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凸函数及其应用论文
凸函数及其应用
摘要:本文描述了凸函数的定义、判定、引理以及凸函数的基本不等式—Jensen不等式,讨论了凸函数在高中数学、大学数学以及在竞赛数学中的应用。
关键字:凸函数; 定义; 判定;引理; Jensen不等式; 应用
1、凸函数的定义。
定义1 设是定义在区间上的函数,如果对上的任意两点,都有
则称为上的凸函数。
如果成立不等式
则称为上的严格凸函数。
如果成立不等式
则称为上的凹函数。
显然,若为区间上的凹函数,则就是区间上的凸函数。
由定义1 可以看到,关于区间上的凸函数有着明显的几何意义:曲线一条弦的中点必在该曲线之上方或在该曲线上,如下图:
定义2 设函数 在区间上有定义,若,有
则称在区间是凸函数。
2、凸函数的判定。
定理 设在上二阶可导,则在上是凸函数的充分必要条件
是。
3、凸函数的一个引理。
区间上的函数是一个凸函数的充分必要条件为:对区间中任意三点,当时有。
4、凸函数的一个基本不等式—Jensen不等式。
定理 设是区间I 上的凸函数,则对I中任意几个数成立不等式
当且仅当时取等号。
5、凸函数的应用。
在解题中巧妙地利用凸函数的定义、引理、及其基本不等式,可以使一些复杂的问题简单化,使难的问题迎刃易解。
5.1凸函数定义及Jensen不等式在高中基础数学中的应用。
例1. 如果则
证明 令则,,
则在为凸函数。由凸函数的定义1可得
即
即
所以原题得证。
如果则。
证明 令则,,
因为,所以,即 ,所以为凸函数。由凸函数的定义1,可得
即
即
所以原题得证。
已知且满足,求的
最大值。
解 令,则,,
由于,则,所以,所以为凸函数。
由Jensen不等式有
即
即
即
所以
当时,取得最大值50。
例4. 已知,求证:。
证明 令,有
所以,所以在上
为凸函数。
由Jensen不等式可得
即
即
即
即
所以原题得证。
5.2凸函数定义、引理及Jensen不等式在大学数学中的应用。
5.2.1 凸函数定义、引理及Jensen不等式在积分中的应用。
例1. 设在上连续,且证明
证明 令,对于,令或,即有或,所以有
(1)
或
(2)
(1)+(2)得
=
所以有
又因为,
所以在上为凸函数,则有
所以有
即
所以原题得证。
例2. 设函数二阶可导,且,又为任意一个连续函数,证明不等式。
证明 因为可积,故将区间分作n等分,并取
。因为所以为凸函数,由Jensen不等式有
即有
(1)
由于可导,则连续,对(1)式两边令,得
所以,由定积分定义,得
所以原题得证。
设为上的一个凸函数,令,则
是上的一个递增函数。
证明 设,因为为上的一个凸函数,则得也是上的一个凸函数,于是,,当时,由引理得
即
即
又
所以
(1) 得
即
即,所以,又因为,所以是上的一个递增函数。
5.2.2 凸函数凸函数定义、引理及Jensen不等式在数项级数的敛散性中的应用。
例1. 设是上的凸函数,且存在,则级数收敛,其中。
证明 因为是上的凸函数,所以有即所以是上的单调函数。
则
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
其中。
因为是上的凸函数,所以有,所以在上为增函数,所以有,则
即
。
所以,正项级数是收敛的。
5.2.3 凸函数定义、引理及Jensen不等式在概率中的应用。
例1. 设是上一个凸函数,X是取值于上子集A的离散型随机变量,E表示期望,则。
证明 对于X取值的个数归纳证明。首先两点分布简记注意到则。其中成立应用了的凸函
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