等波動定理(equioscillation theorem)
假設你已找到對某函數最好的 n 次多項式近似——最糟誤差最小的那個。你又該如何「認出」它?等波動定理給出一個乾淨、可檢驗的指紋:最佳近似是唯一一個其誤差上下搖擺、以交替正負號達到相同最大幅值相同次數的近似。
精確地說:n 次多項式 p 是連續函數 f 在某區間上的極小極大(最佳一致)近似,當且僅當誤差 e(x) = f(x) - p(x) 在「至少」n + 2 個相異點上達到其最大絕對值 E,且 e 的正負號在這些點之間「交替」(+E, -E, +E, ...)。為何最優必須長這樣?若誤差在較少處達到峰值 +E,或不交替,你就能加上一個小修正多項式,壓低最高峰而不抬高其餘——這就證明 p 並非最優。所以等量交替的漣波並非巧合;它們正是「再也無法改進」的條件。這個定理也給出唯一性:只有一個多項式能這樣等波動。
這個定理是極小極大近似背後的理論引擎,也是實用的 Remez 交換演算法的依據,該演算法反覆調整多項式以迫使誤差呈等波動圖樣,收斂到最佳近似。這正是為何設計良好的 sin 或 exp 函式庫近似,其誤差圖看起來像整齊均勻的漣波而非尖峰。誠實的適用範圍:定理刻畫的特別是最佳「一致」(最糟情形)近似——它對最小平方(平均誤差)擬合保持沉默,後者以加權意義等波動而非逐點,而且它假設你是在實區間上用普通多項式近似連續函數。
f(x) = x^2 在 [0, 1] 上的最佳直線是 p(x) = x - 1/8。誤差 x^2 - x + 1/8 在 x = 0 為 +1/8、x = 1/2 為 -1/8、x = 1 為 +1/8——三個(n = 1 時即 n + 2)等幅 1/8 的交替極值。這個等波動證明 p 是極小極大直線。
n + 2 個等幅、正負交替的峰,證明這是最佳近似。
等波動刻畫的是最佳「一致」(極小極大)近似,而非最小平方近似。對 n 次多項式,交替極值至少 n + 2 個;這既證明最優性,也保證極小極大多項式唯一。