Przypomnienie — funkcja wypukła

by Jerry Sky

2020-10-22



1. DEF: Funkcja wypukła

f:[a;b]→Rf: [a;b] \to \mathbb{R} jest wypukła   ⟺  \iff gdy ∀x0,x1∈[a;b]∀p∈[0;1]\forall x_0, x_1 \in [a;b] \enspace \forall p\in [0;1] p⋅f(x0)+(1−p)⋅f(x1)≥f(px0+(1−p)x1) p\cdot f(x_0) + (1-p) \cdot f(x_1) \ge f(p x_0 + (1-p) x_1)


2. DEF: Funkcja ściśle wypukła

∀x0,x1∈[a;b]∀p∈(0;1)\forall x_0, x_1 \in [a;b] \enspace \forall p\in (0;1)
x0≠x1x_0 \neq x_1 pf(x0)+(1−p)f(x1)>f(px0+(1−p)x1) pf(x_0) + (1-p)f(x_1) > f(px_0 + (1-p) x_1)

3. Fakt#1

(praktyczny)

  1. Jeśli f′′(x)≥0f''(x) \ge 0,
    to ff jest wypukła.

  2. jeśli f′′(x)>0f''(x) > 0
    to ff jest ściśle wypukła.

3.1. D-d

Zatem y<y′→f′(y)≤f′(y′)y < y' \to f'(y) \le f'(y')

Stąd, dla x0,x1,p∈(0;1)x_0, x_1, \enspace p\in (0;1)
f(px0+(1−p)x1)−pf(x0)−(1−p)f(x1)=p(f(px0+(1−p)x1)−f(x0))−(1−p)(f(x1)−f(px0+(1−p)x1))=p(f(px0+(1−p)x1)−f(x0)px0+(1−p)x1−x0)(1−p)(x1−x0)−(1−p)(f(x0)−f(px0+(1−p)x1)x1−px0−(1−p)x1)⋅p⋅(x1−x0)=p(1−p)(x1−x0)(f′(y)−f′(y′))=(∗)f(px_0 +(1-p)x_1) - pf(x_0) - (1-p)f(x_1) = p\left( f(px_0 + (1-p)x_1) - f(x_0) \right) - (1-p)\left( f(x_1) - f(px_0 + (1-p)x_1) \right) = p\left( \frac{f(px_0 + (1-p)x_1) - f(x_0)}{px_0 + (1-p)x_1 - x_0} \right)(1-p)(x_1 - x_0) - (1-p)\left( \frac{f(x_0) - f(px_0 + (1-p) x_1)}{x_1 - px_0 - (1-p)x_1} \right) \cdot p \cdot (x_1 - x_0) = p(1-p)(x_1 - x_0)\left( f'(y) - f'(y') \right) = (*)
z twierdzenia Langrage’a
dla pewnych y∈(x0;px0+(1−p)x1)y \in (x_0; px_0 + (1-p)x_1) oraz y′∈(px0+(1−p)x1;x1)y' \in (px_0 + (1-p) x_1; x_1) (tu : y′>yy' > y)
(∗)≤0(*) \le 0
(∗)<0(*) < 0 dla ff ściśle wypukłej


4. Przykład

g(x)=∣x∣g(x) = |x| jest wypukła, ale nie ma pochodnej (w x=0x=0).

4.1. Ćwiczenie

Zrób gg ściśle wypukłą bez drugiej pochodnej.