Licence 3Analyse

Théorèmes de convergence (monotone, dominée)

60 min15 exercicesSéquence 3.3 — Licence 3
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Durée : 60 min

Théorèmes de convergence

1. Pourquoi des théorèmes de convergence ?

L'un des plus grands avantages de l'intégrale de Lebesgue sur celle de Riemann est la robustesse de l'échange limite-intégrale : sous des hypothèses raisonnables (et souvent plus faibles qu'en théorie de Riemann), on peut affirmer lim⁡n∫fn dμ=∫(lim⁡nfn) dμ\lim_n\int f_n\,d\mu=\int\big(\lim_nf_n\big)\,d\mu. Trois théorèmes majeurs encadrent cette question.

2. Théorème de convergence monotone (Beppo Levi)

Théorème : Soit (fn)n≥1(f_n)_{n\geq1} une suite croissante de fonctions mesurables positives (0≤f1≤f2≤⋯0\leq f_1\leq f_2\leq\cdots), convergeant simplement vers f=lim⁡nfnf=\lim_nf_n (éventuellement +∞+\infty). Alors :

lim⁡n→+∞∫fn dμ=∫f dμ(=∫lim⁡nfn dμ)\lim_{n\to+\infty}\int f_n\,d\mu = \int f\,d\mu \qquad\Big(=\int\lim_nf_n\,d\mu\Big)

Exemple résolu. Soit fn(x)=min⁡(n,1/x)f_n(x)=\min(n,1/\sqrt{x}) sur ]0,1]]0,1] (et fn(0)=nf_n(0)=n, sans incidence). La suite (fn)(f_n) est croissante (en nn) et converge simplement vers f(x)=1/xf(x)=1/\sqrt x. Par convergence monotone :

lim⁡n∫01fn dλ=∫011x dx=[2x]01=2\lim_n\int_0^1 f_n\,d\lambda = \int_0^1\frac{1}{\sqrt x}\,dx = \Big[2\sqrt x\Big]_0^1 = 2

(intégrale impropre au sens de Riemann, mais parfaitement définie et finie au sens de Lebesgue, le théorème garantissant la convergence des intégrales tronquées vers cette valeur).

3. Lemme de Fatou

Lemme (Fatou) : pour toute suite (fn)(f_n) de fonctions mesurables positives :

∫lim inf⁡nfn dμ≤lim inf⁡n∫fn dμ\int\liminf_n f_n\,d\mu \leq \liminf_n\int f_n\,d\mu

C'est une inégalité (pas une égalité en général), utile lorsque la suite n'est pas monotone. Il sert d'outil technique intermédiaire pour démontrer le théorème de convergence dominée.

4. Théorème de convergence dominée (Lebesgue)

Théorème : Soit (fn)n≥1(f_n)_{n\geq1} une suite de fonctions mesurables convergeant simplement (presque partout) vers ff. S'il existe une fonction intégrable gg telle que ∣fn∣≤g|f_n|\leq g presque partout, pour tout nn (domination uniforme), alors ff est intégrable et :

lim⁡n→+∞∫fn dμ=∫f dμ\lim_{n\to+\infty}\int f_n\,d\mu = \int f\,d\mu

Contre-exemple sans domination (rappel) : pour fn=n⋅1[0,1/n]f_n=n\cdot\mathbb{1}_{[0,1/n]}, on a fn→0f_n\to0 p.p. mais ∫fn dλ=1↛0\int f_n\,d\lambda=1\not\to0 : il n'existe ici aucune fonction intégrable gg dominant tous les fnf_n (car fn(0)=n→+∞f_n(0)=n\to+\infty), donc le théorème ne s'applique pas — cohérent avec l'échec de l'échange limite-intégrale observé.

5. Exemple résolu — convergence dominée

Soit fn(x)=sin⁡(nx)1+nx2f_n(x)=\dfrac{\sin(nx)}{1+nx^2} sur [0,1][0,1]. On a ∣fn(x)∣≤11+nx2≤1|f_n(x)|\leq\dfrac{1}{1+nx^2}\leq1 pour tout n,xn,x (car ∣sin⁡∣≤1|\sin|\leq1 et 1+nx2≥11+nx^2\geq1), donc g≡1g\equiv1 (intégrable sur [0,1][0,1], de mesure finie) domine uniformément la suite. Comme fn(x)→0f_n(x)\to0 pour tout xx fixé (le numérateur est borné, le dénominateur croît si x≠0x\neq0 ; en x=0x=0, fn(0)=0f_n(0)=0 pour tout nn), le théorème de convergence dominée donne directement :

lim⁡n→+∞∫01sin⁡(nx)1+nx2 dx=∫010 dx=0\lim_{n\to+\infty}\int_0^1\frac{\sin(nx)}{1+nx^2}\,dx = \int_0^1 0\,dx = 0

sans avoir à calculer explicitement l'intégrale pour chaque nn (ce qui serait très difficile).

6. Comparaison des trois théorèmes


ThéorèmeHypothèse sur (fn)(f_n)Conclusion
|---|---|---|



Convergence monotonefn≥0f_n\geq0, croissantelim⁡∫fn=∫lim⁡fn\lim\int f_n=\int\lim f_n (égalité, même si =+∞=+\infty)
Fatoufn≥0f_n\geq0 (pas de monotonie)∫lim inf⁡fn≤lim inf⁡∫fn\int\liminf f_n\leq\liminf\int f_n (inégalité seulement)
Convergence dominée∣fn∣≤g|f_n|\leq g intégrablelim⁡∫fn=∫lim⁡fn\lim\int f_n=\int\lim f_n (égalité)

7. Récapitulatif


OutilRôle
|---|---|


Convergence monotoneéchanger limite croissante et intégrale, sans hypothèse de domination
Fatouminorer lim inf⁡∫fn\liminf\int f_n, outil technique intermédiaire
Convergence dominéeéchanger limite quelconque et intégrale, sous domination uniforme

Exercices

Quelle hypothèse principale requiert le théorème de convergence monotone sur la suite (fn)(f_n) ?

Vrai ou faux : le théorème de convergence dominée nécessite l'existence d'une fonction intégrable gg dominant uniformément tous les fnf_n.

Que dit le lemme de Fatou ?

Vrai ou faux : la suite fn=n⋅1[0,1/n]f_n=n\cdot\mathbb{1}_{[0,1/n]} vérifie les hypothèses du théorème de convergence dominée.

Pour fn(x)=sin⁡(nx)1+nx2f_n(x)=\dfrac{\sin(nx)}{1+nx^2} sur [0,1][0,1], quelle fonction constante peut servir de fonction dominante intégrable gg ?

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