Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Coll-FunkAn(24-11-14) (1)

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
277 Кб
Скачать
☆

К коллоквиуму 24 ноября

Ÿ 1 Интеграл Римана и интеграл Лебега

Задача 1.1 Доказать, что множество A = Aj имеет меру нуль, если каждое Aj имеет ме-

j≥1

ру нуль. Вывести отсюда, что множество рациональных чисел Q имеет в иррациональных чисел, принадлежащих отрезку [a, b] , равна b − a.

Задача 1.2 Проверить, что функция Дирихле

{

1, x Q,

D(x) =

0, x R\Q.

R ìåðó íóëü, à ìåðà

(1.1)

не интегрируема по Риману, хотя она отличается от некоторой непрерывной (какой?) на множестве меры нуль.

Впрочем, пространство функций, интегрируемых по Риману, весьма широко. А именно, f : Ω → R интегрируема по Риману тогда и только тогда, когда она почти всюду непрерывна. В самом деле, если

точка x0 есть точка непрерывности ступенчатых функций

fΠ−m è fΠ+m (заметим, что множество всех

иных имеет меру нуль), причем f−m (x)

↑

f(x) è f+m

↓

f(x)

для почти всех x, то эта точка x

0

будет

Π

 

Π

 

 

 

 

 

также точкой непрерывности функции f. Обратно, если f почти всюду непрерывна, то f−m (x

 

)

↑

f(x )

+

 

 

 

 

 

Π

0

 

0

è fΠm (x0) ↓ f(x0) в каждой точке x0

непрерывности функции f и потому S−(f) = S+(f).

 

 

 

 

Задача 1.3 * Осознать (т.е. уметь объяснить) каждое высказывание в приведенном выше доказательстве того, что функция интегрируема по Риману тогда и только тогда, когда она почти всюду непрерывна.

Задача 1.4 Проверить непосредственно, что функция

 

R(x) =

{0,

иначе

x = m/n

−

(1.2)

 

1/n,

åñëè

 

не сократимая дробь,

1)непрерывна почти всюду;

2)интегрируема по Риману на любом компакте.

Â1901 ã. 26-летний Лебег ввел пространство L(Ω) функций, определенных на открытом множестве Ω Rn и называемых ныне интегрируемыми по Лебегу, а также интеграл, носящий теперь его имя.

Принципиальная разница между функциями, интегрируемыми по Лебегу и интегрируемыми по Риману, заключается в том, что требование, определяющее функции интегрируемые по Риману , а именно:

 

 

 

 

 

 

f = f− = f+

почти всюду в Ω ,

 

 

 

 

 

(1.3)

ãäå

 

f− =

lim f−n ï.â.,

f+ = lim f+n (x) ï.â. ïðè

 

lim

 

∆n

= 0, точнее: f−n

↑

f−

ï.â. è f+n

↓

f+ ï.â.

 

 

n→∞

Π

n→∞

Π

 

 

 

n→∞

Π

 

 

 

Π

 

Π

 

 

заменяется на следующее, более слабое:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f = f1 − f2

почти всюду в Ω ,

 

 

 

 

 

(1.4)

ãäå

 

f1 è

f2 являются пределами почти всюду неубывающих последовательностей ступенчатых функций,

интегралы которых ограничены, т.е.

fn1

↑ f1

ï.â.,

fn2

↑ f2

ï.â. è

fn1 ≤ const,

fn2 ≤ const, ÷òî

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

∫

 

∫

 

 

 

∫

 

 

 

∫

 

 

также гарантирует существование

f

1

= nlim

 

1

è

 

f2 = lim

f2, а потому и числа

f(x) dx =

 

 

 

 

 

 

 

fn

 

 

n

→∞

∫n

 

 

∫

 

1

 

 

2

 

 

 

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ω

 

 

 

 

 

называемого интегралом Лебега функции

 

 

 

 

 

 

 

∫ f (x) dx

− ∫ f (x) dx,

f L(Ω).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ΩΩ

Задача 1.5 1). Доказать, что max{f, 0}

è min{−f, 0}, а потому и

|f| = max{f, 0} − min{f, 0} èí-

тегрируемы по Лебегу, если

f L(Ω).

 

 

 

 

 

|f| L(Ω).

 

2). Доказать, что

f интегрируема по

 

 

ï.â. è

 

ступенчатой. При этом

 

 

 

 

Лебегу, если

max f1

, 0

 

const .

max fn1, 0 max f1, 0

 

ï.â. è ∫

 

Указание. Если ступенчатая функция

fn1

↑ f1

}

∫

fn1 ≤ const, то функция max{fn1, 0} является

 

{

} ↑

{

 

 

{

 

} ≤

 

1

Задача 1.6 Пусть f è g L(Ω). Тогда max{f, g} è min{f, g} интегрируемы по Лебегу.

Задача 1.7 Проверить, что функция f интегрируемая по Лебегу, если она интегрируема по Риману.

Задача 1.8 Проверить, что функция Дирихле (1.1) интегрируемая по Лебегу. Найти ее интеграл.

Среди важных результатов о предельном переходе под знаком интеграла имеются следующие

äâà

Теорема 1.1 (Беппо Леви) Пусть fN L = L(Ω) è fN

↑ f п.в. Если существует константа

C ,

такая, что

∫

fN ≤ C

для любого N , òî

f L(Ω)

 

N→∞

∫ fN = ∫

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

lim

 

 

 

.

