抄书——最优化的理论与方法(5)——数学基础(凸集和凸函数)

有关凸集的证明例题_第1章引言题解1. 用定义验证下列各集合是凸集: (1) S={(X1 ...... ) f(x1,x2)=x21-4x1x2+x22+x1+x2;(3) f(x1,x2)=(x1-x2)2+4x1x2+ex1+x2;(4) f(x1,x2)=x1e-(x1+x2);(5) f(x1,x2,x3)=x1x2+2x21+x22+2x23-6x1x3.解(1) 2f(x)=2-2-22为半正定矩阵,故f(x1,x2)是凸函数.(2) 2f(x)=2-4-42为不定矩阵,故f(x1,... 阅读详情

以下内容主要抄自抄袁亚湘的《最优化理论与方法》的 1.3 凸集和凸函数


凸性(Convexity)在优化化理论和方法的研究中起着重要作用。

1.3.1 凸集

定义 1.3.1
设集合 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn,如果对于任意 x1,x2∈Sx_1,x_2\in Sx1​,x2​∈S,有
αx1+(1−α)x2∈S,∀α∈[0,1](1.3.1) \alpha x_1+(1-\alpha)x_2\in S,\quad \forall \alpha\in [0,1]\qquad(1.3.1) αx1​+(1−α)x2​∈S,∀α∈[0,1](1.3.1)
则称 SSS 是凸集。
这个定义表明,如果 x1,x2∈Sx_1,x_2\in Sx1​,x2​∈S,则连接 x1x_1x1​ 和 x2x_2x2​ 的线段属于 SSS。
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图1 凸集与非凸集(左边是凸集,右边是非凸集)
归纳地可以证明,RnR^nRn 的子集 SSS 为凸集当且仅当对任意 x1,x2,⋯ ,xm∈Sx_1,x_2,\cdots,x_m \in Sx1​,x2​,⋯,xm​∈S,有
∑i=1mαixi∈S,(1.3.2)with ∑i=1mαi=1,αi≥0,i=1,⋯ ,m \sum_{i=1}^m \alpha_i x_i \in S,\qquad(1.3.2)\\ \text{with }\sum_{i=1}^m \alpha_i=1,\quad \alpha_i\ge 0, i=1,\cdots,m i=1∑m​αi​xi​∈S,(1.3.2)with i=1∑m​αi​=1,αi​≥0,i=1,⋯,m
(1.3.1)中的 x=αx1+(1−α)x2x=\alpha x_1+(1-\alpha)x_2x=αx1​+(1−α)x2​ 称为 x1x_1x1​ 和 x2x_2x2​ 的凸组合,(1.3.2)中的 x=∑αixix=\sum\alpha_i x_ix=∑αi​xi​ 称为 x1,⋯ ,xnx_1,\cdots,x_nx1​,⋯,xn​ 的凸组合。
例 1.3.2
超平面 H={x∣ pTx=α,α∈R}H=\{ x\vert\ p^Tx=\alpha,\alpha\in R\}H={x∣ pTx=α,α∈R} 是凸集,其中 p∈Rnp\in R^np∈Rn 是非零向量,称为超平面的法向量,α\alphaα 为实数。
例 1.3.3
闭半空间 H−={x∣ pTx≤β}H^-=\{x \vert \ p^Tx\le \beta\}H−={x∣ pTx≤β} 和 H+={x∣ pTx≥β}H^+=\{x \vert \ p^Tx\ge \beta\}H+={x∣ pTx≥β} 为凸集。开半空间 H˚−={x∣ pTx&lt;β}\mathring H^-=\{x \vert \ p^Tx\lt \beta\}H˚−={x∣ pTx<β} 和 H˚+={x∣ pTx&gt;β}\mathring H^+=\{x \vert \ p^Tx\gt \beta\}H˚+={x∣ pTx>β} 为凸集。
例 1.3.4
射线 S={x∣ x0+λd, λ≥0}S=\{x\vert\ x_0+\lambda d,\ \lambda\ge 0\}S={x∣ x0​+λd, λ≥0} 为凸集,其中,ddd 是给定的任意非零向量,x0x_0x0​ 是定点。


对于任意 x1,x2∈Sx_1,x_2 \in Sx1​,x2​∈S 和每个数 λ∈[0,1]\lambda\in[0,1]λ∈[0,1],有
x1=x0+λ1d,x2=x0+λ2d,λ1,λ2∈[0,1] x_1=x_0+\lambda_1 d,\quad x_2=x_0+\lambda_2 d,\quad \lambda_1,\lambda_2\in [0,1] x1​=x0​+λ1​d,x2​=x0​+λ2​d,λ1​,λ2​∈[0,1]
因而,
λx1+(1−λ)x2=x0+[λλ1+(1−λ)λ2]dλλ1+(1−λ)λ2≥0 \lambda x_1 + (1-\lambda)x_2=x_0+[\lambda\lambda_1+(1-\lambda)\lambda_2]d\\ \lambda\lambda_1+(1-\lambda)\lambda_2\ge 0 λx1​+(1−λ)x2​=x0​+[λλ1​+(1−λ)λ2​]dλλ1​+(1−λ)λ2​≥0
故,λx1+(1−λ)x2∈S\lambda x_1 + (1-\lambda)x_2 \in Sλx1​+(1−λ)x2​∈S.


