Файл: Заманский, М. Введение в современную алгебру и анализ.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 144

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

5. ПРОСТРАНСТВА g P

423

(Можно показать, что это предложение остается справедли­ вым, если взять дискретное пространство А, каждая точка ко­

торого обладает мерой +1.)

 

 

 

Охарактеризуем вначале

пространства

3 ? р , определенные

при помощи этой меры на множестве N.

на

N есть множество

Множество Е ступенчатых

функций

конечных последовательностей, т. е. последовательностей х = ■=(Ій) действительных чисел, все члены которых, кроме ко­ нечного их числа, равны нулю. Для такого элемента х ^ Е

имеем р (лг) = 2 ій; Др —это пространство £, наделенное нормой

 

іииР =

( 2 і ы

' Г .

 

 

 

Пусть (л:п)— последовательность Коши

в £ р, т.

е.

если

xn=(ln,h)h, где

gn,ft равны

нулю для

всех

значений

k,

кроме

конечного числа

(которое зависит от п),

то

 

 

 

 

Н т Ихп хт ||р= О,

 

 

 

или

П -> оо,

оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІШ

2

I Iff, ft

Im , ft |p —

0>

 

 

 

ra-»°o, m->°°

 

 

 

 

 

 

откуда вытекает,

что

11«, ft — Im, ft Г = о

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

оо,

m->oo

 

 

 

 

 

 

Для любого k\ значит, последовательность ( |n>ft) n есть после­ довательность Коши в и стало быть, сходится. Пусть

Фа= Нт (£„, k)

П-±оо

ипусть имеется последовательность / = (фй) действительных чисел, которая является также числовой функцией на JV, а

именно, пределом всюду последовательности Коши из £ р.

С другой стороны, при и —* оо последовательность ||хп||р имеет конечный предел, равный ||/||р.

Следовательно, для любых k n п имеем

Sйl k f t f c M ,

где М — константа, не зависящая от п и k. В частности, если V — произвольное фиксированное целое число, то

2 I In, ft Г < М;

к < V

значит, для п - + о о

l < P f t f < M ;

Ä < V


424

ГЛ. X. ИНТЕГРИРОВАНИЕ

следовательно,

Стало быть, последовательность / = (фй) — это последователь­ ность, удовлетворяющая условию

2 1 Фа Ір < + ° о .

Обратно, пусть / =

(ср^)

есть

последовательность таких дей­

ствительных чисел,

что

2 і

Фа Ір

< +

° ° ;

пусть х„ =

( | п, н), где

1п,к =

Щ при

k <s:n,

ь =

0 при

k >

п, и

пусть,

например,

п < т \

тогда

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Цх„ — Хт \\р)р = 2 і Фа Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п + 1

 

 

 

Так как, по условию,

2 і Фаір <

+

00.

то

 

 

 

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нт

 

2

і Фаір =

0;

 

 

 

 

 

n->oo, т~> оо

+ 1

 

 

 

 

значит,

(хп)

есть

последовательность

Коши

в Е р

и опреде­

ляет /.

Таким образом, это пространство 3?р есть пространство та­

ких последовательностей

действительных

чисел х — (%и)>

что

2 і £аір < + °°-

Ои°

 

обозначается

S 'p (N)

или L p (N).

 

Предположим

теперь, что р <

q и

что

2 і Ы р < ° ° -

Так

как |gft| стремится

к

нулю, то, начиная

с

некоторого номера,

будет выполняться

|£ ь |< 1, а так

как при 0 < а <

1 функция

/ —»■а4 убывает,

то при р <

q имеем |gfe| p >

 

отсюда

сле­

дует, что если

x g

L p (N),

то x <=Li (N),

и

тем самым, пред­

ложение 4 доказано.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 4. Пространства Jg°° и L°°

 

 

 

 

 

 

Введенные

выше

пространства

3 ? р

были определены

для

1 ^ р <; -f-oo.

Встает

вопрос о том, какой

смысл

можно

при­

дать символу і? 00. Но 3?р наделено полунормой, которая имеет

вид ( ц(| х| р) ) І/р, и

в наиболее

простых случаях (ступенчатых

функций на R, непрерывных функций с компактным носителем

на R) легко видеть,

что

 

 

lim IIX ||р =

sup I X (t) 1.

 

p-& oo

t m A

Иными словами, в пределе норма (или полунорма) в 9?р дает норму равномерной сходимости. А поскольку функции на 3?р определен^ почти всюду, то получаем более общее определе­ ние, которому и будет посвящен этот параграф.


5. ПРОСТРАНСТВА 2 ? Р

425

 

 

1. Определение пространств jg?00 и L x .

 

Определение. Пусть

Е пространство Рисса числовых

функций, определенных

на множестве А, и р положительная

мера. Говорят, что числовая функция х, определенная почти

всюду на А,

p-ограничена, если существует такое число а ^> О,

что I л (t) I ^

а (для меры р).

 

П . В .

 

Нижняя грань указанных чисел а называется р-максимумом

функции

I л:I

и обозначается 11*11«,.

Это определение требует следующих замечаний.

Если

| *

( / ) | <

І а , то множество точек / е й , в которых

\x(t) I >

 

П .

В .

а, пренебрежимо.

Можно было бы рассматривать p-максимум и р-минимум функции *. Например, p-минимум функции *, обозначаемый иногда гпоо(х), есть верхняя грань действительных чисел Ъ, удовлетворяющих условию

b ^ X (t).

П . В .

Вместо p-максимума функции \х\ употребляются также названия истинный максимум или существенная верхняя грань.

