《多元函数偏导数》课件

《多元函数偏导数》ppt课件•多元函数的基本概念•偏导数的定义与性质•二阶偏导数与Hessian矩阵CATALOGUE•偏导数在优化中的应用目录•多元函数的极值•偏导数在实际问题中的应用01多元函数的基本概念多元函数的定义多元函数的表示通常用z=fx,y表示一个二元函数，其中x和y是自多元函数的定义变量，z是因变量一个函数如果由多个变量决定，则称为多元函数例如，z=fx,y是一个二元函数，多元函数的定义域由x和y两个变量决定定义域是指自变量x和y的取值范围多元函数的几何意义曲面对于三元函数z=fx,y,z，其图平面曲线的表示像在三维空间中表现为一个曲面对于二元函数z=fx,y，其图像在二维平面上表现为一条曲线切线与法线在曲线上任取一点，该点处的切线与法线可以通过偏导数计算得到多元函数的极限010203极限的定义极限的性质极限的计算当自变量趋近某一值时，极限具有唯一性、有界性、计算多元函数的极限需要函数值的趋近值称为函数局部性等性质掌握一定的技巧和方法，的极限如代入法、等价无穷小替换等02偏导数的定义与性质偏导数的定义偏导数的定义对于一个多元函数，如果一个变量变化，而其他变量保持不变，那么得到的导数称为偏导数偏导数表示在多元函数中，偏导数通常用小写字母表示，如f_x、f_y、f_z等偏导数的求法求偏导数时，需要将其他变量视为常数，对一个变量求导偏导数的几何意义切线斜率对于二元函数，偏导数表示曲线在某一点处对应变量的切线斜率曲面的法线对于三元函数，偏导数表示曲面在某一点处对应变量的法线斜率梯度偏导数可以组成梯度向量，表示函数值增长最快的方向偏导数的计算方法链式法则高阶偏导数对于复合函数，链式法则是计算偏导数的重要对于高阶偏导数，需要使用递推关系进行计算方法隐函数求导对于隐函数，需要先对方程进行求导，再根据链式法则计算偏导数偏导数的性质可加性对于两个函数的和或差，其偏导数等于各自偏导数的和或差乘积法则对于两个函数的乘积，其偏导数是各自偏导数的乘积加上交叉乘积指数法则对于函数的指数，其偏导数是原函数与指数的乘积对原函数求偏导数加上指数对原函数求偏导数03二阶偏导数与Hessian矩阵二阶偏导数的定义总结词二阶偏导数是函数关于两个不同变量的二阶导数详细描述二阶偏导数是多元函数在某一点处对两个不同变量的二阶导数具体来说，如果一个多元函数在某一点处对两个不同变量x和y的偏导数存在，那么这个偏导数就是二阶偏导数Hessian矩阵的定义与性质总结词Hessian矩阵是一个由多元函数二阶偏导数构成的矩阵详细描述Hessian矩阵是一个方阵，其元素是多元函数在某一点的二阶偏导数具体来说，如果一个多元函数在某一点处对n个变量有n个二阶偏导数，那么这n个二阶偏导数可以构成一个n×n的矩阵，称为Hessian矩阵Hessian矩阵的计算方法总结词计算Hessian矩阵需要先求出多元函数的二阶偏导数，然后将这些偏导数按照一定的顺序排列成一个矩阵详细描述计算Hessian矩阵的方法是，首先求出多元函数的二阶偏导数，然后按照一定的顺序将这些偏导数排列成一个矩阵具体顺序可以根据需要选择，但必须保持一致二阶偏导数的几何意义总结词二阶偏导数可以用来判断多元函数的凹凸性详细描述二阶偏导数的符号可以用来判断多元函数的凹凸性如果在一个点处，所有二阶偏导数的符号都相同，那么这个点就是函数的拐点如果所有二阶偏导数的符号都为正，那么这个点是函数的局部最小值点；如果所有二阶偏导数的符号都为负，那么这个点是函数的局部最大值点04偏导数在优化中的应用梯度下降法•总结词梯度下降法是一种迭代优化算法，通过不断沿着梯度负方向更新参数，以寻找函数的最小值•详细描述梯度下降法的基本思想是，对于一个多元函数，在某一点处沿着