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1. 凸集(Convex Set)

定义:

欧几里得空间 \mathbb{R}^n 中,一个集合 C \subset \mathbb{R}^n 称为凸集,如果对于任意两点 x, y \in C 以及任意 λ∈[0,1] ,线段上的所有点仍然在 C 内,即:

\lambda x + (1 - \lambda) y \in C

这表示如果连接集合内任意两点的线段仍然完全包含在该集合内,则该集合是凸的

示例:

  1. 欧几里得空间中的凸集:
    • 凸集(是凸的)
      • 闭球(单位圆盘、单位球)
      • 多面体(如三角形、矩形、多边形)
      • 半空间
    • 非凸集(不是凸的)
      • 环形(如空心圆盘)
      • 星形区域(如五角星)
      • 有凹陷的区域

性质:

  • 交集保持凸性:任意多个凸集的交集仍是凸集。
  • 仿射变换保持凸性:若 C 是凸的,则线性变换 Ax+b 作用后仍然是凸的。

2. 凸函数(Convex Function)

定义:

设 C 是一个凸集,一个函数 f: C \to \mathbb{R} 称为凸函数,如果对于任意 x, y \in C 和任意 λ∈[0,1] ,满足:

f(\lambda x + (1 - \lambda) y) \leq \lambda f(x) + (1 - \lambda) f(y)

这表示函数的图像总是在连接任意两点的弦线之下。

示例:

  1. 凸函数(是凸的):

    • 二次函数 (x) = x^2\mathbb{R} 上是凸的。
    • 指数函数 f(x) = e^x\mathbb{R} 上是凸的。
    • 范数函数 f(x) = \|x\|_2\mathbb{R}^n上是凸的。
  2. 非凸函数(不是凸的):

    • 正弦函数 f(x)=sin⁡x 在全体实数上不是凸的。
    • 双峰函数 f(x) = -x^2 + 4x - 3 不是凸的。

性质:

  • 二阶可微判别法: 若 f 在凸集 C 内可微,且其 Hessian 矩阵H_f(x) 半正定(即 H_f(x) \geqslant 0,则 f(x) 是凸函数。
  • 局部最小即全局最小: 若 f(x) 是凸的,则局部最小点必然是全局最小点。

3. 凸集与凸函数的区别

比较项凸集(Convex Set)凸函数(Convex Function)
定义连接任意两点的线段仍在集合内连接任意两点的弦线在函数图像上方
对象几何上的点集(集合)作用在集合上的数值函数
几何直观形状保持“凸”的区域图像曲线在弦线下方
数学表达\lambda x + (1-\lambda) y \in Cf(\lambda x + (1-\lambda) y) \leq \lambda f(x) + (1-\lambda) f(y)
http://www.dtcms.com/wzjs/111207.html

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