OsipovRoman 16 апр 2018 в 12:04

Новое доказательство теоремы о многочлене

3 мин

8.1K

Блог компании Trinity Digital & Баласс GroupЗанимательные задачкиМатематика*

В статье приводится новое доказательство красивой и трудной теоремы математического анализа, изложенное таким образом, что оно доступно учащимся старших классов профильных математических школ.

Пусть $inline$ — бесконечно много раз дифференцируемая действительная функция, причем для каждой точки $x\in R$ найдется натуральное $inline$ такое, что $f^{(n)}(x)=0$ . Тогда $inline$ многочлен.

Доказательство

Нам понадобится теорема Бэра о системе замкнутых множеств:

1. Пусть $inline$ и $F_{1},F_{2},...,F_{n},...$ замкнутые подмножества прямой, причем $H \neq \varnothing$ и $H\subset \bigcup \limits_{n} F_{n}$ . Тогда в $inline$ найдется точка, которая содержится в одном из $F_{n}$ вместе со своей окрестностью. Более точно, найдется точка $x\in H$ , натуральное $inline$ и $\varepsilon >0$ такие, что $(x-\varepsilon;x+\varepsilon)\cap H \subset F_{n}$ .

Действительно (от противного), выберем точку $x_{1} \in H$ и окружим ее окрестностью $\Delta_{1}=(x-\varepsilon_{1};x+\varepsilon_{1})$ , где $\varepsilon_{1}<1$ . Мы предположили, что утверждение теоремы Бэра не верно. Значит $\Delta_{1} \cap H \not \subset F_{1}$ . Выберем в $\Delta_{1} \cap H$ точку $x_{2}\notin F_{1}$ . Окружим $x_{2}$ интервалом $\Delta_{2}=(x_{2}-\varepsilon_{2};x_{2}+\varepsilon_{2})$ таким, что концы этого интервала — точки $x_{2}-\varepsilon_{2}$ и $x_{2}+\varepsilon_{2}$ лежат в $\Delta_{1}$ , а $\varepsilon_{2}<\frac{1}{2}$ . По предположению $\Delta_{2}\cap H\notin F_{2}$ . Это позволяет выбрать в $\Delta_{2} \cap H$ некоторую точку $x_{3} \notin F_{2},...$ Продолжая процесс, мы построим вложенную стягивающуюся последовательность интервалов $\Delta_{1}\supset \Delta_{2}\supset ...$ Ясно, что

$x_{1}-\varepsilon_{1}< x_{2}-\varepsilon_{2}<...<x_{n}-\varepsilon_{n}...$ , (1)
$x_{1}+\varepsilon_{1}>x_{2}+\varepsilon_{2}>...>x_{n}+\varepsilon_{n}...$ (2)

Так как каждый промежуток $\Delta_{i}\cap H\neq \varnothing$ , то $\lim _{i\to \infty}(x_{i}-\varepsilon_{i})=\lim_{i\to\infty} (x_{i}+\varepsilon_{i})=y, y\in H$ , а из (1) и (2) следует, что $y\in \Delta_{i}$ для каждого $inline$ . Таким образом мы нашли точку $y \in H$ , но не лежащую ни в одном из множеств
$F_{i} \phantom{1} (i=1,2,...)$ .

Скажем, что точка на действительной прямой правильная, если в некоторой окрестности этой точки функция $inline$ — многочлен. Множество всех правильных точек обозначим символом $inline$ . Множество $inline$ , дополнительное к $inline$ обозначим через $inline$ и назовем множеством неправильных точек. (Будем говорить, что если $x\in F$ , то $inline$ — неправильная точка).

2. Если каждая точка отрезка $inline$ правильная, то сужение $inline$ на $inline$ — многочлен.

Действительно, для каждой точки $t\in [a;b]$ найдется интервал такой, что сужение $inline$ на этот интервал — многочлен. Т.е. для каждой точки найдется интервал и некоторое натуральное $inline$ , что $f^{(n)}(x)$ равна нулю на этом интервале.

