Mathematics · Livre 5 · Bachelor Year 3

Mathématiques universitaires — Licence 3

Mathématiques universitaires — Licence 3 · Bachelor Year 3

11Mesures produit, Fubini, changement de variables

La théorie de Lebesgue unidimensionnelle devient le calcul multidimensionnel à travers deux théorèmes. Tonelli–Fubini affirme que les intégrales sur des produits sont des intégrales itérées — le découpage en tranches est légitime, dans l’un ou l’autre ordre, sous des hypothèses que l’on peut réellement vérifier. La formule de changement de variables transporte les intégrales le long des difféomorphismes C1\mathcal C^1, avec le déterminant jacobien comme taux de change du volume ; on la prouve entièrement, en partant du cas linéaire où elle explique ce qu’est le déterminant. Les applications en cascade : la formule des couches, la convolution, les coordonnées polaires, le volume de la boule unité — et, dans le problème du week-end, la formule de Stirling avec une analyse d’erreur honnête.

11.1 σ\sigma-algèbres produit et mesures produit

Définition 11.1

Pour des espaces mesurables (X,A)(X, \mathcal A), (Y,B)(Y, \mathcal B), la σ\sigma-algèbre produit A⊗B\mathcal A \otimes \mathcal B sur X×YX \times Y est engendrée par les rectangles A×BA \times B (A∈AA \in \mathcal A, B∈BB \in \mathcal B) — un π\pi-système. Pour E⊆X×YE \subseteq X\times Y et x∈Xx \in X, la section est Ex={y:(x,y)∈E}E_x = \{y : (x,y) \in E\} ; pour une fonction ff sur le produit, fx=f(x,⋅)f_x = f(x, \cdot).

Proposition 11.2

(a) Si E∈A⊗BE \in \mathcal A\otimes\mathcal B, toute section Ex∈BE_x \in \mathcal B (et symétriquement) ; si ff est A⊗B\mathcal A\otimes\mathcal B-mesurable, toute fxf_x est B\mathcal B-mesurable. (b) B(Rm)⊗B(Rn)=B(Rm+n)\mathcal B(\R^m)\otimes\mathcal B(\R^n) = \mathcal B(\R^{m+n}).

Démonstration. (a) Bons ensembles : {E:Ex∈B ∀x}\{E : E_x \in \mathcal B\ \forall x\} est une σ\sigma-algèbre (les sections commutent avec les complémentaires et les unions dénombrables) contenant les rectangles. Pour ff : (fx)−1(B)=(f−1(B))x(f_x)^{-1}(B) = (f^{-1}(B))_x. (b) (⊆\subseteq) Rectangles de boréliens : il suffit que les boîtes ouvert×\timesouvert soient boréliennes dans Rm+n\R^{m+n} (elles sont ouvertes) et que les rectangles boréliens généraux soient des limites — bons ensembles encore : {A:A×Rn∈B(Rm+n)}\{A : A\times\R^n \in \mathcal B(\R^{m+n})\} est une σ\sigma-algèbre contenant les ouverts ; intersecter deux telles. (⊇\supseteq) Tout ouvert de Rm+n\R^{m+n} est une union dénombrable de boîtes ouvertes rationnelles U×VU\times V : contenu dans la σ\sigma-algèbre produit. ∎

Théorème 11.3 (Mesure produit)

Soient (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) et (Y,B,ν)(Y, \mathcal B, \nu) σ\sigma-finis. Pour tout E∈A⊗BE \in \mathcal A\otimes\mathcal B, la fonction x↦ν(Ex)x \mapsto \nu(E_x) est mesurable, et

(μ⊗ν)(E)=∫Xν(Ex)  ⁣dμ(x)(\mu\otimes\nu)(E) = \int_X \nu(E_x)\,\dd\mu(x)

définit l’unique mesure sur A⊗B\mathcal A\otimes\mathcal B avec (μ⊗ν)(A×B)=μ(A)ν(B)(\mu\otimes\nu)(A\times B) = \mu(A)\nu(B). Elle est σ\sigma-finie, et symétrique : la même mesure s’obtient en intégrant les xx-sections contre ν\nu.

Démonstration. Mesurabilité de x↦ν(Ex)x \mapsto \nu(E_x). D’abord ν\nu finie. La classe D\mathcal D des EE pour lesquels l’application est mesurable contient les rectangles (ν((A×B)x)=ν(B)1A(x)\nu((A\times B)_x) = \nu(B)\mathbf 1_A(x)) et est un λ\lambda-système : pour E⊆FE \subseteq F dans D\mathcal D, ν((F∖E)x)=ν(Fx)−ν(Ex)\nu((F\setminus E)_x) = \nu(F_x) - \nu(E_x) (finitude) ; pour En↑EE_n \uparrow E, ν((En)x)↑ν(Ex)\nu((E_n)_x) \uparrow \nu(E_x) (continuité par en bas), et les limites monotones de fonctions mesurables sont mesurables. Les rectangles forment un π\pi-système : Dynkin (Théorème 9.4) donne D=A⊗B\mathcal D = \mathcal A\otimes\mathcal B. Si ν\nu est σ\sigma-finie, écrire Y=⋃YkY = \bigcup Y_k, Yk↑Y_k \uparrow, ν(Yk)<∞\nu(Y_k) < \infty : ν(Ex)=lim⁡kνk(Ex)\nu(E_x) = \lim_k\nu_k(E_x) avec νk=ν(⋅∩Yk)\nu_k = \nu(\cdot\cap Y_k) finie.

Mesure. La σ\sigma-additivité de E↦∫ν(Ex) ⁣dμE \mapsto \int\nu(E_x)\dd\mu suit du Corollaire 10.7 (les sections d’ensembles disjoints sont disjointes). Sur les rectangles elle donne μ(A)ν(B)\mu(A)\nu(B). Unicité : deux candidates coïncident sur le π\pi-système des rectangles ; la σ\sigma-finitude fournit des rectangles Xk×Yk↑X×YX_k\times Y_k \uparrow X\times Y de mesure finie : Théorème 9.7. Symétrie : la construction dans l’autre ordre est aussi une mesure coïncidant sur les rectangles — unique, donc la même. ∎

Définition 11.4

La mesure de Lebesgue sur Rd\R^d est λd=λ⊗⋯⊗λ\lambda_d = \lambda\otimes\cdots\otimes\lambda (dd facteurs ; l’associativité de la construction se vérifie sur les boîtes et se propage par unicité). C’est l’unique mesure borélienne donnant à chaque boîte ∏(ai, bi]\prod\intoc{a_i}{b_i} son volume ∏(bi−ai)\prod(b_i - a_i) ; elle est invariante par translation (les translatés coïncident sur les boîtes), σ\sigma-finie, et complète après complétion de Carathéodory — on note λd\lambda_d la mesure complétée et on intègre en conséquence.

11.2 Tonelli et Fubini

Théorème 11.5 (Tonelli)

μ,ν\mu, \nu σ\sigma-finis, f ⁣:X×Y→[0,+∞]f \colon X\times Y \to [0, +\infty] mesurable. Alors x↦∫Yfx  ⁣dνx \mapsto \int_Y f_x\,\dd\nu est mesurable et

∫X×Yf  ⁣d(μ⊗ν)=∫X(∫Yf(x,y)  ⁣dν(y)) ⁣dμ(x)=∫Y(∫Xf(x,y)  ⁣dμ(x)) ⁣dν(y).\int_{X\times Y}f\,\dd(\mu\otimes\nu) = \int_X\Bigl(\int_Y f(x,y)\,\dd\nu(y)\Bigr)\dd\mu(x) = \int_Y\Bigl(\int_X f(x,y)\,\dd\mu(x)\Bigr)\dd\nu(y).

Démonstration. La machine standard. Pour f=1Ef = \mathbf 1_E c’est le Théorème 11.3 (et sa forme symétrique). Par linéarité cela tient pour f≥0f \geq 0 simple. Pour f≥0f \geq 0 générale : prendre des simples sn↗fs_n \nearrow f (Théorème 10.4) ; alors ∫Y(sn)x ⁣dν↗∫Yfx ⁣dν\int_Y(s_n)_x \dd\nu \nearrow \int_Y f_x\dd\nu pour chaque xx (TCM en YY), donc les membres de gauche convergent par TCM en XX, tandis que ∫sn  ⁣d(μ⊗ν)↗∫f\int s_n\,\dd(\mu\otimes\nu) \nearrow \int f par TCM sur le produit. ∎

Théorème 11.6 (Fubini)

μ,ν\mu, \nu σ\sigma-finis, f∈L1(μ⊗ν)f \in L^1(\mu\otimes\nu). Alors pour μ\mu-p.t. xx la section fxf_x est ν\nu-intégrable, la fonction définie p.p. x↦∫fx ⁣dνx \mapsto \int f_x\dd\nu est intégrable, et les deux intégrales itérées valent toutes deux ∫f  ⁣d(μ⊗ν)\int f\,\dd(\mu\otimes\nu).

Démonstration. Tonelli appliqué à ∣f∣\abs f montre que φ(x)=∫∣fx∣ ⁣dν\varphi(x) = \int\abs{f_x} \dd\nu a une intégrale finie, donc est finie p.p. : fx∈L1(ν)f_x \in L^1(\nu) pour p.t. xx. Scinder f=f+−f−f = f^+ - f^- (cas réel ; complexe par composantes) : Tonelli calcule chaque intégrale itérée de f±f^\pm comme ∫f± ⁣d(μ⊗ν)<∞\int f^\pm\dd(\mu\otimes\nu) < \infty, et la différence définie p.p. s’intègre en la différence. Symétriquement pour l’autre ordre. ∎

Méthode 11.7

Pour intervertir deux intégrales (ou une intégrale et une somme, ou deux sommes) : si l’intégrande est positive, intervertir librement (Tonelli). Sinon, appliquer d’abord Tonelli à ∣f∣\abs f dans l’ordre le plus facile à estimer ; si le résultat est fini, Fubini légitime l’interversion. Ne jamais sauter le contrôle de ∣f∣\abs f : l’intégrande de l’Exercice 11.4 a deux intégrales itérées de valeurs différentes.

Proposition 11.8 (Formule des couches)

Pour f≥0f \geq 0 mesurable sur (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) σ\sigma-fini :

∫Xf  ⁣dμ=∫0+∞μ({f>t})  ⁣dt,∫Xfp  ⁣dμ=p∫0+∞tp−1μ({f>t})  ⁣dt(p≥1).\int_X f\,\dd\mu = \int_0^{+\infty}\mu(\{f > t\})\,\dd t, \qquad \int_X f^p\,\dd\mu = p\int_0^{+\infty}t^{p-1}\mu(\{f > t\})\,\dd t \quad (p \geq 1).

Démonstration. Appliquer Tonelli à 1{(x,t):0<t<f(x)}\mathbf 1_{\{(x,t) : 0 < t < f(x)\}} sur X×(0, +∞)X \times \intoo0{+\infty} (mesurable : c’est {(x,t):f(x)−t>0}∩{t>0}\{(x,t): f(x) - t > 0\}\cap\{t > 0\}, une combinaison de type borélien de la (x,t)↦f(x)−t(x,t)\mapsto f(x) - t mesurable) : en intégrant d’abord en tt on obtient ∫f  ⁣dμ\int f\,\dd\mu ; d’abord en xx, ∫0∞μ(f>t) ⁣dt\int_0^\infty\mu(f > t)\dd t. Pour fpf^p : substituer t=spt = s^p dans ∫μ(fp>t) ⁣dt\int\mu(f^p > t) \dd t, c.-à-d. appliquer la première formule à fpf^p et changer de variable dans l’intégrale unidimensionnelle ({fp>sp}={f>s}\{f^p > s^p\} = \{f > s\}). ∎

Théorème 11.9 (Convolution sur L1L^1)

Pour f,g∈L1(Rd,λd)f, g \in L^1(\R^d, \lambda_d), l’intégrale

(f∗g)(x)=∫Rdf(x−y) g(y)  ⁣dy(f * g)(x) = \int_{\R^d} f(x - y)\,g(y)\,\dd y

converge absolument pour p.t. xx, définit f∗g∈L1(Rd)f * g \in L^1(\R^d) avec ∥f∗g∥1≤∥f∥1∥g∥1\norm{f*g}_1 \leq \norm f_1\norm g_1, et ∗* est commutative et associative.

