Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3
12Ruang Lp
Integral Lebesgue dibangun untuk analisis; dan ruang adalah tempat analisis itu tinggal. Ruang itu Banach (menurut Riesz–Fischer) — yakni pelengkapan yang menurut Latihan 7.1 tak dipunyai fungsi kontinu — dan ia menopang teknologi pemulusan, yakni konvolusi terhadap pemulus, yang menghampiri setiap fungsi oleh fungsi . Bab ini membuktikan versi integral Hölder dan Minkowski, kelengkapannya, teorema kepadatannya, dan mesin peregularannya, lalu berakhir dengan geografi keterkandungan dan interpolasi tangga . Sepanjang bab, adalah ruang ukuran dan fungsinya bernilai kompleks; sedangkan pada , ukurannya adalah .
12.1 Definisi; Hölder dan Minkowski
Definisi 12.1
Untuk , adalah himpunan yang terukur dengan , sedangkan himpunan yang terbatas di luar sebuah himpunan nol, dengan berupa sup esensialnya — yakni terkecil dengan hampir di mana-mana (dan infimumnya tercapai: iriskan himpunan nolnya untuk ). Karena hanya memaksa hampir di mana-mana (Latihan 10.5), kita mendefinisikan
yakni unsurnya berupa kelas fungsi modulo himpunan nol, dan merupakan norma sejati pada .
Teorema 12.2 (Ketaksamaan Hölder)
Misalkan dengan (yakni eksponen sekawan). Untuk yang terukur:
dengan kesamaannya (untuk , norma berhingga, dan ) jika dan hanya jika dan sebanding hampir di mana-mana.
Bukti. Kasus berlangsung langsung (sebab hampir di mana-mana). Misalkan ; lalu normalkan (lewat kehomogenannya; sedangkan norma nol atau tak berhingga bersifat trivial). Ketaksamaan Young (dengan ; lewat kecekungan , seperti pada Soal 8.1) memberikan secara titik demi titik ; lalu integralkan: . Kesamaannya memaksa kesamaan hampir di mana-mana pada Young, yakni hampir di mana-mana (setelah penormalannya; dan setelah dibatalkan, kesebandingannya). ∎
Teorema 12.3 (Ketaksamaan Minkowski)
Untuk : .
Bukti. Untuk : lewat ketaksamaan segitiga titik demi titik atau hampir di mana-mana. Sedangkan untuk , andaikan (jika tidak, pakailah , dari kecembungan , untuk melihat bahwa ruas kirinya berhingga bila ruas kanannya demikian). Maka
lewat Hölder, dan sebab ; lalu bagilah dengan (jika tak nol; jika nol maka trivial) lalu pakai . ∎
12.2 Kelengkapan dan kawan-kawannya
Teorema 12.4 (Riesz–Fischer)
Untuk , merupakan ruang Banach. Lebih lanjut, setiap barisan yang konvergen di mempunyai subbarisan yang konvergen hampir di mana-mana (dengan pendominasi pada kasus ).
Bukti. Untuk : barisan Cauchy terhadap bersifat, di luar satu himpunan nol (yakni gabungan terbilang banyak), Cauchy seragam: sehingga ia konvergen seragam di luarnya; selesai. Misalkan . Menurut Latihan 7.1(b) cukup dijumlahkan deret yang konvergen mutlak: misalkan . Tetapkan dan (secara titik demi titik di ): maka menurut Minkowski , dan kekonvergenan monoton (sebab ) memberikan : sehingga hampir di mana-mana, jadi deret konvergen mutlak untuk hampir setiap ; sebutlah jumlahnya (dengan nilai apa pun pada himpunan nolnya). Maka , dan kekonvergenan terdominasinya memberikan : jadi deretnya konvergen di .
Untuk pernyataan subbarisannya: jika di , pilihlah dengan ; maka deret jatuh di bawah argumen sebelumnya: ia konvergen mutlak hampir di mana-mana, terdominasi oleh sebuah , sehingga hampir di mana-mana, dan limit hampir di mana-mana itu haruslah (wakil dari) (sebab keduanya limit ). Pendominasinya: . ∎
Catatan 12.5
Kekonvergenan tak mengakibatkan kekonvergenan hampir di mana-mana (lihat barisan mesin tik, Latihan 12.3), dan sebaliknya pun tidak (lihat gundukan yang lolos): sebab kedua ragamnya terkait hanya lewat subbarisan dan dominasi. Menyimpan contoh penyangkal Latihan 12.3 dalam ingatan adalah vaksin yang terbaik.
12.3 Teorema kepadatan
Teorema 12.6
Misalkan .
- Fungsi sederhana (dengan pendukung berukuran berhingga) bersifat padat di .
- Di , fungsi kontinu berpendukung kompak bersifat padat.
- Translasi bersifat kontinu pada : dengan menulis , berlaku saat .
Tak satu pun dari ketiganya berlaku untuk .
Bukti. (1) Untuk : barisan diadik pada Teorema 10.4 memenuhi : lewat kekonvergenan terdominasi. (Setiap terletak di , dan himpunan arasnya berukuran berhingga di tempat nilainya positif: sebab .) Lalu pecahlah yang umum menjadi empat bagian tak negatif.
