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Boehme
[3 ] 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Boehme
[3 ] 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
L 0,1 空间。
1 基本概念和符号
1.1 函数空间
定义1[4 ] 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 = f t 的全体,以加法和数乘及其卷积
f ⋅ g = ∫ - ∞ + ∞ f t g s - t d t 作为基本运算。
记
ℒ 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 ∈ ℒ ,Boehme在文献[
3 ]中给出了支集数
Λ (
f )的概念,即
Λ ( f ) = s u p { σ ∶ f ( t ) = 0 a . e . - ∞ < t < σ } ∈ ( - ∞ , + ∞ ) ,
称之为f 的支集数。
记L N ={ƒ ∈L∶Λ (ƒ )≥-N },N= 0,1,2,…。对于ƒ ∈L N 以及K > 0 ,记
其中,∙ [ - N , K ] 是ℒ N 上的半范数。由这些半范数族在ℒ N 上诱导出的拓扑记为T N ,称之为局部平均收敛拓扑,(L N ,TN )是局部凸的Fréchet空间。f n 依拓扑T N 收敛到f ,简记为f n → T N f 。特别地,对f ∈ ℒ 0 以及K > 0 ,简记f K = f [ 0 , K ] 。记ℒ 0,0 = { f ∈ ℒ ∶ Λ ( f ) = 0 } ,T 0 在ℒ 0,0 中的相对拓扑记为T 0,0 。
因为
ℒ N ⊈ ℒ N + 1 ,
T N = T N + 1 ℒ N 且
ℒ = ∪ N = 0 ∞ ℒ N ,
N = 0,1 , 2 , ⋯ ,所以根据文献[
5 ],在L上由
T N 生成一个局部凸严格归纳极限拓扑,记为
T 。
记χ={(
a ,
b )
∈ L×L,
b ≠0},Y={(
a ,
b )
∈ L
0 ×L
0 ,
b ≠0},Z=L×L
0,0 ,对于
N = 0,1 , 2 , ⋯ ,
𝒵 N = ℒ N × ℒ 0,0 ,赋予
𝒵 乘积拓扑
T × T 0,0 [6 ] ,赋予
𝒵 N 乘积拓扑
T N × T 0,0 。
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)
[7 ] 设
f 和
g 是
[ 0 , K ] 上的Lebesgue可积函数,且
∫ 0 t f ( t - τ ) g ( τ ) d τ = 0 在
[ 0 , K ] 中几乎处处成立,则
f = 0 在
[ 0 , t 1 ] 中几乎处处成立,且
g = 0 在
[ 0 , t 2 ] 中几乎处处成立,其中
t 1 + t 2 ≥ K 。
由引理1以及正数
K 的任意性可知,L
0 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 ={((a ,b ),(c ,d )) ∊ 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 ∈ ℒ ,则
( 1 ) Λ ( a b ) = Λ ( a ) + Λ ( b ) ; ( 2 ) Λ ( a + b ) ≥ m i n { Λ ( a ) , Λ ( b ) } ; ( 3 ) Λ ( a b ) = 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2[1 ] 若
f ( t ) 是函数类L中的任意函数,则有
h λ f ( t ) = 0,0 ≤ t < λ f ( t - λ ) , λ ≤ t 。
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 /R ≅χ /R ,定义
