Exercice 159 ⭐️⭐️ Fonction convexe bornée, MPSI/L2/Classique
Soit f:R→R une fonction C2 convexe bornée. Montrer que f est constante.
Réflexes
Convexe C2 👉 f′′≥0 et développement de Taylor pour faire apparaître f′′.
Corrigé
Prenons un a∈R quelconque. On a f(x)=f(a)+(x−a)f′(a)+21(x−a)2f′′(c) où c∈[a,x]. Le dernier terme est toujours positif par hypothèse, donc f(x)≥f(a)+(x−a)f′(a). Si f′(a)>0, alors f(x)x→+∞+∞, et si f′(a)<0, alors f(x)x→−∞+∞, ce qui contredit la bornitude de f. Cela suggère bien une preuve par l’absurde.
On suppose f non constante, i.e. il existe a∈R tel que f′(a)=0, et c’est gagné car on est soit dans le cas f′(a)>0, soit f′(a)<0.
Soit x1,⋯,xn des réels >0. Montrer que (x1x2⋯xn)1/n≤nx1+⋯+xn.
Réflexes
a1/n 👉 passage au log
Corrigé
En passant au log, il suffit de montrer que n1(log(x1)+⋯log(xn))≤log(nx1+⋯+xn), ce qui exprime la concavité du log.
Exercice 166 ⭐️⭐️⭐️ Inégalité 1+xayb, X, Spé/L2
Soit a+b=1 avec a,b≥0. Montrer que pour tout x,y≥0, 1+xayb≤(1+x)a(1+y)b.
Réflexes
ua 👉 Passage au log, écriture sous forme exponentielle ;
a+b=1 avec a,b≥0 👉 Inégalité de convexité !
Corrigé
1er réflexe - On passe au log. L’inégalité équivaut à ln(1+xayb)≤aln(1+x)+bln(1+y) et à droite on reconnait une combinaison convexe ; à gauche non par contre. 2ème réflexe - Écriture sous forme exponentielle : on a ln(1+xayb)=ln(1+ealnx+blny) et là on reconnait une combinaison convexe avec les points lnx et lny. On introduit donc la fonction f(z)=ln(1+ez). En dérivant deux fois, on voit que f est convexe, et donc f(alnx+blny)≤af(lnx)+bf(lny)=aln(1+x)+bln(1+y), ce qu’on voulait !
ça tombe vite avec les réflexes, non ? 😎
Exercice 212 ⭐️⭐️⭐️ Convexité et différentiabilité, Spé/L2/Classique
Soit U un ouvert convexe de Rn et f:U→R. On suppose que f est différentiable sur U. Montrer que f est convexe si et seulement si pour tout x,y∈U, f(x)≥f(y)+dyf(x−y).
Réflexes
Convexité 👉 f(tx+(1−t)y)≤tf(x)+(1−t)f(y) ;
Faire apparaître les quantités souhaitées.
Corrigé
Si f est convexe alors f(tx+(1−t)y)≤tf(x)+(1−t)f(y) pour tout x,y∈U et t∈[0,1]. Ce qu’on peut réécrire f(y+t(x−y))−f(y)≤t(f(x)−f(y)). En divisant par t>0 et en faisant tendre t→0, on obtient dyf(x−y)≤f(x)−f(y), ce qu’on voulait.
Réciproquement, on part de la dernière inégalité et on veut faire apparaître f(tx+(1−t)y). On peut donc avoir l’idée de prendre comme nouveau x le point z=tx+(1−t)y. Ecrivons dyf(z−y)≤f(z)−f(y).
D’où dyf(t(x−y))≤f(z)−f(y), mais le f(z) n’est pas du bon coté de l’inégalité souhaitée. Essayons donc de prendre un autre point de base pour la différentielle : on remplace alors y par z et on a bien cette fois f(z)≤... i.e. dans le sens qu’on veut ! On peut prendre naturellement comme couples (x,z) et (y,z), ce qui donne : f(z)+dzf(x−z)≤f(x)f(z)+dzf(y−z)≤f(y). On a x−z=x−y−t(x−y)=(1−t)(x−y) et y−z=−t(x−y).
On multiplie donc par t la 1ere inégalité et par (1−t) la 2nd, on somme et on a, comme la différentielle est linéaire (on peut sortir le t et 1−t), f(z)≤tf(x)+(1−t)f(y).
Exercice 319 ⭐️ Convexité et réciproque, MP/L2
Soit I un intervalle ouvert, et f:I→R convexe, strictement croissante.
Montrer que f est continue sur I.
Montrer que cette propriété est fausse en général si I n’est pas supposé ouvert.
Justifier que f définit une bijection de I vers J=f(I).
Montrer que sa réciproque f−1:J→I est concave.
Réflexes
Taux d’accroissement croissant !
On ne peut penser qu’à une chose ici 👉 Théorème de la bijection monotone.
Partir de la définition de convexité de f. En déduire une information sur f−1.
Corrigé
Soit τa:x↦x−af(x)−f(a), définie sur I∖{a}. τa est croissante, minorée par τa(b) pour b quelconque dans I∩]−∞;a[.
Ainsi τa(x) possède une limite finie ℓ+ quand x→a+. Ainsi f(x)−f(a)x→a+∼(x−a)ℓ+, et en particulier f(x)−f(a)x→a+→0. f est donc continue à droite en a, et on montre de même sa continuité à gauche.
Si I n’est pas ouvert, ça ne marche plus : prendre I=R+, et f(x)={1,0, si x=0, si x>0.
f est strictement croissante et continue, le théorème de la bijection monotone donne donc la conclusion voulue.
