Аналог теоремы Пэли-Винера и его приложения к оптимальному восстановлению целых функций Текст научной статьи по специальности «Математика»

ISSN 2074-1863 Уфимский математический журнал. Том 3. № 1 (2011). С. 16-30.

УДК 517.547+517.55+517.53

АНАЛОГ ТЕОРЕМЫ ПЭЛИ-ВИНЕРА И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ К ОПТИМАЛЬНОМУ ВОССТАНОВЛЕНИЮ ЦЕЛЫХ

ФУНКЦИЙ

Л.С. МАЕРГОЙЗ, Н.Н. ТАРХАНОВ

Аннотация. Для класса Винера Wp целых функций экспоненциального типа в Cn, следы которых на вещественном подпространстве Rn принадлежат пространству Lp(Rn), где 1 < p < ж, найдены в принципиально новой форме (на языке распределений) полные аналоги теоремы Пэли-Винера и, в многомерном случае, теоремы Планшереля-Пойа о структуре преобразования Фурье любой целой функции f £ W2. Полученные результаты применены для решения задачи о наилучшем аналитическом продолжении с конечного множества функций класса Винера. Самостоятельный интерес представляет описание условий существования конструктивных алгебраических формул характеристик оптимального восстановления линейных функционалов.

Ключевые слова: класс Винера целых функций, преобразование Фурье, распределения, оптимальный линейный алгоритм, многочлен Чебышева.

1. Введение

Основным объектом исследования данной статьи является класс Винера целых функций в Cn экспоненциального типа, следы которых на вещественном подпространстве принадлежат Lp(Rn), где 1 < p < ж. В одномерном случае это класс Wp таких функций типа ^ а, где а > 0. Теорема Пэли-Винера об описании преобразований Фурье функций класса W2 [1] и ее многомерный вариант, принадлежащий М. Планшерелю и Д. Пойа [2], — популярные результаты теории интегралов Фурье, имеющие многочисленные приложения. В этой работе найден в принципиально новой форме (на языке распределений) аналог теоремы Пэли-Винера для функций класса Wp, 1 < p < ж, допускающий и многомерное обобщение. Кроме того, в качестве приложения в классах Винера были изучены основные характеристики оптимального восстановления с конечного множества функций класса Винера. Статья непосредственно примыкает к работам [3], где подобные вопросы рассматривались для класса Wp, 1 < p < 2, и [4], где исследовались показатели наилучшего аналитического продолжения в случае p = 2, n > 1. Она представляет собой переработанный вариант препринта авторов [5].

2. Аналог теоремы Пэли-Винера

1°. Предварительные замечания. Пусть а > 0. Классическая теорема Пэли-Винера утверждает, что пространство W2 эквивалентно пространству F-1L2[-а, а], где L2[-а, а]

L.S. Maergoiz, N.N. Tarkhanoy, An analogue of the Paley-Wiener theorem and its applications to optimal recovery of entire Functions.

© МАЕРгойз Л.С., Тарханов Н.Н. 2011.

Работа поддержана Немецким научно-исследовательским обществом (the Deutsche Forschungsgemeinschaft).

Поступила 24 августа 2010 г.

рассматривается как подпространство L2(R), состоящее из всех функций с носителем в [-а, а], а F-1 — обратное преобразование Фурье

f (x) := F-1F (x) = -1=J e1x«F(£)d£, x G R; F G L2[—а, а].

R

Элемент F = f := ff определяется единственным образом функцией f, аналитическое продолжение которой в C принадлежит W2, причем по теореме Планшереля норма f в W2, т. е. в L2(R), совпадает с нормой F в L2[—а, а].

По теореме Хаусдорфа-Юнга преобразование Фурье функции f G Lp (R) принадлежит Lq(R), если 1 ^ p ^ 2. Здесь 1/p + 1/q =1. Кроме того,

II/Il L® (R) ^ (2n)1/q-1/2|f hlp(r).

При p > 2 преобразование Фурье f функции f пространства Lp(R) может быть распределением положительного порядка. Точнее, если p > 2 и целое число o удовлетворяет неравенству o > 1/2 — 1/p, тогда f — распределение в R порядка ^ o (см. [6], теорема 7.6.6).

Итак, приходим к заключению: любая функция f G Wp , 1 < p < то допускает интегральное представление

f = f-1/ , (1)

где f G E—o-j — преобразование Фурье f, а £['-o-oj — стандартное пространство распределений с носителями в [—а, а]. Однако, множество F[Wp] (пространство преобразований Фурье функций класса Винера WJ) лишь частично характеризуется пространством E— o]. Как показано в [3], F[WJ], где 1 < p < 2, — собственное подпространство Lq[—а, а] при условии 1/p + 1/q =1.

2°. Распределения, ассоциированные с элементами lp(Z). Чтобы охарактеризовать пространство F[Wp], p > 1, рассмотрим банахово пространство /p(Z), т. е. множество всех двусторонних последовательностей c = (cn)raez комплексных чисел таких, что

||c||lP(Z) := ( ^ К|Р) /Р <

га€ Z

Без ограничения общности можно предположить, что а = п, так как f (z) G Wp в том и лишь в том случае, если f (nz/а) G Wp. Чтобы мотивировать другое определение преобразования Фурье для функций класса Винера, отличное от традиционного, понадобится Лемма 1. Пусть f — целая функция экспоненциального типа ^ п такая, что f = Ff G Lq[—п,п], где 1 < q < то. Тогда для любой гладкой функции 0 G Cœ(R) справедливо соотношение

П П

(Ff, 0> := / Ff (%(i)di = £ f (k)0(k), 0(x) = -L i e-1fcV(t)dt, x G R. (2)

-П fcez 2n -П

Из обобщенного равенства Парсеваля (см., например, [7], с. 255) получаем, используя обозначения леммы:

(F f,0> = ^ cfc 0(k) (3)

fcez

Здесь c := {ck = \f2nd-k, k G Z}, {dk, k G Z} — коэффициенты Фурье функции f . Для доказательства (2), остается применить формулу обращения преобразования Фурье ► Замечания. 1. Близкий к лемме 1 результат имеется в [8, с. 115].

