Mikusiński算符域上的拓扑再构造(Ⅰ)

田月超 ,  罗成

内蒙古大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 56 ›› Issue (04) : 357 -363.

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内蒙古大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 56 ›› Issue (04) : 357 -363. DOI: 10.13484/j.nmgdxxbzk.20250403

Mikusiński算符域上的拓扑再构造(Ⅰ)

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Topological Reconstructions on Mikusiński Operator Fields (I)

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摘要

从实数轴上某点左侧几乎处处为零的Lebesgue局部可积函数全体出发,将其作为基本函数引出一系列的函数空间以及乘积空间,通过在乘积空间中赋予等价关系得到3个代数同构的商空间;在函数空间与乘积空间上赋予拓扑,得到这些空间中具有的一些基本性质,为后续Mikusiński算符域F的研究奠定了基础。

Abstract

The Lebesgue local product function which is zero almost everywhere to the left of a point on the real number axis was considered as a basic function to lead to a series of function spaces and product spaces. By assigning equivalence relations to the product spaces, three algebraically isomorphic quotient spaces were obtained, and by assigning topology to the function spaces and product spaces, some basic properties of these spaces were obtained. The results lay the foundation for the subsequent study of Mikusiński operator fields.

关键词

Lebesgue局部可积函数 / 乘积空间 / 商空间

Key words

Lebesgue locally integrable function / the product space / the quotient space

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田月超,罗成. Mikusiński算符域上的拓扑再构造(Ⅰ)[J]. 内蒙古大学学报(自然科学版), 2025, 56(04): 357-363 DOI:10.13484/j.nmgdxxbzk.20250403

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在Mikusiński算符理论中,定义在[0,+)上的复值连续函数f={f(t)}全体是一个无零因子交换环,作为基本函数可以将其扩充成一个分式域1-2,即著名的Mikusiński算符域F。若把实数轴上某点左侧几乎处处为零的Lebesgue局部可积函数全体作为基本函数,在卷积乘法下也是一个无零因子环,它所生成的商域也是Mikusiński算符域F。本文从Lebesgue局部可积函数全体出发,引出一系列函数空间以及乘积空间,通过在乘积空间中赋予等价关系得到3个不同形式的商空间,并在Boehme3的基础上证明了3个商空间是代数同构的,其中,商空间Y/R正是Mikusiński算符域F。此外,基于Boehme3给出的方程组的逼近解的存在性,本文将这一结果从C空间推广到了L0,1空间。

1 基本概念和符号

1.1 函数空间

定义14 设C是定义在(-,+)上且在某点左侧几乎处处为零的复值连续函数f=ft的全体,以加法和数乘及其卷积fg=-+ftgs-tdt作为基本运算。

表示实数轴上某点左侧几乎处处为零的Lebesgue局部可积函数全体,其中几乎处处相等的函数视为同一元素。对于f,Boehme在文献[3]中给出了支集数Λf)的概念,即

Λ(f)=sup{σf(t)=0 a.e.-<t<σ}(-,+)

称之为f的支集数。

记L N ={ƒ∈L∶Λƒ)≥-N},N=0,1,2,…。对于ƒ∈L N 以及K>0,记

f[-N,K]=-NKf(t)dt

其中,[-N,K]N上的半范数。由这些半范数族在N上诱导出的拓扑记为TN,称之为局部平均收敛拓扑,(L NTN )是局部凸的Fréchet空间。fn依拓扑TN收敛到f,简记为fnTNf。特别地,对f0以及K>0,简记fK=f[0,K]。记0,0={fΛ(f)=0}T00,0中的相对拓扑记为T0,0

因为NN+1TN=TN+1N=N=0NN=0,1,2,,所以根据文献[5],在L上由TN生成一个局部凸严格归纳极限拓扑,记为T

记χ={(abL×L,b≠0},Y={(abL0×L0b≠0},Z=L×L0,0,对于N=0,1,2,𝒵N=N×0,0,赋予𝒵乘积拓扑T×T0,06,赋予𝒵N乘积拓扑TN×T0,0

1.2 Mikusiński算符域

给出关于有限区间上的Lebesgue局部可积函数的Titchmarsh定理。

引理1(Titchmarsh定理)7fg[0,K]上的Lebesgue可积函数,且0tf(t-τ)g(τ)dτ=0[0,K]中几乎处处成立,则f=0[0,t1]中几乎处处成立,且g=0[0,t2]中几乎处处成立,其中t1+t2K

由引理1以及正数K的任意性可知,L0关于加法和卷积乘法是一个无零因子交换环8,它扩张而成的商域F正是Mikusiński算符域(见文献[9]),而且在如下等价关系下可表示为不同形式的商域。定义关系

