Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве

Получено обобщение неравенства Тайкова, оценивающего L∞ - норму промежуточной производной через L₂ - нормы самой функции и старшей производной, на произвольные степени самосопряженного оператора А, действующего в гильбертовом пространстве. Отримано узагальнення нерівності Тайкова, що оцінює L∞ - нор...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Труды Института прикладной математики и механики
Дата:2010
Автори: Бабенко, В.Ф., Биличенко, Р.О.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2010
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123947
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве / В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2010. — Т. 21. — С. 11-18. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-123947
record_format dspace
spelling Бабенко, В.Ф.
Биличенко, Р.О.
2017-09-15T16:37:43Z
2017-09-15T16:37:43Z
2010
Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве / В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2010. — Т. 21. — С. 11-18. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1683-4720
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123947
517.5
Получено обобщение неравенства Тайкова, оценивающего L∞ - норму промежуточной производной через L₂ - нормы самой функции и старшей производной, на произвольные степени самосопряженного оператора А, действующего в гильбертовом пространстве.
Отримано узагальнення нерівності Тайкова, що оцінює L∞ - норму проміжної похідної через L₂ - норми самої функції та її старшої похідної, на довільні степені самоспряженого оператора A, діючого в гільбертовому просторі.
The Taikov inequality, which estimate L∞ – norm of intermediate derivative by L₂ – norms of a function and its higher derivative, is extended on arbitrary powers of self-adjoint operator acting in Hilbert space.
ru
Інститут прикладної математики і механіки НАН України
Труды Института прикладной математики и механики
Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
Нерівності типу Тайкова для самоспряжених операторів у гільбертовому просторі
Inequalities of Taikov type for self-ajoint operators in Hilbert space
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
spellingShingle Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
Бабенко, В.Ф.
Биличенко, Р.О.
title_short Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
title_full Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
title_fullStr Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
title_full_unstemmed Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
title_sort неравенство типа тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве
author Бабенко, В.Ф.
Биличенко, Р.О.
author_facet Бабенко, В.Ф.
Биличенко, Р.О.
publishDate 2010
language Russian
container_title Труды Института прикладной математики и механики
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
format Article
title_alt Нерівності типу Тайкова для самоспряжених операторів у гільбертовому просторі
Inequalities of Taikov type for self-ajoint operators in Hilbert space
description Получено обобщение неравенства Тайкова, оценивающего L∞ - норму промежуточной производной через L₂ - нормы самой функции и старшей производной, на произвольные степени самосопряженного оператора А, действующего в гильбертовом пространстве. Отримано узагальнення нерівності Тайкова, що оцінює L∞ - норму проміжної похідної через L₂ - норми самої функції та її старшої похідної, на довільні степені самоспряженого оператора A, діючого в гільбертовому просторі. The Taikov inequality, which estimate L∞ – norm of intermediate derivative by L₂ – norms of a function and its higher derivative, is extended on arbitrary powers of self-adjoint operator acting in Hilbert space.
issn 1683-4720
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123947
citation_txt Неравенство типа Тайкова для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве / В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2010. — Т. 21. — С. 11-18. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT babenkovf neravenstvotipataikovadlâsamosoprâžennyhoperatorovvgilʹbertovomprostranstve
AT biličenkoro neravenstvotipataikovadlâsamosoprâžennyhoperatorovvgilʹbertovomprostranstve
AT babenkovf nerívnostítiputaikovadlâsamosprâženihoperatorívugílʹbertovomuprostorí
AT biličenkoro nerívnostítiputaikovadlâsamosprâženihoperatorívugílʹbertovomuprostorí
AT babenkovf inequalitiesoftaikovtypeforselfajointoperatorsinhilbertspace
AT biličenkoro inequalitiesoftaikovtypeforselfajointoperatorsinhilbertspace
first_indexed 2025-11-26T13:14:31Z
last_indexed 2025-11-26T13:14:31Z
_version_ 1850622277218992128
fulltext ISSN 1683-4720 Труды ИПММ НАН Украины. 2010. Том 21 УДК 517.5 c©2010. В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко НЕРАВЕНСТВА ТИПА ТАЙКОВА ДЛЯ САМОСОПРЯЖЕННЫХ ОПЕРАТОРОВ В ГИЛЬБЕРТОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ Получено обобщение неравенства Тайкова, оценивающего L∞ – норму промежуточной производной через L2 – нормы самой функции и старшей производной, на произвольные степени самосопряжен- ного оператора A, действующего в гильбертовом пространстве. Ключевые слова: неравенства, самосопряженные операторы, гильбертово пространство. 1. Введение. Пусть G — действительная ось R или единичная окружность T. Через Lr 2,2 (G), r ∈ N, обозначим пространство всех функций x ∈ L2 (G), (r − 1)-я производная которых локально абсолютно непрерывна и r-я производная принад- лежит пространству L2(G). В 1967 году Л.В. Тайков [1] (см. также [2, § 5.7]) установил, что для функций x ∈ Lr 2,2 (R) , r ∈ N, при любом k ∈ N, k < r, имеет место точное неравенство ∥∥∥x(k) ∥∥∥ L∞(R) ≤ βr,k+1/2 ( 2r sinπ 2k + 1 2r )− 1 2 ‖x‖ r−k−1/2 r L2(R) ∥∥∥x(r) ∥∥∥ k+1/2 r L2(R) , (1) где βr,α := {( r α )α r ( r r − α ) r−α r } 1 2 . (2) В 1990 году А.Ю. Шадрин [3] (см. также [2, § 5.8]) получил аналог неравен- ства (1) для функций x ∈ Lr 2,2 (T): при любых k ∈ N, k < r, справедливо точное неравенство ∥∥∥x(k) ∥∥∥ L∞(T) ≤ π− 1 2 βr,k+1/2Vr,k ‖x‖ r−k−1/2 r L2(T) ∥∥∥x(r) ∥∥∥ k+1/2 r L2(T) , (3) где Vr,k(t) := { ∞∑ n=1 t2k+1n2k 1 + t2rn2r }1/2 , Vr,k = sup t>0 Vr,k(t). (4) Пусть H — гильбертово пространство со скалярным произведением (x, y) и нор- мой ‖x‖ = (x, x)1/2, A — линейный, неограниченный, самосопряженный оператор в H, D(A) — область его определения. Пусть также f — произвольный линейный непрерывный функционал, определенный в гильбертовом пространстве H. В данной заметке получено обобщение неравенств (1), (3) на натуральные степени оператора A, в котором L∞ - норма промежуточной производной или, что эквивалентно, зна- чение этой производной в точке 0, заменяется на значение (Akx, f) функционала f на элементе Akx. 11 В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко 2. Предварительные сведения. Приведем некоторые сведения из спектраль- ной