Institut Camille Jordan UMR 5208 du CNRS
Approximation de surfaces par des varifolds discrets : repr´esentation, courbure, rectifiabilit´e
Blanche Buet Th`esede doctorat 2 Num´erod’ordre : 310 - 2014 Ann´ee2014
Universite´ Claude Bernard Lyon 1 Institut Camille Jordan - UMR 5208 Ecole´ doctorale InfoMaths
Th`ese de l’Universit´ede Lyon pour l’obtention du Diplˆomede Doctorat Sp´ecialit´e: Math´ematiques (arrˆet´edu 7 aoˆut2006)
Pr´esent´eepar Blanche Buet
Approximation de surfaces par des varifolds discrets : repr´esentation, courbure, rectifiabilit´e
Th`esedirig´eepar Gian Paolo Leonardi et Simon Masnou, soutenue publiquement le 12 d´ecembre 2014, devant un jury compos´ede :
Guy David Universit´eParis Sud Rapporteur Gian Paolo Leonardi University of Modena and Reggio Emilia Directeur Simon Masnou Universit´eLyon 1 Directeur Petru Mironescu Universit´eLyon 1 Examinateur Giandomenico Orlandi University of Verona Rapporteur Edouard´ Oudet Universit´eJoseph Fourier, Grenoble Rapporteur Herv´e Pajot Universit´eJoseph Fourier, Grenoble Examinateur Alain Trouve´ ENS Cachan Examinateur ii R´esum´e- Abstract
R´esum´e: La motivation initiale de cette th`eseest l’´etuded’une discr´etisationvolumique de surface (introduite dans le Chapitre 2) naturellement li´ee`ala structure de varifold. La th´eoriedes varifolds a ´et´ed´evelopp´ee par F. Almgren afin d’´etudierles points critiques de la fonctionnelle d’aire. L’ensemble des varifolds rectifiables entiers fournit une notion de surface faible poss´edant de bonnes propri´et´esde compacit´eet munie d’une notion de courbure g´en´eralis´eeappel´eevariation premi`ere. Le point cl´eest qu’il est possible de munir d’une structure de varifold la plupart des objets utilis´es pour repr´esenter ou discr´etiserdes surfaces c’est-`a-direaussi bien des objets tels que les sous-vari´et´es ou les ensembles rectifiables que des objets tels que des nuages de points ou encore la discr´etisation volumique propos´ee,ce qui permet d’´etudierdans un cadre unifi´eune surface et sa discr´etisation. Une difficult´eessentielle est que, g´en´eralement, ces structures discr`etesne sont pas rectifiables, ce qui soul`eve la question suivante : comment assurer qu’un varifold, obtenu comme limite de discr´eti- sations volumiques de la forme propos´ee,soit une surface, au moins en un sens faible ? De fa¸conplus pr´ecise: quelles conditions sur une suite de varifolds quelconques assurent que le varifold limite est rectifiable (Chapitre 3) ou encore qu’il est `avariation premi`ereborn´ee(Chapitre 5) ? Afin de tester la rectifiabilit´ed’un varifold, on peut ´etudierl’existence d’un plan tangent en presque tout point, mais la fa¸conclassique de le d´efinirn’est pas adapt´ee(c’est-`a-direqu’elle ne se transfert pas ais´ement de la suite de varifolds `asa limite). Afin d’y rem´edier,on consid`erele plan tangent comme minimiseur d’une ´energieli´eeaux nombres β de Jones, ce qui nous permet d’obtenir des conditions assurant la rectifiabilit´ed’une limite de varifolds. On s’int´eresseensuite `ala r´egularit´edu varifold limite en termes de courbure (variation premi`ere). Dans un premier temps, on a essay´ede contrˆolerla variation premi`ereen observant qu’une certaine moyenne de la variation premi`eresur des boules concentriques se r´e´ecrivait de fa¸con`aavoir un sens mˆemepour un varifold `avariation premi`erenon born´ee.On a alors essay´ede reconstruire par “packing” la variation premi`ereuniquement grˆace`aces moyennes (Chapitre 4), mais cela n’a pas permis d’´etablirles conditions d´esir´ees.En revanche, cela nous a conduit `aconsid´ererune forme r´egularis´eede la variation premi`ered’un varifold, ce qui a permis d’´etablir des conditions assurant que la limite d’une suite de varifolds est `avariation premi`ereborn´ee.Cette r´egularisationpermet de d´efinirdes ´energiesde Willmore approch´eesqui Γ–convergent dans l’espace des varifolds vers l’´energie de Willmore classique ainsi qu’une approximation de la courbure qui est test´eenum´eriquement dans le Chapitre 6.
iii Abstract : The starting point of this work is the study of a volumetric surface discretization model naturally connected to the varifolds structure. Varifolds have proved to be useful when dealing with geometric variational problems in the continuous setting since they were introduced by F. Almgren as he was interested in finding critical points of the area functional in a broader class than parametrized surfaces. A sub-class of varifolds, called integral (rectifiable) varifolds provides a set of generalized surfaces with compactness properties and a consistent notion of generalized curvature. The point is that not only the discretization we propose can be endowed with a structure of varifold but also a great part of objects used for surface representation and discretization (triangulation, cloud points, level sets etc.) so that we can use varifolds tools to study in some unified setting different ways of discretizing surfaces. An important point to overcome is that these structures are generally not rectifiable (i.e. not regular enough) so that we address the following question : how to ensure that the limit of a sequence of such discrete surfaces is regular ? Or in a more technical way, what conditions on a sequence of varifolds (not supposed rectifiable nor with bounded variation) ensure that the limit varifold is rectifiable (Chapter 3) or has bounded first variation (Chapter 5) ? In order to test the rectifiability of a varifold, we looked at the existence of approximate tangent plane but the problem is that the classical ways of defining them are not well-adapted in our case. Therefore, we first propose to consider the approximate tangent planes as the minimizer of some energy linked to Jones’ β–numbers, allowing to give energetic conditions ensuring the rectifiability of a limit varifold. We then address the question in terms of first variation (generalized curvature) of a limit varifold. We first tried a packing measure construction of the first variation of a varifold V (Chapter 4), based on the fact that in any ball, it is possible to define some kind of average value of the first variation that had sense even if V does not have bounded first variation. But it happens that this construction does not answer the question. Nevertheless, it leads us to define a regularized form of the classical first variation, allowing us to exhibit an energetic condition ensuring that a limit of a sequence of varifolds has bounded first variation. We use this regularized form to build an approximate Willmore energy Γ–converging in the class of varifolds to the Willmore energy. In the last chapter (Chapter 6), we test numerically a notion of approximate curvature derived from the regularized first variation.
iv Remerciements
C’est avec chaleur que j’exprime ma gratitude envers mes directeurs de th`ese, Simon Masnou et Gian Paolo Leonardi. Simon, merci pour ta disponibilit´esans faille durant ces ann´ees.Tu m’as guid´ee avec patience et bienveillance dans le monde (parfois d´eroutant) de la recherche. Rassurant dans les moments de stress et de doutes, il a souvent suffi d’une discussion pour que confiance et pers´ev´erance reviennent grˆace`aton incorrigible optimisme math´ematique. Gippo, c’est toujours un plaisir de venir `aMod`ene.Les trois mois que j’y ai pass´esont ´et´ed’une grande richesse math´ematiqueet un moment cl´ede ma th`ese.Tu as ´et´eplus que disponible et j’ai beaucoup appris en peu de temps : tu m’as fait profiter de la compr´ehensionprofonde que tu as des aspects math´ematiquesauxquels tu t’int´eresses. Merci `avous deux pour nos discussions autour d’un tableau noir ou d’un caf´e. Je tiens `aremercier tout particuli`erement mes rapporteurs, Guy David, Giandomenico Orlandi et Edouard´ Oudet, d’avoir accept´ede relire mon manuscrit avec beaucoup de soin. Je remercie ´egalement Petru Mironescu, Herv´ePajot et Alain Trouv´ed’avoir accept´ede prendre part `amon jury. Cette th`esea ´et´eeffectu´eeau sein de l’´equipe MMCS `al’Institut