Démonstration. (x,y)↦f(x−y)g(y)(x, y) \mapsto f(x-y)g(y) est mesurable ((x,y)↦x−y(x,y)\mapsto x - y est continue ; composer et multiplier). Tonelli :

∫ ⁣ ⁣∫∣f(x−y)∣∣g(y)∣  ⁣dy  ⁣dx=∫∣g(y)∣(∫∣f(x−y)∣ ⁣dx) ⁣dy=∥f∥1∥g∥1<∞\int\!\!\int \abs{f(x-y)}\abs{g(y)}\,\dd y\,\dd x = \int\abs{g(y)}\Bigl(\int\abs{f(x - y)}\dd x\Bigr)\dd y = \norm f_1\norm g_1 < \infty

(invariance par translation de λd\lambda_d dans l’intégrale intérieure). Donc l’intégrale double est finie ; Fubini donne la convergence absolue p.p. et la borne de norme ∥f∗g∥1≤∥f∥1∥g∥1\norm{f*g}_1 \leq \norm f_1\norm g_1. Commutativité : substituer y↦x−yy \mapsto x - y (invariance par translation et réflexion — l’invariance par réflexion tient sur les boîtes, donc partout par unicité). Associativité : Tonelli–Fubini sur une intégrale triple. ∎

11.3 Changement de variables

Théorème 11.10 (Changement de variables linéaire)

Pour T∈GLd(R)T \in GL_d(\R) et A∈B(Rd)A \in \mathcal B(\R^d) : λd(T(A))=∣det⁡T∣ λd(A)\lambda_d(T(A)) = \abs{\det T}\,\lambda_d(A) ; par conséquent ∫f(y) ⁣dy=∣det⁡T∣∫f(Tx)  ⁣dx\int f(y)\dd y = \abs{\det T}\int f(Tx)\,\dd x pour f≥0f \geq 0 ou intégrable.

Démonstration. La mesure μT(A)=λd(T(A))\mu_T(A) = \lambda_d(T(A)) est une mesure borélienne (les homéomorphismes préservent les boréliens, Problème 9.1), invariante par translation (T(A+x)=T(A)+TxT(A + x) = T(A) + Tx), finie sur la boîte unité : par la caractérisation de la mesure de Lebesgue (Exercice 9.6, dont la preuve fonctionne mot pour mot en Rd\R^d avec des cubes dyadiques), μT=c(T)λd\mu_T = c(T)\lambda_d avec c(T)=λd(T([0, 1)d))c(T) = \lambda_d(T(\intco01^d)). L’application T↦c(T)T \mapsto c(T) est multiplicative (c(ST)=c(S)c(T)c(ST) = c(S)c(T), par composition), donc il suffit de calculer cc sur des générateurs de GLdGL_d : les matrices élémentaires. Diagonale diag⁡(a,1,…,1)\operatorname{diag}(a, 1, \dots, 1) : envoie le cube unité sur une boîte de volume ∣a∣\abs a : c=∣a∣=∣det⁡∣c = \abs a = \abs\det. Transposition de coordonnées : permute le cube : c=1=∣det⁡∣c = 1 = \abs\det. Transvection T(x)=x+αx2e1T(x) = x + \alpha x_2e_1 : l’image du cube unité est un prisme cisaillé ; par Tonelli sa mesure est ∫λ1(section) ⁣dx2⋯ ⁣dxd=1\int\lambda_1(\text{section})\dd x_2 \cdots \dd x_d = 1, chaque x1x_1-section étant un intervalle de longueur 11 : c=1=∣det⁡∣c = 1 = \abs{\det}. Toute matrice inversible est un produit de celles-ci (élimination de Gauss), et cc comme ∣det⁡∣\abs\det sont multiplicatives : c(T)=∣det⁡T∣c(T) = \abs{\det T}. La formule d’intégrale suit par la machine standard (indicateurs, simples, TCM). ∎

Théorème 11.11 (Changement de variables)

Soient U,V⊆RdU, V \subseteq \R^d ouverts et Φ ⁣:U→V\Phi \colon U \to V un difféomorphisme C1\mathcal C^1. Pour toute f ⁣:V→[0,+∞]f \colon V \to [0, +\infty] mesurable (ou f∈L1(V)f \in L^1(V)) :

∫Vf(y)  ⁣dy=∫Uf(Φ(x)) ∣det⁡DΦ(x)∣  ⁣dx.\int_V f(y)\,\dd y = \int_U f\bigl(\Phi(x)\bigr)\,\abs{\det D\Phi(x)}\,\dd x .

Démonstration. Écrire J(x)=∣det⁡DΦ(x)∣J(x) = \abs{\det D\Phi(x)}. Le cœur de la preuve est l’inégalité

λd(Φ(A))≤∫AJ  ⁣dλdpour tout boreˊlien A⊆U;(∗)\lambda_d\bigl(\Phi(A)\bigr) \leq \int_A J\,\dd\lambda_d \qquad\text{pour tout borélien } A \subseteq U; \tag{$*$}

l’étape 4 ci-dessous promeut (∗)(*) — appliquée à Φ\Phi et à Φ−1\Phi^{-1} — en l’égalité du théorème. Noter que Φ−1\Phi^{-1} est lui-même un difféomorphisme C1\mathcal C^1 avec jacobien ∣det⁡DΦ−1(y)∣=J(Φ−1y)−1\abs{\det D\Phi^{-1}(y)} = J(\Phi^{-1}y)^{-1} (règle de la chaîne sur Φ∘Φ−1=id\Phi\circ\Phi^{-1} = \mathrm{id}).

Étape 1 : (∗)(*) pour des cubes avec un facteur de distorsion. Fixer un cube fermé Q⊆UQ \subseteq U de centre x0x_0 et de côté 2r2r (boule pour la norme sup). Affirmation : pour tout ε>0\varepsilon > 0, si Φ\Phi est dérivable sur QQ avec ∥DΦ(x)−DΦ(x0)∥≤ε\norm{D\Phi(x) - D\Phi(x_0)} \leq \varepsilon sur QQ (norme d’opérateur pour la norme sup), alors

Φ(Q)⊆Φ(x0)+DΦ(x0)( (1+ε∥DΦ(x0)−1∥) (Q−x0)),\Phi(Q) \subseteq \Phi(x_0) + D\Phi(x_0)\Bigl(\,\bigl(1 + \varepsilon\norm{D\Phi(x_0)^{-1}}\bigr)\,(Q - x_0)\Bigr),

car pour x∈Qx \in Q, l’inégalité des accroissements finis appliquée à Φ(x)−Φ(x0)−DΦ(x0)(x−x0)\Phi(x) - \Phi(x_0) - D\Phi(x_0)(x - x_0) donne ∥Φ(x)−Φ(x0)−DΦ(x0)(x−x0)∥∞≤ε∥x−x0∥∞≤εr\norm{\Phi(x) - \Phi(x_0) - D\Phi(x_0)(x-x_0)}_\infty \leq \varepsilon\norm{x - x_0}_\infty \leq \varepsilon r, et DΦ(x0)−1D\Phi(x_0)^{-1} tire ce défaut en un agrandissement de ε∥DΦ(x0)−1∥ r\varepsilon\norm{D\Phi(x_0)^{-1}}\,r du cube. Par le Théorème 11.10,

λd(Φ(Q))≤∣det⁡DΦ(x0)∣ (1+ε C)d λd(Q),C=sup⁡Q∥DΦ(⋅)−1∥.\lambda_d(\Phi(Q)) \leq \abs{\det D\Phi(x_0)}\, \bigl(1 + \varepsilon\,C\bigr)^{d}\,\lambda_d(Q), \qquad C = \sup_{Q}\norm{D\Phi(\cdot)^{-1}} .

Étape 2 : (∗)(*) pour des cubes compacts, par subdivision. Soit Q⊆UQ \subseteq U un cube compact et ε>0\varepsilon > 0. Sur QQ, DΦD\Phi est uniformément continue et ∥DΦ−1∥\norm{D\Phi^{-1}} bornée (compacité) ; subdiviser QQ en 2kd2^{kd} sous-cubes QiQ_i assez petits pour que l’oscillation de DΦD\Phi sur chacun soit ≤ε\leq \varepsilon. Étape 1 sur chaque sous-cube (centre xix_i) :

λd(Φ(Q))≤∑iλd(Φ(Qi))≤(1+Cε)d∑i∣det⁡DΦ(xi)∣ λd(Qi)≤(1+Cε)d(∫QJ+ε′),\lambda_d(\Phi(Q)) \leq \sum_i\lambda_d(\Phi(Q_i)) \leq (1 + C\varepsilon)^d \sum_i \abs{\det D\Phi(x_i)}\,\lambda_d(Q_i) \leq (1 + C\varepsilon)^d\Bigl(\int_Q J + \varepsilon'\Bigr),

la dernière étape car ∑i∣det⁡DΦ(xi)∣1Qi→J\sum_i\abs{\det D\Phi(x_i)}\mathbf 1_{Q_i} \to J uniformément sur QQ (continuité de det⁡DΦ\det D\Phi) — comparaison avec sommes de Riemann. Faire ε→0\varepsilon \to 0 : (∗)(*) tient pour les cubes compacts.

Étape 3 : (∗)(*) pour tout borélien AA. La fonction d’ensembles A↦λd(Φ(A))A \mapsto \lambda_d(\Phi(A)), sur les sous-ensembles boréliens de UU, est une mesure (Φ\Phi est une bijection sur VV préservant les boréliens et la disjonction dénombrable), et de même A↦∫AJA \mapsto \int_AJ. Tout ouvert de UU est une union dénombrable de cubes compacts dyadiques presque disjoints (décomposition dyadique standard : prendre les cubes dyadiques maximaux contenus dans l’ouvert), et les deux mesures sont additives à travers eux (les bords des cubes sont λd\lambda_d-nuls, et leurs Φ\Phi-images sont nuls par l’étape 2 appliquée à des recouvrements minces des faces) : (∗)(*) passe des cubes aux ouverts. Borélien général AA : épuiser UU par des compacts Km↑UK_m \uparrow U avec Km⊆K˚m+1K_m \subseteq \mathring K_{m+1}, et fixer mm ; sur K˚m+1\mathring K_{m+1}, JJ est bornée par un certain MmM_m. Par régularité extérieure de λd\lambda_d (preuve comme au Théorème 9.13, avec des boîtes), choisir des ouverts OnO_n avec A∩Km⊆On⊆K˚m+1A \cap K_m \subseteq O_n \subseteq \mathring K_{m+1} et λd(On∖(A∩Km))→0\lambda_d\bigl(O_n \setminus (A\cap K_m)\bigr) \to 0. Alors

λd(Φ(A∩Km))≤λd(Φ(On))≤∫OnJ≤∫A∩KmJ+Mm λd(On∖(A∩Km))→n→∞∫A∩KmJ.\lambda_d\bigl(\Phi(A\cap K_m)\bigr) \leq \lambda_d\bigl(\Phi(O_n)\bigr) \leq \int_{O_n}J \leq \int_{A\cap K_m}J + M_m\,\lambda_d\bigl(O_n\setminus(A\cap K_m)\bigr) \xrightarrow[n\to\infty]{} \int_{A\cap K_m}J .

Faire m→∞m \to \infty : continuité par en bas à gauche, TCM à droite. Cela établit (∗)(*).

Étape 4 : égalité et formule d’intégrale. D’abord étendre (∗)(*) des ensembles aux intégrales : pour toute g≥0g \geq 0 mesurable sur VV,

∫Vg(y)  ⁣dy≤∫Ug(Φ(x)) J(x)  ⁣dx.(∗∗)\int_V g(y)\,\dd y \leq \int_U g(\Phi(x))\,J(x)\,\dd x . \tag{$**$}

En effet, pour g=1Bg = \mathbf 1_B c’est (∗)(*) avec A=Φ−1(B)A = \Phi^{-1}(B) ; la linéarité l’étend aux gg simples, et le TCM à toutes les g≥0g \geq 0 (la machine standard). Maintenant appliquer (∗∗)(**) deux fois : d’abord à gg, puis — pour le difféomorphisme Φ−1\Phi^{-1} — à la fonction x↦g(Φ(x))J(x)x \mapsto g(\Phi(x))J(x) :

∫Vg≤∫Ug(Φ(x))J(x) ⁣dx≤∫Vg(y) J(Φ−1y) ∣det⁡DΦ−1(y)∣  ⁣dy=∫Vg,\int_Vg \leq \int_U g(\Phi(x))J(x)\dd x \leq \int_V g(y)\,J(\Phi^{-1}y)\,\abs{\det D\Phi^{-1}(y)}\,\dd y = \int_V g ,

puisque J(Φ−1y)∣det⁡DΦ−1(y)∣=∣det⁡(DΦ(Φ−1y) DΦ−1(y))∣=1J(\Phi^{-1}y)\abs{\det D\Phi^{-1}(y)} = \abs{\det\bigl( D\Phi(\Phi^{-1}y)\,D\Phi^{-1}(y)\bigr)} = 1 (règle de la chaîne sur Φ∘Φ−1=id\Phi\circ\Phi^{-1} = \mathrm{id}). Toutes les inégalités sont des égalités : la formule tient pour g≥0g \geq 0, et pour les fonctions L1L^1 par décomposition. ∎

Exemple 11.12 (Coordonnées polaires ; la gaussienne encore)

Φ(r,θ)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\Phi(r, \theta) = (r\cos\theta, r\sin\theta) est un difféomorphisme C1\mathcal C^1 de (0, +∞)×(0, 2π)\intoo0{+\infty}\times\intoo0{2\pi} sur R2\R^2 privé d’une demi-droite (ensemble nul), avec det⁡DΦ=r\det D\Phi = r :

∫R2f(x,y)  ⁣dx  ⁣dy=∫02π ⁣ ⁣∫0+∞f(rcos⁡θ,rsin⁡θ) r  ⁣dr  ⁣dθ.\int_{\R^2}f(x, y)\,\dd x\,\dd y = \int_0^{2\pi}\!\!\int_0^{+\infty} f(r\cos\theta, r\sin\theta)\,r\,\dd r\,\dd\theta .

