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

книги из ГПНТБ / Стейн И.М. Сингулярные интегралы и дифференциальные свойства функций

.pdf
Скачиваний:
28
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
12.91 Mб
Скачать

30 Гл. I . Некоторые фундаментальные понятия

произвольного открытого множества в объединение непересекаю­ щихся кубов. Этот способ, хотя и не прямой, проясняет роль мно­

жеств F и

Q,

на которые делится

Rn .

Мы знаем,

что f(x) ^ а в

F, однако

этот

факт не определяет

F.

Множество

F определяется

в действительности тем, что максимальная функция на нем удов­

летворяет неравенству

Mf(x)

^ а. Положим

F — {x:

Mf(x)^.a)

и

Я =

Еа = {х: Mf(x)>a}.

Тогда

по теореме 1 (часть

6)m (Q)

— 1 | /

где

достаточно взять

А — 5".

Заметим, что,

так

как

F по опреде­

лению замкнуто, мы можем выбрать кубы Qk в соответствии с тео­

ремой 3, так что Q =

U

Qk и диаметр

кубов

приблизительно

про­

порционален

их расстоянию

до

F. Пусть

Qk

теперь — один

из

ку­

бов, а ри — точка

из

F, такая,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dist (F,

Qk)

=

dist (pk,

Qk).

 

 

 

 

 

Пусть Bk

— наименьший

шар

с центром

в

ph,

 

содержащий

внутренность

Qk-

Положим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_

 

m(Bk)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У к

~

m(Qf e ) '

 

 

 

 

 

 

 

Так как pk <= {х:

Mf (х) <

а}, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a > ( M / ) ( p f e ) >

 

'

 

[fdx>

 

 

^

 

[fdx.

 

 

Из элементарных

геометрических

соображений

и

неравенства

3) теоремы 3 следует, что

Vfe^

m(Qfe) ^ c o n

s ^ '

д л я

в с е х

^-

Та-

ким образом,

мы

доказали

следствие еще одним способом.

 

Заметим, что это второе доказательство следствия имеет не­

ожиданное преимущество: расстояние

кубов

Qh

до

F

сравнимо с

их диаметрами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.6. Сделаем заключительное замечание относительно связи данной теоремы с теоремой 1. Можно показать, что в свою оче­ редь теорема 1 следует из нее, и притом без применения леммы о покрытиях из § 1.6. См. по этому поводу § 5.1 в конце главы.

§ 4. Интерполяционная теорема для L p

4.1. Мы хотим формализовать часть рассуждений, использо­ ванных при доказательстве теоремы 1, а именно ту часть, которая приводит от неравенства б) к LP-неравенству. Это приведет нас к интерполяционной теореме Марцинкевича или, точнее, к основ­ ному частному случаю этой теоремы. Более общая форма этой ин­

терполяционной

теоремы будет

приведена позднее

в

приложе­

нии Б.

 

 

 

 

Потребуется

несколько определений. Пусть Т — отображение из

L P ( R n ) в L « ( R n ) , 1 < р ^ с » ,

1 ^ q sg: о о . Скажем,

что

Г о т о -

 

 

 

 

§ 4.

Интерполяционная

теорема для 1>

 

 

 

 

 

31

бражение типа (р, q),

если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II Г ( / ) » , <

Л||/||р>

/ e L P ( R " ) ,

 

 

 

 

 

(17)

где А не зависит от /. Аналогично

Т есть отображение

слабого

типа

(р,

а), если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m{x:

\Tf(x)\>a}^(^^-J,

 

 

 

q<oo,

 

 

 

 

(18)

где А не зависит от f

и а,

а

>

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-Если q =

оо,

то

скажем,

что

Т есть отображение слабого типа

(р,

q), если оно типа

(р,

q).

Заметим, что

из

(17)

следует

(18), так

что понятие типа

(р,

 

q)

сильнее понятия

слабого

типа

(р, q).

Дей­

ствительно,

если

q <

 

о о , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а" т{х: | Г / ( * ) | > а } <

J

| Tf ? dx

= || Tf

\fq <

 

|| / ||/ .

 

 

Нам понадобятся также операторы Т, определенные на не­

скольких

пространствах

 

V

одновременно. Определим

Z / ' ( R " )

+

- f L p J ( R N )

как пространство

всех функций /,

таких,

 

что / = /\ +

/ 2 ,

где

/, e L P

' ( R " )

и / 2

e L P ! ( R " ) .

Пусть

теперь

р, <

р2 .

Очевидно,

что

L P ( R " ) c : L P ' ( R " )

+ L P 2 ( R N )

для

всех р,

таких,

 

что

р , < р < р 2 ,

Действительно, пусть

f е

V

( R " ) , и пусть у — фиксированная

поло­

жительная

константа. Положим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ч

 

 

 

 

f / U )

при | / W l > v ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

l {

X )

 

1

0

 

при l / W K v ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f / W

при

I

/ W

K V

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

0

 

при

| / W | > Y .

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J" I / ,

(x) | P l d x = \ \ f {

 

(x) \pI /, (*) | p ' " p

rf*<

у"-"" J

I /

(Jt) | p dx,

 

так

как p i — p ^

0.

Аналогично

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J I /2 (*) f

=

 

J* I /2 (*) lP

I /2 (*)

Г _ Р

dx < V^-"

{

I / (*) |p

rf*.

 

так что fi£=LPl

 

и

f 2 ^ L p l ,

и

причем

/ =

f ( - f / 2 .

Разбиение

функции /

на две части в соответствии с их относительными разме­

рами, которыми мы только что воспользовались, и будет главной

идеей доказательства нижеследующей

теоремы.

 

4.2. ТЕОРЕМА 5.

Пусть

1 < г *С о о .

Если Т —

субаддитивное

отображение из

L l п)+

L r (Rn)

в

пространство

измеримых

32

 

 

 

Гл. I . Некоторые

фундаментальные

понятия

 

 

функций

на Rn

и отображение

слабого типа (1,1)

и слабого

типа

(г, г)

одновременно, то Т есть

также отображение

типа (р, р)

для

всех

р,

таких,

что 1 <

р <

г. В

более

явном

виде:

пусть для

всех

f, g€=L4Rn)

+

Lr(Ra)

 

 

 

 

 

 

 

1)

\T(f

+ g)(x)\^\Tf(x)l

+

 

)Tg(x)\,

 

 

 

2)

m{x:

\Tf(x)\>a}^^\\f\)l,

 

 

/ б ! ' ( П

 

 

 

3)

m{x: ! 7 y W I > a } < ( 4 4 J / | | r ) \

/ e Z / ( R » )

 

 

(если

г <

о о ; в случае

когда

г =

о о , предполагаем,

что выполняет­

ся

(17)) .

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

\\T(f)\\pKAp\\f\\p,

f e L ' ( R " )

 

для

всех

1 < р <

г, где

Ар зависит

только

от Аи А2,

риг.

 

4.3. Докажем

теорему

при ограничении

г < о о . В

случае когда

г — о о , необходимо слегка изменить данное доказательство. Предо­ ставляем сделать это читателю в качестве упражнения. Заметим,

что этот случай неявно содержится

в доказательстве, приведенном

в §

1.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть / е L p (R"). Мы

хотим

оценить

функцию

распределения

X(a)

= m{x:

) Tf(x)\>o).

 

Пока зафиксируем

а. Как было показано

выше,

можно

разбить

/

на два

слагаемых

/ =

/ i + /2 так,

чтобы

/ j e L ^ R " )

и / 2 e Z / ( R " ) ,

причем

разбиение было получено «раз­

резанием»

|/|

на уровне

Y , Y >

0.

Пока Y было

произвольным;

теперь

зафиксируем

\ =

 

а.

 

 

 

 

 

 

 

 

Так

как

| Т (/) (х) | <

| Г/, (*) | + 1 Г/2

(х)

\, то

 

 

 

 

{х:

| Tf (х)

| >

a} с

[ я : | Tf, (х)

\ > ±

}

U { х:

| Tf2 (х) | >

|},

так

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л(а) =

т { * :

| Г/(*)

| >

а } < т {

| У/, <JC) 1 >

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ т { * : | 7 У 2 ( * ) | > | } ;

поэтому в

силу 2)

и 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из определения ft и / 2

получаем

 

 

М а ) < - ^

j I /

-I- -<Н^>1_ | | / W r ^ .

