Ce contrôle de maths de L3 porte sur le thème suivant : Fubini-Tonelli et changement de variables.
Ce partiel de deux heures, niveau troisième année de licence, évalue votre maîtrise de la mesure produit et du théorème de Fubini-Tonelli. La règle est constante : on justifie d’abord la positivité ou l’intégrabilité par Tonelli, et seulement ensuite on intervertit les intégrales avec Fubini.
Vous calculerez l’intégrale de Gauss par un changement de variables en polaires, puis vous étudierez un exemple où les deux intégrales itérées diffèrent. Viennent ensuite une récurrence donnant le volume de la boule unité et un problème sur la convolution d’indicatrices. Dessinez chaque domaine d’intégration avant de le découper.
- Niveau : licence L3
- Chapitre : Mesure produit, Fubini et changement de variables
- Durée conseillée : 2 heures
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 3 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 4 points ; exercice 5 : 5 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : justifier chaque interversion par Tonelli avant d’appliquer Fubini
- Calculer : intégrer en coordonnées polaires grâce au jacobien
- Représenter : dessiner le domaine d’intégration avant de le découper
- Modéliser : exprimer un volume ou une convolution comme une intégrale double
Exercice 1 : Question de cours, les théorèmes de Fubini (3 points)
Calculatrice interdite. Documents interdits. Durée : 2 heures.
Dans tout le sujet, \(\lambda_n\) désigne la mesure de Lebesgue sur \(\mathbb{R}^n\) et \(\lambda = \lambda_1\). Les mesures considérées sont sigma-finies.
- Énoncez le théorème de Fubini-Tonelli pour une fonction mesurable positive sur un produit \(X \times Y\). (1 point)
- Énoncez le théorème de Fubini pour une fonction intégrable sur \(X \times Y\). (1 point)
- Énoncez le théorème de changement de variables dans \(\mathbb{R}^n\), puis donnez le jacobien du passage en coordonnées polaires \((r, \theta) \mapsto (r\cos\theta, r\sin\theta)\). (1 point)
Exercice 2 : L’intégrale de Gauss par passage en polaires (4 points)
On pose \(I = \displaystyle\int_{\mathbb{R}} e^{-x^2} \,\mathrm{d}x\).
- Montrez que \(x \mapsto e^{-x^2}\) est intégrable sur \(\mathbb{R}\). (1 point)
- Montrez que \(I^2 = \displaystyle\int_{\mathbb{R}^2} e^{-(x^2 + y^2)} \,\mathrm{d}\lambda_2(x, y)\), en citant le théorème utilisé. (1 point)
- À l’aide des coordonnées polaires, calculez cette intégrale double et déduisez-en \(I\). Précisez l’ouvert de départ, l’ouvert d’arrivée et la partie négligeable de \(\mathbb{R}^2\) qui est laissée de côté. (2 points)
Exercice 3 : Deux intégrales itérées différentes (4 points)
Sur le carré \(Q = \,]0, 1]^2\), représenté ci-dessous, on considère \(f(x, y) = \dfrac{x^2 – y^2}{(x^2 + y^2)^2}\).
- Vérifiez que \(\dfrac{\partial}{\partial y}(\dfrac{y}{x^2 + y^2}) = f(x, y)\). Calculez \(\displaystyle\int_{0}^{1} (\int_{0}^{1} f(x, y) \,\mathrm{d}y) \mathrm{d}x\). (1,5 point)
- Sans nouveau calcul, déduisez-en \(\displaystyle\int_{0}^{1} (\int_{0}^{1} f(x, y) \,\mathrm{d}x) \mathrm{d}y\). (1 point)
- On note \(D\) le quart de disque \(\{(x, y) : x > 0,\ y > 0,\ x^2 + y^2 < 1\}\), inclus dans \(Q\). En passant en polaires, calculez \(\int_{D} |f| \,\mathrm{d}\lambda_2\). Expliquez pourquoi ce résultat ne contredit pas le théorème de Fubini. (1,5 point)
Exercice 4 : Volume de la boule unité de R^n (4 points)
Pour \(n \geq\, 1\), on note \(\|\cdot\|\) la norme euclidienne de \(\mathbb{R}^n\), \(B_n(r) = \{x \in \mathbb{R}^n : \|x\| \leq\, r\}\) et \(V_n = \lambda_n(B_n(1))\). La figure montre, pour \(n = 3\), la tranche de la boule au-dessus d’un point \((y, z)\) du disque unité.
- Montrez que \(\lambda_n(B_n(r)) = r^n V_n\) pour tout \(r > 0\). (1 point)
- Soit \(n \geq\, 3\). En écrivant un point de \(\mathbb{R}^n\) sous la forme \((u, y, z)\) avec \(u \in \mathbb{R}^{n-2}\) et \((y, z) \in \mathbb{R}^2\), montrez que \(V_n = \dfrac{2\pi}{n} V_{n-2}\). (2 points)
- Calculez \(V_1\), \(V_2\), puis \(V_3\), \(V_4\), \(V_5\) et \(V_6\). Montrez que \(V_n \to 0\) quand \(n \to +\infty\). (1 point)
Exercice 5 : Problème, convolution d’indicatrices (5 points)
Pour \(f, g\) intégrables sur \(\mathbb{R}\), on pose, lorsque cela a un sens, \((f * g)(x) = \displaystyle\int_{\mathbb{R}} f(x – y) g(y) \,\mathrm{d}y\). On note \(\mathbf{1} = \mathbf{1}_{[0, 1]}\).
- Montrez que \((\mathbf{1} * \mathbf{1})(x) = \lambda([0, 1] \cap [x – 1, x])\) et donnez l’expression de \(T = \mathbf{1} * \mathbf{1}\) sur \(\mathbb{R}\). Tracez son graphe. (1,5 point)
- Montrez, par le théorème de Tonelli, que \(\int_{\mathbb{R}} T \,\mathrm{d}\lambda = (\int_{\mathbb{R}} \mathbf{1} \,\mathrm{d}\lambda)^2\), et vérifiez ce résultat sur le graphe. (1 point)
- Soient \(f, g \in L^1(\mathbb{R})\). On admet que \((x, y) \mapsto f(x – y) g(y)\) est mesurable sur \(\mathbb{R}^2\). Montrez que \((f * g)(x)\) est défini pour presque tout \(x\) et que \(\|f * g\|_1 \leq\, \|f\|_1 \|g\|_1\). (1,5 point)
- On pose \(h = T * \mathbf{1}\). Montrez que \(h(x) = \int_{x-1}^{x} T(u) \,\mathrm{d}u\), puis calculez \(h(x)\) pour \(x \in [0, 1]\) et pour \(x \in [1, 2]\). (1 point)
Réviser avant le contrôle : Fubini-Tonelli et changement de variables
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Fubini et changement de variables » en L3 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés fubini et changement de variables.
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