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Matemáticas para ingeniería

Optimización convexa y condiciones de optimalidad

La convexidad permite pasar de un comportamiento cercano a una garantía para todo el problema. Primero veremos qué significa que un segmento siga dentro de una región y que una cuerda quede sobre una gráfica. Después entenderemos cuándo una derivada o un gradiente certifican un mínimo, y qué falta para asegurar que ese mínimo exista.

1. Un conjunto convexo contiene el segmento entre cualquiera de sus puntos

Elegimos x, y en C y un peso θ entre cero y uno. El punto θx+(1−θ)y recorre su segmento. C es convexo si todos esos puntos permanecen dentro, para cualquier pareja.

Los extremos θ=0 y θ=1 recuperan y y x.

En varias coordenadas, la misma combinación se hace en cada una.

Intervalos, semiespacios y bolas de una norma son convexos. Intersectar conjuntos convexos conserva la propiedad porque el segmento pertenece a cada uno. La unión no la conserva necesariamente. Una circunferencia sin su interior no es lo mismo que el disco que incluye ese interior.

Comprobar la definición en un intervalo

C=[0,2]; elegimos x=1/2, y=2 y θ=1/3.

  1. Combinar

    θx+(1−θ)y=(1/3)(1/2)+(2/3)2=1/6+4/3=3/2.
  2. Caso general

    Si 0≤x, y≤2, multiplicar por pesos no negativos y sumar da 0≤θx+(1−θ)y≤2.
  3. Conclusión

    No solo esta pareja: cualquier segmento entre puntos del intervalo queda dentro.

Resultado

El intervalo es convexo.

Lo comprobamos

Los pesos suman uno; una suma arbitraria de puntos no describe necesariamente el segmento.

Distinguir el borde de una región rellena

Circunferencia x²+y²=1 y disco x²+y²≤1.

  1. Dos puntos

    (1;0) y (−1;0) están en ambos conjuntos.

  2. Punto medio

    Su promedio es (0;0), que no está en la circunferencia pero sí en el disco.

  3. Disco completo

    Por desigualdad triangular, ‖θu+(1−θ)v‖≤θ‖u‖+(1−θ)‖v‖≤1 para u, v del disco.

Resultado

La circunferencia no es convexa; el disco sí.

Lo comprobamos

Una sola pareja que falle basta para refutar convexidad, pero una sola que funcione no basta para demostrarla.

2. Una función convexa queda por debajo de las cuerdas de su gráfica

Sobre un dominio convexo, f es convexa si f(θx+(1−θ)y)≤θf(x)+(1−θ)f(y) para todos los puntos y pesos permitidos. Primero promediamos las entradas y evaluamos; después comparamos con promediar sus valores. La cuerda usa exactamente la misma proporción.

Convexidad compara dos valores con lo que ocurre entre ellos
f(x)=x²El valor queda bajo la cuerda−11/22f(1/2)=1/4Cuerda en el centro: 5/2
La cuerda une (−1,1) y (2,4). En el punto medio de las entradas, x=1/2, su altura es (1+4)/2=5/2, mientras la función vale 1/4. La desigualdad convexa usa la misma proporción al promediar entradas y valores.
Es estrictamente convexa si la desigualdad es estricta para x≠y y 0<θ<1.

Una función afín da igualdad siempre y es convexa y cóncava. Cambiar f por −f intercambia ambas propiedades. La forma de una pequeña parte de la gráfica no demuestra una condición que se pide en todo el dominio.

Ver la diferencia entre la cuerda y una parábola

f(x)=x²; x=−1, y=2 y θ=1/2.

  1. Promedio de entradas

    (−1+2)/2=1/2; f(1/2)=1/4.
  2. Promedio de valores

    (f(−1)+f(2))/2=(1+4)/2=5/2.
  3. Prueba general

    θx²+(1−θ)y²−(θx+(1−θ)y)²=θ(1−θ)(x−y)²≥0, y es positivo para puntos distintos y pesos interiores.

