Pages
BARBILIAN C. - v. BOGDAN H.
BEDREAG CG - Das Elementas uranide in the natural system of elements
—
Structure and natural systematics of the elements 143-148
—
Nuclear Stability II
BOGDAN CP - On the asymptotic lines of the Steiner surface.
BOGDAN H. (M-elle) and BARBILIAN C. - Combinations of the acid ((SNC) 3 ) H with some organic bases
CERNATESCU R. - v. PONI MP (Ms)
CLIMESCU AL. C. - On the class of analytical functions which keep the half-planes determined by the real axis
COZUBSCHI E. (Ms.) - The action of isothiocyanates on benzoinoximes
GHEORGHIU C. V, and STOICESCU L. (M-me) - Condensation products of hydrogen derivatives with thio-2-phenyl-3-ethoxy-4-tetra-hydro-1, 2, 3, 4quinazoline
PAPAFIL E. - The action of phenyl isothiocyanate on the oximes of cyclic ketones
PAPAFIL E. and PAPAFIL M. (M-me). - Mercury salts with isomeric phenylenediamines
PAPPHIL M. (M-m). - v. PAPAFIL E.
PONI MP (M-11th) and CERNATESCU R. - Acid neutral salts
POPOVICIU T. - Notes on higher order convex functions
—
On the approximation of continuous functions of a real variable by polynomials
SIADBEI V. - On the determination of the points of convergence of Kapteyn's star currents,
STOICESCU N. (M-me). - v. GEORGE CV
TRIANDAF L. (M-me). - Lithium meta-arsenite
NOTES ON HIGHER ORDER CONVEX FUNCTIONS (X)
On some properties of divided differences and Lagrange polynomials.
Consider a function, real, of the real variable, defined on a linear set. To any group ofpoints ofwe can attach the Lagrange polynomial for the function, therefore the polynomial of minimum degree which takes the same values ​​as this function at the points considered.
Assumingfinished, in § 3 we study the problem of Lagrange polynomials which are majorant (or minorant) for the function. A polynomialis majorant for the functionare you him and
We establish the necessary and sufficient conditions for a Lagrange polynomial, attached to a given group of points of, solt majorant for the function. We deduce from this, for any function, the existence of at least one upper bound Lagrange polynomial of given degree.
Always assumingfinished, in § 4 we look for whether a non-concave function of ordercan admit a Lagrange polynomial of given degreewhich is also non-concave in orderon. For, so for the case of non-negativity, the answer, always affirmative, is a consequence of the results of § 3. This is no longer the case for. In this case, ifAndare of different parities there
always exists at least one Lagrange polynomial of degreewhich is also non-concave in orderon. But, ifAndare of the same parity, we demonstrate by an example that the property may not be true. In the latter case the problem of existence depends not only on the functionbut also the distribution of points ofWe conclude this § with a more detailed study of some simple particular cases.
In § 5 we say a few words about the problems dealt with in §§ 3 and 4 in the case whereis a finite and closed interval. This case is quite different from the previous one, therefore from the one whereis finished. We will only give a few indications on these problems.
In § 1 we recall some well-known definitions and formulas and in § 2 we give some new properties which are used later.
The problems we pose in this work raise many others. We hope that the simple cases, which are also the easiest, that we have presented, are sufficient to show the interest of these questions.
§ 1.
Some preliminary properties and formulas 1 ).
1.
—
We will consider only real, uniform and finite functions of the real variable.
Eithersuch a function, defined on thedistinct points
(1)
The divided difference of the functionon points (1) is completely characterized by the following three properties
I. It is a linear functional of.
II. It is zero for functions.
III. It is equal to 1 for the function.
Property I means that the divided difference is of the form
00footnotetext: 1. For further details and proofs, see my earlier works. In particular; "On some properties of functions of one or two real variables". Mathematica, 8, 1-85 (1934) and "Introduction to the theory of divided differences". Bull, Math, Soc. Roumaine des Sci,, 42, 65-78 [1941]
being independent of the function. Properties II, III then completely determine these coefficients.
We will designate, as usual, by
(2)
or also by
the divided difference thus defined.
We have the following formulas
(3)
(4)
(5) , Oris a constant andtwo functions defined on (1).
The divided difference (2) can also be put in the form of a quotient of two determinants of order,
(6)
Or
And
is the Vandermonde determinant of numbers.
La formule (3) peut se compléter par les suivantes, correspondantes aux valeurs -1 et de ,
(7)
(8)
La différence divisée (2) est symétrique par rapport aux points (1).
2. - Considérons maintenant une fonction définie sur un ensemble linéaire quelconque . Sur tout groupe de points (1) de on peut définir la différence divisée. Nous disons qu’une différence divisée définie sur points est d’ordre . Si, en particulier, l’ensemble est fini et est formé par points
(9)
la fonction a des différences divisées d’ordre . En tout, la fonction a différences divisées d’ordre . Si l’ensemble est infini la fonction a des différences divisées de tout ordre. Par définition, la différence divisée d’ordre 0 sur le point est la valeur de la fonction en ce point,
Si nous posons
(10)
nous avons
(11)
où est la dérivée du polynome ).
A l’aide de la formule (11) il est facile d’établir la formule de récurrence des différences divisées,
(12)
00footnotetext: 1.La dérivation est ici une opération linéaire applicable aux polynomes et telle que
On prend d’habitude cette formule comme définition des différences divisées de divers ordres 1 ).
La formule (11) permet aussi d’établir la suivante
(§13))
Les formules (3), (4) et (5) nous montrent que la différence divisée d’ordre d’un polynome de degré est constamment nulle et la différence divisée d’ordre du polynome est constamment égale à ).
Remarquons aussi la formule suivante
(14) .
3. - La formule (5) donne la différence divisée d’une somme de deux fonctions. De même, nous avons la formule
(15) , qui donne la différence divisée du produit de deux fonctions et g. C’est la formule de Leibniz des différences divisées.
Considérons une fonction définie sur l’ensemble fini (9). Pour simplifier nous posons
(16) , et
(17)
1.
C’est de cette façon que A. M. AMPÈRE a, pour la première foís, introduit les différences divisées. Voir N. E. Nörlund, „Differenzenrechnung", J. Springer, Berlin 1924.
2.
Toute fonction de la foxme est un polynome de degré , Si c , ce polynome est de degré effectif ; co est le premier coefficient du polynome. On voit que la notion de premier coefficient est relative au degré et non pas au degré effectif du polynome, La constante 0 est un polynome de degré - 1 ou de degré effectif - 1 .
Nous avons donc, compte tenant de (11),
(18)
Avec cette notation, la formule (15), pour points, devient
(19)
Remarquons que si la fonction est donnée, est une fonctionnelle linéaire de . Réciproquement, toute fonctionnelle linéaire de ,
(20)
définie pour les fonctions définies sur l’ensemble fini (9), peut s’écrire sous la forme d’une différence divisée d’ordre du produit . , en déterminant convenablement la fonction g. Prenons, en effet,
(21)
et nous avons alors
(22)
4.
—
La fonctionnelle linéaire (20) peut s’écrire sous la forme
(23)
où les coefficients sont indépendants de la fonction . Ces coefficients sont linéaires, homogènes en et sont complètement déterminés. Il est facile de les obtenir en tenant compte des formules (19), (21) et (22) et de la relation de récurrence (12). On a d’abord et, en exprimant , en fonction de à l’aide de (12), on a les coefficients .
Une autre manière d’obtenir les coefficients est de particulariser convenablement la fonction .
Avec les notations (17), nous avons
Pour calculer les coefficients nous introduisons les fonctions
(24)
Nous avons alors
Compte tenant de (18) et des relations de récurrence
nous trouvons
et nous en déduisons donc
La formule (23) devient
(25)
C’est la formule fondamentale de transformation des différences divisées.
Pour cette formule devient la formule, bien connue, d’Abel.
Pour ce n’est qu’une autre forme de la formule de Leibniz.
Lorsque la fonctionnelle lineaire est nulle pour tout polynome de degré , nous avons
Si est nulle pour tout polynome de degré , tous les coefficients sont nuls et la formule fondamentale (25) devient
(26)
En particulier, considérons la différence divisée
sur points extraits de la suite (9). La formule (26) nous donne alors
(27) .
5.-Supposons maintenant que la suite (9) soit ordonnée, done que
Alors les coefficients des dans la formule (27) sont tous non-négatifs et nous obtenons le
Théorème 1. Si la suite (9) est ordonnée, toute différence divisée , prise sur de ces points, est une moyenne arithmétique (généralisée) des différences divisées .
Nous avons donc
(28)
où les sont indépendants de la fonction .
C’est le théorème de la moyenne des différences divisées. Nous avons, d’ailleurs,
(29) .
On peut démontrer cette propriété par induction, en partant de l’identité
Dans le § suivant nous démontrerons directement la nonnégativité des différences divisées d’ordre des fonctions , ce qui fournira une autre démonstration du théorème de la moyenne.
Il en résultera, d’ailleurs, de plus, que, si nous prenons , nous avons
(30)
Du théorème 1 il résulte immédiatement la propriété suivante
Théurème 2. - Si la suite (9) est ordonnée, nous avons quelle que soit la suite partielle de iermes de (9).
6. - Rappelons maintenant la définition des fonctions d’ordre .
Definition. - La fonction , définie sur l’ensemble linéate , est convexe, non-concave, polynomiale, non-convexe resp. concave d’ordre sur si
quels que soient les points de .
Toutes ces fonctions sont des fonctions d’ordre n.
Une fonction d’ordre sur E est donc une fonction dont la différence divisée d’ordre ne change pas de signe sur E. La convexité et la polynomialité d’ordre sont des cas particuliers de la non-concavité d’ordre . Si est convexe non-concave, polynomiale, non-convexe resp. concave d’ordre, sur , la fonction est concave, non-convexe, polynomiale, non-concave resp. convexe d’ordre sur et réciproquement. On peut prendre comme type de fonction d’ordre la fonction non-concave d’ordre . Une fonction polynomiale d’ordre se réduit aux valeurs sur d’un polynome de degré .
La définition précédente est valable pour tout entier
. Les fonctions d’ordre -1 sont les fonctions de signe 1 invariable et les fonctions d’ordre 0 les fonctions monotones.
Le théorème 1 nous montre que nous avons le
Théorème 3 - Pour que la fonction , définie sur la suite ordonnée (9) de points, soit convexe, non-concave, polynomiale, non-convexe resp, concave d’ordre sur ces points, il faut et il suffit que l’on ait
Les formules (4), (5) nous montrent aussi que
Théoreme 4,-Si est une constante positive et si les fonctions et , définies sur l’ensemble linéaire jouissent d’une même propriété de convexité sur , les fonctions et jouissent aussi de la même propriété de convexité sur .
Si la fonction est définie dans un intervalle et si elle a une dérivée d’ordre , la non-négativité de cette dérivée est nécessaire et suffisante pour que la fonction soit non-concave d’ordre .
7. - Disons maintenant quelques mots sur le polynome de Lagrange. Reprenons la fonction , définie sur les points (1). Nous avous la propriété, bien connue, exprimée par le
Théorème 5.-Il existe un polynome et un seul de degré effectif minimum qui prend les valeurs aux points , . Ce polynome est de degré .
Le polynome unique ainsi déterminé est le polynome (d’ūnterpolation) de Lagrange de la fonction sur les points (1). Nous le désignons par
(31)
On voit immédiatement que c’est aussi l’unique polynome de degré prenant les valeurs aux points . D’ailleurs, la forme générale des polynomes prenant les valeurs aux points est
où est le polynome (10) et un polynome quelconque.
Les points sont les noeuds du polynome (31).
Si l’on donne à une valeur fixe, le polynome (31) devient une fonctionnelle linéaire de . Le polynome (31) est,
d’ailleurs, évidemment symétrique par rapport aux points ).
On trouve facilement la formule
(32) , ou
On en déduit diverses expressions, bien connues, du polynome (31) et, en particulier, la formule
(33) .
On voit aussi que
(34)
Le premier coefficient du polynome (31) est donc précisément la différence divisée de la fonction sur les points(1).
Remarquons aussi que si est un polynome de degré , nous avons
Soit maintenant une fonction définie sur l’ensemble linéaire . A tout groupe de points de correspond, pour la fonction, un polynome de Lagrange ayant ces points comme noeuds. Dans la suite nous convenons qu’un polynome de Lagrange est de degré s’il a knots. Two Lagrange polynomials are considered different if they do not have the same knots, but two different Lagrange polynomials can be identical on. In this case, it is clear that the function reduces to this polynomial on all the nodes of the polynomials considered.
§ 2.
New properties of divided differences of functions defined on a finite set.
8.
—
We will first resume the study of functions:, given by formula (24). These functions are defined
00footnotetext: 1. A. Cauchy deduces the symmetry of the divided difference. This amounts to noting that the Lagrange polynomial is unique, independent of the order of the nodes and that its first coefficient is the divided difference taken on the nodes. See: "On interpolar functions". CR Acad. Sci, Paris, 11, 775-789 (1840).
on the ordered sequence (9), where we can assume, of course,. We will always assume that any partial sequenceextracted from (9) is also ordered, so that.
We have seen that the mean value theorem results in non-concavity of orderfunctions. But, there is interest in demonstrating this non-concavity directly. In this way the mean value theorem will be a consequence of this non-concavity. It should be noted that we cannot apply Theorem 3 here without committing a vicious circle. We will demonstrate directly that all the divided differences of orderof the functionare non-negative, so the following property
Theorem 6.-Divided differences of orderonpoints of the ordered sequence (9] and relating to the functions, given by formula (24), are all positive or zero 1 ).
The demonstration is done by induction on the number.
For, we immediately check that
(35)
Now suppose that the property is true for functionsand demonstrate it for functions. Let us first note that, following the definition of the functions, In
(36)
the signis valid for
00footnotetext: 1. We assume. The property remains true also for, the functionsbeing defined by the formulaTheorem 7 is also true for.
So we just need to look at the values ​​offor which
(37)
Considering the recurrence formula
and applying formula (15), we have
(38)
But, the recurrence formula (12) allows us to write
and we deduce the formula
(39)
from which the property results, taking into account the fact that (37) gives us
We can also notice that the signis valid in (36) for. Indeed, this results from (35) for. Formula (39) shows us that if the property is true forit will be true also for.
9. - Functionsenjoy more complete properties. We have the
Theorem 7.-Functionsare non-concave of orderson the ordered sequence (9).
So we have
()
whatever solent.
The demonstration can be done by induction, as for Theorem 6. Forownership is easily verified. Forwe have the recurrence formula
generalization of (38) and which gives us the demonstration.
But, it is possible here to simplify the demonstration for. Indeed, theorem 6 being demonstrated, we can apply theorem 3. It is therefore sufficient to demonstrate the inequalities
(42)
Formula (41) gives us, in particular,
(43)
The proof of Theorem 7 is then immediate.
From the recurrence formula (43) we also deduce that
So, taking into account formulas (28) and (30), we see that in (40) the signis valid forand the signis valid for.
10. - We will now say a few words about the polynomial (17). The function
(44)
is analogous towith respect to the sequence (9) whose points are taken in the opposite direction. More precisely, the convexity properties of the function (44) are deduced from those ofby changing the variableinand functionin. Now, these changes have the effect of preserving
any convexity property whose order is of the same parity withand to change the direction of any convexity whose order is of different parity with. We deduce the
Theorem 8.- Functionsare non-concave of orders) and non-convex of orderson the ordered sequence (9).
If we notice that
and if we take into account theorems 4 and 8, we deduce the
Theorem 9. - Polynomialsare non-concave of orderson the ordered sequence (9). Moreover, the polynomialis non-convex of orders. on the pointsand is non-concave in orderson the points, ).
11. - Now consider a functiondefined on the ordered sequence (9) of points, being a natural number.
Let's consider the difference
(45)
between the Lagrange polynomial having as nodes the a consecutive pointsand between the function.
We propose to study the divided differences
(46)
functions (45). From (45), it is clear that if on a
00footnotetext: 1.denotes the largest integer,2. The polynomial is also obviously of orderon (9).
but we want to examine, especially the case.
We see that (46) is a linear functional of, in which, moreover, only the values ​​ofto the points,intervene. Note that this linear functional is zero for any polynomial of degreeso formula (26) is applicable to it.
Let us therefore write formula (26), now denoting bythe divided difference (46).
Note that
We must now distinguish two cases.
I.. We then have
and, for the function,
Taking into account Theorem 8, we see that
II. . We then have
and, for the function ;
Taking into account Theorem 7, we deduce that
In summary, we will retain the following result from the previous analysis.
