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黑塞矩陣

黑塞矩陣(德語:Hesse-Matrix;英語:Hessian matrixHessian),又譯作海森矩阵海塞(赛)矩陣海瑟矩陣等,是一個由多變量實值函數的所有二階偏導數組成的方陣,由德國數學家奧托·黑塞引入並以其命名。

定義 编辑

假設有一實值函數 ,如果  的所有二階偏導數都存在並在定義域內連續,那麼函數 的黑塞矩陣為

 

或使用下標記號表示為

 

顯然黑塞矩陣  是一個 方陣。黑塞矩陣的行列式被稱爲黑塞式(英語:Hessian),而英語環境下使用Hessian一詞時可能指上述矩陣也可能指上述矩陣的行列式[1]

性質 编辑

高等數學知識可知,若一元函數  點的某個鄰域內具有任意階導數,則函數  點處的泰勒展開式

 

其中, 

同理,二元函數  點處的泰勒展開式為

 

其中,       

將上述展開式寫成矩陣形式,則有

 

其中,   轉置 是函數  梯度,矩陣

 

即函數  點處的 黑塞矩阵。它是由函数  点处的所有二階偏導數所組成的方陣。

由函數的二次連續性,有

 

所以,黑塞矩陣 對稱矩陣

將二元函數的泰勒展開式推廣到多元函數,函數  點處的泰勒展開式為

 

其中,

 
為函數  點的梯度,
 

為函數  點的 黑塞矩陣。若函數有 次連續性,則函數的 黑塞矩陣是對稱矩陣。

說明:在優化設計領域中,黑塞矩陣常用 表示,且梯度有時用 表示。[2]

函數 的黑塞矩陣和雅可比矩陣有如下關係:

 

即函數 的黑塞矩陣等於其梯度的雅可比矩陣。

應用 编辑

函數的極值條件 编辑

對於一元函数 ,在給定區間內某 點處可導,並在 點處取得極值,其必要條件

 

即函數 的極值必定在駐點處取得,或者說可導函數 的極值點必定是駐點;但反過來,函數的駐點不一定是極值點。檢驗駐點是否為極值點,可以採用二階導數的正負號來判斷。根據函數  點處的泰勒展開式,考慮到上述極值必要條件,有

 

  點處取得極小值,則要求在 某一鄰域內一切點 都必須滿足

 

即要求

 

亦即要求

 

  點處取得極大值的討論與之類似。於是有極值充分條件

設一元函数  點處具有二階導數,且  ,則

  1.  時,函數  處取得極小值;
  2.  時,函數  處取得極大值。

而當 時,無法直接判斷,還需要逐次檢驗其更高階導數的正負號。由此有一个規律:若其開始不為零的導數階數為偶數,則駐點是極值點;若為奇數,則為拐點,而不是極值點。

對於二元函数 ,在給定區域內某 點處可導,並在 點處取得極值,其必要條件

 

 

同樣,這只是必要條件,要進一步判斷 是否為極值點需要找到取得極值的充分條件。根據函數  點處的泰勒展開式,考慮到上述極值必要條件,有

 

   ,則

 

 

  點處取得極小值,則要求在 某一鄰域內一切點 都必須滿足

 

即要求

 

亦即要求  


 


 

此條件反映了  點處的黑塞矩陣 的各階主子式都大於零,即對於

 

要求

 


 

  點處取得極大值的討論與之類似。於是有極值充分條件:

設二元函数  點的鄰域內連續且具有一階和二階連續偏導數,又有 ,同時令   ,則

  1.   時,函數  處取得極小值;
  2.   時,函數  處取得極大值。

此外可以判斷,當 時,函數  點處沒有極值,此點稱爲鞍點。而當 時,無法直接判斷,對此,補充一個規律:當 時,如果有 ,那麼函數  有極值,且當 有極小值,當 有極大值。

由線性代數的知識可知,若矩陣 滿足

 

 

則矩陣 正定矩陣,或者說矩陣 正定。

若矩陣 滿足

 

 

則矩陣 負定矩陣,或者說矩陣 負定。[3]

