Sur quelques inegalités entre les fonction convexes (I)

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On some inequalities between convex functions (I)

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T. Popoviciu, Sur quelques inegalités entre les fonction convexes (I), Comptes Rendus des séances de l’Académie des Sciences de Roumanie, 2 (1938), pp. 449-454 (in French).

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112. SUR QUELQUES INÉGALITÉS ENTRE LES FONCTIONS CONVEXES

(PREMIÈRE NOTE)
Par tiberiu popoviciu, Mc. A. S. r.
(Séance du 4 mars 1938).
  1. Soit φ = φ ( x ) φ = φ ( x ) varphi=varphi(x)\varphi=\varphi(x)φ=φ(x) une fonction définie, uniforme, continue et convexe (d'ordre I) dans l'intervalle fermé ( 0,1 ). Nous supposons que φ ( 0 ) = 0 , φ ( 1 ) = 1 0 ≦ φ ( x ) ≦ 1 φ ( 0 ) = 0 , φ ( 1 ) = 1 0 ≦ φ ( x ) ≦ 1 varphi(0)=0,varphi(1)=1quad0 <= varphi(x) <= 1\varphi(0)=0, \varphi(1)=1 \quad 0 \leqq \varphi(x) \leqq 1φ(0)=0,φ(1)=10≦φ(x)≦1. Il en résulte que φ ( x ) φ ( x ) varphi(x)\varphi(x)φ(x) est une fonction positive et croissante pour 0 < x ≦ I 0 < x ≦ I 0 < x <= I0<x \leqq \mathrm{I}0<x≦I. La dérivée à droite φ ′ ( x ) φ ′ ( x ) varphi^(')(x)\varphi^{\prime}(x)φ′(x) existe, est croissante pour 0 ≦ x < I 0 ≦ x < I 0 <= x < I0 \leqq x<\mathrm{I}0≦x<I, mais peut ne pas être bornée dans ( 0 , I 0 , I 0,I0, \mathrm{I}0,I ).
Considérons aussi une fonction f = f ( x ) f = f ( x ) f=f(x)f=f(x)f=f(x), définie, uniforme, continue et non-concave d'ordre 0 , 1 , … , n 0 , 1 , … , n 0,1,dots,n0,1, \ldots, n0,1,…,n dans l'intervalle ( 0 , 1 ) 1 ( 0 , 1 ) 1 (0,1)^(1)(0,1)^{1}(0,1)1 ). Nous supposons que f ( 0 ) = a ≧ 0 , f ( I ) = b ≦ I , a < b f ( 0 ) = a ≧ 0 , f ( I ) = b ≦ I , a < b f(0)=a >= 0,f(I)=b <= I,a < bf(0)=a \geqq 0, f(\mathrm{I})=b \leqq \mathrm{I}, a<bf(0)=a≧0,f(I)=b≦I,a<b et nous désignerons par ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n 1'ensemble des fonctions vérifiant toutes ces propriétés. On voit que ( E a b ) n ⊂ ( E a b ) n − 1 E a b n ⊂ E a b n − 1 (E_(a)^(b))_(n)sub(E_(a)^(b))_(n-1)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n} \subset\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n-1}(Eab)n⊂(Eab)n−1, donc ( E a b ) n ⊂ ( E a b ) o , n > 0 E a b n ⊂ E a b o , n > 0 (E_(a)^(b))_(n)sub(E_(a)^(b))_(o),n > 0\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n} \subset\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{o}, n>0(Eab)n⊂(Eab)o,n>0. Dans ce travail nous
supposerons n > 0 n > 0 n > 0n>0n>0. Nous indiquerons les résultats aussi pour n = 0 n = 0 n=0n=0n=0, qui sont d'ailleurs à peu près tous connus.
Le problème que nous examinerons dans ce travail est le suivant : Etant donnée la fonction φ φ varphi\varphiφ, déterminer le maximum de A φ ( f ) A φ ( f ) A_(varphi)(f)\mathrm{A}_{\varphi}(f)Aφ(f) lorsque A ( f ) A ( f ) A(f)\mathrm{A}(f)A(f) est donné et f f fff parcourt l'ensemble ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n.
