Функция, интегрируемая на своей области определения
В математике локально интегрируемая функция ( иногда также называемая локально суммируемой функцией ) [1] — это функция , которая интегрируема (то есть ее интеграл конечен) на каждом компактном подмножестве своей области определения . Важность таких функций заключается в том, что их функциональное пространство похоже на пространства L p , но его члены не обязаны удовлетворять каким-либо ограничениям роста на их поведение на границе своей области определения (на бесконечности, если область определения неограничена): другими словами, локально интегрируемые функции могут расти сколь угодно быстро на границе области определения, но при этом ими можно управлять так же, как и обычными интегрируемыми функциями.
Определение
Стандартное определение
Определение 1. [ 2] Пусть Ω — открытое множество в евклидовом пространстве , а f : Ω → — измеримая по Лебегу функция . Если f на Ω такова, что
т.е. ее интеграл Лебега конечен на всех компактных подмножествах K из Ω , [3] тогда f называется локально интегрируемой . Множество всех таких функций обозначается как L 1,loc (Ω) :
где обозначает ограничение f на множество K.
Классическое определение локально интегрируемой функции включает в себя только понятия теории меры и топологические [4] и может быть абстрактно перенесено на комплекснозначные функции на топологическом пространстве с мерой ( X , Σ, μ ) : [5] однако, поскольку наиболее распространенным применением таких функций является теория распределений на евклидовых пространствах, [2] все определения в этом и следующих разделах явно касаются только этого важного случая.
Альтернативное определение
Определение 2. [ 6] Пусть Ω — открытое множество в евклидовом пространстве . Тогда функция f : Ω → такая, что
для каждой тестовой функции φ ∈ C ∞
с (Ω) называется локально интегрируемой , а множество таких функций обозначается L 1,loc (Ω) . Здесь C ∞
с (Ω) обозначает множество всех бесконечно дифференцируемых функций φ : Ω → с компактным носителем, содержащимся в Ω .
Это определение берет свое начало в подходе к теории меры и интегрирования, основанном на концепции непрерывного линейного функционала на топологическом векторном пространстве , разработанном школой Николя Бурбаки : [7] оно также принято Стрихартцем (2003) и Мазьей и Шапошниковой (2009, стр. 34). [8] Это «теоретико-распределенное» определение эквивалентно стандартному, как доказывает следующая лемма:
Лемма 1. Заданная функция f : Ω → локально интегрируема согласно определению 1 тогда и только тогда, когда она локально интегрируема согласно определению 2 , т.е.
ДоказательствоЛемма 1
Если часть : Пусть φ ∈ C ∞
с (Ω) — тестовая функция. Она ограничена своей супремум-нормой || φ || ∞ , измерима и имеет компактный носитель , назовем его K . Следовательно
по определению 1 .
Только если часть : Пусть K — компактное подмножество открытого множества Ω . Сначала построим тестовую функцию φ K ∈ C ∞
с (Ω), которая мажорирует индикаторную функцию χ K для K. Обычное заданное расстояние [9] между K и границей ∂Ω строго больше нуля, т.е.
следовательно, можно выбрать действительное число δ такое, что Δ > 2 δ > 0 (если ∂Ω — пустое множество, то Δ = ∞ ). Пусть K δ и K 2 δ обозначают замкнутую δ -окрестность и 2 δ -окрестность K , соответственно. Они также компактны и удовлетворяют
Теперь используем свертку , чтобы определить функцию φ K : Ω → по формуле
где φ δ — смягчитель, построенный с использованием стандартного положительного симметричного . Очевидно, φ K неотрицателен в том смысле, что φ K ≥ 0 , бесконечно дифференцируем, и его носитель содержится в K 2 δ , в частности, он является тестовой функцией. Поскольку φ K ( x ) = 1 для всех x ∈ K , мы имеем, что χ K ≤ φ K .
Пусть f — локально интегрируемая функция согласно определению 2. Тогда
Поскольку это справедливо для любого компактного подмножества K из Ω , функция f локально интегрируема согласно определению 1. □
Обобщение: локальноп-интегрируемые функции
Определение 3. [ 10] Пусть Ω — открытое множество в евклидовом пространстве , а f : Ω → — измеримая по Лебегу функция. Если для заданного p с 1 ≤ p ≤ +∞ f удовлетворяет условию
т.е. она принадлежит L p ( K ) для всех компактных подмножеств K из Ω , тогда f называется локально p - интегрируемой или также p - локально интегрируемой . [10] Множество всех таких функций обозначается как L p , loc (Ω) :
Альтернативное определение, полностью аналогичное данному для локально интегрируемых функций, может быть дано и для локально p -интегрируемых функций: оно также может быть и доказано эквивалентным определению в этом разделе. [11] Несмотря на их кажущуюся большую общность, локально p -интегрируемые функции образуют подмножество локально интегрируемых функций для каждого p такого, что 1 < p ≤ +∞ . [12]
Обозначение
Помимо различных глифов , которые могут использоваться для заглавной буквы «L», [13] существует несколько вариантов обозначения множества локально интегрируемых функций
- принятый (Хёрмандер 1990, стр. 37), (Штрихартц 2003, стр. 12–13) и (Владимиров 2002, стр. 3).
- принято (Мазья, Поборчи 1997, с. 4) и Мазья, Шапошникова (2009, с. 44).
- принято (Мазья 1985, с. 6) и (Мазья 2011, с. 2).
Характеристики
Лп ,местоявляется полным метрическим пространством для всехп≥ 1
Теорема 1. [ 14] L p ,loc является полным метризуемым пространством : его топология может быть порождена следующей метрикой :
где { ω k } k ≥1 — семейство непустых открытых множеств, такое, что
- ω k ⊂⊂ ω k +1 , что означает, что ω k компактно включено в ω k +1 , т.е. это множество, имеющее компактное замыкание, строго включенное в множество более высокого индекса.
- ∪ k ω k = Ω .
- , k ∈ — индексированное семейство полунорм , определяемое как
В работах (Gilbarg & Trudinger 2001, стр. 147), (Maz'ya & Poborchi 1997, стр. 5), (Maz'ja 1985, стр. 6) и (Maz'ya 2011, стр. 2) эта теорема сформулирована, но не доказана на формальной основе: [15] полное доказательство более общего результата, включающего ее, можно найти в (Meise & Vogt 1997, стр. 40).
Лпявляется подпространствомЛ1,местоположениедля всехп≥ 1
Теорема 2. Каждая функция f, принадлежащая L p (Ω) , 1 ≤ p ≤ +∞ , где Ω — открытое подмножество , локально интегрируема.
Доказательство . Случай p = 1 тривиален, поэтому в дальнейшем доказательстве предполагается, что 1 < p ≤ +∞ . Рассмотрим характеристическую функцию χ K компактного подмножества K множества Ω : тогда при p ≤ + ∞
где
Тогда для любого f, принадлежащего L p ( Ω) , по неравенству Гёльдера произведение fχ K интегрируемо , т.е. принадлежит L 1 (Ω) и
поэтому
Обратите внимание, что поскольку справедливо следующее неравенство
Теорема верна и для функций f, принадлежащих только пространству локально p -интегрируемых функций, поэтому из теоремы вытекает также следующий результат.
Следствие 1. Всякая функция из , , локально интегрируема, т.е. принадлежит .
Примечание: Если является открытым подмножеством , которое также ограничено, то имеет место стандартное включение , которое имеет смысл, учитывая указанное выше включение . Но первое из этих утверждений неверно, если не ограничено; тогда по-прежнему верно, что для любого , но не то, что . Чтобы увидеть это, обычно рассматривают функцию , которая входит в , но не входит в для любого конечного .
Л1,местоположениеэто пространство плотностей абсолютно непрерывных мер
Теорема 3. Функция f является плотностью абсолютно непрерывной меры тогда и только тогда, когда .
Доказательство этого результата набросано в (Schwartz 1998, p. 18). Перефразируя ее утверждение, эта теорема утверждает, что каждая локально интегрируемая функция определяет абсолютно непрерывную меру и наоборот, что каждая абсолютно непрерывная мера определяет локально интегрируемую функцию: это также, в рамках абстрактной теории меры, форма важной теоремы Радона–Никодима, приведенной Станиславом Саксом в его трактате. [16]
Примеры
- Постоянная функция 1, определенная на вещественной прямой, локально интегрируема, но не глобально интегрируема, поскольку вещественная прямая имеет бесконечную меру. В более общем смысле, константы , непрерывные функции [17] и интегрируемые функции локально интегрируемы. [18]
- Функция для x ∈ (0, 1) локально, но не глобально интегрируема на (0, 1). Она локально интегрируема, поскольку любое компактное множество K ⊆ (0, 1) имеет положительное расстояние от 0, и, следовательно, f ограничена на K. Этот пример подкрепляет первоначальное утверждение о том, что локально интегрируемые функции не требуют выполнения условий роста вблизи границы в ограниченных областях.
- Функция
- не является локально интегрируемой в x = 0 : она действительно локально интегрируема вблизи этой точки, поскольку ее интеграл по любому компактному множеству, не включающему ее, конечен. Формально говоря, : [19] однако, эта функция может быть расширена до распределения в целом как главное значение Коши . [20]
- Предыдущий пример поднимает вопрос: всякая ли функция, локально интегрируемая в Ω ⊊, допускает расширение на целое как распределение? Ответ отрицательный, и контрпример дает следующая функция:
- не определяет никакого распределения на . [21]
- где k 1 и k 2 — комплексные константы , является общим решением следующего элементарного нефуксова дифференциального уравнения первого порядка
- Опять же, это не определяет никакого распределения в целом , если k 1 или k 2 не равны нулю: единственным глобальным распределительным решением такого уравнения является, следовательно, нулевое распределение, и это показывает, как в этой ветви теории дифференциальных уравнений нельзя ожидать, что методы теории распределений будут иметь тот же успех, достигнутый в других ветвях той же теории, в частности, в теории линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. [22]
Приложения
Локально интегрируемые функции играют важную роль в теории распределений и встречаются в определении различных классов функций и функциональных пространств , таких как функции ограниченной вариации . Более того, они появляются в теореме Радона–Никодима, характеризуя абсолютно непрерывную часть каждой меры.
Смотрите также
Примечания
- ↑ По данным Гельфанда и Шилова (1964, с. 3).
- ^ ab См., например, (Шварц 1998, стр. 18) и (Владимиров 2002, стр. 3).
- ^ Другой небольшой вариант этого определения, выбранный Владимировым (2002, стр. 1), состоит в требовании только того, чтобы K ⋐ Ω (или, используя обозначения Гилбарга и Трудингера (2001, стр. 9), K ⊂⊂ Ω ), что означает, что K строго включено в Ω , т.е. это множество, имеющее компактное замыкание, строго включенное в данное объемлющее множество.
- ^ Понятие компактности, очевидно, должно быть определено на данном абстрактном мерном пространстве.
- ^ Этот подход был разработан, например, Кафьеро (1959, стр. 285–342) и Саксом (1937, глава I), без явного рассмотрения локально интегрируемого случая.
- ^ См., например (Strichartz 2003, стр. 12–13).
- ^ Этот подход был высоко оценен Шварцем (1998, стр. 16–17), который также отметил его полезность, однако используя Определение 1 для определения локально интегрируемых функций.
- ^ Обратите внимание, что Мазья и Шапошникова явно определяют только «локализованную» версию пространства Соболева W k , p (Ω) , тем не менее явно утверждая, что тот же метод используется для определения локализованных версий всех других банаховых пространств, используемых в цитируемой книге: в частности, L p ,loc (Ω) вводится на странице 44.
- ^ Не путать с расстоянием Хаусдорфа .
- ^ ab См., например (Владимиров 2002, с. 3) и (Мазья, Поборчи 1997, с. 4).
- ^ Как отмечалось в предыдущем разделе, именно такой подход приняли Мазья и Шапошникова (2009), не вдаваясь в элементарные детали.
- ^ Точнее, они образуют векторное подпространство L 1 ,loc (Ω) : см. следствие 1 к теореме 2 .
- ^ См., например (Владимиров 2002, с. 3), где использован каллиграфический ℒ .
- ^ См. (Gilbarg & Trudinger 2001, стр. 147), (Maz'ya & Poborchi 1997, стр. 5) для изложения этих результатов, а также краткие заметки в (Maz'ja 1985, стр. 6) и (Maz'ya 2011, стр. 2).
- ^ Гилбарг и Трудингер (2001, стр. 147) и Мазья и Поборчи (1997, стр. 5) лишь очень кратко описывают метод доказательства, тогда как в (Мазья 1985, стр. 6) и (Мазья 2011, стр. 2) он предполагается как известный результат, с которого начинается последующее развитие.
- ^ Согласно Саксу (1937, стр. 36), « Если E — множество конечной меры или, в более общем смысле, сумма последовательности множеств конечной меры ( μ ) , то для того, чтобы аддитивная функция множества ( 𝔛 ) на E была абсолютно непрерывной на E , необходимо и достаточно, чтобы эта функция множества была неопределенным интегралом некоторой интегрируемой функции точки E ». Предполагая, что ( μ ) — мера Лебега, можно считать эти два утверждения эквивалентными.
- ^ См., например (Хёрмандер 1990, стр. 37).
- ^ См. (Стрихартц 2003, стр. 12).
- ↑ См. (Шварц 1998, стр. 19).
- ^ См. (Владимиров 2002. С. 19–21).
- ^ См. (Владимиров 2002, с. 21).
- ^ Краткое обсуждение этого примера см. в (Шварц 1998, стр. 131–132).
Ссылки
- Кафьеро, Федерико (1959), Misura e integrazione , Mongrafie matematiche del Consiglio Nazionale delle Ricerche (на итальянском языке), vol. 5, Рим : Edizioni Cremonese, стр. VII+451, MR 0215954, Zbl 0171.01503«Мера и интеграция» ( так гласит английский перевод названия) — окончательная монография по теории интеграции и меры: рассмотрение предельного поведения интеграла различных видов последовательностей структур, связанных с мерой (измеримые функции, измеримые множества , меры и их комбинации) является в некоторой степени убедительным.
- Гельфанд, И.М .; Шилов, Г.Е. (1964) [1958], Обобщенные функции. Т. I: Свойства и операции, Нью-Йорк–Лондон: Academic Press , стр. xviii+423, ISBN 978-0-12-279501-5, MR 0166596, Zbl 0115.33101. Переведенная с оригинального русского издания 1958 года Евгением Салетаном, эта важная монография по теории обобщенных функций , посвященная как распределениям, так и аналитическим функционалам.
- Гилбарг, Дэвид ; Трудингер, Нил С. (2001) [1998], Эллиптические уравнения в частных производных второго порядка, Classics in Mathematics (пересмотренное 3-е издание 2-го изд.), Берлин – Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer Verlag , стр. xiv+517, ISBN 3-540-41160-7, MR 1814364, Zbl 1042.35002.
- Хёрмандер, Ларс (1990), Анализ линейных операторов в частных производных I , Grundlehren der Mathematischen Wissenschaft, vol. 256 (2-е изд.), Берлин – Гейдельберг – Нью-Йорк : Springer-Verlag , стр. xii+440, ISBN 0-387-52343-X, MR 1065136, Zbl 0712.35001(также доступно как ISBN 3-540-52343-X ).
- Мазья, Владимир Г. (1985), Пространства Соболева , Берлин – Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer-Verlag , стр. xix + 486, ISBN 3-540-13589-8, MR 0817985, Zbl 0692.46023(также доступно как ISBN 0-387-13589-8 ).
- Мазья, Владимир Георгиевич (2011) [1985], Пространства Соболева. С приложениями к эллиптическим уравнениям в частных производных. , Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften, vol. 342 (2-е исправленное и дополненное издание), Берлин – Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer Verlag , стр. xxviii + 866, ISBN 978-3-642-15563-5, MR 2777530, Zbl 1217.46002.
- Мазья, Владимир Г.; Поборчи, Сергей В. (1997), Дифференцируемые функции на плохих доменах , Сингапур–Нью-Джерси–Лондон–Гонконг: World Scientific , стр. xx+481, ISBN 981-02-2767-1, MR 1643072, Zbl 0918.46033.
- Мазья Владимир Георгиевич ; Шапошникова, Татьяна О. (2009), Теория множителей Соболева. С приложениями к дифференциальным и интегральным операторам, Grundlehren der Mathematischen Wissenschaft, vol. 337, Гейдельберг : Springer-Verlag , стр. xiii+609, ISBN. 978-3-540-69490-8, MR 2457601, Zbl 1157.46001.
- Мейс, Рейнхольд; Фогт, Дитмар (1997), Введение в функциональный анализ , Oxford Graduate Texts in Mathematics, т. 2, Оксфорд: Clarendon Press , стр. x+437, ISBN 0-19-851485-9, MR 1483073, Zbl 0924.46002.
- Сакс, Станислав (1937), Теория интеграла, Monografie Matematyczne, vol. 7 (2-е изд.), Варшава – Львов : GE Stechert & Co., стр. VI+347, JFM 63.0183.05, MR 0167578, Zbl 0017.30004. Перевод на английский язык выполнен Лоренсом Чисхолмом Янгом с двумя дополнительными примечаниями Стефана Банаха : номер Mathematical Reviews относится к изданию Dover Publications 1964 года, которое по сути является переизданием.
- Шварц, Лоран (1998) [1966], Теория распределений , Публикации Института математики Страсбургского университета (на французском языке) (Новое издание), Париж: Hermann Éditeurs, стр. xiii + 420, ISBN 2-7056-5551-4, MR 0209834, Zbl 0149.09501.
- Стрихартц, Роберт С. (2003), Руководство по теории распределений и преобразованиям Фурье (2-е печатное издание), River Edge, NJ : World Scientific Publishers , стр. x+226, ISBN 981-238-430-8, MR 2000535, Zbl 1029.46039.
- Владимиров, В.С. (2002), Методы теории обобщенных функций, Аналитические методы и специальные функции, т. 6, Лондон–Нью-Йорк: Taylor & Francis , стр. XII+353, ISBN 0-415-27356-0, MR 2012831, Zbl 1078.46029Монография по теории обобщенных функций , написанная с прицелом на их приложения к нескольким комплексным переменным и математической физике , как это принято у Автора.
Внешние ссылки
В данной статье использованы материалы из статьи «Локально интегрируемая функция» на сайте PlanetMath , которая распространяется по лицензии Creative Commons Attribution/Share-Alike License .