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| up:: [[intégration]], [[intégrale de lebesgue]]
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| sibling:: [[théorème de convergence monotone des intégrales|théorème de convergence monotone]]
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| #s/maths/intégration 
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| > [!proposition]+ [[lemme de Fatou]]
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| > Soit $(E, \mathcal{A}, \mu)$ un [[espace mesuré]]
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| > Soit $(f_{n})_{n\geq 0}$ une suite de fonctions [[fonction mesurable|mesurables]] positives
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| > $\boxed{\int_{E} \liminf\limits_{ n \to \infty } f_{n} \, d\mu \leq \liminf\limits_{ n \to \infty } \int_{E} f_{n} \, d\mu}$
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| > 
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| > > [!démonstration]- Démonstration
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| > > Soit $(g_{n})$ la suite définie par $g_{n} = \inf\limits_{k\geq n} f_{k}$
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| > > On sait alors que $(g_{n})$ est une suite croissante de fonctions mesurables positives. 
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| > > En appliquant le [[théorème de convergence monotone des intégrales|théorème de convergence monotone]], on obtient :
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| > > $\displaystyle \int_{E} \lim\limits_{ n \to \infty } g_{n} \, d\mu = \lim\limits_{ n \to \infty } \int_{E} g_{n} \, d\mu$
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| > > Or, on sait par définition que $\lim\limits_{ n \to \infty } g_{n} = \liminf\limits_{ n \to \infty } f_{n}$, donc :
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| > > $\displaystyle \int_{E} \liminf\limits_{ n \to \infty } f_{n} \, d\mu = \int_{E} \lim\limits_{ n \to \infty } g_{n} \, d\mu$
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| > > Et on sait aussi que $\forall n \in \mathbb{N},\quad g_{n} \leq f_{n}$  car $g_{n} = \inf\limits \{ f_{n}, f_{n+1}, f_{n+2}, \dots \}$
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| > > On a donc :
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| > > $\displaystyle \int_{E} \liminf\limits_{ n \to \infty } f_{n} \, d\mu = \int_{E} \lim\limits_{ n \to \infty } g_{n} \, d\mu = \lim\limits_{ n \to \infty } \int_{E} g_{n} \, d\mu \leq \liminf\limits_{ n \to \infty } \int_{E} f_{n} \, d\mu$
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| > > Et on trouve bien le résultat du lemme de Fatou :
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| > > $\displaystyle \int_{E} \liminf\limits_{ n \to \infty } f_{n} \, d\mu \leq \liminf\limits_{ n \to \infty } \int_{E} f_{n} \, d\mu$
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| ^theoreme
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| # Exemples
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| > [!example] 
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| > Soit $(f_{n})$ la suite de fonctions mesurables positives suivante :
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| > $\begin{align} f_{n} : \mathbb{R} & \to \mathbb{R}^{+} \\ x &\mapsto \frac{n}{nx + x^{2}} \mathbb{1}_{[1; +\infty[} (x) \end{align}$ 
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| > $f_{n}$ est mesurable positive car continue par morceaux.
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| > $f_{n}(x) \xrightarrow{ n \to \infty } \frac{1}{x} \mathbb{1}_{[1; +\infty[}(x)$
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| > Le lemme de Fatou assure que :
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| > $\int_{\mathbb{R}} \frac{1}{x} \mathbb{1}_{[1, +\infty[}(x) \, \lambda(dx)$ 
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