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

книги / Функциональный анализ

..pdf
Скачиваний:
63
Добавлен:
13.11.2023
Размер:
24.9 Mб
Скачать

§ з. ф ун кц и и нескольких перем енн ы х

491

При любом п справедлива формула

 

 

 

 

6 М * п ё р - аJ(t0l*‘ +

• • •

+ <“«*« ~

ЮГ" л *

 

Из первой формулы для 8(х)

вытекает, что

 

 

 

(_ 1)(И-1)/2

 

д" '<р (л:)

dotl,

 

Ф (0) =

 

 

2 (2 я)"-1

 

av"-1

 

 

Q

2<оЛ =о

 

 

 

 

 

 

где

doo — элементарная площадка

в плоскости

S®fc^ft = 0,

а

— дифференцирование по

направлению

ортогонального

к ней вектора ю. Аналогично из второй формулы следует, что

Ф(0)=—^ П п )п—“ J

+ ••• + ®х ) ",

 

 

 

Q

ф((0 , х, +

... +

а пх п)) d a ,

где положено

 

Ф (0 =

{x)dot,J

Ф

 

 

 

dot — элементарная площадка в плоскости 2

=

t.

Ли т е р а т у р а : [12].

2.Обобщенные функции, связанные с квадратичными фор-

мами. Пусть

 

п

 

 

 

Р =

2

§авхахв 1— положительно

определенная

квадратичная

 

а, &=\

р р

 

линейного

форма. С

помощью невырожденного

преобразования эта форма может быть приведена

к

виду Р =

п

 

рассмотрение обобщенных функций вида Р%

= 2 У\ • Поэтому

<х=1

 

 

 

 

 

в случае положительно определенных квадратичных форм Р

сводится к

рассмотрению обобщенной функции г2\ проведенно­

му в п. 1.

обстоит дело для неопределенных квадратичных

Сложнее

 

п

форм Р а,2 ёа$хах$> поскольку в этом случае функция Рк

не является однозначно определенной. Формы с комплексными коэффициентами можно записать в виде $? = Рi + ^ 2, где Р\ и Р2— вещественные квадратичные формы. Пусть «верхняя по­

луплоскость» — множество всех квадратичных форм

Pi + *Р2,

для которых форма Р2 положительно определена, а

«нижняя

492

ГЛ. X ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

полуплоскость» — множество форм вида Pi — iPi, где Рг поло­

жительно определена.

Если квадратичная форма ^ принадлежит верхней полу­ плоскости, то полагают

 

брУ*

gh [In | & |+ / arg <^]

где 0 < arg^* <

я, и вводят обобщенную функцию

 

{3х, ф ) = J 3 ХЧ (х) dx

(интегрирование

ведется

по всему пространству Rn). Функция

З х{х) однозначно определена, а интеграл сходится при Re А, > О и является аналитической функцией от А. Аналитически про­ должая эту функцию по А, определяют функционал '{3х, ф ) д л я

других значений А.

Рассматривая обобщенную функцию 3 х при Р\ = 0, полу­ чают обобщенную функцию (/Рг)*'. Поскольку форма Рг поло­ жительно определена, изучение этой обобщенной функции сво­ дится к проведенному выше изучению обобщенной функции г2Х. Аналитически продолжая выражение вычетов формы {1Рг)х по коэффициентам формы Рг, находят выражение вычетов для фор­

мы 3 х. Результат

формулируется

следующим образом:

Если

3 =

П

Еалхахйпроизвольная квадратичная форма

2

 

 

а, е=1

р

р

 

обобщенная

с положительно определенной мнимой частью, то

функция

3 х является

регулярной

аналитической

функцией от

А всюду, за исключением точек

 

 

 

А =

п/2,

— /г/2 — 1,

... , — п/2 — k ........

в которых эта функция имеет простые полюсы. При этом

 

Выч 3 х=

______ е-я»»7у/2______

 

 

4*61 Г (я/2 +

Lkb{x).

 

X=*-n/2-k

 

k) V (—<)"I g I

 

Здесь через L обозначен дифференциальный оператор

L== V gqg — а2_ ,

дх<х дха г

а, р=1

коэффициенты которого связаны с коэффициентами квадратич­ ной формы 3 соотношениями

П

2 & aegPv = 6“ (б“ —символ Кронекера).

Через |g | обозначен дискриминант формы 3 .

 

§ 3. ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ

493

Функция V { — i)n \g \ задается

формулой

 

 

 

V ( - t ) n \ g \ =

V T b f (1 -

V)'/2... (1 - K it -

 

Здесь

|6| — определитель матрицы

||6ар11 преобразования

с ве­

щественными коэффициентами:

 

 

 

 

 

 

П

 

 

 

 

 

 

== 2

^ар

 

 

приводящего формы Pi и Р2, & — Pi + iP2, к виду

 

 

Р, =

^ +

... + Х Х ,

 

 

 

Р2 =

У21+

 

+ У 2п>

 

 

а значения квадратных корней задаются формулами

 

 

У г — | z |'/ге 2 argг,

я < arg г < я .

 

Если форма & = Pi — iP2 принадлежит нижней полуплоско­

сти, то ее вычеты в точках X — —о/2, . . . ,

—га/2 — k, ... зада­

ются аналогичными формулами с заменой i

на —i.

 

Л и т е р а т у р а : [12].

 

 

 

 

 

3.

Обобщенные функции (Р + *0)л и — «0)\ Пусть

 

 

 

П

 

 

 

 

— невырожденная квадратичная форма с вещественными коэф­ фициентами, в каноническую запись которой входят р положи­ тельных и q отрицательных членов. Рассматриваются квадра­ тичные формы Pi + teP2, где Р2 — положительно определенная квадратичная форма с вещественными коэффициентами, а е > 0. Полагают

iOf = lim (Р + г е Р /

е-*+0

(обобщенная функция (Р + /еР2)л определена в п. 2). Анало­ гично

(Р _ io f = lim (Р - teP2)\ 8-*+0

Обобщенная функция ■(Р + г0)\ рассматриваемая как функ­ ция от X, имеет простые полюсы в точках X — —га/2, —га/2 — 1, .. . , —га/2 — k, ... с вычетами

Выч (P + i0)x = — — —

Lk6(x),

Я=-я/2-А V

4ftfe! Г («/2 + fc) Y \ Д |

 

где Д — дискриминант формы Р.

494 ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

Функция

Ю)х имеет полюсы в тех же точках с выче­

тами, получаемыми из последней формулы заменой i на —i.

Полагают

 

 

 

р \ _ e~nU (Р +

iO)K - ем

iO)K

 

+

— 2/ sin яЯ

9

 

р \ _ (Р + М? -

(Р - <0)Л

^

 

2/ sin яЯ

 

При Re Я >

—п обобщенная функция

Р+ совпадает с регуляр­

ной обобщенной функцией, задаваемой формулой

 

(Р+, ф )=

f Рх<р (х) dx,

 

 

р> о

 

a P i - с регулярной обобщенной функцией, задаваемой форму­ лой

(P i, Ф) =

f \P(x)\x<p(x)dx.

Р < 0

Ли т е р а т у р а : [12].

4.Обобщенные функции вида g>Kf(g>, Я). Пусть f(z, Я) —це­

лая функция от 2 и Я.

Если

9*— комплексная квадратичная

форма

с положительно

определенной мнимой частью, то при

Re Я >

0 полагают

 

 

 

(g>Kf(g>, я),

ф(х» =

J д>Ч(д>, я)Ф(х) dx.

С помощью аналитического продолжения определяется обоб­ щенная функция g>^f(g>, Я) для других значений Я. Аналогично определяется обобщенная функция

д>Чпmg>f(g>, я).

Обобщенная функция (Р + iO)^f(P + ДО,Я) задается равен­ ством

(Р + iOf f (Р + <0, Я) = lim (Р + ieP2f f (Р + /еР2, Я),

8-> +0

где Рг — положительно определенная квадратичная форма. Ана­ логично

(Р - i0)xf (Р - lO, Я) = liш (Р - izP2f f (Р - ieP2, Я).

8 -»+ 0

Если форма Р положительно определена, то

(Р + iOf f (Р + /0, Я) = (Р — Ю)х / (Р - Ю, Я) = Рх/ (Р, Я).

Далее

/ (Р + ю , Я) = /- Ю, Я) = f(P, Я).

