內部極值(Interior Extremum)

Basis
最後更新: 標籤: 微積分, 極值

先備知識

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

ff 定義在集合 DRD \subseteq \mathbb{R} 上,x0Dx_0 \in D

定義。 若存在 δ>0\delta > 0,使得

f(x)f(x0)for all xD with xx0<δ,f(x) \leq f(x_0) \quad \text{for all } x \in D \text{ with } |x - x_0| < \delta,

則稱 x0x_0ff局部極大(local maximum)

若不等式嚴格成立(即 xx0x \neq x_0f(x)<f(x0)f(x) < f(x_0)),則稱 x0x_0嚴格局部極大(strict local maximum)

**局部極小(local minimum)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 DD 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 x0x_0DD內部,即存在 δ>0\delta > 0 使得 (x0δ,x0+δ)D(x_0 - \delta, x_0 + \delta) \subseteq 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)=xf(x) = x[0,1][0, 1] 上,在 x0=0x_0 = 0 處有局部極小,在 x0=1x_0 = 1 處有局部極大,儘管在兩個端點均有 f=10f' = 1 \neq 0。駐點條件 f(x0)=0f'(x_0) = 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 DD 中的點 x0x_0,滿足對所有 xDx \in D 均有 f(x0)f(x)f(x_0) \geq 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。f(x)=sinxf(x) = \sin xR\mathbb{R} 上:每個 sinx=1\sin x = 1 的點既是局部極大也是全域極大,而 sinx=1\sin x = -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\sin x 在兩個方向上都振盪到任意大的 xx 值。

例。f(x)=x33xf(x) = x^3 - 3xR\mathbb{R} 上:x=1x = -1 是局部極大,f(1)=2f(-1) = 2x=1x = 1 是局部極小,f(1)=2f(1) = -2。兩者都不是全域極值,因為當 x±x \to \pm\inftyf(x)±f(x) \to \pm\infty

以局部性質刻畫

x0int(D)x_0 \in \operatorname{int}(D)ff 的局部極大,若且唯若 ff(x0)f - f(x_0)x0x_0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

  • x0x_0局部極大,若對所有 xxx0x_0 附近(DD 的範圍內)均有 f(x)f(x0)f(x) \leq f(x_0);若 xx0x \neq x_0 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。
  • f(x0)=0f'(x_0) = 0 推導條件的定理,要求極值在內部且 ff 在該點可微。