数学物理学报, 2021, 41(3): 583-594 doi:

论文

广义带参Bernstein-Bézier算子的逼近性质

齐秋兰,, 郭丹丹

Approximation Properties of a New Bernstein-Bézier Operators with Parameters

Qi Qiulan,, Guo Dandan

通讯作者: 齐秋兰, E-mail: qiqiulan@163.com

收稿日期: 2020-04-17  

基金资助: 国家自然科学基金.  11871191
河北省教育厅基金.  ZD2019053
河北师范大学基金.  L2020Z03

Received: 2020-04-17  

Fund supported: the NSFC.  11871191
the Scientific Research Fund of Hebei Provincial Education Department.  ZD2019053
the NSF of Hebei Normal University.  L2020Z03

Abstract

In this paper, a new generalized Bernstein-Bézier type operators is constructed. The estimates of the moments of these operators are investigated. The rate of convergence in terms of modulus of continuity is given. Then, the equivalent theorem of these operators is studied.

Keywords: Bernstein-Bézier type operators ; Convergence theorem ; Modulus of continuity ; Cauchy-Schwarz inequality

PDF (309KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

齐秋兰, 郭丹丹. 广义带参Bernstein-Bézier算子的逼近性质. 数学物理学报[J], 2021, 41(3): 583-594 doi:

Qi Qiulan, Guo Dandan. Approximation Properties of a New Bernstein-Bézier Operators with Parameters. Acta Mathematica Scientia[J], 2021, 41(3): 583-594 doi:

1 引言

著名的Bernstein多项式定义如下[1]: 设$ f(x)\in C[0, 1] $, 则

其中$ p_{n, k}(x) = \left(^{n}_{k}\right)x^{k}(1-x)^{n-k}, k = 0, 1, 2, \cdots n. $

经典的Bernstein-Bézier多项式定义如下[2]: 设$ \alpha >0, $$ f(x)\in C[0, 1] $, 有

$ \begin{equation} B_{n, \alpha}(f, x) = \sum\limits^{n}_{k = 0}f(\frac{k}{n})\left[J^{\alpha}_{n, k}(x)-J^{\alpha}_{n, k+1}(x)\right] , \end{equation} $

其中$ J_{n, k}(x) = \sum\limits^{n}_{i = k}p_{n, i}(x), k = 0, 1, \cdots, n $, $ J_{n, k}(x) $$ n $阶Bézier基函数, 且$ 1 = J_{n, 0}(x)\ge J_{n, 1}(x)\ge\cdot\cdot\cdot\ge J_{n, n}(x) = x^n $.

在计算机辅助几何设计中, Bézier型算子是非常有用的, 它们的解析性质已经被许多学者研究, 参见文献[2-9]. 2013年, Ren介绍了一类Bernstein-Bézier算子, 其定义为[8]: 设$ f(x)\in C[0, 1], \beta\in[0, 1], $

其中

$ B(\cdot , \cdot) $为Beta函数.

2017年, Ren[10]又引入参数$ \alpha $, 改进了上述算子为$ E_{n, \beta}^{\alpha}(f;x) $, 并研究了这些算子逼近的Jackson型定理. 为了得到该类算子逼近的Bernstein型定理, 我们对这类算子再次进行了修正, 本文所研究的新算子定义如下: 设$ \beta\in[0, 1], \alpha\geq1, n\geq 2, $

其中$ Q_{n, k}^{(\alpha)}(x) = J^{\alpha}_{n, k}(x)-J^{\alpha}_{n, k+1}(x), $$ J_{n, k}(x) $, $ F_{n-1, k}^{(\beta)}(f) $定义如上.

易知, $ L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x) $是C$ [0, 1] $上的有界正算子,当$ \alpha = 1 $时, $ L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x) $即为$ E_{n, \beta}(f;x) $; 当$ \beta = 0 $时, $ L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x) $即为$ B_{n, \alpha}(f, x) $.

