Convexité, Optimisation — Mines-Ponts

Exercices corrigés des Mines-Ponts sur le thème « convexité, Optimisation », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) convergence uniforme ; convexité ; approximation polynomiale
Montrer qu’une fonction continue sur {[a,b]} est convexe si et seulement si elle est limite uniforme de polynômes convexes sur cet intervalle.
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Exercice 2. (★★) points critiques ; extremums globaux ; gradient
Montrer que {f(x,y)=(x^2-y^2)e^{-x^2-y^2}} atteint ses extrema globaux.

Déterminer ses points critiques et les lieux de ces extrema.

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Exercice 3. (★★★) Cauchy-Schwarz ; extremums globaux ; formes linéaires
Sur {\mathbb{R}^n} euclidien, soit {\varphi} une forme linéaire non nulle.

Déterminer les extrema de {f(x)=\varphi(x)e^{-\lVert x\rVert^2}}.

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Exercice 4. (★★★) continuité ; extremums globaux ; majoration
Sur {D=\mathbb{R}_+^2}, poser {f(x,y)=xy/((1+x)(1+y)(x+y))} hors de {(0,0)}, et {f(0,0)=0}.

Montrer sa continuité et étudier ses extrema.

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Exercice 5. (★★) convexité stricte ; caractérisation par les dérivées ; cordes
Pour {f\in C^2(I,\mathbb{R})}, montrer que la convexité équivaut à : pour tous {x,y\in I}, il existe {t\in]0,1[} tel que {f((1-t)x+ty)\le(1-t)f(x)+tf(y)}.
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Exercice 6. (★★) extremums globaux ; continuité ; bornes atteintes
Sur {[0,1]^2}, poser {f(x,y)=x(1-y)} si {x\le y} et {y(1-x)} sinon.

Montrer l’existence et déterminer minimum et maximum.

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Exercice 7. (★) minimum global ; positivité ; formes quadratiques
Sur le triangle plein de sommets {(0,0),(1,0),(0,1)}, déterminer le minimum de {f(x,y)=x^2+y^2+(1-x-y)/2}.
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Exercice 8. (★★★) continuité ; extremums globaux ; gradient
Sur {(\mathbb{R}_+)^2}, poser {f(0,0)=0} et {f(x,y)=xy/((x+1)(y+1)(x+y))} sinon.

Étudier continuité et extrema.

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Exercice 9. (★★★) norme d’une forme linéaire ; compacité ; extremums globaux
Pour une forme linéaire {f} sur un espace normé de dimension finie, montrer que {g(x)=f(x)e^{-\lVert x\rVert^2}} a un minimum et un maximum et les calculer.
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Exercice 10. (★★★) maximum local ; dérivée seconde ; bornes atteintes
Soient {\Omega} un ouvert de {\mathbb{R}}, {K} un compact non vide de {\Omega} et {f\in C^2(\Omega,\mathbb{R})}.
1) On suppose {\Delta f>0}.

Montrer que {f} n’admet pas d’extremum local.

2) On suppose {\Delta f\geq0}.

Montrer que {\max_Kf=\max_{\operatorname{Fr}(K)}f}.

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Exercice 11. (★★★) minimum global ; gradient ; matrices définies positives
Soient {A\in S_n^{++}(\mathbb{R})}, {B\in\mathbb{R}^n} et {f(X)=X^TAX-2B^TX}.
1) Calculer {\nabla f(X)}.

2) Déterminer le minimum global de {f}.

3) Soit une suite convergente de vecteurs non nuls telle que {X_{k+1}=X_k-\frac{\lVert \nabla f(X_k)\rVert}{X_k^TAX_k}\nabla f(X_k)}.

Déterminer sa limite.

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Exercice 12. (★★★) minimum global ; surjectivité ; différentielle
Soit {f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n} différentiable, telle que {df_x} soit injective pour tout {x} et {\lVert f(x)\rVert\to+\infty} lorsque {\lVert x\rVert\to+\infty}. Pour {a\in\mathbb{R}^n}, poser {g(x)=\lVert f(x)-a\rVert^2}.

Calculer {dg}, montrer que {g} admet un minimum et en déduire la surjectivité de {f}.

