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 的值不小于其邻域内所有点的函数值,则 c 为局部最大点。
形式化定义
单变量函数:设 f(x) 在包含 c 的开区间 (a,b) 内有定义。若对所有 x∈(a,b) 有 f(c)≥f(x),则 f(c) 为局部最大值,c 为局部最大点。若对 x=c 不等式严格成立(f(c)>f(x)),则为严格局部最大值。
多变量函数:对 f(x)(x∈Rn),若在 c 的某邻域内对所有 x 有 f(c)≥f(x),则 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)或奇点(导数不存在)。
一阶导数测试:设 c 为临界点。若 c 左侧 f′(x)>0(递增)而右侧 f′(x)<0(递减),则 c 为局部最大值。
二阶导数测试:设 f′(c)=0 且 f′′ 存在。若 f′′(c)<0(凹函数),则 c 为局部最大值;若 f′′(c)>0,则为局部最小值;若 f′′(c)=0,检验失效。
多变量情形
对 f(x,y),解 ∇f(a,b)=0 得临界点。利用Hessian矩阵 H=(fxxfyxfxyfyy) 及行列式 D=fxxfyy−(fxy)2:
- D>0 且 fxx<0:局部最大值。
- D>0 且 fxx>0:局部最小值。
- D<0:鞍点。
- D=0:检验失效。
示例
求 f(x)=x3−6x2+9x+1 的局部最大值。
f′(x)=3x2−12x+9=3(x−1)(x−3)
临界点为 x=1 和 x=3。f′′(x)=6x−12:f′′(1)=−6<0,故 x=1 为局部最大值,f(1)=5;f′′(3)=6>0,故 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: