Харди космос
В комплексном анализе пространства Харди (или классы Харди ) H п — 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 определенные пространства распределений на вещественной прямой, которые являются (в смысле распределений) граничными значениями голоморфных функций комплексных пространств Харди и связаны с L п пространства функционального анализа . При 1 ⩽ p < ∞ эти вещественные пространства Харди H п являются подмножествами L определенными п , а при p < 1 L п пространства обладают некоторыми нежелательными свойствами, а пространства Харди ведут себя гораздо лучше.
Существуют также многомерные обобщения, состоящие из некоторых голоморфных функций на трубчатых областях в комплексном случае или определенных пространств распределений на R. н в реальном случае.
Пространства Харди имеют ряд приложений в самом математическом анализе , а также в теории управления (например, H ∞ методы ) и в теории рассеяния .
Харди-пространства для единичного диска
[ редактировать ]Для пространств голоморфных функций на открытом единичном круге Харди пространство H 2 состоит из функций f которых , среднеквадратичное значение на окружности радиуса r остается ограниченным при r → 1 снизу.
В более общем смысле пространство Харди H п при 0 < p < ∞ — класс голоморфных функций f на открытом единичном круге, удовлетворяющих
Это класс Н п является векторным пространством. Число в левой части приведенного выше неравенства представляет собой p -норму пространства Харди для f , обозначаемую через Это норма, когда p ≥ 1, но не когда 0 < p < 1.
Пространство Н ∞ определяется как векторное пространство ограниченных голоморфных функций на круге с нормой
При 0 < p ≤ q ≤ ∞ класс H д является подмножеством H п , и Ч п -норма возрастает с ростом p (следствием неравенства Гёльдера является то, что L п -норма возрастает для вероятностных мер , т.е. мер с полной массой 1).
Пространства Харди на единичном круге
[ редактировать ]Пространства Харди, определенные в предыдущем разделе, также можно рассматривать как некоторые замкнутые векторные подпространства комплекса L п пространства на единичном круге. Эту связь обеспечивает следующая теорема ( Кацнельсон, 1976 , теорема 3.8): При f ∈ H п , при p ≥ 1, радиальный предел
существует почти для любого θ. Функция принадлежит к Л п пространство для единичного круга, [ нужны разъяснения ] и у одного есть это
Обозначая единичную окружность через T и H п ( T ) векторное подпространство L п ( T ) состоящий из всех предельных функций , когда f изменяется в H п , тогда это имеет место для p ≥ 1 ( Кацнельсон 1976 )
где ĝ ( n ) — коэффициенты Фурье функции g, интегрируемой на единичной окружности,
Пространство Н п ( T ) — замкнутое подпространство в L п ( Т ). Поскольку Л п ( T ) является банаховым пространством (при 1 ≤ p ≤ ∞), как и H п ( Т ).
Вышеописанное можно изменить. Дана функция , при p ≥ 1, можно восстановить ( гармоническую ) функцию f на единичном круге с помощью ядра Пуассона P r :
и f принадлежит H п именно когда находится в H п ( Т ). Предположим, что находится в H п ( T ), т. е . что имеет коэффициенты Фурье ( a n ) n ∈ Z с n = 0 для каждого n < 0, то элемент f пространства Харди H п связанный с — голоморфная функция
В приложениях функции с исчезающими отрицательными коэффициентами Фурье обычно интерпретируются как причинные решения. [ нужны разъяснения ] Таким образом, пространство H 2 видно, что он естественным образом сидит внутри L 2 пространство и представлено бесконечными последовательностями, индексированными N ; тогда как L 2 состоит из бибесконечных последовательностей, индексированных Z .
Связь с реальными пространствами Харди на окружности
[ редактировать ]При 1 ⩽ p < ∞ вещественные пространства Харди H п обсуждается ниже [ нужны разъяснения ] в этой статье легко описать в данном контексте. Действительная функция f на единичной окружности принадлежит вещественному пространству Харди H п ( T ), если это действительная часть функции из H п ( T ), а комплексная функция f принадлежит вещественному пространству Харди тогда и только тогда, когда Re( f ) и Im( f ) принадлежат этому пространству (см. раздел о вещественных пространствах Харди ниже). Таким образом, при 1 ≤ p < ∞ вещественное 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 п для каждого 0 < p < 1 и радиальный предел
существует для п.в. θ и находится в H п ( T ), но Re( f ) уже невозможно ) почти всюду равно 0, поэтому восстановить F из Re( f . Как следствие этого примера, видно, что при 0 < p < 1 невозможно охарактеризовать реальную величину. п ( T ) (определено ниже) простым способом, указанным выше, [ нужны разъяснения ] но должен использовать фактическое определение с использованием максимальных функций, которое приведено где-то ниже.
