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積分核を用いた多項式近似定理の証明のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

積分核と多項式近似

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文書ではワイエルストラスの多項式近似定理を積分核を用いた方法で証明する。

注意 (円周上の連続関数).

ℝの区間[a,b]の端点a,bを同一視した空間と円周S1は位相同型である。この同型を根拠にS1上の実数値連続関数と[a,b]上の実数値連続関数でf⁢(a)=f⁢(b)となる関数を同一視する。また、S1上で行うべき積分を閉区間上の積分として処理する。
以下の文章ではS1と[0,1]やら[−π,+π]やらがこの方法によって同一視される。

定義 1 (円周上もしくは直線上の関数の畳込み).

[a,b]のaとbを同一視して得られる円周上の関数f,gに対して畳み込みを

(f∗g)⁢(x)=∫abf⁢(x−y)⁢g⁢(y)⁢𝑑y

と定義する。xの値によってはx−yは[a,b]からはみ出してしまいf⁢(x−y)の意味が不明瞭だが、これはfをℝまで周期的に拡張した関数として考え積分するのである。
ℝ上の連続関数f,gに対してその畳込みを

(f∗g)⁢(x)=∫−∞+∞f⁢(x−y)⁢g⁢(y)⁢𝑑y

と定義する。性質の良い関数f,gを選ばなければこの関数はwell-defindではないことに注意しよう。しかし後にこの畳込みを用いるときには都合の良い関数しか扱わないし、その時にちゃんと注意するので心配の必要はない。

注意.

連続関数f,gについて畳み込みf∗gが定義されるとき、

f∗g=g∗f

となる。

次に良い核を定義しよう。”良い核”という単語で一つの固有名詞である。

定義 2 (直線上もしくは円周上の良い核).

円周上の関数列{Kn⁢(t)}がc∈(a,b)に台を持つ良い核であるとは

(1) ∫abKn⁢(t)⁢𝑑t=1
(2) ∃M>0⁢∀n∈ℕ⁢∫ab|Kn⁢(t)|⁢𝑑t≤M
(3) ∃η>0⁢∀δ∈(0,η)⁢limn→∞∫|c−t|≥δ|Kn⁢(t)|⁢𝑑t=0

を充たすことである。
上と同様に直線上の関数列{Kn⁢(t)}がc∈ℝに台を持つ良い核であるとは

(1) ∫−∞+∞Kn⁢(t)⁢𝑑t=1
(2) ∃M>0⁢∀n∈ℕ⁢∫−∞+∞|Kn⁢(t)|⁢𝑑t≤M
(3) ∀δ>0⁢limn→∞∫|c−t|≥δ|Kn⁢(t)|⁢𝑑t=0

を充たすことである。

定理 3 (良い核と関数の近似).

{Kn}を円周上のcを台にもつ良い核とし、fを円周上の連続関数として

Hn⁢(x)=f∗Kn⁢(c+x)

と置くこのとき

∀ε>0⁢∃N∈ℕ⁢∀n>N⁢∥f−Hn∥∞<ε

が成り立つ。 {Kn}を直線上のcを台にもつ良い核とし、fを直線上のs⁢u⁢p⁢p⁢fがコンパクトな連続関数とすると

Hn⁢(x)=f∗Kn⁢(c+x)

と定義するとこの畳込みはwell-definedで

∀ε>0⁢∃N∈ℕ⁢∀n>N⁢∥f−Hn∥∞<ε

が成り立つ。

証明.

(円周上について) まずC=max⁡{M+1,supx∈[a,b]|f⁢(x)|+1}と定義し任意の正の数εについて、コンパクト空間上の連続関数は一様連続だからδ>0が存在して

|x−y|<δ⇒|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε2⁢C

となる。ここでδを十分小さくとりδ<ηと仮定できる。
更にNを十分大きく取り

n>N⇒∫ab|Kn⁢(t)|⁢𝑑t<ε4⁢C

と出来る。 そして∫abK⁢(t)⁢𝑑t=1より任意のx∈[a,b]に対して

|Hn⁢(x)−f⁢(x)|=|∫abK⁢(y)⁢f⁢(c+x−y)−∫abKn⁢(y)⁢f⁢(x)⁢𝑑y|=|∫abK⁢(y)⁢(f⁢(c+x−y)−f⁢(x))⁢𝑑y|
≤∫ab|Kn⁢(y)|⁢|f⁢(c+x−y)−f⁢(x)|⁢𝑑y=∫|c−y|<δ|Kn⁢(y)|⁢|f⁢(c+x−y)−f⁢(x)|⁢𝑑y+∫|c−y|≥δ|Kn⁢(y)|⁢|f⁢(c+x−y)−f⁢(x)|⁢𝑑y

ここで最後の式の初項について一様連続性から

∫|c−y|<δ|Kn⁢(y)|⁢|f⁢(c+x−y)−f⁢(x)|⁢𝑑y⁢<ε2⁢C⁢∫|c−y|<δ|⁢K⁢(y)|d⁢y≤ε2⁢C⁢C=ε2

第二項について

∫|c−y|≥δ|Kn⁢(y)|⁢|f⁢(c+x−y)−f⁢(x)|⁢𝑑y≤2⁢C⁢∫|c−y|≥δ|Kn⁢(y)|<2⁢C⁢ε4⁢C=ε2

よって

|Hn⁢(x)−f⁢(x)|<ε

Nはxに依存しないので結局

∥f−Hn∥∞<ε

なのでよって

∀ε>0⁢∃N∈ℕ⁢∀n>N⁢∥f−Hn∥∞<ε

(直線上について)supp⁢fのコンパクト性から畳込みがwell-defined であることはすぐわかるし、supp⁢fがコンパクトであることからfの一様連続性がわかるので円周上の場合と同様である。 ∎

しかし以降の文章では台が0となる核しか出てこない。また、パラメータが自然数nではなく実数aでa→∞の時に連続関数を近似したり、パラメータがr∈(0,1)でr→1のときに連続関数を近似したりするものが出てくるが、証明は同様である。

定義 4.

a>0に対して ∫−∞+∞e−a⁢x2=πaに注意して

Wa=aπ⁢e−a⁢x2

と定義しこれをワイエルストラス核と呼ぶ。定義域はℝとする。

定義 5.

cn=(∫−1−1(1−x2)n⁢𝑑x)−1とし、

Ln⁢(x)=cn⁢(1−x2)n

と定義する。これをランダウ核と呼ぶ。定義域は[−1,+1]

定義 6.

an=(∫−π2+π2cosn⁡x⁢d⁢x)−1とし、

An⁢(x)=an⁢cosn⁡x

をA核と呼ぶことにする。定義域は[−π2,+π2]

定義 7.
Fn⁢(x)=12⁢π⁢1n+1⁢(sin⁡((n+1)⁢x2)sin⁡(x2))2

をフェイエル核という。定義域は[−π,+π]

定義 8.
Pr⁢(x)=12⁢π⁢1−r21−2⁢r⁢cos⁡x+r2

をポアソン核という。定義域は[−π,+π]

補題 9.

Dk⁢(x)=∑m=−kkei⁢m⁢xとするとき

∫−π+πDk⁢(x)⁢𝑑x=2⁢π
Dk⁢(x)=ei⁢(k+12)⁢x−e−i⁢(k+12)⁢xei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x=sin⁡((k+12)⁢x)sin⁡(x2)
Fn⁢(x)=12⁢π⁢D0⁢(x)+D1⁢(x)+⋯+Dn⁢(x)n+1
Pr⁢(x)=12⁢π⁢∑n=−∞+∞r|n|⁢ei⁢n⁢x⁢(0<r<1)⁢(⁢一⁢様⁢収⁢束⁢)

が成立する。

証明.

1番の式は

∫−π+πei⁢n⁢x⁢𝑑x={2⁢πn=00n≠0

からわかる。残りは等比級数の総和公式を使えばわかる。

以上ではiは虚数単位でオイラーの等式

ei⁢x=cos⁡x+i⁢sin⁡x

を用いた。

∎

注意.

12⁢π⁢Dkも良い核になりそうだが、これは良い核にはならない。このことを補うためにフーリエ級数論ではフェイエル核やポアソン核を用いる。

定理 10.

上の核は全てそれぞれの定義域の上で良い核となる。

証明.

