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

книги / Функциональный анализ

..pdf
Скачиваний:
86
Добавлен:
13.11.2023
Размер:
24.9 Mб
Скачать

§ 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ ОБОБЩЕННЫХ ФУНКЦИЙ

501

из

л и <г£; А — целые

аналитические, причем

 

 

 

| <р (z) | < С

ехр

__

а

X 1/a

+

i - р

Bey |'-P

 

 

 

т

 

Л

 

 

 

z = X + iy

 

_+

 

 

 

 

 

 

 

ПриР=1

эти функции аналитичны в полосе \у\< 1/В е,

причем

 

 

|ф(г)|<Сехр(+

- j |

)(1 — Веу)~\

 

Если В\> В

и

А{> А,

 

то существует

непрерывное

вложе­

ние

So, а

So. л',>

а

если

В \> В , A i< A ,

то

вложение

&а’,а ~*

 

о n

 

есть непрерывное

вложение

В

Q р

 

Всегда

So, а -* &а,л-

Пространства

типа & определяются так:

 

 

 

 

 

#%+ =

lim

ind Jfa, л,

a> 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

В->ОО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

л->о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гг8==Н т

рг

 

гг£3,

Р>о,

 

 

 

 

 

 

 

 

В->0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л ->оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S’a, -

Пт

pr lim ind S’a'.A,

 

 

 

 

 

 

 

 

А->ОО

В->ОО

 

 

 

 

 

 

 

 

« t t =

Пт

ind

 

Пт рг #«, л»

 

 

 

 

 

 

 

 

В->ОО

 

Л-> ОО

 

 

 

 

 

 

 

 

<?fa, + =

lim pr lim ind S’a, л>

a > 0,

p> 0,

 

 

 

 

 

в->о л->o

 

 

 

 

 

 

 

 

S’a, +=

lim ind lim pr Sa, A>a > 0,

0 > 0.

 

 

 

 

 

Л->0

 

B~>0

 

 

 

 

 

 

Здесь lim ind — индуктивный

предел

пространств

(см.

гл. II,

§ 1,

п. 2),

а lim рг — проективный

предел.

 

 

 

на S,

В определении пространств типа S надо заменить S

lim ind на

lim ind, а limpr

 

на limpr.

 

 

 

 

 

Л->0

 

Л->оо

 

Л-> оо

 

 

л ->о

есть соотношения, выражае­

Между пространствами типа S

мые схемой:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

Здесь стрелка означает вложение. Аналогичная

схема

имеет

место для пространств типа S.

 

 

 

 

 

 

Пространства типа S нетривиальны в следующих случаях:

а)

S„+:

если

исключая случаи а = 0, Р = 1 и

а = 1,

Р =

0;

 

502

 

ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

б) S ai.

S ai:

если

а + р > 1

и а > 0 ;

в) 5а+,

Sa+:

если

а + р> 1

и 0>О;

г) S al:

если

а + р > 1 , а > 0 , р > 0 .

В остальных случаях эти пространства состоят лишь из ну­

левого элемента.

 

 

 

Пространства типа & всегда нетривиальны' (все они содер­

жат, например, функцию <р(х) =

1). Но при a + р < 1 они вы­

рождены в том смысле, что имеют место «лишние» изоморфиз­ мы, а именно

 

( V )

р<±>

( V )

ОРр (±)

 

( Л ) ,

Р ( ± )

 

а—

Щ

 

 

 

СХ+

 

При a

р = 1 имеет место вырождение

РР-

 

>а+

СрВ —

© а -

Во всех пространствах типа S и ^ определены и ограниче­ ны операторы дифференцирования, умножения на независимые переменные, сдвига и умножения на expi(e, х)> где a — веще­ ственное число.

Пространства <Их+> <^a-> Sa+> Sol и сильно сопряженные к ним обладают следующими свойствами: они полны и ядерны (гл. I, § 4, п. 11). Чтобы получить для них сильно сопряженные пространства, надо заменить lim ind на Пт рг, а банаховы про­

странства <2?a, л — на сильно сопряженные к ним про­ странства. Например,

lim рг (Я**})*.

«В -»оо, Л - » 0 4

Чтобы получить пространство М(Ф) для пространства Ф ти­ па S, надо:

1)Заменить S на &.

2)Сохранить знак наверху и поменять его внизу; если при

этом получатся одинаковые знаки, то добавить сверху знак V; если же получатся разные знаки, то сверху никакого знака не писать. Например,

м (sSt) ~ й±, м(sit) ~

Чтобы получить для любого пространства Ф типа S про­ странство С(Ф), надо:

1) Заменить S на & и добавить знак * (переход к сильно сопряженному пространству).

§ 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ ОБОБЩЕННЫХ ФУНКЦИЙ

503

2) Сохранить знак наверху и поменять его внизу; если при этом получатся разные знаки, то добавить сверху знак Д, а если одинаковые знаки, то сверху не писать ничего. Например,

с(+)

Чтобы получить пространство Ф для пространства типа S, надо поменять местами а и р вместе со знаками. Например,

оР+

oCt—

оР+

 

r»Ct+

Оа- ~

ор+,

Ъа+=

 

Аналогичное правило верно

для

пространств, сопряженных

с пространствами типа 5.

 

 

 

 

Чтобы получить пространство Ф для пространств Ф типа £Р, надо:

1) Поменять местами индексы и знаки, заменив после этого знаки на обратные.

2)Заменить V на А и обратно.

3)Перейти к сопряженному пространству.

Например, при

р ^ 1 имеем:

~ ($£:)*.

Таким образом, система пространств S и & и их сопряжен­ ных замкнута относительно перехода к пространствам преоб­ разований Фурье, пространствам мультипликаторов и свертывателей.

Л и т е р а т у р а : [13], [308].

3. Предельные случаи пространств типа S и S . Наряду с пространствами типов S и ё вводятся их предельные случаи.

Через

обозначают

банахово

пространство с нормой

 

II ф II — sup (| х | +

l)-ft

 

 

 

х, q

 

 

 

 

а через е й ,

а — пространство с нормой

 

 

 

IIФ11=

sup

е ~ 1А (*) | ф</> (*) |

 

 

 

 

х, |/Г<<7

 

 

 

и через 8% — с нормой

 

 

 

 

 

 

IIФII= sup (1*1+ 1)-*|ф</>(лг)|.

 

 

x.\l\<q

 

 

 

 

Аналогично определяются

пространства

S(k)B,

а, 5$).

Беря индуктивные пределы при k - * o o t 4-»-0,

В ~ * о о

и проек­

504 ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

тивные пределы при q —►оо, А —►оо, В -> 0, получают про­ странства

=

lim

ind гг?&

 

k->oo, В-+ ОО

<2?а—=

Пт

рГ

 

q, А->оо

<$= lim pr lim ind

 

q->oo

k->oo

и т. д. Беря индуктивные пределы при Л -> оо, В оо и проек­ тивные пределы при q->- оо, £->оо, Л->0, В->0, получают пространства

Sp- =

lim

pr S&A

 

B->0, k->oo

S a- =

lim

pr

 

q->oo, Л->0

Sp+ == lim pr lim ind 5<%в,

k-> OO B-> OO

5 = lim pr

q->oo, k->oo

Для введенных здесь пространств имеют место утверждения, аналогичные утверждениям о пространствах типа S и <§, их пространствах мультипликаторов, свертывателей и преобразова­ ний Фурье. Эти утверждения можно получить предельным пе­ реходом из соответствующих утверждений о пространствах ти­ пов S и <ЁГ, если принять во внимание, что

< Х ) _

(X ).,.,

(X)

_

( X )

SpP(±)_ Ор Р (±) -

ор

ое>00

— © о о + >

О а (=р ) 0 а (+ )>

(X)

с о . .

(X)

 

(X L .,

(X)

^ оо +,

S P W =

 

оо._

 

s = sZi.

5a(qp) — 5 a(=F)>

 

Описанные в пп. 2, 3 пространства охватывают наиболее важ­ ные в приложениях функциональные пространства. Например,

^a+ a)+ — пространства целых функций порядка не выше, чем 1/а, и конечного типа, а а) — пространства целых функций порядка не выше, чем 1/а, минимального типа; <§\l —- простран-

Л 1 .

ство всех целых функций; «^- — пространство функций, каждая

из которых аналитична в некоторой полосе вида | у | ^ С ; — пространство функций, аналитичных в /?п; S — пространство

§ 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ ОБОБЩЕННЫХ ФУНКЦИЙ

505

функций, быстро убывающих вместе с производными любого порядка; S0+— пространство D финитных бесконечно дифферен­

цируемых функций; 50+— пространство финитных бесконечно дифференцируемых функций с более слабой топологией, ч*ем в D\ <§ъ— пространство С°° всех бесконечно дифференцируемых функций; Sa ч=(<§?а+) — пространство бесконечно дифференцируе­ мых функций, которые вместе со всеми производными убывают

не медленнее,

чем

ехр (— Ххш) (возрастают

не быстрее, чем

ехр (Ях1/а));

+

+) — пространство функций

класса Жеврея

порядка р, быстро убывающих вместе со всеми производными (медленно растущих вместе со всеми производными).

Л и т е р а т у р а : [13], [308].

4. Таблица преобразований Фурье обобщенных функций од­ ного переменного. Значения функций А(Х), В(Х), С(Х), D(X) и коэффициентов а("} и т. д. приведены в конце таблицы 1.

Здесь и в дальнейшем приняты стандартные обозначения:

 

Nx(z) =

 

tcosXn}x(z) ~ J- x (г)1.

где

№ =

2 sin A,it

^

~

^

 

—nM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h(z) =

e

2 Jx(iz),

 

 

 

tf (Z )

J% (z)

iN \ (z),

 

 

#[2)(г)= У к(Z) iN*.(z),

X — не целое.

Функции A{X), В (К),

С (Я), D(X)

задаются равенствами:

A(X) = ie

2Г(Я+1) =

Т ^

Г + <

) + < )(Я + « )+ ....

B(X) = - i e

.. л

 

1) =

м

+

bin) + Ь?](Я + п) + ....

2 Г (Д. +

 

 

ы

 

 

с("!

+ 4 л) + с(1П)(Я+ « ) + ....

С (Я) == — 2 sin — Г'(Л, + 1) =

Е>(X) = 2 cos ^ г (Я + 1) - - Ц - + dV + d\n)(X + « ) + . . .

506

ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

Обобщенная функция f (*)

п/п

0

Обычная

интегрируемая

 

функция f(x)

1

6(х)

 

2

*+ ( Я

# - 1 , - 2 , ...)

3хп х +

4в(х)

5x i

(К ф — 1, — 2, . . .)

6х п

7+ i0)K

8(х — i o f

9

\ х \ к ( Я * - 1 ,

- 3 ,

...)

10

| х |Аsign х

 

 

 

(Я =7^=— 2,

4,

. . . )

11хт

12х~ т

13х ~ 1

14X- 2

151 X r 2m—1

16х~2т sign л:

17*+ 1пх+

( Я ¥ = - 1, - 2, ... )

Таблица 1

 

 

Ее преобразование Фурье f (s)

 

 

 

оо

 

 

 

/=• [/J =

Jf n x ) e ixsdx

 

 

 

—ОО

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

А (Я) (s + ГОГ*-1 =

А (Я) s^

- 1 +

 

 

 

 

 

+

В (Я) s I A_I

in+lnl s~n~ l + ( - /)" я6(ге) (s)

 

/s’-1

+ яд (s)

 

 

 

В (Я) (s - Ю)-А- ‘ =

Л (Я) SZA_I +

 

 

 

 

 

+

в(Я) s; x- ‘

( - i)n+1 n\ s~n- 1+

tnn6(n>(s)

 

2ne

z

_ A,_I

 

 

Г ( -Л )

s-

 

 

 

2ne

- a

f

 

 

 

 

„—л_ 1

 

 

Г ( - Я )

s+

 

 

 

С (Я )|5 Г а- '

 

 

 

/£> (Я) | s |-A_1 signs

 

 

2 ( -

i)m я6(т) (s)

 

 

im (m — 1)1 ^

‘ slgns

 

in sign s

 

 

 

 

— я | s |

 

 

 

 

c(2m+l)s2m _ c(2m+l)s2m l n | s |

 

t.d(2m)s2m -l _

;rf(2m)s2m -l | g |

ie

л

- f f

Г

 

 

 

 

M

Г(Л+1) +

 

 

l L

+/ - £ г ( Я + 1 ) ] (s + /О)- A_1

- Г (Я + 1) (s + /0 )-А~ 1 In (s + iO) |

§ 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ ОБОБЩЕННЫХ ФУНКЦИЙ

507

Обобщенная функция f (х)

п/п

18

х \ In *

 

(X ф — 1, — 2 , ... )

19 In**

Продолжение табл. 1

Ее преобразование Фурье F (s)

 

- i e - д т2 г| г[ Г'(Л - bD —

 

- » у Г ( Я + 1 ) ] (s - Z O ) - * - 1-

 

- Г (Я + 1) (s - ГОГ*” 1 In (s -

ГО) |

*•{(г a )+ «•-£) [(s+ ГО)-1

 

— (s + /0)- 1 In (s +

ГО)] |

20In х -

21|* In I X I

Ф

2, •..)