Для той же функции F пусть f r (e iθ ) = F ( ре iθ ). Предел при r Re( f r ) → 1 в смысле распределений на окружности является ненулевым кратным распределению Дирака при z = 1. Распределение Дирака в точке единичного круга принадлежит вещественному - Ч п ( T ) для каждого p < 1 (см. ниже).
Факторизация на внутренние и внешние функции (Берлинг)
[ редактировать ]При 0 < p ≤ ∞ каждая ненулевая функция f из H п можно записать как произведение f = Gh, где G — внешняя функция , а h — внутренняя функция , как определено ниже ( Рудин 1987 , Thm 17.17). Эта « факторизация Берлинга » позволяет полностью охарактеризовать пространство Харди пространствами внутренних и внешних функций. [ 1 ] [ 2 ]
Говорят, что G ( z ) [ нужны разъяснения ] является внешней (внешней) функцией, если она принимает вид
для некоторого комплексного числа c с | с | = 1, и некоторая положительная измеримая функция на единичной окружности такой, что интегрируемо на окружности. В частности, когда интегрируема на окружности, G принадлежит H 1 потому что вышеизложенное принимает форму ядра Пуассона ( Рудин 1987 , Thm 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 ∞ . [ нужны разъяснения ] Внутреннюю функцию можно дополнительно преобразовать в форму, включающую произведение Бляшке .
Функция f , разложенная как f = Gh , [ нужны разъяснения ] находится в H п тогда и только тогда, когда φ принадлежит L п ( T ), где φ — положительная функция в представлении внешней G. функции
Пусть G — внешняя функция, представленная, как указано выше, из функции φ на окружности. Замена φ на φ а семейство ( G α , α > 0, получается ) внешних функций со свойствами:
- г 1 знак равно г , г α+β знак равно г α г β и | Г а | = | г | а почти везде по кругу.
Отсюда следует, что всякий раз, когда 0 < p , q , r < ∞ и 1/ r = 1/ p + 1/ q , каждая функция f из H р может быть выражено как произведение функции из H п и функция из H д . Например: каждая функция из H 1 является произведением двух функций из H 2 ; каждая функция из H п , p < 1, можно выразить как произведение нескольких функций из некоторого H д , q > 1.
Методы действительных переменных на единичном круге
[ редактировать ]Методы действительных переменных, в основном связанные с изучением реальных пространств Харди, определенных на R. н (см. ниже), также используются в более простой схеме 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 ∞ -функция, определенная на единичной окружности формулой
При 0 < p < ∞ вещественное пространство Харди H п ( T ) состоит из распределений f таких, что M f находится в L п ( Т ).
Функция F, определенная на единичном круге как F ( re iθ ) знак равно ( ж * п р )(е iθ гармоническим, а M f — радиальная максимальная функция F ) является . Когда M f принадлежит L п ( T ) и p ≥ 1, распределение f " является " функцией из L п ( T ), а именно граничное значение F . При p ≥ 1 вещественное пространство Харди H п ( T ) является подмножеством L п ( Т ).
Сопряженная функция
[ редактировать ]Каждому вещественному 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 п ( 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 ( Т ) . Когда 1 ≤ p < ∞, следующие условия эквивалентны для вещественнозначной интегрируемой функции f на единичной окружности:
- функция f является вещественной частью некоторой функции g ∈ H п ( Т )
- функция f и ее сопряженная H(f) принадлежат L п ( Т )
- радиальная максимальная функция M f принадлежит L п ( Т ).
Когда 1 < p < ∞, H(f) принадлежит L п ( T ) когда f ∈ L п ( T ), следовательно, вещественное пространство Харди H п ( T ) совпадает с L п ( Т ) в этом случае. При p = 1 реальное пространство Харди H 1 ( T ) — собственное подпространство в L 1 ( Т ).
Случай p определения вещественных пространств Харди, поскольку максимальная функция M f L = ∞ был исключен из ∞ функция всегда ограничена, и поскольку нежелательно, чтобы реальная H ∞ быть равным L ∞ . Однако два следующих свойства эквивалентны для вещественнозначной функции f
- функция f является вещественной частью некоторой функции g ∈ H ∞ ( Т )
- функция f и ее сопряженная H(f) принадлежат L ∞ ( Т ).
