Hardy prostor - Hardy space
v komplexní analýza, Odolné prostory (nebo Hardy třídy) Hp jsou si jistí mezery z holomorfní funkce na jednotka disku nebo horní polovina roviny. Byli představeni Frigyes Riesz (Riesz 1923 ), který je pojmenoval G. H. Hardy, kvůli papíru (Hardy 1915 ). v skutečná analýza Odolné prostory jsou určité prostory distribuce na reálné linii, což jsou (ve smyslu distribucí) hraniční hodnoty holomorfních funkcí komplex Hardy mezery, a jsou spojeny s Lp mezery z funkční analýza. Pro 1 ≤p ≤ ∞ tyto skutečné otužilé prostory Hp jsou si jistí podmnožiny z Lp, zatímco pro p <1 Lp prostory mají některé nežádoucí vlastnosti a Hardyho prostory se chovají mnohem lépe.
Existují také vyšší dimenzionální zobecnění, skládající se z určitých holomorfních funkcí trubkové domény v komplexním případě nebo v určitých distribučních prostorech Rn ve skutečném případě.
Hardy prostory mají řadu aplikací v matematická analýza sám, stejně jako v teorie řízení (jako H∞ metody ) a v teorie rozptylu.
Hardy mezery pro disk jednotky
Pro prostory holomorfní funkce na otevřeném prostranství jednotka disku, Hardyho prostor H2 se skládá z funkcí F jehož střední čtvercová hodnota na kruhu o poloměru r zůstává ohraničen jako r → 1 zespodu.
Obecněji, Hardyho prostor Hp pro 0 < p <∞ je třída holomorfních funkcí F na disku otevřené jednotky vyhovující
Tato třída Hp je vektorový prostor. Číslo na levé straně výše uvedené nerovnosti je Hardyho prostor p-norm pro F, označeno Je normou, když p ≥ 1, ale ne, když 0 < p < 1.
Prostor H∞ je definován jako vektorový prostor omezených holomorfních funkcí na disku s normou
Pro 0
Hq je podmnožina z Hpa Hp-norm se zvyšuje s p (je to důsledek Hölderova nerovnost že Lp-norm se zvyšuje pro pravděpodobnostní opatření, tj. opatření s celkovou hmotností 1).
Hardy mezery na jednotkovém kruhu
Hardyho prostory definované v předchozí části lze také zobrazit jako určité uzavřené vektorové podprostory komplexu Lp mezery na jednotkovém kruhu. Toto připojení poskytuje následující věta (Katznelson 1976, Thm 3.8): Dáno F ∈ Hp, s p ≥ 0,[je zapotřebí objasnění ] radiální limit
existuje téměř pro každé θ. Funkce patří do Lp prostor pro kruh jednotek,[je zapotřebí objasnění ] a jeden to má
Označíme kruh jednotky pomocí T, a tím Hp(T) vektorový podprostor Lp(T) skládající se ze všech limitních funkcí , když F se liší Hp, jeden to má za p ≥ 1,(Katznelson 1976 )
Kde G(n) jsou Fourierovy koeficienty funkce G integrovatelný na jednotkový kruh,
Prostor Hp(T) je uzavřený podprostor Lp(T). Od té doby Lp(T) je Banachův prostor (pro 1 ≤ p ≤ ∞), tak je Hp(T).
Výše uvedené lze otočit. Vzhledem k funkci ∈ Lp(T), s p ≥ 1, lze znovu získat (harmonický ) funkce F na disku jednotky pomocí Poissonovo jádro Pr:
a F patří Hp přesně kdy je v Hp(T). Předpokládám to je v Hp(T), tj. že má Fourierovy koeficienty (An)n∈Z s An = 0 pro každého n <0, pak prvek F Hardyho prostoru Hp spojené s je holomorfní funkce
V aplikacích jsou tyto funkce s mizejícími zápornými Fourierovými koeficienty běžně interpretovány jako kauzální řešení.[je zapotřebí objasnění ] Tedy prostor H2 je vidět, že přirozeně sedí uvnitř L2 prostor, a je reprezentován nekonečné sekvence indexováno podle N; zatímco L2 skládá se z b-nekonečné sekvence indexováno podle Z.
Připojení ke skutečným vytrvalým prostorům v kruhu
Když 1 ≤ p <∞, skutečné vytrvalé prostory Hp diskutováno dále dolů[je zapotřebí objasnění ] v tomto článku lze snadno popsat v současném kontextu. Skutečná funkce F na jednotkovém kruhu patří do skutečného Hardyho prostoru Hp(T) pokud je skutečnou součástí funkce v Hp(T) a komplexní funkce F patří do skutečného Hardyho prostoru, pokud Re (F) a já jsem(F) patří do prostoru (viz část o skutečných Hardyho prostorech níže). Tedy pro 1 ≤ p <∞, skutečný Hardyho prostor obsahuje Hardyho prostor, ale je mnohem větší, protože mezi skutečnou a imaginární částí funkce není uložen žádný vztah.
Pro 0 < p <1, takové nástroje jako Fourierovy koeficienty, Poissonův integrál, konjugovaná funkce, již nejsou platné. Zvažte například funkci
Pak F je v Hp za každých 0 < p <1 a radiální limit
existuje pro a.e. θ a je v Hp(T), ale Re (F) je 0 téměř všude, takže již není možné se zotavit F od Re (F). Důsledkem tohoto příkladu je, že pro 0 < p <1, nelze charakterizovat skutečnéHp(T) (definováno níže) jednoduchým způsobem uvedeným výše,[je zapotřebí objasnění ] ale musí použít skutečnou definici s použitím maximálních funkcí, které jsou uvedeny dále někde níže.
Pro stejnou funkci F, nechť Fr(Eiθ) = F(reiθ). Limit, kdy r → 1 z Re (Fr), ve smyslu distribuce na kružnici je nenulovým násobkem Diracova distribuce na z = 1. Diracova distribuce v bodě jednotkové kružnice patří do reálnéhoHp(T) pro každého p <1 (viz níže).
Faktorizace do vnitřních a vnějších funkcí (Beurling)
Pro 0 <p ≤ ∞, každá nenulová funkce F v Hp lze napsat jako produkt F = Gh kde G je vnější funkce a h je vnitřní funkce, jak je definováno níže (Rudin 1987, Thm 17,17). Tento "Beurling faktorizace “umožňuje Hardyho prostor zcela charakterizovat prostorem vnitřních a vnějších funkcí.[1][2]
Jeden to říká G(z)[je zapotřebí objasnění ] je vnější (vnější) funkce pokud má formu
pro nějaké komplexní číslo C s |C| = 1, a některé pozitivní měřitelné funkce na kruhu jednotky tak, že je integrovatelný do kruhu. Zejména když je integrovatelný do kruhu, G je v H1 protože výše uvedené má podobu Poissonovo jádro (Rudin 1987, Thm 17,16). To z toho vyplývá
téměř pro každé θ.
Jeden to říká h je vnitřní (vnitřní) funkce jen a jen pokud |h| ≤ 1 na disku jednotky a limit
existuje pro téměř všechny θ a jeho modul se rovná 1 a.e. Zejména, h je v H∞.[je zapotřebí objasnění ] Vnitřní funkci lze dále zapracovat do formy zahrnující a Produkt Blaschke.
Funkce F, rozloženo jako F = Gh,[je zapotřebí objasnění ] je v Hp právě když φ patří Lp(T), kde φ je pozitivní funkce v reprezentaci vnější funkce G.
Nechat G být vnější funkcí znázorněnou výše z funkce φ na kružnici. Výměna φ za φα, α> 0, rodina (Gα) vnějších funkcí se získá s vlastnostmi:
- G1 = G, Gα + β = Gα Gβ a |Gα| = |G|α téměř všude v kruhu.
Z toho vyplývá, že kdykoli 0 < p, q, r <∞ a 1 /r = 1/p + 1/q, každá funkce F v Hr lze vyjádřit jako součin funkce v Hp a funkce v Hq. Například: každá funkce v H1 je produktem dvou funkcí v H2; každá funkce v Hp, p <1, lze v některých vyjádřit jako produkt několika funkcí Hq, q > 1.
Skutečné proměnné techniky na jednotkovém kruhu
Skutečné proměnné techniky, hlavně spojené se studiem skutečné vytrvalé prostory definováno dne Rn (viz níže), se také používají v jednodušším rámci kruhu. Je běžnou praxí počítat s komplexními funkcemi (nebo distribucemi) v těchto „skutečných“ prostorech. Následující definice nerozlišuje mezi skutečným nebo složitým případem.
Nechat Pr označte Poissonovo jádro na jednotkovém kruhu T. Pro distribuci F na jednotkovém kruhu, nastavte
Kde hvězda označuje konvoluci mezi distribucí F a funkce eiθ → Pr(θ) na kružnici. Jmenovitě, (F ∗ Pr)(Eiθ) je výsledkem akce F na C∞-funkce definovaná na kruhu jednotky znakem
Pro 0 < p <∞, skutečný vytrvalý prostor Hp(T) se skládá z distribucí F takhle M f je v Lp(T).
