Věta o extrémní hodnotě - Extreme value theorem
![]() | Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace.Červen 2012) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) ( |

v počet, věta o extrémní hodnotě uvádí, že pokud má skutečnou hodnotu funkce je kontinuální na Zavřeno interval , pak musí dosáhnout a maximum a a minimální, každý alespoň jednou. To znamená, že existují čísla a v takové, že:
Příbuzná věta je věta o omezenosti který uvádí, že spojitá funkce F v uzavřeném intervalu [A,b] je ohraničený v tomto intervalu. To znamená, že existují reálná čísla m a M takové, že:
Věta o extrémní hodnotě obohacuje teorém omezenosti tím, že říká, že je nejen ohraničená funkcí, ale také dosahuje své nejmenší horní hranice jako svého maxima a své největší spodní hranice jako svého minima.
Věta o extrémní hodnotě se používá k prokázání Rolleova věta. Ve formulaci kvůli Karl Weierstrass, tato věta říká, že spojitá funkce z neprázdného kompaktní prostor do a podmnožina z reálná čísla dosahuje maxima a minima.
Dějiny
Věta o extrémní hodnotě byla původně prokázána Bernard Bolzano ve 30. letech 19. století v díle Teorie funkcí ale práce zůstala nepublikovaná až do roku 1930. Bolzanův důkaz spočíval v tom, že se ukázalo, že spojitá funkce v uzavřeném intervalu byla ohraničená, a poté v tom, že funkce dosáhla maximální a minimální hodnoty. Oba důkazy zahrnovaly to, co je dnes známé jako Bolzano – Weierstrassova věta.[1] Výsledek objevil také Weierstrass v roce 1860.[Citace je zapotřebí ]
Funkce, na které se věta nevztahuje
Následující příklady ukazují, proč musí být funkční doména uzavřena a ohraničena, aby se věta mohla použít. Každý nedokáže v daném intervalu dosáhnout maxima.
- definováno přes není omezen shora.
- definováno přes je ohraničený, ale nedosahuje své nejméně horní hranice .
- definováno přes není omezen shora.
- definováno přes je ohraničený, ale nikdy nedosáhne své nejméně horní hranice .
Definování v posledních dvou příkladech ukazuje, že obě věty vyžadují kontinuitu .
Zobecnění na metrické a topologické prostory
Při pohybu ze skutečné linie na metrické prostory a obecně topologické prostory, vhodné zobecnění uzavřeného ohraničeného intervalu je a kompaktní sada. Sada je považován za kompaktní, pokud má následující vlastnost: z každé kolekce otevřené sady takhle konečná podkolekce lze zvolit tak, že . Toto se obvykle stručně uvádí jako „každý otevřený obal má konečnou subcover " Heine – Borelův teorém tvrdí, že podmnožina skutečné linie je kompaktní právě tehdy, když je uzavřená i ohraničená. Odpovídajícím způsobem má metrický prostor Vlastnictví Heine – Borel pokud je každá uzavřená a ohraničená množina také kompaktní.
Koncept spojité funkce lze rovněž zobecnit. Vzhledem k topologickým prostorům , funkce se říká, že je spojitá, pokud pro každou otevřenou sadu , je také otevřený. Vzhledem k těmto definicím lze ukázat, že spojité funkce zachovávají kompaktnost:[2]
Teorém. Li jsou topologické prostory, je spojitá funkce a je tedy kompaktní je také kompaktní.
Zejména pokud , pak z této věty vyplývá je uzavřený a ohraničený pro jakoukoli kompaktní sadu z čehož vyplývá, že dosáhne svého supremum a infimum na jakékoli (neprázdné) kompaktní sadě . Máme tedy následující zobecnění věty o extrémní hodnotě:[2]
Teorém. Li je kompaktní sada a je tedy spojitá funkce je omezený a existuje takhle a .
O něco obecněji to platí i pro horní polokontinuální funkci. (vidět compact space # Funkce a kompaktní prostory ).
Prokazující věty
Podíváme se na důkaz pro horní hranice a maximálně F. Aplikováním těchto výsledků na funkci -F, existence dolní meze a výsledek za minimum F následuje. Všimněte si také, že vše v důkazu se děje v kontextu reálná čísla.
Nejprve dokážeme teorém o omezenosti, což je krok v důkazu věty o extrémní hodnotě. Základní kroky zahrnuté v důkazu věty o extrémní hodnotě jsou:
- Prokázat teorém omezenosti.
- Najděte sekvenci tak, aby byla obraz konverguje k supremum z F.
- Ukažte, že existuje a subsekvence který konverguje k bodu v doména.
- Pomocí kontinuity můžete ukázat, že obraz subsekvence konverguje k nadřazenosti.
Důkaz věty o omezenosti
Prohlášení Li je nepřetržitě zapnuto pak je to ohraničeno
Předpokládejme funkci není na intervalu výše ohraničen . Pak pro každé přirozené číslo , existuje takhle . To definuje a sekvence . Protože je ohraničený, Bolzano – Weierstrassova věta znamená, že existuje konvergentní subsekvence z . Označte jeho limit . Tak jako je uzavřen, obsahuje . Protože je spojitá v , víme, že konverguje ke skutečnému číslu (tak jako je postupně kontinuální na ). Ale pro každého , což z toho vyplývá rozchází se rozpor. Proto, je ohraničen výše na .