φ ∶ 𝒵 / R → χ / R , φ ( [ c , d ] ) = [ c , d ] χ ,
其中,[c ,d ]∈Z/R 表示( c , d ) 在Z中的等价类;[c ,d ] χ ∈χ /R 表示( c , d ) 在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 =[c ,d ] χ 。
任取(a ,b )∈[c ,d ] χ ,(a ´,b ´)∈[c ´,d ´] χ ,则( a , b ) ∼ ( c , d ) ∼ ( c ' , d ' ) ∼ ( a ' , b ' ) ,所以[c ´,d ´] χ =[c ,d ] χ 。
(2) φ 是满射。
任意的[a ,b ]∈χ /R ,设Λ ( b ) = λ ,则( h - λ a , h - λ b ) ∈ 𝒵 ,并且有( h - λ a , h - λ b ) ∼ ( a , b ) ,所以φ ([h - λ a ,h - λ b ])=[h - λ a ,h - λ b ] χ =[a ,b ] χ 。
(3) φ 是单射。
若[c ,d ] χ =[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 ([a ,b ]+[c ,d ])=φ ([ad +bc ,bd ])=[ad +bc ,bd ] χ
=[a ,b ] χ +[c ,d ] χ =φ ([a ,b ])+φ ([c ,d ])。
(5) 保持乘法运算。
任取( a , b ) , ( c , d ) ∈ 𝒵 ,则
φ ([a ,b ]∙[c ,d ])=φ ([ac ,bd ])=[ac ,bd ] χ =[a ,b ] χ [c ,d ] χ =φ ([a ,b ])φ ([c ,d ])。
综上得Z/R ≅χ /R 。
接下来证明Y/R ≅χ /R ,定义
ψ ([c ,d ]Y )=[c ,d ] χ ,
其中,[c ,d ]Y ∊Y/R 表示c , d 在Y中的等价类;[c ,d ] χ ∊χ /R 表示c , d 在χ 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 , b ∈ χ / R ,设Λ a = λ ,Λ b = μ ,则有Λ h μ + λ a = μ + λ + λ ≥ 0 ,Λ h λ + μ b = λ + μ + μ ≥ 0 ,所以h μ + λ a , h λ + μ b ∈ 𝒴 且h μ + λ a , h λ + μ b ∼ a , b ,故ψ [ h μ + λ a , h λ + μ b ] 𝒴 = h μ + λ a , h λ + μ b χ = a , b χ 。
综上,φ 和ψ 是同构映射,即Z/R ≅χ /R ,Y/R ≅χ /R ,由传递性可知,Z/R ≅χ /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。ℒ 0 上的卷积乘法是二元连续的;ℒ 0 中的一个固定元素卷积相乘ℒ N 中的任意元素是一个连续线性变换;ℒ 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3[11 ] 设
x , y ∈ ℒ 0 ,
K > 0 ,则
x y K ≤ x K ⋅ y K ,这说明在
ℒ 0 上的卷积乘法是二元连续的。
定理2 设y ∈ ℒ 0 ,K > 0 ,对任意x ∈ ℒ N ,有x y - N , K ≤ x - N , K ⋅ y K + N ,这说明线性变换x , y ↦ x y 是从ℒ N × ℒ 0 到ℒ N 的连续变换。
证明 令s = t + N ,
x y - N , K = ∫ - N K ∫ - N t x τ y t - τ d τ d t = ∫ 0 K + N ∫ - N s - N x τ y s - N - τ d τ d s ,
令σ = τ + N ,代入上式得