まず最初に上で述べた核は全て正なので良い核の条件2は条件1を示せば直ちに従うことに注意しよう。

(ワイエルストラス核について)
∫−∞+∞e−a⁢x2=πaなので

∫−∞+∞Wa⁢(t)⁢𝑑t=1

は明らかであるので条件1,及び条件2を充たす。そして

∫δ+∞Wa⁢(x)⁢𝑑x=∫δ+∞aπ⁢e−a⁢x2⁢𝑑x=1π⁢∫a⁢δ+∞e−a⁢y2⁢𝑑y

で

lima→∞∫a⁢δ+∞e−a⁢y2⁢𝑑y=0

とWaが偶関数であることから

∀δ>0⁢lima→∞∫|t|≥δWa⁢(t)⁢𝑑t=0

がわかる。

(ランダウ核について)定義から明らかに

∫−1+1Ln⁢(t)⁢𝑑t=1

であるので条件1,2を充たす。また(1−t2)nが偶関数でt∈[0,1]のとき1+t≥1より

1cn=∫−1+1(1−t2)n⁢𝑑t=2⁢∫0+1(1−t2)n⁢𝑑t=2⁢∫0+1(1−t)n⁢(1+t)n⁢𝑑t
≥2⁢∫0+1(1−t)n⁢𝑑t=2⁢[−1n+1⁢(1−t)n]01=2⁢(1n+1)

よって

cn≤n+12

そして

∫|t|≤δLn⁢(t)=2cn⁢∫δ1(1−t2)n⁢𝑑t≤(n+1)⁢∫δ1(1−t2)n⁢𝑑t
≤(n+1)⁢∫δ1(1−δ2)n⁢𝑑t=(n+1)⁢(1−δ)⁢(1−δ2)n

で0<δ<1より0<1−δ2<1なので条件3がわかる。

(A核について)

∫−π2+π2An⁢(x)⁢𝑑x=1

は定義より明らか。後半は所謂ウォリスの公式を導出する議論を用いる。 In=∫0π2cos⁡x⁢d⁢xとした時、

In=n−1n⁢In−2

が成り立つ。このことは高校生程度の知識があれば容易にわかると思う。さてこの式とI0=π2,I1=1から帰納的に次の事がわかる。

I2⁢n≥12⁢n,I2⁢n−1≥12⁢n−1⁢(n≥1)

つまり

In≥1n⁢(n≥1)

よって1/an=2⁢Inより

an≤n/2≤n

故に

∫|x|≥δAn⁢(x)⁢𝑑x≤n⁢∫|x|≥δcosn⁡x⁢d⁢x=n⁢∫δ+π2cosn⁡x⁢d⁢x≤n⁢cosn⁡(δ)⁢∫δ+π2𝑑x=n⁢(π2−δ)⁢cosn⁡(δ)

なので条件3が成立することがわかる。
(フェイエル核について)補題9より

∫−π+πFn⁢(x)⁢𝑑x=12⁢π⁢∫−π+πD0⁢(x)+D1⁢(x)+⋯+Dn⁢(x)n+1⁢𝑑x=1

なので条件1(ついでに2も)満たされる。
条件3について

∫δ≤|x|≤π2⁢π⁢Fn⁢(x)⁢𝑑x=∫δ≤|x|≤π1n+1⁢(sin⁡((n+1)⁢x2)sin⁡(x2))2⁢𝑑x=1n+1⁢1sin2⁡(δ2)⁢∫δ≤|x|≤πsin2⁡((n+1)⁢x2)⁢𝑑x
≤1n+1⁢1sin2⁡(δ2)⁢∫δ≤|x|≤π𝑑x≤1n+1⁢1sin2⁡(δ2)⁢∫−π+π𝑑x=1n+1⁢1sin2⁡(δ2)⁢(2⁢π)

より

∫δ≤|x|≤πFn⁢(x)⁢𝑑x≤1n+1⁢1sin2⁡(δ2)

から後はわかる。

(ポアソン核について) 補題9より

∫−π+πPr⁢(x)⁢𝑑x=∫−π+π12⁢π⁢1−r21−2⁢r⁢cos⁡x+r2⁢𝑑x=∫−π+π12⁢π⁢∑n=−∞+∞r|n|⁢ei⁢n⁢x⁢d⁢x=12⁢π⁢∑n=−∞+∞r|n|⁢∫−π+πei⁢n⁢x⁢𝑑x=1

なので条件1(ついでに条件2も)満たされる。
条件3について

∫δ≤|x|≤π2⁢π⁢Pr⁢(x)⁢𝑑x=∫δ≤|x|≤π1−r21−2⁢r⁢cos⁡x+r2⁢𝑑x≤∫δ≤|x|≤π1−r21−2⁢r⁢cos⁡δ+r2⁢𝑑x
≤∫−π+π1−r21−2⁢r⁢cos⁡δ+r2⁢𝑑x=1−r21−2⁢r⁢cos⁡δ+r2⁢(2⁢π)

より

∫δ≤|x|≤πPr⁢(x)⁢𝑑x≤1−r21−2⁢r⁢cos⁡δ+r2

なのでr→1のとき右辺は0へ近づく ∎

事実 11.

解析関数のテイラー展開は収束円板の中で広義一様収束する。

補題 12.

Pを多項式としfを連続関数とすると畳み込み

∫Kf⁢(y)⁢P⁢(x−y)⁢𝑑y

はxの多項式である。ただしKは円周か直線でこれが直線の場合にはfはコンパクト台を持つとする。

証明.

P⁢(x−y)を展開すれば明らかである。 ∎

さていよいよワイエルストラスの多項式近似定理を証明する。定理3をが決め手である。

定理 13 (ワイエルストラスの多項式近似定理).

有界閉区間上の連続関数は多項式で一様に近似出来る。

証明の前に注意
直線上の核を使う場合:有界閉区間[a,b]上の連続関数f:[a,b]→ℝを任意に与えるとこの関数を[a−1,b+1]の外では0となるようにℝ上の連続関数に拡張出来る。よって直線上のコンパクト台関数を多項式で一様に近似できれば多項式近似定理は証明される。
円周上の核を使う場合:有界閉区間[a,b]上の連続関数f:[a,b]→ℝを任意に与える。有界閉区間[a,b]は1次関数Φによって他の有界閉区間[α,β]に対してΦ⁢([a,b])=[c,d]⊂(α,β)となるように出来る。これによってfを[a−δ,b+δ](δは十分小さい)の外では0となるように[α,β]へ拡張できる。更に多項式と1次関数の合成は多項式なので円周上の連続関数を多項式で一様に近似できれば多項式近似定理は証明される。

証明:ワイエルストラス核の場合.

指数関数のn次までのテイラー展開をEnと置くとこれは多項式で指数関数に広義一様収束する。Gn,a⁢(x)=En⁢(x2)とする。任意にεを与えaを十分大きく取ればH=f∗Waについて定理3から

∥f−H∥ℝ,∞<ε

と出来る。supp⁢f=Kとして

L=K−K={x−y|x,y∈K}

と置くとこれはコンパクトでnを十分大きくとり

∥Wa−Gn,a∥∞,L<ε

と出来るこのときP=f∗Gn,aは多項式でx∈Kのとき

|H⁢(x)−P⁢(x)|=|∫ℝf⁢(y)⁢Wa⁢(x−y)⁢𝑑y−∫ℝf⁢(y)⁢Gn,a⁢(x−y)⁢𝑑y|
≤∫ℝ|f⁢(y)|⁢|Wa⁢(x−y)−Gn,a⁢(x−y)|⁢𝑑y⁢<ε⁢∫ℝ|⁢f⁢(y)|d⁢y

ここで∫ℝ|f⁢(y)|⁢𝑑yは定数なのでfは多項式Pで近似できる。よって定理は証明された。 ∎

証明:ランダウ核の場合.

補題12からLnと連続関数との畳込みは多項式なので定理3からすぐに結論を得る。またランダウ核の形から、連続関数を近似する多項式はのそれを構成する単項式の次数が偶数となるものを選べることがわかる。(特にこのことを何かに使うわけではないが)

∎

証明:A核の場合.

Anの形からすぐにわかるようにAnと連続関数との畳込みは sinn⁡x,cosm⁡xの形の関数の幾つかの線形結合となる。これらの関数は解析的である。(解析関数の積は解析的)よって事実11から結論が知れる。(三角関数の収束半径は∞)

∎

証明:フェルエル核の場合.

フェイエル核と連続関数との畳込みは三角多項式となる。三角多項式は解析的なので結論がわかる。

∎

証明:ポアソン核の場合.

ポアソン核と連続関数との畳込みは三角多項式の一様収束極限関数であるからフェイエル核の場合と同様に結論が知れる。

∎

補足

多項式近似定理の証明の前の注意について

命題 14.

有界閉区間[a,b]上の連続関数f:[a,b]→ℝを任意に与えるとこの関数を[a−1,b+1]の外では0となるようにℝ上の連続関数に拡張出来る。

証明.