Nous avons posé
A = A ( f ) = ∫ 0 1 f d x , A φ = A φ ( f ) = ∫ 0 1 φ ( f ) d x A = A ( f ) = ∫ 0 1 &hairsp; f d x , A φ = A φ ( f ) = ∫ 0 1 &hairsp; φ ( f ) d x A=A(f)=int_(0)^(1)fdx,quadA_(varphi)=A_(varphi)(f)=int_(0)^(1)varphi(f)dx\mathrm{A}=\mathrm{A}(f)=\int_{0}^{1} f d x, \quad \mathrm{~A}_{\varphi}=\mathrm{A}_{\varphi}(f)=\int_{0}^{1} \varphi(f) d xA=A(f)=∫01fdx, Aφ=Aφ(f)=∫01φ(f)dx
Nous ferons ensuite quelques applications, en généralisant certains résultats connus.
2. Appelons fonction élémentaire de degré n n nnn toute fonction dont la ( n − 1 ) ème ( n − 1 ) ème  (n-1)^("ème ")(n-1)^{\text {ème }}è(n−1)ème  dérivée est une ligne polygonale. Une telle fonction est done de la forme
(I) g ( x ) = P ( x ) + ∑ i = 1 m c i [ x − x i + | x − x i | 2 ( I − x i ) ] n (I) g ( x ) = P ( x ) + ∑ i = 1 m &hairsp; c i x − x i + x − x i 2 I − x i n {:(I)g(x)=P(x)+sum_(i=1)^(m)c_(i)[(x-x_(i)+|x-x_(i)|)/(2(I-x_(i)))]^(n):}\begin{equation*} g(x)=\mathrm{P}(x)+\sum_{i=1}^{m} c_{i}\left[\frac{x-x_{i}+\left|x-x_{i}\right|}{2\left(\mathrm{I}-x_{i}\right)}\right]^{n} \tag{I} \end{equation*}(I)g(x)=P(x)+∑i=1mci[x−xi+|x−xi|2(I−xi)]n
P ( x ) = a o + a 1 x + a 2 x 2 + … + a n x n − 1 , 0 ⩽ x 1 < x 2 < … < x m < I P ( x ) = a o + a 1 x + a 2 x 2 + … + a n x n − 1 , 0 ⩽ x 1 < x 2 < … < x m < I P(x)=a_(o)+a_(1)x+a_(2)x^(2)+dots+a_(n)quadx^(n-1),0 <= x_(1) < x_(2) < dots < x_(m) < I\mathrm{P}(x)=a_{o}+a_{1} x+a_{2} x^{2}+\ldots+a_{n} \quad x^{n-1}, 0 \leqslant x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{m}<\mathrm{I}P(x)=ao+a1x+a2x2+…+anxn−1,0⩽x1<x2<…<xm<I.
Nous supposons que c i ≠ 0 , i = 1 , 2 , … , m c i ≠ 0 , i = 1 , 2 , … , m c_(i)!=0,i=1,2,dots,mc_{i} \neq 0, i=1,2, \ldots, mci≠0,i=1,2,…,m et nous dirons alors que la fonction élémentaire g ( x ) g ( x ) g(x)g(x)g(x) est à m m mmm sommets. Nous dirons que les sommets sont aux points x 1 , x 2 , … , x m x 1 , x 2 , … , x m x_(1),x_(2),dots,x_(m)x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{m}x1,x2,…,xm. Si x 1 = 0 x 1 = 0 x_(1)=0x_{1}=0x1=0 il y a un sommet au point o 2 o 2 o^(2)o^{2}o2 ). Pour que la fonction élémentaire g ( x ) g ( x ) g(x)g(x)g(x) à m m mmm sommets appartienne à ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n il faut et il suffit que l'on ait
a o = a , a r ≧ 0 , r = 1 , 2 , … , n − 1 , c i > 0 , i = 1 , 2 , … , m , P ( 1 ) + ∑ i = 1 m c i = b a o = a , a r ≧ 0 , r = 1 , 2 , … , n − 1 , c i > 0 , i = 1 , 2 , … , m , P ( 1 ) + ∑ i = 1 m &hairsp; c i = b a_(o)=a,a_(r) >= 0,r=1,2,dots,n-1,c_(i) > 0,i=1,2,dots,m,P(1)+sum_(i=1)^(m)c_(i)=ba_{o}=a, a_{r} \geqq 0, r=1,2, \ldots, n-1, c_{i}>0, i=1,2, \ldots, m, \mathrm{P}(1)+\sum_{i=1}^{m} c_{i}=bao=a,ar≧0,r=1,2,…,n−1,ci>0,i=1,2,…,m,P(1)+∑i=1mci=b.
Dans la suite nous considérons uniquement des fonctions élémentaires appartenant à ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n.
