Теорема об экстремальном значении - Extreme value theorem
Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты.Июнь 2012 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) ( |
В исчисление, то теорема об экстремальном значении заявляет, что если реальный функция является непрерывный на закрыто интервал , тогда должен достичь максимум и минимум, каждый хотя бы один раз. То есть есть числа и в такой, что:
Связанная теорема теорема об ограниченности который утверждает, что непрерывная функция ж в закрытом интервале [а,б] является ограниченный на этом интервале. То есть существуют реальные числа м и M такой, что:
Теорема об экстремальном значении обогащает теорему об ограниченности, говоря, что функция не только ограничена, но также достигает своей наименьшей верхней границы как своего максимума и своей точной нижней границы как своего минимума.
Теорема об экстремальном значении используется для доказательства Теорема Ролля. В составе из-за Карл Вейерштрасс, эта теорема утверждает, что непрерывная функция из непустого компактное пространство к подмножество из действительные числа достигает максимума и минимума.
История
Теорема об экстремальном значении была первоначально доказана Бернар Больцано в 1830-х годах в произведении Теория функций но работа оставалась неопубликованной до 1930 года. Доказательство Больцано состояло в том, чтобы показать, что непрерывная функция на отрезке ограничена, а затем показать, что функция достигает максимального и минимального значений. Оба доказательства касались того, что сегодня известно как Теорема Больцано – Вейерштрасса.[1] Результат был также обнаружен позже Вейерштрассом в 1860 году.[нужна цитата ]
Функции, к которым теорема не применяется
Следующие примеры показывают, почему функциональная область должна быть замкнутой и ограниченной, чтобы теорема применялась. Каждому не удается достичь максимума на заданном интервале.
- определяется по не ограничено сверху.
- определяется по ограничен, но не достигает своей точной верхней границы .
- определяется по не ограничено сверху.
- определяется по ограничен, но никогда не достигает своей точной верхней границы .
Определение в последних двух примерах показывает, что обе теоремы требуют непрерывности на .
Обобщение на метрические и топологические пространства.
При переходе с реальной линии к метрические пространства и вообще топологические пространства, подходящим обобщением замкнутого ограниченного интервала является компактный набор. Множество называется компактным, если он обладает следующим свойством: из каждого набора открытые наборы такой, что , конечная подгруппа можно выбрать так, чтобы . Обычно это кратко обозначается как "каждая открытая обложка имеет конечное подпокрытие ". Теорема Гейне – Бореля утверждает, что подмножество вещественной прямой компактно тогда и только тогда, когда оно одновременно замкнуто и ограничено. Соответственно, метрическое пространство имеет Свойство Гейне-Бореля если каждое замкнутое и ограниченное множество также компактно.
Аналогичным образом можно обобщить понятие непрерывной функции. Данные топологические пространства , функция называется непрерывным, если для каждого открытого множества , также открыт. Учитывая эти определения, можно показать, что непрерывные функции сохраняют компактность:[2]
Теорема. Если топологические пространства, - непрерывная функция, а компактно, то также компактный.
В частности, если , то из этой теоремы следует, что замкнуто и ограничено для любого компакта , что, в свою очередь, означает, что достигает своего супремум и инфимум на любом (непустом) компакте . Таким образом, мы имеем следующее обобщение теоремы об экстремальном значении:[2]
Теорема. Если компактное множество и - непрерывная функция, то ограничен и существуют такой, что и .
В более общем смысле это также верно для полунепрерывной сверху функции. (видеть компактное пространство # Функции и компактные пространства ).
Доказательство теорем
Мы смотрим на доказательство верхняя граница и максимум ж. Применяя эти результаты к функции -ж, существование нижней границы и результат для минимума ж следует. Также обратите внимание, что все в доказательстве сделано в контексте действительные числа.
Сначала мы докажем теорему об ограниченности, которая является шагом в доказательстве теоремы об экстремальном значении. Основные шаги, необходимые для доказательства теоремы об экстремальном значении:
- Докажите теорему об ограниченности.
- Найдите последовательность так, чтобы ее изображение сходится к супремум из ж.
- Показать, что существует подпоследовательность который сходится к точке в домен.
- Используйте непрерывность, чтобы показать, что образ подпоследовательности сходится к супремуму.
Доказательство теоремы об ограниченности
Заявление Если продолжается на тогда он ограничен
Предположим, что функция не ограничена сверху на интервале . Тогда для каждого натурального числа , существует такой, что . Это определяет последовательность . Потому что ограничен, Теорема Больцано – Вейерштрасса следует, что существует сходящаяся подпоследовательность из . Обозначим его предел через . В качестве закрыт, он содержит . Потому что непрерывно на , мы знаем это сходится к действительному числу (в качестве является последовательно непрерывный в ). Но для каждого , откуда следует, что расходится на , противоречие. Следовательно, ограничена сверху на .