Pour f=e−x2−y2f = \eu^{-x^2-y^2}, Tonelli et cette formule donnent

G2=(∫Re−x2 ⁣dx)2=∫R2e−x2−y2=2π∫0∞re−r2 ⁣dr=π:G^2 = \Bigl(\int_\R \eu^{-x^2}\dd x\Bigr)^2 = \int_{\R^2}\eu^{-x^2-y^2} = 2\pi\int_0^\infty r\eu^{-r^2}\dd r = \pi:

la preuve classique en deux lignes de G=πG = \sqrt\pi, maintenant pleinement justifiée (comparer la preuve par paramètre du Problème 10.1).

Théorème 11.13 (Volume de la boule unité)

Soit vd=λd(B(0,1))v_d = \lambda_d(B(0,1)) dans Rd\R^d. Alors

vd=πd/2Γ(d2+1):v1=2,v2=π,v3=4π3,v4=π22, …v_d = \frac{\pi^{d/2}}{\Gamma\bigl(\frac d2 + 1\bigr)} : \qquad v_1 = 2,\quad v_2 = \pi,\quad v_3 = \tfrac{4\pi}3,\quad v_4 = \tfrac{\pi^2}2,\ \dots

Démonstration. Calculer I=∫Rde−∥x∥22 ⁣dλdI = \int_{\R^d}\eu^{-\norm x_2^2}\dd\lambda_d de deux façons. Par Tonelli elle se factorise : I=Gd=πd/2I = G^d = \pi^{d/2}. Par la formule des couches (Proposition 11.8) avec f=e−∥x∥2f = \eu^{- \norm x^2}, dont les ensembles de niveau sont des boules : {f>t}=B(0,−ln⁡t)\{f > t\} = B\bigl(0, \sqrt{-\ln t}\bigr) pour 0<t<10 < t < 1, de mesure vd(−ln⁡t)d/2v_d(-\ln t)^{d/2} (la dilatation par ρ\rho échelle λd\lambda_d par ρd\rho^d : Théorème 11.10), donc

I=∫01vd (−ln⁡t)d/2  ⁣dt=t=e−svd∫0∞sd/2e−s  ⁣ds=vd Γ(d2+1).I = \int_0^1 v_d\,(-\ln t)^{d/2}\,\dd t \overset{t = \eu^{-s}}{=} v_d\int_0^\infty s^{d/2}\eu^{-s}\,\dd s = v_d\,\Gamma\Bigl(\frac d2 + 1\Bigr).

Égaler. (Les valeurs : Γ(32)=π2\Gamma(\frac32) = \frac{\sqrt\pi}2, Γ(2)=1\Gamma(2) = 1, etc.) Noter vd→0v_d \to 0 lorsque d→∞d \to \infty — le problème du week-end quantifie à quelle vitesse, via Stirling. ∎

11.4 Exercices

Exercice 11.1 ★

Soit μ\mu la mesure de comptage sur ([0, 1],B([0, 1]))(\intcc01, \mathcal B(\intcc01)) (non σ\sigma-finie) et λ\lambda la mesure de Lebesgue, et soit Δ={(x,x)}\Delta = \{(x,x)\} la diagonale dans [0, 1]2\intcc01^2. Montrer que Δ\Delta est mesurable, et calculer les deux intégrales itérées de 1Δ\mathbf 1_\Delta contre λ\lambda et μ\mu : elles diffèrent. Quelle hypothèse du Théorème 11.5 échoue ?

Solution

Solution de Exercice 11.1.

Δ\Delta est fermé dans [0, 1]2\intcc01^2, donc borélien, et B([0, 1]2)\mathcal B(\intcc01^2) est la σ\sigma-algèbre produit (Proposition 11.2(b)). En itérant d’un côté :

∫[0, 1](∫1Δ(x,y)  ⁣dλ(y)) ⁣dμ(x)=∫λ({x})  ⁣dμ(x)=0;\int_{\intcc01}\Bigl(\int \mathbf 1_\Delta(x,y) \,\dd\lambda(y)\Bigr)\dd\mu(x) = \int \lambda(\{x\})\,\dd\mu(x) = 0 ;

de l’autre :

∫[0, 1](∫1Δ(x,y)  ⁣dμ(x)) ⁣dλ(y)=∫μ({y})  ⁣dλ(y)=∫1  ⁣dλ=1.\int_{\intcc01}\Bigl(\int\mathbf 1_\Delta(x,y)\,\dd\mu(x)\Bigr)\dd\lambda(y) = \int \mu(\{y\})\,\dd\lambda(y) = \int 1\,\dd\lambda = 1 .

L’hypothèse qui échoue est la σ\sigma-finitude de la mesure de comptage μ\mu sur le non dénombrable [0, 1]\intcc01 : aucune famille dénombrable d’ensembles de μ\mu-mesure finie ne le recouvre.

Exercice 11.2 ★

Justifier l’interversion et retrouver l’intégrale de Dirichlet : pour A>0A > 0,

∫0Asin⁡xx  ⁣dx=∫0A ⁣ ⁣∫0+∞e−xysin⁡x  ⁣dy  ⁣dx=∫0+∞ ⁣ ⁣∫0Ae−xysin⁡x  ⁣dx  ⁣dy,\int_0^A\frac{\sin x}x\,\dd x = \int_0^A\!\!\int_0^{+\infty}\eu^{-xy}\sin x\,\dd y\,\dd x = \int_0^{+\infty}\!\!\int_0^A \eu^{-xy}\sin x\,\dd x\,\dd y,

calculer l’intégrale intérieure sous forme fermée, et faire A→+∞A \to +\infty (dominer l’intégrale en yy) pour obtenir ∫0∞sin⁡xx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2.

Solution

Solution de Exercice 11.2.

Sur [0, A]×(0, +∞)\intcc0A\times\intoo0{+\infty} : ∫0A∫0∞e−xy∣sin⁡x∣  ⁣dy  ⁣dx=∫0A∣sin⁡x∣x ⁣dx≤A<∞\int_0^A\int_0^\infty\eu^{-xy}\abs{\sin x}\,\dd y\,\dd x = \int_0^A\frac{\abs{\sin x}}x\dd x \leq A < \infty (Tonelli pour la valeur absolue) : Fubini s’applique, et comme ∫0∞e−xy ⁣dy=1x\int_0^\infty\eu^{-xy}\dd y = \frac1x,

∫0Asin⁡xx ⁣dx=∫0∞(∫0Ae−xysin⁡x  ⁣dx) ⁣dy=∫0∞1−e−Ay(cos⁡A+ysin⁡A)1+y2  ⁣dy\int_0^A\frac{\sin x}x\dd x = \int_0^\infty\Bigl(\int_0^A\eu^{-xy}\sin x\,\dd x\Bigr)\dd y = \int_0^\infty \frac{1 - \eu^{-Ay}(\cos A + y\sin A)}{1 + y^2}\,\dd y

(l’intégrale intérieure : Im⁡∫0Ae(i−y)x ⁣dx\operatorname{Im}\int_0^A\eu^{(\iu - y)x}\dd x, calculée directement). Lorsque A→∞A \to \infty, le terme correctif est borné par ∫0∞e−Ay1+y1+y2 ⁣dy≤32∫0∞e−Ay ⁣dy=32A→0\int_0^\infty\eu^{-Ay}\frac{1 + y}{1 + y^2}\dd y \leq \frac32\int_0^\infty\eu^{-Ay}\dd y = \frac3{2A} \to 0 ; le terme principal est ∫0∞ ⁣dy1+y2=π2\int_0^\infty\frac{\dd y}{1+y^2} = \frac\pi2. D’où ∫0∞sin⁡xx ⁣dx=π2\int_0^\infty\frac{\sin x}x\dd x = \frac\pi2 — l’intégrale de Dirichlet par Fubini.

Exercice 11.3 ★★

(a) Prouver que pour f≥0f \geq 0 mesurable et μ\mu finie : ∑n≥1μ({f≥n})≤∫f  ⁣dμ≤μ(X)+∑n≥1μ({f≥n})\sum_{n\geq1}\mu(\{f \geq n\}) \leq \int f\,\dd\mu \leq \mu(X) + \sum_{n\geq1}\mu(\{f\geq n\}) : l’intégrabilité est la sommabilité des mesures de queue. (b) En déduire que f∈L1(μ)f \in L^1(\mu) (μ\mu finie) ssi ∑nμ(∣f∣≥n)<∞\sum_n\mu(\abs f \geq n) < \infty.

Solution

Solution de Exercice 11.3.

(a) Formule des couches (Proposition 11.8) : ∫f  ⁣dμ=∫0∞μ(f>t)  ⁣dt\int f\,\dd\mu = \int_0^\infty\mu(f > t)\,\dd t, et t↦μ(f>t)t \mapsto \mu(f > t) est décroissante. Sur [n−1,n][n-1, n] : μ(f≥n)≤μ(f>t)≤μ(f>n−1)≤μ(f≥n−1)\mu(f \geq n) \leq \mu(f > t) \leq \mu(f > n - 1) \leq \mu(f \geq n - 1) ; en sommant les intégrales sur les intervalles unitaires :

∑n≥1μ(f≥n)≤∫f  ⁣dμ≤∑n≥1μ(f≥n−1)=μ(f≥0)+∑n≥1μ(f≥n)≤μ(X)+∑n≥1μ(f≥n).\sum_{n\geq1}\mu(f \geq n) \leq \int f\,\dd\mu \leq \sum_{n\geq1}\mu(f \geq n - 1) = \mu(f \geq 0) + \sum_{n\geq1}\mu(f\geq n) \leq \mu(X) + \sum_{n\geq1}\mu(f\geq n).

(b) Appliquer (a) à ∣f∣\abs f : la finitude de l’intégrale et celle de la série sont équivalentes (le μ(X)\mu(X) supplémentaire est fini).

Exercice 11.4 ★★

Pour f(x,y)=x2−y2(x2+y2)2f(x, y) = \dfrac{x^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^2} sur (0, 1)2\intoo01^2, montrer

∫01 ⁣ ⁣∫01f  ⁣dy  ⁣dx=π4,∫01 ⁣ ⁣∫01f  ⁣dx  ⁣dy=−π4\int_0^1\!\!\int_0^1 f\,\dd y\,\dd x = \frac\pi4, \qquad \int_0^1\!\!\int_0^1 f\,\dd x\,\dd y = -\frac\pi4

(noter f=∂y(yx2+y2)f = \partial_y\bigl(\frac{y}{x^2+y^2}\bigr)), et vérifier directement que ∫ ⁣∫∣f∣=+∞\int\!\int\abs f = +\infty : l’hypothèse d’intégrabilité de Fubini n’est pas décorative.

Solution

Solution de Exercice 11.4.

Comme f(x,y)=∂y(yx2+y2)f(x,y) = \partial_y\bigl(\frac{y}{x^2+y^2}\bigr) pour x≠0x \ne 0 :

∫01f(x,y)  ⁣dy=1x2+1 ⟹ ∫01 ⁣ ⁣∫01f  ⁣dy  ⁣dx=∫01 ⁣dx1+x2=π4;\int_0^1 f(x, y)\,\dd y = \frac{1}{x^2 + 1} \ \Longrightarrow\ \int_0^1\!\!\int_0^1 f\,\dd y\,\dd x = \int_0^1\frac{\dd x}{1 + x^2} = \frac\pi4 ;

par l’antisymétrie f(y,x)=−f(x,y)f(y,x) = -f(x,y), l’autre ordre donne −π4-\frac\pi4. Valeurs absolues : pour 0<y<x0 < y < x,

∫0xf(x,y)  ⁣dy=[yx2+y2]0x=12x,et f≥0 laˋ, donc∫01 ⁣ ⁣∫01∣f∣≥∫01 ⁣dx2x=+∞.\int_0^x f(x,y)\,\dd y = \Bigl[\frac{y}{x^2 + y^2}\Bigr]_0^x = \frac1{2x}, \quad\text{et } f \geq 0 \text{ là, donc}\quad \int_0^1\!\!\int_0^1\abs f \geq \int_0^1\frac{\dd x}{2x} = +\infty .

Aucune contradiction avec Fubini : son hypothèse f∈L1f \in L^1 échoue, et les deux intégrales itérées sont simplement deux nombres différents.

Exercice 11.5 ★★

(a) Calculer 1[0, 1]∗1[0, 1]\mathbf 1_{\intcc01} * \mathbf 1_{\intcc01} explicitement (une fonction tente), et la forme générale de (1∗1∗1)(\mathbf 1 * \mathbf 1 * \mathbf 1). (b) Montrer supp⁡(f∗g)⊆supp⁡f+supp⁡g‾\operatorname{supp}(f * g) \subseteq \overline{\operatorname{supp}f + \operatorname{supp}g}. (c) Montrer que si f∈L1f \in L^1 et gg est bornée et continue, f∗gf * g est continue. (TCD via continuité de la translation sur le gg borné.)

