实分析

14.8 用多项式一致逼近

定义

  1. (14.8.1 多项式?)[a,b]是一个区间。[a,b]上的多项式是形如f(x):=j=0ncjxj的函数f:[a,b]R,其中n0是整数,c0...cn都是实数。如果cn0,那么n就称为多项式f次数

  2. (14.8.4 紧支撑函数)[a,b]是一个区间,我们称f:RR支撑[a,b]上的,当且仅当对于所有的x[a,b]都有f(x)=0;我们称f紧支撑的,当且仅当它支撑在某个区间[a,b]上。如果函数f是连续的并且f支撑在[a,b]上,那么我们定义反常积分ff:=[a,b]f

    (注:一个函数完全可以支撑在多个区间上,例如支撑在[3,4]上的函数必然也是支撑在[2,5]上,这或许会让我们怀疑我们对反常积分的定义是不确定的,但是不难推论出这样的疑虑是没有必要的(参见引理14.8.5))

  3. (14.8.6 恒等逼近)ε>0,并设0<δ<1。我们称f:RR(ε,δ)恒等逼近的,当且仅当它满足下面三个性质:

    1. f支撑在[1,1]上,并且对所有的1x1都有f(x)0
    2. f是连续的,并且f=1
    3. 对所有的δ|x|1均有|f(x)|ε

    (注:恒等逼近事实上就是用(比较好分析的)连续函数来逼近(间断性很强的)狄拉克δ函数的一种方法)

  4. (14.8.9 卷积)f:RRg:RR都是连续的紧支撑函数,我们定义fg卷积fg:RR为函数

    (fg)(x):=f(y)g(xy)dy

    (注:由于fg都是连续的紧支撑函数,因此对每一个x函数f(y)g(xy)都是连续且紧支撑的,从而上面的定义总是有意义的)


命题

  1. (14.8.3 魏尔斯特拉斯逼近定理)[a,b]是一个区间,f:[a,b]R是一个连续函数,并设ε>0是一个实数。那么存在[a,b]上的多项式P使得d(P,f)ε(即对所有的x[a,b]都有|P(x)f(x)|ε)。

    (注:如果我们考虑P([a,b]R)是全体[a,b]上多项式组成的空间(带有一致度量d),那么魏尔斯特拉斯逼近定理断言了任意一个连续函数f都是P([a,b]R)的附着点,从而有P([a,b]R)=C([a,b]R),也就是说多项式空间在连续函数空间中依一致拓扑稠密(关于稠密集的定义,可以参考维基百科—稠密集,简单来说就是一个集合是稠密的当且仅当它的闭包是整个空间);魏尔斯特拉斯逼近定理还有个更广泛的形式叫斯通-魏尔斯特拉斯逼近定理,详细内容可以参考维基百科—斯通-魏尔斯特拉斯逼近定理,这里的魏尔斯特拉斯逼近定理事实上是第一逼近定理,还有一个有关周期函数与三角函数的第二逼近定理)

  2. (14.8.5 反常积分的唯一性?)f:RR是一个连续函数。如果f不仅支撑在区间[a,b]上,还支撑在另一个区间[c,d]上,那么[a,b]f=[c,d]f

  3. (14.8.8 多项式可以作为恒等逼近)对每一个ε>00<δ<1,都存在一个[1,1]上的多项式P(ε,δ)恒等逼近的。

    (注:这是原书为了证明魏尔斯特拉斯逼近定理的第一个关键事实)

  4. (14.8.11 卷积的基本性质)f:RRg:RRh:RR都是连续的紧支撑函数,那么下面的命题成立:

    1. 卷积fg也是连续的紧支撑函数。

    2. (卷积是可交换的)我们有fg=gf,换言之即:

      fg(x)=f(y)g(xy)dy=g(y)f(xy)dy=gf(x)
    3. (卷积是线性的)我们有f(g+h)=fg+fh;另外,对于任意的实数c,都有f(cg)=(cf)g=c(fg)

    (注:卷积其实还有些重要性质。例如,卷积是可结合的,即(fg)h=f(gh);卷积与导数可交换,当fg都可微时,(fg)=fg=fg;狄拉克δ函数还满足fδ=δf=f,但是在接下来的内容中我们用不到这些内容,所以就不在此列出了)

  5. (14.8.13 多项式的卷积仍然是多项式)f:RR是支撑在[0,1]上的连续函数,g:RR是支撑在[1,1]上的连续函数,并设g[1,1]上的多项式。那么fg[0,1]上的多项式。

    (注:fg[0,1]之外可能就不是多项式了,这正是原书中为了证明魏尔斯特拉斯逼近定理的第二个关键事实)

  6. (14.8.14)f:RR是支撑在[0,1]上的连续函数,它以某个实数M>0为界。设ε>0,且0<δ<1,它使得只要xyR|xy|<δ就有|f(x)f(y)|<ε,并设g是任意一个(ε,δ)恒等逼近。那么,对所有的x[0,1]都有

    |fg(x)f(x)|(1+4M)ε

    (注:这是原书中为了证明魏尔斯特拉斯逼近定理的第三个关键事实)

    推论:

    1. (14.8.15 魏尔斯特拉斯逼近定理 I)f:RR是支撑在[0,1]上的连续函数。那么对任意的ε>0,存在一个函数P:RR,它是[0,1]上的多项式,并且使得|P(x)f(x)|ε对所有的x[0,1]都成立。

      (注:结合上面的三个事实我们就可以得到这个魏尔斯特拉斯逼近定理的预备形式)

  7. (14.8.16)f:RR是一个连续函数,它在[0,1]的边界上取值为0,即f(0)=f(1)=0。设F:RR是具有如下定义的函数:当x[0,1]时,F(x):=f(x);当x[0,1]时,F(x):=0。那么F也是连续的。

    (注:这个函数F有时被称为f零延拓

    推论:

    1. (14.8.18 魏尔斯特拉斯逼近定理 II)f:[0,1]R是支撑在[0,1]上的连续函数,并且满足f(0)=f(1)=0。那么对任意的ε>0,存在一个多项式P:RR使得|P(x)f(x)|ε对所有的x[0,1]都成立。

      (注:结合推论14.8.5和引理14.8.16我们就可以得到这个形式的魏尔斯特拉斯逼近定理)

    2. (14.8.19 魏尔斯特拉斯逼近定理 III)f:[0,1]R是支撑在[0,1]上的连续函数。那么对任意的ε>0,存在一个多项式P:RR使得|P(x)f(x)|ε对所有的x[0,1]都成立。

      (注:考虑形如F(x):=f(x)f(0)x(f(1)f(0))的函数与推论14.8.18就可以得到这个去掉f(0)=f(1)=0假设的形式;然后使用这个形式,考虑任意闭区间[a,b]上的连续函数f(x),我们考虑定义为g(x):=f(a+(ba)x)的函数g:[0,1]R,根据上面的预备形式我们可以得到一个多项式Q:[0,1]R,然后令P(y):=Q((ya)/(ba))就可以得到魏尔斯特拉斯逼近定理,这样就完成了魏尔斯特拉斯逼近定理的证明)


课后习题

14.8.1 证明引理14.8.5

为了证明引理14.8.5,我们先证明一个更显而易见的辅助结论。

结论:设f:RR是一个连续函数。如果f不仅支撑在区间[a,b]上,还支撑在另一个包含[a,b]的区间[c,d]上,那么[a,b]f=[c,d]f

证明:

我们知道对任意x[c,d]都有x[a,b],从而根据支撑的定义显然可以得到f是支撑在[c,d]上的。于是我们此时可以注意到限制函数f|[c,d]满足:对任意x[a,b]f|[c,d](x)=f|[a,b](x);对任意x[a,b]f|[c,d](x)=0。然后根据积分的运算定律(命题11.4.1(g))我们可以直接得到:

[c,d]f|[c,d]=[a,b]f|[a,b]

也就是我们所想要证明的结论。

然后我们正式开始对引理14.8.5的证明。


注意到我们事实上有[a,b][c,d]=[max(a,c),min(c,d)],并且对任意的x[max(a,c),min(c,d)]x至少不属于[a,b]或者[c,b]中的某一个,于是分别根据f支撑在[c,d]上与f支撑在[a,b]上的题设我们可以得到f(x)=0。综合即有f也是支撑在区间[max(a,c),min(c,d)]上的,此时应用我们证明的辅助结论即有:

[a,b]f=[a,b][c,d]f=[c,d]f

于是我们证明了引理14.8.5。

14.8.2 尝试完成下面的内容
(a) 证明:对于任意的实数0y1和任意的自然数n0(1y)n1ny均成立(提示:对n使用归纳法,或者对y求导)

n=0时的结论时显然的,然后根据我们在微分相关章节学到的知识,我们知道对给定的n>0,关于y的函数(1y)n1ny都是在[0,1]上可微的,并且对应的它们的导函数n(1y)n1n都是在[0,1]上黎曼可积的,于是根据微积分第二基本定理,我们有对任意的y[0,1]都有:

(1y)n=[0,y]n(1x)n1dx+(10)n=1n[0,x](1x)n1dx1ny=[0,1]ndx+(1n0)=1n[0,y]1dx

而在[0,1]上,由于1y始终小于等于0,因此对任意的n>0根据实数幂次的运算知识(具体来说是命题5.6.3)我们知道有(1x)n1小于1对任意的x[0,1]都成立,然后根据积分运算的运算法则我们知道有:

y[0,1],[0,x](1x)n1dx[0,x]1dx(1y)n1ny

于是结论得证。

(b) 证明:11(1x2)ndx1n(提示:当|x|1/n时,利用部分(a)的内容;当|x|1/n时,只要利用(1x2)n是正的就好;本题还可以使用三角替换求解,但是需要你能够明确你正在进行的证明的意义)

根据(a)的结论与积分的运算定律,我们应该有:

x[1,1],x2[0,1](a)x[1,1],(1x2)n1nx211.4.11/n1/n(1x2)ndx1/n1/n1nx2dx=2nn3n3=53n>1n

然后又因为对任意的x[1,1]都有(1x2)n非负,因此又有:

[1,1/n)(1x2)ndx0(1/n,1](1x2)ndx0

综合即有:

11(1x2)ndx=[1,1/n)(1x2)ndx+1/n1/n(1x2)ndx+(1/n,1](1x2)ndx0+53n+01n

于是即证明了题目的结论。

(c) 证明引理14.8.8(提示:当x[1,1]时,令f(x)等于c(1x2)N;当x[1,1]时,令f(x)=0,其中N时一个足够大的数,而c使得f的积分为1,并使用(b)的结论)

要证明这个结论,我们需要证明一个辅助结论:

结论:设0<x<1是一个实数,那么序列(nxn)n=0收敛于0

证明:

考虑令N:=x21x2+1nN时有n+1nx<1,也即有:

n+1xn+1nxn<1n+1xn+1<nxn

也即子序列(nxn)n=N是严格单调递减的,并且显然子序列以0为下界,因此根据命题6.3.8我们知道(nxn)n=0肯定是收敛的;如果我们假设它收敛于L,那么序列(nxn+1)n=0根据极限定律应该收敛于xL,然后注意到:

limnnxn+1=limnn+1xn+1limnnn+1=L

因此即xL=L,而x0于是只可能有L=0

下面正式开始我们的证明。


对给定的(ε,δ),由于1δ2<1,因此实数序列(n(1δ2)n)n=0收敛于0(辅助结论)可知必然存在一个N0使得对任意的nN都有n(1δ2)nε(当然也对N成立);而对任意的δ|x|1,因为1x21δ2于是有N(1x2)Nε(命题6.7.3)。

于是我们考虑定义下面的多项式P:RR

P(x):={1L(1x2)Nifx[1,1]0ifx[1,1]

其中L:=[1,1](1x2)Ndx,根据(b)的结论我们知道有L1N,从而对任意的δ|x|1我们有

P(x)=1L(1x2)NN(1x2)Nε

而多项式函数显然是连续函数,并且P也是显然支撑在[1,1]上的,因此总结即有:

  • P支撑在[1,1]上,并且对所有的1x1都有P(x)0
  • P是连续的,并且P=1L[1,1](1x2)Ndx=1
  • 对所有的δ|x|1均有|P(x)|ε