2. В частности, равенства (2), (3) справедливы для f G Wp при условии 1/p + 1/q = 1, 1 < p < 2. В этом случае c G /p(Z) (см. [3]).

Каждая последовательность c Е lp (Z), 1 < p < ж определяет линейный функционал Tc на пространстве C(R) с помощью следующей формулы (в обозначениях соотношения

(3))

<T ,р> := ^ Ck ^(k), ^ Е C~(R). (4)

fcez

Лемма 1 означает, что преобразование Фурье (в смысле теории распределений) следа на R целой функции f Е Wp при 1 < p < 2 совпадает с функционалом Tc(f), где c(f) := {f (k), k Е Z}.

Лемма 2. Пусть 1 < p < ж. Функционал Tc, определенный формулой (3), является распределением на действительной оси с носителем на отрезке [—п,п] порядка ^ 1.1 М Учитывая, что ^ Е C^(R), и интегрируя по частям, получаем

Г-П

0(k) = —(—1)k (^(п) - *,(—-)) - I e-1V(t)dx. —zkv 2п L ,7-п

Поэтому

|<£(k)| ^ [4-sup{|p'(t)|, t Е [—n,n]}]/(V2-|k|), k Е Z\{0}.

Отсюда, из (3) и неравенства Гельдера приходим к оценке модуля функционала Tc:

|Cfc

te[-n,n] J |k| v ie[-n,n]

1 \V<?

^ 2п sup J<p(t)| + ^

k=0

Это неравенство означает, что Tc — распределение порядка ^ 1 на R с носителем в [—п, п] ►

3°. Аналог теоремы Пэли-Винера. Докажем аналог теоремы Винера-Пэли для класса Винера Wp. В отличие от работы [3], введем в пространстве F[Wp] преобразований Фурье функций этого класса другую норму. Такой подход позволил получить желаемый результат не только в одномерной ситуации при любом p Е (1, ж), но и найти его полный аналог в многомерном случае, т. е. аналог теоремы Планшереля-Пойа для W2 в Cn, n > 1 (см. [2]).

Обозначим символом S? , пространство всех распределений вида Tc на R, где c Е /p(Z), а 1 < p < ж (см. (3)). Чтобы найти связь между Е[—ПП] и пространством F[Wp], нам понадобится классическая теорема Планшереля-Пойа [8], [9, с. 152]. Теорема 1. Пусть 1 < p < ж.

1) Для любой последовательности {ck, к Е Z Е /p(Z)} ряд

<х

f (z)= £ (—1)ncfc-S^, z Е C (5)

k -(z — k)

сходится по норме Lp(R) (и равномерно на каждом компакте в C) к функции f Е Wp, являющейся единственным решением интерполяционной проблемы f (k) = ck, k Е Z.

2) Обратно, для любой функции f Е Wp последовательность

c(f):= {f (k), k Е Z} (6)

принадлежит /p(Z).

3) Нормы f ^ |f ||lp(r) и f ^ ||c(f )||p(z), введенные в пространстве Wp, эквивалентны.

V2n|(Tc,p)| ^ |co |(2п sup |p(t)|) + V ^ (4n sup |p'(t)f

v te[-n,n] 7 k=0 |k| v íe[-n,n]

|C»'"Z> (2n JULИ()| + (V ¿)1/5 4n JUL Wi)|) •

Используется терминология из [6, определение 2.1.1].

1

Лемма 3. В обозначениях формул (3), (4), (6) справедливо соотношение Т/ = Тс, где с = с(/), а / € Шр, равносильное равенству

/ = Т -1Тс(7). (7)

Лемма 2 утверждает, что Тс € Е, поэтому обратное преобразование Фурье функционала Тс — элемент Б '(К). В действительности, это целая функция экспоненциального типа ^ -, определяемая формулой

1 ,„ ^ ^ 1

г>п

Т-1Тс = — <Тс,е^) = £ Ск — / е^-к)«^ - кеъ -

= ^ Ск 2-/ сс8(г - = ^ Ск(-1)к 81п

2- / _ -(г — к)

кех ,/-п кех 4 '

Отсюда и из теоремы 1 вытекает (7) ►

Теорема 2. При р > 1 преобразование Фурье определяет топологический изоморфизм пространств ШП и .

Из теоремы 1 следует, что если / € Шр, тогда последовательность с(/) (см. (6)) принадлежит /р^), а функция / допускает представление (5). Отсюда и леммы 3 вытекает, что Т/ = Тс(/) — элемент Е'-пп], т.е. преобразование Фурье отображает Шр в . Поскольку Шр ^ Б '(К),1 это отображение инъективно. Остается доказать, что оно сюръ-ективно. Зафиксируем отображение Тс € где с € /р^). Определим / формулой (5), тогда по теореме 1 / € Шр и с(/) = с (см. (6)). Из (7) имеем Т/ = Тс, следовательно, имеет место алгебраический изоморфизм пространства Шр на .

По теореме 1 можно ввести две эквивалентные нормы в Шр, где р > 1, одна из которых определяется вложением в Ьр(М), а другая индуцируется из /р^). Они превращают Шр в банахово пространство. Благодаря алгебраическому изоморфизму / ^ Т/ = Тс(^) это равносильно утверждению о топологическом изоморфизме пространств Шр и ►

Теорема 2 близка к теореме Пэли-Винера-Шварца (см. [6], теорема 7.3.1) и ее обобщениям [10].

4°. Контрпример. Если 1 < р ^ 2, то распределения — функции класса Ь9[—-, -]

при условии 1/р + 1/д = 1, причем при 1 < р < 2 они не исчерпывают пространство Ь9[—-,-] (см. [3]). При р > 2 распределения могут быть не функциями и даже не

мерами, заданными на [—-,-]. Покажем, что оценка сверху на порядок распределения Тс, данная в лемме 2, является точной, если р > 2.

Воспользуемся следующей известной теоремой (см., например, теорему 6.4 на с. 326 в

[7]).

Теорема 3. Пусть

ак есв(пкЬ) + Ьк в1п(пкЬ), Ь € [—-,-],

к=1

— лакунарный тригонометрический ряд, где пк+1/пк ^ д > 1. Если он суммируем каким-либо линейным методом суммирования 2 на множестве положительной меры, тогда

те

У^ ак + Ьк < то. к=1

' (М) — пространство распределений медленного роста.

2Например, методом Абеля-Пуассона [7, с.135].

Рассмотрим целую функцию

/(г) = ^(вт- 2к)], г е С.

к=1

По теореме 3 / е Шр для каждого р > 2. Ряд Фурье преобразования Фурье / функции /, заданный на [—п,п], имеет вид

те

Е 72пк (со8(2к*) -181п(2к*», к=1

(8)

как легко увидеть. Теорема 3 показывает, что этот ряд не может быть суммируем методом Абеля-Пуассона почти нигде на [—п,п]. Но ряд Фурье меры, заданной на [—п,п], суммируем этим методом почти везде (см., например, [11, с. 52]). Поэтому ряд (5) не может быть рядом Фурье любой меры.

Итак, последовательность с(/) принадлежит всем пространствам /р^) при р > 2. Однако, распределение Тс(^) не является мерой.1 Наконец, из леммы 2 заключаем, что порядок Тс(/) равен 1.

5°. Многомерные обобщения. Пусть а3- > 0, ] = 1,...,п; Шр = {/} — пространство целых функций экспоненциального типа, удовлетворяющих для любого е > 0 неравенству

и таких, что / е Ьр(Кп), где 1 < р < ж. Методом индукции, применяя теорему 1 по каждой переменной, получим ее полный аналог для класса Шр в Сп (см. [8]). Многомерные варианты других изложенных результатов также справедливы. Опускаем их очевидные формулировки и доказательства.

1°. Схема оптимального восстановления. Теорема 3 будет применена в дальнейшем для получения характеристик наилучшего аналитического продолжения с конечного множества целых функций из Шр при р > 2. Это задача восстановления функционалов типа дельта-функций. Известна схема оптимального восстановления линейного функционала (см., например, [12]-[14]). Учитывая специфику случая, когда информационное пространство конечномерно, рассмотрим модификацию этой схемы, использованную в [3] для оптимальной экстраполяции в Шр при 1 < р ^ 2.

Пусть V — векторное пространство; Т : V ^ В — алгебраический изоморфизм пространства V в банахово пространство В, причем и V, и В рассматриваются над одним и тем же полем К, где К = К или С. Определим норму в V, полагая ||/||у := ||Т/||в для / е V, превращая таким образом V тоже в нормированное пространство. Легко проверить, что ||Ь||у/ = ||Ь о Т-1||Б/ для каждого непрерывного линейного функционала Ь на V. Здесь В' — сопряженное пространство по отношению к пространству В, причем оно является банаховым в стандартной топологии, определяемой нормой функционала. Пусть и = {/ е V : ||/11V ^ Ь1,...,Ь^ — линейно независимые линейные функционалы, заданные на и. Рассмотрим проблему восстановления любого фиксированного линейного функционала Ь на и исходя из информации о Ь1,... , Ь^.

п

3 = 1

3. Оптимальное восстановление с конечного множества в классе Винера Шр, 1 < р < ж

1 Этот пример — небольшая модификация примера, рассмотренного в [8, с. 142-143].

Напомним основные характеристики оптимального восстановления. Любое отображение вида А : и ^ С называется алгоритмом. Ограничимся линейными алгоритмами, т. е. алгоритмами А вида

N

А(/)= ¿(а; ):= ^ ^ Ьк (/), / е и, а = (аь...^) е ^. (10)

Величина

Е(а; Ь,и) = вир{|Ь(/) - А(/)|, / е и} называется ошибкой алгоритма А. Величина

П(Ь, и) = Ш{Е(а; Ь, и), а е ^}1

называется оптимальной (неустранимой) ошибкой восстановления функционала Ь. Если П(Ь, и) = Е(а; Ь, и) при некотором а = а е KN, тогда алгоритм

Ао = ¿(а; ) (11)

(см. (10)) называется оптимальным линейным алгоритмом восстановления функционала Ь. Элемент /0 е и называется экстремальным, если верно равенство

Е(а; Ь,и) = |/ - Ао(/о)|.

Нам понадобится фундаментальный результат теории аппроксимации в нормированных пространствах (см., например, [15], с. 17-20 ),

Лемма 4. Пусть {е1,... , eN} — линейно независимая система в В'. Тогда для каждого элемента V е В' существует вектор а = (а1,... , аN) в KN, такой, что

N N

£

V - > _ ак

т£

аек^

к=1 к=1

V - ^ ак

Если, кроме того В' — строго выпуклое пространство,2 тогда существует только один вектор а е KN с упомянутым свойством.

