В комплексном анализе пространства Харди (или классы Харди ) Hp — некоторые пространства голоморфных функций на единичном круге или верхней полуплоскости . Они были представлены Фриджесом Риссом (Riesz 1923), который назвал их в честь Г.Х. Харди из-за статьи (Hardy 1915). В реальном анализе пространства Харди — это некоторые пространства распределений на вещественной прямой, которые являются (в смысле распределений) граничными значениями голоморфных функций комплексных пространств Харди и связаны с пространствами Lp функционального анализа . При 1 ≤ p < ∞ эти реальные пространства Харди H p являются определенными подмножествами L p , тогда как при p < 1 пространства L p обладают некоторыми нежелательными свойствами, и пространства Харди ведут себя гораздо лучше .
Существуют также обобщения более высокой размерности, состоящие из некоторых голоморфных функций на трубчатых областях в комплексном случае или некоторых пространств распределений на R n в вещественном случае.
Пространства Харди имеют ряд приложений в самом математическом анализе , а также в теории управления (например, методы H ∞ ) и в теории рассеяния .
Для пространств голоморфных функций на открытом единичном круге пространство Харди H 2 состоит из функций f , среднеквадратичное значение которых на окружности радиуса r остается ограниченным при r → 1 снизу.
В более общем смысле пространство Харди H p для 0 < p < ∞ — это класс голоморфных функций f на открытом единичном круге, удовлетворяющих условиям
Этот класс H p является векторным пространством. Число в левой части приведенного выше неравенства представляет собой p -норму пространства Харди для f , обозначаемую как Оно является нормой, когда p ≥ 1, но не когда 0 < p < 1.
Пространство H∞ определяется как векторное пространство ограниченных голоморфных функций на круге с нормой
При 0 < p ≤ q ≤ ∞ класс H q является подмножеством H p , и H p -норма увеличивается с p (следствием неравенства Гёльдера является то, что L p -норма увеличивается для вероятностных мер , т.е. меры с общей массой 1).
Пространства Харди, определенные в предыдущем разделе, также можно рассматривать как некоторые замкнутые векторные подпространства комплексных пространств L p на единичной окружности. Эту связь обеспечивает следующая теорема (Кацнельсон, 1976, теорема 3.8): Для любого f ∈ H p и p ≥ 1 радиальный предел
существует почти для любого θ. Функция принадлежит пространству Lp для единичного круга, [ необходимы пояснения ] , и это
Обозначая единичную окружность через T и через H p ( T ) векторное подпространство L p ( T ), состоящее из всех предельных функций , когда f меняется в H p , тогда получается то же самое для p ≥ 1 (Кацнельсон 1976)
где ĝ ( n ) — коэффициенты Фурье функции g , интегрируемой на единичной окружности,
Пространство H p ( T ) является замкнутым подпространством L p ( T ). Поскольку L p ( T ) является банаховым пространством (при 1 ⩽ p ⩽ ∞), то же самое и H p ( T ).
Вышеописанное можно изменить. Учитывая функцию с p ≥ 1, можно восстановить ( гармоническую ) функцию f на единичном круге с помощью ядра Пуассона P r :
и f принадлежит H p ровно тогда, когда находится в H p ( T ). Предположим, что он находится в H p ( T ), т. е . имеет коэффициенты Фурье ( an ) n ∈ Z с n = 0 для каждого n < 0, тогда элемент f пространства Харди H p , связанный с ним, является голоморфной функцией
В приложениях функции с исчезающими отрицательными коэффициентами Фурье обычно интерпретируются как причинные решения. [ необходимы разъяснения ] Таким образом, пространство H 2 естественным образом находится внутри пространства L 2 и представлено бесконечными последовательностями , индексированными N ; тогда как L 2 состоит из бибесконечных последовательностей, индексированных Z .
Когда 1 ≤ p < ∞, вещественные пространства Харди H p , обсуждаемые далее [ необходимы пояснения ] в этой статье, легко описать в данном контексте. Действительная функция f на единичной окружности принадлежит реальному пространству Харди H p ( T ), если она является вещественной частью функции из H p ( T ), а комплексная функция f принадлежит реальному пространству Харди тогда и только тогда, когда Re( f ) и Im( f ) принадлежат пространству (см. раздел о реальных пространствах Харди ниже). Таким образом, при 1 ≤ p < ∞ реальное пространство Харди содержит пространство Харди, но оно намного больше, поскольку между действительной и мнимой частью функции не устанавливается никакой связи.
