对于x是标量,向量或者矩阵,G(x)是矩阵输出函数,σ(G(x))是矩阵G(x)的奇异值向量来说,在h(x)是x处的凹函数,G(x)是一个对称矩阵的条件下,复合函数h(σ(G(x)))是G(x)处的凸函数还是凹函数,为什么?
时间: 2024-04-02 21:36:31 浏览: 91
复合函数h(σ(G(x)))在G(x)处是凸函数。
首先,根据矩阵奇异值分解的定义,矩阵G(x)是一个对称矩阵,因此它的奇异值向量σ(G(x))是一个实数非负向量。同时,由于G(x)是对称矩阵,它可以被对角化,即存在一个正交矩阵P,使得G(x) = PΛP^T,其中Λ是对角矩阵,对角线上的元素就是矩阵G(x)的奇异值。
现在考虑复合函数h(σ(G(x)))在G(x)处的凸性质。根据复合函数的链式法则,它的一阶导数为:
h'(σ(G(x))) * G'(x)
其中G'(x)是矩阵G(x)关于x的导数。由于G(x)是对称矩阵,因此它的导数也是对称矩阵,即G'(x) = (G'(x))^T。又因为h(x)是凹函数,所以h'(σ(G(x)))是单调递减的,即h''(σ(G(x))) ≤ 0。
现在考虑复合函数h(σ(G(x)))在G(x)处的二阶导数,即:
h''(σ(G(x))) * G'(x) * (G'(x))^T + h'(σ(G(x))) * G''(x)
由于G(x)是对称矩阵,因此G''(x)也是对称矩阵。而由于G(x)是实对称矩阵,因此它可以被对角化为G(x) = PΛP^T,其中Λ是对角矩阵,对角线上的元素就是矩阵G(x)的特征值。因此,G''(x)也可以被对角化为G''(x) = PΛ''P^T,其中Λ''是对角矩阵,对角线上的元素就是矩阵G(x)的特征值的导数。
现在我们有:
h''(σ(G(x))) * G'(x) * (G'(x))^T + h'(σ(G(x))) * G''(x)
= h''(σ(G(x))) * PΛP^T * (PΛP^T)^T + h'(σ(G(x))) * PΛ''P^T
= h''(σ(G(x))) * PΛPP^TΛ^TP^T + h'(σ(G(x))) * PΛ''P^T
= P(h''(σ(G(x))) * Λ + h'(σ(G(x))) * Λ'' )P^T
由于h''(σ(G(x))) ≤ 0,因此上式右侧是一个半正定矩阵。由于P是正交矩阵,因此左侧也是一个半正定矩阵。因此,复合函数h(σ(G(x)))在G(x)处是凸函数。
综上所述,复合函数h(σ(G(x)))在G(x)处是凸函数。
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