多元函数的导数公式

对于多元函数 $f(x_1, x_2, ..., x_n)$,其在某个点 $(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0})$ 处的导数可以用梯度和海森矩阵进行表示。

梯度:梯度是一个向量,表示函数在某个点处增加最快的方向和速率。梯度可以用偏导数表示,计算公式如下:

$$\nabla f(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) = \left(\frac{\partial f}{\partial x_1}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}), \frac{\partial f}{\partial x_2}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}), ..., \frac{\partial f}{\partial x_n}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0})\right)$$

其中,$\nabla$ 表示梯度算子。

海森矩阵:海森矩阵是一个方阵,表示函数在某个点处的二次变化率和方向,计算公式如下:

$$\mathbf{H}_f(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) = \begin{bmatrix} \frac{\partial^2 f}{\partial x_1^2}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) & \frac{\partial^2 f}{\partial x_1\partial x_2}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) & \cdots & \frac{\partial^2 f}{\partial x_1\partial x_n}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) \\ \frac{\partial^2 f}{\partial x_2\partial x_1}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) & \frac{\partial^2 f}{\partial x_2^2}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) & \cdots & \frac{\partial^2 f}{\partial x_2\partial x_n}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial^2 f}{\partial x_n\partial x_1}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) & \frac{\partial^2 f}{\partial x_n\partial x_2}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) & \cdots & \frac{\partial^2 f}{\partial x_n^2}(x_{1,0}, x_{2,0}, ..., x_{n,0}) \end{bmatrix}$$

需要注意的是,当函数的所有二阶偏导数都存在时,海森矩阵是对称的;如果某个二阶偏导数不存在或不连续,那么海森矩阵可能不对称。此外,如果海森矩阵的所有特征值均为正数,则表示函数在该点处是局部最小值;如果所有特征值均为负数,则表示函数在该点处是局部最大值。如果特征值有正有负,则表示函数在该点处是鞍点。

另外,对于多元函数的求导,还有其他一些特殊的概念和技巧,例如方向导数、全微分、多元链式法则等,需要根据具体情况进行灵活运用。