首先介绍本文所涉及的一些定义. 我们考虑$ f(x)\in C[0, 1] $: = $ \{f:f(x) $$ [0, 1] $上连续$ \} $, $ f(x) $的范数定义为: $ \|f\| = \max\{|f(x)|: x\in [0, 1]\}. $

定义1.1   设$ f(x)\in C[0, 1] $, $ \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)} $, $ \lambda\in[0, 1] $, 连续模定义为

定义1.2   设$ f(x)\in C[0, 1] $, $ \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)} $, $ \lambda\in[0, 1] $, $ K $-泛函定义为

其中$ W_{\lambda} = \{g|g\in AC_{loc [0, 1]}, \|\varphi^{\lambda} g^{'}\|<\infty\}. $

注1.1   由文献[1]可知: $ K_{\varphi^{\lambda}}(f;t)\sim \omega_{\varphi^{\lambda}}(f;t). $

本文将得到所修正的广义含参量Bernstein-Bézier算子在$ C[0, 1] $上的逼近正逆定理及等价定理.

定理1.1 (Korovkin定理)   设$ f(x)\in C[0, 1] $, $ \alpha\geq1 $, $ \beta\in[0, 1], n\ge 2, $$ L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x) $$ [0, 1] $上一致收敛于$ f(x) $.

定理1.2  设$ f(x)\in C[0, 1] $, $ \alpha\geq1 $, $ \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)} $, $ \beta\in[0, 1], 0\leq\lambda\leq1, n\ge 2, $

定理1.3  设$ f(x)\in C^{1}[0, 1] $: = $ \{f:f'(x) $$ [0, 1] $上连续$ \} $, $ \alpha\geq1, \beta\in[0, 1], n\ge 2 $, 则

定理1.4   设$ f(x)\in C[0, 1] $, $ \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)} $, $ \beta\in[0, 1], 0\leq\gamma\leq1, 0\leq\lambda\leq1, $$ \alpha\geq1, $$ n\ge 2 $, 若

$ \omega_{\varphi^{\lambda}}(f;t) = O(t^{\gamma}). $

由定理1.2和定理1.4, 我们可以得到如下的等价定理.

定理1.5  设$ f(x)\in C[0, 1] $, $ \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)} $, $ \beta\in[0, 1], 0\leq\gamma\leq1, 0\leq\lambda\leq1, $$ \alpha\geq1, $$ n\ge 2 $, 有

注1.2   本文中, $ M $是一个不依赖于$ n $$ x $的正常数, 不同地方$ M $的取值可能不同.

注1.3[1]   对于$ B_n(t^{j};x), j = 0, 1, 2, $

2 重要引理

利用文献[2, 7, 10] 中的方法, 可以得到本文所研究的算子矩的估计, 我们将省略具体推算过程.

引理2.1[10]   对于$ F_{n-1, k}^{(\beta)}(t^{i}) $, $ i = 0, 1, 2, \beta\in[0, 1], n\ge 2, $

引理2.2  对于$ L_{n, \beta}(t^{i};x) $, $ i = 0, 1, 2, \beta\in[0, 1], n\ge 2, $

引理2.3   令$ n\ge 2 $, 则

引理2.4[2, 10]    令$ \alpha\geq1, n\ge 2 $, 则

引理2.5[7, 10]    令$ x\in[0, 1] $, $ \alpha\geq1 $, $ k = 0, 1, \cdots n-1, $

引理2.6   令$ \alpha\geq1, \beta\in[0, 1], $

引理2.7   令$ \alpha\geq1 $, $ \beta\in[0, 1], \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)}, n\ge 2 $, 则

特别地, 当$ \alpha = 1, x\in E_{n} $时, 有$ L_{n, \beta}((t-x)^{2};x)\leq \frac{3\varphi^{2}(x)}{n-1}. $

为了得到逆定理, 需要下面两个重要的引理, 这两个引理的证明较长,我们把具体的推导过程放在文章的最后一节.

引理2.8  设$ f(x)\in C[0, 1] $, $ \alpha\geq1, \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)} $, $ \beta\in[0, 1], 0\leq\lambda\leq1, n\ge 2 $, 则

引理2.9   设$ f(x)\in W_{\lambda} $, $ \varphi(x) = \sqrt{x(1-x)}, \alpha\geq 1, \beta\in[0, 1], 0\leq\lambda\leq 1, n\ge 2 $, 则

3 定理的证明

定理1.1的证明  根据Korovkin定理[11], 结合引理2.6, 定理1.1得证.