此外,若 AAA 是 m×nm\times nm×n 矩阵,b∈Rnb\in R^nb∈Rn,则集合
S={x∈Rn∣Ax=b} S=\{x\in R^n \vert Ax=b\} S={x∈Rn∣Ax=b}
是凸集。
由有限个半闭空间的交组成的集合 SSS 叫多面集,表达为
S={x∣piTx≤βi, i=1,⋯&ThinSpace;,m} S=\{x\vert p_i^T x\le \beta_i,\ i=1,\cdots,m\} S={x∣piT​x≤βi​, i=1,⋯,m}
其中 pip_ipi​ 是非零向量,βi\beta_iβi​ 是实数。多面集是闭凸集。由于等式可以用两个不等式表示,所以下面的集合都是多面集的例子:
S={x∣Ax=b, x≥0},S={x∣Ax≥0, x≥0}. S=\{x\vert A x=b,\ x\ge 0\},\\ S=\{x\vert A x\ge 0,\ x\ge 0\}. S={x∣Ax=b, x≥0},S={x∣Ax≥0, x≥0}.
下面的引理叙述了凸集的性质,即两个凸集的交集是凸集,两个凸集的代数和是凸集。
引理 1.3.5
设 S1S_1S1​ 和 S2S_2S2​ 是 RnR^nRn 中的凸集,则
1)S1∩S2S_1\cap S_2S1​∩S2​ 是凸集;
2)S1±S2={x1±x2∣ x1∈S1,x2∈S2}S_1 \pm S_2=\{ x_1\pm x_2 \vert\ x_1\in S_1, x_2 \in S_2\}S1​±S2​={x1​±x2​∣ x1​∈S1​,x2​∈S2​}
从这个引理可知,线性规划和二次规划中的可行域是凸集,因为它是超平面和半空间的交集。

设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn,包含子集 SSS 的所有凸集的交叫 SSS 的凸包,记作 conv(S){conv}(S)conv(S),它是包含 SSS 的唯一的最小的凸集。凸包 conv(S){conv}(S)conv(S) 由 SSS 中元素的所有凸组合组成,
conv(S)={x∣x=∑i=1mαixi, xi∈S, ∑i=1mαi=1, αi≥0,i=1,⋯&ThinSpace;,m}(1.3.3) {conv}(S)=\left \{ x \left\vert x=\sum_{i=1}^m \alpha_i x_i,\ x_i\in S,\ \sum_{i=1}^m \alpha_i = 1,\ \alpha_i\ge 0, i=1,\cdots,m\right. \right\}\qquad(1.3.3) conv(S)={x∣∣∣∣∣​x=i=1∑m​αi​xi​, xi​∈S, i=1∑m​αi​=1, αi​≥0,i=1,⋯,m}(1.3.3)


RnR^nRn 的子集叫锥,如果它关于正的数乘运算是封闭的,即当 x∈K, λ&gt;0x\in K,\ \lambda\gt 0x∈K, λ>0 时,λx∈K\lambda x \in Kλx∈K。如果锥 K 也是凸集,则称之为凸锥。例如:
{x=(ξ1,⋯&ThinSpace;,ξn) ∣ ξ1≥0,⋯&ThinSpace;,ξn≥0},{x=(ξ1,⋯&ThinSpace;,ξn) ∣ ξ1&gt;0,⋯&ThinSpace;,ξn&gt;0}, \{ x=(\xi_1,\cdots,\xi_n)\ \vert \ \xi_1\ge 0,\cdots,\xi_n \ge 0\},\\ \{ x=(\xi_1,\cdots,\xi_n)\ \vert \ \xi_1\gt 0,\cdots,\xi_n \gt 0\}, {x=(ξ1​,⋯,ξn​) ∣ ξ1​≥0,⋯,ξn​≥0},{x=(ξ1​,⋯,ξn​) ∣ ξ1​>0,⋯,ξn​>0},
和
{x∈Rn ∣ xTbi≤0,i∈I} \{ x\in R^n \ \vert \ x^Tb_i\le 0, i\in I\} {x∈Rn ∣ xTbi​≤0,i∈I}
均是凸锥,在上式中,bi∈Rnb_i\in R^nbi​∈Rn,III 是一个任意指标集。
RnR^nRn 的一个子集是凸锥当且仅当它关于加法和正的数乘运算是封闭的。包含凸集 CCC 的最小凸锥是
K={λx ∣ λ&gt;0,x∈C} K=\{\lambda x\ \vert\ \lambda \gt 0, x\in C\} K={λx ∣ λ>0,x∈C}


下面叙述开集、闭集、开凸集和闭凸集。
设 x∈Rnx\in R^nx∈Rn,开球 B(x,r)B(x,r)B(x,r) 定义为:
B(x,r)={y∈Rn ∣ ∥y−x∥&lt;r} B(x,r) = \{y\in R^n \ \vert \ \Vert y-x \Vert \lt r \} B(x,r)={y∈Rn ∣ ∥y−x∥<r}
这是一个以 xxx 为中心,以 rrr 为半径的开球。
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn,如果存在 r&gt;0r\gt 0r>0,使得 B(x,r)⊂SB(x,r)\subset SB(x,r)⊂S,则称 x∈Rnx\in R^nx∈Rn 是 SSS 的内点。SSS 的所有内点的集合叫 SSS 的内部,用 int(S){int}(S)int(S) 表示。显然,int(S)⊂Sint(S)\subset Sint(S)⊂S。
如果子集 SSS 的每一点都是 SSS 的内点,即 int(S)=Sint(S)=Sint(S)=S,则 SSS 称为开子集。特别,空集 ∅\varnothing∅ 和 nnn维空间 RnR^nRn(全集) 是 RnR^nRn 的开子集。(它们既是开集,又是闭集。)
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn,如果
S∩B(x,r)≠∅, ∀r&gt;0 S\cap B(x,r) \neq \varnothing, \ \forall r\gt 0 S∩B(x,r)̸​=∅, ∀r>0
则 xxx 称为属于S的闭包,即 x∈S‾x\in \overline Sx∈S。显然,S⊂S‾S\subset \overline SS⊂S。
如果 S=S‾S=\overline SS=S,则 SSS 称为闭子集。空集 ∅\varnothing∅ 和 nnn维空间 RnR^nRn(全集) 是 RnR^nRn 的闭子集。直观地说,如果一个子集包含它所有的边界点,则它是闭的。例如:闭球 B‾(x,r)={y∈Rn∣ ∥y−x∥≤r}\overline B(x,r)=\{y\in R^n \vert \ \Vert y-x\Vert\le r\}B(x,r)={y∈Rn∣ ∥y−x∥≤r} 是闭集。
显然,一个子集是闭的,当且仅当它的补是开的。
根据上述定义,闭包 S‾\overline SS 可以写为:
S‾={x∈Rn ∣ lim⁡k∥xk−x∥=0, xk∈S} \overline S = \{ x\in R^n \ \vert \ \lim_{k} \Vert x_k-x\Vert=0,\ x_k\in S\} S={x∈Rn ∣ klim​∥xk​−x∥=0, xk​∈S}


