主要内容

发现多元函数的极值及其近似

这个例子展示了如何找到一个多元函数的极值及其近似极值点附近。这个示例使用符号矩阵变量代表多元函数及其衍生物。可从R2021a符号矩阵变量。

考虑到多元函数 f ( x ) = ( x T 一个 x ) ,在那里 x 是一个2×1向量和 一个 是一个2×2矩阵。找到这个函数的局部极值,计算导数的根 f ( x ) 。换句话说,找到导数的解决方案 f ( x 0 ) = 0

创建函数,找到它的导数

创建一个向量 x 和矩阵 一个 作为符号矩阵变量。定义的函数 f ( x ) = ( x T 一个 x )

信谊x(2 - 1)矩阵信谊一个(2 - 2)矩阵f = sin (x。”* * x)
f =
                 
                  
                   
                    
                     
                    
                    
                     
                      (
                     
                      
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              x
                            
                           
                          
                          
                           
                            T
                          
                         
                         
                         
                         
                          
                           
                            一个
                          
                         
                         
                         
                         
                          
                           
                            x
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                     
                      )
                    
                   
                   
                    罪(转置(symmatrix (' x ', 1 [2])) * symmatrix (' A ', 2 [2]) * symmatrix (‘x’, (2 - 1)))
                  
                 

计算导数D函数的 f ( x ) 关于向量 x 。导数D显示在紧凑的矩阵表示法的 x 一个

D = diff (f (x)
D =
                 
                  
                   
                    
                     
                      
                       
                        因为
                      
                      
                       
                        (
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                x
                              
                             
                            
                            
                             
                              T
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              一个
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              x
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                       
                        )
                      
                     
                     
                     
                     
                      
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                x
                              
                             
                            
                            
                             
                              T
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              一个
                            
                           
                          
                         
                         
                          +
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                x
                              
                             
                            
                            
                             
                              T
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              
                               
                                一个
                              
                             
                            
                            
                             
                              T
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                    
                   
                   
                    cos(转置(symmatrix (“x”, [2 1])) * symmatrix (A, (2 - 2)) * symmatrix (“x”,[2 1])) *(转置(symmatrix (“x”, [2 1])) * symmatrix (' A ', 2[2]) +转置(symmatrix (“x”,[2 1])) *转置(symmatrix (' A ', 2 [2])))
                  
                 

转换symmatrix对象信谊对象

象征性的矩阵变量x,一个,f,Dsymmatrix对象。这些对象代表矩阵、矢量和标量在紧凑型矩阵表示法。给这些变量的组件,转换symmatrix对象信谊对象的使用symmatrix2sym

xsym = symmatrix2sym (x)
xsym =

( x 1 x 2 ) [x1;x2)

Asym = symmatrix2sym (A)
Asym =

( 一个 1 , 1 一个 1 , 2 一个 2 , 1 一个 2 , 2 ) [A1_1, A1_2;A2_1 A2_2]

fsym = symmatrix2sym (f)
fsym =
                 
                  
                   
                    
                     
                      (
                     
                      
                       
                        
                         
                          
                           
                          
                          
                           
                            (
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          一个
                                        
                                        
                                         
                                          1
                                         
                                          ,
                                         
                                          1
                                        
                                       
                                       
                                       
                                       
                                        
                                         
                                          x
                                        
                                        
                                         
                                          1
                                        
                                       
                                      
                                     
                                     
                                      +
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          一个
                                        
                                        
                                         
                                          1
                                         
                                          ,
                                         
                                          2
                                        
                                       
                                       
                                       
                                       
                                        
                                         
                                          x
                                        
                                        
                                         
                                          2
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                +
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    2
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          一个
                                        
                                        
                                         
                                          2
                                         
                                          ,
                                         
                                          1
                                        
                                       
                                       
                                       
                                       
                                        
                                         
                                          x
                                        
                                        
                                         
                                          1
                                        
                                       
                                      
                                     
                                     
                                      +
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          一个
                                        
                                        
                                         
                                          2
                                         
                                          ,
                                         
                                          2
                                        
                                       
                                       
                                       
                                       
                                        
                                         
                                          x
                                        
                                        
                                         
                                          2
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                            
                           
                           
                            )
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                     
                      )
                    
                   
                   
                    (罪(x1 * (A1_1 * x1 + A1_2 * x2) + x2 * (A2_1 * x1 + A2_2 * x2)))
                  
                 
Dsym = symmatrix2sym (D)
Dsym =
                 
                  
                   
                    
                     
                      (
                     
                      
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              因为
                            
                            
                             
                              (
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      x
                                    
                                    
                                     
                                      1
                                    
                                   
                                   
                                   
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                           
                                            ,
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                        
                                       
                                       
                                        +
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                           
                                            ,
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                 
                                  +
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      x
                                    
                                    
                                     
                                      2
                                    
                                   
                                   
                                   
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                           
                                            ,
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                        
                                       
