Intégration et probabilités TD 6 – Changement de variable et

Intégration et probabilités ENS Paris, 2016-2017
TD 6 – Changement de variable et convolution
1 – Changement de variable
Exercice 1. (Changement de variable polaire)
1. Soit f:R2R+mesurable. Montrer que
ZRZR
f(x, y)dxdy=Z2π
0Z
0
f(rcosθ, r sinθ)rdrdθ.
2. (Application) Utiliser la fonction f: (x,y)7→ ex2y2pour calculer R
0et2dt.
Exercice 2. (Changement de variable sphérique)
1. Soit f:R2R+mesurable. Montrer que
ZR3
fdλ3=Zπ/2
π/2Zπ
πZ
0
f(rcosϕcosθ,r cosϕsin θ,r sinϕ)r2cos(ϕ) drdθdϕ.
On appelle θla longitude et ϕla latitude.
2. (Application) Trouver une condition nécessaire et susante sur αRpour que la fonction
xR37→ kxkα
2soit intégrable sur B(0,1). Et sur R3\B(0,1) ?
2 – Mesure de Lebesgue sur la sphère unité
Exercice 3. On se place sur Rdmuni de la mesure de Lebesgue λdet de la norme euclidienne. On
note Sd1B{xRd:kxk= 1}la sphère unité de Rd.
1. (Mesure de Lebesgue sur la sphère unité) Pour A∈ B(Sd1), on pose
Γ(A)B{rx :r[0,1] et xA}et ωd(A)Bdλd(Γ(A)).
Montrer que ωdest une mesure finie sur Sd1invariante par isométries vectorielles de Rd.
2. (Changement de variable radial) Soit f:RdR+mesurable. Montrer que
ZRd
f(x)dλ(x) = Z
0ZSd1
f(rz)rd1dωd(z)dr.
Indication. On pourra commencer par le cas où f=Bavec Bde la forme
B=(xRd\ {0}:a < kxkbet x
kxkA),
Aest un borélien de Sd1et 0 < a b.
Pour toute question, n’hésitez pas à m’envoyer un mail à [email protected], ou bien à venir me voir au bureau V2.
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3. (Un truc de physicien rendu rigoureux) En utilisant la fonction f:x7→ exp(kxk2), calculer le
volume de la boule unité de Rd, en l’exprimant à partir de la fonction Γdéfinie à l’exercice 7.
3 – Convolution
Exercice 4. (Convolution et régularité) Soit d1 et f ,g :RdRdes fonctions boréliennes. Pour x
Rd, si la fonction y7→ |f(xy)g(y)|est intégrable sur (Rd,B(Rd),λ), alors on note
fg(x)BZRd
f(xy)g(y)dy,
qui est appelée la convolution de fet de gen x.
1. Soit fL1(Rd,B(Rd),λ) et ϕ:RdRcontinue bornée. Montrer que fϕest définie partout
et est continue bornée sur Rd.
2. Soit fL1
loc(Rd,B(Rd),λ), c’est-à-dire une fonction mesurable de RdRintégrable sur tout
compact. Soit ϕ:RdRde classe Cà support compact. Montrer que fϕest de classe C
sur Rdet que, pour tout pNd,
p(fϕ) = fpϕ,
où, pour p= (p1,...,pd)Nd, on note
pB|p|
∂xp1
1···∂xpd
d
,
avec |p|=p1+···+pd.
Exercice 5. (Convolution de fonctions L1)
1. Montrer que l’application
L1(Rd,B(Rd),λ)2L1(Rd,B(Rd),λ)
(f ,g)7−fg
est bien définie et montrer que, pour f ,g L1(Rd,B(Rd),λ),
ZRd
fgdλ=ZRd
fdλZRd
gdλ.
2. Montrer que le produit de convolution muni L1(Rd,B(Rd), λ) d’une structure de R-algèbre
associative et commutative.
3. Montrer que L1(Rd,B(Rd),λ) nest pas une algèbre unitaire.
Indication. On pourra considérer la fonction indicatrice d’un pavé.
4 – À chercher pour la prochaine fois
Exercice 6. (Formule des compléments)
1. Calculer la mesure image de la mesure
xa1yb1e(x+y){x,y0}dxdy,
par l’application (x,y)(R+)27→ (x+y,x/(x+y)).
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2. En déduire la formule des compléments :
Γ(a)Γ(b)
Γ(a+b)=Z1
0
ta1(1 t)b1dt,
où la fonction Γest définie dans l’exercice 7.
Remarque. L’intégrale obtenue est généralement notée B(a,b) et la fonction Best appelée la
fonction bêta.
5 – Compléments (hors TD)
Exercice 7. (La fonction Γ) Pour tout t > 0, on pose
Γ(t)BZ
0
xt1exdx.
1. Montrer que ceci définit une fonction de classe Csur R
+.
2. Montrer la formule d’Euler : pour tout t > 0,
Γ(t) = lim
n→∞
ntn!
t(t+ 1)...(t+n).
Indication. On pourra considérer la suite de fonctions (fn)n0définies par
fn:x]0,[7→ 1]0,n[(x)1x
nn
xt1.
Exercice 8. Soit ARn×nune matrice symétrique définie positive. Calculer l’intégrale
ZRn
e−hAx,xiλn(dx),
,·i désigne le produit scalaire usuel sur Rnet λndésigne la mesure de Lebesgue sur Rn.
Exercice 9. Soit f: (R+,B(R+)) (R+,B(R+)) une fonction mesurable.
1. Montrer que l’on définit une fonction continue F:R+Ren posant, pour x0,
F(x)BZ
0
arctan(xf (t))
1 + t2dt.
2. Calculer la limite de F(x) quand x→ ∞.
3. Montrer que Fest dérivable sur ]0,+[.
4. Donner une condition nécessaire et susante sur fpour que Fsoit dérivable en 0.
Fin
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