Intégration et probabilités TD 5 – Théorèmes de Fubini

Intégration et probabilités ENS Paris, 2016-2017
TD 5 – Théorèmes de Fubini
1 – Quelques calculs
Exercice 1. (Contre-exemples aux théorèmes de Fubini)
1. Soit fla fonction définie sur [0,1]2par f(0,0) B0 et, pour tout (x, y),(0,0),
f(x, y)Bx2y2
(x2+y2)2.
Calculer alors Z1
0 Z1
0f(x, y)dy!dxet Z1
0 Z1
0f(x, y)dx!dy.
Où est le problème ?
2. Soit λla mesure de Lebesgue et µla mesure de comptage sur ([0,1],P([0,1])). On considère
f(x, y)Bx=ypour (x, y)[0,1]2. Calculer alors
Z1
0 Z1
0f(x, y)dµ(y)!dλ(x) et Z1
0 Z1
0f(x, y)dλ(x)!dµ(y).
Où est le problème ?
Corrigé.
1. À xfixé, en remarquant que y/(x2+y2) est une primitive de (x2y2)/(x2+y2)2, il vient :
Z1
0f(x, y)dy="y
x2+y2#1
0
=1
1 + x2.
Donc R1
0dxR1
0dyf (x, y) = π
4et par symétrie R1
0dyR1
0dxf (x,y) = π
4. De ce fait, le théorème de
Fubini-Lebesgue ne s’applique pas, car (ou donc) fnest pas dans L1([0,1]2).
2. On a Z1
0 Z1
0f(x, y)dµ(y)!dλ(x) = Z1
0µ({x})dλ(x) = Z1
0
1dλ(x)=1
et, d’autre part,
Z1
0 Z1
0f(x, y)dλ(x)!dµ(y) = Z1
0λ({y})dµ(y) = Z1
0
0dµ(y)=0.
Ici, le théorème de Fubini-Tonelli ne s’applique pas car µnest pas σ-finie.
Pour toute question, n’hésitez pas à menvoyer un mail à [email protected], ou bien à venir me voir au bureau V2.
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Exercice 2.
1. Pour x > 0, calculer l’intégrale
Z
0
1
(1 + y)(1 + x2y)dy,
et en déduire la valeur de Z
0
ln(x)
x21dx.
2. Pour x > 0, calculer l’intégrale R1
0cos(xy)dy, et en déduire la valeur de
Z
0
sin(x)
xetx dx,
pour tout t > 0.
Corrigé.
1. Pour tout x > 0, on a
Z
0
1
(1 + y)(1 + x2y)dy=1
x21ZR+ x2
1 + x2y1
1 + y!dy=2ln(x)
x21.
Ainsi, en utilisant le théorème de Fubini-Tonelli,
Z
0
ln(x)
x21dx=1
2Z
0 Z
0
dy
(1 + y)(1 + x2y)!dx=1
2Z
0 Z
0
dx
(1 + y)(1 + x2y)!dy
=1
2Z
0
dy
1 + y Z
0
dx
1 + x2y!=1
2Z
0
dy
1 + y"1
yarctanyx#
0
=π
4Z
0
dy
(1 + y)y=π
4Z
0
2du
1 + u2=π2
4,
en utilisant le changement de variable u=y.
2. Pour x > 0, on a
Z1
0
cos(xy)dy="sin(xy)
x#1
0
=sin(x)
x.
Posons G(x,y) = cos(xy)exp(tx) pour x0, y[0,1] et t > 0. On a |G(x, y)| ≤ exp(tx) et
(x, y)7→ exp(tx) est intégrable sur R+×[0,1] d’après le théorème de Fubini-Tonelli. Donc G
est intégrable sur R+×[0,1] et d’après le théorème de Fubini-Lebesgue,
Z
0
sin(x)
xext dx=Z
0 Z1
0G(x, y)dy!dx=Z1
0 Z
0
cos(xy)etx dx!dy
=Z1
0 Z
0
1
2e(iyt)x+ e(iyt)xdx!dy=Z1
0
1
2 1
tiy +1
t+iy !dy
=Z1
0
t
y2+t2dy= arctan1
t.
2 – Théorèmes de Fubini
Exercice 3. (Quelque chose d’amusant) Soit f:RRune fonction borélienne. Montrer que, pour
λ-presque tout yR, on a λ({xR:f(x) = y})= 0.
Corrigé. On écrit, en utilisant le théorème de Fubini pour les fonctions positives :
ZR
dyλ({xR;f(x) = y})=ZR×R
dxdy{f(x)=y}=ZR
d ({yR;f(x) = y})=ZR
0·dx= 0.
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Le résultat en découle, car une fonction positive d’intégrale nulle est presque partout nulle.
Autre solution. Pour m, n 1, on note
Am,n =yR:λ{f1({y})[m,m]}>1
n.
Il est facile de voir que Am,n est fini (de cardinal inférieur à 2mn). Ainsi,
{yR:λ({xR:f(x) = y})>0}=[
m,n1
Am,n
est dénombrable, donc de mesure de Lebesgue nulle. Ceci conclut.
Exercice 4. (Quelque chose d’utile) Sur un espace mesuré σ-fini (E, A,µ), on considère f: (E, A,µ)
(R+,B(R+)) une fonction mesurable.
1. Soit g:R+R+une fonction croissante de classe C1telle que g(0) = 0. Montrer que
ZE
gfdµ=Z
0g0(t)µ({ft})dt.
Indication. On pourra écrire g(f(t)) comme une intégrale.
2. Montrer que
ZE
fdµ=Z
0µ{ft}dt.
3. On considère à présent f:ERmesurable et on suppose que µest finie et qu’il existe p1
et c > 0 tels que pour tout t > 0,
µ({|f| ≥ t})c
tp.
Montrer que fLq(E, A,µ) pour tout q[1, p[. A-t-on forcément fLp(E,A,µ) ?
Corrigé.
1. La fonction g:R+R+est de classe C1et g(0) = 0 donc pour tout xEon a
g(f(x)) = Zf(x)
0g0(s)ds.
On a donc ZE
gfdµ=ZEZ
0g0(s){sf(x)}dsdµ(x).
Et la fonction F: (x,s)E×R+7→ g0(s){sf(x)}est positive. Donc d’après le théorème de Fubini-
Tonelli, on a
ZE
gfdµ=ZR+
g0(s)ZE{sf(x)}dµ(x)ds=ZR+
g0(s)µ({fs})ds.
2. Application immédiate de la question précédente en prenant g(x) = x.
3. On applique la question 1. avec |f|et g(x) = xq:
ZE|f|qdµ=qZ
0tq1µ({|f|t})dtqµ(E) + cq Z
1tqp1dt < ,
car qp1<1.
En revanche, on na pas forcément fLp(E, A,µ) : prendre par exemple f=t1/p sur ]0,1].
Remarque. Réciproquement, si fLp(E, A,µ), l’inégalité de Markov implique qu’il existe c > 0
tel que pour tout t > 0, µ({|f|> t})ctp.
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Exercice 5. (Intégration par parties) Soit fet gdeux fonctions boréliennes de RRlocalement inté-
grables (i.e. intégrables sur tout compact pour la mesure de Lebesgue). On pose, pour xR,
F(x)BZx
0f(t)dtet G(x)BZx
0g(t)dt.
Montrer que
F(b)G(b) = F(a)G(a) + Zb
a
F(t)g(t)dt+Zb
a
G(t)f(t)dt,
pour tous a<b.
Corrigé. Il sut de montrer que
Zb
a
(F(b)F(t))g(t)dt=Zb
a
(G(t)G(a))f(t)dt.
On a
Zb
a
(F(b)F(t))g(t)dt=Zb
a Zb
t
f(s)ds!g(t)dt=Zb
a Zb
astf(s)g(t)ds!dt
=Zb
a Zb
astf(s)g(t)dt!ds=Zb
a Zs
a
g(t)dt!f(s)ds
=Zb
a
(G(s)G(a))f(s)ds,
où l’on a utilisé le théorème de Fubini-Lebesgue à la fonction
ϕ(s, t)Bstf(s)g(t)
qui est intégrable sur [a,b]2pour λλ, car
Z[a,b]2|ϕ(s,t)|dsdtZ[a,b]2|f(s)g(t)|dsdt= Zb
a|f(s)|ds! Zb
a|g(t)|dt!<,
par le théorème de Fubini-Tonelli.
