一元h-F凸函数的导数判别法

2016-01-06 01:40时统业,万福,丁霞
大学数学 2015年3期

一元h-F凸函数的导数判别法

时统业,万福,丁霞

(海军指挥学院信息系,南京211800)

[摘要]利用h-F凸函数的定义,在h满足一定条件的情况下,导出满足条件P1,P2的h-F凸函数的等价条件.

[关键词]h-F凸函数; 等价条件; 可导函数

[收稿日期]2015-03-09

[中图分类号]O178[文献标识码]C

1引言

定义1[1]称集合K⊂n是关于F的广义凸集,若存在向量值映射F∶K×K×[0,1]→n,使得∀λ∈[0,1],∀x,y∈K,有F(x,y,λ)∈K.

与广义凸集有关的文献可见[1-8].

定义2[2]设K⊂n是关于F的广义凸集,称F在K上满足条件P1,P2,若∀α,β∈[0,1],且α<β,∀x,y∈K,有

定义3[3]设K⊂n,J⊂,[0,1]⊂J.h∶J→[0,+∞)且h不恒为零,集合K⊂n是关于F的广义凸集,称f∶K→[0,+∞)在K上是h-F凸函数,若∀λ∈[0,1],∀x,y∈K,有

f[F(x,y,λ)]≤h(λ)f(x)+h(1-λ)f(y).

在定义3中,若

F(x,y,λ)=λx+(1-λ)y,h(λ)=λ,

本文的目的是当F在K上满足条件P1, P2,h满足一定条件,F(x,y,λ)是[0,1]上关于λ的连续函数,f(F(x,y,λ))是[0,1]上关于λ的可导函数,给出h-F凸函数的等价条件.

2主要结果

定理1设K⊂是关于F的广义凸集,F在K上满足条件P1,[0,1]⊂J⊂.h∶J→[0,+∞)满足h(0)=0,h(1)=1,且h′+(0)和h′-(1)存在.对任意x,y∈K,F(x,y,λ)是[0,1]上关于λ的连续函数,f(F(x,y,λ))是[0,1]上关于λ的可导函数.若f∶K→[0,+∞)在K上是h-F凸函数,则对任意x,y∈K,α∈[0,1],有

(1)

证因为f在K上是h-F凸函数,F在K上满足条件P1,所以对任意x,y∈K,α,β∈[0,1],α<β,有

由此得

(2)

(3)

在式(3)中,令β→α+0,得

对任意α∈[0,1)成立.在式(3)中,令α→β-0,得

对任意β∈(0,1]成立.综上所述,对任意α∈[0,1],式(1)成立.

定理2设K⊂是关于F的广义凸集,F在K上满足条件P2,[0,1]⊂J⊂.h∶J→[0,+∞)满足h(0)=0,h(1)=1,且h′+(0)和h′-(1)存在,对任意x,y∈K,F(x,y,λ)是[0,1]上关于λ的连续函数,f(F(x,y,λ))是[0,1]上关于λ的可导函数.若f∶K→[0,+∞)在K上是h-F凸函数,则对任意x,y∈K,α∈[0,1),有

(4)

证因为f在K上是h-F凸函数,F在K上满足条件P2,所以对任意x,y∈K,α,β∈[0,1],α<β,有

由此得

(5)

(6)

在式(6)中,令β→α+0得式(4)对任意α∈[0,1)成立.

定理3设K⊂是关于F的广义凸集,F在K上满足条件P1,[0,1]⊂J⊂.h∶J→[0,+∞),h′+(0)和h′-(1)存在,对任意x,y∈K,f(F(x,y,λ))是[0,1]上关于λ的可导函数.若对任意x,y∈K,α∈(0,1),式(4)成立,则有式(1)成立.

证由式(4)可知,对任意x,y∈K,α∈(0,1),有

(7)

在式(7)中,以F(x,y,1)替代x,则由条件P1,对任意α∈(0,1),F(y,x,1-α)化为

F(y,F(x,y,1),1-α)=F(x,y,α),

而对任意λ∈(0,1],F(y,x,λ)化为

F(y,F(x,y,1),λ)=F(x,y,1-λ),

于是式(7)化为式(1).

定理4设K⊂是关于F的广义凸集,F在K上满足条件P1,[0,1]⊂J⊂.h∶J→[0,+∞),对任意x,y∈K,f(F(x,y,λ))是[0,1]上关于λ的可导函数.若对任意x,y∈K,α∈(0,1),式(1),(4)成立,则对任意x,y∈K,α∈(0,1),有

f(F(x,y,α))≤h(α)f(x)+h(1-α)f(y).

(8)

证式(4)即

(9)

式(9)和式(1)分别乘以1-α和α,然后相加得

式(8)得证.

定理5设K⊂是关于F的广义凸集,F在K上满足条件P1,[0,1]⊂J⊂.h∶J→[0,+∞),h′+(0)和h′-(1)存在,对任意x,y∈K,f(F(x,y,λ))是[0,1]上关于λ的可导函数.若对任意x,y∈K,α∈[0,1],式(1)成立,则对任意x,y∈K,α∈(0,1),有

(10)

证由式(1)可知,对任意x,y∈K,α∈[0,1],有

(11)

在式(11)中,以F(x,y,1)替代x,则由定理3的证明可知,当α∈(0,1)时,式(11)化为

也即式(10)成立.

定理6设K⊂是关于F的广义凸集,F在K上满足条件P1,[0,1]⊂J⊂.h∶J→[0,+∞)满足h(0)=0,h(1)=1,且h′+(0)>0,h′-(1)>0,对任意α∈[0,1]有

对任意x,y∈K,F(x,y,λ)是[0,1]上关于λ的连续函数,f(F(x,y,λ))是[0,1]上关于λ的可导函数,则下面命题等价:

(i)f在K上是h-F凸函数;

(ii) 对任意x,y∈K,α∈[0,1],式(1)成立,且有

f(F(x,y,1))≤f(x),f(F(x,y,0))≤f(y);

(iii) 对任意x,y∈K,α∈(0,1),式(4)成立,且有

f(F(x,y,1))≤f(x),f(F(x,y,0))≤f(y).

证(i)⟹(ii).由定理1得证.

(ii) ⟹ (iii).若对任意x,y∈K,α∈[0,1],式(1)成立,则由定理5,对任意x,y∈K,α∈(0,1),式(10)成立.又因f(F(x,y,1))≤f(x),h′+(0)>0,故对任意x,y∈K,α∈(0,1),式(4)成立.

(iii) ⟹ (i).若对任意x,y∈K,α∈(0,1),式(4)成立,则由定理3知,对任意x,y∈K,α∈(0,1),式(1)也成立.再由定理4知对任意x,y∈K,α∈(0,1),有式(8)成立.又因

f(F(x,y,1))≤f(x),f(F(x,y,0))≤f(y),

故式(8)对α=0和α=1都成立,由定义知f在K上是h-F凸函数.

推论6.1设f(x)是[a,b]⊂(0,∞)上的可导函数,则f∶[a,b]→[0,+∞)在I上是h凸函数当且仅当对任意y,z∈[a,b],y≠z,有

h′-(1)f(z)-h′+(0)f(y)≤(z-y)f′(z).

(12)

证根据定理6,只需证明当F(x,y,λ)=λx+(1-λ)y时,式(1)与式(12)等价.事实上,若式(12)成立,取z=αx+(1-α)y并注意到

与推论6.1的证明类似,还可证明下面的推论6.2和推论6.3.

推论6.2设f(x)是[a,b]⊂(0,∞)上的可导函数,则f∶[a,b]→[0,+∞)是h-GA凸函数当且仅当对任意y,z∈[a,b],y≠z,有

h′-(1)f(z)-h′+(0)f(y)≤zf′(z)(lnz-lny).

推论6.3设f(x)是[a,b]⊂(0,∞)上的可导函数,则f∶[a,b]⊂(0,∞)→[0,+∞)在[a,b]上是h-p凸函数当且仅当对任意y,z∈[a,b],y≠z,有

[参考文献]

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Derivation Diagnostic Method of h-F-Convex

Functions of One Variable

SHITong-ye,WANFu,DINGXia

(Department of Information, PLA Naval Command College,Nanjing 211800, China)

Abstract:With the aid of the definition of h-F-convex functions,several equivalent conditions of h-F-convex functions satisfying condition P1,P2 are obtained when h satisfying certain conditions.

Key words:h-F-convex function; equivalent condition; differentiable function