Fonctions convexes
Prologue
Ce chapître développe les propriétés des fonctions convexes f∶C⊂E↦R
définies sur une partie convexe Cd’un espace de dimension finie E. Si, fonda-
mentalement, la convexité est une propriété unidimensionnelle - une fonction
f∶C⊂E↦Rest convexe si et seulement si, pour toute droite affine (D)de E,
sa restriction à (D)∩Cest convexe - l’exigence que cette propriété soit vérifiée
dans toutes les directions, c’est-à-dire pour toute droite affine (D), contraint la
fonction fà une certaine régularité globale. On prouve par exemple que toute
fonction convexe f∶C⊂E↦Rest localement Lipschitzienne sur l’intérieur de
son domaine C(Corollaire 9.4.1), et qu’elle est Fréchet-dérivable en tout point
ade l’intérieur de Cen lequel elle admet des directionnelles dans les directions
des nvecteurs d’une quelconque base B={e(1),...,e(n)} de E. En particu-
lier, f∶C⊂Rn↦Rest Fréchet-dérivable en un point ade l’intérieur de C, dès
qu’elle admet des dérivées partielles en a(Corollaire 9.4.2).
On caractérise les fonctions convexes f∶C⊂E↦Rdeux-fois Fréchet-dériva-
bles sur un ouvert convexe Ccomme les fonctions dont la dérivée seconde, en
tout point de C, est une forme bilinéaire SDP , et on énonce alors une condi-
tion nécessaire et suffisante pour qu’une telle fonction fsoit strictement convexe
(Corollaire 9.5.1).
La convexité joue un rôle central en optimisation pour au moins deux rai-
sons fondamentales. La première est que l’on sait écrire, pour tout problème
d’optimisation convexe, c’est-à-dire tout problème consistant à minimiser une
fonction convexe sur un ensemble convexe, des conditions nécessaires et suffi-
santes d’optimalité (Théorème 9.3.2). La seconde, plus pragmatique, est que, s’il
existe des algorithmes bien adaptés à la résolution numérique des problèmes
convexes, les problèmes non convexes s’avèrent extrèmement difficiles à ré-
soudre numériquement, et nécessitent le recours à des heuristiques(1)ou à des
méthodes stochastiques(2).
1. Heuristique : du grec : ²υρισκω : « je trouve » : méthode de calcul fournissant en temps
polynômial une solution réalisable non nécessairement optimale d’un problème d’optimisation.
2. Stochastique : Se dit des phénomènes relevant du hasard, et faisant l’objet d’une analyse
statistique : http : // larousse.fr/dictionnaires/français/stochastique/74742 .