于是根据定义14.8.6即有P(ε,δ)恒等逼近的,引理14.8.8得证。

14.8.3 设f:RR是一个连续的紧支撑函数。证明:f是有界的,并且是一致连续的(提示:利用命题13.3.2定理13.3.5,但是必须先处理f的定义域R不是紧致的这一问题)

先证明f是有界的。由于f是紧支撑函数,因此存在某个区间[a,b]使得对任意x[a,b]都有f(x)=0;而对x[a,b],由于f是连续的并且[a,b]是紧致的(海涅-博雷尔定理),因此f([a,b])也应该是有界的,换言之即存在M>0使得f(x)[M,M]。考虑到0(也就是f[a,b]以外的函数值)同样属于[M,M],于是即对任意xR都有f(x)[M,M],也即f是有界的。

然后证明f是一致连续的。同样由于f是连续的并且[a,b]是紧致的我们有f[a,b]上是一致连续的(命题13.3.5)。即对任意的ε>0都存在δ>0使得对任意的xx[a,b]满足|xx|δ都有|f(x)f(x)|ε;然后由于f是连续的我们可以得到f(a)f(b)都等于0。于是我们考虑任意的xxR满足|xx|δ,应该有:

  • xx[a,b]

    则根据f[a,b]上一致连续的结论显然有|f(x)f(x)|ε

  • xxR\[a,b]

    则由于f支撑在[a,b]上我们有f(x)=f(x)=0|f(x)f(x)|=0ε

  • x[a,b]xR\[a,b]

    x>b,则我们有xb<x|xb|δ,于是根据f[a,b]上一致连续的结论有|f(x)f(b)|ε;若x<a,则我们有x<a<x|xa|δ,于是根据f[a,b]上一致连续的结论有|f(x)f(a)|ε;又因为f(x)等于f(a)f(b)都是0,因此综合上面的讨论即无论x是什么情况总有|f(x)f(x)|ε

于是综上我们证明了:对任意的ε>0都存在δ>0使得任意的xxR满足|xx|δ都有|f(x)f(x)|ε,这表明f是在R上一致连续的,于是结论得证。

14.8.4 证明命题14.8.11(提示:利用习题14.8.3证明fg是连续的)

由于函数支撑在区间上这个概念本身的性质,我们知道即使fgh支撑在三个完全不同的区间[a,b][c,d][e,f]上我们也可以选择一个足够大的区间(例如[min{a,b,c,d,e,f},max{a,b,c,d,e,f}])使得fgh同时支撑在这个区间上,因此不失一般性地我们可以假设fgh支撑在同一个区间[a,b]上。然后逐条证明。

  1. 卷积fg也是连续的紧支撑函数。

    首先证明fg是一个紧支撑函数。注意到对给定的x,实数y要满足y[a,b]xy[a,b]才可能有f(y)g(xy)0,即y满足:

    y[a,b](xy)[a,b]y[a,b]y[xa,xb]y[a,b][xa,xb]

    于是我们注意到若x满足[a,b][xb,xa]=则对任意yR都有f(y)g(xy)=0,也即关于y的函数f(y)g(xy)R上的常数函数0。于是对应的,卷积函数fg(x)显然也等于0;然后当x>2b(也就是xb>b)或x<2a(也就是xa<a)时显然有[a,b][xa,xb]=,于是我们可以得到fg是支撑在[2a1,2b+1]上的,也即fg是一个紧支撑函数。

    然后我们证明fg是一个连续函数。由于f:RRg:RR都是连续的紧支撑函数,根据习题14.8.3我们知道fg都是有界的一致连续函数,不妨假设f以实数N为界。于是考虑任意的ε>0,由于g一致连续因此存在δ>0使得任意的yyR满足|yy|δ都有|g(y)g(y)|εN(ba),然后考虑任意的xxR满足|xx|δ有:

    |fg(x)fg(x)|=|f(y)g(xy)dyf(y)g(xy)dy|

    而在上面的fg紧支撑的证明中已知关于y的函数f(y)g(xy)f(y)g(xy)都支撑在[a,b]上,此时根据反常积分的定义即有:

    |f(y)g(xy)dyf(y)g(xy)dy|=|[a,b]f(y)g(xy)dy[a,b]f(y)g(xy)dy|=|[a,b]f(y)[g(xy)g(xy)]dy|[a,b]|f(y)||g(xy)g(xy)|dy