定理1.2的证明  令$ g\in W_{\lambda} $, 则$ |L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x)-f(x)|\leq 2\|f-g\|+|L_{n, \beta}^{(\alpha)}(g;x)-g(x)|. $由于$ g(t) = \int^{t}_{x}g'(u){\rm d}u+g(x), $$ L_{n, \beta}^{(\alpha)}(1;x) = 1, $我们可以得到

结合Hölder不等式,可得

$ \begin{equation} \left|\int^{t}_{x}\varphi^{-\lambda}(u){\rm d}u\right|\leq 4\varphi^{-\lambda}(x)\cdot|t-x|, \end{equation} $

因此

根据$ L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x) $的定义和引理2.7(2) 可得

结合文献[1]中的定理8.4.8, 有

上式右边对所有$ g\in W_{\lambda} $取下确界并注意到注1.1, 即可得到定理1.2.

定理1.3的证明   对于任意的$ \delta>0 $, $ t, x\in[0, 1] $, 当$ |t-x|<\delta $时, 通过泰勒展式, 有

应用Cauchy-Schwarz不等式可得

因此

$ \delta = \frac{1}{\sqrt{n}} $, 结合引理2.7(1) 可得定理1.3.

定理1.4的证明   由$ K $ -泛函定义及引理2.8, 引理2.9可知

应用Berens-Lorentz引理[1], 并结合关系式$ \omega_{\varphi^{\lambda}}(f;t)\sim K_{\varphi^{\lambda}}(f;t), $可得到定理1.4.

4 引理2.8和引理2.9的证明

引理2.8的证明   我们记

$ \begin{equation} \left(L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x)\right)' = f(0)(Q_{n, 0}^{(\alpha)}(x))'+\left(\sum\limits^{n-1}_{k = 1}Q_{n, k}^{(\alpha)}(x)F_{n-1, k}^{(\beta)}(f)\right)'+f(1)(Q_{n, n}^{(\alpha)}(x))' = I_{1}+I_{2}+I_{3}, \end{equation} $

下面分别估计$ I_{1} $, $ I_{2} $$ I_{3} $.

首先, 注意到$ J_{n, 0}'(x) = 0, $可得

$ x\in [0, \frac{1}{n}) $时, 有

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)\cdot |I_{1}|\leq \alpha\varphi^{\lambda-1}\sqrt{n}\|f\|\cdot\sqrt{n}\cdot\sqrt{x(1-x)}\leq\alpha\varphi^{\lambda-1}(x)\sqrt{n}\|f\|. \end{equation} $

$ x\in (1-\frac{1}{n}, 1] $时, 有

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)\cdot |I_{1}|\leq \alpha\varphi^{\lambda-1}\sqrt{n}\|f\|\cdot\sqrt{n}\cdot\sqrt{x(1-x)}\leq\alpha\varphi^{\lambda-1}(x)\sqrt{n}\|f\|. \end{equation} $

$ x\in E_{n} = [\frac{1}{n}, 1-\frac{1}{n}] $时, 有

$ \begin{equation} |I_{1}| = |-\alpha f(0)J_{n, 1}^{\alpha-1}(x)J_{n, 1}'(x)|\leq|-\alpha f(0)\cdot[1-p_{n, 0}(x)]'| = |\alpha f(0)\cdot p_{n, 0}'(x)|, \end{equation} $

结合

我们得到

$ \begin{eqnarray} \varphi^{\lambda}(x)\cdot |I_{1}| \leq\alpha\|f\|\cdot\sum\limits^{n}_{k = 0}\left|p_{n, k}'(x)\right|\cdot\varphi^{\lambda-1}(x) \leq\alpha\varphi^{\lambda-1}(x)\sqrt{n}\|f\|. \end{eqnarray} $

综合(4.2)–(4.5)式, 可得$ \varphi^{\lambda}(x)\cdot |I_{1}|\leq\alpha\varphi^{\lambda-1}(x)\sqrt{n}\|f\|. $

