التحليل المحدب

متعدد السطوح محدب ثلاثي الأبعاد. لا يقتصر التحليل المحدب على دراسة المجموعات الجزئية المحدبة للفضاءات الإقليدية فحسب، بل يشمل أيضًا دراسة الدوال المحدبة على الفضاءات المجردة.

التحليل المحدب هو فرع من الرياضيات يدرس المجموعات المحدبة والدوال المحدبة وتطبيقاتها في مجالات التحسين ، والتحليل الوظيفي ، والتحليل التبايني ، والهندسة المحدبة ، والاقتصاد ، والمجالات ذات الصلة. تُوصف المجموعة بأنها محدبة إذا احتوت على كل قطعة مستقيمة تصل بين نقطتين فيها. وتُوصف الدالة بأنها محدبة إذا كانت قيمتها عند المتوسط ​​المرجح لنقطتين لا تتجاوز المتوسط ​​المرجح المقابل لقيمها. بعبارة أخرى، لا تحتوي المجموعات المحدبة على انحناءات داخلية، بينما تتميز الدوال المحدبة بمنحنى بياني ينحني للأعلى.

يشير التحدب إلى سمات عامة معينة للمسألة. على سبيل المثال، في مسألة التحسين المحدب، كل قيمة صغرى محلية هي أيضًا قيمة صغرى عالمية. غالبًا ما يمكن فصل المجموعات المحدبة بواسطة مستويات فائقة ، ويمكن دراسة الدوال المحدبة من خلال الدوال الأفينية الداعمة . يُعد التحليل المحدب خيطًا مشتركًا في التحسين الحديث، ونظرية الازدواجية، ودراسة المسائل غير الملساء. تشمل أدوات التحليل المحدب الرسم البياني العلوي للدالة، والتفاضل الجزئي ، وتحويل ليجندر-فينشل ، ونظرية فينشل-مورو . تسمح هذه الأدوات بإعادة كتابة العديد من المسائل المقيدة في شكل هندسي، وربط العديد من مسائل التحسين بمسائل ثنائية.

أمثلة أساسية

أبسط المجموعات المحدبة في الفضاء الإقليدي هي النقاط، والقطع المستقيمة ، والفضاءات الجزئية الأفينية ، وأنصاف الفضاءات ، والكرات ، والمخاريط ، والمضلعات المحدبة . تكون تقاطعات المجموعات المحدبة محدبة، لذا يمكن وصف العديد من المجموعات المحدبة المعقدة بأنها تقاطعات لمجموعات أبسط. على سبيل المثال، متعدد السطوح فيRن{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}هو تقاطع عدد محدود من أنصاف الفضاءات.

تشمل أمثلة الدوال المحدبة الدوال الأفينية ، والدوال التربيعية (ذات مصفوفة هيسية شبه موجبةوالمعايير ، والحد الأقصى لمجموعة من الدوال الأفينية. على سبيل المثال،

و(x)=x2{\displaystyle f(x)=x^{2}}

محدبة على خط الأعداد الحقيقية، و

و(x)=x{\displaystyle f(x)=\|x\|}

محدبة على أي فضاء متجه معياري.

يستخدم التحليل المحدب أيضًا الدوال الحقيقية الموسعة، والتي قد تأخذ القيمة+{\displaystyle +\infty }يسمح هذا الأسلوب بإدراج القيود مباشرةً في الدالة. إذاج{\displaystyle C}إذا كانت مجموعة محدبة، فإن دالة المؤشر الخاصة بها في التحليل المحدب تُعرَّف بواسطة

أناج(x)={0،xج،+،xج.{\displaystyle \iota _{C}(x)={\begin{cases}0,&x\in C,\\+\infty ,&x\notin C.\end{cases}}}

التقليلو{\displaystyle f}زيادةج{\displaystyle C}وهذا يعني أنه يُقلل منو+أناج{\displaystyle f+\iota _{C}}على كامل المساحة. [ 1 ]

المجموعات المحدبة والدوال المحدبة

مجموعة فرعيةج{\displaystyle C}تكون فضاءات المتجهات الحقيقية محدبة إذا، كلماx،yج{\displaystyle x,y\in C}و0ت1{\displaystyle 0\leq t\leq 1}،

تx+(1-ت)yج.{\displaystyle tx+(1-t)y\in C.}

هذا يعني أن القطعة المستقيمة بينx{\displaystyle x}وy{\displaystyle y}يكمن الأمر برمته فيج{\displaystyle C}.

