函數(shù)凹凸性定義的進(jìn)一步研究

孟麗君

【摘要】 凹凸函數(shù)是一種非常重要的函數(shù)，它在最優(yōu)化理論、泛函分析、不等式證明等方面有重要應(yīng)用.本文主要以凸函數(shù)為主，通過介紹不同凸函數(shù)的定義，給出了凸函數(shù)定義之間的關(guān)系，加深了對(duì)凸函數(shù)定義的理解，并給出了凸函數(shù)的定義在證明不等式中的應(yīng)用.

【關(guān)鍵詞】 函數(shù)凹凸性；等價(jià)；不等式

一、函數(shù)凹凸性的定義

在不同數(shù)學(xué)教材或論文中，函數(shù)凹凸性的定義也不完全相同，本文總結(jié)出幾種常用的定義：

定義1 設(shè)函數(shù)f（x）在區(qū)間I上有定義，若x1，x2∈I，λ∈（0，1），有

f（λx1+（1-λ）x2）≤λf（x1）+（1-λ）f（x2）， （1）

則稱f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù).

定義2 設(shè)函數(shù)f（x）在區(qū)間I上有定義，若x1，x2∈I，有

f x1+x2 2 ≤ f（x1）+f（x2） 2 ， （2）

則稱f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù).

定義3 設(shè)函數(shù)f（x）在區(qū)間I上有定義，若x1，x2，…，xn∈I，有

f x1+x2+…xn n ≤ f（x1）+f（x2）+…+f（xn） n ， （3）

則稱f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù).

定義4 設(shè)函數(shù)f（x）在區(qū)間I上有定義，若y=f（x）在區(qū)間I上任意點(diǎn)的切線在曲線以下，則稱f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù).

二、凸函數(shù)定義之間關(guān)系

上述定義都是凸函數(shù)的定義，但并不能說定義1，2，3，4彼此之間完全等價(jià)，本文依次梳理上述定義的關(guān)系.

定理1 定義1定義2.

證明 令λ= 1 2 ，由（1）式很容易得出f x1+x2 2 ≤ f（x1）+f（x2） 2 ，即定義1定義2，反之則不成立.

定理2 定義2定義3.

證明 定義3定義2，令（3）式中n=2定義2.重點(diǎn)應(yīng)該放在證明定義2定義3.

（Ⅰ）由（2）式可知（3）式當(dāng)n=2時(shí)成立.從而x1，x2，x3，x4∈I，有

f x1+x2+x3+x4 4 =f x1+x2 2 + x3+x4 2 2 ≤

f x1+x2 2 +f x3+x4 2 2

≤ f（x1）+f（x2）+f（x3）+f（x4） 4 .

即定義3中（3）式當(dāng)n=4時(shí)成立.以此類推，重復(fù)上面步驟，可知（3）式當(dāng)n=2k時(shí)皆成立.

（Ⅱ）由（Ⅰ）可知（3）式對(duì)一切n取偶數(shù)時(shí)成立，現(xiàn)在證明重點(diǎn)由n取偶數(shù)時(shí)成立推出n取奇數(shù)時(shí)成立.即只要說明（3）式對(duì)n=k+1時(shí)成立，也對(duì)n=k時(shí)成立.

令A(yù)= x1+x2+…+xk k ，則kA=x1+x2+…+xk，

進(jìn)而（k+1）A=x1+x2+…+xk+AA= x1+x2+…+xk+A k+1 ，

故有f（A）=f x1+x2+…+xk+A k+1

≤ f（x1）+f（x2）+…+f（xk）+f（A） k+1 .

上式兩邊同乘k+1，減去f（A），可得

f x1+x2+…+xk k ≤ f（x1）+f（x2）+…+f（xk） k ，

上式說明（3）式對(duì)n=k時(shí)成立.

定理3 若f（x）連續(xù)，則定義1，定義2和定義3等價(jià).

證明 重點(diǎn)應(yīng)該放在證明定義2，定義3定義1.

（Ⅰ）設(shè)x1，x2∈I，為證明（1）式對(duì)λ∈（0，1）成立.我們先證明λ= m n ∈（0，1）為有理數(shù)時(shí)成立，其中為m，n為自然數(shù)，而且m

f（λx1+（1-λ）x2）

=f m n x1+ 1- m n x2

=f mx1+（n-m）x2 n

=f x1+x1+…+x1 m +x2+x2+…+x2 n-m n

≤ f（x1）+…+f（x1） m +f（x2）+…+f（x2） n-m n

= mf（x1）+（n-m）f（x2） n = m n f（x1）+ 1- m n f（x2）

=λf（x1）+（1-λ）f（x2）.