 

 

 

Лемма 1.1 (П. Фату) Пусть

gn L

,

gn ≥ 0 è gn

→ g

ï.â. Åñëè

∫ gn ≤ C < ∞

для любого

n

, òî

g

 

L è 0

≤

∫

g

≤

C .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 1.9 Привести контрпримеры к теореме Б.Леви и к лемме Фату, т.е. примеры, показывающие важность сформулированных в них условий.

Задача 1.10 Показать, что пространство∫ функций, интегрируемых по Риману, не полно относительно сходимости по норме f = |f(x)| dx , определяемой интегралом Римана, рассмотрев после-

довательность функций fk, заданных формулой

 

fk(x) = x−1/2 ïðè x (1/k, 1)

è

fk(x) = 0 ïðè x (0, 1/k].

 

проверить, прежде всего

 

 

∫

 

 

 

 

 

f L(0, 1)∫

 

f(x) = x−

 

Указание. Обозначая через

(R)

интеграл в смысле Римана, а через

(L)

интеграл в смысле Лебега,

 

 

 

(используя теорему Б.Леви), что

 

, åñëè

 

 

1/2 . Ïðè ýòîì,

klim→∞ (L) |f(x) − fk(x)| dx = 0. Предположив далее, что существует функция

g , интегрируемая по

÷è 1.7), ÷òî

 

k→∞ ∫(R) |

−

|

 

 

 

 

 

 

 

 

Риману, для которой

lim

 

 

g(x)

fk(x) dx = 0,

показать (воспользовавшись результатом зада-

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

∫(R) |

g(x)

 

 

lim

|g(x) − fk(x)| dx

 

 

 

g = f .

 

k→∞

 

 

− fk(x)| dx = k→∞ ∫(L)

 

 

φ = ∫ |φ| , является

банаховым.

 

 

 

 

 

 

 

Пространство

L , снабженное нормой

Теорема 1.2 (Ф. Рисс и Р. Фишер)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 1.11 * Осознать (т.е. уметь объяснить) каждое высказывание в нижеследующем доказа-

тельстве теоремы Рисса Фишера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть φn − φm → 0

ïðè

n , m → ∞ . Тогда существует возрастающая последовательность

N−1

 

 

Последовательность

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Согласно

индексов {nk}k≥1 , такая, что

φn − φnk =

 

|φn − φnk | ≤ 2−k

äëÿ âñåõ

n > nk . Положим fN (x) =

k∑

 

 

 

 

 

 

 

{fN }N∞=2

 

 

∞

 

 

∫

fN ≤ 1

 

|φnk+1 (x) − φnk (x)|.

 

 

 

 

 

является возрастающей и

 

=1

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(Ω). Следовательно, ряд

 

|φnk+1 (x) − φnk (x)|

 

 

теореме Б.Леви,

f =

Nlim fN

 

 

сходится почти

 

 

 

→∞

(

 

 

 

)

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

всюду. Тем самым, ряд

k=1 φnk+1 (x) − φnk (x)

тоже сходится почти всюду. Иными словами, для

почти всех x существует1

lim φnm (x) . Обозначим этот предел через

φ(x). Покажем, что φ L

ïðè nm →∞N , nk

 

N . Полагая gnm (x) =

 

φnm (x)

 

φnk (x) и опираясь на∫ лемму Фату, перейдем

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è ÷òî nlim φn −φ = 0 . Имеем: для любого

ε > 0 существует N ≥ 1 , ÷òî

|φnm (x) −φnk (x)| dx ≤ ε

≥

≥

 

 

 

 

|

 

 

 

−

 

|

 

 

φ − φn → 0 ïðè n → ∞ ,

φ − φnk L. Тем самым, φ L , à φ − φnk

→ 0 ïðè∫k → ∞ . Отсюда|

к пределу при nm

→ ∞ . Получим: |φ − φnk

|

L è

|φ(x) −

φnk (x) dx ≤

ε . Согласно задаче 1.5,

òàê êàê φ − φn ≤ φ − φnk + φnk − φn .

Следующая теорема о предельном переходе под знаком интеграла одна из самых значимых теорем теории интеграла Лебега.

1 Тем самым, фундаментальная последовательность в L содержит подпоследовательность, сходящуюся почти всюду.

2

Теорема 1.3 (Лебег) Пусть fn L(Ω) и пусть fn(x) → f(x) почти всюду в Ω . Если существует функция g L(Ω) , называемая мажорантой, такая, что |fn(x)| ≤ g(x) äëÿ âñåõ n ≥ 1, òî f L(Ω)

è ∫

lim

∫

fn

.

f = n→∞

 

Задача 1.12 * Осознать (т.е. уметь объяснить) каждое высказывание в нижеследующем доказательстве теоремы 1.3.

Пусть L(g) = {φ L(Ω) | − g ≤ φ ≤ g}. Это множество замкнуто относительно монотонных

предельных переходов, т.к. (в силу теоремы Б.Леви) если

 

φn

 

 

(g)

è

φn

↑

φ+

èëè

φn

↓

φ−, òî

предельные функции φ+ è φ−

принадлежат множеству

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(g). Замечая, что при k → ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ def

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(g) max{fn, fn+1, . . . , fn+k} ↑ Fn

= sup{fn, fn+1, . . .}

 

 

 

 

 

(1.5)

è

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

def

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(g) min{fn, fn+1, . . . , fn+k} ↓ Fn−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= inf{fn, fn+1, . . .} ,

 

 

 

 

 

(1.6)

получаем: Fn± L(g). ßñíî, ÷òî

 

Fn+ ↓,

à Fn− ↑ . Поэтому для почти всех x Ω,

а именно, для тех

x Ω,

ãäå

fn(x) → f(x),

имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F +(x) = sup

{

f

n

(x), f

n+1

(x), . . .

