凸函数的定义、性质以及判别

    凸函数有很好的极值性质,这使其在非线性规划中占有重要的地位。凹函数与凸函数相似,凸函数具有全局极小值,凹函数具有全局极大值。因为两者很方便进行转换,我们以凸函数为例作介绍。

1. 凸函数的定义

    要定义凸函数,首先必须要对凸集有所了解。

    凸集  给定集合以及其中的任意两个元素,即,若对任意实数,恒有

                         

    则称为凸集。

    凸函数  设 为定义在n维欧氏空间 中某个凸集 上的函数,若对任意实数以及 中的任意两点,恒有

                        

    则称为定义在凸集上的凸函数。

            如对每一个以及上任意两点  ,恒有

                        

    则称为定义在凸集上的严格凸函数。

    线性函数既是凸函数又是凹函数,但都不是严格凸函数和严格凹函数。

2. 凸函数的性质

    性质1  设为定义在凸集上的凸函数,则对任意实数 ,函数 也是定义在凸集上的凸函数。

    性质2  设 都是定义在凸集上的凸函数,则函数也是定义在凸集上的凸函数。

    性质3  设为定义在凸集上的凸函数,则对任意实数,集合是凸集。

    性质4  设为定义在凸集上的凸函数,则的任一个极小点就是它在上的全局极小点,而且所有极小点的集合是凸集。


3. 凸函数的判别

    判断一个函数是否为凸函数,最基本的方法是使用其定义。但对可微函数,下面介绍的两个判定定理可能更为有效。

    一阶判定条件  设在凸集上具有一阶连续偏导数,则上凸函数的充分必要条件是,对中任意两点,恒有

                     

    二阶判定条件  设在开凸集上具有二阶连续偏导数,则上凸函数的充分必要条件是,的海赛矩阵上处处半正定。

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