当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第五章 导数应用 > 第四节 函数的凸性与拐点 > 函数凸性的判别法
前面我们利用一阶导数
或者说我们主要利用一阶导数
讨论了函数的单调性和函数的极值问题
接下来我们来讨论一下
函数的凸性和函数的拐点问题
这是我们这一章第四节的内容
就是函数的凸性与拐点
我们先看一下关于凸性的有关结论
在我们前面介绍函数简单性质的时候
我们曾经介绍过
什么叫函数在一个区间上下凸或者是上凸
我们以下凸为例
所谓函数在一个区间上下凸
也就是假设这是ab区间
主要指的它的图像是这样
当然这个方向也是可以的
实际上也就是说
在这个区间上任意两点做连线
那么这两点连线应该是在这一段上
它对应的曲线的上方
这就是下凸
上凸自然正好是反过来
接下来我们来看一下
这个下凸的一个充分必要条件
这个充分必要条件从几何上看就是说
如果我任给一个x1一个x2还有一个x3
大小关系是这样子的
那么我就知道对于下凸函数来说
x1x2对应的这两点的连线
它的斜率与x2x3这两点
这连线的斜率相比
它应该是从左往右越来越大的
这个是从几何上我们看出来的一个现象
实际上我们第一个定理就说
这是下凸函数的一个充分必要条件
所以我们第一个就是下凸函数的充要条件
我们给它写一个这样的结论
也就是f(x)在区间ab是下凸的
它的充分必要条件是
对于任意的x1小于x2小于x3属于[a,b]
我都有f(x2)减掉f(x1)除上x2减x1
小于f(x3)减掉f(x2)再除上x3减x2
这是个充分必要条件
接下来我们就来证一下这个结论
它的证明是这样子的
因为给了x1x2x3之后
我们除了刚才说的把x1x2对应的点连起来
把x2x3连起来之后
我们还可以把x1x3对应的点也连起来
连起来之后
因为它是下凸的
所以说在x1和x3之间的任何一点
对应的曲线上的纵坐标
一定是小于这两点连线上那点的纵坐标
这是下凸函数的定义
所以这样子的时候
我们就把x1x3对应的直线方程写出来
我就用g(x)表示它上面的纵坐标
那么就可以写成f(x1)再加上f(x3)减掉f(x1)
再除上x3-x1(x-x1)
那这就是用过x1f(x1)这一点
斜率是这个比值的直线方程
当然这条直线它的方程我们仍然还可以写成
f(x3)+f(x3)-f(x1)
再除上x3-x1再乘上x-x3
因为同一条直线
它仍然是过(x3,f(x3))这一点
斜率是一样的
所以说我们就用这两个方程形式
这两个方程形式之后写出来
大家知道因为它是下凸的
所以说在x3x2中间的这一点
x2上面的函数值应该是小于g(x2)
这是下凸函数的定义
这样一写的时候
大家看一下
我们这个比值
也就是f(x2)减掉f(x1)除上x2减x1
它自然就小于g(x2)减掉f(x1)再除上x2-x1
也就是说我把f(x2)放大到g(x2)
这个比值是变大的
这个比值变大大家看一下
在这里面也就是第一个等号这个地方
我让x取成x2之后
那么这就是g(x2)-f(x1)
这面应该等于什么
等于这个比值再乘上x2-x1
所以说这个地方
也就是等于f(x3)-f(x1)再除上x3-x1
原来这个地方要乘上x2-x1
但是我这下面还要除一下x2-x1
也就是再除一个x2-x1
也就是把g(x2)的值
用第一个形式的直线方程代进来之后
大家看这个就消掉了
这样我们就证明了就是这两点连线的斜率
应该是小于这一条直线的斜率
接下来类似的大家看一下
因为我们的f(x2)是小于g(x2)的
所以我们负的f(x2)自然是大于负的g(x2)
那么我们来看一下另外一个比值
是f(x3)减掉f(x2)再除上x3-x2
那我们利用这一个负的f(x2)是大于负的g(x2)
所以这个应该是
大于f(x3)负的g(x2)再除上x3-x2
那回到g(x)的表达式
在第二个等号两端
我们让x取成x2
大家就会发现
我们的g(x2)-g(x3)应该等于什么
应该等于这个比值再除上x2-x3
考虑到我们的x2-x3是小于0
两边同乘-1
我们就会得到g(x3)-g(x2)
应该等于这个比值乘上x3-x2
然后我们把它代进来
代进来之后
大家会发现这一个比值
应该正好是等于f(x3)减掉f(x1)
再除上x3-x1
这样子的时候也就是说
我们就证明了这条直线的斜率
应该是大于这条直线的斜率
好一条直线斜率比它来的小
一条比它来的大
我们自然就证明了我们的结论
也就是说这一个比这个大
这证明了这个充分必要条件的必要性