وظيفةو:جR{\displaystyle f:C\to \mathbb {R} }، أينج{\displaystyle C}يكون محدبًا، ويكون محدبًا إذا

و(تx+(1-ت)y)تو(x)+(1-ت)و(y){\displaystyle f(tx+(1-t)y)\leq tf(x)+(1-t)f(y)}

للجميعx،yج{\displaystyle x,y\in C}وكل شيء0ت1{\displaystyle 0\leq t\leq 1}تكون محدبة تمامًا إذا كانت المتباينة صارمة كلماxy{\displaystyle x\neq y}و0<ت<1{\displaystyle 0<t<1}، باستثناء الحالات المنحرفة التي يُجبر فيها الطرفان على أن يكونا متساويين.

دالة محدبة على فترة.

تكون الدالة محدبة إذا وفقط إذا كان الرسم البياني الخاص بها ،

إبيو={(x،ر):و(x)ر}،{\displaystyle \operatorname {epi} f=\{(x,r):f(x)\leq r\},}

هي مجموعة محدبة. الرسم البياني العلوي هو المنطقة الواقعة على أو فوق الرسم البياني للدالة. هذه الملاحظة هي أحد أسباب دراسة الدوال المحدبة والمجموعات المحدبة معًا: إذ يمكن غالبًا ترجمة العبارات المتعلقة بالدوال المحدبة إلى عبارات تتعلق بالمجموعات المحدبة في بُعد أعلى. [ 1 ] [ 2 ]

تكون الدالة محدبة إذا وفقط إذا كان الرسم البياني العلوي لها، أي المنطقة الواقعة فوق الرسم البياني الخاص بها، مجموعة محدبة.

للدوال ذات القيم الحقيقية الموسعةو:X(-،+]{\displaystyle f:X\to (-\infty ,+\infty ]}المجال الفعال هو

دومو={xX:و(x)<+}.{\displaystyle \operatorname {dom} f=\{x\in X:f(x)<+\infty \}.}

تُسمى الدالة صحيحة إذا كان مجالها الفعال غير فارغ ولم تأخذ القيمة أبدًا-{\displaystyle -\infty }تُعتبر الدوال المحدبة المناسبة من المواضيع المعتادة للدراسة في التحليل المحدب. [ 1 ]

الأبعاد المحدودة وغير المحدودة

يتخذ التحليل المحدب أشكالًا مختلفة في الفضاءات ذات الأبعاد المحدودة والفضاءات ذات الأبعاد غير المحدودة. في الفضاء الإقليدي ذي الأبعاد المحدودة، تغيب العديد من التعقيدات الهندسية والطوبولوجية: فجميع المعايير متكافئة، وكل دالة خطية متصلة، والمجموعات المغلقة والمحدودة متراصة . ونتيجة لذلك، يمكن صياغة العديد من النتائج باستخدام الطوبولوجيا الإقليدية العادية. على سبيل المثال، دالة محدبة متصلة على مجموعة فرعية محدبة مغلقة ومحدودة منRن{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}تصل إلى أدنى قيمة لها، ويمكن في كثير من الأحيان صياغة نظريات الفصل بمصطلحات هندسية أساسية. [ 1 ] [ 3 ]

