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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 1Q\mathbb{1}_{\mathbb{Q}}, indicatrice des rationnels, qui oscille entre 00 et 11 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 σ\sigma-algèbres)

Une tribu A\mathcal{A} sur un ensemble Ω\Omega est une collection de parties de Ω\Omega vérifiant :
1. ΩA\Omega\in\mathcal{A} ;
2. stabilité par complémentaire : AAAcAA\in\mathcal{A}\Rightarrow A^c\in\mathcal{A} ;
3. stabilité par réunion dénombrable : (An)n1An1AnA(A_n)_{n\geq1}\subset\mathcal{A}\Rightarrow\bigcup_{n\geq1}A_n\in\mathcal{A}.

Conséquences immédiates : =ΩcA\emptyset=\Omega^c\in\mathcal{A} ; par les lois de De Morgan, A\mathcal{A} est aussi stable par intersection dénombrable. Les éléments de A\mathcal{A} sont appelés ensembles mesurables.

Exemple — tribu borélienne. Sur R\mathbb{R}, la tribu borélienne B(R)\mathcal{B}(\mathbb{R}) 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 (Ω,A)(\Omega,\mathcal{A}) est une application μ:A[0,+]\mu:\mathcal{A}\to[0,+\infty] telle que μ()=0\mu(\emptyset)=0 et, pour toute famille dénombrable d'ensembles deux à deux disjoints (An)n1A(A_n)_{n\geq1}\subset\mathcal{A} :

μ(n1An)=n1μ(An)(σ-additiviteˊ)\mu\left(\bigcup_{n\geq1}A_n\right) = \sum_{n\geq1}\mu(A_n) \qquad \text{(}\sigma\textbf{-additivité)}

Exemples : la mesure de comptage μ(A)=Card(A)\mu(A)=\text{Card}(A) (ou ++\infty si AA infini) ; la mesure de Lebesgue λ\lambda sur (R,B(R))(\mathbb{R},\mathcal{B}(\mathbb{R})), qui généralise la notion de longueur (λ([a,b])=ba\lambda([a,b])=b-a) à des ensembles beaucoup plus généraux que les intervalles.

4. Propriétés de base des mesures

Pour A,BAA,B\in\mathcal{A} avec ABA\subseteq B : croissance μ(A)μ(B)\mu(A)\leq\mu(B). Pour une suite croissante A1A2A_1\subseteq A_2\subseteq\cdots : continuité croissante μ(nAn)=limnμ(An)\mu\big(\bigcup_nA_n\big)=\lim_n\mu(A_n). Pour une suite décroissante avec μ(A1)<\mu(A_1)<\infty : continuité décroissante μ(nAn)=limnμ(An)\mu\big(\bigcap_nA_n\big)=\lim_n\mu(A_n).

Exemple — la mesure de Lebesgue d'un singleton est nulle. λ({a})=λ(n]a1/n,a+1/n[)=limnλ(]a1/n,a+1/n[)=limn(2/n)=0\lambda(\{a\})=\lambda\big(\bigcap_n]a-1/n,a+1/n[\big)=\lim_n\lambda(]a-1/n,a+1/n[)=\lim_n(2/n)=0. Par σ\sigma-additivité, tout ensemble dénombrable (comme Q\mathbb{Q}) a donc une mesure de Lebesgue nulle — c'est un ensemble négligeable.

5. Propriété « presque partout »

On dit qu'une propriété P(x)P(x) est vraie μ\mu-presque partout (p.p.) si l'ensemble {x:P(x) est fausse}\{x:P(x)\text{ est fausse}\} 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 1Q\mathbb{1}_{\mathbb{Q}} est égale à la fonction nulle Lebesgue-presque partout (puisque Q\mathbb{Q} est négligeable), ce qui annonce pourquoi elle sera Lebesgue-intégrable d'intégrale 00, alors qu'elle n'est pas Riemann-intégrable.

