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Terminale ES - Convexité et inflexion

Une fonction est convexe sur un intervalle I si et seulement si



CONVEXITÉ

La fonction f est convexe sur I si sur l'intervalle I



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  • Comment déterminer qu'une fonction est convexe ?

    Une fonction convexe poss? une dérivée première croissante ce qui lui donne l'allure de courber vers le haut. Au contraire, une fonction concave poss? une dérivée première décroissante ce qui lui donne l'allure de courber vers le bas.
  • Quand la fonction est convexe ?

    Une fonction f est convexe lorsque sa courbe représentative se trouve au-dessus de ses tangentes, et concave lorsque sa courbe représentative se trouve en dessous de ses tangentes.
  • Comment montrer qu'une courbe est convexe ?

    On démontre qu'une fonction est convexe sur un intervalle si et seulement si sa dérivée est croissante sur cet intervalle, autrement dit si sa dérivée seconde est positive sur cet intervalle.
  • Elle est strictement convexe si on peut mettre l'inégalité stricte pour ? ?]0, 1[ et x = y. Une fonction f est dite (strictement) concave si ?f est (strictement) convexe. – Le nombre ?x + (1 ? ?)y, ? ? [0, 1] est une combinaison convexe de x et y, c'est-à-dire un barycentre à coefficients positifs (voir Exercice 1).
10.Convexité

Cours Terminale ES @ E. Poulin Page 33

10.1. Convexité

1. Fonctions convexes, fonctions concaves

Définitions :

f est une fonction dérivable sur un intervalle I et CCCC sa courbe représentative dans un repère. · Dire que f est convexe sur I signifie que sur I, la courbe est entièrement au-dessus de chacune de ses tangentes. · Dire que f est concave sur I signifie que sur I, la courbe est entièrement en-dessous de chacune de ses tangentes.

2. Convexité des fonctions de référence

· La fonction

2xxa est convexe sur

· La fonction

xexa est convexe sur

· La fonction

xxa est concave sur [[+¥;0.

· La fonction

xxlna est concave sur ][+¥;0.

CONVEXE

CONCAVE

Cours Terminale ES @ E. Poulin Page 34

3. Point d"inflexion

Définition :

f est une fonction dérivable sur un intervalle I et CCCC sa courbe représentative dans un repère.

Dire que

()()afaA; est un point d"inflexion de CCCC signifie qu"en A la courbe CCCC traverse sa tangente.

Conséquence : En l"abscisse a d"un point d"inflexion, f passe de convexe à concave ou de

concave à convexe. Exemple : g est la fonction définie sur par ()3xxg= L"origine O du repère est un point d" »inflexion de la courbe représentant u.

U est concave sur

]]0;¥- et convexe sur [[+¥;0.

10.2. Propriétés des fonctions convexes

1. Convexité et extremum

Propriété :

Si f est une fonction convexe et dérivable sur un intervalle I et si pour un réel c de I, ()0=¢cf, alors f admet un minimum absolu sur I en c.

Démonstration :

Si ()0=¢cf, la tangente d à la courbe au point d"abscisse c est parallèle à l"axe des abscisses.

Or f est convexe sur I, donc sa courbe représentative est située au dessus de toutes ses tangents,

et en particulier de la droite ()cfy=.

Cela signifie que pour tout réel x de I,

()()cfxf³.

Donc que f admet un minimum absolu en c.

Propriété :

Si f est une fonction concave et dérivable sur un intervalle I et si pour un réel c de I, ()0=¢cf, alors f admet un maximum absolu sur I en c.