於是,二元函數  點處取得極值的條件表述為:二元函數  點處的黑塞矩陣正定,則取得極小值;在 點處的黑塞矩陣負定,則取得極大值。

對於多元函數 ,若在 點處取得極值,則極值存在的必要條件為

 

取得極小值的充分條件為

 

正定,即要求 的各階主子式都大於零,即

 


 


 


 

取得極大值的充分條件為
 

負定。[4][5][6]

拓展閱讀 编辑

參考文獻 编辑

  1. ^ Binmore, Ken; Davies, Joan. Calculus Concepts and Methods. Cambridge University Press. 2007: 190. ISBN 9780521775410. OCLC 717598615. 
  2. ^ 白清顺; 孙靖明; 梁迎春 (编). 机械优化设计(第6版). 北京: 机械工业出版社. 2017.6(2018.11重印): 35~36页. ISBN 978-7-111-56643-4. 
  3. ^ 刘二根; 谢霖铨 (编). 线性代数. 江西高校出版社. 2015.7: 164~166页. ISBN 978-7-5493-3588-6. 
  4. ^ 白清顺; 孙靖明; 梁迎春 (编). 机械优化设计(第6版). 北京: 机械工业出版社. 2017.6(2018.11重印): 37~39页. ISBN 978-7-111-56643-4. 
  5. ^ 同济大学数学系 (编). 高等数学(第七版)上册. 高等教育出版社. 2014.7: 155页. ISBN 978-7-04-039663-8. 
  6. ^ 同济大学数学系 (编). 高等数学(第七版)下册. 高等教育出版社. 2014.7: 113页. ISBN 978-7-04-039662-1. 

