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Contrôle de maths L3 : tribus, mesures et fonctions mesurables

    Contrôle de maths L3 : tribus, mesures et fonctions mesurables

    Ce contrôle de maths de L3 porte sur le thème suivant : tribus, mesures et fonctions mesurables.

    Ce partiel d’une heure trente, au niveau de la troisième année de licence, évalue les fondements de la théorie de la mesure. Vous démontrerez d’abord la continuité monotone d’une mesure, en repérant le rôle de l’hypothèse de finitude. Vous décrirez ensuite une tribu engendrée par deux parties grâce à ses atomes, puis vous montrerez que les demi-droites fermées engendrent la tribu borélienne.

    La fin du sujet traite de la mesurabilité d’un sup et d’une limite supérieure, puis un problème vous fait établir que l’ensemble de Cantor est négligeable et pourtant non dénombrable. Travaillez sans document ni calculatrice.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : licence L3
    • Chapitre : Tribus, mesures et fonctions mesurables
    • Durée conseillée : 1 heure 30
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 3 points ; exercice 5 : 5 points)
    • Compétences évaluées :
      • Raisonner : démontrer la continuité monotone d’une mesure à partir de la sigma-additivité
      • Chercher : décrire une tribu engendrée par ses atomes
      • Calculer : évaluer la mesure de Lebesgue d’intersections décroissantes
      • Communiquer : rédiger une preuve de mesurabilité par passage aux images réciproques

    Exercice 1 : Question de cours, continuité monotone d’une mesure (4 points)

    Calculatrice interdite. Documents interdits. Durée : 1 heure 30.

    Soit \((X, \mathcal{A}, \mu)\) un espace mesuré.

    1. Soit \((A_n)_{n \geq\, 0}\) une suite croissante d’éléments de \(\mathcal{A}\). Démontrez que \(\mu(\bigcup_{n} A_n) = \lim_{n \to +\infty} \mu(A_n)\), en utilisant la sigma-additivité de \(\mu\). (2 points)
    2. Soit \((B_n)_{n \geq\, 0}\) une suite décroissante d’éléments de \(\mathcal{A}\) avec \(\mu(B_0) < +\infty\). Démontrez que \(\mu(\bigcap_{n} B_n) = \lim_{n \to +\infty} \mu(B_n)\). (1 point)
    3. On note \(\lambda\) la mesure de Lebesgue sur \(\mathbb{R}\) et \(B_n = [n, +\infty[\). Calculez \(\lambda(B_n)\) et \(\lambda(\bigcap_n B_n)\). Quelle hypothèse de la question b) est mise en défaut ? (1 point)

    Exercice 2 : Une tribu engendrée finie (4 points)

    On pose \(\Omega = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}\), \(A = \{1, 2\}\), \(B = \{2, 3\}\), et l’on note \(\mathcal{T} = \sigma(\{A, B\})\) la tribu engendrée par \(A\) et \(B\).

    1. Montrez que les quatre parties \(\{1\}\), \(\{2\}\), \(\{3\}\) et \(\{4, 5, 6\}\) appartiennent à \(\mathcal{T}\). (1 point)
    2. On note \(\mathcal{U}\) l’ensemble des réunions (éventuellement vides) de ces quatre parties. Montrez que \(\mathcal{U}\) est une tribu, puis que \(\mathcal{T} = \mathcal{U}\). Donnez le cardinal de \(\mathcal{T}\). (2 points)
    3. Une fonction \(f : \Omega \to \mathbb{R}\) est-elle \(\mathcal{T}\)-mesurable dans chacun des cas suivants : \(f(\omega) = (\omega – 2)^2\) ; \(f(\omega) = \min(\omega, 4)\) ? Justifiez. (1 point)

    Exercice 3 : Générateurs de la tribu borélienne (4 points)

    On note \(\mathcal{B}(\mathbb{R})\) la tribu borélienne de \(\mathbb{R}\), engendrée par les ouverts, et \(\mathcal{C} = \sigma(\{\, ]-\infty, a] : a \in \mathbb{R} \,\})\).

