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Commit 11f3f57a authored by Manfred Madritsch's avatar Manfred Madritsch
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......@@ -1228,7 +1228,7 @@ théorème.
\section{Le théorème ergodique presque partout}
Les théorème ergodiques ponctuels capturent l'essence de la théorie
Les théorème ergodiques en convergence simple capturent l'essence de la théorie
ergodique. Nous allons donner une preuve plus ``détaillée'' que
d'habitude.
......@@ -1240,7 +1240,7 @@ d'habitude.
l'espérance conditionnelle $f\mapsto \mathbb{E}(f\vert
\mathcal{F}_0)$. Alors $S_Nf\to\pi(f)$ converge simplement presque
partout. En particulière, si $T$ est ergodique les moyennes
temporelle $S_Nf$ converge simplement vers les moyennes de l'espace
temporelle $S_Nf$ converge simplement vers les moyennes spatial
$\overline{f}=\int f\mathrm{d}\mu$ presque partout.
\end{theoreme}
......@@ -1249,34 +1249,36 @@ Pour tout entier $L\geq1$ on écrit $S^*_Lf(x):=\max_{M\leq
L}\frac{1}{M}\sum_{m=0}^{M-1}f(T^mx)$. Soit
$S^*f(x):=\sup_LS^*_Lf(x)$. Dans le jargon de l'analyse, le théorème
ergodique maximal est l'affirmation que l'opérateur $S^*$ satisfait à
une inégalité de type (1,1) faible.
une inégalité de type $(1,1)$ faible. Rappelons qu'on dit que un opérateur $T$
à valeurs réelles défini sur un espace mesurable $(X,\mu)$ est de type $(p,p)$ faible s'il
existe une constante $C>0$ telle que
\[\mu({\lvert Tf\rvert>\lambda}) \leq C\lambda^{-1/p}\lVert f\rVert_p.\]
\begin{proposition}[Théorème ergodique maximal]
\label{thm-ergodique-max}
\label{prop:thm-ergodique-max}
Soit $(X,\mu,T)$ un
système dynamique mesuré et soit $\lambda>0$. Alors $\mu\{x\colon
S^*f(x)\geq\lambda\}\leq 4\lVert f\rVert_1/\lambda$.
système dynamique mesuré et soit $\lambda>0$. Alors \[\mu\left(\{x\colon
S^*f(x)\geq\lambda\}\right)\leq \frac{4}{\lambda}\lVert f\rVert_1.\]
\end{proposition}
\begin{proof}
Nous appliquons l'inégalité maximale de Hardy et Littlewood aux
fonctions $F\colon \mathbb{Z}\to\mathbb{R}$. Étant donné une telle
fonction, définissons la fonction maximal $F^*$ par
\[ F^*(x):=\sup_{M\geq 1}\frac{1}{M}\sum_{m=0}^{M-1}F(x+m).\]
\end{proof}
La démonstration port sur une application de l'inégalité maximale de Hardy et Littlewood aux fonctions
$F\colon \mathbb{Z}\to\mathbb{R}$. Étant donné une telle fonction, définissons
la fonction maximal $F^*$ par
\[ F^*(x):=\sup_{M\geq 1}\frac{1}{M}\sum_{m=0}^{M-1}F(x+m).\]
L'inégalité maximale de Hardy et Littlewood dit que l'opérateur
maximal $F\mapsto F^*$ est de type $(1,1)$ faible. Nous remarquons
qu'il est possible de généraliser ce théorème de nombreuses manières
différentes, et il existe une branche entière de l'analyse consacrée à
l'étude de tels théorèmes. Dans ce cas particulier, cependant, la
l'étude de telle inégalités. Dans ce cas particulier, cependant, la
preuve est assez simple.
\begin{theoreme}[Inégalité maximale de Hardy et LIttlewood pour la
ligne] Soit $\lambda>0$. Alors on a $\#\{x\colon
F^*(x)\geq\lambda\}\leq 4\lVert
F\rVert_{\ell^1(\mathbb{Z}}/\lambda$.
\end{theoreme}
\begin{lemme}[Inégalité maximale de Hardy et Littlewood pour $F$]
\label{lem:Hardy-Littlewood-maximal-inequality}
Soit $\lambda>0$. Alors on a\[\#\{x\colon
F^*(x)\geq\lambda\}\leq \frac{4}{\lambda}\lVert
F\rVert_{\ell^1(\mathbb{Z})}.\]
\end{lemme}
\begin{proof}
Soit $A\subseteq\mathbb{Z}$ l'ensemble de tout $x$ tel que
......@@ -1286,12 +1288,15 @@ preuve est assez simple.
$I_x:=\{x,\ldots, x+M-1\}$; donc $F$ est en moyenne au moins
$\lambda/2$ à tout élément de $I_x$.
L'affirmation est la suivante qu'il existe un ensemble $A'\subseteq
\textit{Affirmation.} Il existe un ensemble $A'\subseteq
A$ tel que les intervalles $I_x$ avec $x\in A'$ sont disjoints, et
tel que $\sum_{x\in A'}\lvert
I_x\rvert\geq\frac12\lvert\bigcup_{x\in A}I_x\rvert$. Une fois ceci
I_x\rvert\geq\frac12\lvert\bigcup_{x\in A}I_x\rvert$.
Une fois ceci
prouvé, nous avons
\[\lVert F\rVert_{\ell^1(\mathbb{Z})}
=\sum_{n\in\ZZ}\lvert F(n)\rvert
\geq\frac\lambda2\sum_{x\in A'}\lvert I_x\rvert
\geq\frac\lambda4\lvert\bigcup_{x\in A}I_x\rvert
\geq\frac\lambda4\lvert A\rvert,\]
......@@ -1310,9 +1315,9 @@ preuve est assez simple.
total, on a le résultat demandé.
\end{proof}
\begin{proof}[Démonstration du théorème \ref{thm-ergodique-max}]
\begin{proof}[Démonstration de la proposition \ref{prop:thm-ergodique-max}]
Soit $\lambda>0$, soient $N\gg L\geq1$ des entiers et soit $x\in X$
fixé. Nous appliquons l'inégalité de Hardy et Littlewood maximal à
fixé. Nous appliquons l'inégalité de Hardy et Littlewood maximal (lemme ) à
une version tronquée de la fonction $n\mapsto f(T^nx)$, plus
précisément,
\[F(n):=\begin{cases}f(T^nx) &\text{si }0\leq n<N+L\text{ et}\\
......@@ -1327,47 +1332,48 @@ preuve est assez simple.
$T$ on obtient
\[\int_{X}\lvert\left\{n\in\{1,\ldots N\}\colon
\max_{M\leq L}\frac1M \sum_{m=0}^{M-1}
f(T^{n+m}x)\geq\lambda\right\}\rvert \leq\frac{C(N+L)\lVert
f(T^{n+m}x)\geq\lambda\right\}\rvert\mathrm{d}x
\leq\frac{4(N+L)\lVert
f\rVert_1}{\lambda}.\] Maintenant, la fonction indicatrice de
l'événement
$\max_{M\leq L}\frac1M \sum_{m=0}^{M-1} f(T^{n+m}x)\geq\lambda$ est
une fonction mesurable de $n$ et $x$ sur l'espace
$\ZZ\times\NN$. Par le théorème de Fibini nous pouvons échanger
$\NN\times\ZZ$. Par le théorème de Fubini nous pouvons échanger
l'ordre pour obtenir
\[\sum_{n=1}^N\mu\left(\left\{x\in X\colon
\max_{M\leq L}\frac1M \sum_{m=0}^{M-1}
f(T^{n+m}x)\geq\lambda\right\}\right)
\leq\frac{C(N+L)\lVert f\rVert_1}{\lambda}.\]
\leq\frac{4(N+L)\lVert f\rVert_1}{\lambda}.\]
