Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций

Отримано узагальнення теореми Карамати про асимптотичну поведiнку iнтегралiв зi змiнними границями для класу регулярно log-перiодичних функцiй.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автори: Булдыгин, В.В., Павленков, В.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Український математичний журнал 2012
Назва видання:Український математичний журнал
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/165399
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций / В.В. Булдыгин, В.В. Павленков // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 11. — С. 1443-1463. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-165399
record_format dspace
spelling irk-123456789-1653992020-02-14T01:25:52Z Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций Булдыгин, В.В. Павленков, В.В. Статті Отримано узагальнення теореми Карамати про асимптотичну поведiнку iнтегралiв зi змiнними границями для класу регулярно log-перiодичних функцiй. We generalize the Karamata theorem on the asymptotic behavior of integrals with variable limits to a class of regularly log-periodic functions. 2012 Article Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций / В.В. Булдыгин, В.В. Павленков // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 11. — С. 1443-1463. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1027-3190 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/165399 517.18 ru Український математичний журнал Український математичний журнал
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Статті
Статті
spellingShingle Статті
Статті
Булдыгин, В.В.
Павленков, В.В.
Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций
Український математичний журнал
description Отримано узагальнення теореми Карамати про асимптотичну поведiнку iнтегралiв зi змiнними границями для класу регулярно log-перiодичних функцiй.
format Article
author Булдыгин, В.В.
Павленков, В.В.
author_facet Булдыгин, В.В.
Павленков, В.В.
author_sort Булдыгин, В.В.
title Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций
title_short Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций
title_full Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций
title_fullStr Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций
title_full_unstemmed Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций
title_sort теорема караматы для регулярно log-периодических функций
publisher Український математичний журнал
publishDate 2012
topic_facet Статті
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/165399
citation_txt Теорема Караматы для регулярно log-периодических функций / В.В. Булдыгин, В.В. Павленков // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 11. — С. 1443-1463. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series Український математичний журнал
work_keys_str_mv AT buldyginvv teoremakaramatydlâregulârnologperiodičeskihfunkcij
AT pavlenkovvv teoremakaramatydlâregulârnologperiodičeskihfunkcij
first_indexed 2025-07-14T18:24:06Z
last_indexed 2025-07-14T18:24:06Z
_version_ 1837647734397468672
fulltext УДК 517.18 В. В. Булдыгин , В. В. Павленков (Нац. техн. ун-т Украины „КПИ”, Киев) ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ We generalize the Karamata theorem on the asymptotic behavior of integrals with variable limits to the class of regularly log-periodic functions. Отримано узагальнення теореми Карамати про асимптотичну поведiнку iнтегралiв зi змiнними границями для класу регулярно log-перiодичних функцiй. 1. Введение. В статьях [1, 2] Й. Карамата ввел понятие правильно меняющейся функции и доказал ряд фундаментальных теорем относительно этих функций. В частности, была установ- лена теорема об асимптотическом поведении интегралов от правильно меняющихся функций (см. также [3 – 5]). Эта теорема широко применяется в анализе и теории вероятностей [3, 4]. Ниже рассматривается обобщение теоремы Караматы на класс регулярно log-периодических функций. Пусть R — множество действительных чисел, R+ — множество неотрицательных чисел, Z — множество целых чисел и N — множество натуральных чисел. Для A > 0 рассмотрим семейство FM+(A) положительных и измеримых (по Лебегу) функций f = (f(x), x ≥ A) . Измеримую действительную функцию ϕ(x), x ≥ A, называют локально