(a,f⁢(a))と(a−1,0)を通る1次関数と(b,f⁢(b))と(b+1,0)を通る1次関数をfに繋げば良い。 ∎

円周の場合の拡張についてもほとんど同様。
省略した補題9の証明

証明.

等比級数の総和公式しか使わない。計算が長いだけである。

Dk⁢(x) = ∑m=−kkei⁢m⁢x=∑m=−k−1ei⁢m⁢x+1+∑m=knei⁢m⁢x=∑m=11e−i⁢m⁢x+1+∑m=knei⁢m⁢x
= e−i⁢x⁢(1−e−i⁢k⁢x)1−e−i⁢x+ei⁢x⁢(1−ei⁢k⁢x)1−ei⁢x+1
= e−i⁢12⁢xe−i⁢12⁢x⁢e−i⁢x⁢(1−e−i⁢k⁢x)1−e−i⁢x+ei⁢12⁢xei⁢12⁢x⁢ei⁢x⁢(1−ei⁢k⁢x)1−ei⁢x+1
= e−i⁢12⁢x⁢(1−e−i⁢k⁢x)ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x+e−i⁢12⁢x⁢(ei⁢k⁢x−1)ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x+1
= ei⁢(k+12)⁢x−e−i⁢(k+12)⁢x−(ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x)ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x+1
= ei⁢(k+12)⁢x−e−i⁢(k+12)⁢xei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x
= sin⁡((k+12)⁢x)sin⁡(x2)

から第二式がわかる。ここで等比級数の総和公式を使った。 また

∑k=0nei⁢(k+12)⁢x=ei⁢12⁢x⁢∑k=0nei⁢k⁢x=ei⁢12⁢x⁢1−ei⁢(n+1)⁢x1−ei⁢x
∑k=0ne−i⁢(k+12)⁢x=e−i⁢12⁢x⁢∑k=0ne−i⁢k⁢x=e−i⁢12⁢x⁢1−e−i⁢(n+1)⁢x1−e−i⁢x

より

(ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x)⁢∑k=0nDk⁢(x) = ∑k=0n(ei⁢(k+12)⁢x−e−i⁢(k+12)⁢x)=ei⁢12⁢x⁢1−ei⁢(n+1)⁢x1−ei⁢x−e−i⁢12⁢x⁢1−e−i⁢(n+1)⁢x1−e−i⁢x
= 1e−i⁢12⁢x⁢1−ei⁢(n+1)⁢x1−ei⁢x−1ei⁢12⁢x⁢1−e−i⁢(n+1)⁢x1−e−i⁢x
= 1ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x⁢((ei⁢(n+1)⁢x−1)−(1−e−i⁢(n+1)⁢x))
= 1ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x⁢(ei⁢(n+1)⁢x+e−i⁢(n+1)⁢x−2)
= 1ei⁢12⁢x−e−i⁢12⁢x⁢(ei⁢n+12⁢x−e−i⁢n+12⁢x)2

から第三式がわかる。 そして

∑n=−∞∞r|n|⁢ei⁢n⁢x = ∑k=−∞−1r|n|⁢ei⁢n⁢x+1+∑k=1∞rn⁢ei⁢n⁢x
= ∑k=1∞rn⁢e−i⁢n⁢x+1+∑k=1∞rn⁢ei⁢n⁢x
= r⁢e−i⁢x1−r⁢e−i⁢x+r⁢ei⁢x1−r⁢ei⁢x+1
= r⁢e−i⁢x⁢(1−r⁢ei⁢x)+r⁢ei⁢x⁢1−r⁢e−i⁢x(1−r⁢e−i⁢x)⁢(1−r⁢ei⁢x)+1
= r⁢e−i⁢x−r2+r⁢ei⁢x−r21−r⁢(ei⁢x+e−i⁢x)+r2+1
= 1−r21−2⁢r⁢cos⁡x+r2

から第四式がわかる。 ∎

References

  • [1] 伊藤清三,ルベーグ積分入門,数学選書4,裳華房,1963
  • [2] エアリス・M・スタイン、ラミ・シャカルチ著、新井仁之・杉本充・高木啓行・千原浩之訳、フーリエ解析(プリンストン解析学講義),日本評論社,2007
  • [3] 黒田成俊,関数解析,共立数学講座15,共立出版,1980