Resultado

x² es estrictamente convexa; la diferencia del ejemplo es 9/4.

Lo comprobamos

El dibujo representa esa separación vertical, no la distancia entre las entradas.

Una función convexa puede tener tramos rectos

f(x)=|x|.

  1. Convexidad

    La desigualdad triangular da |θx+(1−θ)y|≤θ|x|+(1−θ)|y|.
  2. Falla de estricta convexidad

    Para x=1, y=3 y θ=1/2, f(2)=2=(1+3)/2.
  3. Mínimo

    Aun así, |x|≥0 y solo se anula en cero: tiene mínimo único sin ser estrictamente convexa.

Resultado

Estrictez es una condición suficiente para unicidad, no una equivalencia.

Lo comprobamos

La definición de convexidad no requiere que exista derivada en cero.

3. Un problema convexo necesita objetivo y región factible adecuados

Minimizar una función convexa sobre un conjunto convexo es un problema convexo. Una representación suficiente usa desigualdades gᵢ≤0 con gᵢ convexas e igualdades afines. No hace falta que todas las restricciones sean lineales: los subniveles de funciones convexas también son convexos.

El sentido importa. Un supernivel de una función convexa puede no ser convexo; una igualdad no lineal tampoco garantiza convexidad. Maximizar una función convexa es otra tarea. Diagnosticamos el problema completo, incluido el dominio, antes de aplicar certificados.

Una restricción cuadrática puede dar un problema convexo

Minimizar x²+y² con x²+y²≤1.

  1. Región

    Es el disco unidad, convexo.

  2. Objetivo

    La suma de cuadrados es convexa; su valor nunca es negativo.

  3. Solución

    (0;0) es factible y da cero; cualquier otro punto da un valor mayor.

Resultado

El problema es convexo aunque la restricción no sea lineal.

Lo comprobamos

No se ha reemplazado el disco por su circunferencia.

Invertir una desigualdad cambia la geometría

Ahora exigimos x²+y²≥1, con el mismo objetivo.

  1. Contraejemplo

    (1;0) y (−1;0) son factibles, pero su punto medio no lo es.

  2. Representación

    Escribir 1−x²−y²≤0 usa una función cóncava, no una desigualdad convexa del tipo anterior.

  3. Óptimos

    El valor mínimo es uno en toda la circunferencia, porque la propia restricción lo impone.

Resultado

Este modelo no tiene región convexa, aunque su objetivo siga siendo convexo.

Lo comprobamos

Que podamos resolverlo directamente no cambia su clasificación geométrica.

4. En un problema convexo, todo mínimo local es global

Supongamos que x* es mínimo local y que existe un y factible con f(y)<f(x*).

El segmento x_t=(1−t)x*+ty sigue siendo factible.

Para t>0 pequeño está tan cerca de x* como queramos, y convexidad da f(x_t)≤(1−t)f(x*)+tf(y)<f(x*), contradicción. La prueba incluye mínimos en fronteras y no necesita derivadas.

La hipótesis combina convexidad del objetivo y del conjunto. Sin ella, un pozo cercano puede ser peor que otro más lejano. Un punto estacionario de una función arbitraria tampoco se convierte en mínimo por haber anulado su derivada.

Un mínimo de frontera también puede ser global

Minimizar f(x)=(x−2)² sobre [0,1].

  1. Comparar distancias

    Entre cero y uno, el punto más próximo a dos es uno.

  2. Valor y derivada

    f(1)=1 y f′(1)=−2, distinto de cero.
  3. Garantía

    El objetivo y el intervalo son convexos; el mínimo relativo al conjunto es global.

Resultado

El mínimo se alcanza en x=1, aunque la derivada no se anule.

Lo comprobamos

Moverse más a la derecha mejoraría la función, pero violaría el dominio.

Sin convexidad, un mínimo local puede ser superado

f(x)=3x⁴−16x³+18x² en R.

