Теорема Стоуна – Вейерштрасса
В математическом анализе утверждает теорема аппроксимации Вейерштрасса , что каждая непрерывная функция, определенная на замкнутом интервале [ a , b ], может быть равномерно аппроксимирована функцией настолько близко, насколько это необходимо полиномиальной . Поскольку полиномы относятся к числу простейших функций и поскольку компьютеры могут напрямую оценивать полиномы, эта теорема имеет как практическое, так и теоретическое значение, особенно при полиномиальной интерполяции . Первоначальная версия этого результата была установлена Карлом Вейерштрассом в 1885 году с помощью преобразования Вейерштрасса .
Маршалл Х. Стоун значительно обобщил теорему. [ 1 ] и упростил доказательство. [ 2 ] Его результат известен как теорема Стоуна-Вейерштрасса . Теорема Стоуна–Вейерштрасса обобщает аппроксимационную теорему Вейерштрасса в двух направлениях: вместо вещественного интервала [ a , b ] рассматривается произвольный компакт Хаусдорфа X , а вместо алгебры полиномиальных функций — множество других семейств непрерывных функции на показано достаточно, как подробно описано ниже . Теорема Стоуна-Вейерштрасса является важным результатом в изучении алгебры непрерывных функций на компактном хаусдорфовом пространстве .
Далее, существует обобщение теоремы Стоуна-Вейерштрасса на некомпактные тихоновские пространства , а именно, любая непрерывная функция в тихоновском пространстве равномерно приближается на компактах алгебрами типа, появляющегося в теореме Стоуна-Вейерштрасса и описанного ниже.
Другим обобщением исходной теоремы Вейерштрасса является теорема Мергеляна , которая обобщает ее на функции, определенные на определенных подмножествах комплексной плоскости .
Аппроксимационная теорема Вейерштрасса
[ редактировать ]Формулировка аппроксимационной теоремы, первоначально обнаруженной Вейерштрассом, следующая:
Аппроксимационная теорема Вейерштрасса . Предположим, что f — непрерывная вещественнозначная функция, определенная на вещественном интервале [ a , b ] . Для каждого ε > 0 существует полином p такой, что для всех x в [ a , b ] имеем | ж ( Икс ) - п ( Икс )| < ε или, что то же самое, верхняя норма ‖ f - p ‖ < ε .
Конструктивное доказательство этой теоремы с использованием полиномов Бернштейна изложено на этой странице.
Степень приближения
[ редактировать ]Для дифференцируемых функций неравенство Джексона ограничивает погрешность приближения полиномами заданной степени: если имеет непрерывную k-ю производную, то для любого существует полином степени максимум такой, что . [ 3 ]
Однако, если является просто непрерывным, сходимость аппроксимаций может быть сколь угодно медленной в следующем смысле: для любой последовательности положительных действительных чисел убывающая до 0, существует функция такой, что для каждого многочлена степени максимум . [ 4 ]
Приложения
[ редактировать ]Как следствие аппроксимационной теоремы Вейерштрасса, можно показать, что пространство [ a , b ] сепарабельно C : полиномиальные функции плотны, и каждая полиномиальная функция может быть равномерно приближена единицей с рациональными коэффициентами; существует только счетное число многочленов с рациональными коэффициентами. Так как C[ a , b ] метризуемо ] и сепарабельно, то C[ a , b мощность имеет не более 2 ℵ 0 . (Примечание: этот результат о мощности также следует из того факта, что непрерывная функция действительных чисел однозначно определяется ее ограничением на рациональные числа.)
Теорема Стоуна – Вейерштрасса, реальная версия
[ редактировать ]Множество C[ a , b ] непрерывных вещественных функций на [ a , b ] вместе с нормой супремума ‖ f ‖ = sup a ≤ x ≤ b | ж ( Икс ) | является банаховой алгеброй (то есть ассоциативной алгеброй и банаховым пространством таким, что ‖ fg ‖ ≤ ‖ f ‖·‖ g ‖ для всех f , g ). Множество всех полиномиальных функций образует подалгебру C[ a , b ] (то есть векторное подпространство C [ a , b ] , замкнутое относительно умножения функций), и содержание аппроксимационной теоремы Вейерштрасса состоит в том, что это подалгебра плотна в C[ a , b ] .
Стоун начинает с произвольного компактного хаусдорфова пространства X и рассматривает алгебру C( X , R ) вещественнозначных непрерывных функций на X с топологией равномерной сходимости . Он хочет найти подалгебры в C( X , R ) плотные . Оказывается, что важнейшим свойством, которому должна удовлетворять подалгебра, является то, что она разделяет точки набор A функций, определенных на X, : говорят, что разделяет точки, если для каждых двух различных точек x и y в X существует функция p в A. п ( Икс ) ≠ п ( у ) . Теперь мы можем констатировать:
Теорема Стоуна-Вейерштрасса (действительные числа) . Предположим , что X — компактное хаусдорфово пространство, а A — подалгебра C( X , R ) , которая содержит ненулевую постоянную функцию. Тогда A плотно в C( X , R ) тогда и только тогда, когда оно разделяет точки.
Это подразумевает оригинальное утверждение Вейерштрасса, поскольку многочлены от [ a , b ] образуют подалгебру C[ a , b ] , которая содержит константы и разделяет точки.
Локально компактная версия
[ редактировать ]Версия теоремы Стоуна-Вейерштрасса также верна, когда X только локально компактно . Пусть C 0 ( X , R ) — пространство вещественнозначных непрерывных функций на X , обращающихся в нуль на бесконечности ; то есть непрерывная функция f находится в C 0 ( X , R ) , если для каждого ε > 0 существует компакт K ⊂ X такой, что | ж | < ε на X \ K . , C0 Опять же ( X , R ) — банахова алгебра с нормой супремума . A в C0 ( подалгебра X , R ) нигде Говорят, что не обращается в нуль, если не все элементы A одновременно исчезают в точке; то есть для каждого x в X существует некоторый f в A такой, что f ( x ) ≠ 0 . Теорема обобщается следующим образом:
Теорема Стоуна–Вейерштрасса (локально компактные пространства) . Предположим, что X — локально компактное хаусдорфово пространство, а A — подалгебра в C 0 ( X , R ) . Тогда A плотно в C0 . ( X , R ) (при топологии равномерной сходимости ) тогда и только тогда, когда оно разделяет точки и нигде не обращается в нуль
Эта версия, очевидно, подразумевает предыдущую версию в случае, когда X компактно, поскольку в этом случае C 0 ( X , R ) = C( X , R ) . Существуют также более общие версии Стоуна-Вейерштрасса, ослабляющие предположение о локальной компактности. [ 5 ]
Приложения
[ редактировать ]Теорему Стоуна-Вейерштрасса можно использовать для доказательства следующих двух утверждений, выходящих за рамки результата Вейерштрасса.
- Если f — непрерывная вещественная функция, определенная на множестве [ a , b ] × [ c , d ] и ε > 0 , то существует полиномиальная функция p от двух переменных такая, что | ж ( Икс , y ) - п ( Икс , y ) | < ε для всех x в [ a , b ] и y в [ c , d ] . [ нужна ссылка ]
- Если X и Y — два компакта Хаусдорфа и f : X × Y → R — непрерывная функция, то для любого ε > 0 существуют n > 0 и непрерывные функции f 1 , ..., f n на X и непрерывные функции грамм 1 , ..., грамм на Y ε такой, что ‖ ж - Σ я я грамм ‖ < ж . [ нужна ссылка ]
Теорема Стоуна – Вейерштрасса, комплексная версия
[ редактировать ]Несколько более общей является следующая теорема, в которой мы рассматриваем алгебру комплекснозначных непрерывных функций на компакте , опять же с топологией равномерной сходимости. Это C*-алгебра с *-операцией, заданной поточечным комплексным сопряжением .
Теорема Стоуна – Вейерштрасса (комплексные числа) . Пусть — компакт Хаусдорфа и пусть быть разделяющим подмножеством . Тогда комплексная с единицей, *-алгебра порожденная плотный в .
Комплексная унитарная *-алгебра, порожденная состоит из всех тех функций, которые можно получить из элементов добавляя постоянную функцию 1 и добавляя их, умножая, сопрягая или умножая на комплексные скаляры и повторяя конечное число раз.
Из этой теоремы следует действительная версия, потому что, если сеть комплекснозначных функций равномерно приближает заданную функцию, , то действительные части этих функций равномерно аппроксимируют действительную часть этой функции, , и поскольку для реальных подмножеств взятие действительных частей порожденной комплексной унитарной (самосопряженной) алгебры согласуется с порожденной действительной порожденной унитарной алгеброй.
