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

Мирошин Интегралные и дифференциалные операторы 2010

.pdf
Скачиваний:
68
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
1.39 Mб
Скачать

20.4. Неравенство Фридрихса.

Введем обозначение

 

u

 

 

 

u(k )

 

W l (G )

=

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

=l

 

 

 

 

 

 

1

2 2

(x) , l = 0, 1, 2, ... .

Теорема 20.4. Для любой u W l (G)

выполняется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|| u ||L

 

C || u || l

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

W2

(G)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где C – некоторая постоянная, не зависящая от u .

 

Доказательство. Очевидно достаточно доказать неравенство

для функций класса C(G) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим куб Q ={x Rn : a x b,

i =1,2,..., n}, содержа-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

щий область G .

 

Тогда для любой

ϕ C

(G)

будут выполнены

соотношения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ϕ(ξ,

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

dξ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ(x1, x) =

 

∂ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

∂ϕ(ξ,

 

)

 

2

 

 

 

 

 

b

 

∂ϕ(ξ,

 

)

 

2

 

 

1

 

 

2

 

x

 

(b a)

 

x

 

dξ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ(x , x)

 

 

∂ξ

 

 

dξ

 

 

 

∂ξ

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

∂ϕ(ξ,

 

)

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

∂ϕ

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

x

 

dξ = (b a)

 

 

 

 

(b a)

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|| ϕ||L2 (G) (b a)dx

 

∂ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

 

 

W1(G) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

(G)

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее,

рассуждая

по индукции, получаем,

что для

 

 

 

 

любой

ϕ C(G) будет выполнено

 

ϕ

 

 

 

C

 

ϕ

 

 

 

 

 

l

 

 

 

,

l =1, 2, ....

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L2

(G)

 

 

 

 

 

W2

(G)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В силу плотности C(G)

 

в

W l (G)

получаем справедливость

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

этой оценки для всех u W2l (G).

141

IV. ОБОБЩЕННЫЕ ФУНКЦИИ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ОПЕРАТОРОВ

§ 21. Пространства D и D '

21.1. Определения и основные свойства

Всюду далее G = Rn или G Rn − некоторая область. Определение 21.1. На классе C0(G) введем понятие сходимо-

сти следующим образом: последовательность

{ϕ

}

C(a,b)

 

 

 

m m=1

0

называется сходящейся к функции ϕ C(G) ( ϕ

 

D

 

m

→ϕ), если вы-

0

 

 

 

полняются условия.

 

 

 

 

1. Существует компакт K G , такой, что для любого m будет

supp ϕm K .

 

 

 

 

 

 

2. Для любого мультииндекса α = (α1, α2

, ..., αn ) имеет место

равномерная сходимость Dαϕ

m

 

 

Dαϕ на G ;

множество C(G) с

 

 

 

 

 

 

 

0

такой сходимостью обозначается символом

D и называется про-

странством основных функций.

 

 

 

 

Перечислим основные свойства пространства D.

1. Пространство D является полным относительно введенной

сходимости, т.е. если {ϕ

}

 

C(a,b) , удовлетворяет первому

 

m m=1

0

 

условию определения 21.1 и фундаментальна в смысле второго условия, то существует ϕ D , такая, что ϕm → ϕ в D .

2.

Оператор дифференцирования

 

Dβ : D D непрерывен, т.е.

если ϕm → ϕ в D , то Dβϕm Dβϕ

в D .

3.

Для любого l = 0, 1, 2, ... в случае сходимости ϕm → ϕ в D

будет иметь место и сходимость ϕ

m

→ ϕ в W l (G) . В этом смысле

 

 

 

2

справедливо вложение D W2l (G) L2 (G) W2l (G).

Определение 21.2. Символом D ' обозначим множество всех

функционалов на D, обладающих следующими свойствами: 1) линейностью: ϕ,ψ α,β: f (αϕ+βψ) = αf (ϕ) f (ψ);

142

2) непрерывностюью в D: если последовательность {ϕ

}

 

схо-

 

 

 

 

 

 

D,

 

 

 

 

 

 

 

 

m m=1

 

дится

ϕm → ϕ

в

 

то будет

сходится и

последовательность

f (ϕm ) f (ϕ);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 21.3. Последовательность { f

m

}

D' называется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m=1

 

 

 

 

 

слабосходящейся к

f D ' ,

если для любой

ϕ D

выполняется

fm (ϕ) f (ϕ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пространство D ' называется пространством

обобщенных

функций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства пространства обобщенных функций.

 

 

 

 

 

1.

D ' – полное относительно слабой сходимости пространство.

Доказательство см. [3], 5.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Если { f

m

}

 

W l (G) и f

m

f в W l

(G) , т.е.

 

 

 

 

 

 

m=1

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

||

fm

f ||l =

sup

| ( fm f )(ϕ) |0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ W2 (G)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

||ϕ||

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

то очевидно

и

 

подавно

для

любой функции

ϕ D

будет

( fm f )(ϕ) 0 ,

т.е.

fm f в

D ' . Таким образом,

можем запи-

сать, что W2l (G) D' , а тогда для любого l = 0, 1, 2, ... будут

справедливы вложения D W2l (G)L2 (G) W2l (G) D '.

3. Если

a C(Rn ),

а f D ',

то по определению

(af )(ϕ) = af (ϕ) = f (aϕ), т.е.

определено

произведение функции

a C(Rn )

и обобщенной функции f D '. Иногда можно осла-

бить условие, например, требовать, чтобы (aδξ )ϕ = aϕ(ξ) было бы

определено для любой a C(Rn ).

Определение 21.4. Ранее была определена дельта-функция: для любой функции ϕ D и ξ Rn положим δξ,ϕ ≡ δξ (ϕ) = ϕ(ξ) –

дельта-функция, сосредоточенная в точке ξ Rn .

Определение 21.5. δS ,ϕ ≡ δS (ϕ) = ϕ(x)dS – дельта-функция,

S

сосредоточенная на множестве S.

143

Определение 21.6. μδS ,ϕ = μ(x)ϕ(x)dS,μ C(S) − простой

S

потенциал с плотностью μ .

 

Пример 21.1. Найти функционал P

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим на D функционал

P

 

 

 

 

 

как главное значение (V.P.)

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx . Именно, для любой функции ϕ D

по Коши интеграла

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

положим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

def

 

 

 

 

 

def

 

 

 

 

 

−ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

,ϕ

= V .P.

 

 

ϕ(x) dx =

lim

 

 

 

ϕ(x) dx +

 

ϕ(x) dx .

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

x

 

 

 

 

ε→0

+0 −∞

 

x

 

 

 

 

 

ε x

 

 

 

 

 

Покажем, что P

1

D ' .

 

Если в {ϕ

}

D,ϕ

m

0 в D , то суще-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

m=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для всех m, а тогда

ствует R > 0 , такое, что supp ϕm [R, R]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

m

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

,

ϕm

=

V .P.

 

 

 

 

 

dx

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формуле Лагранжа

 

 

 

 

 

ϕ

m

(x)

dx

 

=

 

 

 

 

R

ϕ

m

(0) + ϕ

m

'(ξ)

dx

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V.P.

 

 

 

 

V.P.

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

R ϕ

m

(0)

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

2R

sup

 

| ϕm '(x) 0 |0, m → ∞,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V.P.

 

 

dx + ϕm '(ξ)dx

 

 

 

 

R

 

 

x

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [R,R]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так как ξ (0, x) . Следовательно,

P

1

 

− непрерывный в D функ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ционал, т.е. P

D ' . Кроме того, имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

ϕ(x)

 

 

 

 

 

 

ϕ(x) −ϕ(0)

 

 

 

 

ϕ(x) −ϕ(0)

 

 

 

 

P

 

,ϕ =V.P.

 

 

dx =V.P.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

 

 

dx =

 

x

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ(x) −ϕ(0)

dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

144

так как существует R , такое, что носитель функции будет

R

ϕ(0)

dx = 0.

supp ϕ [R, R], а V.P.

x

R

 

Пример 21.2. Найти обобщенные функции

1и формулы

x±i0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

def

 

 

+∞

ϕ(x)

 

Соходского.

По

 

определению

 

,

ϕ =

lim

 

dx .

 

x ±i0

x ± i0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε→0+0 −∞

 

Имеем, если supp ϕ [R, R], то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+R

x

iε

[ϕ(0) + (ϕ(x) −ϕ(0))]dx

 

 

 

 

 

,ϕ

=

lim

 

 

 

 

=

 

 

 

x ±i0

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

ε→0

+0

R x

+ ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+R

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

+R

ε

 

 

 

 

 

= ϕ(0) lim

 

 

 

 

 

 

dx iϕ(0) lim

 

 

dx

+

 

 

 

2

+ ε

2

 

2

2

 

 

 

ε→0+0

R x

 

 

 

 

 

 

ε→0

+0 R x

+ ε

 

 

 

 

 

 

 

 

+R

x iε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

+

 

lim

 

 

 

(ϕ(x) − ϕ(0))dx

= 2iϕ(0) lim

arctg

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε→0+0 R x2 + ε2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε→0+

0

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

+R ϕ(x) −ϕ(0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

dx = −iπϕ(0)

+

 

P

 

 

,ϕ .

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получаем формулы Соходского:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

= −iπδ(x) + P

 

1

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x +i0

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

= iπδ(x) + P

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x i0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример21.3. Доказать, что

1

 

e

x

 

→ δ(x) при ε →0 + 0 в D .

 

4ε

2 πε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Для любой функции ϕ D выполнено

 

 

 

 

1

 

 

 

x2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

e

 

ϕ(x)dx =

 

 

ϕ(0) e

 

 

dx +

 

 

 

4ε

 

 

4ε

 

 

 

2

 

 

2 πε

 

 

 

πε −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

1

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

+

 

ϕ(0) e

 

(ϕ(x) −ϕ(0))dx = ϕ(0) +

 

 

 

et2 (ϕ(2 εt) −ϕ(0))dt.

 

4ε

 

 

 

πε

 

 

π

2

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

145

При ε(0, 1] рассмотрим функцию

Φ(ε) = 1 et2 (ϕ(2 εt) −ϕ(0))dt.

π−∞

Всилу непрерывности по ε и t подынтегральной функции и рав-

номерной

сходимости интеграла на множестве (0, ε] функция

Φ(ε)

будет непрерывна на [0, 1] , откуда lim Φ(ε) = Φ(0) = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε→0+0

Таким образом, для любой

 

ϕ D будет выполнено равенство

 

1

x2

 

 

 

 

lim

e

 

ϕ(x)dx = ϕ(0) , и, следовательно,

4ε

 

ε→0+0

2 πε −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x2

 

 

 

 

e

4ε → δ(x) в D .

 

 

 

 

 

2 πε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.2. Дифференцирование обобщенных функций

Определение 21.7. Для любой f D ' и любого мультииндекса

α = (α ,α

2

,...,α

n

) положим

g,ϕ = (1)|α|

f ,ϕ(α)

для

любой

1

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ D.

Тогда функционал g D' обозначается

f (α) Dα f

и назы-

вается обобщенной производной функции

f

вида

Dα f .

Таким

образом, для любой ϕ D будет выполнено

 

 

 

 

Dα ,ϕ= (1)|α| f , Dαϕ.

Отметим свойства обобщенной производной.

 

 

 

 

 

 

1.

Линейность.

Для любых f1, f2 ,

C1,C2 С,

α = (α1,α2 ,...,αn )

существует Dα (C f + C

2

f

2

) и Dα (C f + C

2

f

) = C Dα ( f ) + C

Dα ( f

).

 

1

1

 

 

1

1

 

2

1

12

 

2

 

2

 

2.

Dα (Dβ f ) = Dβ (Dα f ) = Dα+β( f ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Непрерывность.

 

Для

любого

α = (α1,α2 ,...,αn )

 

оператор

Dα : D' D' является непрерывным оператором.

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Для любой последовательности { f

m

}

 

D' ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m=1

 

 

сходящейся к f в D ' , имеем

146

Dα fm ,ϕ = (1)|α| fm , Dαϕ(1)|α| f , Dαϕ =Dα f ,ϕ

для всех ϕ D . Таким образом, по определению, Dα fm Dα f , m → ∞ в D ' .

Замечание 21.1. Оператор Dα :W2l (G) W2l |α| (G) – непрерывный оператор, l Z .

21.3. Обобщенные функции как производные

Теорема 21.1. Пусть f D ', K G , − компакт в G . Тогда существуют g C(G) и мультииндекс α = (α1,α2 ,...,αn ) , такие, что f ,ϕ = (1)|α| g(x)Dαϕ(x)dx = g(α) ,ϕ для любой ϕ D с носи-

G

телем supp ϕ K.

Эта теорема означает, что любая обобщенная функция локально совпадает с производной некоторого порядка от непрерывной функции.

Пример 21.4. Пусть функция f такова, что f C1 (x x0 ) C1 (x x0 );

lim f (x)

lim

f (x) = f (x0 + 0) f (x0 0) =[ f ](x0 ) 0.

xx0 +0

xx0 0

 

 

 

 

 

Тогда для любой ϕ C(R1 )

будет выполняться

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

def

 

x0

 

f ',ϕ = − f ,ϕ'

= − f (x)ϕ'(x)dx = − f (x)ϕ'(x)dx

f (x)ϕ'(x)dx =

 

 

 

−∞

 

−∞

 

x0

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

= f (x)ϕ(x)

 

x0+

f '(x)ϕ(x)dx f (x)ϕ(x)

 

+∞x +

f '(x)ϕ(x)dx =

 

 

 

 

 

−∞

 

0

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=[ f (x0 )]ϕ(x0 ) + { f '}(x)ϕ(x)dx,

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

def

x0

+∞

 

 

где { f '}(x)ϕ(x)dx =

f '(x)ϕ(x)dx + f '(x)ϕ(x)dx .

 

−∞

 

−∞

x0

 

 

147

Получили:

f

' =[ f ](x0 )δ(x x0 ) +{ f '}.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 21.5. Пусть

n = 2,

x =

 

 

 

x2

+ x2

,

 

тогда

 

для

любой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции φ с носителем

supp ϕ UR (0)

 

и

ϕ C0(R2 )

будет вы-

полнено

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln | x |,ϕ = ∫∫

ln | x | Δϕ(x)dx=

 

lim

 

 

∫∫

 

 

ln | x | Δϕ(x)dx =

 

 

 

 

 

UR (0)

 

 

 

 

 

 

 

ε→0+0

ε≤|x|R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(по формуле Грина ∫∫(u

 

v v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

v

u

 

 

 

 

 

 

 

 

u)dx=u

n

n

 

dS )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

∫∫

ln | x | ϕ(x)dx +

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

|

∂ϕ

− ϕ

ln | x |

 

 

 

 

 

 

 

ln | x

n

 

n

 

dS ,

ε→0+0

ε≤|x|R

 

0

 

 

 

 

S

ε

 

S

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где интеграл по SR

равен нулю, так как носитель supp ϕ KR (0).

Тогда получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln | x |,ϕ

=

lim

 

∫∫

 

 

∂ϕ

−ϕ(x)

ln | x |

 

 

 

 

 

= −

 

 

ln | x |

n

 

 

n

 

dS

 

=

n

 

=

 

 

 

ε→0+0 S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ρ

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

2π

 

∂ϕ

 

+ ϕ(εcosθ,εsin θ)

1|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

ε

∂ϕ

dθ+

ln ε

∂ρ

 

 

 

ε

εdθ = − lim

εln

∂ρ

ε→0+0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε→0+0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

(0,0)2π = 2πϕ(0) (см. рисунок).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x cosθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y sin θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dS dθ

 

 

 

 

 

 

Таким образом,

 

ln | x |= 2πδ(x);

 

 

 

1

 

ln

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

| x |

= −δ(x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Упражнение 21.1. Проверить, что

 

 

 

 

1

ln

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

|

x |

= −δ(x).

