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OPTIMIZATION OF FUNCTIONS

1変数凸関数・凹関数の無制約最適化

目次

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2階微分可能な1変数凸関数の最小化

1変数関数\(f:\mathbb{R} \supset X\rightarrow \mathbb{R} \)の極小点最小点が満たす条件(1階および2階の必要条件)を明らかにした上で、最小点を特定する方法について解説しました。特に、関数\(f\)が\(C^{2}\)級である場合、関数の最小点を特定する手順は以下の通りです。

  1. 関数の最小点が存在することを確認する。その際、最大値・最小値の定理などを利用する。
  2. 関数の定義域の内点の中でも、極小点であるための1階および2階の必要条件を満たす点をすべて特定する。
  3. 関数の定義域に含まれる境界点をすべて特定する。
  4. 以上の点の中でも、関数の値を最小化する点が最小点である。

以上の議論は一般の関数\(f\)に関するものですが、関数\(f\)が凸関数である場合には議論がシンプルになることを以下で示します。凸関数の最小点を求めることを凸最適化(convex problem)と呼びます。

関数\(f:\mathbb{R} \supset I\rightarrow \mathbb{R} \)は凸関数であるものとします。つまり、\(f\)の定義域\(I\)は区間であるとともに、\begin{equation*}\forall x_{1},x_{2}\in I,\ \forall \lambda \in \left[ 0,1\right] :\lambda
f\left( x_{1}\right) +\left( 1-\lambda \right) f\left( x_{2}\right) \geq
f\left( \lambda x_{1}+\left( 1-\lambda \right) x_{2}\right)
\end{equation*}が成り立つということです。凸関数は微分可能であるとは限りませんが、以下では2階微分可能な凸関数について考えます。この場合、2階導関数\(f^{\prime \prime }:\mathbb{R} \supset I\rightarrow \mathbb{R} \)が存在しますが、\(f\)が凸関数であることと、以下の条件\begin{equation*}\forall x\in I:f^{\prime \prime }\left( x\right) \geq 0
\end{equation*}が成り立つことは必要十分です。したがって、2階微分可能な凸関数に関しては、定義域上の任意の点が2階の必要条件を満たします。以上の条件を満たす関数\(f\)が停留点を持つ場合、すなわち、\begin{equation*}f^{\prime }\left( a\right) =0
\end{equation*}を満たす内点\(a\in I^{i}\)が存在する場合、この点\(a\)は\(f\)の最小点になることが保証されます。つまり、2階微分可能な凸関数に関しては、1階の必要条件が十分条件になるということです。証明ではテイラーの定理を利用します。

命題(2階微分可能な凸関数の最小化)
区間上に定義された関数\(f:\mathbb{R} \supset I\rightarrow \mathbb{R} \)が2階微分可能な凸関数であるものとする。定義域の内点\(a\in I^{i}\)について、\begin{equation*}f^{\prime }\left( a\right) =0
\end{equation*}が成り立つ場合、点\(a\)は\(f\)の最小点である。
証明

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以上の命題より、2階微分可能な凸関数が停留点を持つ場合には、その点が最小点であることが保証されます。ただし、2階微分可能な凸関数は停留点を持つとは限らないため注意が必要です。以下の例より明らかです。

例(停留点を持たない凸関数)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =2x
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =2 \quad \cdots (1)
\end{equation}を定め、2階導関数\(f^{\prime\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は凸関数です。その一方で、\(\left( 1\right) \)より、\begin{equation*}f^{\prime }\left( x\right) =0
\end{equation*}を満たす点\(x\in \mathbb{R} \)すなわち停留点は存在しません。

凸関数を狭義凸関数に強めた場合も同様です。つまり、2階微分可能な狭義凸関数は停留点を持つとは限りません。以下の例より明らかです。

例(停留点を持たない狭義凸関数)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =e^{x}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =e^{x} \quad \cdots (1)
\end{equation}を定め、2階導関数\(f^{\prime\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =e^{x}>0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は2階微分可能な狭義凸関数です。その一方で、\(\left( 1\right) \)より、\begin{equation*}f^{\prime }\left( x\right) =0
\end{equation*}を満たす点\(x\in \mathbb{R} \)すなわち停留点は存在しません。

