| |||||
МЕНЮ
| Атомические разложения функций в пространстве ХардиПусть [pic] , где [pic] - конечная или бесконечная последовательность дополнительных интервалов множества F, и для [pic] [pic]. Очевидно, что [pic]- открытое множество и [pic]. Рассмотрим для данных [pic] функцию [pic], построенную в лемме 1 для числа ( и множества [pic]. Тогда нетрудно проверить[3], что если [pic], а [pic] , то разность [pic]. (23) Но в силу (19) и равномерной сходимости ряда (21) (так как ряд Фурье бесконечно дифференцируемой функции сходится равномерно) [pic] , и мы получаем равенство (20). Перейдем к доказательству леммы 1. Нам понадобится ОпределениеI.4. Средние Фейера - это средние вида [pic] [pic], где [pic], [pic], [pic] - ядро Дирихле, [pic], [pic]- ядро Фейера. Отметим, что при [pic] ядро Фейера обладает следующими свойствами: а) [pic], [pic]; б) [pic], Мз которых вытекает, что для [pic] и [pic] [pic], [pic] Также известно [3], что средние Фейера [pic] равномерно сходятся к [pic]. Пусть f(t) - непрерывная на [-(, (] функция, для которой [pic][pic] и [pic] Так как средние Фейера [pic]равномерно сходятся к [pic] и [pic] , то существует тригонометрический полином [pic] (24) такой, что [pic] (25) Пусть [pic]. Рассмотрим для каждого ((( такую функцию [pic], что [pic], [pic] [pic] (функцию [pic] можно построить следующим образом: взять замкнутое множество [pic] с мерой [pic] , достаточно близкой к 2(, и положить [pic] ). Так как [pic] (здесь число m то же, что в (24)), то для достаточно малых ((( функция [pic] удовлетворяет соотношениям [pic] (26) При этом [pic], если [pic]. Тогда средние Фейера [pic] функции h(t) имеют вид [pic] и при достаточно большом N [pic] (27) Положим [pic] , [pic] (28) Так как h(t) - действительная функция, то [pic] , n=(((((((((. Поэтому [pic] и [pic]. (29) Определим искомую функцию g(t) : [pic] Ясно, что [pic], а из (24) и (28) следует, что [pic] при n0; б) если [pic], [pic], то [pic] и [pic]. Теорема 5. Следующие условия эквивалентны [pic]: а) [pic] ; б) [pic], [pic], [pic], [pic] ; в) [pic] ; г) [pic] , где [pic]- такая действительная функция, что ее сопряженная [pic] также принадлежит пространству [pic]: [pic]. (36) Доказательство: Эквивалентность условий а) и б) непосредственно вытекает из (34), а эквивалентность условий а) и в) - из теорем 4 и 2. Докажем, что из г) следует б). Для этого достаточно проверить, что в случае, когда функция и ее сопряженная суммируемы :[pic], имеют место равенства [pic], [pic] (37) Непосредственный подсчет по формуле (36) показывает, что [pic], [pic], [pic], [pic] [pic]. Следовательно, равенства (37) выполняются, если [pic]- произвольный тригонометрический полином. Пусть [pic] фиксировано. Для произвольной функции [pic] и [pic] положим [pic] , [pic], где [pic], [pic], [pic]. Покажем, что равенство (37) для фиксированного нами номера n вытекает из следующих свойств функций [pic] (наличие этих свойств мы установим ниже): 1) [pic], [pic], [pic]; 2) при [pic] функции [pic] , [pic], сходятся по мере к [pic]; 3) [pic] , [pic] , [pic], где С - абсолютная константа. Итак, предположим, что имеют место соотношения 1) - 3). Легко видеть, что [pic], где [pic], поэтому из 2) вытекает сходимость по мере последовательности функций [pic],[pic]: [pic] по мере [pic]. (38) Для произвольного [pic] найдем тригонометрический полином [pic] такой, что [pic], [pic] . (39) Тогда согласно 3) [pic] (40) и при [pic] [pic]. (41) Так как [pic] - полином, то [pic] и [pic] . (42) Учитывая, что [pic], и пользуясь оценками (40)-(42), мы находим [pic] , [pic], что вместе с (38) доказывает равенство (37). Докажем теперь, что для произвольной функции [pic] справедливы соотношения 