形式陈述
给定 或 ,整数 ,定义
端点值按多项式连续延拓解释,故 、。 是次数至多 的多项式理路多项式环Polynomial ring系数来自给定环、以形式不定元构造的多项式集合。,其系数直接来自 个等距样本。
构造型 Weierstrass 定理: 一致收敛理路函数列一致收敛Uniform convergence of functions误差对定义域中所有点可由同一阶段统一控制的函数列收敛。到 。因此闭区间上任意连续实值或复值函数都可由同标量域的多项式一致逼近。对任意 ,有可计算的通用界
其中 是连续模理路连续模Modulus of continuity · 模连续性把输入分辨率转成全域振幅上界,并据此给采样、折线逼近与误差验证分配精度。。特别地,若 为 -Lipschitz,则
这些是充分误差上界,不宣称 Bernstein 构造在给定次数下达到最佳一致误差。
直觉
固定 时,权重 非负且和为一。 是若干采样值的加权平均,主要权重集中在 接近 的位置。连续模限制近处样本与 的差,权重的二阶偏差则控制远处样本总共能占多少分量。
若用概率语言,,其中 服从参数 的二项分布。但下面只用有限和恒等式,构造和证明都不要求先学习概率论。
三个权重恒等式
二项式展开给出 。利用 得到
同样由 ,得到
时第二阶下降阶乘和为零,同一公式仍成立。三个恒等式分别表达总质量、一阶位置和离散程度。
由近远分解证明一致逼近
在误差和 中,将索引按 与大于 分组。近组的函数差至多为 ;远组的差至多为 ,而远组总权重满足
这就给出形式陈述中的误差界。为使误差小于给定 ,先取 使连续模小于 ,再取 使第二项小于 ,两次选择都与 无关。
若有 Lipschitz 常数,使用有限加权和的Cauchy–Schwarz 不等式理路Cauchy–Schwarz 不等式Cauchy–Schwarz inequality · 柯西–施瓦茨不等式内积的绝对值不超过两向量范数之积,且等号精确刻画线性相关。可避免近远分组:
平方根来自二阶偏差,常数 来自 的最大值。
例子与边界
给尖角一个完整多项式证书
取 。反三角不等式给它的 Lipschitz 常数为一,故
要误差至多 ,取 即得一个有明确全部系数的多项式证书。若要求严格小于该值,可取 。不需要把2501项展开成容易误读的单项式系数表。
低次情形可完全手算。 时采样值依次为 ,因此
在 ,误差为 ,其导数 ;对称性给另一半区间的误差。因此实际最大误差在 取得,恰为 ,小于通用上界 。
采样不等于插值
对 ,上述矩公式直接给
内点通常不满足 ,尽管构造使用了这些样本。多项式插值理路多项式插值问题Polynomial interpolation由互异节点上的有限数据唯一确定次数受限的插值多项式,并区分对象存在性与具体表示算法。要求精确穿过所有节点,本构造通过非负平均取得统一稳定与收敛保证,两者不是同一运算。
连续性也不能取消。跳跃函数若被连续多项式一致逼近,一致极限应连续,产生矛盾。对一般连续函数,次数还不能只由 与容差决定:固定 后,可在相邻网点之间放高为一而所有采样值为零的连续尖峰,此时 而误差为一;其连续模随着尖峰变窄而变差。
推论与应用
按容差构造并求值
已知 和目标误差 时,可取
采样 ,并以这 个数保存 Bernstein 形式。一次安全避免显式大二项系数的精确算术求值方式是逐层凸组合:初始 ,对 更新
输出 。归纳不变量为
由二项系数递推即可从第 层推出第 层,最终正是 。共有 次组合,成本 算术运算、 存储;从小到大的下标原地更新不会覆盖尚需读取的右邻值。
若每个样本误差至多 ,非负且和为一的权重使最终采样误差也至多 。因此总证书可加上 。浮点舍入误差仍需另行预算,数学一致误差界没有自动包含机器算术误差。
其他正则性与区间
连续模的区间缩放性质配合同一二阶矩给出
确实,,取加权和并使用上面的平均距离界即得。若 且 ,在 处作带二阶余项的展开,一阶项因权重均值等于 而抵消,从而误差至多 。
在非退化闭区间 上,先对 构造 ,再代入 ,仍为 的多项式。原函数若有 Lipschitz 常数 ,新的证书为 。Stone–Weierstrass 定理理路Stone–Weierstrass 定理Stone-Weierstrass theorem · Stone–Weierstrass approximation · 分离点函数代数以常数、乘法和分离点条件判定实函数代数的稠密性,并解释复版本所需的共轭闭合与失败反例。进一步刻画一般紧空间上的函数代数何时稠密;Korovkin 定理理路Korovkin 三测试函数定理Korovkin theorem · Korovkin approximation theorem · 正线性算子逼近对连续函数上的正线性算子,只需检验一、一次与二次函数便可保证所有连续函数的一致逼近。则抽出这里的三个权重矩,形成正线性逼近的通用检验。
参考资料