Как и в реальном случае, аналог этой теоремы справедлив для локально компактных хаусдорфовых пространств.
Ниже приводится применение этой сложной версии.
- Ряд Фурье множество линейных комбинаций функций en : ( x ) = e 2 πinx , n ∈ Z плотно в C([0, 1]/{0, 1}) , где мы отождествляем концы отрезка [0, 1] для получения окружности. Важным следствием этого является то, что являются en ортонормированным базисом пространства L 2 ([0, 1]) функций , интегрируемых с квадратом на [0, 1] . [ нужна ссылка ]
Теорема Стоуна – Вейерштрасса, кватернионная версия
[ редактировать ]Следуя Холладею (1957) , рассмотрим алгебру C( X , H ) непрерывных функций со значениями кватернионов на компакте X , опять же с топологией равномерной сходимости.
Если кватернион q записан в виде
- его скалярная часть a — действительное число .
Так же
- скалярная часть − qi равна b, что является действительным числом .
- скалярная часть − qj равна c , что является действительным числом .
- скалярная часть − qk равна d, что является действительным числом .
Тогда мы можем заявить:
Теорема Стоуна-Вейерштрасса (кватернионные числа) . Предположим , что X — компактное хаусдорфово пространство, а A — подалгебра C( X , H ) , которая содержит ненулевую постоянную функцию. Тогда A плотно в C( X , H ) тогда и только тогда, когда оно разделяет точки .
Теорема Стоуна–Вейерштрасса, версия C*-алгебры
[ редактировать ]Пространство комплекснозначных непрерывных функций на компакте Хаусдорфовом пространстве то есть является каноническим примером коммутативной C*-алгебры с единицей . Пространство X можно рассматривать как пространство чистых состояний на , с топологиейweak-*. Следуя приведенному выше намеку, некоммутативное расширение теоремы Стоуна-Вейерштрасса, которое остается нерешенным, выглядит следующим образом:
Гипотеза . с единицей Если C*-алгебра имеет C*-подалгебру который разделяет чистые состояния , затем .
В 1960 году Джим Глимм доказал более слабую версию вышеупомянутой гипотезы.
Теорема Стоуна–Вейерштрасса (C*-алгебры) [ 6 ] — Если единичная С*-алгебра имеет C*-подалгебру который разделяет пространство чистых состояний (т.е. слабое замыкание чистых состояний) , затем .
Решетчатые версии
[ редактировать ]Пусть X — хаусдорфов бикомпакт. Первоначальное доказательство теоремы Стоуна использовало идею решеток в C( X , R ) . Подмножество L множества C( X , R ) называется решеткой , если для любых двух элементов f , g ∈ L функции max{ f , g }, min{ f , g } также принадлежат L . Решётчатая версия теоремы Стоуна – Вейерштрасса гласит:
Теорема Стоуна-Вейерштрасса (решетки) . Предположим, что X — компактное хаусдорфово пространство по крайней мере с двумя точками, а L — решетка в C( X , R ) со свойством, что для любых двух различных элементов x и y из X и любых двух вещественных чисел a и b существует элемент f ∈ L такой, что f ( x ) = a и f ( y ) = b . Тогда L плотно в C( X , R ) .
Вышеупомянутые версии Стоуна-Вейерштрасса можно доказать на основе этой версии, если понять, что свойство решетки также можно сформулировать с использованием абсолютного значения | ж | которые, в свою очередь, могут быть аппроксимированы полиномами от f . Вариант теоремы применим к линейным подпространствам C( X , R ), замкнутым относительно max: [ 7 ]
Теорема Стоуна–Вейерштрасса (макс-замкнутая) . Предположим, что X — компактное хаусдорфово пространство, а B — семейство функций из C( X , R ) такое, что
- B разделяет точки.
- B содержит постоянную функцию 1.
- Если f € B , то af € B для всех констант a € R .
- Если f , g ∈ B , то + g , max{ f , g } ∈ B. f
Тогда B плотно в C( X , R ) .
Более точная информация доступна:
- Предположим, что X — компактное хаусдорфово пространство по крайней мере с двумя точками, а L — решетка в C( X , R ) . Функция φ ∈ C( X , R ) принадлежит замыканию L тогда и только тогда , когда для каждой пары различных точек x и y из X и для каждого ε > 0 существует некоторая f ∈ L , для которой | ж ( Икс ) - φ ( Икс )| < ε и | ж ( y ) - φ ( y )| < е .