1)-3). Оценка 1) сразу следует из неравенства Чебышева, так как [pic]. Чтобы доказать 2), фиксируем произвольное [pic] и представим функцию [pic]в виде [pic], [pic], [pic] . (43) Из непрерывности функции [pic] легко следует, что [pic] равномерно по [pic]. Поэтому при достаточно больших [pic] с учетом (43) мы будем иметь [pic], [pic] (44) Кроме того, в силу 1) и (43) [pic] ; из этого неравенства и (44) вытекает, что при [pic] [pic]. Для доказательства оценки 3) заметим, что [pic], где [pic]. Применяя неравенство а) утверждения 2 для функции [pic]и учитывая, что [pic], получим 3). Свойства 1)-3) доказаны. Тем самым установлено, что из условия г) в теореме 5 следует б). Для завершения доказательства теоремы 5 достаточно показать, что из в) вытекает г). Пусть [pic] ([pic],[pic],[pic]) и [pic]. Тогда по теореме 4 [pic], [pic] и надо доказать только, что [pic] для п.в. [pic]. Так как ядро Пуассона - действительная функция, мы можем утверждать, что при [pic] и [pic] [pic], [pic]. С другой стороны, из 2), 8) и (37) вытекает, что для любого [pic], [pic], [pic]. (45) Согласно теореме 1 [pic]. (46) Кроме того, в силу утверждения 2, из сходимости [pic]([pic]) следует сходимость по мере функций [pic] к [pic]. Таким образом, [pic] по мере ([pic]), а потому , учитывая (46), [pic] для п.в. [pic]. Теорема 5 доказана. Следствие 1. а) Если [pic], то [pic]; б) если [pic] и [pic], то [pic]; в) если [pic], [pic], [pic], [pic], то [pic]. (47) Доказательство. Соотношения а) и б) сразу следуют из эквивалентности условий а) и г) в теореме 5. Чтобы получить в), положим [pic], [pic]. Согласно теореме 5 [pic], [pic], а следовательно, [pic]. Но тогда (для п.в. [pic]) [pic], и из определения класса [pic] мы получим, что [pic]. (48) Из (48) непосредственно вытекает равенство (47). Замечание 3. Если [pic], то в силу п. г) теоремы 5 и утверждения 2 пространство [pic] совпадает с [pic]. Для р=1 это не так. Пространство [pic] уже, чем [pic], и состоит согласно п. г) теоремы 5 из функций [pic], для которых и [pic]. [pic] - банахово пространство с нормой [pic]. (49) Полнота [pic] с нормой (49) следует из утверждения 2 и полноты пространства [pic]: если [pic] при [pic], то [pic], [pic], [pic], и так как [pic]по мере при [pic], то [pic]и [pic] при [pic]. Замечание 4. Согласно замечанию 3 равенство (47) выполняется, в частности, в случае, когда [pic], [pic], [pic], [pic]. Отметим также, что, взяв в (47) вместо [pic] функцию [pic] и учитывая б), мы получим [pic], если [pic]. (50) §I.4.Произведение Бляшке, нетангенциальная максимальная функция. Пусть последовательность ненулевых комплексных чисел (не обязательно различных) - [pic] удовлетворяет условию [pic] , [pic], [pic]. (51) Рассмотрим произведение(произведение Бляшке) [pic]. (52) Для фиксированного [pic], [pic], при [pic] имеет место оценка [pic]. (53) Так как ряд (51) сходится, то из (53) легко вывести, что произведение (52) сходится абсолютно и равномерно в круге [pic], т.е. функция [pic] аналитична в единичном круге и имеет нули в точках [pic], [pic], и только в этих точках. При этом, пользуясь неравенством [pic] ([pic] , [pic]), мы находим [pic] , [pic]. (54) Допустим теперь, что [pic] ([pic]) - нули некоторой функции [pic] с [pic], причем каждый из них повторяется со своей кратностью. Докажем, что ряд (51) сходится. Положим [pic] , [pic] Функция [pic] ([pic]) аналитична в круге радиуса больше единицы, и [pic], если [pic] . Следовательно, [pic] и согласно п.3 теоремы 4 [pic]. Но тогда [pic] и [pic], [pic] (55) Так как [pic], [pic], то из (55) вытекает сходимость произведения [pic], а значит, и сходимость ряда (51). ОпределениеI.6. Пусть [pic] - аналитическая в круге [pic] функция и [pic], [pic] ([pic]) - ее нули, повторяющиеся со своей кратностью. Пусть также [pic] - кратность нуля функции [pic] при [pic]. Произведение [pic] (56) называется произведением Бляшке функции [pic]. Справедлива Теорема 6. Каждая функция [pic] представима в виде [pic], где [pic] не имеет нулей в круге [pic] и [pic], [pic], а [pic] - произведение Бляшке функции [pic]. Доказательство. Пусть [pic], [pic] ([pic]) - нули функции [pic] ( или, что то же самое, нули функции [pic]) Тогда, как отмечалось выше, [pic] - аналитическая в круге [pic] функция и [pic] , [pic]. (57) При этом функция [pic] также аналитична в единичном круге, не имеет в нем нулей и [pic] . Для доказательства обратного неравенства рассмотрим частные произведения (56): [pic], [pic], [pic]. Так как [pic] для любого [pic], то по теореме 4 [pic] и [pic] , если [pic]. Устремив в последнем неравенстве число m к бесконечности и учитывая, что [pic] ([pic]) равномерно по [pic], мы получим [pic], [pic], т.е. [pic], [pic]. Теорема 6 доказана. ОпределениеI.7. Пусть [pic], [pic], - произвольное число. Обозначим через [pic], [pic], область, ограниченную двумя касательными, проведенными из точки [pic] к окружности [pic], и наибольшей из дуг окружности, заключенных между точками касания ( при [pic] [pic] вырождается в радиус единичного круга). Для [pic]положим [pic] , [pic], где [pic] - интеграл Пуассона функции [pic]. Функция [pic] называется нетангенциальной максимальной функцией для [pic]. В силу теоремы 2 [pic] для п.в. [pic]. (58) Установим, что для произвольной функции [pic] величина [pic] не превосходит (по порядку) значения максимальной функции [pic]*) в точке х, т.е. [pic], [pic]. (59) Нам понадобится утверждение 3. а) если функция [pic], то для любого [pic] [pic]; б) если функция [pic],[pic] то [pic], где [pic] - постоянная, зависящая только от числа р. Пусть [pic] и [pic]. По определению интеграла Пуассона [pic] Положим [pic]. Тогда будем иметь [pic] и, в силу неравенства [pic], [pic], и периодичности [pic], [pic]. (60) Так как обе функции [pic] и [pic] положительны при [pic] и отрицательны при [pic] ( из (5)), то, предполагая без ограничения общности, что [pic], мы получим [pic]. (61) Для [pic] имеют место оценки [pic], [pic]. Следовательно, для доказательства неравенства (59) достаточно проверить, что [pic] при [pic], (62) если [pic]. Пусть [pic], тогда [pic]. В остальных случаях неравенство (62) очевидно. Из (58), (59) и утверждения 3 вытекает, что для любой функции [pic], [pic], [pic], (63) где [pic] - постоянная, зависящая только от [pic] . Теорема 7. Пусть [pic] ([pic]), [pic] и [pic] , [pic]. [pic]Тогда [pic] и [pic]. (64) Доказательство. Утверждение теоремы 7 в случае, когда [pic], есть прямое следствие оценки (63) и теоремы 4. Пусть теперь [pic]. По теореме 6 [pic], где [pic], [pic], если [pic] и [pic]. Из функции [pic] можно извлечь корень: существует функция [pic] такая, что [pic], и, следовательно из (64) при р=2, получим [pic]. Оценка снизу для [pic] вытекает из (58). Теорема 7 доказана. Глава II. Атомические разложения функции в пространстве [pic], пространство ВМО. §II.1.Пространство [pic], критерий принадлежности функции из [pic] пространству [pic]. Рассмотрим [pic] ([pic]) - пространство функций [pic], являющихся граничными значениями действительных частей функций из пространства [pic]: [pic] для п.в. [pic], [pic]. (65) Ранее мы доказали, что [pic], [pic], (66) и что [pic]- банахово пространство с нормой [pic]; (67) при этом, если в (65) [pic], то [pic] ([pic]) . (68) В замечании 3 уже говорилось о том, что при [pic] пространство [pic] совпадает с пространством [pic] и из утверждения 2 следует, что [pic] ([pic]). Последнее соотношение теряет силу при [pic] - нетрудно проверить, что при [pic] [pic], где [pic] и, следовательно, существует функция [pic], для которой [pic]. Таким образом, [pic] - собственное подпространство в [pic]. Ниже мы дадим критерий принадлежности функций к пространству [pic]. ОпределениеII. 8. Множество [pic] мы будем называть обобщенным интервалом, если [pic] - дуга на единичной окружности, т.е. [pic] - либо интервал из [pic], либо множество вида [pic] ([pic]). (69) Точку [pic] назовем центром обобщенного интервала [pic], если [pic] - центр дуги [pic]. Длиной обобщенного интервала [pic] естественно назвать величину [pic] Определение II.9. Действительную функцию [pic] назовем атомом, если существует обобщенный интервал [pic] такой, что а) [pic]; б) [pic]; в) [pic]. Атомом назовем также функцию [pic], [pic]. Теорема 8. Для того, чтобы выполнялось включение: [pic], необходимо и достаточно, чтобы функция [pic] допускала представление в виде*) [pic], [pic], (70) где [pic], [pic], - атомы. При этом [pic], (71) где inf берется по всем разложениям вида (70) функции [pic], а с и С [pic] - абсолютные константы. Доказательство. Достаточность. Пусть для функции [pic] нашлось разложение вида (70). Покажем, что [pic] и [pic] . Для этого достаточно проверить, что для любого атома [pic] имеет место неравенство [pic]. (72) Пусть [pic]- такой обобщенный интервал, что [pic], [pic] , [pic] (73) (случай [pic] тривиален). Так как [pic] , то нам остается доказать, что [pic]. (74) Для любого измеримого множества [pic], применяя неравенство Коши и пользуясь утверждением 2 и соотношениями (73), мы находим [pic], (75) откуда сразу вытекает (74), в случае, когда [pic]. Допустим теперь, что [pic], и обозначим через [pic] обобщенный интервал длины [pic] с тем же центром, что и [pic]. Из (75) следует, что [pic]. Нам остается оценить интеграл [pic]. Мы воспользуемся очевидным неравенством [pic], [pic], где [pic]- длина наименьшей из двух дуг единичной окружности, соединяющих точки [pic] и [pic], а [pic] - абсолютная постоянная. В силу (73) при [pic] мы имеем [pic]где [pic]- центр обобщенного интервала [pic]. Из последнего соотношения, учитывая, что [pic] и [pic], мы находим [pic], [pic], где [pic] . Следовательно, [pic]. Оценка (74), а потому и оценка (72) доказаны. Необходимость. Построим для данной функции [pic] разложение (70), для которого [pic]. Пусть функция [pic] с [pic] такова, что выполнено соотношение (65), и пусть [pic] ([pic]) - нетангенциальная максимальная функция для [pic], т.е. [pic] , [pic], (75') где [pic]- область, ограниченная двумя касательными, проведенными из точки [pic] к окружности [pic], и наибольшей дугой окружности [pic], заключенной между точками касания. Теорема 7 утверждает, что [pic], поэтому нам достаточно найти такое разложение функции [pic] на атомы (70), что [pic], (76) где постоянные С и [pic]([pic]) не зависят от [pic]. Для построения разложения (70) с условием (76) фиксируем число [pic]: пусть, например, [pic]. Не ограничивая общности, мы можем считать, что [pic]. (77) Рассмотрим на отрезке [pic] множества [pic] , [pic] , [pic] (78) Так как при любом [pic] множество точек единичной окружности [pic] открыто, то ясно, что при [pic] множество [pic] (если оно непустое) представимо (единственным образом) в виде суммы непересекающихся обобщенных интервалов: [pic], [pic] при [pic], [pic] , [pic]. (79) Положим [pic] и при [pic] [pic] (80) Так как [pic] конечна для п.в. [pic], то из определения функций [pic], [pic], следует, что для п.в. [pic] [pic] при [pic], а значит, для п.