充分性的证明
充分性的证明也就是说
如果我知道它总是满足这个东西的时候
我来证明它是下凸的
证明下凸就这样
充分性的证明
就是任给x1小于x3
我对任意的非负αβ
α+β=1来说
我就取我的x2就等于αx1+βx3
这时候则这个x2应该是介于x1,x3之间的
只要αβ是大于0
这个一定是一个开区间
在这里面的时候
大家看一下
我们的条件就是对x1x2x3这三个点来说
这个不等式是对的
这个不等式是对的
也就是f(x2)减掉f(x1)除上x2减x1
小于f(x3)减掉f(x2)再除上x3减x2
因为我们的x2和x1x3是这个关系
大家把这个关系代进去
你就是得到这个不等式
f(x2)减掉f(x1)
这面应该就是β倍的(x3减x1)
这是这个分母
类似的把x2与x1x3的关系代进去
这个地方就应该得到的是α倍的x3-x1
上面是f(x3)减掉f(x2)
然后这样我们给它消掉之后
我们整理一下
就会得到是f(x2)正好是小于α倍的f(x1)
再加上β倍的f(x3)
那大家注意我们的x2是谁
x2就是x1和x3的这个线性组合
我们回忆一下下凸函数的定义是怎么说的
说对任意的x1x3来说
对于任意的满足这个等式的非负实数αβ
如果f(αx1+βx3)总是小于
α倍的f(x1)加上β倍的f(x3)
那它就是下凸的
实际上写到这
我们就是在这个不等式成立的前提下
证明它是个下凸函数
这是这个定理的证明
有了这个结论之后
大家注意
我们关于下凸函数
实际得到一个很重要的结果
什么结果
因为这个比值
它相当于是说
当这个点变化时它是单调递增的
我就在这画一下
也就这个点固定时
就是这两点连线的斜率
随着这个左边这个点往右边移动
它应该是单调递增的
所以说这个比值单调递增
而且它一定是有上界的
大家想一下
单调递增有上界
是不说明它有极限
而这个比值的这个极限
应该就是函数在这一点的左导数
也就是说下凸函数
在这点左导数一定是存在的
类似的就是说我们这点连线
当这个点也往左边跑时
这条线的斜率是越来越小的
而且它也是有下界的
所以这个极限也是存在的
而这个极限存在
意味着函数在这点
它的右极限总是存在的
所以下凸函数
尽管是用初等运算定义的一个性质
但是讲到这我们就知道
它实际是意味它的单侧导数一定是存在的
单侧导数存在
当然意味着它至少是连续函数
这就是在我们介绍
函数下凸这个性质的时候
曾经说过一句话
下凸是一个很好的性质
它保证了下凸函数一定是连续函数
进而它还能保证
它在任何一点的单侧导数都是存在的
我想这是我们介绍的第一个充分必要条件
接下来我们就从这个充分必要条件出发
给出我们利用导数来判断
函数下凸的一些常用方法
也就是函数下凸的判别法
我们第一个定理就是这样写的
说如果f(x)在[a,b]上是可导的
那么它下凸的充分必要条件是
f'(x)在[a,b]上是单增的
当然有了下凸的充分必要条件
可导函数它上凸的充分必要条件就是说
它的导数应该是单减的
那这个的证明大家看一下
实际上我们就证明在可导的前提下
导函数单增跟这个东西是等价的就可以了
因为它与下凸是等价的
实际上这个条件的充分性证明很简单
因为我们证明的时候
也就是有这个导数单增
来证明什么呢
任给x1小于x2小于x3
大家看f(x2)减掉f(x1)
除上x2-x1
我们用一下拉格朗日微分中值定理
它应该是等于f'( ξ)
类似的我们f(x3)减掉f(x2)再除上x3减x2
再用一下拉格朗日微分中值定理
它应该等于f'( η)
而且我们的η是大于ξ的
所以说在导数单增的前提下
我们自然知道这个时候
这个不等号永远是对的
而这个不等号是成立的
说明它一定是下凸的
那回过头来我们要证它的必要性
必要性也就是说
我知道是下凸
来证明它的一阶导数存在的时候
一定是个单调递增函数
这个地方大家看一下
我还是通过图来说
也就是说我现在要看
这里有一点x1
这里有一点对应的是x2
在导数存在的情况下
我证明这点的导数
是小于这点导数
这个怎么来做
这个我就在中间给它补上点x0
然后我让这个点是x1减Δx
Δx大于0
这个点我就让它是x2加上Δx
那请大家看一下
在导数存在的前提下
我们是不是这样子的
f'(x1)当然等于f'(x1)
下面加一个负号
是它的左导数
这个左导数应该就等于
Δx趋向于0正
f(x1减掉Δx)再减掉f(x1)
再除上Δx
而这个它是不是就小于等于
就是f(x0)减掉f(x1)
然后除上x0减x1
因为这两点连线的斜率
是小于这两点连线的斜率的
所以一取极限
