볼록

 

1. 일반적인 의미
2. 수학적인 의미
2.1. 볼록함수
2.2. 볼록다각형
2.3. 볼록집합
3. 관련 문서


1. 일반적인 의미


[1]
어떤 물체의 일부분이 튀어나왔거나 도드라져 있는 상태를 일컫는 말이다.

2. 수학적인 의미



2.1. 볼록함수



수학에서 어떤 함수의 볼록함 (Convexity) 을 판정하는 방법은 다양하다.고교과정에서 정의되는 볼록은 다음과 같다.

함수 $$ y=f(x)$$ 위의 임의의 점 $$P$$, $$Q$$를 잡고 둘 사이를 직선으로 연결했을 때, 함수가 그 직선보다 항상 아래에 있을때에는 '''아래로 볼록 (Convex downward)''' 혹은 '''위로 오목 (Concave upward)''', 항상 위에 있을 때에는 '''위로 볼록 (Convex upward)''' 혹은 '''아래로 오목 (Concave downward)''' 이라고 한다.

이를 내분점을 이용하여 엄밀히 표현하면 다음과 같다.

폐구간 $$[a, b]$$에 속하는 임의의 $$x, y$$와, $$0\leq t \leq 1$$를 만족하는 임의의 실수 $$t$$에 대하여, $$f\left(tx+\left(1-t\right)y\right)\leq tf\left(x\right)+\left(1-t\right)f\left(y\right)$$이면 함수 $$f$$가 이 구간에서 볼록함수 (Convex function) 라고 한다. 부등호 방향만 바꾸어 주면(등호 유지) 함수 $$f$$를 그 구간에서 오목함수 (Concave function) 라고 한다.

폐구간 $$[a, b]$$에 속하는 임의의 서로 다른 $$x, y$$와, $$0< t < 1$$를 만족하는 임의의 실수 $$t$$에 대하여, $$f\left(tx+\left(1-t\right)y\right)\leq tf\left(x\right)+\left(1-t\right)f\left(y\right)$$이면 함수 $$f$$가 이 구간에서 볼록함수 (Convex function) 라고 한다. 부등호 방향만 바꾸어 주면(등호 유지) 함수 $$f$$를 그 구간에서 오목함수 (Concave function) 라고 한다.

두번째 정의는 첫번째 정의에서 $$x = y$$, $$t=0$$, 또는 $$t=1$$일때 $$f(x) \leq f(x)$$ 또는 $$f(y) \leq f(y)$$ 라는 당연한 결과가 되는 부분을 빼준 것이다.
참고로 중점만을 가지고 볼록함수를 판별하는 것은 충분하지 않다. 즉 $$\displaystyle {f(x)+f(y) \over 2} \ge \displaystyle f({x+y \over 2})$$(*) 라고 다 볼록함수가 아니라는 소리다. 예시로 코시 함수 방정식의 불연속해들이 여기 해당한다. 하지만 연속함수이며 (*)을 만족하면 볼록함수가 된다.
볼록함수가 구간 내에서 두번 미분가능하면 $$f''(x) \ge 0$$을 만족한다. 역으로 두번 미분가능한 함수가 열린 구간 내에서 $$f''(x) \ge 0$$을 만족하면 $$f$$는 그 구간 안에서 볼록이다. 증명은 평균값의 정리를 사용하면 된다.
한편, 일반적인 볼록함수 $$f$$에 대해서도 다음과 같은 사실이 알려져 있다. (고교과정 외 수준)
  • $$f$$는 열린 구간에서 연속이다.
  • 임의의 점 $$x$$에 대해 좌미분(left derivative) $$\partial_{-}f(x)= \lim_{h \rightarrow -0} \frac{f(x+h) - f(x))}{h} $$ 과 우미분(right derivative) $$\partial_{+}f(x) = \lim_{h \rightarrow +0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h} $$ 이 존재하며, 임의의 $$\epsilon>0$$에 대해 $$\partial_{-}f(x) \le \partial_{+}f(x) \le \partial_{-}f(x+\epsilon)$$이다.
  • $$\partial_{-}f(x_0) \le a \le \partial_{+}f(x_0) $$ 를 만족하는 상수 $$a$$에 대해서, 직선 $$ y = a(x-f(x_0)) + f(x_0) $$은 볼록함수 아래에 있다. 즉 $$ a(x-f(x_0)) + f(x_0) \ge f(x) $$ 가 성립한다. 이 $$a$$를 'subderivative'라 부르기도 한다.
  • $$f$$는 가산개의(countable) 점을 제외하면 미분가능하다.
  • 닫힌 구간 내에서 볼록함수의 최대점은 양끝 경계점 중 하나이고, 최소점은 유일하게 존재한다.
미분가능하지 않은 볼록함수의 예시로는 절대값 함수 등이 있다.
다변수함수 세팅에서도 함수의 볼록성을 다음과 같이 비슷하게 정의할 수 있다.

