Théorèmes de convergence de Lebesgue en L3 de maths : exercices corrigés
Ces exercices Lebesgue L3 entraînent les réflexes attendus en partiel sur les théorèmes limites. Les premiers vérifient les bases : calcul d’une intégrale étagée, application directe de Beppo Levi et d’une domination simple. Ensuite, la série « Pour s’entraîner » travaille le lemme de Fatou, l’intégration terme à terme, la comparaison avec Riemann et les intégrales à paramètre.
Les exercices d’approfondissement démontrent des résultats classiques de théorie, comme le lemme de Scheffé, puis un problème complet guide l’étude d’une intégrale logarithmique. Cherchez d’abord seul pendant vingt minutes, en écrivant clairement la dominante choisie. Notez aussi, pour chaque question, le théorème que vous pensez utiliser et ses hypothèses. Ensuite seulement, comparez votre rédaction avec le corrigé détaillé, puis refaites l’exercice une semaine plus tard.
Pour démarrer
Exercice 1 – Une fonction étagée avec des rationnels
Sur \(\mathbb{R}\) muni de la mesure de Lebesgue \(\lambda\), on pose \(\varphi=2\cdot\mathbf{1}_{[0,3]}+5\cdot\mathbf{1}_{[1,2]}+4\cdot\mathbf{1}_{\mathbb{Q}\cap[0,4]}\).
- Calculer \(\int\varphi\,d\lambda\) par linéarité.
- Déterminer les valeurs prises par \(\varphi\) et les ensembles \(\{\varphi=c\}\). Retrouver l’intégrale avec l’écriture canonique.
- La fonction \(\varphi\) est-elle Riemann-intégrable sur \([0,4]\) ? Justifier.
Exercice 2 – Troncatures croissantes et intégrale de Gauss
Pour \(n\geq 1\) et \(x>0\), on pose \(f_n(x)=\min\left(n,\,x^{-1/2}\right)e^{-x}\). On admet la valeur \(\frac{1}{2}\sqrt{\pi}\) de l’intégrale de Gauss sur \([0,+\infty[\).
- Montrer que la suite \((f_n)\) est croissante et déterminer sa limite simple sur \(]0,+\infty[\).
- En déduire \(\lim_{n\to+\infty}\int_0^{+\infty}f_n(x)\,dx\).
Exercice 3 – Des bosses qui gardent leur masse
Pour \(n\geq 1\) et \(x\geq 0\), on pose \(f_n(x)=n^2x\,e^{-nx}\). Les premières fonctions de la suite sont tracées ci-dessous.

- Calculer \(\int_0^{+\infty}f_n(x)\,dx\) et la limite simple de \((f_n)\).
- Écrire l’inégalité fournie par le lemme de Fatou. Est-elle stricte ?
- Montrer que \(g=\sup_n f_n\) n’est pas intégrable sur \(]0,1]\). On pourra minorer \(g\) sur chaque intervalle \(\left[\frac{1}{k+1},\frac{1}{k}\right]\).
Exercice 4 – Intégrabilité de trois fonctions
Déterminer si chacune des fonctions suivantes est intégrable au sens de Lebesgue sur l’intervalle indiqué. Calculer l’intégrale lorsque c’est demandé.
- \(a(x)=x^{-1/3}e^{-x}\) sur \(]0,+\infty[\).
- \(b(x)=\frac{\ln x}{1+x^2}\) sur \(]0,+\infty[\). Calculer son intégrale à l’aide du changement de variable \(x=1/u\).
- \(c(x)=\frac{1}{x(\ln x)^2}\) sur \([e,+\infty[\). Calculer son intégrale avec Beppo Levi.
Exercice 5 – Une limite par domination élémentaire
Déterminer \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\int_0^1\frac{n\sin(x/n)}{x(2+x)}\,dx\), en justifiant chaque hypothèse du théorème utilisé.
Exercice 6 – Continuité et comportement à l’infini d’une intégrale à paramètre
Pour \(t\in\mathbb{R}\), on pose \(F(t)=\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{e^{-x^2}}{1+t^2x^2}\,dx\). On admet que \(\int_0^{+\infty}e^{-x^2}\,dx=\frac{\sqrt{\pi}}{2}\).
- Montrer que \(F\) est définie et continue sur \(\mathbb{R}\). Donner \(F(0)\).
- Déterminer \(\lim_{t\to+\infty}F(t)\).
- Montrer que \(tF(t)\to\frac{\pi}{2}\) quand \(t\to+\infty\), à l’aide du changement de variable \(u=tx\).
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Une série alternée sous l’intégrale
On rappelle que \(\sum_{k\geq 1}\frac{1}{k^2}=\frac{\pi^2}{6}\).
- Montrer que \(\sum_{k\geq 1}\frac{(-1)^{k+1}}{k^2}=\frac{\pi^2}{12}\).
