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定义Definition

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。

形式陈述 ​

设 (X,d) 是非空度量空间,f:X→R 或 C 有界。定义 f 的连续模

ωf(h)=sup{|f(x)−f(y)|:x,y∈X, d(x,y)≤h},h≥0.

它记录距离至多 h 的两次观测可能相差多少。总有 ωf(0)=0、0≤ωf(h)≤2‖f‖∞,且 ωf 单调不减。这里使用实际的上确界函数;应用中只需找到一个易算的上界 ρ(h)≥ωf(h),不必求出精确连续模。

f 一致连续当且仅当 ωf(h)→0 于 h↓0。若已有一致连续性,对给定 ε 选出距离阈值 δ,取 h<δ,便有 ωf(h)≤ε;反向先选 h 使 ωf(h)<ε,即可把 h 用作统一阈值。上确界中允许等号,因此从逐点的严格不等式取上确界时只保留非严格不等式;先将误差减半便不会影响结论。

当 X=[a,b] 配通常距离时,连续模还满足

ωf(s+t)≤ωf(s)+ωf(t),s,t≥0.

证明只用区间结构:若 |x−y|≤s+t,在线段 [x,y] 中选 z,使 |x−z|≤s、|z−y|≤t,再用三角不等式。一般度量空间未必能插入这个中间点,不能照搬次可加性。

直觉

一致连续性告诉我们可以把误差做小;连续模进一步说明要把采样间距缩小到什么程度。横轴是输入间距 h,纵轴是最坏振幅 ωf(h)。直线型控制表示斜率受到共同限制,平方根型控制则允许原点附近更陡的变化。

若 f 是 L-Lipschitz 连续函数,则 ωf(h)≤Lh;反过来,这个对所有 h 的界也给出 Lipschitz 条件。类似地,|f(x)−f(y)|≤H|x−y|α,其中 0<α≤1,对应 ωf(h)≤Hhα。这里 H 与 α 是误差证书的输入,不能由“连续”二字猜出。

区间上的次可加性还给出缩放规则。将长为 t>0 的线段分成 m=⌈t/h⌉ 段,每段至多长 h,便有

ωf(t)≤⌈t/h⌉ωf(h)≤(1+t/h)ωf(h),h>0.

这个规则把一次已知分辨率的控制推广到其他距离;若 t=0,不等式直接成立。

例子与边界

三种可逐点核验的模 ​

在 [0,1] 上,f(x)=x2 满足

ωf(h)=2h−h2(0≤h≤1).

若 y=x+t、0≤t≤h,增量为 2xt+t2,在 x=1−t 时最大,随后 2t−t2 在 [0,1] 上递增。取 (x,y)=(1−h,1) 达到上界。粗界 2h 虽不精确,却已经足以安排精度。

对 g(x)=x,由 |x−y|≤|x−y| 及点对 (0,h),得到 ωg(h)=h(0≤h≤1);h≥1 时等于一。对尖角函数 v(x)=|x−1/2|,有

ωv(h)=min{h,1/2}(h≥0).

当 h≤1/2,点对 (1/2,1/2+h) 达到 h;更大尺度上函数的全振幅只有 1/2。因此尖角不妨碍线性的模控制。

定义域中缺少中间点 ​

取 X={0,1}、d(0,1)=1,令 f(0)=0,f(1)=1。那么 h<1 时 ωf(h)=0,h≥1 时为 1。于是 ωf(1)=1>2ωf(1/2)。这是区间次可加性不能推广到任意紧度量空间的直接反例。

连续但没有事先给定的统一速率 ​

给定一张有限采样网,总可在相邻两个节点之间放一座连续的三角形尖峰,使节点值全为零而峰高为一。根据节点值构造的零函数看不见这个峰。每座峰各自都一致连续,但峰越窄,所需连续模越差。要从有限采样推出整个区间的误差上界,必须知道这类函数共有的振幅控制。

推论与应用

折线逼近与带噪采样 ​

在分割 a=x0<⋯<xm=b 上,令最大步长为 h,Ihf 为连接相邻真实采样值的折线。在 [xi,xi+1] 中令 θ=(x−xi)/(xi+1−xi)。由于

Ihf(x)=(1−θ)f(xi)+θf(xi+1),

两个权重非负且和为一,故

|Ihf(x)−f(x)|≤(1−θ)ωf(h)+θωf(h)=ωf(h).

若采样值 yi 满足 |yi−f(xi)|≤η,相同的凸组合使折线再多出至多 η 的误差。因此 ‖Ihy−f‖∞≤ωf(h)+η。这是采样误差和离散化误差分账的简单实例。

Lipschitz 条件还能把无噪折线误差收紧到 Lh/2:上式中的两项分别用 Lθℓ 和 L(1−θ)ℓ,其中 ℓ=xi+1−xi,相加为 2Lℓθ(1−θ)≤Lh/2。

从有限误差表得到全区间证书 ​

设候选近似为 p,每个 x∈[a,b] 距某采样节点至多 r,节点误差最大为 E。用三角不等式得到

‖f−p‖∞≤E+ωf(r)+ωp(r).

若 f 与 p 分别有 Lipschitz 常数 Lf,Lp,证书简化为 E+(Lf+Lp)r。等距网包含两端点、步长为 h 时,可取 r=h/2。这说明密集画图本身没有证明作用;节点间变化的已知上界才把图像检查变成证明。

对整个函数族,若每个成员都满足 ωf(h)≤ρ(h),其中 ρ(h)→0,就得到共同等度连续性。Bernstein 多项式进一步将同一连续模与采样权重的二阶偏差结合,得到不用求导的一致逼近误差。

参考资料
  • K. A. Kopotun、A. V. Prymak、I. O. Shevchuk,Introduction to Approximation Theory,2018-01-24,§14,Definition 14.1(p. 31)、Lemma 14.2(p. 32)与式14.2(p. 34):区间连续模及次可加、缩放性质。
  • MIT OpenCourseWare,18.100A Lecture 21,2020:连续模与紧区间上的统一控制。本文的折线和误差表证书由所列三角不等式直接推导。
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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