6. Récapitulatif


NotionDéfinition
|---|---|




Tribu A\mathcal{A}stable par complémentaire et réunion dénombrable, contient Ω\Omega
Mesure μ\muμ()=0\mu(\emptyset)=0, σ\sigma-additive sur les unions disjointes dénombrables
Ensemble négligeableμ(A)=0\mu(A)=0
Presque partout (p.p.)vrai sauf sur un ensemble négligeable
Continuité croissante/décroissanteμ(An)=limμ(An)\mu(\bigcup A_n)=\lim\mu(A_n) / μ(An)=limμ(An)\mu(\bigcap A_n)=\lim\mu(A_n) (si μ(A1)<\mu(A_1)<\infty)

Exercices de la leçon

Exercice 1

Quelles sont les trois propriétés définissant une tribu A\mathcal{A} sur Ω\Omega ?

Corrigé

Une tribu doit contenir Ω\Omega, 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 {a}\{a\} est nulle.

Corrigé

Vrai. {a}=n]a1/n,a+1/n[\{a\}=\bigcap_n\,]a-1/n,a+1/n[, et par continuité décroissante, λ({a})=limnλ(]a1/n,a+1/n[)=limn(2/n)=0\lambda(\{a\})=\lim_n\lambda(]a-1/n,a+1/n[)=\lim_n(2/n)=0.

Exercice 3

Quelle est la valeur de la mesure de Lebesgue de l'ensemble Q[0,1]\mathbb{Q}\cap[0,1] ?

Corrigé

Q[0,1]\mathbb{Q}\cap[0,1] est dénombrable (réunion dénombrable de singletons, chacun de mesure nulle), donc par σ\sigma-additivité, sa mesure de Lebesgue est 0=0\sum0=0.

Exercice 4

Vrai ou faux : une mesure μ\mu vérifie toujours μ()=0\mu(\emptyset)=0.

Corrigé

Vrai. C'est l'un des deux axiomes définissant une mesure (avec la σ\sigma-additivité) — sans cette condition, la mesure dite « identiquement ++\infty » vérifierait trivialement la σ\sigma-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 1Q\mathbb{1}_{\mathbb{Q}} (sur [0,1][0,1]) n'est-elle pas Riemann-intégrable ?

Corrigé

Comme Q\mathbb{Q} et RQ\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q} sont tous deux denses dans R\mathbb{R}, toute subdivision de [0,1][0,1], même très fine, contient des points des deux types dans chaque sous-intervalle : la somme de Darboux supérieure vaut toujours 11 (sup =1=1 sur chaque sous-intervalle) et l'inférieure toujours 00 (inf =0=0), donc elles ne convergent jamais vers une valeur commune.

Exercice 7

Si (An)n1(A_n)_{n\geq1} est une suite croissante d'ensembles mesurables avec μ(A1)=2\mu(A_1)=2 et μ(An)5\mu(A_n)\to5, que vaut μ(nAn)\mu\big(\bigcup_nA_n\big) ?

Corrigé

Par continuité croissante des mesures, μ(nAn)=limnμ(An)=5\mu\big(\bigcup_nA_n\big)=\lim_n\mu(A_n)=5.

Exercice 8

Vrai ou faux : toute réunion dénombrable d'ensembles négligeables est négligeable.

Corrigé

Vrai. Par sous-additivité de la mesure (conséquence de la σ\sigma-additivité), μ(nNn)nμ(Nn)=n0=0\mu\big(\bigcup_nN_n\big)\leq\sum_n\mu(N_n)=\sum_n0=0, donc la réunion est aussi négligeable. C'est la raison pour laquelle Q\mathbb{Q} (réunion dénombrable de singletons) est négligeable.

Exercice 9

Pourquoi la condition de continuité décroissante des mesures nécessite-t-elle l'hypothèse μ(A1)<\mu(A_1)<\infty ?

Corrigé

Le contre-exemple classique : avec μ=λ\mu=\lambda (Lebesgue) et An=[n,+[A_n=[n,+\infty[, on a A1A2A_1\supseteq A_2\supseteq\cdots, nAn=\bigcap_nA_n=\emptyset (donc μ(An)=0\mu(\bigcap A_n)=0), mais μ(An)=+\mu(A_n)=+\infty pour tout nn, donc limnμ(An)=+0\lim_n\mu(A_n)=+\infty\neq0. L'hypothèse μ(A1)<\mu(A_1)<\infty est donc essentielle.

