О применении функций Гаусса и Лапласа в сочетании с теоремой Колмогорова для аппроксимации функций многих переменных

  • Андрей Владимирович Чернов
    • Нижегородский государственный университет
Ключевые слова: аппроксимация функций многих переменных, теорема Колмогорова, функция Гаусса, интеграл Лапласа, квадратичная экспонента

Аннотация

Исследуется специальный класс аппроксимаций измеримых функций многих переменных на единичном координатном кубе. Основу построения этого класса составляет теорема Колмогорова (в версии Шпрехера–Голубкова) о представлении произвольной непрерывной функции $f$ многих переменных в виде конечной суперпозиции непрерывных функций одного переменного: так называемых внешних (зависящих от $f$) и одной внутренней $\Psi$ (не зависящей от $f$ и монотонной). Изучаемый класс в случае непрерывных функций $f$ получается посредством аппроксимации внешних функций линейными комбинациями квадратичных экспонент (функций Гаусса), а внутренней функции $\Psi$ — линейными комбинациями функций Лапласа. Измеримая функция $f$, как известно, аппроксимируется непрерывной в соответствии с классической теоремой Лузина (с точностью до множества малой меры). Эффективность такого подхода основана на утверждениях о возможности сколь угодно точной аппроксимации на любом фиксированном конечном отрезке материнского вейвлета «мексиканская шляпа» линейной комбинацией двух функций Гаусса, а также о возможности сколь угодно точной равномерной аппроксимации непрерывных монотонных функций монотонной линейной комбинацией сдвигов и сжатий интеграла Лапласа (функций Лапласа). Доказывается всюду плотность изучаемого класса аппроксимаций в классе непрерывных функций многих переменных на координатном кубе. Приводятся результаты численных экспериментов, подтверждающие эффективность аппроксимаций изучаемого класса на примере непрерывных и кусочно непрерывных функций двух переменных.

Литература

1. Чернов А.В. О применении функций Гаусса в сочетании с теоремой Колмогорова для аппроксимации функций многих переменных // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2020. Т. 60. № 5. С. 784–801. https://doi.org/10.31857/S0044466920050075
2. Колмогоров А.Н. О представлении непрерывных функций нескольких переменных в виде суперпозиций непрерывных функций одного переменного и сложения // Доклады АН СССР. 1957. Т. 114. № 5. С. 953–956. https://www.mathnet.ru/rus/dan22050
3. Sprecher D.A. On the structure of continuous functions of several variables // Transactions of the American Mathematical Society. 1965. Vol. 115. P. 340–355. https://doi.org/10.2307/1994273
4. Голубков А.Ю. Построение внешних и внутренних функций представления непрерывных функций многих переменных суперпозицией непрерывных функций одного переменного // Фундаментальная и прикладная математика. 2002. Т. 8. Вып. 1. С. 27–38. https://www.mathnet.ru/rus/fpm628
5. Бутырский Е.Ю., Кувалдин И.А., Чалкин В.П. Аппроксимация многомерных функций // Научное приборостроение. 2010. Т. 20. № 2. С. 82–92. https://elibrary.ru/item.asp?id=14307440
6. Чернов А.В. О применении квадратичных экспонент для дискретизации задач оптимального управления // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. 2017. Т. 27. Вып. 4. С. 558–575. https://doi.org/10.20537/vm170406
7. Чернов А.В. О равномерной монотонной аппроксимации непрерывных монотонных функций с помощью сдвигов и сжатий интеграла Лапласа // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2022. Т. 62. № 4. С. 580–596. https://www.mathnet.ru/rus/zvmmf11383
8. Чернов А.В. О монотонной аппроксимации кусочно непрерывных монотонных функций с помощью сдвигов и сжатий интеграла Лапласа // Известия Института математики и информатики Удмуртского государственного университета. 2023. Т. 61. С. 187–205. https://doi.org/10.35634/2226-3594-2023-61-10
9. Maz'ya V., Schmidt G. Approximate approximations. Providence, RI: American Mathematical Society, 2007. https://doi.org/10.1090/surv/141
10. Riemenschneider S.D., Sivakumar N. Cardinal interpolation by Gaussian functions: A survey // The Journal of Analysis. 2000. Vol. 8. P. 157–178. https://zbmath.org/0972.41009
11. Luh Lin-Tian. The shape parameter in the Gaussian function // Computers and Mathematics with Applications. 2012. Vol. 63. Issue 3. P. 687–694. https://doi.org/10.1016/j.camwa.2011.11.032
12. Hangelbroek T., Madych W., Narcowich F., Ward J.D. Cardinal interpolation with Gaussian kernels // Journal of Fourier Analysis and Applications. 2012. Vol. 18. Issue 1. P. 67–86. https://doi.org/10.1007/s00041-011-9185-2
13. Hamm K. Approximation rates for interpolation of Sobolev functions via Gaussians and allied functions // Journal of Approximation Theory. 2015. Vol. 189. P. 101–122. https://doi.org/10.1016/j.jat.2014.10.011
14. Griebel M., Schneider M., Zenger C. A combination technique for the solution of sparse grid problems // Iterative methods in linear algebra. Proceedings of the IMACS international symposium, Brussels, Belgium, 2–4 April, 1991. Amsterdam: North-Holland, 1992. P. 263–281. https://zbmath.org/0785.65101
15. Georgoulis E.H., Levesley J., Subhan F. Multilevel sparse kernel-based interpolation // SIAM Journal on Scientific Computing. 2013. Vol. 35. Issue 2. P. A815–A831. https://doi.org/10.1137/110859610
16. Вулих Б.З. Краткий курс теории функций вещественной переменной (введение в теорию интеграла). М.: Наука, 1973.
17. Moré J.J., Thuente D.J. Line search algorithms with guaranteed sufficient decrease // ACM Transactions on Mathematical Software. 1994. Vol. 20. No. 3. P. 286–307. https://doi.org/10.1145/192115.192132
Поступила в редакцию 2024-01-29
Опубликована 2024-05-20
Выпуск
Раздел
Математика
Страницы
114-131