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Licence 3 · Théorie de la mesure L3 — Intégrale de Lebesgue
Tribus et mesures
Tribus et mesures
1. Pourquoi dépasser l'intégrale de Riemann ?
L'intégrale de Riemann, vue en L1-L2, présente des limites : certaines fonctions bornées ne sont pas Riemann-intégrables (par exemple la fonction de Dirichlet , indicatrice des rationnels, qui oscille entre et sur tout intervalle), et les théorèmes d'échange limite/intégrale (convergence simple d'une suite de fonctions) y sont peu robustes. L'intégrale de Lebesgue, construite sur la notion de mesure, résout ces deux problèmes.
2. Tribus (ou -algèbres)
Une tribu sur un ensemble est une collection de parties de vérifiant :
1. ;
2. stabilité par complémentaire : ;
3. stabilité par réunion dénombrable : .
Conséquences immédiates : ; par les lois de De Morgan, est aussi stable par intersection dénombrable. Les éléments de sont appelés ensembles mesurables.
Exemple — tribu borélienne. Sur , la tribu borélienne est la plus petite tribu contenant tous les intervalles ouverts (elle contient donc tous les ouverts, fermés, et la plupart des ensembles « raisonnables » qu'on rencontre en pratique).
3. Mesures
Une mesure sur est une application telle que et, pour toute famille dénombrable d'ensembles deux à deux disjoints :
Exemples : la mesure de comptage (ou si infini) ; la mesure de Lebesgue sur , qui généralise la notion de longueur () à des ensembles beaucoup plus généraux que les intervalles.
4. Propriétés de base des mesures
Pour avec : croissance . Pour une suite croissante : continuité croissante . Pour une suite décroissante avec : continuité décroissante .
Exemple — la mesure de Lebesgue d'un singleton est nulle. . Par -additivité, tout ensemble dénombrable (comme ) a donc une mesure de Lebesgue nulle — c'est un ensemble négligeable.
5. Propriété « presque partout »
On dit qu'une propriété est vraie -presque partout (p.p.) si l'ensemble est de mesure nulle. C'est une notion centrale en théorie de la mesure : deux fonctions égales presque partout seront considérées comme « identiques » du point de vue de l'intégration.
Exemple : la fonction de Dirichlet est égale à la fonction nulle Lebesgue-presque partout (puisque est négligeable), ce qui annonce pourquoi elle sera Lebesgue-intégrable d'intégrale , alors qu'elle n'est pas Riemann-intégrable.
6. Récapitulatif
| Notion | Définition |
| Tribu | stable par complémentaire et réunion dénombrable, contient |
| Mesure | , -additive sur les unions disjointes dénombrables |
| Ensemble négligeable | |
| Presque partout (p.p.) | vrai sauf sur un ensemble négligeable |
| Continuité croissante/décroissante | / (si ) |
Exercices de la leçon
Exercice 1
Quelles sont les trois propriétés définissant une tribu sur ?
Corrigé
Une tribu doit contenir , être stable par passage au complémentaire, et stable par réunion dénombrable — ces trois axiomes entraînent toutes les autres propriétés de stabilité (intersection dénombrable, différence, etc.) par les lois de De Morgan.
Exercice 2
Vrai ou faux : la mesure de Lebesgue d'un singleton est nulle.
Corrigé
Vrai. , et par continuité décroissante, .
Exercice 3
Quelle est la valeur de la mesure de Lebesgue de l'ensemble ?
Corrigé
est dénombrable (réunion dénombrable de singletons, chacun de mesure nulle), donc par -additivité, sa mesure de Lebesgue est .
Exercice 4
Vrai ou faux : une mesure vérifie toujours .
Corrigé
Vrai. C'est l'un des deux axiomes définissant une mesure (avec la -additivité) — sans cette condition, la mesure dite « identiquement » vérifierait trivialement la -additivité sans être une mesure utile.
Exercice 5
Que signifie qu'une propriété est vraie « presque partout » pour la mesure de Lebesgue ?
Corrigé
« Presque partout » signifie que l'ensemble des points où la propriété échoue est négligeable (mesure nulle) — pas qu'elle est vraie absolument partout sans exception.
Exercice 6
Pourquoi la fonction de Dirichlet (sur ) n'est-elle pas Riemann-intégrable ?
Corrigé
Comme et sont tous deux denses dans , toute subdivision de , même très fine, contient des points des deux types dans chaque sous-intervalle : la somme de Darboux supérieure vaut toujours (sup sur chaque sous-intervalle) et l'inférieure toujours (inf ), donc elles ne convergent jamais vers une valeur commune.
Exercice 7
Si est une suite croissante d'ensembles mesurables avec et , que vaut ?
Corrigé
Par continuité croissante des mesures, .
