On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential

We prove a completeness in the Hilbert space $L^{2}(\mathbb{T})$ of the system of eigenfunctions and associated functions of non-selfadjoint fractional Schr\"{o}dinger operator $\mathbb{D}^{2s}u+Vu$, $s\in (1/2,1)$, on a circle with singular potential $V$ from the negative Sobolev space $H^...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2016
Hauptverfasser: Molyboga, V. M., Молибога, В. М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Veröffentlicht: Інститут математики НАН України 2016
Online Zugang:https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/216
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Transactions of Institute of Mathematics of NAS of Ukraine
Завантажити файл: Pdf

Institution

Transactions of Institute of Mathematics of NAS of Ukraine
_version_ 1872552739482894336
author Molyboga, V. M.
Молибога, В. М.
author_facet Molyboga, V. M.
Молибога, В. М.
author_institution_txt_mv [ { "author": "В. М. Молибога", "institution": "Інститут математики НАН України" } ]
author_sort Molyboga, V. M.
baseUrl_str https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/oai
collection OJS
datestamp_date 2018-01-29T13:10:15Z
description We prove a completeness in the Hilbert space $L^{2}(\mathbb{T})$ of the system of eigenfunctions and associated functions of non-selfadjoint fractional Schr\"{o}dinger operator $\mathbb{D}^{2s}u+Vu$, $s\in (1/2,1)$, on a circle with singular potential $V$ from the negative Sobolev space $H^{-s}(\mathbb{T})$.
first_indexed 2026-08-04T01:04:13Z
format Article
fulltext Збiрник праць Iн-ту математики НАН України 2016, т. 13, № 1, 244–255 УДК 517.927.25 В. М. Молибога (Iнститут математики НАН України, Київ) Про кореневi функцiї дробового оператора Шредiнгера з сингулярним потенцiалом molyboga@imath.kiev.ua We prove a completeness in the Hilbert space L2(T) of the system of eigenfunctions and associated functions of non-selfadjoint fractional Schrödinger operator D2su+V u, s ∈ (1/2, 1), on a circle with singular potential V from the negative Sobolev space H−s(T). Доведено повноту в гiльбертовому просторi L2(T) системи вла- сних та приєднаних функцiй несамоспряженого дробового опера- тора Шредiнгера D2su + V u, s ∈ (1/2, 1), на колi з сингулярним потенцiалом V з негативного простору Соболєва H−s(T). 1. Вступ та основнi результати В роботi у комплексному сепарабельному гiльбертовому просторi L2(T), T := R/2Z, дослiджується питання повноти системи вла- сних та приєднаних функцiй несамоспряженого дробового опе- ратора Шредiнгера: L2(T) : S(V )u ≡ Su := D2su+ V u, s ∈ (1/2, 1). c© В. М. Молибога, 2016 Про кореневi функцiї дробового оператора Шредiнгера... 245 Оператор дробового диференцiювання D2s з точнiстю до мно- жника i2s збiгається з похiдною Г. Вейля: D2s := (D2)s, D2 := − d2 dx2 , Dom(D2) := H2(T). Через Ht(T), t ∈ R, ми позначаємо простори Соболєва 2- перiодичних функцiй або узагальнених функцiй (розподiлiв), якi визначаються за допомогою коефiцiєнтiв Фур’є: Ht(T) := { f = ∑ k∈Z f̂(k)ei kπx ∈ D′2(T) ∣∣ ‖f‖Ht(T) <∞ } , ‖f‖2Ht(T) := ∑ k∈Z (1 + |k|)2t|f̂(k)|2. Оператор D2s адитивно збурюється перiодичною комплекснозна- чною узагальненою функцiєю V = ∑ k∈Z V̂ (k)ei kπx з негативного простора Соболєва H−s(T). Оператор S(V ) коректно визначений в гiльбертовому просто- рi L2(T) як форм-сума. Вiн m-секторний, має компактну резоль- венту, самоспряжений, тодi i тiльки тодi, коли потенцiал V є дiйснозначною перiодичною узагальненою функцiєю [11, 16]. Випадок s ∈ N детально вивчено в [14, 15, 9, 12], оператори в негативних просторах дослiджено в [8]. Стосовно випадку s = 1 див. [5, 7, 10, 1, 3, 2] та бiблiографiю там. Основним результатом цiєї роботи є. Теорема 1. Система власних та приєднаних функцiй операто- ра S(V ) є повною в гiльбертовому просторi L2(T). При s = 1 система власних та приєднаних функцiй є не тiль- ки повною в L2(T), але й утворює базис Барi–Маркуса iз пiд- просторiв [1]. В роботах [3, 2] знайдено критерiї базисностi Рiсса 246 В. М. Молибога для системи кореневих функцiй в L2(T). При s ∈ [1,∞) повноту в гiльбертовому просторi L2(T) системи власних та приєднаних функцiй встановлено в [11, 12]. 2. Допомiжнi вiдомостi та результати 2.1. Простори Соболєва на колi Будемо позначати скалярний добуток в гiльбертовому просторi L2(T) через (·, ·)L2(T): (u, v)L2(T) := 1 2 ∫ T uvd x, u, v ∈ L2(T). Тодi система {ei kπx}k∈Z вiдносно введеного скалярного добутку є ортонормованим базисом в L2(T). Представимо довiльну фун- кцiю u з гiльбертового простору L2(T) у виглядi ряду Фур’є u(x) = ∑ k∈Z û(k)ei kπx, де коефiцiєнти Фур’є визначенi наступним чином: û(k) := (u, ei kπx)L2(T). За допомогою коефiцiєнтiв Фур’є скалярний добуток допускає представлення у виглядi ряду (u, v)L2(T) = ∑ k∈Z û(k)v̂(k), u, v ∈ L2(T). Позначимо через D′2(T) простiр 2-перiодичних узагальнених функцiй на колi T, а через C∞2 (T) — простiр основних функцiй — простiр 2-перiодичних нескiнченно диференцiйовних функцiй [13]. Для довiльної 2-перiодичної узагальненої функцiї f ∈ D′2(T) визначимо коефiцiєнти Фур’є: f̂(k) := 〈f, ei kπx〉L2(T), k ∈ Z, Про кореневi функцiї дробового оператора Шредiнгера... 247 де через 〈·, ·〉L2(T) позначено пiвторалiнiйну форму, що є розши- ренням за неперервнiстю скалярного добутку в L2(T). Тодi 2- перiодична узагальнена функцiя f ∈ D′2(T) може бути представ- лена у виглядi ряду Фур’є: f(x) = ∑ k∈Z f̂(k)ei kπx ∈ D′2(T). Для довiльних f ∈ D′2(T) i ϕ ∈ C∞2 (T) має мiсце узагальнена рiвнiсть Парсеваля–Стєклова: 〈f, ϕ〉L2(T) = ∑ k∈Z f̂(k)ϕ̂(k). Простори Соболєва Ht(T), t ∈ R, 2-перiодичних функцiй або узагальнених функцiй (розподiлiв) ми визначаємо за допомогою коефiцiєнтiв Фур’є: Ht(T) = { f = ∑ k∈Z f̂(k)ei kπx ∈ D′2(T) ∣∣‖f‖Ht(T) <∞ } , ‖f‖2Ht(T) = ∑ k∈Z (1 + |k|)2t|f̂(k)|2. Очевидно, що простори H0(T) i L2(T) збiгаються. Перiодична узагальнена функцiя f ∈ D′2(T) є дiйснозначною тодi i тiльки тодi, коли f̂(k) = f̂(−k), k ∈ Z+. Як добре вiдомо, D′2(T) = ⋃ t>0 H−t(T), ϕ ∈ C∞2 (T) = ⋂ t>0 Ht(T). Далi, для довiльних двох 2-перiодичних узагальнених фун- кцiй u та v їх добуток u · v формально ми визначимо наступним чином: u · v := ∑ k,j∈Z û(k − j)v̂(j)ei kπx. 248 В. М. Молибога Наступний вiдомий результат дає достатнi умови iснування та- кого добутку. Лема 2 (про згортку [14]). Нехай s, r > 0 i t 6 min(s, r). (I) Якщо s + r − t > 1/2, тодi добуток u · v двох довiльних 2-перiодичних узагальнених функцiй, який розглядається як вiд- ображення в просторах: (a) Hr(T)×Hs(T)→ Ht(T), (b) H−t(T)×Hs(T)→ H−r(T), є неперервним вiдображенням, при цьому мають мiсце оцiнки: (a) ‖u · v‖Ht(T) 6 C1(s, r, t)‖u‖Hr(T)‖v‖Hs(T), (b) ‖u · v‖H−r(T) 6 C2(s, r, t)‖u‖H−t(T)‖v‖Hs(T). (II) Якщо s + r − t < 1/2, тодi твердження (I) не виконує- ться. 2.2. Допомiжнi оцiнки Лема 3. Нехай s ∈ (1/2, 1), M ≥ 1. Тодi iснує така константа C = C(s) > 0, що виконується оцiнка:∑ k∈Z 1 M + |k|2sπ2s ≤ CM−1+ 1 2s . Доведення. Дiйсно,∑ k∈Z 1 M + |k|2sπ2s = 1 M + 2 ∑ k∈N 1 M + k2sπ2s , i ∑ k∈N 1 M + |k|2sπ2s ≤ ∫ ∞ 0 dx M + x2sπ2s = M 1 2s M ∫ ∞ 0 d x M 1 2s 1 + ( x M1/2s )2s π2s ≤ CM−1+ 1 2s . Про кореневi функцiї дробового оператора Шредiнгера... 249 Лему 3 доведено. 2 3. Доведення теореми 1 Теорема 4. Резольвента R(λ,S(V )) оператора S(V ) є ядерним оператором. Введемо позначення BR(H−s(T)) ≡ BR := { V ∈ H−s(T) ∣∣‖V ‖H−s(T) 6 R } , R > 0, i ExtM := {λ ∈ C ||Imλ| ≥ Reλ+M } , M ≥ 1. Далi, без втрати загальностi, будемо вважати, що V̂ (0) = 0. Твердження 5. Нехай V ∈ BR. Iснує таке число M = M(s,R) > 1, що ExtM ⊂ ⋂ V ∈BR Resolv(S(V )), i для λ ∈ ExtM резольвента R(λ,S(V )) допускає представлення: R(λ) ≡ R(λ,S(V )) = (1) Uλ|λ− D2s|− 1 2 ( Id− |λ− D2s|− 1 2V|λ− D2s|− 1 2Uλ )−1 |λ− D2s|− 1 2 . Тут через Uλ i |λ− D2s|− 1 2 позначено оператори, якi визначаю- ться з полярного представлення (λ− D2s)−1 = Uλ ∣∣(λ− D2s)−1 ∣∣ , а через V := V · позначено оператор множення на 2-перiодичну узагальнену функцiю V . 250 В. М. Молибога Доведення твердження 5. Знайдемо спершу матричне представлення операторiв в (1). Нехай A оператор, який визначений на просторi 2- перiодичних узагальнених функцiй D′2(T). Його формальне ма- тричне представлення визначається наступним чином: A = {A(k, j)}k,j∈Z, A(k, j) = 〈A ei jπx, ei kπx〉L2(T), k, j ∈ Z. Тодi оператори D2s, V := V (x)· та (λ − D2s)−1 мають таке представлення: D2s(k, j) = 〈D2s ei jπx, ei kπx〉L2(T) = |k|2sπ2sδkj , V(k, j) = 〈V (x) · ei jπx, ei kπx〉L2(T) = V̂ (k − j), (λ− D2s)(k, j) = 〈(λ− D2s) ei jπx, ei kπx〉L2(T) = (λ− |k|2sπ2s)δkj , i (λ− D2s)−1(k, j) = 1 λ− |k|2sπ2s δkj . Введемо позначення A(λ, V ) ≡ Aλ := ∣∣λ− D2s ∣∣− 1 2 V ∣∣λ− D2s ∣∣− 1 2 . (2) Тодi |(λ− D2s)−1|(k, j) = |(λ− D2s)|−1(k, j) = 1 |λ− |k|2sπ2s| δkj , |λ− D2s|− 1 2 (k, j) = 1 |λ− |k|2sπ2s| 1 2 δkj , Uλ(k, j) = |λ− |k|2sπ2s| λ− |k|2sπ2s δkj , i Aλ(k, j) = V̂ (k − j) |λ− |k|2sπ2s| 1 2 |λ− |j|2sπ2s| 1 2 . Про кореневi функцiї дробового оператора Шредiнгера... 