Является ли монотонной данная функция

Является ли монотонной данная функция

Моното́нная фу́нкция — это функция, приращение которой не меняет знака, то есть либо всегда неотрицательное, либо всегда неположительное. Если в дополнение приращение не равно нулю, то функция называется стро́го моното́нной. Монотонная функция — это функция, меняющаяся в одном и том же направлении.

Функция возрастает, если большему значению аргумента соответствует большее значение функции. Функция убывает, если большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции.

Пусть дана функция Тогда

функция называется возраста́ющей на , если

.

функция называется стро́го возраста́ющей на , если

.

функция называется убыва́ющей на , если

.

функция называется стро́го убыва́ющей на , если

.

(Строго) возрастающая или убывающая функция называется (строго) монотонной.

Функция y = f(x) называется возрастающей (убывающей) в некотором интервале, если при x1 f(x2)).

Если дифференцируемая функция y = f(x) на отрезке [a, b] возрастает (убывает), то ее производная на этом отрезке f ‘(x) > 0

(f ‘ (x) 0 (

График функции y=f(x) называется выпуклым на интервале (a; b), если он расположен ниже любой своей касательной на этом интервале.

График функции y=f(x) называется вогнутым на интервале (a; b), если он расположен выше любой своей касательной на этом интервале.

На рисунке показана кривая, выпуклая на (a; b) и вогнутая на (b; c).

Полуокружность выпукла на [–1; 1].

Парабола y = x 2 вогнута на интервале (-∞; +∞).

График функции в одних интервалах может быть выпуклым, а в других вогнутым. Так график функции y = sin x на [0,2; π], выпуклый в интервале (0; π) и вогнутый в (π; 2π).

Рассмотрим достаточный признак, позволяющий установить, будет ли график функции в данном интервале выпуклым или вогнутым.

Теорема. Пусть y=f(x) дифференцируема на (a; b). Если во всех точках интервала (a; b) вторая производная функции y = f(x) отрицательная, т.е. f»(x) 0 – вогнутый.

Функция монотонна на неком промежутке, когда она возрастает или убывает на избранном интервале. То есть монотонность функции можно толковать дословно – как ее однообразие.

Функция возрастает на промежутке, когда для всякой пары точек избранного интервала, выраженных соотношением х2 > х1, верно неравенство f (х2) > f (х1). Следовательно, большему значению аргумента соответствует большее значение функции, и её график располагается «снизу вверх».

Читайте также:  Ширина столбца в экселе в чем измеряется

Определение. Булева функция f(x1, …, xn) называется монотонной (принадлежит классу M), если для любой пары наборов α и β таких, что αβ, выполняется условие f(α)≤ f(β) (назовем его условием монотонности).

Примеры. Исследуем мажоритарную булеву функцию.

Перебор пар начнем с наборов α=000 и β=001: для них αβ и выполнено условие монотонности f(000)=f(001). Отметим, что набор α таков, что любой другой набор β является последователем α, и, казалось бы, следует анализировать каждую из этих пар. Однако f(α)=0, поэтому условие f(α)≤ f(β) будет выполнено для любого набора β. Значит, в качестве α достаточно рассмотреть лишь те наборы, на которых функция принимает значение единица: 011, 101, 110 и 111. Кроме того, наборы в таблице истинности расположены в естественном порядке, значит, наборы –последователи лежат ниже предшественников. Набор α=011 имеет единственного последователя β=111 и f(011)=f(111), то есть условие монотонности для этой пары не нарушено. Рассмотрим остальные возможные пары наборов: α=101, β=111 и α=110, β=111 (набор α=111 последователей не имеет). Для них условие монотонности также не нарушено. Значит, мажоритарная функция монотонна.

Из элементарных булевых функций монотонными являются, например, конъюнкция и дизъюнкция. Не являются монотонными, например, штрих Шеффера и стрелка Пирса. •

В общем случае набор имеет несколько последователей, и для всех таких пар надо проверять выполнение условия монотонности. Чтобы сформулировать более простой алгоритм распознавания монотонной функции, докажем утверждение, которое к тому же будет использовано при доказательстве леммы о немонотонной функции.

Утверждение о условии немонотонности. Для любой пары наборов α и β таких, что αβ и f(α) > f(β), найдется пара соседних наборов α’, β’ с теми же свойствами: α’β’ и f(α’) > f(β’).

Читайте также:  Компактные зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов

Доказательство. Если α и β – соседи, то утверждение верно (α’=α, β’=β). Иначе вычислим расстояние d (по Хэммингу) между наборами α=a1… an и β=b1… bn и начнем строить цепочку наборов γ, …, γd такую, что

и любые два расположенных рядом набора γi –1i (i=1, …, d) являются соседями. Очередной набор γi получим из предыдущего набора γi –1 заменой значения одной из ортогональных компонент наборов γi –1 и β (это будет замена 0 на 1, так как αβ), затем проверим условие немонотонности f(γi –1)>f(γi). Если оно выполнено, утверждение доказано (α’=γi –1, β’=γi). Иначе получим и исследуем очередной набор. В худшем случае, когда постоянно выполняется условие монотонности, имеем

но тогда f(γd –1)=1 и f(β)=0, значит, условие немонотонности выполнится для последней пары: α’=γd –1 и β’=γd=β. •

Пример. Пусть задана пара булевых векторов , тогда цепочка соседей может иметь следующий вид:

Если f(α)>f(β), то смена значения функции с 1 на 0 произойдет по крайней мере на одной из четырех пар соседей. •

Алгоритм распознавания монотонной булевой функции (основан на утверждении о условии немонотонности).

Начало. Задана таблица истинности булевой функции.

Шаг 1. Сравниваем значения функции на наборах, соседних по первой переменной, то есть верхнюю половину столбца значений функции (вектор φ1) с нижней половиной (вектор φ1). Если условие φ1φ1 нарушено, то функция не монотонна, идем на конец.

Шаг 2. Сравниваем значения функции на наборах, соседних по второй переменной, то есть верхние четвертины столбца значений функции (векторы φ’2, φ»2) с нижними четвертинами (векторами φ’2, φ»2) в каждой половине. Если хотя бы одно из условий φ’2φ’2 и φ»2φ»2нарушено, то функция не монотонна, идем на конец.

Шаги 3 –n. Аналогично сравниваем восьмые, шестнадцатые части, и так далее. Если ни одно из проверяемых условий не нарушено, то функция монотонна.

Примеры. Рассмотрим две булевых функции (первая – мажоритарная).

Читайте также:  Тотал вар вархаммер вики

Проверим на монотонность мажоритарную функцию. Сравниваем половины столбца значений: φ1=0001 0111=φ1. Сравниваем четвертины: φ’2=00 01=φ’2, φ»2=01 11=φ»2. Сравниваем осьмушки: 0 0 , 0 1, 0 1 , 1 1 . Следовательно, мажоритарная функция монотонна.

Проверим на монотонность функцию g(x,y,z). Сравниваем половины столбца значений: φ1=0110 0111=φ1. Сравниваем четвертины: так как φ’2=01 не предшествует φ’2=10, функция g(x,y,z) не монотонна. •

Теорема о замкнутости класса M. Множество всех монотонных булевых функций является замкнутым классом.

Доказательство. Рассмотрим суперпозицию любых булевых функций из M, то есть функцию

и покажем, что она монотонна. Подставим в суперпозицию любую пару наборов α и β таких, что αβ, получим:

где γ и δ – булевы векторы. Так как αβ, и булевы функции f1(x1, …, xn), …, fm(x1, …, xn) монотонны, то γδ. Поскольку функция f(y1, …, ym) также монотонна, то f(γ)≤ f(δ), следовательно, f(α)≤ f(β), то есть f(x1, …, xn) монотонна, и класс M замкнут. •

Лемма о немонотонной булевой функции. Если булева функция немонотонна, то из нее подстановкой вместо аргументов констант 0 и 1 и переменной x можно получить инверсию переменной x .

Доказательство. Рассмотрим немонотонную функцию f(x1, …, xn). Согласно утверждению о условии немонотонности, существует пара соседних наборов α=a1… an и β=b1… bn таких, что αβ и f(α) > f(β), то есть

Пусть α и β – соседи по k –й компоненте, тогда

Подставим в функцию f(x1, …, xn) вместо каждого аргумента xi либо константу ai, если i ≠ k, либо переменную x, если i = k (подстановка константы и переменной допустима по условию теоремы). В результате получим функцию одного аргумента

Покажем, что g(x)= x :

Итак, инверсия x получена. •

Пример. Рассмотрим функцию f(y,z) = y ↓ z.

Она немонотонна, так как существует пара наборов α=00 и β=10 таких, что αβ и f(α)>f(β). Так как α и β – соседи по первой компоненте, то, согласно доказательству леммы, положим y=x и подставим вместо z константу 0, получим:

Ссылка на основную публикацию
Что является почтовым адресом
Как известно, Правилами ведения журналов учета полученных и выставленных счетов-фактур, книг покупок и книг продаж при расчетах по налогу на...
Что написать о себе в инстаграмме девушке
Вроде как и всё ясно, но в самом деле, как только доходит до дела, написать о себе в Инстаграм, у...
Что нового в айос 12 1
Apple выпустила iOS 12.1.1 − скорее всего, последнюю публичную сборку iOS 12 в этом году. Хотя это обновление по большей...
Что читает pdf формат
Существует множество инструментов, позволяющих прочесть формат PDF: от небольших утилит до онлайн сервисов и специализированных программных продуктов. Просто для прочтения,...
Adblock detector