Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals

Asymptotic equalities are obtained for upper bounds of approximations of functions from the classes $C^{\psi}_{\beta \infty}$ and $L^{\psi}_{\beta 1}$ by the Weierstrass integrals.

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2007
Main Authors: Kalchuk, I. V., Kharkevych, Yu. I., Кальчук, І. В., Харкевич, Ю. І.
Format: Article
Language:Ukrainian
English
Published: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2007
Online Access:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3359
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_ 1860509436733292544
author Kalchuk, I. V.
Kharkevych, Yu. I.
Кальчук, І. В.
Харкевич, Ю. І.
author_facet Kalchuk, I. V.
Kharkevych, Yu. I.
Кальчук, І. В.
Харкевич, Ю. І.
author_sort Kalchuk, I. V.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T19:52:14Z
description Asymptotic equalities are obtained for upper bounds of approximations of functions from the classes $C^{\psi}_{\beta \infty}$ and $L^{\psi}_{\beta 1}$ by the Weierstrass integrals.
first_indexed 2026-03-24T02:41:05Z
format Article
fulltext УДК 517.5 Ю. I. Харкевич, I. В. Кальчук (Волин. ун-т, Луцьк) НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА Asymptotic equalities are obtained for upper bounds of approximations of functions from the classes Cψβ,∞ and Lψβ,1 by the Weierstrass integrals. Получены асимптотические равенства для верхних граней приближений функций из классов Cψβ,∞ и Lψβ,1 интегралами Вейєрштрасса. 1. Основнi означення та допомiжнi твердження. Нехай C — простiр 2π- перiодичних неперервних функцiй, у якому норма задається за допомогою рiвностi ‖f‖C = max t ∣∣f(t) ∣∣; L∞ — простiр 2π-перiодичних вимiрних суттєво обмежених функцiй iз нормою ‖f‖∞ = ess sup t ∣∣f(t) ∣∣; L — простiр 2π-перiодичних сумовних на перiодi функцiй, в якому норма задається рiвнiстю ‖f‖L = ‖f‖1 = ∫ π −π ∣∣f(t) ∣∣dt. У роботi О. I. Степанця [1] введено класи перiодичних функцiй таким чином. Нехай f(x) ∈ L i S[f ] = a0 2 + ∞∑ k=1 (ak cos kx+ bk sin kx) (1) — ряд Фур’є функцiї f . Нехай, далi, ψ(k) — довiльна фiксована функцiя натурального аргументу i β — фiксоване дiйсне число. Якщо ряд ∞∑ k=1 1 ψ (k) ( ak cos ( kx+ πβ 2 ) + bk sin ( kx+ πβ 2 )) є рядом Фур’є деякої сумовної функцiї ϕ, то цю функцiю називають (ψ, β)-похiдною функцiї f(x) i позначають через fψβ (x). Множину усiх функцiй f(x), котрi задо- вольняють таку умову, позначають через Lψβ . Пiдмножину неперервних функцiй iз Lψβ позначають Cψβ . Якщо f(x) ∈ Lψβ i ∥∥∥fψβ (x) ∥∥∥ 1 ≤ 1, то кажуть, що f(x) належить класу Lψβ,1; якщо ж f(x) ∈ Cψβ i ∥∥∥fψβ (x) ∥∥∥ ∞ ≤ 1, то f(x) належить класу Cψβ,∞. При ψ(k) = k−r, r > 0, класи Cψβ,∞ збiгаються з класами W r β , якi були введенi Б. Надем [2], i fψβ (x) = f (r) β (x) — (r, β)-похiдна в розумiннi Вейля – Надя. Якщо, крiм цього, β = r, r ∈ N, то fψβ є похiдною порядку r функцiї f, i при цьому класи Cψβ,∞ є вiдомими класами Соболєва W r. Наслiдуючи О. I. Степанця [1], множину всiх опуклих донизу послiдовностей ψ(k), для яких lim k→∞ ψ(k) = 0, позначатимемо через M. Не зменшуючи загальностi, будемо вважати, що послiдовностi ψ(k) iз множини M є звуженнями на множинi натуральних чисел деяких додатних неперервних опуклих донизу функцiй ψ(t) c©Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК, 2007 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 953 954 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК неперервного аргументу t ≥ 1, що прямують до нуля на нескiнченностi. Множину таких функцiй також будемо позначати через M. Отже, надалi M = { ψ(t) : ψ(t) > 0, ψ(t1)− 2ψ ( t1 + t2 2 ) + ψ(t2) ≥ 0 ∀t1, t2 ∈ [1,∞), lim t→∞ ψ(t) = 0 } , а через M′ позначимо пiдмножину функцiй ψ(·) з M, що задовольняють умову ∞∫ 1 ψ(t) t dt <∞. (2) Далi, iз множини M видiлимо пiдмножину M0 за допомогою наступної харак- теристики. Нехай ψ ∈ M i η(t) = η(ψ; t) — функцiя, пов’язана з ψ рiвнiстю η(t) = = η (ψ; t) = ψ−1 ( 1 2 ψ(t) ) , де ψ−1 — функцiя, обернена до функцiї ψ. Покладемо µ(t) = µ(ψ; t) = t η(t)− t . Тодi M0 = {ψ ∈ M : 0 < µ (ψ; t) ≤ K ∀t ≥ 1} , де K — константа, яка може залежати вiд ψ. Нехай f (x) ∈ L. Величину Wδ(f, x) = a0 2 + ∞∑ k=1 e− k2 δ (ak cos kx+ bk sin kx) , δ > 0, (3) де ak, bk — коефiцiєнти Фур’є функцiї f, називають iнтегралом Вейєрштрасса (див., наприклад, [3, c. 150]). Дану роботу присвячено вивченню асимптотичної поведiнки при δ →∞ вели- чин E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥f(x)−Wδ(f, x) ∥∥ C , (4) E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = sup f∈Lψβ,1 ∥∥f(x)−Wδ(f, x) ∥∥ 1 . (5) Якщо в явному виглядi знайдено функцiю ϕ(δ) = ϕ(N; δ) таку, що при δ → → ∞ E (N;Wδ)X = ϕ (δ) + o (ϕ (δ)) , то, наслiдуючи О. I. Степанця [1, c. 198], будемо говорити, що розв’язано задачу Колмогорова – Нiкольського для класу N та iнтеграла Вейєрштрасса в метрицi простору X . Вiдмiтимо, що задача Колмогорова – Нiкольського для iнтегралiв Вейєрштрасса на класах W r β , W r та iнших розглядалась в роботах Л. I. Баусова [4, 5], Я. С. Буг- рова [6], В. А. Баскакова [7], Л. П. Фалалєєва [8]. Покладемо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 955 τ(u) = τδ(u, ψ) =  ( 1− e−u 2 ) ψ(1) ψ( √ δ) , 0 ≤ u ≤ 1√ δ , ( 1− e−u 2 ) ψ (√δu) ψ (√ δ ) , u ≥ 1√ δ , (6) де ψ(u) — функцiя, визначена i неперервна