梯度负方向（即函数值下降最快的方向）进行迭代更新，每次迭代都沿着该方向前进一小步，直到达到收敛条件或达到预设的最大迭代次数•适用范围梯度下降法适用于大规模数据集和复杂模型，因为它的计算复杂度相对较低，且能够快速收敛•注意事项梯度下降法可能会陷入局部最小值，而不是全局最小值，因此在实际应用中可能需要结合其他优化算法或启发式方法来提高搜索质量牛顿法•总结词牛顿法是一种基于二阶导数的迭代优化算法，通过构造二阶海森矩阵来逼近函数的最小值•详细描述牛顿法的基本思想是，对于一个多元函数，在某一点处计算函数的二阶导数（即海森矩阵），然后根据海森矩阵的逆矩阵来更新该点的函数值和梯度，每次迭代都沿着该方向前进一小步，直到达到收敛条件或达到预设的最大迭代次数•适用范围牛顿法适用于具有二次连续可导性的函数，且在初始点接近最小值的情况下能够快速收敛•注意事项牛顿法需要计算二阶导数和海森矩阵的逆矩阵，计算复杂度较高，且可能存在数值不稳定性问题拟牛顿法•总结词拟牛顿法是一种改进的牛顿法，通过构造拟牛顿矩阵来逼近海森矩阵的逆矩阵，从而加快收敛速度•详细描述拟牛顿法的基本思想是，对于一个多元函数，在某一点处计算函数的二阶导数（即海森矩阵），然后根据海森矩阵的近似逆矩阵来更新该点的函数值和梯度，每次迭代都沿着该方向前进一小步，直到达到收敛条件或达到预设的最大迭代次数•适用范围拟牛顿法适用于具有二次连续可导性的函数，且在初始点接近最小值的情况下能够快速收敛•注意事项拟牛顿法需要计算二阶导数和构造拟牛顿矩阵，计算复杂度较高，但相对于牛顿法来说数值稳定性更好05多元函数的极值多元函数的极值定义极值定义设函数f在点x0的某邻域内有定义，如果对于该邻域内任意点xx≠x0，都有fx≤fx0（或fx≥fx0），则称f在点x0取得极大值（或极小值），x0称为极值点极值的必要条件如果函数f在点x0处取得极值，那么fxx0=0极值的充分条件如果函数f在点x0处的某邻域内可导，且fxx0=0，那么函数f在点x0处可能取得极值多元函数的极值判定条件极值判定定理设函数f在点x0的某邻域内可导，且fxx0=0，那么当二阶导数fxxx00时，函数f在点x0处取得极小值；当二阶导数fxxx00时，函数f在点x0处取得极大值鞍点如果函数f在某点的某邻域内取得最大值和最小值，但该点不是极值点，则称该点为鞍点鞍点一定是边界点无穷大与极值的区别无穷大表示函数在某点的值可以任意大或任意小，而极值表示函数在某点的值比其邻域内的其他点的值都大或都小多元函数的极值计算方法极值的计算步骤首先求出函数的一阶导数和二阶导数，然后求出使一阶导数等于零的点，再判断这些点是否为极值点，如果是，则计算出该点的函数值极值的计算方法常用的方法有拉格朗日乘数法、海赛矩阵法等其中拉格朗日乘数法适用于求多元函数的条件极值，海赛矩阵法适用于求多元函数的无条件极值极值的实际应用在经济学、工程学、物理学等领域中，极值的概念都有着广泛的应用例如，在经济学中，最大化利润或最小化成本的问题常常可以通过求函数的极值来解决06偏导数在实际问题中的应用在物理问题中的应用流体力学偏导数可以描述流体在空间中的变化，如速度场、1压力场等热力学偏导数可以描述温度场、压力场等物理量的变化2电磁学偏导数可以描述电场、磁场等物理量的变化3在经济问题中的应用金融偏导数可以用于描述股票价格、汇率等金融变量的变化供需关系消费者行为偏导数可以用于描述商品价格与需求量之间偏导数可以用于描述消费者对商品价格的敏的关系感度在工程问题中的应用机械工程偏导数可以用于描述机械零件的应力、应变等物理量的变化航空航天化工偏导数可以用于描述飞行器的气动性能、稳偏导数可以用于描述化学反应速率、物质浓定性等度等的变化THANK YOU感谢观看。