теории самосопряженных операторов, которые можно найти, например, в [4, §§75, 88]. Разложением единицы называется однопараметрическое семейство проектиру- ющих операторов Et : H → H, заданное в конечном или бесконечном интервале [α, β] (если интервал [α, β] бесконечен, то, по определению, принимается E−∞ = lim t→−∞Et, E∞ = lim t→∞Et, в смысле сильной сходимости) и удовлетворяющее следую- щим условиям: a) EuEv = Es ∀u, v ∈ [α, β], где s = min{u, v}; b) в смысле сильной сходимости Et−0 = Et (α < t < β) ; c) Eα = 0, Eβ = I (I — тождественный оператор: Ix = x ∀x ∈ H). Полагаем Et = 0 при t ≤ α и Et = I при t ≥ β. Из определения следует, что для любого x ∈ H функция σ(t) = (Etx, x) , −∞ < t < ∞, является непрерывной слева, неубывающей функцией ограниченной вариации, для которой σ(α) = 0, σ(β) = (x, x). Согласно спектральной теореме каждому самосопряженному оператору A соот- ветствует разложение единицы Et, t ∈ R, такое, что имеет место равенство A = ∞∫ −∞ t dEt. Приведенный здесь интеграл – это операторный интеграл Стилтьеса (см., например, [4, §72]). По поводу определения и свойств операторных интегралов см. также [5, гл. 13, §1,2]. Вектор x принадлежит D(A) тогда и только тогда, когда ∞∫ −∞ t2 d (Etx, x) < ∞, и если x ∈ D(A), то Ax = ∞∫ −∞ t dEtx, ‖Ax‖2 = ∞∫ −∞ t2 d (Etx, x) < ∞. Для x ∈ D(Ak), k ∈ N, Akx = ∞∫ −∞ tk dEtx, ∥∥∥Akx ∥∥∥ 2 = ∞∫ −∞ t2k d (Etx, x) . (5) 12 Неравенства для операторов в гильбертовом пространстве Используя спектральное разложение (5), для x ∈ D (Ar) и функционала f можем записать (Akx, f) =   ∞∫ −∞ tk dEtx, f   = ∞∫ −∞ tk d (Etx, f) . (6) 3. Аддитивные неравенства. Используя (6), для любого τ > 0, любых k, r ∈ N, k < r, и x ∈ D(Ar) можем записать (Akx, f) = ∞∫ −∞ tk d (Etx, f) = ∞∫ −∞ tk (1 + τt2r) 1 2 ( 1 + τt2r ) 1 2 d (Etx, f) ≤ ≤    ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)    1 2    ∞∫ −∞ ( 1 + τt2r ) d (Etx, x)    1 2 = =    ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)    1 2 { ‖x‖2 + τ ‖Arx‖2 } 1 2 . Таким образом, нами доказано, что для любого τ > 0, любых k, r ∈ N, k < r, и x ∈ D(Ar) имеет место неравенство (Akx, f) ≤    ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)    1 2 { ‖x‖2 + τ ‖Arx‖2 } 1 2 . (7) Покажем, что неравенство (7) является точным в том смысле, что существует элемент xτ ∈ D (Ar), для которого в (7) имеет место знак равенства. Выберем xτ = ∞∫ −∞ tk 1 + τt2r dEtf. (8) Как нетрудно проверить, ‖xτ‖2 = ∞∫ −∞ t2k (1 + τt2r)2 d (Etf, f) , (9) Akxτ = ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r dEtf, Arxτ = ∞∫ −∞ tr+k 1 + τt2r dEtf. (10) Из (6) и (10) следует, что ‖Arxτ‖ = ∞∫ −∞ t2(r+k) (1 + τt2r)2 d (Etf, f) (11) 13 В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко и (Akxτ , f) = ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f) . (12) Используя (12), (9) и (11), получим (Akxτ , f) = ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f) = =   ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)   1 2   ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)   1 2 = =   ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)   1 2   ∞∫ −∞ t2k + τt2r+2k (1 + τt2r)2 d (Etf, f)   1 2 = =   ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)   1 2 ( ‖xτ‖2 + ‖Arxτ‖2 ) 1 2 . Таким образом, нами доказана следующая Теорема 1. Пусть k, r ∈ N, k < r, A – неограниченный самосопряженный опе- ратор в гильбертовом пространстве H и f — линейный непрерывный функционал, определенный в H. Тогда, для любого x ∈ D (Ar) и любого τ > 0 справедливо нера- венство (Akx, f) ≤    ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)    1 2 { ‖x‖2 + τ ‖Arx‖2 } 1 2 . (13) Неравенство (13) обращается в равенство для элемента вида (8). 