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K-monotone Funktion

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Eine K-monotone Funktion ist eine Verallgemeinerung einer reellen monotonen Funktion auf Funktionen, die vom ℝn nach ℝ abbilden. Dabei wird die Ordnung auf den reellen Zahlen mittels eines echten Kegels zu einer Halbordnung auf ℝn verallgemeinert. K-monotone Funktionen lassen sich als Spezialfall einer monotonen Abbildung auffassen.

Definition

Gegeben sei eine Funktion f:D→ℝ mit D⊂ℝn und ein echter Kegel K im ℝn sowie die von ihm definierte verallgemeinerte Ungleichung ≼K und die strikte verallgemeinerte Ungleichung ≺K. Dann heißt die Funktion

  • K-monoton wachsend oder K-monoton steigend, wenn für alle x,y∈D mit x≼Ky gilt, dass f(x)≤f(y) ist.
  • K-monoton fallend, wenn für alle x,y∈D mit x≼Ky gilt, dass f(x)≥f(y) ist.
  • strikt K-monoton wachsend oder strikt K-monoton steigend, wenn für alle x,y∈D,x≠y mit x≼Ky gilt, dass f(x)<f(y) ist.
  • strikt K-monoton fallend, wenn für alle x,y∈D,x≠y mit x≼Ky gilt, dass f(x)>f(y) ist.
  • strikt K-monoton, wenn sie entweder strikt K-monoton wachsend (strikt K-monoton steigend) oder strikt K-monoton fallend ist.
  • K-monoton, wenn sie entweder K-monoton wachsend (K-monoton steigend) oder K-monoton fallend ist.

Beispiele

  • Jede monoton wachsende Funktion ist K-monoton wachsend bezüglich des Kegels K=ℝ+=[0,∞).
  • Jede monoton fallende Funktion ist K-monoton wachsend bezüglich des Kegels K=ℝ−=(−∞,0]. Die Angabe des Kegels ist also essentiell, um Verwechslungen vorzubeugen.
  • Sind die Funktionen fi(xi) monoton wachsend, so ist die Funktion
f(x)=f1(x1)+⋯+fn(xn)
K-monoton wachsend bezüglich des positiven Orthanten ℝn. Dies folgt direkt aus der Monotonie der fi.

Eigenschaften

Sei h:ℝn⊃D→R differenzierbar und D eine konvexe Menge sowie KD der duale Kegel des Kegels K. Dann gilt:

  • h ist K-monoton wachsend auf D genau dann, wenn ∇h(x)≽KD0 für alle x∈D.
  • h ist K-monoton fallend auf D genau dann, wenn ∇h(x)≼KD0 für alle x∈D.
  • Wenn ∇h(x)≻KD0 für alle x∈D gilt, dann ist h strikt K-monoton wachsend auf D.
  • Wenn ∇h(x)≺KD0 für alle x∈D gilt, dann ist h strikt K-monoton fallend auf D.

Matrix-monotone Funktionen

Wählt man als Vektorraum anstelle des ℝn den Sn (der Vektorraum aller reellen symmetrischen Matrizen), so nennt man die entsprechenden Funktionen h:Sn→ℝ Matrix-monotone Funktionen. Als Kegel wählt man hier den Kegel der semidefiniten Matrizen S+n, was äquivalent zur Verwendung der Loewner-Halbordnung ist. Die Benennung folgt dem obigen Schema. So ist die Determinante det⁡:Sn→ℝ strikt Matrix-monoton wachsend auf dem Kegel S++n der positiv definiten Matrizen.

Verwendung

K-monotone Funktionen finden Verwendung in der Theorie der konvexen Funktionen. So ist zum Beispiel die Verkettung einer K-monoton wachsenden konvexen Funktion und einer K-konvexen Funktion wieder konvex.

Literatur

Stephen Boyd, Lieven Vandenberghe: Convex Optimization. Cambridge University Press, Cambridge, New York, Melbourne 2004, ISBN 978-0-521-83378-3 (online).