Fonctions convexes et différentiabilité

Bonjour
J'ai deux questions assez simples sur les fonctions convexes.

Soit $E\subseteq\R^d$ un ensemble convexe, $x_0\in E$ et $f:E\to\R$ une fonction convexe sur $E$. Je définis le cône tangent de $E$ en $x_0$ comme l'ensemble $T(E,x_0)$ de toutes les directions dans lesquelles je peux me déplacer dans $E$ depuis $x_0$, i.e., $T(E,x_0)=\{u\in\R^d\mid \exists t>0,\ x_0+tu\in E\}$ (dans certains ouvrages, le cône tangent est défini comme l'adhérence de $T(E,x_0)$). Je donne aussi deux définitions sur lesquelles j'ai l'impression qu'il n'y a pas un consensus dans la littérature (au moins dans le cas où $x_0$ est un point du bord de $E$).

1. Disons que $f$ admet des dérivées partielles en $x_0$ si et seulement si pour tout $u\in T(E,x_0)$, $\frac{f(x_0+tu)-f(x_0)}{t}$ admet une limite (finie) lorsque $t\to 0$. Ici, on suppose que lorsque c'est possible (i.e., si $-u\in T(E,x_0)$), $t$ tend vers zéro sans contrainte de signe.

2. Disons que $f$ est différentiable en $x_0$ si et seulement s'il existe un vecteur $g$ tel que la fonction définie sur $E\setminus\{x_0\}$ par
$$\frac{f(x)-f(x_0)-g^\top(x-x_0)}{\|x-x_0\|},\quad \forall x\in E\setminus\{x_0\},
$$ tend vers zéro lorsque $x\to x_0$. Dans ce cas, il est facile de voir qu'il existe un unique tel vecteur $g$ qui se trouve dans le linéarisé de $E$ (i.e., $Vect(E-E)$). Notons alors ce vecteur $\nabla f(x_0)$.

Mes questions :
1. Si $f$ admet des dérivées partielles en $x_0$, est-elle nécessairement différentiable en $x_0$ ?
2. Si $f$ est différentiable en tout point de $E$, son gradient $\nabla f$ est-il continue sur tout $E$ ?

Les réponses sont positives dans l'intérieur de $E$, mais je m'intéresse au cas général, qui est souvent omis. Merci !

Réponses

  • Bonjour

    1. Oui, si on prend $\mathcal{U}\subset \mathbb{R}^n$ un ouvert et $f:\mathcal{U}\rightarrow \mathbb{R}^p$ alors $f$ sera différentiable en $a\in \mathcal{U}$ si elle admet des dérivées partielles suivant toutes les variables.
    2. Si on prend $f$ cette fois ci à valeurs réelles et différentiable alors l'application $\nabla f$ sera continue si les dérivées partielles de $f$ le sont et pas forcément si $f$ est différentiable.
  • Si $f$ est convexe sur un ouvert $U$ convexe (inclus dans $\mathbb{R}^{d}$) alors il est connu que :
    [$f$ admet des dérivées partielles en tout point de $U$ suivant un système fixé (formant une base de $\mathbb{R}^{d}$) de directions orthonormales] est équivalent à [$f$ est $\mathcal{C}^{1}$ sur $U$].

    Tu peux le vérifier en dimension $1$ pour commencer (ceci découle du théorème de Darboux et plus généralement, du fait qu'une fonction monotone sur un intervalle satisfaisant le TVI est continue sur cet intervalle).
    En dimension supérieure, cela est plus délicat! Tu peux regarder le papier ci-joint (qui n'est pas la preuve la plus rapide de ce fait mais une preuve "plutôt élémentaire").
  • Bonjour,
    Merci ! En revanche, je m'intéresse justement au cas où $E$ n'est pas ouvert et j'aimerais savoir si ces propriétés s'étendent au bord (i.e., si $x_0$ est sur le bord de $E$).
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