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第 12 章:回到 Hessian:用泰勒余项严格完成二阶判别
我们从数学上严格证明两个结论:
- 为什么可微曲面的内部最高点和最低点,梯度必然为零?
- 为什么 Hessian 矩阵正定对应局部极小值,负定对应局部极大值,不定对应鞍点?
第二个结论尤其重要,它实际上是把一元函数的二阶导数判别法推广到了多元函数。
一、证明极值点的梯度为零
假设有一个二元函数:
在点 取得局部极小值。
根据局部极小值的定义,存在一个足够小的邻域,使得:
现在,我们固定 ,只允许
变化。
这相当于在三维曲面上沿着 方向切出一条曲线:
因为 是原曲面的局部最低点,所以
也是
的局部最低点。
根据一元函数的费马定理(Fermat's theorem):
而根据偏导数的定义:
因此:
同理,固定 ,只允许
变化:
所以:
局部极大值可以用完全相同的方法证明。
这就证明了:只要函数在内部极值点可微,那么梯度必然为零。
注意,这只是必要条件,不是充分条件。
二、为什么需要 Hessian 矩阵?
先回顾一元函数。
假设:
此时:
- 如果
,函数在附近向上弯曲,
是局部极小值。
- 如果
,函数在附近向下弯曲,
是局部极大值。
对于二元函数,仅计算 和
还不够,因为我们不但可以沿
、
方向移动,还可以沿任意斜方向移动。
因此,我们需要描述函数沿任意方向的二阶变化率。
假设沿着向量:
移动,定义一个一元函数:
这里的 表示沿这个方向移动多少。
对 求第一次导数:
再求一次导数,使用链式法则:
假设 的二阶偏导连续,那么:
因此:
现在定义 Hessian 矩阵:
那么上面的表达式就可以写为:
这个公式是整个证明的关键。
对单位向量而言,它就是沿该方向的二阶方向导数。
三、证明 Hessian 正定意味着局部极小值
先理解正定(Positive Definite)的定义。
如果对任意非零向量 ,都有:
我们就称矩阵 为正定矩阵。
根据刚才证明的公式:
意味着:
无论沿哪个非零方向,二阶变化率都为正。
但是,要严格证明它是局部极小值,还需要利用二阶泰勒展开。
假设在 有:
设小位移为 。
二阶泰勒展开为:
因为梯度为零:
假设 正定。由于它是实对称矩阵,存在最小特征值
,满足:
而余项 相对于
趋于零,因此当
足够小时:
于是:
只要 ,函数值就严格增大。
因此:
这里默认该点是驻点,即 ,且函数二阶连续可微。
四、负定和不定的证明
负定的证明完全类似。
如果:
那么泰勒展开的二次项在各个非零方向都严格为负,并且在足够小的邻域中压过高阶余项,因此:
那么不定矩阵(Indefinite)呢?
不定意味着存在两个方向 ,满足:
对于小的非零 ,沿第一方向:
而沿第二方向:
所以,在任意足够小的邻域中,都有函数值高于该点和低于该点的位置。
因此它既不是局部最大值,也不是局部最小值。
五、用三个具体函数验证
极小值
极大值
鞍点
在原点,这三个函数的梯度都是零,但 Hessian 分别为:
它们的特征值分别是:
| 函数 | Hessian 特征值 | 结果 |
|---|---|---|
| 正定,极小值 | ||
| 负定,极大值 | ||
| 不定,鞍点 |
这里其实还能得到一个更深层的结论:Hessian 的特征向量给出了曲面二阶变化的主方向,特征值则描述相应方向上的二阶变化率。
但必须强调,Hessian 正定、负定是充分条件,不是必要条件。例如 在原点有严格极小值,但 Hessian 是零矩阵。
六、最终把整个逻辑串起来
对于二阶连续可微函数 ,在定义域内部一点
:
第一步:求梯度
第二步:计算 Hessian
第三步:判断 Hessian 的正负定性
正定
严格局部极小值
负定
严格局部极大值
不定
鞍点
如果 Hessian 只是半正定或半负定,则通常无法仅凭二阶判别法得出结论。
所以最核心的数学关系其实只有两个:
第一个公式告诉你极值点的一阶变化率为零;第二个公式告诉你,在一阶变化率为零后,曲面究竟是向上弯、向下弯,还是不同方向弯曲的符号不同。
这就是为什么梯度用于寻找驻点,而 Hessian 可以进一步判断驻点的局部性质。
补充:混合偏导相等的依据
对 函数,在点
附近考虑矩形差分
先对横向再纵向应用微积分基本定理,可得 ;反向处理得相应
的迭代积分表达式。除以
并令非零
,连续性分别使两式趋向
与
,故相等。其他坐标对同理。这里
是足够条件。
补充:二阶泰勒公式和统一余项从何而来
固定小位移 ,使线段
(
)留在
内。对
两次应用一元微积分基本定理,得
把 提出,剩下
定义算子范数 。由 Cauchy–Schwarz 不等式,
最后一步由 在
连续得到:只要
,整条线段都在
邻域内。这个
对全部方向共同有效。因此第 3 节余项的控制不是每个方向分别选不同邻域,而是真正控制一个完整小球。
补充:二阶必要条件与半正定的不确定性
若 为
内部局部极小点,对任意固定
,
有一元局部极小值,所以
。例如也可用
取极限证明。于是 Hessian 必须半正定;极大必须半负定。
正定是严格极小的充分条件,半正定只是极小的必要条件。、
、
在原点 Hessian 全为零,却依次为严格极小、严格极大、鞍点。因此零特征值时,二阶判别法可能无结论。
补充:Hessian 与曲面几何曲率的边界
始终是输入直线
上的二阶导。把它称为“曲率”是一种局部优化语言。在图形的驻点处,且采用输入空间的欧氏正交单位方向时,它与主方向的曲面曲率相联系;一般非驻点处的几何主曲率还包含一阶导数和曲面度量,不能不加条件地与 Hessian 特征值等同。