stringtranslate.com

Локально интегрируемая функция

В математике локально интегрируемая функция ( иногда также называемая локально суммируемой функцией ) [1] — это функция , которая интегрируема (поэтому ее интеграл конечен) на каждом компактном подмножестве своей области определения . Важность таких функций заключается в том, что их функциональное пространство аналогично пространствам Lp , но его члены не обязаны удовлетворять каким-либо ограничениям роста их поведения на границе их области (на бесконечности , если область неограничена): другими словами, локально интегрируемые функции могут расти сколь угодно быстро на границе области, 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 и f  : Ω → — измеримая по Лебегу функция . Если f на Ω такова, что

т. е. его интеграл Лебега конечен на всех компактных подмножествах K в Ω , [3] тогда f называется локально интегрируемым . Множество всех таких функций обозначается L 1,loc (Ω) :

где обозначает ограничение f на множество K .

Классическое определение локально интегрируемой функции включает только теоретико-мерные и топологические [4] понятия и может быть перенесено на абстрактные комплекснозначные функции в топологическом пространстве с мерой ( X , Σ, µ ) : [5] однако, поскольку большинство Обычно такие функции применяются в теории распределения в евклидовых пространствах, [2] все определения в этом и последующих разделах явно относятся только к этому важному случаю.

Альтернативное определение

Определение 2 . [6] Пусть Ω — открытое множество в евклидовом пространстве . Тогда функция f  : Ω → такая, что

для каждой пробной функции φC 
в
 
(Ω)
называется локально интегрируемой , а множество таких функций обозначается L 1,loc (Ω) . Здесь С 
в
 
(Ω)
обозначает множество всех бесконечно дифференцируемых функций φ  : Ω → с компактным носителем , содержащимся в Ω .

Это определение имеет свои корни в подходе к теории меры и интегрирования, основанном на концепции непрерывного линейного функционала в топологическом векторном пространстве , разработанном школой Николя Бурбаки : [7] оно также принято Стрихарцем (2003) и Мазья, Шапошникова (2009, с. 34). [8] Это определение «теории распределения» эквивалентно стандартному, как доказывает следующая лемма:

Лемма 1 . Данная функция f  : Ω → локально интегрируема согласно определению 1 тогда и только тогда, когда она локально интегрируема согласно определению 2 , т.е.

ДоказательстваЛемма 1

Если часть : Пусть φC 
в
 
(Ω)
— пробная функция. Он ограничен своей верхней 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 пробную функцию φ KC 
в
 
(Ω)
, которая мажорирует индикаторную функцию χ K группы K . Обычное установленное расстояние [9] между K и границей ∂Ω строго больше нуля, т.е.

следовательно, можно выбрать действительное число δ такое, что ∆ > 2 δ > 0 (если ∂Ω — пустое множество, возьмем ∆ = ∞ ). Пусть K δ и K 2 δ обозначают замкнутую δ -окрестность и 2 δ -окрестность точки K соответственно. Они также компактны и удовлетворяют

Теперь используйте свертку , чтобы определить функцию φ K  : Ω → по формуле

где φδмягчитель , построенный с использованием стандартного положительно-симметричного мягчителя . Очевидно, φ K неотрицательна в том смысле, что φ K ≥ 0 , бесконечно дифференцируема и ее носитель содержится в K 2 δ , в частности, это пробная функция. Поскольку φ K ( x ) = 1 для всех xK , мы имеем χ Kφ K .

Пусть f — локально интегрируемая функция согласно определению 2 . Затем

Поскольку это справедливо для любого компактного подмножества K в Ω , функция f локально интегрируема согласно определению 1 . □

Обобщение: локальноп-интегрируемые функции

Определение 3 . [10] Пусть Ω — открытое множество в евклидовом пространстве и f  : Ω → — измеримая по Лебегу функция. Если для данного p с 1 ≤ p ≤ +∞ , f удовлетворяет условию

т . е. оно принадлежит Lp ( K ) для всех компактных подмножеств K в Ω , то f называется локально p - интегрируемым или также p - локально интегрируемым . [10] Множество всех таких функций обозначается L p ,loc (Ω) :

Альтернативное определение, полностью аналогичное тому, которое дано для локально интегрируемых функций, может быть дано и для локально p -интегрируемых функций: оно также может быть и доказано эквивалентным определению, данному в этом разделе. [11] Несмотря на кажущуюся более высокую общность, локально p -интегрируемые функции образуют подмножество локально интегрируемых функций для каждого p такого, что 1 < p ≤ +∞ . [12]

Обозначения

Помимо различных глифов , которые можно использовать для обозначения заглавной буквы «L», [13] существует несколько вариантов обозначения множества локально интегрируемых функций.

Характеристики

лп , локявляется полным метрическим пространством для всехп≥ 1

Теорема 1 . [14] L p ,locполное метризуемое пространство : его топология может быть порождена следующей метрикой :

где { ω k } k ≥1 — семейство непустых открытых множеств такое, что

В ссылках (Гилбарг, Трудингер 2001, стр. 147), (Мазья, Поборчи 1997, стр. 5), (Мазья 1985, стр. 6) и (Мазья 2011, стр. 2) эта теорема сформулировано, но не доказано на формальной основе: [15] полное доказательство более общего результата, включающего его, можно найти в (Meise & Vogt 1997, стр. 40).

лпявляется подпространствомл1, местодля всехп≥ 1

Теорема 2 . Любая функция f, принадлежащая L p (Ω) , 1 ⩽ p ⩽ +∞ , где Ωоткрытое подмножество в , локально интегрируема.

Доказательство . Случай p = 1 тривиален, поэтому в дальнейшем доказательстве предполагается, что 1 < p ⩽ +∞ . Рассмотрим характеристическую функцию χ K компактного подмножества K в Ω : тогда для p ⩽ +

где

Тогда для любого f , принадлежащего L p (Ω) по неравенству Гёльдера произведение K интегрируемо , т. е. принадлежит L 1 (Ω) и

поэтому

Заметим, что поскольку верно следующее неравенство

теорема справедлива и для функций f, принадлежащих только пространству локально p -интегрируемых функций, поэтому из теоремы следует также следующий результат.

Следствие 1 . Каждая функция из , локально интегрируема, т. е. принадлежит .

Примечание. Если — открытое подмножество , которое также ограничено, то оно имеет стандартное включение , которое имеет смысл с учетом вышеуказанного включения . Но первое из этих утверждений неверно, если оно не ограничено; тогда еще верно, что для любого , но не для этого . Чтобы убедиться в этом, обычно рассматривают функцию , которая входит в число, но не входит в число для любого конечного числа .

л1, место— пространство плотностей абсолютно непрерывных мер

Теорема 3 . Функция f является плотностью абсолютно непрерывной меры тогда и только тогда , когда .

Доказательство этого результата схематично представлено (Шварц 1998, стр. 18). Перефразируя свое 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 данное Станиславом Саксом в его трактате. [16]

Примеры

не локально интегрируемо в x = 0 : оно действительно локально интегрируемо вблизи этой точки, поскольку его интеграл по каждому компакту, не включающему его, конечен. Формально говоря : [19] однако эта функция может быть распространена на распределение 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, оно не определяет никакого распределения в целом , если k 1 или k 2 не равны нулю: единственным глобальным решением такого уравнения с распределением, следовательно, является нулевое распределение, и это показывает, как в этой отрасли теории дифференциальных уравнений Нельзя ожидать, что методы теории распределений будут иметь такие же успехи, достигнутые в других разделах той же теории, особенно в теории линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. [22]

Приложения

Локально интегрируемые функции играют видную роль в теории распределений и встречаются в определении различных классов функций и функциональных пространств , например функций 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, стр. 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 том, чтобы требовать 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. ^ Очевидно, понятие компактности должно быть определено на данном абстрактном пространстве с мерой.
  5. ^ Это подход, разработанный, например, Кафьеро (1959, стр. 285–342) и Саксом (1937, глава I), без явного рассмотрения локально интегрируемого случая.
  6. ^ См., например (Стрихарц 2003, стр. 12–13).
  7. ^ Этот подход получил высокую оценку Шварца (1998, стр. 16–17), который также отметил его полезность, однако использовал определение 1 для определения локально интегрируемых функций.
  8. ^ Следует отметить, 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 цитируемая книга: в частности, L p ,loc (Ω) введен на стр. 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 принят Мазья и Шапошниковой (2009), не развивая элементарных деталей.
  12. ^ Точнее, они образуют векторное подпространство в L 1,loc (Ω) : см. следствие 1 к теореме 2 .
  13. ^ См., например (Владимиров 2002, стр. 3), где используется каллиграфический знак ℒ .
  14. ^ Изложение этих результатов см. (Gilbarg & Trudinger 2001, стр. 147), (Maz'ya & Poborchi 1997, стр. 5), а также краткие примечания в (Maz'ja 1985, стр. 6) и ( Мазья 2011, с.2).
  15. ^ Гилбарг и Трудингер (2001, стр. 147) и Мазья и Поборчи (1997, стр. 5) лишь очень кратко обрисовывают метод доказательства, тогда как в (Мазья 1985, стр. 6) и (Мазья 2011, с. 2) предполагается как известный результат, от которого начинается последующая разработка.
  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 множество ( 𝔛 ) на E абсолютно непрерывно на E , необходимо и достаточно, чтобы эта функция множества была неопределенным интегралом некоторой интегрируемой функции точки из E ". Предполагая, что ( ) является мерой Лебега, можно считать, что эти два утверждения эквивалентны.
  17. ^ См., например (Хёрмандер 1990, стр. 37).
  18. ^ См. (Стрихарц 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. (Шварц 1998, стр. 131–132).

Рекомендации

Внешние ссылки

Эта статья включает в себя материал из локально интегрируемой функции PlanetMath , которая лицензируется по лицензии Creative Commons Attribution/Share-Alike .