1.5 Calibrages et intégrales sur les polytopes [01MF]
Original official author HTML, exact retained edition. Historical TeX conversion verdicts remain unchanged. Cited-edition alignment and mathematical self-containment are not assessed.
Complete original source context · Original author HTML
1.5 Calibrages et intégrales sur les polytopes
Soit la classe des fonctions mesurables. Soit un espace affine de dimension finie, soit un polytope de et soit un entier naturel tel que . Stricto sensu, la théorie ci-dessous dépend du choix de l’entier tel que , mais elle est sans intérêt lorsque .
1.5.1 Intégrale d’une -forme intégrable sur un polytope calibré
De même que l’intégrale d’une forme de type sur dépend d’un choix de coordonnées affines, ou plutôt, comme on l’a vu, du choix d’un vecteur-volume sur , la définition de l’intégrale sur d’une forme de type à coefficients mesurables va requérir des données supplémentaires.
Soit une décomposition cellulaire de ; pour tout , on note l’ensemble des cellules de qui sont de dimension .
Pour toute cellule de dimension , choisissons un vecteur-volume . On note la famille ainsi obtenue ; on dit que c’est un calibrage du polytope subordonné à la décomposition .
Soit un ouvert de et soit une -forme à coefficients mesurables sur .
On pose
On dit que est -intégrable si cette somme est finie ; il revient au même de demander que soit -intégrable pour toute cellule .
Si est -intégrable, on définit l’intégrale de sur relativement au calibrage par la formule
| (1.5.1.1) |
1.5.2
Soit une décomposition cellulaire de raffinant . Pour tout , il existe une unique cellule telle que ; les sous-espace affine engendré par est alors égal à . On définit un calibrage de subordonné à la décomposition on posant pour tout . On dira qu’il raffine le calibrage .
Soit une -forme mesurable sur un ouvert de . On a alors . Par conséquent, est -intégrable si et seulement si elle est -intégrable, et si c’est le cas on a
1.5.3 Discordance
Soit et soit l’ensemble des dont est une face.
Fixons une orientation sur le sous-espace affine . Pour tout , munissons l’espace affine de l’orientation donnée par et la normale sortante. Pour tout , notons le -vecteur tel que le vecteur-volume soit la classe du couple . Le -vecteur appartient à , et peut être vu comme appartenant à .
Notons la somme dans des vecteurs pour parcourant ; la classe du couple dans le produit contracté ne dépend pas du choix de l’orientation . On dit que c’est la discordance du calibrage le long de la face ; on dit que la face est harmonieuse si cette discordance est nulle.
1.5.4 Intégrale de bord
Soit une -forme mesurable sur un ouvert de , et soit . La forme est définie au voisinage de par un germe de -forme à coefficients mesurables.
L’élément de est alors bien défini. En effet, pour toute cellule , le germe est égal à la restriction à de , lequel est uniquement déterminé, par la définition-même du faisceau des formes sur un polytope.
La forme donne ainsi naissance sans ambiguïté à une -forme différentielle (classique) à coefficients mesurables sur , que l’on notera .
La masse totale de la mesure sur déduite de ne dépend que de et sera notée . Si cette masse est finie, l’intégrale de sur ne dépend que de et sera notée .
On pose alors
On dit que est -intégrable si cette somme est finie, et si c’est le cas l’on pose
| (1.5.4.1) |
Si est -intégrable, il résulte de nos constructions que l’on peut également écrire
où la notation est celle de 1.3.7, relative au demi-espace de bordé par et contenant .
On prendra garde qu’en général, contient strictement le bord de . Dans ce cas, fait intervenir des -faces qui sont intérieures à . En revanche, seules interviennent les faces qui ne sont pas harmonieuses.
1.5.5
Soit une décomposition cellulaire de raffinant , et soit le raffinement correspondant de . Soit une-forme intégrable sur . On a alors , et dans le cas intégrable.