    1. Montrez que \(\mathcal{C} \subset \mathcal{B}(\mathbb{R})\). (1 point)
    2. Soient \(a < b\) deux réels. Montrez que \(]-\infty, b[\) puis \(]a, b[\) appartiennent à \(\mathcal{C}\). (1,5 point)
    3. Soit \(U\) un ouvert de \(\mathbb{R}\). Montrez que \(U\) est la réunion des intervalles \(]p, q[\) inclus dans \(U\) avec \(p\) et \(q\) rationnels. Concluez que \(\mathcal{C} = \mathcal{B}(\mathbb{R})\). (1,5 point)

    Exercice 4 : Mesurabilité du sup et de la limite supérieure (3 points)

    Soit \((X, \mathcal{A})\) un espace mesurable et \((f_n)_{n \geq\, 0}\) une suite de fonctions mesurables de \(X\) dans \(\mathbb{R}\). On admet que la tribu borélienne de \(\overline{\mathbb{R}} = [-\infty, +\infty]\) est engendrée par les intervalles \([-\infty, a]\), \(a \in \mathbb{R}\).

    1. Montrez que \(g = \sup_n f_n\), à valeurs dans \(\overline{\mathbb{R}}\), est mesurable. (1 point)
    2. Déduisez-en que \(\limsup_n f_n\) et \(\liminf_n f_n\) sont mesurables, puis que l’ensemble \(C\) des points \(x\) où la suite \((f_n(x))\) converge dans \(\mathbb{R}\) appartient à \(\mathcal{A}\). (1 point)
    3. Soit \(h : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) continue. Montrez que \(h \circ f_0\) est mesurable. Appliquez ce résultat à \(|f_0|\) et à \(f_0^{+} = \max(f_0, 0)\). (1 point)

    Exercice 5 : Problème, ensembles négligeables et ensemble de Cantor (5 points)

    On note \(\lambda\) la mesure de Lebesgue sur \(\mathbb{R}\). On pose \(K_0 = [0, 1]\) et, pour tout \(n \geq\, 0\), \(K_{n+1} = \dfrac{1}{3} K_n \cup (\dfrac{2}{3} + \dfrac{1}{3} K_n)\). La figure représente \(K_0\), \(K_1\), \(K_2\) et \(K_3\).

    Les quatre premières étapes K0, K1, K2, K3 de la construction de Cantor, segments noirs de longueur 1, 1/3, 1/9 et 1/27

    On admet que \(K_n\) est la réunion disjointe des \(2^n\) intervalles \([s, s + 3^{-n}]\), où \(s = \sum_{k=1}^{n} a_k 3^{-k}\) avec \(a_1, \ldots, a_n \in \{0, 2\}\), et l’on pose \(K = \bigcap_{n \geq\, 0} K_n\).

    1. Montrez que \(\mathbb{Q}\) est négligeable pour \(\lambda\). (1 point)
    2. Montrez que la suite \((K_n)\) est décroissante et calculez \(\lambda(K_n)\). (1 point)
    3. Montrez que \(K\) est un compact non vide et que \(\lambda(K) = 0\). (1 point)
    4. À toute suite \(a = (a_k)_{k \geq\, 1}\) à valeurs dans \(\{0, 2\}\), on associe \(\Phi(a) = \sum_{k=1}^{+\infty} a_k 3^{-k}\). Montrez que \(\Phi(a) \in K\), puis que \(\Phi\) est injective. Que peut-on en déduire sur \(K\) ? (1 point)
    5. Montrez que \(K\) ne contient aucun intervalle de longueur strictement positive. (1 point)

    Corrigé du contrôle de maths L3 : tribus, mesures et fonctions mesurables

    Réviser avant le contrôle : tribus, mesures et fonctions mesurables

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Tribus et mesures » en L3 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés tribus et mesures.

    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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