Tonelli, Fubini et jacobien en L3 de maths : exercices corrigés
Ces dix-neuf exercices Fubini L3 entraînent les quatre gestes du chapitre : justifier une interversion, changer de variables, calculer un volume et calculer une convolution. Les premiers énoncés sont directs : sections d’un domaine, série sous une intégrale, tétraèdre, coordonnées polaires.
Ensuite, plusieurs exercices placent la difficulté sur les hypothèses : une fonction dont les deux intégrales itérées diffèrent, une mesure qui n’est pas σ-finie, une fonction de signe variable. Les derniers sont des problèmes : volume de la boule en dimension quelconque, fonctions Gamma et Bêta, preuve de la formule du déterminant. Pour chaque interversion, écrivez le nom du théorème utilisé et l’hypothèse vérifiée : c’est ce que les correcteurs regardent en premier.
Pour démarrer
Exercice 1 – Sections d’un domaine entre deux courbes
Soit \(A = \{(x, y) \in [0, 1] \times \mathbb{R} : x^2 \leq y \leq x\}\).
- Justifier que \(A\) est un borélien de \(\mathbb{R}^2\).
- Déterminer la section \(A_x\) pour \(x \in [0, 1]\), puis la section \(A^y\) pour \(y \in [0, 1]\).
- Calculer \(\lambda_2(A)\) de deux façons, en intégrant les longueurs des sections verticales puis horizontales.
La figure représente le domaine \(A\), coincé entre la parabole et la première bissectrice.

Exercice 2 – Une série sous l’intégrale
On pose \(I = \int_0^{+\infty} \frac{e^{-x}}{1 – e^{-x}/2} \, \mathrm{d}x\).
- Développer l’intégrande en série de fonctions positives.
- Justifier l’échange de la série et de l’intégrale, puis exprimer \(I\) comme somme d’une série numérique.
- Calculer \(I\) directement par le changement de variable \(u = e^{-x}\). En déduire la valeur de \(\sum_{k \geq 1} \frac{1}{k \, 2^k}\).
Exercice 3 – Volume d’un tétraèdre
Soit \(T = \{(x, y, z) \in \mathbb{R}^3 : x \geq 0, \ y \geq 0, \ z \geq 0, \ x/2 + y/3 + z \leq 1\}\).
- Pour \(z \in [0, 1]\), décrire la section horizontale de \(T\) à la hauteur \(z\) et calculer son aire.
- En déduire \(\lambda_3(T)\) par le théorème de Tonelli.
- Retrouver ce résultat à l’aide d’une application linéaire et du volume \(1/6\) du tétraèdre \(\{u, v, w \geq 0, \ u + v + w \leq 1\}\).
Exercice 4 – Changement de variables dans un parallélogramme
Soit \(D = \{(x, y) : 0 \leq x + y \leq 1, \ 0 \leq x – y \leq 2\}\).
- Montrer que \((x, y) \mapsto (x + y, x – y)\) envoie \(D\) sur un rectangle à préciser, et calculer la valeur absolue du jacobien de l’application réciproque.
- Calculer l’aire de \(D\).
- Calculer \(\iint_D (x – y) \, e^{x + y} \, \mathrm{d}x \, \mathrm{d}y\).
Exercice 5 – Coordonnées polaires sur le plan entier
- Justifier que \((x, y) \mapsto (1 + x^2 + y^2)^{-2}\) est intégrable sur \(\mathbb{R}^2\) et calculer son intégrale.
- Calculer l’intégrale de la même fonction sur le quart de disque \(\{x \geq 0, \ y \geq 0, \ x^2 + y^2 \leq 1\}\).
- La fonction \((x, y) \mapsto (1 + x^2 + y^2)^{-1}\) est-elle intégrable sur \(\mathbb{R}^2\) ?
Exercice 6 – Convolution de deux créneaux
Soit \(c = \mathbb{1}_{[-1, 1]}\).
- Pour \(x\) réel, exprimer \((c * c)(x)\) comme la longueur d’un intervalle.
- En déduire une formule explicite de \(c * c\) et tracer son graphe.
- Vérifier que \(\int (c * c) = \left(\int c\right)^2\).
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Une intégrale de Frullani par Tonelli
On veut calculer \(J = \int_0^{+\infty} \frac{\arctan(2x) – \arctan(x)}{x} \, \mathrm{d}x\).
- Pour \(x > 0\), écrire \(\arctan(2x) – \arctan(x)\) comme une intégrale en \(t\) sur \([1, 2]\).
- Justifier l’interversion des deux intégrales.
- En déduire la valeur de \(J\).
Exercice 8 – Fubini pour une fonction de signe variable
Sur \(P = [0, 1] \times [0, +\infty[\), on pose \(f(x, y) = e^{-y} \cos(xy)\).
- Montrer que \(f\) est intégrable sur \(P\).