Encore par l'invariance de $\mu$ par $T$ nous obtenons
\[N\mu\left(\left\{x\in X\colon
\max_{M\leq L}\frac1M \sum_{m=0}^{M-1}
f(T^{m}x)\geq\lambda\right\}\right)
\leq\frac{C(N+L)\lVert f\rVert_1}{\lambda}.\]
\leq\frac{4(N+L)\lVert f\rVert_1}{\lambda}.\]
Autrement dit on a
\[\mu\left(\left\{x\in X\colon
S_L^*f(x)\geq\lambda\right\}\right)
\leq\frac{C(N+L)\lVert f\rVert_1}{N\lambda}.\]
\leq\frac{4(N+L)\lVert f\rVert_1}{N\lambda}.\]
En laissant $L$ et $N$ tends vers l'infinie, avec $N$ plus vite que
$L$, on obtient
\[\mu\left(\left\{x\in X\colon
S^*f(x)\geq\lambda\right\}\right)
\leq\frac{C\lVert f\rVert_1}{\lambda}\]
qui est le théorème avec une constante plus faible que demandée.
\leq\frac{4\lVert f\rVert_1}{\lambda}.\qedhere\]
\end{proof}
\begin{proof}[Démonstration du théorème \ref{thm-ergodique-simple}]
Il suffit de démontrer pour tout $\varepsilon>0$ que
l'ensemble
\[ E_\varepsilon:=\{x\in X\colon \limsup_{N\to\infty} \lvert
S_Nf(x)-\pi(f)\rvert\geq\varepsilon\}\]
a la mesure zéro.
Soit $\delta>0$. Dans la démonstration du théorème de von Neumann
(théorème \ref{thm:ergodique-moyenne}) nous avons décomposé un
fonction $f\in L^2(X)$ comme
fonction $\widetilde{f}\in L^2(X)$ comme
\begin{gather}\label{green:eq5.1}
f=\pi(f)+\partial g+h,
\widetilde{f}=\pi(\widetilde{f})+\partial \widetilde{g}+\widetilde{h},
\end{gather}
$g\in L^2(X)$ et $\lVert h\rVert_2\leq \delta$.
$\widetilde{g}\in L^2(X)$ et $\lVert \widetilde{h}\rVert_2\leq \delta$.
Dans le théorème ergodic de Birkhoff, nous opérons sous l'hypothèse
plus faible que $f\in L^1(X)$, et pour traiter cette hypothèse, nous
......@@ -1378,7 +1384,7 @@ preuve est assez simple.
f-f_0\rVert\leq\delta$. En appliquant (\ref{green:eq5.1}) à cette
fonction on obtient la décomposition
\[ f_0=\pi(f_0)+\partial g_0+h_0\]
avec $\lVert h_0\rVert_2\leq \delta$. Alors
avec $g_0\in L^2(X)$ et $\lVert h_0\rVert_2\leq \delta$. Alors
\[ f=\pi(f)+\partial g_0+h_1,\]
$h_1:=h_0+(f-f_0)-(\pi(f)-\pi(f_0))$. Notons que $\lVert
h_1\rVert_1\leq \lVert h_0\rVert_1+2\delta\leq 3\delta$.
......@@ -1399,7 +1405,7 @@ preuve est assez simple.
Le premier terme à droite peut être analysé comme précédemment ; la
somme se télescope et on obtient
\[\lvert S_N(\partial g)(x)\rvert
=\lvert\frac1N \left(g(x)-g(T^{n-1}(x))\right)\rvert,\]
=\lvert\frac1N \left(g(x)-g(T^{N}(x))\right)\rvert,\]
qui tends vers zéro pour tout $x$ puisque $g\in L^\infty(X)$. Donc
$E_\varepsilon$ est contenu, sauf un ensemble de mesure zéro,
dans l'ensemble
......@@ -1408,8 +1414,8 @@ preuve est assez simple.