Théoreme 10. - Si la suite (9) est ordonnée, la différence divisée (46), d’ordre , de la fonction (45), peut s’exprimer sous la forme
(47)
où les coefficients sont indêpendants de la fonction et sont
non-négatifs si et
non-positifs si et et si et .
12. - Du théorème précédent nous allons déduire un résultat intéressant. Prenons toujours une foncticn définie sur la suite ordonnée (9). Considérons la fonction
La formule (34) permet d’écrire
Compte tenant de la formule (47), nous pouvons écrire
Mais, si nous prenons , le premier membre se réduit à 0 , donc
et finalement nous avons
Déterminons maintenant l’indice tel que
Compte tenant alors des théorèmes 3 et 10 , nous obtenons le
Théorème 11. - Etant donnée une fonction , définie sur la suite ordonnée (9), on peut toujours trouver un polynome de Lagrange de degré , ayant comme noeuds points consécutifs , tel que la différence
soit une fonction non-concave d’ordres .
On voit facilement qu’on peut aussi déterminer le nombre de manière que soit non-convexe d’ordres sur (9).
§ 3.
Les polynomes de Lagrange majorants et minorants.
13.
—
Nous dirons qu’un polynome est majorant resp. minorant pour la fonction définie sur un ensemble linéaire si nous avons
resp.
Dans ce § nous nous proposons d’examiner les polynomes de Lagrange d’un degré donné de la fonction qui sont majorants ou minorants pour cette fonction. Il est clair qu’il suffit d’étudier seulement les polynomes majorants. Les propriétés correspondantes des polynomes minorants en résulteront par symétrie.
Nous supposerons toujours que la fonction soit définie sur la suite ordonnée (9), Toute suite partielle telle que . sera supposée ordonnée, donc .
Pour que le polynome de Lagrange de degré ,
(48)
soit majorant pour la fonction , il faut et il suffit, d’après la formule (33), que l’on ait
(49)
en convenant de remplacer par 0 tout symbole de différence divisée prise sur des points non tous distincts.
14. - Tout polynome de degré qui prend les mêmes valeurs que la fonction aux points est de la forme
50) ,
A étant une constante.
Si, en particulier,
le polynome (50) coîncide avec le polynome de Lagrange (48)
Pour que le polynome (50) soit majorant pour la fonction , il faut et il suffit que l’on ait
(51) ,
Ce système est équivalent au suivant
(52)
en convenant de poser . Nous supposons qu’on n’écrit que les formules pour les valeurs de telles que , autrement, en effet, il n’existe pas de valeurs admissibles pour . Dans (52) nous avons donc au plus groupes d’inégalités, les inégalités de chaque groupe étant précédées toutes d’un même signe + ou-.
Proposons-nous de chercher les polynomes majorants (48) ayant les noeuds donnés. On peut voir facilement que
Theorem 12. - The compatibility of the system (52) is necessary and sufficient for there to exist at least one upper bound Lagrange polynomial of degree n and having the given n nodes.
15. - Let us seek, in particular, the condition for a
majorant Lagrange polynomial of degreeand havingknotsdata exists for any functiondefined on points (9).
For this we note that the divided differences
Orare given and, can be taken arbitrarily. It follows that the necessary and sufficient condition sought is that in (52) we only have inequalities all preceded by the same sign. We can easily see that for this it is necessary and sufficient that we have either
(53)
or else
(54)
always posing1).
Finally, therefore,
Theorem 13.-For any function, defined on theordered points (9), has at least one upper bound Lagrange polynomial of degreeand havinggiven nodes, , it is necessary and sufficient that we have either (53) or (54).
The conditions are, in particular, verified if
and also if
We therefore deduce
Theorem 14. - For any function, defined on theordered points (9), there exists at least one upper bound Lagrange polynomial of degree n (>0) 2 ). In particular, at least one of the polynomials
1.
This condition can also be written in the following form. The numberscompletely determine an indexsuch that we haveAnd. The condition is then: It is necessary and sufficient that one has, or else, or else
2.
For, see further Theorem 19,
and also at least one of the polynomials
is majorant for the function.
16. - The existence of at least one upper bound Lagrange polynomial of given degreecan also be demonstrated by induction on the numberpoints of the sequence (9). It is sufficient, in fact, to demonstrate the second part of theorem 14, hence the
Theorem 15. - At least one of the polynomials
is majorant for the function.
The property is obvious to. Suppose it is true forpoints and demonstrate it for points ( ). Either
(55)
an upper bound polynomial for the functionon the premiers points . Two cases can arise.
1.
The polynomial (55) is majorant on thepoints (9) and then the property is demonstrated.
II, The polynomial (55) is not majorant on the points (9). We then have
Formula (33) shows us that
I say that, in this case, the polynomial
is majorant on (9). Indeed, it suffices to demonstrate that it is majorant on thefirst points (9). Taking into account (12) and (34), it is easy to obtain the formula
which demonstrates the property.
17. - Let us complete Theorem 14. We first demonstrate, as above, the
Throrfme. 15. - For any function f, defined on the points (9), whereand for everythingat least polynomials
is majorant.
SupposeAnd
In this case, ifis even. condition (54) is verified. On the contrary, if est impair, aucune des conditions (53), (54) n’est vérifiée. Nous avons donc le
Théorime 17. - Pour toute fonction , définie sur les m points , il existe toujours au moins un polynome de Lagrange majorant de degre pair et ayant points consécutifs quelconques de la suite comme noeuds. La propriété n’est pas vraie pour n impair.
