黑塞矩阵

黑塞矩阵(Hessian Matrix)

黑塞矩阵是一个多元函数的二阶偏导数构成的方阵, 描述了函数的局部曲率.

黑塞矩阵常用语牛顿法解决优化问题, 利用黑塞矩阵可判定多元函数的极值问题. 在实际工程问题的优化设计中, 所列的目标函数往往很复杂, 为了使问题简化, 常常将目标函数在某点邻域展开成泰勒多项式来逼近原函数, 此时函数在某点泰勒展开式的矩阵形式中会设计到黑塞矩阵.

二维函数f(x1,x2)X(0)(x1(0),x2(0))处的泰勒展开式为

f(x1,x2)=f(x1(0),x2(0))+fx1Δx1+fx2Δx2+12[2fx12Δx12+22fx1x2Δx1Δx2+2fx22Δx22]+

表示成矩阵形式即为

f(X)=f(X0)+(fx1fx2)(Δx1Δx2)+12(Δx1Δx2)(2fx122fx1x22fx1x22fx22)(Δx1Δx2)+

其中, 记

G(X(0))=(2fx122fx1x22fx1x22fx22)

G(X(0))即为f(x1,x2)X(0)处的黑塞矩阵.

将结论扩展到多元函数:

  1. f(X(0))=[fx1,fx2,,fxn], 为f(X)X(0)处的梯度.
  2. G(X(0))=[2fx122fx1x22fx1xn2fx2x12fx222fx2xn2fxnx12fxnx22fxn2]X(0) 为函数f(X)X(0)处的黑塞矩阵.

利用黑塞矩阵判断多元函数的极值

当多元函数f(x1,x2,,xn)在点M0(a1,a2,,an)的邻域内存在连续二阶偏导数且满足:

fxj|(a1,a2,,an)=0,j=1,2,,n

且有

A=[2fx122fx1x22fx1xn2fx2x12fx222fx2xn2fxnx12fxnx22fxn2]X(0)

则有

  1. 当A为正定矩阵时, f在M0为极小值;
  2. 当A为负定矩阵时, f在M0存在极大值;
  3. 当A为不定矩阵时, M0不是极值点.
  4. 当A为半正定矩阵或半负定矩阵时, M0是"可疑"极值点.
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