- f קמורה בקטע אם כל מיתר המחבר שתי נקודות שעל הגרף נמצא כולו מעל הגרף
- f קמורה ב-I אם לכל x,y∈I ולכל 0≤t≤1 מתקיים f(tx+(1−t)y)≤tf(x)+(1−t)f(y).
אם f קמורה ב-(a,b) אז לכל a≤x1<x2<x3≤b מתקיים:
x2−x1f(x2)−f(x1)≤x3−x1f(x3)−f(x1)≤x3−x2f(x3)−f(x2)
- אם f קמורה ב-(a,b) אז f רציפה ב-(a,b).
- אם f גזירה ב-(a,b) אז f קמורה ⟺ הנגזרת עולה.
- אם f גזירה ב-(a,b) אז f קמורה ⟺ הגרף בכל נקודה נמצא מעל המשיק.
- אם f גזירה פעמיים אז f קמורה f′′≥0⟺.
תהא f:[a,b]→? פונקציה קעורה. נתון ש-f גזירה ב-(a,b).
יהי x0∈(a,b) כך ש-f′(x0)=0.
א. הוכיחו כי x0 נקודת מקסימום מקומי.
ב. נתון ש-f קעורה ממש. הוכיחו כי x0 יחידה.
הוכחה: (א')
מהנתון ש-f קעורה וגזירה, נקבל שהנגזרת מונוטונית יורדת. לכן, לכל a<x1<x0<x2<b מתקיים:
f′(x1)≥f′(x0)≥f′(x2)
נתון כי f′(x0)=0 ולכן: f′(x1)≥0≥f′(x2). כלומר, הנגזרת מחליפה סימן ב-x0 מחיובי לשלילי ולכן, לפי מבחן הנגזרת ה-I, x0 היא נקודת מקסימום מקומי.
אם מתקיים השוויון אז f קעורה בין x1 ל-x2 ולכן x0 מקסימום מקומי.
∎
הוכחה: (ב')
נניח בשלילה כי קיים x1=x0 שהוא נקודת מקסימום מקומי. לכן, לפי משפט פרמה, f′(x1)=0. מהנתון ש-f קעורה ממש וגזירה זה גורר ש-f′ מונוטונית יורדת ממש. נניח x0<x1 ואז תהי x0<x<x1 ואז:
0=f′(x0)>f′(x)>f′(x1)=0
סתירה ולכן x0 יחידה.
∎
תהי f:R→R פונקציה קמורה. הוכיחו:
א. אם קיימים x1<x2 שעבורם מתקיים f(x1)<f(x2) אז limx→∞f(x)=∞.
ב. אם קיימים x1<x2 שעבורם מתקיים f(x1)>f(x2) אז limx→−∞f(x)=∞.
ג. אם limx→∞f(x) קיים וגם f אינה קבועה אז limx→∞f(x)=∞.
ד. אם limx→−∞f(x) ו-limx→∞f(x) קיימים אז f קבועה.
הוכחה: (א')
תהי x כך ש-x1<x2<x. f קמורה ולכן לפי למת המיתרים:
0↓נתון:f(x1)<f(x2)<x2−x1f(x2)−f(x1)≤x−x1f(x)−f(x1)≤x−x2f(x)−f(x2)
f(x)≥f(x1)+(x−x1)x2−x1f(x2)−f(x1)x→∞⟶∞
לפי חשבון גבולות מורחב. ולכן, לפי פיצה, limx→∞f(x)=∞.
∎
הוכחה: (ב')
תהי x כך ש-x<x1<x2. f קמורה ולכן לפי למת המיתרים:
x1−xf(x1)−f(x)≤x2−xf(x2)−f(x)≤x2−x1f(x2)−f(x1)<0
−f(x)≤−f(x2)+(x2−x)x2−x1f(x2)−f(x1)
f(x)≥f(x2)+(x−x2)x2−x1f(x2)−f(x1)x→−∞⟶∞
ולכן, לפי פיצה limx→−∞f(x)=∞.
∎
א. תהא f:R→R קמורה וחסומה. הוכיחו כי f קבועה.
ב. הראו שהטענה לא נכונה עבור f:(a,∞)→R קמורה וחסומה.
הוכחה: (א')
נניח כי f אינה קבועה. לכן קיימים a,b (נניח a<b) כך ש-f(a)=f(b)
יהי x∈R כך ש-a<b<x. לפי הגדרת קמירות, לכל t∈[0,1] מתקיים:
f(ta+(1−t)x)≤tf(a)+(1−t)f(x)
נבחר 1−t=x−ab−a ואז t=x−ax−b ולכן:
f(x−ax−ba+x−ab−ax)≤x−ax−bf(a)+x−ab−af(x)
f(b)≤x−axf(a)−bf(a)+bf(x)−af(x)
(x−a)f(b)≤xf(a)−bf(a)+bf(x)−af(x)
x(f(b)−f(a))≤f(x)(b−a)+af(b)−bf(a)
f(x)≥xb−af(b)−f(a)+b−abf(a)−af(b)x→∞⟶∞
ואז לפי פיצה limx→∞f(x)=∞ בסתירה לכך ש-f חסומה.
∎
בסעיף ב' נוכל להסתכל על f(x)=e−x שהיא חסומה ב-(0,∞) וגם מתקיים f′′(x)=−1⋅(−1)e−x=e−x>0 ולכן, לפי משפט, היא קמורה בקטע.
תהי f קמורה ב-[a,b] הוכיחו כי לכל a≤x1<x2<b מתקיים כי
b−x1f(b)−f(x1)≤b−x2f(b)−f(x2)
הוכחה:
יהי a<x1<x2<b. משוואת הישר המחבר את (x1,f(x1)) עם (b,f(b)) הוא:
y(x)=f(b)+b−x1f(b)−f(x1)(x−b)
הפונקציה קמורה ולכן:
f(x2)≤f(b)+b−x1f(b)−f(x1)(x2−b)
x2−bf(x2)−f(b)≥b−x1f(b)−f(x1)
∎
תהא f:[0,1]→[0,1] פונקציה רציפה, קמורה ומונוטונית עולה ממש.
תהי f−1 הפונקציה ההפוכה ל-f. הוכיחו כי f−1 מונוטונית עולה ממש וקעורה.
הוכחה:
מכיוון ש-f:[0,1]→[0,1] אז גם f−1:[0,1]→[0,1]
נניח בשלילה כי f−1 לא מונוטונית עולה ממש. ז.א. קיימים 0≤x1<x2≤1 כך ש-f−1(x1)≥f−1(x2).
הפונקציה f מונוטונית עולה ממש ולכן:
x1=f(f−1(x1))≥f(f−1(x2))=x2
בסתירה לכך ש-x1<x2 ולכן, f−1 מונוטונית עולה ממש.
כעת, נבחר 0≤x1<x2≤1 ונסמן y1=f−1(x1) ו-y2=f−1(x2). מהקמירות של f:
f(ty1+(1−t)y2)≤tf(y1)+(1−t)f(y2)
f−1(f(ty1+(1−t)y2))≤f−1(tf(y1)+(1−t)f(y2))
ty1+(1−t)y2≤f−1(tx1+(1−t)x2)
tf−1(x1)+(1−t)f−1(x2)≤f−1(tx1+(1−t)x2)
וזו הגדרת קעירות של f−1.
∎