Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics

On the classes of Poisson integrals of functions belonging to the unit balls of the spaces $L_s , 1 ≤ s ≤ ∞$, we establish asymptotic equalities for upper bounds of approximations by de la Vallée-Poussin sums in the uniform metric. Asymptotic equalities are also obtained for the case of approximatio...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2010
Main Authors: Serdyuk, A. S., Сердюк, А. С.
Format: Article
Language:Russian
English
Published: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2010
Online Access:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2991
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_ 1860509002548379648
author Serdyuk, A. S.
Сердюк, А. С.
Сердюк, А. С.
author_facet Serdyuk, A. S.
Сердюк, А. С.
Сердюк, А. С.
author_sort Serdyuk, A. S.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T19:41:53Z
description On the classes of Poisson integrals of functions belonging to the unit balls of the spaces $L_s , 1 ≤ s ≤ ∞$, we establish asymptotic equalities for upper bounds of approximations by de la Vallée-Poussin sums in the uniform metric. Asymptotic equalities are also obtained for the case of approximation by de la Vallée-Poussin sums in the metrics of the spaces $L_s , 1 ≤ s ≤ ∞$, on the classes of Poisson integrals of functions belonging to the unit ball of the space $L_1$.
first_indexed 2026-03-24T02:34:11Z
format Article
fulltext УДК 517.5 А. С. Сердюк (Ин-т математики НАН Украины, Киев) ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА В РАВНОМЕРНОЙ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МЕТРИКАХ On classes of the Poisson integrals of functions belonging to the unit balls of the spaces Ls, 1 ≤ s ≤ ∞, we establish asymptotic equalities for upper bounds of approximations by the Vallée Poussin sums in a uniform metric. Asymptotic equalities are obtained also for the case of approximation by the Vallée Poussin sums in metrics of the spaces Ls, 1 ≤ s ≤ ∞, on classes of the Poisson integrals of functions belonging to the unit ball of the space L1. На класах iнтегралiв Пуассона функцiй, що належать одиничним кулям просторiв Ls, 1 ≤ s ≤ ∞, знайдено асимптотичнi рiвностi для верхнiх меж наближень сумами Валле Пуссена в рiвномiрнiй метрицi. Асимптотичнi рiвностi також встановлено у випадку наближення сумами Валле Пуссена в метриках просторiв Ls, 1 ≤ s ≤ ∞, на класах iнтегралiв Пуассона функцiй, що належать одиничнiй кулi простору L1. Пусть Ls, 1 ≤ s < ∞, — пространство 2π-периодических суммируемых в s-й степени функций f с нормой ‖f‖s = ‖f‖Ls =  2π∫ 0 | f(t) |sdt 1/s ; L∞ — пространство 2π-периодических измеримых и существенно ограниченных функций, в котором норма задана формулой ‖f‖∞ = ess sup t |f(t)|; C — пространство 2π-периодических непрерывных функций, норма в котором за- дана следующим образом: ‖f‖C = max t |f(t)|. Интегралами Пуассона суммируемой функции ϕ(·) называют функции f(x), опре- деляющиеся с помощью равенства f(x) = A0 2 + 1 π 2π∫ 0 ϕ(x− t)Pq,β(t)dt, A0 ∈ R, (1) в котором Pq,β(t) — ядра Пуассона с параметрами q ∈ (0, 1) и β ∈ R, т. е. функции вида Pq,β(t) = ∞∑ k=1 qk cos ( kt− β π 2 ) , q ∈ (0, 1), β ∈ R. (2) Множество всех функций, допускающих представление в виде (1) при ϕ ∈ N, где N — некоторое подмножество из L1, будем обозначать через LqβN. В рамках данной работы в качестве N будут использоваться множества U0 s = { ϕ ∈ Ls : ‖ϕ‖s ≤ 1, ϕ ⊥ 1 } . c© А. С. СЕРДЮК, 2010 1672 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА . . . 1673 При этом для удобства положим Lqβ,s df = Lqβ,sU 0 s . Пусть f ∈ L и ряд a0 2 + ∞∑ k=1 (ak cos kx+ bk sin kx) является рядом Фурье функции f. Через Sn(f ; x) обозначим частные суммы Фурье порядка n функции f : Sn(f) = Sn(f ; x) = a0 2 + n∑ k=1 (ak cos kx+ bk sin kx). Тригонометрические полиномы вида Vn,p(f) = Vn,p(f ;x) = 1 p n−1∑ k=n−p Sk(f ;x) называются суммами Валле Пусcена функции f с параметрами n и p. При p = 1 полиномы Vn,p(f ;x) являются обычными частными суммами Фурье Sn−1(f ;x) порядка n − 1 функции f. Если же p = n, то суммы Vn,p(f) превращаются в известные суммы Фейера σn−1(f ;x) порядка n− 1 функции f : σn−1(f) = σn−1(f ;x) = 1 n n−1∑ k=0 Sk(f ;x). Исследования аппроксимативных свойств сумм Vn,p(f) были начаты Валле Пус- сеном [1, 2], который впервые оценил величины ‖f − Vn,p(f)‖C через наилучшие приближения тригонометрическими полиномами в равномерной метрике. Впослед- ствии исследования в данном направлении были продолжены в роботах С. М. Ни- кольского [3], С. Б. Стечкина [4, 5], В. Т. Гаврилюк [6], О. Д. Габисонии [7], А. А. Захарова [8] и др. Цель данной работы состоит в нахождении асимптотических равенств для ве- личин E(Lqβ,s;Vn,p)C = sup f∈Lqβ,s ‖f(x)− Vn,p(f ;x)‖C (3) и E ( Lqβ,1;Vn,p ) Ls = sup f∈Lqβ,1 ‖f(x)− Vn,p(f ;x)‖s (4) при n − p → ∞ и произвольных значениях параметров 1 ≤ s ≤ ∞, q ∈ (0, 1) и β ∈ R. Задача о нахождении асимптотических равенств для точных верхних граней приближений суммами Vn,p(f) в равномерной метрике на тех или других функ- циональных классах изучалась многими авторами, среди которых Б. Надь [9, 10], С. М. Никольский [11, 12], С. Б. Стечкин [13], А. В. Ефимов [14, 15], С. А. Теляков- ский [16 – 20], А. Ф. Тиман [21, 22], В. И. Рукасов [23 – 25], Л. А. Островецкий [26] ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 1674 А. С. СЕРДЮК и др. Более детально с историей данного вопроса можно ознакомиться, например, по библиографическим комментариям монографий [27 – 29]. Заметим, что данная работа тесно связана с работой автора [30], в которой найдены асимптотические равенства для величины (3) при s = ∞, а также для величины (4) при s = 1. Для формулирования основных результатов работы введем следующие обозна- чения: Kq,p(v) df = 2−1/v ∥∥∥∥∥ √ 1− 2qp cos p t+ q2p 1− 2q cos t+ q2 ∥∥∥∥∥ v , 1 ≤ v ≤ ∞, q ∈ (0, 1), p ∈ N, (5) σ(v, p) df =  1 при v = 1 и p = 1, 2 при 1< v ≤ ∞ и p = 1, 3 при 1 ≤ v ≤ ∞ и p ∈ N\{1}. (6) Теорема 1. Пусть q ∈ (0, 1), β ∈ R, 1 ≤ s ≤ ∞, n, p ∈ N, p ≤ n. Тогда E(Lqβ,s;Vn,p)C = qn−p+1 p ( ‖ cos t‖s′ π1+1/s′ Kq,p(s ′) +O(1) q δ(s) (n− p+ 1)(1− q)σ(s ′,p) ) , (7) где δ(s) = 0 при s = 2, 1 при s ∈ [ 1,∞ ]\{2}, s′ = s s− 1 , величины Kq,p(s ′) и σ(s′, p) определены равенствами (5) и (6) соот- ветственно, а O(1) — величина, равномерно ограниченная по параметрам n, p, q, β и s. Доказательство. Пусть f ∈ Lqβ,s, q ∈ (0, 1), β ∈ R, 1 ≤ s ≤ ∞. В работе [30, c. 100] для отклонения ρn,p(f ;x) df = f(x) − Vn,p(f ;x) получено интегральное представление вида ρn,p(f ;x) = 1 π p π∫ −π ϕ(x− t)Zq(t)Pq,β,n,p(t)dt, (8) в котором Zq(t) df = 1√ 1− 2q cos t+ q2 , q ∈ (0, 1), (9) P q,β,n,p (t) = n∑ k=n−p+1 qk cos ( kt+ θ(t)− β π 2 ) , q ∈ (0, 1), β ∈ R, (10) θ(t) = θ(q, t) определяется формулами 1− q cos t√ 1− 2q cos t+ q2 = cos θ(t), (11) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА . . . 1675 q sin t√ 1− 2q cos t+ q2 = sin θ(t), (12) а функция ϕ связана с f с помощью равенства (1). В силу формул (3) и (8) и инвариантности множеств U0 s относительно сдвига аргумента получаем E(Lqβ,s;Vn,p)C = 1 π p sup ϕ∈U0 s ∥∥∥∥∥∥ π∫ −π ϕ(x− t)Zq(t)Pq,β,n,p(t)dt ∥∥∥∥∥∥ C = = 1 π p sup ϕ∈U0 s π∫ −π ϕ(t)Zq(t)Pq,β,n,p(t)dt. (13) Согласно соотношениям двойственности (см., например, [31, c. 27]) для произволь- ной функции u ∈ Ls′ , 1 ≤ s′ ≤ ∞, inf λ∈R ‖u(t)− λ‖s′ = sup  2π∫ 0 u(t)y(t)dt : ‖y‖s ≤ 1, 2π∫ 0 y(t) dt = 0 , 1 s + 1 s′ = 1. (14) Применив равенство (14) при u(t) = Zq(t)Pq,β,n,p(t) и y(t) = ϕ(t), равенства (13) можно продолжить: 1 π p sup ϕ∈U0 s π∫ −π ϕ(t)Zq(t)Pq,β,n,p(t)dt = 1 π p inf λ∈R ‖Zq(t)Pq,β,n,p(t)− λ‖s′ . (15) В работе [30, с. 101] функция P q,β,n,p (t) вида (10) была представлена следующим образом: P q,β,n,p (t) = qn−p+1Zq(t) ( cos ( (n− p+ 1)t− β π 2 ) Gp,q(t)− − sin ( (n− p+ 1)t− β π 2 ) Hp,q(t) ) , (16) где Gp,q(t) df = cos 2θ(t)− qp cos(p t+ 2θ(t)), (17) Hp,q(t) df = sin 2θ(t)− qp sin(p t+ 2θ(t)). (18) Далее нам понадобится следующее утверждение из работы [32, c. 1083]. Лемма 1. Пусть 1 ≤ v ≤ ∞ и 2π-периодические функции g(t) и h(t) имеют ограниченную вариацию, если v = 1, или принадлежат классу Гельдера KH1, если 1 < v ≤ ∞. Тогда для функции ϕ(t) = g(t) cos(mt+ α) + h(t) sin(mt+ α), α ∈ R, m ∈ N, выполняются асимптотические (при m→∞) формулы ‖ϕ‖v = (2π)−1/v ‖ cos t‖v‖r‖v +O(1)Mm−1, (19) inf c∈R ‖ϕ− c‖v = (2π)−1/v ‖ cos t‖v‖r‖v +O(1)Mm−1, (20) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 1676 А. С. СЕРДЮК 1 2 sup λ∈R ‖ϕ(t+ λ)− ϕ(t)‖v = (2π)−1/v ‖ cos t‖v‖r‖v +O(1)Mm−1, (21) в которых r(t) = √ g2(t) + h2(t), (22) M =Mv =  π∨ −π (g) + π∨ −π (h) при v = 1, K + v−1‖r‖1−vs π∨ −π (rv) при 1 < v <∞, K при v =∞, (23) а величины O(1) равномерно ограничены относительно всех рассматриваемых параметров. Для оценки величины, находящейся в правой части формулы (15), приме- ним лемму 1, положив в ее условиях ϕ(t) = q−n+p−1 Zq(t)Pq,β,n,p(t), g(t) = = Z2 q(t)Gp,q(t), h(t) = −Z2 q(t)Hp,q(t), m = n− p+ 1, α = −β π 2 и v = s′. С учетом того, что√( Z2 q(t)Gp,q(t) )2 + ( Z2 q(t)Hp,q(t) )2 = Z2 q(t) √ G2 p,q(t) +H2 p,q(t) = = Z2 q(t) √ 1− 2qp cos p t+ q2p = Z2 q(t) Zqp(p t) , из формулы (20) получаем inf λ∈R ∥∥Zq(t)Pq,β,n,p(t)− λ∥∥s′ = qn−p+1 inf c∈R ∥∥q−n+p−1Zq(t)Pq,β,n,p(t)− c∥∥s′ = = qn−p+1 ( ‖ cos t‖s′ (2π)1/s′ ∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥ s′ +O(1) Ms′,p n− p+ 1 ) , (24) где Ms′,p =  π∨ −π (Z2 q Gp,q) + π∨ −π (Z2 qHp,q) при s′ = 1,∥∥(Z2 q Gp,q) ′‖C + ‖(Z2 qHp,q) ′ ∥∥ C + + 1 s′ ∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp (p t) ∥∥∥∥1−s′ s′ π∨ −π ( Z2 s′ q (t) Zs′ qp (p t) ) при 1 <s′ <∞, ‖(Z2 q Gp,q) ′‖C + ‖(Z2 qHp,q) ′‖C при s′ =∞. (25) Найдем оценку сверху величины Ms′,p из (25). Рассмотрим сначала случай s′ = 1. Как следует из формул (29), (37) и (38) работы [30, c. 102, 103] Ms′,p =M1,p = π∨ −π (Z2 q Gp,q) + π∨ −π (Z2 qHp,q) =  O(1) q 1− q при p = 1, O(1) q (1− q)3 при p = 2, 3, . . . . (26) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА . . . 1677 Пусть теперь s′ =∞. Поскольку согласно (17) и (18)( Gp,q(t) )′ = p qp sin(p t+ 2 θ(t))− 2 θ′(t)Hp,q(t),( Hp,q(t) )′ = −p qp cos(p t+ 2 θ(t)) + 2 θ′(t)Gp,q(t) и, кроме того, в силу (11) и (12) θ′(t) = q(cos t− q)Z2 q(t), окончательно получаем( Gp,q(t) )′ = p qp sin(p t+ 2 θ(t))− 2 q(cos t− q)Z2 q(t)Hp,q(t), (27)( Hp,q(t) )′ = −p qp cos(p t+ 2 θ(t)) + 2 q(cos t− q)Z2 q(t)Gp,q(t). (28) Далее, используя равенство ( Z2 q(t) )′ = −2Z2 q(t)hq(t), (29) а также формулы (27) и (28), находим( Z2 q(t)Gp,q(t) )′ = −2Z2 q(t)Gp,q(t)hq(t) + p qp Z2 q(t) sin(p t+ 2 θ(t))− −2 q((cos t− q)Z2 q(t))(Z 2 q(t)Hp,q(t)), (30)( Z2 q(t)Hp,q(t) )′ = −2Z2 q(t)Hp,q(t)hq(t)− p qp Z2 q(t) cos(p t+ 2 θ(t))+ +2 q((cos t− q)Z2 q(t))(Z 2 q(t)Gp,q(t)). (31) В силу того, что ‖hq(t)‖C ≤ q 1− q , (32) ‖Z2 q(t)‖C = 1 (1− q)2 , (33) ∥∥(cos t− q)Z2 q(t) ∥∥ C = 1 1− q , (34) на основании равенств (30) имеем∥∥(Z2 q(t)Gp,q(t)) ′∥∥ C ≤ 2‖Z2 q(t)‖C(1 + qp)‖hq(t)‖C + p qp‖Z2 q(t)‖C + + 2 q ∥∥(cos t− q)Z2 q(t) ∥∥ C (1 + qp)‖Z2 q(t)‖C = = ‖Z2 q(t)‖C ( 2(1 + qp)‖hq(t)‖C + p qp + 2q(1 + qp)‖(cos t− q)Z2 q(t)‖C ) ≤ ≤ 1 (1− q)2 ( 4q 1− q + p qp + 4 q 1− q ) = = 1 (1− q)2 ( 8 q 1− q + p qp ) = O(1) q (1− q)3 . (35) Аналогично, в силу (31) – (34) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 1678 А. С. СЕРДЮК∥∥(Z2 q(t)Hp,q(t)) ′∥∥ C ≤ 2‖Z2 q(t)‖C(1 + qp)‖hq(t)‖C + p qp‖Z2 q(t)‖C + + 2 q ∥∥(cos t− q)Z2 q(t)‖C (1 + qp)‖Z2 q(t)‖C = = ‖Z2 q(t)‖C ( 2(1 + qp)‖hq(t)‖C + p qp + 2q(1 + qp)‖(cos t− q)Z2 q(t)‖C ) ≤ ≤ 1 (1− q)2 ( 8 q 1− q + p qp ) = O(1) q (1− q)3 . (35′) Итак, согласно (25), (35) и (35′), при s′ =∞ Ms′,p =M∞,p = ∥∥(Z2 q Gp,q) ′∥∥ C + ∥∥(Z2 qHp,q) ′∥∥ C = O(1) q (1− q)3 . При p = 1 последняя оценка может