参考连接: 共轭函数两个性质的证明open in new window
性质1
无论f是否是凸函数,f∗恒为凸函数.
证明:
证明"无论f是否是凸函数,f∗恒为凸函数.",即证:
f∗(θt1+(1−θ)t2)≤θf∗(t1)+(1−θ)f∗(t2)
由定义可知:
x∈domfsup{[θt1+(1−θ)t2]x−f(x)}≤θx∈domfsup{xt1−f(x)}+(1−θ)x∈domfsup{xt2−f(x)}⇔x∈domfsup{(1−θ)[xt2−f(x)]+θ[xt1−f(x)]}≤θx∈domfsup{xt1−f(x)}+(1−θ)x∈domfsup{xt2−f(x)}
设在x→x0时不等式左式取得最小上界,则有:
(1−θ)[x0t2−f(x0)]+θ[x0t1−f(x0)]≤θx∈domfsup{t1x−f(x)}+(1−θ)x∈domfsup{t2x−f(x)}
注意到下式显然成立:
x0t1−f(x0)≤x∈domfsup{t1x−f(x)}(1)x0t2−f(x0)≤x∈domfsup{t2x−f(x)}(2)
则θ(1)+(1−θ)(2)这一线性组合即可得到以上不等式成立,由此性质1得证.
证明:
已知f(x)为凸函数,共轭函数的定义如下:
f∗(t)=x∈domfsup{tx−f(x)}
∵dxdf∗(t)=0⇒dxd(tx−f(x))=0∴t=dxdf(x)
又有f∗(t)的共轭函数为
f∗∗(s)=t∈domfsup{st−f∗(t)}
∵dtdf∗∗(s)=0⇒dtd[st−f∗(t)]=0
∴s=dtdf∗(t)=dtd[tx−f(x)]=x+tdtdx−dtdf(x)=x+tdtdx−dxdf(x)⋅dtdx=x+tdtdx−tdtdx=x
∴f∗∗(s)=t∈domfsup{st−f∗(t)}=t∈domfsup{tx−f∗(t)}=t∈domfsup{tx−[tx−f(x)]}=t∈domfsupf(x)=f(x)=f(s)
故该性质成立.