Exercice 10

Démontrer que la mesure de Lebesgue est croissante : si ABA\subseteq B (mesurables), alors λ(A)λ(B)\lambda(A)\leq\lambda(B).

Corrigé

Décomposition. Comme ABA\subseteq B, on peut écrire BB comme une réunion disjointe : B=A(BA)B = A\,\cup\,(B\setminus A), avec A(BA)=A\cap(B\setminus A)=\emptyset.

Application de l'additivité. Par σ\sigma-additivité (appliquée au cas particulier d'une union finie de deux ensembles disjoints) :

λ(B)=λ(A)+λ(BA)\lambda(B) = \lambda(A) + \lambda(B\setminus A)

Conclusion. Comme λ\lambda prend ses valeurs dans [0,+][0,+\infty], on a nécessairement λ(BA)0\lambda(B\setminus A)\geq0, donc :

λ(B)=λ(A)+λ(BA)λ(A)\lambda(B) = \lambda(A) + \lambda(B\setminus A) \geq \lambda(A) \qquad \square

Exercice 11

Démontrer la sous-additivité dénombrable : pour toute suite (An)n1(A_n)_{n\geq1} d'ensembles mesurables (pas nécessairement disjoints), μ(nAn)nμ(An)\mu\big(\bigcup_nA_n\big)\leq\sum_n\mu(A_n).

Corrigé

Construction d'ensembles disjoints. Posons B1=A1B_1=A_1 et, pour n2n\geq2, Bn=An(A1An1)B_n=A_n\setminus(A_1\cup\cdots\cup A_{n-1}). Les BnB_n sont deux à deux disjoints par construction, et on vérifie que nBn=nAn\bigcup_nB_n=\bigcup_nA_n (chaque point de l'union appartient à un premier AnA_n, donc à BnB_n).

Utilisation de la croissance. Comme BnAnB_n\subseteq A_n, la croissance de la mesure (exercice précédent) donne μ(Bn)μ(An)\mu(B_n)\leq\mu(A_n).

Application de la σ\sigma-additivité (sur les BnB_n, disjoints) :

μ(nAn)=μ(nBn)=nμ(Bn)nμ(An)\mu\left(\bigcup_nA_n\right) = \mu\left(\bigcup_nB_n\right) = \sum_n\mu(B_n) \leq \sum_n\mu(A_n) \qquad \square

Exercice 12

Soit μ\mu la mesure de comptage sur N\mathbb{N} (donc μ(A)=Card(A)\mu(A)=\text{Card}(A)). Calculer μ({2k:kN})\mu(\{2k:k\in\mathbb{N}\}) (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 {2k:kN}\{2k:k\in\mathbb{N}\} est en bijection avec N\mathbb{N} (via k2kk\mapsto2k), donc il est infini dénombrable. Par définition de la mesure de comptage (qui vaut ++\infty sur tout ensemble infini), μ({2k:kN})=+\mu(\{2k:k\in\mathbb{N}\})=+\infty.

Généralisation. Pour la mesure de comptage, μ(A)=0\mu(A)=0 si et seulement si Card(A)=0\text{Card}(A)=0, c'est-à-dire A=A=\emptyset. Donc aucun ensemble infini, ni même aucun ensemble non vide fini, n'est négligeable pour cette mesure (un singleton a déjà μ({a})=10\mu(\{a\})=1\neq0) — 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 μ\mu, 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 [0,1][0,1]) 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 R\mathbb{R} (non dénombrable, par un argument de développement en base 3), mais sa mesure de Lebesgue est 00 : à l'étape nn, la longueur totale retirée cumulée tend vers 11 (on retire k=0+2k/3k+1=1\sum_{k=0}^{+\infty}2^k/3^{k+1}=1 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 A,BA,B (de mesures finies), μ(AB)=μ(A)+μ(B)μ(AB)\mu(A\cup B)=\mu(A)+\mu(B)-\mu(A\cap B).

Corrigé

Décomposition en parties disjointes. On écrit ABA\cup B comme la réunion disjointe de trois ensembles : ABA\setminus B, ABA\cap B, BAB\setminus A. Par additivité (cas fini de la σ\sigma-additivité) :

μ(AB)=μ(AB)+μ(AB)+μ(BA)\mu(A\cup B) = \mu(A\setminus B) + \mu(A\cap B) + \mu(B\setminus A)

Décompositions de μ(A)\mu(A) et μ(B)\mu(B) séparément. De même, A=(AB)(AB)A=(A\setminus B)\cup(A\cap B) (disjoint), donc μ(A)=μ(AB)+μ(AB)\mu(A)=\mu(A\setminus B)+\mu(A\cap B). Et B=(BA)(AB)B=(B\setminus A)\cup(A\cap B) (disjoint), donc μ(B)=μ(BA)+μ(AB)\mu(B)=\mu(B\setminus A)+\mu(A\cap B).

Combinaison. En sommant les deux dernières égalités :

μ(A)+μ(B)=μ(AB)+μ(BA)+2μ(AB)\mu(A)+\mu(B) = \mu(A\setminus B)+\mu(B\setminus A)+2\mu(A\cap B)

En comparant avec l'expression de μ(AB)\mu(A\cup B) obtenue plus haut :

μ(A)+μ(B)=μ(AB)+μ(AB)\mu(A)+\mu(B) = \mu(A\cup B) + \mu(A\cap B)

D'où, en réarrangeant (toutes les quantités étant finies par hypothèse, la soustraction est licite) :

μ(AB)=μ(A)+μ(B)μ(AB)\mu(A\cup B) = \mu(A)+\mu(B)-\mu(A\cap B) \qquad \square

Exercice 15

Expliquer pourquoi il n'existe pas de mesure μ\mu définie sur toutes les parties de R\mathbb{R}, invariante par translation et vérifiant μ([0,1])=1\mu([0,1])=1 — résultat lié à l'existence d'ensembles non mesurables (Vitali).

Corrigé

L'argument de Vitali (esquisse). On définit la relation d'équivalence xy    xyQx\sim y \iff x-y\in\mathbb{Q} sur [0,1][0,1]. En utilisant l'axiome du choix, on construit un ensemble V[0,1]V\subset[0,1] contenant exactement un représentant de chaque classe d'équivalence.

Translatés disjoints. Pour qQ[1,1]q\in\mathbb{Q}\cap[-1,1] (ensemble dénombrable), les translatés V+q={v+q:vV}V+q=\{v+q:v\in V\} sont deux à deux disjoints (si (v+q)=(v+q)(v+q)=(v'+q') avec v,vVv,v'\in V, alors vv=qqQv-v'=q'-q\in\mathbb{Q}, donc vvv\sim v', donc v=vv=v' par construction de VV, donc q=qq=q'). De plus, [0,1]qV+q[1,2][0,1]\subseteq\bigcup_qV+q\subseteq[-1,2].

Contradiction si VV est mesurable. Si μ\mu existe (invariante par translation, donc μ(V+q)=μ(V)=m\mu(V+q)=\mu(V)=m pour tout qq) et que VV est mesurable :
- Si m>0m>0 : par σ\sigma-additivité sur l'union disjointe dénombrable, μ(qV+q)=qm=+\mu\big(\bigcup_qV+q\big)=\sum_q m=+\infty (somme infinie de termes égaux à m>0m>0). Mais cette union est contenue dans [1,2][-1,2], de mesure finie 33contradiction.
- Si m=0m=0 : alors μ(qV+q)=q0=0\mu\big(\bigcup_qV+q\big)=\sum_q0=0. Mais cette union contient [0,1][0,1], donc μ(qV+q)μ([0,1])=1\mu\big(\bigcup_qV+q\big)\geq\mu([0,1])=1contradiction.

Conclusion. Dans les deux cas, on obtient une contradiction : VV ne peut donc pas être mesurable. Il est donc impossible de définir une mesure μ\mu sur toutes les parties de R\mathbb{R}, invariante par translation, avec μ([0,1])=1\mu([0,1])=1 — 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 R\mathbb{R}. \square

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