N

Элемент ¿(а; е1,... , eN) = ^ называют наименее отклоняющимся от V элементом

к=1

линейной оболочки множества {e1,...,eN}, или многочленом Чебышева. Для простоты будем обозначать его ¿(а), если понятно, о каком элементе идет речь. Пусть Со е В' — ненулевой функционал. Рассмотрим множество

5||£о||в' = {Е е В : ||Е||в = 1, Со(Е) = ||Со||в/},

которое имеет простой геометрический смысл. А именно это грань замкнутого единичного шара Б в В, расположенная в его опорной гиперплоскости {Е е В : Со(Е) = ||Со||в/}. Множество д||Со||в/ может быть пустым. Это невозможно, если, например, шар Б С В — компакт в слабой топологии. В частности, это имеет место, если В — рефлексивное банахово пространство (см., например, [16, с. 241]. В этом случае множество д||Со||в/ называют субдифференциалом нормы С ^ ||С||в/ в Со [17]. Пусть О — группа элементов в К, модуль каждого из которых равен 1 в К. В общем случае совокупность всех экстремальных элементов определяет множество

Сд||£о||в/ = {АЕ е В : А е О, Е е д||Со||в/}

для некоторого функционала Со, зависящего от Ао.

1Более общее определение см. в § 4, 2°

2Иногда такое пространство называют строго нормированным.

Теорема 4. Пусть в предыдущих обозначениях

N

£(а) = £ «fc Lfc о T-1 (12)

fc=i

— наименее отклоняющийся от L о T-1 элемент линейной оболочки множества {L1 о T-1,... , Ln о T-1}. Тогда

1) оптимальная ошибка Q(L,U) восстановления функционала L с помощью информации о функционалах L1,... ,Ln, заданных на U, равна

Q(L, U) = R ||L о T-1 - £(а)||Б,; (13)

2) оптимальный линейный алгоритм восстановления функционала L на U определяется формулой A0 = €(а; L1,... ,LN) (см. (11)), причем он является единственным при условии строгой выпуклости пространства B';

3) если L0 = L о T-1 — £(а) — ненулевой функционал и d ||L0||B = 0, тогда {RT-1F0 : F0 £ Gd||L0||B} — множество всех экстремальных элементов.

А Зафиксируем а £ KN. Рассмотрим разность

N

ал/) = L(f) — £ akLfc(f), f £ V. fc=1

Используя формулу f = RT-1F, где F = T(f/R) £ B, и определение нормы непрерывного линейного функционала, выводим

E(a; L, U) = sup |a0(f)| = R sup |аа о T-1(F)| = R ||аа о T-1||B, /еи ||f||b <1

учитывая, что f £ U в том и лишь в том случае, если ||T(//R)||b ^ 1. Отсюда вытекает, что

q (L, U) = R inf ||L о T-1 — Яа; Lx о T-1,...,Ln о T-1)||Б,

oeKN

= R ||L о T-1 — £(а; Lx о T-1,...,Ln о T-1)|в', (14)

поскольку нижняя грань достигается при некотором а £ KN по лемме 4. Кроме того, из этой леммы заключаем, что оптимальный линейный алгоритм A0 единственный, если B' — строго выпуклое пространство.

Из (14) выводим: оптимальная ошибка q(L, U) равна 0 тогда и только тогда, когда L0 = LоT-1 —£(а) — нулевой функционал. Тогда L = a1L1 + ...+aNLn — искомый элемент V'. В этом случае коэффициенты а1,... , aN однозначно определяются функционалом L, так как L1,... , Ln — система линейно независимых элементов V'.

Итак, утверждения 1) и 2) теоремы верны. Остается рассмотреть случай, когда L0 — ненулевой функционал. Если д||£0||в' = 0, тогда из определения субдифференциала нормы получаем: q(L, U) = R ||£0||Б, = |L0(RF)| для всех F £ Gd||l0||b'. Символом E обозначим множество всех элементов f £ U таких, что f = RT-1F для некоторого элемента F £ Gd||l0||b'. Тогда q(L, U) = |L(f) — A0 о I(f)|, f £ E, т. е. E — множество всех

экстремальных элементов, принадлежащих U. Поэтому утверждение 3) теоремы доказано ►

2°. Пример реализации схемы оптимального восстановления. Теорема 4 выполняет роль схемы, которой можно придерживаться для нахождения характеристик оптимального восстановления линейного функционалов. При этом возникают трудности, связанные как с вычислением коэффициентов многочлена Чебышева, наименее отклоняющегося от искомого линейного функционала, так и с описанием общего вида таких функционалов, а также с выяснением структуры субдифференциала рассматриваемой нормы.

Для широкого класса пространств целых функций, содержащих, в частности, класс Винера Wp, где 1 < p < 2, эти трудности в значительной степени преодолеваются, как показывает следующий пример.

Пусть B = Bq = Lq [—а, а], где 1 < q < то и а > 0. Отождествим Bq с подпространством пространства Lq(R), состоящего из всех функций с носителем в [-а, а]. Символом V = Vq обозначим векторное пространство распределений медленного роста на R, преобразование Фурье каждого из которых принадлежит Vq. Оно эквивалентно пространству всех целых функций {/} экспоненциального типа ^ а таких, что

а

/(z) = -=/eitzF(t)dt, z е C, (15)

—а

где F — произвольно фиксированный элемент Lq[-а, а]. Заметим, что здесь

F(t) = /(t) := -L i e—/(x)dX, t е [-а, а] (16)