في الفضاءات اللانهائية الأبعاد، تُصبح طوبولوجيا فضاء المتجهات الأساسي جزءًا من النظرية. عادةً ما يكون الفضاء الثنائي ذو الصلة هو الفضاء الثنائي المتصل ، وتعتمد العديد من العبارات على استخدام طوبولوجيا المعيار ، أو الطوبولوجيا الضعيفة ، أو أي طوبولوجيا محدبة محلية أخرى . لا يشترط أن تكون المجموعات المغلقة والمحدودة متراصة، وقد لا تكون الدوال الخطية متصلة ما لم يُفترض الاتصال، وقد تحتوي المجموعات المحدبة الكبيرة جبريًا على باطن فارغ في طوبولوجيا المعيار. [ 4 ] [ 5 ]

تؤثر هذه الاختلافات على عملية التحسين. ففي الأبعاد المحدودة، غالبًا ما تضمن فرضيات الإكراه أو التراص وجود حلول صغرى. أما في الفضاءات اللانهائية الأبعاد، فقد لا تحتوي المتتاليات الصغرى على متتاليات فرعية متقاربة في طوبولوجيا المعيار. ولذلك، غالبًا ما تستخدم نتائج الوجود افتراضات التراص الضعيف، وشبه الاستمرارية السفلية، والانعكاسية، كما هو الحال في الطرق المباشرة في حساب التفاضل والتكامل . على سبيل المثال، في فضاء باناخ انعكاسي، تتمتع المجموعات المحدبة المغلقة والمحدودة بخصائص تراص ضعيفة مفيدة، مما يجعل شبه الاستمرارية السفلية الضعيفة أداة أساسية في مسائل حساب التفاضل والتكامل. [ 4 ] [ 6 ]

تصبح شروط النقاط الداخلية أكثر حساسية في الأبعاد اللانهائية. في التحسين المحدب ذي الأبعاد المحدودة، غالبًا ما تُعبَّر شروط مثل شرط سلاتر باستخدام الداخل العادي أو الداخل النسبي لمجموعة محدبة. في الفضاءات اللانهائية الأبعاد، تحتوي العديد من المجموعات المحدبة الطبيعية على داخل فارغ، لذا يمكن استخدام مفاهيم بديلة مثل الداخل الجبري، أو النواة، أو الداخل شبه النسبي، أو غيرها من شروط التقييد. [ 5 ]

يتأثر مفهوم الازدواجية بشكل مماثل. تتطلب نظرية فينكل-مورو ونظريات الازدواجية ذات الصلة فرضيات مناسبة للاستمرارية الجزئية الدنيا والتحدب بالنسبة للطوبولوجيا المختارة. وبالتالي، فهي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالتحليل الوظيفي ، والفضاءات المحدبة محليًا ، وفضاءات باناخ ، وفضاءات هيلبرت ، ونظرية المؤثرات الرتيبة . [ 1 ] [ 2 ] [ 6 ]

الازدواجية

يُتيح التحليل المحدب صياغة العديد من المسائل بدلالة كلٍّ من الفضاء المتجهي الأصلي وفضائه الثنائي . فعلى سبيل المثال، يمكن وصف المجموعة المحدبة بدلالة مجموعة نقاطها ومجموعة المستويات الفائقة التي تتقاطع معها. كما يمكن وصف المجموعة المحدبة المغلقة غير الفارغة بدلالة مجموعة المستويات الفائقة الداعمة لها .

بالنسبة للدوال المحدبة، تلعب الازدواجية دورًا مهمًا أيضًا. بفرض دالة محدبة مناسبةو:XR{\displaystyle f:X\to \mathbb {R} }يتم ترميز المستويات الفائقة الداعمة للرسم البياني العلوي بواسطة المرافق المحدب ، المعرف عند نقطةx*X*{\displaystyle x^{*}\in X^{*}}بواسطة [ 7 ]و*(x*)=رشفةzX{x*،z-و(z)}{\displaystyle f^{*}(x^{*})=\sup _{z\in X}\left\{\left\langle x^{*},z\right\rangle -f(z)\right\}} حيث الأقواس،{\displaystyle \left\langle \cdot ,\cdot \right\rangle }يدل على الازدواجية المتعارف عليهاx*،z:=x*(z).{\displaystyle \left\langle x^{*},z\right\rangle :=x^{*}(z).} الدالةو*(x*){\displaystyle f^{*}(x^{*})}وهذا منطقي، بشكل عام، بغض النظر عن تحدبو{\displaystyle f}، لكن المرافق المحدب لأي دالة يكون دائمًا محدبًا.