 

 

 

 

Упражнение

21.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решить

уравнение

 

 

xu '(x) =1.

 

(Ответ:

u(x) = C1 +C2θ(x) + ln | x | .)

 

 

 

148

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.4. Преобразование Фурье

Преобразование Фурье быстроубывающих функций Определение 21.8. Символом S(Rn ) обозначим совокупность функций ϕ C(Rn ) , которые для всех мультииндексов α, β удов-

летворяют условиям:

sup

xβDαϕ(x)

< +∞, здесь xβ = xβ1 xβ2

...xβn .

 

x Rn

 

1 2

n

 

 

 

 

Множество S(Rn ) называется множеством быстроубывающих

функций. Множество S(Rn ) – линейное. Введем на S(Rn ) сходимость следующим образом: будем говорить, что последователь-

ность {ϕ

 

}

 

сходится к ϕ в S(Rn ) приm →∞ , если для любых

 

m m=1

 

 

 

 

 

 

α, β выполнено sup

 

xβDα (ϕ (x) −ϕ(x))

 

0.

 

 

 

 

 

 

 

x Rn

 

 

m

 

m→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МножествоS(Rn )

с введенной на нем сходимостью называется

пространством быстроубывающих функций.

Справедливы следующие свойства.

 

 

1. D

 

 

S(Rn ) ,

причем это вложение строгое. Например,

 

e|x|2 S(Rn ) , но e|x|2 D.

2.Для любого α оператор Dα : S(Rn ) S(Rn ) – непрерывный оператор.

3.Если функция a(x) C(Rn ) такова, что для любого α суще-

ствуют mα ,Cα , такие, что выполнено неравенство Dαa(x) Cα (1+| x |2 )mα , то a(x)ϕ S(Rn ) для любой ϕ S(Rn ) .

4. Множество C0(Rn ) плотно в S(Rn ) . Доказательство здесь не приводится.

Определение 21.9. Для любой ϕ S(Rn ) положим

(Fϕ)(ξ) = ϕˆ (ξ) = (2π)n2 ϕ(t)ei(ξ,t ) dt.

Rn

149

Функция ϕˆ (ξ) называется преобразованием Фурье функции

ϕ S(Rn ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим следующие свойства.

1. Оператор F : ϕ → ϕˆ является линейным, непрерывным опера-

тором в S(Rn ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Для любого α имеем

Dαϕˆ (ξ) = (2π)

n

 

 

 

 

 

2

(i)|α| xαϕ(x)ei(ξ,x) dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

Rn

 

Если ϕ S(Rn ) фиксирована,

то интеграл справа для любого α

сходится равномерно по ξ Rn .

Следовательно, дифференцирова-

ние законно. Далее:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i|β|ξαψˆ (ξ) = (2π)

n

ei(ξ,x) Dαψ(x)dx.

 

 

2

Откуда следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

Rn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξβDαϕˆ (ξ) = (2π)

n

 

 

 

 

 

2

(i)|α|+|β| ei(ξ,x) Dα (xαϕ(x))dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rn

sup

 

ξβDαϕˆ (ξ)

 

(2π)

n

 

| Dα (xαϕ(x)) | dx < +∞,

 

 

2

 

ξ Rn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е. ϕˆ S(Rn ) . Отсюда, очевидно, следует и линейность F в S(Rn ) . В силу линейности F достаточно доказать его непрерывность в ну-

ле, т.е. если последовательность

{ϕ

}

S(Rn ) сходится к

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

m m=1

 

 

 

 

 

 

в

S(R

n

) . Это следует из оценки: для лю-

0,ϕm 0, то ϕˆ m 0 = 0

 

 

бых α,β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sup

 

ξβDαϕˆ m (ξ)

 

(2π)

n

 

| Dα (xαϕm (x)) | dx 0 при m →∞.

 

 

2

 

ξ Rn

 

 

 

 

 

 

 

Rn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 21.2. Если ϕ D , то ϕˆ – целая аналитическая функ-

ция переменной ξ . Следовательно,

ϕˆ D.

 

150