у 2п J r

— преобразование Фурье функции /|R. Поэтому преобразование Фурье T = F следа /|R на R каждой функции / е Vq определяет алгебраический изоморфизм Vq на Bq. Введем топологию в пространстве Vq с помощью нормы ||/||у := ||/||в, где / — преобразование Фурье функции /1r. Тогда Vq становится банаховым пространством. По теореме Хаусдорфа-Юнга пространство Vq содержит Wp при условии 1/p + 1/q = 1, 1 <p < 2. Топология в Wp, индуцированная нормой пространства Vq, слабее топологии, индуцированной вложением

в Lp(R). И наоборот, из теоремы Хаусдорфа-Юнга выводим: Wp D Vq, если 2 < p < то. Обратимся к задаче наилучшего аналитического продолжения (или оптимальной экстраполяции) функций / е U, где U = {/ е Vq : ||/1| ^ R}, с конечного множества S = {zi,... , Zn} С C в точку zo е C \ S. В данном случае линейные функционалы являются дельтаобразными:

Lk(/) = /(zfc), / е U, k = 0,1,..., N; (17)

Учитывая, что пространства {Lq(R), 1 < q < то} являются строго выпуклыми (см. [15]), применяя теорему 4, в обозначениях которой L = L0, и опираясь на план доказательства теоремы 5 из [3], убеждаемся в том, что все ее утверждения верны и для рассматриваемого пространства Vq при любом q е (1, то). А именно справедлива

Теорема 5. Пусть q е (1, то). Пусть в упомянутых обозначениях

N

Pn(t; а) = £ аeizk4, t е [-а, а] (18)

fc=i

— элемент линейной оболочки множества {eizjj = 1,..., N}, наименее отклоняющийся от eiZot в метрике Lp(-а, а) при условии 1/p + 1/q = 1. Тогда

1) оптимальная ошибка экстраполяции любой функции / е U в точку z0 равна (см.

(13), (17), (18))

Qn(zo) := ^(Lo, U) = -L||eiz0t - Pn(t; a)||p,

V 2п

где || • ||p — стандартная норма в Lp(-а, а);

2) существует единственный оптимальный линейный алгоритм аналитического продолжения в точку z0 с множества S, определяемый в обозначениях формул (12), (17) равенством

n

"(/) := [%)](/) = £ а/(Zj), / е U; (19)

j=i

3) любая экстремальная функция {/0} С U , т. е. функция, удовлетворяющая условию (z0) = |/0(z0) — w(/0)| (см. (19), (15), (16)), обладает следующим свойством: ее преобразование Фурье /0 G Lq(—а, а) имеет вид

, t G [—а,а],« G R, h(t) = .

exp{i arg h(t)}||h||p у2п

3o. Вариант теоремы 4 для класса Винера 1 < p < œ>. Применим схему,

изложенную в теореме 4, к проблеме оптимальной экстраполяции с конечного множества в классе Винера Wp, 1 < p < ж. Как оказывается, существенно легче (см. [3]) решить эту задачу, если ввести топологию в этом пространстве с помощью нормы / ^ ||c(/)||¿p(z), эквивалентной стандартной норме в (см. доказательство теоремы 2). При этом удается получить желаемый результат не только в одномерной ситуации при любом p G (1, ж), но и найти его полный аналог в многомерном случае (см. (9), [4]). Учитывая рассуждения в § 2, 2o, 5o, для простоты изложения ограничимся рассмотрением пространства в одномерном случае и при а = п.

Возьмем конечное множество S = {zi,...,Zn} попарно различных точек в C и точку z0 G C \ S. Используя терминологию п. 7o, рассмотрим проблему наилучшего аналитического продолжения функции / G с множества S в точку z0. Такая задача эквивалентна вопросу об оптимальном восстановлении функционала L0(/) = /(z0), / G Wp, опираясь на информацию о функционалах {Lk(/) = /(zk), / G W; k =1,..., N} (ср. (17)).

Для дальнейшего изложения понадобится известное утверждение функционального анализа (см., например, [16]).

Лемма 5. Пусть 1 < p < ж. Линейный непрерывный функционал L на пространстве /p(Z) имеет вид

L(c) = £ c„ö„, c G P(Z),

где ö = {ön, n G Z} G (Z) и 1/p + 1/q =1. Кроме того, справедливо неравенство

|L(c)| ^ ||ö||iq(Z) -HcH^z) V c G P(Z), причем равенство здесь имеет место тогда и только тогда, когда

cn = Ae"1 args»( J^L)q-i V n G Z, A G C, |A| = 1.

Заметим, что лемма позволяет найти субдифференциал нормы || ■ ||¿q(z) в точке ö. Следующий результат обобщает теорему 5.

Теорема 6. Пусть 1 < p < ж. Полагаем

sin nz

Sn(z ) = (—1)n—-г, n G Z; s(zfc ) = {s„(zfc ), n G Z}, k = 0,1,..., N ; (20)

n(z — n)

¿(a) = {C(a), n G Z} = £ afc s(zfc)

N

— последовательность, наименее отклоняющаяся от последовательности в

метрике Р(Z), где 1/р + 1/д = 1 (см. лемму 3 и замечание к ней). Для и = {/ С : ||с(/)||гр(г) ^ К} при К > 0 следующие утверждения справедливы в обозначениях теоремы 5:

1) неустранимая ошибка QN(г0) оптимальной экстраполяции любой функции / € и с конечного множества Б = {^1,... , zN} в точку z0 равна

^(zо) = К ||фо) - ¿(а)||г?(z);

2) существует единственный оптимальный линейный алгоритм аналитического продолжения функции / € и с множества Б в точку г0, определяемый соотношением

N

) = Е а / );

3) любая экстремальная функция /0 € и обладает свойством: ее значения в узлах целочисленной решетки определяются формулой

/о(п) = Ле-1 ^<4^рЦ9-1, п € ^ 5га = ^о) - 4(а), А € С, |А| = Д.

