Jump to content

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 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.

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

  1. B разделяет точки.
  2. B содержит постоянную функцию 1.
  3. Если f B , то af B для всех констант a R .
  4. 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:

ж | S A S для любого максимального множества S X такого, что все вещественные функции из постоянны AS .

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 ]
  1. ^ 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
  2. ^ 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.
  3. ^ Чейни, Эллиот В. (2000). Введение в теорию приближений (2-е изд., переизд.). Провиденс, Род-Айленд: AMS Chelsea Publ. ISBN  978-0-8218-1374-4 .
  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 .
  5. ^ Уиллард, Стивен (1970). Общая топология . Аддисон-Уэсли. п. 293 . ISBN  0-486-43479-6 .
  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 .
  7. ^ Хьюитт, Э ; Стромберг, К. (1965), Реальный и абстрактный анализ , Springer-Verlag, Теорема 7.29
  8. ^ Бишоп, Эрретт (1961), «Обобщение теоремы Стоуна-Вейерштрасса» , Pacific Journal of Mathematics , 11 (3): 777–783, doi : 10.2140/pjm.1961.11.777
  9. ^ Начбин Л. (1949), “О плотных алгебрах дифференцируемых функций на многообразии”, Ч. Р. акад. наук. Париж , 228 : 1549–1551.
  10. ^ Ллавона, Хосе Г. (1986), Приближение непрерывно дифференцируемых функций , Амстердам: Северная Голландия, ISBN  9780080872414
  11. ^ 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.
  12. ^ 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.
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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).
  15. ^ 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.

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.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9d17005a192a2ef1c967fa8122976c8e__1717868760
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9d/8e/9d17005a192a2ef1c967fa8122976c8e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Stone–Weierstrass theorem - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)