拟凹函数 (Quasiconcave Function)
拟凹函数 (Quasiconcave Function) 是数学与经济学中对凹函数概念的重要推广,在微观经济学的效用理论和生产理论中扮演核心角色。其定义弱于凹函数,但保留了优化理论中的关键性质。
形式化定义
设 S⊆Rn 为凸集,函数 f:S→R 称为拟凹函数,若对任意 x,y∈S 和 θ∈[0,1] 有:
f(θx+(1−θ)y)≥min{f(x),f(y)}
直观上,连接任意两点的线段上,函数值不低于两端点函数值中的较小者。
等价定义(上水平集):f 是拟凹函数,当且仅当对所有实数 c,其上水平集 Uc={x∈S∣f(x)≥c} 均为凸集。在消费者理论中,这对应着消费者偏好是凸偏好,即消费者倾向于多样化消费而非极端消费。
与凹函数的关系
所有凹函数都是拟凹函数,但反之不成立。凹函数要求 f(θx+(1−θ)y)≥θf(x)+(1−θ)f(y),加权平均值总不小于最小值,故凹函数必为拟凹函数。
反例:f(x)=x3 是拟凹函数(严格单调递增),但 f′′(x)=6x 在 x>0 时为正,故不是凹函数。
图形化理解
单变量拟凹函数表现为单调函数或单峰形状(先增后减)。多变量拟凹函数的所有等高线所围区域皆为凸形,从上俯瞰其图形,不会有凹陷状轮廓。
主要性质
保序变换:若 f 拟凹,g 为非递减函数,则复合函数 h(x)=g(f(x)) 也拟凹。该性质意味着对效用函数进行任意单调变换(如取对数),不改变其拟凹性。
一阶条件:可微拟凹函数满足 f(y)≥f(x)⟹∇f(x)T(y−x)≥0,即从 x 向函数值更高的点移动时,移动方向与梯度方向夹角不超过90度。
最优化:在凸集上最大化拟凹函数时,任何局部最大值都是全局最大值,这极大简化了求解过程。
在经济学中的应用
效用理论:代表凸偏好的效用函数必为拟凹函数,其无差异曲线凸向原点。
生产理论:生产函数通常假定为拟凹,对应边际技术替代率递减的经济学假设。
相关概念
拟凸函数:−f 拟凹当且仅当 f 拟凸,其所有下水平集 {x∣f(x)≤c} 为凸集。
强拟凹函数:对任意 x=y 和 θ∈(0,1) 有严格不等式 f(θx+(1−θ)y)>min{f(x),f(y)},可保证最优解的唯一性。