Вещественные пространства Харди для 0 < p <1
[ редактировать ]Когда 0 < p < 1, функция F из H п не может быть восстановлена по действительной части ее граничной предельной функции на окружности из-за отсутствия выпуклости L п в этом случае. Выпуклость терпит неудачу, но остается своего рода « комплексная выпуклость », а именно тот факт, что z → | г | д субгармонична > 0. для любого q Как следствие, если
находится в H п , можно показать, что c n = O( n 1/ п –1 ). Отсюда следует, что ряд Фурье
сходится в смысле распределений к распределению f на единичной окружности, а F ( re iθ ) =( ж ∗ п р )(θ). Функция F ∈ H п может быть восстановлено по действительному 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, действительно встречаются, как это видно на примере функций F ( z ) = (1 − z ). − Н (при | z | < 1), принадлежащие H п когда 0 < N p < 1 (и N целое число ≥ 1).
Вещественное распределение на окружности принадлежит реальному H п ( T ) тогда и только тогда, когда оно является граничным значением вещественной части некоторого F ∈ H п . Распределение Дирака δ x в любой точке x единичного круга принадлежит вещественному H. п ( T ) для каждого p < 1; производные δ′ x принадлежат, когда p < 1/2, вторые производные δ′′ x , когда p < 1/3, и так далее.
Пространства Харди для верхней полуплоскости
[ редактировать ]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 п ( 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 взаимозаменяемы. [ нужны разъяснения ] как области для пространств Харди. Этому различию способствует тот факт, что единичная окружность имеет конечную (одномерную) меру Лебега, а действительная линия - нет. Однако для Х 2 , справедлива следующая теорема: если m : D → H обозначает преобразование Мёбиуса
Тогда линейный оператор M : H 2 ( ЧАС ) → ЧАС 2 ( D ) определяется формулой
является изометрическим изоморфизмом гильбертовых пространств.
Вещественные пространства Харди для R н
[ редактировать ]При анализе вещественного векторного пространства R н , пространство Харди H п (при 0 < p ≤ ∞) состоит из умеренных распределений f таких, что для некоторой функции Шварца Φ с ∫Φ = 1 максимальная функция
находится в Л п ( Р н ), где ∗ — свертка и Φ t ( x ) = t − п Φ( Икс / т ) . Ч п - квазинорма || ж || Hp распределения f H п определяется как L п норма M Φ f (это зависит от выбора Φ, но другой выбор функций Шварца Φ дает эквивалентные нормы). Ч п -квазинорма является нормой при p ≥ 1, но не при p < 1.
Если 1 < p < ∞, пространство Харди H п — то же векторное пространство, что и L п , с эквивалентной нормой. Когда p = 1, пространство Харди H 1 является собственным подпространством в L 1 . Можно найти последовательности в H 1 ограниченные в L 1 но неограничен в H 1 , например, в строке
Л 1 и Х 1 нормы не эквивалентны на H 1 и Х 1 не замкнут в L 1 . Двойник H 1 — пространство BMO функций ограниченного среднего колебания . Пространство BMO содержит неограниченные функции (еще раз доказывая, что H 1 не замкнут в L 1 ).
Если p < 1, то пространство Харди H п имеет элементы, не являющиеся функциями, и его двойственным является однородное липшицево пространство порядка n (1/ p − 1). Когда p < 1, H п -квазинорма не является нормой, так как не является субаддитивной. я степень p- || ж || л.с. п субаддитивен при p < 1 и, таким образом, определяет метрику в пространстве Харди H п , что определяет топологию и делает H п в полное метрическое пространство.
Атомный разложение
[ редактировать ]Когда 0 < p ≤ 1, ограниченная измеримая функция f с компактным носителем находится в пространстве Харди H п тогда и только тогда, когда все его 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 п , 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/ п тогда f называется H п -атом (здесь | B | обозначает евклидов объем B в R н ). Ч п -квазинорма произвольного H п -атом ограничен константой, зависящей только от p и функции Шварца Φ.
Когда 0 < p ≤ 1, любой элемент f из H п имеет атомное разложение как сходящаяся бесконечная комбинация H п -атомы,
где aj — это H п -атомы и cj являются скалярами.
На прямой, например, разность распределений Дирака f = δ 1 −δ 0 можно представить как ряд функций Хаара , сходящийся в H п -квазинорма при 1/2 < p < 1 (на окружности соответствующее представление справедливо при 0 < p < 1, но на прямой функции Хаара не принадлежат H п когда p поскольку их максимальная функция эквивалентна на бесконечности x ≤ 1/2 , −2 для некоторого a ≠ 0).
Мартингейл Х п
[ редактировать ]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 ( M n ) n ≥0 принадлежит мартингалу - H п когда M* ∈ L п .
Если M* ∈ L п , мартингал ( M n ) n ≥0 ограничен в L п ; он почти наверняка сходится к некоторой функции f следовательно, по теореме о мартингальной сходимости . Более того, M n сходится к f в L п -норма по теореме о доминируемой сходимости ; следовательно, M n можно выразить как условное ожидание f на Σ n . Таким образом, можно идентифицировать мартингал- H п с подпространством L п (Ω, Σ, P ), состоящее из тех f таких, что мартингал
принадлежит мартингалу- H п .
Из максимального неравенства Дуба следует, что мартингал- H п совпадает с L п (Ω, Σ, P ), когда 1 < p < ∞. Интересное пространство — мартингейл- H 1 , двойником которого является мартингал-BMO ( Garsia 1973 ).
Неравенства Беркхолдера–Ганди (когда p > 1) и неравенство Бёрджесса-Дэвиса (когда p = 1) связывают L п -нормы максимальной функции к норме квадрата функции мартингала
Мартингейл- H п можно определить, сказав, что S ( f ) ∈ L п ( 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
это мартингал, принадлежащий мартингалу- H п тогда и только тогда, когда F ∈ H п ( Буркхолдер, Ганди и Сильверстайн, 1971 ).
Пример: диадический мартингал- H 1
[ редактировать ]В этом примере Ω = [0, 1] и Σ n — конечное поле, порожденное двоичным разбиением [0, 1] на 2 н интервалы длины 2 − п , для каждого n ≥ 0. Если функция f на [0, 1] представлена ее разложением по системе Хаара ( h k )
тогда мартингал- H 1 норма f может быть определена с помощью L 1 норма квадратичной функции
Это пространство, иногда обозначаемое H 1 (δ), изоморфна классической вещественной H 1 пространство на круге ( Мюллер 2005 ). Система Хаара является безусловным основанием для H 1 (г).
Примечания
[ редактировать ]- ^ Берлинг, Арне (1948). «О двух задачах, касающихся линейных преобразований в гильбертовом пространстве» . Акта Математика . 81 : 239–255. дои : 10.1007/BF02395019 .
- ^ Войчик, Майкл; Зальцман, Лоуренс (1965). «Внутренние и внешние функции на римановых поверхностях» . Труды Американского математического общества . 16 (6): 1200–1204. дои : 10.1090/S0002-9939-1965-0183883-1 .
Ссылки
[ редактировать ]- Беркхолдер, Дональд Л.; Ганди, Ричард Ф.; Сильверстайн, Мартин Л. (1971), "Максимальная функциональная характеристика класса H п ", Transactions of the American Mathematical Society , 157 : 137–153, doi : 10.2307/1995838 , JSTOR 1995838 , MR 0274767 , S2CID 53996980 .
- Чима, Джозеф А.; Росс, Уильям Т. (2000), Сдвиг назад в пространстве Харди , Американское математическое общество , ISBN 978-0-8218-2083-4
- Колвелл, Питер (1985), Произведения Бляшке — ограниченные аналитические функции , Анн-Арбор: Издательство Мичиганского университета , ISBN 978-0-472-10065-1
- Дюрен, П. (1970), Теория H п -Пространства , Академическая пресса
- Фефферман, Чарльз ; Штейн, Элиас М. (1972), « H п пространства нескольких переменных», Acta Mathematica , 129 (3–4): 137–193, doi : 10.1007/BF02392215 , MR 0447953 .
- Фолланд, Великобритания (2001) [1994], «Пространства Харди» , Математическая энциклопедия , EMS Press
- Гарсиа, Адриано М. (1973), Неравенства Мартингала: заметки семинара о недавнем прогрессе , Серия конспектов лекций по математике, WA Benjamin MR 0448538
- Харди, GH (1915), «О среднем значении модуля аналитической функции» , Proceedings of the London Mathematical Society , 14 : 269–277, doi : 10.1112/plms/s2_14.1.269 , JFM 45.1331.03
- Хоффман, Кеннет (1988), Банаховы пространства аналитических функций , Dover Publications , ISBN 978-0-486-65785-1
- Кацнельсон, Ицхак (1976), Введение в гармонический анализ , Dover Publications , ISBN 978-0-486-63331-2
- Кусис, П. (1998), Введение в H p пространства (второе изд.), Cambridge University Press
- Машреги, Дж. (2009), Теоремы о представлении в пространствах Харди , Cambridge University Press, ISBN 9780521517683
- Мюллер, Пол FX (2005), Изоморфизмы между H 1 пространства , Институт математики Польской академии наук. Математические монографии (новая серия), Базель: Биркхойзер , ISBN 978-3-7643-2431-5 , МР 2157745
- Рисс, Ф. (1923), «О граничных значениях аналитической функции», Mathematical Journal , 18 : 87–95, doi : 10.1007/BF01192397 , S2CID 121306447
- Рудин, Уолтер (1987), Реальный и комплексный анализ , McGraw-Hill , ISBN 978-0-07-100276-9
- Шведенко, С.В. (2001) [1994], «Классы Харди» , Энциклопедия математики , EMS Press