251 Лема 6. Нехай V ∈ BR. Оператор Aλ = |λ− D2s|− 1 2V|λ− D2s|− 1 2 є оператором Гiльберта–Шмiдта в L2(T) i при λ ∈ ExtM його норма оцiнюється наступним чином (C = C(s) > 0): ‖Aλ‖HS ≤ C‖V ‖H−s(T)M − 1 2 + 1 4s . Тут через ‖·‖HS позначено норму Гiльберта–Шмiдта. Доведення. Введемо позначення 〈k〉 := 1 + |k| i v(k) := 〈k〉−sV̂ (k). Тодi ‖v‖l2(Z) = ‖V ‖H−s(T), v = {v(k)}k∈Z. Для норми Гiльберта–Шмiдта оператора Aλ маємо ‖Aλ‖2HS = ∑ k,j∈Z |V̂ (k − j)|2 |λ− |k|2sπ2s||λ− |j|2sπ2s| = ∑ k,j∈Z 〈k − j〉2s|v(k − j)|2 |λ− |k|2sπ2s||λ− |j|2sπ2s| . Враховуючи тепер, що 〈k − j〉2s ≤ 22s|k − j|2s, k 6= j, i |λ− |k|2sπ2s| ≥ √ 2 2 ( M + |k|2sπ2s ) , λ ∈ ExtM , отримуємо ‖Aλ‖2HS ≤ 22s+1 ∑ k,j∈Z |k − j|2s|v(k − j)|2 |M + |k|2sπ2s||M + |j|2sπ2s| = [m := k − j, k = m+ j] = 22s+1 ∑ m,j∈Z |m|2s|v(m)|2 |M + |m+ j|2sπ2s||M + |j|2sπ2s| . 252 В. М. Молибога Далi, окремо розглянемо випадок |j| ≤ |m|2 i |j| > |m| 2 . (I) Нехай |j| ≤ |m|2 . Тодi |M + |m+ j|2sπ2s| ≥ |m+ j|2sπ2s ≥ |m| 2s 22s π2s ≥ |m|2s, i отже ‖Aλ‖2HS ≤ 22s+1 ∑ m∈Z |v(m)|2 ∑ j∈Z 1 |M + |j|2sπ2s| L.3(a) ≤ C‖V ‖2H−s(T)M −1+ 1 2s . (II) Нехай тепер |j| > |m| 2 . Тодi |M + |j|2sπ2s| ≥ |j|2sπ2s ≥ |m| 2s 22s π2s ≥ |m|2s, i ‖Aλ‖2HS ≤ 22s+1 ∑ m∈Z |v(m)|2 ∑ j∈Z 1 |M + |m+ j|2sπ2s| L.3(a) ≤ C‖V ‖2H−s(T)M −1+ 1 2s . Таким чином нами доведено, що ‖Aλ‖2HS ≤ C‖V ‖2H−s(T)M −1+ 1 2s , C > 0, i остаточно ‖Aλ‖HS ≤ C‖V ‖H−s(T)M − 1 2 + 1 4s . Лему 6 доведено. 2 Оператор λ− S(V ) допускає представлення: λ− S(V ) (3) = |λ− D2s| 1 2 ( Id− |λ− D2s|− 1 2V|λ− D2s|− 1 2Uλ ) |λ− D2s| 1 2U−1λ . Про кореневi функцiї дробового оператора Шредiнгера... 253 Дiйсно, для u, v ∈ Hs(T), tλ−S(V )[u, v] = 〈(λ− S(V ))u, v〉 = 〈|λ− D2s| 1 2 ( Id− |λ− D2s|− 1 2V|λ− D2s|− 1 2Uλ ) |λ− D2s| 1 2U−1λ u, v〉. Для завершення доведення представлення (3) залишається ско- ристуватися першою теоремою про представлення [6, Теоре- ма VI.2.1]. З леми 6 випливає, що для достатньо великого M ≥ 1 норма Гiльберта–Шмiдта оператора A(λ, V ) менша за 1. Цього доста- тньо для того, щоб оператор S(V ) мав резольвенту, яка в силу (3) має представлення (1). Твердження 5 доведено. 2 Доведення теореми 4. Згiдно з твердженням 5 при λ ∈ ExtM резольвента R(λ,S(V )) оператора S(V ) має представлення (1). Нагадаємо, що добуток оператора Гiльберта–Шмiдта та обме- женого оператора є оператором Гiльберта–Шмiдта i що добуток двох операторiв Гiльберта–Шмiдта є ядерним оператором. Тепер, приймаючи до уваги, що оператор |λ − D2s|− 1 2 при s ∈ (1/2, 1) є оператором Гiльберта–Шмiдта, а оператор( Id− |λ− D2s|− 1 2V|λ− D2s|− 1 2Uλ )−1 є обмеженим, з представле- ння (1) отримуємо ядернiсть резольвенти R(λ,S(V )) для λ ∈ ExtM . Для довiльного µ ∈ Resolv(S(V )) з тотожностi Гiльберта для резольвент: R(µ,S(V )) = R(λ,S(V ))+(µ−λ)R(µ,S(V ))R(λ,S(V )), λ ∈ ExtM , отримуємо ядернiсть резольвенти R(µ,S(V )) оператора S(V ). Теорему 4 доведено. 