3차원 볼록 폴리토프. 볼록 분석은 유클리드 공간의 볼록 부분 집합 연구뿐만 아니라 추상적인 공간에 대한 볼록함수의 연구도 포함한다. 볼록 분석 은 볼록함수 및 볼록 집합 의 특성 연구에 전념 하는 수학의 분기로, 종종 최적화 이론의 하위 영역인 볼록 최소화 에 응용된다.
볼록 세트 일부 벡터 공간 X {\displaystyle X} 의 부분 집합 C \ X {\displaystyle C\subseteq X} 이 (가) 다음과 같은 동등한 조건 중 하나를 충족하면 볼록스라고 한다.
0 ≤ r ≤ 1 {\displaystyle 0\leq r\leq 1} 이 (가) 실제 이고 x, y and C {\displaystyle x, y \in C} 인 경우 r x + ( 1 - r ) y ∈ C . {\displaysty rx+(1-r)y\in C.} 0 < r < 1 {\displaystyle 0>이 실제이고 x , y ∈ C {\displaystyle x ,y\in C}, x ≠ y , {\displaystyle x\neq y,}, r x + ( 1 - r ) y ∈ C . {\displaystystyle rx+(1-r)y. ( r + s ) C = r C + s C {\displaystyle (r+s)C=rC+sC} 모든 양의 rel > 0 {\displaystyle r>0} 및 s > 0. {\displaystyle s>0 . {\displaysty s >0. } 볼록함수 Throughout, f : X → [ − ∞ , ∞ ] {\displaystyle f:X\to [-\infty ,\infty ]} will be a map valued in the extended real numbers [ − ∞ , ∞ ] = R ∪ { ± ∞ } {\displaystyle [-\infty ,\infty ]=\mathbb {R} \cup \{\pm \infty \}} with a domain domain f = X {\displaystyle \operatorname {domain} f=X} that is a convex subset of some v 엑터 스페이스 지도 f : X → [ - ∞ , ∞ ] {\displaystyle f:X\to [-\inful,\inful ]} 는 다음과 같은 경우 볼록함수다 .
f ( r x + ( 1 − r ) y ) ≤ r f ( x ) + ( 1 − r ) f ( y ) {\displaystyle f(rx+(1-r)y)\leq rf(x)+(1-r)f(y)} (공백성 ≤)
정의 불평등(Convexity ≤) 이 엄격한 불평등으로 대체될 때 f {\displaystyle f} 이(가 ) 계속 유지되는 경우 f {\ displaystyle f}에 대해 real 0 < 1 {\displaystyle 0 } 및 임의 의 x , y ∈?
f ( r x + ( 1 − r ) y ) < r f ( x ) + ( 1 − r ) f ( y ) {\displaystyle f(rx+(1-r)y)}<그림(x)+(1-r)f(y)} (공백성 <)
그 다음 에 f [\displaystyle f} 는 엄격히 볼록스라고 불린다 .[1]
볼록함수는 볼록 집합과 관련이 있다. 구체적으로, f {\displaystyle f} 함수는 비문 인 경우에만 볼록하다 .
함수(검은색)는 그래프 위의 영역(녹색)인 비문이 볼록 집합 인 경우에만 볼록하다. 이바리산 볼록함수 x 2 + x y + y 2 . {\displaystyle x^{2}+xy+y^{2}. } 에피 f := { ( x , r ) ∈ X × R : f ( x ) ≤ r } {\displaystyle \operatorname {epi}f:=\왼쪽\{(x,r)\in X\times \mathb {R} ~:~f(x)\leq r\right\}}}} (Epigrap def.)
볼록 세트야 확장된 실질 가치 함수의 비문은 실제 분석 에서 실제 가치 함수의 그래프 가 수행하는 역할과 유사한 볼록 분석의 역할을 한다. 구체적으로, 확장된 실제 가치 함수의 비문은 공식을 돕거나 추측을 증명하는 데 사용될 수 있는 기하학적 직관을 제공한다.
