Exercices corrigés des ENS sur le thème « convexité, Optimisation », regroupés par filière.
MP–MPI
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Montrer {\sum\limits_{t\in[0,1]}m_t\geq n}.
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Montrer que son maximum sur la boule unité fermée est atteint sur la sphère unité.
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Montrer que {V} atteint son maximum sur {B} en un point de {S\cap H}.
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Montrer que {P} possède un nombre fini de sommets.
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Montrer que {f} possède un point fixe dans {K}.
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Montrer que {f^{**}} est le supremum des fonctions affines minorant {f}.
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b) Montrer de même {a_n>0} pour tout {n\ge1}.
c) Si {f\in C^2} et {a_1>0} sur tout sous-segment, montrer que {f} est strictement convexe.
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Montrer qu’il existe une droite vectorielle ne rencontrant pas {C}.
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Montrer qu’on peut choisir {(\gamma_k)} de sorte que {\max_{x\in\Delta}\sum_{k=1}^N\langle x,Ay_k\rangle -\min_{y\in\Delta}\sum_{k=1}^N\langle x_k,Ay\rangle\le o(N).}
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Pour {x,y\in C}, déterminer {\sup_{f\in\mathcal F}(f(y)-f(x))} et les cas où cette borne est atteinte.
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Montrer que {g(x)=\sup_{(y,a)\in E}(xy-a)}, puis que {(g^\star)^\star=g}. Étendre au cas où {g} n’est pas dérivable.
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Calculer {\inf\left\{\sum\limits_{i=1}^nx_i/y_i^a:y_i>0,\ \sum\limits_iy_i\le1\right\}}.
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Si {R(f_0,n)} est constante égale à {R_0}, montrer que {R_0=\min_g\sup_nR(g,n)} et que {f_0} est l’unique minimiseur.
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Quelle est l’aire maximale d’un quadrilatère dont les côtés successifs ont pour longueurs {a,b,c,d} ?
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Déterminer le périmètre maximal du polygone de sommets {e^{i\theta_1},\ldots,e^{i\theta_n}}, dans cet ordre.
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PSI
i) Exprimer {g'(t)}.
ii) Montrer que {f(w)-f(v)=\int_0^1\langle\nabla f(v+t(w-v)),w-v\rangle dt}.
iii) Montrer que {f(w)\le f(v)+\langle\nabla f(v),w-v\rangle+(L/2)\lVert w-v\rVert}.
b) Pour {f:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R}} différentiable, montrer que {f} est convexe si et seulement si {f(w)\ge f(v)+\langle\nabla f(v),w-v\rangle} pour tous {w,v}. Indication : commencer par {d=1}.
c) Soit {f:\mathbb{R}^d\to\mathbb{R}} différentiable. On pose {v_0=0} et {v_{n+1}=v_n-\frac1{2L}\lVert \nabla f(v_n)\rVert^2}.
Montrer que {f(v_{n+1})\le f(v_n)-\frac1{2L}\lVert \nabla f(v_n)\rVert^2}.
d) On suppose de plus {f} convexe.
i) Montrer que {f(v_{n+1})\le f(w)+\langle\nabla f(v_n),v_n-w\rangle -\frac1{2L}\lVert \nabla f(v_n)\rVert^2}.
ii) Montrer que {f(v_n)-f(w)\le\frac L2(\lVert v_n-w\rVert^2-\lVert v_{n+1}-w\rVert^2)}.
iii) Montrer que {f(v_n)-f(w)\le\frac L{2n}\lVert w\rVert^2}.
d) Soit {v^\star} un point critique de {f}.
Montrer que {v^\star} est un minimum local et que {(v_n)} converge vers {v^\star}.
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i) Montrer {f((\mu+\mu')/2)\le(f(\mu)+f(\mu'))/2}.
ii) En déduire la convexité de {f}.
iii) Montrer que {f} croît sur {\mathbb{R}_+}.
iv) Conclure.
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i) montrer {f(\sum\limits_i\lambda_ix_i)\le\sum\limits_i\lambda_if(x_i)} ;
ii) montrer que l’inégalité est stricte si {f\in C^2}, {f''>0}, les poids sont dans {]0,1[} et les {x_i} sont distincts.
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ii) Montrer {\mathrm{TV}=\sum\limits_\omega\max(P_1(\left\{\omega\right\}),P_2(\left\{\omega\right\}))-1}.
iii) Montrer {1-\mathrm{TV}^2\ge(\sum\limits_\omega\sqrt{P_1(\left\{\omega\right\})P_2(\left\{\omega\right\})})^2}.
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i) Montrer {D\ge0}.
ii) Montrer {(\sum\limits_\omega\sqrt{P_1(\left\{\omega\right\})P_2(\left\{\omega\right\})})^2\ge e^{-D}}.
iii) Conclure.
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PC
Montrer son existence et discuter son unicité.
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