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Intégrales dépendant de paramètres

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

FrançoisDEMARÇAY

Département de Mathématiques d’Orsay Université Paris-Sud, France

Soit un sous-ensemble mesurableE ⊂Rd, soit un intervalleI ⊂Rd’intérieur non vide et soit une fonction mesurable :

f: E×I −→ C.

R

I

E

Rd t

R

Ef(x, t)dx

Une question naturelle qui possède des applications extrêmement nombreuses et utiles en Analyse consiste à déterminer de quelle manière l’intégrale :

F(t) :=

Z

E

f(x, t)dx

dépend du paramètreten fonction de la régularité de l’applicationf que l’on intègre (sur des tranches horizontales).

En fait, de telles représentation intégrales F(t) s’avèrent constituer un outil puissant répandu pour étudier les propriétés des solutions à de nombreuses équations aux dérivées partielles, notamment issues de la physique, par exemple leur régularité, la localisation de leurs singularités, ou encore leurs propriétés asymptotiques.C’est pourquoi ce bref chapitre simple est d’une importance absolument capitale !

1

(2)

1. Continuité d’intégrales dépendant de paramètres

Dans le cadre mathématique abstrait et avancé de la théorie de l’intégration de Lebesgue, un premier énoncé fondamental est le suivant.

Théorème 1.1. [Continuité d’une intégrale à paramètre]Si, au voisinage d’un point fixé t0 ∈I, les trois conditions suivantes sont satisfaites :

(i) pour toutt 6= t0 proche det0, la fonctionx 7−→ f(x, t)est Lebesgue-intégrable en la variablexsurE;

(ii) pour presque toutx∈E :

tlim→t0

f(x, t) = f(x, t0);

(iii) il existe une fonction positiveg: E −→R+ Lebesgue-intégrable surE qui, pour tout t6=t0proche det0 et pour presque toutx∈E, domine uniformément :

f(x, t)

6 g(x);

Alors premièrement la fonction :

x 7−→ f(x, t0) est Lebesgue-intégrable surE et deuxièmement surtout :

t→limt0

Z

E

f(x, t)dx = Z

E

f(x, t0)dx.

Autrement dit, ces trois conditions garantissent que la fonction introduite ci-dessus : F(t) =

Z

E

f(x, t)dx

est continue en t = t0. Dans la plupart des applications utiles et intéressantes, il est en général aisé de vérifier que ces trois conditions sont effectivement satisfaites.

Démonstration. L’argument est dérisoirement simple, puisque, comme l’aura fait deviner la présence d’une fonction dominatrice g, ce résultat est une application immédiate du théorème de convergence dominée, par exemple en introduisant une suite :

tn −→ t0, à laquelle est associée la suite de fonctions intégrables :

fn(x) := f(x, tn),

la vérification complète étant laissée en exercice d’assimilation.

Bien entendu, l’énoncé le plus fréquemment utile dans les applications concerne une continuité entousles points de l’intervalleI.

Théorème 1.2. Si les trois conditions suivantes sont satisfaites :

(i) pour toutt∈ I, la fonctionx7−→ f(x, t)est Lebesgue-intégrable en la variablexsur E;

(ii) pour toutx∈E, la fonctiont 7−→f(x, t)est continue en la variabletsurI;

(3)

(iii) il existe une fonction positive g: E −→ R+ Lebesgue-intégrable sur E qui domine uniformément :

f(x, t)

6 g(x) entoutpoint(x, t)∈E×I;

Alors la fonction :

t 7−→

Z

E

f(x, t)dx est continue sur l’intervalleIen entier.

Démonstration. C’est encore un corollaire direct du Théorème de convergence dominée, et

aussi un corollaire logique du théorème qui précède.

Des énoncés analogues sont satisfaits par des intégrales : F(t1, . . . , tr) :=

Z

E

f(x, t1, . . . , tr)dx

de fonctions mesurables qui dépendent d’un nombrer>1quelconque de paramètres réels.

Il peuvent être formulés (exercice d’écriture), et ils découlent essentiellement directement (pour des raisons formelles) des deux énoncés que nous venons de voir dans le cas d’un seul paramètre (r = 1).

