Fonctions convexes

Exercice 159 ⭐️⭐️ Fonction convexe bornée, MPSI/L2/Classique

Soit f:RR\displaystyle f:\R\rightarrow\R une fonction C2\displaystyle C^2 convexe bornée. Montrer que f\displaystyle f est constante.

Convexe C2\displaystyle C^2 👉 f0\displaystyle f''\ge0 et développement de Taylor pour faire apparaître f\displaystyle f''.

Prenons un aR\displaystyle a\in\R quelconque. On a f(x)=f(a)+(xa)f(a)+12(xa)2f(c)\displaystyle f(x)=f(a)+(x-a)f'(a)+\frac{1}{2}(x-a)^2f''(c)c[a,x]\displaystyle c\in[a,x]. Le dernier terme est toujours positif par hypothèse, donc f(x)f(a)+(xa)f(a)\displaystyle f(x)\ge f(a)+(x-a)f'(a). Si f(a)>0\displaystyle f'(a)>0, alors f(x)x++\displaystyle f(x)\xrightarrow[x\to+\infty]{}+\infty, et si f(a)<0\displaystyle f'(a)<0, alors f(x)x+\displaystyle f(x)\xrightarrow[x\to-\infty]{}+\infty, ce qui contredit la bornitude de f\displaystyle f. Cela suggère bien une preuve par l’absurde.
On suppose f\displaystyle f non constante, i.e. il existe aR\displaystyle a\in\R tel que f(a)0\displaystyle f'(a)\neq 0, et c’est gagné car on est soit dans le cas f(a)>0\displaystyle f'(a)>0, soit f(a)<0\displaystyle f'(a)<0.

Exercice 161 ⭐️ Inégalité arithmético-géométrique, Sup/L1

Soit x1,,xn\displaystyle x_1,\cdots,x_n des réels >0\displaystyle >0. Montrer que (x1x2xn)1/nx1++xnn\displaystyle (x_1x_2\cdots x_n)^{1/n}\le \frac{x_1+\cdots+x_n}{n}.

a1/n\displaystyle a^{1/n} 👉 passage au log\displaystyle \log

En passant au log\displaystyle \log, il suffit de montrer que 1n(log(x1)+log(xn))log(x1++xnn)\displaystyle \frac{1}{n}(\log(x_1)+\cdots \log(x_n))\le \log\left(\frac{x_1+\cdots+x_n}{n}\right), ce qui exprime la concavité du log\displaystyle \log.

Exercice 166 ⭐️⭐️⭐️ Inégalité 1+xayb\displaystyle 1+x^ay^b, X, Spé/L2

Soit a+b=1\displaystyle a+b=1 avec a,b0\displaystyle a,b\ge0. Montrer que pour tout x,y0\displaystyle x,y\ge0, 1+xayb(1+x)a(1+y)b.1+x^ay^b\le (1+x)^a(1+y)^b.

  • ua\displaystyle u^a 👉 Passage au log\displaystyle \log, écriture sous forme exponentielle ;
  • a+b=1\displaystyle a+b=1 avec a,b0\displaystyle a,b\ge0 👉 Inégalité de convexité !

1er réflexe - On passe au log. L’inégalité équivaut à ln(1+xayb)aln(1+x)+bln(1+y)\displaystyle \ln(1+x^ay^b)\le a\ln(1+x)+b\ln(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)\displaystyle \ln(1+x^ay^b)=\ln(1+e^{a\ln x+b\ln y}) et là on reconnait une combinaison convexe avec les points lnx\displaystyle \ln x et lny\displaystyle \ln y. On introduit donc la fonction f(z)=ln(1+ez)\displaystyle f(z)=\ln(1+e^z). En dérivant deux fois, on voit que f\displaystyle f est convexe, et donc f(alnx+blny)af(lnx)+bf(lny)=aln(1+x)+bln(1+y)\displaystyle f(a\ln x+b\ln y)\le af(\ln x)+bf(\ln y)=a\ln(1+x)+b\ln(1+y), ce qu’on voulait !

ça tombe vite avec les réflexes, non ? 😎

Exercice 212 ⭐️⭐️⭐️ Convexité et différentiabilité, Spé/L2/Classique

Soit U\displaystyle U un ouvert convexe de Rn\displaystyle \R^n et f:UR\displaystyle f:U\to\R. On suppose que f\displaystyle f est différentiable sur U\displaystyle U. Montrer que f\displaystyle f est convexe si et seulement si pour tout x,yU\displaystyle x,y \in U, f(x)f(y)+dyf(xy). f(x)\ge f(y)+d_y f(x-y).

  • Convexité 👉 f(tx+(1t)y)tf(x)+(1t)f(y)\displaystyle f(tx+(1-t)y)\le tf(x)+(1-t)f(y) ;
  • Faire apparaître les quantités souhaitées.

