Python SymPy求极值

先求导解驻点再用二阶导数判别:定义变量与函数,求一阶导并解方程得驻点,代入二阶导数值判断极值类型,大于0为极小值,小于0为极大值。

Python SymPy求极值

要用python的SymPy库求函数的极值,核心思路是通过求导并解导数为零的方程来找到驻点,再结合二阶导数或函数性质判断极值类型。下面一步步说明如何操作。

1. 求导并找驻点

极值点通常出现在导数为零的位置(驻点)。使用SymPy可以方便地进行符号求导和解方程。

– 定义符号变量和函数 – 对函数求一阶导数 – 解导数等于零的方程,得到可能的极值点

示例代码:

from sympy import *
x = symbols(‘x’)
f = x**3 – 3*x**2 + 2 # 示例函数
f_prime = diff(f, x) # 一阶导数
critical_points = solve(f_prime, x) # 驻点
critical_points

输出可能是 [0, 2],表示这两个点是可能的极值点。

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2. 判断极值类型(极大/极小)

利用二阶导数判别法:将驻点代入二阶导数。

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– 若二阶导数 > 0 → 极小值 – 若二阶导数

继续上面的例子:

f_double_prime = diff(f, x, 2) # 二阶导数
for point in critical_points:
  concavity = f_double_prime.subs(x, point)
  if concavity > 0:
    print(f”{point} 是极小值点”)
  elif concavity     print(f”{point} 是极大值点”)
  else:
    print(f”{point} 无法判断,需进一步分析”)

3. 多元函数求极值(可选扩展)

对于二元函数,比如 f(x, y),需要求偏导并联立解方程组。

x, y = symbols(‘x y’)
f = x**2 + y**2 – 2*x – 4*y
fx = diff(f, x)
fy = diff(f, y)
critical_point = solve([fx, fy], (x, y))
critical_point

然后可通过海森矩阵判断极值类型,这里不展开,但思路类似。

基本上就这些。SymPy处理符号计算非常强大,只要函数能写出来,大多数极值问题都能通过求导+解方程解决。注意检查边界情况和不可导点,实际应用中也要结合函数定义域分析。

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