黑塞矩陣, 此條目包含過多僅特定讀者會感興趣的過度細節內容, 2020年12月17日, 請重新整理本條目以切合主題, 並移除与維基百科內容方針相悖的過度細節內容, 詳細信息請參見討論頁, 德語, hesse, matrix, 英語, hessian, matrix, hessian, 又譯作海森矩阵, 海塞, 矩陣或海瑟矩陣等, 是一個由多變量實值函數的所有二階偏導數組成的方陣, 由德國數學家奧托, 黑塞引入並以其命名, 目录, 定義, 性質, 應用, 函數的極值條件, 拓展閱讀, 參考文獻定義, 编辑假設有一實值. 此條目包含過多僅特定讀者會感興趣的過度細節內容 2020年12月17日 請重新整理本條目以切合主題 並移除与維基百科內容方針相悖的過度細節內容 詳細信息請參見討論頁 黑塞矩陣 德語 Hesse Matrix 英語 Hessian matrix 或 Hessian 又譯作海森矩阵 海塞 赛 矩陣或海瑟矩陣等 是一個由多變量實值函數的所有二階偏導數組成的方陣 由德國數學家奧托 黑塞引入並以其命名 目录 1 定義 2 性質 3 應用 3 1 函數的極值條件 4 拓展閱讀 5 參考文獻定義 编辑假設有一實值函數f x 1 x 2 x n displaystyle f x 1 x 2 dots x n nbsp 如果 f displaystyle f nbsp 的所有二階偏導數都存在並在定義域內連續 那麼函數f displaystyle f nbsp 的黑塞矩陣為 H 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 1 x n 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 2 f x 2 x n 2 f x n x 1 2 f x n x 2 2 f x n 2 displaystyle mathbf H begin bmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 1 partial x n frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 2 partial x n vdots amp vdots amp ddots amp vdots frac partial 2 f partial x n partial x 1 amp frac partial 2 f partial x n partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x n 2 end bmatrix nbsp 或使用下標記號表示為 H i j 2 f x i x j displaystyle mathbf H ij frac partial 2 f partial x i partial x j nbsp 顯然黑塞矩陣 H displaystyle mathbf H nbsp 是一個n n displaystyle n times n nbsp 方陣 黑塞矩陣的行列式被稱爲黑塞式 英語 Hessian 而英語環境下使用Hessian一詞時可能指上述矩陣也可能指上述矩陣的行列式 1 性質 编辑由高等數學知識可知 若一元函數f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點的某個鄰域內具有任意階導數 則函數f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點處的泰勒展開式為 f x f x 0 f x 0 D x f x 0 2 D x 2 displaystyle f x f x 0 f x 0 Delta x frac f x 0 2 Delta x 2 cdots nbsp 其中 D x x x 0 displaystyle Delta x x x 0 nbsp 同理 二元函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處的泰勒展開式為 f x 1 x 2 f x 10 x 20 f x 1 x 10 x 20 D x 1 f x 2 x 10 x 20 D x 2 1 2 f x 1 x 1 x 10 x 20 D x 1 2 2 f x 1 x 2 x 10 x 20 D x 1 D x 2 f x 2 x 2 x 10 x 20 D x 2 2 displaystyle f x 1 x 2 f x 10 x 20 f x 1 x 10 x 20 Delta x 1 f x 2 x 10 x 20 Delta x 2 frac 1 2 f x 1 x 1 x 10 x 20 Delta x 1 2 2f x 1 x 2 x 10 x 20 Delta x 1 Delta x 2 f x 2 x 2 x 10 x 20 Delta x 2 2 cdots nbsp 其中 D x 1 x 1 x 10 displaystyle Delta x 1 x 1 x 10 nbsp D x 2 x 2 x 20 displaystyle Delta x 2 x 2 x 20 nbsp f x 1 f x 1 displaystyle f x 1 frac partial f partial x 1 nbsp f x 2 f x 2 displaystyle f x 2 frac partial f partial x 2 nbsp f x 1 x 1 2 f x 1 2 displaystyle f x 1 x 1 frac partial 2 f partial x 1 2 nbsp f x 2 x 2 2 f x 2 2 displaystyle f x 2 x 2 frac partial 2 f partial x 2 2 nbsp f x 1 x 2 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 displaystyle f x 1 x 2 frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 nbsp 將上述展開式寫成矩陣形式 則有 f x f x 0 f x 0 T D x 1 2 D x T G x 0 D x displaystyle f x f x 0 nabla f x 0 mathrm T Delta x frac 1 2 Delta x mathrm T G x 0 Delta x cdots nbsp 其中 D x D x 1 D x 2 displaystyle Delta x begin bmatrix Delta x 1 Delta x 2 end bmatrix nbsp D x T D x 1 D x 2 displaystyle Delta x mathrm T begin bmatrix Delta x 1 amp Delta x 2 end bmatrix nbsp 是D x displaystyle Delta x nbsp 的轉置 f x 0 f x 1 f x 2 displaystyle nabla f x 0 begin bmatrix frac partial f partial x 1 frac partial f partial x 2 end bmatrix nbsp 是函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 的梯度 矩陣 G x 0 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 x 0 displaystyle G x 0 begin bmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 end bmatrix x 0 nbsp 即函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處的2 2 displaystyle 