二阶导数的对称性

百科正文

的偏导数可以交换。如果关于 xᵢ 的偏导数用一个下标 i 表示，则对称性断言二阶偏导数 fᵢⱼ 满足等式 fᵢⱼ=fⱼᵢ

从而它们组成一个n×n 对称矩阵。

黑塞矩阵是典型对称的

f的二阶偏导数称为f的黑塞矩阵。主对角线之外的元素是混合导数；即关于不同两个变量相继之导数。

在最正常的情形黑塞矩阵实际上是对称矩阵；但从数学分析的观点来看这不是一个安全的论述，在特定一个点除了二阶导数的存在之外还需进一步的假设。克莱罗定理给出了关于f的一个充分条件使其成立。

对称性的正式表述

用符号表示，对称性说，例如 (∂)/(∂ x)((∂ f)/(∂ y))=(∂)/(∂ y)((∂ f)/(∂ x))。

这个等式也可写成 ∂ _(xy)f=∂ _(yx)f。

或者，此对称性可利用微分算子Di写成一个代数论述，Di是关于xi取偏导数：

Di. Dj = Dj. Di.

由这个关系得知由Di生成的常系数微分算子环是交换的。但须自然地设定这些算子的一个定义域。容易验证对单项式对称性成立，从而我们可取xi的多项式为定义域。事实上光滑函数也行。

克莱罗定理

在数学分析中，克莱罗定理（Clairaut's theorem）或施瓦兹定理（Schwarz's theorem），以亚历克西·克莱罗与赫尔曼·施瓦兹命名，断言如果 f: R ⁿ→ R

在 R ⁿ 中任何一点 (a₁,…,aₙ) 有连续二阶偏导数，则对（公式略）

∂ （公式略）

换句话说，这个函数在那一点的偏导数交换。确立这个定理的一个简单方法（当n = 2, i = 1，且j = 2，很容易推到一般）是运用格林定理求f的梯度。

克莱罗常数

这个定理的一个副产品是克莱罗常数（Clairaut's constant，亦称卡罗拉公式或克莱罗参数），涉及球面大圆上一点的维度与方位角。一个特定大圆等于它在赤道处的方位角，或弧道路，（公式略）：（公式略）

分布理论描述

也可利用分布理论回避有这种对称性的解析问题。首先任何函数的导数（假设可积）可以定义为一个分布。第二分部积分将对称性问题丢给测试函数，这是光滑的当然满足对称性。从而，在分布的意义下，对称性总满足。（另一个方法，若定义了函数的傅立叶变换，注意到在变换中偏导数成为更显然交换的乘法算子）。

对称性的要求

当函数不满足克莱洛定理的前提的时候，例如其导数不连续，则不存在对称性。

展示非对称的一个例子如下：（公式略）

尽管这个函数处处连续，但它的代数导函数在原点没有定义。沿着x轴的其他地方y的导数为 ∂ _(y)f|_((x,0))=x，所以（公式略）。

反之亦然，沿着y轴的其他地方x的导数为 ∂ ₓf|_((0,y))=-y，所以 ∂ _(y)∂ ₓf|_((0,0))=-1。那就是说，在(0,0)处 ∂ _(xy)f≠ ∂ _(yx)f，尽管f的混合导数存在，且在 (0,0) 之外处处连续。注意到它与克莱罗定理并不矛盾，因为导数在(0,0)不连续。一般地，极限运算的交换未必交换，两个变量情形下，在(0, 0)附近考虑 f(h,k)-f(h,0)-f(0,k)+f(0,0)

的两个极限过程，先令h → 0以及先令k → 0。这两个过程未必交换（参见极限运算的交换）：看最先作用的那个一阶项。可以构造出二阶导数的对称性不成立的病态例子。若导数作为施瓦兹分布是对称的，这类例子属于实分析中的精细理论，逐点值在其中起作用。当看作一个分布的时候，二阶导数值可以在任意点集中的改变，只要Lebesgue测度为 0。由于在这个例子中，黑塞矩阵在 (0,0) 外所有点对称，Hessian矩阵看作施瓦茨分布是对称的事实，不存在矛盾。