В этом параграфе мы рассмотрим свойства выпуклых дифференцируемых функций. Известно, что выпуклая на всем пространстве функция непрерывна ([13], стр. 93 – 94) и дифференцируема в любой точке по любому направлению ([13], стр. 94 – 95). Для дальнейшего изложения материала нам, в первую очередь, понадобятся критерии выпуклости дифференцируемых функций, с которыми мы здесь и познакомимся.
Теорема 1. Пусть функция определена и дифференцируема на
. Тогда для того, чтобы
была выпуклой, необходимо и достаточно, чтобы для любых
выполнялось неравенство
. (1)
(Неравенство (1) будем называть градиентным.)
Доказательство.Необходимость. Пусть
функция выпукла на
,
и
. В силу выпуклости
справедливо неравенство
.
Откуда . Переходя в этом неравенстве к пределу при
, получим (1).
Достаточность. Пусть для любой пары точек имеет место (1), . Положим
. Из (1) имеем
, (2)
. (3)
Умножая (2) на , а (3) – на
и складывая эти неравенства, получим
Откуда , что и означает выпуклость функции
.
Теорема 2. Пусть функция определена и непрерывно дифференцируема на
. Тогда для того, чтобы
была выпуклой, необходимо и достаточно, чтобы для любых
выполнялось неравенство
. (4)
(Неравенство (4) называется вариационным.)
Доказательство.Необходимость. Пусть функция выпукла на
,
. В силу
теоремы 1 имеют место неравенства
Сложив эти неравенства, получим (4).
Достаточность. Пусть для любых имеет место (4). Тогда для любого
имеем
. Перепишем полученное неравенство следующим образом:
. Проинтегрируем это неравенство по
на отрезке
, что возможно в силу непрерывной дифференцируемости функции
. Получим
.
Откуда . Тогда согласно теореме 1 получаем выпуклость функции
.
Заметим, что в одномерном случае неравенство (4) равносильно монотонности (неубыванию) первой производной функции . Поэтому это свойство градиента выпуклой функции также принято называть монотонностью.
Теорема 3. Пусть функция определена и дважды дифференцируема на
. Тогда для того, чтобы
была выпуклой, необходимо и достаточно, чтобы матрица
была неотрицательно определена на
.
Доказательство. Пусть . Применяя формулу конечных приращений к неравенству (4), получим
, (5)
где . Согласно теореме 2 неравенство (4) эквивалентно выпуклости функции
. Тогда неравенство (5) также эквивалентно выпуклости функции
. В силу произвольности векторов
(5) и означает неотрицательную определенность матрицы
на
. Что и требовалось.
Легко убедиться, что в одномерном случае выпуклость дважды дифференцируемой функции эквивалентна неотрицательности ее второй производной.
Заметим, что критерием вогнутости функции является неположительная определенность матрицы
, критерием строгой выпуклости является ее положительная определенность, а критерием строгой вогнутости – отрицательная определенность.
Теорема 3 удобна для установления выпуклости функций. Рассмотрим пример. Выясним, при каких условиях квадратичная функция
выпукла на
. Для этой функции
,
. На основании теоремы 3 получаем, что неотрицательная определенность матрицы
эквивалентна выпуклости квадратичной функции.