Minkowski funzionale

In geometria , la nozione di gauge generalizza quella di semi-standard . In qualsiasi parte C di - lo spazio vettoriale E è associato al gauge, o funzionale di Minkowski p C , che è un'implementazione di E nella misurazione [0, ∞] , per ogni vettore, il cui rapporto deve espandere C per comprendere questo vettore . Non appena C contiene l'origine, C è positivamente omogenea  ; se C èstellato rispetto a 0 , p C ha altre proprietà elementari. Se C è convesso - il caso più spesso studiato - p C è anche sublineare , ma non è necessariamente simmetrico e può assumere valori infiniti. Sotto certe ipotesi aggiuntive, p C è una semi-norma di cui C è la palla unitaria .

Questa nozione entra in gioco nell'analisi funzionale (dimostrazione della forma analitica del teorema di Hahn-Banach ), nell'ottimizzazione (problema di sovrapposizione di gauge , ottimizzazione conica ), nell'apprendimento automatico , nella geometria dei numeri ( secondo teorema di Minkowski ),  ecc.

In questo articolo, E denota uno spazio vettoriale reale, che sarà considerato topologico ogni volta che sarà necessario.

Calibro di qualsiasi parte

Definizione  -  Il "gauge, o funzionale Minkowski" di una parte di è l'applicazione definita da:

. Esempio Lascia e tale che . Per ogni cosa , e per ogni cosa , inf (∅) = + ∞ . Prime osservazioni

Condizione di finitezza sufficiente  -  Si è assorbente, quindi è a valori finiti.

Indicatore di una parte stellata

Prima di affinare lo studio nel caso particolare più utile di un convesso contenente 0 , consideriamo una parte stellata (rispetto a 0 , che ora sarà implicita), cioè una parte contenente 0 e tale di

.

Proprietà algebriche

Lo sappiamo già e questo è positivamente omogeneo. La nuova ipotesi permette di chiarire la situazione:

Caratterizzazione  -  La sagoma di una parte stellata controlla: .

Al contrario, per qualsiasi funzione positivamente omogenea (nel senso definito sopra ), le parti di gauge stellari sono gli insiemi compresi tra e .

Inoltre :

Condizioni necessarie e sufficienti di non degenerazione e finitezza  -  O una parte stellata.

Queste due condizioni verranno riformulate in seguito, nel caso di un convesso di dimensione finita.

A volte una delle due inclusioni della caratterizzazione di cui sopra è un'uguaglianza:

Calibro di un convesso

Se un calibro zero a 0 è convesso, i due insiemi e non sono solo stellati ma convessi , ed è il calibro di questi due convessi. Gli indicatori di questo tipo sono caratterizzati dalla seguente proprietà.

Si dice che un'applicazione sia sub-lineare se è:

Qualsiasi mappa sublineare è convessa e per uno zero gauge a 0 , queste due nozioni sono equivalenti:

Scartamento di un convesso  :  se una parte contenente 0 è convesso, il suo indicatore è sublineare.

Dimostrazione

L'omogeneità positiva è immediata e per la subadditività, se , basta notare che se e allora , perché appartiene al convesso , come combinazione convessa di due elementi di . Altrimenti il ​​risultato è immediato.

Il contrario è falso, come mostra il seguente esempio.

Esempio

La funzione sublineare su cui, in , vale se e se , è il gauge dei due convessi e , oltre che di tutti gli insiemi intermedi (tutti stellati, ma non tutti convessi).

Indicatori sublineari che non assumono il valore + ∞

Abbiamo già notato che il calibro di una parte stellata ha valori finiti se e solo se è assorbente.

Qualsiasi intorno di 0 è assorbente; in dimensione finita , possiamo facilmente verificare che al contrario, ogni convesso assorbente C è un intorno di 0 - possiamo farlo in modo abbastanza elegante notando che come funzione convessa con valori finiti e definita ovunque, è quindi continua, e che il set (contenente 0 e compreso in C ) è quindi aperto. In sintesi :

Proposizione  -  Sia C un convesso contenente 0 in uno spazio di dimensione finita. Così il suo calibro è valori finiti se e solo se 0 è interno a C .

Quando 0 è all'interno di C , possiamo ottenere una semplice immagine mentale dell'indicatore attraverso le sue superfici di livello: l'insieme di punti in cui assume il valore 1 è esattamente il bordo del convesso; le superfici piane per gli altri valori strettamente positivi sono l'omotetica di questo confine; negli eventuali punti rimanenti non coperti dall'incontro di queste superfici piane l'indicatore assume il valore 0.

Infine, possiamo notare che (per uno spazio vettoriale reale), se C è simmetrico rispetto a 0 con un gauge che evita il valore + ∞ , allora il gauge è una semi-norma  ; è lo stesso per uno spazio vettoriale complesso se si richiede una versione migliorata della simmetria , vale a dire l'invarianza sotto moltiplicazione per qualsiasi complesso di modulo 1 .