4. Мультипликативные неравенства. Для α, z > 0 положим Vr,k,α(f, z) = zα    ∞∫ −∞ t2k 1 + z2rt2r d (Etf, f)    1 2 , Vr,k,α(f) = sup z>0 Vr,k,α(f, z). Теорема 2. Пусть оператор A, функционал f и числа r, k, α таковы, что Vr,k,α(f) < ∞. Тогда имеет место неулучшаемое неравенство (Akx, f) ≤ Vr,k,α(f)βr,α ‖x‖ r−α r ‖Arx‖α r . (14) 14 Неравенства для операторов в гильбертовом пространстве Доказательство. Полагая в (13) τ = z2r, получаем для любого z > 0 (Akx, f) ≤ Vr,k,α(f, z) { z−2α‖x‖2 + z2r−2α ‖Arx‖2 } 1 2 ≤ ≤ Vr,k,α { z−2α‖x‖2 + z2r−2α ‖Arx‖2 } 1 2 . (15) Полагая в (15) z = { α r − α }1/2r { ‖x‖ ‖Arx‖ }1/r , получим неравенство (14). Докажем точность этого неравенства. Для определенного соотношением (8) эле- мента xz2r будем иметь ‖Arxz2r‖2 = ∞∫ −∞ t2k+2r (1 + z2rt2r)2 d(Etf, f) = = z−2r ∞∫ −∞ ( t2k 1 + z2rt2r − t2k (1 + z2rt2r)2 ) d(Etf, f) = z−2r [ (Akxz2r , f)− ‖xz2r‖2 ] . Следовательно, (Akxz2r , f) = z2r‖Arxz2r‖2 + ‖xz2r‖2, (Akxz2r , f) ‖xz2r‖2− 2α r ‖Arxz2r‖ 2α r = z2r (‖Arxz2r‖ ‖xz2r‖ )2− 2α r + ( ‖xz2r‖ ‖Arxz2r‖ ) 2α r = = z2α(u2r−2α + u−2α) ≥ z2αβ2 r,α, где положено u = z (‖Arxz2r‖ ‖xz2r‖ ) 1 r . Отсюда, с учетом (12), получаем (Akxz2r , f)2 ‖xz2r‖2− 2α r ‖Arxz2r‖ 2α r ≥ z2α ∞∫ −∞ t2k 1 + z2rt2r d(Etf, f)β2 r,α = V 2 r,k,α(f, z)β2 r,α. Остается задать z так, чтобы Vr,k,α(f, z) → Vr,k,α(f). Неулучшаемость неравенства (14) доказана. Теорема доказана. ¤ 5. Замечания. Замечание 1. Из неравенства (13) вытекает известное неравенство типа Харди- Литллвуда-Полиа для самосопряженных операторов в гильбертовом пространстве (см., например, [2, §5.1]), а именно ∥∥∥Akx ∥∥∥ ≤ ‖x‖1− k r ‖Arx‖ k r (16) для всех x ∈ D (Ar). 15 В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко Действительно, для x ∈ D (Ar) и любого τ > 0 ∥∥∥Akx ∥∥∥ = sup ‖f‖≤1 |(Akx, f)| ≤ ≤ sup ‖f‖≤1    ∞∫ −∞ t2k 1 + τt2r d (Etf, f)    1 2 { ‖x‖2 + τ ‖Arx‖2 } 1 2 ≤ ≤ { max t t2k 1 + τt2r } 1 2 { ‖x‖2 + τ ‖Arx‖2 } 1 2 = = { k τ(r − k) } k 2r { r − k r } 1 2 { ‖x‖2 + τ ‖Arx‖2 } 1 2 = = { k r − k } k 2r { r − k r } 1 2 { τ− k r ‖x‖2 + τ1− k r ‖Arx‖2 } 1 2 . Таким образом, ∥∥∥Akx ∥∥∥ ≤ { k r − k } k 2r { r − k r } 1 2 { τ− k r ‖x‖2 + τ1− k r ‖Arx‖2 } 1 2 . (17) Минимизируя правую часть (17) по τ , получаем неравенство (16). Замечание 2. В качестве оператора A в (13), действующего в L2(R), рассмотрим оператор дифференцирования Ax(t) = i d dtx(t). Отметим, что для соответствующего этому оператору разложения единицы имеет место соотношение [4, §89] (Et −Es)x(u) = 1 2π ∞∫ −∞ eit(z−u) − eis(z−u) i(z − u) x(z) dz, s, t ∈ R, s < t. (18) Для ε > 0 положим fε(t) = 1√ 2πε e− t2 2ε , t ∈ R. Учитывая (18), нетрудно проверить, что для любого z > 0 Vr,k,k+1/2(fε, z) =   1 2π ∞∫ −∞ u2k 1 + u2r e−ε(u z )2 du   1 2 ≤   1 2π ∞∫ −∞ u2k 1 + u2r du   1 2 . Теперь, используя теорему 2, получаем, что для любой функции x ∈ Lr 2,2(R) и лю- бого ε > 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ −∞ x(k)(t)fε(t)dt ∣∣∣∣∣∣ ≤   1 2π ∞∫ −∞ u2k 1 + u2r du   1 2 βr,k+1/2 ‖x‖ r−k−1/2 r L2(R) ‖Arx‖L2(R) k+1/2 r . (19) 16 Неравенства для операторов в гильбертовом пространстве Учитывая, что ∞∫ −∞ x(k)(t)fε(t)dt → x(k)(0), при ε → 0, из (19) получаем неравенство (1), т. е. неравенство Л.