быть улучшена. В этом случае (см. [30, c. 102]) Z2 q(t)Gp,q(t) = gq(t), Z2 q(t)Hp,q(t) = hq(t) (36) и поскольку (gq(t)) ′ < q (1− q)2 , (hq(t)) ′ < q (1− q)2 , то Ms′,p =M∞,1 = ∥∥(Z2 q G1,q) ′∥∥ C + ∥∥(Z2 qH1,q) ′∥∥ C = O(1) q (1− q)2 . Таким образом, окончательно можем записать Ms′,p =M∞,p = ∥∥(Z2 q Gp,q) ′∥∥ C + ∥∥(Z2 qHp,q) ′∥∥ C = =  O(1) q (1− q)2 при p = 1, O(1) q (1− q)3 при p = 2, 3, . . . . (37) Пусть, наконец, 1 < s′ <∞. Поскольку Z′q(t) = −hq(t)Zq(t), (38) то (( Z2 q(t) Zqp(p t) )s′)′ = s′ ( Z2 q(t) Zqp(p t) )s′−1 2Zq(t)Z′q(t)Zpq(p t)− Z2 q(t)Z′qp(p t)p Z2 qp(p t) = = s′ Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) ( p hqp(p t)− 2hq(t) ) . (39) Следовательно, в силу (39) π∨ −π ( Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) ) = π∫ −π ∣∣∣∣∣ ( Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) )′ ∣∣∣∣∣ dt = = π∫ −π ∣∣∣∣∣ s′ Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) (p hqp(p t)− 2hq(t)) ∣∣∣∣∣ dt ≤ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА . . . 1679 ≤ s′ ( p‖hqp(p t)‖C + 2‖hq(t)‖C ) π∫ −π Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) dt = = s′ ( p‖hqp(p t)‖C + 2‖hq(t)‖C )∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥s′ s′ . (40) Объединяя формулы (32) и (40), записываем неравенство π∨ −π ( Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) ) ≤ s′ ( p qp 1− qp + 2 q 1− q )∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥s′ s′ < 3 s′q 1− q ∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥s′ s′ . (41) Кроме того, с учетом (33) и очевидного равенства∥∥∥∥ 1 Zqp(p t) ∥∥∥∥ C = 1 + qp (42) получаем ∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥ s′ ≤ (1 + qp)‖Z2 q(t)‖s′ ≤ (2π)1/s ′ 1 + qp (1− q)2 . (43) С учетом (41) и (43) при произвольных 1 < s′ <∞ справедлива оценка 1 s′ ∥∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥∥ 1−s′ s′ π∨ −π ( Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) ) = O(1) q (1− q)3 . (44) Сопоставляя формулы (25), (37) и (44), при 1 < s′ <∞ получаем Ms′,p = ∥∥(Z2 q Gp,q) ′∥∥ C + ∥∥(Z2 qHp,q) ′∥∥ C + + 1 s′ ∥∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥∥ 1−s′ s′ π∨ −π ( Z2s′ q (t) Zs ′ qp(p t) ) = O(1) q (1− q)3 . При p = 1 последняя оценка может быть улучшена. Действительно, в силу равенств (36) и (25), а также соотношений (60) из работы [32, c. 1088] получаем Ms′,1 = ‖g′q‖C + ‖h′q‖C + 1 s′ ‖Zq‖1−s ′ s′ π∨ −π (Zs ′ q (t)) = O(1) q (1− q)2 , 1 < s′ <∞. Итак, окончательно имеем Ms′,p =  O(1) q (1− q)2 при p = 1, O(1) q (1− q)3 при p = 2, 3, . . . , 1 < s′ <∞. (45) Исходя из соотношений (13), (15), (26), (37) и (45) получаем равенство E(Lqβ,s;Vn,p)C = = qn−p+1 π p ( ‖ cos t‖s′ (2π)1/s′ ∥∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥∥ s′ +O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(s′,p) ) , (46) 1 ≤ s ≤ ∞, p ∈ N, q ∈ (0, 1), β ∈ R. В случае s = 2 вместо оценки (46) для величины E(Lqβ,s;Vn,p)C можем записать ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 1680 А. С. СЕРДЮК точное равенство. Для этого, опираясь на формулы (3) и (15), а также на равен- ства (8) работы [30, c. 99], находим E(Lqβ,2;Vn,p)C = 1 π inf λ∈R ∥∥∥∥∥∥1p n−1∑ k=n−p ∞∑ j=k+1 qj cos ( jt− β π 2 ) − λ ∥∥∥∥∥∥ 2 = = 1 π inf λ∈R ∥∥∥∥∥∥1p n−1∑ k=n−p+1 (k − n+ p)qk cos ( kt− β π 2 ) + ∞∑ k=n qk cos ( kt− β π 2 ) − λ ∥∥∥∥∥∥ 2 = = 1√ π inf λ∈R λ2 + 1 p2 n−1∑ k=n−p+1 (k − n+ p)2 q2k + ∞∑ k=n q2k 1/2 = = 1√ π ( q2(n−p) p2 p−1∑ k=1 k2 q2k + ∞∑ k=n q2k )1/2 . (47) Поскольку для произвольных l ∈ N и ρ ∈ (0, 1) l∑ k=1 k2 ρk = ρ(1 + ρ)− ρl+1((l + 1)2 − (2l2 + 2l − 1)ρ+ l2 ρ2) (1− ρ)3 (48) (см., например, [33, c. 603]), положив в (48) l = p− 1, ρ = q2, получим q2(n−p) p2 p−1∑ k=1 k2 q2k + ∞∑ k=n q2k = = q2(n−p)(q2(1 + q2)− q2p(p2 − q2(2p2 − 2p− 1) + q4(p− 1)2)) p2(1− q2)3 + q2n 1− q2 = = q2(n−p)(q2(1 + q2)− q2p(q2(2p+ 1) + q4(1− 2p))) p2(1− q2)3 = = q2(n−p+1)(1 + q2 − q2p(2p+ 1− q2(2p− 1))) p2(1− q2)3 . (49) Из (47) и (49) следует равенство E(Lqβ,2;Vn,p)C = qn−p+1 √ π p √ 1 + q2 − q2p(2p+ 1− q2(2p− 1)) (1− q2)3 . (50) Для того чтобы убедиться в справедливости формулы (7) при s = 2, достаточно заметить, что 1 π π∫ 0 1− 2qp cos pt+ q2p (1− 2q cos t+ q2)2 dt = 1 + q2 − q2p(2p+ 1− q2(2p− 1)) (1− q2)3 (51) (см., например, формулы 3.616.2 и 3.616.7 из [34, c. 382, 383]). Объединяя оценку (46) с равенствами (50) и (51), приходим к формуле (7). Теорема 1 доказана. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА . . . 1681 Рассмотрим некоторые частные случаи теоремы 1. При s = 2 формула (7) превращается в точное равенство (50), которое при p = 1 (случай приближения суммами Фурье Sn−1(f)) принимает вид E(Lqβ,2;Sn−1)C = qn√ π(1− q2) , q ∈ (0, 1), β ∈ R, n ∈ N, (52) а при p = n (приближение суммами Фейера σn−1(f)) E(Lqβ,2;σn−1)C = = q n √ π √ 1 + q2 − q2n(2n+ 1− q2(2n− 1)) (1− q2)3 , q ∈ (0, 1), β ∈ R, n ∈ N. (53) При произвольных 1 ≤ s ≤ ∞ и p = 1 из формулы (7) получаем равенство E(Lqβ,s;Sn−1)C = = qn ( ‖ cos t‖s′ π1+1/s′21/s′ ∥∥∥∥∥ 1√ 1− 2q cos t+ q2 ∥∥∥∥∥ s′ +O(1) qδ(s) n(1− q)σ(s′,1) ) . (54) Равенство (54) доказано в работе [32]. При s =∞ из (54) следует асимптотическое при n→∞ равенство E(Lqβ,∞;Sn−1)C = qn ( 8 π2 K(q) +O(1) q n(1− q) ) , (55) где K(q) = π/2∫ 0 dt√ 1− q2 sin2 t = 1 2 Kq,1(1) — полный эллиптический интеграл первого рода. Асимптотическая формула (55) отражает результат С. М. Никольского [12, c. 222, 223] с улучшенной С. Б. Стечки- ным [13, c. 139] оценкой остаточного члена. Поскольку при s′/2 ∈ N (см. [34, c. 382]) 1 21/s′ ∥∥∥∥∥ 1√ 1− 2q cos t+ q2 ∥∥∥∥∥ s′ = = π1/s′√ 1− q2 s′/2−1∑ k=0 (s′/2 + k − 1)! (k!)2(s′/2− k − 1)! ( q2 1− q2 )k1/s′ (56) и (см. [34, c. 383]) ‖ cos t‖s ′ s′ = 2π(s′ − 1)!! (s′)!! , (57) вследствие (54) для всех s таких, что s 2(s− 1) ∈ N, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 1682 А. С. СЕРДЮК E ( Lqβ,s;Sn−1 ) C = = qn ( 21/s ′ π1/s √ 1− q2  (s′ − 1)!! (s′)!! s′/2−1∑ k=0 (s′/2 + k − 1)! (k!)2(s′/2− k − 1)! ( q2 1− q2 )k1/s ′ + +O(1) qδ(s) n(1− q)σ(s′,1) ) . (58) В частности, при s = 2 из (58) следует равенство (52), при s = 4 3 (s′ = 4) — равенство вида E(Lq β, 43 ;Sn−1)C = qn ( 31/4 21/2π3/4 √ 1− q2 ( 1 + q2 1− q2 )1/4 +O(1) q n(1− q)2 ) , (59) при s = 6 5 (s′ = 6) — равенство E ( Lq β, 65 ;Sn−1 ) C = qn ( 51/6 21/2π5/6 √ 1− q2 ( 1 + 4q2 + q4 1− 2q2 + q4 )1/6 +O(1) q n(1− q)2 ) , (60) и т. д. Формулы (52), (54), (58) – (60) приведены в работе автора [32]. При s =∞ и 1 ≤ p ≤ n, p, n ∈ N из формулы (7) следует равенство E ( Lqβ,∞;Vn,p ) C = = qn−p+1 p ( 4 π2 π∫ 0 √ 1− 2qp cos pt+ q2p 1− 2q cos t+ q2 dt+O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(1,p) ) , (61) полученное автором в [30, c. 99]. Теорема 2. Пусть q ∈ (0, 1), β ∈ R, 1 ≤ s ≤ ∞, n, p ∈ N, p ≤ n. Тогда E ( Lqβ,1;Vn,p ) Ls = = qn−p+1 p ( ‖ cos t‖s π1+1/s Kq,p(s) +O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(s,p) ) , (62) где величины Kq,p(s) и σ(s, p) определены равенствами (5) и (6) соответственно, а O(1) — величина, равномерно ограниченная по параметрам n, p, q, β и s. Доказательство. Пусть f ∈ Lqβ,1. В силу формул (4) и (8) получаем представ- ление E ( Lqβ,1;Vn,p ) Ls = 1 π p sup ϕ∈U0 1 ∥∥∥∥∥∥ π∫ −π ϕ(x− t)Zq(t)Pq,β,n,p(t)dt ∥∥∥∥∥∥ s , (63) в котором функции Zq(t) и P q,β,n,p (t) определены формулами (9) и (10) соответ- ственно. Далее нам понадобится следующее утверждение из работы [35, c. 1398]. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА . . . 1683 Лемма 2. Пусть K(t) ∈ Ls, 1 ≤ s ≤ ∞. Тогда для величины E(K)Ls = sup ϕ∈U0 1 ∥∥∥∥∥∥ π∫ −π ϕ(x− t)K(t)dt ∥∥∥∥∥∥ s (64) выполняются соотношения 1 2 sup λ∈R ‖K(·)−K(·+ λ)‖s ≤ E(K)Ls ≤ ‖K‖s. (65) Полагая в условиях леммы 2 K(t) = Zq(t)Pq,β,n,p(t) и учитывая равенство (63), получаем соотношение 1 2πp sup λ∈R ∥∥Zq(·)Pq,β,n,p(·)− Zq(·+ λ)P q,β,n,p (·+ λ) ∥∥ s ≤ ≤ E ( Lqβ,1;Vn,p ) Ls ≤ 1 πp ∥∥Zq(·)Pq,β,n,p(·)∥∥s, 1 ≤ s ≤ ∞. (66) В силу леммы 1, в условиях которой положено ϕ(t) = q−n+p−1Zq(t)Pq,β,n,p(t), g(t) = Z2 q(t)Gp,q(t), h(t) = −Z2 q(t)Hp,q(t), m = n − p + 1, α = −β π 2 и v = s (функции Gp,q(t) и Hp,q(t) определены соответственно равенствами (17) и (18)), а также формул (24), (25), (26), (37) и (45) для произвольных q ∈ (0, 1), β ∈ R, 1 ≤ s ≤ ∞ и p = 1, 2, . . . , n имеем 1 2 sup λ∈R ∥∥Zq(·)Pq,β,n,p(·)− Zq(·+ λ)P q,β,n,p (·+ λ) ∥∥ s = = qn−p+1 ( ‖ cos t‖s (2π)1/s ∥∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥∥ s +O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(s,p) ) , (67) inf λ∈R ∥∥Zq(·)Pq,β,n,p(·)− λ∥∥s = = qn−p+1 ( ‖ cos t‖s (2π)1/s ∥∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥∥ s +O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(s,p) ) , (68) ∥∥Zq(·)Pq,β,n,p(·)∥∥s = = qn−p+1 ( ‖ cos t‖s (2π)1/s ∥∥∥∥∥ Z2 q(t) Zqp(p t) ∥∥∥∥∥ s +O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(s,p) ) , (69) где σ(s, p) определена формулой (6), а величины O(1) равномерно ограничены по n, p, s, q и β. Из формул (66) – (69) следует (62). Теорема 2 доказана. Сопоставление асимптотических формул (7) и (60) позволяет записать предель- ное соотношение lim n−p→∞ E(Lqβ,s′ ;Vn,p)C E(Lqβ,1;Vn,p)Ls = 1, q ∈ (0, 1), β ∈ R, 1 ≤ s ≤ ∞, 1 s + 1 s′ = 1. (70) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 1684 А. С. СЕРДЮК Рассмотрим некоторые частные случаи теоремы 2. При s = 2 формула (62) с учетом равенства (51) обращается в асимптотическое при n− p→∞ равенство E ( Lqβ,1;Vn,p ) L2 = qn−p+1 p ( 1 π1/2 √ 1 + q2 − q2p(2p+ 1− q2(2p− 1)) (1− q2)3 + + O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(2,p) ) , (71) которое при p = 1 принимает вид E(Lqβ,1;Sn−1)L2 = qn ( 1 π1/2 √ 1− q2 +O(1) q n(1− q)2 ) . (72) Формула (72) приведена в работе [35, c. 1402]. При произвольных 1 ≤ s ≤ ∞ и p = 1 из формулы (62) получаем равенство E(Lqβ,1;Sn−1)Ls = qn ( ‖ cos t‖s π1+1/s21/s ∥∥∥∥∥ 1√ 1− 2q cos t+ q2 ∥∥∥∥∥ s +O(1) q n(1− q)σ(s,1) ) . (73) Равенство (73) установлено в работе [35]. Там же приведены несколько частных случаев формулы (73). В частности, при s = 1 из (73) следует асимптотическое при n→∞ равенство E(Lqβ,1;Sn−1)L1 = qn ( 8 π2 K(q) +O(1) q n(1− q) ) , (74) где K(q) — полный эллиптический интеграл первого рода. Асимптотическое ра- венство (74) отражает известный результат С. М. Никольского [12, c. 222, 223] с улучшенной С. Б. Стечкиним [13, c. 139] оценкой остаточного члена. При s 2 ∈ N из равенств (56), (57) и (73) следует оценка E(Lqβ,1;Sn−1)Ls = = qn ( 21/s π(s−1)/s √ 1− q2  (s− 1)!! s!! s/2−1∑ k=0 (s/2 + k − 1)! (k!)2(s/2− k − 1)! ( q2 1− q2 )k1/s + +O(1) q n(1− q)2 ) , которая при s = 2 обращается в равенство (72), а при s = 4 и s = 6 — соответ- ственно в равенства E(Lqβ,1;Sn−1)L4 = qn ( 31/4 21/2π3/4 √ 1− q2 ( 1 + q2 1− q2 )1/4 +O(1) q n(1− q)2 ) , ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 ПРИБЛИЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛОВ ПУАССОНА СУММАМИ ВАЛЛЕ ПУССЕНА . . . 1685 E(Lqβ,1;Sn−1)L6 = qn ( 51/6 21/2π5/6 √ 1− q2 ( 1 + 4q2 + q4 1− 2q2 + q4 )1/6 +O(1) q n(1− q)2 ) . При s = 1 и 1 ≤ p ≤ n, p, n ∈ N из формулы (62) следует равенство E ( Lqβ,1;Vn,p ) L1 = qn−p+1 p ( 4 π2 π∫ 0 √ 1− 2qp cos pt+ q2p 1− 2q cos t+ q2 dt+ +O(1) q (n− p+ 1)(1− q)σ(1,p) ) , которое было получено автором в [30, c. 104, 105]. 1. La Vallé Poussin Ch. Sur la meilleure approximation des fonctions d’une variable réelle par des expessions d’ordre donné // Compt., Rendus. – 1918. – 166. – S. 799 – 802. 2. La Vallé Poussin Ch. Leçons sur l’approximation des fonctions d’une variable réelle. – Paris: Gautier- Villars, 1919. – 150 p. 3. Никольский С. М. О некоторых методах приближения тригонометрическими суммами // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1940. – 4. – C. 509 – 520. 4. Стечкин С.Б. О суммах Валле Пуссена // Докл. АН СССР. – 1951. – 80. – C. 545 – 548. 5. Steckin S. B. On the approximation of periodic functions by de la Vallee Poussin sums // Anal. Math. – 1978. – 4. – P. 61 – 74. 6. Гаврилюк В. Т. Линейные методы суммирования рядов Фурье и наилучшее приближение // Укр. мат. журн. – 1963. – 15, № 5. – С. 412 – 418. 7. Габисония О. Д. О приближении функций многих переменных целыми функциями// Изв. вузов. Математика. – 1965. – 45, № 2. – С. 30 – 35. 8. Захаров А. А. Об оценке уклонения непрерывных периодических функций от сумм Валле Пуссена // Мат. заметки. – 1968. – 3. – С. 77 – 84. 9. Nagy B. Über gewisse Extremalfragen bei transformierten trigonometrischen Entwicklungen, I. Periodischer Fall // Ber. Math.-phys. Kl. Akad. Wiss. Leipzig. – 1938. – 90. – S. 103 – 134. 10. Nagy B. Sur une classe générale de procédés de sommation pour les séries de Fourier // Hung. Acta Math. – 1948. – 1, № 3. – P. 14 – 52. 11. Никольский С. М. Приближение периодических функций тригонометрическими многочленами // Тр. Мат. ин-та АН СССР. – 1945. – 15. – С. 1 – 76. 12. Никольский С. М. Приближение функций тригонометрическими полиномами в среднем // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1946. – 10. – C. 207 – 256. 13. Стечкин С. Б. Оценка остатка ряда Фурье для дифференцируемых функций // Тр. Мат. ин-та АН СССР. – 1980. – 145. – С. 126 – 151. 14. Ефимов А. В. О приближении периодических функций суммами Валле-Пуссена. I // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1959. – 23, № 5. – С. 737 – 770. 15. Ефимов А. В. О приближении периодических функций суммами Валле-Пуссена. II // Там же. – 1960. – 24, № 3. – С. 431 – 468. 16. Теляковский С. А. Приближение дифференцируемых функций суммами Валле-Пуссена // Докл. АН СССР. – 1958. – 121, № 3. – С. 426 – 429. 17. Теляковский С. А. Приближение функций, дифференцируемых в смысле Вейля, суммами Валле Пуссена // Докл. АН СССР. – 1960. – 131, № 2. – С. 259 – 262. 18. Теляковский С. А. О приближении дифференцируемых функций линейными средними их рядов Фурье // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1960. – 24, № 2. – С. 213 – 242. 19. Теляковский С. А. О нормах тригонометрических полиномов и приближении дифференцируемых функций линейными средними их рядов Фурье. I // Тр. Мат. ин-та АН СССР. – 1961. – 62. – С. 61 – 97. 20. Теляковский С. А. О нормах тригонометрических полиномов и приближении дифференцируемых функций линейными средними их рядов Фурье. II // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1963. – 27, № 2. – С. 253 – 272. 21. Тиман А. Ф. Обобщение некоторых результатов А. Н. Колмогорова и С. М. Никольского // Докл. АН СССР. – 1951. – 81, № 4. – С. 509 – 511. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12 1686 А. С. СЕРДЮК 22. Тиман А. Ф. Теория приближения функций действительного переменного. – М.: Физматгиз, 1960. – 624 с. 23. Рукасов В. И. Приближение функций класса Cψβ,∞ линейными средними их рядов Фурье // Укр. мат. журн. – 1987. – 39, № 4. – С. 478 – 483. 24. Рукасов В. И. Приближения операторами Валле-Пуссена функций, заданных на действительной оси // Укр. мат. журн. – 1992. – 44, № 5. – С. 682 – 690. 25. Рукасов В. И. Приближение суммами Валле-Пуссена классов аналитических функций // Там же. – 2003. – 55, № 6. – С.806 – 816. 26. Островецький Л. А. Про асимптотичнi рiвностi при наближеннi функцiй з класiв Hω сумами Валле-Пуссена // Доп. АН УРСР. Сер. А. – 1979. – № 5. – С. 340 – 342. 27. Степанец А. И. Методы теории приближений: В 2 ч. // Працi Iн-ту математики НАН України. – 2002. – 40, ч. I. – 427 с. 28. Степанец А. И. Методы теории приближений: В 2 ч. // Там же. – Ч. II. – 468 c. 29. Степанец А. И., Рукасов В. И., Чайченко С. О. Приближения суммами Валле-Пуссена // Там же, 2007. – 386 с. 30. Сердюк А. С. Наближення iнтегралiв Пуассона сумами Валле Пуссена // Укр. мат. журн. – 2004. – 56, № 1. – C. 97 – 107. 