Jensen不等式证明

凸函数(Convex Functions)

凸函数的定义1如下:

Jensen不等式证明_第1张图片

如下图所示:严格凸函数:函数曲线位于由点连接而成的直线下方。

凸函数:函数曲线不超过由点连接而成的直线。

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定理1:如果某函数在某个区间二阶可导且二阶导数非负,那么这个函数在该区间是凸的。

其中 twice differentiable 指的是二阶可导。 

关于这个定理的证明如下:

Jensen不等式证明_第3张图片

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推论1:-ln(x) 在 (0,∞) 上是严格凸函数。

证明如下:

其中的 Definition 2是凹函数的定义。 

 

Jensen不等式

定理2 :Jensen 不等式:

上边的定理推论描述的是两个点,如果我们看 n 个点的情况,就得到了Jensen 不等式。

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 证明如下,使用的是归纳法:

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 因为 -ln(x) 是凸函数,所以我们把 -ln(x) 函数当作 f(x) 带进去,可得:

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 EM算法里用到的就是这个不等式。

推论2:算术平均大于等于几何平均

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证明如下:

Jensen不等式证明_第9张图片

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