Convexité

I - Fonction convexe, fonction concave

1 - Définitions

Définition 1 : Soit $f$ une fonction, $\mathcal{C}_f$ sa courbe et $A$, $B$ deux points de $\mathcal{C}_f$. La droite $(AB)$ est appelée sécante à $\mathcal{C}_f$.
Définition 2 : Une fonction $f$ est convexe sur un intervalle $I$ lorsque, pour tous points $A$ et $B$ de $\mathcal{C}_f$ d'abscisses dans $I$, le segment $[AB]$ est au-dessus de la partie de $\mathcal{C}_f$ située entre $A$ et $B$.

Exemples de fonctions convexes

$x \mapsto x^2$ est convexe sur $\mathbb{R}$.

xyAB

$x \mapsto e^x$ est convexe sur $\mathbb{R}$.

xyAB
Définition 3 : Une fonction $f$ est concave sur un intervalle $I$ lorsque, pour tous points $A$ et $B$ de $\mathcal{C}_f$ d'abscisses dans $I$, le segment $[AB]$ est en dessous de la partie de $\mathcal{C}_f$ située entre $A$ et $B$.

Exemples de fonctions concaves

$x \mapsto \ln x$ est concave sur $]0\,;\,+\infty[$.

xyAB

$x \mapsto \sqrt{x}$ est concave sur $[0\,;\,+\infty[$.

xyAB

2 - Dérivée seconde

Propriété 1 :
  • Une fonction dérivable sur $I$ est convexe sur $I$ si et seulement si sa dérivée est croissante sur $I$.
  • Une fonction dérivable sur $I$ est concave sur $I$ si et seulement si sa dérivée est décroissante sur $I$.

Remarque : si $f'$ est elle-même dérivable sur $I$, on note $f''$ la dérivée seconde de $f$ (dérivée de $f'$). Alors :

  • $f$ est convexe sur $I$ $\iff$ $f''(x) \geqslant 0$ pour tout $x \in I$ ;
  • $f$ est concave sur $I$ $\iff$ $f''(x) \leqslant 0$ pour tout $x \in I$.

Méthode : étudier la convexité

$f(x) = x^3 + 1$ sur $\mathbb{R}$ : $f'(x) = 3x^2$ et $f''(x) = 6x$.

$x$$-\infty$$0$$+\infty$
$f''(x)$$-$$0$$+$
$f$concaveconvexe
  • $f''(x) \leqslant 0$ sur $]-\infty\,;\,0]$ : $f$ est concave sur $]-\infty\,;\,0]$ ;
  • $f''(x) \geqslant 0$ sur $[0\,;\,+\infty[$ : $f$ est convexe sur $[0\,;\,+\infty[$.

II - Tangentes et point d'inflexion

1 - Tangentes

Propriété 2 : Si $f$ est dérivable en $a$, la tangente à $\mathcal{C}_f$ au point d'abscisse $a$ a pour équation :$$y = f'(a)(x - a) + f(a)$$
Propriété 3 :
  • $f$ est convexe sur $I$ si et seulement si sa courbe est entièrement au-dessus de chacune de ses tangentes ;
  • $f$ est concave sur $I$ si et seulement si sa courbe est entièrement en dessous de chacune de ses tangentes.

Exemples

$x^2$ : courbe au-dessus de ses tangentes.

xy

$\ln x$ : courbe en dessous de ses tangentes.

xy

2 - Point d'inflexion

Définition 4 : On appelle point d'inflexion un point où la courbe d'une fonction traverse sa tangente.

Exemple : point d'inflexion sur un graphique

$f(x) = x^3 + 1$ ; $f'(0) = 0$ et $f(0) = 1$ : la tangente en $A(0\,;\,1)$ est la droite $y = 1$. La courbe traverse cette tangente en $A$ : $A$ est un point d'inflexion.

xyy = 1A
Propriété 4 : Soit $f$ deux fois dérivable sur $I$ et $a \in I$. La courbe de $f$ admet un point d'inflexion d'abscisse $a$ si et seulement si $f''$ s'annule en changeant de signe en $a$.

Remarque : en un point d'inflexion, la fonction change de convexité (elle passe de concave à convexe, ou inversement).

Méthode : trouver un point d'inflexion par le calcul

$g(x) = x^3 - 3x^2 + 2$ : $g'(x) = 3x^2 - 6x$ et $g''(x) = 6x - 6 = 6(x - 1)$.

$x$$-\infty$$1$$+\infty$
$g''(x)$$-$$0$$+$
$g$concaveconvexe

$g''$ s'annule en changeant de signe en $1$ et $g(1) = 0$ : le point $I(1\,;\,0)$ est un point d'inflexion.

Application : une inégalité de convexité

La fonction exponentielle est convexe sur $\mathbb{R}$ ($\exp'' = \exp > 0$). Sa tangente en $0$ est $y = x + 1$, donc la courbe est au-dessus : $e^x \geqslant x + 1$ pour tout réel $x$.

De même, $\ln$ est concave ($\ln''(x) = -\dfrac{1}{x^2} < 0$) et sa tangente en $1$ est $y = x - 1$ : $\ln x \leqslant x - 1$ pour tout $x > 0$.