Camille Jordan dont je remercie l’ensemble des membres avec lesquels j’ai pu interagir, que ce soit pour discuter de maths, d’ensei- gnement ou tout simplement pour parler autour d’un th´eou d’un caf´e.Je n’oublie pas le personnel administratif du bˆatiment Braconnier, toujours r´eactifet efficace. Je tiens ´egalement `aremercier les membres de l’ANR Geometrya pour m’avoir accueillie lors de leurs diverses rencontres. Un joyeux merci aux occupants du bureau 111A ´etendu,parce que cette th`esen’aurait pas ´et´ela mˆemesans cette bonne humeur. Merci pour nos discussions math´ematiques,absurdes ou profondes, nos s´eancesquotidiennes de probabilit´esalternatives et nos excursions `ala montagne, `ala mer ou au ski, contre vents et mar´ees.Merci `aceux du d´ebut: Elodie,´ Hugo, Sa¨ıd,Julien, Fernando, Rudy, B´er´enice,Adriane et nos gouth´es! Merci `aceux qui sont arriv´esensuite : Thomas, Narquois, Coren- tin, Benoˆıt,Mathias, Groschoux, Fran¸cois(notre deuxi`emevictime pr´ef´er´ee),Niccol´o,Xiaolin, Ivan, C´ecilia,Fran¸cois,Mini Bloup, Quentin, Coline, Jean Cyrille ... Je pense maintenant aux amis d’avant ou d’ailleurs. Merci au groupe de la MPSI2 de Marseille, Corentin, Antoine, Vivien, Maxime, Caroline, S´ebastienet Mathieu. Merci au amis des ann´eesENS et notamment pour notre folle ann´eed’agr´egation: Fran¸coiset Jordane (notre groupe `atrois ´el´ements et quelques kilos de chocolat me manquent), Anne-Laure, S´ebastienet nos parties d’´echecs, Alex, Benjamin (et son petit accent) et sans oublier Olivier, Samuel, Julien et Valentin (avec lesquels on ne risque pas de s’ennuyer). Merci `aS´ebastienPoisson pour toutes nos discussions durant ces sept ann´eespass´ees `aLyon. Et les autres, avec lesquels j’ai fait un petit ou grand bout de chemin : Soizic, Blandine, Fodil, Loraine et Vincent. Enfin, merci `ama famille, `ames parents pour la confiance qu’ils m’ont accord´ee.Papa, je suis heureuse de continuer `aexplorer les recoins de l’Ubaye avec toi. Maman, merci pour ton soutien et ton infinie patience. Merci `aSandra et Fran¸cois,qui sont l`aet l’ont toujours ´et´epour moi depuis 20 ans, je les remercie de leur tendre sollicitude. Je vous ai oubli´e? Ou bien c’est volontaire (mais vous devez le savoir), ou bien j’ai ´et´etˆeteen
v l’air et heureusement il vous reste de la place pour ajouter la phrase que vous m´eritez!
vi Table des mati`eres
R´esum´e- Abstract iii
Remerciements v
Table des mati`eres vii
1 G´en´eralit´es 3 1.1 Mesures de Radon et rectifiabilit´e...... 4 1.1.1 Espace des mesures de Radon ...... 4 1.1.2 Ensembles rectifiables ...... 7 1.2 Varifolds ...... 10 1.2.1 Varifolds rectifiables et autres exemples de varifolds ...... 11 1.2.2 Convergence au sens des varifolds ...... 13 1.2.3 Variation premi`ered’un varifold ...... 14 1.2.4 Exemples : courbure singuli`ereet influence de la multiplicit´e ...... 16 1.2.5 Variation premi`ereet rectifiabilit´e ...... 17 1.3 Varifolds discrets ...... 18 1.3.1 La distance bounded Lipschitz ...... 19 1.3.2 Varifolds volumiques discrets et approximations des varifolds rectifiables . . . . 19 1.3.3 Variation premi`ered’un varifold volumique discret ...... 20 1.4 Conditions quantitatives de rectifiabilit´edans l’espace des varifolds ...... 21 1.4.1 Conditions quantitatives de rectifiabilit´e...... 21 1.4.2 Echelle´ et discr´etisation ...... 23 1.4.3 Condition quantitative assurant la rectifiabilit´ed’un varifold limite ...... 24 1.5 Une construction de mesure de type “packing” `apartir de valeurs approch´eessur les boules ...... 24 1.5.1 Variation totale de la forme lin´eaire δV ...... 25 1.5.2 Reconstruction d’une mesure sign´eepar la m´ethode de Carath´eodory ...... 26 1.5.3 Reconstruction d’une mesure `apartir de valeurs approch´eessur les boules et construction de type packing ...... 27 1.5.4 Reconstruction par packing d’une mesure sign´ee`apartir de valeurs approch´ees sur les boules ...... 29 1.6 R´egularisationde la variation premi`erepar convolution et Γ–convergence d’´energiesde Willmore approch´ees...... 31
