Теорема Веєрштрасса — Стоуна
Теорема Веєрштрасса — Стоуна — твердження про можливість подання будь-якої неперервної функції на гаусдорфовому компакті границею рівномірно збіжної послідовності неперервних функцій особливого класу — алгебри Стоуна[⇨].
Спочатку сформулював і довів 1885 року Карл Веєрштрасс для неперервних на відрізку дійсної прямої функцій, встановивши можливість їх рівномірно наблизити послідовністю многочленів[⇨]. 1937 року Маршалл Стоун істотно узагальнив результат[⇨], поширивши результат на функції, неперервні на довільному T2- відокремлюваному компактному просторі, що утворюють кільце, а як рівномірно збіжні послідовності функцій замість многочленів — функції зі специфічного підкласу неперервних функцій, що утворює підкільце.
Пізніше знайдено й інші узагальнення результату[⇨].
Теорема Веєрштрасса[ред. | ред. код]
Нехай — неперервна функція, визначена на відрізку . Тоді для будь-якого існує такий многочлен з дійсними коефіцієнтами, що для всіх із одночасно виконано умову [1].
Якщо неперервна на крузі (періодична), то твердження істинне і для тригонометричних многочленів.
Теорема справедлива і для комплекснозначних функцій, але тоді коефіцієнти многочлена слід вважати комплексними числами.
Схема доведення Веєрштрасса[ред. | ред. код]
Теорему встановив Карл Веєрштрасс 1885 року[2] як наслідок загальнішого твердження: для дійсних усюди визначених неперервних функцій і , абсолютне значення яких не перевищує деякої межі, притому ніде не змінює свого знака і задовольняє рівності і для неї збігається інтеграл:
- ,
виконується:
- .
З прямого доведення зразу випливає, що границя не тільки існує і дорівнює , але й що збіжність рівномірна за , що змінюється на будь-якому скінченному відрізку.
Взявши як , кожна функція з сімейства:
цілком визначена за всіх комплексних і є цілою. Тому їх можна рівномірно в крузі будь-якого радіусу наблизити многочленами (теорема Абеля). Звідси зразу випливає, що будь-яку неперервну функцію можна рівномірно наблизити многочленами на будь-якому скінченному інтервалі.
Якщо до того ж — періодична функція з періодом , то функції є цілими періодичними функціями. Але тоді:
є однозначною і голоморфною функцією в області і, отже, розкладається в ряд Лорана:
- ,
тож , а значить і можна наблизити тригонометричними многочленами.
Значення результату Веєрштрасса[ред. | ред. код]
У середині XIX століття уявлення про функцію як аналітичний вираз здавалося повністю застарілим, а формований на базі інтегрального і диференціального числення аналіз оперував довільними функціями, так, Герман Ганкель[de] особливо відзначав: «про функцію від кажуть, коли кожному значенню змінної , [що лежить] всередині деякого інтервалу, відповідає певне значення ; при цьому не суттєво, чи залежить від у всьому інтервалі за одним законом, і чи можна цю залежність виразити за допомогою математичних операцій»[3], підкреслюючи, що не кожну функцію можна подати за допомогою аналітичного виразу. У відповідь на це Веєрштрасс і написав роботу «Про аналітичне подання так званих довільних функцій», в якій показано, що довільна неперервна функція є границею многочленів. Надалі з'ясувалося, що й самі «патологічні» функції, наприклад, функція Діріхле, допускають такого роду подання, але лише з великим числом граничних переходів.
Топологічні наслідки[ред. | ред. код]
Згідно з теоремою Вейєрштрасса простір неперервних дійсно- або комплекснозначних функцій на відрізку з рівномірною нормою сепарабельний: простір многочленів з раціональними або комплексно-раціональними коефіцієнтами є зліченним усюди щільним підпростором.
Узагальнення Стоуна[ред. | ред. код]
1935 року Стоун довів, що будь-яку функцію з кільця неперервних на гаусдорфовому компакті дійснозначних функцій можна рівномірно наблизити функціями спеціального класу — які складають алгебру Стоуна, тобто будь-яка алгебра Стоуна є всюди щільною в просторі неперервних функцій на компакті: . Як норма рівномірної збіжності на береться , а алгебра Стоуна визначається як підалгебра , елементи якої розділяють точки .
Точніше, алгебра Стоуна — це множина функцій із кільця , що задовольняє таким умовам:
- разом з будь-якими її елементами в алгебру Стоуна входять елементи: (), , ;
- алгебра Стоуна містить сталу функцію ;
- для кожної пари різних точок знайдеться хоча б одна функція така, що .
Подальші узагальнення[ред. | ред. код]
Існує серія узагальнень теореми Веєрштрасса — Стоуна в різних напрямках. Наприклад, за теоремою Мергеляна будь-яку функцію, неперервну на будь-якому компакті зі зв'язним доповненням на комплексній площині і голоморфну в його внутрішніх точках можна рівномірно наблизити комплексними многочленами. Також знайдено узагальнення, що дозволяють замість гаусдорфового компакта розглядати функції, неперервні на довільному тихоновському просторі.
Див. також[ред. | ред. код]
Примітки[ред. | ред. код]
Література[ред. | ред. код]
- [{{{посилання}}} Теорема Веєрштрасса — Стоуна] — стаття з Математичної енциклопедії. В. І. Пономарьов
- Дзядык В. К. Введение в теорию равномерного приближения функций полиномами. — М. : Наука, 1977. — 512 с.