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魏爾斯特拉斯函數
鎖定
歷史上,魏爾斯特拉斯函數是一個著名的數學反例。在此之前,數學家認為除了少數特殊點以外,連續函數在每一點處都可導。魏爾斯特拉斯函數是第一個被發現的處處連續而處處不可導的函數,説明了所謂的“病態”函數的存在性,改變了當時數學家對連續函數的看法,具有重要意義。
- 中文名
- 魏爾斯特拉斯函數
- 外文名
- Weierstrass function
- 性 質
- 魏爾斯特拉斯函數不是利普希茨連續的,但可以是赫爾德連續的
- 提出者
- 卡爾·魏爾斯特拉斯
- 函數定義
- 傅里葉級數
- 釋 義
- 是一類處處連續而處處不可導的實值函數
魏爾斯特拉斯函數構造
在魏爾斯特拉斯的原始文獻中,這個函數定義為一個傅里葉級數:
其中
,
為正奇數,使得:
證明這個函數處處連續並不困難。由於無窮級數的函數項
的絕對值不大於常數
,而正項級數
是收斂的,由魏爾斯特拉斯判別法可知,這個函數項級數一致收斂。又由於每一個函數項
都是
上的連續函數,所以級數和
也是
上的連續函數。不僅如此,由於每一項都是一致連續的,所以
也是一致連續的。
這與函數可導的定義矛盾。
一般人在直覺上會認為連續的函數必然是可導的,即使不可導,不可導的點也必然只佔整體的一小部分(例如是可數集或零測集)。根據魏爾斯特拉斯的論文,之前的數學家,包括高斯,通常都是這樣假定的。這可能是因為直觀上很難想象一個連續但在不可數個點上不可導的函數。只有對於性質良好的函數,例如利普希茨函數,不可導的點才一定是零測集。
魏爾斯特拉斯函數可以説是第一個分形函數,儘管這個名詞當時還不存在。將魏爾斯特拉斯函數在任一點放大,所得到的局部圖都和整體圖形相似。無論如何放大,函數圖像都不會顯得更加平滑,不像可導函數那樣越來越接近直線;仍然具有無限的細節,不存在單調的區間。函數圖像的豪斯多夫維數
,並且普遍認為等號總是成立的,但這還沒有得到嚴格證明。
魏爾斯特拉斯函數性質
魏爾斯特拉斯函數推廣
在實分析中,凡具有和魏爾斯特拉斯的原始定義相似的構造與性質的函數,都可稱為魏爾斯特拉斯函數。
本華·曼德博(Benoit Mandelbrot)給出的推廣具有形式: