Convergence dans $L^1$
Salut, s'il vous plaît, j'aurais besoin de votre aide pour savoir résoudre ce problème.
Soit $(E, \mathcal{A},\mu)$ un espace mesuré, soit $h$ une fonction de $\mathbb{R}$ dans $\mathbb{R}$ continue telle que : $$\forall x \in \mathbb{R},\ |h(x)| \leq x^2.
$$ Soit $(f_n)_n$ une suite de $L^2,$ qu'on suppose convergente vers une fonction $f$ dans $L^2,$ i.e : $\quad\displaystyle \lim_n ||f_n-f||_2=0.$
Prouver que $$\lim_n \int_E \big|h\big(f_n(x)\big)-h\big(f(x)\big)\big|d\mu(x)=0$$ i.e la convergence dans $L^1.$
D'abord, on remarque que $h \circ f \in L^1,$ d'après l'inégalité ci-dessus, il reste à prouver la convergence de l'intégrale.
Avez-vous des idées comment la vérifier ??
Merci d'avance.
Soit $(E, \mathcal{A},\mu)$ un espace mesuré, soit $h$ une fonction de $\mathbb{R}$ dans $\mathbb{R}$ continue telle que : $$\forall x \in \mathbb{R},\ |h(x)| \leq x^2.
$$ Soit $(f_n)_n$ une suite de $L^2,$ qu'on suppose convergente vers une fonction $f$ dans $L^2,$ i.e : $\quad\displaystyle \lim_n ||f_n-f||_2=0.$
Prouver que $$\lim_n \int_E \big|h\big(f_n(x)\big)-h\big(f(x)\big)\big|d\mu(x)=0$$ i.e la convergence dans $L^1.$
D'abord, on remarque que $h \circ f \in L^1,$ d'après l'inégalité ci-dessus, il reste à prouver la convergence de l'intégrale.
Avez-vous des idées comment la vérifier ??
Merci d'avance.
Réponses
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On peut sans doute montrer et utiliser que $h(f_n)$ est de carré équi-intégrable.
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On ne peut pas la majorer par un terme qui tend vers 0? Sinon, on peut penser à vérifier qu'est de Cauchy dans $L^1$
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Je préfère de ne pas utiliser la notion d'uniforme intégrabilité.
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Utilise l'uniforme continuité de $h$ et son profil de croissance (ce qui est caché est évidemment la notion d'uniforme intégrabilité).
De manière plus piétonne, on a pour $0<\delta\ll 1$ et $A\gg 1$ et pour $n\in \mathbb{N},$
\begin{align*}
I_{n}:= \int_{E} \vert h(f_{n}(x))-h(f(x))\vert d\mu(x) = & \int_{\{x\in E : \vert f_{n}(x)-f(x) \vert \leq \delta; \vert f_{n}(x)\vert \leq A; \vert f(x)\vert \leq A\}}\vert h(f_{n}(x))-h(f(x))\vert d\mu(x) \\
& + \int_{\{x\in E : \vert f_{n}(x)-f(x) \vert > \delta; \vert f_{n}(x)\vert \leq A; \vert f(x)\vert \leq A\}}\vert h(f_{n}(x))-h(f(x))\vert d\mu(x)\\
& + \int_{\{x \in E : \vert f_{n}(x)\vert > A \mbox{ ou } \vert f(x)\vert > A\}}\vert h(f_{n}(x))-h(f(x))\vert d\mu(x)\\
\leq & \varepsilon_{A}(\delta) \mbox{ où } \varepsilon_{A} \mbox{ désigne le module d'uniforme continuité de } h \mbox{ sur } [-A,A]\\
& +2A^{2}\mu(\{x\in E : \vert f_{n}(x)- \vert f(x) \vert \geq \delta\})\\
& + \int_{\{ \vert f_{n}(x) \vert \geq A\}}\left(\vert f_{n}(x) \vert^{2} +\vert f(x) \vert ^{2}\right)d\mu(x) + \int_{\{\vert f(x) \vert \geq A\}}\left(\vert f_{n}(x) \vert^{2} +\vert f(x) \vert ^{2}\right)d\mu(x)\\
\leq & \varepsilon_{A}(\delta) + +2A^{2}\frac{\|f_{n}-f\|_{2}^{2}}{\delta^{2}} \mbox{ par l'inégalité de Tchebytchev}\\
& + C\left( \|f_{n}-f\|_{2}^{2}+ \int_{\{ \vert f_{n}(x) \vert \geq A\}} \vert f(x) \vert ^{2}d\mu(x) + \int_{\{ \vert f(x) \vert \geq A\}} \vert f(x) \vert ^{2}d\mu(x)\right)\\
\leq & \varepsilon_{A}(\delta) + +2A^{2}\frac{\|f_{n}-f\|_{2}^{2}}{\delta^{2}}+ C\|f_{n}-f\|_{2}^{2}+\alpha(A) \mbox{ où } \alpha \mbox{ tend vers } 0 \mbox{ lorsque } A \mbox{ tend vers } +\infty.
\end{align*}
Pour la dernière inégalité, on a utilisé que les intégrations se faisaient sur des ensembles de mesure petite (lorsque $A$ est grand) et que $\vert f \vert ^{2}$ était intégrable.
Ainsi, on obtient par définition de la convergence $L^{2},$ $$\limsup_{n\rightarrow +\infty} I_{n} \leq \varepsilon_{A}(\delta)+\alpha(A).$$
En faisant tendre successivement $\delta$ vers $0$ puis $A$ vers $+\infty,$ on obtient le résultat de convergence escompté!
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