(

If|>a

|f|<a

§ 5. Дальнейшие результаты

33

Далее, мы знаем, что

оооо

J | Г/ \" dx = - J a" dl (а) = р J а""'* (а) rfjc;,

осталось только умножить обе части (19) на рар~1 и проинтегри­ ровать по а. Для этого заметим, что

JaP-'a-'j J }f\dx\da=

Jl/lJ11\ a"-2dadx

=

0

l | f l > a

J

R «

о

 

так как p>

1. Аналогично

 

 

 

 

ОО

 

 

 

00

 

l f l < a

7=7 J l / П / Г ' * * .

так как p <. г. Складывая эти два выражения, получаем

 

\\T(m\p<Ap\\f\\p,

где РУ

= - 2 ^ +

 

Необходимо заметить, что так же, как и в случае

максимальной

функции, константа Ар

удовлетворяет

неравенству

Ар^,А/(р—1)

при р

1.

 

 

 

 

 

 

Один из примеров

применения

доказанной теоремы — это, ко­

нечно, теорема

1, часть в) . Часть б)

теоремы 1 .показывает, что опе­

ратор

f—*M(f)

— слабого

типа (1, 1); то, что f-*M(f)

—оператор

типа

(оо, о о ) , очевидно. Другое важное приложение

интерполяцион­

ная теорема Марцинкевича находит в теории сингулярных интегра­ лов, которая излагается в следующей главе.

§ 5. Дальнейшие результаты

5.1. Теорему 4 из § 3 можно использовать для получения другого доказа­ тельства фундаментального неравенства для максимальной функции в части б)

теоремы 1. Для / ^ 0, a > 0 и / е L 1 ( R ) " пусть, как и в геореме 4, Q =4JQA.

Тогда

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

(

Q ) < T / F D X '

 

 

 

Пусть,

далее,

— куб с тем же

центром, что и

у

Qk, но

вдвое большего диа­

метра.

Тогда

ясно, что

щ

Qfcj

J"

/ ^x>

и можно показать,

2

И. Стейн

 

 

 

 

 

 

34

 

 

 

Гл.

 

1.

Некоторые

фундаментальные

понятия

 

 

 

 

 

 

что

Mf(x)^.ca

 

для

 

хф_ [ j Q / s

 

п Р и соответствующем выборе

константы

с,

т. е.

m{x:

Mf(x)

> с а } <

(2™/а) J

 

f d^ . Более

подробно

см. Кальдерой

и

Зигмунд [1],

стр.

114—115.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2. а)

Предположим,

что

 

носитель

функции

/

содержится

в

ограниченном

шаре

В cz R " .

Тогда

 

M(f)

е

 

L{(B),

 

если

функция

| / | 1 п ( 2 + | / | )

суммируема

на В.

Действительно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J"

Mfdx<m(B)+

 

 

 

j*

 

 

Mfdx,

 

 

 

 

 

 

 

 

в то

время

как

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

Щ>\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

M / d x = J Я (a)

d a +

Л ( I ) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л* f >

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Я ( а ) =

т{дг:

A f / ( * )

> a }

< -

^

-

 

J

 

 

\]\dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I f J> а г

 

 

 

 

 

 

 

 

в силу (5)

из

§ 1. (См. также

Винер

[1].)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

Неравенство

для

Я (а)

может быть в существенном обращено. В самом

деле, для подходящей

положительной константы с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m{x:

 

Ml(x)>ca}^~-

 

 

 

 

 

J"

 

\f\dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I f l > a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

доказательства

 

применим

теорему

4

к \J | и а. Это

 

приводит

к

кубам

г д е 2 " а ^ - —

.

J

| / | dx

>

а. Таким образом, если х е

Qk,

то М

(р)

{ (х)

> са и

 

 

^ (Qk)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т{х:

М

(1)(х)>са}>^т

 

 

 

(

Q

 

2"

) >

±

_

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U f t ^

 

 

 

 

 

 

H o | f ( i ) | < o ,

если

x ^ J j Q f t ,

следовательно,

 

J"

\f\dx^

 

j"

j f

{ dx.