什么意思呢?即闭包 S‾\overline SS 集合中的点 xxx 与集合 SSS 的距离为零。


若 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 是凸集,若它是开的,则称为开凸集;若它是闭的,则称为闭凸集。

定理 1.3.6
如果 C⊂RnC\subset R^nC⊂Rn 是凸集,那么 CCC 的闭包 C‾\overline CC 也是凸集。


在凸集的研究中另一个有用的概念为凸集的极值点和极值方向。
定义 1.3.7
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 是非空凸集,x∈Sx\in Sx∈S,若 xxx 不在 SSS 中任何线段的内部,即,若假设 x=θx1+(1−θ)x2, and x1,x2∈S,θ∈(0,1)x=\theta x_1+(1-\theta)x_2,\text{ and }x_1,x_2\in S,\theta \in (0,1)x=θx1​+(1−θ)x2​, and x1​,x2​∈S,θ∈(0,1) 必推出 x=x1=x2x=x_1=x_2x=x1​=x2​,则称 xxx 是凸集 SSS 的极值点。
显然,多边形的顶点和圆周上的任意点都是极值点。

定义 1.3.8
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 是闭凸集,ddd 为非零向量,如果对每一个 x∈S,x+λd∈S,∀λ≥0x\in S,x+\lambda d\in S,\forall \lambda\ge 0x∈S,x+λd∈S,∀λ≥0,则称向量 ddd 为 SSS 的方向。又设d1d_1d1​ 和 d2d_2d2​ 为 SSS 的两个不同方向。如果 SSS 的方向 ddd 不能表示成该集合的两个不同方向的正的线性组合,即如果 d=λ1d1+λ2d2, λ1,λ2&gt;0d=\lambda_1 d_1+\lambda_2 d_2,\ \lambda_1,\lambda_2 \gt 0d=λ1​d1​+λ2​d2​, λ1​,λ2​>0,必可推出 d1=αd2d_1=\alpha d_2d1​=αd2​,则称 ddd 为 SSS 的极值方向。
如下图:
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图2 极值方向

考虑多面集
S={x∣ Ax=b,x≥0} S=\{x\vert \ Ax=b,x\ge 0\} S={x∣ Ax=b,x≥0}
其中 AAA 是 m×nm\times nm×n 矩阵,rank(A)=m,b∈Rm{rank}(A)=m,b\in R^mrank(A)=m,b∈Rm。不失一般性,设 A=[B,N]A=[B,N]A=[B,N],其中 BBB 是 m×mm\times mm×m 非奇异矩阵,NNN 是 m×(n−m)m\times(n-m)m×(n−m) 矩阵。设 xB,xNx_B,x_NxB​,xN​ 分别是对应于 BBB 和 NNN 的向量,
Ax=[B  N][xBxN]=BxB+NxN=b Ax=[B \ \ N]\left[ \begin{array} {c} x_B \\ x_N\end{array} \right]= Bx_B + Nx_N=b Ax=[B  N][xB​xN​​]=BxB​+NxN​=b
于是,xxx 是多面集 SSS 的极值点的充分必要条件是
x=[xBxN]=[B−1b0] x=\left[ \begin{array} {c} x_B \\ x_N\end{array} \right]=\left[ \begin{array} {c} B^{-1}b \\ 0\end{array} \right] x=[xB​xN​​]=[B−1b0​]
其中,B−1b≥0B^{-1}b \ge 0B−1b≥0。
d≠0d\neq0d̸​=0 是 SSS 的一个方向,当且仅当 Ad=0,d≥0Ad=0,d\ge0Ad=0,d≥0。d‾\overline dd 是 SSS 的一个极值方向,当且仅当
B−1aj≤0, 对某个 aj 是 N 的列,d‾=αd=α(B−1ajej) B^{-1}a_j\le 0,\text{ 对某个 $a_j$ 是 N 的列,}\\ \text{} \\ \overline d=\alpha d=\alpha \left( \begin{array}{c} B^{-1}a_j \\ e_j \end{array}\right) B−1aj​≤0, 对某个 aj​ 是 N 的列,d=αd=α(B−1aj​ej​​)
其中 α&gt;0,ej∈Rn−m\alpha \gt 0, e_j \in R^{n-m}α>0,ej​∈Rn−m 是单位向量。


1.3.2 凸函数

定义 1.3.9
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 是非空凸集,α∈(0,1)\alpha \in (0,1)α∈(0,1),fff 是定义在 SSS 上的函数。如果对任意 x1,x2∈Sx_1,x_2\in Sx1​,x2​∈S,有
f(αx1+(1−α)x2)≤αf(x1)+(1−α)f(x2)(1.3.4) f(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2)\le \alpha f(x_1)+(1-\alpha) f(x_2) \qquad(1.3.4) f(αx1​+(1−α)x2​)≤αf(x1​)+(1−α)f(x2​)(1.3.4)
则称函数 fff 是 SSS 上的凸函数。如果当 x1≠x2x_1\neq x_2x1​̸​=x2​ 时(1.3.4)中严格不等式成立,
f(αx1+(1−α)x2)&lt;αf(x1)+(1−α)f(x2)(1.3.5) f(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2)\lt \alpha f(x_1)+(1-\alpha) f(x_2) \qquad(1.3.5) f(αx1​+(1−α)x2​)<αf(x1​)+(1−α)f(x2​)(1.3.5)
则称函数 fff 是 SSS 上的严格凸函数。如果存在一个常数 c&gt;0c\gt 0c>0,使得对任意 x1,x2∈Sx_1,x_2\in Sx1​,x2​∈S,有
αf(x1)+(1−α)f(x2)≥f(αx1+(1−α)x2)+cα(1−α)∥x1−x2∥2(1.3.6) \alpha f(x_1)+(1-\alpha) f(x_2)\ge f(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2)+c\alpha(1-\alpha)\Vert x_1-x_2\Vert^2\qquad(1.3.6) αf(x1​)+(1−α)f(x2​)≥f(αx1​+(1−α)x2​)+cα(1−α)∥x1​−x2​∥2(1.3.6)
则称 fff 在 SSS 上是一致凸的。
如果 −f-f−f 是 SSS 上的凸(严格凸)函数,则称 fff 是 SSS 上的凹(严格凹)函数。
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图3 凸(凹)函数