Conformément à la définition précédente, tout polynome de degré n − I n − I n-In-In−I est une fonction élémentaire de degré n n nnn à o sommets. Un polynome de degré effectif n n nnn est une fonction élémentaire de degré n n nnn à . I sommet, le sommet étant au point 0 .
Parmi les fonctions à I sommet on trouve les suivantes
(2) h λ ( x ) = a + ( b − a ) [ x − λ + | x − λ | 2 ( I − λ ) ] n , ( 0 ≦ λ < I ) . (2) h λ ( x ) = a + ( b − a ) x − λ + | x − λ | 2 ( I − λ ) n , ( 0 ≦ λ < I ) . {:(2)h_(lambda)(x)=a+(b-a)[(x-lambda+|x-lambda|)/(2(I-lambda))]^(n)","quad(0 <= lambda < I).:}\begin{equation*} h_{\lambda}(x)=a+(b-a)\left[\frac{x-\lambda+|x-\lambda|}{2(I-\lambda)}\right]^{n}, \quad(0 \leqq \lambda<I) . \tag{2} \end{equation*}(2)hλ(x)=a+(b−a)[x−λ+|x−λ|2(I−λ)]n,(0≦λ<I).
Dans le cas n = 1 n = 1 n=1n=1n=1 toutes les fonctions à un sommet sont de cette forme.
La fonction (1) peut s'écrire
g ( x ) = ( b − a ) P ( x ) + a [ P ( I ) − b ] b − a + I b − a ∑ i = 1 m c i h x i ( x ) , g ( x ) = ( b − a ) P ( x ) + a [ P ( I ) − b ] b − a + I b − a ∑ i = 1 m &hairsp; c i h x i ( x ) , g(x)=((b-a)P(x)+a[P(I)-b])/(b-a)+(I)/(b-a)sum_(i=1)^(m)c_(i)h_(x_(i))(x),g(x)=\frac{(b-a) \mathrm{P}(x)+a[\mathrm{P}(\mathrm{I})-b]}{b-a}+\frac{\mathrm{I}}{b-a} \sum_{i=1}^{m} c_{i} h_{x_{i}}(x),g(x)=(b−a)P(x)+a[P(I)−b]b−a+Ib−a∑i=1mcihxi(x),
qui nous montre qu'elle est la moyenne arithmétique (généralisée) d'un polynome de degré n n nnn-I et de m m mmm fonctions de la forme (2).
Toute fonction de ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n est la limite d'une suite uniformément convergente de fonctions élémentaires de ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n. Cette propriété peut d'ailleurs se préciser de la manière suivante. Si f f fff appartient à ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n, les dérivées f ′ , f ′ ′ , … , f ( n − 1 ) f ′ , f ′ ′ , … , f ( n − 1 ) f^('),f^(''),dots,f^((n-1))f^{\prime}, f^{\prime \prime}, \ldots, f^{(n-1)}f′,f′′,…,f(n−1) existent pour o ≦ x < I o ≦ x < I o <= x < I\mathrm{o} \leqq x<\mathrm{I}o≦x<I. La fonction f f fff est alors la limite d'une suite uniformément convergente de fonctions élémentaires de ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n, ces fonctions ayant toutes le même premier terme P ( x ) = a + x f ′ ( 0 ) + x 2 2 ! f ′ ′ ( 0 ) + … + x n − 1 ( n − 1 ) ! f ( n − 1 ) ( 0 ) P ( x ) = a + x f ′ ( 0 ) + x 2 2 ! f ′ ′ ( 0 ) + … + x n − 1 ( n − 1 ) ! f ( n − 1 ) ( 0 ) P(x)=a+xf^(')(0)+(x^(2))/(2!)f^('')(0)+dots+(x^(n-1))/((n-1)!)f^((n-1))(0)P(x)=a+x f^{\prime}(0)+\frac{x^{2}}{2!} f^{\prime \prime}(0)+\ldots+\frac{x^{n-1}}{(n-1)!} f^{(n-1)}(0)P(x)=a+xf′(0)+x22!f′′(0)+…+xn−1(n−1)!f(n−1)(0). De plus on peut supposer que la valeur de l'intégrale A A AAA est la même pour toutes ces fonctions.
Ces considérations s'appliquent, en particulier, à la fonction φ φ varphi\varphiφ, qui appartient à ( E 0 1 ) 1 E 0 1 1 (E_(0)^(1))_(1)\left(\mathrm{E}_{0}^{1}\right)_{1}(E01)1, et servent à établir en toute rigueur les affirmations suivantes.