О т -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

&

 

 

 

 

 

 

 

U<?fe

 

 

 

 

I > a

 

 

 

сюда

вытекает искомое неравенство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Утверждение пункта а) может быть обращено. Если носитель функции f

содержится

в

шаре

 

В,

то

из

того,

что

A f ( / )

e L ' ( B ) ,

 

следует,

что

функция

| / | 1 п ( 2 + | / | )

суммируема

 

на

 

В.

Для

доказательства

нужно

проинтегрировать

приведенное выше в пункте б)

 

неравенство

для

т{х

: Mj(x)

>

са} так

же,

как и

при доказательстве прямого утверждения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По поводу утверждений

б)

и в)

см. Стейн [12].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

Более

общим

 

образом,

если носитель функции f содержится в В, то

 

 

 

М (/)

In (2 +

Mf)k

s

L 1

(В)

# ф

I /1 In (2 +

I / ] ) k

+

l e= L l (B),

k >

0.

 

5.3. Рассмотрим

следующий

вопрос. Выполняется ли

соотношение

 

 

 

 

 

 

l i m

 

j - j r r -

[

f (x

— у)

dy

= /

(Л:)

ПОЧТИ

всюду,

S e f ,

 

 

С.)

 

 

dlam (S)-»0

m

l ^ J

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§

5. Дальнейшие

результаты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

35

где

&

— подходящее

семейство

прямоугольных

 

параллелепипедов,

 

содержащих

начало

координат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

Если

^" — семейство

всех

прямоугольных параллелепипедов,

то

(*)

может

не

выполняться,

даже

если

 

функция

f

ограничена. См. Никодим

[1]

и

Буземан

и Феллер [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

Если

3~ — семейство

 

всех прямоугольных параллелепипедов с ребрами,

параллельными

осям

координат,' то

(*)

неверно

для некоторых

суммируемых

f,

см. Сакс [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

Однако

если

3~ — семейство

всех прямоугольных

параллелепипедов

с

реб­

рами, параллельными осям координат, то (*)

верно

для

/

e i ' f R " ) ,

р >

 

1.

Дей­

ствительно,

положим

для

такого семейства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М

(f)

(х)

 

=

sup

 

\

\

t (

x

-

y )

\

d

y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

|| Mf

||p

 

An

II f Hp,

1 <

p ^

° ° .

Это

неравенство

можно

доказать

 

rt-крат-

ным применением LP-неравенств для максимальных

функций

из теоремы

1.

 

 

 

 

г)

Пусть ЗГ — однопараметрическое

монотонное

семейство

прямоугольных

 

па­

раллелепипедов с ребрами, параллельными осям координат, т. е. ^" =

{5Ло< г < «>,

где

St

cz

. при t\ ^

h.

 

Тогда

(*)

 

выполняется

для

всех

/ e L P ( R " ) ,

1 ^

р.

Это следует из того, что для такого

монотонного

семейства

прямоугольников

имеет место аналог леммы о

покрытиях

из

§

1.6. По

поводу

утверждений

в)

и

г)

и связанных с ними результатов см. Зигмунд

[8],

гл.

X V I I .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4. Теорема

 

Витали

о

покрытиях.

 

Пусть

измеримое

множество

Е

покрыто

набором шаров а}

 

в

том

 

смысле,

что

для

каждого

х е

Е и

каждого

 

е > 0

существует

шар

S t t o

е

а},

такой,

что

х е В ^

и т ( В а о

) < е .

 

Тогда

суще­

ствует такая последовательность попарно непересекающихся шаров из этого се­

мейства

В и В-2, . . . , Вц,

...,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m [ E - \ [ B f t W o .

 

 

 

 

 

 

Доказательство

и дальнейшие

обобщения

см. в

книге

Сакса

[2], гл.

4.

 

5.5. (Ф. Рисе). Пусть

F

(х)

— вещественная

непрерывная

ограниченная

функция,

 

определенная

на

прямой

R1 ,

 

 

и

пусть

а — положительное

число.

Пусть Я, — множество таких

х,

для которых

sup

 

 

-.

^ - > а .

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h>0h>o

 

 

 

 

 

 

 

T i

 

 

 

 

 

 

 

F

(bk)

~

 

F

К )

а.

 

С

помощью

этой

леммы

А=1

'

, где

"

= (ak,

к

 

 

F

 

 

 

"ft

 

 

Й - U

I k

I k

bk),

и

 

~

 

-

 

 

= а .

С

 

 

случае, если

можно получить

другое

доказательство

теоремы

4

в

одномерном

положить

 

=

X

 

 

Неравенство

 

 

(16) заменяется

тогда

т о ж д е с т в о м

F (х)

j f (t)

dt.

 

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— 7 7 - г -

J

f

 

 

dx~a.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т (Ik)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

См. Рисе и Секефальви-Надь

[1], гл.

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.6. а) Имеет место следующее

усиление

неравенства

(15).

Пусть

т|)!>0.

Тогда J"

/,

(х) г|) (х)

dx^.

 

 

j *

(Afi|)) (x)dx,

 

 

где М'ф — максимальная функция для

Р

 

 

 

 

 

cF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

следует,

что

I„(x)

е

V

(F)

для

всех

1 < ^ р < о о . Если

использовать

утверждение §

5.2

при

условии,

что

функция

-ф In (2 +

ty)

суммируема

(в ос -

2*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36

 

 

 

 

 

Гл.

I . Некоторые

фундаментальные

 

понятия

 

 

 

тальном

функция

1|)

произвольна),

то

отсюда

вытекает,

что J е а ! '

dx<

оо

для п о д х о д я щ е г о

а > 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

 

Другим

 

вариантом

 

интеграла

/„ (х)

является

интеграл

9(л:)

=

=

Г

 

6

+

 

у)

dy

— г - r .

_

 

 

 

 

 

 

 

утверждения:

 

 

 

 

— —

 

 

Справедливы следующие

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

5^. (*)

>

с / ,

(*),

X(=F;

 

2)

( * ) < о о

для

почти всех

t e R " ;

3) суще ­

ствует

положительная

постоянная

а, такая,

что

для

к а ж д о г о

конечного шара

В

j eaJ*

w

dx<

оо. По

э т о м у

п о в о д у

см. Карлесон [3]

и

Зигмунд [ 9 ] .

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.7.

Предположим,

что

f е

Lp(R"),

1 < р < о о .

Небольшое изменение в

д о ­

казательстве

§

 

1.8

приводит к

следующему

результату:

 

 

 

 

 

 

 

Jim

т т - )

 

r r -

f

I f(y)

f (x)

\p dy

=

0

для

почти всех

х.

 

r->o m

(o

(*> r))

5.8. Пусть

fu

f2, ....

таких, что ^ 2

I fy (*) Ру''

функцию для f/. Тогда

J

 

 

 

B(x,

r)

 

 

fn,

. . . — п о с л е д о в а т е л ь н о с т ь

функций из V ( R " )

s

^ р W-

Обозначим через

М / / максимальную

 

 

 

 

 

1 < р < 00.

 

Константу

Л р

можно

оценить следующим

образом: Ар — О ((р — I ) - 1 )

при

/?->-1 и Л р

=

0 ( р 1 ' ' 2 )

при р - > о о .

Это наилучшие возможные оценки. Если

взять

в качестве

f j

характеристические

функции

попарно непересекающихся кубов, то

приведенный выше результат по существу содержит результат § 5.6. См. Фефферман и Стейн [1].

Замечания')

§1. Об основных фактах, относящихся к интегрированию и дифференциро­

ванию,

см. Сакс

[2]. Максимальная теорема для п =

1 впервые доказана Харди

и Литтлвудом, а

я-мерный вариант — Винером [1]. По поводу леммы о покры­

тиях из

§ 1.6 см.

Винер [1] и Марцинкевич и Зигмунд

[2]. Для читателя было бы

поучительно сравнить эту лемму с более тонким результатом, приведенным в кни­

ге «Анализ Фурье»,

гл. И, § 3, который основан на более поздних идеях Безико-

вича. В

работах Эдвардса и Хьюитта [1] и Стейна [ I I ] можно найти другие

об­

общения.

 

 

 

 

 

§

2.

Интеграл

Марцинкевича впервые появился в работах Марцинкевнча

['] — И ,

см. также

книгу Зигмунда

[8], гл. I V . Систематическое изложение

для

«-мерного случая можно найти

у Кальдерона и Зигмунда [7].

 

§

3.

Теорема о

разложении

из

§ 3.2 имеется у Кальдерона и Зигмунда

[1].

На ее

тесную связь

с разложением

Уитни впервые, видимо, было указано в

ра­

боте Стейн [10].

§ 5. Интерполяционная теорема 5 доказана Марцинкевичем [5]. Более общий вариант, описанный в приложении Б, получен Зигмундом; приведенное в прило­

жении Б доказательство принадлежит Ханту [1]. Более подробное

обсуждение

вопроса читатель найдет в книге «Анализ Фурье», гл. V .

 

') Напомним, что ссылка на книгу «Анализ Фурье» относится к

книге Стей­

на и Вейха [41.

 

Глава I I

С И Н Г У Л Я Р Н Ы Е И Н Т Е Г Р А Л Ы

Основополагающий пример, лежащий у истоков теории сингу-

• лярных интегралов, — это гильбертово

преобразование. Гильберто­

во преобразование функции f задается

формулой

оо

 

 

(1)

— оо

 

где не сходящийся абсолютно интеграл интерпретируется с по­ мощью подходящего предельного перехода. Отметим некоторые основные моменты теории гильбертового преобразования с тем, чтобы иметь отправные пункты для изложения теории я-мерных сингулярных интегралов, которой посвящена эта глава.

а) U-теория. Здесь, как и в общем случае, мы имеем дело с оператором, коммутирующим со сдвигом. Поэтому нельзя обойтись

без сверток, преобразований Фурье, теоремы

Планшереля — ко­

роче,

без основных орудий гармонического анализа на R™. По

этой

причине мы

начнем главу именно с обзора этих понятий.

б)

Ьр-теория.

Фундаментальным свойством

оператора (1) и

тех его обобщений, которые мы рассматриваем, является их ог­

раниченность в пространстве

L P при

1 р <

оо. В случае

гиль­

бертовых преобразований эта классическая теорема была

 

дока­

зана

М.

Риссом

с

применением

теории

функций

комплексного

переменного. Этот

метод

неприменим

в

рассматриваемом

 

здесь

общем

случае, и

LP-теория

будет

получена

нами

как

следствие

LJ -TeopHH.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

^-теория.

Гильбертово

преобразование

не

является

огра­

ниченным

оператором в

пространстве

L 1 . Однако имеется

резуль­

тат, до

некоторой

степени

заменяющий

это

утверждение,

а

именно

это преобразование есть оператор слабого типа (1,1). В общем

случае ситуация та же самая.

Методы доказательства нера­

венств слабого типа с помощью

теории функций действительного

переменного впервые были предложены Безиковичем и Титчмаршем, для гильбертовых преобразований, и далее были развиты в исследованиях Кальдерона и Зигмунда, относящихся к n-мер­ ному случаю. Можно сказать, что эти методы и составляют ос­ нову данной главы. Не стоит и говорить, что большую роль при

38 Гл. I I . Сингулярные интегралы

этом будут играть элементы теории функций действительного пе­ ременного, изложенные в гл. I .

г) Особые свойства гильбертовых преобразований. Среди них отметим следующие.

1) Оператор (1) коммутирует не только со сдвигом, но и с растяжением х 6х, б > 0. Не удивительно, что и результаты, относящиеся к n-мерным обобщениям, существенно инвариантны относительно растяжений. Те операторы, которые, как и (1), не меняются при растяжениях, представляют важный подкласс, для которого теория и проста, и богата. Изложению соответствую­ щей теории посвящен § 4.

