Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам

В работе получена новая теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам фиксированного радиуса.

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2012
1. Verfasser: Зарайский, Д.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2012
Schriftenreihe:Труды Института прикладной математики и механики
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124114
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам / Д.А. Зарайский // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2012. — Т. 25. — С. 77-83. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-124114
record_format dspace
spelling irk-123456789-1241142017-09-21T03:02:59Z Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам Зарайский, Д.А. В работе получена новая теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам фиксированного радиуса. У роботi отримано нову теорему єдиностi для функцiй з нульовими iнтегралами по кулях фiксованого радiуса. A new uniqueness theorem for functions with zero integrals over balls of fixed radius is obtained. 2012 Article Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам / Д.А. Зарайский // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2012. — Т. 25. — С. 77-83. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1683-4720 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124114 517.5 ru Труды Института прикладной математики и механики Інститут прикладної математики і механіки НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description В работе получена новая теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам фиксированного радиуса.
format Article
author Зарайский, Д.А.
spellingShingle Зарайский, Д.А.
Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам
Труды Института прикладной математики и механики
author_facet Зарайский, Д.А.
author_sort Зарайский, Д.А.
title Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам
title_short Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам
title_full Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам
title_fullStr Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам
title_full_unstemmed Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам
title_sort теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
publishDate 2012
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124114
citation_txt Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам / Д.А. Зарайский // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2012. — Т. 25. — С. 77-83. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series Труды Института прикладной математики и механики
work_keys_str_mv AT zarajskijda teoremaedinstvennostidlâfunkcijsnulevymiintegralamipošaram
first_indexed 2025-07-09T00:51:46Z
last_indexed 2025-07-09T00:51:46Z
_version_ 1837128543256969216
fulltext ISSN 1683-4720 Труды ИПММ НАН Украины. 2012. Том 25 УДК 517.5 c©2012. Д.А. Зарайский ТЕОРЕМА ЕДИНСТВЕННОСТИ ДЛЯ ФУНКЦИЙ С НУЛЕВЫМИ ИНТЕГРАЛАМИ ПО ШАРАМ В работе получена новая теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам фиксированного радиуса. Ключевые слова: теоремы единственности. 