                                       
                                        +
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                           
                                            ,
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                             
                              )
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  2
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    一个
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                   
                                    ,
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                +
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    一个
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                   
                                    ,
                                   
                                    2
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    2
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                +
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    一个
                                  
                                  
                                   
                                    2
                                   
                                    ,
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    2
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              因为
                            
                            
                             
                              (
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      x
                                    
                                    
                                     
                                      1
                                    
                                   
                                   
                                   
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                           
                                            ,
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                        
                                       
                                       
                                        +
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                           
                                            ,
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                 
                                  +
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      x
                                    
                                    
                                     
                                      2
                                    
                                   
                                   
                                   
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                           
                                            ,
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                        
                                       
                                       
                                        +
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            一个
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                           
                                            ,
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                             
                              )
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    一个
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                   
                                    ,
                                   
                                    2
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                +
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    一个
                                  
                                  
                                   
                                    2
                                   
                                    ,
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                +
                               
                                
                                 
                                  2
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    一个
                                  
                                  
                                   
                                    2
                                   
                                    ,
                                   
                                    2
                                  
                                 
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    2
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                     
                      )
                    
                   
                   
                    (因为(x1 * (A1_1 * x1 + A1_2 * x2) + x2 * (A2_1 * x1 + A2_2 * x2)) * (2 * A1_1 * x1 + A1_2 * x2 + A2_1 * x2),因为(x1 * (A1_1 * x1 + A1_2 * x2) + x2 * (A2_1 * x1 + A2_2 * x2)) * (A1_2 * x1 + A2_1 * x1 + 2 * A2_2 * x2))
                  
                 

代入数值并找到最低

假设你有兴趣的情况的价值 一个 [2 1;0 3]。把这个值代入函数fsym

fsym =潜艇(fsym、Asym [2 1;0 3])
fsym =
                 
                  
                   
                    
                     
                    
                    
                     
                      (
                     
                      
                       
                        
                         
                          
                           
                            3
                           
                           
                           
                            
                             
                              
                               
                                x
                              
                              
                               
                                2
                              
                             
                            
                            
                             
                              2
                            
                           
                          
                         
                         
                          +
                         
                          
                           
                            
                             
                              x
                            
                            
                             
                              1
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  2
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                - - - - - -
                               
                                
                                 
                                  x
                                
                                
                                 
                                  2
                                
                               
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                     
                      )
                    
                   
                   
                    罪(3 x1 * * x2 ^ 2 + (2 * (x1, x2))
                  
                 

替代的价值 一个 的导数Dsym

Dsym =潜艇(Dsym、Asym [2 1;0 3])
Dsym =
                 
                  
                   
                    
                     
                      (
                     
                      
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              因为
                            
                            
                             
                              (
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    3
                                   
                                   
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        x
                                      
                                      
                                       
                                        2
                                      
                                     
                                    
                                    
                                     
                                      2
                                    
                                   
                                  
                                 
                                 
                                  +
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      x
                                    
                                    
                                     
                                      1
                                    
                                   
                                   
                                   
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          2
                                         
                                         
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            1
                                          
                                         
                                        
                                       
                                       
                                        - - - - - -
                                       
                                        
                                         
                                          x
                                        
                                        
                                         
                                          2
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                             
                              )
                            
                           
                           
                           
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  4
                                 
                                 
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                - - - - - -
                               
                                
                                 
                                  x
                                
                                
                                 
                                  2
                                
                               
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                       
                        
                         
                          
                           
                            - - - - - -
                           
                            
                             
                              
                               
                                因为
                              
                              
                               
                                (
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    
                                     
                                      3
                                     
                                     
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          x
                                        
                                        
                                         
                                          2
                                        
                                       
                                      
                                      
                                       
                                        2
                                      
                                     
                                    
                                   
                                   
                                    +
                                   
                                    
                                     
                                      
                                       
                                        x
                                      
                                      
                                       
                                        1
                                      
                                     
                                     
                                     
                                     
                                      
                                       
                                        
                                         
                                          
                                           
                                            2
                                           
                                           
                                           
                                            
                                             
                                              x
                                            
                                            
                                             
                                              1
                                            
                                           
                                          
                                         
                                         
                                          - - - - - -
                                         
                                          
                                           
                                            x
                                          
                                          
                                           
                                            2
                                          
                                         
                                        
                                       
                                      
                                     
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                               
                                )
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  
                                   
                                    x
                                  
                                  
                                   
                                    1
                                  
                                 
                                 
                                  - - - - - -
                                 
                                  
                                   
                                    6
                                   
                                   
                                   
                                    
                                     
                                      x
                                    
                                    
                                     
                                      2
                                    
                                   
                                  
                                 
                                
                               
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                     
                      )
                    
                   
                   
                    (cos (3 x1 * * x2 ^ 2 + (2 * (x1, x2)) * (4 * (x1, x2), cos (3 x1 * * x2 ^ 2 + (2 * (x1, x2)) * (x1 - 6 * x2)]
                  
                 

然后,运用符号函数解决导数的根源。

[xmin, ymin] =解决(Dsym xsym,“PrincipalValue”,真正的);x0 = [xmin;ymin]
x0 =

( 0 0 ) (信谊(0);信谊(0))

绘制函数 f ( x ) 一起极值解 x 0 。设置情节间隔 - - - - - - 1 < x 1 < 1 - - - - - - 1 < x 2 < 1 作为第二个参数fsurf。使用fplot3绘制的坐标极值解。

fsurf (fsym [1 1 1 1])ymin fplot3 (xmin,潜艇(fsym xsym, x0),“罗”)视图([-68]13日)

图包含一个轴。轴2 functionsurface类型的对象,包含parameterizedfunctionline。

附近近似函数的最小值

你可以围绕一个多变量函数近似点 x 0 多项利用泰勒展开式。

f ( x ) f ( x 0 ) + f ( x 0 ) ( x - - - - - - x 0 ) + 1 2 ( x - - - - - - x 0 ) T H ( f ( x 0 ) ) ( x - - - - - - x 0 )

在这里,这个术语 f ( x 0 ) 梯度向量, H ( f ( x 0 ) ) 海赛矩阵的多元函数 f ( x ) 计算在 x 0

找到海赛矩阵作为一个象征性的矩阵变量并返回结果。

H = diff (f, x, x。”)
H =
                 
                  
                   
                    
                     
                      - - - - - -
                     
                      
                       
                        
                         
                        
                        
                         
                          (
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  x
                                
                               
                              
                              
                               
                                T
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                一个
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                x
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                         
                          )
                        
                       
                       
                       
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  一个
                                
                               
                              
                              
                               
                                T
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                x
                              
                             
                            
                           
                           
                            +
                           
                            
                             
                              
                               
                                一个
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                x
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                       
                       
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  x
                                
                               
                              
                              
                               
                                T
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                一个
                              
                             
                            
                           
                           
                            +
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  x
                                
                               
                              
                              
                               
                                T
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  一个
                                
                               
                              
                              
                               
                                T
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                     
                      +
                     
                      
                       
                        
                         
                          因为
                        
                        
                         
                          (
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                
                                 
                                  x
                                
                               
                              
                              
                               
                                T
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                一个
                              
                             
                             
                             
                             
                              
                               
                                x
                              
                             
                            
                           
                          
                         
                         
                          )
                        
                       
                       
                       
                       
                        
                         
                          
                           
                            
                             
                              
                               
                                一个
                              
                             
                            
                            
                             
                              T
                            
                           
                           
                            +
                           
                            
                             
                              一个
                            
                           
                          
                         
                        
                       
                      
                     
                    
                   
                   
                    罪(转置(symmatrix (“x”, [2 1])) * symmatrix (' A ', 2 [2]) * symmatrix (“x”,[2 1])) *(转置(symmatrix (' A ', 2 [2])) * symmatrix (“x”, [2 1]) + symmatrix (' A ', 2 [2]) * symmatrix (“x”,[2 1])) *(转置(symmatrix (“x”, [2 1])) * symmatrix (' A ', 2[2]) +转置(symmatrix (“x”,[2 1])) *转置(symmatrix (' A ', 2 [2]))) + cos(转置(symmatrix (“x”, [2 1])) * symmatrix (A, (2 - 2)) * symmatrix (“x”,[2 1])) *(转置(symmatrix (' A ', 2 [2])) + symmatrix (' A ', 2 [2]))
                  
                 

把海赛矩阵 H ( f ( x 0 ) ) 信谊数据类型,代表组件的矩阵形式。使用潜艇评估海赛矩阵 一个 = (2 1;0 3]在最小点 x 0

Hsym = symmatrix2sym (H);Hsym =潜艇(Hsym、Asym [2 1;0 3]);H0 =潜艇(Hsym xsym x0)
H0 =

( 4 - - - - - - 1 - - - - - - 1 6 ) 信谊(4),信谊(1);信谊(1),信谊(6)]

评价梯度向量 f ( x 0 ) x 0

D0 =潜艇(Dsym xsym x0)
D0 =
                 
                  
                   
                    
                     
                      (
                     
                      
                       
                        
                         
                          0
                        
                       
                       
                        
                         
                          0
                        
                       
                      
                     
                     
                      )
                    
                   
                   
                    (信谊(0),信谊(0))
                  
                 

计算函数的泰勒近似接近最小值。

fapprox =潜艇(fsym xsym x0) + D0 * (xsym-x0) + 1/2 * (xsym-x0)。* H0 * (xsym-x0)
fapprox =

x 1 2 x 1 - - - - - - x 2 2 - - - - - - x 2 x 1 2 - - - - - - 3 x 2 x1 * (2 * x1 - x2/2) - x2 * (x1 / - 3 * x2)

情节上的函数近似相同的图形显示 f ( x ) x 0

持有fsurf (fapprox [1 1 1 1) zlim (1 [3])

图包含一个轴。轴包含3 functionsurface类型的对象,parameterizedfunctionline。