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Convexité et dérivées
Le cours écrit
6.1 Les caractérisations (admises)
Théorème (équivalence admise par le programme). Soit une fonction deux fois dérivable sur un intervalle . Les quatre propositions suivantes sont équivalentes :
- est convexe sur ;
- la courbe est située au-dessus de chacune de ses tangentes sur ;
- la dérivée est croissante sur ;
- la dérivée seconde est positive sur : pour tout de .
De même, est concave sur si et seulement si est en dessous de ses tangentes, si et seulement si est décroissante sur , si et seulement si sur .
Pourquoi c'est naturel. Sur une courbe convexe, quand on avance de gauche à droite, la pente des tangentes augmente : croît. Et croissante, c'est (signe de la dérivée et variations, appliqué à ).
En pratique, on étudie la convexité avec le signe de .
6.2 Démonstration du programme
Propriété. Si est positive sur , alors la courbe représentative de est au-dessus de ses tangentes.
Démonstration. Soit un réel de . La tangente à au point d'abscisse a pour équation . On étudie l'écart entre la courbe et la tangente :
- La fonction est dérivable sur et (car et sont des constantes).
- Comme sur , la fonction est croissante sur . Donc :
- si , alors , donc ;
- si , alors , donc .
- La fonction est donc décroissante sur et croissante sur . Elle atteint son minimum en , et ce minimum vaut .
| décroissante | croissante |
- Donc pour tout de , c'est-à-dire : la courbe est au-dessus de sa tangente . Comme est quelconque, elle est au-dessus de toutes ses tangentes.
De même, si sur , la courbe est en dessous de ses tangentes (on applique le résultat à ).
6.3 Étudier la convexité d'une fonction
Exemple 17 (l'exponentielle). pour tout réel : la fonction exponentielle est convexe sur . Sa courbe est au-dessus de toutes ses tangentes.
Exemple 18 (la racine carrée). Sur , la dérivée est décroissante : quand augmente, augmente, donc diminue. La fonction racine carrée est donc concave sur . Par le calcul, avec et la règle :
Exemple 19. (exemple 13) : .
convexité de concave convexe est concave sur et convexe sur .
Exemple 20. (exemple 14) : , du signe de . La fonction est concave sur et convexe sur .
Méthode. Pour étudier la convexité de sur : on calcule , on étudie son signe, et on conclut : convexe là où , concave là où .
Exercices 11 et 12
- Exercice 11 : étudier la convexité
- Exercice 12 : la démonstration du cours sur un exemple
Corrigés
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