二阶导数与函数的凹凸性

1 函数的凹凸性
设函数上连续,如果有:

(1),那么称上是 凹函数 的,或简称 凹的

(2),那么称上是 凸函数 的,或简称 凸的

这里举例说明下上述定义,比如下图中的左、右两侧的函数就分别是凹的和凸的。

函数是凹的

函数是凸的

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

所以意味着,中点对应的函数值在连线值的下方,如下图所示。

中点对应的函数值在连线值下方

因为的任意性,所以实际上说的是,在上任取两点,两点之间的函数曲线一定在两点连线的下方,如下图所示。

上任取两点,两点之间的函数曲线一定在两点连线的下方

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
设函数上连续,在内具有一阶和二阶导数,那么:

(1)若在,那么上是凹的;

(2)若在,那么上是凸的。

我们可通过如下的逻辑链条来理解上述定理:

对于上述逻辑链条这里举例说明下。对函数而言,如果其二阶导数满足,根据导数与函数的单调性,那么意味着是严格单调递增的,此时函数的微分的变化就会类似于下面的动图(微分的斜率就是导数):

  • 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

当函数是凹的时,就可以要满足上述变化。

是严格单调递增的

的情况也是一样的,这里就不再赘述了。

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