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广义不等式的单调性和凸性 ​

现在我们考虑广义的单调性和凸性,采用广义不等式,而不是前面几节中讨论的 R 上的顺序。

广义不等式的单调性 ​

设 K⊆Rn 是一个正常锥,其相应的广义不等式为 preceqK。定义函数 f:Rn→R,若

x⪯Ky⟹f(x)⩽f(y)

则称函数 f K- 非减。若

x⪯Ky∧x≠y⟹f(x)<f(y)

则称函数 f K- 增。类似地,可以定义 K- 非增和 K- 减函数。

举例 ​

向量单调函数 f:Rn→R 在 R+n 上非减,当且仅当

∀x,y∈domf,x1⩽y1,⋯,xn⩽yn⟹f(x)⩽f(y)

矩阵单调函数 f:Sn→R 如果在半正定锥内函数是单调的,那么函数 f 矩阵单调。例如:

  • 函数 tr(WX),其中 W∈Sn。当 W⪰0 时,函数是矩阵非减的;当 W≻0 时,函数是矩阵增的。(同理可以推出矩阵非增和矩阵减。)
  • 函数 tr(X−1) 在 S++n 上矩阵减。
  • 函数 detX 在 S++n 上矩阵增,在 S+n 上矩阵非减。

单调性的梯度条件 ​

考虑可微函数 f,其定义域为凸集,它是 K- 非减的,当且仅当对 ∀x∈domf 有

∇f(x)⪰K∗0

同理,对于严格的 K- 增情况,我们有

∇f(x)≻K∗0

但反过来不一定正确。

广义不等式的凸性 ​

设 K⊆Rm 为正常锥,相应的广义不等式为 ⪯K。如果对于任意的 x,y,以及 0⩽θ⩽1,有

f(θx+(1−θ)y)⪯Kθf(x)+(1−θ)f(y)

则称函数 f 是 K- 凸的。如果对于任意的 x,y∧x≠y,以及 0<θ<1,有

f(θx+(1−θ)y)≺Kθf(x)+(1−θ)f(y)

则称函数 f 是严格 K- 凸的。

举例 ​

关于分量不等式的凸性和矩阵凸性,其结论与上述的类似。这里给出一些具有矩阵凸性函数的例子:

  • 函数 f(X)=XX⊤,其中 X∈Rn×m,是矩阵凸的。
  • 当 1⩽p⩽2 或 −1⩽p⩽0 时,函数 Xp 在 S++n 上是矩阵凸的;当 0⩽p⩽1 时,函数是矩阵凹的。

凸函数的很多结论都可以扩展到 K- 凸函数。

K- 凸的对偶刻画 ​

函数 f 是 K- 凸的,当且仅当对任意的 ω⪰K∗0,(实值)函数 ω⊤f 是凸的。

函数 f 是严格 K- 凸的,当且仅当对任意非零向量 ω⪰K∗0,函数 ω⊤f 是严格凸的。

可微的 K- 凸函数 ​

可微函数 f 是 K- 凸的,当且仅当其定义域是凸集,且对 ∀x,y∈domf 有

f(y)⪰Kf(x)+Df(x)(y−x)

类似地,可以得到严格 K- 凸的等价条件:对 ∀x,y∈domf∧x≠y 有

f(y)≻Kf(x)+Df(x)(y−x)

复合定理 ​

函数复合暴露凸性的很多结论都可以推广到 K- 凸的情形。详见保凸运算一节。

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