Proximum
# Proximum

Das Proximum (oder auch Bestapproximation) ist ein vor allem in der numerischen Mathematik verwendeter Begriff aus der Theorie der metrischen Räume. Das Proximum zu einem Punkt $x$ innerhalb einer $x$ nicht enthaltenden Menge $Y$ ist derjenige Punkt aus $Y$, der zu $x$ den geringsten Abstand hat.

## Definition

Sei $(X,d)$ ein metrischer Raum, $Y\subset X$ eine Teilmenge und $x\in X$ beliebig. Der Abstand des Elements $x$ zur Teilmenge $Y$ wird mittels der Distanzfunktion $\operatorname {dist}$ definiert durch
    $\operatorname {dist} (x,Y):=\inf _{y\in Y}d(x,y)\,.$
Existiert nun ein $p\in Y$ mit:
    $d(x,p)=\operatorname {dist} (x,Y)\,$
so nennt man $p$ Proximum oder Bestapproximation zu $x$ in $Y$.
Wenn ein Proximum existiert, so muss es nicht eindeutig sein.
Üblicherweise hat man es in der Approximationstheorie mit einem normierten Raum $(X,\lVert \cdot \rVert )$ zu tun. Ein Proximum $p$ zu $x\in X$ in $Y\subset X$ ist dann – falls existent – charakterisiert durch die Gleichung
    $\lVert x-p\rVert =\inf _{y\in Y}\lVert x-y\rVert$

## Zur Existenz eines Proximums

* Sei $(X,d)\,$ ein metrischer Raum. $A\subset X$ sei eine kompakte Teilmenge. Dann hat jedes $x\in X$ ein Proximum in $A$.
* Sei $(X,\lVert \cdot \rVert )$ ein normierter Raum. $V\subset X$ sei ein endlichdimensionaler Teilraum und $Y\subset V$ eine abgeschlossene Teilmenge. Dann hat jedes $x\in X$ ein Proximum in $Y$.

## Eindeutigkeit des Proximums in Tschebyschow-Systemen

Sei $f\in C[a,b],U\subset C[a,b]$ ein Tschebyschow-System. Dann ist das Proximum für $f$ aus $U$ eindeutig bestimmt.
Sei $U$ ein endlichdimensionaler Unterraum von $C[a,b]$. Ist für jedes $f\in C[a,b]$ das Proximum aus $U$ eindeutig bestimmt, dann ist $U$ ein Tschebyschow-System.

## Alternanten-Kriterium in Tschebyschow-Systemen

Sei $f\in C[a,b],U\subset C[a,b]$ ein $n$-dimensionales Tschebyschow-System. $u_{0}\in U$ ist genau dann ein Proximum für $f$ aus $U$, wenn es $n+1$ Stellen $x_{i}$ mit $a\leq x_{0}<x_{1}<\cdots <x_{n}\leq b$ gibt, so dass
* $|f(x_{i})-u_{0}(x_{i})|=\max _{x\in [a,\,b]}|f(x)-u_{0}(x)|$, $i=0,\ldots ,n$ (Extremalpunkt)
* $\operatorname {sign} \left(f(x_{i-1})-u_{0}(x_{i-1})\right)=-\operatorname {sign} (f(x_{i})-u_{0}(x_{i}))$, $i=1,\ldots ,n$ (alternierend)
Dies folgt aus dem Kolmogorow-Kriterium aus der Approximationstheorie. Auf diesem Kriterium basiert der Remez-Algorithmus zur numerischen Bestimmung des Proximums in Tschebyschow-Systemen.

## Proximum im Hilbertraum

Ist $X$ ein Hilbertraum und $Y\subset X$ eine abgeschlossene konvexe nichtleere Teilmenge, dann ist das Proximum eindeutig, das heißt, es existiert zu jedem $x\in X$ genau ein $p\in Y$ mit
    $\lVert x-p\rVert \leq \lVert x-y\rVert \,\,\forall \,y\in Y$.
Ist $Y$ ein abgeschlossener Untervektorraum, so erhält man das Proximum $p$ als Orthogonalprojektion von $x$ auf $Y$.