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Licence 3 · Théorie de la mesure L3 — Intégrale de Lebesgue

Théorèmes de convergence (monotone, dominée)

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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

Le théorème de convergence monotone (Beppo Levi) demande que la suite soit positive et croissante — c'est cette monotonie qui garantit l'échange limite-intégrale, sans besoin de domination.

Exercice 2

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

Corrigé

Vrai. C'est précisément l'hypothèse de « domination » qui donne son nom au théorème : ∣fn∣≤g|f_n|\leq g presque partout, pour tout nn, avec gg intégrable.

Exercice 3

Que dit le lemme de Fatou ?

Corrigé

Le lemme de Fatou est une inégalité, pas une égalité, valable pour toute suite de fonctions positives (sans hypothèse de monotonie ni de domination).

Exercice 4

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.

Corrigé

Faux. Il n'existe aucune fonction intégrable gg dominant uniformément tous les fnf_n, car fn(0)=n→+∞f_n(0)=n\to+\infty : aucune fonction fixe gg ne peut majorer fn(0)f_n(0) pour tout nn. C'est pourquoi lim⁡∫fn=1≠0=∫lim⁡fn\lim\int f_n=1\neq0=\int\lim f_n dans cet exemple.

Exercice 5

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 ?

Corrigé

Comme ∣sin⁡(nx)∣≤1|\sin(nx)|\leq1 et 1+nx2≥11+nx^2\geq1, on a ∣fn(x)∣≤1|f_n(x)|\leq1 pour tout n,xn,x, donc g≡1g\equiv1 (intégrable sur [0,1][0,1] de mesure finie) domine uniformément la suite.

Exercice 6

Soit fn(x)=min⁡(n,1/x)f_n(x)=\min(n,1/\sqrt x) sur ]0,1]]0,1]. En appliquant le théorème de convergence monotone, calculer lim⁡n∫01fn dλ\lim_n\int_0^1f_n\,d\lambda.

Corrigé

La suite croît vers f(x)=1/xf(x)=1/\sqrt x, donc par convergence monotone, lim⁡n∫01fn dλ=∫011xdx=[2x]01=2\lim_n\int_0^1f_n\,d\lambda=\int_0^1\frac{1}{\sqrt x}dx=[2\sqrt x]_0^1=2.

Exercice 7

Vrai ou faux : dans le théorème de convergence dominée, la convergence simple de (fn)(f_n) vers ff peut être seulement presque partout (pas nécessairement en tout point).

Corrigé

Vrai. C'est l'un des avantages de la théorie de la mesure : les hypothèses des théorèmes de convergence n'ont besoin d'être vérifiées que presque partout, les ensembles négligeables n'affectant jamais la valeur de l'intégrale.

Exercice 8

Pourquoi le théorème de convergence monotone ne s'applique-t-il pas directement à une suite décroissante de fonctions positives ?

Corrigé

Le théorème de convergence monotone, dans sa forme standard, est énoncé pour les suites croissantes. Pour une suite décroissante (fn)(f_n) de fonctions positives, on peut obtenir un résultat analogue en appliquant le théorème à gn=f1−fng_n=f_1-f_n (croissante), à condition que f1f_1 soit intégrable — sans cette précaution supplémentaire, le résultat peut être faux.

Exercice 9

Soit fn(x)=xn⋅1[0,n](x)f_n(x)=\dfrac{x}{n}\cdot\mathbb{1}_{[0,n]}(x). Cette suite vérifie-t-elle les hypothèses de la convergence dominée sur R\mathbb{R} tout entier ?

Corrigé

Faux. Bien que fn(x)→0f_n(x)\to0 pour tout xx fixé (car pour nn assez grand x/n→0x/n\to0), il n'existe aucune fonction intégrable gg sur R\mathbb{R} dominant uniformément tous les fnf_n : sur [0,n][0,n], fnf_n atteint la valeur 11 en x=nx=n, donc toute fonction dominante devrait valoir au moins 11 sur des intervalles de longueur croissante, ce qui empêche son intégrabilité sur R\mathbb{R}.

Exercice 10

Calculer lim⁡n→+∞∫01nx1+n2x2 dx\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\int_0^1\frac{nx}{1+n^2x^2}\,dx en justifiant l'usage (ou non) du théorème de convergence dominée.

Corrigé

Convergence simple. Pour x∈ ]0,1]x\in\,]0,1] fixé, fn(x)=nx1+n2x2∼nxn2x2=1nx→0f_n(x)=\dfrac{nx}{1+n^2x^2}\sim\dfrac{nx}{n^2x^2}=\dfrac{1}{nx}\to0 quand n→+∞n\to+\infty. En x=0x=0, fn(0)=0f_n(0)=0 pour tout nn. Donc fn→0f_n\to0 simplement sur [0,1][0,1].

