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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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