Benutzer:Mathelerner/Approximationssatz von Stone-Weierstrass

Approximationssatz von Stone-Weierstrass

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Seien   beliebig und   eine stetige Funktion. Dann gilt für alle  : Es existiert ein Polynom  , das   erfüllt.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit gelte  .

Sei   eine binomialverteilte Zufallsvariable mit den Parametern   der Anzahl der Versuche bis zum ersten Erfolg (bei einer Folge unabhängiger Bernoulli-Versuche) und Erfolgswahrscheinlichkeit  . Dann gilt  .

Mit dem schwachen Gesetz der großen Zahlen ( !) folgt

 

für alle   (Konvergenz in Wahrscheinlichkeit von  gegen  ).

Diese Konvergenz bzgl.   ist sogar gleichmäßig in  , weil gemäß dem folgenden Lemma die Varianz von   durch eine Nullfolge ohne Abhängigkeit von   nach oben hin und nach unten hin durch 0 beschränkt ist.

Die Varianz von   ist beschränkt durch  .

Beweis des Lemmas

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Da   binomialverteilt ist, ist

 

. Wir suchen das globale Maximum bezüglich   auf  .

 

. Bei   befindet sich also ein lokaler Extremwert. Wegen

 

an der Stelle   ist dieses lokale Extremum ein lokales Maximum. Auf dem Rand (für   oder  ) ist die Varianz 0 und damit kleiner dem lokalen Maximum. Also liegt bei   ein globales Maximum mit Funktionswert  .

Beweis des Satzes Teil 2

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Das Intervall   ist abgeschlossen und beschränkt, also kompakt (Satz von Heine-Borel).   ist stetig (in  ), also insbesondere fast überall stetig.   ist stetig, also messbar. Außerdem ist   auf einem kompakten Intervall definiert.

Also ist   auf diesem Intervall auch gleichmäßig stetig und beschränkt (durch  , eine integrierbare Funktion mit endlichem Erwartungswert, siehe Lemma).

Daraus folgt für alle   die gleichmäßige Konvergenz in Wahrscheinlichkeit in   (nach dem gleichmäßigen Gesetz der großen Zahl, ), also

 .

(siehe auch hier????????) Aus der Beschränktheit von   (auf dem gegebenen Intervall) folgt mit dem Satz über die majorisierte Konvergenz für Zufallsvariablen die (gleichmäßige, weil Absolutbetrag unabhängig von   beschränkt und damit Erwartungswert ebenso (Monotonie des Erwartungswertes)) Konvergenz der Erwartungswerte

 .

Für alle Funktionen   und alle natürlichen Zahlen   gilt:

 

Beweis des Lemmas 2

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aufgrund des Binomischen Lehrsatzes.

Beweis des Satzes Teil 3

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Gemäß dem Lemma 2 gilt  . Sei  . Wegen der Stetigkeit von  existiert dann ein  , sodass gilt:

 

Zerlege die Summe in zwei Teile:

  • einen Teil  mit  -Werten, die  erfüllen und
  • einen Teil  mit  -Werten, die diese Bedingung nicht erfüllen.

Wegen der Stetigkeit von  gilt für alle Summenglieder von  :  und für all jene von  :   wegen der Beschränktheit von  auf  . Daraus ergibt sich:

 

. Mit der Dreiecksgleichung des Erwartungswertes und seiner Linearität folgt für ein beliebiges, fixes  :

 

. Definiere die Bernstein-Polynome durch

 

mit  

Dann genügt es, Lemma 3 zu zeigen, denn dann ist zusammengefasst (mit  ):

 

 

Es folgt schrittweise aus dem Gesetz des bewusstlosen Statistikers (»law of unconscious statistician«), der Berechnung der Wahrscheinlichkeitsfunktion und dem Einsetzen der Wahrscheinlichkeitsfunktion der Binomialverteilung das Ergebnis.