Prenons encore impair et
La condition (53) est alors vérifiée et, compte tenant des résultats précédents, nous pouvons énoncer le
Théortime 18. - Pour toute fonction , définie sur les points , il existe au moins un polynome de Lagrange majorant de degré et ayant noeuds consécutifs donnés quelconques. La propriété est vraie pour tout entier si on convient de poser pour .
18.-Proposons-nous de chercher la condition pour que le polynome de Lagrange
(56)
ayant comme noeuds points consécutifs de la suite (9), soit majorant pour la fonction . D’après ( 49 ), pour cela il faut et il suffit que l’on ait
Ces coaditions peuvent encore s’ecrire, comple tenant de la formule de récurrence (12) et en faisant usage des notations (16),
Si nous supposons maintenant pair , et si nous détérminons de manière que
(58)
nous voyons que les inégalités (57) sont toujours vérifiées. Nous avons donc le
D’ailleurs, ca n’est qu’une partie du théorème 11.
19. - Cherchons maintenant la condition pour que tous les polynomes (56) soient majorants. Les inégalités (57) nous montrent que pour qu’il en soit ainsi, il faut que l’on ait, en particulier,
. Si est pair,
donc la fonction doit être polynomiale d’ordre .
. Si est impair,
et la fonction doit être non-convexe d’ordre .
Il est facile de voir que ces conditions sont aussi suffisantes et nous pouvons donc énoncer le
Théorème 20. - Pour que les polynomes de Lagrange (56) soient tous majorants pour la fonction , il faut et il suffit que. cette fonction soit
. Polynomiale d’ordre pour pair.
. Non-convexe d’ordre pour impair.
Réciproquement d’ailleurs, la propriété de majoration de tous les polynomes (56) est, sous une autre forme, la définitlon même de la non-convexité d’ordre si est impair et une forme de la définition de la non-concavité et de la nonconvexité simultanées, donc de la polynomialité d’ordre si est pair. Ceci résulte de l’interprétation à l’aide des poly.. nomes de Lagrange de la définition des fonctions d’ordre et du théorème 3.
On peut maintenant compléter le théorème 17, pour impair, de la manière suivante
Théortme 21. - Si est impair, pour qu’il existe des polynomes de Lagrange majorants de degré n et ayant comme noeuds points donnés consécutifs quelconques de la suite (9), il faut et il suffit que la fonclion soit non-convexe d’ordre n sur les points (9).
La condition est suffísante d’après le théorème 20. Pour voir qu’elle est aussi nécessaire, nous devons écrire les conditions de compatibilité des systèmes (52) correspondants. Ces conditions sont.
En particulier, nous devons avoir
which demonstrates the property.
20. - Finally, let us examine a little the upper bound Lagrange polynomials of degreeorder functions.
Inequality (49) shows us that we have
Theorem 22. - For the polyomy (48) to be majorant, for any non-concave resp, non-convex function of order n () on (9), it is necessary and sufficient that we have
(59)
resp.
(60)
assuming,
If the function is convex resp. concave of orderon (9) the polynomials thus determined are the only majorant Lagrange polynomials of degree.
Indeed, for a convex resp. concave function of orderconditions (49) become
and we find (59) and (60) respectively.
The minimum number of upper bound Lagrange polynomials of degreefor a non-concave or non-convex function of orderis equal to the number of solutions of the Diophantine system (59) or (60), under the hypothesis
These numbers are easily calculated. Let us denote them byrespectively. We easily find the recurrence relations
from where
We then have
from this we deduce
We can also ask ourselves the problem of determining the minimum number of upper bound Lagrange polynomials of degreethat any function defined on thepoints (9). This number is, according to Theorem 22. Forit is obviously equal to 1. Forit follows from the previous results that this number increases indefinitely with, but its exact value remains to be found. The same problem can be posed for the minimum number of Lagrange polynomials of given degreewhich are majorants or minorants. From the above it follows that this number is equal to 3 forAnd.
21. - The geometric interpretation of the properties studied is very simple for, and for.
Let us figure out the representative pointsrelative to the coordinate axes.
And, any Lagrange polynomial of degreeis a constant, therefore represented by a parallel to the axis, not* passing through one of the points. The existence of an upper bound Lagrange polynomial simply means that the function reaches its maximum on (9). There is, in general, only one upper bound Lagrange polynomial of degree 0. Theorem 20 applies, but becomes a trivial property.
It is also almost obvious that, forany, if all Lagrange polynomials of degreeare majorants, the function is polynomial of order. Indeed, there surely exists a lower bounding Lagrange polynomial. This polynomial must also be upper bounding and the function therefore coincides with it on (9).
And, a Lagrange polynomial of degreeis represented by the line joining two points. Existence Theorem 14 means that the point systemhas at least one support line passing through two points and leaving all other points non-above. More precisely, there exists at least one such support line passing throughand at least one passing through. It is easy to see that all sides of the smallest convex polygon containing the pointsrepresent Lagrange polynomials of degree 1 which are upper or lower bounds for the function. Theorem 20 also has a simple interpretation, It means that the polygonmust be convex, the pointsbeing not-above-right
.
On the Lagrange polynomials of n-order functions
22.-From the results of the previous § we deduce the following property
THEOREM 23. - Every non-negative function on the sequence (9) has at least one Lagrange polynomial of degree n which is also non-negative on the sequence (9).
It is sufficient, in fact, to take an upper bound polynomial. We see that the property remains true if instead of a non-negative function we take a positive function and we require the existence of a positive Lagrange polynomial.
We now propose to generalize this property and to seek whether, given a functionnonconcave orderon the ordered sequence (9) ofpoints, we can find a Lagrange polynomial of degreewhich is also non-concave in orderon (9).
Theorem 23 shows us precisely that forthe answer is always affirmative. We will see, on the contrary, that forit is not so.
