Convexidad

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La convexidad de una curva o una superficie, es la zona que se asemeja al exterior de una circunferencia o una superficie esférica, es decir, que tiene su parte sobresaliente dirigida al observador. Es el concepto opuesto a la 'concavidad'.


Definición de convexidad.

Una parte C de un espacio vectorial real es convexa si para cada par de puntos de C, el segmento que los une está totalmente incluido en C; es decir, un conjunto es convexo si se puede ir de cualquier punto a cualquier otro en línea recta, sin salir del mismo.

Definición formal: C es convexo si y solo si para todo  (A,B) \in C y  \forall t \in [0;1] :

 [AB] \subset C

Es decir,

 (1-t) \cdot A + t \cdot B \in C

En un conjunto no convexo cada segmento que muestra la no convexidad tiene forzosamente que atravesar por lo menos dos veces (en E´y F´) el borde \partial Y del conjunto (el borde o la frontera de un conjunto C lo constituyen los puntos del espacio en contacto a la vez con C y su complementario). Por tanto la convexidad depende esencialmente de la forma del borde del conjunto, y la definición equivale a:

\forall (A,B) \in \partial C, \forall t \in [0;1] , (1-t) \cdot A + t \cdot B \in C

Nótese que en esta fórmula, la suma de los coeficientes (1-t) y t es 1, por lo tanto el punto así definido no depende del origen del sistema de coordenadas.

Convexidad por tangentes.

En el caso de una frontera diferenciable (sin puntos angulosos) se pueden considerar sus tangentes, y resulta bastante intuitivo que los convexos se caracterizan por hallarse enteramente del mismo lado de cada tangente; es decir que las tangentes nunca atraviesan C (como en el punto A de la figura). Esta propiedad sigue cierta en presencia de puntos angulosos, como en el caso de los polígonos convexos.

Se establece la equivalencia de estas dos caracterizaciones considerando que una tangente (en A por ejemplo) es la posición límite de las cuerdas [AA'] con A' acercándose indefinidamente de A, en el borde de C. El segmento [AA´] está en C mientras que el esto de la recta (AA') está fuera (por el absurdo: si se encuentra un punto B de C en la recta (AA´), fuera de [AA'], entonces el segmento [AB], exterior a C, contradice su convexidad).

Envoltura convexa de un conjunto[editar]

Envolturas convexas de sendos conjuntos.

Se llama envoltura convexa de un conjunto dado C al menor (por inclusión) conjunto convexo que contiene a C (es fácil ver que siempre existe). En la figura, la envoltura convexa de la forma azul oscuro es todo el dominio azul (es decir la unión del conjunto original azul oscuro con el dominio azul claro), y la envoltura convexa de los cinco puntos verde oscuro es el polígono verde claro (incluyendo los puntos, por supuesto).

Se establece con facilidad que la envoltura convexa es el conjunto de todos los baricentros positivos (es decir con coeficientes todos positivos) de los puntos del conjunto inicial.

En la figura, C es un baricentro positivo de A y B porque está en el segmento [AB], y G es otro tanto de D,E y F, porque se encuentra en el triángulo DEF.

Función convexa[editar]

Función convexa cualquiera.

Se dice que una función real, definida sobre un intervalo es convexa si el dominio del plano situado por encima de su curva (en gris en la figura) lo es.

Sin sorpresa, las consideraciones anteriores se aplican: Sólo importa la frontera del dominio, es decir la curva de ecuación y = f(x). La convexidad se expresa así:

Para cualquier par (x, x') en el intervalo I, y cualquier t \in [0;1]:
f(tx+(1-t)x') \le t f(x) + (1-t)f(x')

Ejemplos: la hipérbola y =  1 \over x (con x > 0), las parábolas y = ax2 + bx + c, con a > 0 y x real variable, y la función exponencial y = ex.

Desigualdad de la convexidad.

Si la función f es derivable entonces la convexidad equivale a la condición siguiente: f'(x) \le \frac {f(x') - f(x)} {x' - x} \le f'(x') que significa que la pendiente de la cuerda entre dos puntos x y x' está contenida entre los valores extremos de la derivada. Esto equivale al que la derivada sea creciente, en todo el dominio de f '.

Si f es dos veces derivable, lo anterior significa que la derivada segunda es positiva: f"(x) ≥ 0.

Es fácil verificar que los tres ejemplos anteriores son convexos: \left ( \frac 1 x \right ) ^{\prime \prime} = \frac 2 {x^3} , positivo cuando x > 0; (ax2 + bx + c)" = 2a > 0; y (ex)" = ex, siempre positivo.

Diferencias entre convexidad y concavidad[editar]

La concavidad y la convexidad son definiciones arbitrarias y opuestas en matemática y geometría, por tanto intercambiables sin perjuicio del sistema. Se encuentran ambas posibilidades de definición en distintos ámbitos, por lo que es necesaria la definición de al menos una de ellas en origen.

Véase también[editar]

Referencias[editar]