Démonstration :

Analogue à la précédente

2. Convexité et opération

Propriété :

· Si f et g sont deux fonctions dérivables et convexes sur un intervalle I, alors f + g est une

fonction convexe sur I a

CONVEXE

CONCAVE

T

CONVEXE

CONCAVE

d c O y x

Cours Terminale ES @ E. Poulin Page 35

· Si f est une fonction dérivable et convexe sur un intervalle I et l un réel positif, alors lf

est une fonction convexe sur I

Propriété :

· Si f et g sont deux fonctions dérivables et concaves sur un intervalle I, alors f + g est une

fonction concave sur I · Si f est une fonction dérivable et concave sur un intervalle I et l un réel strictement positif, alors lf est une fonction concave sur I

Propriété :

· Si f est une fonction dérivable et convexe sur un intervalle I, alors f- est une fonction concave sur I · Si f est une fonction dérivable et concave sur un intervalle I, alors f- est une fonction convexe sur I

10.3. Convexité et dérivée

1. Convexité et sens de variation de f "

Propriétés (admises)

f est une fonction dérivable sur un intervalle I · f est convexe si, et seulement si, f¢ est croissante sur I · f est concave si, et seulement si, f¢ est décroissante sur I

Exemples :

· 2xxa est convexe sur . Sa dérivée pour tout x est ()xxf2=¢ et f¢ est croissante sur · xxlna est concave sur ][+¥;0. Sa dérivée pour tout x de ][+¥;0 est ()xxf2=¢ et f

¢ est décroissante sur ][+¥;0

2. Convexité et signe de f ""

Définition :

f est une fonction dérivable sur un intervalle I Dire que f est deux fois dérivable sur I signifie que f

¢ est elle-même dérivable sur I.

La dérivée de f

¢, notée f¢¢, est appelée dérivée seconde de f. Exemple : déterminer la dérivée seconde de 2xxa.

Propriétés

f est une fonction deux fois dérivable sur un intervalle I · f est convexe si, et seulement si, pour tout x de I, ()0³¢¢xf · f est concave si, et seulement si, pour tout x de I, ()0£¢¢xf Preuve : cela se déduit immédiatement de la propriété précédente Exemple : f est une fonction deux fois dérivable définie sur par ()xexf-=1 . ()xexf-=¢ et ()xexf-=¢¢. Pour tout x de ()0£¢¢xf, donc f est concave sur .

Cours Terminale ES @ E. Poulin Page 36

3. Point d"inflexion et dérivée seconde

Propriété (admise)

f est une fonction deux fois dérivables sur un intervalle I. CCCC est la courbe représentative de f dans

un repère et Ia Î. Le point ()()afaA; est un point d"inflexion de CCCC si, et seulement si, f¢¢ s"annule en a en changeant de signe.

Exemple

Pour tout nombre réel x, ()3xxg=, ()23xxg=¢, ()xxg6=¢¢ Avec le tableau de signe ci-contre, on retrouve que l"origine O du repère représente un point d"inflexion de la courbe f. x 0 ()xxg6=¢¢ - 0 +

10.4. Position relative de courbes

1. Une propriété de exp

Propriété : Pour tout nombre réel x, xex>

Démonstration

La fonction exponentielle est convexe sur , donc, dans un repère, sa courbe CCCC est au-dessus de toutes ses tangentes.

En particulier,

CCCC est au-dessus de sa tangente T au point d"abscisse 0 dont on sait qu"une

équation est

1+=xy

Ainsi pour tout nombre réel

x, 1+³xex. Or xx>+1 , donc xex>.

1. Une propriété de ln

Propriété : Pour tout nombre réel 0>x, xxln>

Démonstration

La fonction logarithme est concave sur , donc, dans un repère, sa courbe CCCC est en-dessous de toutes ses tangentes.

En particulier,

CCCC est en-dessous de sa tangente T au point d"abscisse 1 dont on sait qu"une

équation est 1

-=xy

Ainsi pour tout nombre réel

x, 1ln-£xx. Or xx<-1 , donc xx2. Conséquences graphiques Il résulte immédiatement des deux propriétés ci- dessus, que dans un repère · La courbe représentative de la fonction exponentielle est au-dessus de la droite d"équation xy= sur

· La droite d"équation xy= est au dessus de

la courbe représentative de la fonction logarithme népérien sur ][+¥;0 xy= xey= xyln=quotesdbs_dbs31.pdfusesText_37
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