以上の例より、2階微分可能な凸関数の最小点を特定する際に、停留点だけを候補としていては不十分であることが明らかになりました。関数\(f\)が2階微分可能な凸関数である場合、最小点を求めるためには以下の手順にしたがう必要があります。

  1. 関数の最小点が存在することを確認する。その際、最大値・最小値の定理などを利用する。
  2. 関数の停留点を求める。停留点が存在する場合、それが最小点である。
  3. 停留点が存在しない場合、関数の定義域に含まれる境界点をすべて特定する。その中でも関数の値を最小化する点が最小点である。
例(2階微分可能な凸関数の最小化)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =x^{4}+x^{2}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =4x^{3}+2x \quad \cdots (1)
\end{equation}を定めます。\(f^{\prime }\)は微分可能であり、2階導関数\(f^{\prime \prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =12x^{2}+2>0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は2階微分可能な狭義凸関数です。\(f\)の停留点を求めると、\begin{eqnarray*}f^{\prime }\left( x\right) =0 &\Leftrightarrow &4x^{3}+2x=0\quad \because
\left( 1\right) \\
&\Rightarrow &x=0
\end{eqnarray*}であるため、停留点における\(f\)の値は、\begin{equation*}f\left( 0\right) =0
\end{equation*}となります。以上より、\(f\)の最小点と最小値は、\begin{eqnarray*}\mathrm{argmin}_{x\in \mathbb{R} }f\left( x\right) &=&\left\{ 0\right\} \\
\min_{x\in \mathbb{R} }f\left( x\right) &=&0
\end{eqnarray*}であることが明らかになりました。

例(2階微分可能な凸関数の最小化)
関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ 0,1\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \left[ 0,1\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =e^{x}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は有界閉区間\(\left[0,1\right] \)上に定義された連続関数であるため最大値・最小値の定理より\(f\)は\(\left[ 0,1\right] \)上に最小点を持ちます。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} \supset \left[ 0,1\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \left[ 0,1\right] \)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =e^{x} \quad \cdots (1)
\end{equation}を定めます。\(f^{\prime }\)は微分可能であり、2階導関数\(f^{\prime \prime }:\mathbb{R} \supset \left[ 0,1\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \left[ 0,1\right] \)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =e^{x}>0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は2階微分可能な狭義凸関数です。\(e^{x}>0\)および\(\left( 1\right) \)より、\begin{equation*}f^{\prime }\left( x\right) =0
\end{equation*}を満たす点\(x\)、すなわち停留点は存在しません。\(f\)の定義域\(\left[ 0,1\right]\)の境界点は\(0,1\)であり、\begin{eqnarray*}f\left( 0\right) &=&e^{0}=1 \\
f\left( 1\right) &=&e^{1}=e
\end{eqnarray*}となります。以上より、\(f\)の最小点と最小値は、\begin{eqnarray*}\mathrm{argmin}_{x\in \left[ 0,1\right] }f\left( x\right) &=&\left\{
0\right\} \\
\min_{x\in \left[ 0,1\right] }f\left( x\right) &=&1
\end{eqnarray*}であることが明らかになりました。

例(2階微分可能な凸関数の最大化)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =2x
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は2階微分可能な凸関数です。その一方で、\begin{equation*}\lim_{x\rightarrow -\infty }f\left( x\right) =\lim_{x\rightarrow -\infty
}\left( -2x\right) =-\infty
\end{equation*}であるため\(f\)は最小点を持ちません。

繰り返しになりますが、凸関数は微分可能であるとは限りません。凸関数が微分可能でない場合には停留点を通じて最小点を特定する手法を利用できないため、通常の手法を用いることになります。

例(微分可能ではない凸関数の最小化)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =x^{2}+\left\vert x\right\vert
\end{equation*}を定めるものとします。関数\(f\)のグラフは以下の通りです。

図:関数のグラフ
図:関数のグラフ

この関数\(f\)は狭義凸関数ですが、点\(0\)において微分可能ではない一方、点\(0\)は\(f\)の最小点です。

 

2階微分可能な1変数凹関数の最大化

1変数関数\(f:\mathbb{R} \supset X\rightarrow \mathbb{R} \)が\(C^{2}\)級である場合、関数の最大点を特定する手順は以下の通りです

