为什么数学概念中，将凸起的函数称为凹函数？

如

所引用的，中国大陆数学界某些机构关于函数凹凸性定义和另一些机构不同。

那么我们来讲凸函数（convex function）为什么叫做是凸（convex）的： 这是因为凸函数与凸集（convex set）有联系 ，而凸集的定义没有争议。

1. 凸函数与凸集通过 sublevel sets 这个概念联系起来。

首先来看一个函数的 sublevel sets。对于函数 f 来说，它的 \alpha -sublevel set C_\alpha 是这样定义的:

C_\alpha = \lbrace x \in \mathbf{dom} \,f \, | \, f(x) \leq \alpha \rbrace

也就是在函数定义域内，对应函数值小于 \alpha 的自变量的取值构成的集合。

联系1： 对于任意 \alpha 来说，一个凸函数的 \alpha -sublevel set 是一个凸集。

注意该命题的逆命题不成立。为了更好的理解这个概念，以及逆命题为什么不成立，我们来看一个例子（图来自参考资料）：

这是一个定义域和值域都在 \mathbb{R} 里面的函数，它是非凸的。它的 \alpha -sublevel set 就是 [a,b] ，显然是一个凸集。我们甚至可以看到对于这个函数，给定任意 \alpha 它的 \alpha -sublevel set 都是凸集，但这个函数不是凸函数。这样的函数有一个名字叫做 quasiconvex.

2. 凸函数与凸集通过 epigraph 这个概念联系起来。

接着看一个函数的 epigraph。它是这样定义的：

\mathbf{epi}\, f = \lbrace (x,t) \,|\, x \in \mathbf{dom}\,f, f(x) \leq t \rbrace

这个前缀 epi 好像是 above 的意思，那么epigraph的意思大概是「上方的图」。对于 \mathbb{R} \to \mathbb{R} 的函数，它的 epigraph 就应该是 \mathbb{R}^2 的子集。

接着看刚才的栗子，这个函数的epigraph就是函数上方的灰色部分（原谅我）：

看到了吗，这不是一个凸集。

联系2： 凸函数的 epigraph 是一个凸集，反之也成立。也就是说，一个函数是凸函数， 当且仅当 它的 epigraph 是凸集。

参考资料：

Stephen Boyd and Lieven Vandenberghe. Convex Optimization. Cambridge University Press, 2004.

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突然发现 sublevel sets 和 epigraph 这两个概念也是相对的，把 sublevel sets 定义的小于等于号换成大于等于号说不定就有了 "superlevel sets", 同样的还可以定义 "hypograph", 所以可能凹凸的分别还是 by convention吧？