함수 f : X → [ - ∞ , ∞ ] {\displaystyle f:X\to[-\inflt ,\inflt ] 의 도메인은 도메인 domain f {\displaystyle \operatorname {domain}로 표시 되지만 유효 도메인은 설정됨
돔을 씌우다 f := { x ∈ X : f ( x ) < ∞ } . {\displaystyle \operatorname {dom} f:=\{x\in X~:~f(x)<\inful \}} (dom f def. )
만약 dom f≠ ∅{\displaystyle \operatorname{dom}f\neq \varnothing}과 f())을 이 함수 f:X→[− ∞, ∞]{\displaystyle f:X\to[,\infty-\infty]} 적절한, 모두에게 −∞{\displaystyle f())>,-\infty})∈ 도메인 f.{\displaystylex\in \operatorname{도메인}의 'caput'}또는[3], 이 것을 의미하기 위해서라고 불린다모자가 exists some x {\displaystyle x} in the domain of f {\displaystyle f} at which f ( x ) ∈ R {\displaystyle f(x)\in \mathbb {R} } and f {\displaystyle f} is also never equal to − ∞ . {\displaystyle -\infty .} In words, a function is proper if its domain is not empty, it never takes on the value − ∞ , {\ displaystyle -\infty ,} and it also is not identically equal to + ∞ . {\displaystyle +\infty .} If f : R n → [ − ∞ , ∞ ] {\displaystyle f:\mathbb {R} ^{n}\to [-\infty ,\infty ]} is a proper convex function then there exist some vector b ∈ R n {\displaystyle b\in \mathbb {R} ^{n}} and some r ∈ R {\displa ystyle r\in \mathb {R} 과 (와) 같은 경우
f ( x ) ≥ x ⋅ b - r {\displaystyle f(x)\geq x\cdot b-r}( 모든 x {\displaystyle x}) 여기서 x ⋅ b {\displaystyle x\cdot b} 은 이러한 벡터의 도트 곱 을 나타낸다 .
볼록 결합 The convex conjugate of an extended real-valued function f : X → [ − ∞ , ∞ ] {\displaystyle f:X\to [-\infty ,\infty ]} (not necessarily convex) is the function f ∗ : X ∗ → [ − ∞ , ∞ ] {\displaystyle f^{*}:X^{*}\to [-\infty ,\infty ]} from the (continuous) dual space X ∗ {\displaystyle X^{*}} of X , {\displa ystyle X,} 및
f ∗ ( x ∗ ) = up z ∈ X { ⟨ x ∗ , z ⟩ − f ( z ) } {\displaystyle f^{*}\왼쪽(x^{*}\오른쪽)=\sup _{z\in X}\왼쪽\langle x^{*},z\right\rangele -f(z)\right\}}}} 여기서 괄호 ⟨, ⋅, ⋅, \, \, \displaystyle \ left\langle \cdot,\ cdot \right\ rangle }} 은 표준 이중성 ⟨ x ∗, z \ : x ∗ ( ) 을 나타낸다. {\left\langle \langle :=x^{*} } {\displaystyle f} 의 비콘주게이트 는 지도 f ∗ ∗ = (f ∗ ) ∗ : X → [ - ∞ , ] ] {\displaystyle f^{***}=\f^{*}\right) 이다.^{*}: f to ( x ) := supp z ∗ X ∗ {, z ∗ ⟩ - f ( z ∗ )} {\ displaystyle f^{**}(x): =\sup _{z^{*}\in X^{*}}\left\{\left\langle x,z^{*}\right\rangle -f\left(z^{*}\right)\right\}} for every x ∈ X . {\displaystyle x\in X.} If Func ( X ; Y ) {\displaystyle \operatorname {Func} (X;Y)} denotes the set of Y {\displaystyle Y} -valued functions on X , {\displaystyle X,} then the map Func ( X ; [ − ∞ , ∞ ] ) → Func ( X ∗ ; [ − ∞ , ∞ ] ) {\displaystyle \operatorname {Func} (X;[-\infty ,\infty ])\to \operatorname {Func} \left(X^{*};[-\infty ,\infty ]\right)} defined by f ↦ f ∗ {\displaystyle f\mapsto f^{*}} is called the Legendre-Fenchel transform .