§ 3. ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ

495

Справедливы равенства

(Р + io f f (Р, Я) = Px+f (Р+, Я) + eanP \f (Р_, Я)

- Ю)л f (Р, Я) = Р+f (Р+, Я) + (Р-, Я),

дающие выражения наших обобщенных функций через аргумен­

ты P+, Р—

К рассмотренному классу обобщенных функций относятся, например,такие функции, как

Zx[(Р + i0)'/2], (Р + ЮГШ Zx[(Р + *-0)Ч

где Z%{x) — цилиндрическая функция.

Каждой вещественной невырожденной квадратичной форме

р =

П

ёакхахь соответствует сопряженная с ней форма

2

 

a, р=1

Р

Р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q =

2

gaps.asp,

 

 

 

 

п

 

 

 

 

а, Р=1

 

Р

 

 

 

где

 

=

(а > Y — 1»

2.........п)- в

дальнейшем

 

будет

p=i

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

использована обобщенная функция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кп/2+х IciQ + iO)*]

 

 

 

 

 

 

 

 

«в + » .т(-Ь » )

'

 

 

 

где с — положительное

число. Она

определяется при

нецелых

Я разложением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kn/2+x[c(Q+iO)4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

л (с/2)п12+1

Г VI

(с/2)~2Х~п+2т (Q + iO)-x~nl2+m^ _

 

 

 

2 sin (п/2 +

Я) я

Z A

 

ml Г (— К — лг/2 + пг + 1)

 

 

 

 

 

 

 

Lm=о

 

 

 

 

(с/2)2т (Q + ГО)”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т=0

Г (Я -Ь п/2 “Ь ш “I**1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При Я =

s, s > 0, эта функция имеет полюс с вычетом

 

Выч К»/2+Я [с (Q +

<0)1/г1

 

 

 

 

 

 

 

 

К

(Q + i„,T (■?■«)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( _

1)* яп/2 (c/2)s-n/2

е- я<?;/2 / I

Д |

у

( - 1 ) т (с/2)—2т

Lm6 (х),

 

 

 

 

 

2

 

 

 

^

4т т! (s — т)|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ftt=0

 

 

 

493

ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

где

q — число отрицательных членов

в канонической записи

формы Q.

 

 

Через Knl2+S[c Ш + Ю)Ч обозначают

правильную часть рас-

(Q + /О)2 ( 2 +

сматриваемой обобщенной функции при %— s.

Ли т е р а т у р а : [12].

5.Обобщенные функции на гладких поверхностях. Пусть по­

верхность

S

в

и-мерном пространстве задается

уравнением

Р ( х и

...,

х п ) =

0 , где Р бесконечно дифференцируемая функ­

ция,

такая,

что

grad Р Ф 0 при Р — 0 (т. е. на

поверхности

Р —

0 нет особых точек). Обобщенную функцию б( Р ) опреде­

ляют следующим образом. В достаточно малой окрестности Ux любой точки х поверхности S вводят новые координаты, поло­ жив «1 = Р и выбрав остальные координаты иг, .... ип произ­

вольно, с тем лишь ограничением, что якобиан D ^ j отличен

от нуля в Ux■Если функция <р(х) обращается в нуль вне Ux, то полагают

(Р ), <р) =

J Ф (0, и2, .... ип) du2 ... dun,

где

 

 

 

Ф (Mi, ••. > ип) =

ф , (U[, . . . ,

ип) D ^ иj ,

Ф1 (U\y . . . ,

Un) =

ф (X\9 . . . )

xn).

В общем случае разлагают функцию ф(х) на слагаемые щ ( х ) 9 обращающиеся в нуль вне окрестностей UXh-

Можно показать, что обобщенная функция б(Р) зависит только от функции Р, но не зависит от выбора координат ии ... , ип- Эту функцию можно определить также следующим образом. Пусть 0(Р) — обобщенная функция

 

 

 

(0 (Р),

ф) =

J ф (х) dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

Р > О

 

 

Тогда б(Р) =

0f(Р)

в том смысле, что для любого j

 

 

 

 

дВ(Р)

дР

 

 

 

 

 

 

дх.

 

=

i r W

 

 

Для

обобщенных

Ч

 

”л!

 

 

функций

6(ft>(Р)

полагают (б(А) (Р), ф) =

== (- 1)^

J ф ^Ч°.v

«о

un)du2

du .

Всякий

функционал f

вида

 

s

 

 

J aV r

 

 

tf. ф) =

 

 

dxxl

dxn

§ 3. ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ

497

выражается через б (Р), .... б{к) (Р) следующим образом:

(f. Ф) = £ J b,{x)bu\P )dx.

