stringtranslate.com

Локально интегрируемая функция

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 Ωоткрытое 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 φC 
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 φC 
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 KC 
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 δсмягчитель, 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 xK , мы имеем, что χ Kφ 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

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

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 Ωоткрытое 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 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

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]
не определяет никакого распределения на . [21]
где k 1 и k 2комплексные 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

  1. По данным Гельфанда и Шилова (1964, с. 3).
  2. ^ ab См., например, (Шварц 1998, стр. 18) и (Владимиров 2002, стр. 3).
  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.
  4. ^ Понятие компактности, очевидно, должно быть определено на данном абстрактном мерном пространстве.
  5. ^ Этот подход был разработан, например, Кафьеро (1959, стр. 285–342) и Саксом (1937, глава I), без явного рассмотрения локально интегрируемого случая.
  6. ^ См., например (Strichartz 2003, стр. 12–13).
  7. ^ Этот подход был высоко оценен Шварцем (1998, стр. 16–17), который также отметил его полезность, однако используя Определение 1 для определения локально интегрируемых функций.
  8. ^ 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.
  9. ^ Не путать с расстоянием Хаусдорфа .
  10. ^ ab См., например (Владимиров 2002, с. 3) и (Мазья, Поборчи 1997, с. 4).
  11. ^ Как отмечалось в предыдущем разделе, именно такой подход приняли Мазья и Шапошникова (2009), не вдаваясь в элементарные детали.
  12. ^ Точнее, они образуют векторное подпространство L 1 ,loc (Ω) : см. следствие 1 к теореме 2 .
  13. ^ См., например (Владимиров 2002, с. 3), где использован каллиграфический ℒ .
  14. ^ 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).
  15. ^ 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.
  16. ^ 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.
  17. ^ См., например (Хёрмандер 1990, стр. 37).
  18. ^ См. (Стрихартц 2003, стр. 12).
  19. См. (Шварц 1998, стр. 19).
  20. ^ См. (Владимиров 2002. С. 19–21).
  21. ^ См. (Владимиров 2002, с. 21).
  22. ^ Краткое обсуждение этого примера см. в (Шварц 1998, стр. 131–132).

Ссылки

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 .