Исследование наилучших приближений непрерывных периодических функций тригонометрическими тригонометрическими полиномами
Оглавление.
|
Наименование |
|
Введение |
|
§ 1. Некоторые вспомогательные определения |
|
§ 2. Простейшие свойства модулей нерперывности |
|
§ 3. Обобщение теоремы Джексона |
|
§ 4. Обобщение неравенства С.Н.Бернштейна |
|
§ 5. Дифференциальные свойства тригонометрических полиномов, аппроксимирующих заданную функцию |
|
§ 6. Обобщение обратных теорем С. Н. Бернштейна и Ш. Валле-Пуссена |
|
§ 7. Основная теорема |
|
§ 8. Решение задач |
|
Литература |
Введение
Дипломная работа посвящена исследованию наилучших приближений непрерывных периодических функций тригонометрическими полиномами. В ней даются необходимые и достаточные условия для того, чтобы наилучшие приближения имели заданный (степенной) порядок убывания.
Дипломная работа носит реферативный характер и состоит из “Введения” и восьми параграфов.
В настоящей работе мы рассматриваем следующие задачи:
Подстановка u=cos(x) сводит задачу 1 к задаче 2. Достаточно, следовательно, рассматривать лишь задачу 2.
Мы ограничимся случаем, когда j ( d ) О N a , для некоторого a , где j ( d ) - функция сравнения р-го порядка и для 0< d < h Ј p
С.Н.Бернштейн, Д.Джексон и Ш.Валле-Пуссен получили зависимости между оценками сверху для E n [ f ] и дифференциальными свойствами f . Некоторые дополнения к их теоремам доказаны А.Зигмундом. нам предстоит, поэтому, получить зависимости между дифференциальными свойствами f и оценками E n [ f ] снизу. Впервые задачами типа 1 занимался С.Н.Бернштейн. А именно, им получено ассимптотическое равенство:
,
где m - некоторое число.
Наша основная теорема формулируется следующим образом:
Пусть j О N a . Для того чтобы
необходимо, чтобы для любого натурального k> a , и достаточно, чтобы для некоторого натурального k> a
где
Изложим теперь кратко содержание каждого из параграфов работы.
В § 1 даётся ряд вспомогательных определений, которые понадобятся в дальнейшей работе.
В § 2 выводятся основные свойства модулей непрерывности высших порядков. Почти все эти свойства используются в дальнейшем тексте.
§ 3 посвящен обобщению теоремы Джексона. Как известно, Джексон доказал следующую теорему: если f имеет непрерывную r-ую производную f (r) , то
Таким образом, теорема Джексона дает оценку сверху для наилучших приближений, если известны дифференциальные свойства аппроксимируемой функции.
В 1947 г. появилась работа С.Н.Бернштейна [1]. Одна из теорем этой работы содержит в качестве следствия такое предложение: пусть
Тогда
В § 3 доказываем:
(*)
В § 4 формулируется доказанное в работе С.Б.Стечкина [2] обобщение известного неравенства С.Н.Бернштейна [3], [4] для производных от тригонометрического полинома. Мы приводим затем ряд следствий из нашего неравенства (*). Они играют существенную роль при доказательстве теорем § 5.
В § 5 рассматривается следующая задача. Пусть тригонометрический полином t n , близок в равномерной метрике к заданной функции f или последовательность полиномов { t n } достаточно хорошо аппроксимирует заданную функцию f . Как связаны тогда дифференциальные свойства f с дифференциальными свойствами t n ?
Если
t
n
, образуется из
f
посредством регулярного метода суммирования рядов Фурье, то ответ тривиален: для того чтобы
, необходимо и достаточно, чтобы
равномерно относительно
n
. (
f
О
H
k
[
w
], если
).
Оказывается, что этот результат сохраняется и для полиномов наилучшего приближения: для того, чтобы
равномерно относительно
n
.
Отметим еще один результат параграфа: для того чтобы
, необходимо и достаточно чтобы
.
§ 6 посвящён “обратным теоремам” теории приближения.
Известно предложение: пусть
.
Тогда, если
a
не целое,
r=
[
a
],
b
=
a
-
r
, то
f
имеет нерперывную производную
.
Случай целого a рассмотрен Зигмундом. В этом случае
.
Нетрудно показать, что эти два предложения эквивалентны следующему: пусть 0< a < k и
.
Тогда
.
В работе [3] С.Н.Бернштейн доказал также эквивалентность условий
и
.
Мы переносим эти теоремы на условия вида
,
где j О N a .
Кроме того, в этом параграфе доказано, например, такое предложение: пусть k - натуральное число и
;
для того, чтобы
, необходимо и достаточно выполнение условия
.
В конце параграфа даются уточнения теорем Валле-Пуссена.
В § 7 доказывается основная теорема. Мы даём здесь же оценку E n [ f ] снизу, если
.
Именно, тогда
Случай a =0 установлен С.Н.Бернштейном [3].В § 8 мы рассматриваем несколько решений задач с использованием различных модулей непрерывности.
§ 1. Некоторые вспомогательные определения.
В работе рассматриваются непрерывные функции
f
с периодом 2
p
и их приближение тригонометрическими полиномами. Через
t
n
(
x
)
обозначается тригонометрический полином порядка не выше
n
, а через
t
n
*
(
x
)
=t
n
*
(
x,f
)-тригонометрический полином, наименее уклоняющийся от
f
среди всех
t
n
(x)
. Мы полагаем
и пишем
Введём ряд определений.
Определение 1.
При каждом фиксированном
классом Липшица порядка
a
где С 8 -какая-нибудь положительная постоянная, которая не зависит от d
и которая, вообще говоря, является различной для разных функций. Этот класс обозначается H a или Lip a.Определение 2. Обозначим при фиксированном натуральном r через W (r) L класс функций f , которая имеет абсолютно непрерывные производные до ( r- 1) порядка и у которой r -я производная принадлежит классу L .
Определение 3. Для непрерывной на [ a,b ] функции f ( x ) назовём модулем непрерывности первого порядка или же просто модулем непрерывности функцию w ( d ) =w (
f; d ) , определённую на [ 0, b-a ] при помощи следующего равенства:
(1.1)
или, что то же самое,
(1.1’)
Свойства модуля непрерывности :
и
(1.2)
Доказательство. Свойство 1) вытекает из определения модуля непрерывности.
Свойство 2) вытекает из того, что при больших d
нам приходится рассматривать sup на более широком множестве значений h . Свойство 4) следует из того, что если мы число
представим в виде
h=h
1
+h
2
,
и
, то получим
Из неравенства (1.2) вытекает, что если то т.е. (1.3)
Теперь докажем свойство 3). Так как функция
f
(
x
) равномерно непрерывна на [
a,b
], то
при
и, следовательно, для любых
d
,
при
а это и означает, что функция w(d) непрерывна.
Определение 4.
Пусть функция
f
(
x
)
определена на сегменте [
a,b
]
.
Тогда для любого натурального
k
и любых
и
h>0
таких, что
k-й разностью функции f в точке x с шагом h
называется величина
(1.4)
а при
и
h>0
таких, что
k-й симметричной разностью -
величина
(1.4’)
Лемма 1. При любых натуральных j и k справедливо равенство
(1.5)
Доказательство. Действительно, так как при любом натуральном k
то
Лемма доказана.
Лемма 2. При любых натуральных k и n верна формула:
(1.6)
Доказательство. Воспользуемся индукцией по k . При k= 1 тождество (1.6) проверяется непосредственно:
.
Предполагая его справедливость при k- 1 ( k і 2), получим
Лемма доказана.
Определение 5. Если измеримая периода ( b-a ) функция f ( x ) О L q ( L q -класс всех вещественных измеримых на [ a,b ] функции f ( x )), то под её интегральным модулем гладкости порядка k
і 1 понимают функцию
Лемма 3.