(2) Menurut (1) cukup dihampiri dengan Borel yang . Keteraturannya (dengan bukti seperti pada Teorema 9.13) memberikan , kompak di dalam terbuka, dengan ; lalu fungsi Urysohn
bersifat kontinu, bernilai pada dan di luar , dan dapat diambil berpendukung kompak (susutkanlah menjadi himpunan terbuka terbatas lebih dahulu). Maka .
(3) Untuk : kekontinuan seragamnya memberikan , dengan pendukungnya di dalam satu kompak tetap bila : sehingga . Sedangkan untuk yang umum: pilihlah dengan ; maka (lewat keinvarianan translasi normanya).
Untuk : penghampiran seragam atas oleh fungsi kontinu mustahil (sebab ada lompatan), dan untuk . ∎
12.4 Konvolusi dan peregularan
Teorema 12.7 (Ketaksamaan Young)
Misalkan , , dan . Maka terdefinisi hampir di mana-mana, termasuk , dan
Bukti. Untuk : lewat batas langsungnya. Untuk : Teorema 11.9. Misalkan dengan sekawannya. Pecahlah lalu terapkan Hölder:
Lalu pangkatkan ke dan integralkan terhadap ; maka Tonelli pada faktor keduanya memberikan , yakni — sedangkan keberhinggaan integral Tonellinya membenarkan kekonvergenan mutlak hampir di mana-mana seperti pada Teorema 11.9. ∎
Definisi 12.8 (Pemulus)
Fungsi
dengan yang menormalkan , bersifat pada : sebab intinya adalah bahwa bersifat pada , dengan semua turunannya di bernilai (sebab setiap turunannya berbentuk untuk sebuah polinomial , yang menuju ; lewat induksi). Untuk tetapkan : yang berpendukung di , dan tetap berintegral .
Teorema 12.9 (Peregularan)
Misalkan dan . Maka:
- , dengan ;
- saat ;
- sehingga bersifat padat di .
Bukti. (1) Lewat pendiferensialan di bawah integralnya (Teorema 10.15) terhadap : sebab untuk di sebuah bola , dengan kompak (yakni sejauh dari ), dan (lewat Hölder terhadap ): sehingga teoremanya berlaku; lalu iterasikan untuk turunan yang lebih tinggi.
(2) Karena :
dan ketaksamaan integral Minkowski — atau langsung: Hölder/Jensen dengan ukuran peluang dan Tonelli —
(dengan langkah tengahnya: terapkan ketaksamaan Jensen, Latihan 12.10, pada integral- dalamnya, lalu Tonelli). Integrannya berpendukung di dan menuju di sana secara seragam saat (Teorema 12.6(3)): sehingga seluruh ungkapannya menuju .
(3) Hampirilah oleh (Teorema 12.6(2)), lalu oleh (dengan pendukung kompak: yakni jumlah pendukungnya). ∎
Contoh 12.10 (Memuluskan , beserta lajunya)
Ambillah pada (yang secara lokal; sehingga teoremanya berlaku pada setiap jendela terbatas) dan sebuah pemulus setangkup . Maka
bersifat ; sedangkan jauh dari tekukannya, tak terjadi apa-apa: sebab untuk , linear terhadap pada pendukung , sehingga secara persis (sebab kesetangkupannya membunuh koreksinya). Di dekat , pemulusannya berbiaya tepat
sehingga galat penghampirannya terkurung di persekitaran- kesingularannya dan seukuran dengannya. Sementara itu di mana-mana (sebab cembung, dan konvolusi terhadap mengawetkan kecembungan), dengan : jadi turunan keduanya berupa gundukan bermassa yang terjepit ke dalam lebar , sehingga . Jadi pemulusan adalah tukar tambah: galat seragam ditukar dengan peledakan turunan — yakni kurs tukar persis yang diformalkan analisis kuantitatif (lewat ketaksamaan interpolasi, yakni lingkaran gagasan Soal 12.1).
Akibat 12.11 (Lema fundamental kalkulus variasi)
Misalkan (yakni terintegralkan pada kompak) dengan untuk setiap . Maka hampir di mana-mana.
Bukti. Tetapkan sebuah bola lalu misalkan . Untuk dan : , sebab fungsi ujinya adalah . Padahal di (Teorema 12.9): sehingga hampir di mana-mana pada ; lalu habiskanlah . ∎
12.5 Geografi
Proposisi 12.12
(a) Jika dan , maka dengan . (b) Pada (yang berukuran tak berhingga) tak ada keterkandungan: sebab untuk ada fungsi di . (c) (Interpolasi) Jika dan didefinisikan oleh , maka
khususnya .