Funkce F definováno na disku jednotky pomocí F(reiθ) = (F ∗ Pr)(Eiθ) je harmonický a M f je radiální maximální funkce z F. Když M f patří Lp(T) a p ≥ 1, distribuce F "je"funkce v Lp(T), jmenovitě hraniční hodnota F. Pro p ≥ 1, skutečný vytrvalý prostor Hp(T) je podmnožinou Lp(T).
Funkce konjugátu
Ke každému skutečnému trigonometrickému polynomu u na jednotkovém kruhu jeden spojuje skutečný konjugovaný polynom proti takhle u + iproti rozšiřuje se na holomorfní funkci v jednotkovém disku,
Toto mapování u → proti rozšiřuje na ohraničený lineární operátor H na Lp(T), když 1 < p <∞ (až do skalárního násobku je to Hilbertova transformace na jednotkovém kruhu) a H také mapy L1(T) až slabý-L1(T). Když 1 ≤ p <∞, následující jsou ekvivalentní pro a skutečná hodnota integrovatelná funkce F v kruhu jednotky:
- funkce F je skutečnou součástí nějaké funkce G ∈ Hp(T)
- funkce F a jeho konjugát H (f) patřit k Lp(T)
- radiální maximální funkce M f patří Lp(T).
Když 1 < p < ∞, H (f) patří Lp(T) když F ∈ Lp(T), tedy skutečný Hardyho prostor Hp(T) se shoduje s Lp(T) v tomto případě. Pro p = 1, skutečný Hardyho prostor H1(T) je správný podprostor L1(T).
Případ p = ∞ bylo vyloučeno z definice skutečných Hardyho prostorů, protože maximální funkce M f z L∞ funkce je vždy omezená a protože není žádoucí, aby skutečnáH∞ být rovno L∞. Dvě následující vlastnosti jsou však ekvivalentní pro funkci se skutečnou hodnotou F
- funkce F je skutečnou součástí nějaké funkce G ∈ H∞(T)
- funkce F a jeho konjugát H (f) patřit k L∞(T).
Skutečné odolné prostory pro 0 < p < 1
Když 0 < p <1, funkce F v Hp nelze rekonstruovat ze skutečné části jeho mezní hranice funkce na kruhu, kvůli nedostatku konvexnosti Lp v tomto případě. Konvexita selže, ale jakési „komplexní konvexnost"zůstává, zejména skutečnost, že z → |z|q je subharmonický pro každého q > 0. V důsledku toho, pokud
je v Hp, lze ukázat, že Cn = O (n1/p–1). Z toho vyplývá, že Fourierova řada
konverguje ve smyslu distribucí k distribuci F na jednotkovém kruhu a F(reiθ) =(F ∗ Pr) (θ). Funkce F ∈ Hp lze rekonstruovat ze skutečné distribuce Re (F) na kružnici, protože Taylorovy koeficienty Cn z F lze vypočítat z Fourierových koeficientů Re (F).
Distribuce v kruhu jsou dostatečně obecné pro manipulaci s Hardy mezerami, když p <1. Distribuce, které nejsou funkcemi, se vyskytují[kde? ], jak je vidět u funkcí F(z) = (1−z)−N (pro |z| <1), které patří do Hp když 0 < N p <1 (a N celé číslo ≥ 1).
Skutečné rozdělení v kruhu patří doHp(T) pokud je to hraniční hodnota skutečné části některých F ∈ Hp. Diracova distribuce δX, v každém okamžiku X jednotkového kruhu patří do reálnéhoHp(T) pro každého p <1; deriváty δ ′X patřit kdy p <1/2, druhé deriváty δ ′ ′X když p <1/3 atd.
Hardy mezery pro horní polovinu roviny
Je možné definovat Hardyho mezery v jiných doménách než disk a v mnoha aplikacích se používají Hardyho mezery ve složité polorovině (obvykle pravá polorovina nebo horní polorovina).
Hardyho prostor Hp(H) na horní polorovina H je definován jako prostor holomorfních funkcí F na H s omezenou (kvazi) normou, normu dává
Korespondence H∞(H) je definována jako funkce omezené normy, přičemž norma je dána
Ačkoliv jednotka disku D a horní polorovina H lze navzájem mapovat pomocí Möbiovy transformace, nejsou vzájemně zaměnitelné[je zapotřebí objasnění ] jako domény pro Hardyho prostory. K tomuto rozdílu přispívá skutečnost, že jednotkový kruh má konečný (jednorozměrný) Lebesgueovo opatření zatímco skutečná čára ne. Nicméně pro H2, jeden má následující větu: if m : D → H označuje Möbiovu transformaci
Pak lineární operátor M : H2(H) → H2(D) definován
je izometrické izomorfismus Hilbertových prostorů.
Skutečné odolné prostory pro Rn
Při analýze reálného vektorového prostoru Rn, Hardyho prostor[je zapotřebí objasnění ] Hp (pro 0 <p ≤ ∞) se skládá z temperované distribuce[je zapotřebí objasnění ] F takové, že pro některé Schwartzova funkce Φ s ∫Φ = 1, maximální funkce
je v Lp(Rn),[je zapotřebí objasnění ] kde ∗ je konvoluce a Φt (X) = t −nΦ (X / t). The Hp-kvazinorm ||F ||Hp distribuce F z Hp je definován jako Lp norma MΦF (záleží na volbě Φ, ale různé volby Schwartzových funkcí Φ dávají ekvivalentní normy). The Hp-quasinorm je normou, když p ≥ 1, ale ne když p < 1.
Pokud 1 < p <∞, Hardyho prostor Hp je stejný vektorový prostor jako Lp, s ekvivalentní normou. Když p = 1, Hardyho prostor H1 je správný podprostor L1. Jeden může najít sekvence v H1 které jsou ohraničeny L1 ale neomezeně H1, například na řádku
The L1 a H1 normy nejsou ekvivalentní H1, a H1 není uzavřen L1. Dvojí H1 je prostor BMO funkcí omezená střední oscilace. Prostor BMO obsahuje neomezené funkce (což opět dokazuje, že H1 není uzavřen L1).
Li p <1 pak Hardyho prostor Hp má prvky, které nejsou funkcemi, a je dvojí[je zapotřebí objasnění ] je homogenní Lipschitzův prostor řádu n(1/p - 1). Když p <1, Hp-quasinorm není norma, protože není subaditivní. The pth síla ||F ||Hpp je subadditivní pro p <1 a tak definuje metriku na Hardyho prostoru Hp, který definuje topologii a dělá Hp do úplného metrického prostoru.
Atomový rozklad
Když 0 < p ≤ 1, omezená měřitelná funkce F kompaktní podpory je v Hardyho prostoru Hp právě když všechny jeho momenty
jehož objednávka i1+ ... +in je nanejvýš n(1/p - 1), zmizet. Například integrál F musí zmizet, aby to F ∈ Hp, 0 < p ≤ 1 a pokud p > n / (n+1) to je také dostačující.
Pokud navíc F má podporu v nějaké kouli B a je ohraničen |B|−1/p pak F se nazývá Hp-atom (zde |B| označuje euklidovský objem B v Rn). The Hp-quasinorm libovolného Hp-atom je omezen konstantou pouze v závislosti na p a na funkci Schwartz Φ.
Když 0 < p ≤ 1, jakýkoli prvek F z Hp má atomový rozklad jako konvergentní nekonečná kombinace Hp-atomy,
Kde Aj jsou Hp-atomy a Cj jsou skaláry.
Například na řádku je rozdíl Diracových distribucí F = 81−δ0 lze reprezentovat jako řadu Haarovy funkce, konvergentní v Hp-quasinorm když 1/2 < p <1 (na kružnici platí odpovídající reprezentace pro 0 < p <1, ale na řádku funkce Haar nepatří Hp když p ≤ 1/2, protože jejich maximální funkce je ekvivalentní v nekonečnu A X−2 pro některé A ≠ 0).
Martingale Hp
Nechť (Mn)n≥0 být martingale na nějakém pravděpodobnostním prostoru (Ω, Σ,P), s ohledem na rostoucí posloupnost σ-polí (Σn)n≥0. Pro jednoduchost předpokládejme, že Σ se rovná poli σ generovanému posloupností (Σn)n≥0. The maximální funkce martingale je definováno
Nechť 1 ≤ p <∞. Martingale (Mn)n≥0 patří martingale-Hp když M * ∈ Lp.
Li M * ∈ Lp, martingale (Mn)n≥0 je ohraničen v Lp; proto téměř jistě konverguje k nějaké funkci F podle Martingaleova věta o konvergenci. Navíc, Mn konverguje k F v Lp-norm podle dominující věta o konvergenci; proto Mn lze vyjádřit jako podmíněné očekávání F na Σn. Je tedy možné identifikovat martingale-Hp s podprostorem Lp(Ω, Σ,P) sestávající z těchto F takové, že martingale
patří k martingale-Hp.
