
книги из ГПНТБ / Стейн И.М. Сингулярные интегралы и дифференциальные свойства функций
.pdf
310 Гл. VIII. Дифференцирование функций
Теперь ясно, что если е—>-0, то 2fs{x), |
монотонно возрастая, |
стре |
|||||||||||
мится к интегралу |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^(x) = 4 |
j ' |
|
1 — cos |
2ях-112 |
dt, |
|
|
|||||
|
1 |
|
- |
|7] n |
y - ^ |
2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
c o |
s |
|
|
|
|
|
||
который зависит только от радиуса х |
и представляет |
собой |
одно |
||||||||||
родную функцию степени 2. Итак, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Sf(x) |
= bn\x\*, |
Ьп |
= |
|
А |
Г |
''"^Д"'1 '2 dt. |
|
|||||
Следовательно, |
левая часть |
равенства (31) равна bn J J х f\ f (х) J2 dx, |
|||||||||||
в то время как правая равна |
а„4л2 |
J" | х |21 f (х) |
|2dx. |
Предложение, |
|||||||||
таким образом, доказано, если положить ап~ |
|
Ьп/4п2. |
|
|
|||||||||
Читателю следует сравнить это предложение с предложением 5 |
|||||||||||||
из § 3.5 гл. V . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.3. Ясно, что достаточно доказать |
теорему |
при |
дополнитель |
ном предположении, что / обращается в нуль вне некоторого ог раниченного множества. Поэтому мы сделаем это предположение относительно /. Допустим далее, что f имеет производную в смыс ле L 2 в каждой точке множества Е. Тогда ввиду того, что это вле чет за собой существование гармонической производной в каждой
точке, |
мы |
можем, согласно теореме 2 § |
2.2., |
разбить |
функцию |
/ |
|||||
на сумму / = |
g |
+ b, где g е |
LT(Rn), |
a |
b = |
0 на |
F, где F <~ Е |
и |
|||
мера |
т(Е |
— F) |
мала. Ничего |
не |
изменится, |
если |
мы |
предполо |
|||
жим, |
что g |
(а |
значит, и Ь) также обращается |
в нуль |
вне некото |
рого ограниченного множества. Поскольку функция g имеет огра
ниченный носитель, то g<^LT(Rn), |
и поэтому |
в силу |
доказанного |
|||||||||
выше предложения |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
J |
| g ( x ° + |
0 + g ^ - 0 - 2 g |
( , ° ) P |
d |
t < o |
Q |
( 3 2 ) |
||
|
|
|
R " |
|
|
' |
|
|
|
|
|
|
для |
почти всех х° е |
R™. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Далее, |
функция |
g |
имеет |
обычную производную в почти каж |
|||||||
дой |
точке |
из |
R" |
(см. теорему |
1); следовательно, функция b имеет |
|||||||
производную |
в смысле |
L 2 для |
почти каждой точки из Е, а значит, |
|||||||||
и для почти каждой точки из |
F. Так как b обращается в нуль на |
|||||||||||
F, |
мы получаем, |
согласно |
неравенству |
(17) |
из |
§ 3.2, что |
||||||
I |
f, (Х0 |
1 |
f \ 12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
— — d t < оо для почти всех х° из F. Поскольку во вся-
§ |
5. Другая |
характеризация |
дифференцируемости |
311 |
|
ком случае b е |
L 2 ( R n ) , |
мы видим, что для этих х° |
|
||
|
|
|
Г 1 И * ° + 0 г * •dt < с о . |
(33) |
|
Если мы учтем |
еще тот факт, что Ь(х°) = 0, и неравенство (32), |
||||
то получим утверждение 2) теоремы 6. |
|
|
|||
5.4. Перейдем теперь к доказательству обратной части |
теоре |
||||
мы 6. Пусть и(х,у)= |
Ру * f есть интеграл Пуассона для функции |
||||
f; оценим производную |
-|~г- Для этого нам понадобится |
подхо |
|||
дящая оценка для |
д я- .L |
Так как |
|
|
|
ду2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
дду2Р * = -S-£r<M*».
то достаточно заметить, что
д2 |
РУ(Х) <у-"-2Ъ(х/у), |
Ч>(*)<Л( 1 +|*1) -П-3 |
|
дх) |
|||
|
|
Отметим еще, что
д2Ри
а также, и это играет решающую роль, что функция д^2 (х) за висит только от радиуса и, следовательно, четна относительно х. Принимая во нимание эти факты, получаем, что
|
д2и |
=4 |
|
l-^Py(.t)[f(x |
+ |
t) + |
f(x-t)-2f(x)]dt |
(34) |
|
|
ду2 |
|
|||||||
и, следовательно, |
|
|
|
|
|
||||
д2и |
^А'у—2 |
|
|
j\At\dt+A'y |
|
{ |
- i ^ L =h(y)+h(y). |
(35) |
|
ду |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Здесь мы положили At = |
f(x + |
t) + |
f{x — t) — 2f (x). Мы оценим |
|||||
интеграл | г/ |
д2и |
dy с помощью аналогичных интегралов |
от / j |
||||||
ду2 |
|||||||||
|
о |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
неравенству |
Шварца, |
|
|
||||
и / 2 . Согласно |
|
|
, n + I ,
3 1 2 Гл. VIII. Дифференцирование функций
Поэтому
ОО оо
\t\<y
Аналогичные рассуждения проходят и для / 2 ; учитывая все эти оценки, находим
|
|
|
|
|
д2и |
dy^B' |
j |
\f(x |
+ |
t) |
+ |
f(x-t)-2f(x) |
|
|
|2 |
dt. |
|
(36) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п+2 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Ввиду |
четности |
функции |
д2Р |
|
мы |
можем |
|
равенство |
(34) запи |
|||||||||||||||
сать |
так: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
д2и |
, |
. |
т, |
ч |
. д2м , |
— |
т, |
ч |
г/) |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
(* + |
г/) + |
- ^ r (* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
= |
j |
|
|
|
+ |
*) |
I / |
(* + |
0 |
+ / |
(х |
- |
0 |
- |
2/ (*)] Л , |
(34') |
||||
где |
т |
произвольно. |
|
Теперь, |
если |
| т | ^ г / , |
мы |
можем |
провести |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аналогичные оценки для -щ^- Ру |
(t + |
т) |
и |
получить, |
что |
|
|
||||||||||||||||||
^ |
( |
х |
+ |
т, у) + -^г(х-т, |
|
у)\^А{11(у) |
|
+ |
12(у)}, |
| т | < у . |
(350 |
||||||||||||||
Поэтому с помощью тех же |
рассуждений |
|
мы |
получаем вместо |
|||||||||||||||||||||
(36) |
следующее |
неравенство: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
д и |
(х + |
1 , у) + |
|
|
(х — г, |
у)2 |
yl~ndxdy |
|
< |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
ду |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
j |
^ ^ + / ) |
+ / / : + - ° - 2 |
/ ( - ) | 2 ^ |
(зб |
||||||||||
|
Теперь |
мы |
можем |
воспользоваться |
теоремой |
десимметризации |
|||||||||||||||||||
из |
§ |
|
4.1 |
в |
тех |
точках, |
для |
которых |
справедливо |
условие 2) |
из |
||||||||||||||
теоремы |
6. |
Здесь мы |
полагаем |
|
|
|
|
|
|
д2и |
|
|
|
считаем, |
|||||||||||
|
U (х, |
у) = -щг(х> |
|
у) |
и |
||||||||||||||||||||
что |
U = |
0 |
при |
у > |
|
1. |
Отсюда |
следует, |
что |
для |
почти |
всех |
то |
||||||||||||
чек х° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
J J |
|
|
\^(х° |
|
+ |
|
* ) \ 2 |
yl-ndrdy<<*>, |
|
|
|
|
(37) |
|||||
|
|
|
|
|
|
\Х\<У,У<2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
и |
поэтому, |
согласно |
теории, |
развитой |
в |
предыдущей |
главе |
(см. |
|||||||||||||||||
§ |
2.5, в особенности |
стр. 254), у производной |
ди |
|
существуют |
не |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ду |
|
|
|
|
|
тангенциальные пределы для почти всех таких х°. Наконец, в силу
|
|
|
§ |
6. Дальнейшие |
результаты |
|
313 |
||||
§ 2.5 гл. V I I , функция |
и имеет гармоническую производную |
почти |
|||||||||
во всех точках, где выполняется условие 2). |
|
|
|
||||||||
Далее, мы можем представить функцию / в виде суммы |
g + b, |
||||||||||
где geLr(R"). |
Согласно доказанному выше мы знаем, что инте |
||||||||||
гральное |
условие |
выполняется |
почти |
всюду, и когда f заменено на |
|||||||
g. Таким |
образом, оно выполняется в почти всех указанных |
точках |
|||||||||
и для функции Ъ\ кроме |
того, Ь обращается |
в нуль в этих |
точках. |
||||||||
В результате мы получаем, что |
|
|
|
|
|
||||||
f |
1&(Х° + ?++ У°~0 | г |
* < " |
, |
* И |
« О , |
x P S F , |
(38) |
||||
где F с |
Е и мера m(E — F) мала. |
|
|
|
|
|
|||||
Теперь мы вновь обращаемся к теореме десимметризации, по |
|||||||||||
ложив на этот раз |
U (х, у) = |
у~2Ь(х) |
при у <\. |
Тогда мы |
имеем |
||||||
|
|
оо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
{ |
y\U(x°, |
y)\2dy=*0, |
|
x°&F, |
|
|
|||
и |
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J j у*-"\ |
U (х° + |
t,y) |
+ U (*° - |
/, у) |
fdtdy |
< о о , |
|
|||
|
\t\<y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
что легко следует из (38). В результате мы получаем, что
I \п+2
/ | < 1
для почти всех точек л:0 из F, причем в этих точках, очевидно,
| Ь (х° + /) |2 dt = о (rn+2), |
f-+Q; |
\t\<r
это означает, в частности, что функция b имеет производную в смысле ZA Обратная часть теоремы тем самым доказана. Следст вие немедленно вытекает из теоремы и следствия, приведенного в § 4.2.3, стр. 307.
§ 6. Дальнейшие результаты
6.1. Большинство результатов этой главы имеет аналоги, для производных высших порядков. Соответствующие определения выглядят следующим образом.
Пусть k — целое |
число, |
k |
1. Мы говорим, что |
функция / имеет |
обычную |
про |
|
изводную порядка |
k в |
точке |
х°, если существует |
такой многочлен |
Рха от у |
сте |
|
пени, не превышающей |
/г, что |
|
|
|
|
||
|
f(x° |
+ y)-Px,iv)-o(\y\k), |
у^О. |
|
|
ПИ. Стейв
314 |
|
|
|
Гл. |
V I I I . |
Дифференцирование |
|
функций |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Аналогично скажем, что функция / имеет производную |
|
порядка |
|
k |
в смысле |
L q |
|||||||||||||||||||
если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Л"» |
\ |
\f(x0+y)-PxC(y)\'ldy |
|
|
|
= |
|
o(hkq) |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
\y\<h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
при А - > 0 . Наконец, если |
|
мы |
предположим, |
что |
функция |
/ суммируема |
в неко |
||||||||||||||||||
торой |
окрестности точки |
|
х°, |
и |
положим |
ее |
равной |
нулю |
вне этой |
окрестности, |
|||||||||||||||
то |
мы |
будем |
говорить, что она |
имеет |
гармоническую |
|
|
производную |
|
порядка |
k |
||||||||||||||
в |
точке |
х°, если |
все функции |
\ |
— (х, |
у) |
V |
|
имеют нетангенциальные |
пре- |
|||||||||||||||
делы |
в |
точке |
х°. |
|
|
|
|
I |
Д Х |
|
|
|
J|a|<ft |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Обобщением |
теоремы |
1 является |
следующее |
утверждение. Если |
К р ^ о о |
|||||||||||||||||||
и f e L [ |
(R r a ), то функция f имеет обычную производную |
порядка |
k |
для почти |
|||||||||||||||||||||
всех точек из Яп |
при p>n/k. |
|
|
Если же |
p<n/k, |
то |
функция f |
имеет |
производ |
||||||||||||||||
ную порядка k почти во всех точках |
в |
смысле |
L 9 |
, где |
\/q = |
l/p — k/n. |
|
||||||||||||||||||
|
Обобщением |
теоремы |
2 |
является |
существование |
разбиения |
f = |
g-\-b, |
где |
||||||||||||||||
g ' e i " |
( R r t ) , а функция b обращается |
в нуль на множестве F, F cz |
Е, |
т(Е |
|
— F) < е, |
|||||||||||||||||||
если известно, |
что функция |
f |
имеет |
производную |
порядка k |
в |
гармоническом |
||||||||||||||||||
смысле |
во всех точках множества |
Е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Что |
касается |
обобщения |
|
теоремы |
3, то достаточно |
предполагать, |
что |
для |
||||||||||||||||
любого |
хй е Е существует такой полином |
Рха(у) |
от |
у |
степени, |
не превышаю |
|||||||||||||||||||
щей k — 1, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
f(x° |
+ y)-Px4y) |
|
= 0(\y\k), |
|
|
у^О. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Тогда функция f имеет обычную |
производную порядка k |
почти |
для |
любой точки |
|||||||||||||||||||||
х° е= Е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Условие 2) для ядра k(x), |
|
которое |
фигурирует |
в |
теореме 4, |
следует |
усилить, |
|||||||||||||||||
требуя, |
чтобы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
\ЧГК(х)\<А/\х\п+г, |
|
|
0 < г < / г ; |
|
|
|
|
|
|
|
при таком изменении рассматриваемые сингулярные интегралы сохраняют также дифференцируемость порядка k в смысле L«.
Наконец, если f e L 2 ( R " ) , |
то |
условие, характеризующее существование |
про- |
изводных порядка k в смысле |
L 2 , |
— это конечность для почти всех точек, |
о ко |
торых идет речь, интеграла |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Г |
l |
^ |
l |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J |
M « + 2 * |
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь f(x°+t)-Pxt(t) |
|
|
= |
Rx,{t) |
и |
A*, ( 0 |
= = « , . ( < ) + ( - ! ) * " ' « * . ( - О - |
По по |
|||||||||
воду изложенного выше см. работы: |
Кальдерон и Зигмунд [7], Стейн |
и |
Зиг |
||||||||||||||
мунд [1] и |
Стейн |
[8]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
6.2. Результат |
теоремы |
1 |
остается |
верным |
и |
для |
р = 1, |
но требуется |
дру |
|||||||
гое |
доказательство. |
(Сравните |
с |
неравенством |
из |
§ 2.5 |
гл. V |
и тождеством |
(18) |
||||||||
в § |
2.3 той |
же главы.) |
Дальнейшим |
результатом является такая теорема. Если |
|||||||||||||
{ — |
функция |
ограниченной |
вариации |
на R " в смысле Тонелли, то почти в ка |
|||||||||||||
ждой точке |
функция |
/ |
имеет производную в смысле L«, |
где |
|
|
|
п
См. Кальдерон и Зигмунд [6].
|
|
§ |
6. |
Дальнейшие |
результаты |
|
|
315 |
||||
6.3. Теореме |
разбиения |
(из |
§ |
2.2) |
можно придать |
несколько |
более |
сильную |
||||
форму, если предположить |
дифференцируемость |
в |
смысле L q . |
Мы сформули |
||||||||
руем результат |
для производных |
порядка |
1. Пусть |
f e i « ( R " ) , |
1 ^ |
q, и для |
||||||
каждой точки х" |
е F, |
где F — компактное множество, |
|
|
|
|
||||||
h ~ n |
j" |
I f (х° + у) - |
f (х°) f |
dy < |
A h \ |
0 < / г < о о , |
|
|||||
|
\y\<h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где А не зависит от х°. Тогда f = g + b, где функция g непрерывно дифферен цируема, причем она и ее первые частные производные ограничены, и b = 0 на F. Более общую формулировку для случая старших производных и дальнейшие подробности см. в работе Кальдерона и Зигмунда [ 8 ] .
