On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$

We establish Bernstein-type inequalities for the fractional integroderivatives of arbitrary algebraic polynomials in the space $L_0$.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2017
Автори: Kovalenko, L. G., Storozhenko, E. A., Коваленко, Л. Г., Стороженко, Э. А.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2017
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1729
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860507577904791552
author Kovalenko, L. G.
Storozhenko, E. A.
Коваленко, Л. Г.
Стороженко, Э. А.
Коваленко, Л. Г.
Стороженко, Э. А.
author_facet Kovalenko, L. G.
Storozhenko, E. A.
Коваленко, Л. Г.
Стороженко, Э. А.
Коваленко, Л. Г.
Стороженко, Э. А.
author_sort Kovalenko, L. G.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2019-12-05T09:24:56Z
description We establish Bernstein-type inequalities for the fractional integroderivatives of arbitrary algebraic polynomials in the space $L_0$.
first_indexed 2026-03-24T02:11:32Z
format Article
fulltext К О Р О Т К I П О В I Д О М Л Е Н Н Я УДК 517.5 Л. Г. Коваленко, Э. А. Стороженко (Одес. нац. ун-т, Ин-т математики, экономики и механики) О ДРОБНОМ ИНТЕГРОДИФФЕРЕНЦИРОВАНИИ КОМПЛЕКСНЫХ ПОЛИНОМОВ В \bfitL \bfzero We establish Bernstein-type inequalities for the fractional integroderivatives of arbitrary algebraic polynomials in the space L0. Встановлено нерiвностi типу Бернштейна для дробових iнтегропохiдних довiльних алгебраїчних полiномiв у прос- торi L0. Введение. Пусть Pn(z) = \sum n k=0 ckz k — алгебраический полином степени n с комплексными коэффициентами. Как обычно, функционалы \| Pn\| p \equiv \| Pn\| Lp для 0 \leq p \leq \infty определяются значениями полинома на единичной окружности | z| = 1 : \| Pn\| \infty = \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} \bigl\{ | Pn(z)| , | z| = 1 \bigr\} , \| Pn\| p = \left( 1 2\pi 2\pi \int 0 \bigm| \bigm| Pn(e i\varphi ) \bigm| \bigm| pd\varphi \right) 1/p , \| Pn\| 0 = \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m} p\rightarrow 0 \| Pn\| p = \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 2\pi 2\pi \int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} \bigm| \bigm| Pn(e i\varphi ) \bigm| \bigm| d\varphi \right) . Следуя Малеру [1], квазинорму \| Pn\| 0 будем называть мерой полинома Pn(z) и обозна- чать M(Pn). Определим дробную производную и дробный интеграл действительного порядка \alpha \geq 0 полинома Pn(z) равенствами D\alpha Pn(z) = n\sum k=1 ckk \alpha zk - 1 и I\alpha Pn(z) = n\sum k=0 ck zk+1 (k + 1)\alpha . (1) Производные и интегралы дробного порядка понимают по-разному в зависимости от класса рассматриваемых функций и конкретных задач. Наши определения ближе всего к определениям Флетт из [2, 3] для аналитических внутри единичного круга функций, которые возникли при изучении потенциалов Бесселя и Рисса. В настоящей статье изучаются неравенства типа Бернштейна для дробных интегропроиз- водных порядка 0 \leq \alpha < 1 полиномов Pn(z) в пространстве L0, т. е. неравенства вида M(D\alpha Pn) \leq A(n, \alpha )M(Pn) и c\bigcirc Л. Г. КОВАЛЕНКО, Э. А. СТОРОЖЕНКО, 2017 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2017, т. 69, № 5 705 706 Л. Г. КОВАЛЕНКО, Э. А. СТОРОЖЕНКО M(I\alpha Pn) \leq B(n, \alpha )M(Pn), где A(n, \alpha ) и B(n, \alpha ) не зависят от полинома Pn(z). При \alpha = 1 это оценки типа Бернштейна для производной P \prime n(z) и неопределенного ин- теграла IPn(z) = \int z 0 Pn(z) dz. Неравенство для интеграла еще