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