3. Soit φ φ varphi\varphiφ donnée et g ( x ) g ( x ) g(x)g(x)g(x) une fonction élémentaire de ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n ayant m > 1 m > 1 m > 1m>1m>1 sommets et donnée par la formule (I). Construisons la fonction.
g ∗ ( x ) = P ( x ) + ∑ i = 1 m − 2 c i [ x − x i + | x − x i | 2 ( I − x i ) ] n + c [ x − μ + | x − μ | 2 ( I − μ ) ] n g ∗ ( x ) = P ( x ) + ∑ i = 1 m − 2 &hairsp; c i x − x i + x − x i 2 I − x i n + c x − μ + | x − μ | 2 ( I − μ ) n g^(**)(x)=P(x)+sum_(i=1)^(m-2)c_(i)[(x-x_(i)+|x-x_(i)|)/(2(I-x_(i)))]^(n)+c[(x-mu+|x-mu|)/(2(I-mu))]^(n)g^{*}(x)=\mathrm{P}(x)+\sum_{i=1}^{m-2} c_{i}\left[\frac{x-x_{i}+\left|x-x_{i}\right|}{2\left(\mathrm{I}-x_{i}\right)}\right]^{n}+c\left[\frac{x-\mu+|x-\mu|}{2(\mathrm{I}-\mu)}\right]^{n}g∗(x)=P(x)+∑i=1m−2ci[x−xi+|x−xi|2(I−xi)]n+c[x−μ+|x−μ|2(I−μ)]n
et déterminons les constantes c , μ c , μ c,muc, \muc,μ de manière que 1'on ait g ∗ ( I ) = b g ∗ ( I ) = b g^(**)(I)=bg^{*}(\mathrm{I})=bg∗(I)=b, A ( g ∗ ) = A ( g ) A g ∗ = A ( g ) A(g^(**))=A(g)\mathrm{A}\left(g^{*}\right)=\mathrm{A}(g)A(g∗)=A(g). On trouve que c = c m − 1 + c m c = c m − 1 + c m c=c_(m-1)+c_(m)c=c_{m-1}+c_{m}c=cm−1+cm et μ = c m − 1 x m − 1 + c m x m c m − 1 + c m μ = c m − 1 x m − 1 + c m x m c m − 1 + c m mu=(c_(m-1)x_(m-1)+c_(m)x_(m))/(c_(m-1)+c_(m))\mu=\frac{c_{m-1} x_{m-1}+c_{m} x_{m}}{c_{m-1}+c_{m}}μ=cm−1xm−1+cmxmcm−1+cm, donc x m − 1 < μ < x m , c > 0 x m − 1 < μ < x m , c > 0 x_(m-1) < mu < x_(m),c > 0x_{m-1}<\mu<x_{m}, c>0xm−1<μ<xm,c>0 et g ∗ g ∗ g^(**)g^{*}g∗ est bien une fonction élémentaire de degré n n nnn à m − 1 m − 1 m-1m-1m−1 sommets appartenant à ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n.
Il existe un nombre μ ′ , μ < μ ′ < I μ ′ , μ < μ ′ < I mu^('),mu < mu^(') < I\mu^{\prime}, \mu<\mu^{\prime}<Iμ′,μ<μ′<I tel que l'on ait
(3) g ∗ ( x ) ≦ g ( x ) g ∗ ( x ) ≦ g ( x ) quadg^(**)(x) <= g(x)\quad g^{*}(x) \leqq g(x)g∗(x)≦g(x) suivant que x ≦ μ ′ x ≦ μ ′ x <= mu^(')x \leqq \mu^{\prime}x≦μ′, pour x m − 1 < x < I 4 x m − 1 < x < I 4 x_(m-1) < x < I^(4)x_{m-1}<x<I^{4}xm−1<x<I4 )
Considérons la fonction
φ λ ( x ) = x − λ + | x − λ | 2 , 0 ≦ λ < 1 φ λ ( x ) = x − λ + | x − λ | 2 , 0 ≦ λ < 1 varphi_(lambda)(x)=(x-lambda+|x-lambda|)/(2),quad0 <= lambda < 1\varphi_{\lambda}(x)=\frac{x-\lambda+|x-\lambda|}{2}, \quad 0 \leqq \lambda<1φλ(x)=x−λ+|x−λ|2,0≦λ<1
Si g ( x m − 1 ) < λ < b g x m − 1 < λ < b g(x_(m-1)) < lambda < bg\left(x_{m-1}\right)<\lambda<bg(xm−1)<λ<b, on a
A φ λ ( g ∗ ) − A φ λ ( g ) = ∫ i ∗ 1 g ∗ d x − ∫ t 1 g d x + λ ( t ∗ − t ) A φ λ g ∗ − A φ λ ( g ) = ∫ i ∗ 1 &hairsp; g ∗ d x − ∫ t 1 &hairsp; g d x + λ t ∗ − t Avarphi_(lambda)(g^(**))-Avarphi_(lambda)(g)=int_(i^(**))^(1)g^(**)dx-int_(t)^(1)gdx+lambda(t^(**)-t)\mathrm{A} \varphi_{\lambda}\left(g^{*}\right)-\mathrm{A} \varphi_{\lambda}(g)=\int_{i^{*}}^{1} g^{*} d x-\int_{t}^{1} g d x+\lambda\left(t^{*}-t\right)Aφλ(g∗)−Aφλ(g)=∫i∗1g∗dx−∫t1gdx+λ(t∗−t)
où λ = g ( t ) = g ∗ ( t ∗ ) λ = g ( t ) = g ∗ t ∗ lambda=g(t)=g^(**)(t^(**))\lambda=g(t)=g^{*}\left(t^{*}\right)λ=g(t)=g∗(t∗) et la propriété (3) nous montre que cette fonction de λ λ lambda\lambdaλ s'annule pour λ = g ( x m − 1 ) λ = g x m − 1 lambda=g(x_(m-1))\lambda=g\left(x_{m-1}\right)λ=g(xm−1) et λ = b λ = b lambda=b\lambda=bλ=b, est croissante pour g ( x m − 1 ) < λ < g ( μ ′ ) g x m − 1 < λ < g μ ′ g(x_(m-1)) < lambda < g(mu^('))g\left(x_{m-1}\right)<\lambda<g\left(\mu^{\prime}\right)g(xm−1)<λ<g(μ′) et décroissante pour g ( μ ′ ) < λ < b g μ ′ < λ < b g(mu^(')) < lambda < bg\left(\mu^{\prime}\right)<\lambda<bg(μ′)<λ<b. Il en résulte donc que
(4) A φ λ ( g ∗ ) > A φ λ ( g ) , g ( x m − 1 ) < λ < b (4) A φ λ g ∗ > A φ λ ( g ) , g x m − 1 < λ < b {:(4)Avarphi_(lambda)(g^(**)) > Avarphi_(lambda)(g)","quad g(x_(m-1)) < lambda < b:}\begin{equation*} \mathrm{A} \varphi_{\lambda}\left(g^{*}\right)>\mathrm{A} \varphi_{\lambda}(g), \quad g\left(x_{m-1}\right)<\lambda<b \tag{4} \end{equation*}(4)Aφλ(g∗)>Aφλ(g),g(xm−1)<λ<b
  1. Nous nous proposons de démontrer maintenant que A φ ( g ∗ ) >> A φ ( g ) A φ g ∗ >> A φ ( g ) A_(varphi)(g^(**))>>A_(varphi)(g)\mathrm{A}_{\varphi}\left(g^{*}\right)> >\mathrm{A}_{\varphi}(g)Aφ(g∗)>>Aφ(g). L'inégalité avec le signe ≧ ≧ >=\geqq≧ résulte bien de (4), mais il s'agit de prouver que l'égalité n'est pas possible.
Considérons la fonction, non-décroissante et non-concave,
Φ ε ( x ) = { φ ( x ) , dans ( 0 , I − ε ) φ ( I − ε ) + ( x − I + ε ) φ ( I − ε ) , dans ( I − ε , I ) , Φ ε ( x ) = φ ( x ) ,       dans  ( 0 , I − ε ) φ ( I − ε ) + ( x − I + ε ) φ ( I − ε ) ,       dans  ( I − ε , I ) , Phi_(epsi)(x)={[varphi(x)","," dans "(0","I-epsi)],[varphi(I-epsi)+(x-I+epsi)varphi(I-epsi)","," dans "(I-epsi","I)","]:}\Phi_{\varepsilon}(x)=\left\{\begin{array}{lr} \varphi(x), & \text { dans }(0, \mathrm{I}-\varepsilon) \\ \varphi(\mathrm{I}-\varepsilon)+(x-\mathrm{I}+\varepsilon) \varphi(\mathrm{I}-\varepsilon), & \text { dans }(\mathrm{I}-\varepsilon, \mathrm{I}), \end{array}\right.Φε(x)={φ(x), dans (0,I−ε)φ(I−ε)+(x−I+ε)φ(I−ε), dans (I−ε,I),
où ε ε epsi\varepsilonε est un nombre positif assez petit et φ ′ φ ′ varphi^(')\varphi^{\prime}φ′ est la dérivée à droite de φ φ varphi\varphiφ. Nous avons
(5) Φ z ( x ) = ∫ 0 1 φ t ( x ) d Φ ε ′ ( t ) + α x (5) Φ z ( x ) = ∫ 0 1 &hairsp; φ t ( x ) d Φ ε ′ ( t ) + α x {:(5)Phi_(z)(x)=int_(0)^(1)varphi_(t)(x)dPhi_(epsi)^(')(t)+alpha x:}\begin{equation*} \Phi_{z}(x)=\int_{0}^{1} \varphi_{t}(x) d \Phi_{\varepsilon}^{\prime}(t)+\alpha x \tag{5} \end{equation*}(5)Φz(x)=∫01φt(x)dΦε′(t)+αx
l'intégrale étant de Stieltjes et α α alpha\alphaα une constante sans importance pour nous 5 5 ^(5){ }^{5}5 ).
On peut facilement démontrer que
A Φ Σ ( g ∗ ) − A Φ ε ( g ) = ∫ 0 1 { A φ l ( g ∗ ) − A ψ t ( g ) } d Φ ε ′ ( t ) A Φ Σ g ∗ − A Φ ε ( g ) = ∫ 0 1 &hairsp; A φ l g ∗ − A ψ t ( g ) d Φ ε ′ ( t ) A_(Phi Sigma)(g^(**))-A_(Phi epsi)(g)=int_(0)^(1){(A)varphi_(l)(g^(**))-Apsi_(t)(g)}dPhi_(epsi)^(')(t)\mathrm{A}_{\Phi \Sigma}\left(g^{*}\right)-\mathrm{A}_{\Phi \varepsilon}(g)=\int_{0}^{1}\left\{\mathrm{~A} \varphi_{l}\left(g^{*}\right)-\mathrm{A} \psi_{t}(g)\right\} d \Phi_{\varepsilon}^{\prime}(t)AΦΣ(g∗)−AΦε(g)=∫01{ Aφl(g∗)−Aψt(g)}dΦε′(t)
  1. Cette formule est analogue à celle donnée pour les fonctions non-convexes par MM. W. Blascke et G. Pick, voir: „Distanzschätzungen im Funktionenraum II". Math. Ann. Bd. 77 (1916) p. 277-300. L'introduction de la fonction Φ ε Φ ε Phi_(epsi)\boldsymbol{\Phi}_{\varepsilon}Φε n'est nécessaire que si b = 1 b = 1 b=1b=1b=1. Il peut arriver en effet, que la dérivée à droite de φ ( x ) φ ( x ) varphi(x)\varphi(x)φ(x) ne soit pas à variation bornée.
    qui résulte du fait que l'intégrale de S t i e 1 t j e s S t i e 1 t j e s Stie1tjesS t i e 1 t j e sStie1tjes du second membre existe.
