駐點(diǎn) - 數(shù)學(xué)概念
在微積分,駐點(diǎn)(Stationary Point)又稱為平穩(wěn)點(diǎn)或臨界點(diǎn)(Critical Point)是函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為零,即在這一點(diǎn),函數(shù)的輸出值停止增加或減少。對(duì)于一維函數(shù)的圖像,駐點(diǎn)的切線平行于x軸。對(duì)于二維函數(shù)的圖像,駐點(diǎn)的切平面平行于xy平面。值得注意的是,一個(gè)函數(shù)的駐點(diǎn)不一定是這個(gè)函數(shù)的極值點(diǎn)(考慮到這一點(diǎn)左右一階導(dǎo)數(shù)符號(hào)不改變的情況);反過來,在某設(shè)定區(qū)域內(nèi),一個(gè)函數(shù)的極值點(diǎn)也不一定是這個(gè)函數(shù)的駐點(diǎn)(考慮到邊界條件),駐點(diǎn)(紅色)與拐點(diǎn)(藍(lán)色),這圖像的駐點(diǎn)都是局部最大值或局部最小值。
靜態(tài)平衡系統(tǒng)
在分析力學(xué)里,虛功原理闡明,對(duì)于一個(gè)靜態(tài)平衡 - static?equilibrium系統(tǒng),所有外力的作用,經(jīng)過虛位移,所作的虛功,總合等于零,以方程式表達(dá),其中,是虛功,是第個(gè)外力,是對(duì)應(yīng)于的虛位移。轉(zhuǎn)換為以廣義力和廣義坐標(biāo)表達(dá),假設(shè)這系統(tǒng)是保守系統(tǒng),則每一個(gè)廣義力都是一個(gè)標(biāo)量的廣義位勢函數(shù)的對(duì)于其對(duì)應(yīng)的廣義坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù):虛功與廣義位勢的關(guān)系為所以,一個(gè)靜態(tài)平衡系統(tǒng)的位勢乃是個(gè)局域平穩(wěn)值。注意到這系統(tǒng)只處于平穩(wěn)狀態(tài)。假設(shè),要求這這系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),則位勢必須是個(gè)局域極小值。
拉格朗日方程式
在變分法里,歐拉-拉格朗日方程式是從其對(duì)應(yīng)的泛函的平穩(wěn)點(diǎn)推導(dǎo)出的一種微分方程式。設(shè)定
參見
簡介
在數(shù)學(xué)上,一個(gè)反曲點(diǎn)或拐點(diǎn)是一條可微曲線改變凹凸性的點(diǎn),或者等價(jià)地說,是使切線穿越曲線的點(diǎn)。決定曲線的拐點(diǎn)有助于理解曲線的外形,這在描繪曲線圖形時(shí)特別有用。《北京日報(bào)》1982.10.31:“全縣二十二個(gè)有圍網(wǎng)的隊(duì)都做好了一切準(zhǔn)備工作,提前到駐點(diǎn)候著?!?/p>
定義
若曲線圖形在一點(diǎn)由凸轉(zhuǎn)凹,或由凹轉(zhuǎn)凸,則稱此點(diǎn)為拐點(diǎn)。直觀地說,拐點(diǎn)是使切線穿越曲線的點(diǎn)。
若該曲線圖形的函數(shù)在某點(diǎn)的二階導(dǎo)數(shù)為零(且二階導(dǎo)數(shù)在該點(diǎn)兩側(cè)符號(hào)相反),或不存在,該點(diǎn)即為函數(shù)的拐點(diǎn)。這是尋找拐點(diǎn)時(shí)最實(shí)用的方法之一。
充要條件