При 0 < p < 1 такие инструменты, как коэффициенты Фурье, интеграл Пуассона, сопряженная функция, перестают действовать. Например, рассмотрим функцию
Тогда F находится в H p для любого 0 < p < 1 и радиальный предел
существует для п.в. θ и находится в Hp ( T ), но Re( f ) почти всюду равно 0, поэтому восстановить F из Re( f ) уже невозможно . Как следствие этого примера, видно, что для 0 < p < 1 невозможно охарактеризовать реальный H p ( T ) (определенный ниже) простым способом, приведенным выше, [ необходимы пояснения ] , но необходимо использовать фактическое определение, используя максимальные функции, которые приведены где-то ниже.
Для той же функции F пусть f r (e iθ ) = F ( re iθ ). Предел Re( f r ) при r → 1 в смысле распределений на окружности является ненулевым кратным распределению Дирака при z = 1. Распределение Дирака в точке единичного круга принадлежит вещественному - H p ( T ) для каждого p < 1 (см. ниже).
Для 0 < p ≤ ∞ каждую ненулевую функцию f из H p можно записать как произведение f = Gh , где G — внешняя функция , а h — внутренняя функция , как определено ниже (Рудин 1987, теорема 17.17). Эта « факторизация Берлинга » позволяет полностью охарактеризовать пространство Харди пространствами внутренних и внешних функций. [1] [2]
Говорят, что G ( z ) [ необходимы пояснения ] является внешней (внешней) функцией , если она принимает вид
для некоторого комплексного числа c с | с | = 1, и некоторую положительную измеримую функцию на единичной окружности, интегрируемую на ней. В частности, когда G интегрируема на окружности, G находится в H 1 , поскольку вышеизложенное принимает форму ядра Пуассона (Рудин 1987, теорема 17.16). Это означает, что
почти для каждого θ.
Говорят, что h — внутренняя (внутренняя) функция тогда и только тогда, когда | ч | ≤ 1 на единичном круге и предел
существует почти для всех θ и его модуль равен 1 п.в. В частности, h находится в H ∞ . [ необходимы разъяснения ] Внутреннюю функцию можно дополнительно преобразовать в форму, включающую произведение Бляшке .
Функция f , разложенная как f = Gh , [ необходимы пояснения ] находится в H p тогда и только тогда, когда φ принадлежит L p ( T ) , где φ — положительная функция в представлении внешней функции G.
Пусть G — внешняя функция, представленная, как указано выше, из функции φ на окружности. Заменяя φ на φα , α > 0, получается семейство ( Gα ) внешних функций со свойствами:
Отсюда следует, что всякий раз, когда 0 < p , q , r < ∞ и 1/ r = 1/ p + 1/ q , каждая функция f в H r может быть выражена как произведение функции из H p и функции из H q . . Например: каждая функция из H 1 является произведением двух функций из H 2 ; каждая функция из H p , p < 1, может быть выражена как произведение нескольких функций из некоторого H q , q > 1.
Методы действительных переменных, в основном связанные с изучением вещественных пространств Харди , определенных на R n (см. ниже), также используются в более простой структуре круга. Обычной практикой является учет сложных функций (или распределений) в этих «реальных» пространствах. Следующее определение не делает различия между реальным и сложным случаем.
Обозначим через P r ядро Пуассона на единичной окружности T . Для распределения f на единичной окружности положим
где звездочка указывает на свертку между распределением f и функцией e iθ → P r (θ) на окружности. А именно, ( f ∗ P r )(e iθ ) является результатом действия f на C ∞ -функцию, определенную на единичной окружности формулой
При 0 < p < ∞ вещественное пространство Харди H p ( T ) состоит из распределений f таких, что M f находится в L p ( T ).
Функция F , определенная на единичном круге формулой F ( re iθ ) = ( f ∗ P r )(e iθ ), является гармонической, а M f — радиальная максимальная функция F . Когда M f принадлежит L p ( T ) и p ≥ 1, распределение f « является » функцией в L p ( T ), а именно граничным значением F . Для p ≥ 1 вещественное пространство Харди H p ( T ) является подмножеством L p ( T ).