Exercice 8
Vrai ou faux : toute réunion dénombrable d'ensembles négligeables est négligeable.
Corrigé
Vrai. Par sous-additivité de la mesure (conséquence de la -additivité), , donc la réunion est aussi négligeable. C'est la raison pour laquelle (réunion dénombrable de singletons) est négligeable.
Exercice 9
Pourquoi la condition de continuité décroissante des mesures nécessite-t-elle l'hypothèse ?
Corrigé
Le contre-exemple classique : avec (Lebesgue) et , on a , (donc ), mais pour tout , donc . L'hypothèse est donc essentielle.
Exercice 10
Démontrer que la mesure de Lebesgue est croissante : si (mesurables), alors .
Corrigé
Décomposition. Comme , on peut écrire comme une réunion disjointe : , avec .
Application de l'additivité. Par -additivité (appliquée au cas particulier d'une union finie de deux ensembles disjoints) :
Conclusion. Comme prend ses valeurs dans , on a nécessairement , donc :
Exercice 11
Démontrer la sous-additivité dénombrable : pour toute suite d'ensembles mesurables (pas nécessairement disjoints), .
Corrigé
Construction d'ensembles disjoints. Posons et, pour , . Les sont deux à deux disjoints par construction, et on vérifie que (chaque point de l'union appartient à un premier , donc à ).
Utilisation de la croissance. Comme , la croissance de la mesure (exercice précédent) donne .
Application de la -additivité (sur les , disjoints) :
Exercice 12
Soit la mesure de comptage sur (donc ). Calculer (les entiers pairs) et en déduire que la mesure de comptage d'un ensemble infini n'est jamais nulle.
Corrigé
Calcul direct. L'ensemble des entiers pairs est en bijection avec (via ), donc il est infini dénombrable. Par définition de la mesure de comptage (qui vaut sur tout ensemble infini), .
Généralisation. Pour la mesure de comptage, si et seulement si , c'est-à-dire . Donc aucun ensemble infini, ni même aucun ensemble non vide fini, n'est négligeable pour cette mesure (un singleton a déjà ) — contrairement à la mesure de Lebesgue, où les singletons et les ensembles dénombrables sont négligeables. Ceci illustre que la notion de « négligeable » dépend fondamentalement du choix de la mesure , pas seulement de l'ensemble considéré.
Exercice 13
Vrai ou faux : l'ensemble triadique de Cantor (construit en retirant à chaque étape le tiers central de chaque segment, à partir de ) est non dénombrable mais de mesure de Lebesgue nulle.
Corrigé
Vrai — c'est un résultat classique et surprenant. L'ensemble de Cantor a la même cardinalité que (non dénombrable, par un argument de développement en base 3), mais sa mesure de Lebesgue est : à l'étape , la longueur totale retirée cumulée tend vers (on retire au total), donc il ne reste aucune longueur. Cela illustre que « négligeable au sens de la mesure » et « petit au sens du cardinal » sont deux notions indépendantes.
Exercice 14
Démontrer que pour deux ensembles mesurables (de mesures finies), .
Corrigé
Décomposition en parties disjointes. On écrit comme la réunion disjointe de trois ensembles : , , . Par additivité (cas fini de la -additivité) :
Décompositions de et séparément. De même, (disjoint), donc . Et (disjoint), donc .
Combinaison. En sommant les deux dernières égalités :
En comparant avec l'expression de obtenue plus haut :
D'où, en réarrangeant (toutes les quantités étant finies par hypothèse, la soustraction est licite) :
Exercice 15
Expliquer pourquoi il n'existe pas de mesure définie sur toutes les parties de , invariante par translation et vérifiant — résultat lié à l'existence d'ensembles non mesurables (Vitali).
Corrigé
L'argument de Vitali (esquisse). On définit la relation d'équivalence sur . En utilisant l'axiome du choix, on construit un ensemble contenant exactement un représentant de chaque classe d'équivalence.
Translatés disjoints. Pour (ensemble dénombrable), les translatés sont deux à deux disjoints (si avec , alors , donc , donc par construction de , donc ). De plus, .
Contradiction si est mesurable. Si existe (invariante par translation, donc pour tout ) et que est mesurable :
- Si : par -additivité sur l'union disjointe dénombrable, (somme infinie de termes égaux à ). Mais cette union est contenue dans , de mesure finie — contradiction.
- Si : alors . Mais cette union contient , donc — contradiction.
Conclusion. Dans les deux cas, on obtient une contradiction : ne peut donc pas être mesurable. Il est donc impossible de définir une mesure sur toutes les parties de , invariante par translation, avec — c'est précisément pourquoi la théorie de la mesure restreint l'intégration à une tribu (comme la tribu borélienne, ou sa complétée la tribu de Lebesgue), strictement plus petite que l'ensemble de toutes les parties de .
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