  1. 関数の最大点が存在することを確認する。その際、最大値・最小値の定理などを利用する。
  2. 関数の定義域の内点の中でも、極大点であるための1階および2階の必要条件を満たす点をすべて特定する。
  3. 関数の定義域に含まれる境界点をすべて特定する。
  4. 以上の点の中でも、関数の値を最大化する点が最大点である。

以上の議論は一般の関数\(f\)に関するものですが、関数\(f\)が凹関数である場合には議論がシンプルになることを以下で示します。凹関数の最小点を求めることを凹最適化(concave problem)と呼びます。

関数\(f:\mathbb{R} \supset I\rightarrow \mathbb{R} \)は凹関数であるものとします。つまり、\(f\)の定義域\(I\)は区間であるとともに、\begin{equation*}\forall x_{1},x_{2}\in I,\ \forall \lambda \in \left[ 0,1\right] :\lambda
f\left( x_{1}\right) +\left( 1-\lambda \right) f\left( x_{2}\right) \leq
f\left( \lambda x_{1}+\left( 1-\lambda \right) x_{2}\right)
\end{equation*}が成り立つということです。凹関数は微分可能であるとは限りませんが、ここでは2階微分可能な凹関数について考えます。この場合、2階導関数\(f^{\prime \prime }:\mathbb{R} \supset I\rightarrow \mathbb{R} \)が存在しますが、\(f\)が凹関数であることと、以下の条件\begin{equation*}\forall x\in I:f^{\prime \prime }\left( x\right) \leq 0
\end{equation*}が成り立つことは必要十分です。したがって、2階微分可能な凹関数に関しては、定義域上の任意の点が2階の必要条件を満たします。以上の条件を満たす関数\(f\)が停留点を持つ場合、すなわち、\begin{equation*}f^{\prime }\left( a\right) =0
\end{equation*}を満たす内点\(a\in I^{i}\)が存在する場合、この点\(a\)は\(f\)の最大点になることが保証されます。つまり、2階微分可能な凹関数に関しては、1階の必要条件が十分条件になるということです。

命題(2階微分可能な凹関数の最大化)
区間上に定義された関数\(f:\mathbb{R} \supset I\rightarrow \mathbb{R} \)が2階微分可能な凹関数であるものとする。定義域の内点\(a\in I^{i}\)について、\begin{equation*}f^{\prime }\left( a\right) =0
\end{equation*}が成り立つ場合、点\(a\)は\(f\)の最大点である。
証明

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以上の命題より、2階微分可能な凹関数が停留点を持つ場合には、その点が最大点であることが保証されます。ただし、2階微分可能な凹関数は停留点を持つとは限らないため注意が必要です。以下の例より明らかです。

例(停留点を持たない凹関数)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =-2x
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =-2 \quad \cdots (1)
\end{equation}を定め、2階導関数\(f^{\prime\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は2階微分可能な凹関数です。その一方で、\(\left( 1\right) \)より、\begin{equation*}f^{\prime }\left( x\right) =0
\end{equation*}を満たす点\(x\in \mathbb{R} \)すなわち停留点は存在しません。

凹関数を狭義凹関数に強めた場合も同様です。つまり、2階微分可能な狭義凹関数は停留点を持つとは限りません。以下の例より明らかです。

例(停留点を持たない狭義凹関数)
関数\(f:\mathbb{R} _{++}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} _{++}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =\ln \left( x\right)
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} _{++}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} _{++}\)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =\frac{1}{x} \quad \cdots (1)
\end{equation}を定め、2階導関数\(f^{\prime\prime }:\mathbb{R} _{++}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} _{++}\)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =-\frac{1}{x^{2}}<0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は2階微分可能な狭義凹関数です。その一方で、\(\left( 1\right) \)より、\begin{equation*}f^{\prime }\left( x\right) =0
\end{equation*}を満たす点\(x\in \mathbb{R} _{++}\)すなわち停留点は存在しません。

以上の例より、2階微分可能な凹関数の最大点を特定する際に、停留点だけを候補としていては不十分であることが明らかになりました。関数\(f\)が2階微分可能な凹関数である場合、最大点を求めるためには以下の手順にしたがう必要があります。