называют неравенством типа Фавара. Обе точные постоянные A(n, 1) и B(n, 1) известны. Значение A(n, 1) = n установлено Малером в работе [1], а B(n, 1) = 1 n \prod n/6<k<5n/6 2 \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n} \pi k n \approx (1, 4)n n — вторым автором данной статьи в [5]. Основными результатами настоящей статьи являются две теоремы. Теорема 1. Для любого полинома Pn(z) степени n \geq 2 и его дробной производной D\alpha Pn(z) порядка 0 \leq \alpha < 1 выполняется неравенство M(D\alpha Pn) \leq A(n, \alpha )M(Pn), (2) где A(n, 0) = \prod n/6<k<5n/6 2 \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n} \pi k n \approx (1, 4)n, A(n, \alpha ) \leq A\alpha n 2\alpha /3A(n, 0), A\alpha = 1, 6 \cdot 22(1 - \alpha )/3, 0 \leq \alpha < 1. В случае \alpha = 0 неравенство (2) на полиномах Pn(z) = c(1 + z)n, c \in \BbbC , обращается в равенство. Теорема 2. Для любого полинома Pn(z) степени n \geq 1 и его дробного интеграла I\alpha Pn(z) порядка 0 < \alpha < 1 выполняется неравенство M(I\alpha Pn) \leq B(n, \alpha )M(Pn), (3) где B(n, \alpha ) \leq A1 - \alpha n - (1+2\alpha )/3(1, 4)n, A1 - \alpha = 1, 6 \cdot 22\alpha /3. Неравенство (3) ранее было получено авторами в статье [10]. Здесь приводится другой способ доказательства, улучшающий значение B(n, \alpha ). Иные результаты относительно дробного интегродифференцирования полиномов авторам неизвестны. Оценки типа Бернштейна для операторов более общего вида можно найти в рабо- те [4]. Однако для интегропроизводных (1) применение результатов из [4], по мнению авторов, не представляется возможным. Вспомогательные понятия и факты. Напомним некоторые сведения об алгебраических полиномах. Композицией (по Сеге) полиномов Qn(z) = n\sum k=0 Ck nakz k и Rn(z) = n\sum k=0 Ck nbkz k ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2017, т. 69, № 5 О ДРОБНОМ ИНТЕГРОДИФФЕРЕНЦИРОВАНИИ КОМПЛЕКСНЫХ ПОЛИНОМОВ В L0 707 называют полином \sum n k=0 Ck nakbkz k = Qn(z)\otimes Rn(z) (см. [6, с. 75], отд. V). Важную роль в рассуждениях играет неравенство \| Qn(z)\otimes Rn(z)\| p \leq M(Rn)\| Qn\| p, (4) впервые полученное де Брюйн и Спрингер [7] для p = 0, а для всех 0 < p \leq \infty — В. В. Арес- товым [8]. Неравенство (4) при p = 0 является точным на полиномах Qn(z) = c(1 + z)n, c \in \BbbC . Нам понадобятся также две леммы. Лемма 1. Для любого 0 < \alpha < 1 справедливо равенство k\alpha = \alpha \Gamma (1 - \alpha ) 1\int 0 (1 - tk) dt t \mathrm{l}\mathrm{n}1+\alpha (1/t) , (5) где \Gamma (\alpha ) — гамма-функция Эйлера. Доказательство. Проинтегрируем по частям интеграл, определяющий гамма-функцию Эйлера, при условии на параметр 0 < \alpha < 1 : \Gamma (\alpha ) = +\infty \int 0 x\alpha - 1d(1 - e - x) = (1 - \alpha ) +\infty \int 0 1 - e - x x2 - \alpha dx = = 1 - \alpha k1 - \alpha +\infty \int 0 1 - e - kx x2 - \alpha dx = 1 - \alpha k1 - \alpha 1\int 0 1 - tk t \mathrm{l}\mathrm{n}2 - \alpha (1/t) dt. Отсюда легко следует (5). Лемма 2. Для неравных по модулю комплексных чисел a, b \in \BbbC и любого n \in \BbbN выполня- ются неравенства | an - bn| \leq | a - b| n - 1\sum k=0 | a| n - k - 1| b| k, (6) | an - bn| \leq | a - b| | a| n - | b| n | a| - | b| . (7) Оба неравенства не вызывают сомнений. Доказательство теоремы 1. Чтобы установить связь между полиномами D\alpha Pn(z) и Pn(z), воспользуемся композицией полиномов (по Сеге). Пусть Pn(z) = n\sum k=0 Ck nakz k и D\alpha Pn(z) = n\sum k=1 Ck nakk \alpha zk - 1. Тогда zD\alpha Pn(z) = Pn(z)\otimes R\alpha n(z), где R\alpha n(z) = n\sum k=1 Ck nk \alpha zk = D\alpha (1 + z)n и M(R\alpha n), в силу (4), есть A(n, \alpha ), n = 1, 2, 3, . . . . Нас интересует случай n \geq 2. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2017, т. 69, № 5 708 Л. Г. КОВАЛЕНКО, Э. А. СТОРОЖЕНКО При \alpha = 0 (для производной нулевого порядка) R0 n = (1 + z)n - 1. Мера полиномов (1 + z)n - 1 была подсчитана в [5]: A(n, 0) = M \bigl( (1 + z)n - 1 \bigr) = \prod n/6<k<5n/6 2 \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n} \pi k n \approx (1, 4)n, n \geq 2. Перейдем к основному случаю 0 < \alpha < 1. Представим полином R\alpha n(z) в интегральной форме, заменив множитель k\alpha интегралом (5): R\alpha n(z) = \alpha \Gamma (1 - \alpha ) 1\int 0 \bigl[ (1 + z)n - (1 + tz)n \bigr] dt t \mathrm{l}\mathrm{n}1+\alpha (1/t) . Отсюда \bigm| \bigm| R\alpha n(z) \bigm| \bigm| \leq \alpha \Gamma (1 - \alpha ) 1\int 0 \bigm| \bigm| (1 + z)n - (1 + tz)n \bigm| \bigm| dt t \mathrm{l}\mathrm{n}1+\alpha (1/t) . (8) Мера M(R\alpha n) определяется значениями полинома R\alpha n на единичной окружности, поэтому, оценивая \bigm| \bigm| R\alpha n(z) \bigm| \bigm| , считаем z = ei\varphi , \varphi \in ( - \pi , \pi ). Тогда для любого t \in (0, 1) справедливо равенство | 1 + tz| 2 = | 1 + z| 2t+ (1 - t)2. (9) Дальнейшие рассуждения проведем в два приема: сначала при | 1 + z| > 1, а затем при | 1 + z| < 1. Итак, пусть | 1 + z| > 1. По лемме 2 (неравенство (7)) | (1 + z)n - (1 + tz)n| \leq (1 - t) | 1 + z| n - | 1 + tz| n | 1 + z| - | 1 + tz| = = (1 - t) | 1 + z| n - | 1 + tz| n | 1 + z| 2 - | 1 + tz| 2 (| 1 + z| + | 1 + tz| ). Из (9) следует, что | 1 + z| 2 - | 1 + tz| 2 = (1 - t)(| 1 + z| 2 - 1 + t) > (1 - t)(| 1 + z| 2 - 1) и, в частности, | 1 + z| > | 1 + tz| , а также | 1 + z| n - | 1 + tz| n \leq | 1 + z| n(1 - tn/2) для любого t \in (0, 1). Применяя полученные неравенства, продолжаем оценку (8): | R\alpha n(z)| \leq 2| 1 + z| n+1 | 1 + z| 2 - 1 \alpha \Gamma (1 - \alpha ) 1\int 0 (1 - t n 2 ) dt t \mathrm{l}\mathrm{n}1+\alpha (1/t) . Примечательно, что оценку | R\alpha n(z)| мы начинали, используя интеграл (5), и окончательно пришли к интегралу того же вида. Далее, по лемме 1 для k = n/2 получаем ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2017, т. 69, № 5 О ДРОБНОМ ИНТЕГРОДИФФЕРЕНЦИРОВАНИИ КОМПЛЕКСНЫХ ПОЛИНОМОВ В L0 709 | R\alpha n(z)| \leq 21 - \alpha n\alpha | 1 + z| n+1 | 1 + z| 2 - 1 . (10) Пусть теперь | 1+z| < 1. Для оценки | (1+z)n - (1+tz)n| применим лемму 2 (неравенство (6)) и учтем, что | 1 + tz| 2 < | 1 + z| 2t+ 1 - t < 1 при каждом t \in (0, 1): | (1 + z)n - (1 + tz)n| < (1 - t) n - 1\sum k=0 | 1 + z| n - k - 1 < 1 - t 1 - | 1 + z| . Это позволяет продолжить оценку (8) для данного случая: | R\alpha n(z)| \leq \alpha \Gamma (1 - \alpha ) 1\int 0 (1 - t) dt t \mathrm{l}\mathrm{n}1+\alpha (1/t) 1 1 - | 1 + z| . Тогда по лемме 1 при k = 1 имеем | R\alpha n(z)| \leq 1 1 - | 1 + z| . (11) Остается перейти к оценке M(R\alpha n), используя неравенства (10) и (11). По определению M(R\alpha n) = \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( 1 2\pi 2\pi \int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} | R\alpha n(e i\varphi )| d\varphi \right) \leq \leq 2 2(1 - \alpha ) 3 n 2 3 \alpha \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \left( n+ 1 \pi 2\pi 3\int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} \Bigl( 2 \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s} \varphi 2 \Bigr) d\varphi - - 1 \pi \pi \int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} \bigm| \bigm| \bigm| 