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la mezcla de formas cóncavas y convexas para convexidad

Deje $n\in\mathbb{N}$ e $0<x<1$ ser un número real. Es la raíz de una función convexa de $x$?

$$G_n(x)=\log\left(\frac{(1+x^{4n+1})(1+x^{4n-1})(1+x^{2n})(1-x^{2n+1})}{(1+x^{2n+1})(1-x^{2n+2})}\right).$$

Parece ser así, pero no tienen ninguna prueba. Alguna idea? La pregunta tiene un parecido con la de la Curiosidad desigualdad

Para hacerla "más simple", nos puede caer un término y trate de probar: si $2\leq n\in\mathbb{N}$ e $0<x<1$ es un número real, entonces $$F_n(x)=\log\left(\frac{(1+x^{4n-1})(1+x^{2n})(1-x^{2n+1})}{(1+x^{2n+1})(1-x^{2n+2})}\right)$$ es una función convexa de $x$.

$Remark$. Todos los términos dentro del registro de log-convexa o puede ser girado en torno a ser así, a excepción de $1-x^{2n+1}$. Así pues, aquí es una modesta sub-problema: si $k\geq5$ e $0<x<1$, a continuación, probar $$g_k(x)=\log\left(\frac{1-x^k}{1-x}\right)$$ es una función convexa de $x$.

$Caveat$. Un argumento similar como Fedor de la muestra $\log\left(\frac{1-x^k}{1-x^{\ell}}\right)$ es convexo, provisto $1\leq\ell<k$. Sin embargo, estos subproblemas aún NO demostrar que $F_n(x)$ es convexa.

8voto

Void Puntos 111

(Solución de la modesta subproblem)

La segunda derivada de $g_k(x)$ es igual a $(1+x+\dots+x^{k-1})^{-2}f_k(x)$ donde $f_k(x)$ es un polinomio (no es una sorpresa) con el consentimiento explícito de las fórmulas para los coeficientes: $$ f_k(x)=\sum_{n=0}^{k-3}\binom{n+3}3x^n+\sum_{n=k-2}^{2k-4}\left(\binom{2k-n-1}3-k(2k-n-3)\right)x^n. $$ Es sencillo, que la suma de los coeficientes de $f_k$ es igual a $k^2(k-1)(k-5)/12\geqslant 0$ al $k\geqslant 5$, y el negativo de los coeficientes de ir con los más grandes poderes de $x$, lo $f_k$ es no negativo en $[0,1]$.

tal vez la fuerza bruta enfoque funciona para otras preguntas también.

3voto

Brady Puntos 273

Aquí están algunos preliminares. Vamos a empezar con un tema genérico:

Para disponer de los exponentes $1\le p_1\le \dots\le p_r$ e $q_1,\dots,q_r$, de cómo escribir la segunda derivada de la función $$F(x):=\log\prod_{j=1}^r (1-x^{p_j})^{-q_j}=-\sum_{j=1}^r q_j \log(1-x^{p_j }),\qquad x\in(0,1) $$ sin abrir la caja de Pandora de los derivados de los cocientes?

Observe que la anterior $F$ no tiene términos de $1+x^p$, sin embargo, por supuesto, nos puede escribir a cualquiera de ellos como ${1-x^{2p}\over 1-x^p}$, por lo que esta formulación incluye realmente el problema. Precisamente, en su situación, $r=7$, e $p:=(2n,2n+1,2n+2,4n-1,4n,4n+2,8n-2)$ con $q:=(+1,-2,+1,+1,-1,+1,-1)$ -sólo para la diversión que se puede pensar que estos datos como describiendo $7$ punto de cargos de $q_j$ situados en las posiciones $p_j$.

Para describir más claramente la dependencia de $(p,q)$ es conveniente introducir, por $s>0$, la función $$\varphi(s):=-\log(1-e^{-s})\ .$$

Luego, con los datos de $(p,q)$, considere la posibilidad de la distribución de $m\in\mathcal{D'}(\mathbb{R}_+)$ definido por $f\mapsto\langle m,f\rangle:= \sum_{j=1}^r q_j f(p_j)$, sólo una combinación lineal de las evaluaciones en puntos de $p_j$: $$m:=\sum_{j=1}^r q_j\delta_{p_j}.$$ Introducing a parameter $t>0$, we then have a function $\Phi=\Phi_m$ defined by the pairing w.r.to the variable $s\in\mathbb{R}_+$: $$\Phi(t) :=\big \langle m, \varphi(ts) \big\rangle_s =-\sum_{j=1}^r q_j \log(1-e^{-p_jt}),$$ así que para $0<x<1$ la función de $F=F_m$ escribe $$F(x)=\Phi(-\log x).$$ Desde $F''(x)={1\over x^2}\big(\Phi''+\Phi')(-\log x),$ estamos interesados en $\Phi''(t)+\Phi'(t)$, que es $$(\Phi"+\Phi')(t)=\big \langle m, (\partial_t^2+\partial_{t})\varphi(ts)\big\rangle_s$$

La integración por partes $$=-\big \langle \chi_{\mathbb{R}_+}*m, \ \partial_s(\partial_t^2+\partial_{t})\varphi(ts)\big\rangle_s=\big\langle m_1, \kappa(t,s)\big\rangle_s ,$$

con $$\kappa(t,s):=-\partial_s(\partial_t^2+\partial_{t})\varphi(ts)=-\partial_s\big(s^2\ddot\varphi(ts)+s\dot\varphi(st)\big)$$ $$=-ts^2 \dddot\varphi(ts)-(2s+ts)\ddot\varphi(ts)-\dot\varphi(ts)= $$ $$={\frac { \left( t{s}^{2} -ts-2\,s+1 \right) {{\rm e}^{2\,ts}}+ \left( { s}^{2}t+ts+2\,s-2 \right) {{\rm e}^{ts}}+1}{ \left( {{\rm e}^{ts}}-1 \right) ^{3}}} $$ y $$m_1:=\chi_{\mathbb{R}_+}*m=\sum_{j=1}^rq_j (\chi_{\mathbb{R}_+}*\delta_{p_j})=\sum_{j=1}^rq_j \chi_{[p_j,+\infty)} =\sum_{j=1}^{r}\left(\sum_{i=1}^j q_i\right) \chi_{[p_j,p_{j+1})} $$ (donde pusimos $p_{r+1}:=+\infty$). En el caso de nuestra $7$ punto de cargos, esto es $$m_1:=\chi_{[2n,2n+1]} { -} \chi_{[2n+1,2n+2]}+\chi_{[4n-1,4n]} +\chi_{[4n+2,8n-2]}. $$ En resumen, tenemos la representación de la segunda derivada, para $0<x<1$ e $t:=-\log x$:

$$F''(x)={1\over x^2}\int_0^{+\infty}\kappa(t,s)m_1(s)ds.$$

Por supuesto, uno sería feliz de tener tanto $m_1$ e $\kappa$ positivo. La idea, entonces, sería el cambio de la representación mediante una identidad $$\langle \mu,\kappa\rangle=\langle {^{t}L}^{-1}\mu, L\kappa\rangle,$$ la elección de un adecuado invertible operador $L$.

Esto me dio un poco de esperanza de obtener una respuesta rápida basada en una fórmula integral para $F''$. Por ejemplo, la elección de $L:=I-H$ con $$Hf(t):={1\over2}f({t\over2})$$ makes $^{t L}^{-1}\mu$ positive, but, unfortunately, not everywhere positive $L\kappa$.

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