Выпуклое сопряжение функции — это обобщение преобразования Лежандра, которое применяется к невыпуклым функциям. Оно известно также как преобразование Лежандра — Фенхеля или преобразование Фенхеля (по именам Адриена Мари Лежандра и Вернера Фенхеля). Сопряжение используется для преобразования задачи оптимизации в соответствующую двойственную задачу, которую, возможно, проще решить.

Определение Пусть будет вещественным топологическим векторным пространством и пусть будет двойственным пространством для . Обозначим через

Для функции

,

принимающей значения на расширенной числовой прямой, выпуклое сопряжение

определено в терминах супремума по формуле

или, эквивалентно, в терминах инфимума по формуле

Это определение можно интерпретировать как кодирование выпуклой оболочки надграфика функции в терминах её опорных гиперплоскостей.

Примеры Выпуклое сопряжение аффинной функции

равно

Выпуклое сопряжение степенной функции

равно

где

Выпуклое сопряжение функции абсолютной величины

равно

Выпуклое сопряжение показательной функции равно

Выпуклое сопряжение и преобразование Лежандра показательной функции совпадают за исключением того, что область определения выпуклого сопряжения строго шире, поскольку преобразование Лежандра определено лишь для положительных вещественных чисел.

Связь с ожидаемыми потерями (средняя цена риска) Пусть F означает функцию распределения случайной величины X. Тогда (интегрируя по частям),

имеет выпуклое сопряжение

Упорядочение Конкретная интерпретация имеет преобразование

как неубывающую перегруппировку начальной функции f. В частности, для не убывает.

Свойства Выпуклое сопряжение снова является замкнутой выпуклой функцией. Выпуклое сопряжение полиэдральной выпуклой функции (выпуклой функции с многогранным надграфиком) снова является полиэдральной выпуклой функцией.

Обращение порядка Выпуклое сопряжение обращает порядок — если , то . Здесь

Для семейства функций это следует из факта, что супремумы могут быть переставлены местами

и из

Двойное сопряжение Выпуклое сопряжение функции всегда полунепрерывно снизу. Двойное сопряжение (выпуклое сопряжение выпуклого сопряжения) является также замкнутой выпуклой оболочкой, то есть наибольшей полунепрерывной снизу выпуклой функцией с . Для тогда и только тогда, когда f выпукла и полунепрерывна снизу по теореме Фенхеля — Моро.

Неравенство Фенхеля Для любой функции и её выпуклого сопряжения неравенство Фенхеля (известное также как неравенство Фенхеля — Моро) выполняется для любого и :

Доказательство следует немедленно из определения выпуклого сопряжения: .

Выпуклость Для двух функций и и числа выполняется . Здесь операция  — это выпуклое отображение в себя.

Инфимальная конволюция Инфимальная конволюция двух функций f и g определяется как

Пусть f1, …, fm будут правильными выпуклыми полунепрерывными снизу функциями на . Тогда инфимальная конволюция выпукла и полунепрерывна снизу (но не обязательно будет правильной функцией) и удовлетворяет равенству

Инфимальная конволюция двух функций имеет геометрическую интерпретацию — (строгий) надграфик инфимальной конволюции двух функций равен сумме Минковского (строгих) надграфиков этих функций.

Максимизирующий аргумент Если функция дифференцируема, то её производная является максимизирующим аргументом при вычислении выпуклого сопряжения: и

откуда

и, более того,

Масштабирующие свойства Если для некоторого , то

В случае дополнительного параметра (скажем, ), более того,

где где выбирается максимизирующим аргументом.

Поведение при линейных преобразованиях Пусть A будет ограниченным линейным оператором из X в Y. Для любой выпуклой функции f на X, имеем

где

является прообразом f для A, а A* является сопряжённым оператором для A.

Замкнутая выпуклая функция f симметрична для заданного множества G ортогональных линейных преобразований

тогда и только тогда, когда выпуклое сопряжение f* симметрично для G.

Таблица некоторых выпуклых сопряжений Следующая таблица даёт преобразования Лежандра для многих часто употребимых функций, а также для нескольких полезных свойств.

(где ) (где ) (где ) (где ) (где ) (где )

См. также Двойственная задача Теорема двойственности Фенхеля Преобразование Лежандра Неравенство Юнга

Примечания

Литература

Ссылки

Категория:Выпуклый анализ Категория:Теории двойственности Категория:Преобразования