Int´egration et probabilit´es
ENS Paris, 2013-2014TD — Approximations – Corrig´e
0 – Exercices `a pr´eparer
E
xercice -1. (D’apr`es Partiel) ´Etudier la convergence de la suiteun=R],∞[ sin(tn)
tn(+t)dt. On pr´ecisera la limite si elle exie et on juifiera soigneusement la r´eponse.
Corrig´e : On ´ecrit
un= Z
],[
sin(tn) tn(+t)dt+
Z
],∞[
sin(tn)
tn(+t)dt=In+Jn et on ´etudie s´epar´ement les deux int´egralesInetJn.
Pour la premi`ere, on remarque que sur ],[ la quantit´e tsin(tn(+t)n) tend simplement vers+t 1t∈],[, en
´etant domin´ee en valeur absolue par/(+t), qui eune fonion int´egrable sur ],[ ind´ependante de n. Ainsi, d’apr`es le th´eor`eme de convergence domin´ee,In→R
],[
+tdt= ln().
Pour la seconde, pourn≥, on remarque que sur ],∞[ la quantit´etsin(tn(+t)n) tend simplement vers, en ´etant domin´ee en valeur absolue par t(+t), qui eune fonion int´egrable sur ],∞[ ind´ependante de n. Ainsi, d’apr`es le th´eor`eme de convergence domin´ee,Jn→. On conclut queun→ln().
E
xercice 0. Soitf : ([,+∞[,B([,+∞[)→([,+∞[,B([,+∞[)) une fonion mesurable.. Montrer que l’on d´efinit une fonion continueF: [,+∞[→Rpar la formule F(x) =
Z∞
aran(xf(t))
+t dt , x≥.
. Calculer la limite deF(x) quandx→ ∞.
. Montrer queFed´erivable sur ],+∞[.
. Donner une condition n´ecessaire et suffisante surf pour queF soit d´erivable en.
Corrig´e :
. On pose g(x, t) = aran(xf(t))/(+t) pour x ≥ et t ≥ . Alors pour tout t ≥ la fonion x7→g(x, t) econtinue. De plus pour toutx≥la foniont7→g(x, t) eint´egrable et|g(x, t)| ≤ π/((+t)). Donc d’apr`es le th´eor`eme de continuit´e sous le signe int´egrale, la fonion F e continue sur [,+∞[.
Pour des queions, demande de pr´ecisions ou explications, n’h´esitez pas `a m’envoyer un mail `a igor.kortchemski@ens.fr , ou bien `a venir me voir au bureau V.
. Soit (xn)n≥une suite de r´eels positifs convergeant vers +∞. Alorsg(xn, t)→π/((+t))1{f(t),}
pour toutt≥. La domination utilis´ee `a la queion pr´ec´edente permet d’utiliser le th´eor`eme de convergence domin´ee et d’obtenir que
nlim→∞F(xn) = Z ∞
π
(+t)1{f(t),}dt.
Ainsi
xlim→∞F(x) = Z ∞
π
(+t)1{f(t),}dt.
. Pour toutt≥la fonionx7→g(x, t) ed´erivable de d´eriv´ee
∂g(x, t)
∂x = f(t)
(+t)(+x(f(t))). Soita >. Pour toutx≥aon a
f(t)
(+t)(+x(f(t)))
≤ a(+t).
Donc d’apr`es le th´eor`eme de d´erivation sous le signe int´egrale, la fonion F ed´erivable sur [a,+∞[ et ceci pour touta >, elle edonc d´erivable sur ],+∞[.
. On va montrer queF ede classeCsur [,+∞[ si et seulement si la foniont7→f(t)/(+t) e int´egrable. Supposons que la foniont7→f(t)/(+t) soit int´egrable. Alors pour toutx≥on a
f(t)
(+t)(+x(f(t)))
≤ f(t) (+t).
Donc d’apr`es le th´eor`eme de d´erivation sous le signe int´egrale, la fonion F ed´erivable sur [,+∞[. Supposons maintenant que la foniont7→f(t)/(+t) ne soit pas int´egrable. Soit (xn)n≥
une suite de r´eels positifs convergeant vers. Alors pour toutt≥, aran(xnf(t))
xn(+t) −→
n→∞
f(t) (+t). Donc d’apr`es le lemme de Fatou,
lim inf
n→∞
Z∞
aran(xnf(t))
xn(+t) dt=∞.