1. Введение. Обозначим BR(x) и SR(x) – открытый шар и сферу радиуса R с центром в x в евклидовом пространстве Rn, BR = BR(0), SR = SR(0). При R > r > 0 пусть Vr(BR(x)) – класс всех распределений f ∈ D ′(BR(x)) таких, что f∗χBr = 0, χBr – индикатор шара Br (область определения свёртки f ∗ χBr – шар BR−r(x)). Тогда Vr(BR(x))∩L1 loc(BR(x)) – множество всех локально интегрируемых функций на BR(x), имеющих нулевой интеграл по замкнутым шарам радиуса r, целиком лежащим в BR(x). Теорема единственности Ф. Йона–Дж. Смита–В.B. Волчкова утверждает, что если f ∈ Vr(BR) и f = 0 на Br+ε, r < r + ε < R, то f = 0 на BR; кроме того, если f ∈ Vr(BR)∩C∞(BR), единственность имеет место и в предположении, что f = 0 на Br, причём условие гладкости отбросить в этом случае уже нельзя (см. [1, § 6], [2, гл. VI] – аналогичный вопрос для сферических средних в R3, и [3, § 14.2, § 14.3] для общего уравнения свёртки с радиальным распределением). Некоторые более точные результаты в этом направлении см. также в [1], [3] и [4]. Согласно «теореме о полусфере» для класса Vr, [3, § 14.2], также принадлежащей В.B. Волчкову, если f ∈ Vr(BR), R > r, гладко в окрестности замкнутой полусферы S+ r = {x ∈ Rn : |x| = r и x1 > 0}, и f = 0 на Br, то f = 0 на BR. В работе доказывается следующая теорема единственности, в частном случае U ⊃ S+ r дающая вышеприведённый результат. Теорема 1. Пусть R > r > 0 и f ∈ Vr(BR). Предположим, что f = 0 на Br, и ограничение f на U принадлежит C∞(U) для некоторого открытого множества U ⊂ BR такого, что U ∪ −U ⊃ Sr. Тогда f = 0 на всём BR. 2. Некоторые вспомогательные утверждения. Если U – открытое подмно- жество Rn, будем обозначать WF (f) ⊂ U × (Rn \ {0}) – волновой фронт распределе- ния f ∈ D ′(U), Σx(f) = {ξ : (x, ξ) ∈ WF (f)}, см. [5, гл. 8] по поводу определения и свойств волновых фронтов. В частности, [5, т. 8.2.14], для волнового фронта свёртки распределений f ∈ D ′(Rn) и g ∈ E ′(Rn) имеет место включение WF (f ∗ g) ⊂ {(x + y, ξ) : (x, ξ) ∈ WF (f), (y, ξ) ∈ WF (g)} . (1) 77 Д.А. Зарайский Для многообразий WF (f) является подмножеством кокасательного расслоения к U , для областей в Rn это выражено в поведении WF (f) относительно замены переменных. Если φ : U → V – субмерсия, U ⊂ Rn, V ⊂ Rm, то для f ∈ D ′(V) WF (f(φ(·))) = φ∗WF (f), (2) где f(φ(·)) понимается как обратный образ f относительно φ, а φ∗ в правой части равенства обозначает определённое φ отображение кокасательных расслоений, дей- ствующее в слое над φ(p) как линейное отображение, сопряжённое дифференциалу φ, т. е. φ∗(φ(p), η) = (p, (dφ)∗pη), см. [5, т. 8.2.4, т. 8.2.12]. Пусть dτ – нормированная условием ∫ O(n) dτ = 1 мера Хаара на ортогональной группе O(n). Для f ∈ D ′(BR), ψ ∈ C∞(O(n)), можно определить распределение g = ∫ O(n) f(τ−1x)ψ(τ) dτ (3) как прямой образ распределения ψ(τ)f(τ−1x) на многообразии O(n)×BR при проек- ции на второй множитель (f(τ−1x) определено корректно, т.к. отображение (τ, x) 7→ 7→ τ−1x является субмерсией). Более конкретным образом, при фиксированном ψ, если f ∈ L1 loc(BR), ϕ ∈ D(BR), то 〈g, ϕ〉 = ∫ O(n) ∫ BR f(x)ϕ(τx)ψ(τ) dx dτ = 〈 f, ∫ O(n) ϕ(τ ·)ψ(τ) dτ 〉 . (4) При f ∈ D ′(BR) правая часть (4) задаёт, очевидно, непрерывный линейный функ- ционал от ϕ ∈ D(BR). Отображение f 7→ g будет при этом непрерывным из D ′(BR) в D ′(BR) в ∗-слабой топологии. Далее будем понимать интеграл (3) в указанном смысле. Лемма 1. Волновой фронт распределения ∫ O(n) f(τ−1x)ψ(τ) dτ (5) содержится во множестве {(τx, τξ) : τ ∈ suppψ; (x, ξ) ∈ WF (f); x и ξ коллинеарны} . (6) Доказательство. Рассмотрим сначала случай, когда носитель функции ψ лежит в открытом