其次, 注意到$ J_{n, n+1}'(x) = 0, $

$ x\in [0, \frac{1}{n})\bigcup(1-\frac{1}{n}, 1] $时, 用估计(4.2)式和(4.3)式的方法可得

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)\cdot |I_{3}|\leq\alpha\varphi^{\lambda-1}(x)\sqrt{n}\|f\|. \end{equation} $

$ x\in E_{n} = [\frac{1}{n}, 1-\frac{1}{n}] $时, 结合$ |p_{n, n}'(x)|\leq \sum\limits^{n}_{k = 0}|p_{n, k}'(x)| $, 用估计(4.5)式的方法也可得相应于(4.6)式的结果.

最后, 考虑$ I_{2} $:由于$ |F_{n-1, k}^{(\beta)}(f)| \leq \|f\|, $

由此

注意到$ J_{n, 1}'(x)>0, J_{n, 0}'(x) = 0, J_{n, n+1}(x) = 0 $, 可得

又因为$ \alpha\|f\|\cdot p_{n, n}'(x)\leq\alpha\|f\|\sqrt{n}\cdot\sqrt{n}, $$ \alpha\|f\|\cdot |p_{n, 0}'(x)|\leq\alpha\|f\|\sqrt{n}\cdot\sqrt{n}, $用估计$ I_{1} $相同的方法, 有

接下来我们考虑$ Q_{2}. $

$ x = 0 $

$ x = 1 $

$ 0 < x < 1 $

所以

综上知

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)Q_{2}\leq 5\varphi^{\lambda-1}(x)\sqrt{n} \end{equation} $

所以

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)|I_{2}|\leq \alpha\|f\|\cdot \varphi^{\lambda}(x)\left(Q_{1}+Q_{2}\right)\leq 12\alpha\sqrt{n}\|f\|\cdot \varphi^{\lambda-1}(x). \end{equation} $

由(4.2)–(4.8)式可得所求.

引理2.9的证明  由于$ f(x)\left(L_{n, \beta}^{(\alpha)}(1;x)\right)' = 0, $

我们记

$ \begin{equation} \left(L_{n, \beta}^{(\alpha)}(f;x)\right)' = H_{1}+H_{2}+H_{3}, \end{equation} $

接下来分别估计$ H_{1} $, $ H_{2} $$ H_{3} $. 首先由(3.1)式, 知

通过求$ nx(1-x)^{n-1} $$ [0, 1] $上的最大值, 可知

因此

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)|H_{1}|\leq4\alpha\|\varphi^{\lambda} f'\|. \end{equation} $

同理, 有

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)|H_{3}|\leq4\alpha\|\varphi^{\lambda} f'\|. \end{equation} $

接下来估计$ H_2: $

由(3.1)式知

所以

$ \begin{equation} \varphi^{\lambda}(x)|H_{2}|\leq4\alpha\|\varphi^{\lambda} f'\|\cdot(A+B), \end{equation} $

我们将在$ E_n^C $$ E_n $上分别估计$ A $$ B. $

(I) 当$ x\in E_{n}^{c} = [0, \frac{1}{n})\bigcup(1-\frac{1}{n}, 1] $时, 有

$ \begin{equation} B\leq L_{1}+L_{2}. \end{equation} $

由于$ E_{n-1, \beta}((t-x)^{2};x)\leq \frac{2\varphi^{2}(x)}{n-1}, $应用Cauchy-Schwarz不等式可得

$ x\in [0, \frac{1}{n}) $时, 有

$ \begin{equation} L_{2}\leq 2n\cdot \frac{\sqrt{\frac{1}{n}}\cdot\sqrt{1-x}}{\sqrt{n}}\leq 2; \end{equation} $

$ x\in (1-\frac{1}{n}, 1] $时, 有

$ \begin{equation} L_{2}\leq 2n\cdot \frac{\sqrt{x}\cdot\sqrt{\frac{1}{n}}}{\sqrt{n}}\leq 2. \end{equation} $

接下来我们估计$ L_{1} $.

