Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Обобщение производных на функции вещественного значения
Generalization of derivatives to real valued functions
В математике субдифференциалы (или субградиент) обобщают понятие производной на выпуклые функции, которые не обязательно дифференцируемы. Множество субдифференциалов в точке называется субдифференциалом в этой точке. Субдифференциалы возникают в выпуклом анализе, изучении выпуклых функций, часто в связи с выпуклой оптимизацией. Пусть – функция вещественного значения, являющаяся выпуклой и определенной на открытом интервале действительной прямой. Такая функция не обязана быть дифференцируемой во всех точках: например, функция абсолютной величины не дифференцируема в точке . Однако, как видно на графике справа (где синяя линия имеет точки недифференцируемости, подобные функции абсолютной величины), для любого из области определения функции можно провести прямую, проходящую через точку и всюду касающуюся или находящуюся ниже графика f. Угол наклона такой прямой называется субдифференциалом.
In mathematics, subderivatives (or subgradient) generalizes the derivative to convex functions which are not necessarily differentiable. The set of subderivatives at a point is called the subdifferential at that point. Subderivatives arise in convex analysis, the study of convex functions, often in connection to convex optimization. Let be a real valued convex function defined on an open interval of the real line. Such a function need not be differentiable at all points: For example, the absolute value function is non differentiable when However, as seen in the graph on the right (where in blue has non differentiable kinks similar to the absolute value function), for any in the domain of the function one can draw a line which goes through the point and which is everywhere either touching or below the graph of f. The slope of such a line is called a subderivative.
Пример
Рассмотрим функцию, которая является выпуклой. Тогда субдифференциал в нуле – это интервал. Субдифференциал в любой точке x > 0 является одноэлементным множеством {0}, а субдифференциал в любой точке x < 0 является одноэлементным множеством {2}. Это аналогично функции знака, но не имеет единственного значения в точке 0, а вместо этого включает все возможные субпроизводные.
Consider the function which is convex. Then, the subdifferential at the origin is the interval The subdifferential at any point is the singleton set , while the subdifferential at any point is the singleton set This is similar to the sign function, but is not single valued at , instead including all possible subderivatives.
Свойства
Выпуклая функция дифференцируема в точке, если и только если её субдифференциал является множеством, состоящим из одной точки, то есть, является синглетоном. Точка является глобальным минимумом выпуклой функции, если и только если ноль содержится в её субдифференциале. Например, на рисунке выше можно провести горизонтальную "субтангенсную линию" к графику функции в точке . Это свойство является обобщением факта, что производная функции, дифференцируемой в локальном минимуме, равна нулю. Если и — выпуклые функции с субдифференциалами и , а — внутренняя точка одной из этих функций, то субдифференциал функции равен (где оператор сложения обозначает сумму Минковского). Это можно сформулировать как: "субдифференциал суммы равен сумме субдифференциалов".
A convex function is differentiable at if and only if the subdifferential is a singleton set, which is A point is a global minimum of a convex function if and only if zero is contained in the subdifferential. For instance, in the figure above, one may draw a horizontal "subtangent line" to the graph of at This last property is a generalization of the fact that the derivative of a function differentiable at a local minimum is zero. If and are convex functions with subdifferentials and with being the interior point of one of the functions, then the subdifferential of is (where the addition operator denotes the Minkowski sum). This reads as "the subdifferential of a sum is the sum of the subdifferentials."
Подградиент
Понятия субдеривативы и субдифференциала могут быть обобщены на функции нескольких переменных. Если – вещественнозначная выпуклая функция, определенная на выпуклом открытом множестве в евклидовом пространстве , то вектор в этом пространстве называется субградиентом в точке , если для любого выполняется неравенство
The concepts of subderivative and subdifferential can be generalized to functions of several variables. If is a real valued convex function defined on a convex open set in the Euclidean space , a vector in that space is called a subgradient at if for any one has that
где точка обозначает скалярное произведение. Множество всех субградиентов в точке называется субдифференциалом в точке и обозначается . Субдифференциал всегда является непустым выпуклым компактным множеством. Эти понятия обобщаются и на выпуклые функции на выпуклом множестве в локально выпуклом пространстве. Функционал в двойственном пространстве называется субградиентом в точке в если для всех ,
where the dot denotes the dot product. The set of all subgradients at is called the subdifferential at and is denoted The subdifferential is always a nonempty convex compact set. These concepts generalize further to convex functions on a convex set in a locally convex space A functional in the dual space is called the subgradient at in if for all ,
Множество всех субградиентов в точке называется субдифференциалом в точке и снова обозначается . Субдифференциал всегда является выпуклым замкнутым множеством. Он может быть пустым; рассмотрим, например, неограниченный оператор, который является выпуклым, но не имеет субградиента. Если непрерывна, то субдифференциал непуст.
The set of all subgradients at is called the subdifferential at and is again denoted The subdifferential is always a convex closed set. It can be an empty set; consider for example an unbounded operator, which is convex, but has no subgradient. If is continuous, the subdifferential is nonempty.
История
Субдифференциал для выпуклых функций был введен Жаном Жаком Моро и Р. Тиреллом Рокфеллером в начале 1960-х годов. Обобщенный субдифференциал для невыпуклых функций был введен Ф. Х. Кларком и Р. Т. Рокфеллером в начале 1980-х годов.
The subdifferential on convex functions was introduced by Jean Jacques Moreau and R. Tyrrell Rockafellar in the early 1960s. The generalized subdifferential for nonconvex functions was introduced by F. H. Clarke and R. T. Rockafellar in the early 1980s.