駐點 - 數(shù)學(xué)概念
在微積分,駐點(Stationary Point)又稱為平穩(wěn)點或臨界點(Critical Point)是函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為零,即在這一點,函數(shù)的輸出值停止增加或減少。對于一維函數(shù)的圖像,駐點的切線平行于x軸。對于二維函數(shù)的圖像,駐點的切平面平行于xy平面。值得注意的是,一個函數(shù)的駐點不一定是這個函數(shù)的極值點(考慮到這一點左右一階導(dǎo)數(shù)符號不改變的情況);反過來,在某設(shè)定區(qū)域內(nèi),一個函數(shù)的極值點也不一定是這個函數(shù)的駐點(考慮到邊界條件),駐點(紅色)與拐點(藍(lán)色),這圖像的駐點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,對于一個靜態(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,是第個外力,是對應(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),則每一個廣義力都是一個標(biāo)量的廣義位勢函數(shù)的對于其對應(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,一個靜態(tài)平衡系統(tǒng)的位勢乃是個局域平穩(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應(yīng)的泛函的平穩(wěn)點推導(dǎo)出的一種微分方程式。設(shè)定
參見
簡介
在數(shù)學(xué)上,一個反曲點或拐點是一條可微曲線改變凹凸性的點,或者等價地說,是使切線穿越曲線的點。決定曲線的拐點有助于理解曲線的外形,這在描繪曲線圖形時特別有用?!侗本┤請蟆?982.10.31:“全縣二十二個有圍網(wǎng)的隊都做好了一切準(zhǔn)備工作,提前到駐點候著?!?/p>
定義
若曲線圖形在一點由凸轉(zhuǎn)凹,或由凹轉(zhuǎn)凸,則稱此點為拐點。直觀地說,拐點是使切線穿越曲線的點。
若該曲線圖形的函數(shù)在某點的二階導(dǎo)數(shù)為零(且二階導(dǎo)數(shù)在該點兩側(cè)符號相反),或不存在,該點即為函數(shù)的拐點。這是尋找拐點時最實用的方法之一。
充要條件
拐點的必要條件:設(shè)在內(nèi)二階可導(dǎo),,若是曲線的一個拐點,但是0兩側(cè)全是凸,所以0不是函數(shù)的拐點。
拐點的充分條件:設(shè)在內(nèi)二階可導(dǎo),,若在兩側(cè)附近異號,則點為曲線的拐點。否則(即保持同號),不是拐點。
分類
拐點可以根據(jù)?f'(x)為零或不為零,進(jìn)行分類。
如果f'(x)為零,此點為拐點的駐點,簡稱為鞍點。
如果f'(x)不為零,此點為拐點的非駐點。
舉一個鞍點的例子,是y=x3的點(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)曲線的拐點是使其曲率變號的點,此時曲率中心(居于曲線凹側(cè))從曲線的一側(cè)換至另一側(cè)。
雙正則點
雙正則點是使得參數(shù)曲線的一階與二階微分(它們是向量)線性無關(guān)的點。在雙正則點上,曲線既無拐點亦非直線。在非雙正則點上曲率為零,但是不一定有變號。在尋找參數(shù)曲線的拐點時,我們通常先以微分找出非雙正則點,繼之研究其局部性狀,以判定是否為拐點。
設(shè)為域上的平面代數(shù)曲線,其拐點定義為一平滑點,使得該點切線與在點的相交重數(shù)。
注意到一條曲線與在點相切的充要條件是相交重數(shù)。當(dāng)時,代數(shù)曲線的拐點定義等價于上節(jié)注記中的廣義定義。
鞍點
一個不是局部極值點的駐點稱為鞍點。
廣義而說,一個光滑函數(shù)(曲線,曲面,或超曲面)的鞍點鄰域的曲線,曲面,或超曲面,都位于這點的切線的不同邊。
鞍點這詞語來自于不定二次型的二維圖形,像個馬鞍:在x-軸方向往上曲,在y-軸方向往下曲。
檢驗二元實函數(shù)F - x,y的駐點是不是鞍點的一個簡單的方法,是計算函數(shù)在這個點的黑塞矩陣:如果黑塞矩陣的行列式小于0,則該點就是鞍點。例如,函數(shù)在駐點的黑塞矩陣是:
我們可以看到此矩陣有兩個特征值2,-2。它的行列式小于0,因此,這個點是鞍點。然而,這個條件只是充分條件,例如,對于函數(shù)點是一個鞍點,但函數(shù)在原點的黑塞矩陣是零矩陣,并不小于0。的鞍點在? - 0,0?,一維鞍點看起來并不像馬鞍!在一維空間里,鞍點是駐點·也是反曲點。因為函數(shù)圖形在鞍點由凸轉(zhuǎn)凹,或由凹轉(zhuǎn)凸,鞍點不是區(qū)域性極點。
思考一個只有一個變量的函數(shù)。這函數(shù)在鞍點的一次導(dǎo)數(shù)等于零,二次導(dǎo)數(shù)換正負(fù)符號·例如,函數(shù)?就有一個鞍點在原點。
兩座山中間的鞍點(雙紐線的交叉點)?
