希尔伯特空间中凸连续泛函的两次最小化分解等价性验证问询
我现在有个关于凸泛函最小化的问题想请教大家:
设$V$是希尔伯特空间,$J:V\rightarrow\mathbb{R}$是一个凸且连续的泛函,我打算通过分两步最小化的思路来研究它的最小值——先固定单位球面上的点$v$(也就是$|v|=1$),对正实数$\lambda$求$J(\lambda v)$的最小值,再对单位球面上的所有$v$求这个“点态最小值”的下确界。
不过我现在不确定的是:这个分解和直接在整个空间$V$上求$J$的最小值,二者的存在性是不是等价的?也就是下面这个等价关系是否成立(不需要额外添加假设):
$$\min_{v\in V} J(v) \text{ 存在 } \Leftrightarrow \min_{v\in V, \Vert v \Vert=1}\min_{\lambda \in \mathbb{R}^+} J(\lambda v) \text{ 存在 } $$
另外如果最小值确实存在的话,是不是还有下面这些等式成立:
$$\min_{v\in V} J(v) = \min_{v\in V, \Vert v \Vert=1}\min_{\lambda \in \mathbb{R}^+} J(\lambda v) =\min_{v\in V, \Vert v \Vert=1} J(\lambda_v^* v)$$
这里的$\lambda_v^*$是对每个固定的单位向量$v$,使得$J(\lambda v)$取到最小值的那个$\lambda\in\mathbb{R}^+$。
对应的最小值点集合是不是也有类似的分解关系:
$$\operatorname{argmin}{v\in V} J(v) = \left{\lambda_v^* v \mid v\in\operatorname{argmin}{w\in V,|w|=1} \min_{\lambda\in\mathbb{R}^+} J(\lambda w)\right}$$
我主要纠结的是这两种最小化方式的等价性,反而不是$J$本身最小值存在性的证明,想确认这个分解逻辑是不是站得住脚。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Cantor