} ↓

f(x)

è F −(x) = inf

{

f (x), f

 

(x), . . .

} ↑

f(x) .

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n

n+1

 

 

 

 

 

 

 

Вспоминая, что L(g)

 

замкнуто относительно монотонных переходов, получаем, что

f L(g) L.

À òàê êàê

F −(x)

≤

fn(x)

≤

F

+(x)

для почти всех x

 

Ω, òî

F −

≤

 

fn

≤

F +

и потому

→∞

∫

n

 

 

→ ∫

n

 

→ ∫

 

 

 

 

 

∫

n

∫

 

∫

n

 

 

 

∫

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nlim fn =

f, èáî

Fn−

 

 

 

f

è

 

Fn+

 

 

f.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 1.1 Можно показать, что если f интегрируема по Лебегу, то характеристическая функ-

def

 

 

 

öèÿ 1{f≤a} множества {f ≤ a} = {x Ω | f(x) ≤ a } интегрируема по Лебегу.

Задача 1.13 Пусть f L(Ω). Показать, что характеристические функции

1{a<f≤b}, 1{f>b}, 1{f=c}

множеств

 

 

 

def

} ,

def

def

{a < f ≤ b} = {x Ω | a < f(x) ≤ b

{f > b} = {x Ω | f(x) > b } , {f = c} = {x Ω | f(x) = c }

интегрируемы по Лебегу. Указание.

1{a<f≤b} = 1{f≤b} − 1{f≤a} .

 

Определение 1.1 Если характеристическая функция 1A множества A Ω интегрируема, то мно-

жество A называется измеримым, а его мерой (Лебега) называется число

µ(A) = ∫ 1A.

Замечание 1.2 Можно показать, что ограниченное открытое или замкнутое множество измеримо. Измеримо также счетное пересечение измеримых множеств. А если счетное объединение измеримых множеств ограничено, то оно также измеримо.

Замечание 1.3 В 1904 году Лебег в своей книге Интегрирование и отыскание примитивных функций выразил надежду, что любое ограниченное множество измеримо по введенной им мере. Однако спустя год итальянский математик Джузеппе Витали (1875 - 1932) привел пример множества A [0, 1] R, которое не измеримо.

Конструкция множества Витали (неизмеримого по Лебегу), по-существу, такова. Скажем, что числа из отрезка [0, 1] эквивалентны, т.е. принадлежат одному классу эквивалентности, если они отличаются на

рациональное число. Опираясь на аксиому выбора 2, выберем из каждого класса эквивалентности по одному его представителю. Полученное множество A представителей будет неизмеримым. Действительно, если сдви-

íóòü A сч¼тное число раз на все рациональные числа из интервала [−1, 1], то объединение будет содержать весь отрезок [0, 1] , но при этом оно будет содержаться в отрезке [−1, 2] . При этом сдвинутые копии множества A не будут пересекаться друг с другом, ибо иначе расстояние между представителями копий будет рациональным числом. Предположив, что A измеримо по Лебегу, получим противоречие. В самом деле, если µ(A) = 0, то мера интервала [0, 1] , как сч¼тного объединения множеств меры нуль, тоже будет равна нулю. А если µ(A) > 0, то мера интервала [−1, 2], содержащего сч¼тной объединение непересекающихся копий множества A будет бесконечна.

2Ее сформулировал В 1904г. немецкий математик Эрнст Цермело (1871 - 1953). Согласно аксиоме выбора, из любого семейства непустых попарно непересекающихся множеств можно выбрать единственный элемент из каждого множества этого семейства. Эта аксиома до сих пор безоговорочно принимается не всеми математиками, в частности, потому что приходится говорить о множестве выбранных элементов, ни один из которого не известен. Более того, из аксиомы выбора вытекает немало парадоксальных утверждений. Среди них так называемый парадокс Банаха - Тарского, утверждающий, что тр¼хмерный шар можно разбить на конечное число (не обязательно связных) попарно непересекающихся частей, передвинуть их (допуская попарное пересечение) и составить из них два таких же шара. Суть парадокса в том, что всечасти при таком движении с попарным пересечением не могут быть измеримыми.

3

Замечание 1.4 Можно доказать, что если f

à

∫

σ→0

σ

 

то интеграл Лебега

f(x) dx равен lim S

 

(f)

 

N

 

 

 

 

∑

 

 

 

Sσ(f) =

yk µ{x [0, 1] | yk−1 < f(x) ≤ yk} ,

k=1

интегрируема по Лебегу и ограничена:

m ≤ f(x) ≤ M ,

, ãäå

σ =

max(y

k −yk−1)

,

m = y0 < y1

<

 

= M ,

 

k

 

 

· · · < yN

 

∫

 

 

 

 

N

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

 

 

 

 

 

ò.å.

f(x) dx = lim

 

y

k

1

yk−1

<f≤yk

(x) dx . (1.7)

 

 

 

σ

→

0

 

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 1.14 Вычислить интеграл

 

−∞e−x2 dx,

учитывая, что его квадрат равен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

(1.7)

 

 

 

 

 

 

→

k=2n−1 k

 

 

k

 

 

 

2

 

2

 

 

 

k + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 =

R

 

e−(x +y ) dx

 

 

=

 

 

lim

 

 

 

 

∑

µ

 

 

 

 

e−(x +y )

<

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σn=

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

2n

 

 

{2n

≤

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 1.4 (Фубини) 3 Пусть Ωx

открытое множество в Rk , à Ωy

открытое множество

â Rm . Пусть f : Ω (x, y) 7→f(x, y) интегрируемая функция в прямом произведении

Ω = Ωx × Ωy .