1 - 2 \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s} \varphi 2 \bigm| \bigm| \bigm| d\varphi - 1 \pi 2\pi 3\int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} \Bigl( 1 + 2 \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s} \varphi 2 \Bigr) d\varphi \right) . Полученные интегралы выразим посредством функции Лобачевского L(x) и воспользуемся ее табличными значениями (см. [9]): L(x) = - x\int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\varphi d\varphi , 2 \pi \pi /3\int 0 \mathrm{l}\mathrm{n}(2 \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\varphi )d\varphi = 2 3 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - 2 \pi L(\pi /3) \approx 0,323, 2 \pi \pi /2\int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} | 1 - 2 \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\varphi | d\varphi = 4 \pi \biggl( L \Bigl( \pi 12 \Bigr) + L \biggl( 5\pi 12 \biggr) \biggr) - 2 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 \approx - 0,777, 2 \pi \pi /3\int 0 \mathrm{l}\mathrm{n} \bigl( 1 + 2 \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\varphi \bigr) d\varphi = 4 3 \mathrm{l}\mathrm{n} 2 - 4 \pi L \Bigl( \pi 3 \Bigr) \approx 0,646. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2017, т. 69, № 5 710 Л. Г. КОВАЛЕНКО, Э. А. СТОРОЖЕНКО Окончательно A(n, \alpha ) = M(R\alpha n) \leq 1,6 \cdot 22(1 - \alpha )/3n2\alpha /3A(n, 0). (12) Теорема 1 доказана. Доказательство теоремы 2. Запишем дробный интеграл I\alpha Pn(z) в виде композиции 1 z I\alpha Pn(z) = Pn(z)\otimes B\alpha n (z), где B\alpha n (z) = \sum n k=0 Ck n zk (k + 1)\alpha = I\alpha (1+z)n. На основании неравенства (4) B(n, \alpha ) = M(B\alpha n ). Заметим также, что между полиномами, составляющими композицию для дробного интеграла и для дробной производной, существует взаимосвязь B\alpha n (z) = n+1\sum k=1 Ck - 1 n zk - 1 k\alpha = 1 (n+ 1)z n+1\sum k=1 Ck n+1k 1 - \alpha zk = 1 (n+ 1)z R1 - \alpha n+1(z). Но тогда, используя оценку (12) меры M(R\alpha n), имеем B(n, \alpha ) = M(B\alpha n ) = 1 n+ 1 M(R1 - \alpha n+1) \leq 1, 6 \cdot 22\alpha /3n - (1+2\alpha )/3(1, 4)n, что и требовалось доказать. Замечание 1. Теорема 1 доказана в предположении, что n \geq 2. В случае n = 1 полином, составляющий композицию для производной D\alpha P1(z) при любом 0 < \alpha < 1, имеет простой вид R\alpha 1 = z и A(1, \alpha ) = M(z) = 1, очевидно, точная постоянная. Замечание 2. Остался открытым вопрос об окончательности оценок в теоремах 1 и 2 (кроме случая \alpha = 0 в теореме 1). Особое внимание привлекает множитель (1, 4)n. Отметим только его необходимое наличие для „граничных” коэффициентов A(n, 0) и B(n, 1). Замечание 3. Благодаря оценке (4), теоремы 1 и 2 обеспечивают выполнение неравенств \| D\alpha Pn\| p \leq A(n, \alpha )\| Pn\| p и \| I\alpha Pn\| p \leq B(n, \alpha )\| Pn\| p, 0 \leq p \leq \infty . Литература 1. Mahler K. On the zeros of the derivative of a polynomial // Proc. Roy. Soc. London A. – 1961. – 264. – P. 145 – 154. 2. Flett T. M. Mean values of power series // Pacif. J. Math. – 1968. – 25. – P. 163 – 194. 3. Flett T. M. Temperatures Bessel potentials and Lipschitz spaces // Proc. London Math. Soc. – 1971. – 22, № 3. – P. 385 – 481. 4. Арестов В. В. Интегральные неравенства для алгебраических многочленов на единичной окружности // Мат. заметки. – 1990. – 48, № 4. – С. 7 – 18. 5. Стороженко Э. А. К одной задаче Малера о нулях полинома и его производной // Мат. сб. – 1996. – 187, № 5. – С. 111 – 120. 6. Полиа Г., Сеге Г. Задачи и теоремы из анализа. – М.: Наука, 1978. – Т. 1. – 391 с. 7. De Bruijn N. J., Springer T. A. On the zeros of composition polynomials // Jndag. Math. – 1947. – 9. – P. 406 – 414. 8. Арестов В. В. Об интегральных неравенствах для тригонометрических полиномов и их производных // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1981. – 45. – С. 3 – 22. 9. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм и произведений. – М.: Гостехтеориздат, 1963. – 1100 с. 10. Стороженко Э. А., Коваленко Л. Г. Неравенство для дробных интегралов комплексных полиномов в L0 // Мат. заметки. – 2014. – 96, № 4. – С. 633 – 636. Получено 08.11.16 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2017, т. 69, № 5
id umjimathkievua-article-1729
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
last_indexed 2026-03-24T02:11:32Z
publishDate 2017
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/f9/b507afa03c18977f28ce587c465666f9.pdf
spelling umjimathkievua-article-17292019-12-05T09:24:56Z On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$ О дробном интегродифференцировании комплексных полиномов в $L_0$ Kovalenko, L. G. Storozhenko, E. A. Коваленко, Л. Г. Стороженко, Э. А. Коваленко, Л. Г. Стороженко, Э. А. We establish Bernstein-type inequalities for the fractional integroderivatives of arbitrary algebraic polynomials in the space $L_0$. Встановлено нерiвностi типу Бернштейна для дробових iнтегропохiдних довiльних алгебраїчних полiномiв у просторi $L_0$. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2017-05-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1729 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 69 No. 5 (2017); 705-710 Український математичний журнал; Том 69 № 5 (2017); 705-710 1027-3190 rus https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1729/711 Copyright (c) 2017 Kovalenko L. G.; Storozhenko E. A.
spellingShingle Kovalenko, L. G.
Storozhenko, E. A.
Коваленко, Л. Г.
Стороженко, Э. А.
Коваленко, Л. Г.
Стороженко, Э. А.
On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$
title On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$
title_alt О дробном интегродифференцировании комплексных полиномов в $L_0$
title_full On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$
title_fullStr On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$
title_full_unstemmed On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$
title_short On the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $L_0$
title_sort on the fractional integrodifferentiation of complex polynomials in $l_0$
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1729
work_keys_str_mv AT kovalenkolg onthefractionalintegrodifferentiationofcomplexpolynomialsinl0
AT storozhenkoea onthefractionalintegrodifferentiationofcomplexpolynomialsinl0
AT kovalenkolg onthefractionalintegrodifferentiationofcomplexpolynomialsinl0
AT storoženkoéa onthefractionalintegrodifferentiationofcomplexpolynomialsinl0
AT kovalenkolg onthefractionalintegrodifferentiationofcomplexpolynomialsinl0
AT storoženkoéa onthefractionalintegrodifferentiationofcomplexpolynomialsinl0
AT kovalenkolg odrobnomintegrodifferencirovaniikompleksnyhpolinomovvl0
AT storozhenkoea odrobnomintegrodifferencirovaniikompleksnyhpolinomovvl0
AT kovalenkolg odrobnomintegrodifferencirovaniikompleksnyhpolinomovvl0
AT storoženkoéa odrobnomintegrodifferencirovaniikompleksnyhpolinomovvl0
AT kovalenkolg odrobnomintegrodifferencirovaniikompleksnyhpolinomovvl0
AT storoženkoéa odrobnomintegrodifferencirovaniikompleksnyhpolinomovvl0