多元最佳化

加邊黑塞矩陣(bordered Hessian)

/ Hessian: HESS-ee-uhn /

拉格朗日方法找出目標梯度與約束梯度平行的候選點,但它對每個候選點究竟是受約束的極大、極小還是兩者皆非保持沉默。加邊黑塞矩陣正是了結此問的二階判別——它是檢驗普通黑塞矩陣定性的受約束類比。

它的構造是:取拉格朗日函數的黑塞矩陣(對變數的二階導數),再用約束梯度做成的邊把它鑲起來。對 n 個變數中的一條約束 g,矩陣為 [0, grad g; (grad g) 轉置, H],是一個 (n+1) 階對稱矩陣。訣竅在於,普通定性問錯了問題——你只關心沿尊重約束的方向(切空間)上的彎曲。那條邊恰好編碼了這一限制,判別法讀取它若干順序主子式的符號序列。正確的交錯符號模式標誌受約束極小;相反的模式標誌受約束極大。

在經濟學中,這一判別確認成本最小化或效用最大化的解確實是最優,而不僅是駐點。它是受約束最佳化二階條件背後嚴格的後盾,也是靈敏度分析的基礎。誠實的提醒:子式符號法則相當挑剔,確切的模式取決於約束的個數,實踐中人們往往改為檢驗限制在切空間上的黑塞矩陣的特徵值,那是同一思想更透明的表述。

對兩個變數中的一條約束,加邊黑塞矩陣是 3 階矩陣 [0, g_x, g_y; g_x, L_xx, L_xy; g_y, L_xy, L_yy]。該矩陣的行列式為正標誌受約束局部極大;為負標誌受約束局部極小。

角上的零和邊上的約束梯度,使它區別於普通黑塞矩陣。

不要把未加邊黑塞矩陣的定性法則套到受約束問題上:相關的彎曲只存在於約束的切空間裡,忽略那條邊會給出錯誤結論。

又稱
bordered Hessian matrix镶边黑塞矩阵鑲邊黑塞矩陣