多項式定理の新しい証明

この記事は、数学分析の美しくて難しい定理の新しい証拠を提供し、専門的な数学学校の高校生がアクセスできるように述べられています。



させる fx -無限に微分可能な実関数、および各点 R $の$ x \ 自然があります n そのような fnx=0 。 それから fx 多項式。


証明



閉集合のシステムでのベールの定理が必要です。



1.させる H そして F1F2...Fn... 線の閉じたサブセット、および H neq varnothing そして H\サ bigcup limitsnFn 。 それから H のいずれかに含まれるポイントがあります Fn その周辺とともに。 より正確には、ポイントがあります x inH 、自然 n そして  varepsilon>0 そのような x\バ;x+\バ\キH\サFn


確かに(矛盾により)、ポイントを選択します x1 inH そして周囲でそれを囲みます  Delta1=x varepsilon1;x+ varepsilon1 どこで  varepsilon1<1 。 ベールの定理の記述は正しくないと仮定しました。 手段  Delta1 capH not\サF1 。 選ぶ  Delta1\キH ポイント x2 notinF1 。 サラウンド x2 間隔  Delta2=x2 varepsilon2;x2+ varepsilon2 この間隔の終わりがポイントになるように x2 varepsilon2 そして x2+ varepsilon2 にある  Delta1 、そして  varepsilon2< frac12 。 仮定により  Delta2 capH notinF2 。 これにより、選択することができます  Delta2\キH いくつかの点 x3 notinF2... プロセスを継続して、間隔のネストされた収縮シーケンスを構築します  Delta1 supset Delta2 supset... それは明らかです



x1 varepsilon1<x2 varepsilon2<...<xn varepsilonn... 、(1)

x1+ varepsilon1>x2+ varepsilon2>...>xn+ varepsilonn... (2)



すべてのギャップから  Deltai capH neq varnothing それから  limi to inftyxi varepsiloni= limi to inftyxi+ varepsiloni=yy H 、および(1)および(2)から y in Deltai それぞれについて i 。 だから私たちはポイントを見つけました y inH 、しかしどのセットにも横たわっていない

Fi\フ1i=1,2...

この点の近傍に関数がある場合、実線上の点は規則的であると言います。 fx 多項式です。 すべての規則的な点の集合は E 。 多くの E に追加 E によって示す F それを不規則なポイントのセットと呼びます。 (私たちはそう言う F xの$ x \ それから x -間違った点)。
2.セグメントの各ポイント [a;b] 修正してから狭める fx[a;b] 多項式です。


確かに、すべてのポイントについて t in[a;b] 狭まるような間隔があります fx この区間では多項式です。 つまり 各ポイントには間隔があり、いくつかの自然な n あれ fnx この間隔でゼロに等しい。



セグメントのコンパクトさから [a;b] そのような自然が存在することになる m あれ fmx=0 どこでも [a;b] したがって fx 多項式です。



3.半区間の各ポイント [a;b 正しい

狭め fx[a;b 多項式です。


証明。 増加するシーケンスを検討する a=a1<a2<a3<...<an<... そのような an に収束する b 。 前の段落で証明したように、各セグメントで [a1;a2]...[a1;an]... 狭め fx 多項式です。 させる Pkx -多項式と一致 fx セグメント上 [a1;ak+1] 。 それは明らかです Pkx=P1x すべてのために k=2,3... だから P1x と一致する fx[a;b 、そしてその時点で b 。 (それを思い出してください P1x そして fx どこでも連続 R



前のものと同様に、それを証明するのは簡単です:



4.半区間の各ポイント a;b] または間隔 a;b 正しいです fx -多項式オン [a;b]


不規則な点の研究に進みます。 セットポイント F



5.多くの F 孤立したドットは含まれません。


本当に。 させる Fの$ a \ 孤立点です。 その後、いくつかの  varepsilon>0\フ1[a varepsilona そして aa+ varepsilon] 適切なポイントで構成されています。 狭める手段 fx[a varepsilon;a] そして [a;a+ varepsilon] 多項式。 十分に大きいことは明らかです nn これらの各多項式には次数が必要です) fnx どこでもゼロになります [a varepsilon;a+ varepsilon] 。 つまり a 正しい点です。



6.セットさせて F 間違ったポイントは空ではありません。 置く E_ {n} = \ {x:f ^ {(n)}(x)= 0 \} 。 それは明らかです F\サ\ビ\制nEn そしてそれぞれ En 閉じた。 ベイルの定理(1を参照)から、間隔があることがわかります。 a;b そのような a;b capF neq0 そして a;b capF のいずれかにあります En


機能を考える fnx 。 この関数はすべての点でゼロです。 x inF capa;b 。 それぞれの間違ったポイントがセットの制限であるため F それから fn+kx=0 すべての整数について k geq0 そしてすべて x ina;b capF



それを証明しましょう fnx 等しい 0 どこでも a;b 。 そうではない。 次にあります c ina;b そのような fnc neq0 。 多くの F 空ではなく閉じていない場合、その中にポイントを見つけます d に最も近い c 。 明確にするために、 d<c 。 機能 gx=fnx 何度も微分可能 [d;c]\フ1gd=0 およびすべてのデリバティブ gnd=0 。 以来 gc neq0 その後、ラグランジュ有限増分定理により gnx どこでもゼロにすることはできません d;c 自然ではない n




スロボドニク・セミヨン・グリゴリエビッチ

「チューター:数学」アプリケーションのコンテンツ開発者( Habréの記事を参照 )、物理学および数理科学の候補者、モスクワの学校179で数学の教師



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