  1. Candidatos

    f′(x)=12x(x−1)(x−3); los ceros son 0,1,3.
  2. Clasificar

    f″(0)=36>0 y f″(3)=72>0: ambos son mínimos locales.
    En uno, f″(1)=−24<0, hay máximo local.
  3. Comparar

    f(0)=0 y f(3)=−27.

    El mínimo local de cero no es global.

  4. Existencia global

    La función tiende a más infinito cuando |x| crece, así alcanza un mínimo; entre sus candidatos, tres da el menor valor.

Resultado

La condición de convexidad evitaba precisamente esta multiplicidad de pozos.

Lo comprobamos

No se declara global un candidato solo por tener segunda derivada positiva.

5. El plano tangente de una función convexa da una cota inferior global

Para f diferenciable en un abierto convexo, f(y)≥f(x)+∇f(x)ᵀ(y−x).

Se deriva aplicando convexidad al segmento x+t(y−x), dividiendo la diferencia por t>0 y tomando t→0. El gradiente contiene las derivadas parciales y su producto con el desplazamiento es el cambio lineal previsto.

Si ∇f(x*)=0, la cota demuestra mínimo global sin restricciones. Para minimizar sobre C convexo, la condición ∇f(x*)ᵀ(y−x*)≥0 para todo y∈C basta. Bajo diferenciabilidad apropiada también es necesaria en un mínimo sobre C: las derivadas iniciales de todos los segmentos factibles no pueden ser negativas.

Comprobar la cota para todos los valores con un cuadrado

f(y)=y², tangente construida en x=1.

  1. Punto y pendiente

    f(1)=1 y f′(1)=2; la recta es 1+2(y−1)=2y−1.
  2. Diferencia

    f(y)−(2y−1)=y²−2y+1=(y−1)²≥0.
  3. Interpretar

    La recta sostiene la parábola desde abajo, pero x=1 no es su mínimo porque la pendiente dos no es cero.

Resultado

Una cota tangente puede ser global sin que su punto de contacto sea óptimo.

Lo comprobamos

La desigualdad se ha demostrado para cualquier y, no solo para dos muestras.

El signo de las direcciones factibles certifica una frontera

f(x)=(x−3)², C=[0,2]; candidato x*=2.

  1. Datos

    f(2)=1 y f′(2)=−2.
  2. Direcciones permitidas

    Para cualquier y∈[0,2], y−2≤0; por tanto (−2)(y−2)≥0.
  3. Cota

    f(y)≥f(2)+(−2)(y−2)≥1.
Resultado

El mínimo global sobre el intervalo es uno en dos.

Lo comprobamos

Pedir gradiente cero habría descartado incorrectamente la solución de frontera.

Un gradiente nulo puede ser un certificado sencillo

f(x, y)=x²+2(y−1)² en R².

  1. Gradiente

    ∇f=(2x;4(y−1)).
  2. Anular

    Solo se anula en (0;1).

  3. Globalidad

    Cada sumando es no negativo y el objetivo se anula allí. La convexidad ofrece además la cota tangente constante cero.

Resultado

El mínimo es cero y se alcanza únicamente en (0;1).

Lo comprobamos

La comprobación directa por cuadrados confirma el certificado de gradiente.

6. La Hessiana controla la curvatura en todas las direcciones

Si f es C² en un abierto convexo, es convexa exactamente cuando H(x) es semidefinida positiva en cada punto: vᵀH(x)v≥0 para todo vector v. La restricción a una recta tiene segunda derivada de esa forma. Positividad definida en todo punto implica estricta convexidad, pero no es una condición necesaria para ella.

Comprobar H solo en un punto informa de curvatura local. No prueba convexidad en todo el dominio. En particular, una segunda derivada cero no descarta un extremo: hay que seguir analizando. Esta distinción evita convertir una prueba suficiente en una regla falsa de clasificación.

Completar cuadrados en una forma cuadrática demuestra positividad

f(x, y)=2x²+2xy+3y².

