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Theorie ergodique
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11f3f57a
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Manfred Madritsch
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11f3f57a
...
...
@@ -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 tel
s théorème
s. Dans ce cas particulier, cependant, la
l'étude de tel
le inégalité
s. 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'a
ffirmation
est la suivante qu'i
l existe un ensemble
$
A'
\subseteq
\textit
{
A
ffirmation
.
}
I
l 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\frac
12
\lvert\bigcup
_{
x
\in
A
}
I
_
x
\rvert
$
. Une fois ceci
I
_
x
\rvert\geq\frac
12
\lvert\bigcup
_{
x
\in
A
}
I
_
x
\rvert
$
.
Une fois ceci
prouvé, nous avons
\[
\lVert
F
\rVert
_{
\ell
^
1
(
\mathbb
{
Z
}
)
}
=
\sum
_{
n
\in\ZZ
}
\lvert
F
(
n
)
\rvert
\geq\frac\lambda
2
\sum
_{
x
\in
A'
}
\lvert
I
_
x
\rvert
\geq\frac\lambda
4
\lvert\bigcup
_{
x
\in
A
}
I
_
x
\rvert
\geq\frac\lambda
4
\lvert
A
\rvert
,
\]
...
...
@@ -1310,9 +1315,9 @@ preuve est assez simple.
total, on a le résultat demandé.
\end{proof}
\begin{proof}
[Démonstration d
u théorème
\ref
{
thm-ergodique-max
}
]
\begin{proof}
[Démonstration d
e la proposition
\ref
{
prop:
thm-ergodique-max
}
]
Soit
$
\lambda
>
0
$
, soient
$
N
\gg
L
\geq
1
$
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
\[
\int
_{
X
}
\lvert\left\{
n
\in\{
1
,
\ldots
N
\}\colon
\max
_{
M
\leq
L
}
\frac
1
M
\sum
_{
m
=
0
}^{
M
-
1
}
f
(
T
^{
n
+
m
}
x
)
\geq\lambda\right\}\rvert
\leq\frac
{
C
(
N
+
L
)
\lVert
f
(
T
^{
n
+
m
}
x
)
\geq\lambda\right\}\rvert\mathrm
{
d
}
x
\leq\frac
{
4
(
N
+
L
)
\lVert
f
\rVert
_
1
}{
\lambda
}
.
\]
Maintenant, la fonction indicatrice de
l'événement
$
\max
_{
M
\leq
L
}
\frac
1
M
\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 F
i
bini nous pouvons échanger
$
\
NN
\times\
ZZ
$
. Par le théorème de F
u
bini nous pouvons échanger
l'ordre pour obtenir
\[
\sum
_{
n
=
1
}^
N
\mu\left
(
\left\{
x
\in
X
\colon
\max
_{
M
\leq
L
}
\frac
1
M
\sum
_{
m
=
0
}^{
M
-
1
}
f
(
T
^{
n
+
m
}
x
)
\geq\lambda\right\}\right
)
\leq\frac
{
C
(
N
+
L
)
\lVert
f
\rVert
_
1
}{
\lambda
}
.
\]
\leq\frac
{
4
(
N
+
L
)
\lVert
f
\rVert
_
1
}{
\lambda
}
.
\]
Encore par l'invariance de
$
\mu
$
par
$
T
$
nous obtenons
\[
N
\mu\left
(
\left\{
x
\in
X
\colon
\max
_{
M
\leq
L
}
\frac
1
M
\sum
_{
m
=
0
}^{
M
-
1
}
f
(
T
^{
m
}
x
)
\geq\lambda\right\}\right
)
\leq\frac
{
C
(
N
+
L
)
\lVert
f
\rVert
_
1
}{
\lambda
}
.
\]
\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}
où
$
g
\in
L
^
2
(
X
)
$
et
$
\lVert
h
\rVert
_
2
\leq
\delta
$
.
où
$
\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
\[
f
=
\pi
(
f
)+
\partial
g
_
0
+
h
_
1
,
\]
où
$
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
\[
\lvert
S
_
N
(
\partial
g
)(
x
)
\rvert
=
\lvert\frac
1
N
\left
(
g
(
x
)-
g
(
T
^{
n
-
1
}
(
x
))
\right
)
\rvert
,
\]
=
\lvert\frac
1
N
\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
\geq
2
$
un entier on a la représentation
\[
x
=
\sum
_{
i
\geq
1
}
\frac
{
a
_
i
}{
b
^
i
}
=
0
.a
_
1
a
_
2
a
_
3
\ldots
\]
avec
$
a
_
i
\in\{
0
,
1
,
\ldots
,b
-
1
\}
$
. Pour chaque bloc de
$
\ell
$
chiffres
$
d
_
1
\ldots
d
_
\ell
$
, nous
compt
ons la fréquence de son apparition parmi
les premiers
$
N
$
chiffres. On dit que
$
x
$
est normal en base
$
b
$
si
\[
x
=
\sum
_{
i
\geq
1
}
\frac
{
a
_
i
}{
b
^
i
}
=
0
.a
_
1
a
_
2
a
_
3
\ldots
\]
avec
$
a
_
i
\in\{
0
,
1
,
\ldots
,b
-
1
\}
$
. Pour chaque bloc de
$
\ell
$
chiffres
$
d
_
1
\ldots
d
_
\ell
$
, nous
regard
ons la fréquence de son apparition
s
parmi
les premiers
$
N
$
chiffres. On dit que
$
x
$
est normal en base
$
b
$
si
\[
\lim
_{
N
\to\infty
}
\frac
1
N
\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
\[
\nu
(
E
)
:
=
\frac
1
{
\ln
2
}
\int
_
E
\frac
{
\mathrm
{
d
}
\mu
(
x
)
}{
1
+
x
}
.
\]
Alors
$
(
X,T,
\nu
)
$
est un
e
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.
L
es détails sont un peu plus compliques.
cercle est ergodique.
Mais l
es détails sont un peu plus compliques.
Pour tout choix des entiers
$
k
_
1
,
\ldots
,k
_
n
\geq
1
$
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 fau
t
. Alors pour tout
$
N
$
il existe un
Supposons que le théorème est fau
x
. 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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