볼록함수
현이 그래프 위에 뜨면 볼록 — 미분 가능할 때는 f′ 증가와 동치이고, 이계도함수 부호로 판정합니다. 옌센 부등식까지.
f(tx+(1−t)y)≤tf(x)+(1−t)f(y)
f convex ⟺f′ increasing,f′′≥0⟹convex
예제
f(x)=x2이 볼록함임을 직접 증명하세요.
(tx+(1−t)y)2≤tx2+(1−t)y2⟺t(1−t)(x−y)2≥0
a=−1,b=1 — 현이 포물선 위에 뜬다
증명 보기
- 차이를 전개하면 tx2+(1−t)y2−(tx+(1−t)y)2=t(1−t)(x−y)2입니다. ((tx+(1−t)y)를 제곱해 정리하면 x2과 y2의 계수가 t(1−t)로 묶입니다.)
- t∈[0,1]이므로 t(1−t)≥0이고, 제곱이므로 (x−y)2≥0입니다. 따라서 우변은 0 이상입니다.
- 즉 (tx+(1−t)y)2≤tx2+(1−t)y2 — 볼록성의 정의가 성립하므로 x2은 볼록합니다. 위 화면에서 a=−1,b=1일 때 최대 간격이 1인 이유이기도 합니다.
f가 미분 가능하고 f′이 증가하면 f는 볼록함을 증명하세요.
x2−x1f(x2)−f(x1)=f′(c1)≤f′(c2)=x3−x2f(x3)−f(x2)
ex — f′′>0인 예
증명 보기
- x1<x2<x3이라 두면, [x1,x2]와 [x2,x3]에 평균값정리를 적용해 f′(c1)=x2−x1f(x2)−f(x1), f′(c2)=x3−x2f(x3)−f(x2)인 c1∈(x1,x2), c2∈(x2,x3)이 존재합니다. c1<c2이고 f′이 증가하므로 f′(c1)≤f′(c2)입니다.
- 기울기 부등식 x2−x1f(x2)−f(x1)≤x3−x2f(x3)−f(x2)를 정리하면 f(x2)≤x3−x1(x3−x2)f(x1)+(x2−x1)f(x3)을 얻습니다 — 중간점의 함숫값이 양 끝점을 잇는 현 아래에 있습니다.
- x2=tx1+(1−t)x3이라 두면 x3−x1x3−x2=t, x3−x1x2−x1=1−t이므로 부등식은 f(tx1+(1−t)x3)≤tf(x1)+(1−t)f(x3) — 볼록성의 정의입니다. 참고로 f′′≥0이면 f′에 평균값정리를 적용해 f′이 증가합니다.
log의 오목성으로부터 두 수의 AM–GM 부등식을 유도하세요.
log2a+b≥2loga+logb=logab
현 그림은 log에도 똑같이 적용된다
증명 보기
- (log)′′(x)=−x21<0이므로, 이차도함수 판정의 오목 버전(문제 2의 부등호 반전)에 의해 log는 오목함수입니다 — 현이 그래프 아래에 놓입니다.
- t=21인 옌센 부등식(오목 버전)을 적용하면 log2a+b≥2loga+logb입니다.
- 우변은 21(loga+logb)=logab이므로, 양변에 지수함수를 취하면 2a+b≥ab — AM–GM 부등식입니다. (지수는 증가함수라 부등호가 유지됩니다.)
9. 미분