Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход
Вивчається зрiзана матрична тригонометрична проблема моментiв. Отримано параметризацiю всiх розв’язкiв цiєї проблеми (одночасно у невиродженому та виродженому випадках) за допомогою операторного пiдходу. Ця параметризацiя встановлює взаємно однозначну вiдповiднiсть мiж деяким класом аналiтичних функ...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут математики НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Український математичний журнал |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/166233 |
| 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: | Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход / С.М. Загороднюк // Український математичний журнал. — 2011. — Т. 63, № 6. — С. 786–797. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-166233 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1662332020-02-19T01:27:54Z Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход Загороднюк, С.М. Статті Вивчається зрiзана матрична тригонометрична проблема моментiв. Отримано параметризацiю всiх розв’язкiв цiєї проблеми (одночасно у невиродженому та виродженому випадках) за допомогою операторного пiдходу. Ця параметризацiя встановлює взаємно однозначну вiдповiднiсть мiж деяким класом аналiтичних функцiй та всiма розв’язками задачi. При цьому використано важливi результати М. Є. Чумакiна про узагальненi резольвенти iзометричних операторiв. We study the truncated matrix trigonometric moment problem. We obtain parametrization of all solutions of this moment problem (in both nondegenerate and degenerate cases) via an operator approach. This parametri-zation establishes a one-to-one correspondence between a certain class of analytic functions and all solutions of the problem. We use important results on generalized resolvents of isometric operators, obtained by M. E. Chumakin. 2011 Article Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход / С.М. Загороднюк // Український математичний журнал. — 2011. — Т. 63, № 6. — С. 786–797. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1027-3190 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/166233 517.948 ru Український математичний журнал Інститут математики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Статті Статті |
| spellingShingle |
Статті Статті Загороднюк, С.М. Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход Український математичний журнал |
| description |
Вивчається зрiзана матрична тригонометрична проблема моментiв. Отримано параметризацiю всiх розв’язкiв цiєї проблеми (одночасно у невиродженому та виродженому випадках) за допомогою операторного пiдходу. Ця параметризацiя встановлює взаємно однозначну вiдповiднiсть мiж деяким класом аналiтичних функцiй та всiма розв’язками задачi. При цьому використано важливi результати М. Є. Чумакiна про узагальненi резольвенти iзометричних операторiв. |
| format |
Article |
| author |
Загороднюк, С.М. |
| author_facet |
Загороднюк, С.М. |
| author_sort |
Загороднюк, С.М. |
| title |
Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход |
| title_short |
Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход |
| title_full |
Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход |
| title_fullStr |
Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход |
| title_full_unstemmed |
Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход |
| title_sort |
усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход |
| publisher |
Інститут математики НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Статті |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/166233 |
| citation_txt |
Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов: операторный подход / С.М. Загороднюк // Український математичний журнал. — 2011. — Т. 63, № 6. — С. 786–797. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Український математичний журнал |
| work_keys_str_mv |
AT zagorodnûksm usečennaâmatričnaâtrigonometričeskaâproblemamomentovoperatornyjpodhod |
| first_indexed |
2025-07-14T21:03:02Z |
| last_indexed |
2025-07-14T21:03:02Z |
| _version_ |
1837657734032392192 |
| fulltext |
УДК 517.948
С. М. Загороднюк (Харков. нац. ун-т им. В. Н. Каразина)
УСЕЧЕННАЯ МАТРИЧНАЯ
ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА МОМЕНТОВ:
ОПЕРАТОРНЫЙ ПОДХОД
We study the truncated matrix trigonometric moment problem. We obtain parametrization of all solutions of
this moment problem (in both nondegenerate and degenerate cases) via an operator approach. This parametri-
zation establishes a one-to-one correspondence between a certain class of analytic functions and all soluti-
ons of the problem. We use important results on generalized resolvents of isometric operators, obtained by
M. E. Chumakin.
Вивчається зрiзана матрична тригонометрична проблема моментiв. Отримано параметризацiю всiх
розв’язкiв цiєї проблеми (одночасно у невиродженому та виродженому випадках) за допомогою опера-
торного пiдходу. Ця параметризацiя встановлює взаємно однозначну вiдповiднiсть мiж деяким класом
аналiтичних функцiй та всiма розв’язками задачi. При цьому використано важливi результати М. Є. Чу-
макiна про узагальненi резольвенти iзометричних операторiв.
