Hölder, Minkowski et Riesz-Fischer en L3 de maths : exercices corrigés

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Ces exercices Hölder L3 couvrent tout le chapitre sur les espaces de Lebesgue. Les premiers énoncés font pratiquer l’inégalité de Hölder et celle de Jensen sur des exemples concrets, puis l’appartenance de fonctions puissances aux espaces L^p. Ensuite viennent les inclusions, l’interpolation et la limite des normes.

La partie centrale compare convergence en norme et convergence presque partout, à l’aide de contre-exemples classiques. Les derniers exercices demandent plus de recul : Hölder à trois fonctions, lien entre convergence des normes et convergence forte, et un problème complet sur les espaces de suites. Rédigez chaque preuve en citant les théorèmes employés, car c’est ce qui est attendu en partiel.

Pour démarrer

Exercice 1 – Hölder sur le segment [0, 1]

Dans cet exercice, \(f\) est une fonction mesurable sur \([0, 1]\), muni de la mesure de Lebesgue.

  1. D’abord, montrer que \(\left( \int_0^1 |f| \right)^3 \leq \int_0^1 |f|^3\).
  2. Ensuite, montrer que \(\displaystyle \int_0^1 \sqrt{x}\, |f(x)| \, \mathrm{d}x \leq \frac{1}{\sqrt{2}} \left( \int_0^1 |f|^2 \right)^{1/2}\).
  3. Enfin, trouver une fonction \(f\) non nulle pour laquelle l’inégalité de la question 2 est une égalité.

Exercice 2 – Moyennes et inégalité de Jensen

On se place sur un espace probabilisé \((X, \mathcal{A}, \mu)\).

  1. Soit \(p \geq 1\) et \(f \in L^1(\mu)\). Montrer que \(\left| \int f \, \mathrm{d}\mu \right|^p \leq \int |f|^p \, \mathrm{d}\mu\).
  2. Pour \(g \in L^1(\mu)\) à valeurs réelles, montrer de même que \(\exp\left( \int g \, \mathrm{d}\mu \right) \leq \int \mathrm{e}^{g} \, \mathrm{d}\mu\).
  3. Soient \(w_1, \ldots, w_m > 0\) de somme 1, et \(b_1, \ldots, b_m > 0\). En déduire que \(b_1^{w_1} \cdots b_m^{w_m} \leq w_1 b_1 + \cdots + w_m b_m\).

Exercice 3 – Puissances dans les espaces L^p de la demi-droite

On munit \(]0, +\infty[\) de la mesure de Lebesgue. Soient \(a > 0\) et \(p \geq 1\).

  1. Montrer que \(x \mapsto x^{-a}\) appartient à \(L^p(]0, 1])\) si et seulement si \(ap < 1\).
  2. Puis montrer qu’elle appartient à \(L^p([1, +\infty[)\) si et seulement si \(ap > 1\). Appartient-elle à un \(L^p(]0, +\infty[)\) ?
  3. On pose \(f(x) = x^{-1/3}\) si \(0 < x \leq 1\) et \(f(x) = x^{-2}\) si \(x > 1\). Déterminer l’ensemble des \(p \geq 1\) tels que \(f \in L^p(]0, +\infty[)\).

Exercice 4 – Calculs de bornes supérieures essentielles

On munit \(\mathbb{R}\) de la mesure de Lebesgue. Calculer \(\|f\|_\infty\) dans chacun des cas suivants, en justifiant.

  1. \(f = \mathbf{1}_{\mathbb{Q}}\).
  2. \(f(x) = \mathrm{e}^{-x^2} + 5 \cdot \mathbf{1}_{\mathbb{Z}}(x)\).
  3. \(f = \arctan\). La borne est-elle atteinte ?
  4. \(f(x) = x\). Ainsi, une fonction finie en tout point peut-elle avoir une norme infinie ?

Exercice 5 – Suites de Riemann dans les espaces de suites

On note \(\ell^p\) l’espace des suites \((u_n)_{n \geq 1}\) telles que \(\sum |u_n|^p < +\infty\), muni de \(\|u\|_p = \left( \sum |u_n|^p \right)^{1/p}\).

  1. Pour \(a > 0\) et \(p \geq 1\), donner une condition nécessaire et suffisante pour que \((n^{-a})_{n \geq 1}\) appartienne à \(\ell^p\).
  2. En déduire une suite qui appartient à \(\ell^3\) sans appartenir à \(\ell^2\).
  3. De plus, pour \(u \in \ell^1\), montrer que \(|u_n| \leq \|u\|_1\) pour tout \(n\), puis que \(\|u\|_2 \leq \|u\|_1\).

Exercice 6 – Pas de norme pour l’exposant un demi

Pour \(u = (x, y) \in \mathbb{R}^2\), on pose \(N(u) = \left( |x|^{1/2} + |y|^{1/2} \right)^2\). La figure représente l’ensemble \(\{N \leq 1\}\).

Ensemble du plan où la quantité N est au plus un, en forme d'étoile non convexe à quatre branches
  1. Vérifier que \(N(u) = 0\) si et seulement si \(u = 0\), et que \(N(\lambda u) = |\lambda| N(u)\).
  2. Calculer \(N(u + v)\), \(N(u)\) et \(N(v)\) pour \(u = (1, 0)\) et \(v = (0, 1)\). Conclure.
  3. En utilisant \(\sqrt{|s + t|} \leq \sqrt{|s|} + \sqrt{|t|}\), montrer que \(N(u + v) \leq 2 \left( N(u) + N(v) \right)\) pour tous \(u\), \(v\).

Pour s’entraîner

Exercice 7 – Inclusion en mesure finie et contre-exemples sur R

  1. Soit \((X, \mathcal{A}, \mu)\) avec \(\mu(X) < +\infty\). Montrer que \(\|f\|_1 \leq \sqrt{\mu(X)}\, \|f\|_2\), puis en déduire que \(L^2(\mu) \subset L^1(\mu)\).
  2. Ensuite, sur \(]0, 1]\), trouver une fonction de \(L^1\) qui n’est pas dans \(L^2\).
  3. Enfin, sur \(\mathbb{R}\), montrer que \(g(x) = \dfrac{1}{1 + |x|}\) est dans \(L^2(\mathbb{R})\) mais pas dans \(L^1(\mathbb{R})\). Que peut-on en conclure ?

Exercice 8 – Inégalité d’interpolation

Soient \(1 \leq p < s < r < +\infty\) et \(\theta \in \, ]0, 1[\) tel que \(\dfrac{1}{s} = \dfrac{\theta}{p} + \dfrac{1-\theta}{r}\).

  1. Vérifier que les exposants \(\dfrac{p}{\theta s}\) et \(\dfrac{r}{(1-\theta) s}\) sont conjugués.
  2. Ainsi, montrer que \(\|f\|_s \leq \|f\|_p^{\theta}\, \|f\|_r^{1-\theta}\) pour toute \(f\) mesurable.
  3. On suppose \(\|f\|_1 = 2\) et \(\|f\|_3 = 4\). Calculer \(\theta\) pour \(p = 1\), \(s = 2\), \(r = 3\), puis majorer \(\|f\|_2\).

Exercice 9 – Limite des normes p quand p tend vers l’infini

On suppose \(\mu(X) < +\infty\) et \(f \in L^\infty(\mu)\), avec \(\|f\|_\infty > 0\).

  1. Montrer que \(\|f\|_p \leq \mu(X)^{1/p} \|f\|_\infty\) pour tout \(p \geq 1\).
  2. Soit \(0 < \varepsilon < \|f\|_\infty\). On pose \(A_\varepsilon = \{ |f| > \|f\|_\infty – \varepsilon \}\). Justifier que \(\mu(A_\varepsilon) > 0\), puis minorer \(\|f\|_p\).
  3. En déduire que \(\|f\|_p \to \|f\|_\infty\) quand \(p \to +\infty\).
  4. Vérifier ce résultat sur \(f(x) = x\) dans \([0, 1]\), en calculant \(\|f\|_p\) explicitement.

Exercice 10 – La bosse glissante et ses sous-suites

Sur \([0, 1]\), pour \(n = 2^k + j\) avec \(k \geq 0\) et \(0 \leq j < 2^k\), on pose \(f_n = \mathbf{1}_{[j 2^{-k}, (j+1) 2^{-k}]}\).

