Исследование наилучших приближений непрерывных периодических функций тригонометрическими полиномами

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Саратовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. Н.Г.Чернышевского

Кафедра математического анализа

ИССЛЕДОВАНИЕ НАИЛУЧШИХ ПРИБЛИЖЕНИЙ НЕПРЕРЫВНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИМИ ПОЛИНОМАМИ

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

студентки 524 группы механико-математического факультета

Чуркиной Любови Васильевны

Научный руководитель

к.ф.-м.н, доцент

Тимофеев В. Г.

Заведующий кафедрой

доктор ф.-м.н., профессор

Прохоров Д.В.

г.Саратов-1996 г.

Оглавление.

Наименование	Стр.
Введение	3
§1. Некоторые вспомогательные определения	7
§2. Простейшие свойства модулей нерперывности	20
§3. Обобщение теоремы Джексона	24
§4. Обобщение неравенства С.Н.Бернштейна	27
§5. Дифференциальные свойства тригонометрических полиномов, аппроксимирующих заданную функцию	30
§6. Обобщение обратных теорем С. Н. Бернштейна и Ш. Валле-Пуссена	34
§7. Основная теорема	44
§8. Решение задач	47
Литература	50

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:

При каких ограничениях на непрерывную функцию F(u) (-1  u  +1) её наилучшие приближения E_n [F;-1,+1] обыкновенными многочленами имеют заданный порядок (n^-1 )?

При каких ограничениях на непрерывную периодическую функцию f (x) её наилучшее приближение E_n[f] тригонометрическими полиномами имеют заданный порядок (n^-1 )?

Подстановка u=cos(x) сводит задачу 1 к задаче 2. Достаточно, следовательно, рассматривать лишь задачу 2.

Мы ограничимся случаем, когда  N^ , для некоторого  , где  - функция сравнения р-го порядка и для 0

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H_k[], 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  не целое, r=[], =-r, то f имеет нерперывную производную .

Случай целого рассмотрен Зигмундом. В этом случае

.

Нетрудно показать, что эти два предложения эквивалентны следующему: пусть 00 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2), получим

Лемма доказана.

Определение 5. Если измеримая периода (b-a) функция f(x)L_q (L_q-класс всех вещественных измеримых на [a,b] функции f(x)), то под её интегральным модулем гладкости порядка k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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;

При любом натуральном n имеет место ( точное) неравенство

(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 ’, получим

Этим непрерывность функции _k() доказана.

4) Используя равенство лемму 2 §1, имеем

Этим неравенство (1.8) доказано. Неравенство (1.8’) следует из монотонности функции _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 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 С₁₀>0 такая, что

Вместо будем писать просто H_k^.

Если для последовательности функций {f_n} (n=1,2,...)

где С₁₀ 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 >0 и обозначим через p наименьшее натуральное число, не меньше чем  (p=-[-]). Будем говорить, что функция принадлежит к классу , если она

1) есть функция сравнения p-го порядка и

2) удовлетворяет условию: существует константа С₁₁>0 такая, что для

Условие 2) является небольшим ослаблением условия « не убывает». Функции класса N^ будут играть основную роль во всём дальнейшем изложении.

Определение 11. Будем говорить, что функция имеет порядок , если найдутся две положительные константы С₁₂ и С₁₃ 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 2n-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,...,2n-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 j₀.

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 С₁₄>0 и С₁₅>0, такие, что при всех n=1,2,3,... будет

г) При любом >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 sintt, при всех t0 (***), имеем

(1.16‘)

A₁-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 f₁, f₂, ... - непрерывны.

ЛЕММА 1. Для любого натурального k и любого 0

(2.1)

Доказательство: по определению,

Лемма доказана.

ЛЕММА 2. Пусть f и l -натуральные числа, l0. Тогда по теореме 1 и в силу второй половины неравенства (6.10),

а по лемме 11,

где С₇₇>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.

Бернштейн С.Н. О свойствах однородных функциональных классов // Доклады Ак. Наук СССР,-1947.-№57.-с.111-114.

Стечкин С.Б. О порядке наилучших приближений непрерывных функций // Доклады Ак. Наук СССР,-1949.-№65.-с.135-137.

Бернштейн С.Н. О наилучшем приближении непрерывных функций посредством многочленов данной степени // Сообщ. Харьк. Матем. о-ва (2), -1912.-№13.-с.49-144.

Бернштейн С.Н. Экстремальные свойства полиномов и наилучшее приближение непрерывных функций одной вещественной переменной. Часть I,-М.-Л.,-1937.

Никольский С. Обобщение одного неравенства С.Н.Бернштейна // Доклады Ак. Наук СССР,-1948.-№65.-с.135-137.

Гончаров В.Л. Теория интерполирования и приближения функций.-М.-Л.,-1934.

Дзядык В.К. Введение в теорию равномерного приближения функций полиномами. -М.: Наука.-1977.-с.512.

Стечкин С.Б. О порядке наилучших приближений непрерывных функций // Доклады Ак. Наук СССР,-1949.-№65.-с.135-137.

Тиман А.Ф. Теория приближения функций функций действительного переменного. -М.:ГИФМЛ,-1960.-с. 624.

Ахиезер Н.И. Лекции по теории аппроксимаций.-М.:ГИТТЛ,-1947.-324.

Арестов В.В. О равномерной регуляризации задачи вычисления значений оператора // Математические заметки,-т.22.-1977.-№2.-с.231-243.

Стечкин С.Б. О порядке наилучших приближений непрерывных функций // Изв. АН СССР-Математика,-1931.-№15.-с.219-242.