Solution

Solution de Exercice 11.5.

(a) (1[0, 1]∗1[0, 1])(x)=λ([0, 1]∩[x−1, x])(\mathbf 1_{\intcc01}*\mathbf 1_{\intcc01})(x) = \lambda\bigl(\intcc01\cap\intcc{x-1}x\bigr) : 00 pour x∉[0, 2]x \notin \intcc02, xx pour 0≤x≤10 \leq x \leq 1, 2−x2 - x pour 1≤x≤21 \leq x \leq 2 : la tente. Convoler encore donne une bosse C1\mathcal C^1 piecewise-quadratique sur [0, 3]\intcc03 (le BB-spline quadratique) : chaque convolution gagne un degré de régularité — le principe de lissage derrière les mollificateurs du Chapitre 12.

(b) Si x∉supp⁡f+supp⁡g‾x \notin \overline{\operatorname{supp}f + \operatorname{supp}g}, il y a une boule autour de xx disjointe de l’ensemble somme ; pour y∈supp⁡gy \in \operatorname{supp}g, x−y∉supp⁡fx - y \notin\operatorname{supp}f, donc l’intégrande s’annule identiquement : f∗g=0f * g = 0 près de xx.

(c) Pour xn→xx_n \to x : (f∗g)(xn)=∫f(y)g(xn−y)  ⁣dy(f*g)(x_n) = \int f(y)g(x_n - y)\,\dd y ; les intégrandes convergent ponctuellement (continuité de gg) et sont dominées par ∥g∥∞ ∣f∣∈L1\norm g_\infty\,\abs f \in L^1 : le TCD donne (f∗g)(xn)→(f∗g)(x)(f*g)(x_n) \to (f*g)(x).

Exercice 11.6 ★★

(a) Montrer que le simplexe Δd={x∈[0, ∞)d:x1+⋯+xd≤1}\Delta_d = \{x \in \intco0\infty^d : x_1 + \dots + x_d \leq 1\} a volume 1d!\frac1{d!} (induction et Fubini). (b) Retrouver v2=πv_2 = \pi, v3=4π3v_3 = \frac{4\pi}3 via Théorème 11.13, et montrer λd(ellipsoı¨de de demi-axes ai)=vd∏ai\lambda_d(\text{ellipsoïde de demi-axes } a_i) = v_d\prod a_i.

Solution

Solution de Exercice 11.6.

(a) Par Fubini et induction, en découpant selon la dernière coordonnée :

λd(Δd)=∫01λd−1((1−t) Δd−1)  ⁣dt=λd−1(Δd−1)∫01(1−t)d−1 ⁣dt=λd−1(Δd−1)d,\lambda_d(\Delta_d) = \int_0^1 \lambda_{d-1}\bigl((1 - t)\,\Delta_{d-1}\bigr)\,\dd t = \lambda_{d-1}(\Delta_{d-1})\int_0^1(1 - t)^{d-1}\dd t = \frac{\lambda_{d-1}(\Delta_{d-1})}{d},

en utilisant la règle de dilatation λd−1(ρA)=ρd−1λd−1(A)\lambda_{d-1}(\rho A) = \rho^{d-1}\lambda_{d-1}(A) (Théorème 11.10) ; avec λ1(Δ1)=1\lambda_1(\Delta_1) = 1 : volume 1d!\frac1{d!}.

(b) v2=π/Γ(2)=πv_2 = \pi/\Gamma(2) = \pi ; v3=π3/2/Γ(52)=π3/2/(32⋅12π)=4π3v_3 = \pi^{3/2}/\Gamma(\frac52) = \pi^{3/2}/(\frac32\cdot\frac12 \sqrt\pi) = \frac{4\pi}3. L’ellipsoïde est T(B(0,1))T(B(0,1)) avec T=diag⁡(a1,…,ad)T = \operatorname{diag}(a_1, \dots, a_d) : le Théorème 11.10 donne le volume vd∏aiv_d\prod a_i.

Exercice 11.7 ★★

Pour quels s>0s > 0 les suivantes sont-elles finies ? Justifier avec les coordonnées polaires :

∫B(0,1)⊆R2 ⁣dx  ⁣dy(x2+y2)s,∫R2∖B(0,1) ⁣dx  ⁣dy(x2+y2)s.\int_{B(0,1)\subseteq\R^2}\frac{\dd x\,\dd y}{(x^2 + y^2)^{s}}, \qquad \int_{\R^2\setminus B(0,1)}\frac{\dd x\,\dd y}{(x^2 + y^2)^{s}} .

Généraliser à Rd\R^d (les seuils s<d/2s < d/2 et s>d/2s > d/2).

Solution

Solution de Exercice 11.7.

En R2\R^2, coordonnées polaires (Exemple 11.12) :

∫B(0,1) ⁣dx ⁣dy(x2+y2)s=2π∫01r1−2s  ⁣dr,∫R2∖B(0,1)=2π∫1∞r1−2s ⁣dr:\int_{B(0,1)}\frac{\dd x\dd y}{(x^2+y^2)^s} = 2\pi\int_0^1 r^{1 - 2s}\,\dd r, \qquad \int_{\R^2\setminus B(0,1)} = 2\pi\int_1^\infty r^{1-2s}\dd r:

fini ssi 1−2s>−11 - 2s > -1 (s<1s < 1), resp. 1−2s<−11 - 2s < -1 (s>1s > 1). En Rd\R^d, éviter les coordonnées sphériques avec la formule des couches : λd({∥x∥−2s>t}∩B(0,1))=λd(B(0,min⁡(1,t−1/2s)))=vdmin⁡(1,t−d/2s)\lambda_d(\{\norm x^{-2s} > t\}\cap B(0,1)) = \lambda_d(B(0, \min(1, t^{-1/2s}))) = v_d\min(1, t^{-d/2s}), et ∫0∞vdmin⁡(1,t−d/(2s)) ⁣dt<∞\int_0^\infty v_d\min(1, t^{-d/(2s)})\dd t < \infty ssi d2s>1\frac d{2s} > 1, c.-à-d. s<d2s < \frac d2 ; l’intégrale extérieure converge ssi s>d2s > \frac d2 (même calcul sur la région complémentaire).

Exercice 11.8 ★★★

(Bêta–Gamma) Pour p,q>0p, q > 0, soit B(p,q)=∫01tp−1(1−t)q−1 ⁣dtB(p, q) = \int_0^1t^{p-1}(1 - t)^{q-1}\dd t. Partant de Γ(p)Γ(q)\Gamma(p)\Gamma(q) comme intégrale double, substituer (x,y)=(uv, u(1−v))(x, y) = (uv,\, u(1 - v)) (un difféomorphisme du quadrant ouvert sur (0, ∞)×(0, 1)\intoo0\infty\times\intoo01 ; calculer son jacobien =u= u) et conclure

B(p,q)=Γ(p) Γ(q)Γ(p+q).B(p, q) = \frac{\Gamma(p)\,\Gamma(q)}{\Gamma(p + q)} .

En déduire ∫0π/2sin⁡2p−1θcos⁡2q−1θ  ⁣dθ=12B(p,q)\int_0^{\pi/2}\sin^{2p-1}\theta\cos^{2q-1}\theta\, \dd\theta = \frac12B(p,q) et la valeur des intégrales de Wallis Wn=∫0π/2sin⁡nW_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n.

Solution

Solution de Exercice 11.8.

Par Tonelli (intégrandes positives) et le changement de variables (x,y)=Φ(u,v)=(uv, u(1−v))(x, y) = \Phi(u, v) = (uv,\ u(1-v)), un difféomorphisme C1\mathcal C^1 de (0, ∞)×(0, 1)\intoo0\infty\times\intoo01 sur le quadrant ouvert avec

det⁡DΦ=det⁡(vu1−v−u)=−uv−u(1−v)=−u,∣det⁡∣=u:\det D\Phi = \det\begin{pmatrix} v & u\\ 1 - v & -u \end{pmatrix} = -uv - u(1 - v) = -u, \qquad \abs{\det} = u :
Γ(p)Γ(q)=∬xp−1yq−1e−x−y ⁣dx  ⁣dy=∬(uv)p−1(u(1−v))q−1e−u u  ⁣du  ⁣dv=Γ(p+q) B(p,q).\Gamma(p)\Gamma(q) = \iint x^{p-1}y^{q-1}\eu^{-x-y}\dd x\,\dd y = \iint (uv)^{p-1}\bigl(u(1{-}v)\bigr)^{q-1}\eu^{-u}\,u\, \dd u\,\dd v = \Gamma(p + q)\,B(p, q).

En substituant t=sin⁡2θt = \sin^2\theta dans B(p,q)B(p,q) on obtient 2∫0π/2sin⁡2p−1θcos⁡2q−1θ  ⁣dθ=B(p,q)2\int_0^{\pi/2}\sin^{2p-1}\theta\cos^{2q-1}\theta\,\dd\theta = B(p, q). Wallis : Wn=∫0π/2sin⁡nθ  ⁣dθ=12B(n+12,12)=Γ(n+12)π2 Γ(n2+1)W_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\,\dd\theta = \frac12B\bigl(\frac{n + 1}2, \frac12\bigr) = \frac{\Gamma(\frac{n+1}2)\sqrt\pi} {2\,\Gamma(\frac n2 + 1)} — p. ex. W2n=π2⋅(2n)!4n(n!)2W_{2n} = \frac\pi2\cdot\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} en utilisant Γ(n+12)=(2n)!4nn!π\Gamma(n + \frac12) = \frac{(2n)!}{4^nn!}\sqrt\pi.

Exercice 11.9 ★★

(Formule de transfert) Soit T ⁣:(X,A,μ)→(Y,B)T \colon (X, \mathcal A, \mu) \to (Y, \mathcal B) mesurable et T∗μ(B)=μ(T−1(B))T_*\mu(B) = \mu(T^{-1}(B)) la mesure image (pushforward). Montrer que pour toute g≥0g \geq 0 mesurable sur YY :

∫Yg  ⁣d(T∗μ)=∫Xg∘T  ⁣dμ\int_Y g\,\dd(T_*\mu) = \int_X g\circ T\,\dd\mu

(machine standard). Puis comparer avec Théorème 11.10 : quelle information supplémentaire la formule de changement de variables porte-t-elle que la formule de transfert abstraite ne porte pas ? (La formule de transfert n’identifie jamais T∗μT_*\mu ; le théorème de changement de variables calcule T∗λdT_*\lambda_d explicitement comme une mesure à densité.)

Solution

Solution de Exercice 11.9.

Indicateurs : ∫1B  ⁣d(T∗μ)=T∗μ(B)=μ(T−1B)=∫1B∘T  ⁣dμ\int\mathbf 1_B\,\dd(T_*\mu) = T_*\mu(B) = \mu(T^{-1}B) = \int\mathbf 1_B\circ T\,\dd\mu ; la linéarité étend aux gg simples, le TCM aux g≥0g \geq 0 — la formule de transfert. Elle est purement formelle : elle réexprime les intégrales contre T∗μT_*\mu mais ne dit rien sur ce que T∗μT_*\mu est. Le contenu du Théorème 11.10 et du Théorème 11.11 est l’identification

Φ∗(λd↾U)=∣det⁡DΦ−1∣ λd↾V(une mesure aˋ densiteˊ),\Phi_*\bigl(\lambda_d\restriction_U\bigr) = \abs{\det D\Phi^{-1}}\,\lambda_d\restriction_V \quad\text{(une mesure à densité)},

c.-à-d. un calcul de l’image de la mesure de Lebesgue — l’entrée analytique étant la géométrie différentielle de Φ\Phi, non le formalisme mesurique.

Exercice 11.10 ★★★

(Moments gaussiens) En utilisant les coordonnées polaires et Fubini, calculer pour le poids gaussien standard sur Rd\R^d :

∫Rd∥x∥22  e−∥x∥22  ⁣dxet∫Rdx12 e−∥x∥22  ⁣dx,\int_{\R^d}\norm x_2^2\;\eu^{-\norm x_2^2}\,\dd x \qquad\text{et}\qquad \int_{\R^d}x_1^2\,\eu^{-\norm x^2_2}\,\dd x,

vérifier la cohérence (∥x∥2=∑xi2\norm x^2 = \sum x_i^2), et en déduire le second moment de la mesure π−d/2e−∥x∥2 ⁣dx\pi^{-d/2}\eu^{-\norm x^2}\dd x.

Solution

Solution de Exercice 11.10.

Par Tonelli le facteur gaussien se factorise, donc avec G1=∫Re−s2 ⁣ds=πG_1 = \int_\R\eu^{-s^2}\dd s = \sqrt\pi et ∫Rs2e−s2 ⁣ds=π2\int_\R s^2\eu^{-s^2}\dd s = \frac{\sqrt\pi}2 (intégrer par parties) :

∫Rdx12 e−∥x∥2 ⁣dx=π2  π(d−1)/2=πd/22,∫Rd∥x∥2e−∥x∥2 ⁣dx=d⋅πd/22\int_{\R^d}x_1^2\,\eu^{-\norm x^2}\dd x = \frac{\sqrt\pi}2\;\pi^{(d-1)/2} = \frac{\pi^{d/2}}2, \qquad \int_{\R^d}\norm x^2\eu^{-\norm x^2}\dd x = d\cdot\frac{\pi^{d/2}}2

(par symétrie, ∥x∥2=∑ixi2\norm x^2 = \sum_ix_i^2 contribue dd termes égaux — le contrôle de cohérence). Pour la mesure normalisée π−d/2e−∥x∥2 ⁣dx\pi^{-d/2}\eu^{-\norm x^2}\dd x, le second moment est d2\frac d2.

