数学分析原理答案——第九章 习题31

【第九章 习题31】

设在点a∈R2\mathbf{a} \in R^{2}a∈R2的某邻域内,fff三阶连续可微,fff的梯度在a\mathbf{a}a点是0\mathbf{0}0,但fff的诸二阶导数在aaa点不全为零。说明这时从fff在a\mathbf{a}a的(二次)Taylor多项式怎样判断,fff在a\mathbf{a}a点有局部极大或局部极小,或既没有局部极大又没有局部极小。

把对于R2R^{2}R2的这个结果推广到RnR^{n}Rn。

【解】

a. 首先对于二元函数,由于fff的梯度在a\mathbf{a}a点是0\mathbf{0}0,所以

f(a+x)−f(a)=12!(D11f)(a)x12+12!(D22f)(a)x22+12!(D12)(a)x1x2+12!(D21)(a)x1x2+r(x){f\left( \mathbf{a + x} \right) - f\left( \mathbf{a} \right) }{= \frac{1}{2!}\left( D_{11}f \right)\left( \mathbf{a} \right)x_{1}^{2} + \frac{1}{2!}\left( D_{22}f \right)\left( \mathbf{a} \right)x_{2}^{2} + \frac{1}{2!}\left( D_{12} \right)\left( \mathbf{a} \right)x_{1}x_{2} + \frac{1}{2!}\left( D_{21} \right)\left( \mathbf{a} \right)x_{1}x_{2} + r(\mathbf{x})}f(a+x)−f(a)=2!1(D11f)(a)x12+2!1(D22f)(a)x22+2!1(D12)(a)x1x2+2!1(D21)(a)x1x2+r(x)

两边同时除以∣x∣2|x|^{2}∣x∣2得

f(a+x)−f(a)∣x∣2=12(D11f)(a)x12∣x∣2+(D22f)(a)x22∣x∣2+(D12)(a)x1x2∣x∣2+(D21)(a)x1x2∣x∣2+r(x)∣x∣2\frac{f\left( \mathbf{a + x} \right) - f\left( \mathbf{a} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} = \frac{1}{2}\left\lbrack \left( D_{11}f \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{1}^{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} + \left( D_{22}f \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{2}^{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} + \left( D_{12} \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{1}x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} + \left( D_{21} \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{1}x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} \right\rbrack + \frac{r\left( \mathbf{x} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}}∣x∣2f(a+x)−f(a)=21(D11f)(a)∣x∣2x12+(D22f)(a)∣x∣2x22+(D12)(a)∣x∣2x1x2+(D21)(a)∣x∣2x1x2+∣x∣2r(x)

g(x)=(D11f)(a)x12∣x∣2+(D22f)(a)x22∣x∣2+(D12)(a)x1x2∣x∣2+(D21)(a)x1x2∣x∣2g\left( \mathbf{x} \right) = \left( D_{11}f \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{1}^{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} + \left( D_{22}f \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{2}^{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} + \left( D_{12} \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{1}x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} + \left( D_{21} \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{1}x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}}g(x)=(D11f)(a)∣x∣2x12+(D22f)(a)∣x∣2x22+(D12)(a)∣x∣2x1x2+(D21)(a)∣x∣2x1x2

观察可知

g(kx)=g(x)g\left( k\mathbf{x} \right) = g(\mathbf{x})g(kx)=g(x)

只要限定xxx在平面圆就可以求出g(x)g(x)g(x)的值域。由于平面圆是紧集、连通集,所以g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)的值域是紧集、闭集、闭区间。所以g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)有最大最小值,g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)取最大值、最小值时,∣x∣\left| \mathbf{x} \right|∣x∣可以是任意值。

所以,当∣x∣→0\left| \mathbf{x} \right| \rightarrow 0∣x∣→0时,r(x)∣x∣2→0\frac{r\left( \mathbf{x} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} \rightarrow 0∣x∣2r(x)→0,此时

f(a+x)−f(a)∣x∣2≈12g(x)\frac{f\left( \mathbf{a + x} \right) - f\left( \mathbf{a} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} \approx \frac{1}{2}g\left( \mathbf{x} \right)∣x∣2f(a+x)−f(a)≈21g(x)

  1. 若g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)恒正,也就是g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)最小值为正,那么在a\mathbf{a}a点的某邻域内,f(a+x)>f(a)f\left( \mathbf{a + x} \right) > f\left( \mathbf{a} \right)f(a+x)>f(a),f(x)f(\mathbf{x})f(x)在a\mathbf{a}a点有局部极小值;

  2. 若g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)恒负,也就是g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)最大值为负,那么在a\mathbf{a}a点的某邻域内,f(a+x)<f(a)f\left( \mathbf{a + x} \right) < f\left( \mathbf{a} \right)f(a+x)<f(a),f(x)f(\mathbf{x})f(x)在a\mathbf{a}a点有局部极大值;

  3. 若g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)有正有负,也就是g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)最小值为负,最大值为正,那么在a\mathbf{a}a点的任何邻域内,f(a+x)>f(a)、f(a+x)<f(a)f\left( \mathbf{a + x} \right) > f\left( \mathbf{a} \right)、f\left( \mathbf{a + x} \right) < f\left( \mathbf{a} \right)f(a+x)>f(a)、f(a+x)<f(a)都有可能,f(x)f(x)f(x)在a\mathbf{a}a点必为鞍点;

  4. 若g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)最小值为零或者最大值为零,就无法判断。因为g(x)=0g\left( \mathbf{x} \right) = 0g(x)=0时,有r(x)∣x∣2\frac{r\left( \mathbf{x} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}}∣x∣2r(x)的干扰。

由于g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)可以写成

g(x)=(x1∣x∣,x2∣x∣)(D11f)(a)(D21f)(a)(D12f)(a)(D22f)(a)(x1∣x∣x2∣x∣)g\left( \mathbf{x} \right) = \left( \frac{x_{1}}{\left| \mathbf{x} \right|},\frac{x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|} \right)\begin{bmatrix} \left( D_{11}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \left( D_{21}f \right)\left( \mathbf{a} \right) \\ \left( D_{12}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \left( D_{22}f \right)\left( \mathbf{a} \right) \end{bmatrix}\binom{\frac{x_{1}}{\left| \mathbf{x} \right|}}{\frac{x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|}}g(x)=(∣x∣x1,∣x∣x2)(D11f)(a)(D12f)(a)(D21f)(a)(D22f)(a)(∣x∣x2∣x∣x1)

中间的矩阵若是正定,则为情况1,取极小值;若是负定,则为情况2,取极大值;若是半正定、半负定,则为情况4,无法判定;其他情况是有正有负,则为鞍点。

b. 当为一般的多元函数时

f(a+x)−f(a)∣x∣2=12!∑i1,i2(Di1Di2f)(a)xi1xi2∣x∣2+r(x)∣x∣2{\frac{f\left( \mathbf{a + x} \right) - f\left( \mathbf{a} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} }{= \frac{1}{2!}\left\lbrack \sum_{i_{1},i_{2}}^{}{\left( D_{i_{1}}D_{i_{2}}f \right)\left( \mathbf{a} \right)\frac{x_{i_{1}}x_{i_{2}}}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}}} \right\rbrack + \frac{r\left( \mathbf{x} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}}}∣x∣2f(a+x)−f(a)=2!1i1,i2∑(Di1Di2f)(a)∣x∣2xi1xi2+∣x∣2r(x)

g(x)=(x1∣x∣,x2∣x∣...xn∣x∣)(D11f)(a)(D21f)(a)⋯(Dn1f)(a)(D12f)(a)(D22f)(a)⋯(Dn1f)(a)⋮⋮⋱⋮(D1nf)(a)(D2nf)(a)⋯(Dnnf)(a)(x1∣x∣x2∣x∣⋮xn∣x∣)g\left( \mathbf{x} \right) = \left( \frac{x_{1}}{\left| \mathbf{x} \right|},\frac{x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|}\ldots\frac{x_{n}}{\left| \mathbf{x} \right|} \right)\begin{bmatrix} \left( D_{11}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \left( D_{21}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \cdots & \left( D_{n1}f \right)\left( \mathbf{a} \right) \\ \left( D_{12}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \left( D_{22}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \cdots & \left( D_{n1}f \right)\left( \mathbf{a} \right) \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \left( D_{1n}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \left( D_{2n}f \right)\left( \mathbf{a} \right) & \cdots & \left( D_{nn}f \right)\left( \mathbf{a} \right) \end{bmatrix}\begin{pmatrix} \frac{x_{1}}{\left| \mathbf{x} \right|} \\ \frac{x_{2}}{\left| \mathbf{x} \right|} \\ \vdots \\ \frac{x_{n}}{\left| \mathbf{x} \right|} \end{pmatrix}g(x)=(∣x∣x1,∣x∣x2...∣x∣xn) (D11f)(a)(D12f)(a)⋮(D1nf)(a)(D21f)(a)(D22f)(a)⋮(D2nf)(a)⋯⋯⋱⋯(Dn1f)(a)(Dn1f)(a)⋮(Dnnf)(a) ∣x∣x1∣x∣x2⋮∣x∣xn