6.4. В связи с трудностями, относящимися к измеримости и |
обсуждавшими |
|||||
ся в § 3.1.1, по-видимому, будет интересно |
сформулировать |
следующую |
теорему. |
|||
Пусть функция f измерима по Лебегу на |
Тогда множество точек, где функ |
|||||
ция / ч имеет обычную производную, |
также |
измеримо |
по |
Лебегу |
(см. |
Хаслам- |
Джонс [1]). |
|
|
|
|
|
|
Тот факт, что множество |
|
|
|
|
|
|
lim sup |
f(x + |
h)-f(x) |
< o o |
|
|
|
измеримо по Лебегу, может быть доказан следующим образом. Для каждого целого k положим
|
|
|
Ek |
= |
{х: |
\f(x |
+ |
h) — f(x)\<Lk\h\ |
|
|
для. всех | h | < 1/6}. |
|
|
|
|
||||||||||
Тогда |
Е = |
(JEft", |
далее, поскольку |
взяты |
открытые |
шары |
\h\< |
\jk, отсюда |
сле |
||||||||||||||||
дует, |
что |
функция f |
|
непрерывна, а, значит, |
множество |
Ek |
з а м к н у т о 1 ) . ' |
||||||||||||||||||
6.5. Пусть k — нечетное |
число. Мы |
скажем, |
|
что |
функция |
f |
имеет |
симметрич |
|||||||||||||||||
ную |
производную |
|
порядка |
k |
в |
смысле |
Li |
в |
точке |
х°, если |
существует |
такой |
по |
||||||||||||
лином |
Рхо |
(у) от у степени, не превышающей |
k, |
|
что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
h'n |
|
{ |
\f(x° |
+ |
y ) - f ( x ( |
) - y ) - P x |
0 |
( y ) \ ' , d y |
= |
o(hk4) |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
[У\<Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
|
|
|
|
при у - > - 0 . При четном |
k |
мы |
даем |
такое |
же |
определение, |
только |
разность |
|||||||||||||||||
f(x° |
+ |
у) — /(х° |
— у) |
должна |
быть |
заменена |
на |
сумму |
f(x° |
+ y) + f ( * ° — |
у). |
|
|||||||||||||
ТЕОРЕМА. Пусть в |
каждой |
точке х" е |
Е |
функция |
f |
имеет |
симметричную |
|
про |
||||||||||||||||
изводную |
порядка |
k |
в смысле |
Li. Тогда |
для |
|
почти |
всех |
х0. |
из Е |
функция |
f |
|||||||||||||
имеет производную |
порядка |
k в смысле |
Li. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Для случая |
п — |
1, k = |
1 и обычного |
понятия |
дифференцируемости |
эта |
тео |
|||||||||||||||||
рема |
восходит к Хинчину |
[1]. Одномерный |
вариант |
этой |
теоремы |
см. у |
М. Вейс[1]. |
Общий случай может быть получен с помощью методов настоящей главы. До
пустим, например, что k = |
1. Обозначим |
через |
и |
ийтеграл Пуассона |
от |
функ- |
|||
|
|
|
ди |
дРу |
|
|
|
дР |
|
ции / и рассмотрим производную |
= |
~g~ |
* |
f' |
Поскольку ядро |
-д |
не |
||
четно, можно |
написать |
|
|
|
|
|
|
|
|
d U (х + х,у) |
+ 4т-(*-1.У)- |
\ -^rPy(t |
+ |
^lf(x + |
i)~f(x-t)]dtt |
||||
*) Этим рассуждением |
я обязан |
Федереру, |
|
|
|
|
|
11*
316 |
|
|
|
|
|
|
Гл. |
V I I I . |
Дифференцирование |
|
функций |
|
|
|
|
|||||||||
и |
из |
наших |
|
предположений |
|
следует, |
что |
у |
суммы |
(х° |
+ т |
. У) + |
||||||||||||
+ |
|
|
(х° — х, |
у) |
существует |
предел |
при |
| т | < # и #->0 |
для х° е |
Е. |
Тогда |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
л пп |
|
|
|
|
|
|
ди |
|
|
|
||
по теореме десимметризации из § 4.2.2 |
мы получаем, |
что |
производная |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
тангенциально ограничена в точке х" для почти всех |
х° е |
Е. Поэтому |
функция f |
|||||||||||||||||||||
имеет |
гармоническую производную порядка 1 почти |
всюду |
в Е, и, согласно тео |
|||||||||||||||||||||
реме |
разбиения, |
все |
сводится |
к |
частному |
случаю, когда / |
обращается |
в |
нуль |
|||||||||||||||
на Е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
В |
общем случае для четных k мы рассматриваем |
|
|
|
дки |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
выражение — — ( х + х , |
у) |
+ |
||||||||||||||||||||
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
|
|
|
|
-\ |
~ |
(х |
— х, у), |
в то время |
как для нечетных |
k берем |
выражения |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
ду |
|
|
дк |
|
|
|
|
|
|
|
дк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
"(Х + |
Т, у) + |
. |
|
U ( Х - Г , |
|
у ) , |
/ « = 1 |
П. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
a |
f c - l a |
|
fe_, . |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
ду* |
дх, |
|
|
|
дуа |
1 |
дх, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Затем |
мы |
применяем |
результаты |
гл. V I I для того, |
чтобы |
показать, |
что |
функ |
||||||||||||||||
ция |
f |
почти всюду в Е имеет гармоническую производную порядка fe, и сводим |
||||||||||||||||||||||
все |
к |
частному случаю, когда / обращается в нуль |
на |
|
Е. Для этого частного |
|||||||||||||||||||
случая, |
который |
намного |
легче, |
годятся рассуждения |
типа, использованных |
в |
||||||||||||||||||
§ |
4; |
см., например, |
Стейн и Зигмунд [1], |
лемма 4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
6.6. Пусть / имеет производную в смысле L ' почти |
для любого х° е |
Е. То |
||||||||||||||||||||
гда у функции / существуют первые частные |
в смысле |
|
почти для всех |
х° е |
Е. |
|||||||||||||||||||
Более |
подробно, |
если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Трг J |/(*°+»)-f(*°)-2ei*/f*У-оМ, |
А ^ О , |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
\y\<h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
для |
х° s |
Е, то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 j |f(*°+«^)-f(x°)-ai*/|*^-o(A')
|
|
|
l |
* / |
l |
< f t |
|
|
|
|
|
для почти |
всех |
х° е |
£ , |
где ej есть единичный вектор (0, |
1, 0, |
0). |
Этот |
||||
й связанные с ним результаты см. в работах М. Вейс [2] и [3]. |
|
|
|||||||||
6.7. |
Пусть |
2 ^ |
q < |
оо и f e L « ( R n ) . |
Функция |
f имеет |
производную |
первого |
|||
порядка |
в смысле |
1Я для почти всех х° s Е тогда |
и только |
тогда, |
когда |
выпол |
|||||
няются |
следующие два условия для почти всех х° е |
Е: |
|
|
|
||||||
п |
Г |
\f(x° |
+ |
t) |
+ |
f(x°-t)-2f(x°)\<i |
|
|
|
|
|
' |
J |
|
|
|
|
m r t + ' |
|
|
|
|
|
2» J |
f(xo |
+ |
t) |
+ |
f(x°-t)-2f(x<>) |
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l r P + 2 |
* |
|
|
|
|
См. Стейн и Зигмунд [1], а также Виден [1], Нойгебауэр [1].
6.8. Следующий пример показывает, что теорема 4 из § 3.3 не может быть распространена на случай обычных производных (т. е. на случай q — со). Рас смотрим случай пространства R 1 ; пусть Т обозначает преобразование Гильберта.
|
|
|
|
Замечания . |
|
|
|
|
|
3 1 7 |
|
Рассмотрим сначала |
функцию |
Fv(x), |
определенную |
на R1 |
и |
обладающую |
|||||
следующими свойствами: |
F0 (х) = |
(\п \/\ х\)1~£ |
для |
|
|JC| ^ |
*/2 |
( 0 < е < 1 ) ; |
||||
Fo(x) |
обращается |
в нуль |
вне компактного |
множества |
и является |
гладкой |
вне |
||||
начала |
координат; |
кроме |
того, F0 |
(х) ^ 0, |
x e R ' . |
Обозначим |
через |
F0(x) |
пре |
образование Гильберта функции F0. Нетрудно видеть, что функция Fo (после
надлежащего |
изменения |
на |
множестве |
меры |
нуль) |
абсолютно |
непрерывна |
на |
||||||
R1 , |
причем |
- |
^ e i 1 ( R 1 ) , |
Запишем F |
(х) = |
2 |
2 _ * ^ о (х |
+ rfe)> |
где |
г,, г2, ... |
||||
..., |
гк, . . . — перенумерованные |
рациональные |
числа. |
Тогда |
функция F |
= |
||||||||
^ |
Ц 2 ~ ^ о |
|
+ г * ) ' |
являющаяся |
преобразованием |
Гильберта |
функции |
F, |
||||||
абсолютно |
непрерывна, |
причем |
dF |
|
|
Таким |
образом, |
функция |
|
|||||
- ^ - s Z J ( R ' ) . |
Р |
|||||||||||||
имеет обычную производную |
почти для |
каждого |
х, |
в - то |
время |
как |
функция |
F |
нигде не имеет обычной производной, будучи неограниченной в окрестности ка
ждой |
точки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
качестве периодического аналога |
функции |
Fo |
мы |
можем |
взять функцию |
||||
fo, для |
которой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. . . |
V I |
cos |
пх |
t |
, , |
V 4 |
sin пх |
|
|
|
М * ) ~ |
2л |
... |
, е . |
io(x)~ |
2л |
~т,—^г- |
|
||
Эти ряды рассмотрены |
в книге Зигмунда |
[8], |
гл. V . |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Замечания |
|
|
|
|
||
§ |
1. Понятие функции, |
дифференцируемой в |
данной |
точке |
в смысле £ р , |
впервые было изучено систематически Кальдероном и Зигмундом [7]. Утвержде ние б) теоремы 1 принадлежит им, утверждение же а ) , касающееся обычных производных, получено значительно раньше, см., например, Чезари [1]. Мы от
сылаем |
читателя также к работе Федерера [1], |
в которой рассмотрены многие |
вопросы, |
связанные с материалом этой главы. |
|
§ 2. |
Идея разбиения функций, связанного с |
обычной дифференцируемостью, |
в случае одной переменной появляется впервые у Марцинкевича [1]. Этот фунда ментальный технический аппарат был распространен на случай п. измерений
Кальдероном и Зигмундом [7]; |
изложение |
вопроса, |
данное здесь, |
которое осно |
вано на теории гармонических |
функций, |
имеет ряд |
существенных |
преимуществ |
по сравнению с предшествующими методами. Оно принадлежит Зигмунду и ав
тору, о |
нем вкратце говорится в обзоре автора [8]. |
|
|
|
|
|
§ 3. |
Теорема |
3 — знаменитая теорема Данжуа, |
Радемахера |
и |
Степанова, |
|
см. книгу Сакса |
[2], гл. I X . |
|
|
|
|
|
Доказательство, приведенное здесь, не является, конечно, стандартным, по |
||||||
скольку |
оно опирается на понятие гармонической производной. По |
поводу |
§ 3.2, |
|||
а также |
вариантов теоремы 4 см. Кальдерон и Зигмунд [7]. |
|
|
|
||
§ 5. |
Первоначальное доказательство теоремы 6 |
и следствия |
из |
нее |
содер |
жится в статье Стейн и Зигмунд [1], см. также Виден [1]. Рассуждения, прове
денные |
здесь, также принадлежат Зигмунду и автору, они намечены в обзора |
автора |
[8]. |
ПР И Л О Ж Е Н И Я
А. Некоторые неравенства
Мы соберем здесь некоторые хорошо известные неравенства, которые систематически использовались в книге. Дальнейшие под робности можно найти в книге Зигмунда [8], гл. I , и в книге Харди, Литтлвуда и Полна [1].
АЛ. В неравенстве Минковского для интегралов утверждает ся в действительности, что норма от интеграла не превышает ин теграла от соответствующей нормы. В явном виде для случая про
странств |
L P , |
оно принимает |
следующий |
вид. Пусть 1 ^ |
р < |
со, |
|||
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь |
F(x,y) |
— измеримая |
функция на сг-конечном произведе |
||||||
нии пространств с мерой W X |
°У> dx и dy — соответственно |
меры |
|||||||
на а? и на <у. |
|
|
|
|
|
|
|
||
А . 2 . Неравенство Юнга для сверток |
таково: пусть |
h = |
f*g, |
||||||
тогда |
|
|
\\h\\q<\\f\\p\\g\\n. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
где 1 < р , |
q, г < с о |
и l/q= l/p+ |
Mr — 1. |
|
|
|
|
||
Следует отметить два частных случая; первый, когда |
г = |
1, |
|||||||
тогда р — q; второй, когда г |
есть |
индекс, |
сопряженный |
к |
р |
(а |
|||
именно, 1/р + |
Mr — |
1), тогда |
q = |
о о . В последнем случае |
можно |
показать также, что функция h непрерывна.