Если
то справедливо
(1.7)
Доказательство. В самом деле,
и так далее. Лемма доказана.
Определение 6. Если функция f(x) ограничена на [ a,b ], то под её модулем гладкости порядка k і 1 понимают функцию
заданную для неотрицательных значений
и в случае, когда
k
=1, представляющую собой модуль непрерывности.
Свойства модулей гладкости:
есть функция, монотонно возрастающая;
есть функция непрерывная;
(1.8)
а при любом
-неравенство
(1.8’)
5) Если функция
f
(
x
)
имеет всюду на [
a,b
] непрерывные производные до (
r-
1)-го порядка, и при этом (
r-1
)-я производная
, то
(1.9)
Доказательство. 1) Свойство 1) немедленно вытекает из того, что
2) Свойство 2) доказывается точно так же, как и для случая обычного модуля непрерывности.
3) Предполагая для определённости, что d>d ’ , получим
Этим непрерывность функции w k (
d ) доказана.4) Используя равенство лемму 2 § 1, имеем
Этим неравенство (1.8) доказано. Неравенство (1.8’) следует из монотонности функции
w
k
(
t
) и неравенства (1.8).
5) Используя равенства лемму 1 и лемму 3 § 1, получим
Определение 7.
Пусть k -натуральное число. Будем говорить, что функция
есть модуль непрерывности
k
-го порядка функции
f
, если
где
-конечная разность функции
f k
-го порядка с шагом
h
:
Среди модулей непрерывности всех порядков особенно важное значение имеют случаи
k=
1 и
k=
2. Случай
k=
1 является классическим; вместо
мы будем писать просто
и называть эту функцию
модулем непрерывности
; функцию
мы будем называть
модулем гладкости
.
Определение 8.
Зададим натуральное число
k.
Будем говорить, что функция
-есть функция сравнения
k-
го порядка, если она удовлетворяет следующим условиям:
определена для
,
не убывает,
,
Нетрудно показать, что если
f
є
0, то
есть функция сравнения
k-
го порядка (см. Лемму 5
§
2).
Определение 9.
Зафиксируем натуральное число
k
и функцию сравнения
k
-го порядка
. Будем говорить, что функция
f
принадлежит к классу
, если найдётся константа
С
10
>0 такая, что
Вместо
будем писать просто
H
k
a
Если для последовательности функций { f n } (n=1,2,...)
где
С
10
не зависит от
n
, то будем писать:
равномерно относительно
n
.
Понятие классов
является естественным обобщением классов Липшица и классов функций, имеющих ограниченную
k
-ю производную.
Определение 10. Зафиксируем число a
>0 и обозначим через p наименьшее натуральное число, не меньше чем a ( p=- [- a ]). Будем говорить, что функция
принадлежит к классу
, если она
1) есть функция сравнения p -го порядка и
2) удовлетворяет условию: существует константа
С
11
>0 такая, что для
Условие 2) является небольшим ослаблением условия “
не убывает”. Функции класса
N
a
Определение 11.
Будем говорить, что функция
имеет порядок
, если найдутся две положительные константы
С
12
и
С
13
такие, что для всех
t
, для которых определены функции
и
,
.
При выполнении этих условий будем писать
.
Определение 12. Ядром Дирихле n -го порядка называется функция
(1.10)
Это ядро является тригонометрическим полиномом порядка n и при этом
(1.10’)
Определение 13. Ядром Фейера n -го порядка называется функция
(1.11)
Ядро Фейера F n ( t ) является средним арифметическим первых n ядер Дирихле, и значит, является тригонометрическим полиномом порядка ( n-1 ). Так что имеют место равенства
(1.11’)
(1.11’’)
где D k ( t )-ядра Дирихле.
Определение 14. Ядром Джексона n -го порядка называется функция
(1.12)
Свойства ядер Джексона.
а) При каждом n ядро J n ( t ) является чётным неотрицательным тригонометрическим полиномом порядка 2 n -2 вида
,
где j k =j k ( n ) - некоторые числа
б)
в)
г)
Доказательство.
а) Учитывая, что для ядер F n ( t ) Фейера имеют место равенства
получим
где j k ( k =1,2,...,2 n -2) -некоторые числа, и в частности, в силу ортогональности тригонометрической системы функций найдем
Этим свойство а) доказано.
б) Это равенство следует из равенства, полученного для j 0 .
в) Так как
при любом
и
при
(
**
), то
г) Совершенно аналогично случаю в) получим
Что и требовалось доказать.
Определение 15. Ядром типа Джексона порядка n называется функция
, (1.13)
n =1,2,3,..., k -натуральное, где
(1.13’)
Ядра типа Джексона обладают следующими свойствами:
а)
б) При фиксированном натуральном k и произвольном n ядро J n,k ( t )
является чётным неотрицательным тригонометрическим полиномом порядка k ( n -1)
в)
n
2k-
1
, т.е. существуют постоянные
С
14
>
0 и
С
15
>0, такие, что при всех
n
=1,2,3,... будет
г) При любом s >0 имеет место неравенство
д) При любом натуральном
Доказательство свойств ядер типа Джексона.
а) Это свойство вытекает из равенств определения
б) Это свойство следует из 1-го неравенства определения и из того, что в силу равенств (1.11) и (1.11‘’) будет
(1.14)
где
- некоторые целые числа.
в) Учитывая неравенства (**), будем иметь
(1.15)
С другой стороны
(1.15‘)
г) Это неравенство вытекает из первого равенства определения и неравенства (1.15‘)
д) Действительно, с одной стороны, в силу неравенств (1.15‘) и (**)
(1.16)
где A-const , а с другой стороны, учитывая соотношение (1.15), неравенств (**) и из неравенства sin t Ј t , при всех t і 0 (***), имеем
(1.16‘)
A 1 -const . Неравенства (1.16) и (1.16‘) равносильны условию, что и требовалось доказать.
§ 2. Простейшие свойства модулей нерперывности.
Этот параграф носит вспомогательный характер. Здесь устанавливается несколько простейших свойств модуля нерперывности высших порядков. Все рассматриваемые здесь функции f 1 , f 2 , ... - непрерывны.
ЛЕММА 1. Для любого натурального k и любого d і
0
(2.1)
Доказательство: по определению,
Лемма доказана.
ЛЕММА 2. Пусть f и l -натуральные числа, l<k. Тогда для любого d і
0
(2.2)
и
(2.3)
Доказательство: Положим
Тогда для 0 Ј l<k имеем
откуда
Отсюда при l =0 вытекает, что
,
а при 0< l < k
Полагая в (2.3) l =1, находим, что
Из этого неравенства видно, что для любого натурального k
. (2.4)
ЛЕММА 3. Для любого натурального
k
модуль непрерывности
k
-го порядка
является непрерывной функцией от
d
.
Доказательство:
Пусть
Имеем
Отсюда
и
Таким образом
и так как
при
, то отсюда вытекает непрерывность функции
, и лемма доказана.
ЛЕММА 4. Пусть k и p -натуральные числа. Тогда для любого d і0
(2.5)
Доказательство: Индукция по k даёт формулу
Отсюда
и
Лемма доказана.
ЛЕММА 5. Пусть k -натуральное число, d >0, h >0.
Тогда
(2.6)
Если кроме того 0< d < h , то
(2.7)
Доказательство: Докажем сперва неравенство (2.6). Рассмотрим случай для hЈd . Найдём натуральное число p из условий
(2.8)
Тогда
h<
p
d
-1
, и так как
-является неубывающей функцией от
h
, то принимая во внимание (2.5) и (2.8), получим
Рассмотрим случай для h<d
. Найдём натуральное число p из условий
(2.9)
Тогда
h<
p
d
, и так как
-является неубывающей функцией от
h
, то принимая во внимание (2.5) и (2.9), получим
,
и неравенство (2.6) доказано. Неравенство (2.7) вытекает из (2.6), так как d+hЈ2h для 0< d < h .
Неравенство (2.7) показывает, что для любой f є 0 и любого натурального k
(2.10)
Лемма доказана.
ЛЕММА 6. Пусть f имеет r-ю производную f (r) . Тогда
(2.11)
и для любого натурального k
(2.12)
Доказательство: Оба неравенства непосредственно вытекают из формулы
Если
k
=0, то мы получаем формулу (2.11). Лемма доказана.
§3 . Обобщение теоремы Джексона.
Здесь будет получено небольшое усиление теоремы Джексона о наилучших приближениях периодических функций тригонометрическими полиномами.
Лемма 7. Пусть дано натуральное число k . Существует последовательность ядер {K n ( t )}( n =0,1,...), где K n ( t ) есть тригонометрический полином порядка не выше n , удовлетворяющая условиям:
(3.1)
(3.2)
(3.3)
Эту лемму можно считать известной. Как показывает простой подсчет, совершенно аналогичный проводившемуся Джексоном, в качестве ядер K n ( t ) можно взять ядра Джексона достаточно высокой степени, то есть положить
где
k
0
-целое, не зависит от
n
,
натуральное
p
определяется из неравенства
,
а b p выбираются так, чтобы была выполнена нормировка (3.1).
Лемма 8. Если последовательность ядер { K n ( t )} удовлетворяет всем условиям предыдущей леммы, то
(3.4)
Доказательство. Имеем, пользуясь (3.2) и (3.3)
Лемма доказана.
Теорема 1. Пусть k -натуральное число. Тогда
(3.5)
Доказательство. Пусть последовательность ядер { K n ( t )} ( n =1,1,2,...) удовлетворяет всем условиям леммы 7. Положим
Очевидно,
есть тригонометрический полином порядка не выше
n
-1. Оценим
Имеем
Поэтому
(3.6)
Оценим последний интеграл. Полагая в неравенстве (2.6)
, получим, что
Отсюда и из (3.4) следует:
Подставляя эту оценку в (3.6), получаем утверждение теоремы. Теорема доказана.
Следствие 1.1. Пусть k -натуральное число, r -целое неотрицательное. Тогда
(3.7)
В самом деле, согласно (2.12)
и применение теоремы 1 даёт (3.7).
§4 . Обобщение неравенства С.Н.Бернштейна.
В этом параграфе формулируется одно обобщение неравенства С.Н.Бернштейна для производных от тригонометрического полинома.
Теорема 2.
Пусть
. Тогда для любого натурального
k
(4.1)
и неравенство обращается в неравенство в том и только в том случае, если
Доказательство этого неравенства опубликовано в работе С.Б.Стечкина [2].
Отметим несколько следствий из этого неравенства.
Следствие 2.1. (неравенство С.Н.Бернштейна):
(4.2)
Полагая в (4.1)
, получаем
(это неравенство доказано С.М.Никольским [5]) но по лемме 2 §2 ,
откуда и следует (4.2).
Два последних неравенства одновременно обращаются в равенство только в случае, если
Следствие 2.2.
Пусть
. Тогда
(4.3)
Первое неравенство совпадает с утверждением теоремы 2, а второе вытекает из оценки
(4.4)
Таким образом, для
средний член в (4.3) заключен между двумя пределами, зависящими только от
q
.
Следствие 2.3.
Пусть
. Тогда
(4.5)
В частности,
(4.6)
Следствие 2.4.
Пусть
Тогда
(4.7)
В частности, для
имеем
(4.8)
В самом деле, из (4.4) или (2.12) следует:
и остается воспользоваться неравенством (4.5).
Следствие 2.5.
Пусть
Тогда
. (4.9)
Вторая половина неравенства совпадает со следствием 2.4, а первая непосредственно вытекает из (2.7).
§5 . Дифференциальные свойства тригонометрических полиномов, аппроксимирующих заданную функцию.
