Introduction à la Convexité
Définition intuitive et graphique
La convexité est une propriété géométrique d'une courbe ou d'une fonction. Intuitivement, on peut la visualiser assez facilement.
Une fonction est dite convexe sur un intervalle si sa courbe représentative "ressemble à un bol tourné vers le haut". Cela signifie que si vous prenez deux points quelconques sur la courbe et que vous tracez le segment de droite qui les relie (appelé corde), ce segment sera toujours au-dessus ou sur la courbe.
- Exemple graphique d'une fonction convexe : La fonction est convexe sur . Sa courbe est une parabole ouverte vers le haut. Si vous prenez deux points, le segment qui les joint est toujours au-dessus de la parabole.
Une fonction est dite concave sur un intervalle si sa courbe représentative "ressemble à un bol tourné vers le bas". Dans ce cas, si vous prenez deux points sur la courbe et que vous tracez le segment de droite qui les relie, ce segment sera toujours en-dessous ou sur la courbe.
- Exemple graphique d'une fonction concave : La fonction est concave sur . Sa courbe est une parabole ouverte vers le bas. Si vous prenez deux points, le segment qui les joint est toujours en-dessous de la parabole.
Attention : Souvent, on dit qu'une fonction est concave si son opposé est convexe. Il n'y a pas de "neutre" : une fonction est soit convexe, soit concave, soit ni l'un ni l'autre sur un intervalle donné.
Pour résumer :
- Courbe convexe : la courbe est "tournée vers le haut".
- Courbe concave : la courbe est "tournée vers le bas".
Lien avec la dérivée seconde
Le concept de convexité est étroitement lié à la dérivée seconde d'une fonction, ce qui en fait un outil puissant en analyse. Pour qu'une fonction puisse être étudiée avec la dérivée seconde, elle doit être deux fois dérivable sur l'intervalle considéré.
Soit une fonction deux fois dérivable sur un intervalle .
- Si pour tout , , alors la fonction est convexe sur .
- Si pour tout , , alors la fonction est concave sur .
L'interprétation graphique est simple :
- Lorsque , la pente de la tangente (donnée par ) est croissante. Cela signifie que la courbe "se redresse" de plus en plus, elle est tournée vers le haut.
- Lorsque , la pente de la tangente est décroissante. Cela signifie que la courbe "s'aplatit" ou "se courbe vers le bas", elle est tournée vers le bas.
Ce lien est fondamental car il nous donne une méthode algébrique pour déterminer la convexité d'une fonction sans avoir à tracer sa courbe ou à vérifier la position des cordes. Il suffit de calculer la dérivée seconde et d'étudier son signe.
Points d'inflexion
Un point d'inflexion est un point très particulier sur la courbe d'une fonction. C'est là que la fonction change de convexité. C'est-à-dire qu'elle passe d'être convexe à concave, ou de concave à convexe.
Conditions pour un point d'inflexion en :
- La fonction est deux fois dérivable au voisinage de .
- .
- change de signe en .
Si mais que ne change pas de signe en , alors ce n'est pas un point d'inflexion. Par exemple, pour , on a . Donc , mais partout, donc la fonction reste convexe et n'est pas un point d'inflexion.
Au niveau d'un point d'inflexion, la courbe traverse sa propre tangente. On parle de tangente traversante. C'est une caractéristique visuelle très forte d'un point d'inflexion.
- Méthode de recherche :
- Calculer .
- Résoudre l'équation .
- Étudier le signe de autour des solutions trouvées. Si le signe change, alors il y a un point d'inflexion.
- Les coordonnées du point d'inflexion sont .