通过求$ nx(1-x)^{n-1} $$ [0, 1] $上的最大值, 可知$ nx(1-x)^{n-1}\leq (1-\frac1n)^{n-1}< 1 $, 应用递推公式$ B(p, q) = \frac{p-1}{q}B(p-1, q+1), \ (p, q>0) $, 当$ j\geq1 $时, 有

进而

综上知

$ \begin{equation} L_{1}\leq L_{3}+5\leq 8, \end{equation} $

由(4.13)–(4.16)式, 知$ B\leq 10. $注意到$ J_{n, 0}'(x) = 0 $$ x\in E_{n}^{C} $, 有

$ k = j+1 $, 则

因此$ A\leq 14. $结合$ A $$ B $可知

$ \begin{equation} |\varphi^{\lambda}(x)H_{2}|\leq 96\alpha\|\varphi^{\lambda} f'\|. \end{equation} $

由(4.10)式, (4.11)式, (4.17)式, 对于$ x\in E_{n}^{C} $, 有

(Ⅱ) 当$ x\in E_{n} = [\frac{1}{n}, 1-\frac{1}{n}] $时, 注意到$ p_{n, k}'(x) = \frac{n}{\varphi^{2}(x)}(\frac{k}{n}-x)\cdot p_{n, k}(x) $, 应用Cauchy-Schwarz, 不等式可得

最后的一个不等关系中用到了引理2.7(2).

$ x\in E_{n}^{C} $时, 用相同的方法可得$ A\leq 4+B\leq 9, $那么

因此, 当$ x\in E_{n}, n\ge 2 $时, 有

证毕.

参考文献

Ditzian Z , Totik V . Moduli of Smoothness. Berlin: Spring-Verlag, 1987

[本文引用: 5]

Chang G .

Generalized Bernstein-Bézier polynomial

J Computer Math, 1983, 1 (4): 322- 327

[本文引用: 4]

Ye Z, Long X, Zeng X. Adjustment algorithms for Bézier curve and surface[C]//Proceedings of the 5th International Conference on Computer Science & Education. Hefei, China. 2010: 1712-1716. DOI: 10.1109/ICCSE.2010.5593563

Liu G , Yang X .

Approximation for a generalization of Bernstein operators

J Inequal Appl, 2016,

DOI:10.1186/s13660-016-1147-4     

Liu Z .

Approximation of continuous functions by the generalized Bernstein-Bézier polynomials

Approx Theory Appl, 1986, 2 (4): 105- 130

Zeng X , Piriou A .

On the rate of convergence of two Bernstein-Bézier type operators for bounded variation functions

J Approx Theory, 1998, 95, 369- 387

DOI:10.1006/jath.1997.3227     

李平, 龚有宏.

广义Bernstein-Bézier多项式的逼近阶

中国科学技术大学学报, 1985, 15 (1): 15- 18

URL     [本文引用: 2]

Li P , Gong Y .

The order of approximation by the generalized Bernstein-Bézier polynomial

J Univ of Science and Technology of China, 1985, 15 (1): 15- 18

URL     [本文引用: 2]

任美英.

一类Bernstein型算子的逼近性质

武夷学院学报, 2012, 31 (2): 1- 4

URL     [本文引用: 1]

Ren M .

Approximation properties of a kind of Bernstein type operators

J Wuyi Univ, 2012, 31 (2): 1- 4

URL     [本文引用: 1]

郭顺生, 刘国芬, 宋占杰.

关于Bernstein-Durrmeyer-Bézier算子在Lp空间中的逼近

数学物理学报, 2010, 30A (6): 1424- 1434

URL     [本文引用: 1]

Guo S , Liu G , Song Z .

On the approximation for Bernstein-Durrmeyer-Bézier operators in Lp spaces

Acta Math Sci, 2010, 30A (6): 1424- 1434

URL     [本文引用: 1]

Ren M , Zeng X , Zhang W .

Approximation of a kind of new Bernstein-Bézier type operators

J Computational Analysis and Applications, 2017, 23 (2): 355- 364

URL     [本文引用: 5]

陈文忠. 算子逼近论. 厦门: 厦门大学出版社, 1989

[本文引用: 1]

Chen W . Approximation Theort by Operators. Xiamen: Xiamen University Press, 1989

[本文引用: 1]

/