思考一個擁有兩個以上變量的函數(shù)。它的曲面在鞍點好像一個馬鞍,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)兩個等高線圈圈相交叉的地點,就是鞍點。例如,兩座山中間的山口就是一個鞍點。
極值
在數(shù)學(xué)中,極大值與極小值(又被稱為極值)是指在一個域上函數(shù)取得最大值(或最小值)的點的函數(shù)值。而使函數(shù)取得極值的點(的橫坐標(biāo))被稱作極值點。這個域既可以是一個鄰域,又可以是整個函數(shù)域(這時極值稱為最值)。數(shù)學(xué)函數(shù)的一種穩(wěn)定值,即一個極大值或一個極小值。
局部最大值:如果存在一個ε?>?0,使的所有滿足|x-x*|?<?ε的x都有f - x*≥?f - x我們就把點x*對應(yīng)的函數(shù)值f - x*稱為一個函數(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ε?>?0,使的所有滿足|x-x*|?<?ε的x都有f - x*≤?f - x我們就把點x*對應(yīng)的函數(shù)值f - x*稱為一個函數(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’)最大值:如果點x*對于任何x都滿足f - x*≥?f - x,則點f - x*稱為全局最大值。?全局(或稱‘絕對’)最小值:如果點x*對于任何x都滿足f - x*≤?f - x,則點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數(shù)域上的函數(shù)。定義在任何集合上的實數(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)值必須為實數(shù),同時此函數(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。對于一元二階可導(dǎo)函數(shù),求極值的一種方法是求駐點(亦稱為靜止點,停留點,英語:stationary?point),也就是求一階導(dǎo)數(shù)為零的點。如果在駐點的二階導(dǎo)數(shù)為正,那么這個點就是局部最小值;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,該點為極小值;當(dāng)N是奇數(shù)且N+1階導(dǎo)數(shù)為負(fù)時,該點為極大值;如果N是偶數(shù),則該點不是極值。
如果這個函數(shù)定義在一個有界區(qū)域內(nèi),則還要檢查局域的邊界點。如果函數(shù)在定義域內(nèi)存在不可導(dǎo)點,則這些不可導(dǎo)點也可能是極值點。
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。因為其二階導(dǎo)數(shù) - 6x在該點也是0,但三階導(dǎo)數(shù)不是零。
函數(shù)cos - x有無窮多個最大值,在x?=0,?±2π,?±4π,?…,與無窮多個最小值 在x?=±π,?±3π?…?.
求函數(shù)的極值時還應(yīng)當(dāng)考慮其不可導(dǎo)點,即導(dǎo)數(shù)不存在的點。如函數(shù)y=|x|中0處的導(dǎo)數(shù)不存在,事實上從圖像上也能看出這一點來。而且0就是該函數(shù)的一個極小值。
