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Contrôle de maths L3 : convergence dominée et intégrales à paramètre

    Contrôle de maths L3 : convergence dominée et intégrales à paramètre

    Ce contrôle de maths de L3 porte sur le thème suivant : convergence dominée et intégrales à paramètre.

    Ce partiel de deux heures, niveau troisième année de licence, est centré sur le théorème de convergence dominée et ses conséquences pour les intégrales à paramètre. Chaque application exige une vérification rédigée des hypothèses : mesurabilité, convergence presque partout, et surtout une domination intégrable indépendante de l’indice ou du paramètre.

    Après la question de cours, vous calculerez des limites d’intégrales, étudierez la fonction Gamma, puis résoudrez une équation différentielle pour calculer une transformée de la gaussienne. Le problème compare l’intégrale de Lebesgue et l’intégrale impropre sur l’exemple du sinus cardinal. Calculatrice et documents sont interdits.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : licence L3
    • Chapitre : Intégrale de Lebesgue et théorèmes de convergence
    • Durée conseillée : 2 heures
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 3 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 5 points ; exercice 5 : 4 points)
    • Compétences évaluées :
      • Raisonner : démontrer la continuité d’une intégrale à paramètre à partir de la convergence dominée
      • Chercher : construire une fonction dominante intégrable indépendante du paramètre
      • Calculer : obtenir une intégrale à paramètre par une équation différentielle
      • Communiquer : vérifier et rédiger chaque hypothèse avant d’appliquer un théorème

    Exercice 1 : Question de cours, convergence dominée et continuité (4 points)

    Calculatrice interdite. Documents interdits. Durée : 2 heures.

    Dans tout le sujet, \((X, \mathcal{A}, \mu)\) est un espace mesuré et \(\lambda\) désigne la mesure de Lebesgue. Chaque application d’un théorème doit être précédée de la vérification rédigée de toutes ses hypothèses.

    1. Énoncez le théorème de convergence dominée. (1 point)
    2. Énoncez le théorème de dérivation sous le signe intégrale pour \(F(x) = \int_X f(x, t) \,\mathrm{d}\mu(t)\), où \(x\) parcourt un intervalle ouvert \(I\) de \(\mathbb{R}\). (1 point)
    3. Soit \(I\) un intervalle de \(\mathbb{R}\) et \(f : I \times X \to \mathbb{R}\) telle que : pour tout \(x \in I\), \(t \mapsto f(x, t)\) est mesurable ; pour presque tout \(t\), \(x \mapsto f(x, t)\) est continue ; il existe \(g\) intégrable sur \(X\) telle que \(|f(x, t)| \leq\, g(t)\) pour tout \(x\) et presque tout \(t\). Démontrez que \(F(x) = \int_X f(x, t) \,\mathrm{d}\mu(t)\) est définie et continue sur \(I\). (2 points)

    Exercice 2 : Trois limites d’intégrales (3 points)

    Déterminez les limites suivantes quand \(n \to +\infty\), en précisant à chaque fois la fonction dominante.

    1. \(\displaystyle\int_{0}^{+\infty} \frac{n \sin(x/n)}{x(1 + x^2)} \,\mathrm{d}x\) (1 point)
    2. \(\displaystyle\int_{0}^{n} (1 – \frac{x}{n})^{n} \mathrm{d}x\), sans calcul de primitive (1 point)
    3. \(\displaystyle\int_{0}^{1} \frac{1 + n x}{(1 + x)^{n}} \,\mathrm{d}x\) (1 point)

    Exercice 3 : La fonction Gamma (4 points)

    On pose, lorsque cela a un sens, \(\Gamma(x) = \displaystyle\int_{0}^{+\infty} t^{x-1} e^{-t} \,\mathrm{d}t\).

    1. Montrez que \(t \mapsto t^{x-1} e^{-t}\) est intégrable sur \(]0, +\infty[\) si et seulement si \(x > 0\). (1 point)
    2. Soient \(0 < a < b\). Montrez que \(t^{x-1} e^{-t} \leq\, (t^{a-1} + t^{b-1}) e^{-t}\) pour \(x \in [a, b]\) et \(t > 0\). Déduisez-en que \(\Gamma\) est continue sur \(]0, +\infty[\). (1 point)
    3. Montrez que \(\Gamma\) est de classe \(C^1\) sur \(]0, +\infty[\) et donnez \(\Gamma^{\prime}(x)\) sous forme d’intégrale. (1 point)
    4. Montrez que \(\Gamma(x + 1) = x \Gamma(x)\) pour \(x > 0\), calculez \(\Gamma(n + 1)\) pour \(n \in \mathbb{N}\) et donnez un équivalent de \(\Gamma(x)\) quand \(x \to 0^{+}\). (1 point)

    Exercice 4 : Une intégrale à paramètre calculée par équation différentielle (5 points)

    Pour \(x \in \mathbb{R}\), on pose \(F(x) = \displaystyle\int_{0}^{+\infty} e^{-t^2} \cos(x t) \,\mathrm{d}t\). On admet que \(\displaystyle\int_{0}^{+\infty} e^{-t^2} \,\mathrm{d}t = \frac{\sqrt{\pi}}{2}\).

    1. Montrez que \(F\) est définie et continue sur \(\mathbb{R}\). (1 point)
    2. Montrez que \(F\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\), avec \(F^{\prime}(x) = -\displaystyle\int_{0}^{+\infty} t e^{-t^2} \sin(x t) \,\mathrm{d}t\). (1,5 point)
    3. À l’aide d’une intégration par parties, montrez que \(F^{\prime}(x) = -\dfrac{x}{2} F(x)\) pour tout réel \(x\). (1,5 point)
    4. Déduisez-en une expression explicite de \(F(x)\). (1 point)

    Exercice 5 : Problème, sinus cardinal et intégrale de Lebesgue (4 points)

    On considère \(s(t) = \dfrac{\sin t}{t}\) pour \(t > 0\), représentée ci-dessous avec \(|s|\).

    Courbe de sin t sur t pour t de 0 à 6 pi, et en pointillés sa valeur absolue formant des arches décroissantes

    1. Montrez que \(s\) est intégrable sur \(]0, 1]\). (0,5 point)
    2. Montrez que \(\displaystyle\int_{k\pi}^{(k+1)\pi} |s(t)| \,\mathrm{d}t \geq\, \frac{2}{(k+1)\pi}\) pour tout entier \(k \geq\, 1\). Déduisez-en que \(s\) n’est pas intégrable au sens de Lebesgue sur \(]0, +\infty[\). (1 point)
    3. Montrez que \(\displaystyle\int_{0}^{A} s(t) \,\mathrm{d}t\) admet une limite finie quand \(A \to +\infty\) : l’intégrale impropre de Riemann converge. (1 point)
    4. Pour \(x > 0\), on pose \(G(x) = \displaystyle\int_{0}^{+\infty} e^{-x t} s(t) \,\mathrm{d}t\). Montrez que \(G\) est définie et de classe \(C^1\) sur \(]0, +\infty[\), calculez \(G^{\prime}(x)\), puis la limite de \(G\) en \(+\infty\). Donnez enfin \(G(x)\) sous forme explicite. (1,5 point)

    Corrigé du contrôle de maths L3 : convergence dominée et intégrales à paramètre

    Réviser avant le contrôle : convergence dominée et intégrales à paramètre

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Intégrale de Lebesgue » en L3 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés intégrale de lebesgue.

    Retrouvez tous les contrôles de maths de L3 classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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