바이어슈트라스 함수는 1872년 카를 바이어슈트라스가 제시한, 모든 점에서 연속이지만 미분 불가능한 대표적인 함수이다. 이 함수는 푸리에 급수를 이용하여 정의되며, 프랙탈의 일종으로 자기 유사성 및 하우스도르프 차원과 같은 특징을 갖는다. 바이어슈트라스 함수는 실해석학에서 유사한 성질을 가진 함수들을 지칭하는 데 사용되며, 이를 일반화한 바이어슈트라스-만델브로 함수도 존재한다. 위상수학 및 측도론 관점에서 볼 때, 모든 곳에서 미분 불능인 함수는 연속 함수의 일반적인 형태에 가깝다.
2. 정의
b의 값이 0.1에서 5로 증가함에 따라 달라지는 애니메이션
바이어슈트라스 함수는 어디에서도 미분 가능하지 않지만 연속 함수이다. 이 함수를 정의하는 무한 급수의 항들은 으로 제한되며, 일 때 유한한 합을 가지므로, 바이어슈트라스 M-검정법에 의해 균등 수렴한다. 각 부분합이 연속이므로, 균등 극한 정리에 의해 는 연속이다. 또한, 각 부분합이 균등 연속이므로, 역시 균등 연속이다.
일반적으로 연속 함수는 미분 가능해야 하거나, 미분 불가능한 점이 유한하거나 가산 무한 집합이어야 한다고 생각하기 쉽다. 바이어슈트라스는 그의 논문에서 가우스를 포함한 이전의 수학자들이 종종 이것이 사실이라고 가정했다고 언급했다. 이는 미분 불가능한 점의 집합이 가산 집합이 아닌 연속 함수를 그리거나 시각화하기 어렵기 때문일 수 있다.
바이어슈트라스 함수는 처음 연구된 프랙탈 중 하나였지만, 이 용어는 훨씬 나중에 사용되었다. 이 함수는 모든 수준에서 세부 사항을 가지므로, 곡선의 일부를 확대해도 직선에 가까워지지 않는다. 오히려 아무리 가까운 두 점 사이에서도 함수는 단조적이지 않다.
여기서, ''H'' < 1, ''g''(t)는 ''t'' = 0에서 미분 가능한 주기 함수이다.
6. 모든 곳에서 미분 불능인 함수의 조밀성
바이어슈트라스 함수는 특이한 예시가 아니다. 병적이지만 연속함수에서는 일반적인 현상이다.
위상수학적 관점에서, 0,1 구간 위의 연속 실가 함수의 균등 수렴 위상을 가진 벡터 공간C([0,1];\mathbb{R})에서, 0,1 위의 모든 곳에서 미분 불능인 함수의 집합은 나머지 집합을 이룬다.[27][28]
측도론적 관점에서, 공간 C([0,1];\mathbb{R})에 고전적 위너 측도 \gamma를 부여했을 때, 적어도 한 점에서 미분 가능한 함수의 집합은 γ-영측도이다.
이는 바이어슈트라스 함수가 고립된 예시가 아니라는 것을 보여준다. "병리적"이지만, 연속 함수의 "전형"이기도 하다.
위상적 의미에서: [0, 1] 구간에서 미분 불가능한 실수 값 함수의 집합은 균등 수렴 위상을 가진 [0, 1] 구간의 모든 연속 실수 값 함수 벡터 공간 ''C''([0, 1]; '''R''')에서 코메이저이다.[14][15]
측도론적 의미에서: 공간 ''C''([0, 1]; '''R''')에 고전적 비너 측도 ''γ''를 부여할 때, [0, 1]의 단 한 점에서도 미분 가능한 함수의 모음은 ''γ''-측도 영을 갖는다. 이는 ''C''([0, 1]; '''R''')의 유한 차원 "슬라이스"를 취하더라도 마찬가지이며, 미분 불가능한 함수가 ''C''([0, 1]; '''R''')의 우세 부분집합을 형성한다는 의미이다.
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