函数的凹凸性

1 函数的凹凸性
,如果有:

(1),那么称上是 凹函数 (Concave function)的,或简称 凹的

(2),那么称上是 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。

2 二阶导数与函数的凹凸性
设函数,在内具有一阶和二阶,那么:

(1)若在,那么上是

(2)若在,那么上是

下面先来证明情况(1)。设内任意两点,且,记,并记,则有。这里的四者的关系如下图所示。

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,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):

  • 为金黄色时导数小于 0
  • 为紫色时,也就是闪烁时导数等于 0
  • 为红色时导数大于 0

确实从图像上也可以看出,该函数的情况也是一样的,这里就不再赘述了。

关注马同学
马同学高等数学
微信公众号:matongxue314