De cette formule et de la définition de Φ ε Φ ε Phi_(epsi)\Phi_{\varepsilon}Φε il résulte que A Φ ( g ∗ ) A Φ g ∗ A_(Phi)(g^(**))\mathrm{A}_{\Phi}\left(g^{*}\right)AΦ(g∗) -- A Φ ε ( g ) A Φ ε ( g ) APhi_(epsi)(g)\mathrm{A} \Phi_{\varepsilon}(g)AΦε(g) est positif et ne décroît pas lorsque ε ε epsi\varepsilonε décroît. On a done
lim 3 → 0 [ A Φ ε ( g ∗ ) − A Φ ε ( g ) ] = A φ ( g ∗ ) − A φ ( g ) > 0 lim 3 → 0 &hairsp; A Φ ε g ∗ − A Φ ε ( g ) = A φ g ∗ − A φ ( g ) > 0 lim_(3rarr0)[A_(Phi epsi)(g^(**))-A_(Phi epsi)(g)]=A_(varphi)(g^(**))-A_(varphi)(g) > 0\lim _{3 \rightarrow 0}\left[\mathrm{~A}_{\Phi \varepsilon}\left(g^{*}\right)-\mathrm{A}_{\Phi \varepsilon}(g)\right]=\mathrm{A}_{\varphi}\left(g^{*}\right)-\mathrm{A}_{\varphi}(g)>0lim3→0[ AΦε(g∗)−AΦε(g)]=Aφ(g∗)−Aφ(g)>0
  1. Considérons maintenant une fonction f f fff de ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n. Soit la fonction élémentaire de degré n n nnn à I sommet
    h ( x ) = a + x f ′ ( o ) + x 2 2 ! f ′ ′ ( o ) + … + x n − 1 ( n − I ) ! f ( n − 1 ) ( o ) + d [ x − ρ + | x − ρ | 2 ( I − ρ ) ] n h ( x ) = a + x f ′ ( o ) + x 2 2 ! f ′ ′ ( o ) + … + x n − 1 ( n − I ) ! f ( n − 1 ) ( o ) + d x − ρ + | x − ρ | 2 ( I − ρ ) n h(x)=a+xf^(')(o)+(x^(2))/(2!)f^('')(o)+dots+(x^(n-1))/((n-I)!)f^((n-1))(o)+d[(x-rho+|x-rho|)/(2(I-rho))]^(n)h(x)=a+x f^{\prime}(\mathrm{o})+\frac{x^{2}}{2!} f^{\prime \prime}(\mathrm{o})+\ldots+\frac{x^{n-1}}{(n-\mathrm{I})!} f^{(n-1)}(\mathrm{o})+d\left[\frac{x-\rho+|x-\rho|}{2(\mathrm{I}-\rho)}\right]^{n}h(x)=a+xf′(o)+x22!f′′(o)+…+xn−1(n−I)!f(n−1)(o)+d[x−ρ+|x−ρ|2(I−ρ)]n
    où d , ρ d , ρ d,rhod, \rhod,ρ sont complètement déterminés par les conditions h ( I ) = b h ( I ) = b h(I)=bh(I)=bh(I)=b, A ( h ) = A ( f ) . h ( x ) A ( h ) = A ( f ) . h ( x ) A(h)=A(f).h(x)\mathrm{A}(h)=\mathrm{A}(f) . h(x)A(h)=A(f).h(x) appartient à ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n et on a A φ ( h ) ≧ A φ ( f ) A φ ( h ) ≧ A φ ( f ) A_(varphi)(h) >= A_(varphi)(f)\mathrm{A}_{\varphi}(h) \geqq \mathrm{A}_{\varphi}(f)Aφ(h)≧Aφ(f). Nous nous proposons de démontrer que l'égalité n'est possible que si h = f h = f h=fh=fh=f.
Reprenons 1a formule (5) ; nous avons
A Φ s ( h ) − A Φ s ( f ) = ∫ 0 1 { A φ t ( h ) − A φ t ( f ) } d Φ ε ′ ( t ) A Φ s ( h ) − A Φ s ( f ) = ∫ 0 1 &hairsp; A φ t ( h ) − A φ t ( f ) d Φ ε ′ ( t ) A_(Phi s)(h)-A_(Phi s)(f)=int_(0)^(1){A_(varphi t)(h)-A_(varphi t)(f)}dPhi_(epsi)^(')(t)\mathrm{A}_{\Phi s}(h)-\mathrm{A}_{\Phi s}(f)=\int_{0}^{1}\left\{\mathrm{~A}_{\varphi t}(h)-\mathrm{A}_{\varphi t}(f)\right\} d \Phi_{\varepsilon}^{\prime}(t)AΦs(h)−AΦs(f)=∫01{ Aφt(h)−Aφt(f)}dΦε′(t)
La fonction A φ i ( h ) − A φ t ( f ) A φ i ( h ) − A φ t ( f ) Avarphi_(i)(h)-Avarphi_(t)(f)\mathrm{A} \varphi_{i}(h)-\mathrm{A} \varphi_{t}(f)Aφi(h)−Aφt(f) est continue en t t ttt et est ≧ 0 ≧ 0 >= 0\geqq 0≧0.
On démontre facilement que si f f fff ne se réduit pas à une fonction élémentaire de degré n n nnn à o ou I sommet, cette fonction n'est pas identiquement nulle. On a donc A Φ ε ^ ( h ) − A Φ ε ^ ( f ) > 0 A Φ ε ^ ( h ) − A Φ ε ^ ( f ) > 0 A_(Phi widehat(epsi))(h)-A_(Phi widehat(epsi))(f) > 0\mathrm{A}_{\Phi \widehat{\varepsilon}}(h)-\mathrm{A}_{\Phi \widehat{\varepsilon}}(f)>0AΦε^(h)−AΦε^(f)>0, tout au moins pour ε ε epsi\varepsilonε assez petit. La propriété demandée en résulte comme plus haut.
