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定义Definition

近似恒等核

Approximate identity · Approximation to the identity

总质量固定、绝对质量向原点集中且没有放大失控的卷积核族,使局部平均在有限 Lp 范数中恢复输入。

形式陈述 ​

把平均窗口缩小,什么时候能保证恢复原函数?关键不只是“核越来越尖”,还要控制它的总质量、放大量和偏离中心的质量。

设 Kε∈L1(Rd),ε>0。称它们是一族近似恒等核,如果

∫RdKε(y)dy=1,supε>0‖Kε‖1≤C<∞,

并且对每个固定 δ>0,

∫|y|>δ|Kε(y)|dy⟶0(ε↓0).

第三条是绝对尾质量集中;若核有正负部分,不能只要求带符号积分趋零。正核的第二条由第一条自动给出,但允许有符号核时必须单独检查。

对任意 f∈ $L^p(\mathbb R^d)$,1≤p<∞,有

‖Kε∗f−f‖p⟶0.

这里的卷积按几乎处处定义。若 f 有界且一致连续,则另有 ‖Kε∗f−f‖∞→0。一般 L∞ 函数不满足后一结论。

最常见的构造是选定 K∈L1、∫K=1,再令

Kε(y)=ε−dK(y/ε).

换元给出质量不变和 ‖Kε‖1=‖K‖1;尾质量变成 ∫|z|>δ/ε|K(z)|dz,因 K 可积而趋零。核可以有无穷支撑,集中不等于支撑必须收缩为一个球。

直觉

在位置 x,卷积读取周围的 f(x−y),再按 Kε(y) 加权。积分为一保证常数信号不被改变;绝对尾质量趋零保证远处的数值最终不再影响这个读数;一致的 L1 界则防止正负权重虽相互抵消,却把微小输入误差放大。

“恒等”指最终接近不做任何变换的算子 f↦f。有限 ε 时仍在平均,尖角可能被磨平;极限恢复的是所声明的范数意义,不是为每个被任意修改过的单点恢复原值。

例子与边界

盒核把跳跃涂成一条可算的斜坡 ​

取 d=1、

Kε(y)=12ε1[−ε,ε](y),f=1[0,1],0<ε<12.

卷积是区间 [x−ε,x+ε] 与 [0,1] 的重叠长度除以 2ε。因此它在 [ε,1−ε] 等于一,在外侧远处等于零,只在两个端点附近各宽 2ε 的带中变化。左端斜坡为

(Kε∗f)(x)=x+ε2ε,−ε≤x≤ε.

四个半边缘带的误差具有相同积分。直接计算,

‖Kε∗f−f‖pp=4∫0ε(u2ε)pdu=22−pp+1ε.

所以每个有限 p 的误差都趋零,但 L∞ 误差始终为 1/2。即使把 f(0) 改成 1/2,紧邻零点两侧的误差仍任意接近 1/2;问题不只是端点赋值,而是连续斜坡无法一致逼近跳跃。

只有总质量为一为什么不够 ​

令 Kε=1[1,2],完全不随 ε 改变。其积分和 L1 范数都是一,却一直读取离中心一到二个单位的位置。对 f=1[0,1],输出支撑落在 [1,3],不会趋向原函数。失败的正是原点附近的集中条件。

有符号核还可能把很大的正负质量放到远处,使其积分抵消为零。第三条使用绝对值,就是为了禁止这种“净质量很小、实际权重很大”的假集中。

推论与应用

证明:先控制小平移,再控制远尾 ​

有限 p 下,平移在 Lp 范数中连续:

‖f(⋅−y)−f‖p⟶0(y→0).

可以先对紧支撑连续函数用一致连续性证明,再以它们在 Lp 中的稠密性推广。平移不改变范数,所以逼近误差不会因移动而扩大。

利用核积分为一,

Kε∗f−f=∫Kε(y)[f(⋅−y)−f]dy.

Minkowski 不等式的积分形式给出

‖Kε∗f−f‖p≤∫|Kε(y)|‖f(⋅−y)−f‖pdy.

给定 η>0,先选 δ 使 |y|≤δ 时平移误差小于 η;然后拆积分:

‖Kε∗f−f‖p≤Cη+2‖f‖p∫|y|>δ|Kε(y)|dy.

固定这个 δ 让 ε↓0,上极限至多为 Cη;最后让 η↓0。顺序不能反过来:先选可容许的平移尺度,再等待核质量进入这个尺度。

有界一致连续函数的证明完全相同,只把平移的 Lp 误差换成上确界误差。一般有界函数缺少这一小平移性质,盒核反例已准确显示缺口。

光滑紧支撑核还能让 Kε∗f 光滑,成为弱导数和分布理论中的正则化工具。圆周上将 Lebesgue 测度换成 dθ/(2π) 后,同一证明适用于 Fejér 核与 Poisson 核。不过,仅凭本页的三个核条件,不能对任意局部可积函数直接宣称每个 Lebesgue 点都逐点收敛;点态恢复还需适合的核控制或最大函数估计。

参考资料
  • R. K. Srivastava,MA746: Fourier Analysis,IIT Guwahati,§1.3 定义 1.22、§2.4 定理 2.26:核的绝对质量条件与逼近。本文把范数证明写在 Rd 的 Lp 上;盒核误差公式在正文直接计算。
关系图谱14 个相邻概念 · 2 类关系

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