раздел теории функций, посвященный изучению вопросов приближённого представления функций.
Приближение функций - нахождение для данной функции f функции g из некоторого определённого класса (например, среди алгебраических многочленов заданной степени), в том или ином смысле близкой к f, дающей её приближённое представление. Существует много разных вариантов задачи о приближении функций в зависимости от того, какие функции используются для приближения, как ищется приближающая функция g, как понимается близость функций f и g. Интерполирование функций - частный случай задачи приближения, когда требуется, чтобы в определённых точках (узлах интерполирования) совпадали значения функции f и приближающей её функции g, а в более общем случае - и значения некоторых их производных.
Для оценки близости исходной функции
f и приближающей её функции
g используются в зависимости от рассматриваемой задачи метрики (См.
Метрика) различных функциональных пространств. Обычно это метрики пространств непрерывных
функций С и функций, интегрируемых с
р-й степенью,
Lp, р ≥
1
, в которых расстояние между функциями
f и g определяется (для
функций, заданных на отрезке [
а, b]) по формулам
и
Наиболее часто встречающейся и хорошо изученной является задача о приближении функций полиномами, т. е. выражениями вида
akφ
k (
x),
где (φ1,..., φn-заданные функции, a a1,..., an - произвольные числа. Обычно это алгебраические многочлены
akxk
или тригонометрические полиномы
а0 +
(
ak cos
kx +
bk sin
kx)
.
Рассматриваются также полиномы по ортогональным многочленам (См.
Ортогональные многочлены)
, по собственным функциям краевых задач
и т.п. Другим классическим средством приближения являются рациональные дроби
P (
x)
/Q (
x)
, где в качестве
Р и Q берутся алгебраические многочлены заданной степени.
В последнее время (60-70-е гг. 20 в.) значительное развитие получило приближение т. н. сплайн-функциями (сплайнами). Характерным их примером являются кубические сплайн-функции, определяемые следующим образом. Отрезок [a, b] разбивается точками a = x0 < x1 <... < xn = b, на каждом отрезке [xk, xk+1] кубическая сплайн-функция является алгебраическим многочленом третьей степени, причём эти многочлены подобраны так, что на всём отрезке [а, b] непрерывны сама сплайн-функция и её первая и вторая производные. Оставшиеся свободными параметры могут быть использованы, например, для того чтобы сплайн-функция интерполировала в узлах xk приближаемую функцию. Улучшение приближения достигается за счёт увеличения числа узлов xk правильного их расположения на отрезке [а, b]. Сплайн-функции оказались удобными в вычислительной математике, с их помощью удалось решить также некоторые задачи теории функций.
Приближённые представления функций, а также сами функции на основе их приближённых представлений изучает теория приближений функций (употребляются также названия теория аппроксимации функций и конструктивная теория функций). К теории приближений функций обычно относят также задачи о приближении элементов в банаховых и общих метрических пространствах.
Теория приближений
функций берёт начало от работ П. Л.
Чебышева
. Он ввёл одно из основных понятий теории - понятие наилучшего приближения функции полиномами
и получил ряд результатов о наилучших приближениях. Наилучшим приближением непрерывной функции
f (
x)
полиномами
akφ
k (
x) в метрике С называется величина
En(
f)
c = min ||
f - akφ
k (
x)||
c,
где минимум берётся по всем числам а1,..., an. Полином, для которого достигается этот минимум, называется полиномом наилучшего приближения (для других метрик определения аналогичны). Чебышев установил, что наилучшее приближение функции xn+1 на отрезке [-1, 1] в метрике С алгебраическими многочленами степени n равно 1/2n, а многочлен наилучшего приближения таков, что для него
xn+1 -
= (1/2
n) cos (
n + 1) arccos
x.
Следующая теорема Чебышева указывает характеристическое свойство полиномов наилучшего приближения в пространстве непрерывных
функций: алгебраический многочлен
, в том
и только в том случае является многочленом наилучшего приближения непрерывной функции
f в метрике С [-1, 1], если существуют
n + 2 точки -1 ≤
x1 <
x2 <... <
xn+2 ≤ 1, в которых разность
f (
x)
- 2
принимает максимальное значение своего модуля с последовательно чередующимися знаками.
Одним из первых результатов теории приближений является также теорема Вейерштрасса, согласно которой каждую непрерывную функцию можно приблизить в метрике С как угодно хорошо алгебраическими многочленами достаточно высокой степени.
С начала 20 в. началось систематическое исследование поведения при n → ∞ последовательности En(f) - наилучших приближений функции f алгебраическими (или тригонометрическими) многочленами. С одной стороны, выясняется скорость стремления к нулю величин En(f) в зависимости от свойств функции (т. н. прямые теоремы теории приближений), а с другой - изучаются свойства функции по последовательности её наилучших приближений (обратные теоремы теории приближений). В ряде важных случаев здесь получена полная характеристика свойств функций. Приведём две такие теоремы.
