当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第一章 实数与函数 > 第四节 函数的初等性质 > 函数的凸性
下面我们来看一下函数的最后一个简单性质
也就是关于函数的凸性问题
我们在考虑具体的凸性概念之前
我们先看一个图
假设这是一个函数的图像
我们假设这是另外一个函数的图像
这两个函数如果仅仅从单调性的角度来讲
它们应该都是单调递增函数
但是这两个函数我们知道
就是当然有本质的不一样的地方
这种不一样从几何上来看可以这样说
对于我们左边这个函数图像
我们在曲线上两点间随便连一条直线
这条直线应该总是在这个范围上
位于这条曲线上方
对于右边这条函数图像
如果我曲线上两点间连一条直线
那么在这个范围上
这条直线总是在曲线的下方
这实际上就是这两条曲线本质的不同
那我们怎么样能够把这个不同给它刻画清楚
实际上也就是说
在两点之间我们随便取一点
对左边这条函数图像来说
这条曲线与这条直线的交点的纵坐标总是
小于这两点连线上的点的纵坐标
而右边这个它们的大小关系正好是相反的
实际上所谓函数的凸性
也就是函数这种所谓
向上弯曲或者是向下弯曲的性质
现在我们只要想办法能够
把函数的这种性质刻画清楚就可以了
我们假设这个点对应的横坐标是x1
这个点对应的横坐标是x2
x1,x2之间的任意一点我用x来表示
实际上
我们通过简单的推导就知道
这个x可以就是说
能够找到一个α是大于0小于1的
使得我这个x可以写成是
αx1+(1-α)x2
大家可以在这里面用x1x2解x
就可以把α给反推出来
这是个一次方程
具体求解过程大家可以解一解
实际上α不是别的
α就等于(x2-x)/(x2-x1)
当然相应的1-α自然也就是这个东西
1-α就是(x-x1)/(x2-x1)
那回过头来
如果给了x1,x2这两点
我们这个x就可以用这么一个线性组合或者
说这么一个表达式来表示
所以我们来刻画这两点的纵坐标的大小的时候
使用它们对应的函数值来说的
我们写出这个图形的定义
也就是说我假设
这个函数f(x)在D上有定义
有定义
对任意的x1
比如说小于x2属于D
然后记任意的α属于0到1之间
若函数值也就是f在(αx1+(1-α)x2)这点的函数值总是
小于等于αf(x1)+(1-α)f(x2)
也就是这个不等式总是成立的
我们就称则称这个函数f(x)是
我们考虑的这个范围D上的下凸函数
或者说这个函数f(x)
在这个区间D上是下凸的
这是关于下凸的定义
类似的如果我们这个不等号总是反过来
这时候我们就说这个函数在这上面是上凸的
我想这是函数在一个区间上下凸和上凸的定义
在这个地方
我特别要给大家解释一下这个等号
一般的我们是说这个等号如果成立
主要指的是α=0
或者是α=1的情况,等于1的情况
那回到我们刚才讨论的这个图上
也就是说等号成立
只是说在端点的时候
这条曲线上点的纵坐标也就是这个函数值
与这条直线上点的纵坐标
也就是我们这个不等式的这端的这个表达式的值它是相等的
所以说从几何上反应的就是
这条曲线上点的纵坐标
总是位于这两点连线上点的纵坐标之下
纵坐标之下
这是关于这个函数凸性的定义
关于函数的凸性
我们在后面讨论了高阶导数之后
会有一般的讨论方法
而且在后面我们讨论高阶导数时
我们还知道函数如果再区间上是
一个下凸函数或者是一个上凸函数
这样的函数应该是具有很好的性质
比如说我们后面要讨论函数的连续性
那么一个区间上的下凸或者是上凸函数
它在这个区间上每一点都应该是具有连续性的
再比如说
我们在后面还会再讨论函数在一点它的可导性
我们有一个结论就是
在一个区间上的下凸或者是上凸函数
在区间上任何一点处
它的左导数和右导数总是存在的
这些结论在后面我们介绍了导数之后
我们都会介绍到
在这我们用定义来讨论两个例题
比如说
我们利用函数下凸或者是上凸的定义
来证明f(x)=x平方
这个函数在它的定义域
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
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-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
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-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
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-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
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-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
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-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
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--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
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--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
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--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
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--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
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-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
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--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
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--拐点
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-第五节 思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
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-第四节 有理函数的积分
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--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
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--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
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--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
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-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
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--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
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-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习