ARTICLE

局部最大值

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

浏览 50 更新 2025-10-29

局部最大值 (Local Maximum)

局部最大值 (Local Maximum),亦称相对最大值 (Relative Maximum),是微积分数学分析中描述函数局部行为的核心概念:若函数在点 cc 的值不小于其邻域内所有点的函数值,则 cc 为局部最大点。

形式化定义

单变量函数:设 f(x)f(x) 在包含 cc开区间 (a,b)(a, b) 内有定义。若对所有 x(a,b)x \in (a, b)f(c)f(x)f(c) \geq f(x),则 f(c)f(c)局部最大值cc 为局部最大点。若对 xcx \neq c 不等式严格成立(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})xRn\mathbf{x} \in \mathbb{R}^n),若在 c\mathbf{c} 的某邻域内对所有 x\mathbf{x}f(c)f(x)f(\mathbf{c}) \geq f(\mathbf{x}),则 f(c)f(\mathbf{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)=0f'(x) = 0)或奇点(导数不存在)。

一阶导数测试:设 cc 为临界点。若 cc 左侧 f(x)>0f'(x) > 0(递增)而右侧 f(x)<0f'(x) < 0(递减),则 cc 为局部最大值。

二阶导数测试:设 f(c)=0f'(c) = 0ff'' 存在。若 f(c)<0f''(c) < 0凹函数),则 cc 为局部最大值;若 f(c)>0f''(c) > 0,则为局部最小值;若 f(c)=0f''(c) = 0,检验失效。

多变量情形

f(x,y)f(x, y),解 f(a,b)=0\nabla f(a, b) = \mathbf{0} 得临界点。利用Hessian矩阵 H=(fxxfxyfyxfyy)H = \begin{pmatrix} f_{xx} & f_{xy} \\ f_{yx} & f_{yy} \end{pmatrix} 及行列式 D=fxxfyy(fxy)2D = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2

  • D>0D > 0fxx<0f_{xx} < 0:局部最大值。
  • D>0D > 0fxx>0f_{xx} > 0:局部最小值。
  • D<0D < 0鞍点
  • D=0D = 0:检验失效。

示例

f(x)=x36x2+9x+1f(x) = x^3 - 6x^2 + 9x + 1 的局部最大值。

f(x)=3x212x+9=3(x1)(x3)f'(x) = 3x^2 - 12x + 9 = 3(x-1)(x-3)

临界点为 x=1x=1x=3x=3f(x)=6x12f''(x) = 6x - 12f(1)=6<0f''(1) = -6 < 0,故 x=1x=1 为局部最大值,f(1)=5f(1) = 5f(3)=6>0f''(3) = 6 > 0,故 x=3x=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: