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Section 6.3 Opérations sur les fonctions mesurables

La famille des fonctions mesurables est stable par la plupart des opérations habituelles sur les fonctions, à commencer par la composition:

Soit \(A\in\mathscr T_3\text{.}\) Alors \((g\circ f)^{-1}(A)=f^{-1}(g^{-1}(A))\text{.}\)

Puisque \(g\) est mesurable, \(g^{-1}(A)\in \mathscr T_2\text{.}\)

Puisque \(f\) est mesurable, on a donc \(f^{-1}(g^{-1}(A))\in \mathscr T_1\text{,}\) ce qu'il fallait démontrer.

Les fonctions \(\mathbb R\rightarrow \mathbb R\) : \(x\mapsto x^n\text{,}\) \(x\mapsto |x|\text{,}\) \(x\mapsto \lambda x\text{,}\) \(x \mapsto \min(x,0)\) et \(x\mapsto \max(-x,0)\) sont toutes continues, donc boréliennes. La composée avec \(f\) est donc mesurable.

\(\bullet\) Soit \(a\in\mathbb R\text{.}\) Alors

\begin{equation*} (f+g)^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb )=\bigcup_{q\in\mathbb Q} \big(f^{-1}(\lbb q,+\infty\rbb )\cap g^{-1}(\lbb a-q,+\infty\rbb )\big) \end{equation*}

En effet,

\(\boxed{\subset}\) Soit \(x\in X\) tel que \(f(x)+g(x)>a\text{,}\) alors \(\lbb a-g(x),f(x)\rbb \neq \emptyset\text{.}\) Par densité des rationnels dans \(\mathbb R\text{,}\) il existe donc \(q\in \mathbb Q\) tel que \(q\in \lbb a-g(x),f(x)\rbb \text{.}\) Mais alors

\begin{equation*} \begin{cases} f(x)>q \text{ donc } x\in f^{-1}(\lbb q,+\infty\rbb )\\ g(x)>a-q \text{ donc } x \in g^{-1}(\lbb a-q,+\infty\rbb ) \end{cases} \end{equation*}

d'où \(x\in \bigcup_{q\in\mathbb Q} \big(f^{-1}(\lbb q,+\infty\rbb )\cap g^{-1}(\lbb a-q,+\infty\rbb )\big)\text{.}\)

\(\boxed{\supset}\) Soit \(x\) tel que, pour un certain rationnel \(q\text{,}\) on ait \(x\in f^{-1}(\lbb q,+\infty\rbb )\cap g^{-1}(\lbb a-q,+\infty\rbb )\text{.}\) Alors

\begin{equation*} \begin{cases} f(x)>q \\ g(x)>a-q \end{cases} \leadsto f(x)+g(x)>a \end{equation*}

donc \(x\in (f+g)^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb )\text{.}\)

Or, puisque \(f\) et \(g\) sont mesurables, \(f^{-1}(\lbb q,+\infty\rbb )\in\mathscr T\) et \(g^{-1}(\lbb a-q,+\infty\rbb )\in\mathscr T\text{,}\) et, puisque \(\mathscr T\) est stable par intersection et union dénombrable, on a bien \((f+g)^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb )\in\mathscr T\text{.}\) Ceci étant vrai pour tout \(a\in\mathbb R\text{,}\) \(f+g\) est mesurable.

\(\bullet\) Remarquons que \(fg=\frac12\big((f+g)^2-f^2-g^2\big)\text{,}\) or on vient de voir que \(f+g\) était mesurable, ainsi que \(f^2,g^2\) et \((f+g)^2\) par le corollaire précédent.

Dans la foulée, on obtient que si \(g\) ne s'annule pas, alors \(\frac fg=f \times \frac 1g\) est mesurable.

\(\bullet\) Soit \(a\in\mathbb R\) et notons \(m(x)=\min(f(x),g(x))\text{.}\) Alors

\begin{equation*} m^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb )=\{x\in X, \min(f(x),g(x))>a\} = f^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb )\cap g^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb ). \end{equation*}

Puisque \(f\) et \(g\) sont mesurables, \(f^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb ), g^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb )\in \mathscr T\) donc \(m^{-1}(\lbb a,+\infty\rbb )\in \mathscr T\text{.}\) Ceci étant vrai pour tout \(a\in\mathbb R\text{,}\) \(\min(f,g)\) est mesurable.

Dans la foulée, on obtient aussi que \(\max(f,g)=f+g-\min(f,g)\) est mesurable.

Remarque 6.3.4.

On aurait aussi pu utiliser le fait que les applications \(\mathbb R^2\rightarrow\mathbb R\text{:}\) \((x,y)\mapsto x+y\text{,}\) \((x,y)\mapsto xy\text{,}\) \((x,y)\mapsto \max(x,y)\) et \((x,y)\mapsto \min(x,y)\) sont continues, et que la fonction

\begin{equation*} x\in(X,\mathscr T)\mapsto (f(x),g(x))\in(\mathbb R^2,\mathscr B(\mathbb R^2)) \end{equation*}

est mesurable 2 .

Mais où serait alors le challenge ?

Attention, cette fonction est positive ! Ces deux-là vont nous servir un peu plus loin.
Au fait, pourquoi ?