интегрируемой, если она интегрируема (по Лебегу) на любом отрезке [a, b] ⊂ [A,∞) . Выражения ϕ(x) ∼ x→∞ ψ(x), ϕ(x) ∼ ψ(x), x→∞, ϕ ∼ ψ означают, что lim x→∞ ϕ(x)/ψ(x) = 1. В этом случае говорят, что функции ϕ и ψ асимптотически эквивалентны. Напомним, что функцию f ∈ FM+(A) называют правильно меняющейся (RV) (на бесконеч- ности), если предел κf (λ) = lim x→∞ f(λx) f(x) существует и является положительным и конечным для всех λ > 0 (см. [1, 2] и [3, с. 1, 17]). Правильно меняющуюся функцию f называют медленно меняющейся (SV), если κf (λ) = 1 для всех λ > 0. Если f — RV-функция, то найдется ρ ∈ R такое, что κf (λ) = λρ, λ > 0. Число ρ называют индексом функции f. Индекс ρ = 0 имеют SV-функции и только они. Любая RV-функция f с индексом ρ имеет вид f(x) = xρ`(x), x ≥ A, где ` — SV-функция. Теорема Караматы содержит две части (прямую и обратную) для непрерывных RV-функций [1, 2] и для локально интегрируемых RV-функций [3, 4]. c© В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ, 2012 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1443 1444 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ Теорема Караматы (прямая часть). Пусть f — локально интегрируемая RV-функция с индексом ρ 6= −1. Тогда: 1) если ρ > −1, то xf(x)∫ x A f(t)dt → ρ+ 1, x→∞; (1) 2) если ρ < −1, то xf(x)∫ ∞ x f(t)dt → |ρ+ 1|, x→∞; (2) 3) если ρ = −1 и If (∞) =∞, где If (∞) = ∞∫ A f(t)dt, (3) то xf(x)∫ x A f(t)dt → 0, x→∞; (4) 4) если ρ = −1 и If (∞) <∞, то xf(x)∫ ∞ x f(t)dt → 0, x→∞. (5) Теорема Караматы (oбратная часть). Пусть f — локально интегрируемая функция из класса FM+(A). Тогда: 1) если найдется число γ ∈ (0,∞) такое, что xf(x)∫ x A f(t)dt → γ, x→∞, (6) то f — RV-функция с индексом ρ = γ − 1; 2) если If (∞) <∞ и найдется число γ ∈ (0,∞) такое, что xf(x)∫ ∞ x f(t)dt → γ, x→∞, (7) то f — RV-функция с индексом ρ = −γ − 1. Регулярно log-периодические функции. Целью статьи является обобщение теоремы Ка- раматы на регулярно log-периодические (RLP) функции, т. е. функции f ∈ FM+(A) вида f(x) = xρ`(x)H(lnx), x ≥ A, (8) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1445 где ρ ∈ R, ` = (`(x), x ≥ A) — SV-функция и H = (H(u), u ∈ R) — положительная непрерыв- ная периодическая функция. Регулярно log-периодические функции являются функциями с невырожденными группами регулярных точек, которые рассматривались в [6]. Обобщение теоремы Караматы на различные классы функций приведено в [7], обобщение теоремы Караматы на класс RLP при ρ > −1 — в [8]. Ниже рассматривается общий случай ρ ∈ R и тем самым дополняются результаты работ [7, 8]. Статья построена следующим образом. Пункт 2 содержит необходимые определения и предварительные сведения. В пункте 3 формулируются прямая и обратная части обобщения теоремы Караматы на класс регулярно log-периодических функций. Доказательства, в ходе которых используются и развиваются соответствующие методы работ [1, 2] и [3 – 5], приведены в пунктах 4 – 6. 2. Определения и предварительные сведения. Функции f из класса RLP являются по- ложительными и измеримыми, поскольку таковыми являются все сомножители в (8). Функ- цию r(x) = xρ`(x) будем называть регулярной (RV) компонентой функции f, а ее индекс ρ — индексом функции f. Функцию ` будем называть медленной (SV) компонентой функ- ции f. Периодическую функцию H будем называть периодической компонентой, а функцию H ◦ ln = (H(lnx), x > 0) — log-периодической компонентой функции f. Функция H явля- ется постоянной, т. е. существует такое c > 0, что H(x) ≡ c тогда и только тогда, когда f является RV-функцией. В этом случае функция H ◦ ln также является постоянной и ее можно присоединить в качестве сомножителя к `. В дальнейшем будем предполагать, если не оговорено противное, что H(0) = 1. (9) Условие (9) не суживает класс RLP, так как f из RLP можно представить в виде f(x) = = xρ`0(x)H0(lnx), где H0(u) = H(u)/H(0) и `0(x) = H(0)`(x). Ясно, что H0(0) = 1 и `0 — SV-функция. Представление (8) будем называть каноническим, если периодическая компонента в нем является канонической, т. е. выполнено условие (9). Если U = (U(x), x ∈ R) — периодическая функция, то через Sp(U) обозначим множество периодов функции U, а через S+ p (U) — множество положительных периодов функции U. Ве- личину T (u) = inf S+ p (U) будем называть осцилляционной характеристикой функции U. Если функция U непрерывная и