при всiх u ≥ 1. Не зменшуючи загаль- ностi, будемо вважати, що функцiя ψ(u) має неперервну другу похiдну на [1;∞). Домовимось у цiй роботi через K, Ki позначати сталi, взагалi кажучи, рiзнi. Наведемо означення та допомiжнi твердження, що належать Л. I. Баусову [5] та О. I. Степанцю [1], якi ми будемо використовувати в подальшому. Означення [5]. Нехай функцiя τ(u) є заданою на [0,∞), абсолютно неперерв- ною i τ(∞) = 0. Кажуть, що функцiя τ(u) належить Ea, якщо похiдну τ ′(u) в тих точках, де вона не iснує, можна доозначити так, щоб для деякого a ≥ 0 iснували iнтеграли ∫ a 2 0 u|dτ ′(u)|, ∫ ∞ a 2 |u− a||dτ ′(u)|. Теорема 1′ [5, с. 24]. Нехай τ(u) ∈ Ea i sin βπ 2 τ(0) = 0. Тодi для збiжностi iнтеграла A(τ) = 1 π ∞∫ −∞ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt (7) необхiдно i достатньо, щоб збiгались iнтеграли ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du, a∫ 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du. При цьому справедливою є оцiнка∣∣∣∣∣∣A(τ)− 4 π2 ∞∫ 0 ξ ( sin βπ 2 τ(u), ju [τ(a− u)− τ(a+ u)] ) du u ∣∣∣∣∣∣ ≤ KH(τ), де ξ(A,B) — функцiя, введена в роботi [9] таким чином: ξ(A,B) =  π 2 |A|, |B| ≤ |A|, |A| arcsin ∣∣∣∣AB ∣∣∣∣+√B2 −A2, |B| > |A|, ju = { 1, 0 < u < a, 0, u ≥ a, H(τ) = |τ(0)|+ |τ(a)|+ a 2∫ 0 u |dτ ′(u)|+ ∞∫ a 2 |u− a| |dτ ′(u)| . (8) Якщо 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∫ ∞ 0 |τ(u)| u du ≥ 4 π2 ∫ a 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du, то ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 956 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК∣∣∣∣∣∣A(τ)− 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du ∣∣∣∣∣∣ ≤ K  a∫ 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du+H(τ) ; (9) якщо ж 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∫ ∞ 0 |τ(u)| u du ≤ 4 π2 ∫ a 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du, то ∣∣∣∣∣∣A(τ)− 4 π2 a∫ 0 |τ(a− u)− τ(a+ u)| u du ∣∣∣∣∣∣ ≤ K ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du+H(τ) . (10) Теорема 2′ [1, с. 161]. Функцiя ψ ∈ M належить до M0 тодi i лише тодi, коли величина α(t) = ψ(t) t |ψ′(t)| , ψ′(t) := ψ′(t+ 0) (11) задовольняє умову α(t) ≥ K > 0 ∀t ≥ 1. Теорема 3′ [1, с. 175]. Для того щоб функцiя ψ ∈ M належала до M0, необ- хiдно i достатньо, щоб iснувала стала K така, щоб при всiх t ≥ 1 виконувалась нерiвнiсть ψ(t) ψ(ct) ≤ K, де c — довiльна стала, що задовольняє умову c > 1. 2. Асимптотичнi оцiнки для верхнiх меж вiдхилень iнтегралiв Вейєрштрас- са вiд функцiй iз класiв Cψβ,∞. Нам буде потрiбне наступне твердження, що є аналогом леми 1 роботи [10]. Лема 1. Якщо для функцiї τ(u), що задана за допомогою спiввiдношення (6), її перетворення τ̂β(t) вигляду τ̂β(t) = τ̂(t, β) = 1 π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du (12) є сумовним на всiй числовiй осi, то справджується рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = ψ( √ δ)A(τ) +O ψ (√δ) ∫ |t|≥ √ δ π 2 |τ̂β(t)| dt , (13) де величина A(τ) визначена рiвнiстю (7). Теорема 1. Нехай ψ ∈ M ′ 0 = M0 ∩ M′, функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою догори або донизу на [b;∞), b ≥ 1. Тодi при δ →∞ має мiсце рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = ψ( √ δ)A(τ) +O ( 1 δ + ψ( √ δ)√ δ ) , (14) де величина A(τ) означається за допомогою рiвностi (7) i для неї справедливою є оцiнка ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 957 A(τ) = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣  1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du+ 1 ψ( √ δ) ∞∫ √ δ ψ(u) u du + + O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . (15) Доведення. Перевiримо виконання умови леми 1. Для цього покажемо сумов- нiсть перетворення функцiї τ(u) вигляду (12), тобто збiжнiсть iнтеграла (7). Згiдно з теоремою 1′, знайдемо оцiнки наступних iнтегралiв: 1 2∫ 0 u |dτ ′(u)| , ∞∫ 1 2 |u− 1| |dτ ′(u)| , (16) ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ 0 |τ(u)| u du, 1∫ 0 |τ(1− u)− τ(1 + u)| u du. (17) Для оцiнки першого iнтеграла з (16) розiб’ємо промiжок [ 0; 1 2 ] на двi частини:[ 0; 1√ δ ] i [ 1√ δ ; 1 2 ] (при δ > 4b2). Враховуючи, що τ ′′(u) ≥ 0 на [ 0; 1√ δ ] , а також нерiвнiсть e−u 2 ≤ 1, u ∈ R, (18) одержуємо 1√ δ∫ 0 u |dτ ′(u)| = ψ(1) ψ( √ δ) ( 2 δ e− 1 δ − 1 + e− 1 δ ) = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (19) Нехай тепер u ∈ [ 1√ δ ; 1 2 ] . Покладемо τ1(u) = ( 1− e−u 2 − u2 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , τ2(u) = u2ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (20) тодi 1 2∫ 1√ δ u |dτ ′(u)| ≤ 1 2∫ 1√ δ u |dτ ′1(u)|+ 1 2∫ 1√ δ u |dτ ′2(u)|. (21) Знайдемо оцiнку першого iнтеграла в правiй частинi нерiвностi (21). Оскiльки ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 958 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК τ ′′1 (u) = ( 1− e−u 2 − u2 ) δψ′′(√δu) ψ( √ δ) + 4u ( e−u 2 − 1 ) √δψ′(√δu) ψ( √ δ) + + 2 ( e−u 2 − 2u2e−u 2 − 1 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (22) то, враховуючи нерiвностi e−u 2 + u2 − 1 ≤ u4 2 , 1− e−u 2 ≤ u2, 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ≤ 3u2, u ∈ R, (23) маємо 1 2∫ 1√ δ u|dτ ′1(u)| ≤ δ 2ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u5ψ′′( √ δu)du+ 4 √ δ ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u4|ψ′( √ δu)|du + + 6 ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du. Зiнтегрувавши