Fonctions définies par une intégrale dépendant d`un paramètre

Leçon 239: Fonctions définies par une intégrale
dépendant d’un paramètre.
Exemples et applications.
Adrien Fontaine
23 décembre 2012
1
Table des matières
1 Régularité 3
1.1 Continuité........................................ 3
1.2 Dérivabilité ....................................... 4
1.3 Holomorphie....................................... 5
2 Convolution 6
2.1 Définitions et premières propriétés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Suitesrégularisantes .................................. 7
3 Transformée de Fourier 9
3.1 Dans L1et dans L2................................... 9
3.2 DanslespacedeSchwartz ............................... 10
3.3 Transformée de Fourier holomorphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 Étude asymptotique 12
4.1 MéthodedeLaplace .................................. 12
4.2 Phasestationnaire ................................... 13
2
1 RÉGULARITÉ 3
Cadre : Dans toute la leçon, (X, τ, µ)désigne un espace mesuré et Eun espace vectoriel
normé de dimension finie. On considère une fonction f:E×XCet on pose :
F(t) = ZX
f(t, x)(x)
1 Régularité
Le but de cette partie est d’étudier les résultats de régularité de la fonction F.
1.1 Continuité
Théorème 1
Supposons les conditions suivantes vérifiées :
1. Pour tout tE, la fonction x7→ f(t, x)est mesurable.
2. Pour presque tout xX, la fonction t7→ f(t, x)est continue en t0E.
3. Il existe une fonction gL1positive indépendante de ttelle que
|f(t, x)| ≤ g(x)tE, pour presque tout xX
Alors la fonction Fest continue au point t0.
Démonstration : Zuily-Queffelec, théorème I.1p307
Corollaire 1
Supposons que
1. Pour tout tE,x7→ f(t, x)est mesurable.
2. Pour presque tout xX,t7→ f(t, x)est continue sur E.
3. Pour tout compact Kde E, il existe gL1positive indépendante de ttelle que
|f(t, x)| ≤ g(x)tK, pour presque tout xX
Alors, la fonction Fest continue sur E.
Démonstration : Zuily-Queffelec, corollaire I.2p307
Exemple 1
Pour x > 0, on pose
Γ(x) = Z+
0
tx1etdt
Cette fonction est bien définie et est continue sur ]0,+[.
1 RÉGULARITÉ 4
Contre-exemple 1
La fonction f: [0,+[×[0,+[R
(t, x)7→ f(t, x) = text
est continue sur [0,+[×[0,+[mais
F(t) = Z+
0
f(t, x)dx
n’est pas continue en 0.
Démonstration : Hauchecorne, 11.22p224
1.2 Dérivabilité
On suppose ici que Eest un intervalle Iouvert de R.
Théorème 2
On suppose que :
1. Pour tout tI, la fonction x7→ f(t, x)L1
2. Pour presque tout xX, la fonction t7→ f(t, x)est dérivable sur I.
3. Pour tout compact Kde I, il existe une fonction gL1positive, indépendante de t,
telle que
|f
t (t, x)| ≤ g(x),tK, pour presque tout xX
Alors,
1. Pour tout tI, la fonction x7→ f
t (t, x)est dans L1(X)
2. La fonction Fest dérivable sur Iet
F0(t) = Zf
t (t, x)(x)
Démonstration : Zuily-Queffelec, théorème I.3p308
Remarque 1
Si dans la deuxième hypothèse du théorème, on remplace dérivable sur Ipar C1sur I,
alors dans la deuxième assertion du théorème, on a Fqui est C1.
On a un résultat analogue pour les dérivées d’ordre supérieur, où il faut cette fois des
majorations par des fonctions gjL1pour chaque dérivée.
On peut remplacer l’intervalle Ide Rpar un ouvert de Rn, les conditions de majorations
étant alors sur chacune des dérivées partielles.
1 RÉGULARITÉ 5
Exemple 2
1. La fonction Γdéfinie précédemment est en fait de classe Csur ]0,+[.
2. Calcul de
F(a) = Zπ/2
0
log(1 + acos(x))
cos(x)dx =π2
8+(argch(a))2
2
Démonstration : Zuily-Queffelec, p313 et Gourdon, Problème 4p174
Contre-exemple 2
La fonction f:R×[0,+[R
(t, x)7→ f(t, x) = t2ex|t|
est de classe C1mais F(t)n’est pas dérivable.
Démonstration : Hauchecorne, 11.24p226
1.3 Holomorphie
Dans ce paragraphe E= Ω désigne un ouvert de C
Théorème 3
On suppose que :
Pour tout z, l’application x7→ f(z, x)est mesurable.
Pour presque tout xX,z7→ f(z, x)est holomorphe.
Pour tout compact Kde , il existe gKL1(X)(indépendant de z) telle que |f(z, x)| ≤
g(x)pour presque tout xXet pour tout zK.
Alors Fest holomorphe sur et pour tout z, et tout nN,
F(n)(z) = ZX
nf
zn(z, x)(x)
Démonstration : Objectif Agrégation, théorème 2.34 pour la formulation et Tauvel, p91 pour la
démonstration
Développement : Prolongement méromorphe de la fonction Γ.
Exemple 3
La fonction Γadmet un unique prolongement méromorphe sur C\ {−N}.
Les théorèmes précédents ont pour cadre la théorie de Lebesgue, donc des intégrales absolument convergentes. Ils ne concernent donc
pas les intégrales semi-convergentes de R. Il existe toute une série de théorèmes analogue dans le cas des intégrales semi-convergentes.
Cependant, ils sont beaucoup moins maniables et ils n’ont d’intérêt que si l’on ne connait pas la théorie de l’intégrale de Lebesgue car
dans des cas pratiques d’intégrales semi-convergentes, on peut souvent par une ou plusieurs intégrations par parties, se ramener à des
intégrales pour lesquelles on peut utiliser les théorèmes de la théorie de Lebesgue.
On peut cependant trouver l’énoncé de ces théorèmes dans Zuily-Queffelec, pages 309-310
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