由高等數學知識可知,若一元函數 在 點的某個鄰域內具有任意階導數,則函數 在 點處的泰勒展開式為
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其中, 。
同理,二元函數 在 點處的泰勒展開式為
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其中, , , , , , , 。
將上述展開式寫成矩陣形式,則有
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其中, , 是 的轉置, 是函數 在 的梯度,矩陣
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即函數 在 點處的 黑塞矩阵。它是由函数 在 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
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所以,黑塞矩陣 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 在 點處的泰勒展開式為
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其中,
為函數 在 點的梯度,
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為函數 在 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:
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即函數 的黑塞矩陣等於其梯度的雅可比矩陣。
函數的極值條件
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,其必要條件是
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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 在 點處的泰勒展開式,考慮到上述極值必要條件,有
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若 在 點處取得極小值,則要求在 某一鄰域內一切點 都必須滿足
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即要求
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亦即要求
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在 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 在 點處具有二階導數,且 , ,則
- 當 時,函數 在 處取得極小值;
- 當 時,函數 在 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,其必要條件是
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即
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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 在 點處的泰勒展開式,考慮到上述極值必要條件,有
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設 , , ,則
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或
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若 在 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 ,
即
此條件反映了 在 點處的黑塞矩陣 的各階主子式都大於零,即對於
-
要求
在 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 在 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
- 當 , 時,函數 在 處取得極小值;
- 當 , 時,函數 在 處取得極大值。
此外可以判斷,當 時,函數 在 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 在 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
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則矩陣 是正定矩陣,或者說矩陣 正定。
若矩陣 滿足
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則矩陣 是負定矩陣,或者說矩陣 負定。[3]
於是,二元函數 在 點處取得極值的條件表述為:二元函數 在 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
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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
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負定。[4][5][6]