Bukti. (a) Lewat Hölder dengan eksponen dan sekawannya: (sedangkan langsung). (b) Di dekat dan di dekat , pangkat mengkalibrasinya: Latihan 12.2. (c) Tulislah lalu terapkan Hölder dengan pasangan sekawan dan (yang sekawan persis menurut definisi ): . ∎
Metode 12.13
Perkakas , sebagaimana dipakai di mana-mana di bawah ini: untuk membuktikan sebuah identitas atau ketaksamaan bagi setiap — buktikanlah pada sebuah kelas yang padat ( lewat Teorema 12.9) lalu perluas lewat kekontinuannya (Teorema 7.2, sebab kedua ruasnya kontinu-); untuk membuktikan , ujilah terhadap (Akibat 12.11); untuk memperoleh kemulusan, konvolusikanlah; dan untuk menukar eksponennya, pakailah Hölder dan interpolasi. Sedangkan teori Fourier Bab 14 merupakan satu terapan panjang metode ini.
12.6 Latihan
Latihan 12.1 ★
(a) Nyatakan dan buktikan ketaksamaan Cauchy–Schwarz di sebagai kasus dari Hölder. (b) Pada ruang peluang, tunjukkan bahwa bersifat tak turun. (c) Kapankah Hölder menjadi kesamaan untuk dan ?
Solusi
Solusi Latihan 12.1.
(a) Ambil pada Teorema 12.2: — yakni Cauchy–Schwarz, dengan kesamaannya jika dan hanya jika sebanding dan fasanya sejajar.
(b) Pada ruang peluang, untuk : terapkan Jensen (Latihan 12.10) dengan yang cembung pada fungsi : maka , yakni .
(c) Berlaku jika dan hanya jika hampir di mana-mana pada (sebab ketaksamaan haruslah kesamaan hampir di mana-mana).
Latihan 12.2 ★
Untuk yang mana fungsi berikut termasuk ?
Simpulkan: pada yang kecil lebih mudah, pada yang besar lebih mudah, dan tak ada yang memuat yang lain pada .
Solusi
Solusi Latihan 12.2.
Berlaku jika dan hanya jika : sehingga yang pertama berada di untuk . Lalu jika dan hanya jika : sehingga yang kedua untuk (dan : sebab ia terbatas — sertakanlah). Yang ketiga: untuk , ia terdominasi oleh : jadi terintegralkan; untuk , substitusikan : ; sedangkan untuk pangkatnya mendominasi: jadi divergen. Jadi . Yang keempat: jika dan hanya jika ; dan ia terbatas, jadi pula: sehingga . Moralnya: keterintegralan di menyukai yang kecil, sedangkan di yang besar; dan menggabungkan kedua rintangannya, tak ada keterkandungan antara ruang .
Latihan 12.3 ★★
(Mesin tik) Cacahlah selang diadiknya , , , , … lalu misalkan . (a) Tunjukkan bahwa di setiap dengan , tetapi divergen untuk setiap . (b) Tampilkan subbarisan yang konvergen hampir di mana-mana yang dijanjikan Teorema 12.4. (c) Sebaliknya berikan sebuah barisan yang konvergen hampir di mana-mana tetapi tak di , dan satu yang konvergen di tetapi tak di mana pun dengan .
Solusi
Solusi Latihan 12.3.
(a) Berlaku (sebab pada aras diadik panjangnya ). Tetapi setiap terletak di satu selang pada setiap aras diadiknya: sehingga tak berhingga sering dan tak berhingga sering (yakni selang pada aras yang sama yang tak memuat ): jadi tak ada kekonvergenan di titik mana pun.
(b) Barisan (yakni selang pertama setiap arasnya) konvergen ke di setiap : jadi hampir di mana-mana.
(c) Hampir di mana-mana tetapi tak di : hampir di mana-mana, dengan integral . Di tetapi tak di mana pun (): : sebab , sedangkan untuk setiap .
Latihan 12.4 ★★
Misalkan dan dengan . Tunjukkan bahwa saat . (Batas atasnya lewat (a) dari Proposisi 12.12; sedangkan batas bawahnya dengan mengintegralkan atas , yang berukuran positif.)
Solusi
Solusi Latihan 12.4.
Batas atasnya: (Proposisi 12.12(a) dengan ), dan . Batas bawahnya: untuk , mempunyai (menurut definisi sup esensialnya), dan
Latihan 12.5 ★★
(a) Di manakah tepatnya bukti Teorema 12.6(3) memakai ? (b) Tunjukkan bahwa memenuhi jika dan hanya jika mempunyai wakil yang kontinu seragam.
Solusi
Solusi Latihan 12.5.
(a) Dua kali: sebab pengubahan (dengan pendukung berukuran berhingga) merosot untuk hanya karena kepadatan gagal di sana — dan itulah jurang yang sebenarnya: sebab langkah (2) Teorema 12.6 tak beranalogi .
(b) Jika mempunyai wakil yang kontinu seragam: maka . Sebaliknya, andaikan . Maka pemulusannya bersifat kontinu, dan
(sebab konvolusinya merupakan rata-rata translasinya). Setiap kontinu seragam (sebab , lewat perata-rataannya), dan limit seragam fungsi kontinu seragam tetap demikian: sehingga sama hampir di mana-mana dengan sebuah fungsi yang kontinu seragam.