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Exercice 13. (★★★) tangentes ; minimum global ; différentielle
1) Soit {f\in C^1(U,\mathbb{R})}, où {U\subset\mathbb{R}^n} est ouvert convexe.

Montrer que {f} est convexe si et seulement si {f(y)-f(x)\geq df_x(y-x)}.

Que devient cette caractérisation pour {n=1} ?

2) Pour {\alpha,\beta\in\mathbb{R}}, soit {E=\left\{f\in C^1([0,1]):f(0)=\alpha,f(1)=\beta\right\}}.

Montrer que {\Phi(f)=\int_0^1\sqrt{1+f'(x)^2}\,dx} atteint son infimum en un unique élément de {E}, à préciser.

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Exercice 14. (★★★★) gradient ; extremums sous contrainte ; espaces tangents
Dans {E=M_n(\mathbb{R})} euclidien, poser {f(M)=\operatorname{tr}(M^TM)}, {g(M)=\det M-1} et {h=f_{|SL_n(\mathbb{R})}}.
1) Calculer les gradients de {f,g} en {M\in SL_n(\mathbb{R})}.

2) Montrer que {h} atteint son minimum en une matrice {M_0}.

3) Pour {H\perp\nabla g(M_0)}, construire un chemin {C^1} dans {SL_n} de valeur {M_0} et de dérivée {H} en {0}.

4) Montrer {(\nabla f(M_0))^\perp=(\nabla g(M_0))^\perp}.

5) Calculer le minimum.

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Exercice 15. (★★★) Intégration sur un segment ; Taylor-Young ; caractérisation par les dérivées
Soit {f\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})}.

Montrer que {f} est convexe si et seulement si, pour tous {x\in\mathbb{R}} et {r\ge0}, {2rf(x)\le\int_{x-r}^{x+r}f(t)\,dt}.

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Exercice 16. (★★★) caractérisation par les dérivées ; primitives ; positivité
Soit {I} un intervalle réel non trivial.

Montrer que toute fonction {C^2} sur {I} est la différence de deux fonctions convexes.

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Exercice 17. (★★★★) gradient ; extremums globaux ; bornes atteintes
1) Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} dérivable minorée, avec {m=\inf f} non atteint.

Montrer qu’il existe {x_n} avec {f(x_n)\le m+2^{-n}} et {|x_n|\ge n}.

En déduire l’existence de {u_n} tels que {|u_n|\to\infty} et {f'(u_n)\to0}.

2) Pour {p\ge2} et {f\in C^1(\mathbb{R}^p,\mathbb{R})} minorée, montrer que {g_\varepsilon(x)=f(x)+\varepsilon\lVert x\rVert} atteint son minimum.

En déduire une suite {u_n} avec {\nabla f(u_n)\to0}.

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Exercice 18. (★★★) matrice hessienne ; caractérisation par les dérivées ; bornes atteintes
Soit {f\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} dont la hessienne a toutes ses valeurs propres dans {[1,+\infty[} en tout point.
1) Montrer que {f(x)\ge f(0)+\langle\nabla f(0),x\rangle+\lVert x\rVert^2/2}.

2) En déduire que {f} admet un minimum.

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Exercice 19. (★★★) extremums globaux ; points critiques ; matrice hessienne
Sur {D=]0,1[^2}, poser {f(x,y)=1/(1-x)+1/(1-y)+1/(x+y)}.
1) Montrer que {f} est {C^1}.

2) Déterminer ses extrema locaux.

3) En étudiant sa restriction à {K=\left\{(x,y)\in D:x,y\in[0,7/9],\ x+y\ge2/9\right\}}, déterminer ses extrema globaux.

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Exercice 20. (★★★) points critiques ; matrice hessienne ; extremums locaux
Étudier les extrema de {f(x,y)=xe^y+ye^x} sur {\mathbb{R}^2}.
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Exercice 21. (★★★) Cauchy-Schwarz ; extremums globaux ; gradient
Soient {E} un espace euclidien et {\varphi\in E^\star}.

Étudier les extrema de {f(x)=\varphi(x)e^{-\lVert x\rVert^2}}.

