乘子

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傅里叶分析中通过傅里叶系数乘上一个数列,或通过傅里叶变换乘上一个函数来定义的一类算子。

PQ 是两个具有某种特性的周期为 2π的函数类,{λk}(k=0,±1,±2,…)是给定的复数列。如果对P 中任意函数ƒ(x)的傅里叶系数сk:

乘以λk 所得到的数列{λkсk}必定是 Q中某函数g(x)的傅里叶系数,即数列{λk}确定了一个从ƒ∈P映到gQ的算子T:Tƒ=g,就称T为(P,Q)乘子,有时也直接称{λk}是(PQ)乘子,其中PQ可以是有界函数类B,连续函数类Cp次幂为勒贝格可积的函数类Lp,等等。

数列{λk}应该满足什么条件,才是(PQ)乘子呢?研究这类问题的定理称为乘子定理。波兰数学家J.马钦凯维奇在1939年提出了下列著名定理.

马钦凯维奇乘子定理

设{λk}满足条件

式中M是常数,则{λk}是(LpLp)乘子(p>1),这里Lp表示周期为2π的p次幂可积函数类.

对非周期函数可以类似地定义乘子。设mx)是给定在n维欧氏空间 Rn上的一个有界可测函数,如果对于L2Lp中任意函数ƒ(x)的傅里叶变换弮(y),乘积m(y)·弮(y)必定是Lp(Rn)中某个函数g(x)的傅里叶变换,并且存在常数M,使得

式中

也就是说,对一切ƒ∈L2Lp,由等式

所确定的算子TLp上的有界算子:就称T为对应于m(x)的Lp乘子算子,或简称Lp乘子,有时也直接称m(x)是一个Lp乘子。1956年苏联数学家C.Γ.米赫林证明了下面的定理。

米赫林乘子定理

m(x)在Rn中除原点外是 k阶连续可微的,其中k为大于n/2的整数,还假设m(x)的所有阶数不超过k偏导数满足条件

式中α=(α1,α2,…,αn),αi是非负整数,│α│=α12+…+αnk,则m(x)是Lp乘子(p>1)。

乘子算子的特点是它同平移算子可交换。平移算子τh的定义为(τhƒ)(x)=ƒ(x-h),这里 hRn中一个向量。Lp上的有界线性算子 T是乘子算子的充分必要条件为它与平移算子可交换,即对任意hRn,有 TτhhT成立。

如果不通过傅里叶变换直接来表示乘子算子,那么在一定意义上说,乘子算子实际上就是卷积算子Tƒ=ƒ*φ,其中*表示卷积运算。

设ƒ(x)是多元函数,在研究ƒ(x)的多重傅里叶级数的各种形式的部分和(方形和,矩形和,球形和)是否依Lp范数收敛到ƒ(x)时,遇到下述类型的乘子问题:设m(x)是某个可测集D的特征函数ⅹD(x),

D具有什么样的几何形状时,ⅹD(x)是Lp乘子?这个叙述起来十分简单的问题,实际上却异常复杂。以二维的情形为例,如果D是半平面,或多边形时,ⅹD(x)是Lp乘子(p>1);但当D是单位圆时,问题就复杂得多了。一般地说,若Dn维空间的单位球,对应于ⅹD(x)的算子T是否为乘子算子的问题,被称为圆盘问题。它曾在长时期内没能解决。容易推知,对于区间以外的pT不是 Lp上的有界算子。因此,曾有一个所谓“圆盘猜想”,猜想:对于满足的一切pTLp上的有界算子。为了研究此问题,美国数学家E.M.施坦与C.费弗曼先研究稍简单一些的博赫纳-里斯球形和算Tδ:

式中

它和单位球的特征函数的差别在于它在 |x|=1处具有一定的光滑性。他们推测对:一切δ>0,当时,Tδ Lp上的有界算子。1970年费弗曼证明了当时,这个推测成立。然而,圆盘猜测却在1971年被费弗曼否定了。他通过构造反例说明:当空间维数n>1时,T只能是L2上的有界算子,若p≠2,T不可能在Lp上有界。由此可见,乘子算子的复杂性。

泛函分析,微分方程中的许多算子都是乘子算子。因此,乘子定理在傅里叶分析,泛函分析,微分方程,位势理论以及数学物理中有广泛的应用。

参考书目
  1. J. Marcinkiewicz, Sur les Multiplicateurs des Séries de Fourier,Studia MatheMatica, T. 8, pp. 78~91, Warsaw,1939.