We will mainly examine conditions under which we can assert that for any non-concave function of order k there exists at least one Lagrange polynomial of degreewhich is also non-concave in orderon (9).
23. - Let donea non-concave function of orderon the points (9).
It is clear that if, any Lagrange polynomial of degreeis non-concave (even polynomial if) of orderon (9). We also see that it is useless to examine the casesince then there is only one Lagrange polynomial of degree, which coincides on (9) with the functionand which is therefore, obviously, non-concave in orderon (9).
So let's suppose that.
Theorem 11 allows us to state the following property
Theorem 24. - Ifis an integerand of different parity withand if the functionis non-concave of orderon thepoints (9), there exists at least one Lagrange polynomial of degree n which is also non-concave of orderon points (9).
Indeed, ifis determined by condition (58), the function
is non-concave of orderon (9). Applying Theorem 4 we see that
is also non-concave of orderon points (9).
The existence of at least one Lagrange polynomial of degreeand non-concave of orderis therefore demonstrated for
24. - We will now construct an example which will demonstrate to us that forthere do not always exist Lagrange polynomials of degree n and non-concave of order k on the points (9).
So we will assumeof the same parity withAnd.
As a continuation (9) we will choose the following
(61)
Oris a positive number. Points of the formwithare written, THEbeing independent of. We have done.
Consider the polynomial of degree, which is zero at points et qui prend la valeur au point et la valeur positive au point . Nous avons
(62)
Ce polynome prend la valeur
au point ) et nous avons
Nous allons démontrer que pour assez grand le polynome n’est certainement pas non-concave d’ordre sur
00footnotetext: 1.Pour , ce qui exige , il n’y a pas de facteurs de la forme , Cette remarque s’applique aussi plus loin.
(61). Pour cela il suffit de démontrer que la différence divisée , où nous faisons usage de la notation (16), est négative si est assez grand. Un calcul simple, basé sur la formule (11), nous montre que
et nous en déduisons
d’où résulte notre propriété.
Mettons encore en évidence une autre propríété du polynome .
Soient et considérons le polynome
.
Nous nous proposons d’étudier la différence divisée, qui, d’après la formule (14), s’écrit
, pour très grand. Nous avons
où sont des polynomes de degré en , indépendants de et de . On a, d’ailleurs, et aussi lorsque .
Nous en déduisons le lemme suivant
Lemme 1. - Si , la limite
existe et est de la forme , où est un nombre indépendant de .
25. - Définissons maintenant la fonction sur les points (61) de la manière suivante
(63)
où est le polynome (62).
Cette fonction est non-concave d’ordre sur les points (61). En effet, d’après les théorèmes 4 et 9 , elle est non-concave d’ordre sur les points . Nous avons donc , . De plus, nous avons et
,
ce qui démontre la propriété.
Nous allons démontrer qu’on peut choisir le nombre positif tel que pour assez grand, la fonction n’ait aucun polynome de Lagrange de degré qui soit aussi non-concave d’ordre sur (61).
Pour les polynomes de Lagrange qui n’ont pas le point comme noeud il est clair qu’ils ne peuvent être non-concaves d’ordre . Ces polynomes coïncident, en effet, avec le polynome , par suite de la définition de la fonction .
Considérons maintenant un polynome de Lagrange qui a le point comme noeud mais qui n’a pas le point comme noeud. Un tel polynome est de la forme
(64)
Nous trouvons facilement
.
00footnotetext: 1.Pour il n’y a aucun noeud avec . Une remarque analogue s’applique aussi plus loin.
Nous allons chercher à préciser le signe de la différence divisée . Nous trouvons d’abord
(65)
Nous avons maintenant
qui, d’après (65), nous donne
Il en résulte que pour assez grand les polynomes (64) ne sont certainement pas non-concaves d’ordre sur les points (61).
Il nous reste à examiner les polynomes de Lagrange qui ont les deux points comme noeuds. Un tel polynome est de la forme
(66)
et nous trouvons facilement
en désignant maintenant par le polynome (66).
Pour l’étude des polynomes (66) nous allons distinguer - plusieurs cas.
I. Supposons . Considérons un point avec et qui ne coïncide pas avec l’un des points . Such a point certainly exists. Let then the difference be divided
OrThis divided difference is, according to formula (13), the sum of the divided differences
(67),
(68) .
The difference divided (67) is equal to
But, we have
and we deduce from it
or
In the divided difference (68)can be replaced byand Lemma 1 gives us
Oris a number independent of.
So finally we have
(70)
Now let us discuss the result obtained.
And, we can takeand we see that the number (69) is positive. The formula ('70) then shows us that ifis chosen sufficiently small andlarge enough, the polynomial (66) is certainly not non-concave of orderon points (61). This case contains the case.
And(this case requires), we can still chooseso that. We still have (70). The number (69) is not zero, but can be positive or negative. In this case we establish, exactly as above, the formula
(71)
or
The namesAndare therefore non-zero and of opposite signs. From (70) and (71) we see again that we can choosequite small andlarge enough so that the polynomial (66) considered is not non-concave of orderon points (61).
And. In this case formula (70) is still valid with, given by formula (69). We have. Consider the divided difference
We deduce from this
(72)
or
Formulas (70), (72) also show us that the polynomial (66) cannot be non-concave of orderandis quite small andlarge enough.
II. Let us now consider the case, so the polynomial
(73)
We find
If we notice that
we find
which shows that forlarge enough the polynomial (73) is not non-concave of orderon points (61).
This result is also valid for. We then haveAnd
III. Finally, consider the polynomial
(74)
We have
and we deduce
.
The polynomial (74) is therefore not non-concave of orderon (61).