1. Введение. Целью настоящей работы является получение параметризации всех
решений усеченной матричной тригонометрической проблемы моментов (сокра-
щенно УМТПМ). Напомним, что эта проблема моментов состоит в нахождении
неубывающей CN×N -значной функции M(t) = (mk,l)
N−1
k,l=0, t ∈ [0, 2π], M(0) = 0,
которая является непрерывной слева на (0, 2π] и удовлетворяет следующим усло-
виям:
2π∫
0
eintdM(t) = Sn, n = 0, 1, . . . , d, (1)
где {Sn}dn=0 — заданная последовательность N ×N комплексных матриц (момен-
тов). Здесь N ∈ N и d ∈ Z+ являются фиксированными числами.
Эта проблема моментов в существенном эквивалентна знаменитой проблеме
коэффициентов Каратеодори (см. [1] для скалярного случая и [2, 3] для матричного)
и поэтому представляет особый интерес.
Положим
Td = (Si−j)
d
i,j=0 =
S0 S−1 S−2 . . . S−d
S1 S0 S−1 . . . S−d+1
S2 S1 S0 . . . S−d+2
...
...
...
. . .
...
Sd Sd−1 Sd−2 . . . S0
, (2)
где {Sn}dn=0 взято из (1), и
Sn := S∗−n, n = −d,−d+ 1, . . . ,−1.
Скалярная (N = 1) усеченная тригонометрическая проблема моментов хорошо
изучена. В 1911 г. F. Riesz и G. Herglotz получили необходимые и достаточные
условия разрешимости этой задачи (см., например, [1]). В положительно опреде-
ленном случае Td > 0 М. Г. Крейн и А. А. Нудельман описали канонические
c© С. М. ЗАГОРОДНЮК, 2011
786 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
УСЕЧЕННАЯ МАТРИЧНАЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА МОМЕНТОВ . . . 787
решения задачи [4]. В 1966 г. М. Е. Чумакин описал все решения скалярной усе-
ченной тригонометрической проблемы моментов, используя свои результаты по
обобщенным резольвентам изометрических операторов (см. [5, 7]).
В случае произвольного N условие
Td ≥ 0 (3)
является необходимым и достаточным для разрешимости проблемы моментов (1)
(см., например, [8]). В 1969 г. О. Т. Инин получил описание всех решений УМТПМ
во вполне неопределенном случае Td > 0 [9]. При этом он использовал тео-
рию псевдогильбертовых пространств, которая была построена М. Г. Крейном и
Ю. М. Березанским [10].
Как уже упоминалось выше, УМТПМ тесно связана (и в существенном экви-
валентна) матричной проблеме коэффициентов Каратеодори. Эта связь основа-
на на матричном обобщении классического интегрального представления Рисса –
Херглотца аналитической функции в единичном круге, имеющей неотрицательную
вещественную часть (см. [2, 3] и ссылки в этих работах). В 1998 г. параметриче-
ское описание всех решений последней задачи одновременно в невырожденном и
вырожденном случаях было впервые получено G.-N. Chen, Y.-J. Hu [2]. В 2006 г.
другое параметрическое описание всех решений задачи одновременно в невырож-
денном и вырожденном случаях было получено B. Fritzsche и B. Kirstein [3]. Одна-
ко осталось невыясненным, задают ли вышеупомянутые параметризации взаимно
однозначное соответствие между соответствующими множествами параметров и
решениями задачи.
Мы опишем все решения УМТПМ в общем случае Td ≥ 0. Для этого исполь-
зуем некоторый операторный подход и вышеупомянутые результаты М. Е. Чу-
макина об обобщенных резольвентах изометрических операторов. Операторный
подход позволяет изучать одновременно невырожденный и вырожденный случаи
различных проблем моментов (см. [11], а также [12, 13]). Заметим, что этот подход
близок к „чисто операторному” подходу B. Sz.-Nagy, A. Korányi к интерполяци-
онной проблеме Неванлинны – Пика [1, с. 217]. Полученная нами параметризация
устанавливает взаимно однозначное соответствие между некоторым классом ана-
литических функций и всеми решениями задачи. При этом наша формула проще
аналогичных формул G.-N. Chen, Y.-J. Hu и B. Fritzsche, B. Kirstein. Кроме то-
го, операторная точка зрения позволяет увидеть целиком всю картину задачи, в
отличие от применявшегося ранее пошагового алгоритма. Заметим, что предлагае-
мый нами операторный подход, конечно, не является единственно возможным (см.,
например, работу [14] и ссылки в ней).
Обозначения. Как обычно, через R, C, N, Z, Z+ обозначим множества вещест-
венных, комплексных, натуральных, целых, целых неотрицательных чисел соответ-
ственно, D = {z ∈ C : |z| < 1}. Множество комплексных векторов размерности
N : a = (a0, a1, . . . , aN−1) обозначим CN , N ∈ N. Для a ∈ CN a∗ обозначает
комплексно-сопряженный вектор. Множество всех комплексных матриц размера
N ×N обозначим через CN×N .
