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关于Weierstrass多项式逼近定理证明中特定不等式推导的疑问

关于Weierstrass多项式逼近定理证明中特定不等式推导的疑问

咱们一步一步拆解你困惑的这两个关键点,很快就能搞明白啦:

第一个疑问:2M是怎么来的?

你这里有个小笔误要先纠正下:三角不等式是 |a - b| ≤ |a| + |b|,不是|a| - |b|哦~
已知f在[0,1]上有界,|f(x)| ≤ M对所有x∈[0,1]成立,而p/n显然也在[0,1]区间内,所以|f(p/n)| ≤ M。代入三角不等式就有:
$$|f(x) - f(p/n)| ≤ |f(x)| + |f(p/n)| ≤ M + M = 2M$$
这是一个比较粗糙但有效的放缩,足够支撑后续的推导。

第二个疑问:怎么从有限求和转到全范围求和,还出现了(p-nx)²?

这里用到了分析里非常常用的非负项放缩技巧,核心逻辑很简单:
当$|p - nx| > δn$时,两边平方(因为平方后不等号方向不变,且都是非负数),可以得到:
$$(p - nx)^2 > (δn)^2$$
两边同时除以$(δn)^2$,就有:
$$1 < \frac{(p - nx)2}{δ2 n^2}$$
因为$r_p(x)$是二项分布的概率质量函数,在x∈[0,1]时$r_p(x) ≥ 0$,所以对于每个满足$|p - nx| > δn$的p,我们可以把$r_p(x)$写成:
$$r_p(x) = 1·r_p(x) < \frac{(p - nx)2}{δ2 n^2}·r_p(x)$$
接下来对所有满足$|p - nx| > δn$的p求和,左边就是$\sum_{|p-nx| > δn} r_p(x)$,右边是$\sum_{|p-nx| > δn} \frac{(p - nx)2}{δ2 n^2} r_p(x)$。

现在,我们把右边的求和范围扩展到p从0到n的全部项——因为对于不满足$|p - nx| > δn$的项(也就是$|p - nx| ≤ δn$的项),$\frac{(p - nx)2}{δ2 n^2} r_p(x)$是非负的,加上这些项只会让求和结果变大,不会变小,所以:
$$\sum_{|p-nx| > δn} \frac{(p - nx)2}{δ2 n^2} r_p(x) ≤ \sum_{p=0}^n \frac{(p - nx)2}{δ2 n^2} r_p(x)$$
把常数因子$\frac{1}{δ^2 n^2}$提出来,就得到:
$$\sum_{|p-nx| > δn} r_p(x) ≤ \frac{1}{δ^2 n^2} \sum_{p=0}^n (p - nx)^2 r_p(x)$$

把两个步骤结合起来

把第一个放缩的2M和第二个放缩的结果结合,就得到了你疑惑的那个完整不等式:
$$
\bigg|\sum_{|p-nx| > \delta n} (f(x) - f(p/n))r_p(x)\bigg| \leq 2 M \sum_{|p-nx| > \delta n} r_p(x) \leq \dfrac{2M}{n2\delta2} \sum_{p = 0}^n (p - nx)^2 r_p(x)
$$

后面你提到的代入$\sum_{p=0}^n (p-nx)^2 r_p(x) = nx(1-x)$,然后当n→∞时这个项趋近于0,这部分的理解是完全正确的~

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Heidegger

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