Geränderte Hesse-Matrix

Die geränderte Hesse-Matrix (engl. bordered Hessian) dient zur Klassifikation von stationären Punkten bei mehrdimensionalen Extremwertproblemen mit Nebenbedingungen. Sie ist mit der „normalen“ Hesse-Matrix verwandt. Im Gegensatz zur Hesse-Matrix, welche auf positive oder negative Definitheit untersucht wird, ist bei der geränderten Hesse-Matrix die Vorzeichenfolge der Determinante von gewissen Hauptminoren entscheidend.

Genauer: Liegen bei einem Extremwertproblem ${\displaystyle m}$ Nebenbedingungen vor, so betrachtet man die Folge der Vorzeichen derjenigen führenden Hauptminoren von ${\displaystyle k}$-ter Ordnung mit ${\displaystyle k>2m}$.

Untersucht man beispielsweise eine Funktion nach einer Variablen mit einer Nebenbedingung, muss man wegen ${\displaystyle k>2\cdot 1=2}$ die Vorzeichen bei den führenden Hauptminoren erst ab 3. Ordnung betrachten (siehe auch nachfolgendes Beispiel).

Sei ${\displaystyle U\subset \mathbb {R} ^{n}}$ offen. Die Funktion ${\displaystyle f:U\rightarrow \mathbb {R} }$ sei zweimal stetig differenzierbar und sie habe in ${\displaystyle a\in U}$ ein lokales Extremum unter der Nebenbedingung ${\displaystyle F=0}$, wobei ${\displaystyle F=(F_{1},\ldots ,\,F_{m}):U\rightarrow \mathbb {R} ^{m}}$ mit ${\displaystyle m<n}$. Sei nun

${\displaystyle L(\lambda _{1},\ldots ,\,\lambda _{m},\,x):=f(x)-\sum _{i=1}^{m}\lambda _{i}F_{i}(x)}$

die Lagrange-Funktion für ${\displaystyle x\in U}$ mit ${\displaystyle m}$ Hilfsgrößen ${\displaystyle \lambda _{1},\ldots ,\lambda _{m}}$, die auch Lagrange-Multiplikatoren oder Lagrange-Parameter genannt werden. Die geränderte Hessesche Matrix ist dann die ${\displaystyle (n+m)\times (n+m)}$-Matrix

${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {\overline {H}} (\lambda _{1},\ldots ,\lambda _{m},\,a)&:=\left({\begin{array}{cccccc}0&\ldots &0&-{\frac {\partial F_{1}}{\partial x_{1}}}&\ldots &-{\frac {\partial F_{1}}{\partial x_{n}}}\\\vdots &\ddots &\vdots &\vdots &&\vdots \\0&\ldots &0&-{\frac {\partial F_{m}}{\partial x_{1}}}&\ldots &-{\frac {\partial F_{m}}{\partial x_{n}}}\\-{\frac {\partial F_{1}}{\partial x_{1}}}&\ldots &-{\frac {\partial F_{m}}{\partial x_{1}}}&{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{1}^{2}}}&\ldots &{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{1}\partial x_{n}}}\\\vdots &&\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\-{\frac {\partial F_{1}}{\partial x_{n}}}&\ldots &-{\frac {\partial F_{m}}{\partial x_{n}}}&{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{n}\partial x_{1}}}&\ldots &{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{n}^{2}}}\end{array}}\right)(\lambda _{1},\ldots ,\lambda _{m},\,a).\end{aligned}}}$

Die auffallenden Nullen oben links sind die zweiten Ableitungen von ${\displaystyle L}$ nach den Hilfsgrößen ${\displaystyle \lambda _{1},\ldots ,\lambda _{m}}$; diese zweiten Ableitungen verschwinden aber nach Konstruktion.

Für eine zweidimensionale Funktion mit einer Nebenbedingung hat die geränderte Hesse-Matrix folgende Gestalt.

Sei ${\displaystyle L(x_{1},x_{2})=f(x_{1},x_{2})+\lambda g(x_{1},x_{2})}$ die Lagrangefunktion, wobei ${\displaystyle f:\mathbb {R} ^{2}\rightarrow \mathbb {R} ,(x_{1},x_{2})\mapsto f(x_{1},x_{2})}$ eine beliebige zweidimensionale Funktion und ${\displaystyle g(x_{1},x_{2})=0\,}$ die Nebenbedingung ist, unter welcher optimiert werden soll.

${\displaystyle \operatorname {\bar {H}} (x)={\begin{pmatrix}0&g_{x1}&g_{x2}\\g_{x1}&L_{x1x1}&L_{x1x2}\\g_{x2}&L_{x2x1}&L_{x2x2}\\\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&{\frac {\partial g}{\partial x_{1}}}&{\frac {\partial g}{\partial x_{2}}}\\[1.5ex]{\frac {\partial g}{\partial x_{1}}}&{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{1}^{2}}}&{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{1}\partial x_{2}}}\\[1.5ex]{\frac {\partial g}{\partial x_{2}}}&{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{2}\partial x_{1}}}&{\frac {\partial ^{2}L}{\partial x_{2}^{2}}}\\\end{pmatrix}}}$

Die ${\displaystyle 0}$ auf der Position oben links in der Matrix kommt durch ${\displaystyle \operatorname {\bar {H}} _{11}={\frac {\partial ^{2}L}{\partial \lambda ^{2}}}}$ zustande.

Eine stationäre Stelle ${\displaystyle x_{0}}$ von ${\displaystyle f}$ ist dann unter der Nebenbedingung ${\displaystyle g}$

• lokales Maximum, wenn ${\displaystyle \det {\bar {H}}(x_{0})>0}$
• lokales Minimum, wenn ${\displaystyle \det {\bar {H}}(x_{0})<0}$
• unentscheidbar, wenn ${\displaystyle \det {\bar {H}}(x_{0})=0}$

• Geränderte Hesse-Matrix. Wirtschaftsuniversität Wien.
• Robert Koschig: Das Optimierungsverfahren mit Lagrange-Multiplikatoren.