В этом параграфе устанавливается, что если тригонометрический полином t n ( x ) близок к заданной функции f , то его модули непрерывности можно оценить через модули непрерывности f .
Теорема 3. Зафиксируем натуральные числа k и n и пусть
(5.1)
Тогда для любого
(5.2)
(5.3)
(5.4)
и
(5.5)
Предварительные замечания.
Неравенства (5.2) и (5.4) предпочтительнее для больших
d
, а (5.3)-для малых. Если
, то (5.2) сильнее, чем (5.4); однако (5.4) имеет более симметричную форму и часто удобнее в приложениях.
Доказательство. Докажем (5.2). Пользуясь (2.1), (2.2) и (5.1), имеем
Докажем (5.5). Положим в (5.2)
. Тогда получим :
после чего (4.5) даёт (5.5).
(5.3) следует из (5.5) в силу (2.11).
Остаётся доказать (5.4). Пусть сперва
. Тогда из (5.4) следует:
Рассмотрим, наконец, случай
. Из неравенства (2.7) выводим
Подставляя эту оценку в (5.3), получаем (5.4) для
.
Таким образом, теорема полностью доказана.
Следствие 3.1. Пусть для некоторого натурального k и любого натурального n
(5.6)
Тогда для любого d >0
(5.7)
равномерно относительно n .
Следствие 3.2. Пусть для некоторого натурального k и любого натурального n
Тогда
(5.8)
Теорема 4.
Для того, чтобы
, необходимо и достаточно, чтобы
(5.9)
равномерно относительно n.
Это вытекает из теоремы 1, следствия 3.1 и того замечания что если выполнено условие (5.9), то
.
Теорема 5.
Для того, чтобы
, необходимо и достаточно, чтобы
(5.10)
Это доказывается аналогично теореме 4, только вместо следствия 3.1 нужно воспользоваться следствием 3.2.
Неравенства теоремы 3 имеют тот недостаток, что их правые части явно зависят от константы С 20 . Таким образом, если вместо фиксированного номера n и одного полинома t n рассматривать последовательность полиномов { t n } ( n =1,2,...), то С 20 окажется, вообще говоря, независящей от n и теорема 3 даёт оценки, не равномерные относительно n . Покажем как избавиться от этого неудобства.
Теорема 6. Пусть для некоторого натурального k
(5.11)
и
(5.12)
Тогда для любого d >0
(5.13)
равномерно относительно n .
Доказательство.
Пусть сперва
. Из неравенства (5.2) следует, что
и на основании (5.11)
(5.14)
Рассмотрим случай
. Положим в (5.14)
. Тогда получим
Из этого неравенства, в силу (4.7), следует, что
Но так как, по условию,
, то
Отсюда
Окончательно,
и теорема доказана.
В следующем параграфе будет показано, как можно видоизменить ограничения (5.11) теоремы 6.
§6. Обобщение обратных теорем С. Н. Бернштейна и
Ш. Валле-Пуссена.
В этом параграфе обобщаются и уточняются так называемые “обратные теоремы” теории приближения. Речь идёт об оценке дифференциальных свойств функции f , если известны свойства последовательности её наилучших приближений { E n }.
Лемма 9. Зададим натуральное число k , и пусть
(6.1)
и
. (6.2)
Тогда
(6.3)
Доказательство. Имеем, согласно (2.1),
Но из (2.10) и (6.2) получаем
а из (2.2) и (6.1)
Поэтому
левая часть этого неравенства не зависит от n , а поэтому
и лемма доказана.
Для получения хороших оценок
обычно достаточно взять
. Однако на исключена возможность, что в некоторых случаях другой выбор
может оказаться предпочтительнее.
Теорема 7.
Пусть
k
-натуральное число, функция
не убывает и
(6.4)
Для того чтобы
, необходимо и достаточно выполнение условия
(6.5)
Доказательство. Необходимость условия (6.5) вытекает из следствия 3.2. Установим его достаточность, для чего воспользуемся леммой 9. Получаем:
Положим здесь
; тогда для
будем иметь
и
поэтому
и теорема доказана.
