由高等数学知识可知,若一元函数 在 点的某个邻域内具有任意阶导数,则函数 在 点处的泰勒展开式为
其中, 。
同理,二元函数 在 点处的泰勒展开式为
其中, , , , , , , 。
将上述展开式写成矩阵形式,则有
其中, , 是 的转置, 是函数 在 的梯度,矩阵
即函数 在 点处的 黑塞矩阵。它是由函数 在 点处的所有二阶偏导数所组成的方阵。
由函数的二次连续性,有
所以,黑塞矩阵 为对称矩阵。
将二元函数的泰勒展开式推广到多元函数,函数 在 点处的泰勒展开式为
其中,
为函数 在 点的梯度,
为函数 在 点的 黑塞矩阵。若函数有 次连续性,则函数的 黑塞矩阵是对称矩阵。
说明:在优化设计领域中,黑塞矩阵常用 表示,且梯度有时用 表示。[2]
函数 的黑塞矩阵和雅可比矩阵有如下关系:
即函数 的黑塞矩阵等于其梯度的雅可比矩阵。
函数的极值条件
对于一元函数 ,在给定区间内某 点处可导,并在 点处取得极值,其必要条件是
即函数 的极值必定在驻点处取得,或者说可导函数 的极值点必定是驻点;但反过来,函数的驻点不一定是极值点。检验驻点是否为极值点,可以采用二阶导数的正负号来判断。根据函数 在 点处的泰勒展开式,考虑到上述极值必要条件,有
若 在 点处取得极小值,则要求在 某一邻域内一切点 都必须满足
即要求
亦即要求
在 点处取得极大值的讨论与之类似。于是有极值充分条件:
设一元函数 在 点处具有二阶导数,且 , ,则
- 当 时,函数 在 处取得极小值;
- 当 时,函数 在 处取得极大值。
而当 时,无法直接判断,还需要逐次检验其更高阶导数的正负号。由此有一个规律:若其开始不为零的导数阶数为偶数,则驻点是极值点;若为奇数,则为拐点,而不是极值点。
对于二元函数 ,在给定区域内某 点处可导,并在 点处取得极值,其必要条件是
即
同样,这只是必要条件,要进一步判断 是否为极值点需要找到取得极值的充分条件。根据函数 在 点处的泰勒展开式,考虑到上述极值必要条件,有
设 , , ,则
或
若 在 点处取得极小值,则要求在 某一邻域内一切点 都必须满足
即要求
亦即要求 ,
即
此条件反映了 在 点处的黑塞矩阵 的各阶主子式都大于零,即对于
要求
在 点处取得极大值的讨论与之类似。于是有极值充分条件:
设二元函数 在 点的邻域内连续且具有一阶和二阶连续偏导数,又有 ,同时令 , , ,则
- 当 , 时,函数 在 处取得极小值;
- 当 , 时,函数 在 处取得极大值。
此外可以判断,当 时,函数 在 点处没有极值,此点称为鞍点。而当 时,无法直接判断,对此,补充一个规律:当 时,如果有 ,那么函数 在 有极值,且当 有极小值,当 有极大值。
由线性代数的知识可知,若矩阵 满足
则矩阵 是正定矩阵,或者说矩阵 正定。
若矩阵 满足
则矩阵 是负定矩阵,或者说矩阵 负定。[3]
于是,二元函数 在 点处取得极值的条件表述为:二元函数 在 点处的黑塞矩阵正定,则取得极小值;在 点处的黑塞矩阵负定,则取得极大值。
对于多元函数 ,若在 点处取得极值,则极值存在的必要条件为
取得极小值的充分条件为
正定,即要求 的各阶主子式都大于零,即
取得极大值的充分条件为
负定。[4][5][6]