ПустьM(x) является непрерывной слева неубывающей матричнозначной функ-
цией M(x) = (mk,l(x))N−1
k,l=0 на [0, 2π], M(0) = 0, и τM (x) : =
∑N−1
k=0
mk,k(x);
Ψ(x) = (dmk,l/dτM )N−1
k,l=0. Через L2(M) обозначим множество (классов эквива-
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
788 С. М. ЗАГОРОДНЮК
лентности) измеримых CN -значных функций f на [0, 2π], f = (f0, f1, . . . , fN−1),
таких, что (см., например, [15, 16])
‖f‖2L2(M) : =
2π∫
0
f(x)Ψ(x)f∗(x)dτM (x) <∞.
Напомним, что измеримые CN -значные функции f, g на [0, 2π] принадлежат одно-
му классу эквивалентности, если ‖f − g‖L2(M) = 0.
Множество L2(M) является гильбертовым пространством относительно ска-
лярного произведения
(f, g)L2(M) : =
2π∫
0
f(x)Ψ(x)g∗(x)dτM (x), f, g ∈ L2(M).
ПустьH является гильбертовым пространством. Тогда (·, ·)H и ‖·‖H обозначают
скалярное произведение и норму в H соответственно. Индексы можно опускать в
очевидных случаях.
Пусть A — линейный оператор в H. Обозначим через D(A) его область опре-
деления, через R(A) его область значений, через KerA его ядро; A∗ — сопряжен-
ный оператор в случае его существования. Если A обратим, A−1 обозначает его
обратный оператор. A обозначает замыкание оператора, если оператор допускает
замыкание. Если A ограничен, то ‖A‖ — его норма.
Для произвольного множества M ⊆ H обозначим через M замыкание M по
нормеH.Для произвольного множества элементов {xn}n∈I вH пишем Lin{xn}n∈I ,
подразумевая линейную оболочку элементов xn, и span{xn}n∈I := Lin{xn}n∈I .
Здесь I является произвольным набором индексов. Через EH обозначим единич-
ный оператор в H, т. е. EHx = x, x ∈ H. Если H1 является подпространством в
H, то PH1
= PHH1
— оператор ортогонального проектирования на H1 в H.
2. Описание решений УМТПМ. Пусть задана УМТПМ (1) с d ∈ N и выпол-
няется соотношение (3) с Td, определенным формулой (2). Пусть
Td = (γn,m)
(d+1)N−1
n,m=0 , Sk = (Sk;s,l)
N−1
s,l=0, −d ≤ k ≤ d,
где γn,m, Sk;s,l ∈ C. Заметим, что
γkN+s,rN+l = Sk−r;s,l, 0 ≤ k, r ≤ d, 0 ≤ s, l ≤ N − 1. (4)
Рассмотрим комплексное линейное векторное пространство H, элементами кото-
рого являются векторы ~u = (u0, u1, u2, . . . , u(d+1)N−1), где un ∈ C, 0 ≤ n ≤
≤ (d + 1)N − 1. Операции сложения и умножения на скаляр определены как
стандартные операции с числовыми векторами. Обозначим
~εn = (δn,0,δn,1,δn,2, . . . , δn,(d+1)N−1), 0 ≤ n ≤ (d+ 1)N − 1,
где δn,r — символ Кронекера. Векторы {~εn}(d+1)N−1
n=0 образуют базис линейного
пространства H. В пространстве H определим функционал B следующим образом:
B(~u, ~w) =
(d+1)N−1∑
n,r=0
anbrγn,r,
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
УСЕЧЕННАЯ МАТРИЧНАЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА МОМЕНТОВ . . . 789
где
~u =
(d+1)N−1∑
n=0
an~εn, ~w =
(d+1)N−1∑
r=0
br~εr, an, br ∈ C.
Пространство H с функционалом B образуют квазигильбертово пространство [10].
Следуя стандартной процедуре (см., например, [10, с. 24]), относим два элемента
~u, ~w из H к одному классу (эквивалентности), который обозначаем [~u] или [~w],
если B(~u − ~w, ~u − ~w) = 0. Если [~z ] (z ∈ H) — некоторый другой класс, то [c1~u +
+ c2~z ] = c1[~u] + c2[~z ] ∀c1, c2 ∈ C. Скалярное произведение для произвольных
двух классов h1, h2 определяется так:
〈h1, h2〉 = B(~u1, ~u2),
где ~u1, ~u2 — произвольные элементы классов h1 и h2 соответственно. Пространство
классов с заданным скалярным произведением является гильбертовым пространст-
вом, поскольку оно конечномерно. Всюду в дальнейшем это пространство классов
обозначим через H. Положим
xn := [~εn], 0 ≤ n ≤ (d+ 1)N − 1.