它自然就小于等于这个斜率
类似的大家看一下
因为这两点连线斜率是大于这两点连线斜率的
所以一取极限
我们就推出
f'2应该就等于f'下标正号x2
也就是大于等于f(x2)减掉f(x0)
再除上x2减x0
但是我们x1是小于x0
x0是小于x2的
所以说这条直线的斜率
一定是比这条直线的斜率来的大
来的大的时候
是不就说明了
我这个比值要比这个比值来的大
这样我们就得到了
f'(x2)是大于f'(x1)的
也就是说在证明它的必要性的时候
实际上我们为了保证
出来的是一个严格不等号
除了x1小于x2之外
我们在中间补了一个确定的点
补了一个确定点之后
利用下凸函数的充分必要条件
就得到了几条线段斜率之间的关系
而利用它导数存在
我们知道导数值跟单侧导数值是相等的
这样在用极限的保号性质
就得到了我们要的结果
我想这是我们常用的一个
判断函数下凸与否的一个方法
也就是说如果我仅仅知道它是一阶导数存在
我就看一阶导数的单调性就可以了
我想这是我们介绍的第一个判别方法
接下来我们看一下就是说
我们最常用的一个判断下凸函数的充分必要条件
或者是它的判别法
这是第二个定理
因为刚才我们已经把
可导函数在一个区间上下凸
给它等价的成了它的一阶导数单调递增
而我们前面讨论过
如果一个函数它导数存在
那么它单调递增的充分必要条件是
它的导数非负而且导数等于0的点
不能连成一个区间
现在我们把这个结论用到一阶导函数上
是不是就应该有这个结果
也就是说若f(x)在区间[a,b]
是具有二阶导数
二阶导数
则f(x)在[a,b]区间是下凸的
它的充分必要条件是
二阶导数大于等于0
且等号不能在任意子区间
这个子区间指的是[a,b]的子区间
不能在任意子区间上成立
这是这个结论
这个结论当然就是说
直接把前面一阶导数单调递增的充分必要条件
是它的二阶导数非负
且等号不能在任何一个子区间上恒成立
拿过来就可以了
而这个也是我们在二阶导数存在的前提下
判断函数凸性最常用的方法
自然也是
在我们微积分里面用起来最方便的方法
如果说它二阶导数存在
我们判断它是否上凸的时候
那就是看它的二阶导数是不是小于等于0
而且在任何一个子区间上
二阶导数不能恒为0就可以了
我想这是我们常用的方法
最后在这节给大家留个问题
这个问题是这样子的
就是说大家证明一下下凸函数
下凸函数就是在切点附近
总是位于切线的上方
总位于切线上方
也就是说的完整点
就是说一个函数如果是下凸的
那么它的图像y=f(x)在切点附近
总是在它的切线上方的
就是这个结论请大家想一下
你们能不能给出一个
理论上的证明
-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
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-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
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-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
-第四节思考与练习
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--第二章 极限论--第四节思考与练习
-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
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--连续函数的性质
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--一致连续的概念
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--高阶导数
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--第八章 级数--第四节 思考与练习
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--幂级数的分析性质
--幂级数求和
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--第八章 级数--第六节思考与练习