- Développer \(\frac{x}{e^{2x}+1}\) en série de fonctions pour \(x>0\).
- Justifier l’intégration terme à terme et en déduire \(\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{x}{e^{2x}+1}\,dx\).
Exercice 8 – Mesure à densité
Soit \(f : X\to[0,+\infty]\) mesurable. Pour \(A\in\mathcal{A}\), on pose \(\nu(A)=\int_X f\,\mathbf{1}_A\,d\mu\).
- Montrer que \(\nu\) est une mesure sur \((X,\mathcal{A})\).
- Montrer que \(\mu(A)=0\) entraîne \(\nu(A)=0\).
- Montrer que \(\int h\,d\nu=\int hf\,d\mu\) pour toute \(h\) mesurable positive. On commencera par les fonctions étagées.
Exercice 9 – Trois usages du lemme de Fatou
- Soit \((f_n)\) une suite de fonctions mesurables positives qui converge presque partout vers \(f\), avec \(\int f_n\,d\mu\leq 7\) pour tout \(n\). Montrer que \(f\) est intégrable et que \(\int f\,d\mu\leq 7\).
- Soit \((A_n)\) une suite d’ensembles mesurables. On pose \(\liminf A_n=\bigcup_{n}\bigcap_{k\geq n}A_k\). Montrer que \(\mu(\liminf A_n)\leq\liminf\mu(A_n)\).
- Avec \(A_n=[n,n+1]\) dans \(\mathbb{R}\), calculer les deux membres et commenter.
Exercice 10 – Deux limites d’intégrales
Déterminer les limites suivantes en justifiant soigneusement la domination.
- \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\int_0^{+\infty}\arctan(nx)\,e^{-3x}\,dx\).
- \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\int_0^{n}\left(1+\frac{x}{n}\right)^n e^{-3x}\,dx\).
Exercice 11 – Noyau exponentiel et valeur en zéro
Soit \(g : [0,+\infty[\to\mathbb{R}\) continue et bornée.
- Montrer que \(\displaystyle n\int_0^{+\infty}e^{-nx}g(x)\,dx\to g(0)\) quand \(n\to+\infty\).
- Vérifier ce résultat par un calcul direct avec \(g=\cos\).
Exercice 12 – Une intégrale à paramètre logarithmique
Pour \(t\in\mathbb{R}\), on pose \(H(t)=\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{1-\cos(tx)}{x}\,e^{-x}\,dx\).
- Montrer que \(H\) est bien définie sur \(\mathbb{R}\). On pourra utiliser \(1-\cos u\leq\frac{u^2}{2}\).
- Montrer que \(H\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\) et calculer \(H^{\prime}(t)\).
- En déduire une expression simple de \(H(t)\).
Exercice 13 – Sinus et série géométrique
On admet que, pour \(a>0\), \(\sum_{k\geq 1}\frac{1}{k^2+a^2}=\frac{\pi a\coth(\pi a)-1}{2a^2}\).
- Justifier l’existence de \(L=\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\sin(2x)}{e^x-1}\,dx\).
- Calculer \(\int_0^{+\infty}\sin(2x)\,e^{-kx}\,dx\) pour \(k\geq 1\).
- Montrer que \(L=\sum_{k\geq 1}\frac{2}{k^2+4}\), puis donner sa valeur exacte.
Exercice 14 – Convergente mais non intégrable
On étudie la fonction \(x\mapsto\cos(x^2)\) sur \([0,+\infty[\), dont les oscillations s’accélèrent.

- À l’aide du changement de variable \(u=x^2\) et d’une intégration par parties, montrer que \(\int_0^A\cos(x^2)\,dx\) admet une limite finie quand \(A\to+\infty\).
- Montrer que \(|\cos u|\geq\cos^2u\) et en déduire que \(x\mapsto\cos(x^2)\) n’est pas dans \(L^1([0,+\infty[)\).
- Expliquer pourquoi on ne peut pas appliquer la convergence dominée à \(\int_0^{+\infty}\cos(x^2)e^{-x/n}\,dx\) avec la dominante \(|\cos(x^2)|\).
Exercice 15 – Borel-Cantelli par Beppo Levi
On se donne des ensembles mesurables \(A_1,A_2,\dots\) dont les mesures forment une série convergente.
- On pose \(N=\sum_n\mathbf{1}_{A_n}\). Calculer \(\int N\,d\mu\) et en déduire que \(N\) est finie presque partout.
- Traduire ce résultat en termes d’appartenance : hors d’un ensemble négligeable, combien d’ensembles \(A_n\) contiennent un point donné ?
