Convexité

Un ensemble est convexe si, pour tout et tout :

Une fonction est convexe si son graphe est au-dessus de tout segment joignant deux points :

La convexité est stricte si l'inégalité est stricte dès que et .

Intuition

Géométriquement, un ensemble convexe ne présente ni « trou » ni indentation : le segment entre deux points reste à l'intérieur. Une fonction convexe a une courbure « vers le haut » : toute corde entre deux points du graphe domine la fonction.

Cette propriété est centrale en optimisation : sur un domaine convexe, un minimum local d'une fonction convexe est global. Il n'y a pas de pièges locaux.

Caractérisations

Si est convexe et une variable aléatoire telle que les quantités sont bien définies :

C'est l'outil standard pour relier moyenne et transformation non linéaire — utile en probabilités, en finance et en analyse de risque.

est convexe si et seulement si, pour tout :

Le graphe domine ses tangentes : la linéarisation sous-estime toujours la fonction.

Si est , elle est convexe sur un ouvert convexe si et seulement si :

pour tout du domaine. C'est le test le plus utilisé en pratique pour vérifier la convexité d'une loss ou d'une fonction objectif.

Propriétés

PropriétéÉnoncéConséquence
MinimaTout minimum local est globalL'optimisation est bien posée sans pièges locaux
CombinaisonsSomme pondérée de fonctions convexes avec poids ≥ 0Objectifs multi-critères restent convexes
Composition

convexe si convexe croissante et convexe

Règle pratique pour vérifier des compositions
Maximum pointwise

convexe si chaque l'est

Contraintes de type worst-case conservent la convexité
Épigraphie

convexe ⟺ son épigraphe est un ensemble convexe

Lien géométrique entre fonctions et ensembles

Exemples

Fonction / ensembleConvexitéCommentaire
Convexe

Hessienne constante

ConvexeNon différentiable en 0, mais convexe au sens large

Normes

ConvexeBoules unité convexes ; base des contraintes de régularisation
ConvexeDérivée seconde strictement positive

sur

ConvexeApparaît dans les log-vraisemblances et l'entropie
ConcaveOpposé d'une fonction convexe
MSEConvexe en les paramètresBase de la régression linéaire
Hinge lossConvexeSVM à marge maximale

Semi-espace

Ensemble convexeBrique des contraintes linéaires

Applications

La convexité est le socle de l'optimisation convexe : problèmes où la fonction objectif et le domaine admissible sont convexes. Les algorithmes classiques (gradient, points intérieurs) convergent alors vers l'optimum global sous des hypothèses modérées.

Liens directs avec le site :

  • Régression linéaire — les moindres carrés minimisent une fonction quadratique strictement convexe (si est définie positive).
  • Optimisation convexe — gradient descent, contraintes, multiplicateurs de Lagrange ; la convexité garantit que ces méthodes ciblent le bon optimum.
  • Allocation de portefeuille — Markowitz formule un problème quadratique convexe sous contraintes linéaires.
  • Machine learning — MSE, hinge loss et entropie croisée (via log) reposent sur des structures convexes en les paramètres ; c'est ce qui rend l'entraînement de modèles linéaires et SVMs fiable.

Lien finance (distinct) : la convexité obligataire mesure la courbure du prix d'une obligation par rapport aux taux (dérivée seconde du prix). C'est une application du langage de la convexité, pas la même page que la convexité mathématique — voir les classes d'actifs.

Limites et pièges

SituationProblèmeConséquence
Fonction non convexeEx. sigmoïde, pertes de réseaux profondsMinima locaux, convergence dépendante de l'initialisation
Quasi-convexitéEnsembles de niveau convexes, mais fonction pas forcément convexe

Optimisation plus facile qu'en général, mais sans les outils de Jensen

Contraintes non convexes

Ex. contrainte de cardinalité

Le problème global devient NP-difficile en général
Convexité en les paramètres seulement

La loss peut être convexe en mais le modèle reste linéaire

Ne pas confondre convexité de la loss et expressivité du prédicteur

Extensions proches

NotionIdée
Concavité

concave ⟺ convexe ; maximise plutôt que minimise

Fonction fortement convexe

Hessienne minorée par avec ; convergence accélérée

Ensemble convexe vs problème convexeUn domaine convexe ne suffit pas : il faut aussi une objectif convexe
Optimisation convexe

Étude algorithmique des problèmes convexes — voir Optimisation convexe

Voir aussi

• Dérivées, gradient et Hessienne — outils différentiels sous-jacents

• Optimisation convexe — KKT, dualité, LP/QP

• Régression — cas concret de minimisation quadratique convexe

• Classes d'actifs — convexité obligataire (finance)