Soit α,β∈J et a=f−1(α), b=f−1(β). Pour t∈[0;1] on a f(ta+(1−t)b)≤tα+(1−t)β.f étant strictement croissante, on a donc : tf−1(α)+(1−t)f−1(β)≤f−1(tα+(1−t)β). Ainsi f−1 est concave.
Exercice 422 ⭐️⭐️ Critère de convexité, Sup/Spé/L2
Montrer qu’une fonction f:R→R est convexe si et seulement si ∀x<y<z∈R3,∣∣∣∣∣∣∣1xf(x)1yf(y)1zf(z)∣∣∣∣∣∣∣≥0.
Réflexes
Si on n’a pas d’idées, on peut commencer par développer le déterminant pour voir si on reconnaît quelque chose…
Corrigé
En développant le déterminant par rapport à la dernière ligne, on montre que l’inégalité de l’énoncé est équivalente à f(x)(z−y)−f(y)(z−x)+f(z)(y−x)≥0. En écrivant z−x=(z−y)+(y−x), l’inégalité devient : (f(z)−f(y))(y−x)≥(f(y)−f(x))(z−y). En divisant à droite et à gauche par (z−y)(x−y)>0, on a montré que la condition de l’énoncé est équivalente à ∀x<y<z∈R3,y−xf(y)−f(x)≤z−yf(z)−f(y), ce qui est exactement l’inégalité des pentes définissant la convexité de f.
Exercice 434 ⭐️⭐️ Fonction convexe, MP
Soit F:Rn→R une fonction de classe C1. Montrer que les deux définitions suivantes de convexité sont équivalentes : (1)∀x,y∈Rn,∀t∈[0,1],F((1−t)x+ty)≤(1−t)F(x)+tF(y). (2)∀u,v∈Rn,F(v)≥F(u)+⟨∇F(u),v−u⟩.
Réflexes
Si on ne comprend rien, on peut toujours tenter un dessin dans le cas où n=1…
Corrigé
On suppose que la fonction F vérifie la propriété (1). On fixe u,v∈Rn. La fonction g:[0,1]→R définie par g(t)=F((1−t)u+tv) est de classe C1 et on a g′(t)=⟨∇F((1−t)u+tv),(v−u)⟩. La formule de Taylor-Young à l’ordre 1 en 0 s’écrit alors g(t)=g(0)+tg′(0)+o(t), ou encore F((1−t)u+tv))=F(u)+t⟨∇F(u),(v−u)⟩+ot→0(t). Comme F vérifie la propriété (1), on peut écrire F(u)+t⟨∇F(u),(v−u)⟩+ot→0(t)≤(1−t)F(u)+tF(v). En retranchant F(u) de chaque côté et en divisant par t, on obtient F(v)−F(u)≥⟨∇F(u),(v−u)⟩+ot→0(1). En faisant tendre t vers 0, on a montré que F vérifie la propriété (2).
Réciproquement, on suppose que F vérifie la propriété (2). On se fixe x,y∈Rn et t∈[0,1]. On pose z=(1−t)x+ty. On applique la propriété (2) avec u=z et v=x, et donc v−u=−t(y−x) : F(x)≥F(z)−t⟨∇F(z),(y−x)⟩. On applique à nouveau la propriété (2) avec u=z et v=y, et donc ici v−u=(1−t)(y−x) : F(y)≥F(z)+(1−t)⟨∇F(z),(y−x)⟩. On combine ces deux inégalités : (1−t)F(x)+tF(y)≥(1−t+t)F(z)+(−t(1−t)+t(1−t))⟨∇F(z),(y−x)⟩. Comme t+1−t=1 et $ (-t(1-t)+t(1-t))=0$, on obtient bien F(z)≤(1−t)F(x)+tF(y) comme voulu.
Exercice 543 ⭐️⭐️⭐️ Méthode de Newton, Sup/L1
Soit f de classe C1 sur un intervalle I. On suppose que :
f′<0 sur I;
f est convexe;
f s’annule en un unique point α∈I.
On considère la suite (un) définie par son premier terme u0∈I∩]−∞;α], et pour tout n∈N: un+1=un−f′(un)f(un). Montrer que (un) est bien définie et qu’elle converge vers α.
Réflexes
C’est une suite récurrente 👉 étudier la monotonie pour commencer.
Corrigé
∙ Montrons que pour tout n∈N, on a l’implication : (un∈I et un≤α)⇒(un≤un+1≤α).Supposons un∈I et un≤α. Alors f étant convexe et dérivable, on a : ∀t∈I,f′(un)(t−un)+f(un)≤f(t). En particulier en prenant t=α on obtient : f′(un)(α−un)≤−f(un) donc (attention au fait que f′(un)<0) : α≥un−f′(un)f(un)=un+1. De plus dans la relation un+1=un−f′(un)f(un), on remarque que f(un)≥f(α)=0 car f est décroissante, et que f′(un)<0, donc un+1≥un. ∙ Par récurrence, on obtient donc les inégalités u0≤u1≤u2≤⋯≤α.
La suite (un) est donc croissante et majorée par α.
Elle converge donc vers un réel ℓ∈[u0;α].
Comme f est convexe, f′ est croissante et donc 0≥f′(u0)f(un)≥f′(un)f(un). Or f′(un)f(un)=un−un+1→ℓ−ℓ=0.
Donc par encadrement, f′(u0)f(un)→0 et donc f(un)→0.
Conclusion. f étant continue on a donc f(ℓ)=0, et par unicité, ℓ=α.