  1. 関数の最大点が存在することを確認する。その際、最大値・最小値の定理などを利用する。
  2. 関数の停留点を求める。停留点が存在する場合、それが最大点である。
  3. 停留点が存在しない場合、関数の定義域に含まれる境界点をすべて特定する。その中でも関数の値を最大化する点が最大点である。
例(2階微分可能な凹関数の最大化)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =-x^{4}-x^{2}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =-4x^{3}-2x \quad \cdots (1)
\end{equation}を定めます。\(f^{\prime }\)は微分可能であり、2階導関数\(f^{\prime \prime }:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =-12x^{2}-2<0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は2階微分可能な狭義凹関数です。\(f\)の停留点を求めると、\begin{eqnarray*}f^{\prime }\left( x\right) =0 &\Leftrightarrow &-4x^{3}-2x=0\quad \because
\left( 1\right) \\
&\Rightarrow &x=0
\end{eqnarray*}であるため、停留点における\(f\)の値は、\begin{equation*}f\left( 0\right) =0
\end{equation*}となります。以上より、\(f\)の最大点と最大値は、\begin{eqnarray*}\mathrm{argmax}_{x\in \mathbb{R} }f\left( x\right) &=&\left\{ 0\right\} \\
\max_{x\in \mathbb{R} }f\left( x\right) &=&0
\end{eqnarray*}であることが明らかになりました。

例(2階微分可能な凹関数の最大化)
関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ 2,3\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \left[ 2,3\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =\ln \left( x\right)
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は有界閉区間\(\left[2,3\right] \)上に定義された連続関数であるため最大値・最小値の定理より\(f\)は\(\left[ 2,3\right] \)上に最大点を持ちます。\(f\)は微分可能であり、導関数\(f^{\prime }:\mathbb{R} \supset \left[ 2,3\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime }\left( x\right) =\frac{1}{x} \quad \cdots (1)
\end{equation}を定めます。\(f^{\prime }\)は微分可能であり、2階導関数\(f^{\prime \prime }:\mathbb{R} \supset \left[ 2,3\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation}f^{\prime \prime }\left( x\right) =-\frac{1}{x^{2}}<0 \quad \cdots (2)
\end{equation}を定めます。\(\left( 2\right) \)より\(f\)は2階微分可能な狭義凹関数です。\(\frac{1}{x}>0\)および\(\left( 1\right) \)より、\begin{equation*}f^{\prime }\left( x\right) =0
\end{equation*}を満たす点\(x\)、すなわち停留点は存在しません。\(f\)の定義域\(\left[ 2,3\right]\)の境界点は\(2,3\)であり、\begin{eqnarray*}f\left( 2\right) &=&\ln \left( 2\right) \\
f\left( 3\right) &=&\ln \left( 3\right)
\end{eqnarray*}となります。以上より、\(f\)の最大点と最大値は、\begin{eqnarray*}\mathrm{argmax}_{x\in \left[ 2,3\right] }f\left( x\right) &=&\left\{
3\right\} \\
\max_{x\in \left[ 2,3\right] }f\left( x\right) &=&\ln \left( 3\right)
\end{eqnarray*}であることが明らかになりました。

例(2階微分可能な凹関数の最大化)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =-2x
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は2階微分可能な凹関数です。その一方で、\begin{equation*}\lim_{x\rightarrow -\infty }f\left( x\right) =\lim_{x\rightarrow -\infty
}\left( -2x\right) =+\infty
\end{equation*}であるため\(f\)は最大点を持ちません。

繰り返しになりますが、凹関数は微分可能であるとは限りません。凹関数が微分可能でない場合には停留点を通じて最大点を特定する手法を利用できないため、通常の手法を用いることになります。

例(微分可能ではない凹関数の最大化)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =-x^{2}-\left\vert x\right\vert
\end{equation*}を定めるものとします。関数\(f\)のグラフは以下の通りです。

図:関数のグラフ
図:関数のグラフ

この関数\(f\)は狭義凹関数ですが、点\(0\)において微分可能ではない一方、点\(0\)は\(f\)の最大点です。

 

演習問題

問題(関数の最大点)
関数\(f:\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =e^{x}-ex
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)の最小点は存在するでしょうか。議論してください。
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問題(関数の最大点)
関数\(f:\mathbb{R} _{++}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \mathbb{R} _{++}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =x\ln \left( x\right)
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)の最小点は存在するでしょうか。議論してください。
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