Exercice 11.11 ★★

(Graphe et hypographe) Soit f ⁣:Rd→[0, ∞)f \colon \R^d \to \intco0\infty mesurable. (a) Montrer que l’hypographe H={(x,y)∈Rd×R:0<y<f(x)}H = \{(x, y) \in \R^d\times\R : 0 < y < f(x)\} est mesurable dans Rd+1\R^{d+1} avec

λd+1(H)=∫Rdf  ⁣dλd:\lambda_{d+1}(H) = \int_{\R^d}f\,\dd\lambda_d :

« l’intégrale est l’aire sous le graphe », enfin un théorème. (Sections ; Tonelli.) (b) Montrer que le graphe {(x,f(x)):x∈Rd}\{(x, f(x)) : x \in \R^d\} est un ensemble nul de Rd+1\R^{d+1}. (c) En déduire une preuve en deux lignes que la sphère Sd−1S^{d-1} est Lebesgue-nulle dans Rd\R^d.

Solution

Solution de Exercice 11.11.

(a) H=Φ−1((0, ∞))H = \Phi^{-1}(\intoo0\infty) pour Φ(x,y)=f(x)−y\Phi(x, y) = f(x) - y intersecté avec {y>0}\{y > 0\} : mesurable, car (x,y)↦f(x)(x, y) \mapsto f(x) et (x,y)↦y(x,y)\mapsto y sont mesurables sur le produit (composées avec les projections). La xx-section de HH est (0, f(x))\intoo0{f(x)}, de mesure f(x)f(x) : Tonelli intègre les sections,

λd+1(H)=∫Rdλ1((0, f(x)))  ⁣dx=∫Rdf  ⁣dλd.\lambda_{d+1}(H) = \int_{\R^d}\lambda_1\bigl(\intoo0{f(x)} \bigr)\,\dd x = \int_{\R^d}f\,\dd\lambda_d .

(b) Le graphe est {(x,y):y≥f(x)}∩{y≤f(x)}\{(x,y) : y \geq f(x)\} \cap \{y \leq f(x)\}, mesurable ; ses xx-sections sont des singletons, de mesure 00 : Tonelli donne λd+1(graphe)=∫0=0\lambda_{d+1}(\text{graphe}) = \int 0 = 0.

(c) Sd−1S^{d-1} est l’union des deux graphes y=±1−∣x′∣2y = \pm\sqrt{1 - \abs{x'}^2} sur la boule unité de Rd−1\R^{d-1} (en scindant la dernière coordonnée) : une union de deux ensembles nuls par (b), nulle.

Exercice 11.12 ★★

(Une double intégrale célèbre) En utilisant la série géométrique et Tonelli sur (0, 1)2\intoo01^2, prouver

∫01 ⁣ ⁣∫01 ⁣dx  ⁣dy1−xy=∑n≥11n2=ζ(2),∫01 ⁣ ⁣∫01 ⁣dx  ⁣dy1+xy=∑n≥1(−1)n−1n2=ζ(2)2.\int_0^1\!\!\int_0^1\frac{\dd x\,\dd y}{1 - xy} = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \zeta(2), \qquad \int_0^1\!\!\int_0^1\frac{\dd x\,\dd y}{1 + xy} = \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2} = \frac{\zeta(2)}2 .

(La seconde identité de série : scinder indices pairs et impairs.) Avec ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 (Chapitre 15), deux intégrales d’apparence innocente valent π26\frac{\pi^2}6 et π212\frac{\pi^2}{12} ; où exactement l’hypothèse de positivité de Tonelli fait-elle son travail ?

Solution

Solution de Exercice 11.12.

Sur (0, 1)2\intoo01^2, 11−xy=∑n≥0(xy)n\frac1{1 - xy} = \sum_{n\geq0}(xy)^n avec termes positifs : Tonelli autorise l’intégration terme à terme,

∬ ⁣dx  ⁣dy1−xy=∑n≥0(∫01xn ⁣dx)(∫01yn ⁣dy)=∑n≥01(n+1)2=ζ(2).\iint\frac{\dd x\,\dd y}{1 - xy} = \sum_{n\geq0}\Bigl(\int_0^1x^n\dd x\Bigr) \Bigl(\int_0^1y^n\dd y\Bigr) = \sum_{n\geq0}\frac1{(n+1)^2} = \zeta(2) .

Pour le cas alterné, 11+xy=∑n(−1)n(xy)n\frac1{1 + xy} = \sum_n(-1)^n(xy)^n n’est pas une série positive ; mais l’intégrale de la série absolue est ζ(2)<∞\zeta(2) < \infty, donc Fubini (intégrabilité maintenant établie) s’applique : ∬ ⁣dx ⁣dy1+xy=∑n(−1)n(n+1)2\iint\frac{\dd x\dd y}{1 + xy} = \sum_n\frac{(-1)^n}{(n+1)^2}. L’identité de série :

∑n≥1(−1)n−1n2=∑n≥11n2−2∑k≥11(2k)2=ζ(2)−ζ(2)2=ζ(2)2.\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2} = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} - 2\sum_{k\geq1}\frac1{(2k)^2} = \zeta(2) - \frac{\zeta(2)}2 = \frac{\zeta(2)}2 .

Avec ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 (Problème 15.1) : les intégrales valent π26\frac{\pi^2}6 et π212\frac{\pi^2}{12}. La positivité de Tonelli était tout le jeu dans le premier calcul — aucun contrôle d’intégrabilité nécessaire avant l’interversion ; dans le second, la positivité de la série absolue est ce qui certifie l’intégrabilité pour que Fubini puisse courir sur la signée.

11.5 Problème : la formule de Stirling

Problème 11.1

Problème du week-end — n!∼2πn (n/e)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n, par convergence dominée

La formule de Stirling gouverne tout décompte asymptotique de ce livre — volumes de boules, coefficients binomiaux, la forme locale du théorème central limite. On la prouve à partir de l’intégrale Γ\Gamma (Exemple 10.16) avec la méthode de Laplace, sous sa forme de convergence dominée la plus propre, puis on collecte les dividendes.

Partie I — La formule. Pour t>0t > 0, Γ(t+1)=∫0∞xte−x ⁣dx\Gamma(t + 1) = \int_0^\infty x^{t}\eu^{-x}\dd x.

  1. Substituer x=t+t ux = t + \sqrt t\,u et montrer

    Γ(t+1)tte−tt=∫−t+∞exp⁡(tln⁡(1+ut)−t u)  ⁣du  =  ∫Rgt(u)  ⁣du,\frac{\Gamma(t+1)}{t^{t}\eu^{-t}\sqrt t} = \int_{-\sqrt t}^{+\infty} \exp\Bigl(t\ln\Bigl(1 + \frac u{\sqrt t}\Bigr) - \sqrt t\,u\Bigr)\,\dd u \;=\;\int_\R g_t(u)\,\dd u,

    où gt(u)=exp⁡(tln⁡(1+u/t)−t u)1u>−tg_t(u) = \exp\bigl(t\ln(1 + u/\sqrt t) - \sqrt t\,u\bigr)\mathbf 1_{u > -\sqrt t}.

  2. Montrer la limite ponctuelle : pour tout uu fixé, gt(u)→e−u2/2g_t(u) \to \eu^{-u^2/2} lorsque t→+∞t \to +\infty (développer ln⁡(1+h)\ln(1 + h) à l’ordre deux).
  3. Domination. Soit φ(h)=ln⁡(1+h)−h\varphi(h) = \ln(1 + h) - h, de sorte que gt(u)=exp⁡(t φ(u/t))g_t(u) = \exp\bigl(t\,\varphi(u/\sqrt t)\bigr) pour u>−tu > -\sqrt t. Prouver les deux bornes

    φ(h)≤−h24(−1<h≤1),φ(h)≤−c h(h≥1),  c=1−ln⁡2>0\varphi(h) \leq -\frac{h^2}4 \quad (-1 < h \leq 1), \qquad \varphi(h) \leq -c\,h \quad (h \geq 1),\ \ c = 1 - \ln 2 > 0

    (étudier φ(h)+h24\varphi(h) + \frac{h^2}4 et φ(h)+ch\varphi(h) + ch : calculer les dérivées et vérifier le signe sur chaque intervalle). En déduire, pour t≥1t \geq 1 :

    gt(u)≤e−u2/4  (∣u∣≤t),gt(u)≤e−cu  (u≥t),g_t(u) \leq \eu^{-u^2/4}\ \ (\abs u \leq \sqrt t), \qquad g_t(u) \leq \eu^{-cu}\ \ (u \geq \sqrt t),

    de sorte que gt(u)≤e−u2/4+e−cu 1u>0g_t(u) \leq \eu^{-u^2/4} + \eu^{-cu}\,\mathbf 1_{u > 0} : un dominateur intégrable indépendant de t≥1t \geq 1.

  4. Conclure avec le théorème de convergence dominée et l’intégrale gaussienne (Exemple 11.12) :

    Γ(t+1)  ∼  2πt  (te)t(t→+∞),\Gamma(t + 1) \;\sim\; \sqrt{2\pi t}\;\Bigl(\frac t\eu\Bigr)^{t} \qquad (t \to +\infty),

    et en particulier n!∼2πn (n/e)nn! \sim \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n.

Partie II — Dividendes.

  1. (Wallis) De l’Exercice 11.8, W2n=π2(2nn)4−nW_{2n} = \frac\pi2\binom{2n}n4^{-n}-type formules : dériver (2nn)∼4nπn\binom{2n}{n} \sim \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} de Stirling, et le vérifier contre la récurrence Wn=n−1nWn−2W_{n} = \frac{n-1}nW_{n-2}.
  2. (Les volumes de boules s’effondrent) Montrer

    vd=πd/2Γ(d2+1)  ∼  1πd(2πed)d/2,v_d = \frac{\pi^{d/2}}{\Gamma(\frac d2 + 1)} \;\sim\; \frac{1}{\sqrt{\pi d}} \Bigl(\frac{2\pi\eu}{d}\Bigr)^{d/2},

    donc vd→0v_d \to 0 plus vite que toute suite géométrique ; trouver la dimension maximisant vdv_d (numériquement : d=5d = 5).

  3. (Concentration du binomial — un avant-goût du Chapitre 23) En utilisant Stirling, montrer l’estimation locale, pour k=n/2+sn/2k = n/2 + s\sqrt n/2 avec ss fixé et nn pair :

    2−n(nk)  ∼  2πn  e−s2/2,2^{-n}\binom{n}{k} \;\sim\; \sqrt{\frac{2}{\pi n}}\;\eu^{-s^2/2},

    le profil gaussien discret : de Moivre–Laplace en germe.

  4. Où exactement la preuve de la partie I a-t-elle utilisé : (i) TCM ou TCD ; (ii) l’intégrale gaussienne ; (iii) les propriétés d’invariance de la mesure de Lebesgue ? Une phrase chacune.

Partie III — Le terme d’erreur : Stirling avec barres. Poser dn=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+n−ln⁡2πd_n = \ln n! - \bigl(n + \tfrac12\bigr)\ln n + n - \ln\sqrt{2\pi}, de sorte que la partie I dit dn→0d_n \to 0.

  1. Montrer dn−dn+1=(n+12)ln⁡(1+1n)−1d_n - d_{n+1} = \bigl(n + \tfrac12\bigr)\ln\bigl(1 + \tfrac1n\bigr) - 1.
  2. Avec t=12n+1t = \frac1{2n+1}, vérifier n+1n=1+t1−t\frac{n+1}n = \frac{1+t}{1-t} et développer :

    dn−dn+1=t23+t45+t67+⋯ ,d_n - d_{n+1} = \frac{t^2}3 + \frac{t^4}5 + \frac{t^6}7 + \cdots,

    et en déduire les bornes bilatères

    13(2n+1)2  <  dn−dn+1  <  112n−112(n+1).\frac1{3(2n+1)^2} \;<\; d_n - d_{n+1} \;<\; \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)} .
  3. Télescoper (en utilisant dm→0d_m \to 0) et vérifier l’identité algébrique agréable 13(2m+1)2>112m+1−112(m+1)+1\frac1{3(2m+1)^2} > \frac1{12m+1} - \frac1{12(m+1)+1} pour m≥1m \geq 1, pour obtenir l’encadrement classique

    2πn(ne)ne1/(12n+1)  <  n!  <  2πn(ne)ne1/(12n).\sqrt{2\pi n}\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n \eu^{1/(12n+1)} \;<\; n! \;<\; \sqrt{2\pi n}\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n\eu^{1/(12n)} .
  4. Deux conséquences : (a) l’erreur relative de la formule de Stirling est <10−6< 10^{-6} dès que n≥83 334n \geq 83\,334 ; (b) estimer 100!100! à quatre chiffres significatifs à la main depuis l’encadrement (100!≈9,3326⋅10157100! \approx 9{,}3326\cdot 10^{157}), et s’émerveiller brièvement de la précision d’une formule asymptotique à un nn très fini.

Partie IV — La voie de Wallis : Stirling sans la gaussienne. Historiquement la constante 2π\sqrt{2\pi} est venue de Wallis, non de Gauss ; cette partie reprouve Stirling indépendamment des parties I–II, et par là reprouve l’intégrale gaussienne. Soit Wn=∫0π/2sin⁡nθ  ⁣dθW_n = \int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\, \dd\theta.

  1. Établir Wn=n−1nWn−2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2} (intégrer par parties), les formes fermées

    W2n=π2(2nn)4−n,W2n+1=4n(2n+1)(2nn),W_{2n} = \frac\pi2\binom{2n}n4^{-n}, \qquad W_{2n+1} = \frac{4^n}{(2n+1)\binom{2n}n},

    et l’identité WnWn−1=π2nW_nW_{n-1} = \frac\pi{2n}.

  2. De la monotonie de (Wn)(W_n) déduire W2n/W2n+1→1W_{2n}/W_{2n+1} \to 1, puis

    W2n∼12πnet(2nn)4−nn⟶1π:W_{2n} \sim \frac12\sqrt{\frac\pi n} \qquad\text{et}\qquad \binom{2n}n4^{-n}\sqrt n \longrightarrow \frac1{\sqrt\pi} :

    le théorème de Wallis, obtenu sans Stirling.

  3. Montrer, par le seul télescopage de la partie III (aucune valeur de la constante nécessaire), que en=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+ne_n = \ln n! - (n + \frac12)\ln n + n converge vers une certaine limite ℓ\ell ; équivalemment n!∼K nn+1/2e−nn! \sim K\,n^{n+1/2}\eu^{-n} avec K=eℓ>0K = \eu^\ell > 0 pas encore identifié.
  4. Insérer cette asymptotique dans (2nn)4−nn\binom{2n}n4^{-n}\sqrt n et identifier, via la question 14, la seule valeur possible : K=2πK = \sqrt{2\pi}. Assembler la logique : les parties III–IV ensemble donnent une seconde preuve complète de Stirling — et donc, en courant la substitution de la partie I à rebours, une évaluation indépendante de ∫Re−u2/2 ⁣du=2π\int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi}. Deux piliers, dont chacun soutient l’autre.

Partie V — Derniers dividendes.

  1. (Le profil local complet) Pour des entiers ∣j∣≤Kn\abs j \leq K\sqrt n (KK fixé), montrer

    (2nn+j)(2nn)=∏i=1∣j∣n−i+1n+i=exp⁡(−j2n+O(1n)),\frac{\binom{2n}{n+j}}{\binom{2n}{n}} = \prod_{i=1}^{\abs j}\frac{n - i + 1}{n + i} = \exp\Bigl(-\frac{j^2}n + O\Bigl(\frac1{\sqrt n}\Bigr)\Bigr),

    uniformément en jj (prendre les logarithmes et utiliser ln⁡1−x1+y=−(x+y)+O(x2+y2)\ln \frac{1-x}{1+y} = -(x + y) + O(x^2 + y^2)). C’est la version bilatère de la question 7 et l’estimation exacte citée dans le problème du week-end du Chapitre 23.

  2. (Un avant-goût de Poisson) Montrer avec Stirling que e−nnnn!∼12πn\eu^{-n}\dfrac{n^n}{n!} \sim \dfrac1{\sqrt{2\pi n}} : le mode d’une loi de Poisson de grande moyenne nn porte une masse ≈(2πn)−1/2\approx (2\pi n)^{-1/2}, exactement comme le théorème central limite le prédira.
  3. (Rapports de Gamma) Pour a∈(0, 1)a \in \intoo01, prouver Γ(n+a)Γ(n) na→1\dfrac{\Gamma(n + a)}{\Gamma(n)\,n^a} \to 1 en utilisant les bornes de pentes log-convexes du Problème 10.1 (question 14 là-bas), et étendre à tout réel a>0a > 0 par l’équation fonctionnelle. (C’est ce que signifie « Γ(t+1)∼\Gamma(t+1) \sim Stirling » entre les entiers.)
  4. (Boules, bis) De vd=πd/2/Γ(d2+1)v_d = \pi^{d/2}/\Gamma(\frac d2 + 1) : tabuler v1,…,v7v_1, \dots, v_7 exactement, vérifier l’unimodalité via vdvd−2=2πd\frac{v_d}{v_{d-2}} = \frac{2\pi}d (croissant tant que d<2πd < 2\pi, décroissant après), et prouver l’identité génératrice frappante

    ∑k≥0v2k x2k=eπx2:\sum_{k\geq0}v_{2k}\,x^{2k} = \eu^{\pi x^2} :

    tous les volumes de boules en dimensions paires emballés dans une seule exponentielle.

  5. (Asymptotique d’entropie) Pour α∈(0, 1)\alpha \in \intoo01 fixé avec αn∈N\alpha n \in \N, déduire de Stirling

    (nαn)  ∼  en H(α)2π α(1−α) n,H(α)=−αln⁡α−(1−α)ln⁡(1−α):\binom{n}{\alpha n} \;\sim\; \frac{\eu^{n\,H(\alpha)}} {\sqrt{2\pi\,\alpha(1-\alpha)\,n}}, \qquad H(\alpha) = -\alpha\ln\alpha - (1-\alpha)\ln(1-\alpha) :

    le taux de croissance exponentielle des coefficients binomiaux est l’entropie HH — vérifier que α=12\alpha = \frac12 retrouve la question 5, et que H(α)<ln⁡2H(\alpha) < \ln2 pour α≠12\alpha \neq \frac12 (donc les binomiaux hors centre sont exponentiellement négligeables dans 2n2^n).

  6. (Aires de surface) L’aire de la sphère unité Sd−1S^{d-1} est sd−1=d vds_{d-1} = d\,v_d (prouvé comme l’Exercice 21.6 dans le chapitre des formes différentielles ; ici, le prendre comme définition). Tabuler s0,…,s6s_0, \dots, s_6, localiser la maximale (d−1=6d - 1 = 6, s6=16π315≈33,07s_6 = \frac{16\pi^3}{15} \approx 33{,}07), et montrer sd−1→0s_{d-1} \to 0 super-géométriquement aussi — les sphères de grande dimension sont, par toute toise euclidienne, infiniment petites.
  7. (Le premier terme correctif) Déduire de l’encadrement de la question 11 que dn=112n+O(1n2)d_n = \frac1{12n} + O\bigl(\frac1{n^2}\bigr), d’où

    n!=2πn (ne)n(1+112n+O(1n2)).n! = \sqrt{2\pi n}\,\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^{n}\Bigl(1 + \frac1{12n} + O\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr)\Bigr).

    Vérifier en n=10n = 10 : la formule nue donne 3 598 6963\,598\,696 (erreur relative 8,3⋅10−38{,}3\cdot10^{-3}), la corrigée 3 628 6853\,628\,685 contre 10!=3 628 80010! = 3\,628\,800 (erreur relative 3,2⋅10−53{,}2\cdot10^{-5}) — un terme de la série achète deux chiffres et demi.

  8. (La médiane de Γ\Gamma) Montrer que

    1Γ(t+1)∫0txte−x  ⁣dx  ⟶  12(t→+∞):\frac{1}{\Gamma(t+1)} \int_0^{t} x^{t}\eu^{-x}\,\dd x \;\longrightarrow\; \frac12 \qquad (t \to +\infty) :

    asymptotiquement, exactement la moitié de la masse de l’intégrande de Γ\Gamma se situe sous son mode x=tx = t. (Courir la substitution de la partie I sur l’intégrale tronquée ; le dominateur de la question 3 est déjà en place.)

  9. (Entropie, non asymptotiquement) Pour α∈(0, 12]\alpha \in \intoc0{\frac12} prouver la borne, valable pour tout n≥1n \geq 1 :

    ∑k=0⌊αn⌋(nk)  ≤  en H(α),\sum_{k=0}^{\lfloor\alpha n\rfloor}\binom nk \;\leq\; \eu^{n\,H(\alpha)} ,

    en comparant la somme avec ∑k(nk)λk−αn\sum_k\binom nk\lambda^{k-\alpha n} pour le basculement λ=α1−α≤1\lambda = \frac{\alpha}{1-\alpha} \leq 1. Vérifier que ce choix de λ\lambda est optimal, et réconcilier avec la question 21 : le taux exponentiel H(α)H(\alpha) de l’énoncé asymptotique est atteint par une inégalité en une ligne sans aucune asymptotique.

Solution

Solution de Problème 11.1.

1. Avec x=t+t ux = t + \sqrt t\,u ( ⁣dx=t  ⁣du\dd x = \sqrt t\,\dd u ; xx parcourt (0, ∞)\intoo0\infty lorsque uu parcourt (−t, ∞)\intoo{-\sqrt t}\infty) :

Γ(t+1)=∫0∞xte−x ⁣dx=tte−tt∫−t∞exp⁡(tln⁡(1+ut)−t u) ⁣du,\Gamma(t{+}1) = \int_0^\infty x^t\eu^{-x}\dd x = t^t\eu^{-t}\sqrt t\int_{-\sqrt t}^{\infty} \exp\Bigl(t\ln\Bigl(1 + \frac u{\sqrt t}\Bigr) - \sqrt t\,u\Bigr)\dd u,

puisque xt=ttexp⁡(tln⁡(1+u/t))x^t = t^t\exp\bigl(t\ln(1 + u/\sqrt t)\bigr) et e−x=e−te−tu\eu^{-x} = \eu^{-t}\eu^{-\sqrt tu}.

2. Pour uu fixé et t→∞t \to \infty : tln⁡(1+u/t)−tu=t(ut−u22t+o(1t))−tu=−u22+o(1)t\ln(1 + u/\sqrt t) - \sqrt tu = t\bigl(\frac u{\sqrt t} - \frac{u^2}{2t} + o(\frac1t)\bigr) - \sqrt tu = -\frac{u^2}2 + o(1) : gt(u)→e−u2/2g_t(u) \to \eu^{-u^2/2}.

3. Poser ψ1(h)=φ(h)+h24\psi_1(h) = \varphi(h) + \frac{h^2}4 sur (−1, 1]\intoc{-1}1 : ψ1(0)=0\psi_1(0) = 0 et ψ1′(h)=11+h−1+h2=h(h−1)2(1+h)\psi_1'(h) = \frac1{1+h} - 1 + \frac h2 = \frac{h(h-1)}{2(1+h)}, qui est ≥0\geq 0 sur (−1, 0]\intoc{-1}0 et ≤0\leq 0 sur [0, 1]\intcc01 : ψ1≤0\psi_1 \leq 0, c.-à-d. φ(h)≤−h2/4\varphi(h) \leq -h^2/4 là. Poser ψ2(h)=φ(h)+ch\psi_2(h) = \varphi(h) + ch sur [1, ∞)\intco1\infty, c=1−ln⁡2c = 1 - \ln2 : ψ2(1)=ln⁡2−1+c=0\psi_2(1) = \ln2 - 1 + c = 0 et ψ2′(h)=c−h1+h≤c−12<0\psi_2'(h) = c - \frac h{1+h} \leq c - \frac12 < 0 : φ(h)≤−ch\varphi(h) \leq -ch pour h≥1h \geq 1. Maintenant pour t≥1t \geq 1 : si ∣u∣≤t\abs u \leq \sqrt t, gt(u)=etφ(u/t)≤e−t(u/t)2/4=e−u2/4g_t(u) = \eu^{t\varphi(u/\sqrt t)} \leq \eu^{-t(u/\sqrt t)^2/4} = \eu^{-u^2/4} ; si u≥tu \geq \sqrt t, alors t φ(u/t)≤−ct⋅ut=−ct u≤−cut\,\varphi(u/\sqrt t) \leq -ct\cdot\frac u{\sqrt t} = -c\sqrt t\,u \leq -cu (car t≥1t \geq 1), donc gt(u)≤e−cug_t(u) \leq \eu^{-cu}. D’où gt≤e−u2/4+e−cu1u>0g_t \leq \eu^{-u^2/4} + \eu^{-cu}\mathbf 1_{u>0}, intégrable, indépendant de t≥1t \geq 1.

4. TCD : ∫Rgt(u) ⁣du→∫Re−u2/2 ⁣du=2π\int_\R g_t(u)\dd u \to \int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi} (Exemple 11.12 plus l’échelle u↦2 uu\mapsto\sqrt2\,u). Avec la question 1 :

Γ(t+1)∼2πt  (te)t,n!∼2πn (ne)n.\Gamma(t + 1) \sim \sqrt{2\pi t}\;\Bigl(\frac t\eu\Bigr)^t,\qquad n! \sim \sqrt{2\pi n}\,\Bigl(\frac n\eu\Bigr)^n .

