HÀM PHÂN THỨC AFIN

Một phần của tài liệu hàm lồi, hàm lồi suy rộng và tính chất (Trang 34)

Hàm phân thức afin thường gặp trong các bài toán tối ưu. Hàm này có dạng f(x) = p(x) q(x) = pTx+α qTx+β, trong đó p, q ∈ Rn, α, β ∈ Rvà domf = {x ∈ Rn :qTx+β > 0}.

Ký hiệu S là tập lồi sao cho q(x) = qTx+β 6= 0 với mọi x ∈ S. Nếu

q(x) có dấu khác nhau trên S, tức là có x1, x2 ∈ S sao cho qTx1 +β > 0

và qTx2 + β < 0 thì do hàm q(x) liên tục nên tồn tại x ∈

x1, x2, tức

x ∈ S, sao cho q(x) = 0. Vì thế, không giảm tổng quát, ta có thể giả thiết q(x) > 0 với mọi x ∈ S. Trường hợp q(x) < 0 với mọi x ∈ S thì nhân cả tử số p(x) và mẫu sốq(x) của hàm f(x) với (- 1) sẽ có q(x) > 0. Định lý sau nêu tính chất đơn điệu theo phương của hàm phân thức afin.

Định lý 2.6. ([3], tr. 78). f(x) = p(x)/q(x) là hàm đơn điệu trên mỗi đoạn thẳng nằm trọn trong tập lồi S = {x :qTx+β > 0}.

Chứng minh. Lấy hai điểm tùy ý a ∈ S, b ∈ Svà tính giá trị hàm f tại điểm x bất kỳ trên đoạn thẳng nối a và b, tức là x = λa+ (1−λ)b với

0≤ λ ≤ 1. Ta thấy

f(x) = p[λa+ (1−λ)b]

q[λa + (1−λ)b] =

λp(a) + (1−λ)p(b)

λq(a) + (1−λ)q(b).

Đạo hàm của f theo λ:

df(x) dλ = 1 q2(x) × p(a) p(b) q(a) q(b) = p(a)q(b)−p(b)q(a) q2(x) .

Dấu của đạo hàm phụ thuộc dấu của biểu thức [p(a)q(b)−p(b)q(a)]. Vì thế, khi λ thay đổi trong đoạn [0,1] thì hàm f(x) hoặc tăng hoặc giảm hoặc đồng nhất bằng hằng số trên [a, b].

Định lý sau nêu một tính chất quan trọng khác của hàm phân thức afin.

Định lý 2.7. ([4], tr. 703). Giả sử f (x) = (pTx +α)/(qTx+β) và S là tập lồi sao cho (qTx+β) 6= 0 trên S. Khi đó, hàm f(x) vừa giả lồi, vừa giả lõm trên S.

Chứng minh. Ta để ý rằng hoặc qTx + β > 0 với mọi x ∈ S hoặc

qTx +β < 0 với mọi x ∈ S, vì nếu trái lại sẽ có x1 ∈ S, x2 ∈ S sao cho

qTx1 +β > 0 và qTx2 +β < 0, do đó sẽ có qTx+β = 0 với x là một tổ hợp lồi của x1 và x2, trái với giả thiết định lý.

Trước hết ta chứng minh f giả lồi. Thật vậy, giả sử x1, x2 ∈ S thỏa mãn ∇f x1T x2 −x1 ≥0. Ta cần chỉ rõ f x2 ≥ f x1. Ta có ∇f x1 = (q Tx1 +β)p−(pTx1 +α)q (qTx1 +β)2 . Do ∇f x1T x2 −x1 ≥0 và do (qTx1 + β)2 > 0 nên 0 ≤ [(qTx1 +β)p−(pTx1 +α)q]T x2 −x1 =(pTx2 +α)(qTx1 + β)−(qTx2 +β)(pTx1 +α) Vì thế, (pTx2+α)(qTx1+β) ≥(qTx2+β)(pTx1+α).Nhưng do (qTx1+β)

và (qTx2 +β) cùng dương hoặc cùng âm nên chia cả hai vế cho

(qTx1 + β)(qTx2 +β) > 0

ta nhận được pqTTxx22++βα ≥ pqTTxx11++αβ, tức là f x2 ≥f x1. Vì thế, f giả lồi. Tương tự, có thể chứng minh được rằng ∇f x1T

x2 −x1 ≤ 0kéo theo

f x2 ≤ f x1. Vì thế, f giả lõm và định lý được chứng minh.

Một phần của tài liệu hàm lồi, hàm lồi suy rộng và tính chất (Trang 34)