2. Dérivabilité d’intégrales dépendant de paramètres

Voici maintenant l’énoncé que nous attendons tous, à savoir celui qui permet d’interver- tir l’intégration et la dérivation partielle.

Théorème 2.1. [Dérivabilité sous le signe intégral]Avec les mêmes notations précédem- ment :

F(t) = Z

E

f(x, t)dt, si les trois conditions suivantes sont satisfaites :

(i) pour toutt∈ I, la fonctionx7−→ f(x, t)est Lebesgue-intégrable en la variablexsur E;

(ii) pour toutx∈E, la fonctiont 7−→f(x, t)est dérivable, de dérivée :

∂f

∂t(x, t);

(iii) il existe une fonction positiveg: E −→R+mesurable Lebesgue-intégrable surEqui domine uniformément :

∂f

∂t(x, t)

6 g(x), pour toutx∈E et toutt∈I;

Alors en toutt∈Ifixé, la fonction :

x 7−→ ∂f

∂t(x, t) est Lebesgue-intégrable surE, et surtout, la fonction :

t 7−→

Z

E

f(x, t)dx

(4)

est dérivable surIde dérivée égale à : d

dt Z

E

f(x, t)dx = Z

E

∂f

∂t(x, t)dx .

Démonstration. Fixons donc un paramètre t ∈ I et donnons-nous une suite quelconque (tn)n=1d’élémenttn∈I\{t}qui tendent vers :

t = lim

n→∞tn.

En tout pointx ∈ E, les quotients différentiels f(x,tnt)−f(x,t)

n−t ont alors une valeur finie qui tend par hypothèse vers :

∂f

∂t(x, t) = lim

n→∞

f(x, tn)−f(x, t) tn−t .

La formule des accroissement finis1 assure alors qu’il existe au moins un élément sn situé entretnetttel que :

f(x, tn)−f(x, t)

tn−t = ∂f

∂t(x, sn).

Grâce à l’hypothèse(ii), la suite de fonctions intégrables surE: ∂f

∂t(x, sn)

n=1

1. Théorème des accroissements finis.Sur un intervalle compact[a, b]Ravec−∞< a < b <∞, si une fonctionf: [a, b] −→ R est continue, et aussi dérivable sur l’intervalle ouvert]a, b[— mais pas forcémentC1 —, alors il existe au moins un élémentc∈]a, b[tel que :

f0(c) = f(b)f(a) ba .

Démonstration.Cet énoncé est une conséquence du Théorème de Rolle, rappelé ci-dessous, appliqué à la fonction auxiliaire :

g: [a, b] −→ R

x 7−→ f(x)f(b)f(a) ba ·x, dont la dérivée vaut :

g0(x) = f0(x)f(b)f(a)

ba .

Théorème de Rolle.Sur un intervalle compact[a, b]avec−∞< a < b <∞, si une fonctionf: [a, b]−→R est continue, et aussi dérivable sur l’intervalle ouvert]a, b[, et si enfin :

f(b) =f(a), alors il existe au moins un élémentc∈]a, b[tel que :

f0(c) = 0.

Démonstration.Unc∈]a, b[qui convient est par exemple c := max

[a,b]f ou c := min

[a,b]f,

car on sait (exercice de révision) qu’en un extremum d’une fonction dérivable, la dérivée s’annule nécessai- rement (sinon, il y a une pente non nulle, et le point en question n’est pas un extremum).

(5)

vérifie les hypothèses du Théorème de convergence dominée, d’où nous déduisons que la fonction-limite :

x 7−→ lim

n→∞

∂f

∂t(x, sn)

= ∂f

∂t(x, t) est Lebesgue-intégrable surE, et aussi que l’on a :

n→∞lim

Z

E

∂f

∂t(x, sn)dx = Z

E n→∞lim

∂f

∂t(x, sn)dx

= Z

E

∂f

∂t(x, t)dx.