We have studied in this way all the polynomials of
Lagrange degreeof the function (63) and we can state the following property
Theorem 25. - If the positive number b is small enough and the positive numberlarge enough, the function (63), non-concave of orderon thepoints (61), has no Lagrange polynomial of degreewhich is also non-concave of order k on the points (61), provided thatbe of the same parity with.
26. - YesAndare of the same parity, the existence of at least one Lagrange polynomial of degreeand non-concave of orderdepends not only on the function, assumed to be non-concave of order, but also the distribution of points (9).
We will completely solve the problem in the simplest case which is. There then existsLagrange polynomials of degree,
,
and we have to study the sign of the three divided differences of order,
still using the notation (16).
Taking into account the formula (33), we find
The names
are, by hypothesis, non-negative.
Formula (12) allows us to write
and we deduce
We first have
We also have
and we see that the consequences
(76)
(77)
are monotonous.
There is no need to examine the case, because then the function is polynomial of orderon the sequence (9) and all polynomialscoincide withAnd, we can easily see that the sequence (76) is increasing resp. decreasing and the sequence (77) is decreasing resp. increasing depending on whetheris positive resp. negative.
Now let's see in which cases we can find a functionhaving no Lagrange polynomial of degree. which is non-concave of orderon thepoints considered?
Either first. It follows that the necessary and sufficient condition sought is the compatibility of the system
in non-negative unknowns. Ultimately, therefore, the compatibility of the system
The condition sought is.
The first member is divisible byand we find
from where, finally,
(78)
We can therefore state the following properties
Theorem 26. - The necessary and sufficient condition for there to exist a non-decreasing function on the four ordered pointsand having no Lagrange plynome of degree 2 which is also non-decreasing on these points, is that inequality (78) is verified.
Theorem 27. - If the ordered pointsverify the inequality
(79)
any non-decreasing function on these points has at least one Lagrange polynomial of degree 2 which is also non-decreasing on these same points.
Inequality (79) is verified, in particular, if the pointsare equidistant. If the distribution of points, is symmetrical we can take, without restricting the generality,and inequality (78) becomes.
27. - Let us now suppose. According to the results of the previous No., the necessary and sufficient condition for
there to exist a function having no Lagrange polynomial of degreeand non-concave of orderis that there is a cluesuch asand such that the system
be compatible in non-negative unknowns.
This compatibility condition is written, after calculations have been made,
(80)
We deduce
Theorem 28. - If theordered pointscheck the inequalities
(81)
any non-concave function of orderon these points has at least one Lagrange polynomial of degreewhich is also nonconcave in orderon these same points.
For example, consider the sequence of points (61) for, done the points ( ),
(82) .
Condition (80) becomes
.
More,
and it therefore follows that, ifchecks the inequality
(83)
we can find a functionnon-concave orderon the points (82) and having no Lagrange polynomial of degreenon-concave order sur ces points. Une discussion simple nous montre que (82) est équivalent à , où est la racine positive de l’équation en
Pour , on a .
On peut encore voir que les inégalités (81) sont vérifiées si les points sont équidistants.
28. - Dans le cas , et même pour quelconque, on peut traiter autrement notre problème.
Démontrons d’abord le
Lemme 2.- Pour que le polynome de degré soit non-concave d’ordre sur les points ordonnés (9), il faut et il suffit que l’on ait
(84)
La démonstration est très simple. Les inégalités sont évidemment nécessaires. Montrons qu’elles sont aussi suffisantes. Soit
et, d’après (3) et (8),
Nous en déduisons
donc , ce qui démontre la propriété 1 ),
Si maintenant est une fonction non-concave d’ordre sur les points ordonnés (9), nous pouvons écrire, en appliquant le lemme 2 , les conditions nécessaires et suffisantes pour que le polynome
00footnotetext: 1.Des inégalités (84) iI résulte de plus que nous avons pour compris dans l’intervalleOn en déduit que le polynome est non-concave d’ordre dans cet intervalle.
soit aussi non-concave d’ordre sur (9). Compte tenant des formules (34), (13) et (8), nous trouvons que les inégalités (84) deviennent
29. - Nous allons faire une application des résultats précédents, dans le cas . Prenons alors
Les inégalités (85) deviennent
Si nous remarquons que
nous déduisons que les inégalités (86) expriment que doit être compris dans l’intervalle fermé , oú
Nous pouvons supposer , la fonction (supposée non-décroissante) se réduit nécessairement à une constante. On voit alors que
Démontrons maintenant la propriété suivante
Théoreme 29. - Si les inégalités
(87)
sont vérifiées, toute fonction non-décroissante définie sur les points ordonnés (9) a au moins un polynome de Lagrange de degré 2 qui est aussi non-décroissant sur les points (9).
Montrons, en effet, que l’un au moins des polynomes
est non-décroissant.
Dans le cas contraire, il faudrait que n’appartienne pas à et ceci pour . Mais, compte tenant de la non-décroissance de et de , on voit qu’il faudrait alors que
Il existe donc deux indices consécutifs tels que
qui, en vertu de (87), nous donnerait , ce qui est absurde. La propriété est donc démontrée.
Les inégalités (87) peuvent s’écrire
Ces inégalités sont vérifiées, en particulier, si les points sont équidistants, donc
Théorème 30. - Toute fonction non-décroissante, définie sur les points ordonnés et équidistants (9), a au moins un polynome de Lagrange de degré 2 qui est aussi non-décroissant sur les points (9).
