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
ω f ( 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 ω f ( 0 ) = 0 、0 ≤ ω f ( h ) ≤ 2 ‖ f ‖ ∞ ,且 ω f 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 ) ≥ ω f ( h ) ,不必求出精确连续模。
f 一致连续 理路 一致连续 Uniform continuity 同一 δ 对定义域中所有点同时控制给定 ε。 当且仅当 ω f ( 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 ω f ( h ) ≤ ε ;反向先选 h 使 ω f ( 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
ω f ( s + t ) ≤ ω f ( s ) + ω f ( 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 ω f ( 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 理路 Lipschitz 连续 Lipschitz continuity · Lipschitz condition 用统一常数定量限制函数输出距离相对于输入距离的增长。 函数,则 ω f ( h ) ≤ L h ;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 ω f ( h ) ≤ H h α 。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
ω f ( t ) ≤ ⌈ t / h ⌉ ω f ( h ) ≤ ( 1 + t / h ) ω f ( 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 ) = x 2 满足
ω f ( h ) = 2 h − h 2 ( 0 ≤ h ≤ 1 ) . 若 y = x + t 、0 ≤ t ≤ h ,增量为 2 x t + t 2 ,在 x = 1 − t 时最大,随后 2 t − t 2 在 [ 0 , 1 ] 上递增。取 ( x , y ) = ( 1 − h , 1 ) 达到上界。粗界 2 h 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 ω g ( h ) = h (0 ≤ h ≤ 1 );h ≥ 1 时等于一。对尖角函数 v ( x ) = | x − 1 / 2 | ,有
ω v ( 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 ω f ( h ) = 0 ,h ≥ 1 时为 1 。于是 ω f ( 1 ) = 1 > 2 ω f ( 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 = x 0 < ⋯ < x m = b 上,令最大步长为 h ,I h f 为连接相邻真实采样值的折线。在 [ x i , x i + 1 ] 中令 θ = ( x − x i ) / ( x i + 1 − x i ) 。由于
I h f ( x ) = ( 1 − θ ) f ( x i ) + θ f ( x i + 1 ) , 两个权重非负且和为一,故
| I h f ( x ) − f ( x ) | ≤ ( 1 − θ ) ω f ( h ) + θ ω f ( h ) = ω f ( h ) . 若采样值 y i 满足 | y i − f ( x i ) | ≤ η ,相同的凸组合使折线再多出至多 η 的误差。因此 ‖ I h y − f ‖ ∞ ≤ ω f ( 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 L h / 2 :上式中的两项分别用 L θ ℓ 和 L ( 1 − θ ) ℓ ,其中 ℓ = x i + 1 − x i ,相加为 2 L ℓ θ ( 1 − θ ) ≤ L h / 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 + ω f ( r ) + ω p ( r ) . 若 f 与 p 分别有 Lipschitz 常数 L f , L p ,证书简化为 E + ( L f + L p ) 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 ω f ( h ) ≤ ρ ( h ) ,其中 ρ ( h ) → 0 ,就得到共同等度连续性 理路 等度连续函数族 Equicontinuous family · Uniform equicontinuity · 共同连续模 用独立于函数成员的距离阈值控制变化,并在紧定义域上把局部控制统一为共同尺度。 。Bernstein 多项式 理路 Bernstein 多项式与构造型 Weierstrass 逼近 Bernstein polynomial approximation · Bernstein polynomials · Weierstrass approximation theorem · Weierstrass 逼近定理 用非负二项式权重构造连续函数的多项式逼近,并给出连续模、Lipschitz及二阶光滑情形的一致误差证书。 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