Gradient à la frontière de son domaine

Bonjour tout le monde,

J'ai un petit problème d'analyse convexe que je n'arrive pas à résoudre, pourtant je suis quasiment sûr que le résultat existe déjà. Considérons une fonction convexe $f:\mathbb{R}^n\rightarrow\mathbb{R}\cup\{+\infty\}$ et un ensemble
convexe fermé non vide $C$ tel que $\mbox{dom}f=C$, $\mbox{dom}\partial f=\mbox{Int}C$, $f$ est continue sur $C$ et de classe $C^1$ sur $\mbox{Int}C$.

Peut-on établir que pour tout élément $x$ à la frontière de $C$, et pour toute suite $(x_n)$ d'élements de l'intérieur de $C$ convergeant vers $x$, on a

$$\lim_{n\rightarrow+\infty} \nabla f(x_n).(x-x_n)=0?$$

La notation $y.z$ désigne le produit scalaire de $y$ par $z$. En utilisant le fait que le graphe de $f$ est situé au dessus de ses tangentes et que $f$ est continue sur $C$, j'ai déjà établi que

$$\limsup_{n\rightarrow+\infty} \nabla f(x_n).(x-x_n)\leq0.$$

Il ne resterait plus qu'à établir que la limite inférieure est positive en utilisant le fait que le domaine du sous-différentiel de $f$ reste dans l'intérieur de $C$, mais là dessus je bloque.

Avez-vous quelques idées?

Merci beaucoup,
Blue.

Réponses

  • Si tu prends l'exemple de $f(x)=\frac1x$ pour $x>0$, $f(x)=+\infty$ pour $x\le 0$, qu'est-ce que ça donne ?
  • Cette fonction n'est pas continue sur $\mathbb{R}_+$.
  • Elle est continue sur son domaine, mais je n'avais pas vu que tu demandais en plus que le domaine soit fermé donc mon contre-exemple n'en est pas un en effet.
  • D'ailleurs en dimension 1 le résultat se vérifie sans trop de difficulté: supposons $C$ est un intervalle fermé minoré, $a$ est son plus petit élément.

    Alors il suffit de montrer que $f'(x_n)(a-x_n)$ tend vers $0$ pour toute suite $x_n$ convergent par valeurs supérieures vers $a$. Par convexité et continuité de $f$ on vérifie facilement que la limite supérieur de $f'(x_n)(a-x_n)$ est négative.

    La suite $(x_n)$ est décroissante, donc la suite $f'(x_n)$ est également décroissante par convexité de $f$, donc elle tend vers $-\infty$, ce qui établit que $f'(x_n)(a-x_n)$ est positive à partir d'un certain rang, ce qui permet de conclure.

    La raison pour laquelle la suite $f'(x_n)$ ne peut pas tendre vers une quantité finie est que cette limite finie serait alors un élément du sous-différentiel de $f$ en $a$, or celui-ci est vide car son domaine est l'intérieur de $C$.

    Je pense qu'en dimension $n$ il sera également nécessaire d'utiliser la monotonie du gradient, cependant je ne vois pas comment l'utiliser.
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