Если * — непрерывная функция на компактном множе­

стве К, то

II * IL = sup I * (t) I,

если

любая

окрестность любой

точки К имеет

ненулевую

р-меру.

* ^=5 у, то

 

 

 

 

Если

 

 

 

 

если

* п=

0,

l l x L 4 l y l L :

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

IIXIL

=

о.

 

 

Очевидно,

что

 

 

 

 

 

 

 

II * + УIL ^

II X11^ +

II у ||м

 

и, для любого действительного а

 

 

 

 

 

 

II ах IL =

| а

H U IL .

 

Отныне мы будем считать,

что для

любого

величина

IW L определена (и конечна).

Таким образом, ||*IU определяет на пространстве Рисса Е полунорму. Проведя факторизацию по отношению эквивалент­ ности * п==у, получим на £ норму ЦіЦ«,, причем ||*IU является

значением ||*IL, когда * — элемент из Е, определяющий класс эквивалентности *.


426

ГЛ. X.

ИНТЕГРИРОВАНИЕ

 

Определение

и L°°.

Обозначим

через

пополнение

пространства Е, наделенного полунормой ЦхЦ», а

через L°°

ассоциированное нормированное пространство*).

 

Охарактеризуем

9?°° L°°) посредством числовых функ­

ций, как мы делали это для 9?.

пространства Рисса Е

Обозначим через

х, у,

... элементы

(наделенного положительной мерой р, и полунормой ||x|U, ко­ торая предполагается конечной для всех х ^ Е ) .

Если

(хп)

есть

последовательность

Коши

из

Е,

то

\\хп —^mlloo *0.

Каждому (хп) отнесено такое пренебрежимое

множество еп, что

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

 

t *= &п=ф I Хп (0 I ^

II Хп11^.

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e =

\ J

e n-

 

 

 

 

 

Если / е Л

е,

то

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I Хп(t)

Xm (t) I ^

ИХп

Xm11^,

 

 

 

значит, (xn) равномерно сходится на

A e. Говорят,

что

(xn)

равномерно сходится почти всюду.

 

почти

всюду

как

Пусть

теперь f — функция,

определенная

предел последовательности (хп). Тогда каждой последователь­ ности Коши (хп) соответствует некоторая числовая функция f.

Если (уп) — эквивалентная

ей последовательность

Коши,

т. е. такая, что ||х„ — г/„||оо —>0,

то хп уп равномерно сходится

почти всюду к нулю,

и следовательно, если g — функция,

опре­

деленная посредством

(г/„), то

 

 

g — f.

Ь П. В. 1

Обратно, если (хп) и (г/п)—две последовательности Коши, определяющие /, то \\хп'— г/nlU—►О, ибо если е, е' — пренебрежимые множества, отнесенные последовательностям (хп), (уп), то на А е имеем

I хп(і) y(t)\^e/2, если п ^ п 0\

на А е' имеем

I Unit) у(і) |< е /2 , если « > « 5 ;

*) Это определение совпадает с общепринятым в случае, если Е — про­ странство Рисса, образованное ступенчатыми функциями на клане всех р.-измеримых множеств, где ц — конечная мера; в этом случае 2 ’°° = = е 2 : lUlloo < °°}. Если мера бесконечная, или если Е образовано сту­ пенчатыми функциями на,клане общего вида, или непрерывными функциями на локально компактном (в частности, компактном) пространстве, то данное определение неприемлемо.

См. также сноску на стр. 438.


5. ПРОСТРАНСТВА g P

427

значит, на А е\]е' имеем

Iхп (0 Уп (О I< е, если п > шах («о, «о).

Итак, пространство S°° состоит из числовых функций, опре­ деленных почти всюду и являющихся пределами почти всюду последовательностей Коши в пространстве Е, наделенном по­ лунормой ЦлгЦоо (короче: равномерные пределы почти всюду последовательностей Коши функций из Е).

Пространство Ь°° есть факторпространетво пространства S°° по отношению эквивалентности

fп Г в . S '

Сдругой стороны, на А е, где е — пренебрежимое мно­ жество, имеем

\xn(t)\ — e < \ f ( t ) K \ x n{t)\ + e,

где е > 0 — заданное

число

и где

п ^

п0, причем п0 зависит

лишь от е. Стало быть, имеем

 

 

 

sup

|/(/) | =

lim И

И*, =

||/IL.

 

 

oo

 

 

Следовательно, полунорма ||я||«,, определенная на Е, про­ должается в 9?°°.

Наконец,

очевидно, что Е°° есть банахово пространство.

В итоге получаем теорему.

Т е о р е м а

1. Пусть Е пространство Рисса числовых

функций, наделенное положительной мерой ц и полунормой, определяемой при помощи у-максимума. Пространство S x , состоящее из числовых функций, являющихся почти всюду рав­ номерными пределами функций из Е, есть пополнение про­

странства Е.

З а м е ч а н и е . Мера р, вообще говоря, не продолжается в S ’00-, в самом деле, если Е — пространство непрерывных функ­ ций с компактным носителем, определенных на локально ком­ пактном пространстве, и S°° введено по определению стр. 426, то (см. стр. 404) равномерный предел последовательности не­ прерывных функций в общем случае не будет интегрируемым.

2. Неравенство Гёльдера. Пусть

S 1 и S°° построены исходя

из одного и того

же пространства

Рисса

Е числовых функций

и положительной

меры р, заданной на Е

(а значит,

и на S ’1).

Кроме того, предположим, что если и е £

и г / е £ ,

то х г/е £.

Имеем I ху K I |x ||J У I и р (| ху I X I U I k p (| у |),

или