观察可知

g(kx)=g(x)g\left( k\mathbf{x} \right) = g(\mathbf{x})g(kx)=g(x)

只要限定x\mathbf{x}x在球面就可以求出g(x)g(\mathbf{x})g(x)的值域。由于球面是紧集、连通集,所以g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)的值域是紧集、闭集、闭区间。所以g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)有最大最小值,g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)取最大值、最小值时,∣x∣\left| \mathbf{x} \right|∣x∣可以是任意值。

当∣x∣→0\left| \mathbf{x} \right| \rightarrow 0∣x∣→0时,r(x)∣x∣2→0\frac{r\left( \mathbf{x} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} \rightarrow 0∣x∣2r(x)→0,此时

f(a+x)−f(a)∣x∣2≈12g(x)\frac{f\left( \mathbf{a + x} \right) - f\left( \mathbf{a} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}} \approx \frac{1}{2}g\left( \mathbf{x} \right)∣x∣2f(a+x)−f(a)≈21g(x)

  1. 矩阵若是正定,也就是g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)最小值为正,那么在a\mathbf{a}a点的某邻域内,f(a+x)>f(a)f\left( \mathbf{a + x} \right) > f\left( \mathbf{a} \right)f(a+x)>f(a),f(x)f(\mathbf{x})f(x)在a\mathbf{a}a点有局部极小值;

  2. 矩阵若是负定,也就是g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)最大值为负,那么在a\mathbf{a}a点的某邻域内,f(a+x)<f(a)f\left( \mathbf{a + x} \right) < f\left( \mathbf{a} \right)f(a+x)<f(a),f(x)f(\mathbf{x})f(x)在a\mathbf{a}a点有局部极大值;

  3. 若是半正定、半负定,因为g(x)=0g\left( \mathbf{x} \right) = 0g(x)=0时,有r(x)∣x∣2\frac{r\left( \mathbf{x} \right)}{\left| \mathbf{x} \right|^{2}}∣x∣2r(x)的干扰,无法判定,需要更高阶判定;

  4. 其他情况是有正有负,即不定,也就是g(x)g\left( \mathbf{x} \right)g(x)最小值为负,最大值为正,那么在a\mathbf{a}a点的任何邻域内,f(a+x)>f(a)、f(a+x)<f(a)f\left( \mathbf{a + x} \right) > f\left( \mathbf{a} \right)、f\left( \mathbf{a + x} \right) < f\left( \mathbf{a} \right)f(a+x)>f(a)、f(a+x)<f(a)都有可能,f(x)f(x)f(x)在a\mathbf{a}a点必为鞍点。

相关推荐
书中玉21 天前
数学分析原理答案——第八章 习题24
答案·习题·数学分析原理·鲁丁·rudin·第八章
书中玉24 天前
数学分析原理答案——第八章 习题21
答案·习题·数学分析原理·鲁丁·rudin
书中玉2 个月前
洛必达法则
高等数学·极限·数学分析·数学分析原理·鲁丁·洛必达
汉密士202401011 年前
线代[13]|线性代数题37道以及数学分析题3道(多图预警)
线性代数·高等代数·考研数学·数学分析·未来·学习脉络·人生教训
原装穿山乙思密达2 年前
n阶Legendre多项式正交性的证明
微积分·数学分析·一元函数积分学·正交函数
小伍_Five2 年前
数据挖掘全景:从基础理论到经典算法的深度探索
大数据·数据挖掘·习题
魔理沙偷走了BUG2 年前
【数学分析笔记】第4章第4节 复合函数求导法则及其应用(3)
笔记·数学分析
belldeep2 年前
普林斯顿微积分读本(修订版) 中文版目录
微积分·数学分析
魔理沙偷走了BUG2 年前
【数学分析笔记】第4章第4节 复合函数求导法则及其应用(1)
笔记·数学分析