هندسيًا، يصف المرافق المحدب الدوال الأفينية الداعمة للرسم البياني العلوي لـو{\displaystyle f}. لمتجه ثنائي ثابتx*{\displaystyle x^{*}}، القيمةو*(x*){\displaystyle f^{*}(x^{*})}هو أصغر ثابتج{\displaystyle c}بحيث تكون الدالة الأفينية

xx*،x-ج{\displaystyle x\mapsto \langle x^{*},x\rangle -c}

يقع في الأسفلو{\displaystyle f}في نطاقها. في الواقع، تعريف المرافق مكافئ لـ

x*،x-و*(x*)و(x){\displaystyle \langle x^{*},x\rangle -f^{*}(x^{*})\leq f(x)}

للجميعx{\displaystyle x}ومن ثم المستوى الفائق

ر=x*،x-و*(x*){\displaystyle r=\langle x^{*},x\rangle -f^{*}(x^{*})}

يقع أسفل النقش الزخرفي لـو{\displaystyle f}إذا لامس هذا المستوى الفائق النقش عند(x،و(x)){\displaystyle (x,f(x))}إذن، فهو مستوى فائق داعم هناك. شرط التلامس هذا مكافئ لـ

و(x)+و*(x*)=x*،x،{\displaystyle f(x)+f^{*}(x^{*})=\langle x^{*},x\rangle ,}

أو ما يعادل ذلكx*و(x){\displaystyle x^{*}\in \partial f(x)}، التفاضل الجزئي لـو{\displaystyle f}فيx{\displaystyle x}.

مشكلة مزدوجة

توجد مسائل ثنائية مقابلة للعديد من مسائل التحليل المحدب . وبشكل عام، تُصاغ المسألة الثنائية على فضاء متجهي ثنائي، وتُعطي حدودًا لقيمة المسألة الأصلية. وفي ظل فرضيات إضافية، تكون هذه الحدود دقيقة، وهي خاصية تُعرف بالثنائية القوية .

من الأمثلة الهندسية البسيطة العلاقة بين المعيار ومعياره الثنائي . إذا{\displaystyle \|\cdot \|}هو أمر طبيعي فيX{\displaystyle X}، معيارها المزدوج علىX*{\displaystyle X^{*}}يتم تعريفها بواسطة

x**=رشفةx1x*،x.{\displaystyle \|x^{*}\|_{*}=\sup _{\|x\|\leq 1}\langle x^{*},x\rangle .}

وبعبارة أخرى، فإن معيارx{\displaystyle x}يمكن استعادتها من كرة الوحدة المزدوجة:

x=رشفةx**1x*،x.{\displaystyle \|x\|=\sup _{\|x^{*}\|_{*}\leq 1}\langle x^{*},x\rangle .}

وبالتالي، فإن كرة الوحدة لمعيار ما وكرة الوحدة للمعيار المزدوج تحدد كل منهما الأخرى عن طريق الازدواجية القطبية. وبشكل أعم، إذاج{\displaystyle C}هي مجموعة محدبة تحتوي على نقطة الأصل، ومجموعتها القطبية هي

ج={x*X*:x*،x1 للجميع xج}.{\displaystyle C^{\circ }=\{x^{*}\in X^{*}:\langle x^{*},x\rangle \leq 1{\text{ for all }}x\in C\}.}

تنص نظرية القطبين ، في ظل فرضيات الانغلاق المناسبة، على ما يلي:ج{\displaystyle C}يمكن استعادته من قطبيته عن طريق أخذ القطبية مرة أخرى. [ 1 ]