AinsiF(xn)/xn→ ∞quandn→ ∞.
1 – Petite question
Soitµune mesure positive sur (R,B(R)) etg:R→R+une fonion mesurable.
. On suppose que pour toute fonion mesurablef :R→R+on a Z
f(x)µ(dx) = Z
f(x)g(x)dx.
Que dire deµ?
. On suppose maintenant queµefinie et que pour toute fonion continue born´eef :R→R+on
a Z
f(x)µ(dx) = Z
f(x)g(x)dx.
Que dire deµ? Corrig´e :
. Si on prendf =1AavecA∈ B(R), on voit que µ(A) =
Z
A
g(x)dx.
Ainsiµela mesure de densit´eg par rapport `a la mesure de Lebesgue.
. On va montrer que la conclusion ela mˆeme. Sia < b∈R, consid´eronsφk(x) = (kd(x,]a, b[c))∧, qui eune fonion lipschitzienne tendant simplement en croissant vers1]a,b[. Ainsi,
Z
φn(x)µ(dx) = Z
φn(x)g(x)dx, et d’apr`es le th´eor`eme de convergence monotone, ceci implique
µ(]a, b[) = Z
]a,b[
g(x)dx.
En particulier, ceci impose queg eint´egrable. En utilisant le lemme de la classe monotone, on conclut que
µ(A) = Z
A
g(x)dx
pour tout bor´elienA∈R. Ainsiµeencore la mesure de densit´eg par rapport `a la mesure de Lebesgue.
1 – Calculer en cent leco¸ns
E
xercice 1. (Formule des compl´ements) On noteΓ la fonion d´efinie pourx >par Γ(x) =Z ∞
tx−e−tdt.
. Calculer la mesure image de la mesure
xa−yb−e−(x+y)1{x,y≥}dx dy, par l’application (x, y)∈(R+)7→(x+y, x/(x+y)).
. En d´eduire la formule des compl´ements : Γ(a)Γ(b)
Γ(a+b) = Z
ta−(−t)b−dt.
Corrig´e :
. Soitf :R+→R+une fonion bor´elienne. On veut calculer Z
(R∗+)
f x+y, x x+y
!
xa−yb−e−(x+y)dx dy.
Soitφ: (x, y)∈(R∗+)7→(x+y, x/(x+y)),qui eunC-diff´eomorphisme surR∗+×],[ de jacobien Jac(φ)(x, y) =−
x+y. D’apr`es la formule du changement de variables, on a
Z
(R∗+)
f x+y, x x+y
!
xa−yb−e−(x+y)dx dy
= Z
(R∗
+)
f x+y, x x+y
!
(x+y) x x+y
!a−
(x+y)−(x+y) x x+y
!b−
(x+y)e−(x+y)(x+y)−dx dy
= Z
R∗+×],[f(u, v)(uv)a−(u−uv)b−ue−udu dv
= Z
R∗
+×],[f(u, v)e−uua+b−va−(−v)b−du dv.
Donc la mesure image par (x, y)7→(x+y, x/(x+y)) de la mesurexa−yb−e−(x+y)1{x,y>}dx dye e−uua+b−va−(−v)b−1{u>,<v<}.
. D’apr`es le th´eor`eme de Fubini-Tonelli la masse totale de cette mesure e Z
(R∗+)
xa−yb−e−(x+y)dx dy=Γ(a)Γ(b),
et Z
R∗
+×],[e−uua+b−va−(−v)b−du dv=Γ(a+b) Z
d ta−(−t)b−. On trouve donc la formule des compl´ements.
2 – Approximations
E
xercice 2. Soitf : (R,B(R))→(R,B(R)) une fonion int´egrable pour la mesure de Lebesgue. On sup- pose que pour tousa < b,Z
]a,b[
f(x)λ(dx) =. Montrer quef =λ-p.p.