/=О При этом запись однозначна: если / = 0, то

&,(*) = 0, 1 < /< f e .

Справедлива формула дифференцирования сложной функции

^ б (* > ( Р ) = ^ б (*+1)(Р).

Далее, имеют место равенства Рб (Р) = О,

pS(ft)(p) + £6<ft_1) (Р) = О,

6 = 1 , 2,

Если поверхности Р = 0 и Q = 0 не пересекаются и Q обла­ дает теми же свойствами, что и Р, то

б(PQ) = Р~‘Ь (Q) + Q- l6 (Я)

Если функция а(х) не обращается в нуль, то

 

z*____6<«(Я)

 

б ' (аР) =

а* (л:) |а (л:) |

Пусть теперь в гс-мерном пространстве поверхность S имеет

размерность п k и задается k уравнениями

 

Р 1 (-^1) • • • у % п ) ===

• • • »

Pfe (-^1 > • • • > Х п ) === О,

где Pj(x1,

хп) — бесконечно

дифференцируемые функции,

причем поверхности Pi = 0, . . . ,

Ph = 0 образуют правильную

сетку. Иными словами, предполагается, что в окрестности лю­

бой точки х поверхности S

можно

ввести систему координат

ии .. . ,

tin так, что Uj = Pj,

1 -*Cj^Ckt и якобиан D ^ *j

отличен

от нуля. Тогда полагают

 

 

 

(б (Pi,

... , Р/г), ф) ^ J* Ф (0>

• • • >

^&+1>• • • > tin) diifc+

... dun

и

 

 

 

 

дР*

Ф

 

,+ •••+** r all+- +S (Q .---,o ,«й+|, .. “*) duk+1 ... rf«„.

... d u g

498

ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

Можно показать, что и эти обобщенные функции не зависят от выбора координат ии ...» ип.

Для введенных функций справедливы следующие равен­ ства:

д

 

д д ( Р и

Рк)

dPj

д х . б (р„

 

д Р ,

 

д х ,

 

 

<=1

 

 

Ргб(Р„ ....

Рк) — О,

 

 

PtPfi(P» ....

Рк) =

0,

 

 

Р,Р2 ... РАб(Р„ ....

Pfc) =

0.

 

 

Справедливы

также

тождества,

получаемые

формальным

дифференцированием последних равенств.

 

Примеры.

функция

6(otiXi +

. . . + otnJCn)

задается ра­

1. Обобщенная

венством

 

 

 

J ф da,

(б (ct!*, + ...

+

апхп), <р) =

2«А =°

П

где d a — элементарная площадка плоскости 2 akxk — 0. k=\

2. Обобщенная функция б{ху с) при с Ф 0 задается фор­ мулой

 

(ху с),

ф) =

J* Ф (*>- j)- у

- .

П

 

3.

Обобщенная функция

6 (г — с), где г2 =

2

х1> с > 0,

задается формулой

 

 

J ф dQc,

 

fc=i

*

 

 

 

 

 

 

 

(б (г — с), ф) =

 

 

 

 

 

 

 

 

а с

 

 

 

 

где

dQc— элементарная

площадка

поверхности

сферы Qc

радиуса с.

можно задать уравнением г2 =

с2. Тогда

Ту же сферу

 

 

(б (г2 — с% ф) =

-Т .Jф rfQ,..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sc

 

 

 

4.

Если Р =

х{— f (лг2, .

хп)у то имеет место равенство

 

(6 (Р)> ф) ===

j" Ф[/ (^2>

• • •»

%п)*

^2*

••• *

2 dx• . dX*ц-

Литература: [12].

§ 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ ОБОБЩЕННЫХ ФУНКЦИЙ

499

§4. Преобразование Фурье обобщенных функций

1.Мультипликаторы и свертыватели. В главе II, § 1, п. 4

дано определение преобразования Фурье обобщенных функций, рассматриваемых как функционалы над линейным простран­ ством Е, плотно вложенным в S. Это преобразование опреде­ ляется формулой

(Р, ф) = (F, ф),

где ф— преобразование Фурье основной функции ф.

Есть иное определение преобразования Фурье обобщенных и быстро растущих функций. Пространства растущих функций интерпретируются как пространства мультипликаторов в некото­ рых пространствах быстро убывающих бесконечно дифференци­ руемых функций.