من الأمثلة التحليلية المركزية ثنائية فينكل . ليكنأ:XY{\displaystyle A:X\to Y}لتكن دالة خطية متصلة بين فضاءات محدبة محليًا، ولتكنو:X(-،+]{\displaystyle f:X\to (-\infty ,+\infty ]}وز:Y(-،+]{\displaystyle g:Y\to (-\infty ,+\infty ]}أن تكون دوال محدبة مناسبة. المسألة الأساسية

معلوماتxX{و(x)+ز(أx)}{\displaystyle \inf _{x\in X}\{f(x)+g(Ax)\}}

هل يعاني من مشكلة فينكل المزدوجة؟

رشفةy*Y*{-و*(-أ*y*)-ز*(y*)}،{\displaystyle \sup _{y^{*}\in Y^{*}}\{-f^{*}(-A^{*}y^{*})-g^{*}(y^{*})\},}

أينأ*:Y*X*{\displaystyle A^{*}:Y^{*}\to X^{*}}هي الدالة المرافقة. المتباينة

رشفةy*Y*{-و*(-أ*y*)-ز*(y*)}معلوماتxX{و(x)+ز(أx)}{\displaystyle \sup _{y^{*}\in Y^{*}}\{-f^{*}(-A^{*}y^{*})-g^{*}(y^{*})\}\leq \inf _{x\in X}\{f(x)+g(Ax)\}}

يُعدّ هذا مثالاً على الازدواجية الضعيفة . في ظل افتراضات الانتظام القياسي أو شروط القيد، تتحقق المساواة. [ 1 ] [ 8 ]

تُعدّ ازدواجية لاغرانج المعتادة في التحسين المقيد حالة خاصة من هذا المبدأ العام. بالنسبة لمسألة التحسين المحدب

مينxو0(x)رهناً بـوأنا(x)0،أنا=1،...،م،{\displaystyle \min _{x}f_{0}(x)\quad {\text{subject to}}\quad f_{i}(x)\leq 0,\quad i=1,\ldots ,m,}

حيث الوظائفوأنا{\displaystyle f_{i}}إذا كانت محدبة، فإن دالة لاغرانج هي

ل(x،λ)=و0(x)+أنا=1مλأناوأنا(x)،λأنا0.{\displaystyle L(x,\lambda )=f_{0}(x)+\sum _{i=1}^{m}\lambda _{i}f_{i}(x),\qquad \lambda _{i}\geq 0.}

الوظيفة المزدوجة المرتبطة بها هي

q(λ)=معلوماتxل(x،λ)،{\displaystyle q(\lambda )=\inf _{x}L(x,\lambda ),}

ومسألة لاغرانج الثنائية هي

رشفةλ0q(λ).{\displaystyle \sup _{\lambda \geq 0}q(\lambda ).}

كل خيار ممكن لمتجه المضاعفλ{\displaystyle \lambda }يُعطي حدًا أدنى للقيمة الصغرى الأولية. عندما يتحقق شرط مثل شرط سلاتر ، فإن القيمة الثنائية المثلى تساوي القيمة الأولية المثلى للعديد من البرامج المحدبة ذات الأبعاد المحدودة. [ 9 ]

على سبيل المثال، مشكلة البرمجة الخطية

مين{جتيx:أx=ب، x0}{\displaystyle \min\{c^{T}x:Ax=b,\ x\geq 0\}}

يعاني من مشكلة مزدوجة

الأعلى{بتيy:أتيyج}.{\displaystyle \max\{b^{T}y:A^{T}y\leq c\}.}

المتغيرات المزدوجةy{\displaystyle y}يمكن تفسيرها على أنها معاملات الضرب المرفقة بقيود المساواةأx=ب{\displaystyle Ax=b}.

تُعدّ الازدواجية مفيدةً للغاية في التحقق من حلول مسائل التحسين. فإذا كانت نقطة أولية ممكنة ونقطة ثنائية ممكنة لهما نفس قيمة الهدف، فإن كلتيهما تُعتبران حلاً أمثل. وبهذه الطريقة، تُحوّل الازدواجية المحدبة مسألة التحسين إلى زوج من مسائل التحقق المتبادل، إحداهما في الفضاء الأصلي والأخرى في الفضاء الثنائي.

صياغة الاضطراب العام

تعتمد إحدى الطرق العامة لبناء المسائل الثنائية في التحليل المحدب على استخدام دالة الاضطراب . لنفترضX{\displaystyle X}وY{\displaystyle Y}لتكن فضاءات محدبة محليًا، ولتكن

F:X×Y(-،+]{\displaystyle F:X\times Y\to (-\infty ,+\infty ]}

لتكن دالة محدبة مناسبة. دالة القيمة المرتبطة بها هي

ص(y)=معلوماتxXF(x،y).{\displaystyle p(y)=\inf _{x\in X}F(x,y).}

تتمثل المشكلة الأصلية أو الأولية في حسابص(0){\displaystyle p(0)}، إنه،

معلوماتxXF(x،0).{\displaystyle \inf _{x\in X}F(x,0).}

المرافق المحدب لـF{\displaystyle F}يتم تعريفها علىX*×Y*{\displaystyle X^{*}\times Y^{*}}. منذ

ص*(y*)=F*(0،y*)،{\displaystyle p^{*}(y^{*})=F^{*}(0,y^{*}),}

متباينة المرافق الثنائيص**(0)ص(0){\displaystyle p^{**}(0)\leq p(0)}يُسبب ذلك مشكلة مزدوجة

رشفةy*Y*-F*(0،y*).{\displaystyle \sup _{y^{*}\in Y^{*}}-F^{*}(0,y^{*}).}

وهكذا تتخذ الازدواجية الضعيفة الشكل

رشفةy*Y*-F*(0،y*)معلوماتxXF(x،0).{\displaystyle \sup _{y^{*}\in Y^{*}}-F^{*}(0,y^{*})\leq \inf _{x\in X}F(x,0).}

عندما تتحقق المساواة، يُقال إن المسألتين الأصلية والثنائية تحققان الازدواجية القوية . وعادةً ما تُصاغ الشروط التي تضمن المساواة على شكل فرضيات انتظام أو شروط تأهيل القيود، مثل شروط النقاط الداخلية في التحسين المحدب ذي الأبعاد المحدودة. [ 1 ] [ 8 ]

يتضمن إطار الاضطراب هذا العديد من الثنائيات المألوفة كحالات خاصة، بما في ذلك ثنائية فينكل وثنائية لاغرانج. خيارات مختلفة لدالة الاضطرابF{\displaystyle F}يمكن أن يؤدي ذلك إلى مشاكل ثنائية مختلفة لنفس مشكلة التحسين الأولية.

التدرجات الفرعية

لا يشترط أن تكون الدوال المحدبة قابلة للتفاضل . على سبيل المثال، دالة القيمة المطلقةو(x)=|x|{\displaystyle f(x)=|x|}هي دالة محدبة ولكنها غير قابلة للتفاضل عندx=0{\displaystyle x=0}لذلك، يستخدم التحليل المحدب مشتقًا معمّمًا يسمى التدرج الفرعي .

يتركو:X(-،+]{\displaystyle f:X\to (-\infty ,+\infty ]}لتكن دالة محدبة على فضاء متجهي حقيقي، ولتكنX*{\displaystyle X^{*}}أن تكون مساحة مزدوجة مناسبة. عمليةx*X*{\displaystyle x^{*}\in X^{*}}هو تدرج فرعي منو{\displaystyle f}فيx{\displaystyle x}لو

و(z)و(x)+x*،z-x{\displaystyle f(z)\geq f(x)+\langle x^{*},z-x\rangle }

للجميعzX{\displaystyle z\in X}مجموعة جميع التدرجات الفرعية عندx{\displaystyle x}هو التفاضل الجزئي لـو{\displaystyle f}فيx{\displaystyle x}، المشار إليهو(x){\displaystyle \partial f(x)}[ 1 ] [ 3 ]