  1. Hessiana

    H=[[4,2],[2,6]].
  2. Toda dirección

    Para v=(s; t), vᵀHv=4s²+4st+6t²=4(s+t/2)²+5t².
  3. Conclusión

    La expresión es positiva salvo s=t=0.

    La Hessiana constante es definida positiva en todo R².

Resultado

f es estrictamente convexa y se minimiza únicamente en el origen.

Lo comprobamos

El término cruzado no se ignora: se incorpora al cuadrado completo.

Curvatura cero en un punto es compatible con estricta convexidad

f(x)=x⁴.

  1. Segunda derivada

    f″(x)=12x²≥0, pero vale cero en x=0.
  2. Estrictez

    f′(x)=4x³ es estrictamente creciente: las pendientes medias en intervalos consecutivos aumentan, lo que da la desigualdad estricta de cuerdas.

  3. Mínimo

    x⁴≥0 y solo se anula en cero, donde sí hay mínimo.

Resultado

No es válida la regla segunda derivada cero implica que no hay extremo.

Lo comprobamos

La prueba de segunda derivada en ese caso es inconcluyente; otras propiedades resuelven la cuestión.

Una comprobación local no sustituye la global

f(x)=x²−x⁴.

  1. En cero

    f′(0)=0 y f″(0)=2>0: hay un mínimo local.
  2. En otro lugar

    f″(1)=2−12=−10, incompatible con convexidad en toda R.
  3. Lejos

    Cuando |x| crece, f tiende a menos infinito; el mínimo local de cero no es global.

Resultado

La condición de Hessiana debía cumplirse en todo el dominio convexo.

Lo comprobamos

Se ha contrastado el mismo objetivo en más de una escala y ubicación.

7. Existencia y unicidad responden a preguntas distintas

La estricta convexidad sobre C convexo impide dos mínimos distintos: su punto medio tendría valor menor. Eso prueba a lo sumo uno. Para existencia podemos usar continuidad sobre un C compacto no vacío. Otra vía, en dimensión finita, es continuidad y coercividad sobre un C cerrado no vacío: f crece hacia más infinito cuando ‖x‖→∞ dentro del conjunto.

En el segundo caso, tomamos un punto factible x₀ y el subnivel f≤f(x₀). Es no vacío, cerrado y acotado, por tanto compacto; el mínimo que alcanza allí es también global. Si faltan las condiciones, puede existir un ínfimo finito sin ningún punto que lo alcance.

El crecimiento controla la búsqueda en una recta no acotada

f(x)=(x−4)²+1 en R.

  1. Hacia fuera

    Cuando |x|→∞, también f(x)→∞: es coerciva.
  2. Existencia

    Es continua sobre el conjunto cerrado no vacío R, por lo que alcanza un mínimo.

  3. Identificar y distinguir

    El cuadrado se anula en cuatro y da valor uno; su estricta convexidad garantiza que es el único.

Resultado

Existencia y unicidad tienen justificaciones compatibles, pero diferentes.

Lo comprobamos

No hace falta que el dominio entero sea compacto si podemos reducir a un subnivel compacto.

Una curva estrictamente convexa puede acercarse sin llegar

f(x)=e⁻ˣ en R.

  1. Curvatura

    f″(x)=e⁻ˣ>0, así es estrictamente convexa.
  2. Límite

    Al crecer x, el valor se acerca a cero.

  3. No alcanzar

    La exponencial sigue siendo positiva para todo x; su ínfimo cero no se alcanza y no es coerciva.

Resultado

Estrictez no garantiza existencia.

Lo comprobamos

Añadir una frontera artificial a R cambiaría el problema, aunque entonces pudiese aparecer un mínimo.

8. Una aproximación necesita una cota cuantitativa de lo que aún puede mejorar

En un problema sin restricciones con mínimo existente y f fuertemente convexa de parámetro m>0, f(y)≥f(x)+gᵀ(y−x)+(m/2)‖y−x‖².

Minimizar ese lado cuadrático da f(x)−f*≤‖g‖²/(2m).

Además ‖x−x*‖≤‖g‖/m, por la monotonía fuerte del gradiente. Sin un m válido no se deducen esas cifras de un gradiente pequeño.

Sobre C compacto convexo, la cota tangente da f(x)−f*≤G(x), donde G(x)=max_{y∈C}∇f(x)ᵀ(x−y), para x factible. G mide si queda una dirección factible que mejore. En una frontera puede ser cero con gradiente no nulo. Las dos cotas responden a modelos y condiciones distintos.

Convertir un gradiente en error de valor y distancia

f(x)=2(x−1)²+3; aproximación x=1,1.

  1. Parámetro

    f″=4, así sirve m=4.
  2. Gradiente y cotas

    g=4(x−1)=0,4.

    La suboptimalidad es como máximo 0,4²/(2·4)=0,02; la distancia, como máximo 0,4/4=0,1.

  3. Comprobar

    El mínimo es tres en uno; el valor aproximado es 3,02, con distancia 0,1. Aquí ambas cotas se alcanzan.

Resultado

Los indicadores numéricos se convierten en garantías con una constante justificada.

Lo comprobamos

No se anuncia esa misma cota para otra función sin controlar su convexidad fuerte.

Una brecha factible reconoce un óptimo con pendiente no nula

f(x)=(x−2)² en C=[0,1].

  1. Aproximación

    En x=0,9, g=−2,2 y G=max_{0≤y≤1}(−2,2)(0,9−y)=0,22, alcanzado en y=1.
  2. Referencia

    f(0,9)−f(1)=1,21−1=0,21≤0,22.
  3. En el óptimo

    Para x=1, g=−2 y G=max_{0≤y≤1}(−2)(1−y)=0, aunque g≠0.
Resultado

La restricción determina qué mejoras cuentan.

Lo comprobamos

Primero verificamos que x sea factible; la brecha no arregla una decisión fuera del conjunto.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Mínimo por gradiente

Minimiza f(x)=(x−3)²+2 en R.

  1. Objetivo

    f(x)=(x−3)²+2 en R.
  2. Gradiente escalar

    f′(x)=2(x−3).
  3. Candidato

    f′=0 da x=3.
  4. Convexidad

    f″=2>0 en toda R, así f es estrictamente convexa.
  5. Valor

    f(3)=2.
  6. Certificado directo

    El cuadrado es no negativo y se anula únicamente en tres. El mínimo único es dos, alcanzado en ese punto.

Resultado

Mínimo único 2 en x=3.

Lo comprobamos

El cuadrado es no negativo y se anula en 3.

EJEMPLO RESUELTO 2

Comprobar una matriz Hessiana

Para f(x,y)=x²+2y², determina si es convexa.

  1. Función

    f(x, y)=x²+2y².
  2. Primeras derivadas

    ∇f=(2x;4y).
  3. Hessiana

    H=diag(2;4).
  4. Todas las direcciones

    Para (s; t)≠(0;0), (s; t)H(s; t)ᵀ=2s²+4t²>0.
  5. Convexidad

    La Hessiana es definida positiva en todo el plano; la función es estrictamente convexa.

  6. Mínimo

    El gradiente se anula solo en (0;0), que da cero. La suma de cuadrados confirma que es el mínimo global único.

Resultado

Es estrictamente convexa y su mínimo único es (0,0).

Lo comprobamos

La función es una suma de cuadrados con coeficientes positivos.

Los símbolos que hemos usado

Conjunto convexo
Contiene el segmento completo entre cualesquiera dos puntos suyos.
Función convexa
Su valor en una combinación convexa no supera la combinación de valores.
Estrictamente convexa
La desigualdad es estricta para puntos distintos y pesos interiores.
Hessiana H
Matriz de segundas derivadas en un punto.
Semidefinida positiva
vᵀHv≥0 para todo vector v.
Ínfimo
Mayor cota inferior de los valores, que puede no alcanzarse.
Minimizador
Punto factible que alcanza el menor valor.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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