ЧНк* (2)/

Рассмотрим линейный оператор (см. (6)) Т : ^ Т/ = с(/). По теоремам

1, 2 он определяет топологический изоморфизм. Поэтому выбор нормы / ^ ||с(/)||г?(2) в пространстве Жр означает переход от стандартной топологии в Жр к эквивалентной. Представление (5) для любой функции / € и позволяет описать общий вид рассматриваемых линейных функционалов:

¿к(/) = /(^) = £), / € и; к = 0,1,...,Ж

В самом деле, из формулы (5) с помощью неравенства Гельдера получаем оценку

1/9

I/(*)1 ^ (X 1*»(*)|9) 9 -!С(/)1"(2), * € С.

. ^га

Отсюда и из леммы 5 вытекает, что упомянутые функционалы являются непрерывными. Итак, все условия теоремы 4 выполняются. Из нее непосредственно убеждаемся в справедливости утверждений 1) и 2) теоремы 6, учитывая, что пространства |/91 < д < то} являются строго выпуклыми (см. [15]). Утверждение 3) следует из утверждения 3) теоремы 3 и леммы 5 ►

4. Конструктивное построение оптимальных линЕйных Алгоритмов и многочленов Чебышева

Теорема 6 (так же, как и теорема 4) утверждает лишь о существовании оптимального линейного алгоритма при экстраполяции с конечного множества в Жр. Исключение составляет случай р = 2, как показывает теорема 1 в [4], дающая достаточно простые алгебраические формулы всех характеристик наилучшего аналитического продолжения функций класса Винера Ж2. Покажем, что подобные формулы верны для определенного класса подмножеств {и} линейного пространства V над полем К, где К = К или К = С, в частности, среди оптимальных алгоритмов существует конструктивно определяемый линейный алгоритм

Ао = «1^1 + ... + а^^ . (21)

Здесь {Ь1,... , LN} — линейно независимая система линейных функционалов на V.

1°. Некоторые алгебраические свойства линейных функционалов {Ь1,..., ^}.

Полагаем

2 := кег П ... П кег ^. (22)

Это линейное подпространство коразмерности N в V, обладающее алгебраическим дополнением Б таким, что V = Б ф 2 (см., например, [18], с. 16-17).

Нам понадобится следующий элементарный факт линейной алгебры. Лемма 6. Пусть {/1,... , ^} — базис в Б. Матрица Грама

¿1/1) ... ^ (/1)

О

обратима, т.е. определитель матрицы О отличен от 0.

Следующие формулы позволяют сделать разложение V = С ф 2 явным. Они известны в случае гильбертова пространства [19, с.228].

Лемма 7. Пусть {/1,... , ^} — базис в Б. Тогда в обозначениях леммы 6 любой элемент / € V допускает единственное представление в виде

/

-1

аего

det

0

/1

V/N

¿1(/) ... ^ (/)\

О

+ ^ (/),

(23)

где п^(/) € 2, причем справедливо равенство

( / ¿1(/)

п^ (/)

1

det О

det

/1 V/N

О

^ (/) N

/

V / € V.

(24)

В самом деле, существует единственный набор постоянных с1,... , СN € К и элемент п^(/) € 2, такой, что / = с1/1 + ... + ^^ + п^(/). Применяя функционалы ¿1,..., ^ к этому равенству, получаем линейную систему уравнений для определения неизвестных коэффициентов с1,..., СN. Точнее,

1,

N

Ь,(/) = с1^ (/1) + ... + ^ Ь, (/N), з

Решая эту систему по правилу Крамера и используя теорему разложения для определителей, находим (23). Отсюда легко выводим соотношение (24) ►

2°. Конструкция оптимальных линейных алгоритмов. По аналогии с работами [12]-[13], [4] рассмотрим теперь другой подход к проблеме оптимального восстановления линейного функционала Ь на подмножестве и С V по информации о Ь1,... , ЬN. Символом А обозначим множество всех алгоритмов А : KN ^ К, восстанавливающих Ь на и с помощью Ь1,... , ЬN. Ошибка Е(А; Ь, и) алгоритма А — супремум функционала |Ь(/) - А о I(/)| для всех / € и, где

I (/) = (Ь1(/),..., ЬN (/)).

Величина

П(Ь, и) = ^{Е(А; Ь, и), А € А}

— оптимальная ошибка восстановления функционала Ь. Как известно [13], этот показатель совпадает с подобной характеристикой оптимального восстановления, рассмотренной, в частности, в §3, 1°, для случая и — выпуклое и круговое множество, т. е. обладающее свойством: для любого / € и элемент А/ € и для всех А € К, |А| = 1. Эта величины не требуют введения топологии в пространстве V. Такая операция необходима при применении методов функционального анализа.

Для упомянутой проблемы восстановления фиксированного линейного функционала Ь на и двойственной является задача вычисления величины (см. (22)) вир{|Ь(/)|, / € иП2} при условии ограниченности Ь на и. Исследуем эту задачу для класса круговых множеств, инвариантных относительно отображения : V ^ 2 (см. (22)-(24)),1 среди оптимальных алгоритмов существует конструктивно определяемый линейный алгоритм (многочлен Чебышева) вида (21). При дополнительном предположении о наличии экстремального элемента подобная задача рассматривалась в [12]. Об исследованиях существования таких алгоритмов см. монографию [13].

1Т. е. пг (/) € и для всех / € V.