Тогда
(xn, xm)H = γn,m, 0 ≤ n, m ≤ (d+ 1)N − 1, (5)
и span{xn}(d+1)N−1
n=0 = H. Обозначим H0 := Lin{xn}dN−1
n=0 . Рассмотрим следую-
щий оператор:
Ax =
dN−1∑
k=0
αkxk+N , x =
dN−1∑
k=0
αkxk, αk ∈ C. (6)
Проверим, что это определение корректно. Пусть элемент x ∈ H0 допускает два
представления:
x =
dN−1∑
k=0
αkxk, x =
dN−1∑
k=0
βkxk, αk, βk ∈ C.
Используя соотношения (4), (5), получаем∥∥∥∥∥
dN−1∑
k=0
αkxk+N −
dN−1∑
k=0
βkxk+N
∥∥∥∥∥
2
=
=
(
dN−1∑
k=0
(αk − βk)xk+N,
dN−1∑
r=0
(αr − βr)xr+N
)
=
=
dN−1∑
k,r=0
(αk − βk)(αr − βr)γk+N,r+N =
dN−1∑
k,r=0
(αk − βk)(αr − βr)γk,r =
=
(
dN−1∑
k=0
(αk − βk)xk,
dN−1∑
r=0
(αr − βr)xr
)
= (x− x, x− x) = 0.
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
790 С. М. ЗАГОРОДНЮК
Следовательно, определение A корректно и D(A) = H0. Поскольку оператор A
действует в конечномерном пространстве, он является замкнутым. Пусть x, y ∈ H0,
x =
∑dN−1
k=0
αkxk, y =
∑dN−1
k=0
ηkxk, αk, ηk ∈ C. Тогда
(Ax,Ay) =
dN−1∑
k,r=0
αkηr(xk+N,xr+N ) =
dN−1∑
k,r=0
αkηrγk+N,r+N =
=
dN−1∑
k,r=0
αkηrγk,r =
dN−1∑
k,r=0
αkηr(xk, xr) = (x, y).
Значит,A является изометрическим оператором. Каждый изометрический оператор
допускает унитарное расширение в более широком пространстве [17]. Пусть Ũ ⊇
⊇ A является унитарным расширением A в гильбертовом пространстве H̃ ⊇ H.
Выберем произвольное целое неотрицательное число n:
n = rN + l, 0 ≤ r ≤ d, 0 ≤ l ≤ N − 1.
По индукции легко получаем соотношение
xrN+l = Arxl.
Выберем произвольное m:
m = kN + s, 0 ≤ k ≤ d, 0 ≤ s ≤ N − 1.
Используя (4), можем записать
Sk−r;s,l = γkN+s,rN+l = (xm, xn)H = (Akxs, A
rxl)H =
= (Ũkxs, Ũ
rxl)H̃ = (Ũk−rxs, xl)H̃ =
=
2π∫
0
ei(k−r)td(Etxs, xl)H̃ ,
где {Et}t∈[0,2π] является непрерывным слева ортогональным разложением единицы
оператора Ũ . Таким образом, имеем
Sj;s,l =
2π∫
0
eijtd(P H̃H Etxs, xl)H , −d ≤ j ≤ d, 0 ≤ s, l ≤ N − 1.
Положим
MŨ (t) =
(
(P H̃H Etxs, xl)H
)N−1
s,l=0
, t ∈ [0, 2π]. (7)
Тогда MŨ (t) является решением проблемы моментов (1) (то, что эта функция явля-
ется неубывающей, легко следует из свойств ортогонального разложения единицы).
Замечание. Для случая d = 0 произвольная непрерывная слева неубываю-
щая CN×N -значная функция M, M(0) = 0, M(2π) = S0, является решением
УМТПМ (1). Поэтому мы изучаем здесь лишь случай d ∈ N.
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
УСЕЧЕННАЯ МАТРИЧНАЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА МОМЕНТОВ . . . 791
Пусть Û ⊇ A является произвольным унитарным расширением A в гильбер-
товом пространстве Ĥ ⊇ H, {Êt}t∈[0,2π] — непрерывным слева ортогональным
разложением единицы Û . Напомним [6, 7], что функция
Et = P ĤH Êt, t ∈ [0, 2π],
называется спектральной функцией A (порожденной расширением Û). Оператор-
нозначная функция Rζ , определяемая для ζ ∈ C : |ζ| 6= 1 равенством
Rζh = P ĤH (EĤ − ζÛ)−1h, ζ ∈ C : |ζ| 6= 1, h ∈ H,
называется обобщенной резольвентой A (порожденной расширением Û). Если Et
и Rζ соответствуют одному и тому же унитарному расширению A, то говорят, что
они связаны. Связанные непрерывная слева спектральная функция и обобщенная
резольвента A находятся в биективном соответствии:
(Rζh, g)H =
2π∫
0
1
1− ζeit
d(Eth, g) ∀h, g ∈ H. (8)
Функция (Eth, g) может быть найдена по формуле обращения [7, 18].
Как видно из изложенного выше, произвольная непрерывная слева спектраль-
ная функция изометрического оператора A (соответствующая некоторому унитар-
ному расширению A в некотором гильбертовом пространстве, содержащем H)
порождает решение проблемы моментов (1) посредством соотношения (7).
С другой стороны, пусть M̂ является произвольным решением проблемы мо-
ментов (1). Множество всех классов эквивалентности функций из L2(M̂) (см.
введение относительно определения классов эквивалентности), которые содержат
многочлены вида
P (t) =
d∑
k=0
(αk,0,αk,1, . . . , αk,N−1)eikt =
d∑
k=0
N−1∑
s=0
αk,se
ikt~es, αk,s ∈ C, (9)
где
~es = (δ0,s,δ1,s, . . . , δN−1,s),
и δr,s обозначает символ Кронекера (или множество всех многочленов вида (9) в
L2(M̂)), обозначаем через L2
0,d(M̂). Выберем произвольный многочлен
Q(t) =
d∑
r=0
N−1∑
l=0
βr,le
irt~el, βr,l ∈ C. (10)
Тогда
(P (t), Q(t))
L2(M̂)
=
d∑
k,r=0
N−1∑
s,l=0
αk,sβr,l
2π∫
0
ei(k−r)t~esdM̂(t)~e ∗l =
=
d∑
k,r=0
N−1∑
s,l=0
αk,sβr,l~esSk−r~e
∗
l =
d∑
k,r=0
N−1∑
s,l=0
αk,sβr,lSk−r;s,l =
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
792 С. М. ЗАГОРОДНЮК
=
d∑
k,r=0
N−1∑
s,l=0
αk,sβr,lγkN+s,rN+l =
d∑
k,r=0
N−1∑
s,l=0
αk,sβr,l(xkN+s,xrN+l)H =
=
(
d∑
k=0
N−1∑
s=0
αk,sxkN+s,
d∑
r=0
N−1∑
l=0
βr,lxrN+l
)
H
. (11)
Рассмотрим оператор
WP (t) =
d∑
k=0
N−1∑
s=0
αk,sxkN+s.
Покажем, что этот оператор корректно задан как оператор из L2
0,d(M̂) в H. Пусть
P (t) и Q(t) — два многочлена вида (9) и (10) соответственно. Предположим, что
они принадлежат одному и тому же классу эквивалентности в L2(M̂):
(P (t)−Q(t), P (t)−Q(t))
L2(M̂)
= 0.
Тогда
0 =
(
d∑
k=0
N−1∑
s=0
(αk,s − βk,s)eikt~es,
d∑
r=0
N−1∑
l=0
(αr,l − βr,l)eirt~el
)
L2(M̂)
=
=
d∑
k,r=0
N−1∑
s,l=0
(αk,s − βk,s)(αr,l − βr,l)
2π∫
0
ei(k−r)t~esdM̂(t)~e ∗l =
=
(
d∑
k=0
N−1∑
s=0
(αk,s − βk,s)xkN+s,
d∑
r=0
N−1∑
l=0
(αr,l − βr,l)xrN+l
)
H
= ‖WP −WQ‖H .
Следовательно, оператор W определен корректно. Соотношение (11) показывает,
что W является изометрическим оператором. Он отображает L2
0,d(M̂) на H. Обо-
значим
L2
1(M̂) := L2(M̂) L2
0,d(M̂).
Оператор
U := W ⊕ E
L2
1(M̂)
является унитарным оператором, который отображает L2(M̂) = L2
0,d(M̂)⊕L2
1(M̂)
на H1 := H ⊕ L2
1(M̂).
Рассмотрим унитарный оператор
U0f(t) = eitf(t), f(t) ∈ L2(M̂).
Тогда
Ũ0 := UU0U
−1
является унитарным оператором в H1. Заметим, что
Ũ0xkN+s = UU0e
ikt~es = Uei(k+1)t~es = x(k+1)N+s = AxkN+s,
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
УСЕЧЕННАЯ МАТРИЧНАЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА МОМЕНТОВ . . . 793
где 0 ≤ k ≤ d−1, 0 ≤ s ≤ N−1. Значит, Ũ0 ⊇ A.Пусть {Ẽt}t∈[0,2π] — непрерывное
слева ортогональное разложение единицы Ũ0 и Et, Rζ — спектральня функция и
обобщенная резольвента A, которые соответствуют унитарному расширению Ũ0
соответственно. Проверим, что
M̂(t) =
(
(Etxs, xl)H
)N−1
s,l=0
. (12)
Действительно, можно записать
2π∫
0
1
1− ζeit
d(Etxs, xl)H = (Rζxs, xl)H =
(
(EH1
− ζŨ0)−1xs, xl
)
H1
=
=
(
U(E
L2(M̂)
− ζU0)−1U−1xs, xl
)
H1
=
=
(
(E
L2(M̂)
− ζU0)−1~es, ~el
)
L2(M̂)
=
=
2π∫
0
1
1− ζeit
~esdM̂(t)~e ∗l .
Согласно формуле обращения заключаем, что соотношение (12) выполнено.
Следующая теорема позволяет использовать различные описания обобщенных
резольвент изометрических операторов для описания решений УМТПМ (ср. [1],
теорема 4.1.3).
Теорема 1. Пусть задана усеченная матричная тригонометрическая проб-
лема моментов (1) с d ∈ N и выполнено условие (3). Пусть оператор A построен
для проблемы моментов, как в (6). Все решения проблемы моментов имеют вид
M(t) = (mk,j(t))
N−1,
k,j=0, mk,j(t) = (Etxk, xj)H , (13)
где Et является непрерывной слева спектральной функцией изометрического опе-
ратора A (соответствующей некоторому унитарному расширению A, действую-
щему в некотором гильбертовом пространстве Ĥ ⊃ H). Наоборот, произвольная
непрерывная слева спектральная функция A (соответствующая некоторому уни-
тарному расширению A, действующему в некотором гильбертовом пространст-
ве, содержащем H) порождает по формуле (13) решение проблемы моментов (1).
Кроме того, соответствие между всеми непрерывными слева спектральными
функциями A (соответствующими некоторым унитарным расширениям A, дей-
ствующим в некоторых гильбертовых пространствах, содержащих H) и всеми
решениями проблемы моментов, устанавливаемое соотношением (13), взаимно
однозначно.
Доказательство. Остается показать, что различные непрерывные слева спект-
ральные функции A (соответствующие некоторым унитарным расширениям A в
гильбертовых пространствах, содержащих H) порождают различные решения про-
блемы моментов (1). Обозначим
Hζ := (EH − ζA)D(A) = (EH − ζA)H0, ζ ∈ C : |ζ| 6= 1;
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
794 С. М. ЗАГОРОДНЮК
LN := Lin{xk}N−1.
k=0
Выберем произвольный элемент x ∈ H, x =
∑dN+N−1
k=0
αkxk, αk ∈ C. Проверим,
что для произвольного ζ ∈ C\{0} : |ζ| 6= 1 существует представление
x = v + y, v ∈ Hζ , y ∈ LN , (14)
в котором элементы v, y могут зависеть от выбора ζ.
Действительно, выберем произвольное ζ ∈ C\{0} : |z| 6= 1. Положим
cr := −1
ζ
αr+N, r = dN −N, dN −N + 1, . . . , dN − 1.
Далее, полагаем
cr :=
1
ζ
(cr+N − αr+N ), r = dN −N − 1, dN −N − 2, . . . , 0.
Пусть
u :=
dN−1∑
k=0
ckxk ∈ D(A),
v := (EH − ζA)u ∈ Hζ .
Тогда
v =
dN−1∑
k=0
ckxk − ζ
dN−1∑
k=0
ckxk+N =
dN−1∑
k=0
ckxk − ζ
dN+N−1∑
k=N
ck−Nxk =
=
N−1∑
k=0
ckxk +
dN−1∑
k=N
(ck − ζck−N )xk − ζ
dN+N−1∑
k=dN
ck−Nxk =
=
N−1∑
k=0
ckxk +
dN+N−1∑
k=N
αkxk =
N−1∑
k=0
(ck − αk)xk + x.
Наконец, полагаем y : = −
∑N−1
k=0
(ck −αk)xk ∈ LN и получаем x = v+ y. Таким
образом, соотношение (14) выполнено.
Предположим от противного, что две различные непрерывные слева спектраль-
ные функции A (соответствующие некоторым унитарным расширениям A в гиль-
бертовых пространствах, содержащих H) порождают одно и то же решение проб-
лемы моментов (1). Это означает, что существуют два унитарных расширения
Uj ⊇ A в гильбертовых пространствах H̃j ⊇ H такие, что
E1,t = P H̃1
H E1,t 6= P H̃2
H E2,t = E2,t
и (
P H̃1
H E1,txk, xj
)
H
=
(
P H̃2
H E2,txk, xj
)
H
, 0 ≤ k, j ≤ N − 1, t ∈ [0, 2π],
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
УСЕЧЕННАЯ МАТРИЧНАЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА МОМЕНТОВ . . . 795
где {Ej,t}t∈[0,2π] — ортогональные разложения единицы операторов Uj , j = 1, 2.
По линейности получаем
(P H̃1
H E1,tx, y)H = (P H̃2
H E2,tx, y)H , x, y ∈ LN , t ∈ [0, 2π]. (15)
Обозначим
Rj,ζ := (EH̃j − ζUj)
−1, Rj,ζ := P
H̃j
H Rj,ζ, j = 1, 2, ζ ∈ C : |ζ| 6= 1.
Из (15), (8) следует, что
(R1,ζx, y)H = (R2,ζx, y)H , x, y ∈ LN , ζ ∈ C : |ζ| 6= 1. (16)
Выберем произвольное ζ ∈ C : |ζ| 6= 1. Поскольку для j = 1, 2 можно записать
Rj,ζ(EH − ζA)x = (EH̃j − ζUj)
−1(EH̃j − ζUj)x = x, x ∈ H0 = D(A),
имеем
R1,ζu = R2,ζu ∈ H, u ∈ Hζ , ζ ∈ C : |ζ| 6= 1;
R1,ζu = R2,ζu, u ∈ Hζ , ζ ∈ C : |ζ| 6= 1.
(17)
Предположим дополнительно, что ζ 6= 0. Тогда можно записать
(Rj,ζx, u)H = (Rj,ζx, u)H̃j = (x,R∗j,ζu)H̃j =
= (x, (EH̃j −Rj,1/ζ)u)H̃j = (x, u)H − (x,Rj,1/ζ u)H ,
x ∈ LN , u ∈ H1/ζ̄ , j = 1, 2.
Следовательно, получаем
(R1,ζx, u)H = (R2,ζx, u)H , x ∈ LN , u ∈ H 1
ζ̄
, ζ ∈ C\{0} : |ζ| 6= 1. (18)
Выберем произвольное ζ ∈ C : 0 < |ζ| < 1. Посредством (14) произвольный
элемент y ∈ H может быть представлен как y = y1/ζ̄ + y′, y1/ζ̄ ∈ H1/ζ̄ , y
′ ∈ LN .
Используя (16) и (18), находим
(R1,ζx, y)H = (R1,ζx, y1/ζ̄ + y′)H = (R2,ζx, y1/ζ̄ + y′)H = (R2,zx, y)H ,
где x ∈ LN , y ∈ H. Таким образом,
R1,ζx = R2,ζx, x ∈ LN , ζ ∈ C : 0 < |ζ| < 1. (19)
Выберем произвольное ζ ∈ C : 0 < |ζ| < 1. Для произвольного h ∈ H, исполь-
зуя (14), можем записать
h = a+ b, a ∈ LN , b ∈ Hζ .
Используя соотношения (19), (17), получаем
R1,ζh = R1,ζa+ R1,ζb = R2,ζa+ R2,ζb = R2,ζh.
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
796 С. М. ЗАГОРОДНЮК
Значит,
R1,ζ = R2,ζ, ζ ∈ C : 0 < |ζ| < 1.
Заметим, что R1,0 = EH = R2,0 и выполнена формула [7]
R∗j,ζ = EH −Rj, 1
ζ̄
, ζ ∈ C\{0} : |ζ| 6= 1, j = 1, 2.
Тогда
R1,ζ = R2,ζ, ζ ∈ C : |ζ| 6= 1.
По формуле обращения получаем E1,t = E2,t.Полученное противоречие завершает
доказательство теоремы.
Мы воспользуемся следующим результатом.
Теорема 2 ([7], теорема 3). Произвольная обобщенная резольвента Rζ замкну-
того изометрического оператора T в гильбертовом пространстве H имеет пред-
ставление
Rζ =
[
E − ζ(T ⊕ Φζ)
]−1
, ζ ∈ D. (20)
Здесь Φζ является аналитической в D операторнозначной функцией, значения
которой являются линейными сжатиями (т. е. ‖Φζ‖ ≤ 1), отображающими
H D(T ) в H R(T ).
Наоборот, любая аналитическая в D операторнозначная функция с вышеопи-
санными свойствами порождает согласно соотношению (20) обобщенную резоль-
венту Rζ оператора T.
Заметим, что соотношение (20) также показывает, что различные аналитиче-
ские в D операторнозначные функции с вышеописанными свойствами порождают
различные обобщенные резольвенты T.
Сравнивая две последние теоремы, получаем следующий результат.