En effet, soit une cellule appartenant à qui n’est pas contenue dans une cellule appartenant à . Elle est alors contenue dans exactement deux -cellules cellules et de , elles-mêmes contenues dans une même -cellule de . Si désigne un représentant de alors comme et induisent deux orientations opposées sur , la discordance est de la forme , et est harmonieuse.
Seules interviennent donc effectivement dans le calcul des intégrales le long de les -cellules de contenues dans une -cellule de , d’où l’assertion, compte-tenu du fait (qui résulte immédiatement des définitions) que sur une telle cellule, la discordance de la restriction coïncide avec la restriction de la discordance.
1.5.6
Comme ils définissent aussi la même intégrale, nous identifierons implicitement, dans la suite, deux calibrages qui ont un raffinement commun.
Ainsi, un calibrage ne sera plus subordonné à une décomposition polytopale donnée. Aussi écrirons-nous au lieu de . Nous nous contenterons de voir ceci comme une convention d’écriture ; au vu de (1.5.4.1), on pourrait lui donner un sens plus précis en définissant le « bord » de comme la donnée à raffinement près des différentes discordances.
\lemmname 1.5.7 (Formules de Stokes et Green).
Soit un espace affine, soit un sous-espace linéaire par morceaux de et soit un calibrage de . Soit une -forme lisse et à support compact sur . On a la formule de Stokes :
| (1.5.7.1) |
Soit et des et -formes lisses et symétriques sur , où . Si l’intersection de leurs supports est compact, on a la formule de Green :
| (1.5.7.2) |
Démonstration.
Ces formules résultent de celles démontrées ci-dessus pour des demi-espaces et de la définition des calibrages et des discordances.
En effet, supposons d’abord que soit un livre : sa tranche est un sous-espace affine de dimension de , ses pages des demi-espaces de bord dans des sous-esapces affines de dimension de de contenant . Fixons une orientation sur et munissons les espaces de l’orientation correspondant à la normale sortante. Le calibrage correspond alors à des -vecteurs de , la discordance à leur somme. D’après la formule de Stokes (lemme 1.3.8), on a
Cela démontre la formule de Stokes dans ce cas particulier.
Pour traiter le cas général, fixons une décomposition cellulaire de .
La réunion des cellules de de dimension au plus intersecte chaque cellule de dimension de selon un ensemble de mesure nulle dans l’espace affine .
Il s’ensuit que le compact possède un voisinage dont la trace sur chaque cellule de dimension est de mesure arbitrairement petite dans .
Pour tout point de , il existe un voisinage de dans et un livre tel que . Comme on a prouvé la formule de Stokes pour les livres, un argument de partition de l’unité et de passage à la limite (pour traiter ce qui se passe au voisinage de ) l’entraîne dans le cas général.
La formule de Green se prouve de la même façon. ∎
1.5.8 Fonctorialité
Soit une application affine, soit un polytope de de dimension , et soit son image dans . Soit une décomposition cellulaire de , assez fine pour que son image par soit une décomposition cellulaire de . Soit un calibrage de subordonné à la décomposition . On définit comme suit un calibrage de subordonné à la décomposition . Soit . Soit l’ensemble des -cellules de qui s’envoient sur ; l’application induit pour tout un homéomorphisme et une bijection affine .
Fixons une orientation de Elle induit une orientation de pour toute cellule .
Pour tout , il existe un unique tel que soit égal à la classe de ; soit son image dans . Le couple définit un vecteur-volume sur l’espace .
On pose .
Soit une forme à coefficients mesurables de type (resp. ) sur un ouvert de . La forme est intégrable si et seulement si est intégrable : cela provient du fait que si est une cellule de dimension (resp. ) contenue dans (on ne demande pas que ) et si n’est pas injective, la restriction de à est nulle, parce qu’elle provient d’un espace affine de dimension (resp. ).
Lorsque est intégrable, on a les égalités