2 Доведення теореми 1. Система власних та приєднаних функцiй резольвенти R(λ,S(V )) є повною, що випливає з теореми 254 В. М. Молибога В. Б. Лiдського [4, Теорема V.2.3] (див. також [4, Теорема V.6.1]), оскiльки оператор R(λ,S(V )) m-секторний i ядерний. Тепер справедливiсть теореми 1 випливає з того факту, що системи власних та приєднаних функцiй оператора S(V ) та його резольвенти R(λ,S(V )) збiгаються. Теорему 1 доведено. Лiтература [1] Djakov P., Mityagin B. Bari–Markus property for Riesz projections of Hill operators with singular potentials // Contemporary Mathemati- cs. – 2009. – 481. – P. 59–80. [2] Djakov P., Mityagin B. Criteria for existence of Riesz bases consi- sting of root functions of Hill and 1D Dirac operators // Journal of Functional Analysis. – 2012. – 263. – P. 2300–2332. [3] Gesztesy F., Tkachenko V. A Schauder and Riesz basis criterion for non-self-adjoint Schrödinger operators with periodic and anti-periodic boundary conditions // J. Differential Equations. – 2012. – 253. – P. 400–437. [4] Gohberg I., Krein M. Introduction to the theory of linear non-self- adjoint operators. – Providence, RI: AMS, Translations of Mathemati- cal Monographs, Vol. 18, 1969. – xv+378 p. [5] Hryniv R., Mykytyuk Ya. Schrödinger operators with periodic singular potentials // Methods Funct. Anal. Topology. – 2001. – 7, No 4. – P. 31–42. [6] Kato T. Perturbation theory for linear operators. – Berlin, etc.: Springer–Verlag, 1995. – xxii+619 p. [7] Korotyaev E. Characterization of the spectrum of Schrödinger operators with periodic distributions // Int. Math. Res. Not. IMRN. – 2003. – 37, No 2. – P. 2019–2031. [8] Mikhailets V., Molyboga V. Singular eigenvalue problems on the ci- rcle // Methods Funct. Anal. Topology. – 2004. – 10, No 3. – С. 44–53. Про кореневi функцiї дробового оператора Шредiнгера... 255 [9] Mikhailets V., Molyboga V. Singularly perturbed periodic and semi- periodic differential operators // Ukrainian Math. J. – 2007. – 59, № 6. – С. 858–873. [10] Mikhailets V., Molyboga V. Spectral gaps of the one-dimensional Schrödinger operators with singular periodic potentials // Methods Funct. Anal. Topology. – 2009. – 15, No 1. – С. 31–40. [11] Mikhailets V., Molyboga V. On the spectrum of singular perturbations of operators on the circle // Math. Notes. – 2012. – 91, No 4. – P. 588– 591. [12] Molyboga V. Completeness of the rootvector system of the two-terms non-seladjoint differential operators of an even order with periodic di- stribution potentials // Bulletin of University of Kyiv. Series: Physics & Mathematics. – 2010. – No 3. – P. 68–73. [13] Владимиров В. С. Обобщённые функции в математической физи- ке. – Москва: Наука. – 1976. – 280 с. [14] Михайлець В. А., Молибога В. М. Спектральнi задачi на класах перiодичних узагальнених функцiй. – Київ, 2004. – 46 с. – (Препр. / НАН України. Iн-т математики; 2004.– 10). [15] Михайлец В. А., Молибога В. Н. Возмущение периодических и полупериодических операторов распределением Шварца // До- повiдi НАН України. – 2006. – № 7. – С. 26–31. [16] Молибога В. М. Сингулярнi збурення дробово-диференцiальних операторiв на колi // Збiрник праць Iн-ту математики НАН Укра- їни. – 2015. – 12, № 2. – С. 291–306.
