APPROSSIMAZIONE E INTERPOLAZIONE CON POLINOMI ALGEBRICI ∗
A. SOMMARIVA
†Conoscenze richieste. Spazio vettoriale. Spazio normato. Topologia indotta. Polinomi algebrici. Operatore delta di Kronecker.
Conoscenze ottenute. Migliore approssimazione in spazi normati. Migliore approssimazione in (C([a, b]), k · k
∞con polinomi algebrici. Teorema di Weierstrass. Teoremi di Jackson. Polinomi di Chebyshev. Costanti di Lebesgue.
Ore necessarie. 4 in aula e 2 di laboratorio.
1. Migliore approssimazione con polinomi algebrici in (C([a, b]), k·k ∞ ). Indichiamo con
P n =< 1, x, x 2 , . . . , x n >
lo spazio vettoriale dei polinomi algebrici univariati di grado n, aventi come noto dimensione N n = n + 1.
Risulta evidente che se S n ≡ P n si ha
S 0 ⊂ S 1 ⊂ . . . ⊂ S n ⊂ . . .
Inoltre se (C([a, b]), k · k ∞ ) `e lo spazio normato delle continue C([a, b]) in un intervallo chiuso e limitato [a, b], dotato della norma infinito
kf k ∞ = max
x∈[a,b] |f (x)|
si ha che ∪ n∈N P n ⊆ (C([a, b]), k · k ∞ ).
T EOREMA 1.1. Sia (X, k · k) uno spazio funzionale normato e S 0 ⊂ S 1 ⊂ . . . ⊂ S n ⊂ . . .
una successione crescente di sottospazi di dimensione finita N n = dim(S n ). Allora E n (f ) ≡ inf
p
n∈S
nkp n − f k → 0 n se e solo se ∪ n∈N S n `e denso in X.
D IMOSTRAZIONE .
Supponiamo sia E n (f ) ≡ inf pn∈S
nkp n − f k → 0 per ogni f ∈ X. Sia f ∈ X e sia n fissato un arbitrario > 0. Allora per un qualche n si ha E n (f ) < /2 e dalle propriet`a dell’estremo inferiore si ha pure che esiste p ∈ S n tale che kp − f k < . Di conseguenza per ogni > 0 esiste un certo p ∈ ∪ n∈N S n tale che kp − f k < , cio`e ∪ n∈N S n `e denso in X.
Viceversa supponiamo che ∪ n∈N S n sia denso in X e che sia f ∈ X. Essendo S 0 ⊂ S 1 ⊂ . . . ⊂ S n ⊂ . . .
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Ultima revisione: 11 aprile 2013
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DIPARTIMENTO DI MATEMATICA, UNIVERSIT ` A DEGLI STUDI DI PADOVA, VIA TRIESTE 63, 35121 PADOVA, ITALIA (ALVISE@MATH.UNIPD.IT)
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la successione E n (f ) `e decrescente e quindi ammette limite. Essendo ∪ n∈N S n denso in X, per ogni > 0 esiste un elemento p ∈ ∪ n∈N S n tale che kf − pk ≤ e quindi E n (f ) ≡ inf pn∈S
nkp n − f k → 0. n
Ci interessa vedere come questo esempio sia applicabile al caso dei polinomi algebrici e quindi necessita disporre di un risultato di densit`a.
Sussiste il seguente teorema di Approssimazione di Weierstrass [5, p.107].
T EOREMA 1.2. Ogni funzione continua in [a, b] `e limite uniforme di una successione di polinomi.
Il Teorema 1.2 `e equivalente a dire che ∪ n∈N P n `e denso in (C([a, b]), k · k ∞ ) e quindi dal Teorema 1.1 deduciamo che se f ∈ C([a, b]) allora E n (f ) ≡ inf pn∈P
nkp n − f k → 0. n
Osserviamo che (cf. [6, p.151])
L EMMA 1.3. Una funzione continua f : S → R, con S sottinsieme compatto di uno spazio normato, ha massimo e minimo, cio`e esistono xmin ed xmax tali che
f (xmin) ≤ f(x) ≤ f(xmax) per ogni x ∈ S. e che inoltre (cf. [6, p.150])
L EMMA 1.4. In uno spazio normato di dimensione finita, un insieme `e comapatto se e solo se chiuso e limitato.
Inoltre
L EMMA 1.5. Sia X uno spazio normato e sia f ∈ X. Sia S ⊂ X e d(f, ·) = kf − ·k.
La funzione d(f, ·) `e continua in ogni punto di S.
D IMOSTRAZIONE . Osserviamo che se x, y ∈ X allora si vede facilmente che
|kxk − kyk| ≤ kx − yk.
Fissato > 0, x ∈ S, sia δ = . Allora se y ∈ S e kx − yk ≤ δ = abbiamo che
|d(f, x) − d(f, y)| = |kf − xk − kf − yk| ≤ k(f − x) − (f − y))k = kx − yk ≤ e quindi la funzione d(f, ·) `e continua in x ∈ S.
Siamo quindi in grado di affermare che
T EOREMA 1.6. Sia S k un sottospazio vettoriale di uno spazio normato X. Si supponga che S k sia di dimensione finita e f sia un certo elemento di X. Allora esiste esiste s ∗ k ∈ S k , detto di miglior approssimazione di f in S k , tale che
kf − s ∗ k k = min
s∈S
kkf − sk.
D IMOSTRAZIONE . L’elemento 0 dello spazio normato X appartiene certamente a ogni
sottospazio S k . Quindi sicuramente E n (f ) ≡ inf pn∈S
nkp n − f k ≤ kf − 0k = kf k. La fun-
zione d(f, ·) = kf − ·k `e continua. Inoltre essendo lo spazio S n di dimensione finita, la palla
B(f, kf k) = {p ∈ S n : kp − f k ≤ kf k} centrata in f e avente raggio kf k essendo chiusa
(per la topologia indotta!) e limitata `e pure compatta e quindi per il teorema di Weierstrass la
funzione d(f, ·) ha minimo in B(0, kf k) e di conseguenza in S n .
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
−1.5
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5