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60 3. Fonctions convexes
Le domaine effectif (ou simplement domaine) d’une fonction f:E→Rest
l’ensemble des points où elle ne prend pas la valeur +∞. On le note
dom f:= {x∈E:f(x)<+∞}.
On accepte que fprenne la valeur −∞ sur son domaine pour que celui-ci soit convexe
lorsque fest convexe (proposition 3.2, ci-dessous), mais nous considérerons le plus
souvent des fonctions ne prenant pas la valeur −∞. On rappelle que l’épigraphe de f
est la partie de l’espace produit E×Rqui est au-dessus de son graphe :
epi f:= {(x, α)∈E×R:f(x)6α}.
Quant à l’épigraphe stricte, il est obtenu en prenant l’inégalité stricte ci-dessus. On
le note
episf:= {(x, α)∈E×R:f(x)< α}.
Définitions 3.1 On dit qu’une fonction f:E→Rest convexe si son épigraphe (ou
son épigraphe stricte) est convexe dans E×R. On dit que f:E→Rest concave si
−fest convexe. 2
Le fait qu’il soit équivalent de prendre l’épigraphe ou l’épigraphe stricte dans cette
définition est le sujet de l’exercice 3.1 (1).
Proposition 3.2 Le domaine d’une fonction convexe est convexe. Une fonction
f:E→Rest convexe si, et seulement si, pour tout x, y ∈dom fet tout t∈]0,1[,
on a
f(1−t)x+ty6(1−t)f(x) + tf(y).(3.1)
Avant de donner la démonstration de la proposition, observons que le membre de
droite de (3.1) n’est pas ambigu, car les coefficients (1 −t)et tsont strictement
positifs. Donc les produits ne sont pas indéterminés (comme le produit de −∞ par
zéro), même si f(x)ou f(y)valent −∞. Par ailleurs, f(x)ou f(y)ne peuvent pas
prendre la valeur +∞(xet y∈dom f) et donc on n’a jamais l’indétermination ∞−∞.
Démonstration. Supposons que fsoit convexe. Soient x,y∈dom f,t∈]0,1[ et
α,β∈Rtels que α > f (x)et β > f(y)(de tels αet βexistent car xet y∈
dom f). Comme (x, α)et (y, β)sont dans l’épigraphe de f, qui est convexe, il en est
de même de (1−t)(x, α) + t(y, β) = ((1−t)x+ty, (1−t)α+tβ), ce qui se traduit par
f((1−t)x+ty)6(1−t)α+tβ. Comme α > f(x)et β > f (y)sont arbitraires, on
obtient (3.1). En particulier, ((1−t)x+ty)∈dom f; donc dom fest convexe.
Supposons à présent que f:E→R∪ {+∞} vérifie (3.1) pour tout x, y ∈dom f
et tout t∈]0,1[. Soient (x, α)et (y, β)∈epi f; donc xet y∈dom f. D’après (3.1),
on a pour t∈]0,1[ :f((1−t)x+ty)6(1−t)α+tβ. Donc (1−t)(x, α) + t(y, β) =
((1−t)x+ty, (1−t)α+tβ)∈epi f, si bien que epi fest convexe. 2
La signification géométrique de l’inégalité de convexité (3.1) est claire (voir la
figure 3.1) : pour être convexe, il faut que, sur tout segment [x, y]⊂dom f,freste
en-dessous de la fonction affine valant f(x)en xet f(y)en y.