Альтернативное доказательство
Заявление Если продолжается на тогда он ограничен
Доказательство Рассмотрим множество очков в такой, что ограничен . Отметим, что это одна из таких точек для ограничен по значению . Если это еще одна точка, тогда все точки между и также принадлежат . Другими словами интервал, закрытый на левом конце на .
Сейчас же непрерывна справа в , следовательно, существует такой, что для всех в . Таким образом ограничен и на интервале так что все эти точки принадлежат .
Пока мы знаем, что интервал ненулевой длины, замкнутый на левом конце .
Следующий, ограничен сверху . Следовательно, множество имеет супремум в ; позвольте нам называть это . От ненулевой длины мы можем сделать вывод, что .
Предполагать . Сейчас же непрерывно на , следовательно, существует такой, что для всех в так что ограничена на этом интервале. Но это следует из превосходства что существует точка, принадлежащая , скажем, что больше, чем . Таким образом ограничен который перекрывает так что ограничен . Однако это противоречит верховенству .
Поэтому мы должны иметь . Сейчас же непрерывна слева в , следовательно, существует такой, что для всех в так что ограничена на этом интервале. Но это следует из превосходства что существует точка, принадлежащая , скажем, что больше, чем . Таким образом ограничен который перекрывает так что ограничен . ∎
Доказательство теоремы об экстремальном значении
По теореме об ограниченности ж ограничена сверху, следовательно, Дедекиндовая полнота действительных чисел, точная верхняя грань (супремум) M из ж существуют. Надо найти точку d в [а,б] такой, что M = ж(d). Позволять п быть натуральным числом. В качестве M это наименее верхняя граница, M – 1/п не является верхней границей для ж. Следовательно, существует dп в [а,б] так что M – 1/п < ж(dп). Это определяет последовательность {dп}. С M это верхняя граница для ж, у нас есть M – 1/п < ж(dп) ≤ M для всех п. Следовательно, последовательность {ж(dп)} сходится к M.
В Теорема Больцано – Вейерштрасса сообщает нам, что существует подпоследовательность {}, который сходится к некоторому d и, как [а,б] закрыто, d в [а,б]. С ж непрерывно на d, последовательность {ж()} сходится к ж(d). Но {ж(dпk)} является подпоследовательностью {ж(dп)}, который сходится к M, так M = ж(d). Следовательно, ж достигает своего превосходства M в d. ∎
Альтернативное доказательство теоремы об экстремальном значении
Набор {у ∈ р : у = f (Икс) для некоторых Икс ∈ [а,б]} - ограниченное множество. Следовательно, его наименьшая верхняя граница существует свойство наименьшей верхней границы реальных чисел. Позволять M = sup (ж(Икс)) на [а, б]. Если нет смысла Икс на [а, б] так что ж(Икс) = M тогдаж(Икс) < M на [а, б]. Следовательно, 1 / (M − ж(Икс)) непрерывна на [а, б].
Однако каждому положительному числу ε, всегда есть Икс в [а, б] такой, что M − ж(Икс) < ε потому что M - точная верхняя граница. Следовательно, 1 / (M − ж(Икс)) > 1/ε, что означает, что 1 / (M − ж(Икс)) не ограничен. Поскольку любая непрерывная функция на [а, б] ограничен, это противоречит заключению, что 1 / (M − ж(Икс)) был непрерывен на [а, б]. Следовательно, должна быть точка Икс в [а, б] такой, что ж(Икс) = M. ∎
Доказательство с использованием гиперреалов
В обстановке нестандартное исчисление, позволять N быть бесконечным гиперинтегральный. Интервал [0, 1] имеет естественное гиперреальное расширение. Рассмотрим его разбиение на N подынтервалы равных бесконечно малый длина 1 /N, с точками разбиения Икся = я /N в качестве я "бежит" от 0 до N. Функция ƒ также естественным образом продолжается до функции ƒ* определяется на гиперреалах между 0 и 1. Обратите внимание, что в стандартной настройке (когда N конечна) точка с максимальным значением ƒ всегда можно выбрать среди N+1 балл Икся, по индукции. Следовательно, по принцип передачи, есть гиперинтегральное число я0 такое, что 0 ≤ я0 ≤ N и для всех я = 0, …, N. Рассмотрим реальную точку
куда ул это стандартная функция детали. Произвольная действительная точка Икс лежит в подходящем подынтервале разбиения, а именно , так что ул(Икся) = Икс. Применение ул к неравенству , мы получаем . По преемственности ƒ у нас есть
- .
Следовательно ƒ(c) ≥ ƒ(Икс), для всех реальных Икс, доказывая c быть максимумом ƒ.[3]
Доказательство из первых принципов
Заявление Если продолжается на затем он достигает своего превосходства на
Доказательство По теореме об ограниченности ограничена сверху на и по свойству полноты действительных чисел имеет верхнюю грань в . Назовем это , или же . Понятно, что ограничение на подынтервал куда имеет супремум что меньше или равно , и это увеличивается с к в качестве увеличивается с к .
