परिचय GitHub Coach लॉग इन पढ़ना शुरू करें

गणित · शब्दावली

उत्तल फलन क्या है?

अन्य नाम: उत्तलता · अवतल

परिभाषा 22.11 उच्च माध्यमिक गणित · अध्याय 22 — अवकलन और उत्तलता

किसी अंतराल II पर परिभाषित फलन ff II पर उत्तल है यदि उसके आलेख की हर जीवा आलेख के ऊपर पड़े: अर्थात् सभी a,bIa, b \in I और t[0,1]t \in \intcc{0}{1} के लिए

f((1t)a+tb)(1t)f(a)+tf(b).f\bigl((1-t)a + t b\bigr) \leq (1-t) f(a) + t f(b).

वह अवतल है यदि उल्टी असमिका सही हो (f-f उत्तल)।

एक उत्तल फलन: हर जीवा (लाल) आलेख के ऊपर पड़ती है, और आलेख अपनी हर स्पर्श रेखा (नारंगी) के ऊपर। बिंदुदार रेखाखंड f ((1-t)a+tb ) और (1-t)f(a)+tf(b) के बीच का अंतर दिखाता है।
एक उत्तल फलन: हर जीवा (लाल) आलेख के ऊपर पड़ती है, और आलेख अपनी हर स्पर्श रेखा (नारंगी) के ऊपर। बिंदुदार रेखाखंड f((1t)a+tb)f\bigl((1-t)a+tb\bigr) और (1t)f(a)+tf(b)(1-t)f(a)+tf(b) के बीच का अंतर दिखाता है।

उदाहरण

उदाहरण 22.14

f(x)=x3f(x) = x^3 के लिए f(x)=6xf''(x) = 6x: ff (,0]\intoc{-\infty}{0} पर अवतल और [0,+)\intco{0}{+\infty} पर उत्तल है, और मूल बिंदु पर उसका नति-परिवर्तन बिंदु है, जहाँ वक्र अपनी स्पर्श रेखा (xx-अक्ष) को पार कर जाता है।

उदाहरण 22.15 (उत्तलता से असमिकाएँ)

चरघातांकी फलन R\R पर उत्तल है (उसका द्वितीय अवकलज वही स्वयं है, जो धनात्मक है)। 00 पर उसकी स्पर्श रेखा y=1+xy = 1 + x है, इसलिए

ex1+xxR के लिए.\eu^x \geq 1 + x \quad x \in \R \text{ के लिए} .

ऐसी स्पर्श-रेखा असमिकाएँ उत्तलता की मानक उपज हैं।

अध्याय में पढ़ें →
परिभाषा 14.18 विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 1 · अध्याय 14 — अवकलन

f ⁣:IRf \colon I \to \R उत्तल तब है जब हर जीवा आलेख के ऊपर हो:

x,yI, t[0,1],f(tx+(1t)y)tf(x)+(1t)f(y).\forall x, y \in I,\ \forall t \in \intcc{0}{1}, \quad f\bigl(tx + (1-t)y\bigr) \leq t f(x) + (1-t) f(y).

(ff अवतल तब है जब f-f उत्तल हो।)

उत्तलता, दो बार: हर जीवा (धूसर) आलेख के ऊपर है, और आलेख हर स्पर्श रेखा (बिंदुकित) के ऊपर।
उत्तलता, दो बार: हर जीवा (धूसर) आलेख के ऊपर है, और आलेख हर स्पर्श रेखा (बिंदुकित) के ऊपर।

उदाहरण

उदाहरण 14.20 (चिरपरिचित उत्तलता असमिकाएँ)

exp\exp उत्तल है (exp=exp>0\exp'' = \exp > 0): 00 पर उसकी स्पर्श रेखा सभी xx के लिए ex1+x\eu^x \geq 1 + x देती है। ln\ln अवतल है: 11 पर उसकी स्पर्श रेखा lnxx1\ln x \leq x - 1 देती है; और 0<ab0 < a \leq b के लिए उसकी जीवाएँ गुणोत्तर तथा समांतर माध्यों के बीच की असमिका देती हैं: अवतलता में t=12t = \frac12 लेने पर,

lna+b2lna+lnb2=lnab,अतःaba+b2.\ln\frac{a + b}{2} \geq \frac{\ln a + \ln b}{2} = \ln\sqrt{ab}, \qquad\text{अतः}\qquad \sqrt{ab} \leq \frac{a+b}{2} .

व्यापक समांतर–गुणोत्तर असमिका अभ्यास 14.9 है।

उदाहरण 14.21 (शून्य से एक उत्तलता असमिका)

फलन f(t)=tlntf(t) = t\ln t (0,+)\intoo{0}{+\infty} पर उत्तल है: f(t)=1t>0f''(t) = \frac1t > 0। उसकी मध्यबिंदु असमिका, 22 से गुणा करने पर, कहती है: सभी a,b>0a, b > 0 के लिए,

alna+blnb    (a+b)lna+b2,a\ln a + b\ln b \;\geq\; (a + b)\,\ln\frac{a + b}{2} ,

जहाँ समता तभी जब a=ba = b (कठोर उत्तलता)। परीक्षण: a=1a = 1, b=3b = 3 4ln2=2.7734\ln 2 = 2.773 के सामने 3ln3=3.2963\ln 3 = 3.296 देता है। यह निर्दोष दिखने वाली असमिका उस एंट्रॉपी तुलना की दो-बिंदु स्थिति है जो येंसन असमिका (अभ्यास 14.9) के साथ और स्नातक वर्ष 3 के खंड के सूचना-सैद्धांतिक अनंतस्पर्शी में फिर प्रकट होती है। समापन का सार: कोई असमिका गढ़नी हो तो ऐसा फलन खोजिए जिसके द्वितीय अवकलज का कोई चिह्न हो, और लिख डालिए कि उत्तलता क्या कहती है — अवकलीय अभिलक्षण एक ही चिह्न-जाँच को अनंत असमिकाओं में बदल देता है।

उदाहरण 14.24 (अवतलता से यंग असमिका)

मान लीजिए p,q>1p, q > 1 और 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1। सभी a,b>0a, b > 0 के लिए:

ab    app+bqq.ab \;\leq\; \frac{a^p}{p} + \frac{b^q}{q} .

उपपत्ति: भार 1p,1q\frac1p, \frac1q के साथ ln\ln की अवतलता का एक ही प्रयोग (दो-बिंदु येंसन असमिका, जैसा अभ्यास 14.9 में है):

ln(app+bqq)    1pln(ap)+1qln(bq)=lna+lnb=ln(ab),\ln\Bigl(\frac{a^p}{p} + \frac{b^q}{q}\Bigr) \;\geq\; \frac1p \ln(a^p) + \frac1q \ln(b^q) = \ln a + \ln b = \ln(ab),

और ln\ln के वर्धमान होने से लघुगणकों की असमिका दावे में बदल जाती है; समता तभी जब ap=bqa^p = b^q (कठोर अवतलता)। स्थिति p=q=2p = q = 2 वेश बदली हुई समांतर-गुणोत्तर असमिका aba2+b22ab \leq \frac{a^2 + b^2}{2} है। समापन का सार: यंग असमिका स्नातक वर्ष 2 के खंड की होल्डर और मिंकोव्स्की असमिकाओं का बीजीय बीज है — ln\ln के विषय में एक ही अवतलता कथन, जिसे मानकों के लिए काट लिया जाता है।

अध्याय में पढ़ें →