Из компактности отрезка $inline$ следует, что найдется такое натуральное $inline$ , что $f^{(m)}(x)=0$ всюду на $inline$ , следовательно $inline$ — многочлен.

3. Если каждая точка полуинтервала $inline$ правильная, то
сужение $inline$ на $inline$ — многочлен.

Доказательство. Рассмотрим возрастающую последовательность $a=a_{1}<a_{2}<a_{3}<...<a_{n}<...$ такую, что $a_{n}$ сходится к $inline$ . По доказанному в предыдущем пункте на каждом из отрезков $[a_{1};a_{2}],...,[a_{1};a_{n}],...$ сужение $inline$ — многочлен. Пусть $P_{k}(x)$ — многочлен, совпадающий с $inline$ на отрезке $[a_{1};a_{k+1}]$ . Ясно, что $P_{k}(x)=P_{1}(x)$ для всех $inline$ Поэтому $P_{1}(x)$ совпадает с $inline$ на $inline$ , значит и в точке $inline$ . (Напомним, что $P_{1}(x)$ и $inline$ непрерывны всюду на $inline$ ).

Аналогично предыдущему легко доказать, что:

4. Если каждая точка полуинтервала $inline$ или интервала $inline$ — правильная, то $inline$ — многочлен на $inline$ .

Приступим к исследованию неправильных точек, т.е. точек множества $inline$ .

5. Множество $inline$ не содержит изолированных точек.

Действительно. Пусть $a\in F$ — изолированная точка. Тогда для некоторого $\varepsilon >0\phantom{1} [a-\varepsilon,a)$ и $(a,a+\varepsilon]$ состоят из правильных точек. Значит, сужение $inline$ на $[a-\varepsilon;a]$ и на $[a;a+\varepsilon]$ многочлены. Ясно, что при достаточно большом $inline$ ( $inline$ должно быть больше степеней каждого из этих многочленов) $f^{n}(x)$ будет равна нулю всюду на $[a-\varepsilon;a+\varepsilon]$ . Т.е. $inline$ является правильной точкой.

6. Пусть множество $inline$ неправильных точек не пусто. Положим $E_{n}=\{ x:f^{(n)}(x)=0 \}$ . Ясно, что $F \subset \bigcup \limits_{n} E_{n}$ и каждое $E_{n}$ замкнуто. Из теоремы Бэра (см. 1.) следует, что найдется интервал $inline$ такой, что $(a;b) \cap F\neq 0$ и $(a;b) \cap F$ лежит в одном из $E_{n}$ .

Рассмотрим функцию $f^{(n)}(x)$ . Эта функция равна нулю в каждой точке $x\in F \cap (a;b)$ . Так как каждая неправильная точка является предельной для множества $inline$ , то $f^{(n+k)}(x)=0$ для всех целых $k\geq 0$ и всех $x\in (a;b)\cap F$ .

Докажем, что $f^{n}(x)$ равна $inline$ всюду на $inline$ . Пусть не так. Тогда найдется $c \in (a;b)$ такая, что $f^{(n)}(c)\neq 0$ . Так как множество $inline$ не пусто и замкнуто, то найдем в нем точку $inline$ , ближайшую к $inline$ . Для определенности положим $inline$ . Функция $g(x)=f^{(n)}(x)$ бесконечно много раз дифференцируема на $[d;c], \phantom{1} g(d)=0$ и все производные $g^{n}(d)=0$ . Так как $g(c) \neq 0$ , то по теореме о конечных приращениях Лагранжа $g^{(n)}(x)$ не может быть равна нулю всюду на $inline$ ни для одного натурального $inline$ .

Слободник Семён Григорьевич,
разработчик контента для приложения «Репетитор: математика» (см. статью на Хабре), кандидат физико-математических наук, учитель математики школы 179 г. Москвы

Теги:

Хабы:

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку

Новое доказательство теоремы о многочлене

Доказательство

Публикации

Информация

Истории