调和凸函数及其Hermite-Hadamard型不等式的加细
1 引 言
凸函数, 也称经典凸函数, 其定义可见教材[1]. 基于凸函数的重要性, 长期以来得到很大关注. 2014年Iscan在[2]中提出调和凸函数的概念, 文献[3]探讨了调和凸函数的一些基本性质并给出几个等价刻画. 本文是[3]工作的继续, 有两个方面的内容:一是对[3]中的基本性质做进一步的完善, 并给出调和凸函数Lipschitz连续性的结果;二是利用两个函数分别对调和凸函数的Hermite-Hadamard型不等式进行加细.
定义1.1[2] 设区间I⊆{0}, 函数f∶I→. 若对任意的x,y∈I和任意的t∈(0,1),成立
(1)
则称f为I上的调和凸函数. 若上式的不等号反向, 则称f为I上的调和凹函数.
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为方便, 记
故f在[α,β]上是Lipschitz连续的.
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在[2]中, 针对调和凸函数建立了如下Hermite-Hadamard型不等式: 设函数f∶[a,b]→是调和凸函数, x,y∈[a,b], x<y. 则下列Hermite-Hadamard型不等式成立
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(2)
2 调和凸函数的基本性质
设0<a<b, =(-∞,+∞). 在文献[3]中得到一些性质, 在本节进一步完善它们. 先罗列文献[3]中的部分性质.
性质2.1([3]定理3) 设函数f∶(a,b)→为调和凸函数, 则f在(a,b)内连续, 且对任意x∈(a,b), 两个单侧导数f′-(x)和f′+(x)均存在.
结合性质2.4(II), 得到
由凸函数的单侧导数性质得到g′-(x)≤g′+(x)(见[4]和[5]), 从而结合文献[5]定理3可将性质2.1完善为
(i) 若f为调和凸函数且在(a,b)内单减, 则f为(a,b)内的凸函数.
xf′-(x)+f(x)=g′-(x), xf′+(x)+f(x)=g′+(x).
例2.1 函数xα(α>1)在区间(0,+∞)内既是经典凸函数也是调和凸函数; 函数在区间 (1,+∞)内是经典凸函数但不是调和凸函数(是调和凹的); 函数在区间(0,+∞)内是调和凸函数但不是经典凸函数. 因此, 调和凸函数是一类新的函数. 调和凸函数类与经典凸函数类互不包含, 但它们的交集非空.
项目导向、任务驱动指的是《基本护理技术》所有的内容都是以项目形式导入,而每个项目的教学都是以完成特定护理任务来推动整个教学的进展。
性质2.1′ 设函数f∶[a,b]→为调和凸函数, 则f在(a,b)内连续, 且对任意x∈(a,b), 两个单侧导数f′-(x)和f′+(x)均存在, 且f′-(x)≤f′+(x). 进而, 单侧极限f(a+)与f(b-)均存在, 且f(a+)≤f(a), f(b-)≤f(b).
性质2.3([3]定理2) 设f∶(a,b)→是连续函数, 则f为(a,b)内的调和凸函数的充分必要条件是对任意x,y∈(a,b), x<y, 存在t∈(0,1)使得
f(ht(x,y))≤tf(y)+(1-t)f(x).
由该性质立即得到
故H(t)为[0,1]上的凸函数.
推论2.1 设f∶(a,b)→是连续函数, 则f为(a,b)内的调和凸函数的充分必要条件是对任意x,y∈(a,b)成立
下面性质来自文献[2]命题2.3, 但没有给出证明.
性质2.4 设区间(a,b)⊆(0,+∞), 函数f∶(a,b)→.
性质2.2对闭区间[a,b]也是成立的. 现在在闭区间[a,b]上考虑性质2.1. 令g(x)=xf(x), 则由性质2.1的证明知对x∈(a,b), 有
(ii) 若f为凸函数且在(a,b)内单增, 则f为(a,b)内的调和凸函数.
由推论2.1和函数单调性的定义立即得到其证明. 如果f二阶可导, 则由性质2.2也可轻松得证该性质. 我们略去其证明过程.
实验的设计对象是水杯产品。水杯较常见,其复杂程度低、易于表现、设计周期短,但是创意空间较大。水杯的评价指标以单一的感性因素为主,避免了多目标评价的复杂因素影响。
性质2.5 设f∶(a,b)→是调和凸函数, 则对(a,b)的任意闭子区间[α,β], f在[α,β]上是Lipschitz连续的.
证 令g(x)=xf(x), 则由性质2.2知g(x)为(a,b)内的凸函数. 于是g(x)在[α,β]上是Lipschitz连续的(见[4]或[6]), 因而存在常数L>0, 使得∀x,y∈[α,β], 成立
|g(x)-g(y)|≤L|x-y|.