Mais commetn 6=tpour toutn >1, on peut grâce à la linéarité de l’intégrale dévelop- per les quotients différentiels finis :

Z

E

∂f

∂t(x, sn) = Z

E

f(x, tn)−f(x, t) tn−t dx

= 1

tn−t Z

E

f(x, tn)dx− Z

E

f(x, t)dx.

,

ce qui achève la démonstration (exercice visuel).

Par exemple, ce théorème permet d’établir que laFonction Gamma d’Euler, définie par : Γ(y) :=

Z

0

e−xxy−1dx

est de classeCsur]0,∞[, et que, pour toutk ∈N, sa dérivéek-ème vaut : Γ(k)(y) =

Z

0

e−xxy−1 logxk

dx.

De même, à partir de la formule élémentaire valable poury >0réel : Z

0

dx

x2+y2 = π 2y,

on obtient par dérivation, pour tout entiern>2, que (exercice) : Z

0

dx

(x2+y2)n = π

2 · 1·3· · ·(2n−3) 2·4· · ·(2n−4) · 1

y2n−1.

Outre la continuité et la dérivabilité des intégrales dépendant d’un ou de plusieurs pa- ramètres, il est également extrêmement utile dans de nombreuses applications de connaître la régularité d’une intégrale :

F(z) :=

Z

E

f(x, z)dx

d’une fonctionf: E ×Ω −→ Cqui dépend holomorphiquement d’un paramètrez ∈ C, oùΩ⊂Cest un ouvert.

Rappelons à cet effet rapidement qu’une fonction : h: Ω−→C

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définie sur un ouvert Ω ⊂ C est dite analytique si elle est développable en série entière convergente au voisinage de tout pointz0 ∈Ω, c’est-à-dire si :

∀z0 ∈Ω ∃r0 >0, r0 <dist(z0, ∂Ω), ∀ |z−z0|< r0 h(z) =

X

n=0

an z−z0n

la série P

an(z − z0)n étant convergente dans le disque {z ∈ C: |z − z0| < r0}. On démontre — et nous admettrons ce résultat ici — que les fonctions analytiques sont indé- finiment dérivables et que leurs dérivées de tous ordres par rappport àz :

kh

∂zk(z) (k>1)

demeurent analytiques dans le même ouvertΩ. Citons alors sans démontration le résultat suivant.

Théorème 2.2. [Analyticité d’une intégrale dépendant d’un paramètre complexe]Avec les notations qui précèdent :

F(z) :=

Z

E

f(x, z)dx,

E étant un sous-ensemble mesurable de Rd, si les trois conditions suivantes sont satis- faites :

(i) pour toutz ∈Ω, la fonctionx7−→f(x, z)est Lebesgue-intégrable en la variablexsur E;

(ii) pour toutx∈E, la fonctionz 7−→f(x, z)est analytique dansΩ;

(iii) il existe une fonction positive g: E −→ R+ Lebesgue-intégrable sur E qui domine uniformément :

f(x, z)

6 g(x), pour toutx∈E et toutt∈I;

Alors la fonction :

z 7−→

Z

E

f(x, z)dx

est analytique dansΩde dérivéesk-èmes d’ordre quelconque égales à : dk

dzk Z

E

f(x, z)dx = Z

E

kf

∂zk(x, z)dx . Par exemple, la fonctionΓd’Euler complexe définie pourz ∈Cpar :

Γ(z) :=

Z

0

e−xxz−1dx est analytique dans le demi-plan complexe

z ∈C: Rez >0 .

(7)

3. Exercices

Exercice 1. Soit un intervalleIRd’intérieur non vide, soit une fonctionf:R×I−→Ret soient deux fonctionsu, v:I−→Rsatisfaisant :

f est continue surR×I;

la dérivée partielle(x, t)7−→ ∂f∂t(x, t)existe et est continue surR×I;

uetvsont dérivables surI;

Montrer que la fonctionG:I−→Rdéfinie par : G(t) :=

Z v(t)

u(t)

f(x, t)dx est bien définie, qu’elle est dérivable surI, et enfin, que sa dérivée vaut :

G0(t) = Z v(t)

u(t)

∂f

∂t(x, t)dx+f v(t), t

·v0(t)f u(t), t

·u0(t).

Exercice 2. EE

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