Каждому действительному тригонометрическому многочлену u на единичном круге сопоставляется действительный сопряженный многочлен v такой, что u + i v продолжается до голоморфной функции в единичном круге:
Это отображение u → v продолжается до ограниченного линейного оператора H на L p ( T ), когда 1 < p < ∞ (с точностью до скалярного кратного это преобразование Гильберта на единичной окружности), а H также отображает L 1 ( T ) до слабого L 1 ( T ) . Когда 1 ≤ p < ∞, следующие условия эквивалентны для вещественнозначной интегрируемой функции f на единичной окружности:
Когда 1 < p < ∞, H(f) принадлежит L p ( T ), когда f ∈ L p ( T ), следовательно, вещественное пространство Харди H p ( T ) совпадает с L p ( T ) в этом случае. При p = 1 вещественное пространство Харди H 1 ( T ) является собственным подпространством L 1 ( T ).
Случай p = ∞ был исключен из определения вещественных пространств Харди, поскольку максимальная функция M f функции L ∞ всегда ограничена и потому что нежелательно, чтобы real- H ∞ была равна L ∞ . Однако два следующих свойства эквивалентны для вещественнозначной функции f
При 0 < p < 1 функция F из H p не может быть восстановлена по вещественной части ее граничной предельной функции на окружности из-за отсутствия выпуклости L p в этом случае. Выпуклость терпит неудачу, но остается своего рода « комплексная выпуклость », а именно тот факт, что z → | г | q является субгармоническим для любого q > 0. Как следствие, если
находится в H p , можно показать, что c n = O( n 1/ p –1 ). Отсюда следует, что ряд Фурье
сходится в смысле распределений к распределению f на единичной окружности и F ( re iθ ) = ( f ∗ P r )(θ). Функция F ∈ H p может быть восстановлена по вещественному распределению Re( f ) на окружности, поскольку коэффициенты Тейлора c n функции F можно вычислить из коэффициентов Фурье функции Re( f ).
Распределения на окружности достаточно общие для работы с пространствами Харди, когда p < 1. Распределения, которые не являются функциями, встречаются, как это видно на примере функций F ( z ) = (1 − z ) − N (для | z | < 1), которые принадлежат H p , когда 0 < N p < 1 (и N целое число ≥ 1).
Вещественное распределение на окружности принадлежит вещественному H p ( T ) тогда и только тогда, когда оно является граничным значением вещественной части некоторого F ∈ H p . Распределение Дирака δ x в любой точке x единичного круга принадлежит вещественному H p ( T ) для каждого p < 1; производные δ′ x принадлежат, когда p < 1/2, вторые производные δ′′ x, когда p < 1/3, и так далее.
Можно определить пространства Харди в других областях, кроме диска, и во многих приложениях используются пространства Харди на комплексной полуплоскости (обычно правой полуплоскости или верхней полуплоскости).
Пространство Харди H p ( H ) в верхней полуплоскости H определяется как пространство голоморфных функций f на H с ограниченной нормой, норма задается формулой
Соответствующий H ∞ ( H ) определяется как функция ограниченной нормы с нормой, заданной выражением
Хотя единичный круг D и верхняя полуплоскость H могут быть отображены друг в друга с помощью преобразований Мёбиуса , они не являются взаимозаменяемыми [ необходимы пояснения ] как области для пространств Харди. Этому различию способствует тот факт, что единичная окружность имеет конечную (одномерную) меру Лебега , а действительная линия - нет. Однако для H 2 справедлива следующая теорема: если m : D → H обозначает преобразование Мёбиуса
Тогда линейный оператор M : H 2 ( H ) → H 2 ( D ), определенный формулой
является изометрическим изоморфизмом гильбертовых пространств.
При анализе вещественного векторного пространства R n пространство Харди H p (при 0 < p ≤ ∞) состоит из умеренных распределений f таких, что для некоторой функции Шварца Φ с ∫Φ = 1 максимальная функция
находится в L p ( R n ), где * - свертка и Φ t ( x ) знак равно t - n Φ( x / t ) . H p - квазинорма || _ ж || Hp распределения f из H p определяется как L p норма M Φ f (это зависит от выбора Φ, но другой выбор функций Шварца Φ дает эквивалентные нормы). H p -квазинорма является нормой, когда p ≥ 1, но не когда p < 1.
Если 1 < p < ∞, пространство Харди H p является тем же векторным пространством, что и L p , с эквивалентной нормой. Когда p = 1, пространство Харди H 1 является собственным подпространством L 1 . В H1 можно найти последовательности , ограниченные в L1 , но неограниченные в H1 , например, на прямой
Нормы L1 и H1 не эквивалентны на H1 , и H1 не замкнута в L1 . Двойственным к H 1 является пространство BMO функций ограниченного среднего колебания . Пространство BMO содержит неограниченные функции (еще раз доказывая, что H 1 не замкнуто в L 1 ).
