Théorème de différentiation de Lebesgue

En mathématiques, et plus particulièrement dans la théorie de l'intégration, le théorème de différentiation de Lebesgue stipule que sous certaines conditions on peut retrouver une fonction $f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}$ en dérivant son intégrale, mais il faut avant tout définir ce qu'est la dérivée d'une intégrale lorsque l'on intègre sur une partie de $\mathbb{R}^n$.

Motivation

Dès le début de la théorie de l'intégration la question s'est posée de savoir sous quelles conditions la dérivation et l'intégration sont des applications réciproques l'une de l'autre. Une réponse à cette question est donnée par le théorème fondamental de l'analyse qui a été énoncé et démontré plusieurs fois dans les différentes théories de l'intégration (intégrale de Riemann, intégrale de Lebesgue). La version la plus générale (celle qui se situe dans le cadre de l'intégrale de Lebesgue) de la première partie du théorème fondamental du calcul a été démontré dans le livre Leçons sur la théorie de l'intégration et la recherche de fonctions primitives de Lebesgue à qui l'on doit aussi une généralisation du théorème au cas des mesures sur $\mathbb{R}$.

Énoncé

Pour toute fonction intégrable au sens de Lebesgue $f\in L^1(\mathbb{R}^n)$, on a pour presque tout $x\in\mathbb{R}^n$:

$\lim_{r\rightarrow 0^+}\frac{1}{\lambda\left(B\left(x,r\right)\right)}\int_{B(x,r)}|f(t)-f(x)|\mathrm{d}\lambda(t)=0;$

où $B\left(x,r\right)$ désigne la boule de $\mathbb{R}^n$ centrée en x et de rayon r > 0 et λ désigne la mesure de Lebesgue.

Une autre manière d'énoncer le théorème de différentiation de Lebesgue est de dire que l'ensemble des $x\in\mathbb{R}^n$ qui ne sont pas des points de Lebesgue est négligeable.

Démonstration

Pour $x\in\mathbb{R}^n$ et r > 0, on pose :

$T_r(f)(x)=\frac{1}{\lambda\left(B\left(x,r\right)\right)}\int_{B(x,r)}|f(t)-f(x)|\mathrm{d}\lambda(t)$

et

$T(f)(x)=\limsup_{r\to 0} T_r(f)(x)$

Nous prenons ici la limite sup car la limite lorsque $r\to 0$ n'est pas nécessairement définie, le but étant ici de montrer que T(f) = 0 presque partout en montrant que pour tout $c>0,\; \{Tf>c\}$ est négligeable.

Soit k > 0 un entier. Nous savons d'après la densité des fonctions continues dans les espaces L^p qu'il existe une fonction continue g telle que $||f-g||_1<\frac{1}{k}$

Si on pose h = f − g on a alors $T_r(h)(x)\leq \frac{1}{\lambda\left(B\left(x,r\right)\right)}\int_{B(x,r)}|h(t)|\mathrm{d}\lambda(t)+|h(x)|$ et donc $T(h)(x)\leq Mh(x)+|h(x)|\quad(*)$

où Mh est la fonction maximale de Hardy-Littlewood associée à h.

La continuité de g assure T(g) = 0, de f = g + h on tire $T_r(f)\leq T_r(g)+T_r(h)$ et donc, en passant à la limite sup, $T(f)\leq T(g)+T(h)=T(h)$ ce qui peut encore se majorer d'après ( * ) de la manière suivante : $T(f)\leq Mh +|h|$.

On a alors pour tout c > 0 l'inclusion suivante $\{Tf>2c\}\subset\{Mh>c\}\cup\{|h|>c\}$ or d'après l'inégalité maximale de Hardy-Littlewood $\lambda\left(\{Mh>c\}\right)\leq\frac{3^n||h||_1}{c}\leq\frac{3^n}{ck}$ et d'autre part $\lambda\left(\{|h|>c\}\right)\leq\frac{||h||_1}{c}\leq\frac{1}{kc}$. L'ensemble $\{Mh>c\}\cup\{|h|>c\}$ qui est mesurable a donc une mesure inférieure à $\frac{3^n+1}{ck}$ ce qui veut dire que {Tf > 2c} est inclus dans un ensemble de mesure inférieur à $\frac{3^n+1}{ck}$ pour tout entier k > 0, en prenant alors l'intersection sur k > 0 de tous ces ensembles on montre alors que {Tf > 2c} est inclus dans un ensemble de mesure nulle, {Tf > 2c} est donc négligeable, ce qu'il fallait démontrer.

Annexes

Bibliographie

• Walter Rudin, Analyse réelle et complexe [détail des éditions]
• Henri Lebesgue, Leçons sur la théorie de l'intégration et la recherche de fonctions primitives, 2ème édition, Paris, Gauthier-Villars, 1928 (ISBN 2-87647-059-4) 

Articles connexes

• Absolue continuité
• Fonction maximale de Hardy-Littlewood
• Intégrale de Lebesgue
• Lemme de recouvrement de Vitali
• Point de Lebesgue
• Théorème fondamental de l'analyse