Recherche d'une domination uniforme. En étudiant fnf_n comme fonction de xx (dérivée par rapport à xx nulle en x=1/nx=1/n), on trouve que le maximum de fnf_n sur R+\mathbb{R}_+ est atteint en x=1/nx=1/n, avec fn(1/n)=n⋅(1/n)1+n2⋅(1/n2)=12f_n(1/n)=\dfrac{n\cdot(1/n)}{1+n^2\cdot(1/n^2)}=\dfrac{1}{2}. Donc ∣fn(x)∣≤12|f_n(x)|\leq\dfrac12 pour tout xx et tout nn : la fonction constante g≡1/2g\equiv1/2 (intégrable sur [0,1][0,1], de mesure finie) domine uniformément la suite.

Application du théorème de convergence dominée.

lim⁡n→+∞∫01nx1+n2x2 dx=∫010 dx=0\lim_{n\to+\infty}\int_0^1\frac{nx}{1+n^2x^2}\,dx = \int_0^1 0\,dx = 0

Exercice 11

Démontrer, en utilisant le théorème de convergence monotone, que pour une série de fonctions mesurables positives ∑k=1+∞gk\sum_{k=1}^{+\infty}g_k, on a ∫(∑k=1+∞gk)dμ=∑k=1+∞∫gk dμ\displaystyle\int\left(\sum_{k=1}^{+\infty}g_k\right)d\mu = \sum_{k=1}^{+\infty}\int g_k\,d\mu (intégration terme à terme).

Corrigé

Construction de la suite croissante. Posons fn=∑k=1ngkf_n=\displaystyle\sum_{k=1}^ng_k (somme partielle). Comme chaque gk≥0g_k\geq0, la suite (fn)n(f_n)_n est croissante : fn+1=fn+gn+1≥fnf_{n+1}=f_n+g_{n+1}\geq f_n. De plus, fn→∑k=1+∞gkf_n\to\displaystyle\sum_{k=1}^{+\infty}g_k simplement (par définition de la somme d'une série).

Application du théorème de convergence monotone.

lim⁡n→+∞∫fn dμ=∫(lim⁡nfn)dμ=∫(∑k=1+∞gk)dμ\lim_{n\to+\infty}\int f_n\,d\mu = \int\left(\lim_nf_n\right)d\mu = \int\left(\sum_{k=1}^{+\infty}g_k\right)d\mu

Linéarité finie de l'intégrale. Pour chaque nn fixé, par linéarité de l'intégrale sur une somme finie :

∫fn dμ=∫(∑k=1ngk)dμ=∑k=1n∫gk dμ\int f_n\,d\mu = \int\left(\sum_{k=1}^ng_k\right)d\mu = \sum_{k=1}^n\int g_k\,d\mu

Passage à la limite. En faisant n→+∞n\to+\infty dans cette dernière égalité :

lim⁡n→+∞∫fn dμ=∑k=1+∞∫gk dμ\lim_{n\to+\infty}\int f_n\,d\mu = \sum_{k=1}^{+\infty}\int g_k\,d\mu

Conclusion. En combinant les deux expressions de lim⁡n∫fn dμ\lim_n\int f_n\,d\mu :

∫(∑k=1+∞gk)dμ=∑k=1+∞∫gk dμ□\int\left(\sum_{k=1}^{+\infty}g_k\right)d\mu = \sum_{k=1}^{+\infty}\int g_k\,d\mu \qquad \square

Ce résultat (intégration terme à terme d'une série de fonctions positives) est un outil extrêmement utilisé en pratique, notamment en probabilités (calcul d'espérances de sommes de variables aléatoires positives).

Exercice 12

Démontrer que le théorème de convergence dominée implique la continuité de x↦∫01e−xt dtx\mapsto\displaystyle\int_0^1 e^{-xt}\,dt en tout point x0≥0x_0\geq0 (en justifiant l'échange limite-intégrale via une suite xn→x0x_n\to x_0).

Corrigé

Mise en place. Notons F(x)=∫01e−xt dtF(x)=\displaystyle\int_0^1e^{-xt}\,dt. Pour montrer que FF est continue en un point x0≥0x_0\geq0, il suffit de montrer que pour toute suite (xn)n(x_n)_n avec xn→x0x_n\to x_0 (et xn≥0x_n\geq0), on a F(xn)→F(x0)F(x_n)\to F(x_0) (caractérisation séquentielle de la continuité).

Convergence simple de l'intégrande. Posons fn(t)=e−xntf_n(t)=e^{-x_nt} sur [0,1][0,1]. Par continuité de l'exponentielle et de (x,t)↦xt(x,t)\mapsto xt, pour chaque t∈[0,1]t\in[0,1] fixé, fn(t)=e−xnt→e−x0tf_n(t)=e^{-x_nt}\to e^{-x_0t} quand n→+∞n\to+\infty (convergence simple).

Domination uniforme. Comme xn≥0x_n\geq0 et t∈[0,1]t\in[0,1], on a xnt≥0x_nt\geq0, donc fn(t)=e−xnt≤e0=1f_n(t)=e^{-x_nt}\leq e^0=1 pour tout nn et tout tt. La fonction constante g≡1g\equiv1 (intégrable sur [0,1][0,1], mesure finie) domine donc uniformément la suite.