Corrig´e :
Solution. On v´erifie ais´ement que la classe des bor´eliensAtels queR
Af(x)λ(dx) =eune classe monotone (pour laabilit´e par union croissante on peut utiliser le th´eor`eme de convergence domin´ee).
Elle contient les intervalles ouverts, qui forment une classe able par interseions finies engendrant
la tribu bor´elienne. On a donc R
Af(x)λ(dx) = pour tout bor´elien A d’apr`es le lemme de la classe monotone. En particulier,
Z
{f >}
f dλ=.
Or f1{f >} eune fonion positive doncf1{f >} = λ-p.p. De mˆeme, f1{f <} = λ-p.p. Donc f = λ-p.p.
Solution. Soient f+ et f− respeivement les parties positive et n´egative de f, et les mesures positivesdν+=f+dλetdν−=f−dλ. On a, pour tous a < b, ν+(]a, b[) =ν−(]a, b[). Orν+ etν−sont des mesures bor´eliennes positives de masse finie, donc le th´eor`eme d’unicit´e des mesures impliqueν+=ν−. Ainsi,
∀A∈ B(R), Z
A
f dλ=.
On conclut comme dans la solution.
E
xercice 3. On se donne deux mesures positives bor´eliennesµetν surR, et on suppose que pour tout choix dea < b∈Rµ(]a, b[)≤ν(]a, b[)<∞. Montrer alors queµ(A)≤ν(A) pour tout bor´elienA.
Corrig´e :
Tout d’abord, on remarque queµ(]a, b[)≤ν(]a, b[) si a, b ∈R∪ ±∞ (pour le voir, on peut par exemple utiliser la sigma additivit´e deµetν.
SoitOun ouvert deR. Montrons queµ(O)≤ν(O). Il exie une suite d’intervalles (]an, bn[)n≥, avec an, bn∈R∪ ±∞telle que
O=[
n≥
]an, bn[ o `u l’union edisjointe. Ainsi
µ(O) =X
n≥
µ(]an, bn[)≤X
n≥
ν(]an, bn[) =ν(O).
Puis, les mesures finies sur (R,B(R) ´etant r´eguli`eres ext´erieurement, on a pour toutA∈ B(R) : µ(A) = inf{µ(O);A⊂O, Oouvert deR}= inf{ν(O);A⊂O, Oouvert deR}=ν(A).
Cela conclut.
E
xercice 4. (Fonion de r´epartition d’un ensemble) SoitAun ensemble bor´elien deRde mesure finie.Montrer que la fonionf :R−→Rd´efinie parf(x) =λ(]− ∞, x]∩A) econtinue.
Corrig´e :
Elle e-Lipschitzienne ! SiA∈ B(R) alors
|f(x)−f(y)| ≤λ([x, y]∩A)≤ |x−y|.
E
xercice 5. ( – Th´eor`eme de Lusin) Soitf : [,]−→Rune fonion bor´elienne. Montrer que pour tout ε >il exie une fonion continueg: [,]−→Rtelle queλ({x, f(x),g(x)})≤ε.
Indication.On pourra commencer par le cas o `uf =AavecAbor´elien de [,].
Corrig´e :
Commenc¸ons par le cas o `uf =AavecAbor´elien de [,]. Par r´egularit´e de la mesure de Lebesgue, il exie un ferm´eFet un ouvertOtels que
F⊂A⊂Oetλ(O\F)≤ε.
Il exie alors une fonion continue `a valeur dans [,] qui vautsur F eten dehors deO, en effet d(F, Oc) = η > par compacit´e et on v´erifie que la fonion
fF,O:x7→sup
−d(x, F) η
! ,
! ,
v´erifie bien les conditions requises. Donc la fonionfF,O econtinue et λ({x, f(x),fF,O(x)})≤λ(O\F)≤ε.
Dans le cas g´en´eral, on peut supposer que≤f ≤et on d´efinit par r´ecurrence
— f=f≥/
— f=(f−f)≥/
— f=(f−f−f)≥/
— ...
Ainsi f =P∞
n=fn et pour toutn, nfn eune fonion indicatrice d’un bor´elien de [,]. D’apr`es les r´esultats pr´ec´edents pour chaquen≥, il exie une fonion≤hn≤continue telle queλ(x, hn(x),
nfn(x))≤ε−n.La fonion continueh=P∞
n=−nhnr´epond alors `a la queion.
