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Soit ff une fonction continue de [0,1][0,1] dans R\mathbb{R}. Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on définit les deux intégrales multiples suivantes :

  1. In(f)=∫01⋯∫01f(x1…xnn)dx1…dxnI_{n}(f)=\int_{0}^{1} \cdots \int_{0}^{1} f\left(\sqrt[n]{x_{1} \dots x_{n}}\right) \mathrm{d} x_{1} \dots \mathrm{d} x_{n}
  2. Jn(f)=∫01⋯∫01f(x1+⋯+xnn)dx1…dxnJ_{n}(f)=\int_{0}^{1} \cdots \int_{0}^{1} f\left(\frac{x_{1}+\dots+x_{n}}{n}\right) \mathrm{d} x_{1} \dots \mathrm{d} x_{n}

Étudier la convergence de ces deux suites et déterminer leurs limites respectives en fonction de ff.

1.

Pour la question 1, on pourra commencer par tester la convergence lorsque ff est une fonction puissance de la forme x↦xkx \mapsto x^k, puis utiliser le théorème de Weierstrass.

2.

Pour la question 2, on pourra interpréter l'intégrale comme l'espérance d'une variable aléatoire et utiliser la loi faible des grands nombres ou procéder par densité des polynômes.

Idées clés

•

Densité des polynômes (Théorème de Weierstrass) sur un segment.

•

Linéarité de l'intégrale et passage à la limite.

•

Interprétation probabiliste (Loi faible des grands nombres).

Résolution de la question 1.

Considérons d'abord le cas où ff est un monôme, c'est-à-dire fk(x)=xkf_k(x) = x^k pour k∈Nk \in \mathbb{N}. Par application du théorème de Fubini, l'intégrale se sépare en un produit d'intégrales simples :

In(fk)=∫01 ⁣⋯∫01(x1…xn)k/ndx1…dxn=∏j=1n(∫01xjk/ndxj)I_n(f_k) = \int_{0}^{1} \dots \int_{0}^{1} (x_1 \dots x_n)^{k/n} \mathrm{d} x_1 \dots \mathrm{d} x_n = \prod_{j=1}^n \left( \int_0^1 x_j^{k/n} \mathrm{d} x_j \right)

Chaque intégrale simple se calcule aisément :

∫01xk/ndx=[xk/n+1k/n+1]01=11+kn\int_0^1 x^{k/n} \mathrm{d} x = \left[ \frac{x^{k/n + 1}}{k/n + 1} \right]_0^1 = \frac{1}{1 + \frac{k}{n}}

On en déduit :

In(fk)=(1+kn)−n=exp⁡(−nln⁡(1+kn))I_n(f_k) = \left( 1 + \frac{k}{n} \right)^{-n} = \exp\left( -n \ln\left( 1 + \frac{k}{n} \right) \right)

En utilisant un développement limité au voisinage de 0, on a −nln⁡(1+k/n)=−n(k/n+O(1/n2))=−k+O(1/n)-n \ln(1 + k/n) = -n(k/n + O(1/n^2)) = -k + O(1/n), d'où :

lim⁡n→+∞In(fk)=e−k=fk(e−1)\lim_{n \to +\infty} I_n(f_k) = e^{-k} = f_k(e^{-1})

Par linéarité, le résultat lim⁡In(P)=P(e−1)\lim I_n(P) = P(e^{-1}) est vrai pour tout polynôme PP. Soit maintenant f∈C0([0,1],R)f \in \mathcal{C}^0([0,1], \mathbb{R}) et ϵ>0\epsilon > 0. Par le théorème de Weierstrass, il existe un polynôme PP tel que ∥f−P∥∞≤ϵ\|f-P\|_{\infty} \le \epsilon.

On a ∣In(f)−f(e−1)∣≤∣In(f)−In(P)∣+∣In(P)−P(e−1)∣+∣P(e−1)−f(e−1)∣|I_n(f) - f(e^{-1})| \le |I_n(f) - I_n(P)| + |I_n(P) - P(e^{-1})| + |P(e^{-1}) - f(e^{-1})|. Or ∣In(f)−In(P)∣≤In(∣f−P∣)≤ϵ|I_n(f) - I_n(P)| \le I_n(|f-P|) \le \epsilon et ∣P(e−1)−f(e−1)∣≤ϵ|P(e^{-1}) - f(e^{-1})| \le \epsilon. Comme lim⁡In(P)=P(e−1)\lim I_n(P) = P(e^{-1}), pour nn assez grand, ∣In(P)−P(e−1)∣≤ϵ|I_n(P) - P(e^{-1})| \le \epsilon. On en déduit que In(f)→f(e−1)I_n(f) \to f(e^{-1}).

lim⁡n→+∞In(f)=f(e−1)\boxed{ \lim_{n \to +\infty} I_n(f) = f(e^{-1}) }

Résolution de la question 2.

Soient X1,…,XnX_1, \dots, X_n des variables aléatoires indépendantes et identiquement distribuées suivant une loi uniforme sur [0,1][0,1]. L'intégrale Jn(f)J_n(f) s'interprète comme l'espérance :

Jn(f)=E[f(X1+⋯+Xnn)]J_n(f) = E\left[ f\left( \frac{X_1 + \dots + X_n}{n} \right) \right]

Posons Xˉn=1n∑i=1nXi\bar{X}_n = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n X_i. D'après la loi faible des grands nombres, Xˉn\bar{X}_n converge en probabilité vers E(X1)=12E(X_1) = \frac{1}{2}. Comme ff est continue sur le segment [0,1][0,1], elle y est bornée. D'après le théorème de transfert pour la convergence en loi (ou par application directe pour une fonction continue bornée), on a :

lim⁡n→+∞E[f(Xˉn)]=f(1/2)\lim_{n \to +\infty} E[f(\bar{X}_n)] = f(1/2)

Si l'on souhaite une preuve sans invoquer explicitement la convergence en loi, on peut utiliser l'inégalité de Bienaymé-Chebyshev. Soit δ>0\delta > 0 :

P(∣Xˉn−1/2∣≥δ)≤Var(X1)nδ2=112nδ2P(|\bar{X}_n - 1/2| \ge \delta) \le \frac{Var(X_1)}{n \delta^2} = \frac{1}{12n \delta^2}

En découpant l'espérance selon l'événement {∣Xˉn−1/2∣<δ}\{|\bar{X}_n - 1/2| < \delta\} et son complémentaire, et en utilisant la continuité uniforme de ff (théorème de Heine), on montre que Jn(f)→f(1/2)J_n(f) \to f(1/2).

lim⁡n→+∞Jn(f)=f(1/2)\boxed{ \lim_{n \to +\infty} J_n(f) = f(1/2) }

Confusion entre limite de moyenne géométrique et moyenne arithmétique.

Technique de densité des polynômes pour les limites d'opérateurs sur C(K).