凸関数

凸関数の例（緑の曲線）

凸関数（とつかんすう、convex function）とは、ある区間で定義された実数値関数 f で、区間内の任意の2点 x, y と閉区間 [0, 1] 内の任意の t に対して

$f(tx+(1-t)y)\leq tf(x)+(1-t)f(y)\,$

を満たすものをいう。言い換えれば、エピグラフ（グラフ上およびグラフの上部の点の集合）が凸集合である関数である。より一般に、ベクトル空間の凸集合上定義された関数に対しても同様に定義する。

また、狭義凸関数とは、任意の異なる2点 x, y と開区間 (0, 1) 内の任意の t に対して

$f(tx+(1-t)y)<tf(x)+(1-t)f(y)\,$

を満たす関数である。

-f が凸関数のとき、f を凹関数（おうかんすう、concave function）と呼ぶ。日本の学校教育においては、凸関数を「下に凸な関数」、凹関数を「上に凸な関数」と称することもある。

凸関数の性質

凸開区間 C で定義された凸関数 f は連続で、高々可算個の点を除いて微分可能である。閉区間の場合は、端で連続でない場合がある。

f が連続関数ならば、凸関数であるためには、任意の x と y に対して

$f\left({\frac {x+y}{2}}\right)\leq {\frac {f(x)+f(y)}{2}}$

を満たせば十分である。この条件は、凸関数の定義中の不等式で、特に t = 1/2 の式である。

区間上の 1 変数微分可能な関数が凸関数であるための必要十分条件は、微分が単調非減少であることである。

また 1 変数 2 階微分可能な関数が、凸関数であることの必要十分条件は、2 階微分が非負であることである。また、2 階微分が正ならば、狭義凸関数である。この逆は成立しない。例えば、y = x⁴ は狭義凸関数であるが、2 階微分は正ではない。

より一般的に、C² 級関数が凸関数であるための必要十分条件は、凸集合の内部で、ヘッセ行列が半正値であることである。

f, g が凸関数であるとき、非負の a, b について af + bg は凸関数である。同様に、max {f , g } も凸関数である。

凸関数の極小値は最小値である。狭義凸関数は最小値を取る点が存在するなら 1 点である。

f が凸関数のとき、レベル集合 {x | f (x) < a } と {x | f (x) ≤ a } は、任意の a ∈ R について凸集合である。

対数凸関数

定義域において非負であり、その対数が凸である関数を対数凸関数 (logarithmically convex function) という。対数凸関数は、それ自体凸関数である。

例

• x² は凸関数であるが、対数凸関数ではない。
• x³ は x > 0 において凸関数であり、x < 0 において凹関数である。
• 指数関数 e^x は凸関数であり、狭義ではない対数凸関数である。
• ガンマ関数 Γ(x) は x > 0 において対数凸関数である。
• 絶対値関数 |x| は x = 0 で微分不可能であるが凸関数である。
• 区間 [0, 1] 上で、f(0) = f(1) = 1, 0 < x < 1のとき f(x) = 0 で定義された f は不連続であるが、凸関数である。
• 線形写像は狭義ではない凸関数であり、狭義ではない凹関数でもある。
• アフィン写像は凸関数であり、凹関数でもある。

関連項目

• イェンゼンの不等式