拐點(diǎn)的必要條件:設(shè)在內(nèi)二階可導(dǎo),,若是曲線的一個(gè)拐點(diǎn),但是0兩側(cè)全是凸,所以0不是函數(shù)的拐點(diǎn)。
拐點(diǎn)的充分條件:設(shè)在內(nèi)二階可導(dǎo),,若在兩側(cè)附近異號(hào),則點(diǎn)為曲線的拐點(diǎn)。否則(即保持同號(hào)),不是拐點(diǎn)。
分類
拐點(diǎn)可以根據(jù)?f'(x)為零或不為零,進(jìn)行分類。
如果f'(x)為零,此點(diǎn)為拐點(diǎn)的駐點(diǎn),簡稱為鞍點(diǎn)。
如果f'(x)不為零,此點(diǎn)為拐點(diǎn)的非駐點(diǎn)。
舉一個(gè)鞍點(diǎn)的例子,是y=x3的點(diǎn)(0,0)。切線為x軸;切線正好在將圖像分為兩半。
參數(shù)曲線
平面參數(shù)曲線的拐點(diǎn)是使其曲率變號(hào)的點(diǎn),此時(shí)曲率中心(居于曲線凹側(cè))從曲線的一側(cè)換至另一側(cè)。
雙正則點(diǎn)
雙正則點(diǎn)是使得參數(shù)曲線的一階與二階微分(它們是向量)線性無關(guān)的點(diǎn)。在雙正則點(diǎn)上,曲線既無拐點(diǎn)亦非直線。在非雙正則點(diǎn)上曲率為零,但是不一定有變號(hào)。在尋找參數(shù)曲線的拐點(diǎn)時(shí),我們通常先以微分找出非雙正則點(diǎn),繼之研究其局部性狀,以判定是否為拐點(diǎn)。
設(shè)為域上的平面代數(shù)曲線,其拐點(diǎn)定義為一平滑點(diǎn),使得該點(diǎn)切線與在點(diǎn)的相交重?cái)?shù)。
注意到一條曲線與在點(diǎn)相切的充要條件是相交重?cái)?shù)。當(dāng)時(shí),代數(shù)曲線的拐點(diǎn)定義等價(jià)于上節(jié)注記中的廣義定義。
鞍點(diǎn)
一個(gè)不是局部極值點(diǎn)的駐點(diǎn)稱為鞍點(diǎn)。
廣義而說,一個(gè)光滑函數(shù)(曲線,曲面,或超曲面)的鞍點(diǎn)鄰域的曲線,曲面,或超曲面,都位于這點(diǎn)的切線的不同邊。
鞍點(diǎn)這詞語來自于不定二次型的二維圖形,像個(gè)馬鞍:在x-軸方向往上曲,在y-軸方向往下曲。
檢驗(yàn)二元實(shí)函數(shù)F - x,y的駐點(diǎn)是不是鞍點(diǎn)的一個(gè)簡單的方法,是計(jì)算函數(shù)在這個(gè)點(diǎn)的黑塞矩陣:如果黑塞矩陣的行列式小于0,則該點(diǎn)就是鞍點(diǎn)。例如,函數(shù)在駐點(diǎn)的黑塞矩陣是:
我們可以看到此矩陣有兩個(gè)特征值2,-2。它的行列式小于0,因此,這個(gè)點(diǎn)是鞍點(diǎn)。然而,這個(gè)條件只是充分條件,例如,對(duì)于函數(shù)點(diǎn)是一個(gè)鞍點(diǎn),但函數(shù)在原點(diǎn)的黑塞矩陣是零矩陣,并不小于0。的鞍點(diǎn)在? - 0,0?,一維鞍點(diǎn)看起來并不像馬鞍!在一維空間里,鞍點(diǎn)是駐點(diǎn)·也是反曲點(diǎn)。因?yàn)楹瘮?shù)圖形在鞍點(diǎn)由凸轉(zhuǎn)凹,或由凹轉(zhuǎn)凸,鞍點(diǎn)不是區(qū)域性極點(diǎn)。
思考一個(gè)只有一個(gè)變量的函數(shù)。這函數(shù)在鞍點(diǎn)的一次導(dǎo)數(shù)等于零,二次導(dǎo)數(shù)換正負(fù)符號(hào)·例如,函數(shù)?就有一個(gè)鞍點(diǎn)在原點(diǎn)。
兩座山中間的鞍點(diǎn)(雙紐線的交叉點(diǎn))?
思考一個(gè)擁有兩個(gè)以上變量的函數(shù)。它的曲面在鞍點(diǎn)好像一個(gè)馬鞍,在某些方向往上曲,在其他方向往下曲。在一幅等高線圖里,一般來說,當(dāng)兩個(gè)等高線圈圈相交叉的地點(diǎn),就是鞍點(diǎn)。例如,兩座山中間的山口就是一個(gè)鞍點(diǎn)。
極值
在數(shù)學(xué)中,極大值與極小值(又被稱為極值)是指在一個(gè)域上函數(shù)取得最大值(或最小值)的點(diǎn)的函數(shù)值。而使函數(shù)取得極值的點(diǎn)(的橫坐標(biāo))被稱作極值點(diǎn)。這個(gè)域既可以是一個(gè)鄰域,又可以是整個(gè)函數(shù)域(這時(shí)極值稱為最值)。數(shù)學(xué)函數(shù)的一種穩(wěn)定值,即一個(gè)極大值或一個(gè)極小值。
局部最大值:如果存在一個(gè)ε?>?0,使的所有滿足|x-x*|?<?ε的x都有f - x*≥?f - x我們就把點(diǎn)x*對(duì)應(yīng)的函數(shù)值f - x*稱為一個(gè)函數(shù)f的局部最大值。從函數(shù)圖像上看,局部最大值就像是山頂。
局部最小值:如果存在一個(gè)ε?>?0,使的所有滿足|x-x*|?<?ε的x都有f - x*≤?f - x我們就把點(diǎn)x*對(duì)應(yīng)的函數(shù)值f - x*稱為一個(gè)函數(shù)f的局部最小值。從函數(shù)圖像上看,局部最小值就像是山谷的底部。
全局(或稱‘絕對(duì)’)最大值:如果點(diǎn)x*對(duì)于任何x都滿足f - x*≥?f - x,則點(diǎn)f - x*稱為全局最大值。?全局(或稱‘絕對(duì)’)最小值:如果點(diǎn)x*對(duì)于任何x都滿足f - x*≤?f - x,則點(diǎn)f - x*稱為全局最小值。
全局最值一定是局部極值,反之則不然。
極值的概念不僅僅限于定義在實(shí)數(shù)域上的函數(shù)。定義在任何集合上的實(shí)數(shù)值函數(shù)都可以討論其最大最小值。為了定義局部極值,函數(shù)值必須為實(shí)數(shù),同時(shí)此函數(shù)的定義域上必須能夠定義鄰域。鄰域的概念使得在x的定義域上可以有|x?–?x*|?<?ε。
局部最大值(最小值)也被稱為極值(或局部最優(yōu)值),全局最大值(最小值)也被稱為最值(或全局最優(yōu)值)。
求極值的方法
求全局極值是最優(yōu)化方法的目的。對(duì)于一元二階可導(dǎo)函數(shù),求極值的一種方法是求駐點(diǎn)(亦稱為靜止點(diǎn),停留點(diǎn),英語:stationary?point),也就是求一階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)。如果在駐點(diǎn)的二階導(dǎo)數(shù)為正,那么這個(gè)點(diǎn)就是局部最小值;如果二階導(dǎo)數(shù)為負(fù),則是局部最大值;如果為零,則還需要進(jìn)一步的研究。
一般地,如果在駐點(diǎn)處的一階、二階、三階……直到N階導(dǎo)數(shù)都是零,而N+1階導(dǎo)數(shù)不為零,則當(dāng)N奇數(shù)且N+1階導(dǎo)數(shù)為正時(shí),該點(diǎn)為極小值;當(dāng)N是奇數(shù)且N+1階導(dǎo)數(shù)為負(fù)時(shí),該點(diǎn)為極大值;如果N是偶數(shù),則該點(diǎn)不是極值。
如果這個(gè)函數(shù)定義在一個(gè)有界區(qū)域內(nèi),則還要檢查局域的邊界點(diǎn)。如果函數(shù)在定義域內(nèi)存在不可導(dǎo)點(diǎn),則這些不可導(dǎo)點(diǎn)也可能是極值點(diǎn)。
例子
函數(shù)有惟一最小值,在x?=?0 處取得。函數(shù)沒有最值,也沒有極值,盡管其一階導(dǎo)數(shù)在x?=?0處也為0。因?yàn)槠涠A導(dǎo)數(shù) - 6x在該點(diǎn)也是0,但三階導(dǎo)數(shù)不是零。
函數(shù)cos - x有無窮多個(gè)最大值,在x?=0,?±2π,?±4π,?…,與無窮多個(gè)最小值 在x?=±π,?±3π?…?.
求函數(shù)的極值時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮其不可導(dǎo)點(diǎn),即導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn)。如函數(shù)y=|x|中0處的導(dǎo)數(shù)不存在,事實(shí)上從圖像上也能看出這一點(diǎn)來。而且0就是該函數(shù)的一個(gè)極小值。