3 – Compléments (hors TD)
Exercice 6. (Volume de la boule unité) Soit n1 et λnla mesure de Lebesgue sur Rn. Pour tout r > 0,
on pose
Bn(0,r) = {(x1,...,xn)Rn:x2
1+···+x2
nr2},
qui est la boule fermée de centre 0 et de rayon r. Montrer que
λn(Bn(0,r)) = rnπn
2
Γ(n
2+ 1),
pour tout r > 0.
Corrigé. Commençons par montrer que pour tout n1 et r > 0, λn(Bn(0, r)) = rnλn(Bn(0,1)). Pour cela
considérons l’application ϕ:xRn7→ rx. Il sut alors de montrer que la mesure image de λnpar ϕ,
définie par ϕλnBλn(ϕ1(·)), est égale à rnλn. Il est clair que ϕλnet rnλncoïncident sur tous les
pavés, qui forment une famille de boréliens Cstable par intersection finie et telle que σ(C) = B(Rn).
En outre, les pavés [k,k]nforment une suite croissante d’ensembles de Ctelle que Rn=SkN[k,k]n
4/8
et ϕλn([k,k]n) = rnλn([k, k]n)) <. Donc, par le théorème d’unicité pour les mesures σ-finies
(exercice 2 du TD 3), on a ϕλn=rnλn.
Passons à présent au calcul de vnBλn(Bn(0,1)). Par le théorème de Fubini-Tonelli, on a, pour n2,
vn=ZRnx2
1+···+x2
n1dx1...dxn=Z1
1 ZRnx2
1+···+x2
n11x2
ndx1...dxn1!dxn
=Z1
1λn1Bn10,(1 x2
n)1/2dxn=vn1Z1
1
(1 x2
n)(n1)/2dxn,(1)
en utilisant la propriété montrée plus haut. On considère à présent, pour n≥ −1,
InBZ1
1
(1 x2)n/2dx.
On a, pour tout n1, en utilisant une intégration par partie,
In=Z1
1
(1 x2)(n2)/2dxZ1
1x2(1 x2)(n2)/2dx
=In2+"x
2·(1 x2)n/2
n/2#1
1Z1
1
1
2·(1 x2)n/2
n/2dx=In21
nIn,
donc In=In2n/(n+ 1). En outre, on a I0= 0 et I1= arcsin(1) arcsin(1) = π, donc par récurrence
on obtient que pour tout n1,
In1In2=2π
n.
Ainsi, pour n2, en utilisant (1), on a
vn=vn1In1=vn2In2In1=vn22π
n.
Or on sait que v1= 2 et v2=I1v1=I1
2v1=π, donc on en déduit
v2k=(2π)k1
(2k)(2k2)···4v2=πk
k!et v2k+1 =(2π)k
(2k+ 1)(2k1)···3v1=πk
(k+1
2)(k1
2)···3
2·1
2
,
ce qui correspond au résultat demandé.
Exercice 7. Soit Aune tribu sur Ret µune mesure de probabilité sur (R,A). Soit fet gdeux fonctions
(R,A)(R,B(R)) mesurables et monotones de même sens. On suppose de plus que les fonctions f,
get f g sont dans L1(R,A,µ). Montrer que
ZR
f g dµZR
fdµZR
gdµ.
Indication. On pourra considérer la fonction F(x,y)=(f(x)f(y))(g(x)g(y)).
Corrigé. La fonction Fest positive donc RR×RF(x,y)dµ(x)dµ(y)0. De plus, f ,g L1(R) donc d’après
le théorème de Fubini-Tonelli,
ZR2|f(x)|g(y)dµ(x)dµ(y) = ZR|f|dµZR|g|dµ < .
Ainsi, la fonction (x,y)7→ f(x)g(y)L1(R×R). De même f g L1(R) et µest une mesure de probabi-
lité, donc (x, y)7→ f(x)g(x)L1(R×R). On peut donc écrire
ZR×R
F(x, y)dµ(x)dµ(y)=2ZR×R
f(x)g(x)dµ(x)dµ(y)2ZR×R
f(x)g(y)dµ(x)dµ(y).
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