В. Тайкова. Замечание 3. Теперь рассмотрим оператор Ax(u) = i d dux(u), действующий в пространстве L2 (T). Разложение единицы Et, t ∈ R, для данного оператора A имеет вид (Etx) (u) = ∑ n∈Z n<t x̂ (n) eint, x ∈ L2 (T) , (20) где x̂(n) = 1 2π π∫ −π x(t)e−intdt – n - й коэффициент Фурье функции x. Пусть DN (t) = N∑ n=−N eint, N ∈ N, – ядро Дирихле. Как хорошо известно, для любой функции x ∈ L2 (T) 1 2π 2π∫ 0 DN (t)x(t)dt = SN (x, 0), где SN (x, u) — частная сумма ряда Фурье функции x, и, следовательно, (Akx,DN ) = x(k)(0). (21) Кроме того, как нетрудно проверить, Vr,k,k+1/2(DN , z) = { 1 2π N∑ n=−N z2k+1n2k 1 + z2rn2r }1/2 ≤ π− 1 2 Vr,k, (22) где Vr,k определено соотношением (4). Применяя теорему 2 к функционалу, задава- емому фукцией DN , и учитывая соотношения (22) и (21), получим SN (x(k), 0) ≤ π− 1 2 Vr,kβr,k+1/2‖x‖ r−k−1/2 r L2(T) ‖x(r)‖ k+1/2 r L2(T) . Устремляя в последнем неравенстве N → ∞ и учитывая, что для функций x ∈ Lr 2,2(T) при k < r SN (x(k), 0) → x(k)(0), получим неравенство Шадрина (3). 1. ТайковЛ.В. Неравенства типа Колмогорова и формулы численного дифференцирования. – Мат. заметки. – 1967, Т. 4, №2. – C. 223 – 238. 2. Бабенко В.Ф., Корнейчук Н.П., Кофанов В.А., Пичугов С.А. Неравенства для производных и их приложения. – К.: Наукова думка, 2003 – 590 с. 17 В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко 3. ШадринА.Ю. Неравенства типа Колмогорова и оценки сплайн – интерполяции для периоди- ческих классов W m 2 . – Мат. заметки. – 1990. – Т. 48, №4. – C. 132 – 139. 4. АхиезерН.И., Глазман И.М. Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве. – М.: Изд-во ” Наука“, Глав. ред. физ.-мат. лит., 1966 – 544 с. 5. БерезанскийЮ.М., Ус Г.Ф., Шефтель З Г. Функциональный анализ. – К.: Выща шк., 1990 - 600 c. V.F. Babenko, R.O. Bilichenko Inequalities of Taikov type for self-ajoint operators in Hilbert space. The Taikov inequality, which estimate L∞ – norm of intermediate derivative by L2 – norms of a function and its higher derivative, is extended on arbitrary powers of self-adjoint operator acting in Hilbert space. Keywords: inequalities, self-ajoint operators, Hilbert space. В.Ф. Бабенко, Р.О. Бiлiченко Нерiвностi типу Тайкова для самоспряжених операторiв у гiльбертовому просторi. Отримано узагальнення нерiвностi Тайкова, що оцiнює L∞ – норму промiжної похiдної через L2 – норми самої функцiї та її старшої похiдної, на довiльнi степенi самоспряженого оператора A, дiючого в гiльбертовому просторi. Ключовi слова: нерiвностi, самоспряженi оператори, гiльбертiв простiр. Днепропетровский национальный университет Ин-т прикл. математики и механики НАН Украины babenko.vladislav@gmail.com Получено 10.12.10 18 В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко Письмо в редакцию Уважаемая редакция! По нашему недосмотру в статье В.Ф. Бабенко, Р.О. Биличенко "НЕРАВЕНСТВО ТИПА ТАЙКОВА ДЛЯ САМОСОПРЯЖЕННЫХ ОПЕРА- ТОРОВ В ГИЛЬБЕРТОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ"// Труды ИПММ, 2010 г., т. 21, C. 11-18, допущено несколько досадных опечаток: • На странице 13 в строках 6 и 11, на странице 14 в соотношениях (13) и (14), а также на странице 15 в строке 2 вместо (Akx, f) должно быть |(Akx, f)|. • На странице 13 в левой части (11) вместо ‖Ak‖ должно быть ‖Ak‖2. • На странице 17 в правой части (21) вместо x(k)(0) должно быть SN (x(k), 0). • На странице 17 в строке 9 снизу вместо SN (x(k), 0) должно быть |SN (x(k), 0)|. Приносим свои извинения В.Ф. Бабенко, Р. О. Биличенко 216