5. De l’Exercice 11.8, W2n=π2 (2n)!4n(n!)2=π2 4−n(2nn)W_{2n} = \frac\pi2\,\frac{(2n)!}{4^n(n!)^2} = \frac\pi2\,4^{-n}\binom{2n}n. Stirling :

(2nn)=(2n)!(n!)2∼4πn (2n/e)2n2πn (n/e)2n=4nπn.\binom{2n}{n} = \frac{(2n)!}{(n!)^2} \sim \frac{\sqrt{4\pi n}\,(2n/\eu)^{2n}} {2\pi n\,(n/\eu)^{2n}} = \frac{4^n}{\sqrt{\pi n}} .

Alors W2n∼12π/nW_{2n} \sim \frac12\sqrt{\pi/n}, cohérent avec la récurrence Wn=n−1nWn−2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2} (qui force Wn∼Wn−2W_n \sim W_{n-2}, et avec WnWn−1⋅n=π2W_nW_{n-1}\cdot n = \frac\pi2 — la relation classique de Wallis — donne Wn∼π/(2n)W_n \sim \sqrt{\pi/(2n)} ; les deux asymptotiques s’accordent).

6. Γ(d2+1)∼2πd2 (d2e)d/2\Gamma(\frac d2 + 1) \sim \sqrt{2\pi\frac d2}\,(\frac d{2\eu})^{d/2}, donc

vd=πd/2Γ(d2+1)∼1πd(2πed)d/2⟶0v_d = \frac{\pi^{d/2}}{\Gamma(\frac d2 + 1)} \sim \frac{1}{\sqrt{\pi d}}\Bigl(\frac{2\pi\eu} d\Bigr)^{d/2} \longrightarrow 0

super-géométriquement (pour d>2πe≈17d > 2\pi\eu \approx 17, chaque facteur <1< 1 et rétrécissant). Numériquement v1=2v_1 = 2, v2≈3,14v_2 \approx 3{,}14, v3≈4,19v_3 \approx 4{,}19, v4≈4,93v_4 \approx 4{,}93, v5≈5,26v_5 \approx 5{,}26, v6≈5,17v_6 \approx 5{,}17 : le maximum est en d=5d = 5.

7. Avec k=n2+sn2k = \frac n2 + \frac{s\sqrt n}2 (entier, nn pair, ss fixé) : prendre les logarithmes dans 2−n(nk)=2−nn!k!(n−k)!2^{-n}\binom nk = 2^{-n}\frac{n!}{k!(n-k)!} et appliquer Stirling aux trois factorielles. En écrivant k=n2(1+ε)k = \frac n2(1 + \varepsilon), n−k=n2(1−ε)n - k = \frac n2(1 - \varepsilon) avec ε=s/n\varepsilon = s/\sqrt n :

ln⁡(2−n(nk))=−n2[(1+ε)ln⁡(1+ε)+(1−ε)ln⁡(1−ε)]+12ln⁡2πn(1−ε2)+o(1),\ln\Bigl(2^{-n}\binom nk\Bigr) = -\frac n2\bigl[(1{+}\varepsilon)\ln(1{+}\varepsilon) + (1{-}\varepsilon)\ln(1{-}\varepsilon)\bigr] + \frac12\ln\frac{2}{\pi n(1 - \varepsilon^2)} + o(1),

et le crochet est ε2+O(ε4)=s2n+O(n−2)\varepsilon^2 + O(\varepsilon^4) = \frac{s^2}n + O(n^{-2}) : l’affichage tend vers −s22+12ln⁡2πn-\frac{s^2}2 + \frac12\ln\frac2{\pi n} à o(1)o(1) près, c.-à-d.

2−n(nk)∼2πn  e−s2/2:2^{-n}\binom nk \sim \sqrt{\frac{2}{\pi n}}\;\eu^{-s^2/2} :

le profil gaussien du pile ou face, quantifié — la forme locale de de Moivre–Laplace, à globaliser dans Chapitre 23.

8. (i) Le TCD convertit la limite ponctuelle de la question 2 en convergence des intégrales, via le dominateur de la question 3. (ii) L’intégrale gaussienne évalue la limite ∫e−u2/2=2π\int\eu^{-u^2/2} = \sqrt{2\pi} — la constante 2π\sqrt{2\pi} de Stirling est l’intégrale gaussienne. (iii) La substitution x=t+tux = t + \sqrt tu est un changement de variables affine : invariance par translation et règle d’échelle de la mesure de Lebesgue (Théorème 11.10 en dimension 11).

9. Développer les deux termes :

dn−dn+1=ln⁡n!(n+1)!+(n+32)ln⁡(n+1)−(n+12)ln⁡n−1=(n+12)ln⁡n+1n−1,d_n - d_{n+1} = \ln\frac{n!}{(n+1)!} + \Bigl(n + \frac32\Bigr)\ln(n+1) - \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln n - 1 = \Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln\frac{n+1}n - 1,

les termes −ln⁡(n+1)-\ln(n+1) et (n+32)ln⁡(n+1)(n + \frac32)\ln(n+1) se combinant en (n+12)ln⁡(n+1)(n + \frac12)\ln(n+1).

10. Pour t=12n+1t = \frac1{2n+1} : 1+t1−t=2n+22n=n+1n\frac{1+t}{1-t} = \frac{2n+2}{2n} = \frac{n+1}n, et n+12=12tn + \frac12 = \frac1{2t} ; la série impaire ln⁡1+t1−t=2∑k≥0t2k+12k+1\ln\frac{1+t}{1-t} = 2\sum_{k\geq0}\frac{t^{2k+1}}{2k+1} donne

(n+12)ln⁡n+1n=∑k≥0t2k2k+1=1+t23+t45+⋯\Bigl(n + \frac12\Bigr)\ln\frac{n+1}n = \sum_{k\geq0}\frac{t^{2k}}{2k+1} = 1 + \frac{t^2}3 + \frac{t^4}5 + \cdots

Soustraire 11. Borne inférieure : le premier terme seul, t23=13(2n+1)2\frac{t^2}3 = \frac1{3(2n+1)^2}. Borne supérieure : abaisser tous les dénominateurs à 33 et sommer la série géométrique : t23(1−t2)=13((2n+1)2−1)=112n(n+1)=112n−112(n+1)\frac{t^2}{3(1 - t^2)} = \frac1{3((2n+1)^2 - 1)} = \frac1{12n(n+1)} = \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)}.

11. En sommant la borne supérieure de nn à ∞\infty (avec dm→0d_m \to 0) : dn<112nd_n < \frac1{12n}. Pour la borne inférieure : 112m+1−112(m+1)+1=12(12m+1)(12m+13)\frac1{12m+1} - \frac1{12(m+1)+1} = \frac{12}{(12m+1)(12m+13)}, et

13(2m+1)2>12(12m+1)(12m+13)  ⟺  (12m+1)(12m+13)>36(2m+1)2  ⟺  168m+13>144m+36,\begin{align*} \frac1{3(2m+1)^2} > \frac{12}{(12m+1)(12m+13)} &\iff (12m+1)(12m+13) > 36(2m+1)^2 \\ &\iff 168m + 13 > 144m + 36, \end{align*}

vrai pour m≥1m \geq 1. En sommant ce minorant télescopique : dn>112n+1d_n > \frac1{12n+1}. En exponentiant on obtient l’encadrement classique de n!n!.

12. (a) Erreur relative =edn−1<e1/(12n)−1<1,112n= \eu^{d_n} - 1 < \eu^{1/(12n)} - 1 < \frac{1{,}1}{12n} pour nn grand ; <10−6< 10^{-6} dès que 12n≥1,1⋅10612n \geq 1{,}1\cdot10^6, et le n≥83 334n \geq 83\,334 énoncé suffit (112n≤10−6\frac1{12n} \leq 10^{-6} implique déjà cela). (b) log⁡10(100!)=12log⁡10(200π)+200−100log⁡10e+d100log⁡10e=1,39906+200−43,42945+0,00036≈157,96997\log_{10}(100!) = \frac12\log_{10}(200\pi) + 200 - 100\log_{10}\eu + d_{100}\log_{10}\eu = 1{,}39906 + 200 - 43{,}42945 + 0{,}00036 \approx 157{,}96997, donc 100!≈100,96997⋅10157=9,333⋅10157100! \approx 10^{0{,}96997} \cdot 10^{157} = 9{,}333\cdot10^{157} ; la fenêtre garantie (e1/1201,e1/1200)(\eu^{1/1201}, \eu^{1/1200}) a une largeur sous 10−610^{-6} en termes relatifs — une formule « asymptotique » qui est, en n=100n = 100, un instrument de précision.

13. Écrire sin⁡n=sin⁡n−2−sin⁡n−2cos⁡2\sin^n = \sin^{n-2} - \sin^{n-2}\cos^2, et intégrer le second terme par parties (u=cos⁡θu = \cos\theta,  ⁣dv=sin⁡n−2cos⁡θ  ⁣dθ\dd v = \sin^{n-2}\cos\theta\,\dd\theta, v=sin⁡n−1n−1v = \frac{\sin^{n-1}}{n-1}) :

∫0π/2sin⁡n−2cos⁡2=[cos⁡θ sin⁡n−1θn−1]0π/2+1n−1∫0π/2sin⁡n=Wnn−1.\int_0^{\pi/2}\sin^{n-2}\cos^2 = \Bigl[\cos\theta\,\frac{\sin^{n-1}\theta}{n-1}\Bigr]_0^{\pi/2} + \frac1{n-1}\int_0^{\pi/2}\sin^n = \frac{W_n}{n-1} .

D’où Wn=Wn−2−Wnn−1W_n = W_{n-2} - \frac{W_n}{n-1}, c.-à-d. Wn=n−1nWn−2W_n = \frac{n-1}nW_{n-2}. De W0=π2W_0 = \frac\pi2, W1=1W_1 = 1 :

W2n=(2n−1)!!(2n)!!⋅π2=π2(2nn)4−n,W2n+1=(2n)!!(2n+1)!!=4n(2n+1)(2nn),W_{2n} = \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\cdot\frac\pi2 = \frac\pi2\binom{2n}n4^{-n}, \qquad W_{2n+1} = \frac{(2n)!!}{(2n+1)!!} = \frac{4^n}{(2n+1)\binom{2n}n},

en convertissant les double factorielles par (2n)!!=2nn!(2n)!! = 2^nn! et (2n−1)!!=(2n)!2nn!(2n-1)!! = \frac{(2n)!}{2^nn!}. Enfin nWnWn−1=(n−1)Wn−1Wn−2nW_nW_{n-1} = (n-1)W_{n-1}W_{n-2} par la récurrence : constante, égale à 1⋅W1W0=π21\cdot W_1W_0 = \frac\pi2.

14. W2n+1≤W2n≤W2n−1W_{2n+1} \leq W_{2n} \leq W_{2n-1} (monotonie ponctuelle de sin⁡n\sin^n) et W2n−1W2n+1=2n+12n→1\frac{W_{2n-1}}{W_{2n+1}} = \frac{2n+1}{2n} \to 1 encadrent W2nW2n+1→1\frac{W_{2n}}{W_{2n+1}} \to 1. Combiné avec W2nW2n+1=π2(2n+1)W_{2n}W_{2n+1} = \frac{\pi}{2(2n+1)} (question 13) : W2n2∼π4nW_{2n}^2 \sim \frac\pi{4n}, donc W2n∼12πnW_{2n} \sim \frac12\sqrt{\frac\pi n} et (2nn)4−n=2πW2n∼1πn\binom{2n}n4^{-n} = \frac2\pi W_{2n} \sim \frac1{\sqrt{\pi n}}.

15. Les questions 9–10 n’ont jamais utilisé la valeur de la constante : avec en=ln⁡n!−(n+12)ln⁡n+ne_n = \ln n! - (n+\frac12)\ln n + n, les différences en−en+1e_n - e_{n+1} sont dans (0,112n−112(n+1))\bigl(0, \frac1{12n} - \frac1{12(n+1)}\bigr), donc (en)(e_n) décroît tandis que (en−112n)(e_n - \frac1{12n}) croît : suites adjacentes, convergeant vers un ℓ\ell commun. D’où n!∼Knn+1/2e−nn! \sim K n^{n+1/2}\eu^{-n}, K=eℓK = \eu^\ell.

16. En substituant le Stirling à constante inconnue dans le binomial central :

(2nn)4−nn∼K (2n)2n+1/2e−2n(K nn+1/2e−n)2 4−nn=22n2 K n2n+1/2K2 n2n+1 4−nn=2K,\binom{2n}n4^{-n}\sqrt n \sim \frac{K\,(2n)^{2n+1/2}\eu^{-2n}}{\bigl(K\,n^{n+1/2} \eu^{-n}\bigr)^2}\,4^{-n}\sqrt n = \frac{2^{2n}\sqrt{2}\,K\,n^{2n+1/2}}{K^2\,n^{2n+1}} \,4^{-n}\sqrt n = \frac{\sqrt2}{K},

et la question 14 force 2K=1π\frac{\sqrt2}K = \frac1{\sqrt\pi} : K=2πK = \sqrt{2\pi}. Les parties III–IV reprouvent ainsi Stirling depuis zéro ; en l’injectant dans l’identité de la partie I on évalue ∫Re−u2/2 ⁣du=2π\int_\R\eu^{-u^2/2}\dd u = \sqrt{2\pi} sans coordonnées polaires : Wallis et Gauss se soutiennent mutuellement.