Finalement donc :
Si la fonction φ φ varphi\varphiφ et le nombre A ( f ) A ( f ) A(f)\mathrm{A}(f)A(f) sont donnés, le maximum de A φ ( f ) A φ ( f ) A_(varphi)(f)\mathrm{A}_{\varphi}(f)Aφ(f) dans ( E a b ) n E a b n (E_(a)^(b))_(n)\left(\mathrm{E}_{a}^{b}\right)_{n}(Eab)n ne peut être atteint que pour une fonction élémentaire de degré n n nnn à au plus I sommet.
Dans le cas n = 1 n = 1 n=1n=1n=1 la fonction h ( x ) h ( x ) h(x)h(x)h(x) est complètement déterminée par la valeur de l'intégrale A . On a donc la propriété suivante:
Si φ φ varphi\varphiφ est donnée et f une fonction continue, non-décroissanle et nonconcave dans ( O , I ) ( O , I ) (O,I)(\mathrm{O}, \mathrm{I})(O,I), on a
(6) ∫ 0 1 φ ( f ) d x ≦ b + a − 2 A b − a φ ( a ) + 2 ( A − a ) ( b − a ) 2 ∫ a b φ ( x ) d x , A = ∫ 0 1 f d x (6) ∫ 0 1 &hairsp; φ ( f ) d x ≦ b + a − 2 A b − a φ ( a ) + 2 ( A − a ) ( b − a ) 2 ∫ a b &hairsp; φ ( x ) d x , A = ∫ 0 1 &hairsp; f d x {:(6)int_(0)^(1)varphi(f)dx <= (b+a-2(A))/(b-a)varphi(a)+(2((A)-a))/((b-a)^(2))int_(a)^(b)varphi(x)dx","quadA=int_(0)^(1)fdx:}\begin{equation*} \int_{0}^{1} \varphi(f) d x \leqq \frac{b+a-2 \mathrm{~A}}{b-a} \varphi(a)+\frac{2(\mathrm{~A}-a)}{(b-a)^{2}} \int_{a}^{b} \varphi(x) d x, \quad \mathrm{~A}=\int_{0}^{1} f d x \tag{6} \end{equation*}(6)∫01φ(f)dx≦b+a−2 Ab−aφ(a)+2( A−a)(b−a)2∫abφ(x)dx, A=∫01fdx
l'égalité n'étant possible que pour la fonction
t = a + ( b − a ) x − λ + | x − λ | 2 ( I − λ ) , λ = b + a − 2 A b − a t = a + ( b − a ) x − λ + | x − λ | 2 ( I − λ ) , λ = b + a − 2 A b − a t=a+(b-a)(x-lambda+|x-lambda|)/(2(I-lambda)),lambda=(b+a-2(A))/(b-a)t=a+(b-a) \frac{x-\lambda+|x-\lambda|}{2(\mathrm{I}-\lambda)}, \lambda=\frac{b+a-2 \mathrm{~A}}{b-a}t=a+(b−a)x−λ+|x−λ|2(I−λ),λ=b+a−2 Ab−a

    1. On dit aussi qu'une telle fonction est ( n + 1 n + 1 n+1n+1n+1 )-fois monotone.
    1. Nous avons déjà considéré de telles fonctions dans un travail antérieur, voir : Tiberiu Popoviciu, „Sur le prolongement des fonctions convexes d'ordre supérieur". Bull. Math. Soc. Roum. Sc., t. 36 (1934), p. 75-108.
    1. Dans le cas m = 2 m = 2 m=2m=2m=2, on a évidemment
    2. La position du point μ ′ μ ′ mu^(')\mu^{\prime}μ′ dans l'intervalle ( μ , r μ , r mu,r\mu, \mathrm{r}μ,r ) dépend des valeurs de c m − 1 , c m c m − 1 , c m c_(m-1),c_(m)c_{m-1}, c_{m}cm−1,cm. En particulier, si n = 1 n = 1 n=1n=1n=1 on a toujours μ < μ ′ < x m μ < μ ′ < x m mu < mu^(') < x_(m)\mu<\mu^{\prime}<x_{m}μ<μ′<xm.
1938

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