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导数

导数

设函数 f:RnRmxintdomf。如果存在矩阵 Df(x)Rm×n,满足

limzdomf,zx,zxf(z)f(x)Df(x)(zx)2zx2=0

则称函数 f 可微,并称 Df(x)fx 处的导数(或 Jacobian 矩阵)。

我们将 z 的仿射函数

f(x)+Df(x)(zx)

称为 fx 处(或附近)的一次逼近。当 z 接近 x 时,该仿射函数非常接近 f

Df(x) 可以通过计算偏导数的方式求得:

Df(x)ij=fi(x)xj,i=1,,m,j=1,,n

梯度

f(x)=Df(x)

梯度是一个列向量,它的分量是 f 的偏导数。

f(x)i=f(x)xi,i=1,,n

链式规则

设复合函数 h(x)=g(f(x)),则

h(x)=g(f(x))f(x)=g(f(x))f(x)

仿射函数

设仿射函数 g(x)=f(Ax+b),其中 f:RnRmARn×pbRn,则 g:RpRm。当 f 是实函数时(即 m=1),仿射函数 g 的梯度公式为:

g(x)=Af(Ax+b)

INFO

仿射

RnRm 的映射 xAx+b 称为仿射变换。当 m=1 时,称上述仿射变换为仿射函数。若仿射函数的 b=0,则称之为线性函数

方向导数

f:RnRmx,vRn。定义函数 f~=f(x+tv)。(粗略地说,f~ 是将 f 限制在直线 {x+tvtR} 上的函数。)则

Df~(t)=f~(t)=f(x+tv)v

并称标量 f~(0) 为函数 fx 处沿方向 v方向导数

二阶导数

设函数 f:RnRxintdomf。那么 fx 处的二阶导数(或 Hessian 矩阵)为

2f(x)ij=2f(x)xixj,i=1,,n,j=1,,n

函数 f 在(或接近)x 处以 z 为变量的二次逼近

f^(z)=f(x)+f(x)(zx)+12(zx)2f(x)(zx)

二阶导数的链式规则

标量复合函数

f:RnRg:RRh(x)=g(f(x))。我们有

2h(x)=g(f(x))2f(x)+g(f(x))f(x)f(x)

复合仿射函数

f:RnRARn×mbRn,定义 g:RmRg(x)=f(Ax+b)。我们有

2g(x)=A2f(Ax+b)A
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