Alternativní důkaz
Prohlášení Li je nepřetržitě zapnuto pak je ohraničeno
Důkaz Zvažte sadu bodů v takhle je omezen na . Poznamenáváme to je jedním z takových bodů, protože je omezen na podle hodnoty . Li je další bod, pak všechny body mezi a také patří . Jinými slovy je interval uzavřený na jeho levém konci znakem .
Nyní je spojitá vpravo na , proto existuje takhle pro všechny v . Tím pádem je ohraničen a na intervalu takže všechny tyto body patří .
Zatím to víme je interval nenulové délky uzavřený na jeho levém konci znakem .
Další, je ohraničen výše . Proto ta sada má nadřazenost ; řekněme tomu . Z nenulové délky to můžeme odvodit .
Předpokládat . Nyní je spojitá v , proto existuje takhle pro všechny v aby je omezen na tento interval. Vyplývá to však z nadřazenosti že existuje bod patřící k , řekněme, což je větší než . Tím pádem je omezen na který se překrývá aby je omezen na . To však odporuje nadřazenosti .
Musíme tedy mít . Nyní je spojitá vlevo na , proto existuje takhle pro všechny v aby je omezen na tento interval. Vyplývá to však z nadřazenosti že existuje bod patřící k , řekněme, což je větší než . Tím pádem je omezen na který se překrývá aby je omezen na . ∎
Důkaz věty o extrémní hodnotě
Podle věty o omezenosti F je shora omezen, tedy, Dedekindova úplnost reálných čísel, nejmenší horní mez (supremum) M z F existuje. Je nutné najít bod d v [A,b] takové, že M = F(d). Nechat n být přirozené číslo. Tak jako M je nejméně horní hranice, M – 1/n není horní mez pro F. Proto existuje dn v [A,b] aby M – 1/n < F(dn). To definuje sekvenci {dn}. Od té doby M je horní mez pro F, my máme M – 1/n < F(dn) ≤ M pro všechny n. Posloupnost {F(dn)} konverguje k M.
The Bolzano – Weierstrassova věta říká nám, že existuje podsekce {}, který konverguje k některým d a jako [A,b] je uzavřen, d je v [A,b]. Od té doby F je spojitá v d, sekvence {F()} konverguje k F(d). Ale {F(dnk)} je subsekvence {F(dn)}, který konverguje k M, tak M = F(d). Proto, F dosáhne své nadvlády M na d. ∎
Alternativní důkaz věty o extrémní hodnotě
Sada {y ∈ R : y = f (X) pro některé X ∈ [A,b]} je omezená množina. Proto je jeho nejmenší horní mez existuje vlastnost nejméně horní hranice reálných čísel. Nechat M = sup (F(X)) na [A, b]. Pokud to nemá smysl X na [A, b] aby F(X) = M pakF(X) < M na [A, b]. Proto 1 / (M − F(X)) je nepřetržitý na [A, b].
Ke každému kladnému číslu ε, vždy se nějaký najde X v [A, b] takové, že M − F(X) < ε protože M je nejmenší horní mez. Proto 1 / (M − F(X)) > 1/ε, což znamená, že 1 / (M − F(X)) není omezen. Protože každá spojitá funkce na [A, b] je ohraničeno, což je v rozporu se závěrem, že 1 / (M − F(X)) byl nepřetržitý dne [A, b]. Proto musí existovat bod X v [A, b] takové, že F(X) = M. ∎
Důkaz použití hyperrealů
V prostředí nestandardní počet, nechť N být nekonečný hyperinteger. Interval [0, 1] má přirozené hyperreálné prodloužení. Zvažte jeho oddíl do N podintervaly stejné infinitezimální délka 1 /N, s dělícími body Xi = i /N tak jako i "běží" od 0 do N. Funkce ƒ je také přirozeně rozšířeno na funkci ƒ* definováno u hyperrealů mezi 0 a 1. Všimněte si, že ve standardním nastavení (když N je konečný), bod s maximální hodnotou ƒ lze vždy vybrat mezi N+1 body Xiindukcí. Proto, tím princip přenosu existuje hyperinteger i0 takové, že 0 ≤ i0 ≤ N a pro všechny i = 0, …, N. Zvažte skutečný bod
kde Svatý je standardní funkce dílu. Libovolný skutečný bod X leží ve vhodném dílčím intervalu oddílu, jmenovitě , aby Svatý(Xi) = X. Přihlašování Svatý k nerovnosti , získáváme . Kontinuitou ƒ my máme
- .