凸函数有如下性质:
定理 1.3.10
1)设 fff 是定义在凸集 SSS 上的凸函数,实数 α≥0\alpha \ge 0α≥0,则 αf\alpha fαf 也是定义在 SSS 上的凸函数。
2)设 f1,f2f_1,f_2f1​,f2​ 是定义在凸集 SSS 上的凸函数,则 f1+f2f_1+f_2f1​+f2​,也是定义在 SSS 上的凸函数。
3)设 f1,f2,⋯&ThinSpace;,fmf_1,f_2,\cdots,f_mf1​,f2​,⋯,fm​ 是定义在凸集 SSS 上的凸函数,实数 α1,α2,⋯&ThinSpace;,αn≥0\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_n \ge 0α1​,α2​,⋯,αn​≥0,则 ∑i=1mαifi\sum_{i=1}^m \alpha_i f_i∑i=1m​αi​fi​ 也是定义在 SSS 上的凸函数。


即对正实数乘和加法是封闭的。


如果凸函数是可微的,我们可以用下面的特征描述凸函数,下面的定理刻画了凸函数的一阶特征。
定理 1.3.11
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 是非空开凸集,fff 是定义在 SSS 上的可微函数,则 fff 为凸函数的充分必要条件是:
f(y)≥f(x)+∇f(x)T(y−x),∀x,y∈S(1.3.7) f(y)\ge f(x)+\nabla f(x)^T(y-x),\quad \forall x,y\in S\qquad(1.3.7) f(y)≥f(x)+∇f(x)T(y−x),∀x,y∈S(1.3.7)
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图4 凸函数的一阶特征


证明:
必要性:设 fff 是凸函数,于是对所有 α, 0≤α≤1\alpha,\ 0\le \alpha \le 1α, 0≤α≤1,有
f(αy+(1−α)x)≤αf(y)+(1−α)f(x) f(\alpha y + (1-\alpha)x) \le \alpha f(y) + (1-\alpha)f(x) f(αy+(1−α)x)≤αf(y)+(1−α)f(x)
因此,对于 0&lt;α≤10\lt \alpha \le 10<α≤1,
f(x+α(y−x))−f(x)α≤f(y)−f(x) \frac{f(x+\alpha(y-x))-f(x)}{\alpha}\le f(y)-f(x) αf(x+α(y−x))−f(x)​≤f(y)−f(x)
令 α→0\alpha \to 0α→0,得
∇f(x)T(y−x)≤f(y)−f(x)⇒f(y)≥f(x)+∇f(x)T(y−x) \nabla f(x)^T(y-x)\le f(y)-f(x)\\ \text{} \\ \Rightarrow f(y)\ge f(x)+\nabla f(x)^T(y-x) ∇f(x)T(y−x)≤f(y)−f(x)⇒f(y)≥f(x)+∇f(x)T(y−x)
充分性:今设(1.3.7)成立,任取 x1,x2∈S, 0≤α≤1x_1,x_2\in S, \ 0\le\alpha\le 1x1​,x2​∈S, 0≤α≤1,令 x=αx1+(1−α)x2x=\alpha x_1 + (1-\alpha)x_2x=αx1​+(1−α)x2​,我们有
f(x1)≥f(x)+∇f(x)T(x1−x)f(x2)≥f(x)+∇f(x)T(x2−x) f(x_1)\ge f(x) + \nabla f(x)^T(x_1-x)\\ f(x_2)\ge f(x) + \nabla f(x)^T(x_2-x) f(x1​)≥f(x)+∇f(x)T(x1​−x)f(x2​)≥f(x)+∇f(x)T(x2​−x)
于是得到
αf(x1)+(1−α)f(x2)≥f(x)+∇f(x)T[αx1+(1−α)x2−x]=f(αx1+(1−α)x2) \alpha f(x_1) + (1-\alpha)f(x_2)\ge f(x)+\nabla f(x)^T[\alpha x_1+(1-\alpha)x_2-x]\\=f(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2) αf(x1​)+(1−α)f(x2​)≥f(x)+∇f(x)T[αx1​+(1−α)x2​−x]=f(αx1​+(1−α)x2​)
(对于一维凸函数,有
lim⁡x→αx1+(1−α)x2f(αx1+(1−α)x2)−f(x)αx1+(1−α)x2−x=f′(αx1+(1−α)x2) \lim_{x\to \alpha x_1+(1-\alpha)x_2}\frac{f(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2)-f(x)}{\alpha x_1+(1-\alpha)x_2-x} = f&#x27;(\alpha x_1+(1-\alpha)x_2) x→αx1​+(1−α)x2​lim​αx1​+(1−α)x2​−xf(αx1​+(1−α)x2​)−f(x)​=f′(αx1​+(1−α)x2​))
这表明 f(x)f(x)f(x) 是凸函数。


凸函数的定义 1.3.9 表示了两点的线性插值大于函数值,即函数图形在弦之下。这个定理表明了根据局部导数的线性近似是函数的低估,即凸函数图形位于图形上任一点切线的上方。这样的切线(面)就称为凸函数的一个支撑超平面。

下面,我们对于二次连续可微函数,考虑凸函数的二次特征。
定理 1.3.12
设 S∈RnS\in R^nS∈Rn 是非空开凸集,fff 是定义在 SSS 上的二次可微函数,则 fff 是凸函数的充分必要条件是在 SSS 的每一点Hesse 矩阵正半定。


fff 在 xxx 处的 Hesse 矩阵定义为 n×nn\times nn×n 矩阵,其第 i,ji,ji,j 元素为:
[∇2f(x)]ij=∂2f(x)∂xi∂xj,1≤i,j≤n [\nabla^2 f(x)]_{ij}=\frac{\partial^2 f(x)}{\partial x_i \partial x_j},\quad 1\le i,j \le n [∇2f(x)]ij​=∂xi​∂xj​∂2f(x)​,1≤i,j≤n


证明:
1)充分性
设 Hesse 矩阵 ∇2f(x)\nabla^2 f(x)∇2f(x) 在每一点 x∈Sx\in Sx∈S 正半定。考虑 x,x‾∈Sx, \overline x\in Sx,x∈S,由中值定理,有
f(x)=f(x‾)+∇f(x‾)T(x−x‾)+12(x−x‾)T∇2f(x^)(x−x‾) f(x) = f(\overline x) + \nabla f(\overline x)^T(x-\overline x)+\frac12(x-\overline x)^T\nabla^2f(\widehat x)(x-\overline x) f(x)=f(x)+∇f(x)T(x−x)+21​(x−x)T∇2f(x)(x−x)
其中,x^=x‾+θ(x−x‾),θ∈(0,1)\widehat x=\overline x+\theta(x-\overline x),\theta \in (0,1)x=x+θ(x−x),θ∈(0,1)。注意到 x^∈S\widehat x\in Sx∈S,故由假设(∇2f(x)\nabla^2 f(x)∇2f(x) 在每一点 x∈Sx\in Sx∈S 正半定)知:
f(x)≥f(x‾)+∇f(x‾)T(x−x‾) f(x) \ge f(\overline x) + \nabla f(\overline x)^T(x-\overline x) f(x)≥f(x)+∇f(x)T(x−x)
从而,根据定理 1.3.11 可知 fff 是凸函数。
2)必要性
设 fff 是凸函数,任取 x‾∈S\overline x\in Sx∈S,我们要证明 pT∇2f(x‾)p≥0,∀p∈Rnp^T\nabla^2f(\overline x)p\ge 0,\forall p\in R^npT∇2f(x)p≥0,∀p∈Rn,即证明 ∇2f(x‾)\nabla^2f(\overline x)∇2f(x) 正半定。由于 SSS 是开集,必存在 δ&gt;0\delta \gt 0δ>0,使当 ∣λ∣&lt;δ\vert \lambda \vert \lt \delta∣λ∣<δ 时,x‾+λp∈S\overline x+\lambda p\in Sx+λp∈S。根据定理 1.3.11,有
f(x‾+λp)≥f(x‾)+λ∇f(x‾)Tp(1.3.8) f(\overline x +\lambda p)\ge f(\overline x) + \lambda \nabla f(\overline x)^Tp \qquad(1.3.8) f(x+λp)≥f(x)+λ∇f(x)Tp(1.3.8)
又由于 f(x)f(x)f(x) 在 x‾\overline xx 处二次可微,则
f(x‾+λp)=f(x‾)+λ∇f(x‾)Tp+λ22pTG(x‾)p+o(∥λp∥2)(1.3.9) f(\overline x+\lambda p)=f(\overline x)+\lambda\nabla f(\overline x)^Tp+\frac{\lambda^2}2p^TG(\overline x)p+o(\Vert \lambda p\Vert^2)\qquad(1.3.9) f(x+λp)=f(x)+λ∇f(x)Tp+2λ2​pTG(x)p+o(∥λp∥2)(1.3.9)
其中 G(x‾)G(\overline x)G(x) 是 fff 在 x‾\overline xx 处的 Hesse 阵。将 (1.3.9) 代入 (1.3.8) 便得到
12λ2pTG(x‾)p+o(∥λp∥2)≥0 \frac12 \lambda^2p^TG(\overline x)p+o(\Vert \lambda p\Vert^2)\ge 0 21​λ2pTG(x)p+o(∥λp∥2)≥0
上式两边除以 λ2\lambda^2λ2,并令 λ→0\lambda\to 0λ→0,得
pTG(x‾)p≥0 p^TG(\overline x)p\ge 0 pTG(x)p≥0
必要性得证。□\square□


定理 1.3.13
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 为非空开凸集,fff 是定义在 SSS 上的可微函数,则 fff 为严格凸函数的充分必要条件是
f(y)&gt;f(x)+∇f(x)T(y−x),∀y,x∈S,x≠y(1.3.10) f(y)\gt f(x)+\nabla f(x)^T(y-x),\quad \forall y,x\in S, x\neq y\qquad(1.3.10) f(y)>f(x)+∇f(x)T(y−x),∀y,x∈S,x̸​=y(1.3.10)
定理 1.3.14
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 为非空开凸集,fff 是定义在 SSS 上的二次可微函数,如果在每一点 x∈Sx\in Sx∈S,Hesse 阵正定,则 fff 为严格凸函数,但如果 fff 为严格凸函数,则 Hesse 矩阵在 SSS 的每一点正半定。

和凸函数关系密切的是水平集。下面的定理指出水平集是凸集。
定理 1.3.15
设 S⊂RnS\subset R^nS⊂Rn 为非空凸集,fff 是定义在 SSS 上的凸函数,α\alphaα 是一个实数,则水平集 Lα={x∣ x∈S,f(x)≤α}L_{\alpha}=\{x\vert \ x\in S,f(x)\le \alpha\}Lα​={x∣ x∈S,f(x)≤α} 是凸集。


