लघुगणकीय रूप से उत्तल कार्य

गणित में, एक फलन (गणित) f 'लघुगणकीय रूप से उत्तल' या 'अतिउत्तल' है अगर $${\log}\circ f$$, f के साथ लघुगणक का फलन संघटन, अपने आप में एक उत्तल फलन है।

परिभाषा
होने देना $X$ एक वास्तविक संख्या सदिश स्थान का उत्तल सेट हो, और दें $f : X → R$ ऋणात्मक और धनात्मक संख्याएँ लेने वाला फलन हो | गैर-ऋणात्मक मान। तब $f$ है: यहाँ हम व्याख्या करते हैं $$\log 0$$ जैसा $$-\infty$$.
 * लघुगणकीय रूप से उत्तल यदि $${\log} \circ f$$ उत्तल है, और
 * सख्ती से लॉगरिदमिक रूप से उत्तल अगर $${\log} \circ f$$ सख्ती से उत्तल है।

स्पष्ट रूप से, $f$ लघुगणकीय रूप से उत्तल है यदि और केवल यदि, सभी के लिए $x_{1}, x_{2} ∈ X$ और सभी $t ∈ [0, 1]$, निम्नलिखित दो समतुल्य शर्तें हैं:
 * $$\begin{align}

\log f(tx_1 + (1 - t)x_2) &\le t\log f(x_1) + (1 - t)\log f(x_2), \\ f(tx_1 + (1 - t)x_2) &\le f(x_1)^tf(x_2)^{1-t}. \end{align}$$ इसी प्रकार, $f$ सख्ती से लॉगरिदमिक रूप से उत्तल है अगर और केवल अगर, उपरोक्त दो अभिव्यक्तियों में, सख्त असमानता सभी के लिए है $t ∈ (0, 1)$.

उपरोक्त परिभाषा अनुमति देती है $f$ शून्य होना, लेकिन अगर $f$ लघुगणकीय रूप से उत्तल है और कहीं भी गायब हो जाता है $X$, तो यह के इंटीरियर में हर जगह गायब हो जाता है $X$.

समतुल्य शर्तें
अगर $f$ अंतराल पर परिभाषित एक अवकलनीय फलन है $I ⊆ R$, तब $f$ लघुगणकीय रूप से उत्तल है यदि और केवल यदि निम्न स्थिति सभी के लिए है $x$ और $y$ में $I$:
 * $$\log f(x) \ge \log f(y) + \frac{f'(y)}{f(y)}(x - y).$$

यह इस शर्त के बराबर है कि, जब भी $x$ और $y$ में हैं $I$ और $x > y$,
 * $$\left(\frac{f(x)}{f(y)}\right)^{\frac{1}{x - y}} \ge \exp\left(\frac{f'(y)}{f(y)}\right).$$

इसके अतिरिक्त, $f$ सख्ती से लॉगरिदमिक रूप से उत्तल है अगर और केवल अगर ये असमानताएं हमेशा सख्त होती हैं।

अगर $f$ दो बार अलग-अलग है, तो यह लघुगणकीय रूप से उत्तल है यदि और केवल यदि, सभी के लिए $x$ में $I$,
 * $$f''(x)f(x) \ge f'(x)^2.$$

अगर असमानता हमेशा सख्त है, तो $f$ सख्ती से लॉगरिदमिक रूप से उत्तल है। हालाँकि, इसका विलोम असत्य है: यह संभव है $f$ सख्ती से लॉगरिदमिक रूप से उत्तल है और वह, कुछ के लिए $x$, अपने पास $$f''(x)f(x) = f'(x)^2$$. उदाहरण के लिए, यदि $$f(x) = \exp(x^4)$$, तब $f$ सख्ती से लॉगरिदमिक रूप से उत्तल है, लेकिन $$f''(0)f(0) = 0 = f'(0)^2$$.

आगे, $$f\colon I \to (0, \infty)$$ लॉगरिदमिक रूप से उत्तल है अगर और केवल अगर $$e^{\alpha x}f(x)$$ सभी के लिए उत्तल है $$\alpha\in\mathbb R$$.

पर्याप्त शर्तें
अगर $$f_1, \ldots, f_n$$ लघुगणकीय रूप से उत्तल हैं, और यदि $$w_1, \ldots, w_n$$ गैर-ऋणात्मक वास्तविक संख्याएँ हैं, तब $$f_1^{w_1} \cdots f_n^{w_n}$$ लघुगणकीय रूप से उत्तल है।

अगर $$\{f_i\}_{i \in I}$$ लघुगणकीय रूप से उत्तल कार्यों का कोई परिवार है, तब $$g = \sup_{i \in I} f_i$$ लघुगणकीय रूप से उत्तल है।

अगर $$f \colon X \to I \subseteq \mathbf{R}$$ उत्तल है और $$g \colon I \to \mathbf{R}_{\ge 0}$$ लघुगणकीय रूप से उत्तल और गैर-घटता है, तब $$g \circ f$$ लघुगणकीय रूप से उत्तल है।

गुण
लघुगणकीय रूप से उत्तल फलन f एक उत्तल फलन है क्योंकि यह वर्धमान फलन उत्तल फलन का फलन संयोजन है $$\exp$$ और समारोह $$\log\circ f$$, जो परिभाषा के अनुसार उत्तल है। हालांकि, लघुगणकीय रूप से उत्तल होना उत्तल होने की तुलना में सख्ती से मजबूत संपत्ति है। उदाहरण के लिए, स्क्वायरिंग फ़ंक्शन $$f(x) = x^2$$ उत्तल है, लेकिन इसका लघुगणक है $$\log f(x) = 2\log |x|$$ क्या नहीं है। इसलिए वर्गाकार फलन लघुगणकीय रूप से उत्तल नहीं है।

उदाहरण

 * $$f(x) = \exp(|x|^p)$$ लघुगणकीय रूप से उत्तल है जब $$p \ge 1$$ और सख्ती से लॉगरिदमिक रूप से उत्तल जब $$p > 1$$.
 * $$f(x) = \frac{1}{x^p}$$ कड़ाई से लघुगणकीय रूप से उत्तल है $$(0,\infty)$$ सभी के लिए $$p>0.$$
 * धनात्मक वास्तविक संख्याओं तक सीमित होने पर यूलर का गामा फलन कड़ाई से लघुगणकीय रूप से उत्तल होता है। वास्तव में, बोह्र-मोलेरुप प्रमेय द्वारा, इस संपत्ति का उपयोग यूलर के गामा समारोह को वास्तविक तर्कों के कारख़ाने का  फ़ंक्शन के संभावित विस्तार के बीच करने के लिए किया जा सकता है।

यह भी देखें

 * लघुगणकीय रूप से अवतल कार्य

संदर्भ

 * John B. Conway. Functions of One Complex Variable I, second edition. Springer-Verlag, 1995. ISBN 0-387-90328-3.