Smoothness of functions in the metric spaces Lψ

Let $L_0(T)$ be thе set of real-valued periodic measurable functions, let $\psi : R^+ \rightarrow R^+$ be a modulus of continuity $(\psi \neq 0)$ , and let $$L_{\psi} \equiv L_{\psi}(T ) = \left\{f \in L_0 (T ): ||f||_{\psi} := \int_T \psi( |f (x)| ) dx < \infty \right\}.$$ The following prob...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автори: Pichugov, S. A., Пичугов, С. А.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Англійська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2012
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2653
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_ 1860508596815527936
author Pichugov, S. A.
Пичугов, С. А.
Пичугов, С. А.
author_facet Pichugov, S. A.
Пичугов, С. А.
Пичугов, С. А.
author_sort Pichugov, S. A.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T19:32:05Z
description Let $L_0(T)$ be thе set of real-valued periodic measurable functions, let $\psi : R^+ \rightarrow R^+$ be a modulus of continuity $(\psi \neq 0)$ , and let $$L_{\psi} \equiv L_{\psi}(T ) = \left\{f \in L_0 (T ): ||f||_{\psi} := \int_T \psi( |f (x)| ) dx < \infty \right\}.$$ The following problems are investigated: Relationship between the rate of approximation of $f$ by trigonometric polynomials in $L_{\psi}$ and smoothness in $L_1$. Correlation between the moduli of continuity of $f$ in $L_{\psi}$ and $L_1$, and theorems on imbedding of the classes $\text{Lip} (\alpha, \psi)$ in $L_1$. Structure of functions from the class $\text{Lip}(1, \psi)$.
first_indexed 2026-03-24T02:27:44Z
format Article
fulltext © С. А. ПИЧУГОВ, 2012 1214 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 УДК 517.5 С. А. Пичугов (Днепропетр. нац. ун-т ж.-д. трансп.) ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! Let L 0(T ) be thе set of real-valued periodic measurable functions, let ! :!R+ " R+ be a modulus of continuity (! " 0) , and let L! ! " !L! (T )! = ! f #L0(T ) :! f ! := ! f (x)( ) dx < $ T % & ' ( )( * + ( ,( . The following problems are investigated: Relationship between the rate of approximation of f by trigonometric polynomials in L! and smoothness in L1 . Correlation between the moduli of continuity of f in L! and L1 , and theorems on imbedding of the classes Lip(!,") in L1 . Structure of functions from the class Lip(1,!) . Нехай L 0(T ) — множина дійснозначних періодичних вимірних функцій, ! :!R+ " R+ — модуль неперервності (! " 0) , L! ! " !L! (T )! = ! f #L0(T ) :! f ! := ! f (x)( ) dx < $ T % & ' ( )( * + ( ,( . Досліджуються наступні задачі: Зв’язок між швидкістю апроксимації f тригонометричними поліномами в L! та гладкістю в L1 . Співвідношення між модулями неперервності f в L! і L1 та теореми вкладення класів Lip(!,") в L1 . Структура функцій класу Lip(1,!) . 1. Введение. Настоящая работа является продолжением статей [1 – 4]; все необходимые определения и обозначения можно найти в этих работах. Пусть L0 ! L0 (T ) — множество действительнозначных 1-периодических функций, изме- римых и почти всюду конечных, T = [0,1] — основной тор периодов; ! — множество функ- ций ! :!R+ " R+ , являющихся модулем непрерывности (! " 0) . Среди метрических пространств L! ! " !L! T( )! := ! f #L0 (T ) :! f ! := ! f (x)( ) dx < $ T % & ' ( )( * + ( ,( важнейшими являются пространства Lp , 0 < p < 1 (случай !(t) = t p ), и L0 с топологией сходимости по мере: f 0 := ! f (x)( ) dx T" , !(t) = t 1+ t . В работах [1 – 4] исследовались основные задачи теории приближений тригонометриче- скими полиномами в пространствах L! : прямые и обратные теоремы Джексона и ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1215 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 неравенства типа Бернштейна для полиномов. Ранее эти задачи были решены для пространств Lp [5 – 7]. Отметим, что в результате исследований оказалось, что как прямая (первая), так и обратная (в строго определенной форме) теоремы Джексона имеют место в L! тогда и толь- ко тогда, когда нижний индекс растяжения ! " функции ! отличен от нуля. Это позво- лило, в частности, в таких L! -пространствах получить при некоторых значениях α кон- структивную характеристику липшицевых классов Lip !,"( )! := ! f #L" ;!!$C f :!!% f , h( ) & C f h! !!'h > 0{ } в терминах приближения f тригонометрическими полиномами. В данной статье рассмотрим некоторые задачи, связанные с исследованием гладкости (в различных терминах) функций из L! . В п. 2 рассмотрена следующая задача, связанная с обратной теоремой Джексона. Пусть для заданной функции f ! L! известна скорость стремления к нулю последовательности ее наилучших приближений E! ( f )" ;!! = 0,1, 2,…{ } . Что можно сказать о гладкости функции f в случае ! " = 0 (в этом случае обратной теоремы Джексона в L! нет)? Мы покажем (см. теорему 1 и ее следствия), что для любой функции ! "# при опреде- ленных условиях на E! ( f )"{ } можно утверждать наличие некоторой гладкости функции f как элемента нормированного пространства L1 . Доказательство будет проведено стан- дартным методом теории приближений (см. [8]), основанным на ,,неравенствах разных метрик” для полиномов. Отметим, что этот результат справедлив для любой функции ! "# . В качестве следствий при условии ! " > 0 получены соотношения между модулями непрерыв- ности f в L! и L1 и некоторые теоремы вложения классов Lip(!,") в L1 . В частности, для классов Lip !, p( ) при ! " 1 наши теоремы вложения совпали с из- вестными [9], однако при ! = 1 наш результат является слабее. В связи с этим в п. 3 в случае ! " > 0 исследуем другим методом теоремы вложения Lip !,"( ) в L1 . Для пространств Lp , 0 < p < 1 , основным результатом здесь является неравенство Э. А. Стороженко [9]: !( f , h)1 ! " !Cp !( f , x)p x # $% & '(0 h ) 1/ p dx, 0 < h < 1 3 . (1) В теореме 2 устанавливается аналогичное (1) соотношение для функций из L! , ! " > 0 . Метод доказательства — аппроксимация f из L! кусочно-постоянными функциями с пла- вающими узлами — оказался полезным и при исследовании связи между модулями непре- рывности в L! и соответствующими K -функционалами (см. п. 4). В п. 5 исследуются аналоги в пространствах L! следующих двух результатов, получен- ных в пространствах Lp , 0 < p < 1 : 1216 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 1) если f !AC , f ! const , то f !Lip p, p( ) [5]; 2) в случае 0 < p < 1 следующие условия эквивалентны [10]: 1) f !Lip 1, p( ) ; 2) f эквивалентна функции ограниченной p -вариации; 3) f эквивалентна функции fd вида fd ! = !d0 + dk xk <x ! , (2) где {xk} — последовательность попарно различных точек из 0,1[ ) , и dk p < !k=1" . Напомним, что по известной теореме Харди – Литтлвуда [11] при p ! 1;"( ) f ! !Lip 1, Lp( ) тогда и только тогда, когда f эквивалентна функции из AC с производной из Lp , а при p = 1 если f !AC , то f !Lip 1, L1( ) . Отмеченные выше результаты показывают, что в Lp при p ! 0,1( ) ситуация иная: класс AC принадлежит Lip p, p( ) , а класс Lip 1, p( ) становится достаточно ,,бедным” и состоит только из функций скачков (2). Из теорем 4, 5 следует, что в L! расположение класса AC в шкале Липшица для любой ! из ! зависит от показателей растяжения ! . При ! " > 0 сохраняется аналог теоремы В. Г. Кротова, однако при ! " = 0 картина может измениться. Например, в пространстве L0 класс AC ,,возвращается” в класс Липшица с показателем 1. Заметим, что в работах [5, 6, 9, 10] в пространствах Lp , 0 < p < 1 , значение символа f p отличается от нашего; в этих работах f p := f (x) p dx T!( )1/ p . Мы при цитировании результатов этих работ вносим соответствующие изменения, следуя нашим обозначениям. Исследуемые свойства пространств L! существенно зависят от поведения соответ- ствующей функции растяжения M! . Напомним ее определение и основные свойства [15, с. 75 – 78]. Если ! t( ) — положительная всюду конечная на 0,!( ) функция, то ее функция растя- жения M! , определенная равенством M! s( ) = sup 0<t<" ! st( ) ! t( ) , 0 < s < " , имеет следующие свойства: 1) M! s1s2( ) " M! s1( )M! s2( ) ; 2) если M! s( ) всюду конечна, то для нее существуют два числа: ! " (нижний индекс растяжения) и !" (верхний индекс растяжения), 0 ! " # ! $# < % , такие, что ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1217 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 M! s( ) " s# ! при s < 1 , M! s( ) " s#! при s > 1 и для любого ! > 0 при достаточно больших s M! s( ) " s#! +$ , а при достаточно малых s M! s( ) " s# ! $% . Из этих свойств следует, что если ! "# , то 0 ! " # ! $# ! 1 , и для любого ! > 0 найдутся постоянные !C" , !!C" такие, что M! s( )! " ! #C$s %! +$ при всех s ! 1 , M! s( )! " ! ##C$s % ! &$ при всех s ! 0,1( ] . 2. Связь между приближением в L! и гладкостью в L1 . Будем использовать сле- дующий вариант ,,неравенства разных метрик” для полиномов [3] (следствие 4): пусть ! "# , n !N , k, r = 0,1,…, h ! 0, 1 2 " #$ % &' , тогда для любого полинома Tn выполняется неравенство ! "hkTn(r) 1 hk # $ % % & ' ( ( ! ) !Cn M! nr*1 min nk , h*k( )( ) Tn ! (3) с некоторой постоянной C = C! k, r( ) . Теорема 1. Пусть ! "# , f из L! такова, что при некотором r = 0,1, ... сходится ряд M! "r#1( ) E"#1 "=1 $ % f( )! < $ . (4) Тогда если r > 0 , то функция f эквивалентна функции, имеющей (r ! 1) -ю абсолют- но непрерывную производную, f r( ) !L1 , и для любого h ! 0, 1 2 " #$ % &' и всех k = 1, 2, ... выпол- няются неравенства ! " k f (r), h( )1 hk # $ % % & ' ( ( ≤ ≤ C! k, r( ) M! "r#1+k( ) "$1/h % E"#1 f( )! + M! "r#1h#k( ) ">1/h % E"#1 f( )! . (5) Если же r = 0 , то из (4) следует, что f !L1 , и выполнено (5). Доказательство. Пусть r > 0 , Tn — полином наилучшего L! -приближения f и T0 = 0 (без ограничения общности). Рассмотрим ряды 1218 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 T 2!+1"1 ( j ) " T 2! "1 ( j )( ) !=0 # $ , j = 0,1,…, r . (6) Из (3) (при k = 0 ) и (4) следует, что эти ряды сходятся в L1 . Действительно, последова- тельности Sn( j ) := T 2!+1"1 ( j ) " T 2! "1 ( j )( )!=0 n# являются фундаментальными: ! Sn+q j( ) " Sn j( ) 1( ) ≤ ! T 2"+1#1 ( j ) # T 2" #1 ( j ) 1( ) "=n+1 n+q $ ≤ ≤ C1 2!+1M" 2 !+1( ) j#1( )( ) E2! #1 f( )" !=n+1 n+q $ ≤ C2 M! " j#1( ) E"#1 f( )! "=2n+1 2n+q $ . Пусть функции g j из L1 , j = 0,1,…, r , являются суммами рядов (6). Покажем снача- ла, что почти всюду g0 = f . Если ! — наименьшая выпуклая вверх мажоранта функции ! из ! , то (см., напри- мер, [15], гл. ІІ, § 1) для всех y > 0 ! y( )! " !! y( )! " !2! y( ) . Поэтому g0 ! Sn0( ) " ! # !" g0 x( ) ! Sn0( ) x( ) dx T $ % & ' ( ) * ! # !2" g0 ! Sn0( ) 1( ) , f ! g0 " ! # ! f ! Sn 0( ) " + g0 ! Sn0( ) " ≤ ≤ f ! Sn0( ) " + 2" g0 ! Sn0( ) 1( )!# !0 , n! " , а значит, g0 x( ) = f x( ) почти всюду. Теперь покажем, что функция g0 имеет абсолютно непрерывную производную r ! 1( ) - го порядка, g0 r!1( ) = gr!1 , и r -ю производную из L1 , g0(r) = gr . Из сходимости частных сумм Sn( j ) x( ) в L1 следует, что существует подпоследователь- ность Snm ( j ) x( ) , которая при всех j сходится к g j x( ) почти всюду. Пусть x0 — одна из точек сходимости при всех j = 1,…, r . Рассмотрим разность g j!1 x( ) ! g j!1 x0( ) ! x0 x " g j t( )dt = = g j!1 x( ) ! Snm ( j!1) x( )( ) – g j!1 x0( ) ! Snm ( j!1) x0( )( ) – g j t( ) ! Snm ( j ) t( )( ) dt x0 x " . ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1219 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 Поскольку g j!1 x( ) ! g j!1 x0( ) ! g j t( )dt x0 x " 1 ≤ ≤ g j!1 x( ) ! Snm ( j!1) x( ) 1 + g j!1 x0( ) ! Snm ( j!1) x0( ) + g j x( ) ! Snm ( j ) x( ) 1 и правая часть при неограниченном увеличении m стремится к нулю, почти при всех x и j = 1, 2,…, r g j!1 x( ) ! g j!1 x0( )! = ! g j t( )dt x0 x " . Таким образом, с точностью до значений на множестве меры нуль f r!1( ) "AC и f r( ) !L1. Заметим, что мы по существу повторили рассуждения [12, с. 347] для аналогичного факта в шкале нормированных пространств Lp , p ! 1 . Докажем (5). Так как f r( ) = Dr T2!+1"1 " T2! "1( )!=0 #$ , где равенство в смысле L1 , используя (3), получаем ! "hk f (r) 1 hk # $ % % & ' ( ( ≤ ! "hk hk Dr T2#+1$1 $ T2# $1( ) 1 % & ' ( ) * #=0 + , ≤ ≤ c 2!M" 2! r#1( ) min 2!k , h#k( )( ) !=0 $ % T2!+1#1 # T2! #1 " ≤ ≤ 2c 2!M" 2! r#1( )2!k( ) E2! #1 f( )" + !:2! $1/h % 2!M" 2! r#1( )h#k( ) E2! #1 f( )" !:2! >1/h % & ' ( ( ) * + + . Дальнейшие преобразования к виду (5) стандартные (см., например, [4], теорема 1). Теорема 1 доказана. Следствие 1. Пусть ! "# , !" — верхний показатель растяжения ! . Если при не- которых r = 0,1,…, ! > 0 и ! > 0 для функции f !L" выполняются неравенства E!"1 f( )# ! $ ! C f ,% M# !r"1( )!1+&+% , ! = 1, 2,…, (7) то для этой функции справедливо утверждение теоремы 1, и для любого k = 1, 2,… при всех h ! 0, 1 2 " #$ % &' 1220 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 ! " k f (r), h( )1 hk # $ % % & ' ( ( ! ) ! C 1 h # $% & '( k*! +, , k*! + , > 0, C ln 1 h , k*! + , = 0, C, k*! + , < 0, - . / / / 0 / / / (8) где постоянная C = C(r, k,!, f ) не зависит от h . Доказательство. Очевидно, что условие (4) выполнено. Из (5) и (7) следует ! " k f r( ), h( )1 hk # $ % % & ' ( ( ≤ ≤ C1 M! "r#1+k( ) M! "r#1( )"1+$1%"%1/h & + M! "r#1h#k( ) M! "r#1( )"1+$">1/h & ' ( ) ) * + , , ! = : !C1 &1 + &2( ) . Поскольку M! "r#1+k( )! $ !M! "r#1( )M! "k( )! $ !M! "r#1( )C%" k&! +% , то !1 ! " !C# $k%& '1'( 1"$"1/h ! . Далее, M! "r#1h#k( )! $ !M! "r#1( )M! h#k( )! $ !M! "r#1( )C%h #k&! #% , поэтому !2 ! " !C#h $k%& $# '$1$($# '>1/h ! ! " !C2 1 h ) *+ , -. k%& $( . Следовательно, при любом ! > 0 ! " k f (r), h( )1 hk # $ % % & ' ( ( ! ) !C3 *k+! ,1,- 1)*)1/h . + 1 h # $% & '( k+! ,-# $ % & ' ( . Отсюда следует (8). 3. Связь между модулями непрерывности в L! и L1 . С помощью аппроксимации функций тригонометрическими полиномами из теоремы 1 получаем следующие утверждения. ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1221 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 Следствие 2. Пусть ! " > 0 . Если функция f из L! такова, что сходится инте- грал M! x( ) x0 1 " # f , x( )! x dx! < !$ , (9) то f !L1 и для всех h ! 0, 1 2 " #$ % &' выполняется неравенство ! " f , h( )1 h # $% & '( ! ) !C!, f " f , x( )! x2 dx + 1 h M! x( ) x " f , hx( )! x dx 0 1 * h 1 * # $ % & ' ( (10) с некоторой постоянной C!, f , не зависящей от h . Доказательство. В [2] доказано, что в случае ! " > 0 (и только в этом случае) в про- странстве L! справедлива теорема Джексона: sup f !L" , f #const sup $!N E$%1 f( )" & f ,1/$( )" < ' . Отсюда и из (9) следует, что при r = 0 выполняется условие (4). Используем утвержде- ние (5) (в случае r = 0 , k = 1 ): ! " f , h( )1 h # $% & '( ! ) !C1 E*+1 f( )! + *)1/h , M! 1 h* # $% & '( E*+1 f( )! *>1/h , # $ % & ' ( ≤ ≤ C2 ! f , 1 " # $% & '( ) + "*1/h + M) 1 h" # $% & '( ! f , 1 " # $% & '( )">1/h + # $ % & ' ( ≤ ≤ C3 ! f , x( )" x2 dx + h 1 # M" x h $ %& ' () ! f , x( )" x2 dx 0 h # $ % & ' ( ) = = C3 ! f , x( )" x2 dx + h 1 # 1 h M" x( ) x ! f , hx( )" x dx 0 1 # $ % & ' ( ) . Доказанное утверждение позволяет, в частности, получить теоремы вложения классов Lip(!,") , ! " 0,1( ] , в L1 . Следствие 3. Пусть ! " > 0 , f !Lip(",#) и показатель ! удовлетворяет условию 1! " # < ! < 1. Тогда f !L1 и для ее L1 -модуля непрерывности при всех h ! 0, 1 2 " #$ % &' вы- полняются неравенства 1222 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 ! " f , h( )1 h # $% & '( ! ) !C f 1 h1*+ , + , 1* - ! ,1( ) . (11) Для доказательства надо использовать (10) и тот факт, что при x ! 0,1( ] M! (x) ≤ ≤ C!x " # $! для любого ! > 0 . Заметим, что при ! = 1 эти же рассуждения позволяют доказать неравенство ! " f , h( )1 h#1( ) ≤ C f ln 1 h ! "# $ %& , которое, однако, уже не является ,,хорошим” даже в про- странстве Lp (см. [9]). В дальнейшем (см. следствие 5) другим методом докажем для случая ! = 1 более точный результат. Отметим еще следующий факт, вытекающий из теоремы 1 в случае r = 1 . Следствие 4. Какова бы ни была функция ! из ! , из условия E!"1 f( )# < $ !=1 $% вытекает, что функция f эквивалентна абсолютно непрерывной функции. Теперь для исследования связи между модулями непрерывности в L! и L1 вместо ап- проксимации полиномами используем приближение кусочно-постоянными функциями. Теорема 2. Пусть ! " > 0 и f из L! такова, что конечен интеграл M! t( ) t0 1 " # f , t( )! t dt ! < !$ . (12) Тогда f принадлежит L1 и для всех h ! 0, 1 2 " #$ % &' выполняется неравенство ! " f , h( )1 h # $% & '( ! ) !C!, f M! t( ) t " f , ht( )! ht dt 0 1 * (13) с некоторой постоянной C!, f , не зависящей от h . Заметим, что существование функций f ( f ! const) , удовлетворяющих условию (12), гарантируется лишь в случае ! " > 0 . Действительно, если ! " = 0 , то M! (t) = 1 при t ! 0,1( ] , и (12) невозможно ни для какого нетривиального модуля непрерывности. Доказательство. Принадлежность f пространству L1 установлена в следствии 2, од- нако этот факт легко увидеть и в приводимом ниже доказательстве (13) (см. (17)). Будем использовать связь между модулями непрерывности и К-функционалами (см., например, [13]) в L1 : ! f , h( )1 ! " !K f , h; L1,V( )! := ! inf f1+ f2 = f f1 1 + hV f2( )( ) , (14) где V f2( ) — вариация функции f2 на периоде. ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1223 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 Для оценки K f( ) сверху построим специальные сплайн-функции. Для каждого нату- рального k построим разбиение периода 0,1[ ] равноотстоящими точками x j,k ! = ! j2!k , j = 0,1,…, 2k . Cнимем значения f в этих точках и определим кусочно-постоянную функцию S2k ( f , x) : для j = 0,1,…, 2k ! 1 S2k f , x( )! := ! f (x j,k ) при x ! x j,k , x j+1,k"# ) . (15) Если функция f непрерывна, то определение (15) интерполяционного сплайна S2k f , x( ) корректно. Однако для эквивалентных в L1 функций соответствующие сплайны (15) могут различаться как элементы пространства L1 . Для исправления этого недостатка используем тот факт, что неравенство (13) инвариантно относительно сдвигов функций f . Для каждого фиксированного t !R обозначим через ft сдвиг функции f на параметр t : ft x( )! := ! f x + t( ) . Поскольку ! f , h( )1 = ! ft , h( )1 , из (14) следует, что ! " f , h( )1 h # $% & '( ! = ! ! " ft , h( )1 h # $% & '(0 1 ) dt ! * !C1 ! h+1K ft , h; L,V( )( ) 0 1 ) dt = = C1 ! inf f1,t + f2,t = ft h"1 f1, t 1 +V f2,t( )( )# $% & '( 0 1 ) dt . (16) В качестве функций f1,t и f2,t будем выбирать сплайны вида (15). Отметим, что если функции f и g эквивалентны, то сплайны S2k ft( ) и S2k gt( ) совпадают при почти всех t . Поэтому теперь их использование в (16) является корректным. Пусть сначала h имеет вид h = 2!n , n "N . Положим в (16) f2,t ! := !S2n ft( ) . Легко видеть, что имеет место равенство в смысле L1 ft = S2n ft( ) + S2k ft( ) ! S2k!1 ft( )( ) k>n " , (17) поэтому f1,t = S2k ft( ) ! S2k!1 ft( )( ) k>n " . Далее, 1224 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 S2k ft( ) ! S2k!1 ft( ) 1 = = S2k ft , x( ) ! S2k!1 ft , x( ) x j ,k x j+1,k " j=0 2k !1 # dx ≤ 1 2k ft x j+1,k( ) ! ft x j,k( ) j=0 2k !1 " , ! 2n f1,t 1( ) " ! k>n # 2n S2k ft( ) $ S2k$1 ft( ) 1 % &' ( )* ≤ ≤ ! 2n S2k ft( ) " S2k"1 ft( ) 1( ) k>n # ≤ ≤ ! 2n"k ft x j+1,k( ) " ft x j,k( ) j=0 2k "1 # $ % && ' ( ))k>n # ≤ ≤ M! 2n"k( ) k>n # ! ft x j+1,k( ) " ft x j,k( )( ) j=0 2k "1 # , ! 2n f1,t 1( ) dt 0 1 " # M! 2n$k( ) k>n % 0 1 " ! ft x j+1,k( ) $ ft x j,k( )( ) j=0 2k $1 % dt = = M! 2n"k( ) k>n # $1/2k f ! ! = ! j=0 2k "1 # M! 2n"k( ) k>n # 2k $1/2k f ! . (18) Аналогичным образом V f2,t( ) = V S2n ft( )( ) = ft x j+1,n( ) ! ft x j,n( ) j=0 2n !1 " , ! V f2,t( )( ) " ! ft x j+1,n( ) # ft x j,n( )( ) j=0 2n #1 $ , ! V f2,t( )( ) dt " 0 1 # $1/2n f ! = 2n j=0 2n %1 & $1/2n f ! . (19) Теперь из (16) при h = 2!n , (18) и (19) следует, что ! 2n" f , 2#n( )1( ) $ C1 ! 2n f1,t 1 +V f2,t( )( ) dt 0 1 % ≤ ≤ C1 M! 2n"k( ) k>n # 2k $1/2k f ! + 2n $1/2n f ! % &' ( )* ≤ ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1225 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 ≤ C1 M! 2n 1 2k " #$ % &' ( f ,1/2k( )! 1 / 2kk)n * ! + !C2 M! 2n y( ) ( f , y( )! y0 1/2n , dy y = = C2 M! t( ) t " f , 2#n t( )! 2#n t0 1 $ dt . Неравенство (13) доказано в случае h = 2!n . Для произвольного h ! 0, 1 2 " #$ % &' найдем n !N такое, что 2!n " h < 2!(n!1) . Тогда ! " f , h( )1 h # $% & '( ) ! " f , 2 * 2+n( )1 2+n # $ % % & ' ( ( ≤ ≤ ! 2 " f , 2#n( )1 2#n $ % & & ' ( ) ) * M! 2( )! " f , 2#n( )1 2#n $ % & & ' ( ) ) ≤ ≤ M! 2( )C2 M! t( ) t " f , 2#n t( )! 2#n t0 1 $ dt ≤ ≤ M! 2( )C2 2 M! t( ) t " f , ht( )! ht0 1 # dt . Теорема 2 доказана. Из неравенства (13) для классов Lip !,"( ) при ! < 1 вытекают те же теоремы вло- жения в L1 , что и в следствии 3. Однако в случае ! = 1 теперь можно утверждать большее. Следствие 5. Если ! " > 0 , то из условия f !Lip(",#) следует, что f !Lip(1, L1) . 4. Модули непрерывности в L! и К-функционалы. При доказательстве теоремы 2 для оценки сверху К-функционала использовалась аппроксимация функций интерполяционными сплайнами нулевого порядка с плавающими узлами. Заметим, что теоремы Джексона (прямая и обратная) для такой аппроксимации в метрических пространствах доказаны в [14]. Сейчас используем ту же идею для доказательства аналога соотношения (14) в простран- стве L! . Пусть L!1 ! := !Lip 1,!( ) , f !,1 " f L!1 ! := !sup s>0 # f , s( )! s , K f , h; L! , L!1( )! := ! inf f1+ f2 = f f1 ! + h f2 !,1( ) , 1226 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 ! f , h( )" — наименьшая выпуклая вверх мажоранта функции !( f , h)" . Напомним (см., на- пример, [15]), что ! f , h( )" # ! f , h( )" # 2! f , h( )" . (20) Теорема 3. Для любых ! "# и f !L" при всех h ! 0, 1 2 " #$ % &' имеют место неравен- ства 1 2 ! f , 2h( )" # K f , h; L" , L"1( ) # 2! f , 2h( )" . (21) Доказательство. Левое неравенство является простым следствием определений. Поскольку для любого h > 0 1 2 ! f , 2h( )" # f " , ! g, h( )" # g ",1 h, g $L"1 , то для любой функции g !L"1 1 2 ! f , 2h( )" # 1 2 ! f $ g, 2h( )" + ! g, 2h( )"( ) # 1 2 2 f $ g " + g ",1 2h( ), поэтому 1 2 ! f , 2h( )" # inf g$L"1 f % g " + h g ",1( ) = K f , h; L" , L"1( ). Так как K ( f , h) — выпуклая вверх функция аргумента h , левое неравенство (21) до- казано. Для доказательства правой части (21) достаточно показать, что для всех n !N K f , 1 n ; L! , L!1 " #$ % &' ( 2) f , 1 n " #$ % &' ! . (22) Действительно, если выполнено (22), то для произвольного h ! 0, 1 2 " #$ % &' найдем n !N такое, что 2!n " h < 2! n!1( ) , тогда K f , h; L! , L!1( ) " K f , 2# n#1( ); L! , L!1( ) " 2$ f , 2# n#1( )( )! " 2$ f , 2h( )! . Итак, для доказательства (22) зафиксируем n , и для каждого сдвига ft функции f по- строим интерполяционный сплайн Sn ( ft ) (15) c n равноотстоящими узлами y j,n := jn!1 , j = 0,1,…, n . Тогда ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1227 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 K f , 1 n ; L! , L!1 " #$ % &' = K ft , 1 n ; L! , L!1 " #$ % &' 0 1 ( dt ≤ ≤ ft ! Sn ft( ) " + 1 n Sn ft( ) ",1 # $% & '( 0 1 ) dt , (23) ft ! Sn ft( ) " 0 1 # dt = " ft x( ) ! ft y j,n( )( ) dx dt y j ,n y j+1,n # j=0 n!1 $ 0 1 # = = ! ft x + y j,n( ) " ft y j,n( )( ) dx dt 0 1/n # 0 1 # j=0 n"1 $ = = ! f t + x + y j,n( ) " f t + y j,n( )( ) dt dx 0 1 # 0 1/n # j=0 n"1 $ = = ! x f " dx 0 1/n # j=0 n$1 % = n ! x f " dx 0 1/n # . (24) Для оценки второго слагаемого в (23) вычислим ! Sn ft( ) , h( )" . Пусть сначала h ! 1 n . Тогда для почти всех t !hSn ft( ) " = " ft y j,n( ) # ft y j#1,n( )( ) dx y j ,n y j ,n +h $ j=1 n % = = h ! ft y j,n( ) " ft y j"1,n( )( ) j=1 n # , а значит, при h ! 1 n ! Sn ft( ) , h( )" = h " ft y j,n( ) # ft y j#1,n( )( ) j=1 n $ . (25) Если h > 1 n , то найдем k !N такое, что h ! k n , k + 1 n " #$ % &' . Тогда h = k n + !h , где !h < 1 n , и с помощью (25) получим ! Sn ft( ) , h( )" # ! Sn ft( ) , k n $ %& ' () " + ! Sn ft( ) , h '( )" ≤ 1228 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 ≤ k! Sn ft( ) , 1 n " #$ % &' ( + ! Sn ft( ) , )h( )( = = k 1 n + !h" #$ % &' ( ft y j,n( ) ) ft y j)1,n( )( ) j=1 n * . (26) Из (25) и (26) следует, что для почти всех t Sn ft( ) !,1 = ! ft y j,n( ) " ft y j"1,n( )( ) j=1 n # , поэтому Sn ft( ) !,1 0 1 " dt = n #1/n f ! . (27) Теперь из (23), (24) и (27) следует K f , 1 n ; L! , L!1 " #$ % &' ( n ) x f ! dx + )1/n f ! 0 1/n * . Отсюда вытекает (22). Теорема 3 доказана. 5. Классы Липшица и абсолютно непрерывные функции в L! . Теорема 4. Если f !AC , f ! const , то для любой ! "# найдутся постоянные C1 = C1(!, f ) и C2 = C2 (!, f ) такие, что при всех h ! 0,1[ ) выполняются неравенства C1 M! 1/h( ) " # f , h( )! " C2! h( ). (28) Доказательство. Правое неравенство является следствием (20) и неравенства Йенсена: !h f " = " !h f x( )( ) dx 0 1 # $ " !h f x( )( ) dx 0 1 # ≤ ≤ ! "h f 1( ) # 2! "h f 1( ) ≤ ≤ 2! V f( )h( ) " 2M! V f( )( )! h( ). Для доказательства левого неравенства используем следующую лемму. Лемма 1. Если для f !AC найдется бесконечная последовательность попарно раз- личных {hi} ! 0 такая, что ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1229 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 !hi f hi " !# !0 при i! " , то f ! const . Для пространств Lp , 0 < p < 1, это утверждение доказано в [5] (лемма 1.5), и доказатель- ство остается справедливым для всех L! . Из леммы вытекает, что если f !AC , f ! const , то найдется постоянная K > 0 такая, что для всех достаточно малых h > 0 !h f h " # K > 0 . (29) С другой стороны, !h f h " # M" 1 h $ %& ' () !h f " # M" 1 h $ %& ' () * f , h( )" . (30) Из (29) и (30) следует левая часть (28). Теорема 4 доказана. Заметим, что ! 1( ) = ! 1 h h" #$ % &' ( M! 1 h " #$ % &' ! h( ) , т. е. ! 1( ) M! 1/h( ) " ! h( ) , (31) однако в (31) возможен и знак строгого неравенства. Нам не известно, можно ли усилить нижнюю оценку в (28) для произвольной ! "# . А вот верхняя оценка в (28) неулучшаемая для каждой ! . Действительно, пример функции g !AC , g(x) = x, x ! 0, 1 4 " #$ % &' , 1 2 ( x, x ! 