choisit h assezgrand,
l’ensembleB construit ci-dessus
vérifie
Preuve - On vérifie facilement que
Vol. 34, n° 2-1998.
256 T. DE LA RUE
où
Or, j
étantfixé,
on aet
donc,
dès que h est assezgrand,
ce
qui
prouve(2).
Pour établir
(3),
il suffit de voir que, étantdonné ~ ~ 1B1, (p)
estarbitrairement
proche
de(p) pour h
assezgrand.
Pourcela,
écrivons(p)
sous la formeavec
Comme
m(B2) 2p/h, pour h
assezgrand,
en utilisant(2)
on obtientPuis,
1 -2p},
on aOr,
par construction deFs, TjFs
est àchaque
foisindépendant
de lapartition P
V Dans le second membre del’égalité
ci-dessus,
on a doncEn écrivant
m( Fs)
= =d’où
Or,
si h est assezgrand
pour avoir(2),
on aOn déduit alors facilement
(3)
de(4)
et(5).
DObservons maintenant que l’ensemble B construit
précédemment
estindépendant
deP,
cequi
entraîneEnfin,
il n’est pas difficile de voir que cette constructionpeut
s’effectueren traitant simultanément un nombre fini de fonctions
simples
de moyenne nulle. En conclusion de cettepartie,
onpeut
donc formuler laproposition
suivante.
PROPOSITION 7. - Si 8 est un nombre réel
dans 0, 1 /2[,
et sif 1,
...,f rt
sont n
fonctions simples
de moyenne nulle surX,
pour tout ~ > 0 on peutconstruire BEA, indépendant
dechaque vérifiant
et pour tout i
E ~ 1, ... ,
Vol. 34, n° 2-1998.
258 T. DE LA RUE
3. INDUCTION DU TYPE SPECTRAL MAXIMAL
ÉQUIVALENT À
LA MESURE DE LEBESGUE3.1. Contrôle de la densité
LEMME 8. - Soit a une mesure
positive finie
surlr,
ayant une densité cp strictementpositive
et continue surTB{0},
soit Junfermé
de T ne contenantpas
0,
et soit cE]O, 1 [. Alors,
pour 8 assezpetit,
on peut trouver p > 0 tel que, pour toute mesure vpositive finie vérifiant d.u,x a-, v)
p, on aitPreuve. - Choisissons ~ > 0 tel que, pour tout t e
J,
6,et ~- p(t)
>cp(t)
+ ~.D’après
la définition dezs(T),
on a clairementcette convergence étant uniforme par
rapport
à T E T.Puis,
en écrivanton voit facilement que
pour t #
T,et que pour tout 8 >
0,
cette convergence est uniforme sur l’ensemble des(T, t)
tels que > B.Comme,
deplus, t)
estpartout positif
etvérifie
d’après
le corollaire5,
pour tout t# 0,
on en déduit que
uniformément par rapport à t sur J.
Soit donc 8 assez
petit
pour quef~ t) ~/2
pour tout t E J.Il reste à prouver l’existence d’un
voisinage
U de tel que, si ve U,
la famille de
fonctions {K03B4(.,t), t ~ J} forme
uncompact
deC(T).
Onpeut
donc trouver unepartie
de J telle queOn
peut
ensuite trouver unvoisinage
U de a tel que, pour toute mesure v dansU,
on ait et pourtout j E ~ 1, ... , r},
Ainsi,
pour tout t EJ,
enchoisissant j
donné par(6),
on a dès que v E U3.2. Induction d’une mesure
spectrale équivalente
à la mesure deLebesgue
On fixe à nouveau une fonction
simple
dansL2 (m)
> 0 et
Jy f
o. On note P lapartition ~ ~1,
...,PL ~ .
PROPOSITION 9. - Etant donné ~
E 0, 1 [,
onpeut toujours
trouver A EA,
avec > 1 - ~, tel que la mesure
spectrale
de pourT,~
soitéquivalente
à la mesure deLebesgue.
°
preuve. - On fixe tout d’abord une suite de réels
dans ]0, 1[,
telle que
On pose aussi
1,
et on note pour tout TL EN, Jn = ] - 2-n,2-n[.
On va construire par récurrence une suite décroissante dans
A,
avec et une suite de réels tels que pour tout n,ô,~, c~+i)/2[.