Doobova maximální nerovnost znamená, že martingale-Hp se shoduje s Lp(Ω, Σ,P) když 1 < p <∞. Zajímavý prostor je martingale-H1, jehož duál je martingale-BMO (Garsia 1973 ).
Nerovnosti Burkholder – Gundy (když p > 1) a nerovnost Burgess Davis (kdy p = 1) se týkají Lp-norm maximální funkce jako funkce čtvercová funkce martingale
Martingale-Hp lze definovat tím, že říká S(F)∈ Lp (Garsia 1973 ).
Lze také vzít v úvahu martingales s parametrem nepřetržitého času. Přímé spojení s klasickou teorií je získáno prostřednictvím komplexu Brownův pohyb (Bt) v komplexní rovině, počínaje bodem z = 0 v čase t = 0. Nechť τ označuje dobu úderu jednotkové kružnice. Pro každou holomorfní funkci F na disku jednotky,
je martingale, který patří k martingale-Hp iff F ∈ Hp (Burkholder, Gundy & Silverstein 1971 ).
Příklad: dyadic martingale-H1
V tomto příkladu Ω = [0, 1] a Σn je konečné pole generované dyadickým rozdělením [0, 1] na 2n intervaly délky 2−n, pro každého n ≥ 0. Pokud je funkce F na [0, 1] je představována jeho expanzí na Haarův systém (hk)
pak martingale-H1 norma F lze definovat pomocí L1 norma funkce čtverce
Tento prostor, někdy označovaný H1(δ), je izomorfní s klasickým reálným H1 prostor na kruhu (Müller 2005 ). Systém Haar je bezpodmínečný základ pro H1(5).
Poznámky
- ^ Beurling, Arne (1948). „O dvou problémech týkajících se lineárních transformací v Hilbertově prostoru“. Acta Mathematica. 81: 239–255. doi:10.1007 / BF02395019.
- ^ Voichick, Michael; Zalcman, Lawrence (1965). "Vnitřní a vnější funkce na Riemannově povrchu". Proceedings of the American Mathematical Society. 16 (6): 1200–1204. doi:10.1090 / S0002-9939-1965-0183883-1.
Reference
- Burkholder, Donald L .; Gundy, Richard F .; Silverstein, Martin L. (1971), "Maximální funkční charakteristika třídy Hp", Transakce Americké matematické společnosti, 157: 137–153, doi:10.2307/1995838, JSTOR 1995838, PAN 0274767, S2CID 53996980.
- Cima, Joseph A .; Ross, William T. (2000), Zpětný posun v Hardy Space, Americká matematická společnost, ISBN 978-0-8218-2083-4
- Colwell, Peter (1985), Produkty Blaschke - ohraničené analytické funkceAnn Arbor: University of Michigan Press, ISBN 978-0-472-10065-1
- Duren, P. (1970), Teorie Hp-Prostory, Akademický tisk
- Fefferman, Charles; Stein, Elias M. (1972), "Hp mezery několika proměnných ", Acta Mathematica, 129 (3–4): 137–193, doi:10.1007 / BF02392215, PAN 0447953.
- Folland, G.B. (2001) [1994], „Hardy spaces“, Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS
- Garsia, Adriano M. (1973), Martingale Nerovnosti: Seminární poznámky o nedávném pokrokuSérie přednášek z matematiky, W. A. Benjamin PAN0448538
- Hardy, G. H. (1915), „O střední hodnotě modulu analytické funkce“, Proceedings of the London Mathematical Society, 14: 269–277, doi:10.1112 / plms / s2_14.1.269, JFM 45.1331.03
- Hoffman, Kenneth (1988), Banachovy prostory analytických funkcí, Dover Publications, ISBN 978-0-486-65785-1
- Katznelson, Yitzhak (1976), Úvod do harmonické analýzy, Dover Publications, ISBN 978-0-486-63331-2
- Koosis, P. (1998), Úvod do Hp Prostory (Druhé vydání), Cambridge University Press
- Mashreghi, J. (2009), Věty o reprezentaci v Hardyho prostorech, Cambridge University Press, ISBN 9780521517683
- Müller, Paul F. X. (2005), Izomorfismy mezi H1 mezery, Matematický ústav Polské akademie věd. Matematické monografie (nová řada), Basilej: Birkhäuser, ISBN 978-3-7643-2431-5, PAN 2157745
- Riesz, F. (1923), „Über die Randwerte einer analytischen Funktion“, Mathematische Zeitschrift, 18: 87–95, doi:10.1007 / BF01192397, S2CID 121306447
- Rudin, Walter (1987), Skutečná a komplexní analýza, McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-100276-9
- Shvedenko, S.V. (2001) [1994], „Hardy classes“, Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS