비 해석적 매끄러운 함수

수학에서, 매끄러운 함수(무한히 미분가능한 함수)와 해석함수 는 가장 중요한 함수의 유형이다. 어떠한 실수 인자를 가지는 해석함수는 매끄럽다는것은 쉽게 증명된다. 아래의 반례와 같이 그 역은 참이 아니다
콤팩트 지지 매끄러운 함수 의 중요한 적용 중 하나는 로랑 슈바르츠의 분포이론과 같은 일반화 함수이론에서 중요한 소위 말하는 완화자의 생성의 역할을 하는 것이다.
매끄럽지만 비 해석적인 함수의 존재는 미분기하학과 해석 기하학의 핵심적인 차이점을 나타낸다. 층 이론에서, 이 차이점은 다음과 같이 설명할 수 있다: 해석적인 경우와 비교해서 미분가능한 다양체에서 미분가능한 함수의 층은 단사층이다.
다음 함수는 보통 미분가능한 다양체에서 단위 분할을 만들 때 사용된다.
=== 함수의 정의 ===
문서에서 다뤄지는 비 해석적 매끄러운 함수이다.
다음의 모든 실수 ''x''에서 정의된 함수를 생각해보자:
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=== 이 함수는 매끄럽다 ===
함수 ''f''는 실선의 모든 점 ''x''에서 모든 차수의 연속적인 미분이 존재한다:
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여기서 ''pn''(''x'')은 ''p''1(''x'') = 1과 다음 수식에서 재귀적으로 주어진 n − 1차 다항식이다:
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==== 증명의 개요 ====
증명은 음이 아닌 정수 ''m''에 대한 다음의 사실로부터 전개된다:
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이것은 모든 ''f'' (''n'') 은 연속이고 ''x'' = 0에서 미분가능하다는것을 다음의 이유로 내포한다:
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==== 상세 증명 ====
지수 함수의 멱급수 표현에 의해, 우리는 0을 포함한 모든 자연수 ''m''에 대하여 다음과 같은 식을 얻는다:
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왜냐하면 ''n'' ≠ ''m'' + 1인 모든 양의 항들이 더해지기 때문이다. 따라서 지수 함수의 함수식을 이용하면 다음과 같다:
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이제 수학적 귀납법으로 f 의 n차 미분에 대한 공식을 증명한다..연쇄 법칙과 역함수의 미분 법칙, 지수함수의 도함수가 다시 도함수인 성질을 이용해서 ''x ''> 0이고, ''p''1(x)가 0차 다항식일 때 ''f''의 일계도함수의 식이 성립함을 볼 수 있다. 당연히 ''f''의 일계도함수는 ''x''  0일 때 우리는 다음 도함수를 얻을 수 있다:
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여기서'' p''''n''+1(''x'')은 ''n'' = (''n'' + 1) − 1차 다항식이다. 물론 ''x''  (''n'')의 우미분계수는 다음과 같다:
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=== 이 함수는 비 해석적이다 ===
앞에서 봤듯이 함수 ''f''는 매끄럽고 원점에서 모든 미분계수는 0이다. 따라서 원점에서 ''f''의 테일러 급수는 항상 0이다.
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그리고 테일러 급수는 x > 0에서 ''f''(''x'')와 같지 않다. 따라서 ''f''는 원점에서 해석적이지 않다. 이 과정은 실수가 아닌 복소수를 변수로 가지는 미분 가능한 복소함수에서는 일어나지 않는다. 사실 모든 정칙함수의 해석성이기 때문에 ''f''가 무한히 미분가능함에도 불구하고 해석적이지 않다는 점은 실해석학과 복소해석학의 가장 큰 차이점을 나타낸다.
함수 ''f''가 실수 선에서 모든 차수의 도함수를 가지고 있지만, 양의 실수 절반 ''x ''> 0에서부터 다음의 함수와 같은 복소평면에서 ''f''의 해석적 연속성을 보라.
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이 함수는 본질적 특이점을 가지고 있다. 따라서 연속적이지도 않으며, 덜 해석적이다. 피카르의 정리에 의해서 이것은 원점 주변에서 무한히 자주 0을 제외한 모든 복소수를 얻는다.
=== 매끄러운 전이 함수 ===
여기서 정의한 0에서 1까지의 매끄러운 전이함수 ''g''를 나타낸 그래프이다.
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이 함수는 엄밀히 실수 전체에서 양수이기 때문에 ''g''는 매끄럽다. 게다가 x ≤ 0에서 ''g''(''x'') = 0이고 x ≥ 1에서 ''g''(''x'') = 1이다. 따라서 따라서 이 함수는 단위 구간 0,1에서 0에서 1까지 매끄러운 전이를 제공한다. ''a'' < ''b''인 실수 구간 ''a'',''b''
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실수 에서, 다음의 매끄러운 함수
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는 닫힌 구간 ''b'',''c'' 구간 (''a'',''d'') 외부에서 0이된다.
여기서 나오는 모든 점에서 매끄럽지만 어떤 점에서도 해석적이지 않는 함수의 근사이다. 이 부분합은 k=20에서 2500까지를 취한다.
무한히 미분 가능하지만 어떤 점에서도 비 해석적인 더 과정적인 예는 다음과 같이 푸리에 급수의 평균을 이용하여 만들 수 있다. ''A'' := { 2''n'' : ''n'' ∈ '''N''' }를 2의 모든 거듭제곱의 집합이라고 하자, 그리고 모든 ''x'' ∈ '''R '''에서 정의하자
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여기서  급수  는 모든 ''n'' ∈ '''N'''에서 수렴하며, 이 함수는 바이어슈트라스 M-판정법의 표준 유도 응용에 의해 쉽게 C∞의 원소라는 것을 알 수 있어서 각 급수의 도함수의 균등수렴을 증명할 수 있다. 게다가 π의 어떠한 이진 유리수배에 대해서, 즉 p ∈ '''N'''이고 ''q'' ∈ A 이며, n ≥ 4 이고 n > q인 모든 n ∈ A 차수의 도함수 에서인 ,  모든 ''x'' := π·'' p/q''에서 다음을 얻을 수 있다.
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여기서 우리는 모든 ''k'' > ''q''에서 cos(kx) = 1이라는 사실을 사용했다. 결과적으로 그러한 어떤 ''x'' ∈ '''R'''에서
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코시-아다마르 정리에 의해서 x에서 ''F''의 수렴반경은 0이 된다. 함수의 해석성의 집합은 열린집합이고 이진 유리수들은 밀도가 높기 때문에 ''F''는 '''R'''의 어떠한 점에서도 해석적이지 않다는 결론을 내릴 수 있다.
실수 또는 복소수의 모든 수열 α0, α1, α2, . . . 에 대해서, 다음은 이 수들을 수직선의 원점에서 미분계수로 가지는 매끄러운 함수 ''F''가 존재함을 나타낸다. 특히 모든 수열의 숫자는 매끄러운 함수의 테일러 급수의 계수로 나타날 수 있다. 이 결과는 에밀 보렐 이후 보렐의 보조정리로 알려져 있다.
위에서 정의한 매끄러운 전이 함수 g를 사용하여 정의 하면ː
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이 함수 ''h''역시 매끄럽다; 이 함수는 닫힌 구간 −1,1 열린 구간 (−2,2)의 외부에서는 사라진다. ''h''를 사용하여 0을 포함한 모든 자연수에 대하여 매끄러운 함수를 정의한다ː
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이는 구간 −1,1에서 단항식 ''xn''과 일치하고 구간 (−2,2) 외부에서는 사라진다. 따라서 원점에서 ''ψn''의 ''k''차 미분계수는 다음을 만족한다
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그리고 최대 최소 정리는 ''ψn''과 ''ψn''의 모든 도함수들이 유계함수라는 것을 내포한다. 따라서 상수
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of ''ψn''의 균등 수렴 위상과 그것의 첫번째 ''n'' 도함수를 포함해서 잘 정의된 실수이다. 크기를 조절한 함수를 정의한다ː
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연쇄 법칙을 반복적으로 적용한다
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이전에 계산한 0에서 ''ψn''의 ''k''차 미분계수를 사용하면
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우리가 구하고자 하는 함수는 다음과 같다ː
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이것은 잘 정의되어 있고, 순차적으로 무한히 미분할 수 있다. 이를 위해 모든 ''k''에 대해서 보자
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남은 무한급수는 비판정법에 의해 수렴한다
일차원에서의 함수 Ψ1(''x'')를 나타낸 것이다 
모든 반경 ''r'' > 0에 대하여,
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유클리드 노름 
''x''
과 함께 ''n''차원 유클리드 공간에서'' ''반경이 ''r''인 공을 지지집합으로 가지는 매끄러운 함수를 정의하지만 .
* 범프 함수
* 파비우스 함수
* 플랫 함수
* 완화자
* 
분류:매끄러운 함수