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Exercice 22. (★★★) matrice hessienne ; caractérisation par les dérivées ; bornes atteintes
Soit {n\ge2} et {f\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} dont la hessienne a toujours ses valeurs propres dans {[1,+\infty[}.
1) Montrer que {t\mapsto f(tx)-\langle\nabla f(0),tx\rangle -t^2\lVert x\rVert^2/2} est convexe pour tout {x}.

2) Montrer que {f} admet un minimum global.

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Exercice 23. (★★) gradient ; extremums globaux ; endomorphismes définis positifs
Soient {E} un espace euclidien, {v\ne0} et {f\in S^{++}(E)}.
1) Montrer qu’il existe une base propre {(e_1,\ldots,e_n)} de {f}.

2) Montrer que {\langle f(x),x\rangle>0} pour {x\ne0}.

3) Montrer que {g(x)=\tfrac12\langle f(x),x\rangle-\langle v,x\rangle} est {C^1}.

4) Calculer ses dérivées partielles dans la base propre et son gradient.

5) Montrer qu’elle a un unique point critique {c}.

6) Montrer que {c} est un minimum global.

Existe-t-il d’autres extrema locaux ?

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Exercice 24. (★★★) extremums locaux et globaux ; dérivées partielles ; bornes atteintes
Soient {B} la boule unité ouverte de {\mathbb{R}^n}, {S} sa sphère et {f:\overline B\to\mathbb{R}} de classe {C^2}.
1) Si {f|_S\le0} et {f(\zeta)>0} pour un {\zeta\in B}, montrer que, pour {\varepsilon>0} assez petit, {\varphi(x)=f(x)+\varepsilon(\lVert x\rVert^2-1)} atteint un maximum en {\zeta_0\in B}, puis que {\Delta f(\zeta_0)\lt 0}.

2) Si {\Delta f=0}, montrer que les minimum et maximum sur {\overline B} sont ceux sur {S}.

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Exercice 25. (★★) produit scalaire ; inégalités de convexité ; endomorphismes définis positifs
On munit {\mathbb{R}^n} de son produit scalaire canonique et on prend {A\in\mathcal S_n^{++}(\mathbb{R})}. Une fonction est strictement convexe si, pour deux points distincts et {t\in]0,1[}, sa valeur au point {(1-t)x+ty} est strictement inférieure à {(1-t)f(x)+tf(y)}.

Montrer que {x\mapsto\langle Ax,x\rangle} est convexe sur {\mathbb{R}^n} et étudier sa stricte convexité.

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Exercice 26. (★★★★) valeurs intermédiaires ; cordes et tangentes ; dérivées unilatérales
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} telle qu’autour de chaque point il existe un intervalle où {f} est convexe.
1) Montrer que {f} est dérivable à droite partout.
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2) Montrer que {f} est convexe et continue sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 27. (★★★★) cordes et tangentes ; positivité de l’intégrale ; bornes atteintes
Soit {f\in C^0(\mathbb{R},\mathbb{R})}.

Montrer que {f} est convexe si et seulement si, pour tous {x\lt y}, {f((x+y)/2)\le\frac1{y-x}\int_x^yf(t)\,dt.}

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Exercice 28. (★★★★) convergence uniforme ; caractérisation de la convexité par les dérivées ; approximation polynomiale
Soient {a\lt b}.

Quelles fonctions sur {[a,b]} sont limites uniformes de polynômes {p_n} tels que {p_n''(x)\ge0} pour tout {x\in[a,b]} ?

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Exercice 29. (★★★) dérivées partielles ; points critiques ; hessienne
On pose {f(x,y)=(x^2+y^2)^x} hors de l’origine et {f(0,0)=1}.
1) Étudier sa continuité.
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2) Montrer qu’elle est {C^1} hors de l’origine et étudier les dérivées partielles à l’origine.
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3) Étudier les variations de {x\mapsto f(x,0)}.
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4) Étudier les extrema de {f}.
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Exercice 30. (★★★) points critiques ; hessienne ; extremums locaux
Soit {f(x,y)=\sqrt{1+x^2}+\sqrt{1+y^2}-xy/\sqrt2} sur {\mathbb{R}^2}.

Déterminer ses extrema et leur nature.

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Exercice 31. (★★★) inégalité de convexité ; extremums globaux ; compacité
Soit {D=\left\{(x,y)\in[0,\pi]^2:x+y\le\pi\right\}}.