∫ 0 K + N ∫ 0 s x σ - N y s - σ d σ d s = ∫ 0 K + N ∫ 0 s h N x σ y s - σ d σ d s = h N x y K + N ≤ h N x K + N ∙ y K + N = x - N , K ∙ y K + N 。
定理3 设r 0 ∈ ℒ ,则ℒ 上的线性变换x ↦ r 0 x 是连续的。
证明 设r 0 ≠ 0 ,记Λ r 0 = λ ,N 是自然数,x ∈ ℒ N ,K > λ 。根据定理2,
r 0 x λ - N , K = h - λ r 0 h λ x λ - N , K ≤ h - λ r 0 K + N - λ ⋅ h λ x λ - N , K ,
令τ = t - λ ,
h λ x λ - N , K = ∫ λ - N K x t - λ d t = ∫ - N K - λ x τ d τ = x - N , K - λ ,
所以
r 0 x λ - N , K ≤ h - λ r 0 K + N - λ ⋅ x - N , K - λ ,对任意的
K > λ 成立,这说明从
ℒ N 到
ℒ 的线性变换
x ↦ r 0 x 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
x ↦ r 0 x 在
ℒ 上是连续的。
定理4 ℒ 上的卷积乘法是二元序列连续的。
证明 设x n 按照ℒ 的严格归纳极限拓扑T 收敛于x ,而且y n 依拓扑T 收敛于y ,则存在正整数N ,使得x , y ∈ ℒ N 且x n , y n ⊂ ℒ N 。由于Λ x n y n ≥ - 2 N ,有x n y n ∈ ℒ 2 N 。注意到定理3中的不等式,若将λ 替换为- N ,得出不等式r 0 x - 2 N , K ≤ r 0 - N , K + N ⋅ x - N , K + N 。那么,对任意的K > 0 ,由于x n - N , K + N 是有界数列,有
x n y n - x y - 2 N , K ≤ x n ( y n - y ) - 2 N , K + y x n - x - 2 N , K
≤ x n - N , K + N ⋅ y n - y - N , K + N + y - N , K + N ⋅ x n - x - N , K + N → 0 ,
所以x n y n → T x y ,结论成立。
引理4 设a 0 , b 0 , a , b ∈ 𝒵 ,且a 0 b = a b 0 ,对于ε > 0 ,K > 0 ,则存在r ∈ ℒ 0,0 使得
证明 设Λ a = Λ a 0 < + ∞ ,因为a 0 b = a b 0 ,所以Λ a - Λ b = Λ a 0 - Λ b 0 。而Λ b 0 = Λ b = 0 ,有Λ a = Λ a 0 。
(1) 先证明当Λ a = Λ a 0 = 0 时结论正确,设K = 1 。
假若存在r 0 ∈ ℒ 0 ,使得
a 0 r 0 - a 1 < ε / 2 , b 0 r 0 - b 1 < ε / 2 (1)
由于ℒ 0,0 在ℒ 0 中稠密,取r ∈ ℒ 0,0 使得
于是
a 0 r - a 1 ≤ a 0 r - r 0 1 + a 0 r 0 - a 1
≤ a 0 1 r - r 0 1 + a 0 r 0 - a 1 < ε 。
同理b 0 r - b 1 < ε 。所以只需证明存在r 0 ∈ ℒ 0 ,使得(1)式成立。
特别强调,空间L 0,1 的对偶空间是L ∞ 0,1 ,为了方便起见,L 0,1 上的连续线性泛函与L ∞ 0,1 中的函数使用同一符号。另外,在L 0,1 上的限制性卷积定义为
f × g t = ∫ 0 t f τ g t - τ d τ , t ∈ 0,1 , f , g ∈ L 0,1 。
它满足交换律、结合律、分配律,而且
∫ 0 1 f × g t d t ≤ ∫ 0 1 f t d t ⋅ ∫ 0 1 g t d t ,
所以L 0,1 是一个Banach代数。令T 是L 0,1 到L 0,1 × L 0,1 的线性算子,定义