30.- Pour finir ce § et en revenant au cas , remarquons que si on suppose les points donnés, les inégalités (85) déterminent, en général, un intervalle auquel doit appartenir . Les formules (13), (15), (14) et (7) permettent d’écrire
Si nous posons
where, to simplify,
must belong to the closed interval of endpoints, If we assume, We haveAndare indeed finite numbers. These numbers are, moreover, determined for alland where to
Let us also note that the functionwhich takes the valuesto the pointsand the functionwhich takes the valuesto the pointsare non-concave of orderon points (9). Indeed,
§ 5.
32.
—
We will study a little the problems addressed inand 4 in the case where the functionis no longer defined
on a finite number of points, but in an interval. To clarify the ideas we will assume that, finite and uniform, is defined in the finite and closed interval.
In these cases it is necessary to also consider: divided differences taken on points that are not all distinct and Lagrange polynomials having nodes that are not all distinct.
The Divided Difference
(88)
Orpoints are confused with, is of orderand is obtained by passing to the limit. It is also expressed in the form of a quotient of two determinantsAndof the form (6). ME Nördund 1 ) notes moreover that the divided difference (88) is equal to
.
This definition therefore requires the existence forof the order derivativeto the point.
In the same way we define the Lagrange polynomial 2 )
of degree, having multiple nodes. The nodeis in orderof multiplicity (double, triple, etc. if, etc.).
The existence of a knotto the pointstill requires that the function be () times differentiable at this point.
It is demonstrated that all the formulas established for divided differences and Lagrange polynomials taken at distinct points extend to this more general case.
00footnotetext: 1. See loc. cit. above.2. This is the Lagrange-Hermite polynomial. For more details on this polynomial see: N. E., Nörlund "Lectures on interpolation series". Paris 1926.
32. - Let us now examine the problem of upper bound Lagrange polynomials. In general, there are no such polynomials, but
Theorem 31.-Any upper semi-continuous function in the intervalhas at least one upper bound Lagrange polynomial of degree 0.
This is a trivial property. It simply expresses the well-known fact that a semi-continuous function above a finite and closed interval reaches its maximum, which is necessarily finite.
Let us now show that the upper semicontinuity hypothesis is still sufficient to assert the existence of at least one upper bound Lagrange polynomial of degree 1, so let us prove the
Theorem 32. - Any upper semi-continuous function in the intervalhas at least one upper bound Lagrange polynomial of degree 1.
Let us consider, in fact, the function
Orunder two constants. This function is semi-continuous below, so reaches its minimum which is finite. Letthis minimum. Two cases are to be considered:
I. There are values ​​ofsuch asbe reached in two points, at least. So the polynomial
is majorant.
II. The minimumis always reached at a single point. We then know that the functionmust be concave of order 1 in). But, such a function is continuous inand has a derivative in, except perhaps on a set that is at most countable. There therefore exists a pointwhere the derivativeexists. The polynomial
33. - We do not know whether upper semi-continuity is sufficient for the generalization of Theorem 32 to the degreeany. We will demonstrate the following less general property
Theorem 33. - Any continuous function is once differentiable in the intervalhas at least one upper bound Lagrange polynomial of degree n.
Indeed, eitherthe best-approximation Tchebycheff polynomial of degreeand corresponding to the functionin the meantimeis therefore the unique polynomial of degreefor which the maximum
(89)
is as small as possible,being a polynomial of degree. Let us designate bythe minimum of (89).
We know that the differencealternately takes the valuesin at leastconsecutive points of the interval. The polynomialis majorant for the function. It is a Lagrange polynomial of. Indeed, the functionreaches its minimum 0 in at least:points. Yesis even, at most one of these points coincides withorAndis odd it may be that two of these points coincide withorAndis odd it may be that two of these points coincide withorrespectively, but then the minimum is reached in at leastpoints. The desired property results if we notice that any interior point ofOrcancels out, can be taken as a double knot.
34. - Now leta non-negative function in. In the cases studied above, the existence of at least one Lagrange polynomial of degreewhich is also non-negative is demonstrated. But it seems to us that we can obtain more complete results. We will limit ourselves here to demonstrating the
Theorem 34. - Any non-negative function inat least one Lagrange polynomial of degree 2 which is also non-negative.
For the demonstration we will distinguish three cases:
I.. Let us then consider the polynomials
(90)
There is a valuesuch as forthe polynomial (90) remains non-negative in. Forthis polynomial (90) has a double zero which is an interior pointof, If we determineso that (90) takes the valueto the point, on a . It follows that the polynomialis non-negative in.
II. . We can easily see that the polynomialis non-negative whateverinside.
III. . Let us then consider the polynomial
(91)
If there is a pointinterior towhere the function takes a value greater than the 'polynomial (91), the polynomialis non-negative in. Si l'on a
we immediately see that the derivativeto the pointexists and is zero. In this case the polynomial (91) can be writtenand is obviously non-negative in.
The conclusions are similar if.
Theorem 34 is true, obviously, for degree 0. For degree 1 we see that the polynomialis non-negative in.
35. - Finally we will give a property of the Lagrange polynomials of non-concave functions of orderin a very particular case.
Let's supposenon-concave orderand admitting a continuous derivative of orderIn. We assume
and of different parity with. Eithera point wherereaches its maximum and then consider the Lagrange polynomial
I say that the polynomialis non-concave of orderIn. It is sufficient to demonstrate that its derivative of orderis non-negative in. We have
But, Taylor's formula gives us
5 was a number betweenAnd.
We have done
from which results the property.
Finally therefore
Theorem 35. - Ifis of different parity with, any non-concave function of orderand admitting a derivativecontinues in, has at least one Lagrange polynomial of degree n which is also non-concave of orderIn.
Note, moreover, that for a function having a derivativecontinuous any, the differenceis a non-concave function of orderInyes, of course,Andare of the same parity.