Теорема 3. Пусть задана усеченная матричная тригонометрическая проб-
лема моментов (1) и условие (3) выполнено. Пусть оператор A построен для
проблемы моментов, как в (6). Все решения проблемы моментов имеют вид
M(t) = (mk,j(t))
N−1,
k,j=0 t ∈ [0, 2π], (21)
где mk,j получаются из соотношения
2π∫
0
1
1− ζeit
dmk,j(t) = (Rζxk, xj)H , z ∈ C : |z| 6= 1, (22)
и
Rζ = [E − ζ(A⊕ Φζ)]
−1,
R1/ζ̄ = EH −R∗ζ , ζ ∈ D. (23)
Здесь Φζ является аналитической в D операторнозначной функцией, значения ко-
торой являются линейными сжатиями, отображающими H D(A) в H R(A).
Наоборот, произвольная аналитическая в D операторнозначная функция с
вышеописанными свойствами порождает посредством соотношений (21) – (23)
решение проблемы моментов (1).
Более того, соответствие между всеми аналитическими в D операторно-
значными функциями с вышеописанными свойствами и всеми решениями пробле-
мы моментов (1), устанавливаемое соотношениями (21) – (23), является взаимно
однозначным.
Доказательство очевидно.
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
УСЕЧЕННАЯ МАТРИЧНАЯ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА МОМЕНТОВ . . . 797
1. Ахиезер Н. И. Классическая проблема моментов и некоторые вопросы анализа, связанные с нею.
– М.: Физматгиз, 1961. – 312 с.
2. Chen G.-N., Hu Y.-J. On the multiple Nevanlinna – Pick matrix interpolation in the class ϕp and the
Carathéodory matrix coefficient problem // Linear Algebra and Appl. – 1998. – 283. – P. 179 – 203.
3. Fritzsche B., Kirstein B. The matricial Carathéodory problem in both nondegenerate and degenerate
cases // Operator Theory: Adv. and Appl. – 2006. – 165. – P. 251 – 290.
4. Крейн М. Г., Нудельман А. А. Проблема моментов Маркова и экстремальные задачи. Идеи и
проблемы П. Л. Чебышева и А. А. Маркова и их дальнейшее развитие. – М.: Наука, 1973. – 552 с.
5. Чумакин М. Е. Решения усеченной тригонометрической проблемы моментов // Учен. зап. Ульянов.
пед. ин-та. – 1966. – 20, вып. 4. – С. 311 – 355.
6. Чумакин М. Е. Об обобщенных резольвентах изометрического оператора // Докл. АН СССР. –
1964. – 154, № 4. – С. 791 – 794.
7. Чумакин М. Е. Обобщенные резольвенты изометрических операторов // Сиб. мат. журн. – 1967. –
8, № 4. – С. 876 – 892.
8. Ando T. Truncated moment problems for operators // Acta sci. math. (Szeged). – 1970. – 31, № 4. –
P. 319 – 334.
9. Инин О. Т. Усеченная матричная тригонометрическая проблема моментов // Изв. вузов. Матема-
тика. – 1969. – 84, № 5. – С. 49 – 57.
10. Березанский Ю. М. Разложение по собственным функциям самосопряженных операторов. – Киев:
Наук. думка, 1965. – 800 с.
11. Zagorodnyuk S. M. Positive definite kernels satisfying difference equations // Meth. Funct. Anal. and
Top. – 2010. – 16, № 1. – P. 83 – 100.
12. Загороднюк С. М. О сильной матричной проблеме моментов Гамбургера // Укр. мат. журн. – 2010.
– 62, № 4. – С. 471 – 482.
13. Zagorodnyuk S. M. A description of all solutions of the matrix Hamburger moment problem in a general
case // Meth. Funct. Anal. and Top. – 2010. – 16, № 3. – P. 271 – 288.
14. Berezansky Yu. M. Some generalizations of the classical moment problem // Integral Equat. Operator
Theory. – 2002. – 44. – P. 255 – 289.
15. Маламуд М. М., Маламуд С. М. Операторные меры в гильбертовом пространстве // Алгебра и
анализ. – 2003. – 15, № 3. – С. 1 – 52.
16. Rosenberg M. The square-integrability of matrix-valued functions with respect to a non-negative Hermi-
tian measure // Duke Math. J. – 1964. – 31. – P. 291 – 298.
17. Ахиезер Н. И., Глазман И. М. Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве. – М.,
Л.: Гостехтеориздат, 1950. – 484 с.
18. Ахиезер Н., Крейн М. О некоторых вопросах теории моментов. – Харьков: ГОНТИ, 1938. – 256 с.
Получено 14.12.10,
после доработки — 12.04.11
ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2011, т. 63, № 6
|