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x Ωx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y Ωy ) функция

f(·, y) : Ωx

x 7→f(x, y) (ñîîò-

1)

для почти всех

(соответственно

ветственно

f(x, ·) : Ωy

y 7→f(x, y) ) является элементом пространства

 

L(Ωx)

(соответственно

L(Ωy) );

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

(Ωx f(x, ·) dx) L(Ωy) , à

 

(Ωy f(·, y) dy) L(Ωx) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

Ω f(x, y) dx dy = Ωy [Ωx f(x, y) dx]dy = Ωx

[Ωy f(x, y) dy]dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 1.15 Рассмотрим функцию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f : (0, 1)

×

(0, 1)

 

 

(x, y) f(x, y) =

 

 

y2 − x2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 + y2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7→

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =

1

 

 

 

1

 

y2 − x2

 

dx dy =

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

dx

 

 

dy +

 

 

1 2y2

 

 

1

 

 

dx

 

 

 

 

 

dy ,

 

∫0

 

 

 

 

 

 

 

− ∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

(∫0 (x2 + y2)2

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

(∫0 x2 + y2 )

 

 

∫0

 

(∫0 (x2 + y2)2 )

 

 

 

I =

1

 

 

1

y2 − x2

 

dy dx =

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

dy

 

 

 

dx

 

 

 

1 2x2

 

 

1

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

 

 

(∫0 x2 + y2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

∫0

 

(∫0 (x2 + y2)2

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

− ∫0

(∫0 (x2 + y2)2 )

 

 

 

Тем самым,

 

I1 = −I2. А поскольку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

dx

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

dx

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2y2

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

arctan

 

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

 

=

 

+

 

arctan

 

,

 

 

 

 

 

 

x2 + y2

y

y

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 + y2)2

1 + y2

y

y

 

 

 

òî I1

= ∫0 1+y2

= π/4. Следовательно, существование двух повторных интегралов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫Ωy [∫Ωx f(x, y) dx]dy è

∫Ωx [∫Ωy f(x, y) dy]dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

не влечет, вообще говоря, их равенства. Причина (согласно теореме Фубини) в том, что

f íå èíòå-

грируема по Лебегу. Проверить непосредственно, что

 

f / L((0, 1) × (0, 1)),

рассмотрев интеграл

 

 

 

y2 − x2

 

dxdy ,

 

ãäå

 

 

 

 

ω

 

=

 

 

x = r cos φ , y = r sin φ

 

 

ε < r < 1 , 0 < φ < π/4

 

.

 

∫ω" (x2 + y2)2

 

 

 

 

 

 

{

|

 

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3Гвидо Фубини (1879-1943) итальянский математик. Основной темой его исследований являлась дифференциальная геометрия

4

Ÿ 2

Пространства Рисса

Lp è Lp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

loc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Справедлива

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лемма 2.1 Пусть p [1, ∞) . Тогда отображение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· p : Lp f 7→f p = (∫Ω |f(x)|pdx)1/p ,

 

 

 

 

 

 

(2.1)

которое иногда будет обозначаться

 

· Lp , является нормой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.1 Доказать, что отображение

(2.1) не является нормой, если

p < 1.

 

 

 

Задача 2.2 Доказать, что C∞(Ω) плотно в

Lp(Ω) , 1

 

≤

 

p <

∞

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Указание. Воспользоваться тем, что справедлива

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 2.1 Пусть f L1(Ω) , причем

 

f = 0 почти всюду вне некоторого

K b Ω . Пусть ρ > 0

функция

 

 

K è

∂Ω,

 

ε (0, ρ],

à δε C0∞(Ω),

 

δε(x) = 0 ïðè

|x| > ε è ∫

δε = 1. Тогда

расстояние между

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rε(f) = fε : Ω x 7→fε(x) = ∫

f(y)δε(x − y)dy,

 

 

 

 

 

(2.2)

принадлежит пространству

C0∞(Ω) . Ïðè ýòîì

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

f

−

f

ε

p

= 0,

 

1

≤

p < .

 

 

 

 

 

 

(2.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

→

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.3 Пусть u C(Ω),

т.е. функция

 

u непрерывна в

 

Ω. Показать, что

 

 

 

 

 

 

u − Rε(u) C

def

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε → 0 .

 

 

 

 

 

 

= sup |u(x) − Rε(u)(x)| → 0

 

 

 

ïðè

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 2.1 Пусть

p [1, ∞) . Через

 

Llocp (Ω) (или просто Llocp

) обозначается

пространство

локально интегрируемых в

p -й степени функций f : Ω → C , ò.å.

 

функций, таких, что

p

 

f · 1K L (Ω)

 

K b

 

p

 

 

p

 

 

 

 

 

 

äëÿ âñåõ

Ω . Â Lloc(Ω)

вводится сходимость: fj

 

→ f

â

 

Lloc(Ω)

тогда и только тогда, когда

1K · (fj − f) p → 0 ïðè

j → ∞ äëÿ âñåõ

K b Ω .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.4 Проверить, что

C ( Lloc∞ ( Llocs

( Llocr

( Lloc1 , åñëè 1 < r < s < ∞.

 

 

 

Определение 2.2 L∞(Ω)

это пространство существенно ограниченных функций в

Ω , ò.å. ïðî-

странство тех функций

f Lloc1 (Ω) , для которых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

∞

=

inf sup

|

f(x)

|

<

∞

,

 

 

µ(Ω

\

ω) = 0.

 

 

 

 

 

 

(2.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω Ω x ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условие (2.4) означает, что почти всюду функция

f ограничена, т.е. существует такое M < ∞ ,

÷òî |f(x)| ≤ M почти всюду; при этом

 

f ∞ = inf M .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.5 Изобразить график функции

D1 : x 7→ x,

 

 

x Q,

 

 

 

и найти

 

D1

 

∞ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{0,

 

 

x

 

 

R

\

Q.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.6 Проверить, что формула (2.4) задает норму, а пространство

L∞(Ω) , снабженное этой

нормой, является банаховым.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 2.1 Знак ∞ в обозначении пространства и нормы

(2.4)

оправдан тем, что f ∞ =

plim f p , åñëè

Ω b Rn , ò.å.

Ω

компакт в

Rn.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 2.3 Пусть X нормированное пространство с нормой · . Через X′ обозначается пространство непрерывных линейных функционалов на X . Пространство X′ называется сопряжен- íûì ê X .

5

Замечание 2.2 Вместо обозначения X′ употребляют также такие: L(X; R) è L(X; C), которые

конкретизируют является ли пространство

X′ вещественным или комплексным.

 

 

 

 

 

Задача 2.7

Проверить, что (Rn)′ = L(R; R)

изоморфно Rn.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2.8

Проверить, что пространство

X′ , снабженное нормой

 

f

 

′ = sup

x X

| f,x |

,

f

 

X′,

является банаховым. Здесь f, x значение f íà x X .

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Указание. Здесь от нормированного пространства X полнота не требуется. Но существенно используется

полнота числового поля ( R èëè C ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 2.2 (Ф. Рисс) Пусть 1 ≤ p < ∞ . Тогда (Lp)′ = Lq , ãäå 1/p + 1/q = 1 ( q = ∞ ïðè

p = 1 ).

Точнее:

1) для любого f Lq(Ω) существует F (Lp(Ω))′ , т.е. такой линейный непрерывный функционал

F íà Lp(Ω) , ÷òî

 

F, φ = ∫Ω f(x)φ(x)dx φ Lp(Ω);

 

 

 

(2.5)

2) для любого F (Lp(Ω))′ существует единственный элемент (функция)

f Lq(Ω) , такой, что

справедливо (2.5);

 

F

f

 

Lq является изометрическим изоморфизмом банаховых

3) соответствие I : (Lp)′

 

 

 

 

7→

 

 

пространств, т.е. отображение

I линейно, биективно и IF q = F p′ .

 

Задача 2.9 Воспользовавшись неравенством Г¼льдера, доказать утверждение 1) теоремы Рисса, а также оценку F ′p ≤ f q.

Ÿ 3 Ряды Фурье и преобразование Фурье. Пространства W p,k, S è S′

1. Справедлива следующая теорема Дирихле Жордана.

Теорема 3.1 Если функция u , кусочно-непрерывная на [−p/2, p/2], имеет ограниченную вариацию 4, то ее ряд Фурье

∑

 

 

 

p/2

 

 

 

∞

◦ k

1

∫−p/2 u(y)e−◦ı(k/p)y dy ,

 

 

 

u(x) k=

−∞

akeı p x ,

ak =

p

◦ı = 2πi, i = √−1

(3.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

сходится к ней равномерно на каждом компакте, не содержащем точек ее разрыва, а в каждой точке разрыва ряд Фурье функции u сходится к среднему арифметическому предельных значений функции

u в этой точке.

Задача 3.1 В формуле

∞

 

◦ n

 

 

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

ı p x

 

 

k

 

 

k

 

◦

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

(3.2)

 

ane

= a0 +

ck cos(2π p x) + dk sin(2π p x) ,

n=−∞

 

 

ı = 2πi, i =

 

 

 

 

 

 

k≥1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выразить коэффициенты

ck è dk

через

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

p/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫−p/2 u(y)e−◦ı(n/p)y dy .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an =

 

 

 

 

 

(3.3)

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

Задача 3.2 Показать, что функция [0, 1] x 7→xa sin x1

имеет ограниченную вариацию при

a > 1, â

отличие от случая

a ≤ 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.3 Доказать, что справедлива

4Такие функции представимы в виде разности двух монотонных (неубывающих) функций. Они имеют почти всюду

конечную производную, а графики таких функций u; заданных на отрезке [a; b] , имеют конечную длину

a

√1 + ( dudx )2 dx:

 

∫

 

 

 

 

b

 

 

 

6

Лемма 3.1 Пусть {ek}k≥1 ортонормированная система в H. Тогда для любого вектора u H

 

∑

справедливо неравенство Бесселя:

ck2 ≤ u 2, ãäå ck = (u, ek).

 

k≥1

Задача 3.4 Доказать, что справедлива

Теорема 3.2 Пусть {ek}k≥1 полная ортонормированная система в H. Тогда для любого вектора

 

∑

 

 

u H справедливо разложение u = (u, ek)ek, причем имеет место равенство Парсеваля:

 

k≥1

 

 

 

∑

 

 

 

ck2 = u 2 ,

ãäå ck = (u, ek) .

 

 

k≥1

 

 

Задача 3.5 Доказать, что справедлива

 

 

Лемма 3.2 Ортонормированная система {ek}k≥1

полна в гильбертовом пространстве

H тогда и

только тогда, когда линейные комбинации этой системы образуют всюду плотное множество в H,

системы, такая, что

x − xn → 0 ïðè n → ∞.

∑

aknek ýòîé

т.е. для любого x

H существует последовательность линейных комбинаций xn =

Задача 3.6 Доказать, что справедлива

 

 

 

 

полна в L2(−p/2, p/2).

Теорема 3.3 Система функций ek : (−p/2, p/2) x 7→ek(x) = p1 exp (◦ı kp x)

 

 

 

 

 

(3.4)

 

 

Задача 3.7 Проверить, что справедлива

 

 

 

 

 

 

Теорема 3.4 Для любой u L2(Ω) , ãäå

Ω =] − p/2, p/2[ , ряд (3.1) сходится к

u â L2(Ω) , ò.å.

| ∑

→ 0 ïðè N → ∞ .

 

 

u −

 

akek L2

 

(3.4)

k|≤N

 

 

 

2. Подставив формально (3.3) в (3.1), получим

 

 

 

∞

1

 

p/2

 

 

∑

 

 

e◦ı(k/p)x ∫−p/2 e−◦ı(k/p)yu(y)dy.

 

 

u(x) = k=

 

 

p

 

(3.5)

 

−∞

 

 

 

Устремив p к бесконечности и перейдя формально в (3.1) к пределу, получим (формальное!) выра-

жение

u(x) = ∫

−∞

(

−∞

)

 

∞ e◦ıxξ

∫

∞ e−◦ıyξu(y)dy

dξ.

(3.6)

Определение 3.1 x è ξ . Функция

Пусть ξ Rn, x Rn, xξ

∫

◦

ue(ξ) = e−ıxξ

Rn

n

 

 

 

= ∑k=1 xkξk , ò.å. xξ = (x, ξ)

◦

√

 

 

−1

u(x)dx, ı = 2πi, i =

 

скалярное произведение

(3.7)

называется образом Фурье функции

u L1(Rn) , а отображение F : L1(Rn)

 

u

 

u = Fu

 

C

называется преобразованием Фурье (в

L1(Rn) ).

 

 

 

7→e

 

 

 

 

Задача 3.8 Проверить, что справедлива

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лемма 3.3 Åñëè u L1(Rn) , òî Fu C(Rn) , причем Fu C ≤ u L1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.9 Пусть u

(x) = θ (x)e ax , ãäå θ

 

характеристическая функция

R

=

{±

x > 0

}

,

±

 

 

±

1

 

 

 

±

 

1

 

1 ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±Продолжается

a > 0 . Проверить, что u±(ξ) =

 

. Верно ли, что u± L ? Верно ли, что u± L

 

 

 

 

 

 

 

a±◦ıξ

 

 

 

 

 

 

 

 

e

u± в комплексную

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ли аналитически функция

e

 

 

 

 

 

полуплоскость? Если да, то в какую?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

Задача 3.10 Проверить, что

◦

◦

 

 

 

 

◦

 

 

 

 

 

 

 

 

ïðè

 

 

 

ε → +0 .

ln(ξ ıε) = ln |ξ

ıε| + i arg(ξ ıε) → ln |ξ| iθ−(ξ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывести отсюда формулу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

∞

φ(ξ) dξ

= v.p.

 

 

∞ φ(ξ) dξ

 

iπφ(0)

 

φ

 

C(

R

)

 

L(

R

) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

±

 

 

∩

ε→+0

∫−∞ ξ iε

 

∫−∞

 

ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которая часто записывается в таком виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

= v.p.

1

± iπδ(ξ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ

 

i0

ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь δ(ξ) δ -функция, а

∞ φ(ξ) dξ def

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

φ(ξ) dξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v.p. ∫−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ

=

 

µ→0 ∫|ξ|>µ

ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так называемое главное значение (valeur principale) интеграла

∫−∞

ξ

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

φ(ξ) dξ

 

 

 

 

 

 

 

Определение 3.2 Пусть α = (α1, . . . , αn) мультииндекс,

|α|

Соболеву5 порядка

α функции u Lloc1 (Ω) называется функционал

 

def

 

∂αu : C0∞(Ω)

φ 7→∂αu, φ = (−1)|α| ∫Ω u(x)∂αφ(x) dx ,

ãäå

= α1 + . . . + αn. Производной по

∂αφ(x) =

∂|α|u(x)

 

 

 

.

(3.9)

α1

αn

 

∂x1

. . . ∂xn

 

Определение 3.3 Пусть p ≥ 1 , a k Z . Говорят, что u Lp(Ω) есть элемент пространства Соболева W p,k(Ω) , если все производные по Соболеву ∂αu , ãäå |α| ≤ k , принадлежат Lp(Ω) . Сходимость в пространстве W p,k характеризуется нормой

 

 

 

u W p;k =

∂αu Lp ,

(3.10)

 

 

 

α|≤k

 

 

 

 

 

|∑

 

 

ò.å. uj → u â

W p,k ïðè

j → ∞ , åñëè u − uj W p;k → 0 ïðè j → ∞ .

Задача 3.11

Проверить, что W p,k

банахово пространство.

 

Задача 3.12

Доказать (используя теорему Фубини), что справедлива

Лемма 3.4 6

W 1,n(Rn)

C(Rn) , т.е. для любого

u W 1,n

существует единственная функция

u0 C , совпадающая почти всюду с

u , причем u0 C ≤ u W 1;n .

Задача 3.13 * Осознать (т.е. уметь объяснить) каждое высказывание в доказательстве нижеследующей теоремы

Теорема 3.5 Пусть u W 1,n(Rn) . Тогда для любого

x Rn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

N

◦

 

 

à

 

преобразование Фурье функции .

−

 

−

 

ıxξ

e

(3.11)

 

 

u(x) = lim

ãäå

 

 

∫ N . . .

∫

 

N e u(ξ)dξ1 . . . dξn ,

 

ue = Fu

N→∞ uN (x) ,

 

 

uN (x) =

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

−∫

◦

 

 

∫

 

σ

 

 

 

N

 

sin 2πNs

∞

sin x

Положим θN (σ) = δN (s)ds , ãäå δN (s) =

e

ısξ

dξ =

 

 

πs . Поскольку

−∞

πx

−1

 

 

 

N

 

 

 

 

 

2πNσ

sin t

 

 

 

1

ïðè σ > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θN (σ) =

∫

 

dt → θ(σ) = {0

 

 

 

πt

ïðè σ < 0 .

 

 

dx = 1, òî

 

−2πN

 

5

Сергей Львович Соболев (1908 - 1989) - один из крупнейших математиков XX века.

6

Лемма 3.4 простой частный случай теорем вложения Соболева. Отметим, что вложение W p;k(Rn) C(Rn) , ñïðà-

ведливое при n=p < k , нарушается, если p > 1 , à n=p = k .

8

имеем: |θN (σ)| ≤ 2λ0, èáî |λk| ↓ 0

è λ2k

> −λ2k+1. В силу теоремы

 

 

(k+1)/2N

 

 

 

(k+1)π

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

∫

 

sin t

 

Ïðè ýòîì, |θN (σ)| ≤ const для любого N. Действительно, полагая λk

=

 

 

 

δN (s) ds =

 

kπ

 

πt

dt,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k/2N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фубини,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

∞ ∞

 

 

∂θ

N

(y1

 

x1)

 

 

 

 

∂θ

 

(y2

 

 

x2)

 

 

 

 

∂θ

(yn

 

xn)

 

 

 

uN (x) = ∫−∞ [. . .

[∫−∞ [∫−∞ u(y)

 

 

 

 

−

 

 

 

dy1]

 

 

N −

 

 

 

dy2]

. . . ]

 

 

N −

 

 

dyn .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y1

 

 

 

 

 

∂y2

 

 

 

 

 

∂yn

 

 

 

 

 

Остается проинтегрировать это равенство по частям и применить теорему Лебега.

 

 

 

 

 

 

Формула

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(F−1u)(x) = ∫Rn e◦ıxξu(ξ)dξ ,

 

 

 

 

 

◦ı = 2πi,

i = √

 

, x Rn.

 

 

 

 

 

 

 

 

ãäå

 

−1

 

 

 

 

(3.12)

отличается от формулы

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.7) знаком у экспоненты. Преобразование

 

 

1 называется обратным преоб-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

разованием Фурье, поскольку u = F−1Fu , åñëè

u W 1,n(Rn) , a

 

Fu L1(R) .

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 3.4 Элементами пространства

 

S(Rn)

являются функции u C∞(Rn) , которые удо-

влетворяют следующему условию: для любых мультииндексов

 

α = (α1, . . . , αn) è β = (β1, . . . , βn)

существует такое число Cαβ < ∞ , что для любого

x = (x1, . . . , xn) Rn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|xα∂xβu(x)| ≤ Cαβ,

 

 

ãäå xα = x1α1 . . . xnαn ,

∂xβ

 

 

 

 

 

∂|β|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x1β1 . . . ∂xnβn

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом говорят, что последовательность функций

uj S сходится в

S ê u ( uj

→ u â S ) ïðè

j → ∞ , åñëè ϵ > 0 m N j0 N j ≥ j0

 

справедливо неравенство:

 

pm(uj − u) ≤ ϵ , ãäå

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(v) = sup

 

| ∑

 

 

 

 

 

 

m

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pm

 

α

 

 

m(1 + |x|) |∂ v(x)| .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x Rn

|≤

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.14 Проверить, что

e−x2

S

(

R

) , íî

e−x2 sin(ex2 ) /

 

(

R

) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.15 Интегрируя по частям, проверить, что справедлива

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лемма 3.5 Для любых мультииндексов

 

α, β

и любого u S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

◦

β

|F[∂

α

 

 

 

β

 

 

 

 

 

 

 

 

◦

α

|ξ

α

 

β

 

 

 

 

 

 

 

ãäå

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.13)

(

−

ı)|

 

 

(x u(x))](ξ) = (ı)|

 

 

∂

 

u(ξ),

 

 

 

 

 

 

 

u = Fu .