证明:
设 x1,x2∈Lαx_1,x_2 \in L_{\alpha}x1​,x2​∈Lα​,于是 x1,x2∈S,f(x1)≤α,f(x2)≤αx_1,x_2\in S,f(x_1)\le \alpha,f(x_2)\le\alphax1​,x2​∈S,f(x1​)≤α,f(x2​)≤α。
今设 λ∈(0,1),x=λx1+(1−λ)x2\lambda\in(0,1),x=\lambda x_1+(1-\lambda)x_2λ∈(0,1),x=λx1​+(1−λ)x2​。由 SSS 的凸性知道 x∈Sx\in Sx∈S,又由于 fff 是凸函数,故有:
f(x1)&gt;f(x)+∇f(x)T(x1−λx1−(1−λ)x2)=f(x)+∇f(x)T(1−λ)(x1−x2)f(x2)&gt;f(x)+∇f(x)T(x2−λx1−(1−λ)x2)=f(x)−∇f(x)Tλ(x1−x2)→λf(x1)+(1−λ)f(x2)&gt;f(x)→f(x)&lt;λf(x1)+(1−λ)f(x2)≤λα+(1−λ)α=α f(x_1)\gt f(x)+\nabla f(x)^T(x_1-\lambda x_1-(1-\lambda)x_2)\\ =f(x)+\nabla f(x)^T(1-\lambda)(x_1-x_2) \\ f(x_2)\gt f(x)+\nabla f(x)^T(x_2-\lambda x_1-(1-\lambda)x_2)\\ =f(x)-\nabla f(x)^T\lambda(x_1-x_2) \\ \to \lambda f(x_1)+(1-\lambda)f(x_2) \gt f(x) \\ \to f(x) \lt \lambda f(x_1)+(1-\lambda)f(x_2)\le \lambda \alpha + (1-\lambda) \alpha = \alpha f(x1​)>f(x)+∇f(x)T(x1​−λx1​−(1−λ)x2​)=f(x)+∇f(x)T(1−λ)(x1​−x2​)f(x2​)>f(x)+∇f(x)T(x2​−λx1​−(1−λ)x2​)=f(x)−∇f(x)Tλ(x1​−x2​)→λf(x1​)+(1−λ)f(x2​)>f(x)→f(x)<λf(x1​)+(1−λ)f(x2​)≤λα+(1−λ)α=α
因此,x∈Lαx\in L_{\alpha}x∈Lα​,从而 LαL_{\alpha}Lα​ 是凸集。□\square□


进一步,若 fff 是 SSS 上的连续凸函数,则显然水平集 LαL_{\alpha}Lα​ 是闭凸集。

定理 1.3.16
设 f(x)f(x)f(x) 在 S∈RnS\in R^nS∈Rn 上二次连续可微,且存在常数 m&gt;0m\gt 0m>0,使得:
uT∇2f(x)u≥m∥u∥2,∀x∈L(x0),u∈Rn(1.3.11) u^T\nabla^2f(x)u\ge m\Vert u\Vert^2,\quad \forall x\in L(x_0), u\in R^n\qquad(1.3.11) uT∇2f(x)u≥m∥u∥2,∀x∈L(x0​),u∈Rn(1.3.11)
则水平集 L(x0)={x∈S∣ f(x)≤f(x0)}L(x_0)=\{x\in S\vert \ f(x)\le f(x_0)\}L(x0​)={x∈S∣ f(x)≤f(x0​)} 是有界闭凸集。


证明:
因为:
uT∇2f(x)u≥m∥u∥2,∀x∈L(x0),u∈Rn(1.3.11) u^T\nabla^2f(x)u\ge m\Vert u\Vert^2,\quad \forall x\in L(x_0), u\in R^n\qquad(1.3.11) uT∇2f(x)u≥m∥u∥2,∀x∈L(x0​),u∈Rn(1.3.11)
所以,f(x)f(x)f(x) 每一点的 Hesse 矩阵正定,f(x)f(x)f(x) 为严格凸函数,由定理 1.3.15,可知,水平集 L(x0)L(x_0)L(x0​) 对于任意 x0∈Rnx_0\in R^nx0​∈Rn 是闭凸集。
现在证明 L(x0)L(x_0)L(x0​) 的有界性。
因为水平集 L(x0)L(x_0)L(x0​) 是凸的,由(1.3.11),故 ∀x,y∈L(x0)\forall x,y\in L(x_0)∀x,y∈L(x0​),
m∥y−x∥2≤(y−x)T∇2f(x+α(y−x))(y−x) m\Vert y-x \Vert^2 \le (y-x)^T\nabla^2f(x+\alpha(y-x))(y-x) m∥y−x∥2≤(y−x)T∇2f(x+α(y−x))(y−x)
又由 Taylor 展开,(此处,我也不甚了了。)
f(y)=f(x)+∇f(x)T(y−x)+∫01∫0t(y−x)T∇2f(x+α(y−x))(y−x)dαdt ≥f(x)+∇f(x)T(y−x)+12m∥y−x∥2 f(y) = f(x) + \nabla f(x)^T(y-x)+\int_0^1\int_0^t(y-x)^T\nabla^2f(x+\alpha(y-x))(y-x)d\alpha dt\\ \text{ } \\ \ge f(x) + \nabla f(x)^T(y-x) + \frac 12 m\Vert y-x\Vert^2 f(y)=f(x)+∇f(x)T(y−x)+∫01​∫0t​(y−x)T∇2f(x+α(y−x))(y−x)dαdt ≥f(x)+∇f(x)T(y−x)+21​m∥y−x∥2
其中 mmm 与 x,yx,yx,y 无关,因此对任意 y∈L(x0),y≠x0y\in L(x_0),y\neq x_0y∈L(x0​),y̸​=x0​,
f(y)−f(x0)≥∇f(x0)T(y−x0)+12m∥y−x0∥2 ≥−∥∇f(x0)∥⋅∥y−x0∥+12m∥y−x0∥2 f(y)-f(x_0) \ge \nabla f(x_0)^T(y-x_0)+\frac12m\Vert y-x_0\Vert^2 \\ \text{ } \\ \ge-\Vert\nabla f(x_0)\Vert\cdot\Vert y-x_0\Vert+\frac12m\Vert y-x_0\Vert^2 f(y)−f(x0​)≥∇f(x0​)T(y−x0​)+21​m∥y−x0​∥2 ≥−∥∇f(x0​)∥⋅∥y−x0​∥+21​m∥y−x0​∥2
上式的第二个不等式是因为 Cauchy-Schwarz 不等式:∣xTy∣≤∥x∥⋅∥y∥\vert x^Ty\vert \le \Vert x\Vert\cdot \Vert y\Vert∣xTy∣≤∥x∥⋅∥y∥。
又由于 f(y)≤f(x0)f(y)\le f(x_0)f(y)≤f(x0​),故
∥y−x0∥≤2m∥∇f(x0)∥ \Vert y-x_0 \Vert \le \frac2m\Vert \nabla f(x_0) \Vert ∥y−x0​∥≤m2​∥∇f(x0​)∥
这表明水平集 L(x0)={x∣x∈S,f(x)≤f(x0)}L(x_0)=\{x\vert x\in S,f(x)\le f(x_0)\}L(x0​)={x∣x∈S,f(x)≤f(x0​)} 有界。□\qquad\square□