هندسيًا، يُحدد التدرج الفرعي مستوىً فائقًا داعمًا للرسم البياني العلوي لـو{\displaystyle f}. لوو{\displaystyle f}قابلة للتفاضل عندx{\displaystyle x}إذن، يتكون التفاضل الجزئي من المشتقة العادية. في الفضاء الإقليدي ذي الأبعاد المحدودة، يُكتب هذا

و(x)={و(x)}.{\displaystyle \partial f(x)=\{\nabla f(x)\}.}

تُعطي التدرجات الفرعية شرطًا أساسيًا للأمثلية. نقطةx{\displaystyle x}تقليل دالة محدبة مناسبةو{\displaystyle f}إذا وفقط إذا

0و(x).{\displaystyle 0\in \partial f(x).}

وهذا يعمم الحالة المألوفةو(x)=0{\displaystyle \nabla f(x)=0}للدوال القابلة للتفاضل.

شبه استمرارية سفلية

غالباً ما يدرس التحليل المحدب الدوال شبه المتصلة من الأسفل بدلاً من الدوال المتصلة.و:X(-،+]{\displaystyle f:X\to (-\infty ,+\infty ]}تكون الدالة شبه متصلة من الأسفل إذا كانت قيمها، بشكل عام، لا يمكنها أن تقفز فجأة إلى الأسفل. وبالمثل، في فضاء متجهي طوبولوجي،و{\displaystyle f}تكون شبه متصلة من الأسفل إذا كانت مستوياتها الفرعية

{xX:و(x)أ}{\displaystyle \{x\in X:f(x)\leq a\}}

مغلقة لجميع الأعداد الحقيقيةأ{\displaystyle a}بالنسبة للدوال المحدبة، فإن شبه الاستمرارية السفلية تعادل أيضًا انغلاق الرسم البياني العلوي:

إبيو={(x،ر):و(x)ر}.{\displaystyle \operatorname {epi} f=\{(x,r):f(x)\leq r\}.}

لذا، تُسمى الدوال المحدبة شبه المتصلة من الأسفل غالبًا بالدوال المحدبة المغلقة. [ 1 ] [ 2 ]

يُعدّ شبه الاستمرارية السفلية أمرًا بالغ الأهمية في التحسين لأنه يساعد على ضمان عدم فقدان قيمة الدالة عند تقليل الحدود. إذا كانت متتالية أو شبكةxأنا{\displaystyle x_{i}}يتقارب إلىx{\displaystyle x}، شبه الاستمرارية السفلية تعطي

و(x)الحد الأقصى غير محدودأناو(xأنا).{\displaystyle f(x)\leq \liminf _{i}f(x_{i}).}

هذا الشرط أضعف من شرط الاستمرارية، ولكنه غالباً ما يكون كافياً لنظريات الوجود، خاصةً عند اقترانه بافتراضات التراص أو التراص الضعيف. [ 4 ] [ 6 ]

يظهر هذا الشرط أيضًا في الازدواجية. يكون المرافق المحدب لأي دالة محدبًا وشبه متصل من الأسفل بالنسبة إلى الطوبولوجيا الضعيفة المناسبة. ويعطي مرافق المرافق، أو المرافق الثنائي، الغلاف المحدب المغلق للدالة الأصلية. في إحدى الصيغ الشائعة، تنص نظرية فينكل-مورو على أن الدالة المناسبة على فضاء محدب محليًا تحقق الشرط التالي:

و=و**{\displaystyle f=f^{**}}

إذا وفقط إذاو{\displaystyle f}هي دالة محدبة وشبه متصلة من الأسفل. وبالمثل، فإن الدوال المحدبة المغلقة هي بالضبط الدوال التي يمكن استخلاصها من دوالها الصغرى الأفينية. [ 1 ] [ 7 ]