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.16 доказать

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие 3.1 FS S , ò.å.

Fu S , åñëè u S .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.17 * Осознать (т.е. уметь объяснить) каждое высказывание в доказательстве нижеследующей теоремы

Теорема 3.6 Отображения

F : S → S è F−1 : S → S это взаимообратные и непрерывные авто-

морфизмы пространства S .

 

 

 

 

 

e

 

 

e

 

 

 

 

u(x) = u0

(

 

x) . Имеем: u = F− u0 = Fu . Непосредственно из

 

 

 

 

F линейно и, в силу теоремы 3.5, мономорфно. Проверим, что u S

u S , ÷òî Fu = u .

Положим

u = Fu . Òàê êàê u

S

, то согласно теореме 3.5, u = F−1Fu = F−1u . Рассмотрим

 

j

 

 

0

euj

 

0

 

 

0

1

e

 

e −

 

 

функцию

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

определения 3.4 следует, что

Fu

 

→

0 â

S

, åñëè

 

→

 

â

S

. Те же самые рассуждения справедливы для

F 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

Задача 3.18 * Осознать (т.е. уметь объяснить) каждое высказывание в доказательстве нижеследующей леммы

9

Лемма 3.6 (равенство Парсеваля). Если f , g S(Rn) , òî

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

∫

 

Кроме того,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ff, Fg)L2

= (f, g)L2 ,

ò.å.

 

Rn fe(ξ)g(ξ)dξ =

Rn f(x)

g

(x)dx.

(3.14)

 

Из теоремы Фубини следует (3.15), так как e

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

Ff, g = f, Fg , ò.å. ∫Rn f(ξ)g(ξ)dξ =

∫Rn f(x)g(x)dx.

(3.15)

 

 

 

 

 

 

∫Rn f(x)g(x)dx = ∫Rn ∫Rn f(x)e−◦ıxξg(ξ)dxdξ = ∫Rn f(ξ)g(ξ)dξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Тогда g =

 

e, òàê êàê

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

Пусть h =

Fg

Fh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)(ξ) = ∫

 

 

(x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g(ξ) = (F−1

 

 

e◦ıxξ

 

∫

e−◦ıxξh(x)dx = (

 

)(ξ).

 

 

 

 

 

 

 

h

h

Fh

 

до обозначений)

e

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (f, h)L2 h S , т.е. (с точностью

Подставив g(ξ) = h(ξ) è

 

g(x) = h(x) в (3.15), получим (Ff, Fh)L2

 

 

 

 

(3.14).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3.19 Проверить, что обе части равенства

(3.15) определяют линейные непрерывные функци-

оналы на S :

 

 

 

f : S g 7→ f(x)g(x)dx, f : S g 7→ f(ξ)g(ξ)dξ.

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

e

 

 

∫

e

 

Определение 3.5

 

 

 

 

 

это пространство Л. Шварца 7

медленно растущих обобщенных функ-

S′(R )

 

 

e

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f : S(Rn) → C , снабженное операцией

ций, т.е. пространство линейных непрерывных функционалов

дифференцирования

∂αf, φ = (−1)|α| f, ∂αφ , ãäå

α Z+n , и операцией умножения

af, φ = f, aφ

на любую медленно растущую функцию a , т.е. такую функцию a C∞(Rn) , для которой выполнено условие: α Cα < ∞ Nα < ∞ , ÷òî |∂αa(x)| ≤ Cα(1 + |x|)N .

Определение 3.6 Пусть f S′, g S′ . Тогда формулы

 

 

 

Ff, φ = f, Fφ φ S

 

è

 

F−1g, ψ = g, F−1ψ ψ S

 

(3.16)

функции g S′ .

 

 

e

 

 

 

f S′

 

 

 

 

′ , которые называются соответственно

определяют обобщенные функции f = Ff

S

′

è

 

F−1g

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

 

преобразованием Фурье обобщенной функции

 

 

 

 

 

 

 

 

обратным преобразованием Фурье обобщенной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3.1 Ясно, что

δ S′,

1 S′ . Найдем

Fδ

 

è F1 . Имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

−

◦

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fδ, φ = δ, Fφ = φ(0) =

lim

 

e

ıxξφ(x)dx =

φ(x)dx =

 

1, φ

,

 

 

 

 

ξ→0

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

ò.å.

 

 

. Аналогично,

1

 

 

Далее,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fδ = 1

F− δ = 1

. e

 

F1, φ = 1, Fφ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F−1δ, Fφ = δ, F−1Fφ , ò.å. F1 = δ . Аналогично,

 

F−11 = δ .

 

 

 

 

 

Ÿ 4

Пространства

Hs . Теоремы вложения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 4.1 Пусть m Z+ . Используя формулу (3.13), проверить, что пространство

Hm(Rn) òåõ

функций u L2(Rn) , для которых конечна норма

 

 

 

 

 

|∂αu|2dx 1/2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u Hm(Rn) = ∫Ω

 

α

 

 

m

 

 

 

(4.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|≤

 

 

 

 

 

 

 

 

есть пространство тех

u S′(Rn) , для которых

 

(1 + |ξ|)m(Fu)(ξ) L2(Rn) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7Лоран Шварц (1915 - 2002) французский математик, Филдсовский лауреат (1950г.).

 

 

 

 

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]