取 则
过度娇宠。美国家庭心理学家约翰·罗斯蒙德认为,家长的关爱是幼儿成长的维生素,缺它不可,过多无益。像有些孩子手里拿着鸡蛋,但不知道怎样吃;鞋带松了,却不知道怎样系等。这些都是家长平时过于娇宠的结果,阻碍了幼儿自主意识确立和自主能力提高。
|f(x)-f(y)|
同时, 基于I⊆{0}, 本文仅考虑I=[a,b]情形, 其中0<a<b.
3 与调和凸函数的Hermite-Hadamard型不等式有关的两个函数
本节的目的是一定程度上加细Hermite-Hadamard型不等式(2), 这分别通过两个函数H(t)(见式(3))和G(x)(见式(6))来实现, 加细不等式见式(5)和式(8).
设函数f∶[a,b]→为调和凸函数, 0<a<b. 记 定义函数H∶[0,1]→如下
(3)
则显然有
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(4)
命题3.1 设函数f∶[a,b]→为调和凸函数, 则对∀t∈(0,1), H(t)≥H(0).
小孩子们掉头跑回家,拎出小板凳,又飞也似跑回来,叽叽喳喳,让老人们坐下。人群有了活气,为这些孩子,他们咋受气,也值当呀!
证 对任意给定的t∈(0,1), 令s=s(x)=ht(c,x), 则
且
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于是对∀t∈(0,1), 得到
其中步骤“≥”来自式(2)的左边不等式, 最后等式来自式(4).
命题3.2 设函数f∶[a,b]→为调和凸函数, 则
(i) H(t)为[0,1]上的凸函数.
根据经典闭环系统控制理论,采用系统线性分析方法,以参考信号源引入的相位噪声为例,结合图2的相位噪声模型计算分析各噪声源的相位传递函数。假定此时系统中的相位噪声仅有参考信号源的输入引起,其他噪声源均为零输入,则由系统相位噪声模型框图,可得
(ii) H(t)为[0,1]上的单增函数.
证 (i) 设t1,t2∈[0,1]满足t1<t2,则∀λ∈(0,1), 有
于是
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(ii) 由(i)和命题3.1, 对0<t1<t2≤1, 有
从而得到H(t2)≥H(t1).
性质2.2([3]定理5) 函数f∶(a,b)→为调和凸函数的充分必要条件是xf(x)为(a,b)内的凸函数.
推论3.1 设函数f∶[a,b]→为调和凸函数, 则H(t)为(0,1)内的调和凸函数.
由命题3.2(ii), 得到Hermite-Hadamard型不等式的改进
(5)
受文献[7]的启发, 给出与Hermite-Hadamard型不等式有关的另一个函数G(x).
就连著名的宝石切割大师阿伯特·拉姆齐(Albert Ramsay)都曾对19世纪末到访印度的经历有以下描述:
回顾
定义3.1 对x1,x2∈[a,b], 若存在使得 则称x1,x2关于c调和对称.
引理3.1 设x1,x2∈[a,b], 则x1,x2关于c调和对称的充分必要条件是存在使得x1=ht(a,b)和x2=ht(b,a).
证 必要性. 设x1,x2关于c调和对称, 则由定义3.1, 存在 且容易验证x1=ht(a,b)和x2=ht(b,a).
充分性. 设存在 则得到 因此x1,x2关于c调和对称.
定义函数如下
(6)
则显然
(7)
命题3.3 设f∶[a,b]→是调和凸函数, 则函数G(x)在上是单增的.
证 设 使得
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由f调和凸, 得到
两式相加, 有
此即得到G(x1)≤G(x2).
设f∶[a,b]→是调和凸函数, 则由性质2.1′知f在[a,b]上连续(若有必要, 重新定义f(a)=f(a+)和f(b)=f(b-)而不影响调和凸性). 于是由式(6)定义的函数G(x)在区间使得
进而, 由命题3.3和式(7), 得到改进和加细的Hermite-Hadamard型不等式
(8)
[参 考 文 献]
[1] 华东师范大学数学系. 数学分析(上册) [M]. 4版. 北京:高等教育出版社,2010: 151-157.
[2] Iscan I. Hermite-Hadamard type inequalities for harmonically convex functions[J]. Hacet. J. Math. Stat., 2014, 43(6): 935-942.
[3] 雷冬霞, 黄永忠, 刘继成. 调和凸函数的基本性质和等价刻画[J]. 大学数学, 2017,33(6):85-89.
[4] 雷冬霞, 黄永忠, 韩志斌. 一元分析学学习指导[M]. 武汉:湖北科学技术出版社, 2014: 108-114.
[5] 廖俊俊, 吴洁. 关于凸性的一些探讨[J]. 大学数学, 2016, 32(6):91-95.
[6] Li Y C , Yeh C C. Some characterizations of convex functions[J]. Computers and Mathematics with Applications, 2010, 59: 327-337.
[7] 李泽妤, 徐美萍, 宋国华. Hermite-Hadamard不等式的改进[J]. 黑龙江大学自然科学学报, 2008, 25(3):297-300.
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