Proto ƒ(C) ≥ ƒ(X), pro všechny skutečné X, dokazování C být maximálně ƒ.[3]
Důkaz o prvních zásadách
Prohlášení Li je nepřetržitě zapnuto pak dosáhne svého nadvlády
Důkaz Podle věty o omezenosti je ohraničen výše na a vlastnost úplnosti reálných čísel má nadřazenost . Říkejme tomu nebo . Je zřejmé, že omezení do podintervalu kde má supremum což je menší nebo rovno , a to zvyšuje z na tak jako zvyšuje z na .
Li pak jsme hotovi. Předpokládejme tedy, že a nechte . Zvažte sadu bodů v takhle .
Jasně ; navíc pokud je další bod v pak všechny body mezi a také patří protože monotónně roste. Proto je neprázdný interval uzavřený na jeho levém konci znakem .
Nyní je spojitá vpravo na , proto existuje takhle pro všechny v . Tím pádem je méně než na intervalu takže všechny tyto body patří .
Další, je ohraničen výše a proto má v : řekněme tomu . Z výše uvedeného to vidíme . To ukážeme je bod, který hledáme, tj. bod, kde dosáhne svého nadvlády, nebo jinými slovy .
Předpokládejme opak viz. . Nechat a zvažte následující dva případy:
(1) . Tak jako je spojitá v , tady existuje takhle pro všechny v . Tohle znamená tamto je méně než na intervalu . Vyplývá to však z nadřazenosti že existuje bod, řekněme, patřící k což je větší než . Podle definice , . Nechat pak pro všechny v , . Brát být minimem a , my máme pro všechny v .
Proto aby . To však odporuje nadřazenosti a doplňuje důkaz.
(2) . Tak jako je spojitá vlevo na , tady existuje takhle pro všechny v . Tohle znamená tamto je méně než na intervalu . Vyplývá to však z nadřazenosti že existuje bod, řekněme, patřící k což je větší než . Podle definice , . Nechat pak pro všechny v , . Brát být minimem a , my máme pro všechny v . To je v rozporu s nadřazeností a doplní důkaz. ∎
Rozšíření na polokontinuální funkce
Pokud je kontinuita funkce F je oslaben na polokontinuita, pak odpovídá odpovídající polovina věty o omezenosti a věta o extrémní hodnotě a hodnoty –∞ nebo + ∞ z prodloužená řada reálných čísel lze povolit jako možné hodnoty. Přesněji:
Teorém: Pokud je funkce F : [A,b] → [–∞, ∞) je horní polokontinuální, což znamená
pro všechny X v [A,b], pak F je ohraničen výše a dosahuje své nadvlády.
Důkaz: Li F(X) = –∞ pro všechny X v [A,b], pak je supremum také –∞ a věta je pravdivá. Ve všech ostatních případech je důkazem mírná úprava výše uvedených důkazů. V důkazu věty o omezenosti je horní polokontinuita F na X pouze naznačuje, že limit lepší subsekvence {F(Xnk)} je výše ohraničen F(X) <∞, ale to stačí k získání rozporu. V důkazu věty o extrémní hodnotě je horní polokontinuita F na d znamená, že limit nadřazený subsekvenci {F(dnk)} je výše ohraničen F(d), ale to stačí k závěru, že F(d) = M. ∎
Aplikování tohoto výsledku na -F dokazuje:
Teorém: Pokud je funkce F : [A,b] → (–∞, ∞] je nižší polokontinuální, což znamená
pro všechny X v [A,b], pak F je ohraničen níže a dosahuje svého infimum.
Funkce se skutečnou hodnotou je horní i dolní polokontinuální, právě když je spojitá v obvyklém smyslu. Tyto dvě věty tedy implikují teorém o omezenosti a větu o extrémní hodnotě.
Reference
- ^ Rusnock, Paul; Kerr-Lawson, Angus (2005). "Bolzano a jednotná kontinuita". Historia Mathematica. 32 (3): 303–311. doi:10.1016 / j.hm.2004.11.003.
- ^ A b Rudin, Walter (1976). Principy matematické analýzy. New York: McGraw Hill. str. 89–90. ISBN 0-07-054235-X.
- ^ Keisler, H. Jerome (1986). Elementární kalkul: nekonečně malý přístup (PDF). Boston: Prindle, Weber & Schmidt. p. 164. ISBN 0-87150-911-3.
Další čtení
- Adams, Robert A. (1995). Calculus: A Complete Course. Čtení: Addison-Wesley. 706–707. ISBN 0-201-82823-5.
- Protter, M. H.; Morrey, C. B. (1977). „Věty o omezenosti a extrémní hodnotě“. První kurz reálné analýzy. New York: Springer. 71–73. ISBN 0-387-90215-5.
externí odkazy
- Důkaz věty o extrémní hodnotě na cut-the-uzel
- "Věta o omezenosti". PlanetMath.
- „Věta o extrémní hodnotě“. PlanetMath.
- Věta o extrémní hodnotě Jacqueline Wandzura s dalšími příspěvky Stephena Wandzury, Demonstrační projekt Wolfram.
- Weisstein, Eric W. „Věta o extrémní hodnotě“. MathWorld.
- Systém Mizar důkaz: http://mizar.org/version/current/html/weierstr.html#T15