하위차등 집합과 펜첼-영 불평등 f : X → [ - ∞ , ∞ ] {\displaystyle f:X\to [-\infit,\infit ] 및 x ∈ X {\displaystyle x\in X} 인 경우, 하위 차등 집합 은 다음과 같다.
∂ f ( x ) : = { x ∗ ∈ X ∗ : f ( z ) ≥ f ( x ) + ⟨ x ∗ , z − x ⟩ 대체적으로 z ∈ X } ( “ z ∈ X '' 다음으로 교체할 수 있는 항목: “ z ∈ X 그런 z ≠ x '' ) = { x ∗ ∈ X ∗ : ⟨ x ∗ , x ⟩ − f ( x ) ≥ ⟨ x ∗ , z ⟩ − f ( z ) 대체적으로 z ∈ X } = { x ∗ ∈ X ∗ : ⟨ x ∗ , x ⟩ − f ( x ) ≥ up z ∈ X ⟨ x ∗ , z ⟩ − f ( z ) } 오른손은 f ∗ ( x ∗ ) = { x ∗ ∈ X ∗ : ⟨ x ∗ , x ⟩ − f ( x ) = f ∗ ( x ∗ ) } 꺼내는 z := x 에서 up 불평등을 주다 ≤ . {\displaystyle {\displaystyle}{4}\message f(x): &=\left\{x^{*}\in X^{*}~:~f(z)\geq f())+\left\langle x^{*},z-x\right\rangle{모든 \text{에}}z\in X\right\}&&({\text{"}}z\in X{\text{"}}{\text{과:}대체될 수 있는}{\text{"}}z\in X{\text{은} 같은}z\neq){\text{"}})\\&, =\left\{x^{*}\in X^{*}~:~\left\langle x^{*},x\right\rangle -f())\geq\left\langle x^{*},z\right\rangle -f(.알을 z){\text{ l }}z\in X\right\}&&\\&=\left\{x^{*}\in X^{*}~:~\left\langle x^{*},x\right\rangle -f(x)\geq \sup _{z\in X}\left\langle x^{*},z\right\rangle -f(z)\right\}&&{\text{ The right hand side is }}f^{*}\left(x^{*}\right) \\&=\left\{x^{*}\in X^{*}~:\좌측\langle x^{*},x\right\rangele -f(x)=f^{*}\좌측(x^{*}\오른쪽)\right\&{}\texture{}z: =x{\text{{}}}{\text{{}는 불평등 }}을(를) 제공한다. \\end{aignatedat}}} 예를 들어, X {\displaystyle X} 에서 f = ‖ ⋅ ‖ ‖ {\displaystyle f=\\cdot \ \cdot \ \} 이(가) 표준인 중요한 특수 사례에서 0 ≠ x ∈ X {\displaystyle 0\neq x\in X} 이면 이 정의가 다음과 같이 줄어든다는 것을[proof 1] 알 수 있다.
∂ f ( x ) = { x ∗ ∈ X ∗ : ⟨ x ∗ , x ⟩ = ‖ x ‖ and ‖ x ∗ ‖ = 1 } {\displaystyle \partial f(x)=\left\{x^{*}\in X^{*}~:~\left\langle x^{*},x\right\rangle =\ x\ {\text{ and }}\left\ x^{*}\right\ =1\right\}} and ∂ f ( 0 ) = { x ∗ ∈ X ∗ : ‖ x ∗ ‖ ≤ 1 } . {\displaystyle \partial f(0)= \left\{x^{*}\in X^{*}}:~\왼쪽\x^{*}\right\\leq 1\right\}. } For any x ∈ X {\displaystyle x\in X} and x ∗ ∈ X ∗ , {\displaystyle x^{*}\in X^{*},} f ( x ) + f ∗ ( x ∗ ) ≥ ⟨ x ∗ , x ⟩ , {\displaystyle f(x)+f^{*}\left(x^{*}\right)\geq \left\langle x^{*},x\right\rangle ,} which is called the Fenchel-Young inequality . This inequality is an equality (i.e. f ( x ) + f ∗ ( x ∗ ) = ⟨ x ∗ , x ⟩ {\displaystyle f(x)+f^{*}\left(x^{*}\right)=\left\langle x^{*},x\right\rangle } ) if and only if x ∗ ∈ ∂ f ( x ) . {\displaystyle x^{*}\in \partial f(x). }} 하위 차동 집합 ∂ f ( x ) {\displaystyle \partial f(x)} 이(가) 볼록 결합 f ∗ ( x ∗ ) . {\displaystyle f^{*}\left(x^{*})\right 와 직접 관련되는 것은 이와 같은 방식이다. }
비콘쥬게이트 함수 f : X → [ - ∞ , ∞ ] [\displaystyle f:X\to [-\infit,\infit ]} 의 비콘주게이트 는 일반적으로 f ∗ : X → [ - ∞, ∞ ] . {\displaysty f^{*}:X\to [-\infte,\inft ]로 표기된다. }} 비콘쥬게이트는 ( 섭동 기능 을 통해) 강하거나 약한 이중성 이 유지되는 때를 보여주는 데 유용하다.
모든 x ∈ X , {\displaystyle x\in X} 의 경우, 불평등 f – ( x ) f f ( x ) {\displaystyle f^{**}(x)\leq f(x)} 는 Fenchel– 에서 온다 .젊은 불평등 . 적절한 기능 을 위해 Fenchel-Moreau 정리 에 의해 f {\displaystyle f} 이 (가)[5] 볼록하고 하부 반연속 인 경우 에만 f = f ∗ {\ displaystyf=f^{**}}}}.
볼록스 최소화 볼록 최소화 (기본 ) 문제 는 형태 중 하나이다.
볼록 함수 f : X → [ - ∞ , ∞ ] {\displaystyle \inf _{x\in M}f(x)} 와 볼록 부분 집합 M ⊆ X . {\ displaystyle M\subseteq X} 를 찾으십시오. 이중 문제 최적화 이론에서, 이중성 원리 는 최적화 문제는 원시적 문제 또는 이중적 문제라는 두 가지 관점 중 하나에서 볼 수 있다고 말한다.
일반적으로 로컬 볼록한 공간 ( X , X ∗ ) {\displaystyle \left(X,X^{*}\right) 및 (Y ,Y , ) . {\displaystyle \left(Y,Y^{*}\right )로 구분된 두 쌍 의 이중 쌍 이 주어진다. }} 그러면 f : X → [ - ∞ , , ] , {\displaystyle f:X \to [-\inflt ,\infully ],}} 기능을 감안할 때, 원시적인 문제는 다음과 같은 x {\displaysty x} 를 찾는 것으로 정의할 수 있다.
바 조로 x ∈ X f ( x ) . {\displaystyle \inf _{x\in X}f(x). } 제약 조건이 있는 경우 f = f + I c o t r a i n t s {\ displaystyle f=f+} 함수 에 f = displaystyle f} 을(를) 내장할 수 있다. I_{\mathrm {constraints} }}} 여기서 I {\displaystyle I} 은 (는) 지시 함수 다. 그런 다음 F : X × Y → [ - ∞ , , ] {\displaystyle F:X\times Y\to [-\\infit,\infit ]} 을(를) F (x ) = f ( ) . {\displaysty F(x,0)=f(x )와 같은 섭동함수 가 되게 한다. } [6]
선택된 섭동 기능에 관한 이중 문제 는 다음과 같다.
up y ∗ ∈ Y ∗ − F ∗ ( 0 , y ∗ ) {\displaystyle \sup _{y^{*}\in Y^{*}-F^{*}\왼쪽(0,y^{*}\오른쪽)} 여기서 F ∗{\ displaystyle F^{*}} 는 F. {\displaystyle F 의 두 변수에 있는 볼록 결합이다. }
이중성격차 는 불평등의[6] [8] 좌우의 차이다.
up y ∗ ∈ Y ∗ − F ∗ ( 0 , y ∗ ) ≤ 바 조로 x ∈ X F ( x , 0 ) . {\displaystyle \sup _{y^{*}\in Y^{*}}}-F^{*}}\좌측(0,y^{*}\오른쪽)\leq \inf _{x\in X}F(x,0)} 이 원리는 약한 이중성 과 같다. 쌍방이 대등하면 문제는 강한 이중성 을 만족시킨다고 한다.
다음과 같이 강한 이중성을 보유할 수 있는 여러 조건이 있다.
라그랑주 이중성 불평등 구속조건에 따른 볼록 최소화 문제의 경우,
min x ( x ) {\ displaystyle \min {}{x}f(x)} 에 따라 g i = 1 , …, m . {\displaystyle g_{i}( x )\leq 0} 의 적용 을 받는다. 라그랑의 이중 문제는
supp u inf x L ( x , u ) {\displaystyle \sup {}_{u }\inf {}{x} L(x,u)} 에 대한 u i = 1 , …, m . {\displaystyle i=1,\ldots,m.} 의 적용을 받는다. 여기서 목적함수 L( x , u ) {\displaystyle L(x,u)} 은 다음과 같이 정의된 라그랑주 이중함수다.
L ( x , u ) = f ( x ) + ∑ j = 1 m u j g j ( x ) {\displaystyle L(x,u)=f(x)+\sum _{j=1}^{j=1}u_{j}g_{j}(x)}
참고 항목 메모들 ^ a b Rockafellar, R. Tyrrell (1997) [1970]. Convex Analysis . Princeton, NJ: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-01586-6 . ^ Borwein, Jonathan; Lewis, Adrian (2006). Convex Analysis and Nonlinear Optimization: Theory and Examples (2 ed.). Springer. pp. 76 –77. ISBN 978-0-387-29570-1 . ^ a b Boţ, Radu Ioan; Wanka, Gert; Grad, Sorin-Mihai (2009). Duality in Vector Optimization . Springer. ISBN 978-3-642-02885-4 . ^ Csetnek, Ernö Robert (2010). Overcoming the failure of the classical generalized interior-point regularity conditions in convex optimization. Applications of the duality theory to enlargements of maximal monotone operators . Logos Verlag Berlin GmbH. ISBN 978-3-8325-2503-3 . ^ Borwein, Jonathan; Lewis, Adrian (2006). Convex Analysis and Nonlinear Optimization: Theory and Examples (2 ed.). Springer. ISBN 978-0-387-29570-1 . ^ Boyd, Stephen; Vandenberghe, Lieven (2004). Convex Optimization (pdf) . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83378-3 . Retrieved October 3, 2011 . ^ X = { 0 } {\displaystyle X=\{0\}} 인 경우 결론은 즉시 내려지므로 다른 경우를 가정하십시오. Fix x ∈ X . {\displaystyle x\in X.} Replacing f {\displaystyle f} with the norm gives ∂ f ( x ) = { x ∗ ∈ X ∗ : ⟨ x ∗ , x ⟩ − ‖ x ‖ ≥ ⟨ x ∗ , z ⟩ − ‖ z ‖ for all z ∈ X } . {\displaystyle \partial f(x)=\left\{x^{*}\in X^{*}~:~\left\langle x^{*},x\right\rangle -\ x\ \geq \left\langle x^{*},z\ right\rangle -\ z\{\text{{{}모든 }}에 대해 }z\in X\right\}. } If x ∗ ∈ ∂ f ( x ) {\displaystyle x^{*}\in \partial f(x)} and r ≥ 0 {\displaystyle r\geq 0} is real then using z := r x {\displaystyle z:=rx} gives ⟨ x ∗ , x ⟩ − ‖ x ‖ ≥ ⟨ x ∗ , r x ⟩ − ‖ r x ‖ = r [ ⟨ x ∗ , x ⟩ − ‖ x ‖ ] , {\displaystyle \left\langle x^{*},x\right\rangle -\ x\ \geq \left\langle x^{*},rx\right\rangle -\ rx\ =r\left[\left\langle x^{*},x\right\rangle -\ x\ \right],} where in particular, taking r := 2 {\displaystyle r:=2} gives x ∗ ( x ) ≥ ‖ x ‖ {\displaystyle x^{*}(x)\geq \ x\ } while taking r := 1 2 {\displaystyle r:={\frac {1}{2}}} gives x ∗ ( x ) ≤ ‖ x ‖ {\displayst yle x^{*}(x)\leq \ x\ } and thus x ∗ ( x ) = ‖ x ‖ {\displaystyle x^{*}(x)=\ x\ } ; moreover, if in addition x ≠ 0 {\displaystyle x\neq 0} then because x ∗ ( x ‖ x ‖ ) = 1 , {\displaystyle x^{*}\left({\frac {x}{\ x\ }}\right)=1,} it follows from the definition of the dual norm that ‖ x ∗ ‖ ≥ 1. { \displaystyle \left\ x^{*}\right\ \geq 1.