Si f\displaystyle f est convexe alors f(tx+(1t)y)tf(x)+(1t)f(y)\displaystyle f(tx+(1-t)y)\le tf(x)+(1-t)f(y) pour tout x,yU\displaystyle x,y\in U et t[0,1]\displaystyle t\in[0,1]. Ce qu’on peut réécrire f(y+t(xy))f(y)t(f(x)f(y))\displaystyle f(y+t(x-y))-f(y) \le t(f(x)-f(y)). En divisant par t>0\displaystyle t>0 et en faisant tendre t0\displaystyle t\to0, on obtient
dyf(xy)f(x)f(y)\displaystyle d_y f(x-y)\le f(x)-f(y), ce qu’on voulait.

Réciproquement, on part de la dernière inégalité et on veut faire apparaître f(tx+(1t)y)\displaystyle f(tx+(1-t)y). On peut donc avoir l’idée de prendre comme nouveau x\displaystyle x le point z=tx+(1t)y\displaystyle z=tx+(1-t)y. Ecrivons dyf(zy)f(z)f(y)\displaystyle d_y f(z-y)\le f(z)-f(y).
D’où dyf(t(xy))f(z)f(y)\displaystyle d_y f(t(x-y))\le f(z)-f(y), mais le f(z)\displaystyle 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\displaystyle y par z\displaystyle z et on a bien cette fois f(z)...\displaystyle f(z)\le ... i.e. dans le sens qu’on veut ! On peut prendre naturellement comme couples (x,z)\displaystyle (x,z) et (y,z)\displaystyle (y,z), ce qui donne :
f(z)+dzf(xz)f(x)f(z)+d_z f(x-z) \le f(x) f(z)+dzf(yz)f(y).f(z)+d_z f(y-z) \le f(y). On a xz=xyt(xy)=(1t)(xy)\displaystyle x-z=x-y-t(x-y)=(1-t)(x-y) et yz=t(xy)\displaystyle y-z=-t(x-y).
On multiplie donc par t\displaystyle t la 1ere inégalité et par (1t)\displaystyle (1-t) la 2nd, on somme et on a, comme la différentielle est linéaire (on peut sortir le t\displaystyle t et 1t\displaystyle 1-t), f(z)tf(x)+(1t)f(y)\displaystyle f(z)\le tf(x)+(1-t)f(y).

Exercice 319 ⭐️ Convexité et réciproque, MP/L2

Soit I\displaystyle I un intervalle ouvert, et f:IR\displaystyle f:I\to \R convexe, strictement croissante.

  1. Montrer que f\displaystyle f est continue sur I\displaystyle I.
    Montrer que cette propriété est fausse en général si I\displaystyle I n’est pas supposé ouvert.
  2. Justifier que f\displaystyle f définit une bijection de I\displaystyle I vers J=f(I)\displaystyle J=f(I).
  3. Montrer que sa réciproque f1:JI\displaystyle f^{-1}:J\to I est concave.
  1. Taux d’accroissement croissant !
  2. On ne peut penser qu’à une chose ici 👉 Théorème de la bijection monotone.
  3. Partir de la définition de convexité de f\displaystyle f. En déduire une information sur f1\displaystyle f^{-1}.
  1. Soit τa:xf(x)f(a)xa\displaystyle \tau_a: x\mapsto \frac{f(x)-f(a)}{x-a}, définie sur I{a}\displaystyle I\setminus\{a\}.
    τa\displaystyle \tau_a est croissante, minorée par τa(b)\displaystyle \tau_a(b) pour b\displaystyle b quelconque dans I];a[\displaystyle I\cap]-\infty;a[.
    Ainsi τa(x)\displaystyle \tau_a(x) possède une limite finie +\displaystyle \ell^+ quand xa+\displaystyle x\to a^+. Ainsi f(x)f(a)xa+(xa)+\displaystyle f(x)-f(a)\underset{x\to a^+}\sim(x-a)\ell^+, et en particulier f(x)f(a)xa+0\displaystyle f(x)-f(a)\underset{x\to a^+}\to 0. f\displaystyle f est donc continue à droite en a\displaystyle a, et on montre de même sa continuité à gauche.
    Si I\displaystyle I n’est pas ouvert, ça ne marche plus : prendre I=R+\displaystyle I=\R_+, et f(x)={1, si x=0,0, si x>0.\displaystyle f(x)=\begin{cases}1,&\text{ si }x=0,\\0,&\text{ si }x>0.\end{cases}
  2. f\displaystyle f est strictement croissante et continue, le théorème de la bijection monotone donne donc la conclusion voulue.
  3. Soit α,βJ\displaystyle \alpha,\beta\in J et a=f1(α)\displaystyle a=f^{-1}(\alpha), b=f1(β)\displaystyle b=f^{-1}(\beta). Pour t[0;1]\displaystyle t\in[0;1] on a f(ta+(1t)b)tα+(1t)β.f(ta+(1-t)b)\leq t\alpha+(1-t)\beta. f\displaystyle f étant strictement croissante, on a donc : tf1(α)+(1t)f1(β)f1(tα+(1t)β).tf^{-1}(\alpha)+(1-t)f^{-1}(\beta)\leq f^{-1}(t\alpha+(1-t)\beta). Ainsi f1\displaystyle f^{-1} est concave.

