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. Inégalité de convexité exponentielle. 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.
Soient a 1, a 2, b 1, b 2 ∈ ℝ +, déduire de ce qui précède: a 1 b 1 a 1 p + a 2 p p b 1 q + b 2 q q ≤ 1 p a 1 p a 1 p + a 2 p + 1 q b 1 q b 1 q + b 2 q . (c) Conclure que a 1 b 1 + a 2 b 2 ≤ a 1 p + a 2 p p b 1 q + b 2 q q . (d) Plus généralement, établir que pour tout n ∈ ℕ et tous a 1, …, a n, b 1, …, b n, ∑ i = 1 n a i b i ≤ ∑ i = 1 n a i p p ∑ i = 1 n b i q q . Par la concavité de x ↦ ln ( x), on a pour tout a, b > 0 et tout λ ∈ [ 0; 1] l'inégalité: λ ln ( a) + ( 1 - λ) ln ( b) ≤ ln ( λ a + ( 1 - λ) b) . Appliquée à λ = 1 / p, elle donne ln ( a p b q) ≤ ln ( a p + b q) puis l'inégalité voulue. Enfin celle-ci reste vraie si a = 0 ou b = 0. Inégalité de convexité ln. Il suffit d'appliquer l'inégalité précédente à a = a 1 p a 1 p + a 2 p et b = b 1 q b 1 q + b 2 q . De même, on a aussi a 2 b 2 a 1 p + a 2 p p b 1 q + b 2 q q ≤ 1 p a 2 p a 1 p + a 2 p + 1 q b 2 q b 1 q + b 2 q donc en sommant les inégalités obtenues puis en simplifiant on obtient celle voulue.
Ainsi N a pour coordonnées ( t a + ( 1 − t) b; t f ( a) + ( 1 − t) f ( b)). Puisque l'ordonnée de P est inférieure à celle de N, on peut écrire: f ( t a + ( 1 − t) b) ≤ t f ( a) + ( 1 − t) f ( b). d) Si f est concave sur I, la courbe représentant f est située au-dessus de ses cordes. L'ordonnée de P est donc supérieure à celle de N, soit: f ( t a + ( 1 − t) b) ≥ t f ( a) + ( 1 − t) f ( b). Étudier la convexité d'une fonction composée Soient a et b deux éléments de I et t ∈ 0; 1. Inégalité de convexité généralisée. Une fonction croissante conserve l'ordre; l'ordre des images est le même que celui des éléments de départ. Puisque f est convexe sur I, on a: f ( t a + ( 1 − t) b) ≤ t f ( a) + ( 1 − t) f ( b). Comme g est croissante sur ℝ, on en déduit que: g f t a + ( 1 − t) b ≤ g t f ( a) + ( 1 − t) f ( b). De plus, g étant convexe, on a aussi d'après la partie A: g t f ( a) + ( 1 − t) f ( b) ≤ t g f ( a) + ( 1 − t) g f ( b). Cela entraîne g f ( t a + ( 1 − t) b) ≤ t g f ( a) + ( 1 − t) g f ( b), soit h t a + ( 1 − t) b ≤ t h ( a) + ( 1 − t) h ( b).
et g: [ a; b] → ℝ une fonction continue à valeurs dans I. f ( 1 b - a ∫ a b g ( t) d t) ≤ 1 b - a ∫ a b f ( g ( t)) d t . (Inégalité d'entropie) Soit φ: I → ℝ convexe et dérivable sur I intervalle non singulier. Établir que pour tout a, x ∈ I on a l'inégalité φ ( x) ≥ φ ( a) + φ ′ ( a) ( x - a) . Soit f: [ 0; 1] → I continue. Leçon 253 (2020) : Utilisation de la notion de convexité en analyse.. Établir φ ( ∫ 0 1 f ( t) d t) ≤ ∫ 0 1 φ ( f ( t)) d t . Soit f: [ 0; 1] → ℝ continue, strictement positive et d'intégrale égale à 1. Montrer ∫ 0 1 f ( t) ln ( f ( t)) d t ≥ 0 . Soient f, g: [ 0; 1] → ℝ continues, strictement positives et d'intégrales sur [ 0; 1] égales à 1. En justifiant et en exploitant l'inégalité x ln ( x) ≥ x - 1 pour x > 0, montrer ∫ 0 1 f ( t) ln ( f ( t)) d t ≥ ∫ 0 1 f ( t) ln ( g ( t)) d t . φ étant convexe, la courbe est au dessus de chacune de ses tangentes. Posons a = ∫ 0 1 f ( u) d u ∈ I et considérons x = f ( t) ∈ I: φ ( f ( t)) ≥ φ ( a) + φ ′ ( a) ( f ( t) - a) En intégrant sur [ 0; 1], on obtient ∫ 0 1 φ ( f ( t)) d t ≥ φ ( ∫ 0 1 f ( u) d u) car ∫ 0 1 φ ′ ( a) ( f ( t) - a) d t = φ ′ ( a) ( ∫ 0 1 f ( t) d t - ∫ 0 1 f ( u) d u) = 0 .
Alors, il existe tels que et. Considérons la fonction croissante de la propriété 3 ci-dessus et un réel tel que. Pour tout, on a, avec égalité si. La propriété est donc satisfaite en prenant. Propriété 11 Soit une fonction continue. Pour que soit convexe sur, il suffit qu'elle soit « faiblement convexe », c'est-à-dire que. Résumé de cours : Fonctions convexes. (L'expression « faiblement convexe » est empruntée à Emil Artin, The Gamma Function, Holt, Rinehart and Winston, 1964, 39 p. [ lire en ligne], p. 5. ) Cette démonstration, extraite de, utilise le théorème de Weierstrass (ou « des bornes »). Pour une autre démonstration, voir le § « Possibilité de n'utiliser que des milieux » de l'article de Wikipédia sur les fonctions convexes. Raisonnons par contraposée, c'est-à-dire supposons que (continue sur) n'est pas convexe et montrons qu'alors elle n'est même pas « faiblement convexe ». Par hypothèse, il existe un intervalle tel que le graphe de la restriction de à ce sous-intervalle ne soit pas entièrement en-dessous de la corde qui joint à, c'est-à-dire tel que la fonction (continue) vérifie:.
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