單峰函式

單峰函式

單峰函式是在所考慮的區間中只有一個嚴格局部極大值(峰值)的實值函式。如果函式f(x)在區間[a, b]上只有唯一的最大值點C,而在最大值點C的左側,函式單調增加;在點C的右側,函式單調減少,則稱這個函式為區間[a, b]上的單峰函式。

基本信息

概念

定義

單峰函式 單峰函式
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設D表示一個實數集合(閉區間,開區間,區間的並,集合等),設是定義在D上的實值函式,如果存在,使得對D中任何冀,,當時,有

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當時,

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那么就說是定義在D上的單峰函式(圖1),換句話說,如果在左邊遞增,在右邊遞減,那么就是D上的 單峰函式,就是在D上的最大值(峰值)稱為 峰值點

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類似.如果存在,使得D中任何,,當時,有

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當時,有

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那么就說是D上的 單谷函式,稱為 谷值點(圖2)。

圖1 圖1
圖2 圖2

實例分析

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例1 二次函式當時,為單峰函式,當時,為單谷函式。

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例2 函式在為定數)上為單峰函式,而在(均為定數)上為單谷函式。

例3 使用單因素優選法的經驗表明,單因素實驗指標函式大多為單峰(谷)函式。

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例4 函式,,,在整個定義域上不是單峰函式,也不是單谷函式。

由定義可知,單峰函式在定義域上有最大值(峰值),單谷函式有最小值(谷值),這就確定了這函式類在處理極值問題中的地位。

單蜂函式的性質

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由定義可知,在閉區間或有限集合上的單調函式既為單峰函式,又為單谷函式,這樣,就容易證明,對集合D,如是D上單峰函式,,則是D'上的單峰函式,對單谷函式也一樣,歸納起來,單峰(谷)函式有如下性質。

性質1 單峰函式在其定義域的任何子集上,仍為單峰函式,對單谷函式也一樣。

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性質2 若為單峰(谷)函式,那么(、為常數),當>0時,仍為單峰(谷)函式,當<0時,為單谷(峰)函式,且峰(谷)值點不變。

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特別,=0,=-1的情況告訴我們,如為單峰(谷)函式,則一為單谷(峰)函式,因此,在論證有關性質時,只考慮單峰函式就行了。

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性質3 如為閉區間D上的凸函式(凹函式),那么必為D上的單谷(峰)函式。

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證明:如為D上的單調函式,則為單谷或單峰函式,如不然,則在D上有的部分遞減,有的部分遞增,因此有局部極小(大)點,該局部極小(大)點也是全局極小(大)點,因此,在左邊是減函式,而在右邊為增函式,因此,在D上是單谷(峰)函式,但是反過來不然,這就說明了單峰單谷函式同凸、凹函式的類屬關係。

單峰函式的套用

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我們知道,單峰函式的概念首先是為了解決優選法理論問題的需要而提出來的,而優選法的本質在於用實驗求指標函式(無需知道它的表達式)的極值,而採用的“試一比一去”的程式,就是在實驗區間(即指標函式的定義域)[a,b]內先取兩點(0.618法,分數法,各有特定取法)和,(),通過實驗比較和的大小,如果,則把去掉,留下,其中已有一個試過的點,再按特定方法取,通過實驗比較與的大小,…;如果,則去掉,留下其中包含了已試點,按特定方法取,比較與的大小,…總之,每次去掉壞點(指較小的點)以外的那部分區間。

單峰函式 單峰函式
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問題在於這種試驗程式能否保證試驗點序列收斂於最優點?我們知道,一個單峰函式,通過上述程式每次去掉一部分區間以後,性質1保證了在剩下區間上仍是單峰函式,程式可以繼續進行,但是,的峰值點是不是總留在剩下的區間中呢?下面的定理肯定回答了這個問題。

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定理 設為[a,b]上的單峰函式,是它的峰值點,設,(<)是[a,b]上任意兩點,那么,

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若,則在上;

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若,則在上。

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