17. (2nn+j)(2nn)=(n!)2(n+j)! (n−j)!=∏i=1jn−i+1n+i\frac{\binom{2n}{n+j}}{\binom{2n}n} = \frac{(n!)^2}{(n+j)!\,(n-j)!} = \prod_{i=1}^{j}\frac{n-i+1}{n+i} pour j≥0j \geq 0 (et par symétrie pour j<0j < 0). En prenant les logarithmes, avec 1≤i≤j≤Kn1 \leq i \leq j \leq K\sqrt n :

ln⁡n−i+1n+i=ln⁡(1−i−1n)−ln⁡(1+in)=−2i−1n+O(i2n2),\ln\frac{n-i+1}{n+i} = \ln\Bigl(1 - \frac{i-1}n\Bigr) - \ln\Bigl(1 + \frac in\Bigr) = -\frac{2i-1}{n} + O\Bigl(\frac{i^2}{n^2}\Bigr),

et ∑i≤j(2i−1)=j2\sum_{i\leq j}(2i - 1) = j^2, tandis que l’erreur somme à O(j3/n2)=O(n−1/2)O(j^3/n^2) = O(n^{-1/2}) : uniformément, exp⁡(−j2n+O(n−1/2))\exp\bigl(-\frac{j^2}n + O(n^{-1/2})\bigr).

18. e−nnnn!∼e−nnn2πn nne−n=12πn\eu^{-n}\frac{n^n}{n!} \sim \eu^{-n} \frac{n^n}{\sqrt{2\pi n}\,n^n\eu^{-n}} = \frac1{\sqrt{2\pi n}}. Une variable de Poisson de moyenne nn a écart-type n\sqrt n, et 12πn\frac1{\sqrt{2\pi n}} est exactement la hauteur du pic gaussien 1σ2π\frac1{\sigma\sqrt{2\pi}} : le TCL local, prévisualisé au mode.

19. Pour a∈(0, 1)a \in \intoo01, le lemme des pentes du Problème 10.1 (question 14 là-bas), appliqué à la convexe log⁡Γ\log\Gamma autour de nn, donne (n−1)a≤Γ(n+a)Γ(n)≤na(n-1)^a \leq \frac{\Gamma(n+a)}{\Gamma(n)} \leq n^a : le rapport à nan^a est encadré par (1−1n)a→1(1 - \frac1n)^a \to 1. Pour a=m+a′a = m + a' (m∈Nm \in \N, a′∈[0, 1)a' \in \intco01) : Γ(n+a)=(n+a−1)⋯(n+a′)Γ(n+a′)\Gamma(n+a) = (n + a - 1) \cdots(n + a')\Gamma(n + a'), et chacun des mm facteurs est n(1+O(1n))n(1 + O(\frac1n)) : multiplier les estimations.

20. La récurrence vd=2πdvd−2v_d = \frac{2\pi}dv_{d-2} (depuis Γ(d2+1)=d2Γ(d2)\Gamma(\frac d2 + 1) = \frac d2\Gamma(\frac d2)) donne, depuis v1=2v_1 = 2, v2=πv_2 = \pi :

v3=4π3,v4=π22,v5=8π215,v6=π36,v7=16π3105.v_3 = \frac{4\pi}3,\quad v_4 = \frac{\pi^2}2,\quad v_5 = \frac{8\pi^2}{15},\quad v_6 = \frac{\pi^3}6,\quad v_7 = \frac{16\pi^3}{105}.

Le rapport 2πd\frac{2\pi}d dépasse 11 exactement pour d≤6d \leq 6, donc chaque parité croît puis décroît ; numériquement v4≈4,93v_4 \approx 4{,}93, v5≈5,26v_5 \approx 5{,}26, v6≈5,17v_6 \approx 5{,}17 : le maximum global est d=5d = 5. Fonction génératrice : v2k=πkk!v_{2k} = \frac{\pi^k}{k!}, donc ∑kv2kx2k=eπx2\sum_kv_{2k}x^{2k} = \eu^{\pi x^2} — tous les volumes de boules en dimensions paires roulés en une exponentielle, et une estimation de décroissance super-géométrique instantanée pour vdv_d.

21. Stirling au numérateur et au dénominateur, avec k=αnk = \alpha n :

(nαn)∼2πn nn2παn (αn)αn 2π(1−α)n ((1−α)n)(1−α)n=enH(α)2πα(1−α)n,\binom n{\alpha n} \sim \frac{\sqrt{2\pi n}\,n^n} {\sqrt{2\pi\alpha n}\,(\alpha n)^{\alpha n}\, \sqrt{2\pi(1-\alpha)n}\,((1-\alpha)n)^{(1-\alpha)n}} = \frac{\eu^{nH(\alpha)}}{\sqrt{2\pi\alpha(1-\alpha)n}},

puisque nn/(αn)αn((1−α)n)(1−α)n=α−αn(1−α)−(1−α)n=enH(α)n^n/(\alpha n)^{\alpha n}((1-\alpha)n)^{(1-\alpha)n} = \alpha^{-\alpha n}(1-\alpha)^{-(1-\alpha)n} = \eu^{nH(\alpha)} (les puissances de nn s’annulent : αn+(1−α)n=n\alpha n + (1-\alpha)n = n), et les e−n\eu^{-n} s’annulent de même. En α=12\alpha = \frac12 : H=ln⁡2H = \ln2 et le préfacteur est 2/(πn)\sqrt{2/(\pi n)} — la question 5 encore. La stricte concavité de HH (sa dérivée seconde −1α(1−α)<0-\frac1{\alpha(1-\alpha)} < 0) place son maximum ln⁡2\ln 2 en α=12\alpha = \frac12 seulement : pour α≠12\alpha \neq \frac12, (nαn)2−n≈e−n(ln⁡2−H(α))\binom n{\alpha n}2^{-n} \approx \eu^{-n(\ln2 - H(\alpha))} décroît exponentiellement — le moteur combinatoire derrière tout énoncé de concentration sur le pile ou face.

22. De sd−1=dvds_{d-1} = dv_d et la question 20 :

s0=2,  s1=2π,  s2=4π,  s3=2π2,  s4=8π23,  s5=π3,  s6=16π315,s_0 = 2,\ \ s_1 = 2\pi,\ \ s_2 = 4\pi,\ \ s_3 = 2\pi^2,\ \ s_4 = \frac{8\pi^2}3,\ \ s_5 = \pi^3,\ \ s_6 = \frac{16\pi^3}{15},

numériquement 2, 6,28, 12,57, 19,74, 26,32, 31,01, 33,072,\ 6{,}28,\ 12{,}57,\ 19{,}74,\ 26{,}32,\ 31{,}01,\ 33{,}07 ; et s7=π43≈32,47<s6s_7 = \frac{\pi^4}3 \approx 32{,}47 < s_6 : le maximum est la 66-sphère. La récurrence sd+1=(d+2) vd+2=(d+2) 2πd+2 vd=2πvd=2πd sd−1s_{d+1} = (d+2)\,v_{d+2} = (d+2)\,\frac{2\pi}{d+2}\,v_d = 2\pi v_d = \frac{2\pi}d\,s_{d-1} montre la même montée entraînée par 2πd\frac{2\pi}d et la même chute super-géométrique que pour les volumes : passé la dimension sept, les sphères s’évanouissent plus vite que toute suite géométrique.

23. La question 11 dit exactement 112n+1<dn<112n\frac1{12n+1} < d_n < \frac1{12n}, et

112n−112n+1=112n(12n+1)=O(1n2),\frac1{12n} - \frac1{12n+1} = \frac1{12n(12n+1)} = O\Bigl(\frac1{n^2}\Bigr),

donc dn=112n+O(1n2)d_n = \frac1{12n} + O(\frac1{n^2}) et edn=1+112n+O(1n2)\eu^{d_n} = 1 + \frac1{12n} + O(\frac1{n^2}) ; en multipliant par 2πn(n/e)n\sqrt{2\pi n}(n/\eu)^n on obtient la formule corrigée. En n=10n = 10 : 20π (10/e)10=7,92665×453999,3≈3 598 696\sqrt{20\pi}\,(10/\eu)^{10} = 7{,}92665 \times 453999{,}3 \approx 3\,598\,696, bas de 30 10430\,104 (erreur relative 8,3⋅10−38{,}3\cdot10^{-3}) ; en multipliant par 1+11201 + \frac1{120} on obtient 3 628 6853\,628\,685, bas de 115115 (erreur relative 3,2⋅10−53{,}2\cdot10^{-5}). L’encadrement lui-même pince 10!10! entre 3 598 696 e1/121≈3 628 5593\,598\,696\,\eu^{1/121} \approx 3\,628\,559 et 3 598 696 e1/120≈3 628 8083\,598\,696\,\eu^{1/120} \approx 3\,628\,808 — la borne supérieure est décalée de huit unités sur sept chiffres.

24. La substitution x=t+t ux = t + \sqrt t\,u de la partie I, appliquée à l’intégrale tronquée, donne

∫0txte−x  ⁣dx=tte−tt∫−t0gt(u)  ⁣du,\int_0^{t} x^{t}\eu^{-x}\,\dd x = t^{t}\eu^{-t}\sqrt t\int_{-\sqrt t}^{0} g_t(u)\,\dd u ,

le domaine 0≤x≤t0 \leq x \leq t devenant −t≤u≤0-\sqrt t \leq u \leq 0. Le dominateur de la question 3 couvre aussi gt1u<0g_t\mathbf 1_{u < 0}, donc la convergence dominée donne

∫−t0gt(u)  ⁣du⟶∫−∞0e−u2/2 ⁣du=2π2,\int_{-\sqrt t}^{0}g_t(u)\,\dd u \longrightarrow \int_{-\infty}^{0}\eu^{-u^2/2}\dd u = \frac{\sqrt{2\pi}}2 ,

tandis que la question 4 donne Γ(t+1)∼tte−tt 2π\Gamma(t+1) \sim t^t\eu^{-t}\sqrt t\,\sqrt{2\pi}. Le rapport tend vers 12\frac12. Probabilistement : une variable Gamma de grande forme place asymptotiquement la moitié de sa masse de chaque côté de son mode — la symétrie du théorème central limite, lue sur une seule substitution.

25. Soit λ=α1−α∈(0, 1]\lambda = \frac{\alpha}{1-\alpha} \in \intoc01. Pour k≤⌊αn⌋≤αnk \leq \lfloor\alpha n\rfloor \leq \alpha n on a λk−αn≥1\lambda^{k - \alpha n} \geq 1, d’où

∑k=0⌊αn⌋(nk)≤λ−αn∑k=0n(nk)λk=(λ−α(1+λ))n,\sum_{k=0}^{\lfloor\alpha n\rfloor}\binom nk \leq \lambda^{-\alpha n}\sum_{k=0}^{n}\binom nk\lambda^{k} = \Bigl(\lambda^{-\alpha}(1 + \lambda)\Bigr)^{n},

et avec λ=α1−α\lambda = \frac\alpha{1-\alpha} :

λ−α(1+λ)=α−α(1−α)α⋅11−α=α−α(1−α)−(1−α)=eH(α).\lambda^{-\alpha}(1+\lambda) = \alpha^{-\alpha}(1-\alpha)^{\alpha}\cdot\frac1{1-\alpha} = \alpha^{-\alpha}(1-\alpha)^{-(1-\alpha)} = \eu^{H(\alpha)} .

Optimalité : en minimisant f(λ)=−αln⁡λ+ln⁡(1+λ)f(\lambda) = -\alpha\ln\lambda + \ln(1+\lambda) sur λ>0\lambda > 0, l’équation f′(λ)=−αλ+11+λ=0f'(\lambda) = -\frac\alpha\lambda + \frac1{1+\lambda} = 0 a l’unique solution λ=α1−α\lambda = \frac\alpha{1-\alpha}, un minimum car f′′>0f'' > 0 — le choix de basculement exponentiel (Chernoff). Réconciliation : par la question 21 le seul terme k=⌊αn⌋k = \lfloor\alpha n\rfloor est déjà d’ordre enH(α)/2πα(1−α)n\eu^{nH(\alpha)}/\sqrt{2\pi\alpha(1-\alpha)n}, donc

enH(α)Cn≤∑k≤αn(nk)≤enH(α):\frac{\eu^{nH(\alpha)}}{C\sqrt n} \leq \sum_{k\leq\alpha n}\binom nk \leq \eu^{nH(\alpha)} :

le taux H(α)H(\alpha) est exact, la somme entière coûtant au plus un facteur n\sqrt n sur son plus grand terme. Divisé par 2n2^n, c’est la borne de queue pile ou face P(Sn≤αn)≤e−n(ln⁡2−H(α))\P(S_n \leq \alpha n) \leq \eu^{-n(\ln2 - H(\alpha))} — la concentration de la mesure en une ligne.

Termes définis dans ce chapitre

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