Если p < 1, то пространство Харди H p содержит элементы, не являющиеся функциями, а его двойственным является однородное липшицево пространство порядка n (1/ p − 1). При p < 1 H p -квазинорма не является нормой, так как не является субаддитивной. p - я степень || ж || Hp p является субаддитивным для p < 1 и, таким образом, определяет метрику в пространстве Харди H p , которая определяет топологию и превращает H p в полное метрическое пространство.
При 0 < p ≤ 1 ограниченная измеримая функция f с компактным носителем находится в пространстве Харди H p тогда и только тогда, когда все ее моменты
порядок которых i 1 + ... + i n не превосходит n (1/ p − 1), равны нулю. Например, интеграл от f должен обращаться в нуль, чтобы f ∈ H p , 0 < p ≤ 1, и пока p > n /( n +1), этого также достаточно.
Если, кроме того, f имеет носитель в некотором шаре B и ограничена | Б | −1/ p , то f называется H p -атомом (здесь | B | обозначает евклидов объем B в R n ). H p -квазинорма произвольного H p -атома ограничена константой, зависящей только от p и функции Шварца Φ .
Когда 0 < p ≤ 1, любой элемент f из H p имеет атомное разложение как сходящаяся бесконечная комбинация H p -атомов,
где a j — атомы H p, а c j — скаляры .
На прямой, например, разность распределений Дирака f = δ 1 −δ 0 можно представить как ряд функций Хаара , сходящийся в H p -квазинорме при 1/2 < p < 1 (на окружности соответствующее представление справедливо для 0 < p < 1, но на прямой функции Хаара не принадлежат H p , когда p ≠ 1/2, поскольку их максимальная функция эквивалентна на бесконечности a x −2 для некоторого a ≠ 0).
Пусть ( M n ) n ≥0 — мартингал в некотором вероятностном пространстве (Ω, Σ, P ) относительно возрастающей последовательности σ-полей (Σ n ) n ≥0 . Предположим для простоты, что Σ равно σ-полю, порожденному последовательностью (Σ n ) n ≥0 . Максимальная функция мартингала определяется выражением
Пусть 1 ⩽ p < ∞. Мартингал ( Mn ) n≥0 принадлежит мартингалу -Hp , когда M * ∈ Lp . _ _
Если M* ∈ Lp , мартингал ( Mn ) n ≥0 ограничен в Lp ; следовательно, он почти наверняка сходится к некоторой функции f по теореме о мартингальной сходимости . Более того , Mn сходится к f в Lp - норме по теореме о доминируемой сходимости ; следовательно, M n можно выразить как условное ожидание f на Σ n . Таким образом, можно отождествить мартингал- Hp с подпространством Lp ( Ω, Σ, P ), состоящим из таких f , что мартингал
принадлежит мартингалу - Hp .
Из максимального неравенства Дуба следует, что мартингал- H p совпадает с L p (Ω, Σ, P ), когда 1 < p < ∞. Интересное пространство — мартингал- H1 , двойственным которому является мартингал-BMO (Garsia 1973).
Неравенства Беркхолдера–Ганди (когда p > 1) и неравенство Бёрджесса-Дэвиса (когда p = 1) связывают L p -норму максимальной функции с нормой квадратной функции мартингала
Мартингейл- H p можно определить, сказав, что S ( f ) ∈ L p (Garsia 1973).
Также можно рассмотреть мартингалы с непрерывным параметром времени. Прямая связь с классической теорией получается через комплексное броуновское движение ( B t ) в комплексной плоскости, начиная с точки z = 0 в момент времени t = 0. Пусть τ обозначает время попадания в единичную окружность. Для каждой голоморфной функции F в единичном круге
является мартингалом, принадлежащим мартингалу- H p тогда и только тогда , когда F ∈ H p (Буркхолдер, Ганди и Сильверстайн, 1971).
В этом примере Ω = [0, 1] и Σ n — конечное поле, порожденное двоичным разбиением [0, 1] на 2 n интервалов длины 2 − n для каждого n ≥ 0. Если функция f на [0, 1] представлено его разложением по системе Хаара ( h k )
тогда норма мартингала H 1 функции f может быть определена нормой L 1 квадратичной функции
Это пространство, иногда обозначаемое H 1 (δ), изоморфно классическому вещественному пространству H 1 на окружности (Müller 2005). Система Хаара является безусловным базисом для H 1 (δ).