2 times 2 nbsp 黑塞矩阵 它是由函数f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 点处的所有二階偏導數所組成的方陣 由函數的二次連續性 有 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 displaystyle frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 nbsp 所以 黑塞矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 为對稱矩陣 將二元函數的泰勒展開式推廣到多元函數 函數f x 1 x 2 x n displaystyle f x 1 x 2 cdots x n nbsp 在x 0 x 1 x 2 x n displaystyle x 0 x 1 x 2 cdots x n nbsp 點處的泰勒展開式為 f x f x 0 f x 0 T D x 1 2 D x T G x 0 D x displaystyle f x f x 0 nabla f x 0 mathrm T Delta x frac 1 2 Delta x mathrm T G x 0 Delta x cdots nbsp 其中 f x 0 f x 1 f x 2 f x n x 0 T displaystyle nabla f x 0 begin bmatrix frac partial f partial x 1 amp frac partial f partial x 2 amp cdots amp frac partial f partial x n end bmatrix x 0 T nbsp 為函數f x displaystyle f x nbsp 在x 0 x 1 x 2 x n displaystyle x 0 x 1 x 2 cdots x n nbsp 點的梯度 G x 0 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 1 x n 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 2 f x 2 x n 2 f x n x 1 2 f x n x 2 2 f x n 2 x 0 displaystyle G x 0 begin bmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 1 partial x n frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 2 partial x n vdots amp vdots amp ddots amp vdots frac partial 2 f partial x n partial x 1 amp frac partial 2 f partial x n partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x n 2 end bmatrix x 0 nbsp 為函數f x displaystyle f x nbsp 在x 0 x 1 x 2 x n displaystyle x 0 x 1 x 2 cdots x n nbsp 點的n n displaystyle n times n nbsp 黑塞矩陣 若函數有n displaystyle n nbsp 次連續性 則函數的n n displaystyle n times n nbsp 黑塞矩陣是對稱矩陣 說明 在優化設計領域中 黑塞矩陣常用G displaystyle G nbsp 表示 且梯度有時用g displaystyle g nbsp 表示 2 函數f displaystyle f nbsp 的黑塞矩陣和雅可比矩陣有如下關係 H f J f T displaystyle mathrm H f mathrm J nabla f T nbsp 即函數f displaystyle f nbsp 的黑塞矩陣等於其梯度的雅可比矩陣 應用 编辑函數的極值條件 编辑 對於一元函数f x displaystyle f x nbsp 在給定區間內某x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點處可導 並在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點處取得極值 其必要條件是 f x 0 0 displaystyle f x 0 0 nbsp 即函數f x displaystyle f x nbsp 的極值必定在駐點處取得 或者說可導函數f x displaystyle f x nbsp 的極值點必定是駐點 但反過來 函數的駐點不一定是極值點 檢驗駐點是否為極值點 可以採用二階導數的正負號來判斷 根據函數f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點處的泰勒展開式 考慮到上述極值必要條件 有 f x f x 0 f x 0 2 D x 2 displaystyle f x f x 0 frac f x 0 2 Delta x 2 cdots nbsp 若f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點處取得極小值 則要求在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 某一鄰域內一切點x displaystyle x nbsp 都必須滿足 f x f x 0 gt 0 displaystyle f x f x 0 gt 0 nbsp 即要求 f x 0 2 D x 2 gt 0 displaystyle frac f x 0 2 Delta x 2 gt 0 nbsp 亦即要求 f x 0 gt 0 displaystyle f x 0 gt 0 nbsp f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點處取得極大值的討論與之類似 於是有極值充分條件 設一元函数f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 點處具有二階導數 且f x 0 0 displaystyle f x 0 0 nbsp f x 0 0 displaystyle f x 0 neq 0 nbsp 則 當f x 0 gt 0 displaystyle f x 0 gt 0 nbsp 時 函數f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 處取得極小值 當f x 0 lt 0 displaystyle f x 0 lt 0 nbsp 時 函數f x displaystyle f x nbsp 在x x 0 displaystyle x x 0 nbsp 處取得極大值 而當f x 0 0 displaystyle f x 0 0 nbsp 時 無法直接判斷 還需要逐次檢驗其更高階導數的正負號 由此有一个規律 若其開始不為零的導數階數為偶數 則駐點是極值點 若為奇數 則為拐點 而不是極值點 對於二元函数f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在給定區域內某x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處可導 並在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處取得極值 其必要條件是 f x 1 x 0 f x 2 x 0 0 displaystyle f x 1 x 0 f x 2 x 0 0 nbsp 即 f x 0 0 displaystyle nabla f x 0 0 nbsp 同樣 這只是必要條件 