Пусть Ф и W — линейные топологические локально выпуклые пространства функций или функционалов, и Ь(Ф, 4я)— простран­ ство линейных непрерывных операторов из Ф в W с топологией ограниченной сходимости. Пусть М(Ф, 4я) — замыкание в £(ф, 4я) пространства операторов умножения на функции из S. Например, M(Dt D) — пространство С°° всех бесконечно диффе­ ренцируемых функций, M (S ,S ) — пространство бесконечно диф­ ференцируемых функций, имеющих вместе с производными лю­ бого порядка степенной рост, M (Z ,Z )— пространство целых аналитических функций экспоненциального типа, имеющих на

вещественной оси степенной рост (вместе

со всеми производ­

ными).

 

операторов свертки

Пусть С(Фу4я) — замыкание в Ь(Ф, 4я)

с функциями из S. Например, C(S,S) — пространство линейных

функционалов в S,

т. е. S'. Элементы из М(Ф, 4я) называются

мультипликаторами

(из Ф в ? ) , а элементы из С(Ф, 4я)— свер-

тывателями. Топология в М(Ф, 4я) и С(Ф, 4я) задается тополо­ гией пространства £(Ф, 4я). Для краткости М(Ф, Ф) обознача­ ется через М(Ф), а С(Ф, Ф) через С(Ф).

Пусть пространство Ф состоит из непрерывных суммируе­

мых функций и через Ф обозначено пространство преобразо­ ваний Фурье функций из Ф, а через Ф* — сильно сопряжен­

ное с Ф пространство. Топология в Ф индуцируется тополо­

гией в Ф. Преобразованием Фурье

оператора % из £(Ф, 40

называют оператор

% из

Ь(Ф, 40, определяемый равенством

х(ф) = %(ф) (ф е Ф)-

Таким

образом,

L (Ф, 4я) « L (Ф, 40. При

этом изоморфизме

 

 

 

М(Ф, 40~ С (Ф , чо

и, в частности, М(Ф) « С(Ф).

500

ГЛ X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

 

Определим

оператор Xf

умножения на /,

действующий из

W* в Ф*, как оператор, сопряженный оператору %. умножения

на /, действующему из Ф в

Отображение

непрерыв­

но. Если в Ф определено и ограничено отображение ф-*ф, то

соответствие

%.—>Х^ порождает

непрерывное вложение

М(Ф, 4я) —►Л1

Ф*). Если, кроме

того, Ф и Т рефлексивны,

то

М(Ф, 4я) ~

М (У \ Ф*),

 

 

С(Ф, 4я) ~

С (4я*, Ф*).

Отметим еще, что

М {М (Ф)) « М (Ф), С(С(Ф))«С(Ф).

Л и т е р а т у р а : [13], [308].

2. Пространство типов S и <ЁГ. Пространство S замкнуто от­ носительно операций умножения на независимые переменные, дифференцирования, умножения и свертки - функций. Построен широкий класс пространств, обладающих указанными свойст­ вами. Пусть

 

 

 

-а, А м'

 

1/а\

т

Г

) ’

 

“ >

 

 

 

- ( т

|

 

 

 

 

е 0, А

 

1,

| * | < Л ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оо,

| х | >

Л.

 

 

 

 

 

Через

5а, а

обозначают банахово

пространство,

состоящее

из

бесконечно

дифференцируемых

функций,

для

которых

ко­

нечна норма

 

 

 

 

Ф(<?) (*)

 

 

 

 

 

 

 

 

I ф IU =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

su p еа, А(х)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X, и

 

 

 

 

 

 

 

 

а

через St', а — пространство

бесконечно

дифференцируемых

функций, имеющих конечную норму

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IIФ11®^ =

sup

о—1

(х)

(х)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х, q

А

 

BQqqb

 

 

 

 

 

 

Здесь для

краткости

положено

Bq = B^q\ q<® = \ <7|Р|<71, где

| <7 1= <7i + ...

+<7n.

<7=

(<7i> •••» Яп)-

Функции

из

этих

про­

странств

бесконечно

дифференцируемы. При а =

0

функции

пространства

Ifo, а рассматриваются лишь

при | х | < Л . Функ­

ции

из 5а, л

убывают не медленнее экспоненты

порядка

1/а,

а при а =

0 равны нулю вне шара |

х | <

Л Функции.

из S’a,а

растут не быстрее экспоненты порядка

1/а. При р <

1

функции-