바이어슈트라스 근사정리
[0,1] 위의 연속함수는 다항식으로 균등하게 근사됩니다 — 번스타인 다항식 Bn(f)가 f에 다가가는 모습을 n을 키우며 확인합니다. 수렴 증명의 세부 추정은 아이디어 수준에서만 봅니다.
Bn(f)(x)=k=0∑nf(nk)(kn)xk(1−x)n−k
f∈C[0,1]⟹∥Bn(f)−f∥∞→0
예제
Bn(1)=1을 증명하세요 — 상수함수는 정확히 재현됩니다.
Bn(1)(x)=k=0∑n(kn)xk(1−x)n−k=(x+(1−x))n=1
상수함수 1 — 근사가 원본과 완전히 겹친다.
증명 보기
- f≡1이므로 f(k/n)=1입니다. 따라서 Bn(1)(x)=∑k=0n(kn)xk(1−x)n−k — 기저들의 합 자체입니다.
- 이항정리로 ∑k=0n(kn)xk(1−x)n−k=(x+(1−x))n=1n=1입니다.
- 따라서 모든 x와 모든 n에 대해 Bn(1)(x)=1 — 오차가 0입니다. 상수함수는 "근사"되는 게 아니라 정확히 재현됩니다.
Bn(x)=x를 증명하세요.
k=0∑nnk(kn)xk(1−x)n−k=x
항등함수 — 역시 정확히 재현.
증명 보기
- k≥1일 때 k(kn)=n(k−1n−1)입니다 (k=0인 항은 nk=0이므로 사라집니다).
- 대입하면 Bn(x)(x)=∑k=1nnk(kn)xk(1−x)n−k=x∑j=0n−1(jn−1)xj(1−x)n−1−j입니다 (j=k−1로 치환).
- 이항정리로 안쪽 합은 (x+(1−x))n−1=1이므로 Bn(x)(x)=x — 항등함수도 모든 n에서 정확히 재현됩니다.
연속함수들의 균등극한은 연속임을 증명하세요 (ε/3 논법).
∣f(x)−f(x0)∣≤∣f−fN∣+∣fN(x)−fN(x0)∣+∣fN−f∣<ε
n=40 — 꺾인 점도 거의 따라잡는다.
증명 보기
- fN→f가 균등수렴하므로, ∥fN−f∥∞<3ε을 만족하는 N을 선택합니다.
- fN이 x0에서 연속이므로, ∣x−x0∣<δ이면 ∣fN(x)−fN(x0)∣<3ε인 δ>0을 선택합니다.
- 삼각부등식으로 ∣f(x)−f(x0)∣≤∣f−fN∣+∣fN(x)−fN(x0)∣+∣fN−f∣<3ε+3ε+3ε=ε — 따라서 f는 x0에서 연속입니다. (이것이 균일 노름 ∥⋅∥∞이 C[0,1]을 닫힌 공간으로 만드는 이유이기도 합니다.)
5. 근사