А.З. Предлагаемое далее неравенство представляет собой об щее интегральное неравенство, имеющее широкое поле приложе ний.
Пусть (Tf)(x)= |
оо |
|
Здесь ядро К |
предполагается |
||||
| |
К(х, y)f(y)dy. |
|||||||
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
однородным |
степени |
— 1 , т. е. K(kx, |
Ху) = |
К~1К (х, |
у) для |
К > |
0. |
|
|
|
|
|
оо |
|
|
|
|
Кроме того, |
предполагаем, что |
J [ К(\, |
у)\y~llpdy |
= |
< |
оо. |
||
|
|
|
о |
|
|
|
|
Тогда
НГ/1|р<Л*И/1|р.
|
|
Б. |
Интерполяционная теорема |
Марцинкевича |
319 |
|
Здесь |
нормы |
| • |
суть нормы в |
пространстве |
L p (О, о о ; dx), |
|
1 |
р ^ |
о о . |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
оо |
|
|
Для доказательства |
мы записываем |
(77) (х) = j К ( 1 . y)f (ух) dy |
|||
|
|
|
|
|
о |
|
иприменяем неравенство Минковского для интегралов. Интересный частный случай, интеграл Гильберта, возникает,
когда К(х, y) = |
YTy' |
А.4. Другим полезным случаем неравенства из § А.З является пара неравенств, принадлежащих Харди
/ оо |
/ |
X |
у |
\ 1/р |
' оо |
\ 1/р |
|
(J |
[\f{y)dyj |
|
x-r-4xJ |
^[l(yf(y))py-r-4yj |
, |
||
/ оо |
/ оо |
\Р |
\ 1/р |
/ |
оо |
у/р |
|
[I |
|
[jf(y)dy] |
|
x'-4xj |
<^[j |
(yf(y))py'-ldyj |
. |
Здесь f > 0 , р > 1 и r > 0 .
Б.Интерполяционная теорема Марцинкевича
Б.1. Мы обобщим, здесь теорему, приведенную в § 4 гл. I .
Предположим, |
что |
|
р0 , |
p i , <7о, |
<7i — данные |
показатели, |
причем |
|||||||||||||||
1 < : pi s^. <7i ^ |
о о , ро < |
Pi |
и |
|
¥= q\. Обозначим |
через |
Т субад |
|||||||||||||||
дитивный |
оператор, |
заданный |
на |
пространстве |
LPo(/?") |
+ |
|
Lp'{Rn). |
||||||||||||||
Напомним, |
что |
понимается |
под |
словами «оператор Т есть опера |
||||||||||||||||||
тор слабого |
типа (pi, |
qi)». |
Это |
означает, |
|
что |
существует постоян |
|||||||||||||||
ная А{, такая, что для любой функции |
/ e L p ' ( R " ) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
m [х: | 77 (х) |
| > |
а} < |
^—^—) |
|
для |
всех |
|
а > |
0. |
|
|
||||||||||
Если |
qi = |
о о , |
то |
это |
означает, |
что |
| Г/1| |
|
^ |
At || / || . |
|
|
||||||||||
Т Е О Р Е М А . Пусть |
оператор |
|
Т одновременно |
+ |
слабых |
типов (р0, |
q0) |
|||||||||||||||
и (р„ qt). Если 0 < 6 < |
1 и 1/р = |
( 1 - |
e ) |
/ p |
o |
|
0 / |
p |
„ |
l/q = |
(1 - |
в)/</0 + в |
||||||||||
то Т есть оператор |
|
типа (р, |
q), |
а |
именно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
I |
Tf \\q |
< |
А | | / |
||р, |
/ e , L p |
( R " ) . |
|
|
|
|
|
|
||||||
Здесб |
Л = |
Л (Л( |
р/, <?ь 6), но никаким |
другим |
образом не |
зависит |
||||||||||||||||
от Т |
и /. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из приводимого ниже доказательства легко видеть, |
что |
эта |
||||||||||||||||||||
теорема может быть обобщена в следующих направлениях: во-nept. |
||||||||||||||||||||||
вых, |
пространство |
|
R™, |
на |
котором |
определены |
|
пространства |
||||||||||||||
L P » ( R " ) , может |
быть |
заменено |
общим |
пространством |
с |
мерой |
г