22 ! х Г In | х | sign x

( К Ф - 1, -2 , ...)

[(s- Г О Г 1-

- (s - ГО)- 1 In (s - ГО)] |

ie

Л т г г

 

 

+

 

 

 

 

| ^ Г ( Я + 1 )

 

 

 

+

< у Г ( Я + 1 ) ]

(s +

ZO)-*-1-

 

 

-

Г (Я + 1) (s +

)-

*- 1 In (s + /0) | -

 

- i e

~ а Т ( Г

 

 

 

 

 

2

| [Г ( Я + 1) -

 

 

- / | - Г ( Я

+

1)] (s — <0)“ *—1—

 

 

 

-

 

Г (Я +

1) (s - ГО)- * - 1 In (s -

iO) }

ie

a

T

j

( Г

 

 

+

 

 

 

 

|г '+ 1)

 

 

 

+

< у Г ( Я +

1)] (s +

)- * - 1

 

 

-

Г (Я + 1) (s +

) - * - 1 In (s + iO) | +

 

+ le

- а Т ( Г

 

 

 

 

 

2

| | г ' ( Я + 1 ) -

 

 

-

/

 

Г (Я +

1)] (s -

ГО)- *- 1 -

 

 

 

-

 

Г (Я +

1) (s - ГО)- *-1 In (s -

ГО)}

508

ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

Обобщенная функция f (х )

п/п

23x~~2m In | X |

24х~2т~ Ч п \х \

25| лг|“ 2т~ 1In | х\

26| х г 2т In I л; | sign х

Продолжение табл. 1

Ее преобразование Фурье f (s)

c(2m)|s |2m - l _ c(2m) | s |2 m - lin |s |

id f m+l)s2m sign s —

- i4 2m+'ls2m In | s | sign s c(2m+ l)s2 m _ c(2m+l)s2m,n | 5| +

+ ^ c (l ? +l)s2m In2 \S\ idfm)s2m-\ _ W(2m)s2m-1 ,n | s | +

 

 

 

 

 

+

y d i! ? )s2m1ln2 |s |

27

U ~ X %

 

 

/ я Г (Л + 1 ) ( |)

^

h +4,(s)

 

( Х Ф - \ ,

- 2 ,

...)

 

 

 

 

 

28

 

 

 

v~n d p

' /_„+*<*)

 

 

29

(1 + * 2)*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

 

/ - 1 s

Г я-'/*

 

 

 

 

- Г ( Я + 1 ) У ^ |у |

 

i V . ^ d s I )

 

{ Х Ф -

I,

- 2 ,

...)

 

 

 

 

 

31

 

 

 

2 я ( - 1 ) « ( 1 + - ^ - ) Пб(5) +

 

 

 

 

 

+

( - l ) n+1/ *

( y

)

П” ,/а/ п+1/г(5)

32

еЬх

 

 

2я6 (s — /6)

 

 

 

 

33

е#П

 

 

Функционал (f* ф) =

 

i OO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= — 2JX

f

e5*72ф (s) {/s

 

 

 

 

 

 

 

 

—/ OO

34

6<2т) (х)

 

 

(—l)m s2m

 

 

 

 

35

6(2ш+1)М

 

 

( - D m ;s2m+l

 

 

 

 

36

sin bx

 

 

In [6 (s + b) — 6 (s — 6)]

 

37

cos b x

 

 

я [6 (s +

b) + 6 (s -

 

6)]

 

 

38

Многочлен

Р ( х )

 

 

 

 

 

 

 

2 л Р ( ~ 1 - к ) ь { 8 )

§ 4 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ ОБОБЩЕННЫХ ФУНКЦИЙ

509

Коэффициенты а{*\>

а^

и а\п)

имеют вид:

 

 

 

•л-1

 

 

 

 

 

 

 

 

чЫ)_____

'

 

 

 

 

 

 

 

-I

( / г - 1)1

 

 

 

 

 

 

 

 

,л—1

 

 

 

+ d r + •’'«> + if].

