4.3. Критерий Сильвестра

Вместо перебора всех стационарных точек и соответствующих значений функции  можно воспользоваться специальными процедурами, позволяющими найти глобальный оптимум с меньшими затратами времени.

Определение модальной функции не позволяет непосредственно проверить, является ли функция унимодальной. В теории оптимизации выделяется важный класс выпуклых и вогнутых функций, которые допускают проверку такого рода.

Когда функция достаточно проста, теоремы (4.1…4.3) позволяют явным образом решить задачу (4.1). При этом для исследования матрицы на неотрицательную и положительную определённость, как правило, используется критерий Сильвестра с использованием угловых и главных миноров (первый способ).

А) Критерий проверки достаточных условий экстремума

Пусть А – симметрическая матрица порядка nxn. Тогда

1. Для того чтобы матрица Гессе G(x*) была положительно определена (G(x*) > 0) и точка x* являлась точкой локального минимума, необходимо и достаточно, чтобы знаки угловых миноров были строго положительны:

M₁ > 0, M₂ > 0,…, M_n > 0. (4.8)

2. Для того чтобы матрица Гессе G(x*) была отрицательно определена (G(x*) < 0) и точка x* являлась точкой локального максимума, необходимо и достаточно, чтобы знаки угловых миноров чередовались, начиная с отрицательного:

M₁ < 0, M₂ > 0, M₃ < 0,…, (-1)ⁿ M_n > 0. (4.9)

Б) Критерий проверки необходимых условий экстремума второго порядка

1. Для того чтобы матрица Гессе G(x*) была положительно полуопределенной (G(x*)  0) и точка x* может быть являлась точкой локального минимума, необходимо и достаточно, чтобы все главные миноры определителя матрицы Гессе были неотрицательны.

2. Для того чтобы матрица Гессе G(x*) была отрицательно полуопределенной (G(x*)  0) и точка x* может быть являлась точкой локального максимума, необходимо и достаточно, чтобы все главные миноры четного порядка были неотрицательны, а все главные миноры нечетного порядка – неположительны.

Второй способ (с помощью собственных значений матрицы Гессе)

Матрица G(х) размерностью(nxn) считается положительно определенной, если все ее собственные значения ₁, ₂,…, _n положительны, т.е. _j > 0 для всех j = 1, 2,…, n.

Матрица G(х) считается отрицательно определенной, если собственные значения отрицательны, т.е. _j < 0 для всех j = 1, 2,…, n.

Если среди собственных значений G встречаются и положительные и отрицательные, то матрица является знакопеременной, а исследуемая функция – невыпуклой.

Для определения собственных значений необходимо решить характеристическое уравнение:

,

где I – квадратная единичная матрица; det – знак определителя.

Матрица отличается от матрицы Гессе тем, что по диагонали располагаются члены вида.

Так для двухмерной функции f(x₁, x₂) характеристическое уравнение будет иметь вид:

(4.10)

Собствееные значения ₁ и ₂ есть корни обыкновенного квадратного уравнения ² + b + c = 0, образуются после раскрытия определителя.

Для примера возьмем функции двух переменных:

f(x)= 2 – 2x₁ –2x₂ +x₁²+x₂² – x₁ x₂

Координаты экстремальной точки x* определяются решением системы уравнений

и равныx₁* = 2, x₂* = 2

Гессиан . После решения характеристического уравнения, т.е. квадратного уравнения (2 –)² – 1 = 0 получены собственные значения ₁ = 3, ₂ = 1, т.е. матрица G является положительно определенной. Следовательно, функция f(x) является выпуклой и в экстремальной точке х* = (2,2) принимает минимальное значение f(x*) = –2.

Оба способа проверки достаточных и необходимых условий экстремума второго порядка приведены в табл.4.2.

Пример 4.4. Найти экстремум функциина множествеЕ².

Решение. 1. Запишем необходимые условия экстремума первого порядка:

;

В результате решения системы получаем стационарную точку x* = (0,0).

