Satz von Stone-Weierstraß

Der Approximationssatz von Stone-Weierstraß (nach Marshall Harvey Stone und Karl Weierstraß) ist ein Satz aus der Analysis, der sagt, unter welchen Voraussetzungen man jede stetige Funktion durch einfachere Funktionen beliebig gut approximieren kann.

Satz

Jede Unteralgebra P der Funktionenalgebra A der stetigen reellwertigen oder komplexwertigen Funktionen auf einem kompakten Hausdorff-Raum M,

die punktetrennend ist: $\forall x\neq y\in M:\exists g\in \mathbf {P} :\;g(x)\neq g(y)$ ,
für die keine ihrer Auswertungsfunktionen die Nullfunktion ist: $\forall x\in M:\exists g\in \mathbf {P} :g(x)\neq 0$ ,
und die – im Falle, dass der Grundkörper ${\mathbb {K}}$ der Körper der komplexen Zahlen ist – bezüglich komplexer Konjugation abgeschlossen ist, für die also mit jedem $f\in \mathbf {P}$ auch die zugehörige konjugiert komplexe Funktion ${\overline {f}}\colon X\to \mathbb {K} ,x\mapsto {\overline {f(x)}},$ in P enthalten ist,

liegt bezüglich der Topologie der gleichmäßigen Konvergenz dicht in A.

Das bedeutet: Jede stetige Funktion von M in den Grundkörper ${\mathbb {K}}$ kann unter den angegebenen Voraussetzungen durch Funktionen aus P beliebig gut gleichmäßig approximiert werden.

Folgerungen

Dieser Satz ist eine Verallgemeinerung des Approximationssatzes von Weierstraß, wonach man jede stetige Funktion gleichmäßig auf einem kompakten Intervall durch Polynome approximieren kann. Dieser Spezialfall kann leicht aus dem obigen allgemeinen Satz hergeleitet werden, wenn man als Unteralgebra P die Menge der Polynome nimmt (s. auch Bernsteinpolynome).
Eine weitere wichtige Folgerung (oft ebenfalls als Approximationssatz von Weierstraß bezeichnet) ist, dass jede stetige Funktion auf dem kompakten Intervall [0,2π] mit gleichem Wert bei 0 und 2π gleichmäßig durch trigonometrische Polynome (d.h. Polynome in sin(x) und cos(x) bzw. Linearkombinationen aus sin(nx) und cos(nx), n∈ℕ) approximiert werden kann (siehe dazu auch den Artikel über Fourierreihen).
Mittels der Alexandroff-Kompaktifizierung überträgt sich der Satz auch auf den Raum der $C_{0}$ -Funktionen (siehe dort) auf einem lokalkompakten Hausdorff-Raum.

Historie

1885 veröffentlichte Weierstraß einen Beweis seines Satzes. Unabhängig davon fanden mehrere Mathematiker weitere Beweise, etwa Runge (1885), Picard (1891), Volterra (1897), Lebesgue (1898), Mittag-Leffler (1900), Fejér (1900), Lerch (1903), Landau (1908), de La Vallée Poussin (1912) und Bernstein (1912).

Verallgemeinerungen

Zum Approximationssatz von Stone-Weierstraß wurden mehrere Verallgemeinerungen gefunden, so etwa der Satz von Bishop. Mit beiden Sätzen eng verbunden ist das Lemma von Machado, mit dessen Hilfe eine verallgemeinerte Fassung des Approximationssatzes von Stone-Weierstraß hergeleitet werden kann, welche diesen auf beliebige Hausdorffräume und die dazu gehörigen Funktionenalgebren der im Unendlichen verschwindenden stetigen Funktionen ausdehnt.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de