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Operations that preserve convexity

Math > Convex Optimization

2026-02-262분 읽기

#math #convex-optimization #convexity #operations

convex set의 convexity를 유지하는 연산에 대해서 알아보자.

Convexity를 유지하는 연산

Intersection

Convex set의 교집합은 convex이다. 즉, S1S_1 과 S2S_2 이 convex라면, S1∩S2S_1 \cap S_2 은 convex이다.
Set의 convexity는 무한한 halfspace의 교집합으로 표현 가능하며 그 반대도 성립한다.
즉, closed convex set SS 는 SS 를 포함하는 모든 halfspace의 교집합으로 다음과 같이 정의할 수 있다.

S=⋂{H∣H halfspace, S⊆H}S = \bigcap \{\mathcal{H} \mid \mathcal{H}\ \text{halfspace,}\ S \subseteq \mathcal{H}\}

Affine functions

A∈Rm×nA \in \mathbb{R}^{m\times n} 이고 b∈Rmb \in \mathbb{R}^m 일 때, f:Rn↦Rmf: \mathbb{R}^n \mapsto \mathbb{R}^m 인 f(x)=Ax+bf(x) = Ax + b 을 affine function이라 한다.
이때, C⊆RnC \subseteq \mathbb{R}^n 가 convex이고 D⊆RmD \subseteq \mathbb{R}^m 가 convex이면

Affine function인 scaling and translation, projection, sum of two sets, partial sum of set과 같은 연산을 convex set에 적용하면 결과는 convex set이다.

예시

Linear matrix inequality의 해집합 {x∣x1A1+⋯+xmAm⪯B}( with Ai,B∈Sn)\{x \mid x_1A_1 + \dots + x_m A_m \preceq B\}(\ \text{with}\ A_i, B\in S^n) 도 convex이다.

Perspective function

Perspective function은 카메라에 상이 맺히는 것과 같이 멀리 있는 물체는 작게, 가까이 있는 물체는 크게 원근에 따라 상을 만드는 함수이다. 따라서, 피사체는 Rn+1R^{n+1} 차원의 공간에 있고 상은 RnR^n 차원의 평면에 맺히게 된다.

pin-hole camera

이미지 출처: Convex Optimization for All