Exercice 422 ⭐️⭐️ Critère de convexité, Sup/Spé/L2

Montrer qu’une fonction f:RR\displaystyle f : \R \rightarrow \R est convexe si et seulement si x<y<zR3 , 111xyzf(x)f(y)f(z)0.\forall x<y<z \in \R^3 \ , \ \left|\begin{array}{ccc} 1 & 1 & 1 \\ x & y & z \\ f(x) & f(y) & f(z)\end{array}\right| \ge 0.

Si on n’a pas d’idées, on peut commencer par développer le déterminant pour voir si on reconnaît quelque chose…

En développant le déterminant par rapport à la dernière ligne, on montre que l’inégalité de l’énoncé est équivalente à f(x)(zy)f(y)(zx)+f(z)(yx)0.f(x)(z-y)-f(y)(z-x)+f(z)(y-x) \ge 0. En écrivant zx=(zy)+(yx)\displaystyle z-x=(z-y)+(y-x), l’inégalité devient : (f(z)f(y))(yx)(f(y)f(x))(zy).(f(z)-f(y))(y-x) \ge (f(y)-f(x))(z-y). En divisant à droite et à gauche par (zy)(xy)>0\displaystyle (z-y)(x-y) > 0, on a montré que la condition de l’énoncé est équivalente à x<y<zR3 , f(y)f(x)yxf(z)f(y)zy,\forall x<y<z \in \R^3 \ , \ \frac{f(y)-f(x)}{y-x} \le \frac{f(z)-f(y)}{z-y}, ce qui est exactement l’inégalité des pentes définissant la convexité de f\displaystyle f.

Exercice 434 ⭐️⭐️ Fonction convexe, MP

Soit F:RnR\displaystyle F : \R^n \rightarrow \R une fonction de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1. Montrer que les deux définitions suivantes de convexité sont équivalentes :
(1) x,yRn , t[0,1] , F((1t)x+ty)(1t)F(x)+tF(y).(1) \ \forall x,y \in \R^n \ , \ \forall t \in [0,1] \ , \ F((1-t)x+ty) \le (1-t) F(x)+t F(y).
(2) u,vRn , F(v)F(u)+F(u),vu.(2) \ \forall u,v \in \R^n \ , \ F(v) \ge F(u) + \langle \nabla F(u) , v-u \rangle.

Si on ne comprend rien, on peut toujours tenter un dessin dans le cas où n=1\displaystyle n=1

On suppose que la fonction F\displaystyle F vérifie la propriété (1). On fixe u,vRn\displaystyle u,v \in \R^n. La fonction g:[0,1]R\displaystyle g : [0,1] \rightarrow \R définie par g(t)=F((1t)u+tv)\displaystyle g(t) = F((1-t)u+tv) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 et on a g(t)=F((1t)u+tv),(vu).g'(t) = \left\langle \nabla F((1-t)u+tv) , (v-u)\right \rangle. La formule de Taylor-Young à l’ordre 1\displaystyle 1 en 0\displaystyle 0 s’écrit alors g(t)=g(0)+tg(0)+o(t)\displaystyle g(t)=g(0)+tg'(0)+o(t), ou encore F((1t)u+tv))=F(u)+tF(u),(vu)+ot0(t).F((1-t)u+tv)) = F(u)+t \left\langle \nabla F(u) , (v-u)\right \rangle + o_{t \to 0}(t). Comme F\displaystyle F vérifie la propriété (1), on peut écrire F(u)+tF(u),(vu)+ot0(t)(1t)F(u)+tF(v). F(u)+t \left\langle \nabla F(u) , (v-u)\right \rangle + o_{t \to 0}(t) \le (1-t) F(u) + t F(v). En retranchant F(u)\displaystyle F(u) de chaque côté et en divisant par t\displaystyle t, on obtient F(v)F(u)F(u),(vu)+ot0(1).F(v)-F(u) \ge \left\langle \nabla F(u) , (v-u)\right \rangle + o_{t \to 0}(1). En faisant tendre t\displaystyle t vers 0\displaystyle 0, on a montré que F\displaystyle F vérifie la propriété (2).