- Calculer \(\int_0^{+\infty} e^{-y} \cos(xy) \, \mathrm{d}y\) pour \(x\) réel.
- Calculer de deux façons l’intégrale de \(f\) sur \(P\), et en déduire la valeur de \(\int_0^{+\infty} e^{-y} \, \frac{\sin y}{y} \, \mathrm{d}y\).
Exercice 9 – Mesure de comptage et diagonale
On note \(\mu\) la mesure de Lebesgue sur \([0, 1]\) et \(\nu\) la mesure de comptage sur \([0, 1]\), toutes deux définies sur la tribu borélienne. Soit \(\Delta = \{(x, x) : x \in [0, 1]\}\).
- Montrer que \(\Delta\) appartient à la tribu produit.
- Comparer les deux nombres \(\int \nu(\Delta_x) \, \mathrm{d}\mu(x)\) et \(\int \mu(\Delta^y) \, \mathrm{d}\nu(y)\).
- Quelle hypothèse du théorème de Tonelli fait défaut ici ? Le démontrer.
Exercice 10 – Deux intégrales itérées différentes
Sur \(Q = ]0, +\infty[ \times ]0, 1]\), on pose \(g(x, y) = e^{-xy}(1 – xy)\).
- Calculer \(\int_0^1 g(x, y) \, \mathrm{d}y\) pour \(x > 0\), puis l’intégrale itérée \(\int_0^{+\infty} \left(\int_0^1 g \, \mathrm{d}y\right) \mathrm{d}x\).
- Calculer \(\int_0^{+\infty} g(x, y) \, \mathrm{d}x\) pour \(y \in ]0, 1]\), puis l’autre intégrale itérée.
- Que peut-on en conclure sur \(g\) ? Le vérifier en calculant \(\iint_Q |g|\) à l’aide du changement de variable \(t = xy\) à \(y\) fixé.
Exercice 11 – Volume et centre de masse d’un cornet
Soit \(K = \{(x, y, z) : x^2 + y^2 + z^2 \leq 9, \ z \geq \sqrt{x^2 + y^2}\}\).
- Décrire \(K\) en coordonnées sphériques.
- Calculer le volume de \(K\).
- Calculer \(\iiint_K z \, \mathrm{d}x \, \mathrm{d}y \, \mathrm{d}z\), puis la cote \(\bar{z}\) du centre de masse de \(K\), supposé homogène.
Exercice 12 – Intégrale de Gauss par un changement linéaire
On pose \(q(x, y) = 2x^2 + 2xy + y^2\) et \(G = \iint_{\mathbb{R}^2} e^{-q(x, y)} \, \mathrm{d}x \, \mathrm{d}y\).
- Écrire \(q\) comme somme de deux carrés de formes linéaires indépendantes.
- À l’aide d’un changement de variables linéaire puis des coordonnées polaires, calculer \(G\).
- Justifier que \(\iint_{\mathbb{R}^2} e^{-(u^2 + v^2)} \, \mathrm{d}u \, \mathrm{d}v = \left(\int_{\mathbb{R}} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t\right)^2\), et en déduire \(\int_{\mathbb{R}} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t\).
Exercice 13 – Un disque non centré en polaires
Soit \(\Omega = \{(x, y) : x^2 + y^2 \leq 2x\}\).
- Montrer que \(\Omega\) est un disque dont on précisera le centre et le rayon.
- Décrire \(\Omega\) en coordonnées polaires : pour chaque angle \(\theta \in ]-\pi/2, \pi/2[\), donner l’intervalle des rayons.
- Calculer l’aire de \(\Omega\) et \(\iint_{\Omega} x \, \mathrm{d}x \, \mathrm{d}y\) en polaires. Interpréter le quotient de ces deux nombres.
La figure montre le disque et un rayon issu de l’origine, qui sort du disque au point de rayon \(2\cos\theta\).

Exercice 14 – Convolution de densités exponentielles
Pour \(a > 0\), on note \(f_a(x) = a \, e^{-ax} \, \mathbb{1}_{]0, +\infty[}(x)\).
- Calculer \(f_1 * f_2\) et vérifier que son intégrale vaut 1.
- Calculer \(f_a * f_a\) pour \(a > 0\).
- Interpréter ces résultats en termes de sommes de variables aléatoires indépendantes.
Exercice 15 – Dériver une convolée
Soit \(f\) intégrable sur \(\mathbb{R}\) et \(g\) de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\), avec \(g\) et \(g^{\prime}\) bornées.
- Montrer que \(f * g\) est définie partout, et que \((f * g)(x) = \int_{\mathbb{R}} f(y) \, g(x – y) \, \mathrm{d}y\).
- Montrer que \(f * g\) est de classe \(C^1\) et que \((f * g)^{\prime} = f * g^{\prime}\).