1 4 , 1 2 " #$ % &' , ) * + + , + + g x + 1 2 - ./ 0 12 = ( g(x) , показывает, что оценка ! f , h( )" = 0 " h( )( ) , h! 0 , на классе f !AC , f ! const , не- возможна. Пусть ! — класс выпуклых вверх функций ! из ! , !1 = " #! :! lim s$0 " s( ) s = 1% & ' ( ) * . (32) 1230 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 Легко видеть (см. [3]), что для ! "#1 M! s( ) = s !s " 1. Таким образом, получаем следующее утверждение. Следствие 6. Если ! "#1 , то все абсолютно непрерывные функции f ( f ! const) принадлежат классу Lip(1,!) . Это справедливо, например, в пространствах L0 , ln(1+ L) , для которых ! " = 0 . Если же ! t( ) : = min t, t"( ) , 0 < ! < 1 , то ! "#1 и ! " = # . Таким образом, для функций ! из !1 ! " может принимать любое значение из 0,1[ ] . Однако, как мы сейчас покажем, если изменить условие (32) на (33), то в случае ! " > 0 класс Lip 1,!( ) уже не содержит абсолютно непрерывных функций. Для заданной ! "# скажем, что функция f имеет ограниченную ! -вариацию f !V"( ) , если V! f( ) := sup0=x0 <...<xn =1 ! f xk( ) " f xk"1( )( ) < #k=1 n$ . Следующая теорема об описании классов Lip 1,!( ) в случае пространств Lp , 0 < p < < 1, доказана В. Г. Кротовым [10]. При доказательстве мы по существу повторяем рассуж- дения из [10], внося лишь необходимые технические изменения. Теорема 5. Пусть ! "# такова, что ! " > 0 и lim sup s!0 " s( ) s ! = !# . (33) Тогда следующие условия равносильны: 1) f !Lip(1,") ; 2) f эквивалентна функции класса V! ; 3) f эквивалентна функции вида fd x( )! = !d0 + dk xk <x ! , (34) где {xk} — последовательность попарно различных точек из 0,1[ ] , и ! dk( ) < "k=1 "# . Таким образом, при указанных условиях на ! класс Lip 1,!( ) состоит только из функций скачков (34). Ясно, что от условия (33) избавиться нельзя; достаточно положить L! = L1 . Доказательство. Покажем, что 1) ! 3). Поскольку ! " > 0 , согласно следствию 5 f !Lip 1, L1( ) , а значит, f !V (после изменения ее значений на множестве меры нуль). Пусть ее разложение Лебега ГЛАДКОСТЬ ФУНКЦИЙ В МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ L! 1231 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 f = fa + fs + fd , (35) где fa — абсолютно непрерывная составляющая, fs — сингулярная часть, fd — функция скачков вида (34). Покажем, что ! dk( ) < " . k=1 " # (36) Следуя [10], для фиксированного n !N выберем h > 0 настолько малым, что xk ! h, xk( )! xi ! h, xi( )! = !", i # k, i,!k = 1,…, n , dk ! 2 f x + h( ) " f x( ) , x # xk " h, xk( ) , k = 1,…, n . Тогда в силу того, что !h f " # C f h , имеем ! dk( ) k=1 n " ! = ! 1 h ! f x + h( ) # f x( )( ) dx xk #h xk $ k=1 n " ≤ ≤ M! 2( ) 1 h ! "h f x( )( ) dx 0 h # $ M! 2( )C f для всех n !N . Отсюда следует (36), а значит, наряду с f !Lip 1,"( ) и fd !Lip 1,"( ) . Следовательно (см. (35)), функция g := fa + fs тоже принадлежит Lip 1,!( ) . Кроме то- го, g !C . Отсюда выведем, что g ! const . Тогда из (35) будет следовать данное утверж- дение. Оценим приращение g в L1 : !hg 1 ! := ! !hg x( ) 0 1 " dx! = ! # !hg x( )( ) !hg x( ) # !hg x( )( ) $ %& ' ()0 1 " dx ≤ ≤ sup 0!x!1 "hg x( ) # "hg x( )( ) "hg # ! ! !C f h sup 0!x!1 "hg x( ) # "hg x( )( ) . (37) Поскольку ! y( )! " !! y( )! " !2! y( ) , ! y( ) y # , то 1232 С. А. ПИЧУГОВ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 9 sup 0!y!b y " y( ) ! ! !2 sup 0!y!b y " y( ) ! = !2 b " b( ) ! ! !2 b " b( ) , поэтому sup 0!x!1 "hg x( ) # "hg x( )( ) ! ! !2 "hg C # "hg C( ) ! ! !2 $ g, h( )C # $ g, h( )C( ) . В силу условия (33) ! g, h( )C " ! g, h( )C( ) ! = !o 1( ) , h# 0 . (38) Из (37) и (38) следует, что !hg 1 = o(h) , и g = const . Таким образом, f = fd + const . Остальные утверждения теоремы достаточно очевидны. 1. Пичугов С. А. О теореме Джексона для периодических функций в пространствах с интегральной мет- рикой // Укр. мат. журн. – 2000. – 52, № 1. – С. 122 – 133. 2. Пичугов С. А. О теореме Джексона для периодических функций в метрических пространствах с интег- ральной метрикой. ΙΙ // Укр. мат. журн. – 2011. – 63, № 11. – С. 1524 – 1533. 3. Пичугов С. А. Неравенства для тригонометрических полиномов в пространствах с интегральной метрикой // Укр. мат. журн. – 2011. – 63, № 12. – С. 1657 – 1671. 4. Пичугов С. А. Обратные теоремы Джексона в пространствах с интегральной метрикой // Укр. мат. журн. – 2012. – 64, № 3. – С. 351 – 362. 5. Стороженко Э. А., Кротов В. Г., Освальд П. Прямые и обратные теоремы типа Джексона в простран- ствах Lp , 0 < p < 1 // Мат. сб. – 1975. – 98, № 3. – С. 395 – 415. 6. Иванов В. И. Прямые и обратные теоремы теории приближения в метрике Lp для 0 < p < 1 // Мат. за- метки. – 1975. – 18, № 5. – С. 641 – 658. 7. Арестов В. В. Об интегральных неравенствах для тригонометрических полиномов и их производных // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1982. – 45, № 1. – С. 3 – 22. 8. Никольский С. М. Приближение функций многих переменных и теоремы вложения. – М.: Наука, 1977. – 342 с. 9. Стороженко Э. А. О некоторых теоремах вложения // Мат. заметки. – 1976. – 19, № 2. – С. 187 – 200. 10. Кротов В. Г. О дифференцируемости функций из Lp , 0 < p < 1 // Мат. сб. – 1982. – 117, № 1. – С. 95 – 113. 11. Hardy G. H., Littlewood J. Some properties of functional integrals. I // Math. Z. – 1928. – 27. – P. 565 – 606. 12. Тиман А. Ф. Теория приближения функций действительного переменного. – М.: Физматгиз, 1960. – 624 с. 13. Bennett C., Sparsley R. Interpolation of operators. – New York: Acad. Press, 1988. – 469 p. 14. Пичугов С. А. Аппроксимация измеримых периодических функций по мере кусочно-постоянными функ- циями // Укр. мат. журн. – 1996. – 48, № 5. – С. 711 – 715. 15. Крейн С. Г., Петунин Ю. И., Семенов Е. М. Интерполяция линейных операторов. – М.: Наука, 1978. – 400 с. Получено 10.10.11, после доработки — 24.03.12
id umjimathkievua-article-2653
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
English
last_indexed 2026-03-24T02:27:44Z
publishDate 2012
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/c2/4b842b2b346bed5c4581819fa153c4c2.pdf
spelling umjimathkievua-article-26532020-03-18T19:32:05Z Smoothness of functions in the metric spaces Lψ Гладкость функций в метрических пространствах Lψ Pichugov, S. A. Пичугов, С. А. Пичугов, С. А. Let $L_0(T)$ be thе set of real-valued periodic measurable functions, let $\psi : R^+ \rightarrow R^+$ be a modulus of continuity $(\psi \neq 0)$ , and let $$L_{\psi} \equiv L_{\psi}(T ) = \left\{f \in L_0 (T ): ||f||_{\psi} := \int_T \psi( |f (x)| ) dx &lt; \infty \right\}.$$ The following problems are investigated: Relationship between the rate of approximation of $f$ by trigonometric polynomials in $L_{\psi}$ and smoothness in $L_1$. Correlation between the moduli of continuity of $f$ in $L_{\psi}$ and $L_1$, and theorems on imbedding of the classes $\text{Lip} (\alpha, \psi)$ in $L_1$. Structure of functions from the class $\text{Lip}(1, \psi)$. Нехай $L_0(T)$ — множина дійснозначних періодичних вимірних функцій, $\psi : R^+ \rightarrow R^+$ — модуль неперервності $(\psi \neq 0)$, $$L_{\psi} \equiv L_{\psi}(T ) = \left\{f \in L_0 (T ): ||f||_{\psi} := \int_T \psi( |f (x)| ) dx &lt; \infty \right\}.$$ Досліджуються наступні задачі: Зв’язок між швидкістю апроксимації $f$ тригонометричними поліномами в $L_{\psi}$ та гладкістю в $L_1$. Співвідношення між модулями неперервності $f$ в $L_{\psi}$ і $L_1$ та теореми вкладення класів $\text{Lip} (\alpha, \psi)$ в $L_1$. Структура функцій класу $\text{Lip}(1, \psi)$. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2012-09-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2653 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 64 No. 9 (2012); 1214-1232 Український математичний журнал; Том 64 № 9 (2012); 1214-1232 1027-3190 rus en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2653/2065 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2653/2066 Copyright (c) 2012 Pichugov S. A.
spellingShingle Pichugov, S. A.
Пичугов, С. А.
Пичугов, С. А.
Smoothness of functions in the metric spaces Lψ
title Smoothness of functions in the metric spaces Lψ
title_alt Гладкость функций в метрических пространствах Lψ
title_full Smoothness of functions in the metric spaces Lψ
title_fullStr Smoothness of functions in the metric spaces Lψ
title_full_unstemmed Smoothness of functions in the metric spaces Lψ
title_short Smoothness of functions in the metric spaces Lψ
title_sort smoothness of functions in the metric spaces lψ
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2653
work_keys_str_mv AT pichugovsa smoothnessoffunctionsinthemetricspaceslps
AT pičugovsa smoothnessoffunctionsinthemetricspaceslps
AT pičugovsa smoothnessoffunctionsinthemetricspaceslps
AT pichugovsa gladkostʹfunkcijvmetričeskihprostranstvahlps
AT pičugovsa gladkostʹfunkcijvmetričeskihprostranstvahlps
AT pičugovsa gladkostʹfunkcijvmetričeskihprostranstvahlps