其中A 0 r = a 0 ⋅ r ,B 0 r = b 0 ⋅ r ,将a 0 , b 0 限制在0,1 上并使用同样的符号。T 的伴随算子T * ∶ T * ( x * , y * ) = A 0 * ( x * ) + B 0 * ( y * ) ,其中x * , y * ∈ L ∞ 0,1 ,A 0 * 是A 0 的伴随算子,B 0 * 是B 0 的伴随算子。
设x ∈ L 0,1 , x * ∈ L ∞ 0,1 ,因为x , A 0 * x * = A 0 x , x * = a 0 ⋅ x , x * ,于是
a 0 ∙ x , x * = ∫ 0 1 a 0 ∙ x t x * ¯ t d t = ∫ 0 1 x * ¯ t d t ∫ 0 t a 0 t - τ x τ d τ = ∫ 0 1 x τ d τ ∫ τ 1 x * ¯ t a 0 t - τ d t (2)
令t = 1 - σ ,得
∫ 0 1 x τ d τ ∫ τ 1 x * ¯ t a 0 t - τ d t = ∫ 0 1 x τ d τ ∫ 0 1 - τ x * ¯ 1 - σ a 0 1 - σ - τ d σ ,
令τ = 1 - t ,得
∫ 0 1 x τ d τ ∫ 0 1 - τ x * ¯ 1 - σ a 0 1 - σ - τ d σ = ∫ 0 1 x 1 - t d t ∫ 0 t x * ¯ 1 - σ a 0 t - σ d σ ,
令s t = 1 - t ,得
∫ 0 1 x 1 - t d t ∫ 0 t x * ¯ 1 - σ a 0 t - σ d σ = ∫ 0 1 x s t d t ∫ 0 t x * ¯ s σ a 0 t - σ d σ ,
令S x * t = x * s t ,S x t = x s t ,得
∫ 0 1 S x t d t ∫ 0 t S ¯ x * σ a 0 t - σ d σ = S x , a 0 S ¯ x * = S x , A 0 S ¯ x * 。
因为
x , S * x * = S x , x * = ∫ 0 1 S x t x * ¯ t d t = ∫ 0 1 x 1 - t x * ¯ t d t ,
令1 - t = τ ,得
∫ 0 1 x τ x * ¯ 1 - τ d τ = ∫ 0 1 x τ S x * ¯ τ d τ = x , S ¯ x * ,
所以S * = S ¯ ,故(2)式可写成x , S ¯ A 0 S ¯ ( x * ) ,从而x , A 0 * x * = x , S ¯ A 0 S ¯ ( x * ) ,即A 0 * = S ¯ A 0 S ¯ 。同理B 0 * = S ¯ B 0 S ¯ 。
根据文献[
12 ],
T 的值域的闭包
R ( T ) ¯ 是
T * 的零空间的正交补,即
R ( T ) ¯ = 𝒩 ⊥ ( T * ) 。显然
R T ⊂ ( c , d ) ∶ a 0 ⋅ d = c ⋅ b 0 , ( c , d ) ∈ L 0,1 × L 0,1 = U 。由于
L 0,1 是Banach代数,其上的限制性卷积运算是二元连续的,可知
U 是
L 0,1 × L 0,1 的一个闭子集。现在只需证明
U ⊂ 𝒩 ⊥ ( T * ) 。
取( x * , y * ) ∈ 𝒩 ⊥ ( T * ) ,则A 0 * ( x * ) + B 0 * ( y * ) = 0 ,从而
S ¯ ( A 0 S ¯ ( x * ) + B 0 S ¯ ( y * ) ) = S ¯ A 0 S ¯ ( x * ) + S ¯ B 0 S ¯ ( y * ) = 0 。
因为S ¯ 是双射,所以A 0 S ¯ ( x * ) + B 0 S ¯ ( y * ) = 0 ,从而有a 0 ⋅ S ¯ ( x * ) + b 0 ⋅ S ¯ ( y * ) = 0 。
任取( c , d ) ∈ U ,即a 0 ⋅ d = b 0 ⋅ c ,那么
a 0 ⋅ d ⋅ S ¯ ( y * ) = b 0 ⋅ c ⋅ S ¯ ( y * ) = c ⋅ b 0 ⋅ S ¯ ( y * ) = - c ⋅ a 0 ⋅ S ¯ ( x * ) ,
所以
