“对 $P$ 应用Jensen 不等式,再用 $ \ln s\ge1 s$,得到”
形式陈述
设
概率形式取
若
直觉
凸函数的图像位于弦的下方。输入平均得到弦上的横坐标,先算函数再平均则得到弦上的高度,因此前者不超过后者。概率形式把有限个点及权重推广为随机向量的分布:用均值替换随机输入,凸目标的值不会增大。函数本身可以递增或递减,不等式方向由凸性决定。
概率形式为什么成立
记
右侧可积,取期望后线性项为零,便得到所需不等式;也由此看出
若
若
例子与边界
取正数
移项并取指数,得到几何平均不超过算术平均;严格凸性又给出等号条件:全部
对凹函数,不等式方向反转,例如
扩展实值版本沿用相同的平均关系,并在期望有定义时解释两端。例如
推论与应用
选择
在凸优化中,可行随机决策的均值仍位于凸可行域时,Jensen 不等式保证均值决策的目标不超过原目标的平均。这一结论直接使用凸性,无需各坐标独立。
把条件均值固定为
参考资料
- Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, Cambridge University Press, 2004,§3.1.8, Jensen's inequality and extensions。
- Olav Kallenberg, Foundations of Modern Probability, 3rd ed., Springer, 2021,conditional expectation and Jensen's inequality。