當你描繪函式的圖形並標記「峰」與「谷」時,你正在定位它的局部極值。在能夠證明關於極值的任何定理——例如費馬引理——之前,你需要精確的定義,以區分局部與全域、內部與邊界、嚴格與非嚴格。
局部極大與局部極小
設 f 定義在集合 D⊆R 上,x0∈D。
定義。 若存在 δ>0,使得
f(x)≤f(x0)for all x∈D with ∣x−x0∣<δ,
則稱 x0 為 f 的局部極大(local maximum)。
若不等式嚴格成立(即 x=x0 時 f(x)<f(x0)),則稱 x0 為嚴格局部極大(strict local maximum)。
**局部極小(local minimum)與嚴格局部極小(strict local minimum)**由相反的不等式對稱定義。**局部極值(local extremum)**一詞涵蓋兩種情形。
內部極值與邊界極值
上述定義對 D 的內部點與邊界點同樣適用。然而,關於極值的大多數定理——包括費馬引理——要求 x0 在 D 的內部,即存在 δ>0 使得 (x0−δ,x0+δ)⊆D。
為何此區別重要。 在邊界點,函式僅與單側的值比較。例如,f(x)=x 在 [0,1] 上,在 x0=0 處有局部極小,在 x0=1 處有局部極大,儘管在兩個端點均有 f′=1=0。駐點條件 f′(x0)=0 只能在內部點成立。
局部極值與全域極值
全域極大(global maximum)(又稱絕對極大)是 D 中的點 x0,滿足對所有 x∈D 均有 f(x0)≥f(x)——而不僅僅是附近的點。每個全域極值都是局部極值,但反之不然。
例。 對 f(x)=sinx 在 R 上:每個 sinx=1 的點既是局部極大也是全域極大,而 sinx=−1 的點既是局部極小也是全域極小。不存在其他局部極值,因為 sinx 在兩個方向上都振盪到任意大的 x 值。
例。 對 f(x)=x3−3x 在 R 上:x=−1 是局部極大,f(−1)=2;x=1 是局部極小,f(1)=−2。兩者都不是全域極值,因為當 x→±∞ 時 f(x)→±∞。
以局部性質刻畫
x0∈int(D) 是 f 的局部極大,若且唯若 f−f(x0) 在 x0 的某鄰域內非正。這一重新表述直接聯繫到費馬引理中對差商進行符號分析的方法。
摘要
- x0 是局部極大,若對所有 x 在 x0 附近(D 的範圍內)均有 f(x)≤f(x0);若 x=x0 時不等式嚴格成立,則為嚴格局部極大。
- 內部極值位於定義域的開內部;邊界極值則不在。
- 每個全域極值都是局部極值;反之不然。
- 由 f′(x0)=0 推導條件的定理,要求極值在內部且 f 在該點可微。