黑塞矩陣

**黑塞矩陣**（德語：Hesse-Matrix；英語：Hessian matrix 或 Hessian），又譯作**海森矩陣**、**海塞（賽）矩陣**或**海瑟矩陣**等，是一個由多變量實值函數的所有二階偏導數組成的方塊矩陣，由德國數學家奧托・黑塞引入並以其命名。

## 定義

假設有一實值函數 $f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})\,$ ，如果 $f\,$ 的所有二階偏導數都存在並在定義域內連續，那麼函數 $f\,$ 的黑塞矩陣為

　
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或使用下標記號表示為

　
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顯然黑塞矩陣 $\mathbf {H} \,$ 是一個 $n\times n\,$ 方陣。黑塞矩陣的行列式被稱爲黑塞式（英語：Hessian），而英語環境下使用 Hessian 一詞時可能指上述矩陣也可能指上述矩陣的行列式。

## 性質

由高等數學知識可知，若一元函數 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 點的某個鄰域內具有任意階導數，則函數 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 點處的泰勒展開式為

　
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其中， $\Delta x=x-x_{0}\,$ 。

同理，二元函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處的泰勒展開式為

　
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其中， $\Delta x_{1}=x_{1}-x_{10}\,$ ， $\Delta x_{2}=x_{2}-x_{20}\,$ ， $f_{x_{1}}={\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}\,$ ， $f_{x_{2}}={\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}\,$ ， $f_{x_{1}x_{1}}={\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{1}^{2}}}\,$ ， $f_{x_{2}x_{2}}={\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{2}^{2}}}\,$ ， $f_{x_{1}x_{2}}={\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{1}\partial x_{2}}}={\frac {\partial ^{2}f}{\partial x_{2}\partial x_{1}}}\,$ 。

將上述展開式寫成矩陣形式，則有

　
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其中， $\Delta x={\begin{bmatrix}\Delta x_{1}\\\\\Delta x_{2}\end{bmatrix}}\,$ ， $\Delta x^{\mathrm {T} }={\begin{bmatrix}\Delta x_{1}&\Delta x_{2}\end{bmatrix}}\,$ 是 $\Delta x$ 的轉置， $\nabla f(x_{0})={\begin{bmatrix}{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}\\\\{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}\end{bmatrix}}\,$ 是函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 的梯度，矩陣

　
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即函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處的 $2\times 2\,$ 黑塞矩陣。它是由函數 $f(x_{1},x_{2})$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})$ 點處的所有二階偏導數所組成的方陣。

由函數的二次連續性，有

　
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所以，黑塞矩陣 $G(x_{0})\,$ 為對稱矩陣。

將二元函數的泰勒展開式推廣到多元函數，函數 $f(x_{1},x_{2},\cdots ,x_{n})\,$ 在 $x_{0}(x_{1},x_{2},\cdots ,x_{n})\,$ 點處的泰勒展開式為

　
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其中，

為函數 $f(x)$ 在 $x_{0}(x_{1},x_{2},\cdots ,x_{n})\,$ 點的梯度，

　
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為函數 $f(x)\,$ 在 $x_{0}(x_{1},x_{2},\cdots ,x_{n})\,$ 點的 $n\times n\,$ 黑塞矩陣。若函數有 $n\,$ 次連續性，則函數的 $n\times n\,$ 黑塞矩陣是對稱矩陣。

說明：在優化設計領域中，黑塞矩陣常用 $G\,$ 表示，且梯度有時用 $g\,$ 表示。

函數 $f\,$ 的黑塞矩陣和雅可比矩陣有如下關係：

　
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即函數 $f\,$ 的黑塞矩陣等於其梯度的雅可比矩陣。

## 應用

### 函數的極值條件

對於一元函數 $f(x)\,$ ，在給定區間內某 $x=x_{0}\,$ 點處可導，並在 $x=x_{0}\,$ 點處取得極值，其必要條件是

　
:

即函數 $f(x)\,$ 的極值必定在駐點處取得，或者說可導函數 $f(x)\,$ 的極值點必定是駐點；但反過來，函數的駐點不一定是極值點。檢驗駐點是否為極值點，可以採用二階導數的正負號來判斷。根據函數 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 點處的泰勒展開式，考慮到上述極值必要條件，有

