Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations

The relative mean integral oscillations of a nondecreasing equimeasurable rearrangement are estimated from above via the same oscillations of the original function. On the basis of this estimate, we establish a lower order-exact estimate for the rate of decrease (vanishing) of the rearrangement.

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2019
Main Authors: Korenovskii, A. A., Кореновский, А. А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2019
Online Access:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1435
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Download file: Pdf

Institution

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860507184727588864
author Korenovskii, A. A.
Кореновский, А. А.
Кореновский, А. А.
author_facet Korenovskii, A. A.
Кореновский, А. А.
Кореновский, А. А.
author_sort Korenovskii, A. A.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2019-12-05T08:54:43Z
description The relative mean integral oscillations of a nondecreasing equimeasurable rearrangement are estimated from above via the same oscillations of the original function. On the basis of this estimate, we establish a lower order-exact estimate for the rate of decrease (vanishing) of the rearrangement.
first_indexed 2026-03-24T02:05:17Z
format Article
fulltext УДК 517.5 А. А. Кореновский (Одес. нац. ун-т им. И. И. Мечникова) ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ В ТЕРМИНАХ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ The relative mean integral oscillations of a nondecreasing equimeasurable rearrangement are estimated from above via the same oscillations of the original function. On the basis of this estimate, we establish a lower order-exact estimate for the rate of decrease (vanishing) of the rearrangement. Вiдноснi середнi iнтегральнi коливання неспадної рiвновимiрної перестановки оцiнено зверху через такi ж коли- вання початкової функцiї. На основi цiєї оцiнки отримано точну за порядком оцiнку знизу швидкостi спадання (зникнення) перестановки. 1. Введение. Пусть Q0 \subset \BbbR d — куб1, f \in L (Q0) — неотрицательная функция. Для куба Q \subset Q0 обозначим fQ = 1 | Q| \int Q f(x) dx, где | \cdot | — мера Лебега. Средним колебанием функции f на Q называется величина \Omega (f ;Q) = 1 | Q| \int Q | f(x) - fQ| dx. Очевидно, \Omega (f ;Q) \leq 2fQ. Величину \Omega (f ;Q) fQ естественно называть относительным2 средним колебанием функции f на кубе Q \biggl( если fQ = 0, то считаем, что \Omega (f ;Q) fQ = 2 \biggr) . Для 0 < \sigma \leq | Q0| введем в рассмотрение величину (см. [5, с. 101]) \nu (f ;\sigma ) = \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} | Q| \leq \sigma \Omega (f ;Q) fQ , где верхняя грань берется по всем кубам Q \subset Q0, мера3 которых не превышает \sigma . Ясно, что \nu (f ;\sigma ) не убывает, \nu (f ;\sigma ) \leq \nu (f ; | Q0| ) \leq 2, 0 < \sigma \leq | Q0| . Функция \nu (f ;\sigma ) характеризует относительные колебания функции f по „малым” кубам. Некоторые свойства функции \nu (f ;\sigma ) приведены в п. 2 (см. также [1, 2, 4, 5]). В данной работе изучаются глобальные характеристики функции f, выраженные в терминах относительных колебаний \nu (f ;\sigma ). Сначала напомним необходимые определения и известные в этом направлении результаты. Для измеримой на кубе Q0 неотрицательной функции f невозрастающей перестановкой называется невозрастающая на (0, | Q0| ] функция f\ast , равноизмеримая с f, т. е. такая, что при любом \lambda > 0 справедливо4 | Q0(f > \lambda )| = | \{ t \in (0, | Q0| ] : f\ast (t) > \lambda \} | . 1Всюду в работе рассматриваются кубы, стороны которых параллельны координатным осям. 2Т. е. инвариантным относительно умножения функции f на постоянный положительный множитель. 3В [5] при определении \nu (f ;\sigma ) верхняя грань берется по кубам Q \subset Q0, длина стороны которых не превышает \sigma , но это несущественно. 4Для множества E и свойства P = P (x) через E(P ) обозначаем множество тех точек x \in E, для которых справедливо свойство P. c\bigcirc А. А. КОРЕНОВСКИЙ, 2019 246 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ . . . 247 Этим свойством перестановка f\ast определяется лишь с точностью до множества точек разрыва5; для однозначности можем, например, считать, что f\ast непрерывна справа. Тогда перестановку f\ast можно определить равенством (см. [3]) f\ast (t) = \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} | e| \geq t \mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{f} x\in e f(x), t \in (0, | Q0| ] , где верхняя грань берется по всем измеримым подмножествам e \subset Q0, лебегова мера которых | e| \geq t. Для f \in L (Q0) положим f\ast \ast (t) = (f\ast )[0,t] = 1 t t\int 0 f\ast (u) du, t \in (0, | Q0| ] . В работах [4, 5, с. 101] была получена следующая оценка6 относительных колебаний невоз- растающей перестановки функции по интервалам [0, t]: 1 t t\int 0 | f\ast (u) - f\ast \ast (t)| du \leq 3 \cdot 2d \nu \Bigl( f ; 2d t \Bigr) f\ast \ast (t). С помощью этой оценки в [4, 5, с. 104] установлено следующее ограничение на рост невозрас- тающей перестановки при t \rightarrow 0+: f\ast \ast (t) \leq cd fQ0 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( c\prime d | Q0| \int 2d t \nu (f ; \tau ) d\tau \tau \right) , где постоянные cd и c\prime d не зависят от функции f. Это неравенство означает, что \mathrm{l}\mathrm{n} f\ast \ast (t) fQ0 \leq \mathrm{l}\mathrm{n} cd + c\prime d | Q0| \int 2d t \nu (f ; \tau ) d\tau \tau . (1) В данной работе получена аналогичная оценка снизу скорости убывания (исчезновения) перестановки f\ast (t) при t \rightarrow | Q0| - 0. Для удобства будем рассматривать неубывающую рав- ноизмеримую перестановку f\ast функции f, которую можно определить равенством f\ast (t) = f\ast (| Q0| - t) , t \in (0, | Q0| ] . Положим также f\ast \ast (t) = (f\ast )[0,t] = 1 t t\int 0 f\ast (u) du, t \in (0, | Q0| ] . Тогда основные результаты данной работы можем сформулировать в виде следующих двух теорем. 5В силу монотонности f\ast это множество не более чем счетно. 6В связи с различием в определении функции \nu (f ;\sigma ) в цитируемых работах эта оценка имеет другой вид. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 248 А. А. КОРЕНОВСКИЙ Теорема 1. Пусть неотрицательная функция f суммируема на кубе Q0. Тогда для 0 < < t \leq 2 - d | Q0| выполняется неравенство 1 t t\int 0 | f\ast (u) - f\ast \ast (t)| du \leq \Bigl( 2d + 1 \Bigr) \nu \Bigl( f ; 2d t \Bigr) f\ast \ast (t). Теорема 2. Пусть неотрицательная функция f суммируема на кубе Q0, \nu (f ; | Q0| ) \leq \leq 1 e (1 + 2d) . Тогда для 0 < t \leq | Q0| 2d выполняется неравенство f\ast \ast (t) \geq 1 4 fQ0 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - \Bigl( 1 + 2d \Bigr) e | Q0| \int 2d t \nu (f ; \tau ) d\tau \tau \right) . (2) Доказательства этих теорем содержатся в п. 3. В этом же пункте приведена теорема 4, показывающая, что оценка (2) неулучшаемая с точностью до постоянных. В завершение заметим, что f\ast \ast (| E| ) \leq fE \leq f\ast \ast (| E| ) для любого измеримого подмножест- ва E \subset Q0. Отсюда следует, что неравенства (1) и (2) можно объединить в виде следующей теоремы. Теорема 3. Пусть неотрицательная функция f суммируема на кубе Q0, \nu (f ; | Q0| ) \leq \leq 1 e (1 + 2d) . Тогда для любого измеримого подмножества E \subset Q0 \biggl( | E| \leq | Q0| 2d \biggr) выполня- ется неравенство \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \mathrm{l}\mathrm{n} fE fQ0 \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \leq c1 + c2 | Q0| \int 2d | E| \nu (f ; \tau ) d\tau \tau , где постоянные c1 и c2 не зависят от функции f. 2. Свойства относительных средних колебаний. Лемма 1. Если fQ > 0 на некотором кубе Q, то \Omega (f ;Q) < 2 fQ, причем множитель 2 в правой части, вообще говоря, нельзя уменьшить. Доказательство. Достаточно рассмотреть нетривиальный случай \Omega (f ;Q) > 0. В этом случае 0 < | Q (f < fQ)| < | Q| и поэтому\int Q(f<fQ) (fQ - f(x)) dx \leq fQ | Q (f < fQ)| < fQ | Q| . (3) Но поскольку \Omega (f ;Q) = 2 | Q| \int Q(f<fQ) (fQ - f(x)) dx = 2 | Q| \int Q(f\geq fQ) (f(x) - fQ) dx, то ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ . . . 249\int Q(f\geq fQ) (f(x) - fQ) dx < fQ | Q| . (4) Складывая (3) и (4), получаем \Omega (f ;Q) = 1 | Q| \left( \int Q(f<fQ) (fQ - f(x)) dx+ \int Q(f\geq fQ) (f(x) - fQ) dx \right) < 2 fQ. Для доказательства второго утверждения леммы зададим произвольное 0 < \varepsilon < 10 - 2 и определим на Q \equiv [0, 1] функцию f = \chi [0,\varepsilon /4) + \varepsilon 3\chi [\varepsilon /4,1]. Тогда fQ = \varepsilon 4 + \varepsilon 3 \Bigl( 1 - \varepsilon 4 \Bigr) < \varepsilon 3 , \Omega (f ;Q) > 2 \cdot \varepsilon 4 \Bigl( 1 - \varepsilon 3 \Bigr) , \Omega (f ;Q) fQ > \varepsilon 2 \Bigl( 1 - \varepsilon 3 \Bigr) \varepsilon 4 + \varepsilon 3 \Bigl( 1 - \varepsilon 4 \Bigr) = 2 - 2 3 \varepsilon 1 + \varepsilon 2(4 - \varepsilon ) > 2 - \varepsilon . Лемма 1 доказана. Замечание 1. Построенная при доказательстве второй части леммы 1 функция f ограни- чена и „отделена от нуля”, т. е. \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} x\in Q f(x) = 1 < +\infty , \mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{f} x\in Q f(x) = \varepsilon 3 > 0. Можно показать (см. [6]), что \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} Q \prime \subset Q \Omega (f ;Q \prime ) fQ \prime = 2 1 - \varepsilon 3/2 1 + \varepsilon 3/2 < 2, где верхняя грань справа берется по всем интервалам Q \prime \subset Q. Зафиксируем куб Q0. В нетривиальном случае \nu (f ; | Q0| ) < 2 имеем fQ0 > 0. С другой стороны, из леммы 1 следует, что если fQ = 0 хотя бы на каком-нибудь кубе Q \subset Q0, то \nu (f ;\sigma ) \equiv 2 при любом 0 < \sigma \leq | Q0| . Следующая лемма уточняет этот вывод. Именно, условие \nu (f ;\sigma ) < 2 при некотором 0 < \sigma \leq | Q0| гарантирует, что функция f положительна почти всюду на Q0. Лемма 2 (см. [5, с. 99]). Если | Q0(f = 0)| > 0, то \nu (f ;\sigma ) \equiv 2, 0 < \sigma \leq | Q0| . Доказательство. Считаем, что fQ0 > 0. Зафиксируем произвольные 0 < \sigma \leq | Q0| и 0 < \delta < 1. Поскольку почти каждая точка множества A = Q0(f = 0) является его точкой плотности, то по теореме Лебега найдется такой куб Q, что | Q| \leq \sigma , fQ > 0 и для множества E = Q \setminus A имеет место неравенство | E| < \delta 2 | Q| . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 250 А. А. КОРЕНОВСКИЙ Тогда из неравенства\int E(f\leq fQ) f(x) dx \leq fQ | E (f \leq fQ)| = | E (f \leq fQ)| | Q| \int E f(x) dx следует, что | E (f > fQ)| | Q| \int E f(x) dx+ \int E(f\leq fQ) f(x) dx \leq \leq 1 | Q| (| E (f > fQ)| + | E (f \leq fQ)| ) \int E f(x) dx = = | E| | Q| \int E f(x) dx \leq \delta 2 \int E f(x) dx. Отсюда получаем | Q| 2 (\Omega (f ;Q) - (2 - \delta )fQ) = \int E(f>fQ) (f(x) - fQ) dx - 2 - \delta 2 \int E f(x) dx = = \int E(f>fQ) f(x) dx - fQ | E (f > fQ)| - \int E f(x) dx+ \delta 2 \int E f(x) dx \geq \geq \int E(f>fQ) f(x) dx - | E (f > fQ)| | Q| \int E f(x) dx - - \int E f(x) dx+ | E (f > fQ)| | Q| f(x) dx+ \int E(f\leq fQ) f(x) dx = 0, т. е. \Omega (f ;Q) fQ \geq 2 - \delta . В силу произвольности \delta и \sigma отсюда следует утверждение леммы. Следующая лемма показывает, что функция \nu (f ;\sigma ) не может быстро возрастать. Лемма 3. Функция \nu (f ;\sigma ) \sigma почти убывает, т. е. существует такая постоянная cd > 0, что для 0 < \sigma 1 < \sigma 2 \leq | Q0| выполняется неравенство \nu (f ;\sigma 1) \sigma 1 \geq cd \nu (f ;\sigma 2) \sigma 2 . В качестве cd можно взять cd = 1/ \bigl( 22d+2 + 1 \bigr) . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ . . . 251 Доказательство. Сначала покажем, что для двух кубов Q \prime \subset \widetilde Q таких, что | Q \prime | = 2 - d \bigm| \bigm| \bigm| \widetilde Q\bigm| \bigm| \bigm| , выполняется неравенство \bigm| \bigm| \bigm| fQ \prime - f \widetilde Q \bigm| \bigm| \bigm| \leq 2d\Omega \Bigl( f ; \widetilde Q\Bigr) . (5) Действительно, \bigm| \bigm| \bigm| fQ \prime - f \widetilde Q \bigm| \bigm| \bigm| \leq 1 | Q \prime | \int Q \prime \bigm| \bigm| \bigm| f(x) - f \widetilde Q \bigm| \bigm| \bigm| dx \leq \leq \bigm| \bigm| \bigm| \widetilde Q\bigm| \bigm| \bigm| | Q \prime | 1\bigm| \bigm| \bigm| \widetilde Q\bigm| \bigm| \bigm| \int \widetilde Q \bigm| \bigm| \bigm| f(x) - f \widetilde Q \bigm| \bigm| \bigm| dx = 2d\Omega \Bigl( f ; \widetilde Q\Bigr) . Пусть теперь произвольные 0 < \sigma 1 < \sigma 2 \leq | Q0| . Выберем произвольный куб Q = = d\bigotimes k=1 \Bigl[ ak, ak + \sigma 1/d 2 \Bigr] \subset Q0, | Q| = \sigma 2. Положим7 N = 2 \Biggl( \Biggl[ \biggl( \sigma 2 \sigma 1 \biggr) 1/d \Biggr] + 1 \Biggr) , N \geq 4, и разобьем каждую из сторон \Bigl[ ak, ak + \sigma 1/d 2 \Bigr] куба Q на N отрезков равной длины \sigma 1/d 2 N \in \in \biggl[ 1 4 \sigma 1/d 1 , 1 2 \sigma 1/d 1 \biggr] . В результате получим Nd кубов Qi = d\bigotimes k=1 \biggl[ ak + ik - 1 N \sigma 1/d 2 , ak + ik N \sigma 1/d 2 \biggr] , где мультииндекс i = (i1, . . . , id) , 1 \leq ik \leq N, k = 1, . . . , d. Зафиксируем произвольную пару мультииндексов i = (i1, . . . , id) \not = l = (l1, . . . , ld) и построим дизъюнктивный набор кубов Q(j) следующим образом. Положим i(0) = i, Q(0) = = Qi(0) . Если Q(j) \not = Ql, то положим i(j+1) = \Bigl( i (j) 1 + \varepsilon (j) 1 , . . . , i (j) d + \varepsilon (j) d \Bigr) , где числа \varepsilon (j) k \in \{ 0,\pm 1\} выбираются таким образом, чтобы сумма d\sum k=1 \bigm| \bigm| \bigm| i(j+1) k - lk \bigm| \bigm| \bigm| была минимальной. В результате получим конечный набор кубов Q(0) = Qi(0) = Qi, Q (1) = Qi(1) , . . . , Q (m) = Qi(m) = Ql, 1 \leq m \leq N. При этом кубы Q(j - 1) и Q(j) имеют хотя бы одну общую граничную точку и, таким образом, найдется такой куб (вообще говоря, не единственный) \widetilde Q(j) \supset Q(j - 1) \cup Q(j), что \bigm| \bigm| \bigm| \widetilde Q(j) \bigm| \bigm| \bigm| = = 2d \bigm| \bigm| Q(j - 1) \bigm| \bigm| = 2d \bigm| \bigm| Q(j) \bigm| \bigm| , j = 1, . . . ,m. Далее рассматриваем случай m \geq 3 (при m = 1, 2 7Через [ \cdot ] обозначена функция целой части. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 252 А. А. КОРЕНОВСКИЙ рассуждения лишь упрощаются). В силу построения кубов Q(j) для любого j = 1, . . . ,m - 2 найдется такое k = 1, . . . , d, что \bigm| \bigm| \bigm| i(j+2) k - i (j) k \bigm| \bigm| \bigm| = 2. Это означает, что при любом j = 1, . . . ,m - 2\Biggl( j\bigcup r=1 \mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t} \widetilde Q(r) \Biggr) \bigcap \left( m\bigcup r=j+2 \mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t} \widetilde Q(r) \right) = \varnothing . Отсюда следует, что почти каждая точка множества E = m\bigcup j=1 \widetilde Q(j) содержится в пересечении внутренностей не более чем двух различных кубов \widetilde Q(j). Поэтому\int E f(x) dx \geq 1 2 m\sum j=1 \int \widetilde Q(j) f(x) dx. (6) Заметим также, что в силу выбора числа N имеем8 \sigma 1 4d \leq \bigm| \bigm| \bigm| Q(j) \bigm| \bigm| \bigm| \leq \sigma 1 2d \leq \bigm| \bigm| \bigm| \widetilde Q(j) \bigm| \bigm| \bigm| \leq \sigma 1. Поэтому, применяя также (5) и (6), получаем | fQi - fQl | fQ \leq 1 fQ m\sum j=1 \bigm| \bigm| \bigm| fQ(j - 1) - fQ(j) \bigm| \bigm| \bigm| \leq \leq 1 fQ m\sum j=1 \Bigl( \bigm| \bigm| \bigm| fQ(j - 1) - f \widetilde Q(j) \bigm| \bigm| \bigm| + \bigm| \bigm| \bigm| fQ(j) - f \widetilde Q(j) \bigm| \bigm| \bigm| \Bigr) \leq \leq 2d+1 1 fQ \nu (f ;\sigma 1) m\sum j=1 f \widetilde Q(j) = 2d+1\nu (f ;\sigma 1) | Q| \bigm| \bigm| \bigm| \widetilde Q(j) \bigm| \bigm| \bigm| \sum m j=1 \int \widetilde Q(j) f(x) dx\int Q f(x) dx \leq 8 Число N = 2 \Biggl( \Biggl[ \biggl( \sigma 2 \sigma 1 \biggr) 1/d \Biggr] + 1 \Biggr) \Rightarrow N 2 - 1 \leq \sigma 1/d 2 \sigma 1/d 1 \leq N 2 \Rightarrow \sigma 1/d 1 4 \leq \sigma 1/d 2 N \equiv l \Bigl( Q(j) \Bigr) \leq \sigma 1/d 1 2 \Rightarrow \Rightarrow \sigma 1/d 1 2 \leq l \Bigl( \widetilde Q(j) \Bigr) \equiv 2l \Bigl( Q(j) \Bigr) \leq \sigma 1/d 1 \Rightarrow \sigma 1 2d \leq \bigm| \bigm| \bigm| \widetilde Q(j) \bigm| \bigm| \bigm| \leq \sigma 1. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ . . . 253 \leq 2d+1\nu (f ;\sigma 1) \cdot 2d \cdot \sigma 2 \sigma 1 \cdot 2 \int E f(x) dx\int Q f(x) dx \leq 22d+2\nu (f ;\sigma 1) \sigma 2 \sigma 1 . (7) Теперь, применяя очевидное неравенство\sum k ak\sum k bk \leq \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} k ak bk , ak, bk > 0, оцениваем \Omega (f ;Q) fQ = \sum i \int Qi | f(x) - fQ| dx\sum l \int Ql f(x) dx = \sum i 1 | Qi| \int Qi | f(x) - fQ| dx\sum l 1 | Ql| \int Ql f(x) dx \leq \leq \sum i \biggl( 1 | Qi| \int Qi | f(x) - fQi | dx+ | fQi - fQ| \biggr) \sum l 1 | Ql| \int Ql f(x) dx \leq \leq \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} i 1 | Qi| \int Qi | f(x) - fQi | dx 1 | Qi| \int Qi f(x) dx + \sum i | fQi - fQ| \sum l 1 | Ql| \int Ql f(x) dx \equiv S1 + S2. Ясно, что S1 \leq \nu (f ;\sigma 1) , а из (7) следует, что S2 = \sum i \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| fQi - 1 | Q| \sum l \int Ql f(x) dx \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \sum l 1 | Ql| \int Ql f(x) dx = \sum i | Qi| \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| fQi - 1 | Q| \sum l | Ql| fQl \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \sum l \int Ql f(x) dx \leq \leq 1 | Q| \sum i \sum l | Qi| | Ql| | fQi - fQl | \int Q f(x) dx \leq \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} i,l | fQi - fQl | fQ \leq 22d+2\nu (f ;\sigma 1) \sigma 2 \sigma 1 . В итоге получаем \Omega (f ;Q) fQ \leq S1 + S2 \leq \Bigl( 22d+2 + 1 \Bigr) \nu (f ;\sigma 1) \sigma 2 \sigma 1 . Поскольку куб Q \subset Q0, | Q| = \sigma 2, произвольный, то доказательство леммы завершено. 3. Доказательства основных результатов. Доказательство теоремы 1 основано на ис- пользовании следующей леммы. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 254 А. А. КОРЕНОВСКИЙ Лемма 4. Пусть неотрицательная функция f суммируема на кубе Q0 и число 0 < \alpha \leq \leq fQ0 . Тогда существует такой дизъюнктивный9 набор кубов \{ Qj\} j\geq 1 , Qj \subset Q0, что \alpha > fQj \geq \Bigl( 1 - 2d - 1\nu \Bigl( f ; 2d | Qj | \Bigr) \Bigr) \alpha , (8) f(x) \geq \alpha почти всюду на Q0 \setminus \left( \bigcup j\geq 1 Qj \right) . (9) Доказательство. Разделим Q0 на 2d двоичных куба и пусть \widetilde Q — один из них. Если f \widetilde Q < \alpha , то кубу \widetilde Q присваиваем очередной номер j, и это будет один из кубов Qj , его дальше делить не будем. Если же f \widetilde Q \geq \alpha , то куб \widetilde Q подлежит дальнейшему делению, и к нему применяем описанную процедуру отбора кубов Qj . В результате описанной процедуры отбора получим дизъюнктивный набор кубов \{ Qj\} j\geq 1 . Через Q \prime j обозначим тот из кубов \widetilde Q, в результате деления которого был получен куб Qj ; при этом, очевидно, \bigm| \bigm| Q \prime j \bigm| \bigm| = 2d | Qj | , fQ \prime j \geq \alpha . (10) Докажем (9). Если x /\in \bigcup j\geq 1Qj , то найдется последовательность стягивающихся к x кубов\widetilde Q, которые подлежали дальнейшему делению, т. е. для которых f \widetilde Q \geq \alpha . В силу теоремы Лебега о дифференцировании интегралов получаем, что f(x) \geq \alpha для почти всех x /\in \bigcup j\geq 1Qj . Осталось доказать (8). Левое неравенство выполняется в силу выбора кубов Qj . Для дока- зательства правого неравенства в (8) воспользуемся формулой (10). Тогда получим 0 \leq fQ \prime j - fQj = fQ \prime j - 1 | Qj | \int Qj f(x) dx = 1 | Qj | \int Qj \Bigl( fQ \prime j - f(x) \Bigr) dx \leq \leq 1 | Qj | \int Qj \biggl( f<fQ \prime j \biggr) \Bigl( fQ \prime j - f(x) \Bigr) dx \leq \leq 1\bigm| \bigm| \bigm| Q \prime j \bigm| \bigm| \bigm| \int Qj \biggl( f<fQ \prime j \biggr) \Bigl( fQ \prime j - f(x) \Bigr) dx = = \bigm| \bigm| \bigm| Q \prime j \bigm| \bigm| \bigm| | Qj | 1 | Qj | \int Qj \biggl( f<fQ \prime j \biggr) \Bigl( fQ \prime j - f(x) \Bigr) dx = = 2d \cdot 1 2 \Omega \bigl( f ;Q \prime j \bigr) \leq 2d - 1 fQ \prime j \nu \bigl( f ; \bigm| \bigm| Q \prime j \bigm| \bigm| \bigr) . Отсюда следует, что 9Набор кубов называется дизъюнктивным, если внутренности этих кубов попарно не пересекаются. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ . . . 255 fQj \geq \Bigl( 1 - 2d - 1\nu \bigl( f ; \bigm| \bigm| Q \prime j \bigm| \bigm| \bigr) \Bigr) fQ \prime j \geq \Bigl( 1 - 2d - 1 \nu \bigl( f ; \bigm| \bigm| Q \prime j \bigm| \bigm| \bigr) \Bigr) \alpha . Лемма 4 доказана. Доказательство теоремы 1. Положим \alpha = f\ast \ast (t) и в результате применения леммы 4 получим набор кубов \{ Qj\} j\geq 1 . Обозначим E = \bigcup j\geq 1Qj . Тогда t\int 0 | f\ast (u) - f\ast \ast (t)| du = 2 \int \{ u: f\ast (u)<\alpha \} (\alpha - f\ast (u)) du = = 2 \int Q0(f<\alpha ) (\alpha - f(x)) dx = 2 \int Q0(f<\alpha )\cap E (\alpha - f(x)) dx = = 2 \sum j\geq 1 \int Q0(f<\alpha )\cap Qj (\alpha - f(x)) dx = 2 \sum j\geq 1 \int Qj(f<\alpha ) (\alpha - f(x)) dx = = 2 \sum j\geq 1 \int Qj(f<\alpha ) \bigl( \alpha - fQj + fQj - f(x) \bigr) dx = = 2 \sum j\geq 1 \int Qj(f<\alpha ) \bigl( fQj - f(x) \bigr) dx+ 2 \sum j\geq 1 \bigl( \alpha - fQj \bigr) | Qj(f < \alpha )| = = 2 \sum j\geq 1 \int Qj \Bigl( fQj \leq f<\alpha \Bigr) \bigl( fQj - f(x) \bigr) dx+ 2 \sum j\geq 1 \int Qj \Bigl( f<fQj \Bigr) \bigl( fQj - f(x) \bigr) dx+ +2 \sum j\geq 1 \bigl( \alpha - fQj \bigr) | Qj(f < \alpha )| \equiv S1 + S2 + S3. Прежде всего заметим, что S1 \leq 0. Далее, поскольку fQj < \alpha , то 1 | E| \int E f(x) dx = 1 | E| \sum j\geq 1 \int Qj f(x) dx = 1 | E| \sum j\geq 1 | Qj | fQj \leq \alpha 1 | E| \sum j\geq 1 | Qj | = \alpha . Отсюда и из определения перестановки f\ast следует f\ast \ast (t) = 1 t t\int 0 f\ast (u) du = \alpha \geq 1 | E| \int E f(x) dx \geq 1 | E| | E| \int 0 f\ast (u) du, и, таким образом, в силу монотонности f\ast имеем t \geq | E| . Оценим S2 : S2 = 2 \sum j\geq 1 \int Qj \Bigl( f<fQj \Bigr) \bigl( fQj - f(x) \bigr) dx = \sum j\geq 1 \int Qj \bigm| \bigm| f(x) - fQj \bigm| \bigm| = ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 256 А. А. КОРЕНОВСКИЙ = \sum j\geq 1 \Omega (f ;Qj) fQj \int Qj f(x) dx \leq \nu (f ; t) \sum j\geq 1 \int Qj f(x) dx \leq \leq \nu (f ; t)\alpha \sum j\geq 1 | Qj | = \alpha \nu (f ; t) | E| \leq \alpha \nu (f ; t) t. Чтобы оценить S3, заметим, что из свойства (8) вытекает \alpha - fQj \leq 2d - 1 \nu \Bigl( f ; 2d | Qj | \Bigr) \alpha \leq 2d - 1 \Bigl( f ; 2dt \Bigr) \alpha . Поэтому S3 = 2 \sum j\geq 1 \bigl( \alpha - fQj \bigr) | Qj(f < \alpha )| \leq 2d \alpha \nu \Bigl( f ; 2dt \Bigr) \sum j\geq 1 | Qj | \leq 2d \alpha \nu \Bigl( f ; 2dt \Bigr) t. В итоге получаем 1 t t\int 0 | f\ast (u) - f\ast \ast (t)| du \leq \alpha \Bigl( \nu (f ; t) + 2d\nu \Bigl( f ; 2dt \Bigr) \Bigr) \leq \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \Bigl( f ; 2dt \Bigr) \alpha . Теорема 1 доказана. Доказательство теоремы 2. Сначала заметим, что fQ0 - f\ast \ast \biggl( | Q0| 2d \biggr) = 2d | Q0| | Q0| 2 - d\int 0 (fQ0 - f\ast (u)) du \leq \leq 2d - 1 | Q0| | Q0| \int 0 | fQ0 - f\ast (u)| du = 2d - 1 | Q0| \int Q0 | f(x) - fQ0 | dx \leq \leq 2d - 1\nu (f ; | Q0| ) fQ0 . Так как \nu (f ; | Q0| ) \leq 2 - d, то отсюда следует, что f\ast \ast \biggl( | Q0| 2d \biggr) \geq \Bigl[ 1 - 2d - 1\nu (f ; | Q0| ) \Bigr] fQ0 \geq 1 2 fQ0 . (11) Далее в доказательстве используется параметр a > 1. При этом будет показано, что оп- тимальным является значение a = e в том смысле, что при этом значении гарантируется наименьший множитель \bigl( 1 + 2d \bigr) e перед интегралом справа в (2). Из теоремы 1 следует, что f\ast \ast (t) - f\ast \ast \biggl( t a \biggr) = a t t/a\int 0 (f\ast \ast (t) - f\ast (u)) du \leq ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ . . . 257 \leq a 2 1 t t\int 0 | f\ast (u) - f\ast \ast (t)| du \leq a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \Bigl( f ; 2dt \Bigr) f\ast \ast (t). Отсюда в свою очередь вытекает f\ast \ast \biggl( t a \biggr) \geq \Bigl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \Bigl( f ; 2dt \Bigr) \Bigr] f\ast \ast (t). (12) При t = | Q0| /2d из (12) имеем f\ast \ast \biggl( | Q0| a \cdot 2d \biggr) \geq \Bigl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu (f ; | Q0| ) \Bigr] f\ast \ast \biggl( | Q0| 2d \biggr) . По индукции при t = | Q0| / \bigl( ai \cdot 2d \bigr) , i \geq 0, из (12) получаем f\ast \ast \biggl( | Q0| ai+1 \cdot 2d \biggr) \geq \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| ai \biggr) \biggr] f\ast \ast \biggl( | Q0| ai \cdot 2d \biggr) . Отсюда для i \geq 0 с учетом (11) имеем f\ast \ast \biggl( | Q0| ai+1 \cdot 2d \biggr) \geq f\ast \ast \biggl( | Q0| 2d \biggr) i\prod j=0 \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] \geq \geq 1 2 fQ0 i\prod j=0 \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] . Если | Q0| ai+1 \cdot 2d \leq t \leq | Q0| ai \cdot 2d , i \geq 0, то f\ast \ast (t) \geq f\ast \ast \biggl( | Q0| ai+1 \cdot 2d \biggr) \geq 1 2 fQ0 i\prod j=0 \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] . (13) При i = 0, т. е. для | Q0| a \cdot 2d \leq t \leq | Q0| 2d , получаем f\ast \ast (t) \geq 1 4 fQ0 . (14) Для i \geq 1 преобразуем произведение в правой части (13) к следующему виду: i\prod j=0 \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] \geq 1 2 i\prod j=1 \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] = = 1 2 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( i\sum j=1 \mathrm{l}\mathrm{n} \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] \right) = ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 258 А. А. КОРЕНОВСКИЙ = 1 2 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - i\sum j=1 \mathrm{l}\mathrm{n} 1 1 - a 2 (1 + 2d) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \right) = = 1 2 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - i\sum j=1 \mathrm{l}\mathrm{n} \left( 1 + a 2 \bigl( 1 + 2d \bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) 1 - a 2 (1 + 2d) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \right) \right) . Поскольку знаменатель дроби в правой части не меньше 1 2 , а \mathrm{l}\mathrm{n}(1 + \gamma ) \leq \gamma , то i\prod j=0 \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] \geq 1 2 \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - a \Bigl( 1 + 2d \Bigr) i\sum j=1 \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \right) . Прежде чем оценивать сумму в правой части, заметим, что из неравенства \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \leq \nu (f ; \tau ) \biggl( | Q0| aj \leq \tau \leq | Q0| aj - 1 , j \geq 1 \biggr) следует, что \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \leq 1 \mathrm{l}\mathrm{n} a | Q0| a - j+1\int | Q0| a - j \nu (f ; \tau ) d\tau \tau . Таким образом, для | Q0| ai+1 \cdot 2d \leq t \leq | Q0| ai \cdot 2d , i \geq 1, из (13) вытекает - \mathrm{l}\mathrm{n} f\ast \ast (t) \leq \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - \mathrm{l}\mathrm{n} fQ0 - \mathrm{l}\mathrm{n} \left( i\prod j=0 \biggl[ 1 - a 2 \Bigl( 1 + 2d \Bigr) \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \biggr] \right) \leq \leq 2 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - \mathrm{l}\mathrm{n} fQ0 + \Bigl( 1 + 2d \Bigr) a i\sum j=1 \nu \biggl( f ; | Q0| aj \biggr) \leq \leq 2 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - \mathrm{l}\mathrm{n} fQ0 + \Bigl( 1 + 2d \Bigr) a \mathrm{l}\mathrm{n} a i\sum j=1 | Q0| a - j+1\int | Q0| a - j \nu (f ; \tau ) d\tau \tau = = 2 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - \mathrm{l}\mathrm{n} fQ0 + \Bigl( 1 + 2d \Bigr) a \mathrm{l}\mathrm{n} a | Q0| \int | Q0| a - i \nu (f ; \tau ) d\tau \tau \leq \leq 2 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - \mathrm{l}\mathrm{n} fQ0 + \Bigl( 1 + 2d \Bigr) a \mathrm{l}\mathrm{n} a | Q0| \int 2d t \nu (f ; \tau ) d\tau \tau . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 ОЦЕНКА СКОРОСТИ УБЫВАНИЯ (ИСЧЕЗНОВЕНИЯ) ФУНКЦИИ . . . 259 Поскольку наименьшее значение множителя a \mathrm{l}\mathrm{n} a достигается при a = e и равно e, то окончательно для 0 < t \leq | Q0| e \cdot 2d получаем - \mathrm{l}\mathrm{n} f\ast \ast (t) \leq 2 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - \mathrm{l}\mathrm{n} fQ0 + \Bigl( 1 + 2d \Bigr) e | Q0| \int 2d t \nu (f ; \tau ) d\tau \tau , а из (14) следует, что эта оценка остается справедливой и при | Q0| e \cdot 2d \leq t \leq | Q0| 2d . Отсюда, очевидно, следует (2). Теорема 2 доказана. Покажем, что оценка (2) неулучшаема с точностью до постоянных. Именно, справедлива следующая теорема. Теорема 4. Пусть положительная, неубывающая на (0, 1] функция \nu (\sigma ) \leq 2 такова, что \nu (\sigma ) \sigma не возрастает. Тогда для функции f(x) = \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - 1\int x \nu (\sigma ) d\sigma \sigma \right) , 0 < x \leq 1, выполняется неравенство \nu (f ;\sigma ) \leq 2\nu (\sigma ), 0 < \sigma \leq 1. Доказательство. Достаточно показать, что \Omega (f ; I) fI \leq 2\nu (| I| ) для любого интервала I \subset (0, 1]. Зафиксируем интервал I \equiv (a, a+t) \subset (0, 1]. Тогда вследствие монотонности функции f получим \Omega (f ; I) fI = 2 t \int I(f<fI) (fI - f(x)) dx fI = 2 t \int I(f<fI) \biggl( 1 - f(x) fI \biggr) dx \leq \leq 2 t \int I \biggl( 1 - f(x) f(a+ t) \biggr) dx = 2 t a+t\int a \left( 1 - \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - a+t\int x \nu (\sigma ) d\sigma \sigma \right) \right) dx = = 2 t t\int 0 \left( 1 - \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - a+t\int a+x \nu (\sigma ) d\sigma \sigma \right) \right) dx. (15) Поскольку \nu (\sigma ) \sigma не возрастает, то максимальное значение внутреннего интеграла в правой части (15) достигается при a = 0. Это означает, что ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2 260 А. А. КОРЕНОВСКИЙ \Omega (f ; I) fI \leq 2 t t\int 0 \left( 1 - \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - t\int x \nu (\sigma ) d\sigma \sigma \right) \right) dx = = 2 1\int 0 \left( 1 - \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - t\int xt \nu (\sigma ) d\sigma \sigma \right) \right) dx \leq \leq 2 1\int 0 \left( 1 - \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( - \nu (t) t\int xt d\sigma \sigma \right) \right) dx = = 2 1\int 0 \biggl( 1 - \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( - \nu (t) \mathrm{l}\mathrm{n} 1 x \biggr) \biggr) dx = 2 1\int 0 \Bigl( 1 - x\nu (t) \Bigr) dx = = 2 \biggl( 1 - 1 1 + \nu (t) \biggr) = 2 \nu (t) 1 + \nu (t) \leq 2\nu (t). Теорема 4 доказана. 4. Заключение. Из теоремы 3 можно вывести ряд известных результатов. Например, легко видеть, что из условия сходимости интеграла \int | Q0| 0 \nu (f ;\sigma ) d\sigma \sigma следует существенная ограниченность функций f и 1 f . Более того, можно показать, что в этом случае обе эти функции существенно непрерывны, и получить оценки их равномерного модуля непрерывности. Можно также получить вложения класса Гурова – Решетняка в классы Геринга и Макенхаупта, Орлича и т. д. Литература 1. Franciosi M. Higher inegrability results and Hölder continuity // J. Math. Anal. and Appl. – 1990. – 150, № 1. – P. 161 – 165. 2. Franciosi M. The Gurov – Reshetnyak condition and VMO // J. Math. Anal. and Appl. – 1994. – 181, № 1. – P. 17 – 21. 3. Kolyada V. I. On the embedding of certain classes of functions of several variables // Sibirsk. Math. Zh. – 1973. – 14. – P. 776 – 790. 4. Korenovskyi A. One refinement of the Gurov – Reshetnyak inequality // Ric. Mat. – 1996. – 45, № 1. – P. 197 – 204. 5. Korenovskii A. A. Mean oscillations and equimeasurable rearrangements of functions // Lect. Notes Unione Mat. Ital. – 2007. – 4. – 189 p. 6. Korenovskyi A. The Gurov – Reshetnyak inequality on semi-axes // Ann. Mat. Pura ed Appl. – 2016. – 195, № 2. – P. 659 – 680. Получено 06.10.18 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2019, т. 71, № 2
id umjimathkievua-article-1435
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
last_indexed 2026-03-24T02:05:17Z
publishDate 2019
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/d5/23cc07a6401891b37cc3375a7fcc12d5.pdf
spelling umjimathkievua-article-14352019-12-05T08:54:43Z Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations Оценка скорости убывания (исчезновения) функции в терминах относи- тельных колебаний Korenovskii, A. A. Кореновский, А. А. Кореновский, А. А. The relative mean integral oscillations of a nondecreasing equimeasurable rearrangement are estimated from above via the same oscillations of the original function. On the basis of this estimate, we establish a lower order-exact estimate for the rate of decrease (vanishing) of the rearrangement. Вiдноснi середнi iнтегральнi коливання неспадної рiвновимiрної перестановки оцiнено зверху через такi ж коливання початкової функцiї. На основi цiєї оцiнки отримано точну за порядком оцiнку знизу швидкостi спадання (зникнення) перестановки. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2019-02-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1435 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 71 No. 2 (2019); 246-260 Український математичний журнал; Том 71 № 2 (2019); 246-260 1027-3190 rus https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1435/419 Copyright (c) 2019 Korenovskii A. A.
spellingShingle Korenovskii, A. A.
Кореновский, А. А.
Кореновский, А. А.
Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations
title Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations
title_alt Оценка скорости убывания (исчезновения) функции в терминах относи- тельных колебаний
title_full Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations
title_fullStr Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations
title_full_unstemmed Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations
title_short Estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations
title_sort estimation of the rate of decrease (vanishing) of a function in terms of relative oscillations
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1435
work_keys_str_mv AT korenovskiiaa estimationoftherateofdecreasevanishingofafunctionintermsofrelativeoscillations
AT korenovskijaa estimationoftherateofdecreasevanishingofafunctionintermsofrelativeoscillations
AT korenovskijaa estimationoftherateofdecreasevanishingofafunctionintermsofrelativeoscillations
AT korenovskiiaa ocenkaskorostiubyvaniâisčeznoveniâfunkciivterminahotnositelʹnyhkolebanij
AT korenovskijaa ocenkaskorostiubyvaniâisčeznoveniâfunkciivterminahotnositelʹnyhkolebanij
AT korenovskijaa ocenkaskorostiubyvaniâisčeznoveniâfunkciivterminahotnositelʹnyhkolebanij