Réciproquement, on suppose que F\displaystyle F vérifie la propriété (2). On se fixe x,yRn\displaystyle x,y \in \R^n et t[0,1]\displaystyle t\in [0,1]. On pose z=(1t)x+ty\displaystyle z = (1-t) x + t y. On applique la propriété (2) avec u=z\displaystyle u=z et v=x\displaystyle v=x, et donc vu=t(yx)\displaystyle v-u = -t(y-x) : F(x)F(z)tF(z),(yx).F(x) \ge F(z) - t \left\langle \nabla F(z) , (y-x)\right \rangle. On applique à nouveau la propriété (2) avec u=z\displaystyle u=z et v=y\displaystyle v=y, et donc ici vu=(1t)(yx)\displaystyle v-u = (1-t)(y-x) : F(y)F(z)+(1t)F(z),(yx).F(y) \ge F(z) +(1-t) \left\langle \nabla F(z) , (y-x)\right \rangle. On combine ces deux inégalités : (1t)F(x)+tF(y)(1t+t)F(z)+(t(1t)+t(1t))F(z),(yx).(1-t)F(x)+tF(y) \ge (1-t+t) F(z) + (-t(1-t)+t(1-t))\left\langle \nabla F(z) , (y-x)\right \rangle. Comme t+1t=1\displaystyle t+1-t=1 et $ (-t(1-t)+t(1-t))=0$, on obtient bien F(z)(1t)F(x)+tF(y)\displaystyle F(z) \le (1-t) F(x)+t F(y) comme voulu.

Exercice 543 ⭐️⭐️⭐️ Méthode de Newton, Sup/L1

Soit f\displaystyle f de classe C1\displaystyle \mathcal C^1 sur un intervalle I\displaystyle I. On suppose que :

  • f<0\displaystyle f'<0 sur I\displaystyle I;
  • f\displaystyle f est convexe;
  • f\displaystyle f s’annule en un unique point αI\displaystyle \alpha\in I.

On considère la suite (un)\displaystyle (u_n) définie par son premier terme u0I];α]\displaystyle u_0\in I\cap]-\infty;\alpha], et pour tout nN\displaystyle n\in\N: un+1=unf(un)f(un).u_{n+1}=u_n-\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}. Montrer que (un)\displaystyle (u_n) est bien définie et qu’elle converge vers α\displaystyle \alpha.

C’est une suite récurrente 👉 étudier la monotonie pour commencer.

\displaystyle \bullet Montrons que pour tout nN\displaystyle n\in\N, on a l’implication : (unI et unα)(unun+1α).\bigg(u_n\in I\text{ et }u_n\leq \alpha\bigg)\Rightarrow\bigg(u_n\leq u_{n+1}\leq\alpha\bigg).Supposons unI et unα\displaystyle u_n\in I\text{ et }u_n\leq \alpha. Alors f\displaystyle f étant convexe et dérivable, on a : tI,f(un)(tun)+f(un)f(t).\forall t\in I, f'(u_n)(t-u_n)+f(u_n)\leq f(t). En particulier en prenant t=α\displaystyle t=\alpha on obtient : f(un)(αun)f(un)f'(u_n)(\alpha-u_n)\leq -f(u_n) donc (attention au fait que f(un)<0\displaystyle f'(u_n)<0) : αunf(un)f(un)=un+1.\alpha\ge u_n-\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}=u_{n+1}. De plus dans la relation un+1=unf(un)f(un)\displaystyle u_{n+1}=u_n-\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}, on remarque que f(un)f(α)=0\displaystyle f(u_n)\ge f(\alpha)=0 car f\displaystyle f est décroissante, et que f(un)<0\displaystyle f'(u_n)<0, donc un+1un\displaystyle u_{n+1}\ge u_n.
\displaystyle \bullet Par récurrence, on obtient donc les inégalités u0u1u2α\displaystyle u_0\le u_1\le u_2\le\dots\le\alpha.
La suite (un)\displaystyle (u_n) est donc croissante et majorée par α\displaystyle \alpha.
Elle converge donc vers un réel [u0;α]\displaystyle \ell\in [u_0;\alpha].
Comme f\displaystyle f est convexe, f\displaystyle f' est croissante et donc 0f(un)f(u0)f(un)f(un).0\ge \frac{f(u_n)}{f'(u_0)}\ge\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}. Or f(un)f(un)=unun+1=0\displaystyle \frac{f(u_n)}{f'(u_n)} = u_n-u_{n+1}\to\ell-\ell=0.
Donc par encadrement, f(un)f(u0)0\displaystyle \frac{f(u_n)}{f'(u_0)}\to 0 et donc f(un)0\displaystyle f(u_n)\to 0.
Conclusion. f\displaystyle f étant continue on a donc f()=0\displaystyle f(\ell)=0, et par unicité, =α\displaystyle \ell=\alpha.