في التحسين المحدب ، يتمثل الهدف في تقليل دالة محدبة على مجموعة محدبة. يضمن التحدب أن كل قيمة دنيا محلية هي قيمة دنيا عالمية، وغالبًا ما توفر الازدواجية شهادات على الأمثلية. تستخدم البرمجة الخطية ، والبرمجة التربيعية ، والبرمجة شبه المحددة، والعديد من الطرق في الإحصاء والتعلم الآلي هذا الإطار. [ 9 ]

يرتبط التحليل المحدب أيضًا بالهندسة المحدبة ، التي تدرس الأجسام المحدبة، والمضلعات، والمستويات الفائقة الداعمة، والأحجام المختلطة، والمتباينات الهندسية ذات الصلة. تصف نتائج كلاسيكية محدودة الأبعاد، مثل نظرية كاراثيودوري (الغلاف المحدب) ، ونظرية هيلي ، ونظرية رادون ، البنية التوافقية والهندسية للأغلفة المحدبة. تُعتبر هذه النظريات عادةً جزءًا من الهندسة المحدبة، لكنها تُوفر الكثير من الخلفية الهندسية للتحليل المحدب. [ 1 ]

في التحليل الوظيفي، تُدرس المجموعات المحدبة المدمجة من خلال نقاطها القصوى. تنص نظرية كرين-ميلمان على أنه، في ظل فرضيات مناسبة، تتولد المجموعة المحدبة المدمجة في فضاء محدب محليًا من نقاطها القصوى. تُحسّن نظرية شوكيه هذه الفكرة بتمثيل نقاط المجموعات المحدبة المدمجة كمراكز ثقل لمقاييس الاحتمال المدعومة على النقاط القصوى. يمكن اعتبار هذا نظيرًا لانهائي الأبعاد لكتابة نقطة من متعدد السطوح كتركيبة محدبة لرؤوسه. [ 10 ] [ 11 ]

يُستخدم التحدب أيضًا في نظرية الاحتمالات. تقارن متباينة جنسن قيمة دالة محدبة عند المتوسط ​​مع متوسط ​​قيمها. يقارن الترتيب المحدب مقاييس الاحتمال باختبارها مقابل الدوال المحدبة، وتستخدم نظرية الانحرافات الكبيرة تحويل ليجندر-فينشل للتعبير عن دوال المعدل كمرافقات محدبة لدوال توليد العزوم اللوغاريتمية. [ 12 ]

في مجال النقل الأمثل ، تُصاغ مسألة النقل وفقًا لصيغة كانتوروفيتش كمسألة تحسين محدبة على مقاييس الاحتمالية، وتُعدّ ثنائية كانتوروفيتش شكلًا من أشكال الثنائية المحدبة. بالنسبة للتكلفة التربيعية في الفضاء الإقليدي، تربط نظرية برينييه خرائط النقل الأمثل بتدرجات الدوال المحدبة، ما يربط النقل الأمثل بمعادلة مونج-أمبير . [ 13 ] [ 14 ]

تستخدم العديد من المجالات مفاهيم معدلة للتحدب تتناسب مع هياكل مختلفة. ففي حساب التفاضل والتكامل التغيري ، يظهر التحدب من الرتبة الأولى ، والتحدب المتعدد ، وشبه التحدب في مسائل حساب التفاضل والتكامل التغيري ذات القيم المتجهة. وفي الهندسة المترية والتحسين على المشعبات، يحل التحدب الجيوديسي محل القطع المستقيمة بالجيوديسيات. وفي العديد من المتغيرات المركبة ، تلعب مفاهيم مثل التحدب الزائف ، والتحدب الهولومورفي ، والتحدب متعدد الحدود ، والدوال التوافقية الفرعية المتعددة أدوارًا مماثلة في بعض النواحي للتحدب في التحليل الحقيقي. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

مراجع

  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بتحليل الأضلاع المحدبة على ويكيميديا ​​كومنز