On notera cp~ la densité Ces suites devront vérifier lespropriétés suivantes,
pourtout n >
0.Vol. 34, n° 2- 1998.
260 T. DE LA RUE
Supposons
ces suitesdéjà construites,
et montrons alors que l’ensembleA déf nnEN An
convient.Puisque (l)n
est vérifiée pourchaque
n, il est clairque
m(A)
> 1 - 6-.Remarquons
ensuite que,chaque An
étantindépendant
de
P,
A est lui-mêmeindépendant
deP,
et doncfA f
dm =0 ;
on endéduit que
Puis,
commef
estbornée,
onpeut appliquer
le lemme 8qui
donnePar
(3)n,
on a donc aussiOn en déduit que, pour
tout j
>0, cry ~
est la limite d’une suite demesures
équivalentes
àA,
dont les densités surTB] - 2"~, 2-j [ sont toujours comprises entre 1 2 mint~Jj 03C6j(t)
et 2 maxt~ Jj 03C6j(t).
Ce résultatajouté
à(7)
prouve que est
équivalente
à À.Il reste à voir comment construire les suites annoncées.
Commençons
par choisir arbitrairement un réelbo E ]0, ( 1 - /2 [.
Grâce à laproposition 4,
on sait que
(0-
= estéquivalente
à~,
de densité cpo continue et strictementpositive sur T B ~0~.
En utilisant le lemme8,
onpeut
choisir]0, ( 1- C2)/2[
assezpetit
pourqu’il
existe pi > 0 vérifiant : pour toutemesure finie v telle que
dw* (v, (~~)bo
pl, pour tout t EJi,
Puis,
laproposition
7 assurequ’il
existeAIE
A tel que.
Ai
estindépendant
deP,
.
dw*
min{pi, 1/2}.
À
cestade,
lespropriétés (1)~,..., (4)~
sont vérifiées pour n =0, 1.
Supposons
maintenant connusAo,..., An
et~o,..., 8n qui
vérifienttoutes les
propriétés
vouluesjusqu’au
rang n. On seplace
dans le cadre dusystème dynamique
induit par T surAn .
Enappliquant
le lemme8,
onpeut
choisir8n+1 G ]0, ( 1 - cn+2)/2[
assezpetit
pourqu’il
existe > 0 vérifiant : pour toute mesure finie v telle quedw (v,
on a
~
’ ~
On utilise alors la
proposition
7 pour trouverAn+l
CAn,
tel queAlors les
propriétés (1)n+1,..., (4)n+1
sontvérifiées,
cequi
prouvequ’il
est
possible
de construire les suites annoncées par récurrence. D 3.3. Obtention du résultat annoncéTHÉORÈME 10. - Si
(X, A,
m,T)
est unsystème dynamique ergodique,
l’ensemble des A E A pour
lesquels
le typespectral
maximal deTA
estéquivalent
à ~ est dense dansA.
Preuve. - Il suffit de montrer que pour tout ~ >
0,
il existe A EA
avec> 1- ~, tel que
T ~
ait lapropriété
annoncée. Pourcela,
on se fixe une suite de fonctionssimples
et de moyenne nulle surX,
dense dansPour tout C E A de mesure strictement
positive,
et tout n >0,
on poseLa
proposition
9peut
facilement segénéraliser
de sorte à traitersimultanément un nombre fini de fonctions
simples
dansL~(m).
Par lamême méthode que dans la preuve de cette
proposition,
on construitl’ensemble A cherché comme l’intersection d’une suite décroissante
Vol. 34, n° 2-1998.
262 T. DE LA RUE
l’ensemble
A,+i
étant construit àpartir
deAiz
pour traiter simultanément les 7~ -I-1 fonctionssimples
,/i ~ !
-4,. ... ,f {-~12 )
-4 ,.dans
).
Biensûr,
il n’est paspossible
de construire l’ensemble A defaçon
à ce que pour tout n, il soitindépendant
de lapartition 7~
définie parf,rz.
Onremplace
donc lapropriété (2).,i
de la preuve de laproposition
9 par(2)~ A,,
estindépendant
de la restriction à de lapartition
ce
qui
assure que pour tout n,(et donc
=f ~~~’Z ~ i ,~).
Les autres détails de la construction sont laissésau lecteur. On obtient ainsi A tel que, pour
tout n ~ 0,
la mesurespectrale
de
~~‘~~
sous l’action der4
estéquivalente
à A.Or,
la suite étantdense dans la suite
(f(A)n)n~N est
elle-même dense dansLa transformation induite par T sur A a donc un
type spectral
maximaléquivalent
à le mesure deLebesgue.
D3.4.
Questions
ouvertesUne
question
bien naturelleaprès
avoir effectué cette construction consiste à se demander si l’onpeut
contrôler lamultiplicité spectrale
de la transformation induite. Cette
multiplicité
est-elleautomatiquement
infinie ? Ou
peut-on,
ensupposant
au moins Td’entropie nulle,
induireune transformation à
spectre
deLebesgue
enmultiplicité
finie ?Un autre
problème
intéressant concernant l’induction est celui de lagénéricité
despropriétés
d’une transformation induite. On munit A de la distanceet on dit
qu’une propriété
s’obtientgénériquement
par induction si l’ensemble des A pourlesquels Tx
vérifie cettepropriété
est résiduel. Dans[4],
Del Junco etRudolph
montrent que si T estd’entropie
strictementpositive,
une transformation induite par T estgénériquement
unK-système,
donc à spectre de
Lebesgue.
Enrevanche,
si T est lâchement Bernoullid’entropie nulle, Tx
estgénériquement
un rang unrigide,
et donc n’estmême pas
mélangeante.
Del Junco etRudolph
demandent alors s’il existe des transformationsd’entropie
nullequi
induisentgénériquement
le
mélange.
Le mêmeproblème
se pose naturellement pour le spectre deEnfin,
uneconséquence
directe de ce travailpeut
s’énoncer ainsi : lamesure de
Lebesgue
est une mesurespectrale
universellementinductible,
au sens
où,
pour toute transformationergodique T,
il existe A mesurable etf
EL~’ (rrL)
tels que ~- f,~ _ À. Ce résultatpeut également
se déduire de[9]
et
[ 11 ] .
Par contre, on construit dans[ 12]
une mesurepositive
finie et diffusesur T
qui
n’est pas inductible par une rotation irrationnelle.Que peut-on
alors dire sur la classe des mesuresspectrales
universellement inductibles ?REMERCIEMENTS
L’auteur tient à remercier le
rapporteur
pour les nombreuses améliorationsqu’il
asuggérées
dans la rédaction de ce travail.RÉFÉRENCES
[1] R. V. CHACON, Change of Velocity in Flows, Journal of Mathematics and Mechanics, Vol. 16, 5, 1966, p. 417-431.
[2] J. P. CONZE,
Équations
Fonctionnelles et Systèmes Induits en Théorie Ergodique", Z.Wahrscheinlichkeitstheories verw. Geb., Vol. 23, 1972, p. 75-82.
[3] I. P. CORNFELD, S. V. FOMIN et Ya. G. SINAI, Ergodic Theory, Springer-Verlag, 1982.
[4] A. DEL JUNCO et D. J. RUDOLPH, Residual behavior of induced maps. preprint.
[5] N. A. FRIEDMAN et D. S. ORNSTEIN, Ergodic transformations induce mixing transformations, Advances in Mathematics, Vol. 10, 1973, p. 147-163.
[6] G. HANSEL, Automorphismes induits et valeurs propres, Z. Wahrschein lichkeitstheorie
verw. Geb., Vol. 25, 1973, p. 75-82.
[7] S. KAKUTANI, Induced measure preserving transformations. Proc. Acad. Tokyo, 19, 1943, p. 635-641.
[8] I. MEILIJSON, Mixing properties of a class of skew-products, Israel Journal of Mathematics,
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[9] D. S. ORNSTEIN, D. J. RUDOLPH et B. WEISS, Equivalence of Measure Preserving Transformations. Memoirs of the American Mathematical Society, Vol. 262, 1982.
[10] D. S. ORNSTEIN et M. SMORODINSKY, Ergodic flows of positive entropy can be time changed
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[11] M. RATNER, Horocycle flows are loosely Bernoulli, Israel Journal of Mathematics, Vol.
31, 1978, p. 122-131.
[12] T. DE LA RUE, L’induction ne donne pas toutes les mesures spectrales, à paraître dans Ergod. Th. & Dynam. Sys.
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