- Application. Dans \([0,1]\), on pose \(A_n=\bigcup_{p=0}^{n}\left]\frac{p}{n}-\frac{1}{n^3},\frac{p}{n}+\frac{1}{n^3}\right[\) pour \(n\geq 1\). Montrer que, pour presque tout \(x\in[0,1]\), il existe un rang \(n_0\) tel que \(\left|x-\frac{p}{n}\right|\geq\frac{1}{n^3}\) pour tout \(n\geq n_0\) et tout entier \(p\in\{0,\dots,n\}\).
Pour approfondir
Exercice 16 – L’intégrale de Gauss par une équation différentielle
On pose \(I=\int_0^{+\infty}e^{-x^2}\,dx\) et, pour \(t\geq 0\), \(\Psi(t)=\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{e^{-tx^2}}{1+x^2}\,dx\).
- Montrer que \(\Psi\) est continue sur \([0,+\infty[\), calculer \(\Psi(0)\) et la limite de \(\Psi\) en \(+\infty\).
- Pour \(t>0\), montrer que \(\int_0^{+\infty}e^{-tx^2}\,dx=\frac{I}{\sqrt{t}}\).
- Établir la régularité \(C^1\) de \(\Psi\) sur l’intervalle ouvert \(]0,+\infty[\), puis l’équation différentielle \(\Psi^{\prime}=\Psi-I\,t^{-1/2}\).
- Intégrer cette équation pour obtenir, sur \([0,+\infty[\), l’égalité \(e^{-t}\Psi(t)=\frac{\pi}{2}-I\displaystyle\int_0^t\frac{e^{-s}}{\sqrt{s}}\,ds\).
- Calculer \(\int_0^{+\infty}e^{-s}s^{-1/2}\,ds\) en fonction de \(I\), puis faire tendre \(t\) vers l’infini pour trouver la valeur de \(I\).
Exercice 17 – Lemme de Scheffé
Soient \(f\) et \(f_n\) des fonctions intégrables positives. On suppose que \(f_n\to f\) presque partout et que \(\int f_n\,d\mu\to\int f\,d\mu\).
- Montrer que \(\int(f-f_n)^+\,d\mu\to 0\).
- En déduire que \(\int|f_n-f|\,d\mu\to 0\).
- Montrer, à l’aide des triangles \(h_n\) du cours, que l’hypothèse \(\int f_n\to\int f\) ne peut pas être supprimée.
Exercice 18 – Continuité absolue de l’intégrale
Soit \(f\in\mathcal{L}^1(\mu)\).
- Montrer que \(\int\min(|f|,n)\,d\mu\to\int|f|\,d\mu\).
- Prouver la propriété suivante : à chaque \(\varepsilon>0\) correspond un \(\delta>0\) vérifiant \(\int_A|f|\,d\mu<\varepsilon\) pour tout \(A\) mesurable de mesure \(\mu(A)<\delta\).
- Application : pour \(f\) intégrable sur \(\mathbb{R}\) muni de \(\lambda\), montrer que \(x\mapsto\int_0^x f(s)\,ds\) est uniformément continue sur \(\mathbb{R}\).
Exercice 19 – Problème de synthèse sur une intégrale logarithmique
Pour \(t\in\mathbb{R}\), on pose \(F(t)=\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\ln(1+t^2x^2)}{1+x^2}\,dx\).
- Montrer que \(F\) est bien définie et paire sur \(\mathbb{R}\).
- Montrer que \(F\) est continue sur \(\mathbb{R}\).
- Montrer que \(F\) est de classe \(C^1\) sur \(]0,+\infty[\), avec \(F^{\prime}(t)=\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{2tx^2}{(1+t^2x^2)(1+x^2)}\,dx\).
- Pour \(t>0\) et \(t\neq 1\), décomposer la fraction rationnelle en \(x\) et montrer que \(F^{\prime}(t)=\frac{\pi}{1+t}\). Étendre le résultat à \(t=1\).
- En déduire \(F(t)=\pi\ln(1+|t|)\) pour tout réel \(t\).
- Calculer \(\int_0^{+\infty}\frac{\ln(1+x^2)}{1+x^2}\,dx\), puis \(\int_0^{\pi/2}\ln(\cos\theta)\,d\theta\) à l’aide de \(x=\tan\theta\).
- Donner un équivalent de \(F(t)\) quand \(t\to+\infty\).
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de L3 de maths sur théorèmes de convergence de Lebesgue
- Bases utiles : Tribus boréliennes et mesure de Lebesgue sur R
- Chapitre d’avant : Tribus boréliennes et mesure de Lebesgue sur R
- Chapitre d’après : Tonelli, Fubini et changement de variables
- Vérifier ses acquis : QCM de L3 de maths sur théorèmes de convergence de Lebesgue
- Contrôle corrigé en temps limité : Théorèmes limites de Lebesgue : contrôle de maths en L3
- Le même thème en maths spé (MP) : Convergence dominée et intégrales à paramètre
- Tous les chapitres : le sommaire de la L3 de maths
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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