Latihan 12.6 ★★
Misalkan sekawan, , dan . Tunjukkan bahwa terdefinisi di mana-mana, terbatas, dengan , dan kontinu seragam. (Pakai kekontinuan translasi di ; lalu tanganilah secara terpisah — sebab untuk pakailah kekontinuan translasi pada faktor -nya.)
Solusi
Solusi Latihan 12.6.
Menurut Hölder, untuk setiap integrannya berada di dengan : jadi terdefinisi di mana-mana dan terbatas. Kekontinuan seragamnya (bila ):
secara seragam terhadap (Teorema 12.6(3)). Jika , maka : tulislah lalu jalankan batas yang sama dengan translasinya bekerja pada .
Latihan 12.7 ★★
Misalkan dengan untuk setiap . Tunjukkan bahwa sama dengan sebuah konstanta hampir di mana-mana. (Tetapkan dengan ; maka setiap dengan berupa sebuah ; lalu tulislah fungsi uji umumnya sebagai lalu terapkan Akibat 12.11 pada dengan .)
Solusi
Solusi Latihan 12.7.
Tetapkan dengan , lalu tetapkan . Misalkan sembarang dan : maka , sehingga mendefinisikan (sebab ia lenyap di dekat kedua ujungnya: di dekat secara trivial, dan di dekat karena integral totalnya ) dengan . Lalu hipotesisnya memberikan , sehingga
Menurut Akibat 12.11 (yang dilokalkan pada ), hampir di mana-mana.
Latihan 12.8 ★★★
(Urysohn yang mulus) Misalkan dengan kompak dan terbuka. Konstruksikan dengan , pada , dan . (Muluskanlah indikator persekitaran- dari dengan , untuk yang kecil.) Lalu turunkan pernyataan partisi satuan bagi sebuah kompak yang terselimuti berhingga banyak himpunan terbuka.
Solusi
Solusi Latihan 12.8.
Misalkan (yang positif: Latihan 6.6(b); dan jika maka sembarang berhasil), , dan
Maka (Teorema 12.9(1); sebab indikatornya ), (sebab ), pada (sebab untuk , , sehingga konvolusinya mengintegralkan sepenuhnya), dan : jadi berpendukung kompak (sebab terbatas). Untuk partisi satuannya: diberikan , pilihlah (lewat kekompakannya) kompak dengan , ambil seperti di atas untuk , lalu tetapkan : maka setiap , dan pada .
Latihan 12.9 ★★
Dengan memakai interpolasi (Proposisi 12.12(c)): (a) tunjukkan bahwa untuk setiap , dengan ; (b) tunjukkan bahwa bersifat, untuk yang tetap, log-cembung terhadap , lalu berikan contoh yang -nya tepat untuk pada suatu selang .
Solusi
Solusi Latihan 12.9.
(a) Eksponen interpolasinya untuk di adalah : sehingga Proposisi 12.12(c) memberikan .
(b) Dengan mengambil logaritma pada Proposisi 12.12(c): dengan berupa kombinasi cembung yang sama atas : sehingga cembung. Contoh yang keanggotaan -nya tepat pada :
sebab suku pertamanya jika dan hanya jika , dan yang kedua jika dan hanya jika .
Latihan 12.10 ★★
(Jensen) Misalkan sebuah ukuran peluang, real, dan cembung. Tunjukkan bahwa
(pakailah garis penopang di titik ). Lalu turunkan ketaksamaan rata-rata hitung–ukur beserta kemonotonan pada Latihan 12.1(b).
Solusi
Solusi Latihan 12.10.
Misalkan . Kecembungannya menyediakan garis penopang di : yakni ada dengan untuk setiap (ambillah di antara turunan sepihaknya, yang ada bagi fungsi cembung). Lalu substitusikan dan integralkan terhadap peluang :
(keterukurannya: sebab kontinu; sedangkan keterintegralan bagian negatif dijamin oleh garis penopangnya). Untuk rata-rata hitung–ukur: pada himpunan berhingga berbobot , ambillah dan : maka , yakni . Sedangkan kemonotonan normanya adalah Latihan 12.1(b).
Latihan 12.11 ★★★
(Ketaksamaan konvolusi Young) Misalkan dengan , dan , . (a) Buktikan . (Tulislah, untuk eksponen sekawan yang dihitung dari , lalu terapkan ketaksamaan Hölder tiga faktor dengan eksponen , , ; lalu integralkan terhadap lewat Tonelli.) (b) Periksalah ketiga kasus khusus yang sudah dikenal: (yakni Hölder, Latihan 12.6); (yakni kestabilan- konvolusi oleh kernel terintegralkan); dan (yakni sebagai aljabar konvolusi, Teorema 11.9). (c) Mengapa tak ada ketaksamaan dengan ? (Ujilah pada pendilatan lalu bandingkan penskalaan kedua ruasnya.)
Solusi
Solusi Latihan 12.11.
