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二階可導(dǎo)的下凸函數(shù),導(dǎo)數(shù)一定非負嗎

2023-05-27 17:40 作者:~Sakuno醬  | 我要投稿

是的 下面給出證明

假設(shè)函數(shù) f(x)%5Ba%2Cb%5D上下凸,即對任意x_1%2Cx_2%20%5Cin%20%5Ba%2Cb%5D%20f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20%5Cle%20%5Cfrac%7Bf(x_1)%2Bf(x_2)%7D%7B2%7D%20

并且f(x)(a%2Cb)上二階可導(dǎo)

通過定義寫出f(x_0)二階導(dǎo)數(shù)

f''(x_0)%20%3D%20%5Clim_%7Bx%20%5Cto%200%7D%5Cfrac%7Bf'(x_0%2Bx)-f'(x_0)%7D%7Bx%7D

f''(x_0)%20%3D%20%5Clim_%7Bx%20%5Cto%200%7D%5Cfrac%7Bf'(x_0-x)-f'(x_0)%7D%7B-x%7D

把上面兩個相加得到

2f'(x_0)%20%3D%20%5Clim_%7Bx%20%5Cto%200%7D%5Cfrac%7Bf'(x_0%2Bx)-f'(x_0-x)%7D%7Bx%7D

因為y%3Dx%5E2%20 和?y%3Df(x) 都是一階可導(dǎo)并且導(dǎo)函數(shù)連續(xù) 所以可以反向用一下洛必達法則

%5Clim_%7Bx%20%5Cto%200%7D%5Cfrac%7Bf'(x_0%2Bx)-f'(x_0-x)%7D%7Bx%7D%3D%5Clim_%7Bx%20%5Cto%200%7D%5Cfrac%7Bf(x_0%2Bx)%2Bf(x_0-x)-2f(x_0)%7D%7Bx%5E2%7D%5Ccdot2

套用不等式?f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20%5Cle%20%5Cfrac%7Bf(x_1)%2Bf(x_2)%7D%7B2%7D%20

得到

%5Cfrac%7Bf(x_0%2Bx)%2Bf(x_0-x)-2f(x_0)%7D%7Bx%5E2%7D%5Ccdot2%20%5Cge%20%5Clim_%7Bx%20%5Cto%200%7D%5Cfrac%7B2f(x_0)-2f(x_0)%7D%7Bx%5E2%7D%5Ccdot2%20%5Cge%200

嚴謹?shù)脑捒梢詷?gòu)造數(shù)列?a_n%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D?把?x?換成a_n?

構(gòu)造出?g(a_n)%3D%5Cfrac%7Bf(x_0%2Ba_n)%2Bf(x_0-a_n)-2f(x_0)%7D%7Ba_n%5E2%7D?結(jié)果就是 g(a_n) 每一項都是非負的

因此?%5Clim_%7Bn%20%5Cto%20%5Cinfty%7Dg(a_n)%20%5Cge%200

所以f''(x_0)%20%5Cge%200


同樣二階導(dǎo)非負也可以證出下凸性

f(x_1)-f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20%2Bf(x_2)-%20f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20%0A

%3Df(x_2)-%20f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20-(%20f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20-%20f(x_1))?

運用拉格朗日中值定理

%3Df'(%5Calpha)%20-f'(%5Cbeta)%20 其中?%5Cbeta%20%5Cle%20%5Calpha

根據(jù)一階導(dǎo)數(shù)的單調(diào)性

f(x_1)%2Bf(x_2)%20-%202f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%3D%20f(x_1)-f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20%2Bf(x_2)-%20f(%5Cfrac%7Bx_1%2Bx_2%7D%7B2%7D)%20%0A%20%5Cge%200

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