◦1 (f ^d^G det

(25)

Теорема 7. Пусть U — круговое множество, инвариантное относительно отображения nz, а G — матрица Грама (Lj(/¿)) i=i,...,N, рассмотренная в лемме 6. Тогда верны

j=1,...,N

следующие утверждения:

1) оптимальная ошибка Q(L, U) восстановления линейного функционала L с помощью линейных функционалов Li,..., LN определяется формулой

Q(L, U) = sup |L(f)| = sup |L(nz(f))|;

/eunz /eu

2) линейный алгоритм A0 = Li,..., LN) (см. (21)) такой, что

( 0 Li(f) ... Ln(f) \ L(fi) . . . G

V L(fN) У

является оптимальным, причем справедливо неравенство

|L(f) - Ao о 1 (f)| ^ q(L, U) V f e U.

1. Сначала докажем, что

M := sup |L(f)| = inf sup |L(f) - c|. (26)

/ eu nz ceK / eu nz

Обозначим символом B правую часть этого равенства. Очевидно B ^ M. Для доказательства обратного неравенства зафиксируем f e U П Z такое, что L(f) = 0, и число c e K, отличное от 0. Так как Li,... , Ln — линейные функционалы, то множество U П Z тоже является круговым. Отсюда следует, что элемент

fc = -f exp l(arg c - arg L(f"

принадлежит U П Z. После элементарных преобразований получаем

|L(f) - c| ^ |L(f)| + |c| = |L(fc) - c|.

Отсюда выводим соотношение

sup{|L(f) - c|, f e U П Z} = sup{|L(f)| + |c|, f e U П Z}.

Поэтому M ^ B, т. е. формула (26) верна.

2. Если A : KN ^ K — алгоритм, восстанавливающий L на U по информации о Li,... , Ln, тогда

|L(f) - A о 1 (f)| = |L(f) - A(Li(f),..., Ln(f))| = |L(f) - A(0,..., 0)|

для всех f e U П Z. Отсюда и из (26) имеем

q(L,U) ^ inf sup |L(f) - A(0,..., 0)| = inf sup |L(f) - c| = sup |L(f)|, AeA / eu nz ceK / eu nz / eu nz

где q(L, U) — оптимальная ошибка восстановления (см. § 3, 1°). Здесь первое равенство объясняется тем, что для любого заданного c e K среди всех элементов множества A существует алгоритм A такой, что A(0, . . . , 0) = c.

3. Докажем теперь обратное неравенство. Пусть Ao — множество всех линейных алгоритмов вида A = £(a; Li,... , Ln) (см. (21)), где a e KN. Оценим отклонение функционала L от произвольно фиксированного линейного алгоритма A e A0. Представляя любой элемент f e U в виде (см. (22), (24))

f = cifi + ... + cN fN + nz(f),

находим

N N N

L(/) - £ afcLfc(/ )| = | £ jL/) - £ afcLk/ )) + L(nz(/)) k=i j=i k=i поскольку Lfc (nz (/)) = 0 при любом k = 1,... , N. Отсюда находим:

N NN

L(/) - £ afc Lk (/)| ^ |£ j L(/j) - £ afc Lfc (/ )) | + |L(nz (/))|, / e U. (27) k=i j=i k=i

Для нахождения оптимального линейного алгоритма, выберем ai,...,aN так, чтобы исключить влияние элемента / - nz(/) e S на оценку "остаточного" функционала в (27). А именно определим а = (ai,... ,«n ) e KN из системы уравнений

N

L(/j) - £ afcLk(/) = 0, j = 1, 2,..., N. (28)

k=i

По лемме 6 эта система имеет единственное решение a e KN. Этому элементу соответствует линейный алгоритм (см. (21)) A0 = £(a; Li,..., Ln). Теперь непосредственно из (27) и (28) выводим

Я(L, U) ^ inf sup |L(/) - A о I(/)| ^ E(Ao; L, U) АеЛо feu

= sup |L(/) - Ao о I(/)| ^ sup |L(nz(/))| ^ sup |L(/)|, (29)

/eu /eu /eunz

так как nz(/) e U П Z для всех / e U. Обратное неравенство доказано в п. 2, поэтому утверждение 1) теоремы 7 справедливо.

4. Из неравенства в п. 2 заключаем также, что

Q(L,U) = E(Ao; L,U), (30)

т. е. алгоритм A0 = £(a; Li,... , Ln) (см. (21)) является оптимальным. Его представление (см. (25)) получаем, находя из (28) вектор a e KN по правилу Крамера. Наконец, искомое неравенство следует из (30) ►

Замечания. 1. Формула (25) оптимального линейного алгоритма не зависит от множества U с описанными свойствами.

2. Если V — гильбертово пространство и V = Sф Z — ортогональное разложение, тогда по теореме Пифагора любой замкнутый шар с центром в нулевом элементе в e V инвариантен относительно отображения nz. Это свойство может не выполняться, если V — банахово пространство. Однако, линейное пространство V можно наделить топологией с помощью эквивалентной нормы, в которой любой замкнутый шар с центром в в является nz -инвариантным. Для этого норму любого элемента / = s + z e V = S ф Z можно определить так: ||/||у = ||s||y + ||z||y. Эта норма эквивалентна исходной по теореме Банаха об открытом отображении. Поэтому требование инвариантности множества U относительно отображения nz в теореме 7 не является слишком ограничительным в этом случае.

Пример. Пусть V = Wp, 1 < p < то. Полагаем в обозначениях теоремы 6 Lk(/) = /(zk), / e Wp k = 0 , 1,..., N. Пусть Z := ker Li П ... П ker LN, S — его алгебраическое дополнение такое, что V = S ф Z. Множество

/k (t) = sin!iZk = 2- Г (zk-i)dr, t e C; k = 1,..., N (31)

n(zk - t) 2n j-n

— линейно независимая система элементов в Wp при любом p e (1, то), поскольку таковой является конечная система экспонент с различными показателями. Непосредственная проверка показывает, что Lk(/k) = 0, k = 1,...,N, поэтому F = {/k, k = 1,...,N} С S. Отсюда, учитывая, что S — линейное подпространство размерности N в V, заключаем,

что система F — базис в S. Для множества U, удовлетворяющего условиям теоремы 7, формула (25) позволяет найти оптимальный линейный алгоритм.

