琴生(Jensen)不等式


若 $f(x)$ 是區間 $[a,b]$ 上的凹函數,則對任意的 $x_{1},x_{2},...,x_{n} \in [a,b]$,且 $\sum_{i = 1}^{n}\lambda_{i} = 1, \lambda_{i} > 0$,有不等式

$$\sum_{i = 1}^{n}\lambda_{i}f(x_{i}) \geq f\left ( \sum_{i = 1}^{n}\lambda_{i}x_{i} \right )$$

當且僅當 $x_{1} = x_{2} = ... = x_{n}$ 時等號成立。

證明:

   證明過程采用數學歸納法。

   1)當 $n = 1$ 時,$\lambda_{1} = 1$,則不等式左側為 $f(x_{1})$,不等式右側為 $f(x_{1})$,不等式顯然成立。

   2)當 $n = 2$ 時,$\lambda_{1} + \lambda_{2} = 1$,不等式左側為 $\lambda_{1}f(x_{1}) + \lambda_{2}f(x_{2})$,不等式右側為 $f(\lambda_{1}x_{1} + \lambda_{2}x_{2})$,參考博客:函數的凹凸性,可知不等式成立。

   3)假設 $n = k$ 時,琴生不等式成立,即

$$\sum_{i = 1}^{k}\lambda_{i}f(x_{i}) \geq f\left ( \sum_{i = 1}^{k}\lambda_{i}x_{i} \right ), \;\;\;\; \sum_{i = 1}^{k}\lambda_{i} = 1$$

      則 $n = k + 1$ 時:

$$\sum_{i = 1}^{k+1}\lambda_{i}f(x_{i}) = \lambda_{k+1}f(x_{k+1}) + \sum_{i = 1}^{k}\lambda_{i}f(x_{i}) \\
= \lambda_{k+1}f(x_{k+1}) + C \sum_{i=1}^{k}\frac{\lambda_{i}}{C}f(x_{i})^{k}\lambda_{i} \\
\geq \lambda_{k+1}f(x_{k+1}) + Cf\left ( \sum_{i=1}^{k}\frac{\lambda_{i}}{C}x_{i} \right )$$

   其中 $C = \sum_{i = 1}^{k}\lambda_{i}$,所以 $C = 1 - \lambda_{k+1}$。根據凹函數的性質(不懂的話先去閱讀上面的博客)有

$$\lambda_{k+1}f(x_{k+1}) + Cf\left ( \sum_{i=1}^{k}\frac{\lambda_{i}}{C}x_{i} \right )
\geq f\left ( \lambda_{k+1}x_{k+1} + C\sum_{i=1}^{k}\frac{\lambda_{i}}{C}x_{i} \right ) = f\left ( \sum_{i = 1}^{k+1}\lambda_{i}f(x_{i}) \right )$$

   所以

$$\sum_{i = 1}^{k + 1}\lambda_{i}f(x_{i}) \geq f\left ( \sum_{i = 1}^{k + 1}\lambda_{i}x_{i} \right )$$

證畢


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