Desigualtat de Jensen
En matemàtiques, la desigualtat de Jensen per funcions convexes relaciona el valor que assigna a una integral amb la integral d'aquesta mateixa funció permutant, per dir-ho així, la funció i la integral. Va ser provada pel matemàtic danès Johan Jensen el 1906.[1] Donada la seva generalitat, la desigualtat apareix en múltiples contextos.
Formulació
modificaEn la seva formulació més simple, la desigualtat és la següent: una transformació convexa de la mitjana és menor o igual en valor que la mitjana d'una transformació convexa.
Formulació finita
modificaDonada una funció convexa φ, nombres x 1 , x 2 , ..., x n en el seu domini i pesos positius a i es compleix que:
Si els pesos a i són tots iguals a 1, llavors
Per exemple, com la funció-log ( x ) és convexa, la desigualtat anterior es pot concretar en
Formulació probabilística (dins de la teoria de la mesura)
modificaSigui (Ω, A , μ ) un espai mètric tal que μ (Ω) = 1. Si g és una funció real μ-integrable i φ una funció convexa en l'eix real, llavors:
En anàlisi real, pot ser necessària una estimació de
on són nombres reals i és una funció real integrable. Llavors, reescalat, es pot aplicar la desigualtat de Jensen per obtenir
La desigualtat de Jensen, usant la notació habitual en teoria de la probabilitat, pot reescriure així:
Aplicacions en casos especials
modificaQuan hi ha una funció de densitat
modificaSi f ( x ) és una funció no negativa tal que
g és una funció real qualsevol i φ és una funció convexa sobre el rang de g , llavors
En cas que g sigui la funció identitat, s'obté
Física estadística
modificaLa desigualtat de Jensen té un paper important en física estadística quan la funció convexa és l'exponencial perquè llavors
fórmula en la qual els parèntesis angulars representen l'esperança respecte a la distribució de probabilitat de la variable aleatòria X .
Teoria de la informació
modificaSi p ( x ) és la distribució de probabilitat veritable de x i q ( x ) és una altra distribució, aplicant la desigualtat a la variable aleatòria I ( x ) = q ( x )/ p ( x ) i la funció φ ( i ) =-log ( i ) s'obté
que és l'anomenada desigualtat de Gibbs i està relacionada amb el fet que la longitud dels missatges és mínima quan es codifiquen en termes de la distribució veritable. Està relacionada amb el concepte de la divergència de Kullback-Leibler.
Referències
modifica- ↑ Jensen, J. L. W. V. «Sur les fonctions convexes et les inégalités entre les valeurs moyennes». Acta Mathematica, 30, 1906, p. 175-193. DOI: 10.1007/BF02418571.
Bibliografia
modifica- Rudin, Walter. Análisis real y complejo. Alhambra, 1979. ISBN 84-205-0651-6.
- N. Fusco, P. Marcellini, C. Sbordone. Analisi Matematica Due. Liguori, 1996. ISBN ISBN 978-88-207-2675-1.