Отметим два следствия из этой теоремы.
Следствие 7.1.
Пусть
k
-натуральное число, функция
не убывает и
(6.6)
Для того чтобы
, необходимо и достаточно выполнение условия
(6.7)
Следствие 7.2.
Пусть
k
-натуральное число и
Если
и
(6.8)
то
равномерно относительно n .
Это вытекает из теорем 7 и 6.
Теорема 7 показывает, что нужно добавить к условию (6.4), чтобы получить
. Теперь мы получим оценки для
, исходя только из условий вида (6.4). Попутно выясняется, что при некоторых дополнительных ограничениях на функцию
условие (6.5) становится излишним. Суть дела в том, что при этих ограничениях (6.4) влечёт (6.5).
Лемма 10. Пусть
(6.9)
где
. Тогда для любого натурального
k
(6.10)
Доказательство. Зафиксируем натуральное число n , определим натуральное p из условий
и построим последовательность номеров
положив
Для оценки
представим
в таком виде:
Так как
, то отсюда
(6.11)
Оценим U l (k) . Имеем для l= 1,2,..., p
откуда
Но
есть тригонометрический полином порядка не выше
n
l
. Поэтому по неравенству С.Н. Бернштейна,
(6.12)
Заметим теперь, что, в силу определения последовательности { n l },
и
для
Поэтому, пользуясь ещё монотонностью последовательности {
F
n
}
2
находим, что для
(6.13)
При помощи (6.11), (6.12) и (6.13) находим окончательно:
и лемма доказана.
Теорема 8.
Для любого натурального
k
и любого
(6.14)
Доказательство. Имеем
Отсюда, по лемме 10,
Воспользуемся теперь леммой 9. Получаем:
Если
, то
. Кроме того,
Поэтому для
и теорема доказана.
Мы обращаемся теперь к рассмотрению вопроса о том, при каких ограничениях на {
E
n
} условие (6.4) влечёт
Теорема 9.
Зададим натуральное число
k
; пусть
и
. Для того чтобы
, необходимо и достаточно выполнение условия
(6.15)
Доказательство.
Необходимость условия (6.15) вытекает из теоремы 1. Докажем его достаточность. Согласно теореме 8, для
Положим здесь
и заметим, что тогда
для
и, в силу условия
,
Поэтому для
и теорема доказана.
Следствие 9.1.
Пусть
и
. Тогда для всех натуральных
классы
эквивалентны.
Следствие 9.2.
Пусть
и
. Если
то для любого фиксированного натурального
равномерно относительно n .
Рассмотрим теперь следующий вопрос. как связаны приближения функции f с приближениями и дифференциальными свойствами её производных f (r) ?
Теорема 10. Зададим натуральное число r, и пусть
(6.16)
где
(6.17)
Тогда f имеет непрерывную производную f (r) и
(6.18)
С.Н.Бернштейн [3] доказал такую теорему: если ряд
сходится, то функция
f
имеет непрерывную производную
f
(r)
. Рассмотрение этого доказательства С.Н.Бернштейна показывает, что на самом деле им установлено следующее, более общее предложение: пусть выполнены условия (6.16) и (6.17). Тогда функция
f
имеет непрерывную производную
f
(r)
и
равномерно относительно
x
. В ходе доказательства теоремы 10 мы вновь установим это предложение.
Доказательство.
при
. Поэтому
равномерно относительно
x
. Отсюда следует, что если {
n
k
} (
k
=0,1,2,...) есть возрастающая последовательность номеров, то
Зафиксируем натуральное число n и положим
Тогда будем иметь
(6.19)
где
Докажем, что формулу (6.19) можно продифференцировать почленно r раз, т.е.
(6.20)
Для этого достаточно установить, что ряд справа равномерно сходится. Прежде всего, оценим
. Имеем
откуда
Оценим теперь
. По неравенству С.Н.Бернштейна,
Пользуясь этой оценкой, получаем:
Но
Поэтому
(6.21)
Итак, доказана сходимость ряда
, а вместе с этим установлена и формула (6.20). Из (6.20) и (6.21) вытекает, что
и теорема доказана.
В некоторых случаях оценка (6.18) может быть упрощена. Пусть, например,
(6.22)
Тогда
Поэтому при выполнении условия (6.22) вместо (6.18) можно написать
Следствие 10.1.
Пусть r -натуральное число и сходится ряд
Тогда
(6.23)
Теорема 11. Пусть r -натуральное число и для функции f сходится ряд
Тогда для любого натурального
k
и любого
(6.24)
Доказательство. Имеем
Отсюда, по лемме 10,
Далее, согласно теореме 10,
Воспользуемся теперь леммой 9. Получаем
Заметим, что
Таким образом, если
, то
и теорема доказана.
§7. Основная теорема.
Обратимся теперь к рассмотрению следующего вопроса: каковы необходимые и достаточные условия того, чтобы
где
-заданная невозрастающая функция?
Насколько нам известно, эта задача не была до сих пор решена даже для случая
. Мы решим её для функций сравнения
.
Лемма 11.
Пусть
и для некоторого натурального
(7.1)
Тогда существует такая константа с >0, что
(7.2)
Доказательство. Согласно (7.1), найдутся две такие константы С 60 >0 и C 61 >0, что
(7.3)
Последнее из этих неравенств, теорема 1 и теорема 3 влекут неравенство
(7.4)
В силу (2.1) и (2.2), имеем
Отсюда
Пользуясь (7.3) и (7.4), находим, далее
(7.5)
Вспомним теперь, что
. Это даёт нам для
Подставляя эту оценку в (7.5), получаем
(7.6)
Мы можем без ограничения общности считать, что здесь
. Положим в (7.6)
Тогда получим окончательно
и лемма доказана.
Основная теорема.
Пусть
. Для того чтобы
(7.7)
необходимо, чтобы для всех натуральных
, и достаточно, чтобы для некоторого натурального
. (7.8)
Доказательство. Пусть имеет место (7.7), т.е. найдутся две положительные константы С 67 и С 68 , для которых
(7.9)
Тогда, по теореме 1 и в силу первой половины неравенства (7.9), для любого k имеем
т.е.
Отсюда, в силу
,
и если
, то, ввиду монотонности
и
,
Далее, из второй половины неравенства (7.9) и теоремы 9 вытекает существование константы
С
72
такой, что для любого
Этим заканчивается доказательство необходимости условия (7.8).
Пусть имеет место (7.8):
(7.10)
с С 73 >0. Тогда по теореме 1 и в силу второй половины неравенства (6.10),
а по лемме 11,
где С 77 >0.
Таким образом, установлена достаточность условия (7.8), и основная теорема полностью доказана.
Приведём в заключение обобщение леммы 11 на тот случай, когда оценки
сверху и снизу имеют разные порядки.
Теорема 12.
Пусть
и
(7.11)
Тогда
(7.12)
Доказательство. Имеем, как при доказательстве леммы 11,
Положим здесь
Тогда получим, что
Теорема доказана.
§8. Решение задач.
Пример 1.
Пусть
Тогда при каждом
Пример 2.
Пусть график функции f ( x ) имеет вид, изображённый на рис.8.1. Тогда график функции
показан на рис.8.2.
Рис. 8.1. Рис. 8.2.
Пример 3.
Пусть при
и пусть
- периодическое продолжение функции
на всю ось.
Рис. 8.3.
Рис. 8.4.
Тогда если функцию
рассматривать на сегменте
длины
так, что (рис. 8.3)
то (рис. 8.4)
т.е. модуль непрерывности функции
в точке
не достигает своего наибольшего значения и, следовательно, отличается от модуля непрерывности этой функции на всей оси.
Пример 4.
При
функция
является модулем непрерывности.
Пример 5
. При
функция
является модулем непрерывности.
Пример 6.
При
имеем
так что при всех
будет
.
Литература.