перший iнтеграл у правiй частинi останньої нерiвностi частинами та скориставшись теоремами 2′ та 3′, отримаємо 1 2∫ 1√ δ u|dτ ′1(u)| ≤ √ δ|ψ′( √ δ 2 )| 26ψ( √ δ) + |ψ′(1)| 2δ2ψ( √ δ) + 13 √ δ 2ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u4|ψ′( √ δu)|du + + 6 ψ( √ δ) 1 2∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du ≤ ≤ K1 + K2 δ2ψ( √ δ) + K3 ψ( √ δ)  b√ δ∫ 1√ δ + 1 2∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du. (24) Тут i далi будемо вважати, що ψ′(1) = ψ′(1 + 0). Оскiльки функцiя g(u) = u2ψ(u) є обмеженою на [1; b] , то 1 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du = 1 δ2ψ( √ δ) b∫ 1 u3ψ(u) du ≤ ≤ K δ2ψ( √ δ) b∫ 1 u du = O ( 1 δ2ψ( √ δ) ) , δ →∞. (25) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 959 Враховуючи опуклiсть догори або донизу функцiї g(u) = u2ψ(u) при u ≥ b, знахо- димо 1 2∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du ≤ 1∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du ≤ 1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ b u2ψ(u)du = = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (26) З огляду на (25) та (26) iз (24), маємо 1 2∫ 1√ δ u|dτ ′1(u)| = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (27) Оцiнимо другий iнтеграл у правiй частинi нерiвностi (21). Враховуючи, що при u ≥ 1√ δ τ ′′2 (u) = 2 ψ( √ δu) ψ( √ δ) + 4u √ δψ′ (√ δu ) ψ( √ δ) + u2 δψ ′′( √ δu) ψ( √ δ) , при δ > 4b2 отримуємо b√ δ∫ 1√ δ u |dτ ′2(u)| ≤ δ ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u3ψ′′( √ δu) du+ + 4 √ δ ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u2 ∣∣∣ψ′(√δu)∣∣∣ du+ 2 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ uψ( √ δu) du. Зiнтегрувавши частинами перший iнтеграл у правiй частинi останньої нерiвностi двiчi, а другий — один раз i врахувавши, що функцiя ψ(u) є спадною на [1;∞) , одержимо b√ δ∫ 1√ δ u |dτ ′2(u)| ≤ √ δ ψ( √ δ) u3ψ′ (√ δu ) ∣∣∣∣∣ b√ δ 1√ δ − − 7 ψ( √ δ) u2ψ( √ δu) ∣∣∣∣∣ b√ δ 1√ δ + 16 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ uψ( √ δu)du = = O ( 1 δψ( √ δ) ) . (28) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 960 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Оскiльки функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою на [b;∞) , то 1 2∫ b√ δ u|dτ ′2(u)| = ∣∣∣∣∣ 1 2∫ b√ δ udτ ′2(u) ∣∣∣∣∣ = ∣∣∣∣∣(uτ ′2(u)− τ2(u)) ∣∣∣∣ 12 b√ δ ∣∣∣∣∣ = = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . (29) Таким чином, iз спiввiдношень (19), (21), (27) – (29) випливає, що 1 2∫ 0 u |dτ ′(u)| = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (30) Оцiнимо другий iнтеграл з (16). Оскiльки, згiдно з (6), при u ≥ 1√ δ τ ′′(u) = ( 1− e−u 2 ) δψ′′(√δu) ψ( √ δ) + 4ue−u 2 √ δψ′( √ δu) ψ( √ δ) + + 2 ( e−u 2 − 2u2e−u 2 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (31) а також |u− 1| ≤ u, u ∈ [ 1 2 ;∞ ) , та виконуються нерiвностi 1− e−u 2 ≤ 1, u2e−u 2 ≤ 1, ∣∣u− 2u3 ∣∣ e−u2 ≤ 2 u2 , u ∈ R, (32) отримуємо ∞∫ 1 2 |u− 1||dτ ′(u)| ≤ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 2 uψ′′ (√ δu ) du + + 4 √ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 2 ∣∣ψ′(√δu)∣∣du+ 4 ψ (√ δ ) ∞∫ 1 2 ψ( √ δu) u2 du. (33) Зiнтегрувавши частинами перший iнтеграл у правiй частинi нерiвностi (33), а також застосувавши теореми 2′ та 3′, одержимо ∞∫ 1 2 |u− 1| |dτ ′(u)| = O(1), δ →∞. (34) Для оцiнки першого iнтеграла з (17) розiб’ємо промiжок [0,∞) на три частини:[ 0, 1√ δ ] , [ 1√ δ , 1 ] , [1,∞). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 961 Нехай u ∈ [ 0, 1√ δ ] . Враховуючи (6) та друге спiввiдношення iз (23), маємо 1√ δ∫ 0 |τ(u)| u du = ψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 (1− e−u 2 ) du u ≤ ψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 udu ≤ K δψ( √ δ) . (35) Згiдно з (6), у випадку u ∈ [ 1√ δ , 1 ] ∣∣∣∣∣∣∣∣ 1∫ 1√ δ τ(u) u du− 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ uψ( √ δu)du ∣∣∣∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ |1− e−u 2 − u2| u ψ( √ δu)du. Оскiльки має мiсце перша нерiвнiсть з (23) та оцiнки (25), (26), то∣∣∣∣∣∣∣∣ 1∫ 1√ δ τ(u) u du− 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ uψ( √ δu)du ∣∣∣∣∣∣∣∣ ≤ 1 2ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du = = 1 2ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ u3ψ( √ δu)du+ 1 2ψ( √ δ) 1∫ b√ δ u3ψ( √ δu)du = = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . Iз останнiх спiввiдношень випливає, що 1∫ 1√ δ |τ(u)| u du = 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (36) Нехай, нарештi, u ∈ [1,∞). Оскiльки∣∣∣∣∣ ∞∫ 1 τ(u) u du− 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ( √ δu) u du ∣∣∣∣∣ ≤ 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 e−u 2 u ψ( √ δu)du ≤ K, то ∞∫ 1 |τ(u)| u du = 1 ψ( √ δ) ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O(1). (37) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 962 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Об’єднавши спiввiдношення (35) – (37), одержимо ∞∫ 0 |τ(u)| u du = 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du+ 1 ψ( √ δ) ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) . (38) Оцiнимо другий iнтеграл iз (17). Для функцiї τ(u), заданої за допомогою спiввiдношення (6), згiдно з лемою 1 роботи [11], для всiх ψ ∈ M0 має мiсце рiвнiсть 1∫ 0 |τ(1− u)− τ(1 + u)| u du = 1∫ 0 |λ(1− u)− λ(1 + u)| u