– Compl´ements (hors TD)
E
xercice 7. ( ) Soit µ une mesure positive sur (R,B(R)) et g :R →R+ une fonion mesurable. On suppose queµede masse infinie et que pour toute fonion continue born´eef :R→R+on aZ
f(x)µ(dx) = Z
f(x)g(x)dx.
E-ce que forc´ementµ(A) =R
Ag(x)dxpour tout bor´elienA∈R? Corrig´e :
Si la mesure µ n’epas finie mais finie sur tous les compas (ce qui revient `a fire que g e locale- ment int´egrable), il eais´e d’adapt´e le raisonnement de la petite queion pour obtenir une r´eponse affirmative.
En revanche, si on ne fait aucune hypoth`ese surµ, le r´esultat tombe en d´efaut, comme le montre le contre-exemple suivant (d ˆu `a Omar Mohsen). On commence par conruire une fonion positive mesurablegd’int´egrale infinie (pour la mesure de Lebesgue) sur tout intervalle ouvert. Soit (rn)n≥une
´enum´eration des rationnels, et consid´erons la fonion mesurable h(x) =X
n≥
n
√
x−rn1<x−rn<.
Posonsg=h. On v´erifie queheint´egrable, ce qui impliqueh <∞p.p. et doncg <∞p.p. En revanche, on v´erifie que pour tousa < b:
Z
]a,b[
g(x)dx=∞.
Soit alorsµla mesure de comptage surR, de sorte que pour tousa < b:
∞=µ(]a, b[) = Z
]a,b[
g(x)dx. ()
Maintenant, sif :R→R+eune fonion continue born´ee, ´ecrivonsf comme limite croissante de fonions en escalier :
f = lim
n→∞
nn
X
k=−nn ikinf
n,k+n
hf ·1ik
n,k+nh. Le th´eor`eme de convergence monotone et () fournissent
Z
f(x)µ(dx) = Z
f(x)g(x)dx.
Cependant il n’epas vrai queµ(A) =R
Ag(x)dxpour tout bor´elienA∈R. En effet :
=µ({}), Z
{}
g(x)dx=.
E
xercice 8. ( ) Trouver un espace topologiqueT et une mesureµsur (T ,B(T)) de masse totalequi ne soit pas tendue.Corrig´e :
SoitXun ensemble non d´enombrable, qu’on munit de la topologie co–d´enombrableτx (les ouverts sont par d´efinition∅et les sous-ensemblesB⊂X pour lesquelsBc ed´enombrable). La tribu bor´elienne de Xealors conitu´ee par les ´el´ementsBtels queBouBcsoit d´enombrable (en effet, on v´erifie ais´ement que ces ´el´ements forment une tribu).
Remarquons tout de suite que siB⊂Xeinfini, alorsBn’epas compa. En effet, soit (an)n≥une suite d’´el´ements deB, posonsA={a, a, . . . ,}etBn=Ac∪ {a, . . . , an}. Alors∪n≥Bn eun recouvrement ouvert deBduquel on ne peut pas extraire un recouvrement fini.
Soitµla mesure d´efinie sur (X, τX) par : µ(B) =
siBed´enombrable
siBced´enombrable.
V´erifions queµeune mesure. `A cet effet, consid´erons une suite (Bn)n≥de sous-ensembles disjoints de X et posons B=∪n≥Bn. Si tous lesBn sont d´enombrables, µ(Bn) = pour tout n ≥ etµ(B) = ; on a bien µ(B) = P
n≥µ(Bn). Si un des Bn e de compl´ementaire d´enombrable, tous les autres sont d´enombrables car ils sont disjoints (s’en convaincre). Dans ce cas on a bien aussiµ(B) =P
n≥µ(Bn).
Il eclair en revanche queµn’epas tendue car d’apr`es ce qu’on a vu pr´ec´edemment les compas ont mesure nulle.
Et si on veut une mesure de masse totalenon tendue sur la tribu bor´elienne d’un espace m´etrique
... ?
Fin