(a) Andaikan dahulu dan (gantilah dengan nilai mutlaknya). Ketiga eksponennya , , dan memenuhi (yakni hubungan penskalaannya). Lalu pecahlah, untuk yang tetap,
dan Hölder dengan ketiga eksponennya memberikan
lebih tepatnya: faktor keduanya adalah sebab , dan demikian pula yang ketiga adalah . Lalu pangkatkan ke dan integralkan terhadap (dengan Tonelli pada faktor pertamanya):
Sedangkan kasus ujungnya ( atau sebuah eksponen yang sama dengan batasnya) berupa Hölder biasa atau taksiran langsung.
(b) memaksa : sehingga — yakni Hölder setelah translasi dan pencerminan. Lalu memberikan : , yakni kuda beban pemulusannya (yaitu mesin Teorema 12.9). Sedangkan memberikan : yakni aljabar konvolusinya (Teorema 11.9).
(c) Gantilah dengan dan : maka , dan dengan membandingkan normanya,
sehingga ketaksamaan yang sahih bagi setiap memaksa kedua eksponen penskalaannya bersesuaian, yakni secara persis. Sedangkan gabungan lain mana pun mati saat atau : jadi hubungan Young bukanlah kemudahan melainkan sebuah hukum penskalaan.
Latihan 12.12 ★★
(Kasus kesamaan) (a) Pada ketaksamaan Hölder (dengan ), tunjukkan bahwa kesamaannya berlaku jika dan hanya jika dan sebanding hampir di mana-mana. (Lacaklah kasus kesamaan ketaksamaan Young , yang berupa .) (b) Pada ketaksamaan Minkowski (dengan ), tunjukkan bahwa kesamaannya dengan memaksa hampir di mana-mana dengan . (c) Bandingkan dengan dan : uraikanlah kasus kesamaannya di sana (yang jauh lebih besar), lewat contoh.
Solusi
Solusi Latihan 12.12.
(a) Normalkan . Bukti Hölder mengintegralkan ketaksamaan Young ; dan kesamaan integralnya memaksa kesamaan hampir di mana-mana pada Young, yang (lewat kecembungan sejati ; dengan kesamaannya jika dan hanya jika ) berarti hampir di mana-mana. Setelah penormalannya dibatalkan: hampir di mana-mana — yakni kesebandingannya.
(b) Minkowski berupa dua Hölder yang diterapkan pada dan ; sehingga kesamaannya memaksa kesebandingan (a) pada keduanya: yakni dan masing-masing sebanding dengan , sehingga hampir di mana-mana untuk sebuah konstanta ; dan ketaksamaan segitiga titik demi titik awalnya pun haruslah kesamaan hampir di mana-mana, yang untuk nilai kompleks berarti dan berargumen sama hampir di mana-mana di tempat keduanya tak nol. Digabungkan: hampir di mana-mana dengan (sebab keduanya tak nol).
(c) Untuk : kesamaan pada berlaku setiap kali berpola tanda yang sama (yakni berargumen sama hampir di mana-mana) — tanpa perlu kesebandingan: sebab dan berhasil. Sedangkan untuk : segera setelah kedua fungsinya memuncak secara serasi di sebuah titik bersama (atau sepanjang sebuah barisan bersama): sehingga di dekat satu titik sudah cukup, apa pun perilakunya di tempat lain. Jadi kecembungan sejati bola untuk — dan kegagalannya di titik ujungnya — tepat merupakan hal yang disaksikan kasus kesamaan ini.
12.7 Soal: ketaksamaan Hardy
Soal 12.1
Soal akhir pekan — ketaksamaan Hardy dan konstanta tajamnya
Untuk dengan , definisikan operator Hardy
Ketaksamaan Hardy (1920) menyatakan
dan konstanta bersifat optimal serta tak tercapai. Soal ini membuktikan segalanya, lalu memperluasnya ke deret.
Bagian I — Ketaksamaannya. Andaikan dahulu kontinu dengan pendukung kompak di , lalu misalkan .
- Tunjukkan bahwa : sebab di dekat , lenyap pada sebuah persekitaran ; sedangkan di dekat , terbatas, sehingga , dan termasuk untuk .
Integralkan secara parsial untuk menunjukkan bahwa
(Turunkan ; sedangkan suku batasnya lenyap — benarkanlah kedua ujungnya.)
- Terapkan Hölder pada ruas kanannya lalu turunkan untuk semacam itu.
- Perluaslah ke seluruh : untuk , konstruksikan yang kontinu dengan pendukung kompak di dan hampir di mana-mana (pancunglah, lalu hampirilah secara monoton — benarkan konstruksinya); maka secara titik demi titik (lewat kekonvergenan monoton di dalam rata-ratanya) dan kekonvergenan monotonnya mengalihkan ketaksamaannya ke limitnya. Sedangkan untuk yang bertanda atau kompleks, simpulkan dengan .
Bagian II — Keoptimalannya.
Untuk misalkan . Hitunglah lalu, untuk ,
- Turunkan , lalu simpulkan bahwa konstantanya optimal.
- Tunjukkan bahwa kesamaan dengan mustahil. (Lacaklah kasus kesamaan Hölder pada pertanyaan 3: ia akan memaksa perilaku bertipe , yang tak berada di .)
Bagian III — Ketaksamaan diskretnya.