Для того чтобы функция f была аналитической на отрезке (т. е. в каждой точке этого отрезка представлялась степенным рядом, равномерно сходящимся к ней в некоторой окрестности этой точки), необходимо и достаточно, чтобы для последовательности её наилучших приближений алгебраическими многочленами выполнялась оценка
En(f)c ≤ Aq n,
где q < 1 и А - некоторые положительные числа, не зависящие от n (теорема С. Н. Бернштейна).
Для того чтобы функция f периода 2π имела производную порядка r, r = 0, 1,2,..., удовлетворяющую условию
|f (r)(x + h) - f (r)(x)| ≤ M|h|α,
0 < α < 1, М - некоторое положительное число, или условию
|f (r)(x + h) - 2f (r)(x) + f (r)(x - h)| ≤ M|h|α
(в этом случае α = 1), необходимо и достаточно, чтобы для наилучших приближений функции f тригонометрическими полиномами была справедлива оценка
Еп (f)c ≤ А/n r+α,
где
А - некоторое положительное число, не зависящее от
n. В этом утверждении прямая теорема была в основном получена Д. Джексоном (США), а обратная является результатом исследований С. Н.
Бернштейна
, Ш. Ж.
Ла Валле Пуссена
и А. Зигмунда (США). Характеристика подобных классов
функций, заданных на отрезке, в терминах наилучших приближении алгебраическими многочленами оказалась невозможной. Её удалось получить, привлекая к рассмотрению
приближение функций с улучшением порядка приближения вблизи концов отрезка.
Возможность характеризовать классы
функций с помощью приближений их полиномами нашла приложение в ряде вопросов математического анализа. Развивая исследования по наилучшим приближениям
функций многих переменных полиномами, С. М.
Никольский построил теорию вложений важных для анализа классов дифференцируемых
функций многих переменных, в которой имеют место не только прямые, но
и полностью обращающие их обратные теоремы.
Для приближений в метрике L2 полином наилучшего приближения может быть легко построен. Для других пространств нахождение полиномов наилучшего приближения является трудной задачей и её удаётся решить только в отдельных случаях. Это привело к разработке разного рода алгоритмов для приближённого нахождения полиномов наилучшего приближения.
Трудность нахождения полиномов наилучшего приближения отчасти объясняется тем, что оператор, сопоставляющий каждой функции её полином наилучшего приближения, не является линейным: полином наилучшего приближения для суммы
f +
g не обязательно равен сумме полиномов наилучшего приближения
функций f и g. Поэтому возникла задача изучения (по возможности простых) линейных операторов, сопоставляющих каждой функции полином, дающий хорошее
приближение. Например, для периодической функции
f (
x) можно брать частные суммы её ряда Фурье
Sn (
f, х)
. При этом справедлива оценка (теорема А.
Лебега)
||f - Sn (f)||c ≤ (Ln + 1) En(f)c,
где
Ln - числа, растущие при
n →
∞ как (4/π
2) ln
n. Они получили название констант Лебега. Эта оценка показывает, что полиномы
Sn(
f) доставляют
приближение, не очень сильно отличающееся от наилучшего. Подобная оценка имеет место
и для приближений интерполяционными тригонометрическими полиномами с равноотстоящими узлами интерполирования, а также для приближений интерполяционными алгебраическими многочленами на отрезке [-1, 1] с узлами
, k =
1, 2
,..., n, т. е. в нулях полинома Чебышева cos
n arccos
x. Для основных встречающихся в анализе классов
функций известны такие линейные операторы, построенные с помощью рядов Фурье или на основе интерполяционных полиномов, что значениями этих операторов являются полиномы, дающие на классе тот же порядок убывания приближений при
n → ∞, что
и наилучшие приближения.
А. Н.
Колмогоров начал изучение нового вопроса теории приближений - задачи о нахождении при фиксированном
n такой системы
функций φ
1,..., φ
n, для которой наилучшие приближения
функций заданного класса полиномами
были бы наименьшими (т. н. задача о поперечнике класса
функций). В этом направлении в дальнейшем было выяснено, например, что для ряда важных классов периодических
функций наилучшими в указанном смысле системами являются тригонометрические полиномы.
Теория приближений функций является одним из наиболее интенсивно разрабатываемых направлений в теории функций. Идеи и методы теории приближений являются отправной точкой исследования в ряде вопросов вычислительной математики. С 1968 в США издаётся специализированный журнал "Journal of Approximation Theory".
Лит.: Монографии. Ахиезер Н. И., Лекции по теории аппроксимации, 2 изд., М., 1965; Гончаров В. Л., Теория интерполирования и приближения функций, 2 изд., М., 1954; Натансон И. П., Конструктивная теория функций, М. - Л., 1949; Никольский С. М., Приближение функций многих переменных и теоремы вложения, М., 1969; Тиман А. Ф., Теория приближения функций действительного переменного, М., 1960.
Обзоры. Математика в СССР за тридцать лет. 1917-1947, М. - Л., 1948, с. 288-318; Математика в СССР за сорок лет. 1917-1957, т. 1, М., 1959, с. 295-379; История отечественной математики, т. 3, К., 1968, с. 568-588.
С. А. Теляковский.