WikiDer > Выпуклый конъюгат

Convex conjugate

В математика и математическая оптимизация, то выпуклый сопряженный функции является обобщением Превращение Лежандра который применяется к невыпуклым функциям. Он также известен как Преобразование Лежандра – Фенхеля, Преобразование фенхеля, или же Конъюгат фенхеля (после Адриан-Мари Лежандр и Вернер Фенчель). Это позволяет, в частности, сделать далеко идущее обобщение лагранжевой двойственности.

Определение

Позволять быть настоящий топологическое векторное пространство, и разреши быть двойное пространство к . Обозначим двойное соединение к

Для функции

принимая ценности на расширенная строка действительных чисел, то выпуклый сопряженный

определяется в терминах супремум к

или, что то же самое, с точки зрения инфимум к

Это определение можно интерпретировать как кодировку выпуклый корпус функции эпиграф с точки зрения его поддерживающие гиперплоскости.[1][2]

Примеры

Дополнительные примеры см. § Таблица выбранных выпуклых сопряженных.

  • Выпуклое сопряжение аффинная функция является
  • Выпуклое сопряжение a степенная функция
  • Выпуклое сопряжение абсолютная величина функция является
Выпуклое сопряженное преобразование и преобразование Лежандра экспоненциальной функции согласуются, за исключением того, что домен выпуклого сопряженного строго больше, поскольку преобразование Лежандра определено только для положительных действительных чисел.

Связь с ожидаемым дефицитом (средняя величина риска)

Видеть эта статья например.

Позволять F обозначить кумулятивная функция распределения из случайная переменная Икс. Тогда (интегрируя по частям),

имеет выпуклый сопряженный

Заказ

Конкретная интерпретация имеет преобразование

так как это неубывающая перестановка исходной функции f; особенно, за ƒ неубывающая.

Характеристики

Выпуклое сопряжение a замкнутая выпуклая функция снова является замкнутой выпуклой функцией. Выпуклое сопряжение a многогранная выпуклая функция (выпуклая функция с многогранник эпиграф) снова является многогранной выпуклой функцией.

Реверс заказа

Выпуклое сопряжение изменение порядка: если тогда . Здесь

Для семейства функций из того факта, что супремумы можно менять местами, следует, что

и из max – min неравенство который

Двояковыпуклый

Выпуклое сопряжение функции всегда нижний полунепрерывный. В двусопряженный (выпуклое сопряжение выпуклого сопряженного) также является замкнутая выпуклая оболочка, т.е. самый большой нижний полунепрерывный выпуклая функция с . За надлежащие функции ж,

если и только если ж выпукла и полунепрерывна снизу, Теорема Фенхеля – Моро..

Неравенство Фенхеля

Для любой функции ж и его выпуклый сопряженный ж *, Неравенство Фенхеля (также известный как Неравенство Фенхеля – Юнга) выполняется для каждого ИксИкс и пИкс * :

Доказательство непосредственно следует из определения выпуклого сопряженного: .

Выпуклость

Для двух функций и и ряд отношение выпуклости

держит. В операция сама по себе является выпуклым отображением.

Инфимальная свертка

В инфимальная свертка (или эпи-сумма) двух функций ж и грамм определяется как

Позволять ж1, …, жм быть правильным, выпуклым и полунепрерывный снизу функции на рп. Тогда инфимальная свертка будет выпуклой и полунепрерывной снизу (но не обязательно собственной),[3] и удовлетворяет

Инфимальная свертка двух функций имеет геометрическую интерпретацию: (строгая) эпиграф инфимальной свертки двух функций является Сумма Минковского (строгих) эпиграфов этих функций.[4]

Максимальный аргумент

Если функция дифференцируема, то ее производная является максимальным аргументом при вычислении выпуклого сопряженного:

и

откуда

и более того

Масштабирующие свойства

Если для некоторых , , тогда

Поведение при линейных преобразованиях

Позволять А быть ограниченный линейный оператор из Икс к Y. Для любой выпуклой функции ж на Икс, надо

куда

это прообраз ж w.r.t. А и А* это сопряженный оператор из А.[5]

Замкнутая выпуклая функция ж симметричен относительно заданного множества грамм из ортогональные линейные преобразования,

тогда и только тогда, когда его выпукло сопряженное ж* симметричен относительно грамм.

Таблица избранных выпуклых конъюгатов

В следующей таблице представлены преобразования Лежандра для многих общих функций, а также несколько полезных свойств.[6]

(куда )
(куда )
(куда ) (куда )
(куда (куда )

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Преобразование Лежандра». Получено 14 апреля, 2019.
  2. ^ Нильсен, Франк. «Преобразование Лежандра и информационная геометрия» (PDF).
  3. ^ Фелпс, Роберт (1991). Выпуклые функции, монотонные операторы и дифференцируемость (2-е изд.). Springer. п.42. ISBN 0-387-56715-1.
  4. ^ Bauschke, Heinz H .; Гебель, Рафаль; Люсет, Ив; Ван, Сяньфу (2008). «Проксимальное среднее: основная теория». SIAM Journal по оптимизации. 19 (2): 766. CiteSeerX 10.1.1.546.4270. Дои:10.1137/070687542.
  5. ^ Иоффе А.Д., Тихомиров В.М. (1979), Theorie der Extremalaufgaben. Deutscher Verlag der Wissenschaften. Satz 3.4.3
  6. ^ Борвейн, Джонатан; Льюис, Адриан (2006). Выпуклый анализ и нелинейная оптимизация: теория и примеры (2-е изд.). Springer. стр.50–51. ISBN 978-0-387-29570-1.

дальнейшее чтение