в. [pic] [pic] . Отсюда, учитывая, что [pic], а следовательно из (80), [pic] при [pic], мы находим, что [pic], (81) где [pic]- характеристическая функция множества [pic]. Из (81), учитывая, что [pic], мы для функции [pic] получаем следующее разложение: [pic] для п.в. [pic], (82) где [pic], [pic], [pic] (83) С помощью функций [pic] мы и построим нужное нам разложение вида (70). Прежде всего отметим, что при [pic], [pic] [pic] , [pic] . (84) Докажем теперь, что для п.в. [pic] [pic] , [pic] , (85) где постоянная [pic] зависит только от числа [pic], зафиксированного нами ранее. Так как из (65) и (75') [pic] для п.в.[pic] , то из (77) следует, что [pic]. Пусть теперь [pic], [pic] - один из обобщенных интервалов в представлении (79), тогда из (77) и (78) [pic] , и если [pic], [pic] - концевые точки дуги [pic] ([pic]) , то [pic], а значит, [pic], [pic]. (86) Из неравенств (86) согласно (75') следует, что [pic] при [pic]. (87) Легко видеть (учитывая, что [pic] и [pic]) , что множества [pic] и [pic] пересекаются в одной точке: [pic] с [pic] , [pic]. (88) Пусть [pic], [pic], - отрезок, соединяющий точки [pic] и [pic]. Так как [pic] , [pic], то из непрерывности функции [pic] при [pic]и неравенства (87) вытекает, что [pic], если [pic], [pic], и [pic]. Поэтому , учитывая (88) [pic] , [pic],[pic], [pic]. (89) |Рассмотрим область [pic], |[pic] | |ограниченную | | |отрезками [pic] и [pic] и дугой| | |[pic]; | | |пусть, далее, для [pic] | | |[pic] , | | |[pic], [pic]. | | По теореме Коши [5] [pic]. Отсюда и из (89), учитывая, что для любой дуги [pic] справедливо равенство [pic], мы получим [pic]. Но в силу теорем 4 и 5 [pic], [pic], и так как [pic], [pic], то мы находим, что [pic] . (89') Легко видеть, что отношение [pic] ограничено сверху числом, зависящим только от (, поэтому [pic] , [pic]. (90) Так как [pic], то из соотношений (90) и (80) вытекает, что для [pic], [pic], справедливо неравенство (85). Для п.в. [pic] неравенство (85) сразу следует из определения функций [pic] и множеств [pic]. Пользуясь оценкой (85) , из (83) мы получаем, что [pic], а это значит, что функции [pic] , [pic] , [pic], являются атомами. Тогда, преобразуя неравенство (82), мы получаем разложение функции [pic] на атомы: [pic] для п.в. [pic] , где [pic] , [pic]. Оценим сумму модулей коэффициентов указанного разложения. Учитывая равенство (77), имеем [pic][pic]. Неравенство (76), а потому и теорема 8 доказаны. §II.2. Линейные ограниченные функционалы на [pic], двойственность [pic] и ВМО. Дадим описание пространства [pic], сопряженного к банахову пространству [pic]. Нам потребуется Определение II.10. Пространство ВМО есть совокупность всех функций [pic], удовлетворяющих условию [pic] , (91) где [pic] , а sup берется по всем обобщенным интервалам [pic] . Нетрудно убедится, что ВМО является банаховым пространством с нормой [pic] . (92) Ясно, что [pic] . В то же время ВМО содержит и неограниченные функции. Нетрудно проверить, например, что функция [pic]. Теорема 9. [pic], т.е. а) если [pic], и для произвольной функции [pic] рассмотреть ее разложение на атомы (по теореме 8): [pic], [pic] , [pic], [pic] - атомы*) (93) и положить [pic] , (94) то сумма [pic] ряда (94) конечна, не зависит от выбора разложения (93) и задает ограниченный линейный функционал на [pic]; б) произвольный ограниченный линейный функционал [pic] на [pic] представим в виде (94), где [pic]. При этом [pic] (С, С1 - абсолютные постоянные). Лемма 2. Пусть функция [pic] такова, что для любого обобщенного интервала [pic] найдется постоянная [pic], для которой [pic], где М не зависит от [pic]. Тогда [pic] и [pic]. Доказательство. Для любого обобщенного интервала [pic] мы имеем [pic], откуда согласно (91) получаем утверждение Леммы 2. Следствие 2. Если [pic], то [pic] и [pic]. (95) Следствие 2 непосредственно вытекает из леммы 2, если учесть, что [pic] для произвольного обобщенного интервала [pic]. Доказательство теоремы 9. а) Пусть [pic]. Положим [pic] Так как всегда [pic] , то, учитывая равенства [pic], [pic] , [pic] [pic], мы с помощью следствия 2 находим [pic], [pic] (96) Допустим, что [pic] ( по утверждению 2 и (66)). По теореме 8 существует разложение [pic], [pic] , (97) где функции [pic] являются атомами и [pic], и при [pic] [pic], [pic] , [pic]. (98) Из соотношений (96), (97) и (98) вытекает, что при [pic] [pic][pic] [pic] [pic] [pic]. Отсюда, учитывая, что функции [pic], [pic], по модулю не превосходят суммируемой функции [pic] и для п.в. [pic] [pic], мы получим, что [pic][pic] . Таким образом, равенством [pic] , [pic], (99) определяется ограниченный линейный функционал на всюду плотном в [pic] линейном многообразии (плотность функций из [pic] в [pic] вытекает из теоремы 8, так как для всякой функции [pic] частные суммы разложения (70) сходятся к [pic] по норме [pic], и, очевидно, принадлежат пространству [pic]). Поэтому функционал [pic] можно единственным образом продолжить на все пространство [pic]: [pic], [pic]. (100) Остается доказать, что для любого разложения вида (93) функции [pic] ряд (94) сходится и его сумма равна [pic]. Последнее сразу следует из (99) и сходимости ряда (93), по норме [pic] к [pic]: [pic]. б) Пусть L - произвольный ограниченный линейный функционал на [pic]. Тогда из теоремы 4.1 и (67) для любой функции [pic] [pic] (С - абсолютная постоянная). Это значит, что L - ограниченный линейный функционал на [pic], а следовательно, найдется функция [pic] с [pic] , (101) для которой [pic] , [pic]. (102) В частности, равенство (102) выполняется, если [pic]- произвольный атом. Докажем, что [pic]. (103) Пусть I - произвольный обобщенный интервал, [pic] - произвольная функция с [pic]. Тогда функция [pic] , [pic] , является атомом и в силу теоремы 8 [pic]. Поэтому [pic] [pic] . Подбирая в последнем неравенстве функцию [pic] оптимальным образом, мы получим, что для любого обобщенного интервала I [pic], что с учетом соотношения [pic][pic] доказывает оценку (103). Таким образом, для [pic] значение функционала [pic] совпадает со значением ограниченного линейного функционала [pic] на элементе [pic] (см. (99) и уже доказанное утверждение а) теоремы 9). Так как пространство [pic] плотно в [pic], то, следовательно, [pic][pic] для любой функции [pic]. Полученное равенство завершает доказательство теоремы 9. Литература 1. Кашин Б.С., Саакян А.А. Ортогональные ряды — М.: Наука, 1984.—495с. 2. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа — М.: Наука, 1989. — 623с. 3. Тер-Крикоров А.М., Шабунин М.И. Курс математического анализа — М.: Наука, 1988. —815с. 4. Бари Н.К. Тригонометрические ряды —М.: Гос. издательство физико- математической литературы, 1961. —936с. 5. Маркушевич А.И. Краткий курс теории аналитических функций - М.: Наука, 1978. — 415с. 6. Дж.Гарнетт Ограниченные аналитические функции — М.: Мир, 1984. - 469с. 7. Фихтенгольц Г.М. Основы математического анализа — М.: Наука, 1964.—т.2,—463с. 8. Вартанян Г.М. Аппроксимативные свойства и двойственность некоторых функциональных пространств — Одесса, 1990 —111с. *) Мы считаем , что f (x) = 0 , если (x( ( ( . *) Так как функция [pic] определялась для функций [pic], заданных на [pic], то мы дополнительно полагаем [pic], если [pic]; [pic]при [pic] и [pic] при [pic]. *) В силу условий а) и в) в определении 9 [pic], [pic], поэтому ряд (70) сходится по норме пространства [pic] и п.в. *) Возможен случай, когда [pic] при [pic]. Страницы: 1, 2 |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|