Если тогда мы закончили. Предположим поэтому, что и разреши . Рассмотрим множество очков в такой, что .
Четко ; кроме того, если это еще один момент в тогда все точки между и также принадлежат потому что монотонно возрастает. Следовательно непустой интервал, закрытый на левом конце .
Сейчас же непрерывна справа в , следовательно, существует такой, что для всех в . Таким образом меньше чем на интервале так что все эти точки принадлежат .
Следующий, ограничен сверху и поэтому имеет верхнюю грань в : назовем это . Мы видим из вышеизложенного, что . Мы покажем, что это точка, которую мы ищем, т.е. точка, где достигает своего супремума, или другими словами .
Предположим противное, а именно. . Позволять и рассмотрим следующие два случая:
(1) . В качестве непрерывно на , Существует такой, что для всех в . Это означает, что меньше чем на интервале . Но это следует из превосходства что существует точка, скажем, принадлежащий к что больше чем . По определению , . Позволять тогда для всех в , . Принимая быть минимумом и , у нас есть для всех в .
Следовательно так что . Однако это противоречит верховенству и завершает доказательство.
(2) . В качестве непрерывна слева в , Существует такой, что для всех в . Это означает, что меньше чем на интервале . Но это следует из превосходства что существует точка, скажем, принадлежащий к что больше чем . По определению , . Позволять тогда для всех в , . Принимая быть минимумом и , у нас есть для всех в . Это противоречит верховенству и завершает доказательство. ∎
Продолжение до полунепрерывных функций
Если непрерывность функции ж ослаблен до полунепрерывность, то выполняются соответствующая половина теоремы об ограниченности и теоремы об экстремальном значении и значения –∞ или + ∞ соответственно из расширенная строка действительных чисел могут быть допустимы как возможные значения. Точнее:
Теорема: Если функция ж : [а,б] → [–∞, ∞) полунепрерывно сверху, что означает, что
для всех Икс в [а,б], тогда ж ограничена сверху и достигает своего супремума.
Доказательство: Если ж(Икс) = –∞ для всех Икс в [а,б], то супремум также равен –∞ и теорема верна. Во всех остальных случаях доказательство представляет собой небольшую модификацию приведенных выше доказательств. При доказательстве теоремы об ограниченности полунепрерывность сверху ж в Икс только означает, что предел высшего подпоследовательности {ж(Икспk)} ограничена сверху ж(Икс) <∞, но этого достаточно, чтобы получить противоречие. В доказательстве теоремы о крайнем значении полунепрерывность сверху ж в d следует, что верхний предел подпоследовательности {ж(dпk)} ограничена сверху ж(d), но этого достаточно, чтобы заключить, что ж(d) = M. ∎
Применяя этот результат к -ж доказывает:
Теорема: Если функция ж : [а,б] → (–∞, ∞] полунепрерывно снизу, что означает, что
для всех Икс в [а,б], тогда ж ограничена снизу и достигает своей инфимум.
Вещественнозначная функция полунепрерывна как сверху, так и снизу, если и только если она непрерывна в обычном смысле. Следовательно, из этих двух теорем следует теорема об ограниченности и теорема об экстремальном значении.
Рекомендации
- ^ Руснок, Пол; Керр-Лоусон, Ангус (2005). «Больцано и равномерная непрерывность». Historia Mathematica. 32 (3): 303–311. Дои:10.1016 / j.hm.2004.11.003.
- ^ а б Рудин, Вальтер (1976). Принципы математического анализа. Нью-Йорк: Макгроу Хилл. С. 89–90. ISBN 0-07-054235-X.
- ^ Кейслер, Х. Джером (1986). Элементарное исчисление: бесконечно малый подход (PDF). Бостон: Prindle, Weber & Schmidt. п. 164. ISBN 0-87150-911-3.
дальнейшее чтение
- Адамс, Роберт А. (1995). Исчисление: полный курс. Читает: Эддисон-Уэсли. С. 706–707. ISBN 0-201-82823-5.
- Проттер, М. Х.; Морри, К. Б. (1977). «Теоремы об ограниченности и экстремальности». Первый курс реального анализа. Нью-Йорк: Спрингер. С. 71–73. ISBN 0-387-90215-5.
внешняя ссылка
- Доказательство теоремы об экстремальном значении в завязать узел
- «Теорема об ограниченности». PlanetMath.
- "Теорема об экстремальном значении". PlanetMath.
- Теорема об экстремальном значении Жаклин Вандзура с дополнительными вкладами Стивена Вандзуры, Вольфрам Демонстрационный проект.
- Вайсштейн, Эрик В. "Теорема об экстремальном значении". MathWorld.
- Система Мицар доказательство: http://mizar.org/version/current/html/weierstr.html#T15