Untuk yang tak naik pada dan , bandingkanlah dengan , beserta rata-rata--nya, untuk menurunkan dari Bagian I ketaksamaan Hardy diskret: yakni untuk ,
— buktikanlah dahulu untuk yang tak naik lewat pembandingan di atas, lalu susutkan kasus umumnya ke kasus tak naiknya lewat penyusunan ulang (terimalah, dengan pembenaran satu baris, bahwa menyortir secara turun hanya dapat menaikkan ruas kirinya sambil membiarkan ruas kanannya tetap).
- Turunkan: jika maka rata-rata Cesàro kembali berada di — lalu berikan sebuah contoh () yang -nya tetapi -nya tak terjumlahkan, padahal Hardy tetap mengendalikan rata-ratanya.
Bagian IV — Epilog.
- Tunjukkan bahwa ketaksamaan Hardy gagal untuk : dengan , hitunglah lalu amati bahwa . Di manakah buktinya patah?
Bagian V — Fungsi maksimalnya, dan teorema pendiferensialan Lebesgue. Hardy merata-ratakan dari titik asal; sedangkan Hardy–Littlewood merata-ratakan di sekitar setiap titik. Untuk definisikan
- (Vitali, versi berhingga) Misalkan selang terbuka. Tunjukkan bahwa ada subkeluarga saling lepas dengan , dengan menandai selang berpusat sama dan berpanjang tiga kali lipat (secara rakus: berulang kali pilihlah selang terpanjang yang saling lepas dengan yang sudah terpilih).
(Tipe lemah ) Tunjukkan bahwa untuk setiap ,
sebab setiap dengan memiliki sebuah selang berpusat dengan ; lalu ambillah sebuah kompak (lewat keteraturan dalamnya), selimuti ia oleh berhingga banyak , terapkan pertanyaan 11, lalu habiskan.
- Hitunglah untuk lalu turunkan bahwa untuk setiap (sebab di tak hingga): sehingga pada , ketaksamaan lemah pertanyaan 12 merupakan pernyataan terbaik yang mungkin.
(Tipe kuat untuk ) Untuk : pecahlah , amati bahwa , lalu gabungkan pertanyaan 12 dengan rumus kue berlapis (Proposisi 11.8) dan Tonelli untuk membuktikan
(Sedangkan peledakannya saat adalah kegagalan pertanyaan 13, yang terukur.)
(Teorema pendiferensialan Lebesgue) Buktikan: untuk ,
(Jelas untuk yang kontinu. Secara umum tulislah , dengan kontinu berpendukung kompak dan (Teorema 12.6); maka himpunan yang osilasi rata-ratanya melampaui terletak di dalam , yang berukuran ; lalu biarkan , lalu sepanjang sebuah barisan.)
- Turunkan: (a) hampir setiap titik merupakan titik Lebesgue bagi ; (b) untuk , antiturunan dapat diturunkan hampir di mana-mana dengan hampir di mana-mana — yakni separuh integral teorema fundamental kalkulus di dunia Lebesgue, yang menutup lingkaran yang dibuka tangganya (Soal 9.1), yang menunjukkan bahwa separuh sebaliknya dapat gagal.
- (Titik kepadatan) Untuk yang terukur, tunjukkan bahwa hampir setiap memenuhi : sehingga himpunan terukur bersifat penuh secara lokal di hampir semua titiknya. Lalu sketsakan, dalam dua baris, bagaimana ini melahirkan satu lagi bukti teorema Steinhaus (Latihan 9.8).
Bagian VI — Ragam pada tema perata-rataan.
(Hardy berbobot) Untuk dan , tunjukkan bahwa
lewat pengintegralan parsial yang sama, lalu periksalah bahwa perbatasan sungguh terlarang (sesuaikan contoh penyangkal pertanyaan 10).
- (Adjoinnya) Misalkan . Tunjukkan bahwa untuk yang tak negatif (lewat Tonelli), lalu buktikan (langsung lewat pengintegralan parsial, atau dari Hardy pada eksponen sekawannya lewat dualitas — perhatikanlah eksponen mana yang memungut konstanta mana).
(Sebuah ketaksamaan bertipe Hilbert) Turunkan bahwa untuk , yang tak negatif:
(pisahkanlah sepanjang / : sebab masing-masing separuhnya merupakan pemasangan satu fungsi terhadap transformasi Hardy yang lain).
- (Keoptimalan, secara diskret) Tunjukkan bahwa konstanta pada pertanyaan 8 juga optimal: ujilah pada , bandingkan kedua ruasnya dengan integral, lalu biarkan (yakni cermin diskret Bagian II).
- (Sintesis) Tiga operator perata-rataan muncul pada soal ini: yakni milik Hardy, rata-rata Cesàro diskret, dan operator maksimal . Nyatakan dalam satu baris masing-masing apa yang dikatakan keterbatasannya, amati bahwa ketiganya gagal tepat di , lalu terangkan mengapa itu kegagalan yang sama tiga kali (yakni ekor harmonik ).
Bagian VII — Ketaksamaan Carleman, dan seberapa tajamkah tajam itu.
