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漫步數學分析二十七——Stone-Weierstrass定理

在討論連續函式與一致收斂時,最基本的兩個結論是上篇文章討論的Arzela-Ascoli定理以及本文要討論的斯通-魏爾斯特拉斯(Stone-Weierstrass)定理。

斯通-魏爾斯特拉斯定理主要是為了說明任何連續函式都可以用更簡單的函式來一致逼近,像多項式。這樣的多項式近似技術在理論以及數值計算中非常重要。

我們先從實軸上特殊情況的結論開始,它首先是被魏爾斯特拉斯證明的,但是我們這裡用伯恩斯坦(Bernstein)的表述形式。

11f:[0,1]R是連續函式且令ε>0,那麼存在一個多項式p(x)使得pf<ε。事實上,伯恩斯坦多項式序列

pn(x)=k=0n(n
k
)
f(kn)xk(1x)nk

n時,一致收斂到f,其中

(nk)n!k!(nk)!

表示二項式係數。

命題的前半部分是後半部分的推論,如果瞭解一點概率論的話就很容易理解後半部分。對於該定理的理解與證明,伯恩斯坦的概率知識無疑幫助了他。

接下來,考慮一枚頭朝上概率為x的硬幣,自然另一面朝上的概率為1x,那麼投擲n次,k次頭朝上的概率為

(nk)xk(1x)nk

假設現在有一個賭博遊戲,如果投擲n次硬幣有k次頭朝上,那麼就支付f(k/n)美元,(玩了很多次這個遊戲後)平均值為

k=0n(nk)f(k/n)xk(1x)nk=pn(x)

現在考慮n非常大,也就是投擲了很多次,那麼我們期望在這個遊戲中,k

/n將非常靠近x=k次頭朝上的概率,那麼我們的平均費用將非常靠近f(x),因此當n充分大時,我們期望pn(x)靠近f(x)。這是這個結論直觀的理解,實際證明有點複雜,這裡不再贅述。(感興趣的可以參考實分析的相關教材)

即便對於像f(x)=x這樣簡單的函式,找到近似多項式也是不容易的。

我們現在換一種說法,令表示所有多項式p:[0,1]R的集合,那麼定理的前半部分說明PC([0,1],R)上是稠密的(dense);即cl(P)=C([0,1],R).

斯通發現了該定理更一般的情況,他允許集合比[0,1]更一般並且用滿足某個性質的一般函式族來代替P,這個證明充分應用了上面的特殊情況,並且在各種分析的分支中非常有用。(例如,我們會在之後的傅立葉分析中討論它的應用)

12ARn是緊集並且BC(A,R)滿足

  1. B是一個代數(algebra);即,f,gB,αRf+gB,fgB,αfB;
  2. 常函式x1位於B中;
  3. B分離點;即,對於x,yA,xy,那麼存在fB使得f(x)f(y)

那麼BA,R中是稠密的;即,cl(B

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