a 0 ⋅ ( d ⋅ S ¯ ( y * ) + c ⋅ S ¯ ( x * ) ) = a 0 ⋅ d ⋅ S ¯ ( y * ) + c ⋅ a 0 ⋅ S ¯ ( x * ) = 0 。
因为Λ ( a ) = 0 ,由引理1得,d ⋅ S ¯ ( y * ) + c ⋅ S ¯ ( x * ) = 0 ,即对任意的t ∈ 0,1 ,
∫ 0 t c ( t - τ ) x * ¯ ( 1 - τ ) d τ + ∫ 0 t d ( t - τ ) y * ¯ ( 1 - τ ) d τ = 0 。
取t = 1 ,则
∫ 0 1 c ( 1 - τ ) x * ¯ ( 1 - τ ) d τ + ∫ 0 1 d ( 1 - τ ) y * ¯ ( 1 - τ ) d τ = 0 。
令τ = 1 - t ,则
∫ 0 1 c ( t ) x * ¯ ( t ) d t + ∫ 0 1 d ( t ) y * ¯ ( t ) d t = 0 ,
所以c , x * + d , y * = 0 。因此( c , d ) ∈ 𝒩 ⊥ ( T * ) ,故U ⊂ 𝒩 ⊥ ( T * ) = R ( T ) ¯ ,从而R ( T ) ¯ = R ( T ) 。结论成立。
(2) 设Λ ( a ) = Λ ( a 0 ) = λ ≠ 0 。由(1)的证明,对任意的K > λ ,ε > 0 ,取K ' > K + λ ,存在r ∈ ℒ 0,0 ,使得
∫ 0 K ' h - λ a 0 r ( t ) - h - λ a ( t ) d t < ε ∫ 0 K ' b 0 r ( t ) - b ( t ) d t < ε ,
于是
∫ λ K a 0 r ( t ) - a ( t ) d t = ∫ 0 K - λ h - λ a 0 r ( t ) - h - λ a ( t ) d t ≤ ∫ 0 K ' h - λ a 0 r ( t ) - h - λ a ( t ) d t < ε , ∫ λ K b 0 r ( t ) - b ( t ) d t ≤ ∫ 0 K b 0 r ( t ) - b ( t ) d t < ε 。
所以引理得证。
定理5 若a 0 , b 0 ∈ 𝒵 ,则a 0 , b 0 = ( a 0 r , b 0 r ) ∶ r ∈ ℒ 0,0 ¯ 。
证明 设Λ ( a 0 ) ≥ - N ,因为Λ ( r ) = 0 ,所以( a 0 r , b 0 r ) ∶ r ∈ ℒ 0,0 ⊂ 𝒵 N 。因为Z上的拓扑诱导的𝒵 N 的拓扑即为𝒵 N 的原拓扑,并且闭子空间𝒵 N 是可度量的,所以序列闭包等同于闭包。由于( a 0 , b 0 ) ∈ 𝒵 N ,从而a 0 , b 0 ⊂ 𝒵 N ,要证a 0 , b 0 在𝒵 中闭只需证明a 0 , b 0 在𝒵 N 中闭。任取a n , b n ⊂ a 0 , b 0 ,且a n , b n → c , d ∈ 𝒵 N ,即a n → T N c ,b n → T 0,0 d 。对任意的T > 0 ,由定理3可得,
a 0 d - b 0 c - N , K ≤ a 0 ( d - b n ) - N , K + ( a n - c ) b 0 - N , K ≤ a 0 - N , K d - b n T + K + a n - c - N , K b 0 K + N 。
令n → ∞ 得a 0 d - b 0 c - N , K = 0 。所以a 0 d = b 0 c ,从而a 0 , b 0 在𝒵 N 中闭。
显然a 0 r , b 0 r ∶ r ∈ ℒ 0,0 ⊂ a 0 , b 0 。由引理4可得,对每个a , b ∈ a 0 , b 0 ,a , b 都存在ℒ 0,0 中的序列r n 使得a 0 r n , b 0 r n 收敛到a , b ,故a 0 , b 0 ⊂ a 0 r , b 0 r ∶ r ∈ ℒ 0,0 ,则a 0 , b 0 = a 0 r , b 0 r ∶ r ∈ ℒ 0,0 ¯ 。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。