볼록집합 $$C$$에 속하는 임의의 $$x, y$$와, $$0\leq t \leq 1$$를 만족하는 임의의 실수 $$t$$에 대하여, 함수 $$f : C \rightarrow \mathbb{R}$$가 $$f\left(tx+\left(1-t\right)y\right)\leq tf\left(x\right)+\left(1-t\right)f\left(y\right)$$을 만족하면 $$f$$를 볼록함수라고 한다. 부등호 방향만 바꾸어 주면(등호 유지) 함수 $$f$$를 그 구간에서 오목함수라고 한다.

한편, 볼록함을 판정할 수 없는 함수도 있다. 이는 다음과 같다.
특히 맨 마지막의 경우, 볼록/오목처럼 보이는 점 내에 수많은 볼록/오목이 반복되고 있고, 그 속에도 또 수많은 볼록/오목이 반복되는 구간이 거듭되기 때문에 볼록/오목을 판별할 수 없다.

2.2. 볼록다각형


우리가 보통 보게 되고, 또 다각형을 떠올려 보라 했을 때 떠오르는 대부분의 다각형들은 이 경우에 속한다.

어떤 내각도 180도보다 크지 않으며, 어떤 을 연장해도 그 다각형의 내부를 지나지 않을 때, 이 다각형을 '''볼록다각형'''이라고 한다.

위의 정의에 다각형이 부합하지 않으면 이 다각형을 오목다각형이라고 한다.
오목다각형 중 삼각형은 오직 타원 공간에서만 존재한다.

2.3. 볼록집합


어떤 집합의 임의의 두 점을 연결한 선분이 언제나 이 집합 안에 속할 때, 이 집합을 '''볼록집합'''(convex set)이라 한다. 즉, 집합 $$A$$가 다음의 성질을 만족하면 볼록집합이라 부른다:

임의의 $$x, y \in A$$와 $$t \in [0, 1]$$에 대해, $$tx + (1-t)y \in A$$.

유클리드 공간 $$\mathbb{R}^n$$에서 예 또는 성질을 들자면,
  • 공간 $$\mathbb{R}^n$$ 전체는 볼록집합이다.
  • 임의의 원 또는 구는 볼록집합이다.
  • 2차원 유클리드 공간에서 凸의 안쪽을 칠한 도형을 생각하면, 이는 볼록집합이 아니다.
  • 임의의 초평면(hyperplane)은 볼록집합이다.
  • 볼록집합들의 교집합은 볼록집합이다.
마지막 두 성질을 합치면, 임의의 초평면들을 교집합한 것은 볼록집합이라는 것을 알 수 있다. 즉 이로부터 원, 직선, 사분면 등등이 볼록집합임을 추론할 수 있다. 역으로 임의의 (닫힌) 볼록집합은 (닫힌) 초평면들의 교집합으로 나타낼 수 있음이 알려져있다.
볼록집합은 볼록함수와 밀접히 연결되어있다. 볼록함수의 그래프 윗부분(epigraph)은 볼록집합이 된다. 역으로 어떤 함수의 그래프 윗부분이 볼록집합이라면, 그 함수는 볼록함수다. 학자에 따라서는 아예 후자를 볼록함수의 정의로 삼기도 한다.[2] 이 관계를 이용해 볼록함수나 볼록집합의 여러 성질들을 더 쉽게 유도할 수도 있다.

3. 관련 문서


[1] 볼록할 철.[2] Rockafellar, ''Convex Analysis''