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凹函数

数学术语

数学模型中的一种，在数学当中，凹函数是凸函数的相反。

定义
如果定义在某一区间上的一元实函数是连续函数，且对这一区间中的任何两点X1、X2，当X1＜X2时，有不等式 其中q1、q2为正数，q1+q2=1，这时，我们把函数f(x)叫做凹函数。
如果y=f(x)是(严格)凹函数，那么它的图象是(严格)凹曲线，或叫做(严格)下凸曲线。
凹函数的概念是詹森(J.L.w.v.Jermen，1859～1925)引入的，他所采取的定义条件是
相当于上述定义中 的特殊情况形。这种定义对于连续函数来说是等价的。
如果f(x)是凹函数，那么-f(x)即是凸函数，通常都是把凹函数转化为凸函数来研究。
在数学当中，凹函数是凸函数的相反。与凸函数（上凸）对比，这里的凹函数（上凸）应有：如果其二阶导数在区间上恒大于0，就称为凹函数。即f′′(x)＞0，开口向上，函数为凹函数，f′′(x)＜0，开口向下，函数为凸函数。
性质
如果一个可微函数f它的导数f'在某区间是单调上升的，也就是二阶导数若存在，则在此区间，二阶导数是大于零的，f就是凹的；即一个凹函数拥有一个下跌的斜率（当中下跌只是代表非上升而不是严谨的下跌，也代表这容许零斜率的存在。）
如果一个二次可微的函数f，它的二阶导数f'(x)是正值（或者说它有一个正值的加速度），那么它的图像是凹的；如果二阶导数f'(x)是负值，图像就会是凸的。当中如果某点转变了图像的凹凸性，这就是一个拐点。
如果凹函数（也就是向上开口的）有一个“底”，在底的任意点就是它的极小值。如果凸函数有一个“顶点”，那么那个顶点就是函数的极大值。
如果f(x)是二次可微的，那么f(x)就是凹的当且仅当f''(x)是正值。
函数凹凸性证明
凸函数
设函数f(x)在定义域内连续可导且满足f''(x)＞0；设x1＜x2,0＜a＜1、证明：f[ax1+(1-a)x2]＜af(x1)+(1-a)f(x2)；（即利用凸函数的充要条件来证明其定义。）
因ax1+(1-a)x2-x1=(1-a)(x2-x1)＞0；
则x1＜ax1+(1-a)x2；
根据拉格朗日中值定理。
必存在x1＜μ＜ ax1+(1-a)x2；
使f[ax1+(1-a)x2]-f(x1)= (1-a)(x2-x1)f'(μ)；
同理。
存在ax1+(1-a)x2＜ξ＜x2；
使f(x2)- f[ax1+(1-a)x2]= a(x2-x1)f'(ξ)；
故a{f[ax1+(1-a)x2]-f(x1)}- (1-a){f(x2)- f[ax1+(1-a)x2]}=a (1-a)(x2-x1)[f’(μ)- f’(ξ)]；
根据拉格朗日中值定理。
有μ＜δ＜ξ；
f'(μ)- f'(ξ)=(μ-ξ)f''(δ)；
因f''(x)＞0；
则f'(μ)- f'(ξ)＜0；
则a{f[ax1+(1-a)x2]-f(x1)}- (1-a){f(x2)- f[ax1+(1-a)x2]}＜0；
整理后得f[ax1+(1-a)x2]＜af(x1)+(1-a)f(x2)；
凹函数
同理，若f''(x)≤0，则结果相反 。
即若f''(x)≤0，则f[ax1+(1-a)x2]≥af(x1)+(1-a)f(x2)；满足凹函数的定义。
证明完毕。
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