Calibri sublineari che si annullano solo all'origine

Abbiamo già notato che la sagoma di una parte stellata viene annullata solo all'origine se e solo se non contiene alcuna semiretta risultante dall'origine.

Se è limitato (in uno spazio vettoriale normalizzato o più in generale, in uno spazio vettoriale topologico separato ) allora non contiene tale semiretta.

Il contrario è vero per un convesso chiuso di dimensione finita, e sarebbe dimostrato sfruttando la compattezza della sfera di raggio 1 (l'unica ipotesi “convessa” qui non è sufficiente: cfr. § “Esempio” sopra ):

Proposizione  -  Sia C un convesso chiuso contenente 0 in uno spazio di dimensione finita. Quindi, il suo indicatore svanisce all'origine solo se e solo se C è limitato .

Esempi di utilizzo

Aspetti computazionali

In questa sezione, si tratterà esclusivamente di misuratori sub-lineari su uno spazio euclideo , di cui si nota il prodotto scalare .

Per un tale indicatore , indicheremo il suo insieme di sottolivelli  :

.

Ricordiamo che si nota l' adesione di una parte di e che il polare di è il convesso chiuso contenente l'origine, annotato e definito da

Possiamo dare un'altra espressione della polare di  :

.

Adesione

La presa o la chiusura di è il calibro come .

Perciò :

Polare

La polare di è l'indicatore tale che .

Proprietà

Subdifferenziale

Il sottodifferenziale di in un punto soddisfa

(in particolare, e se , ).

Possiamo dedurre:

argmax , con uguaglianza seè chiuso.

Alcune osservazioni sul risultato di cui sopra.

Note e riferimenti

Appunti

  1. L' effettiva dominio di una funzione a valori in è l'insieme di punti in cui non prende il valore .
  2. Per convenzione, (cfr. Ad esempio Rockafellar 1970 , p.  24 o Schechter 1997 , p.  313).
  3. Questa precisione, ridondante in questo articolo, d'ora in poi sarà implicita. Si noti tuttavia che (in) HG Eggleston Convexity , Cambridge University Press ,1958( leggi in linea ) , p.  47chiamate “funzioni di gauge” le mappature sublineari (con valori in ); (en) A. Wayne Roberts e Dale E. Varberg, Convex Functions , Academic Press,1974( leggi in linea ) , p.  216, così denominati quelli con valori in  ; e Rockafellar 1970 , p.  128, quelli con valori in , perché ha escluso dal suo studio i calibri degli insiemi non convessi.
  4. Questo cono è indicato nell'articolo "  Cono asintotico  ", dove si presume sia convesso.
  5. La funzione di supporto di una parte di è definita da .
  6. Il coniugato di una funzione è definito da .
  7. Nell'analisi convessa, la funzione indicatore di una parte di una parte di è la funzione che svanisce e assume il valore sul complemento di .
  8. Per vederlo, possiamo ad esempio usare la relazione precedente.
  9. Diciamo che è sotto-differenziabili in si .

Riferimenti

  1. Aliprantis e Border 2006 . Molti autori lo definiscono solo per un convesso contenente 0  :
    • Claude Berge , Spazi topologici: funzioni multivocali , Dunod ,1959, cap.  VII, § 5 ;
    • Laurent Schwartz , analisi di Hilbert , Hermann ,1979, p.  44 ;
    • A. Badrikian, “Osservazioni sui teoremi di Bochner e P. Lévy” , in Symposium on Probability Methods in Analysis , Springer, coll.  "Appunti delle lezioni in matematica. "( N o  31),1967, p.  1-19, p.  3  : “  V un intorno convesso bilanciato aperto di zero e P V il suo gauge (o“ funzionale di Minkowski ”)”  ;
    • Gilbert Demengel e Françoise Demengel, Spazi funzionali: uso nella risoluzione di equazioni alle derivate parziali , EDP ​​Sciences ( leggi online ) , p.  51, esercizio 1. 7: “un insieme convesso, equilibrato e assorbente di uno spazio vettoriale topologico X , contenente 0. Definiamo il funzionale di Minkowski p , o anche il gauge convesso”  ;
    • eccetera.
  2. Nel caso di un stellato parte rispetto a 0 , questo è equivalente alla definizione da Schechter 1997 della sua "Minkowski funzionale"  : è il limite inferiore del dell'intervallo che contiene .
  3. Schechter 1997 , Aliprantis and Border 2006 .
  4. Nawfal El Hage Hassan, Topologia generale e spazi standardizzati , Dunod,2018( 1 a  ed. 2011) ( leggi online ) , p.  428.
  5. Cédric Villani , "  Analisi II: corso tenuto all'École normale supérieure de Lyon  " , 2003-2004 , § I.2.
  6. I risultati di questa sezione sono tratti da Rockafellar 1970 , Hiriart-Urruty e Lemaréchal 2004 , Friedlander, Macêdo e Pong 2014 e Gilbert 2016 .
  7. Questa proprietà prende il posto della definizione di in Rockafellar 1970 , p.  128.
  8. Rockafellar 1970 , p.  130.

Bibliografia

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