периодическая, то либо T (U) = 0 и в этом случае функция U явля- ется постоянной, либо T (U) > 0 и в этом случае T (U) является наименьшим положительным периодом функции U и Sp(U) = {nT (U), n ∈ Z} . Осцилляционную характеристику T (H) периодической компоненты функции f будем также называть осцилляционной характеристикой функции f. Класс функций f ∈ RLP с положи- тельной осцилляционной характеристикой обозначим RLP+ и заметим, что функции из класса RLP+ не являются RV-функциями, а являются функциями с невырожденной группой регуляр- ных точек (см. [6]). Именно функциям из класса RLP+ полностью соответствует название „регулярно log-периодические функции”. Класс функций RLP0 = RLP\RLP+ состоит из функций (8), для которых функции H являются постоянными. Таким образом, класс RLP0 совпадает с классом RV-функций. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1446 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ Если функция f принадлежит классу RLP и имеет индекс ρ > −1, то ∞∫ A f(x)dx =∞; (10) если же ρ < −1, то ∞∫ A f(x)dx <∞. (11) Действительно, если ρ > −1, то ∞∫ A f(x)dx = ∞∫ A xρ`(x)H(lnx)dx ≥ κ ∞∫ A xρ`(x)dx =∞, где κ = infx∈RH(x) > 0. Аналогично доказывается соотношение (11). При анализе свойств регулярно log-периодических функций будем использовать следую- щую лемму, доказательство которой непосредственно вытекает из теоремы Кронекера (см., например, [9, c. 376] или [10, c. 58]). Лемма 1. Пусть P1 и P2 — две положительные непрерывные периодические функции. Если P1 ∼ P2, то P1 = P2. 3. Обобщение теоремы Караматы об асимптотическом поведении интегралов на класс регулярно log-периодических функций. Ниже приводятся формулировки двух частей (прямой и обратной) теоремы, обобщающей теорему Караматы на функции из класса RLP. Доказатель- ствам посвящены следующие пункты статьи. Начнем с формулировки прямой части теоремы при ρ 6= −1. Теорема 1 (прямая часть). Пусть локально интегрируемая функция f из класса RLP имеет индекс ρ 6= −1, периодическую компоненту H и осцилляционную характеристику T (H) = T. Тогда найдется такая положительная непрерывная периодическая функция D = = (D(x), x ∈ R), зависящая от ρ и H, что x∫ A f(t)dt ∼ x→∞ xD(lnx)f(x), (12) если ρ > −1, и ∞∫ x f(t)dt ∼ x→∞ xD(lnx)f(x), (13) если ρ < −1. При этом справедливы следующие утверждения: 1) если f является RV-функцией (т. е. T = 0, H(x) ≡ 1), то D(x) = DH,ρ(x) ≡ 1 |ρ+ 1| ; (14) 2) если f ∈ RLP+ (т. е. T > 0) и ρ > −1, то ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1447 D(x) = DH, ρ(x) = ∫ T{x/T} 0 e(ρ+1)yH(y)dy + C H(x) exp (T (ρ+ 1){x/T}) , x ≥ 0, (15) где {x/T} — дробная часть числа x/T и C = C(H, ρ) = ∫ T 0 e(ρ+1)yH(y)dy eT (ρ+1) − 1 ; 3) если f ∈ RLP+ (т. е. T > 0) и ρ < −1, то D(x) = DH, ρ(x) = ∫ T T{x/T} e(ρ+1)yH(y)dy + C H(x) exp (T (ρ+ 1){x/T}) , x ≥ 0, (16) где C = C(H, ρ) = ∫ T 0 e(ρ+1)yH(y)dy eT |ρ+1| − 1 ; 4) имеют место равенства T (DH) = T (D) = T (H), где T (DH) — осцилляционная характеристика положительной непрерывной периодической функции DH = (D(x)H(x), x ∈ R). Прямая часть, случай ρ = −1. Расширение теоремы 1 на функции из класса RLP, име- ющие индекс ρ = −1, вытекает из следующего утверждения, в котором рассматривается класс функций, более широкий чем RLP. Пусть RLB — класс регулярно log-ограниченных функций вида f(x) = xρ`(x)V (lnx), x ≥ A, (17) где ρ ∈ R, ` = (`(x), x ≥ A) — SV-функция и V = (V (x), x ∈ R) — положительная измеримая функция, удовлетворяющая условию k = inf x∈R V (x) > 0 и K = sup x∈R V (x) <∞. (18) Ясно, что RLP ⊂ RLB и RLB\RLP 6= ∅. Утверждение 1. Пусть локально интегрируемая функция f из класса RLB имеет индекс ρ = −1. Тогда: 1) если If (∞) =∞ (см. (3)), то lim x→∞ xf(x)∫ x A f(t)dt = 0; (19) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1448 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ 2) если If (∞) <∞, то lim x→∞ xf(x)∫ ∞ x f(t)dt = 0. (20) Доказательство. Прежде всего переформулируем соответствующую часть теоремы Кара- маты для RV-функций в удобном для нас виде. Напомним, что любая RV-функция с индексом ρ = −1 имеет вид `(t)/t, t ≥ A, где ` — SV-функция. Поэтому если ` — локально интегрируемая SV-функция, то по теореме Караматы (см. (4), (5)) lim x→∞ `(x)∫ x A (`(t)/t)dt = 0 (21) при ∫ ∞ A (`(t)/t)dt =∞ и lim x→∞ `(x)∫ ∞ x (`(t)/t)dt = 0 (22) при ∫ ∞ A (`(t)/t)dt <∞. Поскольку f принадлежит классу RLB и имеет индекс ρ = −1, учитывая (17), видим, что f(x) = `(x)V (lnx)/x, x ≥ A, где V — положительная измеримая функция, удовлетворяющяя условию (18). Следовательно, k ∞∫ A (`(t)/t)dt ≤ ∞∫ A f(t)dt ≤ K ∞∫ A (`(t)/t)dt и для любого x > A 0 ≤ xf(x)∫ x A f(t)dt ≤ K`(x) k ∫ x A (`(t)/t)dt , а также xf(x)∫ ∞ x f(t)dt ≤ K`(x) k ∫ ∞ x (`(t)/t)dt . Теперь ясно, что утверждения 1 и 2 вытекают из соотношений (21) и (22). Перейдем к обобщению обратной части теоремы Караматы (см. (6), (7)) на функции из класса RLP. Будем рассматривать только случай ρ 6= −1, так как утверждение 1 показывает, что при ρ = −1 соотношения (19) и (20) имеют место для класса функций RLB, более широкого чем RLP. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1449 Теорема 2 (oбратная часть). Пусть для локально интегрируемой функции f ∈ FM+(A) найдется положительная непрерывная периодическая функция (B(x), x ∈ R) такая, что либо x∫ A f(t)dt ∼ x→∞ xB(lnx)f(x), (23) либо ∞∫ A f(t)dt <∞ и ∞∫ x f(t)dt ∼ x→∞ xB(lnx)f(x). (24) Тогда f является функцией из класса RLP с периодической компонентойH и индексом ρ > −1, если имеет место (23), и ρ < −1, если имеет место (24). При этом справедливы следующие утверждения: 1) если T (B) = 0, т. е. B(x) ≡ β > 0, то |ρ+ 1| = 1 β (25) и H(x) ≡ 1, т. е. f является RV-функцией с индексом ρ; 2) если T (B) > 0, то f принадлежит классу RLP+, |ρ+ 1| = ( 1 B ) av (26) и H(x) = B(0) B(x) exp ± x∫ 0 ( 1 B(t) − ( 1 B ) av ) dt , x ≥ 0, (27) где ( 1 B ) av = 1 T (B) T (B)∫ 0 du B(u) (28) и в (27) стоит знак +, если ρ+ 1 > 0, и знак −, если ρ+ 1 < 0; 3) имеют место равенства T (BH) = T (H) = T (B), где T (BH) — осцилляционная характеристика положительной непрерывной периодической функции BH = (B(x)H(x), x ∈ R). Замечание 1. Из условия (23) вытекает неравенство lim infx→∞ xf(x) > 0, в силу кото- рого ∫ ∞ A f(t)dt =∞. Поэтому последнее равенство опущено в условии (23). Замечание 2. Соотношения (12), (13) и (23), (24) однозначно определяют функции D и B соответственно. Например, если (12) выполняется для двух положительных непрерывных периодических функцийD1 иD2, тоD1 ∼ D2, откуда, согласно лемме 1, следует, чтоD1 = D2. Таким образом, в теоремах 1 и 2 D = B и вместе с этим все соотношения, установленные для функции B, выполняются для функции D, и наоборот. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1450 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ Замечание 3. Если в (15) и (16) устремить число T к 0, а функциюH поточечно устремить к функции, тождественно равной 1, то по теореме Лебега о мажорируемой сходимости DH,ρ(x)→ 1 ρ+ 1 , т. е. (14) „согласовано” с (15) и (16). Аналогично „согласованы” (25) и (26). Замечание 4. Если f — локально интегрируемая регулярно log-периодическая функция( f(x) = xρ`(x)H(lnx) ) и ρ > −1, то согласно теореме 1 x∫ A f(t)dt = xD(lnx)f(x)`1(x) = xρ+1`(x)`1(x)D(lnx)H(lnx) = xρ+1`2(x)DH(lnx), где `1 и `2 = ``1 — SV-функции, DH — положительная непрерывная периодическая функция и T (DH) = T (H). Ясно, что функция ∫ x A f(t)dt, x ≥ A, является непрерывной. Следова- тельно, отображение f(·) 7→ ∫ (·) A f(t)dt переводит локально интегрируемую регулярно log- периодическую функцию с индексом ρ > −1 в непрерывную регулярно log-периодическую функцию, при этом осцилляционная характеристика не изменяется. Теорема 1 показывает так- же, что аналогичные свойства присущи регулярно log-периодическим функциям с индексом ρ < −1, если рассматривать отображение f(·) 7→ ∫ ∞ (·) f(t)dt. 4. Лемма об асимптотическом поведении интегралов от регулярно log-периодических функций. Изучение асимптотического поведения интегралов с переменными пределами инте- грирования начнем с утверждения (см. лемму 2), которое показывает, что при интегрировании регулярно log-периодической функции с индексом ρ 6= −1 ее медленную компоненту можно выносить „в асимптотическом смысле” из-под знака интеграла. Схема доказательства этого утверждения подобна схеме доказательства прямой части теоремы Караматы для RV-функций (см. [3, c. 26]). Для сокращения записи положим Hl(x) = H(lnx). Лемма 2. Пусть f ∈ RLP — локально интегрируемая функция с индексом ρ 6= −1, SV-компонентой ` и периодической компонентой H. Тогда если ρ > −1, то x∫ A f(t)dt ∼ x→∞ `(x) x∫ A tρHl(t)dt, (29) а если ρ < −1, то ∞∫ x f(t)dt ∼ x→∞ `(x) ∞∫ x tρHl(t)dt. (30) Доказательство. Предположим, что ρ > −1, и докажем (29). Положим J(x) = 1∫ A/x yρ ( `(xy) `(x) − 1 ) Hl(xy)dy, x ≥ A, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1451 и для ε ∈ (0, 1) Jε(x) = 1∫ ε yρ ( `(xy) `(x) − 1 ) Hl(xy)dy, x ≥ (A/ε). Поскольку K = supx∈RH(x) ρ+ 1 <∞ и ρ > −1, из теоремы о равномерной сходимости для SV-функций (см., например, [3, c. 22]) следует, что для любого ε ∈ (0, 1) lim x→∞ Jε(x) = 0. (31) В результате простых вычислений получаем, что для любых ε ∈ (0, 1) и x ≥ (A/ε) |J(x)− Jε(x)| ≤ ε∫ A/x yρ ∣∣∣∣`(xy) `(x) − 1 ∣∣∣∣Hl(xy)dy ≤ K ερ+1 + (ρ+ 1) ε∫ A/x yρ `(xy) `(x) dy . Если выбрать δ ∈ (0, ρ+1), то по теореме Поттера (см., например, [3, c. 25]) найдется такое x(δ) > 0, что при x ≥ max {x(δ), (A/ε)} ε∫ A/x yρ `(xy) `(x) dy ≤ 2 ε∫ A/x yρ−δdy ≤ 2ερ+1−δ ρ+ 1− δ . Таким образом, для любого ε ∈ (0, 1) lim sup x→∞ |J(x)− Jε(x)| ≤ K ( ερ+1 + 2(ρ+ 1)ερ+1−δ ρ+ 1− δ ) . Поскольку ρ+ 1− δ > 0, отсюда следует, что lim sup ε→0 lim sup x→∞ |J(x)− Jε(x)| = 0. (32) Соотношения (31) и (32) показывают, что lim x→∞ J(x) = 0. Кроме того, lim inf x→∞ 1∫ A/x yρHl(xy)dy > 0. Поэтому 1∫ A/x yρ`(xy)Hl(xy)dy ∼ x→∞ `(x) 1∫ A/x yρHl(xy)dy. (33) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1452 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ Поскольку при x ≥ A x∫ A f(t)dt = x∫ A tρ`(t)Hl(t)dt = xρ+1 1∫ A/x yρ`(xy)Hl(xy)dy и xρ+1`(x) 1∫ A/x yρHl(xy)dy = `(x) x∫ A tρHl(t)dt, из (33) следует (29). Теперь предположим, что ρ < −1, и докажем (30). Поскольку ρ < −1, интегралы в (30) являются сходящимися (см. (11)). Для a ∈ [1,∞) положим Ja,∞(x) = ∞∫ a yρ ( `(xy) `(x) − 1 ) Hl(xy)dy, x ≥ A, и J1,a(x) = a∫ 1 yρ ( `(xy) `(x) − 1 ) Hl(xy)dy, x ≥ A. Из теоремы о равномерной сходимости для SV-функций (см., например, [3, c. 22]) следует, что для любого a ∈ [1,∞) lim x→∞ J1,a(x) = 0. (34) Кроме того, поскольку ρ < −1, из теореми Поттера (см., например, [3, c. 25]) вытекает, что lim sup a→∞ lim sup x→∞ |Ja,∞(x)| = 0. (35) Из соотношений (34) и (35) следует, что lim x→∞ J1,∞(x) = 0. Кроме того, lim inf x→∞ ∞∫ 1 yρHl(xy)dy > 0. Поэтому ∞∫ 1 yρ`(xy)Hl(xy)dy ∼ x→∞ `(x) ∞∫ 1 yρHl(xy)dy. (36) Поскольку при x ≥ A ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1453 ∞∫ x f(t)dt = ∞∫ x tρ`(t)Hl(t)dt = xρ+1 ∞∫ 1 yρ`(xy)Hl(xy)dy и xρ+1`(x) ∞∫ 1 yρHl(xy)dy = `(x) ∞∫ x tρHl(t)dt, из (36) следует (30). Лемма 2 доказана. Замечание 5. Соотношение (29) имеет место при условии ρ > −1, согласно которому∫ ∞ A f(t)dt =∞ (см. (10)). Поэтому соотношение (29) равносильно тому, что x∫ x1 f(t)dt ∼ x→∞ `(x) x∫ x2 tρHl(t)dt для каких-нибудь (для всех) x1 ≥ A и x2 > 0. Замечание 6. Из леммы 2 при H(u) ≡ 1 (см. (9)) следует прямая теорема Караматы для RV-функций с индексом ρ 6= −1. Замечание 7. Лемма 2 остается в силе, если в качестве функций f рассматривать регу- лярно log-ограниченные функции (см. (17)). 5. Начало доказательства теоремы 1. При доказательстве теоремы 1 для функций из класса RLP прежде всего нужно доказать эту теорему для функций из класса RLP+. Следу- ющая лемма является первым шагом доказательства теоремы 1 (полное доказательство см. в пункте 6). Лемма 3. Пусть f ∈ RLP+ — локально интегрируемая функция с индексом ρ 6= −1, периодической компонентойH и осцилляционной характеристикой T (H) = T. Тогда найдется такая положительная непрерывная периодическая функция D = (D(x), x ∈ R), зависящая от ρ и H, что справедливы следующие утверждения: 1) если ρ > −1, то x∫ A f(t)dt ∼ x→∞ xD(lnx)f(x), (37) где D(x) = DH, ρ(x) = ∫ T{x/T} 0 e(ρ+1)yH(y)dy + C H(x) exp (T (ρ+ 1){x/T}) , x ≥ 0, C = C(H, ρ) = ∫ T 0 e(ρ+1)yH(y)dy eT (ρ+1) − 1 и {x/T} — дробная часть числа x/T ; ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1454 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ 2) если ρ < −1, то ∞∫ x f(t)dt ∼ x→∞ xD(lnx)f(x), (38) где D(x) = DH, ρ(x) = ∫ T T{x/T} e(ρ+1)yH(y)dy + C H(x) exp (T (ρ+ 1){x/T}) , x ≥ 0, C = C(H, ρ) = ∫ T 0 e(ρ+1)yH(y)dy eT |ρ+1| − 1 ; 3) выполняется неравенство T (D) ≤ T (H), (39) где T (D)— осцилляционная характеристика функции D. Доказательство. Пусть ρ > −1. Докажем соотношение (37). Из соотношения (29) следует, что x∫ A f(t)dt ∼ x→∞ `(x)U1(x), (40) где ` — SV-компонента функции f (см. (8)) и U1(x) = x∫ 1 tρH(ln t)dt, x ≥ 1. Ясно, что U1(x) = lnx∫ 0 e(ρ+1)uH(u)du = V (lnx), где V (x) = x∫ 0 e(ρ+1)uH(u)du = [x/T ]−1∑ k=0 (k+1)T∫ kT e(ρ+1)uH(u)du+R(x), R(x) = x∫ T [x/T ] e(ρ+1)uH(u)du и [x/T ] — целая часть числа x/T. Поскольку H — периодическая функция с периодом T, то ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1455 (k+1)T∫ kT e(ρ+1)uH(u)du = T∫ 0 e(ρ+1)(y+kT )H(y)dy = ekT (ρ+1) T∫ 0 e(ρ+1)yH(y)dy для любого k ∈ N. Поэтому V (x) = C ( eT (ρ+1)[x/T ] − 1 ) +R(x), где C = ∫ T 0 e(ρ+1)yH(y)dy eT (ρ+1) − 1 > 0. Кроме того, R(x) = x∫ T [x/T ]) e(ρ+1)uH(u)du = eT (ρ+1)[x/T ] T{x/T}∫ 0 e(ρ+1)uH(u)du. После простых преобразований получаем равенство U1(x) = xρ+1Θ(lnx)− C, x ≥ 1, (41) где Θ(x) = ∫ T{x/T} 0 e(ρ+1)yH(y)dy + C exp (T (ρ+ 1){x/T}) , x ≥ 0. При x ≥ 0 функция Θ является положительной и периодической с периодом T. Непосред- ственно проверяется, что эта функция непрерывна. Через Θ̃ = ( Θ̃(x), x ∈ R ) обозначим непрерывное периодическое продолжение функции Θ на R. Поскольку ρ > −1, из (41) вытекает, что limx→∞ U1(x) =∞, и поэтому U1(x) ∼ x→∞ xρ+1Θ̃(lnx). Теперь, учитывая (40), видим, что выполняется (37), если положить D(x) = Θ̃(x) H(x) . Остается заметить, что функция (D(x), x ∈ R) является положительной непрерывной перио- дической функцией с периодом T, откуда вытекает неравенство (39). Таким образом, первое утверждение и часть третьего утверждения леммы доказаны. Пусть теперь ρ > −1. Докажем соотношение (38). Из соотношения (30) следует, что ∞∫ x f(t)dt ∼ x→∞ `(x)U(x), (42) где ` — SV-компонента функции f (см. (8)) и ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1456 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ U(x) = ∞∫ x tρH(ln t)dt, x ≥ A. Ясно, что U(x) = V (lnx), где V (x) = ∞∫ x e(ρ+1)uH(u)du = ∞∑ k=1+[x/T ] (k+1)T∫ kT e(ρ+1)uH(u)du+R(x) и R(x) = T (1+[x/T ])∫ x e(ρ+1)uH(u)du. Поскольку H — периодическая функция с периодом T, то (k+1)T∫ kT e(ρ+1)uH(u)du = T∫ 0 e(ρ+1)(y+kT )H(y)dy = ekT (ρ+1) T∫ 0 e(ρ+1)yH(y)dy для любого k ∈ N. Поэтому V (x) = CeT (ρ+1)[x/T ] +R(x), где C = eT (ρ+1) ∫ T 0 e(ρ+1)yH(y)dy 1− eT (ρ+1) = ∫ T 0 e(ρ+1)yH(y)dy eT |ρ+1| − 1 > 0. После простых преобразований получаем равенство U(x) = xρ+1Θ(lnx), x ≥ 1, (43) где Θ(x) = ∫ T T{x/T} e(ρ+1)yH(y)dy + C exp (T (ρ+ 1){x/T}) , x ≥ 0. При x ≥ 0 функция Θ является положительной и периодической с периодом T. Непосредствен- но проверяется, что эта функция непрерывна. Через Θ̃ = ( Θ̃(x), x ∈ R ) обозначим непрерыв- ное периодическое продолжение функции Θ на R. Теперь, учитывая (42) и (43), видим, что выполняется (38), если положить D(x) = Θ̃(x) H(x) . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1457 Остается заметить, что функция (D(x), x ∈ R) является положительной непрерывной перио- дической функцией с периодом T, откуда следует неравенство (39). Таким образом, второе и третье утверждения леммы доказаны. 6. Доказательства теорем 2 и 1. В этом пункте доказывается теорема 3, из которой сле- дует теорема 2. В ходе доказательства теоремы 3 используется лемма 3, являющаяся предва- рительным вариантом теоремы 1. Полное доказательство теоремы 1 опирается на теорему 2 и завершает этот пункт. Теорема 3. Пусть для локально интегрируемой функции f ∈ FM+(A) найдутся число γ ∈ (0,∞) и положительная непрерывная периодическая функция (Γ(x), x ∈ R) , Γ(0) = 1, с осцилляционной характеристикой T (Γ) = T такие, что x∫ A f(t)dt ∼ x→∞ xΓ(lnx)f(x) γ , (44) или ∞∫ A f(t)dt <∞ и ∞∫ x f(t)dt ∼ x→∞ xΓ(lnx)f(x) γ . (45) Тогда f является функцией из класса RLP с периодической компонентойH, причем ρ > −1, если выполняется (44), и ρ < −1, если выполняется (45). При этом имеют место следующие утверждения: 1) T (ΓH) = T (H) = T (Γ) = T, (46) где T (H) — осцилляционная характеристика функции H и T (ΓH) — осцилляционная характе- ристика функции ΓH = (Γ(x)H(x), x ∈ R) ; 2) T = 0 тогда и только тогда, когда H(x) ≡ 1 и |ρ+ 1| = γ, т. е. когда f является RV-функцией с индексом ρ; 3) T > 0 тогда и только тогда, когда f ∈ RLP+; в этом случае |ρ+ 1| = γ(Γ−1)av и H(x) = 1 Γ(x) exp ±γ x∫ 0 ( 1 Γ(t) − (Γ−1)av ) dt , x ≥ 0, (47) где (Γ−1)av = 1 T T∫ 0 du Γ(u) и в (47) стоит знак +, если ρ+ 1 > 0, и знак −, если ρ+ 1 < 0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1458 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ Доказательство разобьем на две части в соответствии с тем какое из соотношений (44) или (45) предполагается выполненным. Пусть выполняется соотношение (44). Положим b(x) = xf(x)Γ(lnx)∫ x A f(t)dt , x > A, (48) и заметим, что согласно (44) lim x→∞ b(x) = γ. (49) Из (48) следует равенство b(x) xΓ(lnx) = f(x)∫ x A f(t)dt , интегрируя обе части которого, видим, что x∫ A+1 b(t)dt tΓ(ln t) = ln  x∫ A f(t)dt − ln  A+1∫ A f(t)dt  для всех x ≥ A+ 1. Следовательно, x∫ A f(t)dt = a exp  x∫ A+1 b(t)dt tΓ(ln t) , x ≥ A+ 1, где a = ∫ A+1 A f(t)dt. Отсюда и из (48) вытекает равенство f(x) = ab(x) xΓ(lnx) exp  x∫ A+1 b(t)dt tΓ(ln t)  , которое позволяет при x ≥ A+ 1 представить функцию f в виде f(x) = ab(x)c(x) xΓ(lnx) exp γ x∫ A+1 dt tΓ(ln t) , где c(x) = exp  x∫ A+1 b(t)− γ tΓ(ln t) dt . Заметим, что в силу (49) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1459 lim t→∞ b(t)− γ Γ(ln t) = 0. Отсюда, согласно теореме об интегральном представлении SV-функций (см., например, [3, c. 12] или [5, c. 10]), следует, что функция (c(x), x ≥ A+ 1) является SV-функцией. Функция `1(x) = = ab(x)c(x) также является SV-функцией, как произведение SV-функций. Кроме того, при x ≥ A+ 1 x∫ A+1 dt tΓ(ln t) = lnx∫ x0 du Γ(u) = lnx∫ 0 du Γ(u) − x0∫ 0 du Γ(u) , где x0 = ln (A+ 1). Поэтому f(x) = `(x) xΓ(lnx) M(lnx), x ≥ A+ 1, (50) где M(x) = exp γ x∫ 0 dt Γ(t) , x ≥ 0, и ` — SV-функция такая, что `(x) = `1(x) exp −γ x0∫ 0 dt Γ(t) , x ≥ A+ 1. Теперь определим число (Γ−1)av и положительную непрерывную периодическую функцию h̃ = ( h̃(x), x ∈ R ) . Пусть (Γ−1)av = 1 Γ(0) = 1, (51) если T = 0, т. е. если функция Γ является постоянной, и (Γ−1)av = 1 T T∫ 0 dt Γ(t) , (52) если T > 0. Кроме того, пусть h̃(x) ≡ 0, если T = 0, и h̃(x) = x∫ 0 ( 1 Γ(t) − (Γ−1)av ) dt, x ≥ 0, если T > 0. Заметим, что число T является периодом функции h̃. Используя введенные вели- чины, видим, что x∫ 0 dt Γ(t) = x(Γ−1)av + x∫ 0 ( 1 Γ(t) − (Γ−1)av ) dt = x(Γ−1)av + h̃(x), x ≥ 0, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1460 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ откуда M(x) = exp ( xγ(Γ−1)av + γh̃(x) ) , x ≥ 0. Это равенство и (50) показывают, что функцию f можно представить в виде f(x) = xρ`(x)H(lnx), x ≥ A+ 1, (53) где ρ = γ(Γ−1)av − 1, H(x) = exp(h(x)), x ∈ R, и h(x) = γh̃(x)− ln Γ(x), x ∈ R. (54) Поскольку H является положительной непрерывной периодической функцией с периодом T и H(0) = 1, равенство (53) позволяет заключить, что f ∈ RLP и имеет индекс ρ = γ(Γ−1)av − 1 > −1. (55) Если T = 0, то Γ(x) ≡ 1. Отсюда следует, что H(x) ≡ 1, т. е. f является RV-функцией с индексом ρ = γ − 1. Теперь предположим, что H(x) ≡ 1. Тогда из (54) вытекает, что поло- жительная непрерывная периодическая функция Γ является непрерывно дифференцируемым решением дифференциального уравнения первого порядка с постоянными коэффициентами dΓ(x) dx = γ(Γ−1)avΓ(x)− γ, x ∈ R, и начальным условием Γ(0) = 1. Это возможно тогда и только тогда, когда Γ(x) ≡ 1, т. е. T = 0. Таким образом, показано, что равенство T = 0 возможно тогда и только тогда, когда f является RV-функцией с индексом ρ = γ − 1. Этим самым доказано второе утверждение теоремы 3. Соответственно, неравенство T > 0 возможно лишь в случае, когда функция H является положительной непрерывной периодической функцией с периодом T. Поэтому 0 < T (H) ≤ T. (56) Отсюда и из соотношений (53) – (55) вытекает третье утверждение теоремы 3. Для завершения первой части доказательства осталось доказать соотношение (46). Пусть f является RV-функцией. Тогда H(x) = Γ(x) = Γ(x)H(x) ≡ 1, откуда следует, что T (ΓH) = = T (H) = T (Γ) = 0. Пусть теперь f ∈ RLP+. Поскольку H — периодическая компонента функции f, согласно неравенству (55) и лемме 3 найдется положительная непрерывная перио- дическая функция D, для которой выполняются соотношение (37) и неравенство T (D) ≤ T (H). (57) Согласно (44) для функции D1 = γ−1Γ также выполняется соотношение (37). Отсюда следует, что положительные непрерывные периодические функцииD иD1 асимптотически эквивалент- ны. Согласно лемме 1 они совпадают, поэтому ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1461 T (D) = T (D1) = T. Отсюда, учитывая (56) и (57), получаем равенство T (H) = T. (58) Теперь рассмотрим функцию ΓH = ( Γ(x)H(x), x ∈ R ) . Из (54) вытекает, что Γ(x)H(x) = exp γ x∫ 0 ( 1 Γ(t) − (Γ−1)av ) dt , x ≥ 0. Поскольку правая часть этого равенства является периодической функцией с периодом T > 0, функция ΓH имеет период, равный T. Покажем, что меньшего