    假设中我们令fN为界,因此对任意的y总是有|f(y)|N;由于|(xy)(xy)|=|xx|δ根据我们的推论此时有|g(xy)g(xy)|εN(ba)。综合一下即可以得到:

    [a,b]|f(y)||g(xy)g(xy)|dy[a,b]NεN(ba)dy=ε

    总结下上面的内容,我们证明了:

    对任意的ε>0,存在δ>0使得任意的xxR满足|xx|δ都有|fg(x)fg(x)|ε

    这表明fg是在R上一致连续的(当然也就是连续的),于是我们证明了fg是一个连续函数。

  2. 我们有fg=gf,换言之即:

    fg(x)=f(y)g(xy)dy=g(y)f(xy)dy=gf(x)

    考虑任意的xR。在结论(a)的证明中我们知道关于y的函数f(y)g(xy)支撑在[a,b]上;然后由于定义为z(y):=xy的函数z:[xb,xa][a,b]是可微的,因此根据变量替换公式(命题11.10.7,准确来说是习题11.10.4)有:

    fg(x)=f(y)g(xy)dy=[a,b]f(y)g(xy)dy=[xb,xa]g(z)f(xz)dz

    同样由于我们在结论(a)证明中的讨论我们知道关于z的函数g(z)f(xz)是支撑在[xa,xb]上的,即有[xb,xa]g(z)f(xz)dz=g(z)f(xz)dz=gf(x)

    综上,于是我们证明了对任意的xR都有fg(x)=gf(x),也即fg=gf

  3. 我们有f(g+h)=fg+fh;另外,对于任意的实数c,都有f(cg)=(cf)g=c(fg)

    考虑任意的xR。可以直接根据定义与结论(b)计算得到:

    [f(g+h)](x)=f(y)(g+h)(xy)dy=[a,b]f(y)(g+h)(xy)dy=[a,b]f(y)g(xy)+f(y)h(xy)dy=[a,b]f(y)g(xy)dy+[a,b]f(y)h(xy)dy=f(y)g(xy)dy+f(y)h(xy)dy=fg(x)+fh(x)=(fg+fh)(x)[(cf)g](x)=(cf)(y)g(xy)dy=[a,b](cf)(y)g(xy)dy=c[a,b]f(y)g(xy)dy=cf(y)g(xy)dy=[c(fg)](x)=[a,b]f(y)(cg)(xy)dy=f(y)(cg)(xy)dy=[f(cg)](x)

    这表明有f(g+h)=fg+fhf(cg)=(cf)g=c(fg)成立。于是结论证明完毕。

综上,于是我们证明了命题14.8.11。

14.8.5 设f:RRg:RR都是连续的紧支撑函数,设f支撑在区间[0,1]上,并设g在区间[0,2]上是常数,即存在某个实数c使得对任意x[0,2]都有g(x)=c。证明:卷积fg在区间[1,2]上是常数

考虑任取x[1,2],根据卷积的定义可以直接计算有:

fg(x)=f(y)g(xy)dy

注意到由于f是支撑在[0,1]上的因此f(y)g(xy)也是支撑在[0,1]上的(y[0,1]以外f(y)0可以推知f(y)g(xy)=0),于是可以写为:

fg(x)=[0,1]f(y)g(xy)dy

由于x[1,2],因此由积分变量y[0,1]可以得到xy[x1,x0][0,2];又由于g[0,2]上都是常数,因此g(xy)必然等于c,于是上面的积分就可以写为:

fg(x)=[0,1]cf(y)dy=c[0,1]f(y)dy

f[0,1]上的黎曼积分值是确定的,从而对任意的x[1,2]都有fg(x)=CC:=c[0,1]f(y)dy),也即fg在区间[1,2]上是常数,题目结论得证。

14.8.6 尝试完成下面的内容
(a) 设g是一个(ε,δ)恒等逼近。证明:12ε[δ,δ]g1

根据黎曼积分的运算定律(命题11.4.1)有:

[1,δ]f+[δ,δ]f+[δ,1]f=[1,1]=14.8.6(a)f=14.8.6(b)1

而根据定义14.8.6(a),我们知道在整个[1,1]f都是非负的,因此[1,δ]f[δ,1]f都应该是非负的,从而根据上面的式子我们可以得到:

[δ,δ]f=1[δ,1]f[1,δ]f1

另一方面,根据定义14.8.6(c),我们知道f[1,δ][δ,1]上有f(x)ε,于是再次使用黎曼积分的运算定律(命题11.4.1)有:

[δ,δ]f=1[δ,1]f[1,δ]f1[δ,1]ε[1,δ]ε=12ε(1δ)12ε

综上即有12ε[δ,δ]g1,于是结论证明完毕。

(b) 证明引理14.8.14(提示:从下面的恒等式入手
fg(x)=f(xy)g(y)dy=[1,δ]f(xy)g(y)dy+[δ,δ]f(xy)g(y)dy+[δ,1]f(xy)g(y)dy
解题的思路是证明第二个积分接近于f(x),而第一和第三个积分都非常小。为了完成第一个任务,利用(a)以及f(x)f(xy)之间的距离不超过ε这一事实。为了完成后面的任务,利用恒等逼近的性质(c)以及f有界的这一事实)

根据卷积的定义,即证明对所有的x[0,1]都有:

|f(xy)g(y)dyf(x)|(1+4M)ε

x给定的情况下我们不妨视f(x)为常数,由于g是一个(ε,δ)恒等逼近,因此我们有11g(y)dy=1以及关于y的函数g(y)f(xy)支撑在[1,1]上,于是根据积分的运算定律即有:

f(xy)g(y)dyf(x)=[1,1]f(xy)g(y)dy[1,1]f(x)g(y)dy=[1,δ](f(xy)f(x))g(y)dy+[δ,1](f(xy)f(x))g(y)dy+[δ,δ](f(xy)f(x))g(y)dy

然后对上面结果的前两项,由于f是有界的,因此f(xy)f(x)|f(xy)|+|f(x)|2M,结合结论(a)的证明内容我们可以得到:

|[1,δ](f(xy)f(x))g(y)dy|+|[δ,1](f(xy)f(x))g(y)dy|[1,δ]|f(xy)f(x)||g(y)|dy+[δ,1]|f(xy)f(x)||g(y)|dy2M|[1,δ]g(y)dy+[δ,1]g(y)dy|=2M|1[δ,δ]g(y)dy|4Mε

而对第三项,由于积分变量y[δ,δ]因此有|x(xy)|=|y|δ,根据引理14.8.14的假设即有|f(x)f(xy)|ε;另一方面由于g是一个(ε,δ)恒等逼近,因此g是非负的,并且根据结论(a)我们有12ε[δ,δ]g1。于是根据积分的运算定律有:

|[δ,δ](f(xy)f(x))g(y)dy|[δ,δ]|f(xy)f(x)||g(y)|dyε[δ,δ]|g(y)|dyε

于是综上,根据绝对值的三角不等式我们有:

|f(xy)g(y)dyf(x)|=|[1,δ](f(xy)f(x))g(y)dy|+|[δ,1](f(xy)f(x))g(y)dy|+|[δ,δ](f(xy)f(x))g(y)dy|ε+4Mε

也就是|f(xy)g(y)dyf(x)|(1+4M)ε对任意的x[0,1]都成立。

14.8.7 证明推论14.8.15(提示:结合使用习题14.8.3、引理14.8.8、引理14.8.13以及引理14.8.14)

由于f是连续的紧支撑函数,因此根据习题14.8.3有f是有界的和一致连续的,不妨设fM为界,然后根据一致连续的定义对给定的ε>0存在某个δ>0使得对任意xyR满足|xy|δ都有|f(x)f(y)|ε1+4M。特别地,不失一般性的我们可以认为δ是满足小于1的实数

于是首先使用引理14.8.8,对给定的ε>00<δ<1存在某个[1,1]上的多项式p:[1,1]R是一个(ε1+4M,δ)恒等逼近;然后依据命题14.8.13,由于f是支撑在[0,1]上的连续函数并且p是支撑在[1,1]上的连续函数,于是fp[0,1]上的多项式;最后,由于f满足性质“对给定的εδ使得对任意xyR满足|xy|δ都有|f(x)f(y)|ε1+4M”并且多项式p是一个(ε1+4M,δ)恒等逼近,于是应用引理14.8.14,对任意的x[0,1]有:

|fp(x)f(x)|ε1+4M(1+4M)=ε

总结上面的讨论即有:

对任意的ε>0,存在函数fp:RR[0,1]上的多项式,并且满足|fp(x)f(x)|ε对任意的x[0,1]都成立。

于是推论14.8.15得证。

14.8.8 设f:[0,1]R是一个连续函数,并设对于所有的非负整数n=012...都有[0,1]f(x)xndx=0。证明:f一定是零函数f0(提示:首先证明对所有多项式P都有[0,1]f(x)P(x)dx=0。然后利用魏尔斯特拉斯逼近定理证明[0,1]f(x)f(x)dx=0

先证明对所有[0,1]上的多项式P:[0,1]R都有[0,1]f(x)P(x)dx=0

不妨假设[0,1]上的多项式P:[0,1]R具有P(x):=j=0ncjxj的形式,其中cj1jn)都是实数。于是根据积分的运算定律(命题11.4.1)我们有

[0,1]f(x)P(x)dx=[0,1]f(x)j=0ncjxjdx=j=0ncj[0,1]f(x)xjdx=j=0ncj0=0

于是便证明了我们的结论。


然后证明[0,1]f(x)f(x)dx=0

由于f是闭区间[0,1]上的连续函数,因此根据命题9.6.3我们知道f是有界的,不妨设fM为界;而根据魏尔斯特拉斯逼近定理I(推论14.8.15),对任意的ε>0都存在[0,1]上的多项式P:[0,1]R使得对任意的x[0,1]都有|P(x)f(x)|εM。于是结合我们之前证明了的结论[0,1]f(x)P(x)dx=0,可以计算有:

|[0,1]f(x)f(x)dx|=|[0,1]f(x)f(x)dx[0,1]f(x)P(x)dx|=|[0,1]f(x)(f(x)P(x))dx|[0,1]|f(x)||f(x)P(x)|dx[0,1]MεMdx=ε

即对任意ε>0都有|[0,1]f(x)f(x)dx|ε,由于ε是任意的我们知道这表明[0,1]f(x)f(x)dx=0。然后考虑到平方函数f×f显然是非负的,根据习题11.4.2于是只能有对任意的x[0,1]都有f(x)f(x)=0f(x)=0,于是f一定是零函数f0

14.8.9 证明引理14.8.16

对任意的x0R,考虑任意的ε>0。并且对x0的情况分类讨论:

  • x0(0,1)

    由于f[0,1]上连续因此存在δ>0使得任意|xx0|δ都有|f(x)f(x0)|ε,特别地考虑σ:=min{x0,1x0,δ},于是对任意的|xx0|σ都有x[0,1]|xx0|δ,于是此时有|F(x)F(x0)|=|f(x)f(x0)|ε

  • x0[0,1]

    此时由于x[0,1]的外点([0,1]是闭集)因此存在σ>0使得[x0σ,x0+σ][0,1]=,于是对任意的|xx0|σ,都有F(x)=0|F(x)F(x0)|=|0|ε

  • x0=0x0=1

    此时有F(x)=0,由于f[0,1]上连续因此存在σ>0使得任意|xx0|σx[0,1]都有|F(x)F(x0)|ε。而对|xx0|σx[0,1],由于F(x)=0,于是也有|F(x)F(x0)|ε

综上,于是我们证明了:

对任意的ε>0,存在存在δ>0使得任意xR满足|xx0|δ都有|F(x)F(x0)|ε

根据函数连续的定义,这表明F是在R上连续的。


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实分析 13.3 连续性与紧致性