Теорема Бишопа
[ редактировать ]Другое обобщение теоремы Стоуна-Вейерштрасса принадлежит Эрретту Бишопу . Теорема Бишопа заключается в следующем: [ 8 ]
Теорема Бишопа . Пусть A — замкнутая подалгебра комплексной банаховой алгебры C( X , C ) непрерывных комплекснозначных функций на компактном хаусдорфовом пространстве X с использованием нормы супремума. Для S ⊂ X пишем A S = { g| S : г ∈ А } . Предположим, что f ∈ C( X , C ) обладает следующим свойством:
Тогда f ∈ A.
Гликсберг (1962) дает краткое доказательство теоремы Бишопа, используя теорему Крейна-Мильмана по существу , а также теорему Хана-Банаха : процесс Луи де Бранжа (1959) . См. также Рудин (1973 , §5.7).
Теорема Нахбина
[ редактировать ]Теорема Нахбина дает аналог теоремы Стоуна – Вейерштрасса для алгебр комплекснозначных гладких функций на гладком многообразии. [ 9 ] Теорема Нахбина такова: [ 10 ]
Теорема Нахбина . Пусть A — подалгебра алгебры C. ∞ ( M ) гладких функций на конечномерном гладком M. многообразии Предположим, что A разделяет точки M , а также разделяет касательные векторы M : для каждой точки m ∈ M и касательного вектора v в касательном пространстве в точке m существует f ∈ A такой, что d f ( x )( v ) ≠ 0. Тогда A плотно в C ∞ ( М ) .
Редакционная история
[ редактировать ]В 1885 году была также опубликована английская версия статьи под названием « О возможности дать аналитическое представление произвольной функции действительной переменной» . [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] По словам математика Ямилета Кинтаны , Вейерштрасс «подозревал, что любые аналитические функции могут быть представлены степенными рядами ». [ 15 ] [ 14 ]
См. также
[ редактировать ]- Теорема Мюнца–Саса
- Полином Бернштейна
- Феномен Рунге показывает, что поиск полинома P такого, что f ( x ) = P ( x ) для некоторых мелко расположенных x = x n, является плохим способом попытаться найти полином, равномерно аппроксимирующий f . Лучший подход, объясненный, например, у Рудина (1976) , с. 160, экв. (51) ff., заключается в построении полиномов P, равномерно аппроксимирующих f, путем свертки f с семейством подходящим образом выбранных полиномиальных ядер.
- Теорема Мергеляна о полиномиальных приближениях комплексных функций.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Стоун, М.Х. (1937), «Приложения теории булевых колец к общей топологии», Transactions of the American Mathematical Society , 41 (3): 375–481, doi : 10.2307/1989788 , JSTOR 1989788
- ^ Стоун, М.Х. (1948), «Обобщенная теорема аппроксимации Вейерштрасса», Mathematics Magazine , 21 (4): 167–184, doi : 10.2307/3029750 , JSTOR 3029750 , MR 0027121 ; 21 (5), 237–254.
- ^ Чейни, Эллиот В. (2000). Введение в теорию приближений (2-е изд., переизд.). Провиденс, Род-Айленд: AMS Chelsea Publ. ISBN 978-0-8218-1374-4 .
- ^ де ла Серда, София (9 августа 2023 г.). «Полиномиальные аппроксимации непрерывных функций» . Американский математический ежемесячник . 130 (7): 655–655. дои : 10.1080/00029890.2023.2206324 . ISSN 0002-9890 .
- ^ Уиллард, Стивен (1970). Общая топология . Аддисон-Уэсли. п. 293 . ISBN 0-486-43479-6 .
- ^ Глимм, Джеймс (1960). «Теорема Стоуна – Вейерштрасса для C*-алгебр». Анналы математики . Вторая серия. 72 (2): 216–244 [теорема 1]. дои : 10.2307/1970133 . JSTOR 1970133 .
- ^ Хьюитт, Э ; Стромберг, К. (1965), Реальный и абстрактный анализ , Springer-Verlag, Теорема 7.29
- ^ Бишоп, Эрретт (1961), «Обобщение теоремы Стоуна-Вейерштрасса» , Pacific Journal of Mathematics , 11 (3): 777–783, doi : 10.2140/pjm.1961.11.777
- ^ Начбин Л. (1949), “О плотных алгебрах дифференцируемых функций на многообразии”, Ч. Р. акад. наук. Париж , 228 : 1549–1551.
