間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

イェンセンの不等式の証明

イェンセンの不等式

ϕ1,ϕ2,ϕn0<ϕiかつi=1nϕi=1を満たしまた,x1,x2,xnを実数の列とするとき,凸凾数f(x)に対して以下のことが成り立つ. i=1nϕif(xi)f(i=1nϕixi)f(x)().(i=1nϕif(xi)f(i=1nϕixi)f(x)().)

凸凾数(下に凸の凾数)

凸凾数(下に凸の凾数)の性質

任意のx1,x2に対して凸凾数(下に凸の凾数)f(x)では,(x1,f(x1)),(x2,f(x2))を結ぶ線分g(x)は凾数f(x)の上側にある.
逆に,(x1,f(x1)),(x2,f(x2))を結ぶ線分g(x)が凾数f(x)の上側にあるので,f(x)は凸凾数(下に凸の凾数)である. 

凸凾数(下に凸の凾数)にかかる線分g(x)の式

xt=(1t)x1+tx2(0t1)x1x2x1tx.=i=12ϕixiϕi={1t,t}0ϕii=12ϕi=1g(x)f(x1)=f(x2)f(x1)x2x1(xx1)f(x2)f(x1)x2x1(x1,f(x1))g(x)=f(x2)f(x1)x2x1(xx1)+f(x1)=f(x2)f(x1)x2x1(xtx1)+f(x1)xtxt=f(x2)f(x1)x2x1{(1t)x1+tx2x1}+f(x1)xt=(1t)x1+tx2=f(x2)f(x1)x2x1(x1tx1+tx2x1)+f(x1)=f(x2)f(x1)x2x1(tx1+tx2)+f(x1)=f(x2)f(x1)x2x1t(x2x1)+f(x1)={f(x2)f(x1)}t+f(x1)=tf(x2)tf(x1)+f(x1)=tf(x2)+(1t)f(x1)=(1t)f(x1)+tf(x2)=i=12ϕif(xi)ϕi={1t,t}0ϕii=12ϕi=1

数学的帰納法によるイェンセンの不等式の証明

n=2の証明

g(xt)f(xt)()g(x)f(x).(1t)f(x1)+tf(x2)f((1t)x1+tx2)xt=(1t)x1+tx2i=12ϕif(xi)f(i=12ϕixi)n=2.

n=kを認める状況でn=k+1を証明

n=k+1の式を変形していく. i=1k+1θif(xi)=i=1kθif(xi)+θk+1f(xk+1)0θii=1k+1θi=1=Θki=1kθiΘkf(xi)+θk+1f(xk+1)Θk=i=1kθi=1θk+1<1,i=1kθiΘk=1Θki=1kθi=1Θkf(i=1kθiΘkxi)+θk+1f(xk+1)n=k(i=1kϕif(xi)f(i=1kϕixi)),i=1kθiΘkf(xi)f(i=1kθiΘkxi).

n=2の式としてみる. Θkf(i=1kθiΘkxi)+θk+1f(xk+1)=λ1f(a1)+λ2f(a2)λj={Θk,θk+1},aj={i=1kθiΘkxi,xk+1}=j=12λjf(aj)f(j=12λjaj)n=2.

j=12λjajを変形していく. j=12λjaj=Θki=1kθiΘkxi+θk+1xk+1=Θk1Θki=1kθixi+θk+1xk+1i=1nCxi=Ci=1nxi=i=1kθixi+θk+1xk+1=i=1k+1θixi

変形結果を戻す.

f(j=12λjaj)=f(i=1k+1θixi)

以上よりn=kを認めればn=k+1でもイェンセンの不等式が成り立つ. i=1k+1θif(xi)f(i=1k+1θixi)

n=2及びn=k+1の証明からの結論

数学的帰納法によりイェンセンの不等式が成り立つ.

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