(Ketaksamaan Carleman) Misalkan dengan . Terapkan ketaksamaan Hardy diskret pada pertanyaan 8 ke , pakailah ketaksamaan rata-rata hitung–ukur, lalu biarkan (dengan menunjukkan bahwa turun menuju ) untuk memperoleh
sehingga rata-rata ukur sebuah barisan terjumlahkan tetap terjumlahkan, dengan biaya paling banyak .
- (Konstanta bersifat optimal) Ujilah : dengan memakai pengapitan Stirling Soal 11.1, tunjukkan bahwa , turunkan bahwa kedua ruas Carleman tumbuh seperti , lalu simpulkan bahwa tak ada konstanta yang lebih kecil daripada yang dapat bekerja. (Amatilah polanya: sebab pengoptimal Hardy maupun Carleman sama-sama barisan bertipe harmonik yang tepat gagal berada di ruangnya.)
(Seberapa lambat “tajam” itu didekati?) Ambil . Untuk , hitunglah , terhadap batasnya . Sedangkan untuk pengoptimal hampiran pada pertanyaan 5, buktikan identitas persisnya
Nilaikanlah di (dengan nisbah ) lalu berkomentarlah: sebab supremumnya didekati dengan laju saja — jadi sebuah konstanta optimal dapat hampir tak terlihat secara numerik.
Solusi
Solusi Soal 12.1.
1. Fungsi berpendukung di suatu , sehingga pada dan pada : jadi lenyap di dekat dan bernilai di tak hingga; sedangkan untuk , dan kontinu: sehingga .
2. Berlaku . Kedua nilai batasnya lenyap: di karena di dekat ; dan di karena (sebab ). Lalu dengan mengintegralkan identitasnya atas :
yang merupakan hubungan yang ditampilkan itu.
3. Hölder dengan eksponen dan :
sehingga ; lalu bagilah (yang berhingga menurut pertanyaan 1, dan jika maka tak ada yang perlu dibuktikan).
4. Misalkan dengan . Pilihlah dengan di (Teorema 12.6(2), yang diiriskan dengan setengah garis terbukanya — hampirilah lalu diagonalkan), lalu gantilah dengan (yang tetap kontinu, dan lebih dekat ke ). Untuk setiap yang tetap, Hölder pada memberikan
sehingga secara titik demi titik. Lalu Fatou dan pertanyaan 3:
Sedangkan untuk yang bertanda atau kompleks: secara titik demi titik, dan kasus tak negatifnya berlaku bagi .
5. Berlaku . Untuk :
6. Tetapkan dan dengan untuk . Maka
sehingga saat : jadi konstantanya tak dapat diperbaiki.
7. Kesamaan pada pertanyaan 3 memaksa kesamaan pada Hölder: yakni sebanding dengan hampir di mana-mana, yakni hampir di mana-mana untuk suatu . Karena kontinu mutlak dengan hampir di mana-mana, maka memenuhi : sehingga pada sembarang selang yang -nya, , jadi dan di sana. Padahal tak ada pangkat tak nol yang termasuk (sebab dituntut di dan di : tak serasi), dan tak dapat lenyap secara identik kecuali . Jadi kesamaannya menuntut .
8. Diberikan tak naik dengan , definisikan fungsi tangga pada : yang tak naik, dengan dan , sehingga . Rata-rata sebuah fungsi tak naik tetap tak naik, sehingga demikian, dan
menurut Bagian I. Sedangkan untuk barisan tak negatif yang umum, misalkan penyusunan ulangnya yang tak naik (yang mungkin bila , yang boleh kita andaikan — sebab jika tidak kedua ruasnya tak berhingga): maka ruas kanannya tak berubah, dan setiap jumlah parsial paling banyak (yakni suku terbesarnya): sehingga ruas kirinya hanya bertambah. Karena itu ketaksamaannya berlaku bagi setiap .
9. Jika , maka barisan rata-rata Cesàro berada di dengan norma . Contohnya (): (untuk ): sebab , padahal (lewat uji integralnya); dan Hardy tetap menjamin .
10. Untuk : pada dan untuk : sehingga , padahal . Buktinya runtuh di dua tempat: sebab konstanta meledak saat , dan suku batasnya tak lagi lenyap di tak hingga bila . Jadi ketaksamaan Hardy sungguh gejala .
11. Pilihlah selang terpanjang ; buanglah setiap selang yang memotongnya; pilih penyintas terpanjang ; lalu iterasikan (sebab selangnya berhingga banyak). Yang terpilih saling lepas menurut konstruksinya, dan setiap yang terbuang memotong sebuah selang terpilih yang setidaknya sepanjang itu: dan selang yang memotong selang yang lebih panjang atau sama termuat di lipat tiganya, yakni .
12. Himpunan terbuka: sebab setiap rata-rata kontinu (lewat kekonvergenan terdominasi terhadap ), dan supremum fungsi kontinu bersifat semikontinu bawah. Lalu setiap di dalamnya memiliki dengan . Untuk kompak : berhingga banyak menyelimuti , lalu Vitali (pertanyaan 11) memetik yang saling lepas dengan , sehingga
lewat kelepasannya; lalu keteraturan dalamnya (Teorema 9.13) menuntaskannya.