R={((ab),(cd)) ∊ χ×χ ∶ ad=bc},

显然R是一个等价关系10,用符号(a,b)(c,d)表示二者相互等价。当R为Y,Z和Z N 中的等价关系时使用相同的符号,这样关系R生成4个商空间χ/R,Y/R,Z/R和Z N /R。根据Boehme在文献[3]中给出的支集数Λ的如下性质,可以赋予它们分式加法和分式卷积乘法运算,前3个商空间都是商域;对每个自然数N,后者都是线性子空间,特别是当N=0时,它是子代数。其中Y/R正是Mikusiński算符域F

支集数具有如下性质(见文献[3]):设a,b,则

(1)  Λ(ab)=Λ(a)+Λ(b);(2)  Λ(a+b)min{Λ(a),Λ(b)};(3)  Λ(ab)=Λ(a)-Λ(b)

在连续函数为基本函数的背景下,Boehme在文献[3]中已经指出了3个商域的同构关系。在此我们以局部可积函数作为基本函数得出了类似的结论。这里先给出关于移动算符的相关引理:

引理21f(t)是函数类L中的任意函数,则有

hλf(t)=0,0t<λ      f(t-λ),λt

定理1 商空间χ/R,Y/R和Z/R是代数同构的。用符号“”表示同构,即χ/R≅Y/R≅Z/R

证明 首先证明𝒵/Rχ/R,定义

φ𝒵/Rχ/R,φ([c,d])=[c,d]χ,

其中,[cd]∈Z/R表示(c,d)在Z中的等价类;[cdχχ/R表示(c,d)χ中的等价类。

(1) 与代表元的选取无关,若(c',d')[c,d],则[c´,d´] χ =[cdχ

任取(ab)∈[cdχ,(a´,b´)∈[c´,d´] χ,则(a,b)(c,d)(c',d')(a',b'),所以[c´,d´] χ =[cdχ

(2) φ是满射。

任意的[ab]∈χ/R,设Λ(b)=λ,则(h-λa,h-λb)𝒵,并且有(h-λa,h-λb)(a,b),所以φ([h-λah-λb])=[h-λah-λbχ =[abχ

(3) φ是单射。

若[cdχ =[c´,d´] χ(c,d),(c',d')𝒵,则(c,d)(c',d'),故[c,d]=[c',d']

(4) φ保持加法运算。

任取(a,b),(c,d)𝒵,则

φ([ab]+[cd])=φ([ad+bcbd])=[ad+bcbdχ

=[abχ +[cdχ =φ([ab])+φ([cd])。

(5) 保持乘法运算。

任取(a,b),(c,d)𝒵,则

φ([ab]∙[cd])=φ([acbd])=[acbdχ =[abχcdχ =φ([ab])φ([cd])。

综上得Z/Rχ/R

接下来证明Y/Rχ/R,定义

ψ ∶ Y/Rχ/R

ψ([cdY)=[cdχ

其中,[cdY∊Y/R表示c,d在Y中的等价类;[cdχχ/R表示c,dχ中的等价类。与φ映射同理可证,ψ的定义与代表元c,d的选取无关,并且ψ是单射,保持加法和乘法运算,下面证明ψ是满射。

任取a,bχ/R,设Λa=λΛb=μ,则有Λhμ+λa=μ+λ+λ0Λhλ+μb=λ+μ+μ0,所以hμ+λa,hλ+μb𝒴hμ+λa,hλ+μba,b,故ψ[hμ+λa,hλ+μb]𝒴=hμ+λa,hλ+μbχ=a,bχ

综上,φψ是同构映射,即Z/Rχ/R,Y/Rχ/R,由传递性可知,Z/Rχ/R≅Y/R。证明完成。

2 基本引理和性质

本节主要研究函数空间以及乘积空间的基本性质。0上的卷积乘法是二元连续的;0中的一个固定元素卷积相乘N中的任意元素是一个连续线性变换;上的卷积乘法是单侧连续的,但它是二元序列连续的;特别指出,在乘积空间Z中每个等价类a,b都是闭集。首先给出如下引理,其不等式容易证明。

引理311x,y0K>0,则xyKxKyK,这说明在0上的卷积乘法是二元连续的。

定理2y0K>0,对任意xN,有xy-N,Kx-N,KyK+N,这说明线性变换x,yxy是从N×0N的连续变换。

证明s=t+N

xy-N,K=-NK-Ntxτyt-τdτdt=0K+N-Ns-Nxτys-N-τdτds

σ=τ+N,代入上式得

0K+N0sxσ-Nys-σdσds=0K+N0shNxσys-σdσds=hNxyK+NhNxK+NyK+N=x-N,KyK+N

定理3r0,则上的线性变换xr0x是连续的。

证明r00,记Λr0=λN是自然数,xNK>λ。根据定理2,

r0xλ-N,K=h-λr0hλxλ-N,Kh-λr0K+N-λhλxλ-N,K

τ=t-λ

hλxλ-N,K=λ-NKxt-λdt=-NK-λxτdτ=x-N,K-λ

所以r0xλ-N,Kh-λr0K+N-λx-N,K-λ,对任意的K>λ成立,这说明从N的线性变换xr0x是连续的。根据文献[5]中关于归纳极限拓扑的定理13-1-8可知,线性变换xr0x上是连续的。

定理4上的卷积乘法是二元序列连续的。

证明xn按照的严格归纳极限拓扑T收敛于x,而且yn依拓扑T收敛于y,则存在正整数N,使得x,yNxn,ynN。由于Λxnyn-2N,有xnyn2N。注意到定理3中的不等式,若将λ替换为-N,得出不等式r0x-2N,Kr0-N,K+Nx-N,K+N。那么,对任意的K>0,由于xn-N,K+N是有界数列,有

xnyn-xy-2N,Kxn(yn-y)-2N,K+yxn-x-2N,K
xn-N,K+Nyn-y-N,K+N+y-N,K+Nxn-x-N,K+N0

所以xnynTxy,结论成立。

根据文献[3],同样可以证明如下的结论。

引理4a0,b0,a,b𝒵,且a0b=ab0,对于ε>0K>0,则存在r0,0使得

a0r-aK<εb0r-bK<ε

证明Λa=Λa0<+,因为a0b=ab0,所以Λa-Λb=Λa0-Λb0。而Λb0=Λb=0,有Λa=Λa0

(1) 先证明当Λa=Λa0=0时结论正确,设K=1

假若存在r00,使得

a0r0-a1<ε/2,b0r0-b1<ε/2

由于0,00中稠密,取r0,0使得

r0-r1<ε2a01+b01

于是

a0r-a1a0r-r01+a0r0-a1
a01r-r01+a0r0-a1<ε

同理b0r-b1<ε。所以只需证明存在r00,使得(1)式成立。

特别强调,空间L0,1的对偶空间是L0,1,为了方便起见,L0,1上的连续线性泛函与L0,1中的函数使用同一符号。另外,在L0,1上的限制性卷积定义为

f×gt=0tfτgt-τdτ,t0,1,f,gL0,1

它满足交换律、结合律、分配律,而且

01f×gtdt01ftdt01gtdt

所以L0,1是一个Banach代数。令TL0,1L0,1×L0,1的线性算子,定义

Tr=A0rB0r,

其中A0r=a0rB0r=b0r,将a0,b0限制在0,1上并使用同样的符号。T的伴随算子T*T*(x*,y*)=A0*(x*)+B0*(y*),其中x*,y*L0,1A0*A0的伴随算子,B0*B0的伴随算子。

xL0,1,x*L0,1,因为x,A0*x*=A0x,x*=a0x,x*,于是

                     a0x,x*=01a0xtx*¯tdt=01x*¯tdt0ta0t-τxτdτ=01xτdττ1x*¯ta0t-τdt

t=1-σ,得

01xτdττ1x*¯ta0t-τdt=01xτdτ01-τx*¯1-σa01-σ-τdσ

τ=1-t,得

01xτdτ01-τx*¯1-σa01-σ-τdσ=01x1-tdt0tx*¯1-σa0t-σdσ

st=1-t,得

01x1-tdt0tx*¯1-σa0t-σdσ=01xstdt0tx*¯sσa0t-σdσ

Sx*t=x*stSxt=xst,得

01Sxtdt0tS¯x*σa0t-σdσ=Sx,a0S¯x*=Sx,A0S¯x*

因为

x,S*x*=Sx,x*=01Sxtx*¯tdt=01x1-tx*¯tdt

1-t=τ,得

01xτx*¯1-τdτ=01xτSx*¯τdτ=x,S¯x*

所以S*=S¯,故(2)式可写成x,S¯A0S¯(x*),从而x,A0*x*=x,S¯A0S¯(x*),即A0*=S¯A0S¯。同理B0*=S¯B0S¯

根据文献[12],T的值域的闭包R(T)¯T*的零空间的正交补,即R(T)¯=𝒩(T*)。显然RT(c,d) a0d=cb0,(c,d)L0,1×L0,1=U。由于L0,1是Banach代数,其上的限制性卷积运算是二元连续的,可知UL0,1×L0,1的一个闭子集。现在只需证明U𝒩(T*)

(x*,y*)𝒩(T*),则A0*(x*)+B0*(y*)=0,从而

S¯(A0S¯(x*)+B0S¯(y*))=S¯A0S¯(x*)+S¯B0S¯(y*)=0

因为S¯是双射,所以A0S¯(x*)+B0S¯(y*)=0,从而有a0S¯(x*)+b0S¯(y*)=0

任取(c,d)U,即a0d=b0c,那么

a0dS¯(y*)=b0cS¯(y*)=cb0S¯(y*)=-ca0S¯(x*)