要進一步判斷x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 是否為極值點需要找到取得極值的充分條件 根據函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處的泰勒展開式 考慮到上述極值必要條件 有 f x 1 x 2 f x 10 x 20 1 2 f x 1 x 1 x 0 D x 1 2 2 f x 1 x 2 x 0 D x 1 D x 2 f x 2 x 2 x 0 D x 2 2 displaystyle f x 1 x 2 f x 10 x 20 frac 1 2 f x 1 x 1 x 0 Delta x 1 2 2f x 1 x 2 x 0 Delta x 1 Delta x 2 f x 2 x 2 x 0 Delta x 2 2 cdots nbsp 設A f x 1 x 1 x 0 displaystyle A f x 1 x 1 x 0 nbsp B f x 1 x 2 x 0 displaystyle B f x 1 x 2 x 0 nbsp C f x 2 x 2 x 0 displaystyle C f x 2 x 2 x 0 nbsp 則 f x 1 x 2 f x 10 x 20 1 2 A D x 1 2 2 B D x 1 D x 2 C D x 2 2 displaystyle f x 1 x 2 f x 10 x 20 frac 1 2 A Delta x 1 2 2B Delta x 1 Delta x 2 C Delta x 2 2 cdots nbsp 或 f x 1 x 2 f x 10 x 20 1 2 A A D x 1 B D x 2 2 A C B 2 D x 2 2 displaystyle f x 1 x 2 f x 10 x 20 frac 1 2A A Delta x 1 B Delta x 2 2 AC B 2 Delta x 2 2 cdots nbsp 若f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處取得極小值 則要求在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 某一鄰域內一切點x displaystyle x nbsp 都必須滿足 f x 1 x 2 f x 10 x 20 gt 0 displaystyle f x 1 x 2 f x 10 x 20 gt 0 nbsp 即要求 1 2 A A D x 1 B D x 2 2 A C B 2 D x 2 2 gt 0 displaystyle frac 1 2A A Delta x 1 B Delta x 2 2 AC B 2 Delta x 2 2 gt 0 nbsp 亦即要求A gt 0 displaystyle A gt 0 nbsp A C B 2 gt 0 displaystyle AC B 2 gt 0 nbsp 即 2 f x 1 2 x 0 gt 0 displaystyle left frac partial 2 f partial x 1 2 right x 0 gt 0 nbsp 2 f x 1 2 2 f x 2 2 2 f x 1 x 2 2 x 0 gt 0 displaystyle begin bmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 frac partial 2 f partial x 2 2 frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 2 end bmatrix x 0 gt 0 nbsp 此條件反映了f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處的黑塞矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 的各階主子式都大於零 即對於 G x 0 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 x 0 displaystyle G x 0 begin bmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 end bmatrix x 0 nbsp 要求 2 f x 1 2 x 0 gt 0 displaystyle left frac partial 2 f partial x 1 2 right x 0 gt 0 nbsp G x 0 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 x 0 gt 0 displaystyle G x 0 begin vmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 end vmatrix x 0 gt 0 nbsp f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處取得極大值的討論與之類似 於是有極值充分條件 設二元函数f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點的鄰域內連續且具有一階和二階連續偏導數 又有f x 1 x 0 f x 2 x 0 0 displaystyle f x 1 x 0 f x 2 x 0 0 nbsp 同時令A f x 1 x 1 x 0 displaystyle A f x 1 x 1 x 0 nbsp B f x 1 x 2 x 0 displaystyle B f x 1 x 2 x 0 nbsp C f x 2 x 2 x 0 displaystyle C f x 2 x 2 x 0 nbsp 則 當A gt 0 displaystyle A gt 0 nbsp A C B 2 gt 0 displaystyle AC B 2 gt 0 nbsp 時 函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 處取得極小值 當A lt 0 displaystyle A lt 0 nbsp A C B 2 gt 0 displaystyle AC B 2 gt 0 nbsp 時 函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 處取得極大值 此外可以判斷 當A C B 2 lt 0 displaystyle AC B 2 lt 0 nbsp 時 函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處沒有極值 此點稱爲鞍點 而當A C B 2 0 displaystyle AC B 2 0 nbsp 時 無法直接判斷 對此 補充一個規律 當A C B 2 0 displaystyle AC B 2 0 nbsp 時 如果有A 0 displaystyle A equiv 0 nbsp 那麼函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 有極值 且當C gt 0 displaystyle C gt 0 nbsp 有極小值 當C lt 0 displaystyle C lt 0 nbsp 有極大值 由線性代數的知識可知 若矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 滿足 2 f x 1 2 x 0 gt 0 displaystyle left frac partial 2 f partial x 1 2 right x 0 gt 0 nbsp 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 x 0 gt 0 displaystyle begin vmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 end vmatrix x 0 gt 0 nbsp 則矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 是正定矩陣 或者說矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 正定 若矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 滿足 2 f x 1 2 x 0 lt 0 displaystyle left frac partial 2 f partial x 1 2 right x 0 lt 0 nbsp 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 x 0 gt 0 displaystyle begin vmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 end vmatrix x 0 gt 0 nbsp 則矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 是負定矩陣 或者說矩陣G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 負定 3 於是 二元函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處取得極值的條件表述為 二元函數f x 1 x 2 displaystyle f x 1 x 2 nbsp 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處的黑塞矩陣正定 則取得極小值 在x 0 x 10 x 20 displaystyle x 0 x 10 x 20 nbsp 點處的黑塞矩陣負定 則取得極大值 對於多元函數f x 1 x 2 x n displaystyle f x 1 x 2 cdots x n nbsp 若在x 0 x 1 x 2 x n displaystyle x 0 x 1 x 2 cdots x n nbsp 點處取得極值 則極值存在的必要條件為 f x 0 f x 1 f x 2 f x n x 0 T 0 displaystyle nabla f x 0 begin bmatrix frac partial f partial x 1 amp frac partial f partial x 2 amp cdots amp frac partial f partial x n end bmatrix x 0 T 0 nbsp 取得極小值的充分條件為 G x 0 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 1 x n 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 2 f x 2 x n 2 f x n x 1 2 f x n x 2 2 f x n 2 x 0 displaystyle G x 0 begin bmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 1 partial x n frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 2 partial x n vdots amp vdots amp ddots amp vdots frac partial 2 f partial x n partial x 1 amp frac partial 2 f partial x n partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x n 2 end bmatrix x 0 nbsp 正定 即要求G x 0 displaystyle G x 0 nbsp 的各階主子式都大於零 即 2 f x 1 2 x 0 gt 0 displaystyle left frac partial 2 f partial x 1 2 right x 0 gt 0 nbsp 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 x 0 gt 0 displaystyle begin vmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 end vmatrix x 0 gt 0 nbsp displaystyle vdots nbsp G x 0 gt 0 displaystyle G x 0 gt 0 nbsp 取得極大值的充分條件為 G x 0 2 f x 1 2 2 f x 1 x 2 2 f x 1 x n 2 f x 2 x 1 2 f x 2 2 2 f x 2 x n 2 f x n x 1 2 f x n x 2 2 f x n 2 x 0 displaystyle G x 0 begin bmatrix frac partial 2 f partial x 1 2 amp frac partial 2 f partial x 1 partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 1 partial x n frac partial 2 f partial x 2 partial x 1 amp frac partial 2 f partial x 2 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x 2 partial x n vdots amp vdots amp ddots amp vdots frac partial 2 f partial x n partial x 1 amp frac partial 2 f partial x n partial x 2 amp cdots amp frac partial 2 f partial x n 2 end bmatrix x 0 nbsp 負定 4 5 6 拓展閱讀 编辑雅可比矩陣 梯度參考文獻 编辑 Binmore Ken Davies Joan Calculus Concepts and Methods Cambridge University Press 2007 190 ISBN 9780521775410 OCLC 717598615 白清顺 孙靖明 梁迎春 编 机械优化设计 第6版 北京 机械工业出版社 2017 6 2018 11重印 35 36页 ISBN 978 7 111 56643 4 请检查 date 中的日期值 帮助 刘二根 谢霖铨 编 线性代数 江西高校出版社 2015 7 164 166页 ISBN 978 7 5493 3588 6 请检查 date 中的日期值 帮助 白清顺 孙靖明 梁迎春 编 机械优化设计 第6版 北京 机械工业出版社 2017 6 2018 11重印 37 39页 ISBN 978 7 111 56643 4 请检查 date 中的日期值 帮助 同济大学数学系 编 高等数学 第七版 上册 高等教育出版社 2014 7 155页 ISBN 978 7 04 039663 8 请检查 date 中的日期值 帮助 同济大学数学系 编 高等数学 第七版 下册 高等教育出版社 2014 7 113页 ISBN 978 7 04 039662 1 请检查 date 中的日期值 帮助 取自 https zh wikipedia org w index php title 黑塞矩陣 amp oldid 79725522, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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