魏爾斯特拉斯函數

卡爾·魏爾斯特拉斯發現的函數

在數學中,魏爾斯特拉斯函數(Weierstrass function)是一類處處連續而處處不可導的實值函數。這個函數得名於它的發現者卡爾·魏爾斯特拉斯。 

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,說明了所謂的“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。

構造


魏爾斯特拉斯的原作中給出的構造是:
其中,為正奇數,使得:
這個函數以及它處處連續而又處處不可導的證明首次出現在魏爾斯特拉斯於1872年6月18日在普魯士科學院出版的一篇論文中。
證明這個函數處處連續並不困難。由於無窮級數的每一個函數項的絕對值都不大於常數,而正項級數是收斂的。由Weierstrass判別法可以知道原級數一致收斂。因此,由於每一個函數項都是 上的連續函數,級數和也是 上的連續函數。
下面證明函數處處不可導:對一個給定的點 ,證明的思路是找出趨於的兩個不同的數列和,使得
這與函數可導的定義矛盾,於是證明完畢。
一般人會直覺上認為連續的函數必然是近乎可導的。即使不可導,所謂不可導的點也必然只佔整體的一小部分。根據魏爾斯特拉斯在他的論文中所描述,早期的許多數學家,包括高斯,都曾經假定連續函數不可導的部分是有限或可數的。這可能是因為直觀上想象一個連續但在不可數個點上不可導的函數是很困難的事。當我們繪製函數的圖像時,總會畫出較為規則的圖形,例如滿足利普希茨條件的函數圖像。
魏爾斯特拉斯函數可以被視為第一個分形函數,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。因此,無論如何放大,函數圖像都不會顯得更加光滑,也不存在單調的區間。

稠密性


處處不可導函數的稠密性分析
分析學的成果表明,魏爾斯特拉斯函數並不是連續函數中的少數幾個特例之一。儘管它是“病態”函數的一種,但可以證明,這種病態的函數事實上不在“少數”,甚至比那些“規則”的函數“多得多”。
在測度論意義上:在配備了經典維納測度γ的連續函數空間中,至少有一處可導的函數所構成的集合的測度是0,也就是說和處處不可導的函數相比是可以“忽略”的。

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。

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。
魏爾斯特拉斯函數
魏爾斯特拉斯函數