 

4”,=5T=TF[I + T +

 

 

 

;Л—1

/г-1

>

 

+

 

2

i

-

fl<n)

(п — 1)!

£

 

 

 

 

/=1

 

 

млI¥*k

 

 

 

 

 

 

 

 

1</, /г<я-1

 

 

 

 

+

( 1 + у +

••• +

Г ^ Т )Г'(1) +

Г"(1) +

 

 

 

 

 

+

г’т [ 1 + 4

+

+ 7 3 Т + Г'( 1)]}-

 

 

Коэффициенты

Ы*\ и т. д. выражаются

через а^} по фор­

 

мулам:

__

 

 

 

 

d f = 2 1 m а£К

 

 

bin) = a(n)t с(п) = 2 Re а<£\

 

В частности,

( - г

-

 

 

 

 

 

 

 

ЬМ :

МП)

(п--1)!

 

 

 

 

( п -

1)!

-1

 

 

 

л\п)_ 2 (—1

.

/

<ч я

 

 

 

Ли т е р а т у р а : [12], [309], [310], [311].

5.Положительно определенные обобщенные функции. Пусть

Е— функциональное пространство, содержащее вместе с любой

функцией (р(х) функцию <p*M= <p(— х)у а вместе с любыми двумя функциями ф и ф их свертку ф*ф. Линейный функционал

F в Е называется положительно определенным, если для любой функции ф(х) из Е выполняется неравенство (F, ф*ф*)>0. Для того чтобы обобщенная функция в пространстве D была поло­ жительно определенной, необходимо и достаточно, чтобы она являлась преобразованием Фурье положительной меры степен­ ного роста.

Положительно определенные обобщенные функции в про­ странстве Z являются преобразованиями Фурье положительных мер. Обратно, преобразование Фурье любой положительной меры является положительно определенной обобщенной функ­

цией в пространстве Z.

 

 

При К>

—-1 обобщенные функции

 

 

*

пК1

 

- 2 sin

Г (X + . 1) | х Г * -\

2 Г (А + 1)

(х + /О)"*"1.

 

пЫ

 

 

 

- i e 2 Г(А +

1 )(х -Ю Г * -‘

 

510 ГЛ. X. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ

положительно определены (они являются преобразованиями

Фурье положительных обобщенных функций | х |\ х+, х~). Любая положительно определенная обобщенная функция

может быть представлена в виде F = (1—-Д)т/(х), где f(x) — положительно определенная непрерывная функция, Д — опера­ тор Лапласа. Свертка двух положительно определенных обоб­ щенных функций положительно определена.

Отмеченные результаты позволяют получить описание ин­ вариантных относительно сдвигов положительно определенных эрмитовых функционалов. Функционал В(ф, ф) называют эрми­ товым полуторалинейным, если при фиксированном ф он ли­ неен и непрерывен относительно ф, а при фиксированном ф он антилинеен и непрерывен относительно ф. Функционал В(ф, ф) инвариантен относительно сдвигов, если

В + h)f ф + Щ) = В (ф, ф).

Если В(ф, ф)>0, то функционал называется положительно определенным.

Всякий положительно определенный инвариантный относи­ тельно сдвигов эрмитов полуторалинейный функционал в про­ странстве D имеет вид

В(<р, Ф) = | ф(Я)ф(А)йр(Я),

где (ы(Я)— некоторая положительная мера степенного роста, а ф(Я) и ф(Я)— соответственно преобразования Фурье функции ф(х) и ф(х).

Ли т е р а т у р а : [15].

6.Условно положительно определенные функции. Обобщен­ ную функцию F называют условно положительно определенной порядка s, если неравенство {AAF, ф*ф*)^>0 выполняется для

всех основных функций и всех линейных однородных дифферен­ циальных операторов А порядка s с постоянными коэффициен­ тами. Всякая условно положительно определенная обобщенная функция порядка s в пространстве D имеет вид

Здесь Qo — Rn — {0}, ф(Я) — преобразование Фурье функции ф(я), (X— такая положительная мера степенного роста, что

J

|Я|2‘ ф ( А , ) < + ° ° ,

о < |я,|< I