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重要凸函数

基本初等函数

  • 指数函数:对任意 aR,函数 f(x)=eaxR 上是凸的。
  • 对数函数:函数 f(x)=logxR++ 上是凸函数。
  • 幂函数:当 a1a0 时,f(x)=xaR++ 上是凸函数;当 0a1,函数 xaR++ 上是凹函数。

复合函数

负熵

函数 f(x)=xlogx 在其定义域上是凸函数。其定义域为 R++,但也可以定义在 R+ 上(f(0)=0),这是因为

limx0+xlogx=limx0+logx1/x=limx0+1/x1/x2=0

函数 f 的导数和二阶导数为

f(x)=logx+1,f(x)=1x>0

范数

Rn 上的任意范数均为凸函数。

二次-线性分式函数

二元函数 f(x,y)=x2y 是凸函数,其定义域为

domf=R×R++={(x,y)R2y>0}

指数和的对数

函数 f(x)=log(ex1++exn)Rn 上是凸函数。

下面是函数 f(x)=log(ex+ey) 的图像。

几何平均数

几何平均数函数 f(x)=(i=1nxi)1/n 在定义域 domf=R++n 上是凹函数。

分段函数

绝对值幂函数

p1 时,函数 |x|pR 上是凸函数。

最大值

最大值函数是凸函数是很显然的。

证明

判断上述函数的凸性可以通过多种途径。可以直接验证一阶条件是否成立,亦可以验证其 Hessian 矩阵是否半正定,或者可以将函数转换到与其定义域相交的任意直线上,通过得到的单变量函数判断原函数的凸性。

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