множестве, диффеоморфном некоторой открытой области U евклидова пространства Rn(n−1)/2, и обозначим φ : U → φ(U) ⊂ O(n) соответствующий диф- феоморфизм. Мере Хаара dτ при отображении φ−1 соответствует мера w(y)dy, где w – некоторая гладкая функция на U . Определим функцию ψφ(y) = ψ(φ(y))w(y) (лежащую в D(U) ⊂ D(Rn(n−1)/2)). Имеем ∫ O(n) f(τ−1x)ψ(τ) dτ = ∫ Rn(n−1)/2 f ( φ(y)−1x ) ψφ(y) dy, (7) 78 Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам для f ∈ L1 loc(BR) п. в., а, значит, по непрерывности, и для f ∈ D ′(BR), где правая часть понимается как оператор с ядром f ( φ(y)−1x ) [5, § 5.2], применённый к ψφ(y). Итак, пусть (x0, ξ0) принадлежит волновому фронту распределения (5). Тогда по теореме 8.2.12 из [5] (x0, y0, ξ0, 0) ∈ WF ( f ( φ(y)−1x )) (8) для некоторого y0 ∈ suppψφ (т. е. такого, что φ(y0) ∈ suppψ). Таким образом, из (8) и (2) следует, что (ξ0, 0) ∈ Rn × Rn(n−1)/2 лежит в образе множества Σφ(y0)−1x0 (f) при отображении, сопряжённом к дифференциалу отображения (x, y) 7→ φ(y)−1x в точке (x0, y0). Значит для некоторого η0 ∈ Rn такого, что (φ(y0)−1x0, η0) ∈ WF (f), 〈u, ξ0〉 = 〈(u, v), (ξ0, 0)〉 = 〈 (u, v), ( d(φ(y)−1x) )∗ (x0,y0) η0 〉 = = 〈( d(φ(y)−1x) ) (x0,y0) · (u, v), η0 〉 , для всяких u ∈ Rn, v ∈ Rn(n−1)/2. Учитывая ортогональность матрицы φ(y) (обратной к матрице φ(y) будет её транспонированная φ(y)>) и билинейность операции умножения вектора на матри- цу, имеем ( d(φ(y)−1x) ) · (u, v) = (φ′(y) · v)>x + φ(y)−1u, u ∈ Rn, v ∈ Rn(n−1)/2. Поэтому при (u, v) ∈ Rn × Rn(n−1)/2: 〈( d(φ(y)−1x) ) (x0,y0) · (u, v), η0 〉 = 〈 (φ′(y0) · v)>x0, η0 〉 + 〈 φ(y0)−1u, η0 〉 = = 〈 x0, (φ′(y0) · v)η0 〉 + 〈u, φ(y0)η0〉 , и, значит, 〈u, ξ0〉 = 〈 x0, (φ′(y0) · v)η0 〉 + 〈u, φ(y0)η0〉 , для u ∈ Rn, v ∈ Rn(n−1)/2, откуда, в силу произвольности u и v, во-первых, ξ0 = φ(y0)η0, а во-вторых, 〈 x0, (φ′(y0) · v)φ(y0)−1ξ0 〉 = 0, для v ∈ Rn(n−1)/2. (9) Но отображение φy0(y) = φ(y)φ(y0)−1 является диффеоморфизмом окрестности y0 в Rn(n−1)/2 на некоторую окрестность единичного элемента I в O(n). Кроме того, φy0(y0) = I и φ′y0 (y0) · v = (φ′(y0) · v)φ(y0)−1. Поэтому когда v пробегает Rn(n−1)/2, (φ′(y0) · v)φ(y0)−1 пробегает всё множество so(n) кососимметрических матриц n×n. Если x0 и ξ0 не коллинеарны, то когда (φ′(y0) · v)φ(y0)−1 является генератором по- ворота в плоскости, порождённой x0 и ξ0, равенство (9) не может выполняться. Таким образом, x0 и ξ0 коллинеарны и, поскольку φ(y0) ∈ suppψ, (x0, ξ0) принад- лежит множеству (6) (можно положить τ = φ(y0), x = φ(y0)−1x0, ξ = η0, тогда (x, ξ) ∈ WF (f)). В общем случае с помощью разбиения единицы представим ψ в виде суммы ψ = N∑ j=1 ψj , suppψj ⊂ suppψ, 79 Д.А. Зарайский где все ψj охватываются уже рассмотренным случаем. Тогда WF (∫ O(n) f(τ−1x)ψ(τ) dτ ) ⊂ N⋃ j=1 WF (∫ O(n) f(τ−1x)ψj(τ) dτ ) , и правая часть, по доказанному, содержится во множестве (6). ¤ Пусть Hk = Hk(Sn−1) – пространство однородных гармонических полиномов в Rn степени k (см., например, [3]), рассматриваемое как подпространство L2(Sn−1, dσ), {Y (k) l (σ)}dk l=1 – некоторый ортонормированный базис в Hk. Будем обозначать (ρ, σ) – полярные координаты в Rn \ {0}, ρ(x) = |x|, σ(x) = x/|x|. Функции f ∈ L1 loc(BR) можно сопоставить ряд Фурье по сферическим гармоникам f(x) ∼ ∞∑ k=0 dk∑ l=1 fk,l(ρ)Y (k) l (σ). Отображение f 7→ fk,l(ρ)Y (k) l (σ) продолжается до ∗-слабо непрерывного отображе- ния f 7→ fk,l из D ′(BR) в D ′(BR), причём fk,l = dk ∫ O(n) f ( τ−1x ) tkl,l(τ) dτ, (10) для f ∈ L1 loc(BR) п. в., [3, § 9.1], а, значит, по непрерывности и для f ∈ D ′(BR), где tki,j(τ) – гладкие функции на O(n), определяемые по представлению группы O(n) в Hk, τY = Y (τ−1·), и базису {Y (k) l }dk l=1. Радиализация f , f \, определяется как f \ = f0,1 = ∫ O(n) f ( τ−1·) dτ. Лемма 2. Пусть f ∈ D ′(BR), 0 < r < R, и (x, cx) /∈ WF (f), для x ∈ Sr, c = ±1. (11) Тогда ограничение fk,l на некоторую открытую окрестность сферы Sr принад- лежит C∞. Доказательство. Если |x| = r, то, по лемме 1, в силу (10) и (11), (x, ξ) /∈ /∈ WF (fk,l), поэтому множество Σx(fk,l) = { ξ : (x, ξ) ∈ WF (fk,l) } пусто, т. е. fk,l является гладкой функцией в некоторой окрестности точки x. ¤ Следующая лемма является аналогом предложения 2.1 из [6] для шаровых сред- них и C∞-волновых фронтов (в [6] используется техника аналитических волновых фронтов). Лемма 3. Пусть f ∈ Vr(BR(x0)), 0 < r < R < ∞, и y0 ∈ Sr. Тогда, если (x0 − y0, cy0) /∈ WF (f), для c = ±1, (12) 80 Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам то (x0 + y0, cy0) /∈ WF (f), для c = ±1. (13) Доказательство. При b > a > 0 обозначим для краткости ϕa,b ∈ C∞(R) чётную функцию с носителем, содержащимся в (−b, b), и равную 1 в окрестности [−a, a]. Положим σ0 = y0/|y0|. Выберем срезающую функцию ψ ∈ C∞(Sn−1), равную единице в окрестности σ0 в Sn−1 с носителем, столь близким к {σ0}, что r suppψ ⊂ ⊂ B(R−r)/2(y0) и −σ0 /∈ suppψ. Имеется чётное распределение из H ∈ D ′(R) такое, что ( H(〈·, σ0〉) )\ = δ0, δ0 – дельта-функция Дирака. Явный вид H см. в [2], [7] (H – распределение из формулы обращения преобразова- ния Радона). Нам потребуется только то свойство H, что оно C∞-гладко вне начала координат. Пусть T (t) = ∫ Rn−1 χBr(y + ten) dy = π n−1 2 Γ ( n+1 2 )(r2 − t2) n−1 2 + . (14) Можно показать, см. [4], что T обладает фундаментальным решением E ∈ D ′(R), E∗T = δ0, с носителем, содержащимся в полупрямой [r,∞), и гладким в ограничении на множество R \ (r + 2rZ+). Для распределения h = ϕ2r,3r · ( (ϕr,2rH) ∗E ) , (15) ограничение h на R \ {r} принадлежит C∞, и h ∗ T = H на (−r, r), т.е. h ∗ T чётно на (−r, r), и ( (h ∗ T ) (〈·, σ0〉 ))\ = δ0 на Br. (16) Положим g(x) = ∫ O(n) h (〈 τ−1x, σ0 〉) ψ(τσ0) dτ. (17) Т.к. WF ( h(〈·, σ0〉) ) ⊂ {(x, cσ0) : 〈x, σ0〉 = r, c ∈ R}, то, по лемме 1, WF (g) ⊂ {(rσ, cσ) : σ ∈ suppψ, c ∈ R}. (18) Так как WF (χBr) ⊂ {(x, cx) : |x| = r, c ∈ R}, WF (g ∗ χBr) ⊂ {(x, cσ) : σ ∈ suppψ, c ∈ R; x = 0, или x = 2rσ}. (19) Мы хотим показать теперь, что (0,±σ0) /∈ WF (g ∗ χBr − 1 2δ0). (20) 81 Д.А. Зарайский Заметим сначала, что, поскольку отражение относительно начала координат ле- жит в центре O(n), для F ∈ L1 loc(R) имеем ∫ O(n) F (〈 τ−1x, σ0 〉) ψ(−τσ0) dτ = ∫ O(n) F (− 〈 τ−1x, σ0 〉) ψ(τσ0) dτ. Положим ψ1(σ) = 1− ψ(σ)− ψ(−σ), тогда выполнено равенство F (〈x, σ0〉 )\ = ∫ O(n) h (〈 τ−1x, σ0 〉) dτ = ∫ O(n) F (〈 τ−1x, σ0 〉) ψ1(τσ0) dτ+ + ∫ O(n) F (〈 τ−1x, σ0 〉) ψ(τσ0) dτ + ∫ O(n) F (− 〈 τ−1x, σ0 〉) ψ(τσ0) dτ. (21) По непрерывности, (21) имеет место для произвольного F ∈ D ′(R). Поскольку ±σ0 /∈ /∈ suppψ1 и WF ( F (〈·, σ0〉) ) ⊂ {(x, cσ0) : x ∈ Rn, c ∈ R}, то, по лемме 1, (x,±σ0) /∈ WF (∫ O(n) F (〈 τ−1x, σ0 〉) ψ1(τσ0) dτ ) , при x ∈ Rn. (22) Из определения T , (14), нетрудно видеть, что (g ∗ χBr)(x) = ∫ O(n) (h ∗ T ) (〈 τ−1x, σ0 〉) ψ(τσ0) dτ. Поэтому, полагая F = h ∗ T в равенстве (21), с учётом (22) и (16), получаем (20). В силу (18), g гладко вне множества r suppψ ⊂ B(R−r)/2(y0), поэтому для g0 = ϕ(R−r)/2, R−r (| · −y0|) g разность g− g0 лежит в C∞(Rn). Но тогда и g ∗χBr − g0 ∗χBr ∈ C∞(Rn), и, согласно (19), (20), если (x, cσ0) ∈ WF (g0 ∗ χBr − 1 2δ0), то x = 2y0. (23) Поскольку supp(g0 ∗ χBr − 1 2δ0) ⊂ BR(y0), то область определения свёртки f ∗ (g0 ∗ χBr − 1 2δ0) (24) содержит точку x0 + y0. Если (x0 + y0, cσ0) для c ∈ R лежит в волновом фронте свёртки (24), то, с учётом включения (1) и (23), получаем, что (x0−y0, c ′σ0) ∈ WF (f) для некоторого c′ ∈ R. Так как supp g0 ⊂ BR−r(y0), то в окрестности x0 + y0 имеем f ∗ (g0 ∗ χBr) = (f ∗ χBr) ∗ g0 = 0. Поэтому свёртка (24) в окрестности точки x0 + y0 совпадает с −1 2f . Таким образом, если выполнено (12), то (x0 + y0, cy0), c ∈ R, не принадлежит волновому фронту функции (24), а, значит, и WF (f), то есть выполнено (13). ¤ 82 Теорема единственности для функций с нулевыми интегралами по шарам 3. Доказательство основного результата.Итак, пусть f ∈ Vr(BR) удовлетво- ряет условиям теоремы 1. Для произвольного x ∈ Sr имеем: либо x ∈ U и f гладко в окрестности точки x, либо −x ∈ U и то же верно в окрестности точки −x. В послед- нем случае (−x,−x) /∈ WF (f) и (−x, x) /∈ WF (f), и, по лемме 3, (x,±x) /∈ WF (f). Таким образом, учитывая коничность WF (f) по второй переменной, если ξ = cx, в любом случае (x, ξ) не принадлежит волновому фронту f . Но это означает, что выполнены условия леммы 2. Поэтому fk,l гладко в Br+ε для некоторого ε > 0. Так как fk,l ∈ Vr(BR), то, применяя к fk,l теорему единственности Йона-Смита-Волчкова, см. [1, т. 2], [3, т. 14.2], получаем, что fk,l = 0 на Br+ε и, значит, на BR. Итак, мы показали, что в разложении f ∼ ∑∞ k=0 ∑dk l=1 fk,l в ряд Фурье по сферическим гармоникам все fk,l равны нулю на BR, откуда заключаем, что f = 0 тождественно, что и доказывает теорему. ¤ 1. Волчков В.В. Окончательный вариант локальной теоремы о двух радиусах // Математический сборник. – 1995. – Том 186. – № 6. – С. 15-34. 2. Йон Ф. Плоские волны и сферические средние в применении к дифференциальным уравнениям с частными производными. – М.: ИЛ, 1958. – 159 с. 3. Volchkov V.V., Volchkov Vit.V. Harmonic Analysis of Mean Periodic Functions on Symmetric Spaces and the Heisenberg Group. – London: Springer, 2009. – 672 p. 4. Зарайский Д.А. Уточнение теоремы единственности для решений уравнения свёртки // Труды ИПММ НАН Украины. – 2006. – Том 12. – С. 69-75. 5. Хёрмандер Л. Анализ линейных дифференциальных операторов с частными производными. – Том 1. – М.: Мир, 1986. – 464 с. 6. Quinto E.T. Pompeiu transforms on geodesic spheres in real analytic manifolds // Isr. J. Math. – 1993. – V. 84. – P. 353-363. 7. Гельфанд И.М., Граев М.И., Виленкин Н.Я. Обобщённые функции, вып. 5. Интегральная гео- метрия и связанные с ней вопросы теории представлений. – М.: Физматгиз, 1962. – 656 с. D.A. Zaraisky An uniqueness theorem for functions with zero integrals over balls. A new uniqueness theorem for functions with zero integrals over balls of fixed radius is obtained. Keywords: uniqueness theorems. Д.А. Зарайський Теорема єдиностi для функцiй з нульовими iнтегралами по кулях. У роботi отримано нову теорему єдиностi для функцiй з нульовими iнтегралами по кулях фiксо- ваного радiуса. Ключовi слова: теореми єдиностi. Ин-т прикл. математики и механики НАН Украины, Донецк d.zaraisky@gmail.com Получено 17.12.12 83