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Leçon 5

Dérivée seconde et convexité

Vidéo 5 : Dérivée seconde et convexité · 3 min 19 s · sous-titres en français

Le cours écrit

5.1 Dérivée seconde

Définition. Soit ff une fonction dérivable sur II. Si sa dérivée f′f' est elle-même dérivable sur II, la dérivée de f′f' s'appelle la dérivée seconde de ff. On la note f′′f'' (on lit « ff seconde ») : f′′=(f′)′f'' = (f')'. On dit alors que ff est deux fois dérivable sur II.

Exemple 13. f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2 : f′(x)=3x2−6xf'(x) = 3x^2 - 6x et f′′(x)=6x−6f''(x) = 6x - 6.

Exemple 14. g(x)=x exg(x) = x\,\mathrm{e}^x : g′(x)=ex+x ex=(x+1) exg'(x) = \mathrm{e}^x + x\,\mathrm{e}^x = (x + 1)\,\mathrm{e}^x, puis g′′(x)=ex+(x+1) ex=(x+2) exg''(x) = \mathrm{e}^x + (x + 1)\,\mathrm{e}^x = (x + 2)\,\mathrm{e}^x.

Interprétation. f′(x)f'(x) est la pente de la tangente ; f′′(x)f''(x) indique comment cette pente varie. En physique, si d(t)d(t) est la distance parcourue au temps tt, d′(t)d'(t) est la vitesse et d′′(t)d''(t) l'accélération.

5.2 Fonction convexe, fonction concave

Une sécante à la courbe Cf\mathcal{C}_f est une droite qui passe par deux points AA et BB de la courbe.

Définition (programme). Soit ff une fonction définie sur un intervalle II.

  • ff est convexe sur II si, pour tous points AA et BB de Cf\mathcal{C}_f d'abscisses dans II, la portion de courbe comprise entre AA et BB est située en dessous du segment [AB][AB].
  • ff est concave sur II si cette portion de courbe est toujours située au-dessus du segment [AB][AB].

Avec des calculs : si a<ba < b sont deux réels de II, la sécante passant par A(a ;f(a))A\big(a\,;f(a)\big) et B(b ;f(b))B\big(b\,;f(b)\big) a pour équation y=f(a)+f(b)−f(a)b−a(x−a)y = f(a) + \dfrac{f(b) - f(a)}{b - a}(x - a). Dire que ff est convexe, c'est dire que, pour tous a<ba < b de II et tout xx de [a ;b][a\,;b], f(x)≤f(a)+f(b)−f(a)b−a(x−a).f(x) \leq f(a) + \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(x - a).

Image mentale. Une courbe convexe est « tournée vers le haut », comme un bol ; une courbe concave est « tournée vers le bas », comme un dôme. Une fonction ff est concave sur II si et seulement si −f-f est convexe sur II.

5.3 La fonction carré est convexe

Exemple 15. Soient a<ba < b deux réels, A(a ;a2)A(a\,;a^2) et B(b ;b2)B(b\,;b^2). La pente de la sécante (AB)(AB) vaut b2−a2b−a=a+b\dfrac{b^2 - a^2}{b - a} = a + b, et son équation est y=a2+(a+b)(x−a)y = a^2 + (a + b)(x - a), soit y=(a+b)x−aby = (a + b)x - ab. Alors, pour tout réel xx : x2−((a+b)x−ab)=x2−(a+b)x+ab=(x−a)(x−b).x^2 - \big((a + b)x - ab\big) = x^2 - (a+b)x + ab = (x - a)(x - b). Si a≤x≤ba \leq x \leq b, on a x−a≥0x - a \geq 0 et x−b≤0x - b \leq 0, donc (x−a)(x−b)≤0(x - a)(x - b) \leq 0 : la courbe est sous la sécante entre AA et BB. La fonction carré est convexe sur R\mathbb{R}.

Par exemple, pour a=−1a = -1 et b=2b = 2, la sécante a pour équation y=x+2y = x + 2, et x2≤x+2x^2 \leq x + 2 pour tout xx de [−1 ;2][-1\,;2].

Exemple 16 (la racine carrée). Entre O(0 ;0)O(0\,;0) et B(4 ;2)B(4\,;2), la sécante a pour équation y=x2y = \dfrac{x}{2}. Pour 0≤x≤40 \leq x \leq 4 : x≥x2  ⟺  x≥x24\sqrt{x} \geq \dfrac{x}{2} \iff x \geq \dfrac{x^2}{4} (les deux membres sont positifs)   ⟺  x(4−x)≥0\iff x(4 - x) \geq 0, ce qui est vrai. La courbe est au-dessus de cette sécante : c'est ce qu'on attend d'une fonction concave. On le démontrera pour toutes les sécantes à la leçon 6.

5.4 Les fonctions de référence

On lit sur leurs courbes, et on justifiera à la leçon 6 :

Fonction Convexe sur Concave sur
x↦x2x \mapsto x^2 R\mathbb{R}
x↦exx \mapsto \mathrm{e}^x R\mathbb{R}
x↦xx \mapsto \sqrt{x} [0 ;+∞[[0\,;+\infty[
x↦1xx \mapsto \dfrac1x ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[ ]−∞ ;0[]-\infty\,;0[
x↦x3x \mapsto x^3 [0 ;+∞[[0\,;+\infty[ ]−∞ ;0]]-\infty\,;0]
x↦ax+bx \mapsto ax + b R\mathbb{R} R\mathbb{R}

Une fonction affine est à la fois convexe et concave : sa courbe est confondue avec ses sécantes.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 9 et 10

  • Exercice 9 : dérivées secondes
  • Exercice 10 : la convexité par les sécantes

Exercices du chapitre (PDF, 156 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 171 Ko)

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