Вогнутая функция

Функция(её график выделен синим) выпукла тогда и только тогда когда область над её графиком (закрашено зеленым) является выпуклым множеством.

В математике функция называется выпуклой (или выпуклой вниз) на некотором интервале (в общем случае на выпуклом подмножестве некоторого векторного пространства), если для любых двух точек x, y из этого интервала и для любого числа t, принадлежащего отрезку [0,1], выполняется неравенство

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

Если это неравенство является строгим для всех t из интервала (0,1), функция называется строго выпуклой; если выполняется обратное неравенство, функция называется вогнутой, или выпуклой вверх.

Свойства выпуклых функций

• Функция f, выпуклая на интервале C, непрерывна на всём C и дифференцируема на всём C за исключением, быть может, счётного множества точек.
• Непрерывная функция f выпукла на C тогда и только тогда, когда для всех точек x и y, принадлежащих C, выполняется неравенство

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

• Непрерывно дифференцируемая функция одной переменной выпукла на интервале тогда и только тогда, когда её график лежит не ниже касательной, проведённой к этому графику в любой точке промежутка выпуклости.
• Дважды дифференцируемая функция одной переменной выпукла на интервале тогда и только тогда, когда её вторая производная неотрицательна на этом интервале. Если вторая производная дважды дифференцируемой функции строго положительна, такая функция является строго выпуклой, однако обратное неверно (например, функция f(x)=x⁴ строго выпукла на [-1,1], но её вторая производная в точке x=0 равна нулю).
• Если функции f, g выпуклы, то любая их линейная комбинация a f+b g с положительными коэффициентами a, b также выпукла.
• Локальный минимум выпуклой функции является также глобальным минимумом (соответственно, для выпуклых вверх функций локальный максимум является глобальным максимумом).
• Для выпуклых функций выполняется неравенство Йенсена:

    $f\left(E(X)\right) \leq E(f(X)),$
где X — случайная величина со значениями в области определения функции f, E — математическое ожидание.