- Application : calculer \(\mathbb{1}_{[0, 1]} * g\) pour \(g(x) = \frac{1}{1 + x^2}\), vérifier la formule de dérivation, puis déterminer le maximum de cette convolée.
Exercice 16 – Aires d’images linéaires
- Calculer l’aire de l’image du disque unité par l’application de matrice \(\begin{pmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}\).
- Calculer l’aire du domaine \(\{2x^2 + 2xy + y^2 \leq 1\}\).
- Montrer qu’une droite du plan est négligeable pour \(\lambda_2\).
- Calculer l’aire du triangle de sommets \((0, 0)\), \((4, 1)\) et \((1, 3)\).
Pour approfondir
Exercice 17 – Volume de la boule unité en dimension n
On note \(B_n\) la boule unité fermée euclidienne de \(\mathbb{R}^n\) et \(V_n = \lambda_n(B_n)\).
- Montrer que la boule de rayon \(R\) a pour volume \(R^n V_n\).
- Pour \(n \geq 3\), on écrit un point de \(\mathbb{R}^n\) sous la forme \((u, w)\) avec \(u \in \mathbb{R}^2\) et \(w \in \mathbb{R}^{n – 2}\). Montrer que \(V_n = V_{n – 2} \iint_{\|u\| \leq 1} (1 – \|u\|^2)^{(n – 2)/2} \, \mathrm{d}u\).
- En déduire que \(V_n = \frac{2\pi}{n} V_{n – 2}\).
- Calculer \(V_3\), \(V_4\), \(V_5\) et \(V_6\), sachant que \(V_1 = 2\) et \(V_2 = \pi\).
- Montrer que \(V_n\) tend vers 0 quand \(n\) tend vers \(+\infty\).
Exercice 18 – Problème des fonctions Gamma et Bêta
Pour \(a, b > 0\), on pose \(\Gamma(a) = \int_0^{+\infty} t^{a – 1} e^{-t} \, \mathrm{d}t\) et \(\mathrm{B}(a, b) = \int_0^1 t^{a – 1} (1 – t)^{b – 1} \, \mathrm{d}t\). On admet que ces intégrales convergent.
- Montrer que \(\Gamma(a) \Gamma(b) = \iint_{]0, +\infty[^2} x^{a – 1} y^{b – 1} e^{-(x + y)} \, \mathrm{d}x \, \mathrm{d}y\).
- On définit \(\varphi(s, t) = (st, s(1 – t))\) pour \(s > 0\) et \(0 < t < 1\). Établir que \(\varphi\) réalise une bijection de classe \(C^1\), de réciproque \(C^1\), sur le quart de plan ouvert \(]0, +\infty[^2\). Donner \(J_{\varphi}\).
- En déduire que \(\Gamma(a) \Gamma(b) = \Gamma(a + b) \, \mathrm{B}(a, b)\).
- Calculer \(\mathrm{B}(1/2, 1/2)\) à l’aide du changement \(t = \sin^2 u\), puis en déduire \(\Gamma(1/2)\).
- Contrôler la formule de la question 3 avec \(a = 3\) et \(b = 2\), en calculant \(\mathrm{B}(3, 2)\) directement.
Exercice 19 – Problème de l’effet d’une transvection sur les aires
Ce problème démontre la formule \(\lambda_2(T(A)) = |\det T| \, \lambda_2(A)\) pour \(T\) linéaire inversible du plan.
- Soit \(t\) réel et \(\tau(x, y) = (x + ty, y)\). Pour \(A\) borélien, décrire la section horizontale \(\tau(A)^y\) à l’aide de \(A^y\). En déduire, par Tonelli, que \(\lambda_2(\tau(A)) = \lambda_2(A)\).
- Montrer de même que \(\sigma(x, y) = (x, y + sx)\) conserve l’aire. Montrer ensuite que les dilatations \(\delta(x, y) = (\alpha x, y)\) et \(\delta^{\prime}(x, y) = (x, \alpha y)\), avec \(\alpha \neq 0\), multiplient l’aire par \(|\alpha|\).
- On admet que toute matrice inversible de taille 2 est un produit de matrices de ces quatre types. Établir la formule annoncée.
- Application : écrire \(M = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}\) comme produit d’une transvection de type \(\sigma\), de deux dilatations et d’une transvection de type \(\tau\). En déduire l’aire de \(M([0, 1]^2)\), puis la contrôler avec le déterminant.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de L3 de maths sur tonelli, Fubini et jacobien
- Bases utiles : Beppo Levi, Fatou et convergence dominée
- Chapitre d’avant : Beppo Levi, Fatou et convergence dominée
- Chapitre d’après : Inégalités de Hölder et espaces L^p complets
- Vérifier ses acquis : QCM de L3 de maths sur tonelli, Fubini et jacobien
- Contrôle corrigé en temps limité : Interversions et produits de convolution : contrôle de maths en L3
- 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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