所以

a0(dS¯(y*)+cS¯(x*))=a0dS¯(y*)+ca0S¯(x*)=0

因为Λ(a)=0,由引理1得,dS¯(y*)+cS¯(x*)=0,即对任意的t0,1

0tc(t-τ)x*¯(1-τ)dτ+0td(t-τ)y*¯(1-τ)dτ=0

t=1,则

01c(1-τ)x*¯(1-τ)dτ+01d(1-τ)y*¯(1-τ)dτ=0

τ=1-t,则

01c(t)x*¯(t)dt+01d(t)y*¯(t)dt=0

所以c,x*+d,y*=0。因此(c,d)𝒩(T*),故U𝒩(T*)=R(T)¯,从而R(T)¯=R(T)。结论成立。

(2) 设Λ(a)=Λ(a0)=λ0。由(1)的证明,对任意的K>λε>0,取K'>K+λ,存在r0,0,使得

0K'h-λa0r(t)-h-λa(t)dt<ε0K'b0r(t)-b(t)dt<ε             ,

于是

λKa0r(t)-a(t)dt=0K-λh-λa0r(t)-h-λa(t)dt0K'h-λa0r(t)-h-λa(t)dt<ε,λKb0r(t)-b(t)dt0Kb0r(t)-b(t)dt<ε

所以引理得证。

定理5a0,b0𝒵,则a0,b0=(a0r,b0r) r0,0¯

证明Λ(a0)-N,因为Λ(r)=0,所以(a0r,b0r) r0,0𝒵N。因为Z上的拓扑诱导的𝒵N的拓扑即为𝒵N的原拓扑,并且闭子空间𝒵N是可度量的,所以序列闭包等同于闭包。由于(a0,b0)𝒵N,从而a0,b0𝒵N,要证a0,b0𝒵中闭只需证明a0,b0𝒵N中闭。任取an,bna0,b0,且an,bnc,d𝒵N,即anTNcbnT0,0d。对任意的T>0,由定理3可得,

a0d-b0c-N,Ka0(d-bn)-N,K+(an-c)b0-N,Ka0-N,Kd-bnT+K+an-c-N,Kb0K+N

na0d-b0c-N,K=0。所以a0d=b0c,从而a0,b0𝒵N中闭。

显然a0r,b0rr0,0a0,b0。由引理4可得,对每个a,ba0,b0a,b都存在0,0中的序列rn使得a0rn,b0rn收敛到a,b,故a0,b0a0r,b0rr0,0,则a0,b0=a0r,b0rr0,0¯。证明完成。

以上是关于实数轴上某点左侧几乎处处为零的Lebesgue局部可积函数全体作为基本函数所生成的函数空间以及乘积空间的一些基本性质,这也为接下来Mikusiński算符域F上拓扑的构造奠定了基础。

参考文献

[1]

米库辛斯基.算符演算[M].王建午,译.上海:上海科学技术出版社,1964.

[2]

王鲜,罗成.Mikusinski算符演算及其在梁的静力学中的应用[J].内蒙古大学学报(自然科学版)202455(1):22-28.

[3]

BOEHME T K.The Mikusiński operators as a topological space[J].American Journal of Mathematics197698(4):55-66.

[4]

贾秀梅,李永军,杨继超.更一般的常系数线性差分微分方程的解[J].西南大学学报(自然科学版)2015(1):79-83.

[5]

WILANSKY A.Modern methods in topological vector spaces[M].North Chelmsford:Courier Corporation,2013.

[6]

宋斐斐,苏恒迪,马巧云.几种常见拓扑空间的拓扑性质研究[J].产业与科技论坛202120(17):56-57.

[7]

MIKUSINSKI J.A new proof of Titchmarsh's theorem on convolution[J].Studia Mathematica195313(1):56-58.

[8]

陈祥恩.无零因子环的刻画及各种环的例子[J].吉首大学学报(自然科学版)201031(2):1-2.

[9]

MIKUSINSKI J.Operational calculus[M].New York:Pergamon Press,1959.

[10]

于强.等价关系与集合分类角度下的商群与商环[J].湖南科技学院学报201839(5):1-3.

[11]

BURZYK J.On convergence in the Mikusiński operational calculus[J].Studia Mathematica198375(3):313-333.

[12]

TAYLOR A ELAY D C.Introduction to functional analysis[M].Malabar:Krieger Publishing Co,Inc,1986.

基金资助

国家自然科学基金项目(12061050)

内蒙古自然科学基金项目(2020MS01004)

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