Главная » Математический анализ » Ряды Фурье » Теоремы Вейерштрасса о равномерных приближениях непрерывных функций многочленами

Теоремы Вейерштрасса о равномерных приближениях непрерывных функций многочленами

2 раздела
от теории до практики
примеров
Примеры решения задач
видео
Примеры решения задач
Содержание
  1. Тригонометрические многочлены.
    Начать изучение
  2. Равномерное приближение непрерывной на отрезке функции многочленом.
    Начать изучение

Тригонометрические многочлены.

Определение.

Пусть \(A_{0}, A_{1}, \ldots, A_{n}, B_{1}, \ldots, B_{n}\) — некоторые вещественные числа. Выражение
$$
T_{n}(x)=\frac{A_{0}}{2}+\sum_{k=1}^{n} A_{k} \cos kx+B_{k} \sin kx\nonumber
$$
называют тригонометрическим многочленом степени \(n\).

Очевидно, что \(T_{n}(x)\) — бесконечно дифференцируемая и \(2\pi\)-периодическая функция. Множество всех тригонометрических многочленов образует линейное пространство.

Теорема 1 (Вейерштрасса).

Любую непрерывную \(2\pi\)-периодическую функцию можно с любой степенью точности равномерно приблизить тригонометрическим многочленом, то есть для любого \(\varepsilon > 0\) найдется такой тригонометрический многочлен \(T_{n}(x)\), что
$$
\max_{-\infty < x < +\infty} |f(x)-T_{n}(x)| < \varepsilon.\nonumber
$$

Доказательство.

\(\circ\) Частичные суммы ряда Фурье функции \(f(x)\) — тригонометрические многочлены. Сумма Фейера \(\sigma_{n}(x)\), являющаяся средним арифметическим \(S_{0}(x), \ldots, S_{n}(x)\), также будет тригонометрическим многочленом. В силу теоремы Фейера для любого \(\varepsilon > 0\) найдется сумма Фейера \(\sigma_{n}(x)\) такая, что \(\displaystyle\max_{x \in R} |f(x)-\sigma_{n}(x)| < \varepsilon\). \(\bullet\)

Замечание.

Если функция \(f(x)\) задана на отрезке \([-\pi, \pi]\) и непрерывна, то ее можно равномерно приблизить на этом отрезке тригонометрическим многочленом в том и только том случае, когда \(f(\pi)=f(-\pi)\).


Равномерное приближение непрерывной на отрезке функции многочленом.

Теорема 2 (Вейерштрасса).

Непрерывную на отрезке \([a, b]\) функцию можно равномерно приблизить с любой степенью точности многочленом, то есть для любого \(\varepsilon > 0\) найдется многочлен \(P_{n}(x)=a_{0}+a_{1}x+\ldots+a_{n}x^{n}\) такой, что
$$
\max_{a \leq x \leq b} |f(x)-P_{n}(x)| < \varepsilon.\nonumber
$$

Доказательство.

\(\circ\) Рассмотрим сначала случай, когда \([a, b]=[0, \pi]\). Продолжим функцию \(f(x)\) на отрезок \([-\pi, 0]\) четным образом, а затем с периодом \(2\pi\)-на всю вещественную ось. Получим четную, \(2\pi\)-периодическую и непрерывную функцию, совпадающую с \(f(x)\) на отрезке \([0, \pi]\) (рис. 69.1).

Рис. 69.1
Рис. 69.1

В силу теоремы Фейера для любого \(\varepsilon > 0\) найдется тригонометрический многочлен \(T_{m}(x)\) такой, что
$$
\max_{-\infty < x < +\infty} |f(x)-T_{m}(x)| < \frac{\varepsilon}{2}.\label{ref1}
$$
Заметим, что \(\sin kx\) и \(\cos kx\) раскладываются в степенные ряды, сходящиеся для всех вещественных \(x\) (радиус сходимости этих степенных рядов равен \(+\infty\)). Так как \(T_{m}(x)\) есть конечная линейная комбинация функций \(\sin kx\) и \(\cos kx\), то \(T_{m}(x)\) также раскладывается в степенной ряд, сходящийся для всех вещественных \(x\),
$$
T_{m}(x)=c_{0}+c_{1}x+\ldots+c_{n}x^{n}+\ldots\nonumber
$$
Известно, что на любом отрезке \([\alpha, \beta]\), лежащем внутри интервала сходимости, степенной ряд сходится равномерно. Следовательно, для любого \(\varepsilon > 0\) существует \(n\) такое, что
$$
\max_{0 \leq x \leq \pi} |T_{m}(x)-(c_{0}+c_{1}x+\ldots+c_{n}x^{n})| < \frac{\varepsilon}{2}.\label{ref2}
$$
Если положить \(P_{n}(x)=c_{0}+c_{1}x+\ldots+c_{n}x^{n}\), то в силу \eqref{ref1} и \eqref{ref2} получаем
$$
|f(x)-P_{n}(x)| \leq |f(x)-T_{m}(x)|+|T_{m}(x)-P_{n}(x)| \leq \\ \leq \max_{-\infty < x < +\infty} |f(x)-T_{m}(x)|+\max_{0 \leq x \leq \pi} |T_{m}(x)-P_{n}(x)| < \frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon.\nonumber
$$
Следовательно,
$$
\max_{0 \leq x \leq \pi} |f(x)-P_{n}(x)| < \varepsilon.\nonumber
$$

Пусть теперь функция \(f(x)\) непрерывна на произвольном отрезке \([a, b]\). Положим
$$
F(t)=f\left[a+\frac{t}{\pi}(b-a)\right],\ 0 \leq t \leq \pi.\nonumber
$$
Тогда функция \(F(t)\) непрерывна на \([0, \pi]\) и ее можно равномерно приблизить на \([0, \pi]\) многочленом \(Q_{n}(t)\), то есть
$$
\max_{0 \leq t \leq \pi} \left|f\left(a+\frac{t}{\pi}(b-a)\right)-Q_{n}(t)\right| < \varepsilon.\label{ref3}
$$
Полагая
$$
x=a+\frac{t}{\pi}(b-a),\quad P_{n}(x)=Q_{n}\left(\pi \frac{x-a}{b-a}\right),\nonumber
$$
получаем из неравенства \eqref{ref3}, что
$$
\max_{a \leq x \leq b} |f(x)-P_{n}(x)| < \varepsilon.\ \bullet\nonumber
$$

Оставить комментарий