2) Связь с аналитическими функциями. Имеется тесная связь между преобразованием (1) (или некоторыми его n-мерными ва­ риантами) и аналитическими функциями (или их обобщениями). Значение этой связи и вытекающие из нее свойства инвариант­ ности относительно вращений будут описаны в следующей главе.

§ 1. Обзор некоторых аспектов гармонического анализа в R "

Приведем без доказательства некоторые элементарные факты гармонического анализа в R N . Естественное обобщение этих фак­ тов можно получить путем рассмотрения локально компактных абелевых групп.

1.1. Наряду с

уже употреблявшимися

пространствами L P ( R " ) ,

l ^ p - ^ C o o , рассмотрим

пространство C 0

( R N ) непрерывных

функ­

ций, стремящихся

к нулю

на бесконечности, норма в котором

опре­

делена, как обычно, с помощью точной верхней грани, а также со­

пряженное

к нему

пространство

^ ( R N ) ,

которое, как

 

известно,

можно отождествить с банаховым

пространством

всех

конечных

мер d\x с

нормой

||йц|| =

\йц\.

Пространство

L T ( R N )

можно

 

 

га

 

 

 

(R™) с

помощью

отождествить с подпространством пространства $

изометрического отображения

f(x)—>f{x)dx,

где

dx — мера

Ле­

бега.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основной операцией будет операция свертки. Для \iit

| i 2

е

определим

свертку

ц = ц\ * р,2

формулой

 

 

 

 

 

Выполняются соотношения

Если один из сомножителей принадлежит L l ( R " ) , то свертка также принадлежит L l ( R " ) . Следовательно, если f е L l ( R " ) , то

§

1. Обзор некоторых

аспектов

гармонического

анализа

в R"

39

интеграл

g =

f*[i=

J f (х — у) • d\x (у) сходится для почти

всех х

и g e L 1 ( R " ) ,

причем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II g II. <

II /Hi II Jill.

 

 

 

Аналогично если

/ е

f

( R " ) , то J / (х — у) d\x (у)

также

при-

надлежит

L p

и || g \\р <

|| / ||р || ц ||. Заметим,

что при ix <= Я

преобра­

зование

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/->{/(•*-

y)d\i (У),

 

 

 

которое, как мы уже установили, ограничено в L P ( R " ) , также коммутирует со сдвигом х -> х + h. Этот класс преобразований описывается следующим предложением.

1.2. ПРЕДЛОЖЕНИЕ I . Пусть

Т — ограниченное

линейное

отобра­

жение

пространства Ll(Rn)

в себя. Для того чтобы Т коммутиро­

вало

со сдвигами, необходимо

и достаточно, чтобы

существовала

такая мера

|я, принадлежащая

$!(Rn),

что T(f)

— f * ji

для всех

f e L J

( R N ) .

При этом ||ГЦ

=

||ц||.

 

 

 

 

1.3. Определим для каждой меры

p , e ^ ( R " )

ее

преобразова­

ние Фурье (1 (г/) формулой 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

Д (#) =

J e*"t*vdn

(х).

 

 

 

В частности, для всех f E L ! ( R " ) преобразование Фурье опреде­ ляется формулой

f ( ^ ) = | е ^ / ( л ) ^ е С 0 ( Я п ) .

 

 

 

 

R*

 

 

 

 

Преобразование

Фурье

обладает

важным

свойством:

если

ц =

H i * На, то Л

£(У) =

МУ)МУ).

Если

/ e L ' ( R ' f ) n ^ 2 ( R " ) ,

то

f e L 2 ( R " ) H

|| f lb =

11/||». Поэтому

преобразование

Фурье

можно

доопределить

по

непрерывности до

унитарного

отображения,

определенного

на всем

L 2

( R R T ) . По непрерывности получаем

также,

что если g = / * \х, где / G L 2 (Rn ) и ц е= $ ( R " ) , то g(y) = f {у) £ (г/).

1.4. Следующая теорема является аналогом предложения 1 для пространства ZA

') При сравнении формул, которые встретятся ниже, с аналогичными фор­ мулами в других книгах необходимо принять во внимание, что в настоящей книге выбран множитель + 2 я в показателе экспоненты.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