  1. Calculer \(\|f_n\|_p\) pour \(p \geq 1\) et montrer que \(f_n \to 0\) dans \(L^p\).
  2. Puis montrer que, pour tout \(x \in [0, 1]\), la suite \((f_n(x))\) ne converge pas.
  3. Expliciter une sous-suite qui converge vers 0 en tout point de \(]0, 1]\).
  4. Expliquer pourquoi ce résultat est cohérent avec le théorème de Riesz-Fischer.

Exercice 11 – Bosses hautes et convergence presque partout

Soit \(a > 0\). Sur \([0, 1]\), on pose \(g_n = n^a\, \mathbf{1}_{]0, 1/n]}\) pour \(n \geq 1\). La figure montre quelques termes pour \(a = 1/2\).

Fonctions en créneau de plus en plus hautes et étroites concentrées près de zéro
  1. Montrer que \(g_n(x) \to 0\) pour tout \(x \in [0, 1]\).
  2. Calculer \(\|g_n\|_p\). Pour quelles valeurs de \(a\) la suite converge-t-elle vers 0 dans \(L^p\) ?
  3. Pour \(a = 1/2\) et \(p = 1\), montrer que \(\sup_n g_n(x) \leq x^{-1/2}\) pour \(x \in \, ]0, 1]\). Retrouver alors la convergence dans \(L^1\) par convergence dominée.

Exercice 12 – Un problème d’optimisation résolu par Hölder

On note \(\mathcal{C}\) l’ensemble des fonctions mesurables \(f \geq 0\) sur \([0, 1]\) telles que \(\int_0^1 f^3 = 1\). On cherche la borne supérieure de \(J(f) = \int_0^1 x f(x) \, \mathrm{d}x\) sur \(\mathcal{C}\).

  1. À l’aide de Hölder, montrer que \(J(f) \leq (2/5)^{2/3}\) pour tout \(f \in \mathcal{C}\).
  2. Ensuite, trouver \(c > 0\) tel que \(f^*(x) = c \sqrt{x}\) appartienne à \(\mathcal{C}\), et calculer \(J(f^*)\).
  3. Conclure, puis comparer avec la valeur de \(J\) pour la fonction constante égale à 1.

Exercice 13 – Oscillations rapides et densité

On veut montrer que, pour tout \(f \in L^1(\mathbb{R})\), \(\int_{\mathbb{R}} f(x) \cos(nx) \, \mathrm{d}x \to 0\) quand \(n \to +\infty\).

  1. D’abord, traiter le cas \(f = \mathbf{1}_{[a, b]}\), en majorant l’intégrale par \(2/n\).
  2. Puis en déduire le résultat pour une fonction en escalier, combinaison linéaire finie d’indicatrices d’intervalles bornés.
  3. On admet que ces fonctions en escalier sont denses dans \(L^1(\mathbb{R})\). Conclure dans le cas général.

Exercice 14 – L’indicatrice de la demi-droite loin des fonctions continues

On note \(H = \mathbf{1}_{[0, +\infty[}\), élément de \(L^\infty(\mathbb{R})\).

  1. Soit \(\varphi : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) continue, et \(c = \|H – \varphi\|_\infty\). Montrer que \(\varphi(x) \geq 1 – c\) pour tout \(x > 0\), et \(\varphi(x) \leq c\) pour tout \(x < 0\).
  2. En déduire que \(\|H – \varphi\|_\infty \geq 1/2\).
  3. Montrer que la borne \(1/2\) est atteinte par une fonction continue.
  4. Par conséquent, l’espace \(C_c(\mathbb{R})\) est-il dense dans \(L^\infty(\mathbb{R})\) ?

Exercice 15 – Séries de normes convergentes et convergence presque partout

Soit \(1 \leq p < +\infty\), et \((f_n)\), \(f\) des éléments de \(L^p(\mu)\).