id oai:trim.imath.kiev.ua:article-216
institution Transactions of Institute of Mathematics of NAS of Ukraine
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-08-04T01:04:13Z
publishDate 2016
publisher Інститут математики НАН України
record_format ojs
resource_txt_mv trimimathkievua/12/ffef253030f28226572c60ea151dc312.pdf
spelling oai:trim.imath.kiev.ua:article-2162018-01-29T13:10:15Z On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential Про кореневі функції дробового оператора Шредінгера з сингулярним потенціалом Molyboga, V. M. Молибога, В. М. We prove a completeness in the Hilbert space $L^{2}(\mathbb{T})$ of the system of eigenfunctions and associated functions of non-selfadjoint fractional Schr\&quot;{o}dinger operator $\mathbb{D}^{2s}u+Vu$, $s\in (1/2,1)$, on a circle with singular potential $V$ from the negative Sobolev space $H^{-s}(\mathbb{T})$. Доведено повноту в гільбертовому просторі $L^{2}(\mathbb{T})$ системи власних та приєднаних функцій несамоспряженого дробового оператора Шредінгера $\mathbb{D}^{2s}u+Vu$, $s\in (1/2,1)$, на колі з сингулярним потенціалом $V$ з негативного простору Соболєва $H^{-s}(\mathbb{T})$. Інститут математики НАН України 2016-05-16 Article Article application/pdf https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/216 Transactions of Institute of Mathematics, the NAS of Ukraine; Vol. 13 No. 1 (2016): Differential equations and related problems of analysis; 244-255 Сборник Трудов Института математики НАН Украины; Том 13 № 1 (2016): Диференціальні рівняння і суміжні питання аналізу; 244-255 Збірник Праць Інституту математики НАН України; Том 13 № 1 (2016): Диференціальні рівняння і суміжні питання аналізу; 244-255 3083-7529 1815-2910 uk https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/216/193 Авторське право (c) 2016 В. М. Молибога
spellingShingle Molyboga, V. M.
Молибога, В. М.
On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential
title On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential
title_alt Про кореневі функції дробового оператора Шредінгера з сингулярним потенціалом
title_full On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential
title_fullStr On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential
title_full_unstemmed On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential
title_short On root functions of fractional Schrödinger operator with singular potential
title_sort on root functions of fractional schrödinger operator with singular potential
url https://trim.imath.kiev.ua/index.php/trim/article/view/216
work_keys_str_mv AT molybogavm onrootfunctionsoffractionalschrodingeroperatorwithsingularpotential
AT molibogavm onrootfunctionsoffractionalschrodingeroperatorwithsingularpotential
AT molybogavm prokorenevífunkcíídrobovogooperatorašredíngerazsingulârnimpotencíalom
AT molibogavm prokorenevífunkcíídrobovogooperatorašredíngerazsingulârnimpotencíalom