最后,作为函数凸性的一个应用,我们给出 Minkowski 不等式的证明。
Minkowski 不等式:
∥x+y∥p≤∥x∥p+∥y∥p \Vert x+y \Vert_p\le \Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p ∥x+y∥p​≤∥x∥p​+∥y∥p​
即
(∑i=1n∣xi+yi∣p)1/p≤(∑i=1n∣xi∣p)1/p+(∑i=1n∣yi∣p)1/p \left( \sum_{i=1}^n\vert x_i+y_i\vert^p\right)^{1/p}\le \left( \sum_{i=1}^n\vert x_i\vert^p\right)^{1/p}+\left( \sum_{i=1}^n\vert y_i\vert^p\right)^{1/p} (i=1∑n​∣xi​+yi​∣p)1/p≤(i=1∑n​∣xi​∣p)1/p+(i=1∑n​∣yi​∣p)1/p
其中,p≥1p\ge 1p≥1.


证明:
如果 xxx 或 yyy 为零向量,则不等式显然成立。故假定 x≠0,y≠0x\neq 0,y\neq 0x̸​=0,y̸​=0.
若 p=1p=1p=1,由于 ∣xi+yi∣≤∣xi∣+∣yi∣,i=1,⋯&ThinSpace;,n\vert x_i+y_i\vert\le \vert x_i \vert+\vert y_i\vert, i=1,\cdots,n∣xi​+yi​∣≤∣xi​∣+∣yi​∣,i=1,⋯,n.
今设 p&gt;1p\gt 1p>1,考虑函数
ϕ(t)=tp,t&gt;0⇒ϕ′′(t)=p(p−1)tp−2 \phi(t)=t^p,\quad t\gt 0\\ \Rightarrow\phi&#x27;&#x27;(t)=p(p-1)t^{p-2} ϕ(t)=tp,t>0⇒ϕ′′(t)=p(p−1)tp−2
故函数 ϕ(t)\phi(t)ϕ(t) 严格凸。注意到:
∥x∥p∥x∥p+∥y∥p+∥y∥p∥x∥p+∥y∥p=1 \frac{\Vert x\Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}+\frac{\Vert y\Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}=1 ∥x∥p​+∥y∥p​∥x∥p​​+∥x∥p​+∥y∥p​∥y∥p​​=1
于是,由凸函数定义得到
(∥x∥p∥x∥p+∥y∥p∣xi∣∥x∥p+∥y∥p∥x∥p+∥y∥p∣yi∣∥y∥p)p ≤∥x∥p∥x∥p+∥y∥p(∣xi∣∥x∥p)p+∥y∥p∥x∥p+∥y∥p(∣yi∣∥y∥p)p \left(\frac{\Vert x\Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\frac{|x_i|}{\Vert x\Vert_p}+\frac{\Vert y\Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\frac{|y_i|}{\Vert y\Vert_p}\right)^p \\ \text{ } \\ \le \frac{\Vert x\Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\left( \frac{|x_i|}{\Vert x\Vert_p}\right)^p + \frac{\Vert y\Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\left( \frac{|y_i|}{\Vert y\Vert_p}\right)^p (∥x∥p​+∥y∥p​∥x∥p​​∥x∥p​∣xi​∣​+∥x∥p​+∥y∥p​∥y∥p​​∥y∥p​∣yi​∣​)p ≤∥x∥p​+∥y∥p​∥x∥p​​(∥x∥p​∣xi​∣​)p+∥x∥p​+∥y∥p​∥y∥p​​(∥y∥p​∣yi​∣​)p
因此
∑i=1n(∣xi+yi∣∥x∥p+∥y∥p)p≤∑i=1n(∣xi∣+∣yi∣∥x∥p+∥y∥p)p因为p次函数是凸函数,所以≤∑i=1n(∥x∥p∥x∥p+∥y∥p(∣xi∣∥x∥p)p+∥y∥p∥x∥p+∥y∥p(∣yi∣∥y∥p)p)≤∥x∥p∥x∥p+∥y∥p∑i=1n(∣xi∣∥x∥p)p+∥y∥p∥x∥p+∥y∥p∑i=1n(∣yi∣∥y∥p)p=∥x∥p∥x∥p+∥y∥p⋅∥x∥pp∥x∥pp+∥y∥p∥x∥p+∥y∥p⋅∥y∥pp∥y∥pp=1 \sum_{i=1}^n\left(\frac{\vert x_i+y_i\vert}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p} \right)^p\le \sum_{i=1}^n\left(\frac{\vert x_i\vert+\vert y_i\vert}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p} \right)^p \\ \color{red}{因为p次函数是凸函数,所以}\color{black}\\ \le \sum_{i=1}^n\left(\frac{\Vert x \Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p} \left(\frac{\vert x_i\vert}{\Vert x\Vert_p} \right)^p+\frac{\Vert y \Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p} \left(\frac{\vert y_i\vert}{\Vert y\Vert_p} \right)^p\right)\\ \le \frac{\Vert x \Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\sum_{i=1}^n \left(\frac{\vert x_i\vert}{\Vert x\Vert_p} \right)^p+\frac{\Vert y \Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\sum_{i=1}^n \left(\frac{\vert y_i\vert}{\Vert y\Vert_p} \right)^p \\ = \frac{\Vert x \Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\cdot\frac{\Vert x \Vert_p^p}{\Vert x \Vert_p^p}+\frac{\Vert y \Vert_p}{\Vert x\Vert_p+\Vert y\Vert_p}\cdot\frac{\Vert y \Vert_p^p}{\Vert y \Vert_p^p}=1 i=1∑n​(∥x∥p​+∥y∥p​∣xi​+yi​∣​)p≤i=1∑n​(∥x∥p​+∥y∥p​∣xi​∣+∣yi​∣​)p因为p次函数是凸函数,所以≤i=1∑n​(∥x∥p​+∥y∥p​∥x∥p​​(∥x∥p​∣xi​∣​)p+∥x∥p​+∥y∥p​∥y∥p​​(∥y∥p​∣yi​∣​)p)≤∥x∥p​+∥y∥p​∥x∥p​​i=1∑n​(∥x∥p​∣xi​∣​)p+∥x∥p​+∥y∥p​∥y∥p​​i=1∑n​(∥y∥p​∣yi​∣​)p=∥x∥p​+∥y∥p​∥x∥p​​⋅∥x∥pp​∥x∥pp​​+∥x∥p​+∥y∥p​∥y∥p​​⋅∥y∥pp​∥y∥pp​​=1
这样,
∑i=1n∣xi+yi∣p≤(∥x∥p+∥y∥p)p \sum^n_{i=1}\vert x_i+y_i\vert^p\le (\Vert x\Vert_p +\Vert y \Vert_p)^p i=1∑n​∣xi​+yi​∣p≤(∥x∥p​+∥y∥p​)p
上式两边取p次根即得结果。□\qquad \square□

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lwip是瑞典计算机科学院(SICS)的Adam Dunkels 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈。实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用。

在机器学习里,什么是凸样本集和非凸样本集?

如果一个数据集D是凸的,那么对于其中任意的两点x,y∈D,θ∈R, 0≤θ≤1,则 θ x + ( 1 − θ ) y ∈ D表达式θx+(1−θ)y被称作点x , y 的 凸性组合(convex combination)简单来说,数据集D中任意两点的连线上的点,也会在数据集D内,那么数据集D就是一个凸集。链接:https://www.zhihu.com/question/270111921/answer/2516766016。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

厚积而薄发 658

凸集

本文参考自清华大学研究生公共课教材——数学系列《最优化理论与算法》(第二版) 一:凸集 定义:设S为n维欧式空间中中的一个集合,若对S中任意两点,联结它们的线段仍属于S,称这样的集合S是一个凸集。 用代数的形式表达为:对S中任意两点,及每个实数,都有 称...

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【最优化方法】期末考试题型讲解部分 - 凸集的证明

填空(10道题左右)、证明题、计算题、应用题。

千思的博客 3272

【数值优化之凸集与凸函数】

本文参考书籍《最优化计算方法》,若侵权请联系删除目录1 凸集的相关定义1.1 凸集、仿射集1.2 凸组合、凸包 1.3 重要的凸集1.3.1 超平面与半空间1.3.2 球、椭球、锥​1.3.3 多面体1.4 保凸运算 2 分离超平面定理 可见仿射集一定是凸集,但是要注意凸集的边界是开还是闭 同理可得仿射组合与仿射包可以通过降维的方式去理解超平面与半空间3 凸函数3.1 凸函数、严格凸函数、强凸函数 强凸函数减去一个正定二次函数仍然是凸函数,强凸函数一定是严格凸函数,而当强凸参数为0时,则退化成凸函数。3.2

weixin_65089713的博客 3861

【机器学习】凸集、凸函数、凸优化、凸优化问题、非凸优化问题概念详解

目录1 基本概念2 凸优化问题3 非凸优化问题4 总结 1 基本概念 (1)凸集和非凸集 凸集是一个点集, 这个点集有一个性质, 就是在这个集合中任取不同的两个点x和y, 他们之间的线段(包括端点)上的点都属于这个点集,那么就说这个点集是一个凸集。比如下图中左边的图形是凸集,而右边就是非凸集,因为可以找到两个点,使它们之间的线段上的点不在集合中 (3)凸函数(Convex function)和非凸函数(Convave function) 通常把函数分为凸函数和非凸函数。凸函数的几何意义在于,定义域中任意两

BetterBench的博客 1万+

凸集与非凸集,凸函数与凹函数,凸优化

关于凸集与非凸集,凸函数与凹函数,凸优化的概念一直混淆,在此整理下相关定义和概念,希望给有需要的人。 凸集:集合中的任意两点连线的点都在该集合中,则称该集合为凸集;凹集为非凸集。函数的凹凸是由函数“上方”集合的凹凸性决定的,该集合为凸集则该函数为凸函数,该集合为凹集则该函数为凹函数。 凹函数: concave function,简单理解为对曲线上任意两点连线上的点对应的函数值不小于该两点对应的函

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凸和非凸的理解

凸和非凸的理解一句话概括凸和非凸的区别凸函数和非凸函数凸优化和非凸优化如何改变文本的样式插入链接与图片如何插入一段漂亮的代码片生成一个适合你的列表创建一个表格设定内容居中、居左、居右SmartyPants创建一个自定义列表如何创建一个注脚注释也是必不可少的KaTeX数学公式新的甘特图功能,丰富你的文章UML 图表FLowchart流程图导出与导入导出导入 一句话概括 凸(Convex):在该区间函数图象上的任意两点所连成的线段,整个地位于函数图象的下方(或上方)。 非凸(Non-Convex):系统的能量函

qq_38156951的博客 4万+

什么是凸/非凸数据?

狗都能看懂的凸/非凸数据

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凸集、凸函数与凸规划

凸集、凸函数、凸规划、一阶判别公式、二阶判别公式

十里清风 7156
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田神
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