положительного периода у функции ΓH нет. Для этого достаточно показать, что нет меньшего положительного периода у функции Ψ(x) = ln(Γ(x)H(x)) = x∫ 0 ( 1 Γ(t) − (Γ−1)av ) dt, x ≥ 0. Допустим противное, т. е. пусть существует число τ ∈ (0, T ) такое, что Ψ(x+ τ) = Ψ(x) для всех x > 0. Функция Γ является положительной и непрерывной, поэтому из последнего равенства следует, что Γ(x+ τ) = ( dΨ(x+ τ) dx )−1 = ( dΨ(x) dx )−1 = Γ(x) для всех x > 0. В результате получили противоречие с тем, что T является наименьшим положительным периодом функции Γ. Следовательно, T (ΓH) = T, что вместе с (58) доказы- вает (46). Таким образом, теорема 3 доказана при выполнении соотношения (44). Переходя ко второй части доказательства теоремы 3, предполагаем, что выполняется соотношение (45). Положим b(x) = xf(x)Γ(lnx)∫ ∞ x f(t)dt , x ≥ A, (59) и заметим, что согласно соотношению (45) lim x→∞ b(x) = γ. (60) Из (59) вытекает равенство b(x) xΓ(lnx) = f(x)∫ ∞ x f(t)dt , интегрируя обе части которого, получаем ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1462 В. В. БУЛДЫГИН , В. В. ПАВЛЕНКОВ x∫ A b(t)dt tΓ(ln t) = − ln  ∞∫ x f(t)dt + ln (If (∞)) , x ≥ A. Следовательно, ∞∫ x f(t)dt = If (∞) exp − x∫ A b(t)dt tΓ(ln t) , x ≥ A. Это равенство и (59) позволяют представить функцию f в виде f(x) = If (∞)b(x) xΓ(lnx) exp  x∫ A γ − b(t) tΓ(ln t) dt  exp −γ x∫ A dt tΓ(ln t) . При x ≥ A положим `1(x) = If (∞)b(x)c(x), где c(x) = exp  x∫ A γ − b(t) tΓ(ln t) dt . В силу (60) lim t→∞ γ − b(t) Γ(ln t) = 0 и по теореме об интегральном представлении SV-функций (см., например, [3, c. 12] или [5, c. 10]) функция (c(x), x > A+ 1) является SV-функцией. Функция `1 также является SV- функцией, как произведение SV-функций. Поэтому f(x) = `(x) xΓ(lnx) M(lnx), x ≥ A, (61) где M(x) = exp −γ x∫ 0 dt Γ(t) , x ≥ 0, и ` — SV-функция такая, что `(x) = `1(x) exp γ lnA∫ 0 dt Γ(t) , x ≥ A. Из равенства (61) следует, что функцию f можно представить в виде f(x) = xρ`(x)H(lnx), x ≥ A, (62) где ρ = −γ(Γ−1)av − 1, H(x) = exp(h(x)), x ∈ R, h(x) = −γh̃(x)− ln Γ(x), x ∈ R, (63) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 ТЕОРЕМА КАРАМАТЫ ДЛЯ РЕГУЛЯРНО LOG-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ 1463 и величина (Γ−1)av определена в соотношениях (51) и (52). Поскольку H является положи- тельной непрерывной периодической функцией с периодом T и H(0) = 1, равенство (62) показывает, что f ∈ RLP и имеет индекс ρ = −γ(Γ−1)av − 1 < −1. Сравнивая (62), (63) и (53), (54), заключаем, что далее вторая часть доказательства теоремы 3 дословно повторяет соответствующие фрагменты первой части доказательства теоремы 3. Теорема 3 доказана. Доказательство теоремы 2. Теорема 2 вытекает из теоремы 3, если положить Γ(x) = B(x) B(0) и γ = 1 B(0) . Доказательство теоремы 1. Теперь мы можем завершить начатое в пункте 5 доказатель- ство теоремы 1. Второе утверждение теоремы 1 вытекает из леммы 2, третье — из леммы 3, а первое — из первого утверждения теоремы 2. 1. Karamata J. Sur un mode de croissance reguliere // Mathematica (Cluj). – 1930. – 4. – P. 38 – 53. 2. Karamata J. Sur un mode de croissance régulière. Théoremès fondamentaux // Bull. Soc. Math. France. – 1933. – 61. – P. 55 – 62. 3. Bingham N. M., Goldie C. M., Teugels J. L. Regular variation. – Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1987. – 508 p. 4. de Haan L. On regular variation and its application to the weak convergence of sample extremes. – Amsterdam: Math. Centrum, 1975. – 124 p. 5. Сенета Е. Правильно меняющиеся функции. – М.: Наука, 1985. – 144 с. 6. Buldygin V. V., Klesov O. I., Steinebach J. G. On factorization representation for Avakumovic – Karamata functions with nondegenerate groups of regular points // Anal. Math. – 2004. – 30. – P. 161 – 192. 7. Cline D. B. H. Intermediate regular and Π variation // Proc. London Math. Soc. – 1994. – 68. – P. 594 – 616. 8. Булдигiн В. В., Павленков В. В. Узагальнення теореми Карамати про асимптотичну поведiнку iнтегралiв // Теорiя ймовiрностей та мат. статистика. – 2009. – № 81. – C. 13 – 24. 9. Hardy G. H., Wright E. M. An introduction to the theory of numbers. – Oxford: Oxford Univ. Press, 1975. – 420 p. 10. Ядренко М. Й. Принцип Дiрiхле та його застосування. – Київ: Вища шк., 1985. – 80 с. Получено 14.02.12 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11