形式陈述
设 , 连续, 为次数至多 的实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。空间。以误差的上确界与下确界理路上确界与下确界Supremum and infimum在偏序中分别作为集合最小上界与最大下界的最紧边界元素。定义
极值定理理路极值定理Extreme value theorem连续实值函数在非空紧空间上取得最大值和最小值。保证连续残差在闭区间上取得最大值。最佳一致逼近是满足 的 。这个问题总有唯一解;本页证明存在性,唯一性及可检查证书在交错定理理路Chebyshev 交错定理Chebyshev alternation theorem · Equioscillation theorem · 等振荡定理用交替达到最大误差的点认证最佳多项式,完整证明必要、充分、唯一性及近最佳下界。中证明。
这里优化的是整个区间的最坏误差,次数是“至多”而非“恰好”。例如常数目标在任意次数上限内都精确可达。 当且仅当 ,此时 ;零误差不需要寻找有正负振幅的峰。
直觉
插值先选有限节点,再要求误差在这些点为零。一致最佳问题允许移动整条多项式,让最高的几座正负误差峰互相平衡。它不承诺在指定节点穿过目标,也不要求积分误差或平均平方误差最小。
存在性不靠画出极小值
取一列 使误差趋于下确界,丢去有限项后令 。三角不等式给 。固定任意 个互异点 ,则向量 有界,有限维闭有界集的紧性理路Heine–Borel 定理Heine–Borel theorem欧氏空间子集紧致当且仅当它闭且有界。保证它有一个收敛子列。
由Lagrange 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。,。各系数沿子列收敛,有限个固定多项式有界,所以 一致收敛到某个 。再用
得到极限误差就是下确界。这条证明把无限多个函数值转成有限维有界向量,不需要假定整个 的闭有界集都紧。
例子与边界
先把目标逼近成常数。记 、。任意常数 的误差至少为 ;取
便达到这个界。因此 在 的最佳常数是 ,误差 ,而其区间平均值为 。平均值是另一个目标函数的解。
次数至多一时, 的最佳逼近是 ,误差 。残差为 ,导数在 为零;连同端点,得到交替值 。交错证书理路Chebyshev 交错定理Chebyshev alternation theorem · Equioscillation theorem · 等振荡定理用交替达到最大误差的点认证最佳多项式,完整证明必要、充分、唯一性及近最佳下界。证明没有任何直线更好。端点插值直线却是 ,其误差为 。
有限维性可以给一般线性子空间的存在性,但不自动给唯一性。取 ,目标 ,区间 。在零点的误差永远为一,而每个 ,,全区间误差都不超过一,因此有无穷多个最佳解。多项式空间的特殊之处还在于非零低次多项式不能有过多零点。
若把 换成没有次数上限的全部多项式,连续非多项式的最佳误差下确界可为零,却没有实现零误差的多项式。构造型一致逼近理路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。给趋于零的序列,不是给有限次数内的精确解。
推论与应用
次数扩大给 。目标扰动满足
因为对任何 都有 ,取下确界再交换 即得。它保证最佳误差值的稳定性,却不是最优系数的统一条件数界。
最佳逼近算子一般非线性。对最佳常数算子,在 上 映到零, 映到 ,而 的最大、最小值为二和 ,映到 。因此不能把两个最佳多项式相加就宣布得到和的最佳多项式。
实际构造可用Remez 交换理路Remez 交换算法Remez exchange algorithm · Remez algorithm · 雷梅兹算法交替解等幅方程与更换参考点,以证据上下界判断最优或近最优,并报告退化和未认证退出。。误差报告应附全区间上界理路一致误差的全区间证书Uniform error certification · Continuous supremum error bounds把临界点、连续模或非负基包围变成全区间误差上界,并说明有限采样本身不能证明上确界。与交错下界;一个稠密采样图不能独立证明最优性。
参考资料
- Lloyd N. Trefethen,Approximation Theory and Approximation Practice,作者第10章源稿,Theorem 10.1 的存在性、交错与唯一性证明。此链接含可发布的完整章文字。
- NIST DLMF,§3.11(i):最佳一致多项式的定义和等振荡刻画。