31. Корнейчук Н. П. Точные константы в теории приближения. – М.: Наука, 1987. – 423 с. 32. Сердюк А. С. Наближення класiв аналiтичних функцiй сумами Фур’є в рiвномiрнiй метрицi // Укр. мат. журн. – 2005. – 57, № 8. – C. 1079 – 1096. 33. Прудников А. П., Брычков Ю. А., Маричев О. И. Интегралы и ряды. Элементарные функции. – М.: Наука, 1981. – 800 с. 34. Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. – М.: Физмат- гиз, 1963. – 1100 с. 35. Сердюк А. С. Наближення класiв аналiтичних функцiй сумами Фур’є в метрицi простору Lp // Укр. мат. журн. – 2005. – 57, № 10. – C.1395 – 1408. Получено 08.07.10 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2010, т. 62, № 12
id umjimathkievua-article-2991
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
English
last_indexed 2026-03-24T02:34:11Z
publishDate 2010
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/19/0de6daa22d4282d3db5af58bf5373119.pdf
spelling umjimathkievua-article-29912020-03-18T19:41:53Z Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics Приближение интегралов Пуассона суммами Балле Пуссена в равномерной и интегральных метриках Serdyuk, A. S. Сердюк, А. С. Сердюк, А. С. On the classes of Poisson integrals of functions belonging to the unit balls of the spaces $L_s , 1 ≤ s ≤ ∞$, we establish asymptotic equalities for upper bounds of approximations by de la Vallée-Poussin sums in the uniform metric. Asymptotic equalities are also obtained for the case of approximation by de la Vallée-Poussin sums in the metrics of the spaces $L_s , 1 ≤ s ≤ ∞$, on the classes of Poisson integrals of functions belonging to the unit ball of the space $L_1$. On classes of the Poisson integrals of functions belonging to the unit balls of the spaces $L_s , 1 ≤ s ≤ ∞$, we establish asymptotic equalities for upper bounds of approximations by the Vallée Poussin sums in a uniform metric. Asymptotic equalities are obtained also for the case of approximation by the Vallée Poussin sums in metrics of the spaces $L_s , 1 ≤ s ≤ ∞$, on classes of the Poisson integrals of functions belonging to the unit ball of the space $L_1$. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2010-12-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2991 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 62 No. 12 (2010); 1672–1686 Український математичний журнал; Том 62 № 12 (2010); 1672–1686 1027-3190 rus en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2991/2732 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2991/2733 Copyright (c) 2010 Serdyuk A. S.
spellingShingle Serdyuk, A. S.
Сердюк, А. С.
Сердюк, А. С.
Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics
title Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics
title_alt Приближение интегралов Пуассона суммами Балле Пуссена в равномерной и интегральных метриках
title_full Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics
title_fullStr Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics
title_full_unstemmed Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics
title_short Approximation of Poisson integrals by de la Valleé-Poussin sums in uniform and integral metrics
title_sort approximation of poisson integrals by de la valleé-poussin sums in uniform and integral metrics
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2991
work_keys_str_mv AT serdyukas approximationofpoissonintegralsbydelavalleepoussinsumsinuniformandintegralmetrics
AT serdûkas approximationofpoissonintegralsbydelavalleepoussinsumsinuniformandintegralmetrics
AT serdûkas approximationofpoissonintegralsbydelavalleepoussinsumsinuniformandintegralmetrics
AT serdyukas približenieintegralovpuassonasummamiballepussenavravnomernojiintegralʹnyhmetrikah
AT serdûkas približenieintegralovpuassonasummamiballepussenavravnomernojiintegralʹnyhmetrikah
AT serdûkas približenieintegralovpuassonasummamiballepussenavravnomernojiintegralʹnyhmetrikah