vii 1.6.1 R´egularisationde la variation premi`erepar convolution ...... 31 1.6.2 Γ–convergence d’´energiesde Willmore approch´eesdans l’espace des d–varifolds 32 1.6.3 Identification de la r´egularisation δV ∗ ρε ...... 34 1.7 Aspects num´eriques ...... 35 1.8 Perspectives ...... 36
2 Varifolds discrets 39 2.1 Discrete volumetric varifolds ...... 40 2.1.1 A family of volumetric approximations endowed with a varifold structure . . . 40 2.1.2 Approximation of rectifiable varifolds by discrete volumetric varifolds . . . . . 41 2.2 First variation of discrete volumetric varifolds ...... 45 2.3 Point cloud varifolds ...... 48
3 Conditions quantitatives de rectifiabilit´edans l’espace des varifolds 51 3.1 Some facts about rectifiability and varifolds ...... 54 3.1.1 Radon measures and weak–∗ convergence ...... 55 3.1.2 Rectifiability and approximate tangent space ...... 56 3.1.3 Some facts about varifolds ...... 57 3.2 Static quantitative conditions of rectifiability for varifolds ...... 62 3.2.1 The averaged height excess energy E0(x, P, V ) ...... 62 3.2.2 The static theorem ...... 64 3.3 The approximation case ...... 68 3.3.1 Some technical tools about Radon measures ...... 68 3.3.2 Density estimates ...... 69 3.3.3 Uniformity of weak–∗ convergence in some class of functions ...... 70 3.3.4 Rectifiability theorem ...... 75 3.4 Appendix: The approximate averaged height excess energy as a tangent plane estimator 81 3.4.1 The pointwise approximate averaged height excess energy ...... 81 ω ω 3.4.2 Γ–convergence of P 7→ Eαi (x, P, Vi) to P 7→ E0 (x, P, V )...... 83 4 Construction de mesures `apartir de leurs valeurs approch´eessur les boules par une m´ethode de type “packing” 87 4.1 Carath´eodory metric construction of outer measures ...... 89 4.1.1 Outer measures and metric outer measures ...... 89 4.1.2 Effects of Carath´eodory’s construction on positive Borel measures ...... 91 4.1.3 Carath´eodory’s construction for a signed measure ...... 94 4.2 Recovering measures from approximate values on balls ...... 96 4.2.1 Why Carath´eodory’s construction is not well-suited ...... 96 4.2.2 A packing-type construction ...... 97 4.2.3 The case of a signed measure ...... 106
5 R´egularisationde la variation premi`ere 111 5.1 Regularization of the first variation and quantitative conditions of rectifiability for sequences of varifolds ...... 115 5.1.1 Regularization of the first variation thanks to convolution ...... 115 5.1.2 Quantitative conditions for the first variation to be bounded ...... 117 5.1.3 Consequences on sequences of varifolds ...... 118 5.2 A Willmore type energy in the set of d–varifolds ...... 118 5.2.1 Approximate mean curvature ...... 118 5.2.2 Approximate Willmore energies ...... 120
viii 1 5.2.3 The Γ–limit of the approximate Willmore energies Wε ...... 122 p 5.2.4 The Γ–limit of the approximate Willmore energies Wε for p > 1 ...... 123 5.3 Γ–convergence of the approximate Willmore energies in different approximation spaces 125 1 5.3.1 A Γ–convergence result in different approximation spaces for Wε ...... 125 p 5.3.2 The case of Wε for p > 1 ...... 128 5.4 A connection between the regularization of the first variation δV and the first variation of some appropriate regularization of V ...... 129
6 Aspects num´eriques 135 6.1 Approximation of the curvature on 2D point cloud varifolds ...... 136 6.1.1 Pointwise convergence ...... 136 6.1.2 Formulation in terms of point cloud varifolds ...... 139 6.1.3 Test shapes ...... 139 6.1.4 Zero curvature of a crossing ...... 141 6.1.5 Formula with projection onto the normal vector ...... 143 6.2 And for 3D point clouds ...... 147 6.2.1 Computation of the mean curvature on 3D point clouds ...... 148 6.2.2 Toward mean curvature flows for 3D point clouds ...... 148
Bibliographie 153
ix x Notations
We start by fixing some notations. From now on, we fix d, n ∈ N with 1 6 d < n and an open set n Ω ⊂ R . Then we adopt the following notations. − A4B = (A ∪ B) \ (A ∩ B) is the symmetric difference.
− Br(x) = {y | |y − x| < r} is the open ball of center x and radius r except in Chapter 4 where Br(x) = {y | |y − x| 6 r} denotes the closed ball. − Let ω and Ω be two open sets then ω ⊂⊂ Ω means that ω is relatively compact in Ω. − Let A ⊂ Ω then Ac = Ω \ A denotes the complementary of A in Ω. n − Gd,n = {P ⊂ R | P is a vector subspace of dimension d}.
− For P ∈ Gd,n,ΠP is the orthogonal projection onto P . m − Given a R –valued function f defined in Ω, supp f is the closure in Ω of {y ∈ Ω | f(y) 6= 0}. k k − Cc (Ω) is the space of real continuous compactly supported functions of class C (k ∈ N) in Ω. 0 0 − Co(Ω) is the closure of Cc (Ω) for the sup norm.
− Lipk(Ω) is the space of Lipschitz functions in Ω with Lipschitz constant less or equal to k. − Let µ be a measure in some measurable topological space, then supp µ denotes the topological support of µ. − Given a measure µ, we denote by |µ| its total variation. m m m m − Mloc(Ω) is the space of R –valued Radon measures and M(Ω) is the space of R –valued finite Radon measures. − Ln is the n–dimensional Lebesgue measure. − Hd is the d–dimensional Hausdorff measure. d d − ωd = L (B1(0)) is the d–volume of the unit ball in R .
1 2 CHAPITRE 1
G´en´eralit´es
Il existe de nombreuses fa¸consde repr´esenter et discr´etiserles surfaces, tant en fonction du mode d’acquisition que des applications en vue. La question de la repr´esentation des surfaces est au cœur de domaines divers et vari´eestels que l’animation 3D, la mod´elisationindustrielle ou encore l’imagerie m´edicale.Ainsi, un scanner 3D va g´en´erer un nuages de points tandis qu’une acquisition IRM fournit des donn´eesde types volumiques et les animations 3D se font sur des surfaces triangul´ees. Lorsqu’on a acc`es`aune surface via sa discr´etisation,un des enjeux est d’ˆetreen mesure de reconstruire un certain nombre d’informations concernant la surface initiale : des informations globales telles que la topologie ou l’orientation globale et des informations locales telles que le plan tangent ou la courbure. Se pose alors la question de la fiabilit´ede l’information reconstruite. L’erreur commise peut-elle ˆetrecontrˆol´ee ? Cette question sous-tend une autre question fondamentale : comment juger de la qualit´ede la discr´etisation? La surface continue et sa discr´etisationne vivant g´en´eralement pas dans le mˆeme espace, comment affirmer qu’une discr´etisationest plus ou moins bonne ? Etant´ donn´ee la multiplicit´edes repr´esentations et discr´etisationsexistantes, un autre enjeu est la comparaison : comment estimer si deux discr´etisationsde type diff´erents sont issues de deux surfaces proches ? C’est ainsi qu’ont ´et´ed´evelopp´eesde nombreuses techniques permettant de passer d’un type de discr´etisation `aun autre, permettant d’exploiter les avantages li´esaux diff´erents modes de discr´etisation. Une approche consiste alors `aessayer de donner un cadre commun `al’´etuded’objets de nature continue r´eguli`ereet d’objets de nature discrets. Le cadre des varifolds s’y prˆeteassez bien, munissant objets de nature discr`eteou continue d’une structure de mesure de Radon. On dispose alors pour mesurer l’erreur commise par discr´etisationde la notion de convergence faible–∗ et des diff´erentes distances dont est pourvu l’espace des mesures de Radon. On dispose de plus d’une notion de courbure g´en´eralis´ee.Ces notions, prises telles quelles, ne sont pas adapt´ees `ades objets de nature discr`ete, mais leur formulation g´en´eraleest, comme on va le voir, adaptable `ades objets discr´etis´es`aune ´echelle donn´ee. Le Chapitre 1 pr´esente tout d’abord les notions de rectifiabilit´eet varifolds, en insistant sur la notion de variation premi`ered’un varifold qui est une notion de courbure g´en´eralis´ee. Suit un expos´e d´etaill´edes questions qui ont guid´ecette th`ese et des diff´erentes r´eponses qui ont pu ˆetreapport´ees. Le Chapitre 2 ´etudiedes structures de varifolds sur des objets discrets, en se concentrant parti- culi`erement sur une discr´etisationde nature volumique. On s’int´eresseparticuli`erement aux propri´et´es d’approximations de ces espaces de varifolds de type discret, et au sens que prend la variation premi`ere de tels varifolds. On observe que la variation premi`ere,mˆemesi elle est d´efiniepour n’importe quel varifold, est essentiellement adapt´eeaux varifolds rectifiables.
3 On cherche alors dans le Chapitre 3, des conditions permettant d’assurer que la limite faible–∗ d’une suite de varifolds, a priori quelconques, soit rectifiable. On utilise pour cela une caract´erisationde la rectifiabilit´eissue de l’´etude de la rectifiabilit´euniforme et de conditions quantitatives caract´erisant l’uniforme rectifiabilit´e. On revient alors dans le Chapitre 4 `ala question de d´efinirune notion de variation premi`ere adapt´ee`ades varifolds discrets, ´etant donn´eeune certaine ´echelle de discr´etisation.On essaie pour cela de reconstruire la variation premi`erepar des m´ethodes de construction de mesures, d’abord la construction m´etriquede Carath´eodory, puis de type “packing”. Mais ces constructions essentiellement n m´etriquesn’exploitent pas pleinement le cadre vectoriel (R ) dans lequel vivent nos objets. Dans le Chapitre 5, on donne alors une notion de variation premi`ereapproch´ee`aune ´echelle ε en r´egularisant par convolution la variation premi`ereclassique. Cette r´egularisationnous permet alors d’avoir acc`es`aune notion de courbure moyenne approch´ee,qui nous permet dans un premier temps de d´efinirdes ´energiesde Willmore approch´ees Γ–convergeant dans l’espace des varifolds vers l’´energie de Willmore. Puis dans le Chapitre 6, on teste num´eriquement cette approximation de la courbure sur des nuages de points, en ´etudiant l’influence des diff´erents param`etresen jeu (nombre de points dans le nuage, ´echelle du noyau r´egularisant, forme du noyau r´egularisant).
1.1 Mesures de Radon et rectifiabilit´e
Avant d’introduire l’espace des varifolds, on va effectuer quelques rappels sur les mesures de Radon et les ensembles rectifiables.
1.1.1 Espace des mesures de Radon
n On se place dans le cadre d’un ouvert Ω ⊂ R muni de sa tribu bor´elienne B(Ω), ces d´efinitionset r´esultatsdemeurent dans le cas d’un espace m´etrique X localement compact. Une mesure de Radon est une mesure de Borel (r´eguli`ere,ce qui est automatique pour une mesure de Borel sur Ω) et finie sur les compacts. Ce qui prend un sens un peu particulier dans le cas vectoriel puisque par d´efinition, une mesure vectorielle est finie.
D´efinition1.1 (Mesures de Radon). 1. Une mesure positive µ sur (Ω, B(Ω)) est appel´eemesure de Borel. Si µ est une mesure de Borel positive et finie sur les compacts, on dit que µ est une mesure de Radon positive. m 2. Mesures vectorielles. Soit A une tribu. On dit que µ : A → R est une mesure vectorielle si µ(∅) = 0 et pour tout {E } avec E ´el´ementsde A deux `adeux disjoints i i∈N i
∞ ! ∞ [ X µ Ei = µ(Ei) i=1 i=1
On d´efinitla variation totale de µ, pour tout bor´elien E,
( ∞ ∞ ) X [ |µ|(E) = sup |µ(Ei)| avec Ei bor´eliensdeux `adeux disjoints tels que E = Ei (1.1) i=1 i=1
m 3. Soit µ d´efiniesur {bor´eliensrelativement compacts de Ω} ⊂ B(Ω) et `avaleurs dans R . Si m pour tout compact K ⊂ Ω, µ :(K, B(K)) → R est une mesure vectorielle, on dit que µ est une mesure de Radon.
4 Proposition 1.1 (Propri´et´esde la variation totale, cf. 1.47 p.21 dans [AFP]). Soit µ une mesure de m Radon finie sur Ω `avaleurs dans R , alors |µ| est une mesure de Radon positive finie et pour tout ouvert U ⊂ Ω, Z 0 m |µ|(U) = sup u · dµ : u ∈ Cc (U) , |u| 6 1 .
m−1 1 De plus, il existe une unique fonction σ :Ω → S dans L (Ω, |µ|) telle que µ = σ |µ| . Dans le point 2 de la D´efinition1.1, on ne pr´ecisepas mesure vectorielle finie car il s’agit d’une cons´equencede l’´egalit´e(1.1) (plus particuli`erement de l’absolue convergence de la s´eriede droite puisque le membre de gauche ne d´epend pas de l’ordre des ensembles consid´er´es).Une mesure vecto- rielle sur B(Ω) est une mesure de Radon finie, tandis qu’une mesure de Radon µ sur Ω n’est pas en g´en´eralune mesure vectorielle sur Ω. En revanche, lorsque µ est une mesure de Radon sur Ω telle que sup {|µ|(K): K compact ⊂ Ω} < ∞, on peut ´etendre µ en une mesure vectorielle sur Ω. Les mesures de Radon sont “localement” des mesures vectorielles, on va voir que l’espace des mesures de Radon m m 0 m sur Ω `avaleurs dans R , qu’on note Mloc(Ω) , apparaˆıtcomme le dual de l’espace Cc (Ω, R ) des fonctions continues `asupport compact de mˆemeque l’espace des mesures de Radon finies sur Ω `ava- m m 0 m leurs dans R , qu’on note M(Ω) , apparaˆıtcomme le dual de l’espace Co(Ω, R ). On va maintenant ´enoncerle th´eor`eme de Riesz afin de pr´eciserles r´esultatsde dualit´eque l’on vient d’´evoquer. 0 m Th´eor`eme1.2 (Th´eor`emede Riesz, cf. 1.54 p.25 dans [AFP]). Soit L :Co(Ω, R ) → R une forme lin´eaire continue i.e. 0 m sup L(u): u ∈ Co(Ω, R ), kuk∞ 6 1 < +∞ .
Alors il existe une unique mesure de Radon finie µ = (µ1, . . . , µm) sur Ω telle que n X Z Z L(u) = uj dµj = u · dµ . j=1 De plus kLk = |µ|(Ω). 0 m Th´eor`eme1.3 (Th´eor`emede Riesz, cf. 1.55 p.25 dans [AFP]). Soit L :Cc (Ω, R ) → R une forme lin´eaire continue i.e. pour tout compact K ⊂ Ω, 0 m sup L(u): u ∈ Cc (Ω, R ), |u| 6 1, supp u ⊂ K < +∞ .