  1. On suppose \(\sum_n \|f_n – f\|_p < +\infty\). En posant \(G = \sum_n |f_n – f|\), montrer que \(\|G\|_p < +\infty\), puis que \(f_n \to f\) presque partout.
  2. Ensuite, on suppose que \(f_n \to f\) dans \(L^p\) et que \(f_n \to g\) presque partout. Montrer que \(f = g\) presque partout.
  3. Enfin, on suppose \(f_n \to f\) dans \(L^p\) et \(|f_n| \leq 1\) presque partout pour tout \(n\). Montrer que \(|f| \leq 1\) presque partout.

Pour approfondir

Exercice 16 – Hölder à trois fonctions

  1. Soient \(q, r \in \, ]1, +\infty[\) et \(s \geq 1\) tels que \(\dfrac{1}{s} = \dfrac{1}{q} + \dfrac{1}{r}\). Montrer que \(\|gh\|_s \leq \|g\|_q \, \|h\|_r\).
  2. En déduire que, si \(p, q, r \in \, ]1, +\infty[\) vérifient \(\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{q} + \dfrac{1}{r} = 1\), alors \(\int |fgh| \, \mathrm{d}\mu \leq \|f\|_p \|g\|_q \|h\|_r\).
  3. Application : pour \(f\), \(g\) mesurables sur \([0, 1]\), montrer que \(\displaystyle \int_0^1 \sqrt{x}\, |f(x) g(x)| \, \mathrm{d}x \leq \left( \frac{2}{5} \right)^{1/3} \|f\|_3 \, \|g\|_3\).

Exercice 17 – Convergence presque partout et convergence des normes

Soit \(1 \leq p < +\infty\). On suppose que \(f_n, f \in L^p(\mu)\), que \(f_n \to f\) presque partout et que \(\|f_n\|_p \to \|f\|_p\).

  1. Par convexité, montrer que \(|a – b|^p \leq 2^{p-1} \left( |a|^p + |b|^p \right)\) pour tous réels \(a\), \(b\).
  2. Appliquer le lemme de Fatou à \(h_n = 2^{p-1}(|f_n|^p + |f|^p) – |f_n – f|^p\), puis en déduire que \(\|f_n – f\|_p \to 0\).
  3. Sur \(\mathbb{R}\), on pose \(u_n = \mathbf{1}_{[0, 1]} + n\, \mathbf{1}_{]1, 1 + 1/n]}\). Montrer que \(u_n \to \mathbf{1}_{[0, 1]}\) presque partout, sans convergence dans \(L^1\). Quelle hypothèse manque ?

Exercice 18 – Problème – Les espaces de suites l^p

On reprend les notations de l’exercice 5, avec des suites indexées par \(n \geq 1\), et \(\ell^\infty\) l’espace des suites bornées muni de \(\|u\|_\infty = \sup |u_n|\).

  1. Soit \(1 \leq p < r \leq +\infty\). Montrer que \(\ell^p \subset \ell^r\), avec \(\|u\|_r \leq \|u\|_p\).
  2. Pour \(p < r < +\infty\), montrer que la suite \(n^{-1/p}\) est dans \(\ell^r\) mais pas dans \(\ell^p\).
  3. On pose \(w_n = 1/\ln(n+1)\). Montrer que \(w \in \ell^\infty\), que \(w_n \to 0\), mais que \(w \notin \ell^p\) pour tout \(p < +\infty\).
  4. Soit \((u^{(k)})_k\) une suite de Cauchy de \(\ell^p\), \(p < +\infty\). Montrer que chaque coordonnée converge, puis que la suite limite \(u\) est dans \(\ell^p\) et que \(u^{(k)} \to u\). Retrouver ainsi un cas particulier de Riesz-Fischer.
  5. Pour \(p < +\infty\), prouver que toute suite de \(\ell^p\) est limite de ses troncatures, nulles à partir d’un certain rang. Dans \(\ell^\infty\), en revanche, prouver que la suite constante égale à 1 reste à distance au moins 1 de toute suite nulle à partir d’un certain rang.
  6. Enfin, pour \(u \in \ell^2\), montrer que \(\sum u_n / n\) converge absolument et que \(\left| \sum u_n / n \right| \leq \dfrac{\pi}{\sqrt{6}} \|u\|_2\).

Pour aller plus loin

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