Retour au blog

Maîtriser l'Intégrale de Lebesgue : Convergence Dominée Corrigée

Dix exercices corrigés, du premier passage à la limite jusqu'au niveau examen, pour savoir quand échanger limite et intégrale et trouver la bonne fonction dominante.

Cet article a été rédigé à des fins pédagogiques. Les informations présentées peuvent évoluer. Nous t’invitons à vérifier auprès de sources officielles.

Niveau : supérieur, du facile au difficile. Durée estimée : 2 h 45 min. 10 exercices avec corrections détaillées.

Rappel des notions clés

Pour échanger limite et intégrale, tu vérifies deux hypothèses : $f_n \to f$ presque partout (p.p., c'est-à-dire sauf sur un ensemble de mesure nulle, comme un point), et $|f_n| \le g$ pour tout $n$, avec $g$ intégrable et indépendante de $n$. Le théorème de convergence dominée (TCD) donne alors $\int f_n \to \int f$. Exemple : $\frac{e^{-x}}{1+x/n}$ tend vers $e^{-x}$ et reste sous $e^{-x}$, intégrable sur $[0\,;\,+\infty[$, donc $\int_0^{+\infty} \frac{e^{-x}}{1+x/n}\,dx \to \int_0^{+\infty} e^{-x}\,dx = 1$.

La fonction $g$ s'appelle la fonction dominante. Tout le travail consiste à la trouver, ou à prouver qu'elle n'existe pas. Le meilleur candidat est $\sup_n |f_n(x)|$, calculé à $x$ fixé : c'est la plus petite fonction dominante possible, donc s'il n'est pas intégrable, aucune ne l'est.

Formules à retenir :

  • TCD : si $f_n \to f$ p.p. et $|f_n| \le g$ p.p. pour tout $n$, avec $\int g\,d\mu < +\infty$, alors $f$ est intégrable et $\int f_n\,d\mu \to \int f\,d\mu$ (théorème 2.2.1 du cours de J.-F. Le Gall).
  • Si $|f_n| \le g$ et $f_n \to f$ p.p., alors $|f| \le g$ : une limite non intégrable interdit toute domination.
  • Si $\int f_n$ ne tend pas vers $\int f$, aucune fonction dominante n'existe.
  • Une borne qui dépend de $n$ passe dans la fonction : $\int_0^n h_n = \int_0^{+\infty} h_n\,\mathbf{1}_{[0\,;\,n]}$.

Piège classique : la convergence simple ne suffit pas, et un majorant qui contient $n$ ne domine rien. Exemple : la fonction $n\,\mathbf{1}_{]0\,;\,1/n]}$, égale à $n$ sur $]0\,;\,1/n]$ et nulle ailleurs, tend vers 0 en tout point, mais son intégrale sur $[0\,;\,1]$ vaut 1 pour tout $n$.

Exercices : niveau facile

Exercice 1 : Calcule $\lim\limits_{n\to+\infty} \int_0^1 \frac{dx}{1+x^n}$ en justifiant l'échange de la limite et de l'intégrale.

Correction :

Sur un intervalle borné, une constante peut servir de fonction dominante.

Pour $x \in [0\,;\,1[$, $x^n \to 0$ donc $\frac{1}{1+x^n} \to 1$ ; en $x = 1$, la valeur reste $\frac12$. La limite vaut donc 1 presque partout. De plus $0 \le \frac{1}{1+x^n} \le 1$, et la constante 1 est intégrable sur $[0\,;\,1]$.

Le TCD donne une limite égale à $\int_0^1 1\,dx = 1$.

Exercice 2 : Calcule $\lim\limits_{n\to+\infty} \int_0^{+\infty} \frac{\arctan(nx)}{1+x^2}\,dx$ en justifiant.

Correction :

Sur $[0\,;\,+\infty[$, une constante n'est plus intégrable : il faut une fonction dominante qui décroît.

Pour $x > 0$, $\arctan(nx) \to \frac{\pi}{2}$, et tout est nul en $x = 0$ : l'intégrande tend vers $\frac{\pi/2}{1+x^2}$ presque partout. Comme $0 \le \arctan(nx) \le \frac{\pi}{2}$ pour $x \ge 0$, la fonction reste sous $\frac{\pi/2}{1+x^2}$, intégrable.

Le TCD donne $\frac{\pi}{2}\int_0^{+\infty}\frac{dx}{1+x^2} = \frac{\pi}{2}\cdot\frac{\pi}{2}$, soit $\frac{\pi^2}{4}$.

Exercice 3 : Un laboratoire teste des composants dont la durée de vie $T$, en années, a pour densité $t \mapsto e^{-t}$ sur $[0\,;\,+\infty[$ (données fictives). L'essai s'arrête au bout de $n$ années : la durée observée est $\min(T, n)$, de moyenne $m_n = \int_0^{+\infty} \min(t, n)\,e^{-t}\,dt$. Montre avec le TCD que $m_n$ tend vers la durée de vie moyenne $\int_0^{+\infty} t\,e^{-t}\,dt$, puis calcule cette limite en années.

Correction :

Ici, la limite elle-même sert de fonction dominante.

Pour $t$ fixé, dès que $n \ge t$, on a $\min(t,n) = t$ : l'intégrande tend vers $t\,e^{-t}$ en tout point. Et $0 \le \min(t,n)\,e^{-t} \le t\,e^{-t}$, intégrable : par intégration par parties, $\int_0^{+\infty} t\,e^{-t}\,dt = \left[-t\,e^{-t}\right]_0^{+\infty} + \int_0^{+\infty} e^{-t}\,dt = 0 + 1$.

Le TCD donne $m_n \to 1$ an. Contrôle : le calcul direct donne $m_n = 1 - e^{-n}$.

Exercices : niveau moyen

Exercice 4 : Soit $f_n(x) = \frac{nx}{1+nx^2}$ sur $[0\,;\,1]$. Calcule $\int_0^1 f_n(x)\,dx$ et sa limite, puis explique pourquoi aucune fonction dominante n'existe.

Correction :

On calcule l'intégrale, puis on regarde la limite simple.

Avec $u = 1+nx^2$ et $du = 2nx\,dx$ : $\int_0^1 f_n(x)\,dx = \frac12\int_1^{1+n}\frac{du}{u} = \frac12\ln(1+n)$, qui tend vers $+\infty$.

Pour $x > 0$, $f_n(x) = \frac{x}{1/n + x^2} \to \frac{1}{x}$. Une domination $|f_n| \le g$ donnerait $\frac1x \le g(x)$ sur $]0\,;\,1]$, donc $g$ non intégrable : impossible. Résultat : $\int_0^1 f_n = \frac12\ln(1+n) \to +\infty$, et le TCD ne s'applique pas.

Erreur à éviter : la majoration $f_n(x) \le \frac1x$ ne contient pas $n$, mais $\frac1x$ n'est pas intégrable sur $]0\,;\,1]$.

Exercice 5 : Soit $f_n(x) = \frac{x^n}{n!}\,e^{-x}$ sur $[0\,;\,+\infty[$. On rappelle que $\int_0^{+\infty} x^n e^{-x}\,dx = n!$. Montre que $f_n \to 0$ en tout point, calcule $\int_0^{+\infty} f_n(x)\,dx$, puis dis si le TCD s'applique.

Correction :

On compare la limite des intégrales à l'intégrale de la limite.

Pour $x$ fixé, $\frac{x^n}{n!}$ est le terme général de la série de $e^x$, qui converge : il tend vers 0, donc $f_n(x) \to 0$. Par ailleurs $\int_0^{+\infty} f_n = \frac{n!}{n!} = 1$ pour tout $n$.

Donc $\int f_n \to 1$ alors que $\int \lim f_n = 0$ : le TCD ne s'applique pas. Une fonction dominante donnerait 0, il n'en existe donc aucune. Le maximum de $f_n$ est atteint en $x = n$ : la masse part à l'infini.

Exercice 6 : On pose $I_n = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\sqrt{n}\,e^{-nx^2}}{1+x^2}\,dx$ et on rappelle que $\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-y^2}\,dy = \sqrt{\pi}$. Avec le changement de variable $y = \sqrt{n}\,x$, calcule $\lim\limits_{n\to+\infty} I_n$.

Correction :

Quand la masse se concentre en un point, on change de variable avant d'appliquer le TCD.

Avec $x = y/\sqrt{n}$ et $dx = dy/\sqrt{n}$ : $I_n = \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{e^{-y^2}}{1+y^2/n}\,dy$. L'intégrande tend vers $e^{-y^2}$ et ne dépasse jamais $e^{-y^2}$, intégrable.

Le TCD donne $\lim I_n = \sqrt{\pi}$. Sans ce changement de variable, l'intégrande tend vers 0 presque partout alors que $I_n \to \sqrt{\pi}$ : aucune fonction dominante n'existe en $x$.

Exercice 7 : Calcule $\lim\limits_{n\to+\infty} \int_0^{+\infty} \frac{n\sin(x/n)}{x(1+x^2)}\,dx$, en utilisant $|\sin u| \le |u|$ pour tout réel $u$.

Correction :

La bonne fonction dominante vient de $|\sin u| \le |u|$, pas de $|\sin u| \le 1$.

Pour $x > 0$, $n\sin(x/n) = x \cdot \frac{\sin(x/n)}{x/n} \to x$, donc l'intégrande tend vers $\frac{1}{1+x^2}$. Et $|n\sin(x/n)| \le n \cdot \frac{x}{n} = x$ : l'intégrande reste sous $\frac{1}{1+x^2}$, intégrable.

Le TCD donne $\int_0^{+\infty}\frac{dx}{1+x^2}$, soit $\frac{\pi}{2}$. Erreur à éviter : avec $|\sin u| \le 1$, on obtient $\frac{n}{x(1+x^2)}$, qui contient $n$ et n'est pas intégrable en 0.

Exercices : niveau difficile

Exercice 8 : Calcule $\lim\limits_{n\to+\infty} \int_0^n \left(1-\frac{x}{n}\right)^n e^{x/2}\,dx$. Tu pourras utiliser $\ln(1-t) \le -t$ pour $t \in [0\,;\,1[$.

Correction :

La borne $n$ passe dans la fonction grâce à une indicatrice : $f_n(x) = \left(1-\frac{x}{n}\right)^n e^{x/2}\,\mathbf{1}_{[0\,;\,n]}(x)$ sur $[0\,;\,+\infty[$.

Pour $x$ fixé et $n > x$, $\left(1-\frac{x}{n}\right)^n = e^{n\ln(1-x/n)} \to e^{-x}$, donc $f_n(x) \to e^{-x/2}$. Pour $0 \le x < n$, $n\ln(1-x/n) \le -x$, d'où $0 \le f_n(x) \le e^{-x}e^{x/2} = e^{-x/2}$ ; à partir de $x = n$, $f_n$ est nulle. La fonction $e^{-x/2}$ est intégrable.

Le TCD donne $\int_0^{+\infty} e^{-x/2}\,dx$, soit $2$.

Exercice 9 : Soit $a > 0$ un réel et $f_n(x) = n^a\,x\,e^{-nx}$ sur $[0\,;\,+\infty[$. Calcule $\int_0^{+\infty} f_n(x)\,dx$. Pour quelles valeurs de $a$ existe-t-il une fonction dominante intégrable ? Justifie dans les deux sens.

Correction :

On calcule l'intégrale, puis on majore $f_n(x)$ par son maximum en $n$.

Avec $u = nx$ : $\int_0^{+\infty} x\,e^{-nx}\,dx = \frac{1}{n^2}$, donc $\int_0^{+\infty} f_n = n^{a-2}$. Par croissances comparées, $f_n(x) \to 0$ pour tout $x$.

Si $a \ge 2$, $\int f_n$ vaut 1 ou tend vers $+\infty$, jamais vers $0 = \int \lim f_n$ : aucune domination.

Si $a < 2$ : pour $x > 0$, $\varphi(t) = t^a e^{-tx}$ a pour dérivée $t^{a-1}e^{-tx}(a - tx)$, donc son maximum, atteint en $t = a/x$, vaut $\left(\frac{a}{ex}\right)^a$. Ainsi $f_n(x) = x\,\varphi(n) \le \left(\frac{a}{e}\right)^a x^{1-a}$, intégrable sur $]0\,;\,2]$ car $1 - a > -1$. Pour $x \ge 2$, on a $a/x < 1$, donc $\varphi$ décroît sur $[1\,;\,+\infty[$ et $f_n(x) \le f_1(x) = x\,e^{-x}$, intégrable. La fonction égale à $\left(\frac{a}{e}\right)^a x^{1-a}$ sur $]0\,;\,2]$ et à $x\,e^{-x}$ au-delà domine donc tous les $f_n$.

Résultat : $\int_0^{+\infty} f_n = n^{a-2}$, et une fonction dominante existe si et seulement si $0 < a < 2$.

Exercice 10 : Pour $x \in [0\,;\,1]$, on pose $S_N(x) = \sum_{k=0}^{N} (-x)^k$. En appliquant le TCD à la suite $(S_N)$, montre que $\sum_{k=0}^{+\infty} \frac{(-1)^k}{k+1} = \ln 2$.

Correction :

On écrit chaque somme partielle de la série comme une intégrale, puis on passe à la limite.

Par linéarité, $\int_0^1 S_N(x)\,dx = \sum_{k=0}^{N} (-1)^k\int_0^1 x^k\,dx = \sum_{k=0}^{N} \frac{(-1)^k}{k+1}$. Comme somme géométrique, $S_N(x) = \frac{1-(-x)^{N+1}}{1+x}$ tend vers $\frac{1}{1+x}$ pour $x \in [0\,;\,1[$, donc presque partout. Et $|S_N(x)| \le \frac{1+x^{N+1}}{1+x} \le 2$, constante intégrable sur $[0\,;\,1]$.

Le TCD donne $\sum_{k=0}^{+\infty} \frac{(-1)^k}{k+1} = \int_0^1 \frac{dx}{1+x} = \big[\ln(1+x)\big]_0^1$, soit $\ln 2$. Le théorème de convergence monotone ne marchait pas ici : $S_N(x)$ n'est pas croissante en $N$.

Bilan et conseils

Dans une copie, écris les deux hypothèses avant de conclure : la limite presque partout, puis la fonction dominante $g$ avec la preuve que $\int g < +\infty$. Relis ensuite ton $g$ : il ne doit pas contenir $n$.

Ce qu'il faut retenir : la fonction dominante se trouve dans une inégalité classique ($|\sin u| \le |u|$, $\ln(1-t) \le -t$) ou dans le maximum de $f_n(x)$ en $n$. Quand la masse se concentre en un point, change de variable ; quand $\int f_n$ ne tend pas vers $\int \lim f_n$, aucune domination n'existe.

Sources

Jean-François Le Gall, Intégration, Probabilités et Processus Aléatoires, polycopié du département de mathématiques de l'École normale supérieure de Paris, septembre 2006, théorème 2.2.1 (convergence dominée), p. 25.

Tu peux partager cette page librement, en citant ORBITECH AI Academy avec son lien.