- ^ Ллавона, Хосе Г. (1986), Приближение непрерывно дифференцируемых функций , Амстердам: Северная Голландия, ISBN 9780080872414
- ^ Пинкус, Аллан. «Вейерштрасс и теория приближения» (PDF) . Журнал теории приближения . 107 (1): 8. ISSN 0021-9045 . OCLC 4638498762 . Архивировано (PDF) из оригинала 19 октября 2013 г. Проверено 3 июля 2021 г.
- ^ Пинкус, Аллан (2004). «Плотные методы и результаты в теории приближений» . Том к столетию Орлича . Публикации Банахового центра. 64 . Институт математики Польской академии наук : 3. CiteSeerX 10.1.1.62.520 . ISSN 0137-6934 . OCLC 200133324 . Архивировано из оригинала 3 июля 2021 года.
- ^ Ciesielski, Збигнев ; Пелчинский, Александр ; Скшипчак, Лешек (2004). Том столетнего юбилея Орлича: материалы конференций «Столетняя конференция Владислава Орлича» и «Функциональные пространства VII»: Познань, 20-25 июля 2003 г. Том. Я, Пленарные лекции . Публикации Банахового центра. Том. 64. Институт математики. Польская академия наук. п. 175. OCLC 912348549 .
- ^ Перейти обратно: а б Кинтана, Ямилет; Перес Д. (2008). «Обзор по аппроксимационной теореме Вейерштрасса» . Математические открытия . 16 (1): 232. OCLC 810468303 . Проверено 3 июля 2021 г.
Представление Вейерштрасса об аналитических функциях касалось функций, которые можно было представить степенным рядом
(arXiv 0611038v2). - ^ Перейти обратно: а б Кинтана, Ямилет (2010). «О гильбертовых расширениях теоремы Вейерштрасса с весами» . Журнал функциональных пространств . 8 (2). Научный горизонт: 202. arXiv : math/0611034 . дои : 10.1155/2010/645369 . ISSN 0972-6802 . OCLC 7180746563 . (arXiv 0611034v3). Цитирование: Д. С. Любинский, Теорема Вейерштрасса в двадцатом веке: избранное , в Quaestiones Mathematicae 18 (1995), 91–130.
Ссылки
[ редактировать ]- Холладей, Джон К. (1957), «Теорема Стоуна – Вейерштрасса для кватернионов» (PDF) , Proc. амер. Математика. Соц. , 8 :656, номер документа : 10.1090/S0002-9939-1957-0087047-7 .
- Луи де Бранж (1959), «Теорема Стоуна – Вейерштрасса», Proc. амер. Математика. Соц. , 10 (5): 822–824, doi : 10.1090/s0002-9939-1959-0113131-7 .
- Ян Бринхейс и Владимир Тихомиров (2005) Оптимизация: идеи и приложения , Princeton University Press ISBN 978-0-691-10287-0 МР 2168305 .
- Глимм, Джеймс (1960), «Теорема Стоуна-Вейерштрасса для C *-алгебр», Annals of Mathematics , Second Series, 72 (2): 216–244, doi : 10.2307/1970133 , JSTOR 1970133
- Гликсберг, Ирвинг (1962), «Меры, ортогональные алгебрам и наборам антисимметрии», Transactions of the American Mathematical Society , 105 (3): 415–435, doi : 10.2307/1993729 , JSTOR 1993729 .
- Рудин, Уолтер (1976), Принципы математического анализа (3-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-054235-8
- Рудин, Уолтер (1973), Функциональный анализ , McGraw-Hill, ISBN 0-07-054236-8 .
- Дж. Г. Беркилл, Лекции по аппроксимации полиномами (PDF) .
Исторические произведения
[ редактировать ]Историческое издание Вейерштрасса (на немецком языке ) находится в свободном доступе в цифровом онлайн-архиве Берлинской Brandenburgische Akademie der Wissenschaften :
- К. Вейерштрасс (1885). Об аналитической представимости так называемых произвольных функций действительной переменной. Записки Королевской прусской академии наук в Берлине , 1885 г. (II). Первое сообщение (часть 1) стр. 633-639, второе сообщение (часть 2) стр. 789-805.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Теорема Стоуна – Вейерштрасса» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]