　
:

若 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 點處取得極小值，則要求在 $x=x_{0}\,$ 某一鄰域內一切點 $x\,$ 都必須滿足

　
:

即要求

　
:

亦即要求

　
:

 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 點處取得極大值的討論與之類似。於是有極值充分條件：

設一元函數 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 點處具有二階導數，且 $f'(x_{0})=0\,$ ， $f''(x_{0})\neq 0\,$ ，則

1. 當 $f''(x_{0})>0\,$ 時，函數 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 處取得極小值；
2. 當 $f''(x_{0})<0\,$ 時，函數 $f(x)\,$ 在 $x=x_{0}\,$ 處取得極大值。

而當 $f''(x_{0})=0\,$ 時，無法直接判斷，還需要逐次檢驗其更高階導數的正負號。由此有一個規律：若其開始不為零的導數階數為偶數，則駐點是極值點；若為奇數，則為拐點，而不是極值點。

對於二元函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ ，在給定區域內某 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處可導，並在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處取得極值，其必要條件是

　
:

即

　
:

同樣，這只是必要條件，要進一步判斷 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 是否為極值點需要找到取得極值的充分條件。根據函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處的泰勒展開式，考慮到上述極值必要條件，有

　
:

設 $A=f_{x_{1}x_{1}}(x_{0})\,$ ， $B=f_{x_{1}x_{2}}(x_{0})\,$ ， $C=f_{x_{2}x_{2}}(x_{0})\,$ ，則

　
:

或

　
:

若 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處取得極小值，則要求在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 某一鄰域內一切點 $x\,$ 都必須滿足

　
:

即要求

　
:

亦即要求 $A>0\,$ ， $AC-B^{2}>0\,$

即 

  
  
  
此條件反映了 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處的黑塞矩陣 $G(x_{0})\,$ 的各階主子式都大於零，即對於

　
:

要求 

  
 

  
 $f((x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處取得極大值的討論與之類似。於是有極值充分條件：

設二元函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點的鄰域內連續且具有一階和二階連續偏導數，又有 $f_{x_{1}}(x_{0})=f_{x_{2}}(x_{0})=0\,$ ，同時令 $A=f_{x_{1}x_{1}}(x_{0})\,$ ， $B=f_{x_{1}x_{2}}(x_{0})\,$ ， $C=f_{x_{2}x_{2}}(x_{0})\,$ ，則

1. 當 $A>0\,$ ， $AC-B^{2}>0\,$ 時，函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 處取得極小值；
2. 當 $A<0\,$ ， $AC-B^{2}>0\,$ 時，函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 處取得極大值。

此外可以判斷，當 $AC-B^{2}<0\,$ 時，函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處沒有極值，此點稱爲鞍點。而當 $AC-B^{2}=0\,$ 時，無法直接判斷，對此，補充一個規律：當 $AC-B^{2}=0\,$ 時，如果有 $A\equiv 0\,$ ，那麼函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 有極值，且當 $C>0\,$ 有極小值，當 $C<0\,$ 有極大值。

由線性代數的知識可知，若矩陣 $G(x_{0})\,$ 滿足 

  

　
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則矩陣 $G(x_{0})\,$ 是正定矩陣，或者說矩陣 $G(x_{0})\,$ 正定。

若矩陣 $G(x_{0})\,$ 滿足 

  

　
:

則矩陣 $G(x_{0})\,$ 是負定矩陣，或者說矩陣 $G(x_{0})\,$ 負定。

於是，二元函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處取得極值的條件表述為：二元函數 $f(x_{1},x_{2})\,$ 在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處的黑塞矩陣正定，則取得極小值；在 $x_{0}(x_{10},x_{20})\,$ 點處的黑塞矩陣負定，則取得極大值。

對於多元函數 $f(x_{1},x_{2},\cdots ,x_{n})\,$ ，若在 $x_{0}(x_{1},x_{2},\cdots ,x_{n})\,$ 點處取得極值，則極值存在的必要條件為

取得極小值的充分條件為

　
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正定，即要求 $G(x_{0})\,$ 的各階主子式都大於零，即 

  
 

  
  
  
  
  
取得極大值的充分條件為

　
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負定。

## 拓展閱讀

* 雅可比矩陣
* 梯度

## 參考文獻