從而λ為有理數(shù)情況下說明定義2，定義3定義1.

（Ⅱ）對(duì)λ∈（0，1）的無理數(shù)，則存在有理數(shù)λn∈（0，1）（n=1，2，…），使得λn→λ（當(dāng)n→∞時(shí)）.從而有f（λx1+（1-λ）x2）=f[lim n→∞ （λnx1+（1-λn）x2）].

由于f（x）連續(xù)，上式為

f（λx1+（1-λ）x2）=f[lim n→∞ （λnx1+（1-λn）x2）]=lim n→∞ f（λnx1+（1-λn）x2）.

由（Ⅰ）可知對(duì)于任意有理數(shù)λn，有f（λnx1+（1-λn）x2）≤λnf（x1）+（1-λn）f（x2）.

（上接 40 頁(yè)）

上式兩端取極限，得出

lim n→∞ f（λnx1+（1-λn）x2）≤lim n→∞ [λnf（x1）+（1-λn）f（x2）]=λf（x1）+（1-λ）f（x2）.

從而得出f（λx1+（1-λ）x2）≤λf（x1）+（1-λ）f（x2）.

從而說明λ為無理數(shù)情況下定義2，定義3定義1.

定義1適用范圍更廣，包含了定義2、3，當(dāng)函數(shù)連續(xù)時(shí)，定義2、3才等價(jià)于定義1，但因?yàn)椴缓瑓?shù)λ∈（0，1），從而使用起來要比定義1簡(jiǎn)單.

定義1與定義4的關(guān)系，需要先證明一下引理才可以說明.

引理 設(shè)函數(shù)f（x）在區(qū)間I上有定義，且f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù)，當(dāng)且僅當(dāng)x1，x2，x3∈I，且x1

證明 （Ⅰ）必要性.

由于f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù)，按照定義1可得x1，x3∈I，λ∈（0，1），有

f（λx1+（1-λ）x3）≤λf（x1）+（1-λ）f（x3）. （*）

取λ= x3-x2 x3-x1 并代入不等式得出

f（x2）≤ x3-x2 x3-x1 f（x1）+ x2-x1 x3-x1 f（x3）. （**）

同減f（x1），同除以x2-x1，

易得出 f（x2）-f（x1） x2-x1 ≤ f（x3）-f（x1） x3-x1 ，

同理可證 f（x3）-f（x1） x3-x1 ≤ f（x3）-f（x2） x3-x2 .

（Ⅱ）充分性.

λ∈（0，1），若令x2=λx1+（1-λ）x3，則取λ= x3-x2 x3-x1 ，從而可由（**）推得（*），故f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù).

定理4 若f（x）在區(qū)間I內(nèi)可導(dǎo)，則定義1、定義2、定義3和定義4等價(jià)；此命題可以改寫為若f（x）在區(qū)間I內(nèi)可導(dǎo)，則f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù)，充要條件是：x0∈Io（I全體內(nèi)點(diǎn)組成的集合），有f（x）≥f′（x0）（x-x0）+f（x0）（x∈I）.

證明 略.

三、凸函數(shù)在證明不等式方面的應(yīng)用

例 （Jensen不等式）若f（x）在區(qū)間I上是凸函數(shù)，則對(duì)xi∈I，λi>0（i=1，2，…，n），∑ n i=1 λi=1，有

f（∑ n i=1 λixi）≤∑ n i=1 λif（xi）. （5）

證明 （Ⅰ）當(dāng)n=2，由定義1可得（5）式成立；

（Ⅱ）假設(shè)當(dāng)n=k時(shí)（5）式成立.即xi∈I，αi>0（i=1，2，…，k），∑ k i=1 αi=1，有f（α1x1+α2x2+…+αkxk）≤α1f（x1）+α2f（x2）+…+αkf（xk），

則x1，x2，…，xk，xk+1∈I，λi>0（i=1，2，…，k+1），∑ k+1 i=1 λi=1，有：

從而對(duì)于任何正整數(shù)n≥2，f（x）是凸函數(shù)，總有（5）式成立.