3°. Конструкция многочленов Чебышева. Для определенного класса случаев можно конструктивно построить многочлены Чебышева (в терминологии §3, 1°) тогда, когда связанные друг с другом оптимальный линейный алгоритм и многочлен Чебышева являются единственными. Из теоремы 7 вытекает следующее дополнение к теореме 4.

Теорема 8. Пусть в обозначениях теорем 4 и 7 T : V ^ B — алгебраический изоморфизм векторного пространства V в нормированное пространство B, причем и V, и B рассматриваются над одним и тем же полем K, где K = R или C. Кроме того, полагаем S — алгебраическое дополнение множества Z (см. (22)) в разложении V = S ф Z; {/i,...,/n} — базис в S, а шар U = {/ G V : ||/||V ^ R} — множество, инвариантное относительно отображения (см. (23), (24)). Если сопряженное пространство B' является строго выпуклым, то существует единственный оптимальный линейный алгоритм A0 вида (21), определяемый формулой (25), a A0 оT-1 — единственный многочлен Чебышева.

Теорема 8 дает критерий нахождения конструктивных формул оптимального линейного алгоритма и многочлена Чебышева, в частности, для пространств V, W,p, 1 < p < ж (см. теоремы 5, 6). В первом случае базисом является, например, система функций (31), а во втором — система двусторонних интерполяционных последовательностей c(/fc), k = 1,..., N тех же функций (см. (6)).

Авторы искренне признательны П. Кусису, поддержавшему одну из целей этой статьи -для пространства Wp,p = 2 найти полный аналог теоремы Пэли-Винера, В.П. Хавину, В.Л. Левину - за конструктивные замечания, связанные с некоторыми ее результатами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Винер Н., Пэли Р. Преобразование Фурье в комплексной области. Наука. М. 1964. 268 с.

2. M/ Plancherel, G. Polya Fonctions entières et intégrales de Fourier multiples I // Commentarii mathematici Helvetici. V. 9. 1937. P. 224-248.

3. L.S. Maergoiz An Analogue of the Paley-Wiener Theorem for Entire Functions of Class Wp, 1 < p < 2 and Some Applications // Computational Methods and Function Theory. V. 6, № 2. 2006. P. 459-469.

4. Маергойз Л.С. Оптимальная ошибка экстраполяции с конечного множества в классе Винера // Сиб. мат. журн. Т. 41, № 6. 2000. C. 1363-1375.

5. L. Maergoiz, N. Tarkhanov Recovery from a Finite Set in Banach Spaces of Entire Functions Preprint 2006/19 ISSN 1437-739X. Institut fur Mathematik Uni Potsdam. 2006. 16 p.

6. Хёрмандер Л. Анализ линейных дифференциальных операторов с частными производными, I. Мир. М. 1986. 464 с.

7. Зигмунд A. Тригонометрические ряды, I. Мир. М. 1965. 616 с.

8. M. Plancherel, G. Polya Fonctions entières et intégrales de Fourier multiples, II // Commentarii mathematici Helvetici. V. 10. 1938. P. 110-163.

9. B.Ya. Levin. Lectures on Entire Functions. Translation of mathematical monographs. V. 150. AMS, Providence, R.I. 1996. 248 p.

10. Абанин А.В., Налбандян Ю.С., Шабаршина И.С. Продолжение бесконечно дифференцируемых функций до целых функций с заданными оценками роста и теоремы типа Пэли-Винера-Шварца // Владикавказский мат. журн. Т. 6, № 2. 2004. С. 3-9.

11. Привалов А.А. Граничные свойства аналитических функций. ГИТТЛ, М.-Л. 1950. 336 с.

12. C.A. Micchelli, T.J. Rivlin Lectures on optimal recovery // Lect. Notes Math. V. 1129. 1985. P. 21-93.

13. Магарил-Ильяев Г.Г., Тихомиров В.М. Выпуклый анализ и его приложения Эдиториал УРСС. Москва. 2000. 176 с. [G. G. Magaril-Il'yaev, V.M. Tikhomirov Convex analysis: Theory

and Applications Translations of Mathematical Monographs. V. 222. AMS. Providence. R.I. 2003. 184 p.]

14. K.Yu. Osipenko Optimal Recovery of Analytic Functions. Nova Science Publishers. Inc. Huntington. New York. 2000. 185 p.

15. Ахиезер Н.И. Лекции по теории аппроксимации. Наука. М. 1965. 408 с.

16. Канторович Л.В., Акилов Г.П. Функциональный анализ. Наука. М. 1977. 744 с.

17. R.R. Phelps Convex Functions, Monotone Operators and Differentiability. Lecture Notes in Mathematics. V. 1364. Springer-Verlag. New York-Berlin. 1988. 121 p.

18. Дэй М.М. Нормированные линейные пространства. ИИЛ. М. 1961. 235 с.

19. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. Наука. М. 1966. 576 с.

Лев Сергеевич Маергойз,

Сибирский федеральный университет,

пр. Свободный, 82

660036, г. Красноярск, Россия

E-mail: [email protected]

Николай Николаевич Тарханов, Institute for Mathematics University of Potsdam, Am Neuen Palais 10, 14469 Potsdam, Germany E-mail: [email protected]