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Une page de Wikiversité, la communauté pédagogique libre. Dans tout ce chapitre, et désignent des intervalles de ℝ. Définition On dit qu'une application est convexe sur si:; strictement convexe sur si, pour et, on a même:. Les inégalités de la définition sont connues sous les noms d'inégalité de convexité et d'inégalité de convexité stricte. Ces définitions s'appliquent à des fonctions qui ne sont pas forcément dérivables. Dans le cas où la fonction est dérivable ou mieux admet une dérivée seconde, nous verrons que l'on peut trouver des caractérisations plus simples des fonctions convexes et une condition suffisante de convexité stricte. On dit qu'une application est concave (resp. strictement concave) sur si est convexe (resp. strictement convexe) sur. Nous allons étudier maintenant quelques propriétés des fonctions convexes. Propriété 1 Une application est convexe sur si et seulement si pour tous points et de sa courbe représentative, l'arc est en-dessous de la corde. Il n'y a pas vraiment de démonstration à faire ici.
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Exemple: Pour tout réel \(x\), on pose \(g(x)=\dfrac{1}{12}x^4-\dfrac{2}{3}x^3+2x^2\). La fonction \(g\) est deux fois dérivable sur \(\mathbb{R}\) et pour tout réel \(x\), \(g'(x)=\dfrac{1}{3}x^3-2x^2+4x\) et \(g^{\prime\prime}(x)=x^2-4x+4=(x-2)^2\). Ainsi, pour tout réel \(x\), \(g^{\prime\prime}(x)\geqslant 0\). \(g\) est donc convexe sur \(\mathbb{R}\). Puisqu'il n'y a pas de changement de convexité, \(g\) ne présente pas de point d'inflexion, et ce, même si \(g^{\prime\prime}(2)=0\). Applications de la convexité Inégalité des milieux Soit \(f\) une fonction convexe sur un intervalle \(I\). Pour tous réels \(a\) et \(b\) de \(I\), \[ f\left( \dfrac{a+b}{2} \right) \leqslant \dfrac{f(a)+f(b)}{2}\] On considère les points \(A(a, f(a))\) et \((b, f(b))\). Le milieu du segment \([AB]\) a pour coordonnées \(\left(\left(\dfrac{a+b}{2}\right), \dfrac{f(a)+f(b)}{2}\right)\). Or, la fonction \(f\) étant convexe sur \(I\), le segment \([AB]\) se situe au-dessus de la courbe représentative de \(f\).
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d) En déduire que f est concave si f ( t a + ( 1 − t) b) ≥ t f ( a) + ( 1 − t) f ( b). Partie B: Applications ▶ 1. Soient f une fonction convexe sur un intervalle I et g une fonction croissante et convexe sur ℝ. Montrer que la fonction h: x ↦ g f ( x) est convexe sur I. ▶ 2. a) Montrer que la fonction logarithme népérien est concave sur 0; + ∞. b) En déduire que, pour tous a et b réels strictement positifs, on a: 1 2 ln a + 1 2 ln b ≤ ln 1 2 a + 1 2 b, puis que a b ≤ a + b 2. Partie A ▶ 1. a) Traduisez l'égalité vectorielle en utilisant l'abscisse et l'ordonnée de chacun des deux vecteurs. Pour rappel: deux vecteurs sont égaux s'ils ont les mêmes composantes. c) La convexité précise la position de la courbe par rapport à ses cordes. Un point de la courbe et d'abscisse x comprise entre a et b (exprimée en fonction de a, b, t) a une ordonnée inférieure à celle du point de même abscisse situé sur la corde. Il peut être utile de faire un schéma. Partie B ▶ 1. Traduisez la convexité de f en utilisant l'inégalité de la question 1. c), puis utilisez le fait que g est croissante sur I, donc conserve l'ordre entre les antécédents et les images.
Compléments sur les fonctions Définition d'une fonction convexe par une inégalité 50 min 5 points Intérêt du sujet • Il y a plusieurs façons d'aborder la notion de convexité. Ce sujet vous en propose une nouvelle qui lie des notions de géométrie et d'analyse, et qui est fondée sur l'étude d'une inégalité. Soit f une fonction convexe sur un intervalle I et soient a et b deux éléments de I. On considère les points A et B de la courbe représentative de f de coordonnées respectives A ( a; f ( a)) et B ( b; f ( b)). Soient A 0 ( a; 0) et B 0 ( b; 0) deux points de l'axe des abscisses. On se propose de montrer que f est convexe sur a; b si, pour tout t appartenant à 0; 1, on a f ( t a + ( 1 − t) b) ≤ t f ( a) + ( 1 − t) f ( b). Partie A: Caractérisation de la convexité ▶ 1. Soit M un point d'abscisse x 0 situé entre A 0 et B 0 tel que B 0 M → = t B 0 A 0 → avec t ∈ 0; 1. a) Déterminer l'abscisse de M en fonction de a, b et t. b) Déterminer l'équation réduite de la droite ( AB). c) En traduisant que f est une fonction convexe sur a; b à l'aide de la position de la courbe par rapport à ses cordes, montrer que f est convexe si, pour tout t ∈ 0; 1, f ( t a + ( 1 − t) b) ≤ t f ( a) + ( 1 − t) f ( b).
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