2. Проверим выполнение достаточных условий экстремума.

Первый способ: Матрица Гессе имеет вид .Так как М₁ = 2 > 0, , то в точкеx* локальный минимум (строка 1 в табл.4.2).

Второй способ: Найдем собственные значения матрицы Гессе, используя (4.10):

Отсюда и. Так как все собственные значения положительны, то в точкеx* локальный минимум (строка 1 в табл. 4.2). Из примера 3.3 следует, что функция является строго выпуклой на множестве Е². Поэтому точка локального минимума является и точкой глобального минимума (согласно п.3, утверждение 3.1).

3. Вычислим значение функции в точке глобального минимума: f(x*) = 0.

Пример 4.5. Найти экстремум функции на множестве Е².

Решение. 1. Запишем необходимые условия первого порядка:

;.

В результате решения системы получаем стационарную точку x* = (0,0).

2. Проверим выполнение достаточных условий экстремума и необходимых условий второго порядка.

Первый способ: Матрица Гессе имеет вид . Так как М₁ = 2 > 0, , то достаточныое условия экстремума не выполняются (строки 1 и 2 в табл.4.2). Проверим выполнение необходимых условий второго порядка.

Главные миноры первого порядка (m = 1) получаются из M₂ в результате вычеркивания n – m =2 – 1 = 1 строк и столбцов, с одинаковыми номерами: – 2, 2. Главный минор второго порядка (m = 2) получается из M₂ в результате вычеркивания n – m= 0 строк и столбцов, т.е. совпадает с M₂: -4. Отсюда следует, что необходимые условия экстремума второго порядка не выполняются (строки 3 и 4 в табл.4.2). Так как матрица Гессе не является нулевой, то можно сделать вывод о том, что в точке х* нет экстремума (строка 6 в табл.2.1).

Таблица 4.2

Критерий проверки достаточных и необходимых условий второго порядка в задаче поиска безусловного экстремума

№ п/п		G(x*)	Условия	Первый способ	Второй способ	Тип стационарной точки
1	0	>0	Достаточные условия экстремума	M1 > 0, M2 > 0,…, Mn > 0	μ1 > 0, μ2 > 0,…,μn > 0	Локальный минимум
2	0	<0	Достаточные условия экстремума	M1 < 0, M2 > 0, M3 < 0,…, (-1)n Mn > 0	μ1 < 0, μ2 < 0,…,μn > 0	Локальный максимум
3	0	0	Необходимые условия экстемума второго порядка	Все главные миноры определителя матрицы G(x*) неотрицательны	μ1  0, μ2  0,…, μn  0	Может быть локальный минимум, требуется дополнительное исследование
4	0	0	Необходимые условия экстемума второго порядка	Все главные миноры четного порядка неотрицательны, а нечетного порядка неположительны	μ1  0, μ2  0,…, μn  0	Может быть локальный максимум, требуется дополнительное исследование
5	0	=0	Необходимые условия экстемума второго порядка	Матрица Гессе состоит из нулевых элементов	μ1 = 0, μ2 = 0,…, μn = 0	Требуется дополнительное исследование
6	0	>0, <0	Необходимые условия экстемума второго порядка	Не выполняются условия п.1…5	μn имеют разные знаки	Нет экстремума

Второй способ: Найдем собственные значения матрицы Гессе, используя (4.10):

Отсюда ₁ = 2 > 0, ₂ = –2 < 0, т.е. собственные значения имеют разные знаки. Поэтому точка х* не является точкой минимума или максимума (строка 6 в табл.4.2), а является седловой точкой (аналогична изображенной на рис.4.6).

3. Так как экстремум не достигается ни в одной точке, не вычисляется.

Пример 4.6 Проверить, является ли выпуклой квадратичная функция

.

Решение. Найдем матрицу Гессе

.

Угловые (главные) миноры этой матрицы положительны:

М₁ = 6 > 0, .

Поэтому, согласно критерию Сильвестра, матрица G(x) положительно определенная, и, следовательно, функция строго выпуклая.