局部最大值 (Local Maximum)
局部最大值 (Local Maximum),亦称相对最大值 (Relative Maximum),是微积分 和数学分析 中描述函数 局部行为的核心概念:若函数在点 c c c 的值不小于其邻域内所有点的函数值,则 c c c 为局部最大点。
形式化定义
单变量函数 :设 f ( x ) f(x) f ( x ) 在包含 c c c 的开区间 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 内有定义。若对所有 x ∈ ( a , b ) x \in (a, b) x ∈ ( a , b ) 有 f ( c ) ≥ f ( x ) f(c) \geq f(x) f ( c ) ≥ f ( x ) ,则 f ( c ) f(c) f ( c ) 为局部最大值 ,c c c 为局部最大点。若对 x ≠ c x \neq c x = c 不等式严格成立(f ( c ) > f ( x ) f(c) > f(x) f ( c ) > f ( x ) ),则为严格局部最大值 。
多变量函数 :对 f ( x ) f(\mathbf{x}) f ( x ) (x ∈ R n \mathbf{x} \in \mathbb{R}^n x ∈ R n ),若在 c \mathbf{c} c 的某邻域 内对所有 x \mathbf{x} x 有 f ( c ) ≥ f ( x ) f(\mathbf{c}) \geq f(\mathbf{x}) f ( c ) ≥ f ( x ) ,则 f ( c ) f(\mathbf{c}) f ( c ) 为局部最大值。
与全局最大值的区别
局部最大值是函数图像上的局部"山峰"——一个函数可以有多个局部最大值;全局最大值 是函数在整个定义域 上的最大值,至多一个(但可在多点取到)。全局最大值必为局部最大值之一(或位于定义域边界)。
寻找局部最大值
根据费马引理 (Fermat's Theorem on stationary points) ,可微函数在局部极值点处导数 为零。局部最大值仅可能出现在临界点 处:驻点(f ′ ( x ) = 0 f'(x) = 0 f ′ ( x ) = 0 )或奇点(导数不存在)。
一阶导数测试 :设 c c c 为临界点。若 c c c 左侧 f ′ ( x ) > 0 f'(x) > 0 f ′ ( x ) > 0 (递增)而右侧 f ′ ( x ) < 0 f'(x) < 0 f ′ ( x ) < 0 (递减),则 c c c 为局部最大值。
二阶导数测试 :设 f ′ ( c ) = 0 f'(c) = 0 f ′ ( c ) = 0 且 f ′ ′ f'' f ′′ 存在。若 f ′ ′ ( c ) < 0 f''(c) < 0 f ′′ ( c ) < 0 (凹函数 ),则 c c c 为局部最大值;若 f ′ ′ ( c ) > 0 f''(c) > 0 f ′′ ( c ) > 0 ,则为局部最小值 ;若 f ′ ′ ( c ) = 0 f''(c) = 0 f ′′ ( c ) = 0 ,检验失效。
多变量情形
对 f ( x , y ) f(x, y) f ( x , y ) ,解 ∇ f ( a , b ) = 0 \nabla f(a, b) = \mathbf{0} ∇ f ( a , b ) = 0 得临界点。利用Hessian矩阵 H = ( f x x f x y f y x f y y ) H = \begin{pmatrix} f_{xx} & f_{xy} \\ f_{yx} & f_{yy} \end{pmatrix} H = ( f xx f y x f x y f yy ) 及行列式 D = f x x f y y − ( f x y ) 2 D = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2 D = f xx f yy − ( f x y ) 2 :
D > 0 D > 0 D > 0 且 f x x < 0 f_{xx} < 0 f xx < 0 :局部最大值。D > 0 D > 0 D > 0 且 f x x > 0 f_{xx} > 0 f xx > 0 :局部最小值。D < 0 D < 0 D < 0 :鞍点 。D = 0 D = 0 D = 0 :检验失效。
示例
求 f ( x ) = x 3 − 6 x 2 + 9 x + 1 f(x) = x^3 - 6x^2 + 9x + 1 f ( x ) = x 3 − 6 x 2 + 9 x + 1 的局部最大值。
f ′ ( x ) = 3 x 2 − 12 x + 9 = 3 ( x − 1 ) ( x − 3 ) f'(x) = 3x^2 - 12x + 9 = 3(x-1)(x-3) f ′ ( x ) = 3 x 2 − 12 x + 9 = 3 ( x − 1 ) ( x − 3 )
临界点为 x = 1 x=1 x = 1 和 x = 3 x=3 x = 3 。f ′ ′ ( x ) = 6 x − 12 f''(x) = 6x - 12 f ′′ ( x ) = 6 x − 12 :f ′ ′ ( 1 ) = − 6 < 0 f''(1) = -6 < 0 f ′′ ( 1 ) = − 6 < 0 ,故 x = 1 x=1 x = 1 为局部最大值,f ( 1 ) = 5 f(1) = 5 f ( 1 ) = 5 ;f ′ ′ ( 3 ) = 6 > 0 f''(3) = 6 > 0 f ′′ ( 3 ) = 6 > 0 ,故 x = 3 x=3 x = 3 为局部最小值。
应用
寻找局部最大值是最优化理论 的核心,广泛用于:
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