Déterminer les extrema de {\varphi(x,y)=\sin x\sin y\sin(x+y)} sur {D}.

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Exercice 32. (★★) points critiques ; extremums locaux ; développements limités
Soit {f(x,y)=x^2-xy^2}.
1) Déterminer ses points critiques.
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2) Montrer que sa restriction à toute droite passant par l’origine y possède un minimum local.
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3) A-t-elle un extremum local à l’origine dans le plan ?
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Exercice 33. (★★★) compacts en dimension finie ; extremums globaux ; inégalité de Cauchy-Schwarz
1) Soient {E} normé de dimension finie non nulle et {f\in\mathcal L(E,\mathbb{R})\setminus\left\{0\right\}}.

Montrer que {g(x)=f(x)e^{-\lVert x\rVert^2}} atteint un minimum et un maximum.

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2) Pour {E=\mathbb{R}^n} euclidien et {f(x)=\langle a,x\rangle}, {a\ne0}, calculer ces extrema et leurs points d’atteinte.
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Exercice 34. (★★★) points critiques ; hessienne ; extremums locaux
Déterminer les extrema de {f(x,y)=xe^y+ye^x} sur {\mathbb{R}^2}.
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Exercice 35. (★★★★) extremums globaux ; convexité ; parité
Soit {f(a,b)=\int_{-1}^1|t^2+at+b|\,dt}.
1) Déterminer le minimum de {b\mapsto f(0,b)}.
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2) Pour {b} fixé, déterminer le minimum de {a\mapsto f(a,b)}.
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3) Déterminer le minimum global de {f}.
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Exercice 36. (★★) condition nécessaire d’extremum ; différentiabilité ; développement limité à l’ordre un
Soient {U\subset\mathbb{R}^n} ouvert, {x_0\in U} et {g_1\le f\le g_2}, avec {g_1(x_0)=g_2(x_0)}.

Si {g_1,g_2} sont différentiables sur {U}, montrer que {f} est différentiable en {x_0}.

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Exercice 37. (★★) extremums globaux ; gradient ; théorème spectral
Soit {f} un endomorphisme symétrique de {\mathbb{R}^n} à valeurs propres strictement positives, et {v\in\mathbb{R}^n}.
1) Rappeler l’existence d’une base orthonormée propre.
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2) Montrer que {\langle x,fx\rangle>0} pour {x\ne0}.
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3) Montrer que {g(x)=\frac12\langle x,fx\rangle-\langle v,x\rangle} est {C^1}.
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4) Déterminer son gradient.
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5) Déterminer son unique point critique {c} et sa valeur.
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6) Étudier ses extrema globaux et les autres extrema éventuels.
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Exercice 38. (★★★) points critiques ; hessienne ; extremums globaux
Soit {f(x_1,\ldots,x_n)=\exp(n-1-\sum\limits_{k=1}^nx_k)+\sum\limits_{k=1}^ne^{x_k}}.
1) Déterminer ses points critiques.
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2) Préciser la Hessienne aux points critiques et les conséquences.
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3) Déterminer ses extrema.
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Exercice 39. (★★★) points critiques ; compacts en dimension finie ; différentiabilité
Soient {n\ge2}, {c>0} et {f:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n} de classe {C^1} avec {\lVert f(x)-f(y)\rVert\ge c\lVert x-y\rVert}.
1) Montrer que {\lVert df(a)h\rVert\ge c\lVert h\rVert} et que {df(a)} est bijective.
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2) Pour {b\in\mathbb{R}^n}, montrer que {g_b(x)=\lVert f(x)-b\rVert^2} atteint un minimum.
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3) En déduire que {f} est bijective.
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Exercice 40. (★★★★) composantes connexes par arcs ; concavité stricte ; extremums globaux
Soient {D_1,\ldots,D_p} des droites affines du plan non parallèles deux à deux, et {f_i} des formes linéaires non nulles, constantes de valeur {a_i} sur {D_i}. Soit {C} une composante connexe par arcs du complément de ces droites et {g_i=f_i-a_i}.
1) Montrer que chaque {g_i} garde un signe sur {C}.
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2) Pour {b_i>0}, on pose {\Phi(z)=\sum\limits_ib_i\log|g_i(z)|}.

