设在上,如果有:(1),那么称在上是 凹函数 (Concave function)的,或简称 凹的 ;
(2),那么称在上是 凸函数 (Convex function)的,或简称 凸的 。
这里举例说明下上述定义,比如下面两幅图中的函数就分别是凹的和凸的。
下面来具体解释一下,以上图中左侧的凹函数为例。假设该函数为,任取,此两点对应的函数值分别为。那么:
-
就是的中点
-
是上述中点对应的函数值
-
是上述中点在
连线上的值(
连线所在的直线函数为:
代入中点,也就是令可得:
所以说是中点在连线上的值
)
-
所以说的就是,中点对应的函数值在连线值的下方
因为的任意性,所以实际上说的就是在上,函数曲线都在连线的下方:
凸函数的情况也是一样的,只是说明了函数曲线都在连线的上方,这里就不再赘述了。
设函数在上,在内具有一阶和二阶,那么:(1)若在内,那么在上是;
(2)若在内,那么在上是。
下面先来证明情况(1)。设和为内任意两点,且,记,并记,则有。这里的四者的关系如下图所示。由可得:
下式减去上式可得:
可运用对上式的右侧进行改写:
因为、,又条件中有,故:
上面的不等式整理后可得:
所以在上是。类似的可证情况(2)。
我们可通过如下的逻辑链条来理解该定理:
这里举例说明下上述逻辑链条。比如下图所示的函数就满足二阶,这意味着是,我们可以通过观察不同点的来验证这一点(微分的斜率就是):
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为金黄色时导数小于 0
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为紫色时,也就是闪烁时导数等于 0
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为红色时导数大于 0
确实从图像上也可以看出,该函数是。的情况也是一样的,这里就不再赘述了。