13. Untuk : dengan rata-ratanya adalah , yang naik terhadap ; sedangkan untuk ia , yang turun: jadi supremumnya , yang tercapai di . Sehingga . Secara umum, jika pada sebuah selang terbatas , maka untuk setiap : jadi tak pernah terintegralkan kecuali hampir di mana-mana.
14. Dengan : , sehingga dan pertanyaan 12 memberikan . Lalu kue berlapis (Proposisi 11.8) dan Tonelli:
15. Tulis . Untuk yang kontinu: di mana-mana. Diberikan , pecahlah dengan kontinu berpendukung kompak dan (Teorema 12.6); maka
sehingga berukuran (lewat pertanyaan 12; dan Markov). Karena sembarang: ; lalu gabungkan atas : sehingga hampir di mana-mana.
16. (a) Untuk setiap , pertanyaan 15 yang diterapkan pada memberikan hampir di mana-mana; lalu pada irisan himpunan berukuran penuh itu, pilihlah dengan : maka untuk setiap : sehingga hampir setiap merupakan titik Lebesgue. (b) Pada sebuah titik Lebesgue,
sehingga hampir di mana-mana — jadi antiturunan fungsi sungguh dapat diturunkan kembali; sedangkan tangganya (Soal 9.1) merupakan contoh penyangkal bagi arah sebaliknya saja.
17. Terapkan pertanyaan 15 pada lalu biarkan tumbuh: maka untuk hampir setiap kepadatannya . Untuk Steinhaus: di sekitar sebuah titik kepadatan ambillah yang berkepadatan ; lalu untuk , dan masing-masing mengisi lebih dari sebuah selang berpanjang , sehingga keduanya berpotongan: jadi .
18. Misalkan : maka lenyap di (sebab lenyap di dekat ) dan di (sebab terbatas dan ), sehingga dengan
Karena itu ; lalu Hölder untuk ukuran (dengan eksponen dan ) menyelesaikannya seperti pada pertanyaan 3. Untuk perbatasan : dengan , ruas kanannya adalah sedangkan ruas kirinya memuat : sehingga tak ada konstanta yang selamat saat .
19. Tonelli pada :
Untuk dualitasnya: , sebab Hardy dipanggil di , yang konstantanya sama dengan .
20. Pisahkan sepanjang diagonalnya (yang nol). Pada :
sebab Hardy di membawa konstanta . Setangkup dengan itu, (sebab ). Totalnya: .
21. Untuk dengan : ruas kanannya adalah . Sedangkan di kirinya, untuk : , sehingga rata-rata Cesàro ke- bernilai secara seragam untuk pada sembarang rentang ; lalu dengan memangkatkannya ke dan menjumlahkannya, ruas kirinya . Lalu dengan membaginya dan membiarkan , lalu : tak ada konstanta yang lebih kecil daripada yang dapat bekerja.
22. Keterbatasan pada : rata-rata kumulatifnya tak menggelembungkan norma- (dengan konstanta ); untuk Cesàro pada : hal yang sama, terdiskretkan; sedangkan keterbatasan pada : bahkan rata-rata lokal terbaiknya tetap terkendali (dengan konstanta ). Ketiganya gagal di , dan karena satu alasan: sebab merata-ratakan satu satuan massa yang terpusat menghasilkan ekor (lihat pertanyaan 10 dan 13), dan termasuk setiap di dekat tak hingga kecuali . Jadi pemulusan menyebarkan massanya tepat sampai perbatasan harmonik keterintegralannya.
23. Tetapkan , sehingga . Lalu pertanyaan 8 memberikan
dan rata-rata hitung–ukur membatasi setiap sukunya dari bawah:
Karena itu untuk setiap . Dengan ,
yang turun menuju saat (yakni barisan atas monoton klasik bagi ). Lalu mengambil infimumnya atas memberikan ketaksamaan Carleman berkonstanta .
24. Untuk , . Pengapitan Soal 11.1 memberikan , sehingga
sebab . Dengan membalikkannya, , lalu menjumlahkannya atas :
(sebab deret galatnya konvergen). Sebuah ketaksamaan Carleman berkonstanta akan memaksa , sehingga setelah dibagi . Barisan pengoptimalnya sejajar: sebab konstanta Hardy didekati oleh (pertanyaan 21), dan konstanta Carleman oleh — dalam setiap kasusnya barisan bertipe harmonik yang duduk tepat di luar ruang yang dirata-ratakan.
25. Untuk : pada dan untuk , sehingga dan nisbahnya , yakni sekitar batas tajamnya. Sedangkan untuk (dengan ): pada , sehingga pada rentang itu dan, untuk , . Lalu dengan mengkuadratkan dan mengintegralkannya,
sehingga ; lalu dibagi diperolehlah identitas yang dinyatakan itu. Di : , sehingga nisbahnya . Sedangkan cacatnya meluruh hanya secara logaritmik: sehingga untuk mencapai nisbah orang memerlukan , yakni . Jadi konstanta tajam adalah teorema, bukan percobaan.