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凸函数性质及其应用
摘 要 本文首先给出了凸函数的几种定义,然后给出了凸函数的几种重要性质,最后举例说明了凸函数在微分学、积分学、及在证明不等式中的应用.
关键词 凸函数的积分性质;凸函数的不等式
Abstract In this article,first we list several kind of definitions for convex functions,then we give several important properties of convex functions ; finally we discuss the application of convex functions in differential calculus , integral calculus, and the proof of inequality.
Keywords integral properties of convex functions ; inequality of convex functions
凸函数是一类非常重要的函数,广泛应用于数学规划、控制论、黎曼几何、复分析等领域.本文先给出凸函数的几种等价定义,然后列出重要的相关性质,最后给出在微分学、积分学、以及在证明不等式中应用.
1 凸函数的定义及其相互关系
定义1 设在区间I上有定义,在区间I称为是凸函数当且仅当:,有上式中“”改成“”则是严格凸函数的定义.
定义2 设在区间I上有定义, 在区间I称为是凸函数当且仅当:有
定义3 设在区间I上有定义, 在区间I称为是凸函数当且仅当:,有
定义4 在区间I上有定义,当且仅当曲线的切线恒保持在曲线以下,则成为凸函数.若除切点之外,切线严格保持在曲线下方,则称曲线为严格凸的.
引理1 定义2与定义3等价.
引理2 若连续,则定义1,2,3等价.
2 凸函数的性质
定理1 设在区间I上有定义,则以下条件等价(其中各不等式要求对任意, 保持成立):
(i)在I上为凸函数 (1)
(ii) (2)
(iii) (3)
(iv) (4)
推论1若在区间I上为凸函数,则I上任意三点,有.
推论2 若在区间I上的凸函数,则过的弦的斜率 是x的增函数(若为严格凸的,则严格增)是区间I上的凸函数,则I上任意四点stuv有.
推论4 若是区间I上的凸函数,则对I上的任一内点x,单侧导数皆存在,皆为增函数,且 这里表示的全体内点组成之集合.(若为严格凸的,则与为严格递增的).
证明 因为内点,故使得,从而(利用推论2),.再由推论2所述,当递增时,也递增.故由单调有界原理知,如下极限存在且(x)= .同理,在此式中,令时,可知存在,且.最后由推论3中的不等式重新取相应的极限,可知与皆为增函数.
推论5 若在区间I上为凸的,则在任一内点上连续.
事实上由推论4知与存在,所以在处左右都连续.
定理2 设函数在区间上有定义,则为凸函数的充要条件是:,使得,有 .
证明(必要性)因为凸函数,由上面的推论4知, 存在且. 由此任取一则时有.因,所以对任一:恒有.
(充分性)设是区间I上的任意三点,由已知条件,由此令和,可以得到,由定理1可知为凸的.
定理3 设在区间I上有导数,则在I上为凸函数的充要条件是递增.
证明 (充分性),不妨设及记,则,或 (1)
由于 (1)式等价于
(2)
应用定理,使得
,
但,
.
故(2)式左端=
按已知条件递增,得知,从而上式0,(2)式获证.
(必要性)由定理1的推论4,在内为递增的,因存在,故亦在内为递增的,若I有右端点b,按照已知条件f在b点有左导数,易知:
同理,若I有左端点a,则即在I上为递增的.
推论 若在区间I上有二阶导数,则在I上为凸函数的充要条件是:
定理4 (不等式)若为上的凸函数,则 , ,有.
证明 应用数学归纳法.当时,由定义1命题显然成立.设时命题成立,即对任何
与都有
现设及(i=1,2,…k+1),.
令i=1,2,…,k,则.由数学归纳法假设可推得
=
=
即对任何正整数,上述不等式成立.
推
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