Montrer qu’elle est {C^2}.

Pour {z_1,z_2\in C}, montrer que {\Psi(t)=\Phi(tz_1+(1-t)z_2)} est concave et que {\Psi''} ne s’annule pas.

Si {C} est bornée, montrer qu’elle contient un unique point critique de {\Phi} et préciser sa nature.

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Exercice 41. (★★★) compacité ; condition nécessaire d’extremum ; hessienne
Soient {r>0}, {a\in\mathbb{R}^n} et {f} continue sur la boule fermée {\overline B(a,r)}, de classe {C^2} dans la boule ouverte. On pose {\Delta f=\sum\limits_k\partial_{kk}f}.
1) Si {\Delta f>0} à l’intérieur, montrer que le maximum existe et ne peut être atteint à l’intérieur.
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2) Si {\Delta f\ge0}, montrer que le maximum est atteint sur la sphère. Indication : considérer {f_\varepsilon(x)=f(x)+\varepsilon\lVert x-a\rVert^2}.
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Exercice 42. (★★★) hessienne ; formule de Taylor avec reste intégral ; extremums globaux
Soient {n\ge2} et {f\in C^2(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} dont les valeurs propres de chaque Hessienne sont au moins un.

Montrer que {f(x)\ge f(0)+\langle\nabla f(0),x\rangle+\lVert x\rVert^2/2}, puis que {f} possède un minimum.

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Exercice 43. (★★★★) gradient ; compacité ; convergence de suites
Soit {G\in C^1(\mathbb{R}^n,\mathbb{R})} et {\alpha>0} tels que {G(y)-G(x)\ge\langle\nabla G(x),y-x\rangle+\frac\alpha2\lVert y-x\rVert^2.}
1) Montrer qu’une fonction continue tendant vers {+\infty} à l’infini atteint son minimum.
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2) Montrer que {G} possède un unique minimiseur.
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3) Si {\nabla G(x)\ne0}, montrer que {t\mapsto G(x+t\nabla G(x))} a un unique minimiseur.

Que se passe-t-il si le gradient est nul ?

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4) Pour {u_{k+1}=u_k+t_k\nabla G(u_k)} avec {t_k} minimisant cette fonction de {t}, relier les deux gradients successifs.
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5) Montrer que {(u_k)} converge.
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PSI


Exercice 1. (★★★) Extremums globaux ; Inégalités de convexité ; Bornes atteintes
Soient {D=\left\{(x,y)\in\mathbb{R}_+^2:x+y\leq1\right\}} et {a,b,c\geq0}.

Montrer que {f(x,y)=x^ay^b(1-x-y)^c} admet des extrema sur {D} et les calculer.

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Exercice 2. (★★★) extremums sur un compact ; extremums au bord ; concavité
Sur {D=\left\{(x,y):x\ge0,y\ge0,x+y\le1\right\}}, soient {a,b,c\ge0} et {f(x,y)=x^ay^b(1-x-y)^c}.

Montrer l’existence d’extrema locaux et les déterminer.

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PC


Exercice 1. (★★) inégalité de la tangente ; cas d'égalité ; fonctions concaves
Pour {\alpha,\beta,\gamma\geq0} avec {\alpha+\beta+\gamma=\pi/2}, montrer {\sin\alpha\sin\beta\sin\gamma\leq1/8}.
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Exercice 2. (★★) fonction convexe ; bornitude ; inégalité de la tangente
Montrer qu’une fonction réelle bornée {C^2} sur {\mathbb{R}} avec {f''\geq0} est constante.
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Exercice 3. (★★★) exponentielle complexe ; module et argument ; cordes et tangentes
Pour {z\in\mathbb{C}}, soit {f(z)=(e^{iz}-e^{-iz})/(2i)} et {\varphi(z)=|f(z)|^2}.
1) {\varphi} est-elle bornée sur {\mathbb{C}} ?

2) Montrer qu’elle est bornée sur {D=\left\{|z|\leq1\right\}} et déterminer son maximum.

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Exercice 4. (★★) inégalités de convexité ; caractérisation par les dérivées
Soient {a,b,c\geq0} tels que {a+b+c=\pi/2}.

Montrer que {\sin a\sin b\sin c\leq1/8}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.