Alors il existe une unique mesure de Radon vectorielle µ = (µ1, . . . , µn) sur Ω telle que n X Z Z L(u) = uj dµj = u · dµ . j=1
0 Attention, la topologie consid´er´eedans le cas de Co est la topologie induite par k · k∞ tandis que 0 concernant Cc il ne s’agit pas d’une topologie induite par une norme, mais par une famille de semi- 0 normes. On utilise ici la propri´et´eque pour cette topologie, une forme lin´eaire L sur Cc est continue 0 si et seulement si la restriction de L aux sous-espaces CK = ϕ ∈ Cc : suppϕ ⊂ K est continue pour chaque compact K. m Ces th´eor`emesde dualit´enous invitent `aconsid´erer la notion de convergence faible–∗ sur Mloc(Ω) et M(Ω)m en tant qu’espaces duaux. m D´efinition1.2 (Convergence faible–∗ dans Mloc(Ω) , cf. [AFP] d´efinition1.58 p. 26). Soit µ et (µi)i m des mesures de Radon sur Ω `avaleurs dans R . On dit que µi converge faiblement–∗ vers µ, not´e ∗ µi −−−−* µ si i→+∞ Z Z 0 m ϕ · dµi −−−−→ ϕ · dµ pour tout ϕ ∈ Cc (Ω, R ) . i→+∞
5 Remarque 1.1. Si de plus les µi sont finies et telles que supi |µi|(Ω) < +∞ alors µ est finie et µi converge faiblement–∗ vers µ au sens de la convergence faible–∗ cette fois-ci dans M(Ω)m i.e. Z Z 0 m ϕ · dµi −−−−→ ϕ · dµ pour tout ϕ ∈ Co(Ω, R ) . i→+∞
On peut appliquer le th´eor`emede Banach-Alaoglu concernant la compacit´efaible des suites born´ees pour obtenir le th´eor`eme de compacit´esuivant :
Th´eor`eme1.4 (Compacit´efaible–∗, cf. [AFP] 1.59 et 1.60 p. 26). 1. Soit (µi)i une suite de me- sures de Radon finies sur (Ω, B(Ω)) telles que supi |µi|(Ω) < +∞, alors il existe une mesure de Radon finie µ et une sous-suite qui converge faiblement–∗ vers µ.
2. Soit (µi)i une suite de mesures de Radon sur (Ω, B(Ω)) telles que supi |µi|(K) < +∞ pour tout compact K ⊂ Ω, alors il existe une mesure de Radon µ et une sous-suite qui converge faiblement–∗ vers µ.
On vient de voir que grˆaceau th´eor`emede Riesz, on peut ´etudierl’espace des mesures de Radon comme un espace dual, si on revient maintenant au point de vue des mesures, comment se comporte la convergence faible–∗ vis `avis des bor´eliens? Commen¸conspar le cas des mesures de Radon positives.
Proposition 1.5 (Cf. [EG92], theorem 1 p. 54). Soit (µk)k une suite de mesures positives de Radon sur Ω convergeant faiblement–∗ vers µ alors
1. pour tout compact K ⊂ Ω, lim supk µk(K) 6 µ(K) et pour tout ouvert U ⊂ Ω, µ(U) 6 lim infk µk(U).
2. limk µk(B) = µ(B) pour tout bor´elienborn´e B ⊂ Ω tel que µ(∂B) = 0. En r´ealit´eon a mieux, chacune de ces propositions ´equivaut `ala convergence faible-∗ ([EG92]). On a une propri´et´eanalogue dans le cas des mesures de Radon `avaleurs vectorielles en ajoutant l’hypoth`esede la convergence faible–∗ de la suite des variations totales |µi|. En effet comme le montre l’exemple suivant, la convergence faible–∗ d’une suite de mesures n’entraˆınepas la convergence des variations totales associ´ees.
Exemple 1.1 (Cf. [AFP] exemple 1.63 p. 29). On d´efinit µi sur ]0, π[ par dµi = sin(ix) dx. On a 2 alors que µi converge faiblement–∗ vers 0 et |µi|converge faiblement–∗ vers π dx. En effet, on d´ecoupe R π kπ (k+1)π (0,π) ϕ(x)| sin(ix)| dx en i intervalles de longueur i puis sur chaque intervalle i , i pour kπ+u 0 k = 0 . . . i − 1 on effectue le changement de variables t = i . On obtient pour ϕ ∈ Cc (]0, π[, R),
i−1 Z 1 X Z π kπ + u ϕ(x)| sin(ix)| dx = ϕ | sin u| du. i i (0,π) k=0 0