} Because ∂ f ( x ) ⊆ { x ∗ ∈ X ∗ : x ∗ ( x ) = ‖ x ‖ } , {\displaystyle \partial f(x)\subseteq \left\{x^{*}\in X^{*}~:~x^{*}(x)=\ x\ \right\},} which is equivalent to ∂ f ( x ) = ∂ f ( x ) ∩ { x ∗ ∈ X ∗ : x ∗ ( x ) = ‖ x ‖ } , {\displaystyle \partial f (x)=\partial f(x)\cap \left\{x^{*}\in X^{*}~:~x^{*}(x)=\ x\ \right\},} it follows that ∂ f ( x ) = { x ∗ ∈ X ∗ : x ∗ ( x ) = ‖ x ‖ and ‖ z ‖ ≥ ⟨ x ∗ , z ⟩ for all z ∈ X } , {\displaystyle \partial f(x)=\left\{x^{*}\in X^{*}~:~x^{*}(x)=\ x\ {\text{ and }}\ z\ \geq \left\langle x^{*},z\right\rangle {\text{ 모든 }}에 대해 which x ∗ ‖ 1 1 1 1 {\displaystyle \reft\{*}\right\ \leq 1} 을( 를) 의미하는 implies ∈ ∂ ∂ f ( x ) . {\displaysty x^{*}\}\in \partial f(x ).}} 이러한 사실로부터 이제 결론에 도달할 수 있다. ∎
참조 Bauschke, Heinz H. ; Combettes, Patrick L. (28 February 2017). Convex Analysis and Monotone Operator Theory in Hilbert Spaces . CMS Books in Mathematics. Springer Science & Business Media . ISBN 978-3-319-48311-5 . OCLC 1037059594 . Boyd, Stephen ; Vandenberghe, Lieven (8 March 2004). Convex Optimization . Cambridge Series in Statistical and Probabilistic Mathematics. Cambridge, U.K. New York: Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-83378-3 . OCLC 53331084 . Hiriart-Urruty, J.-B. ; Lemaréchal, C. (2001). Fundamentals of convex analysis . Berlin: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-42205-1 . Kusraev, A.G.; Kutateladze, Semen Samsonovich (1995). Subdifferentials: Theory and Applications . Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. ISBN 978-94-011-0265-0 . Rockafellar, R. Tyrrell ; Wets, Roger J.-B. (26 June 2009). Variational Analysis . Grundlehren der mathematischen Wissenschaften. 317 . Berlin New York: Springer Science & Business Media . ISBN 9783642024313 . OCLC 883392544 . Rudin, Walter (1991). Functional Analysis . International Series in Pure and Applied Mathematics. 8 (Second ed.). New York, NY: McGraw-Hill Science/Engineering/Math . ISBN 978-0-07-054236-5 . OCLC 21163277 . Singer, Ivan (1997). Abstract convex analysis . Canadian Mathematical Society series of monographs and advanced texts. New York: John Wiley & Sons, Inc. pp. xxii+491. ISBN 0-471-16015-6 . MR 1461544 . Stoer, J.; Witzgall, C. (1970). Convexity and optimization in finite dimensions . 1 . Berlin: Springer. ISBN 978-0-387-04835-2 . Zălinescu, Constantin (30 July 2002). Convex Analysis in General Vector Spaces . River Edge, N.J. London: World Scientific Publishing . ISBN 978-981-4488-15-0 . MR 1921556 . OCLC 285163112 – via Internet Archive . 외부 링크