Application du théorème de convergence dominée.

F(xn)=∫01fn(t) dt→n→+∞∫01e−x0t dt=F(x0)F(x_n) = \int_0^1f_n(t)\,dt \xrightarrow[n\to+\infty]{} \int_0^1e^{-x_0t}\,dt = F(x_0)

Conclusion. Comme (xn)(x_n) était une suite arbitraire convergeant vers x0x_0, on a montré F(xn)→F(x0)F(x_n)\to F(x_0) dans tous les cas, donc FF est continue en x0x_0. □\square Cette technique (domination uniforme par une constante, indépendante du paramètre) est extrêmement courante pour justifier la continuité ou la dérivabilité d'intégrales à paramètre.

Exercice 13

Vrai ou faux : le lemme de Fatou peut être utilisé pour démontrer le théorème de convergence dominée.

Corrigé

Vrai. La démonstration standard du théorème de convergence dominée applique le lemme de Fatou deux fois : une fois à g+fn≥0g+f_n\geq0 et une fois à g−fn≥0g-f_n\geq0 (où gg est la fonction dominante), pour encadrer lim inf⁡\liminf et lim sup⁡\limsup de ∫fn\int f_n et conclure à l'égalité lim⁡∫fn=∫f\lim\int f_n=\int f.

Exercice 14

Calculer lim⁡n→+∞∫0+∞n1+n2x2 e−x dx\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\int_0^{+\infty}\frac{n}{1+n^2x^2}\,e^{-x}\,dx en discutant si le théorème de convergence dominée s'applique directement (réponse attendue : non directement par une constante, le résultat nécessite une analyse plus fine).

Corrigé

Observation clé. La fonction δn(x)=n1+n2x2\delta_n(x)=\dfrac{n}{1+n^2x^2} se comporte, quand n→+∞n\to+\infty, comme une approximation de l'identité (noyau de Dirac) : elle se concentre de plus en plus près de x=0x=0 tout en gardant une intégrale totale constante. En effet, par le changement de variable u=nxu=nx :

∫0+∞δn(x) dx=∫0+∞n1+n2x2 dx=∫0+∞11+u2 du=[arctan⁡u]0+∞=π2\int_0^{+\infty}\delta_n(x)\,dx = \int_0^{+\infty}\frac{n}{1+n^2x^2}\,dx = \int_0^{+\infty}\frac{1}{1+u^2}\,du = \Big[\arctan u\Big]_0^{+\infty} = \frac{\pi}{2}

(valeur indépendante de nn, confirmant la nature de noyau concentré).

Pourquoi la convergence dominée par une constante échoue ici. Comme pour l'exemple fn=n⋅1[0,1/n]f_n=n\cdot\mathbb{1}_{[0,1/n]} déjà rencontré, δn(0)=n→+∞\delta_n(0)=n\to+\infty : aucune fonction fixe ne peut dominer uniformément toute la suite près de x=0x=0.

Calcul de la limite par un argument de noyau concentré. Comme δn\delta_n se concentre en x=0x=0 avec une masse totale π/2\pi/2 constante, et que e−xe^{-x} est continue avec e−0=1e^{-0}=1, on a (résultat classique d'approximation de l'identité, analogue au théorème de convergence des noyaux de Dirac) :

lim⁡n→+∞∫0+∞δn(x) e−x dx=π2×e−0=π2\lim_{n\to+\infty}\int_0^{+\infty}\delta_n(x)\,e^{-x}\,dx = \frac{\pi}{2}\times e^{-0} = \frac{\pi}{2}

Conclusion. Contrairement à l'exemple n⋅1[0,1/n]n\cdot\mathbb{1}_{[0,1/n]} (où la limite valait 0≠1=lim⁡∫fn0\neq1=\lim\int f_n), ici la limite de l'intégrale est non triviale et non nulle (π/2\pi/2), illustrant que les suites « concentrées » sans domination uniforme nécessitent une analyse au cas par cas (souvent via la théorie des approximations de l'identité), le théorème de convergence dominée standard ne s'appliquant pas directement par une simple borne constante.

Exercice 15

Vrai ou faux : si (fn)(f_n) converge vers ff presque partout et que ∫∣fn∣ dμ→∫∣f∣ dμ<∞\int|f_n|\,d\mu\to\int|f|\,d\mu<\infty, alors on peut conclure ∫fn dμ→∫f dμ\int f_n\,d\mu\to\int f\,d\mu même sans domination explicite par une fonction fixe gg (théorème de Scheffé).

Corrigé

Vrai — c'est précisément le contenu du théorème de Scheffé, une variante du théorème de convergence dominée qui remplace l'hypothèse de domination uniforme par la convergence des normes L1L^1 (intégrales des valeurs absolues). Il est notamment très utilisé en théorie des probabilités pour établir la convergence de densités de probabilité.

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