Ceci est contenu dans l'ensemble
\[\left\{x\in X\colon \lvert
S^*h(x)\rvert\geq\varepsilon\right\}\]
qui, par le théorème ergodique maximale (théorème
\ref{thm-ergodique-max}) et la borne pour $\lVert h\rVert_1$ a une
qui, par le théorème ergodique maximale (proposition
\ref{prop:thm-ergodique-max}) et la borne pour $\lVert h\rVert_1$ a une
mesure plus petit que $4\delta/\varepsilon$. Puisque $\delta$ était
arbitraire on a $\mu(E_\varepsilon)=0$ comme demandé.
\end{proof}
......@@ -1421,10 +1427,10 @@ preuve est assez simple.
\section{Nombres normaux}
Soit $x\in[0,1]$. Pour $b\geq2$ un entier on a la représentation
\[x=\sum_{i\geq1}\frac{a_i}{b^i}=0.a_1a_2a_3\ldots\]
avec $a_i\in\{0,1,\ldots,b-1\}$. Pour chaque bloc de $\ell$ chiffres
$d_1\ldots d_\ell$, nous comptons la fréquence de son apparition parmi
les premiers $N$ chiffres. On dit que $x$ est normal en base $b$ si
\[x=\sum_{i\geq1}\frac{a_i}{b^i}=0.a_1a_2a_3\ldots\] avec
$a_i\in\{0,1,\ldots,b-1\}$. Pour chaque bloc de $\ell$ chiffres $d_1\ldots
d_\ell$, nous regardons la fréquence de son apparitions parmi les premiers $N$
chiffres. On dit que $x$ est normal en base $b$ si
\[
\lim_{N\to\infty}\frac1N\lvert\left\{0\leq n< N\colon
a_{n+1}=d_1,\ldots, a_{n+\ell}=d_\ell\right\}\rvert=b^{-\ell},
......@@ -1535,10 +1541,10 @@ $T(x)=\frac1x-\left\lfloor \frac1x\right\rfloor$ si $x\neq 0$ et $T(0)=0$ sinon.
On a ajouté le point $0$ pour rentre l'espace compact.
\begin{lemme}
Soit $\mu$ la mesure de Lebesgue sur $[0,1]$, et soit $nu$ une autre mesure
Soit $\mu$ la mesure de Lebesgue sur $[0,1]$, et soit $\nu$ une autre mesure
définie par
\[\nu(E):=\frac1{\ln 2}\int_E\frac{\mathrm{d}\mu(x)}{1+x}.\]
Alors $(X,T,\nu)$ est une système dynamique mesuré.
Alors $(X,T,\nu)$ est un système dynamique mesuré.
\end{lemme}
\begin{proof}
......@@ -1572,7 +1578,7 @@ On a ajouté le point $0$ pour rentre l'espace compact.
\begin{proof}
L'idée est très similaire à la démonstration que la dilatation du
cercle est ergodique. Les détails sont un peu plus compliques.
cercle est ergodique. Mais les détails sont un peu plus compliques.
Pour tout choix des entiers $k_1,\ldots,k_n\geq1$ définissons
l'application $\psi_{k_n,\ldots,k_1}\colon ]0,1]\to]0,1]$ par
......@@ -1810,7 +1816,7 @@ Maintenant nous déduisons le théorème de Furstenberg-Sárközy (théorème
\ref{thm:furstenberg-sarkoezy}) de ce théorème.
\begin{proof}[Déduction du théorème \ref{thm:furstenberg-sarkoezy}]
Supposons que le théorème est faut. Alors pour tout $N$ il existe un
Supposons que le théorème est faux. Alors pour tout $N$ il existe un
ensemble $A_N\subseteq\{1,\ldots,N\}$ avec $\lvert
A_N\rvert\geq\delta N$ tel qu'il n'y a deux éléments dont
la différence est un carré.
......
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