Arg maxのソースを表示

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{{refimprove|date=2014-12}}
[[画像:Si sinc.svg|350px|thumb|例として、正規化および非正規化基正弦函数 {{math|[[sinc]]}} はともに {{math|arg&thinsp;max {{=}} {0} }}を満たす。実際、両函数は {{math|''x'' {{=}} 0}} のみにおいて最大値 {{math|1}} を達成する。他方、非正規基正弦函数（赤）は約 {{math|''x'' {{=}} ±4.49}} において二度、最小値約 {{math|&minus;0.217}} を取るから、{{math|arg&thinsp;min &asymp; {&minus;4.49,&nbsp;4.49} }}である。しかし正規化基正弦函数（青）は、最小値は同じく約 {{math|&minus;0.217}} だが、{{math|arg&thinsp;min &asymp; {&minus;1.43, 1.43} }}である。]]
[[数学]]において、'''最大値を与える引数'''（{{lang-en-short|arguments of the maxima}}）あるいは'''最大点集合'''は、[[関数 (数学)|関数]]がその最大値をとる[[定義域]]の元全体の成す集合である<ref group="note">混同を避けるため、[[臨界点 (数学)|臨界点]]と{{仮リンク|臨界値|en|critical value}}のように、入力 {{mvar|x}} のことは「点」、出力 {{mvar|y}} のことは「値」と呼び分けることは便利である。</ref>。省略して'''arg&thinsp;max''' (もしくは '''argmax''') と書かれる。[[最大値]]が函数の出力のうち最も大きいものを指すのと対照に、最大点は最大値を出力する入力の値を指す。

最大点集合は一般に複数の元を含むが、それは有限集合であることも無限集合であることも起こり得るし、[[空集合|空]]となることもあり得る。

== 定義 ==
=== 最大点作用素 ===
関数 {{mvar|f}} に対する'''最大点作用素 {{math|arg&thinsp;max}} '''は
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{x \in P} f(x) := \{x \in P \mid \,\forall y \in P : f(y) \le f(x)\}</math>
(ただし {{mvar|P}} は最大をとる範囲に入るために {{mvar|x}} が満たすべき条件) で定義される。即ちその値は {{math|''f''(''x'')}} がその最大値を達成する点 {{mvar|x}} 全体の成す[[集合]]である。
[[同値|同じこと]]だが、{{mvar|f}} の最大値 {{mvar|M}} が既知であるならば、{{math|arg&thinsp;max}} を最大値に対する[[等位集合]]（最大値 {{mvar|M}} の[[原像|引き戻し]]）
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{x \in P} f(x) = \{ x \in P \mid f(x) = M \} =: f^{-1}(M) </math>
としても定義できる。

=== 最小点作用素 ===
最小値を与える引数、'''最小点作用素''' {{math|'''arg&thinsp;min'''}} ({{math|'''argmin'''}}) が同様に定義される。
: <math>\mathop{\rm arg\,min}\limits_{x \in P} f(x) := \{x \in P \mid \,\forall y \in P : f(y) \ge f(x)\}</math>
すなわち {{math|{{underset|''x''|arg min}} ''f''(''x'')}} は {{math|''f''(''x'')}} が最小値を達成する点 {{mvar|x}} 全体の成す集合である。もちろん、最小値作用素 {{math|min}} に対を成す。

=== 最大値作用素との比較 ===
最大点作用素は、与えられた関数に対してその最大値を返す最大値作用素 {{math|max}} と自然に対を成すものである（最大値作用素は最大値を達成する点ではなくて最大値自体を返す。すなわち
: <math>\max_x f(x)\in \{f(x) \mid  \forall y : f(y) \le f(x)\}</math>
である。右辺の集合は空集合となり得る（最大値がない場合がある）が、空でなければ必ずただ一つの元（つまり最大値）しか持たない。

== 注意 ==
最大点集合は[[空集合|空]]となることも、一つの元からなることも、多数の元を含むことも起こり得る。例えば {{math|1=''f''(''x'') = 1 &minus; {{abs|''x''}} (&minus;1 &le; ''x'' &le; 1)}}とすれば、最大値 {{math|1}} を達成するのは {{math|1=''x'' = 0}} ただ一つであるから
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{-1\le x\le 1} (1-|x|) = \{0\}</math>
が成り立つ。最大点がただ一つの場合はしばしば[[単集合]]でなく値そのものを返すものと扱われる。例えば、
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{x\in \mathbb{R}} (1-|x|) = 0</math>,
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{x\in \mathbb{R}} (x(10-x)) = 5</math>.
しかし複数の点で最大値を取る場合は[[集合]]が返ることを忘れてはならない。例えば、
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{x \in [0,4\pi]} \cos(x) = \{0,2\pi,4\pi\}</math>,
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{x \in \mathbb{R}} \cos(x) = \{0, 2\pi, -2\pi, 4\pi, \dots \} = \{2n\pi \mid n \in \mathbb{Z}\}</math>.
一般には関数が最大値を有するとは限らないので、{{math|arg max}} は[[空集合]]を返し得る。例えば、
: <math>\mathop{\rm arg\,max}\limits_{x \in \mathbb{R}} x^3 = \emptyset</math>（{{math|''x''{{exp|3}}}} は {{math|'''R'''}} 上非有界）.
但し、[[最大値最小値定理|最大値・最小値の定理]]によって(もしくは[[コンパクト空間]]の基礎的な定理によって)、[[コンパクト空間|コンパクト集合]]上連続な関数については {{math|arg max}} が空でないことが保証される<ref>[http://www.misojiro.t.u-tokyo.ac.jp/~murota/lect-kisosuri/compactRn041202.pdf 有界閉とコンパクト] [[東京大学]]基礎数理の授業の講義資料。コンパクト空間の基礎的な定理によってコンパクト集合ならば有界閉集合になることを示している。</ref>。

== 関連項目 ==
*[[最大と最小#全順序に関する最大元・最小元]]
*[[最適化問題]]
*[[関数の引数]]
*[[最頻値]]
*[[数理最適化]]
*[[核 (代数学)]]
*[[原像]]

== 注釈 ==
{{Reflist|group="note"}}

== 参考文献 ==
{{Reflist}}
*[https://web.archive.org/web/20160313035533/http://holderfamily.dot5hosting.com/aholder/teach/courses/fall2006/opt/notes/rev-11-15-06.pdf An Introduction to Mathematical Optimization] [[トリニティ大学]]の講義資料。
*[http://reference.wolfram.com/language/ref/ArgMax.ja.html ArgMax—Wolfram言語ドキュメント] 数理処理システム[[Mathematica]]における、arg maxの関数仕様。

== 外部リンク ==
*{{高校数学の美しい物語|1215|argmax,argminの意味と例}}
*{{PlanetMath|urlname=argminandargmax|title=arg min and arg max}}

{{DEFAULTSORT:arg maxあくまつくす}}
[[Category:初等数学]]
[[Category:数学に関する記事]]