du+O ( H(τ) ) , (39) де H(τ) означається за допомогою рiвностi (8), а λ(u) = e−u 2 . Використовуючи те, що 1∫ 0 |λ(1− u)− λ(1 + u)| u du = 1∫ 0 e−(1−u)2 − e−(1+u)2 u du = O(1), а також спiввiдношення (30) та (34), iз (39) отримуємо 1∫ 0 |τ(1− u)− τ(1 + u)| u du = O ( 1 + 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (40) Отже, враховуючи формули (30), (34), (38) i (40), згiдно з теоремою 1′, пере- конуємося в тому, що перетворення функцiї τ(u) вигляду (12) є сумовним на всiй числовiй осi. Тому, згiдно з лемою 1, виконується рiвнiсть (13). Iз нерiвностей (9) i (10) з урахуванням формул (30), (34), (38) i (40) отримуємо спiввiдношення (15). Оцiнимо залишковий член у правiй частинi рiвностi (13): τ̂β(t) = 1 π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = 1 π  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ  τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du. (41) Зiнтегруємо двiчi частинами iнтеграли у правiй частинi рiвностi (41): 1√ δ∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = 1 t ( 1− e− 1 δ ) ψ(1) ψ( √ δ) sin ( 1√ δ t+ βπ 2 ) + + 1 t2 2e− 1 δψ(1)√ δψ( √ δ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) − 1 t2 1√ δ∫ 0 τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du, (42) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 963 ∞∫ 1√ δ τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = −1 t ( 1− e− 1 δ ) ψ(1) ψ( √ δ) sin ( 1√ δ t+ βπ 2 ) − − 1 t2 ( 2e− 1 δψ(1)√ δψ( √ δ) + ( 1− e− 1 δ ) √δψ′(1) ψ( √ δ) ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) − − 1 t2 ∞∫ 1√ δ τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du. (43) Пiдставляючи (42), (43) в (41), отримуємо 1 π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = − 1 πt2 1√ δ∫ 0 τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du− − 1 πt2 ∞∫ 1√ δ τ ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du − − 1 πt2 ( 1− e− 1 δ ) √δψ′(1) ψ( √ δ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) , звiдки ∣∣∣∣∣ 1π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 1 πt2  1√ δ∫ 0 + 1∫ 1√ δ + ∞∫ 1  |τ ′′(u)|du+ 1 t2 K√ δψ( √ δ) . (44) Враховуючи, що τ ′′(u) ≥ 0 на [ 0, 1√ δ ] , i нерiвнiсть (18), дiстаємо 1√ δ∫ 0 |τ ′′(u)|du = 1√ δ∫ 0 τ ′′(u)du = 2ψ(1)√ δψ( √ δ) e− 1 δ = O ( 1√ δψ( √ δ) ) , δ →∞. (45) Нехай u ∈ [ 1√ δ , 1 ] . Мiркуючи, як i при оцiнюваннi першого iнтеграла з (16) на промiжку [ 1√ δ , 1 2 ] (див. (20) – (29)), можна показати, що має мiсце оцiнка 1∫ 1√ δ |τ ′′(u)|du = O ( 1 + 1√ δψ( √ δ) ) , δ →∞. (46) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 964 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Нехай тепер u ∈ [1,∞). Використовуючи рiвнiсть (31), першу нерiвнiсть з (32), нерiвностi ue−u 2 ≤ 1, (2u2 − 1)e−u 2 ≤ 1 u2 , u ∈ R, а також теорему 3′, маємо ∞∫ 1 |τ ′′(u)|du ≤ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ′′( √ δu)du+ 4 √ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1 ∣∣∣ψ′(√δu)∣∣∣ du + + 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ( √ δu) u2 du = O(1). (47) Об’єднуючи формули (45) – (47) iз (44), отримуємо∣∣∣∣∣ 1π ∞∫ 0 τ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣ = O ( 1 + 1√ δψ( √ δ) ) 1 t2 . Звiдси ∫ |t|≥ √ δπ 2 ∣∣∣τ̂β(t)∣∣∣dt = O ( 1 δψ( √ δ) + 1√ δ ) . (48) Iз спiввiдношень (48) та (13) видно, що має мiсце рiвнiсть (14). Теорему 1 доведено. Слiд вiдмiтити, що при ψ(u) = 1 ur , r < 2, теорему 1 отримано в роботi Л. I. Ба- усова [5, c. 31]. Наслiдок 1. Якщо виконуються умови теореми 1, sin βπ 2 6= 0 i lim t→∞ α(t) = ∞, де величина α(t) означена рiвнiстю (11), то при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O ( ψ( √ δ) ) . (49) Доведення. Якщо ψ ∈ M′ 0 i lim t→∞ α(t) = ∞, то для довiльного ε > 0 знайдеться таке u0 ≥ 1, що при u > u0 (uεψ(u))′ > 0, тобто функцiя uεψ(u) зростає, почи- наючи з деякого числа u0, i lim u→∞ uεψ(u) = ∞. Отже, при достатньо великих δ i 0 < ε < 2 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du ≤ ( √ δ)εψ( √ δ) δψ( √ δ) √ δ∫ 1 du uε−1 = O(1). (50) Використовуючи правило Лопiталя i те, що lim t→∞ α(t) = ∞, маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 965 lim x→∞ ∞∫ x ψ(u) u du ψ(x) = lim x→∞ ψ(x) x|ψ′(x)| = ∞. (51) Враховуючи, що 1 δ + ψ( √ δ)√ δ = o ( ψ( √ δ) ) , (52) а також спiввiдношення (50) та (51), iз (14), (15) отримуємо (49). Прикладом функцiй, якi задовольняють умови наслiдку 1, є функцiї вигляду ψ(u) = 1 lnα(u+K) , де α > 1, K > 0. Наслiдок 2. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою догори або донизу при u ≥ b ≥ 1 i lim u→∞ u2ψ(u) = ∞, (53) lim δ→∞ 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du = ∞. (54) Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( ψ( √ δ) ) . (55) Доведення. Якщо функцiя ψ задовольняє умови (53) i (54), то, використовуючи правило Лопiталя, маємо lim x→∞ x∫ 1 uψ(u) x2ψ(x) = lim x→∞ xψ(x) 2xψ(x) + x2ψ′(x) = 1 2 + lim x→∞ xψ′(x) ψ(x) = ∞. Звiдси lim x→∞ xψ′(x) ψ(x) = −2. (56) Враховуючи (51) та (56), одержуємо ∞∫ √ δ ψ(u) u du = O ( ψ( √ δ) ) . Використовуючи останню оцiнку та спiввiдношення (14), (15), (52) – (54), одержу- ємо (55). Вiдмiтимо, що умови наслiдку 2 задовольняють, наприклад, функцiї вигляду ψ(u) = 1 u2 lnα(u+K), K > 0, α > 0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 966 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Наслiдок 3. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою донизу при u ≥ b ≥ 1 i lim u→∞ u2ψ(u) = K <∞, (57) lim δ→∞ √ δ∫ 1 uψ(u)du = ∞. (58) Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( 1 δ ) . (59) Доведення. Оскiльки функцiя u2ψ(u) є опуклою донизу на промiжку [b;∞) , b ≥ 1, та задовольняє умову (57), то робимо висновок, що вона монотонно спадає при u ≥ b. Отже, при δ > b2 маємо ∞∫ √ δ ψ(u) u du ≤ ∞∫ √ δ u2ψ(u) u3 du ≤ δψ( √ δ) ∞∫ √ δ 1 u3 du = O ( ψ( √ δ) ) , ψ( √ δ) = O ( 1 δ ) . Використовуючи останнi оцiнки та спiввiдношення (14), (15), (57), (58), отриму- ємо (59). Прикладом функцiй ψ, для яких має мiсце наслiдок 3, є функцiї вигляду ψ(u) = = 1 u2 (K + e−u), ψ(u) = 1 u2 lnα(u+K) , K > 0, 0 ≤ α ≤ 1. Зокрема, при ψ(u) = 1 u2 iз (59) одержуємо асимптотичну рiвнiсть E ( W 2 β ;Wδ ) C = 1 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ln δ δ +O ( 1 δ ) , яку було отримано в роботi Л. I. Баусова [5, c. 31]. Зауважимо, що при виконаннi умов наслiдкiв 1 – 3 рiвностi (49), (55) i (59) дають розв’язок задачi Колмогорова – Нiкольського для iнтегралiв Вейєрштрасса Wδ на класах Cψβ,∞ у рiвномiрнiй метрицi. Нехай G — множина функцiй ψ ∈ M, що задовольняють наступну умову: для довiльної сталої K > 0 iснує така точка u0 = u0(K) ≥ 1, що при u > u0 для функцiї α(u) вигляду (11) виконується нерiвнiсть α(u) < 1 2 ( 1− K u2 ) . Теорема 2. Нехай ψ ∈ G, функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою донизу на [b;∞) , b ≥ 1, i ∞∫ 1 uψ(u)du <∞. (60) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 967 Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = = 1 δ sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥f (2) 0 (x) ∥∥∥ C +O  1 δ √ δ √ δ∫ 1 t2ψ(t)dt+ 1 δ ∞∫ √ δ tψ(t)dt , (61) де f (2) 0 (x) — (r, β)-похiдна в розумiннi Вейля – Надя при r = 2, β = 0. Доведення. Подамо функцiю τ(u), задану за допомогою спiввiдношення (6), у виглядi τ(u) = ϕ(u) + µ(u), де ϕ(u) =  u2 ψ(1) ψ( √ δ) , 0 ≤ u ≤ 1√ δ , u2ψ( √ δu) ψ( √ δ) , u ≥ 1√ δ , (62) µ(u) =  (1− e−u 2 − u2) ψ(1) ψ( √ δ) , 0 ≤ u ≤ 1√ δ , (1− e−u 2 − u2) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , u ≥ 1√ δ . (63) Переконаємося в сумовностi перетворень ϕ̂β(t) i µ̂β(t) функцiй ϕ(u) та µ(u) (див. (12)). Покажемо збiжнiсть iнтеграла A (ϕ) = 1 π ∞∫ −∞ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt. Виходячи з умови (60) та опуклостi донизу функцiї g(u), неважко переконатися, що lim u→∞ u2ψ(u) = 0 та lim u→∞ u2ψ′(u) = 0. Застосовуючи двiчi iнтегрування частинами i враховуючи, що ϕ(0) = ϕ′(0) = 0, lim u→∞ ϕ(u) = lim u→∞ ϕ′(u) = 0, маємо ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du =  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = = − 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ ϕ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du − − 1 t2 ψ′(1)√ δψ( √ δ) cos ( 1√ δ t+ βπ 2 ) , звiдки ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 968 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ ≤ 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ  |ϕ′′(u)|du+ 1 t2 K√ δψ( √ δ) . Оскiльки функцiя ϕ(u) є опуклою донизу на промiжках [ 0; 1√ δ ] , [ b√ δ ;∞ ) i обме- женою на [ 1√ δ ; b√ δ ] , з останньої нерiвностi одержуємо ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ ≤ ≤ 1 t2  1√ δ∫ 0 + b√ δ∫ 1√ δ + ∞∫ b√ δ  |ϕ′′(u)|du+ 1 t2 K√ δψ( √ δ) = = 1 t2   1√ δ∫ 0 + ∞∫ b√ δ ϕ′′(u) du+ b√ δ∫ 1√ δ |ϕ′′(u)| du + 1 t2 K√ δψ( √ δ) ≤ ≤ 1 t2 2ψ(1)− 2bψ(b)− b2ψ′(b)√ δψ( √ δ) + 1 t2 K√ δψ( √ δ) + + 1 t2 1 ψ( √ δ) b√ δ∫ 1√ δ ( 2ψ( √ δu) + 4u √ δ|ψ′( √ δu)|+ u2δψ′′( √ δu) ) du ≤ ≤ 1 t2 K1√ δψ( √ δ) . Тодi ∫ |t|≥ √ δ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (64) Використовуючи (62), той факт, що функцiя u2ψ(u) спадає на [b,∞) i є обмеженою на [1, b] , а також нерiвнiсть (4.16) роботи [12, с. 59], отримуємо √ δ∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = √ δ∫ 0 ∣∣∣∣∣  1√ δ∫ 0 + b√ δ∫ 1√ δ + ∞∫ b√ δ ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣dt ≤ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 969 ≤ √ δ  1√ δ∫ 0 + b√ δ∫ 1√ δ ∣∣ϕ(u) ∣∣du+ √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu) ψ( √ δ) dudt ≤ ≤ √ δψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 u2du+ 1 δψ( √ δ) b∫ 1 u2ψ(u) du + + 1 ψ( √ δ) √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu)dudt ≤ ≤ K δψ( √ δ) + 1 ψ( √ δ) √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu)dudt. (65) Виконуючи замiну змiнних та iнтегруючи частинами в останньому iнтегралi з (65), дiстаємо 1 ψ( √ δ) √ δ∫ 0 b√ δ + 2π t∫ b√ δ u2ψ( √ δu)dudt = 2π ψ( √ δ) ∞∫ 2π√ δ b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du dx x2 = = 2π ψ( √ δ) − 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du ∣∣∣∣∣ ∞ 2π√ δ + + ∞∫ 2π√ δ 1 x ( b√ δ + x )2 ψ ( b+ √ δx ) dx  = = 2π ψ( √ δ) − lim x→∞ 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du+ √ δ 2π (b+2π)√ δ∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du + + 1 δ ∞∫ 2π√ δ 1 x ( b+ √ δx )2 ψ ( b+ √ δx ) dx . (66) У випадку, коли lim x→∞ ∫ b√ δ +x b√ δ u2ψ( √ δu)du = K > 0, маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 970 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК lim x→∞ 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du = 0, (67) а у випадку, коли lim x→∞ ∫ b√ δ +x b√ δ u2ψ( √ δu)du = ∞, використовуючи правило Лопi- таля i те, що lim u→∞ u2ψ(u) = 0, отримуємо lim x→∞ 1 x b√ δ +x∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du = lim x→∞ ( b√ δ + x )2 ψ ( b+ √ δx ) = 0. (68) Оскiльки при u ≥ 1 функцiя ψ(u) спадає, то √ δ 2π (b+2π)√ δ∫ b√ δ u2ψ( √ δu)du ≤ ψ(1) √ δ 2π (b+2π)√ δ∫ b√ δ u2du ≤ K δ . (69) Внаслiдок сумовностi функцiї uψ(u) на [1;∞) маємо 1 δ ∞∫ 2π√ δ 1 x ( b+ √ δx )2 ψ ( b+ √ δx ) dx = 1 δ ∞∫ b+2π y2ψ(y) y − b dy = = 1 δ ∞∫ b+2π yψ(y) ( 1 + b y − b ) dy ≤ ( 1 + b 2π ) δ ∞∫ b+2π yψ(y) dy ≤ K1 δ . (70) Iз спiввiдношень (66) – (70) i (65) отримуємо √ δ∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (71) Аналогiчно можна показати, що 0∫ − √ δ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 ϕ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. (72) Iз формул (64), (71) та (72) маємо A(ϕ) = O ( 1 δψ( √ δ) ) , δ →∞. Покажемо тепер збiжнiсть iнтеграла ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 971 A(µ) = 1 π ∞∫ −∞ ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt. Застосувавши двiчi iнтегрування частинами i врахувавши, що µ(0) = µ′(0) = 0, lim u→∞ µ(u) = lim u→∞ µ′(u) = 0, матимемо ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du =  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du = = − 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ µ′′(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du − − 1 t2 ( 1− e− 1 δ − 1 δ ) √ δψ′(1) ψ( √ δ) cos ( t√ δ + βπ 2 ) , звiдки∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ ≤ 1 t2  1√ δ∫ 0 + ∞∫ 1√ δ  |µ′′(u)| du+ 1 t2 K δ √ δψ( √ δ) . (73) При u ∈ [ 0, 1√ δ ] функцiя µ′′(u) < 0, тому 1√ δ∫ 0 |µ′′(u)| du = − 1√ δ∫ 0 µ′′(u)du = −µ′ ( 1√ δ ) + µ′(0) ≤ K δ √ δψ( √ δ) . (74) При u ≥ 1√ δ µ′′(u) = ( 1− e−u 2 − u2 ) δψ′′(√δu) ψ( √ δ) + 4u ( e−u 2 − 1 ) √δψ′(√δu) ψ( √ δ) + + 2 ( e−u 2 − 2u2e−u 2 − 1 ) ψ( √ δu) ψ( √ δ) , (75) i, отже, ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( e−u 2 + u2 − 1 ) ψ′′( √ δu)du+ + 4 √ δ ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ u ( 1− e−u 2 ) ∣∣∣ψ′(√δu)∣∣∣ du + ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 972 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК + 2 ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du. Зiнтегрувавши частинами перший iнтеграл у правiй частинi останньої нерiвностi двiчi, а другий — один раз, будемо мати ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ − √ δψ′(1) ψ( √ δ) ( e− 1 δ + 1 δ − 1 ) + + 6ψ(1)√ δψ( √ δ) ( 1− e− 1 δ ) + 8 ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ (√ δu ) du. Скориставшись першою та другою нерiвностями з (23), отримаємо ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ ≤ K1 δ √ δψ( √ δ) + K2 ψ( √ δ) ∞∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du. (76) Оцiнимо останнiй iнтеграл у нерiвностi (76). Для цього розiб’ємо промiжок iнтегрування [ 1√ δ ;∞ ) на двi частини: [ 1√ δ ; 1 ] та [1;∞). Застосовуючи третю нерiвнiсть з (23), одержуємо 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du ≤ ≤ 1 ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ u2ψ( √ δu)du = 1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du. (77) Враховуючи нерiвнiсть 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ≤ 2, u ∈ R, отримуємо 1 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ( 2u2e−u 2 − e−u 2 + 1 ) ψ( √ δu)du ≤ 2 ψ( √ δ) ∞∫ 1 ψ (√ δu ) du ≤ K. (78) Iз спiввiдношень (76) – (78) маємо ∞∫ 1√ δ |µ′′(u)| du ≤ K + K1 δ √ δψ( √ δ) + K2 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du. (79) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 973 Об’єднуючи формули (73), (74) i (79) i враховуючи те, що lim δ→∞ 1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du ≥ lim δ→∞ 1 δ √ δψ( √ δ) δψ( √ δ) √ δ∫ 1 du = 1, (80) дiстаємо ∫ |t|≥π ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du . (81) Розглянемо тепер π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt ≤ ≤ π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣∣∣  1√ δ∫ 0 + 1∫ 1√ δ + ∞∫ 1 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣∣∣ dt. (82) Використавши нерiвнiсть e−u 2 + u2 − 1 ≤ u2, u ∈ R, (83) одержимо π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣∣ 1√ δ∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣∣ dt ≤ π∫ 0 1√ δ∫ 0 |µ(u)| dudt = = πψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 ( e−u 2 + u2 − 1 ) du ≤ πψ(1) ψ( √ δ) 1√ δ∫ 0 u2du ≤ K δ √ δψ( √ δ) , (84) π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣∣∣ 1∫ 1√ δ µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣∣∣ dt ≤ π∫ 0 1∫ 1√ δ |µ(u)|dudt ≤ ≤ π ψ( √ δ) 1∫ 1√ δ u2ψ( √ δu)du = π δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du. (85) Оскiльки ψ ∈ G, то, як неважко переконатися, функцiя −µ(u) = (e−u 2 + u2 − − 1)ψ( √ δu) буде монотонно спадною починаючи з деякого значення u1 ≥ 1. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 974 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Враховуючи те, що функцiя −µ(u) є монотонно спадною на [u1;∞) , u1 ≥ 1, невiд’ємною i прямує до нуля при u→∞, можемо скористатись нерiвнiстю (4.16) з роботи [12, с. 59]. Отримаємо π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 1 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 1 (−µ(u)) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt ≤ ≤ π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ u1∫ 1 (−µ(u)) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt + + π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ u1 (−µ(u)) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt ≤ ≤ π∫ 0 u1∫ 1 (−µ(u)) du dt+ π∫ 0 u1+ 2π t∫ u1 (−µ(u)) du dt = = π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 (−µ(u)) du dt. (86) Використовуючи нерiвнiсть (83), маємо π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 (−µ(u)) dudt ≤ 1 ψ( √ δ) π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 u2ψ( √ δu)dudt. (87) Виконуючи замiну змiнних та iнтегруючи частинами, одержуємо 1 ψ( √ δ) π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 u2ψ( √ δu)dudt = 2π ψ( √ δ) ∞∫ 2 u1+x∫ 1 u2ψ (√ δu ) du dx x2 = = 2π ψ( √ δ) − lim x→∞ 1 x u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu)du+ 1 2 2+u1∫ 1 u2ψ( √ δu)du + + ∞∫ 2 1 x (u1 + x)2 ψ (√ δ(u1 + x) ) dx . (88) У випадку, коли limx→∞ u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu) du = K > 0, маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 975 lim x→∞ 1 x u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu)du = 0, (89) а у випадку lim x→∞ ∫ u1+x 1 u2ψ( √ δu) du = ∞, використовуючи правило Лопiталя i те, що lim u→∞ u2ψ(u) = 0, отримуємо lim x→∞ 1 x u1+x∫ 1 u2ψ( √ δu)du = lim x→∞ (u1 + x)2 ψ (√ δ(u1 + x) ) = 0. (90) Оскiльки при u ≥ 1 функцiя ψ(u) спадає, то 1 2 2+u1∫ 1 u2ψ( √ δu)du ≤ ψ( √ δ) 2 2+u1∫ 1 u2du ≤ Kψ( √ δ). (91) Внаслiдок сумовностi функцiї uψ(u) на [1;∞) маємо ∞∫ 2 1 x (u1 + x)2 ψ (√ δ(u1 + x) ) dx = 1 δ ∞∫ √ δ(2+u1) y2ψ(y) y − √ δu1 dy = = 1 δ ∞∫ √ δ(2+u1) yψ(y) ( 1 + √ δu1 y − √ δu1 ) dy ≤ ( 1 + u1 2 ) δ ∞∫ √ δ(2+u1) yψ(y)dy ≤ ≤ K1 δ ∞∫ √ δ yψ(y)dy. (92) Враховуючи спiввiдношення (89) – (92), iз (88) одержуємо 1 ψ( √ δ) π∫ 0 u1+ 2π t∫ 1 u2ψ( √ δu)dudt ≤ K1 + K2 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du. (93) Iз (82), враховуючи (84), (85), (93), а також (80), маємо π∫ 0 ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du+ 1 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du  . (94) Подiбними мiркуваннями встановлюється i рiвнiсть ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 976 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК 0∫ −π ∣∣∣∣∣∣ ∞∫ 0 µ(u) cos ( ut+ βπ 2 ) du ∣∣∣∣∣∣ dt = = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du+ 1 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du . (95) Об’єднуючи формули (81), (94) та (95), отримуємо A (µ) = O  1 δ √ δψ( √ δ) √ δ∫ 1 u2ψ(u)du+ 1 δψ( √ δ) ∞∫ √ δ uψ(u)du . (96) Аналогiчно до [1, c. 183] можна показати, що має мiсце рiвнiсть f(x)−Wδ(f, x) = ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) τ̂β(t)dt. Звiдси E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥∥∥∥ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) τ̂β(t)dt ∥∥∥∥∥∥ C = = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥∥∥∥ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) (ϕ̂β(t) + µ̂β(t)) dt ∥∥∥∥∥∥ C = = sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥∥∥∥ψ( √ δ) ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) ϕ̂β(t)dt ∥∥∥∥∥∥ C +O ( ψ( √ δ)A(µ) ) . (97) Аналогiчно до спiввiдношення (1.1) роботи [10] можна показати, що ряд Фур’є функцiї fϕ(x) = ∫ ∞ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) ϕ̂β(t)dt має вигляд S [fϕ] = ∞∑ k=1 k2 δ 1 ψ( √ δ) (ak cos kx+ bk sin kx) , де ak, bk — коефiцiєнти Фур’є функцiї f . Тому ∞∫ −∞ fψβ ( x+ t√ δ ) ϕ̂β(t)dt = 1 δψ( √ δ) f (2) 0 (x), (98) де f (2) 0 (x) — (r, β)-похiдна в розумiннi Вейля – Надя при r = 2, β = 0. Пiдставляючи (98) в (97), маємо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 НАБЛИЖЕННЯ (ψ, β)-ДИФЕРЕНЦIЙОВНИХ ФУНКЦIЙ IНТЕГРАЛАМИ ВЕЙЄРШТРАССА 977 E ( Cψβ,∞;Wδ ) C = 1 δ sup f∈Cψβ,∞ ∥∥∥f (2) 0 (x) ∥∥∥ C +O ( ψ( √ δ)A(µ) ) , δ →∞, (99) а пiдставляючи (96) в (99), отримуємо рiвнiсть (61). Теорему 2 доведено. Прикладом функцiй, для яких має мiсце теорема 2, є функцiї вигляду ψ(u) = = 1 u2 lnα(u+K) , K > 0, α > 1; ψ(u) = 1 ur lnα(u + K), ψ(u) = 1 ur arctg u, ψ(u) = 1 ur (K + e−u) K > 0, r > 2, α ∈ R. 3. Оцiнка верхнiх меж наближень функцiй на класах Lψβ,1 iнтегралами Вейєрштрасса в iнтегральнiй метрицi. Оскiльки функцiя τ(u), що задана за допомогою спiввiдношення (6), є неперервною, а її перетворення τ̂β(t) вигляду (12), як ми показали при доведеннi теореми 1, — сумовним, то аналогiчно до леми 2 роботи [10] можна довести, що при δ →∞ матиме мiсце рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = ψ( √ δ)A(τ) +O ψ( √ δ) ∫ |t|≥ √ δπ 2 |τ̂β(t)| dt . Порiвнюючи це спiввiдношення з рiвнiстю (13), приходимо до висновку, що має мiсце така теорема. Теорема 3. Нехай ψ ∈ M ′ 0 = M0 ∩ M′, функцiя g(u) = u2ψ(u) є опуклою догори або донизу на [b;∞) , b ≥ 1. Тодi при δ →∞ має мiсце рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = ψ( √ δ)A(τ) +O ( 1 δ + ψ( √ δ)√ δ ) , де величина A(τ) означається за допомогою рiвностi (7) i для неї справедлива оцiнка (15). Iз теореми 3 на пiдставi мiркувань, наведених при доведеннi наслiдкiв 1 – 3, випливають наступнi твердження. Наслiдок 4. Якщо виконуються умови теореми 1, sin βπ 2 6= 0 i lim t→∞ α(t) = ∞, де величина α(t) означена рiвнiстю (11), то при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ ∞∫ √ δ ψ(u) u du+O ( ψ( √ δ) ) . (100) Наслiдок 5. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою догори або донизу при u ≥ b ≥ 1 i lim u→∞ u2ψ(u) = ∞, lim δ→∞ 1 δψ( √ δ) √ δ∫ 1 uψ(u)du = ∞. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7 978 Ю. I. ХАРКЕВИЧ, I. В. КАЛЬЧУК Тодi при δ →∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( ψ( √ δ) ) . (101) Наслiдок 6. Нехай ψ ∈ M0, sin βπ 2 6= 0, функцiя u2ψ(u) є опуклою донизу на [b;∞), b ≥ 1, i lim u→∞ u2ψ(u) = K < ∞, lim δ→∞ ∫ √ δ 1 uψ(u)du = ∞. Тодi при δ → ∞ має мiсце асимптотична рiвнiсть E ( Lψβ,1;Wδ ) 1 = 2 π ∣∣∣∣sin βπ2 ∣∣∣∣ 1 δ √ δ∫ 1 uψ(u)du+O ( 1 δ ) . (102) Зауважимо, що при виконаннi умов наслiдкiв 4 – 6 рiвностi (100) – (102) дають розв’язок задачi Колмогорова – Нiкольського для iнтегралiв Вейєрштрасса Wδ на класах Lψβ,1 в iнтегральнiй метрицi. 1. Степанец А. И. Методы теории приближения. – Киев: Ин-т математики НАН Украины, 2002. – Ч. I. – 427 с. 2. Nagy B. Über gewise Extremalfragen bei transformierten trigonometrischen Entwicklungen, I // Period. Fall: Berichte Math. Phys. – 1938. – 90. – S. 103 – 134. 3. Ахиезер Н. И. Лекции по теории аппроксимации. – М.: Наука, 1965. – 407 с. 4. Баусов Л. И. О приближении функций класса Zα положительными методами суммирования рядов Фурье // Успехи мат. наук. – 1961. – 16, № 3. – С. 143 – 149. 5. Баусов Л. И. Линейные методы суммирования рядов Фурье с заданными прямоугольными матрицами. I // Изв. вузов. – 1965. – 46, № 3. – С. 15 – 31. 6. Бугров Я. С. Неравенства типа неравенств Бернштейна и их применение к исследованию дифференциальных свойств решений дифференциальных уравнений высшего порядка // Math. Cluj. – 1963. – 5, № 1. – P. 5 – 25. 7. Баскаков В. А. О некоторых свойствах операторов типа операторов Абеля – Пуассона // Мат. заметки. – 1975. – 17, № 2. – С. 169 – 180. 8. Фалалеев Л. П. О приближении функций обобщенными операторами Абеля – Пуассона // Сиб. мат. журн. – 2001. – 1, № 4. – С. 926 – 936. 9. Теляковский С. А. О нормах тригонометрических полиномов и приближении дифференциру- емых функций линейными средними их рядов Фурье. II // Изв. АН СССР. Сер. мат. – 1963. – 27, № 2. – С. 253 – 272. 10. Новикова А. К. О приближении функций в пространствах C и L // Вопросы суммирования рядов Фурье. – Киев, 1985. – С. 14 – 51. – (Препринт / АН УССР. Ин-т математики; 85.61). 11. Жигалло К. М., Харкевич Ю. I. Наближення бiгармонiйними iнтегралами Пуассона класiв (ψ, β)-диференцiйовних функцiй в iнтегральнiй метрицi // Проблеми теорiї наближення функ- цiй та сумiжнi питання: Зб. праць Iн-ту математики НАН України. – 2004. – 1, № 1. – С. 144 – 170. 12. Степанец А. И. Классификация и приближение периодических функций. – Киев: Наук. думка, 1987. – 268 с. Одержано 20.02.2006, пiсля доопрацювання – 14.08.2006 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 7
id umjimathkievua-article-3359
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
English
last_indexed 2026-03-24T02:41:05Z
publishDate 2007
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/78/5182c4e765c6b18aba91da6ea43dde78.pdf
spelling umjimathkievua-article-33592020-03-18T19:52:14Z Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса Kalchuk, I. V. Kharkevych, Yu. I. Кальчук, І. В. Харкевич, Ю. І. Asymptotic equalities are obtained for upper bounds of approximations of functions from the classes $C^{\psi}_{\beta \infty}$ and $L^{\psi}_{\beta 1}$ by the Weierstrass integrals. Получены асимптотические равенства для верхних граней приближений функций из классов $C^{\psi}_{\beta \infty}$ и $L^{\psi}_{\beta 1}$ интегралами Вейєрштрасса. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2007-07-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3359 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 59 No. 7 (2007); 953–978 Український математичний журнал; Том 59 № 7 (2007); 953–978 1027-3190 uk en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3359/3462 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3359/3463 Copyright (c) 2007 Kalchuk I. V.; Kharkevych Yu. I.
spellingShingle Kalchuk, I. V.
Kharkevych, Yu. I.
Кальчук, І. В.
Харкевич, Ю. І.
Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals
title Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals
title_alt Наближення (ψ, β)-диференційовних функцій інтегралами Вейєрштрасса
title_full Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals
title_fullStr Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals
title_full_unstemmed Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals
title_short Approximation of (ψ, β)-differentiable functions by Weierstrass integrals
title_sort approximation of (ψ, β)-differentiable functions by weierstrass integrals
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3359
work_keys_str_mv AT kalchukiv approximationofpsbdifferentiablefunctionsbyweierstrassintegrals
AT kharkevychyui approximationofpsbdifferentiablefunctionsbyweierstrassintegrals
AT kalʹčukív approximationofpsbdifferentiablefunctionsbyweierstrassintegrals
AT harkevičûí approximationofpsbdifferentiablefunctionsbyweierstrassintegrals
AT kalchukiv nabližennâpsbdiferencíjovnihfunkcíjíntegralamivejêrštrassa
AT kharkevychyui nabližennâpsbdiferencíjovnihfunkcíjíntegralamivejêrštrassa
AT kalʹčukív nabližennâpsbdiferencíjovnihfunkcíjíntegralamivejêrštrassa
AT harkevičûí nabližennâpsbdiferencíjovnihfunkcíjíntegralamivejêrštrassa