Научная статья на тему 'Об отсутствии аналогов теоремы Бореля для квазианалитических классов'

Об отсутствии аналогов теоремы Бореля для квазианалитических классов Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
108
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
бесконечно дифференцируемые функции / квазианалитические классы / теорема Бореля / Infinitely differentiable functions / quasianalytic classes / Borel's theorem

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Абанин Александр Васильевич

Изучается проблема восстановления бесконечно дифференцируемых функций из квазианалитических классов по значениям ее последовательных производных в фиксированной точке. Доказано, что для квазианалитических классов Берлинга и Румье аналоги теоремы Бореля места не выполняются.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The problem of reconstruction of infinitely differentiable functions from quasianalytic classes by values of its sequential deriv-atives in a fix point is studied. It is proved that there are not analogs of Borel's theorem for quasianalytic classes of Beurling and Roumieu.

Текст научной работы на тему «Об отсутствии аналогов теоремы Бореля для квазианалитических классов»

УДК 517.22

ОБ ОТСУТСТВИИ АНАЛОГОВ ТЕОРЕМЫ БОРЕЛЯ ДЛЯ КВАЗИАНАЛИТИЧЕСКИХ КЛАССОВ

© 2010 г. А.В. Абанин

Южный федеральный университет, ул. Мильчакова, 8а, г. Ростов н/Д, 344090, abanin@math. sfedu.ru

Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН ул. Маркуса, 22, г. Владикавказ, 362027, [email protected]

Southern Federal University, Milchakov St., 8a, Rostov-on-Don, 344090, abanin@math. sfedu.ru

South Mathematical Institute of Vladikavkaz Scientific Centre RAS Marcus St., 22, Vladikavkaz, 362027, [email protected]

Изучается проблема восстановления бесконечно дифференцируемых функций из квазианалитических классов по значениям ее последовательных производных в фиксированной точке. Доказано, что для квазианалитических классов Берлинга и Румье аналоги теоремы Бореля места не выполняются.

Ключевые слова: Бесконечно дифференцируемые функции, квазианалитические классы, теорема Бореля.

Resume: The problem of reconstruction of infinitely differentiable functions from quasianalytic classes by values of its sequential derivatives in a fix point is studied. It is proved that there are not analogs of Borel's theorem for quasianalytic classes of Beurling and Roumieu.

Keywords: Infinitely differentiable functions, quasianalytic classes, Borel's theorem.

Пусть К=Я или К=С, N е N N=N^{0} и XcKN. Символом Е(X) будем обозначать пространство всех функций /. Х^С с топологией поточечной сходимости, а 5 - пространство всех последовательностей комплексных чисел с топологией покоординатной сходимости.

Всюду далее предполагаем, что X - такое множество в К, что начало принадлежит X и является предельной точкой пересечения X с каждой координатной прямой К*. Рассмотрим какое-либо линейное (над полем С) пространство Е^) функций, бесконечно дифференцируемых в нуле (в вещественном для К=Я и в комплексном для К=С смысле), и образуем оператор сужения р : / е Е^) а (/(а)(0))яе^ е ^.

Классическая теорема Бореля [1, 2] утверждает, что если X=RN и E(X)=е(RN) - пространство всех бесконечно дифференцируемых в ^ функций, то оператор р : е(^) а ^ сюръективен. Задаче о справедливости аналогов теоремы Бореля для различных пространств бесконечно дифференцируемых функций посвящено значительное число работ (см., в частности, [3-8]). Практически все они посвящены случаю классов Е^), неквазиана лирических в нуле. Напомним, что класс Е^) называется неквазианалити-ческим в нуле, если в нем имеется такая отличная от тождественного нуля функция /, что / (а)(0) = 0 при

N

всех аем0 , и квазианалитическим - в противном случае. В статье Ю.И. Любича и В.А. Ткаченко [9] был получен ряд результатов отрицательного характера для квазианалитических классов Е([0,1]), которые могут быть наделены топологиями пространств Фреше. В данной работе мы распространяем результаты из [9] на более широкий по топологическим свойствам

класс локально выпуклых пространств и ослабляем некоторые ограничения, использованные в [9].

Условимся обозначать через (Е,т) топологическое

пространство Е с топологией т. Напомним, что ультра-борнологическим пространством называют индуктивный предел семейства пространств Фреше. Далее говорят, что для локально выпуклого пространства (Е,т)

имеет место теорема о замкнутом графике, если всякое линейное отображение произвольного отделимого ульт-раборнологического пространства в (Е, т), имеющее замкнутый график, непрерывно.

Пусть Е - некоторое линейное подпространство в 5. Если fрE(X))зЕ, то имеется оператор е: ЕаЕ^), который является правым обратным к р в том смысле, что р°е= ¡ё:ЕаЕ, где ¡ё - тождественный оператор. Любой из таких операторов е: ЕаЕ^ будем называть оператором продолжения (из Е в Е^)). В общем случае такой оператор определяется неоднозначно, поскольку р^({0}) может быть нетривиальным подпространством в Е^). Однако в квазианалитическом случае оператор продолжения, очевидно, единственен. Более того, в силу линейности и инъективно-сти р он линеен. В самом деле, если с, ё е Е и Я, / е С, то из линейности оператора р следует, что р(е(Лс + /ё)-Ле(с)-/е(ё)) = Лс-Лс=0, а тогда, с учетом инъективности е (в силу квазианалитичности Е(X)) получаем, что е(Лс + /) = =Яе(с) +/е(ё), что и требовалось. Справедлива следующая

Лемма. Допустим, что в Е^) и Е заданы отделимые локально выпуклые топологии т и £, которые удовлетворяют следующим условиям:

а) линейные функционалы f a f (а)(0) непрерывны на (E(X), т) при любом a G N0n;

б) для (E(X), т) справедлива теорема о замкнутом графике;

в) пространство (s,£) ультраборнологично и топология Ç мажорирует топологию покоординатной сходимости.

Тогда, если E ( X ) квазианалитично в нуле и p(E (X ) )з S , то оператор продолжения s : (S,£)a (E(X), т) непрерывен.

Доказательство. Пусть сеть (рр)^ элементов из

S такова, что c^a c в (s,£) и s(c^) a f в (E(X),т). Из условия а) следует, что оператор р действует непрерывно из (E(X), т) в sN . Поэтому (Р° s)(cp) a p(f ) в sN , то есть cв a p(f ) в sN . Поскольку £ мажорирует топологию покоординатной сходимости, которая отделима, и c^ a c в

(s, £), то c = р( f ). Отсюда в силу квазианалитичности E(X) заключаем, что f = s(c), и, значит, график оператора s : (S, £) a (E(X), т) замкнут. Остается использовать условия б) и в), из которых вытекает непрерывность этого оператора.

Замечание. Из теоремы Банаха-Штейнгауза следует, что условие а) выполнено, если пространство (((X),т) бочечно и топология т мажорирует топологию поточечной сходимости на X .

Пусть Я - некоторый естественный порядок в N0n. Именно, сначала идет нулевой индекс, затем группа индексов длины 1 и т. д. В каждой группе индексы перенумерованы некоторым фиксированным образом. Через N0,^n обозначим семейство N0n с данным порядком Я. Символ Т<а используем для

aeNcNi

обозначения ряда, в котором элементы <ра следуют

друг за другом в соответствии с порядком Я. Через АЯ (Y ) будем обозначать пространство всех функций, представимых в Y с KN своим рядом Тейлора с центром в нуле относительно данного порядка Я в N0n.

Положим DX = XU| U(xgKN :|xk \<\ak |,1 <k<N}|.

Тогда, если класс Е (X) квазианалитичен в нуле и р(Е (X ))зЕ, то Ъ^р{Ая(Бх)).

Доказательство. Символами Е' и Е'(Х) обозначим сопряженные с (Е,^) и (Е(X),т) пространства линейных непрерывных функционалов, а символами с(Е, Е') и с(Е( X), Е' (X)) - соответствующие слабые топологии в Е и Е(X).

Пусть с = (са)абЫи 6 Е . Так как по условию в) топология ^ мажорирует в Е топологию покоординатной сходимости, то функционалы еа': с а са непрерывны на (Е, . Отсюда, учитывая, что по условию д) орты (еа)абЫ1^л образуют слабый топологический

базис в (е, £), получаем, что имеет место естественное разложение

с = Xсаеа ,

аеМ^

(1)

сходящееся в топологии ст(е, Е'). Далее, очевидно,

что

Р

f а

а!

при всех а e N0 . Отсюда, из ква-

Ясно, что DX - область Рейнхарта с центром в нуле.

Теорема 1. Пусть пространства Е(X) и Е таковы, что в них имеются отделимые локально выпуклые топологии т и ^, удовлетворяющие условиям а)-в) леммы. Предположим, что дополнительно известно, что

г) топология т мажорирует топологию поточечной сходимости в Е(X) и Е^) содержит все полиномы;

д) орты (еа)абЫцгл пространства sN образуют слабый топологический базис в (Е, .

зианалитичности Е( X) и условий г) и д) следует, что

ха

е(еа) = — при всех а 6По лемме оператор а!

е : (Е, £) а (Е(X), т) непрерывен, а тогда он и слабо непрерывен. Поэтому из (1) и вышесказанного получаем разложение

ха

е(с)( х) = X с а 7, (2)

аб<я а!

сходящееся в с(Е (X), Е'( X)). По условию г) топология т мажорирует топологию поточечной сходимости в Е(X). Значит, функционалы 5х : / а /(х) принадлежат Е' (X) при любом х 6 X . Отсюда заключаем, что ряд в (2) сходится к е(с), по крайней мере, поточечно на X, а тогда он сходится и на DX . Следовательно, функция е(с) однозначно продолжается до функции из Ая (DX). При этом, как мы знаем, р(е(с)) = с, что завершает доказательство.

Положим OX := и {х 6 Кы :| хк |<| ак |,1 < к < Щ .

а6X

Ясно, что OX - открытое множество, которое является полной областью Рейнхарта и которое может оказаться пустым. Однако, если оно не пусто, то, как известно, любой сходящийся в OX степенной ряд с

центром в нуле сходится в OX абсолютно. Более того, он сходится обсолютно в логарифмически выпуклой оболочке LX множества OX. Из теоремы 1 получаем такой результат.

Следствие 1. Пусть выполнены все условия теоремы 1 и OX Ф 0 . Тогда, если класс Е (X) квазианалитичен в нуле и р(Е (X) )эЕ , то Еср(А(Lx))П р(Ал(X)).

= e

а

Если X открыто в К4, то X с OX . Тогда ультрадифференцируемых функций типа Бёрлинга, а

Ох = OX, и, значит, каждая функция из Лх(Ох), ем(К") - типа Румье. Будем писать а без скобок,

если какое-либо утверждение касается обоих типов пространств.

Говорят, что для еа(К") справедлив аналог тео-

независимо от порядка Я в N0 , допускает однозначное продолжение в Lх за счет того, что ее ряд Тейлора с центром в нуле автоматически сходится в Lх . Таким образом, для открытых в

К4

множеств справедливо следующее уточнение следствия 1.

Следствие 2. Пусть выполнены все условия теоремы 1 и X - открытое в множество. Тогда, если класс Е(X) квазианалитичен в нуле и р(Е(X)) з Е,

то Еср(Е( Lх)).

Для данного порядка Л в N0' введем дуальное с Е пространство

2л :=

: РЯД Z cada

NM

0 aeNt

сходится для любого (ca)

aeN0

e 2

Следствие 3. Пусть выполнены все условия след-

ствия

1. Если р£(Х))з2, то з! —: хeLX UX\.

В частности, если

( ^

a!

a!

i 2 л хотя бы при одном

aeN0N

х е Lх и X , то Е <£ р(Е(X)).

Рассмотрим конкретный пример. Пусть а : [0, да) а [0, да) - непрерывная возрастающая функция, для которой выполнены следующие условия: а(2/) = О(а(/)) при / ада ; 1п/ = о(а(/)) при / ада ; р( х):=а(ехр х) выпукла на [0, да). Положим р * (у) := 5ир{ху - р(х): х > 0};

I f (a)(x)|.

:= sup sup

If (a)(х)| .

"" ii/ N e"9f>(\a\/n)

\x\<naeNN e

:= sup sup

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

\x\<maeNN e

e(m)(RN ):={f e Cда ( Rn ): Vn \\f\\n <да} c{a}(RN) := {f e Cда(Rn): Vm 3n\

<*(n\a\)/n

< да

j.

:=ic = (ca )

aeNh

: Vn \ c \n := sup

\ ca \

aeN0N e

n<*(\a\/n)

<да)

\ ca \

= {»} := \ c = (ca )aeNN : 3n \ c I'» := ^ e<*(n\a\)/n

N

<да;

-'(ю)

помним, что

->(ю)

(Rn )

ремы Бореля, если оператор p:sm(R ) а ею сюръ-ективен.

Теорема 2. Пусть

ca(t) = o(t) при t ада ; (3)

Jt 2a(t)dt = да .

(4)

Тогда аналог теоремы Бореля не имеет места для

е®( К").

Доказательство. Из условия (4) по критерию Данжуа-Карлемана (см., напр., [10, с. 213]) следует, что класс еа(К") квазианалитичен. Ясно, что топология еа(К") мажорирует топологию поточечной сходимости в В", а топология еа - топологию покоординатной сходимости. Так как у = о(р*(у)) при у а+да, то К|а| = о(е^*(|а|/д)) при любых К > 1, q > 0 и а е N3". Поэтому все полиномы содержатся в еа(К"). Далее, как известно (см., напр., [10, 1.3.4(2), с. 21]), найдется такое L > 1, что (р*(у) > у + Lр*(y/L) -L при всех у > 0. Отсюда легко следует, что

= ic = (ca)a

: Vn Z \ ca \ e

n<*(\a\/n)

aeNN

<да\ ; (5)

Пространства е(а)(К") и ем(К") наделяются

своими естественными топологиями; первое относится к классу (Б8)-пространств, а второе является приведенным проективным пределом (БР8)-пространств (см. [10, § 6.1]). Соответствующие им пространства последовательностей комплексных чисел определяются так:

е{а} =\с = (Са)ае^ : 3" l " «4 , (6)

[ 0 ае"0 }

откуда, в свою очередь, вытекает, что орты (еа)ае^

образуют абсолютный базис в еа (на основании этого, в частности, заключаем, что порядок Я в N0" в данном случае значения не имеет). Наконец, по теореме Банаха-Гротендика-Райкова (см. [11, Приложение 1]) для еа(К") справедлива теорема о замкнутом графике. Из вышеизложенного следует, что для еа(К") в качестве Е^) и еа в качестве Е выполнены условия а)-в) леммы и г), д) теоремы 1.

Теперь заметим, что в силу (5), (6) дуальное с еа пространство описывается следующим образом:

£(ю) = i d = (da)aeNN : 3n \ sup ! da \ e"

I 0 aeNN

(\a\/ n)

аеЩ

наделяется топологией, задаваемой набором

норм (• |п а е{а} - естественной топологией внутреннего индуктивного предела. Первое является (Р8)-пространством, а второе - (БР8)-пространством. На-

называется пространством

<даЛ; (7)

е{а} =и = (ёа)^ : V» Sup|dаl е™'" <да\ . (8)

[ 0 ае^0 }

Из условия (3) имеем, что для любого е > 0 найдется такое Б > 0, что а(/) <е + Б при всех / > 0. По-

этому <р* (y) > sup(xy -sex)

х>0

- D =

У in y

- D, откуда с

да

1 *

учетом (7), (8) заключаем, что — Остается приме-

а!

нить следствие 3, чтобы завершить доказательство.

Примером веса а , удовлетворяющего всем условиям теоремы 2, является a(t) = t /Inq (2 +1),

0 < q < 1.

Литература

1. Borel E. Sur quelques points de la theorie des functions // Ann. Sci. Ec. Norm. Super. 3 Ser. 1895. Vol. 12. P. 9-55.

2. Нарасимхан Р. Анализ на действительных и комплексных многообразиях. М., 1971. 232 с.

3. Carleson L. On universal moment problem // Math. Scand. 1961. Vol. 9. P. 197-206.

4. Митягин Б. С. О бесконечно дифференцируемой функции с заданными значениями производных в точке // Докл. АН СССР. 1961. Т. 138. № 2. С. 289-292.

5. Meise R., Taylor B. A. Whitney's extension theorem for ultradifferentiable functions of Beurling type // Ark. Mat. 1988. Vol. 26. P. 265-287.

6. Petzsche H.-J. On Borel's theorem // Math. Ann. 1988. Vol. 282. P. 292-313.

7. Bonet J., Meise R., Taylor B. A. Whitney's extension theorem for ultradifferentiable functions of Roumieu type // Proc. Roy. Irish. Acad. 1989. Vol. 89A. P. 53-66.

8. Abanina D.A. On Borel's theorem for spaces of ultradiffe-rentiable functions of mean type // Results Math. 2003. Vol. 44. P. 195-213.

9. Любич Ю. И., Ткаченко В. А. О восстановлении бесконечно дифференцируемых функций по значениям их производных в нуле // Теория функций, функцион. анализ и их прил. 1969. Вып. 9. С. 134-141.

10. Абанин А. В. Ультрадифференцируемые функции и ультрараспределения. М., 2007. 224 с.

11. Робертсон А. П., Робертсон В. Дж. Топологические векторные пространства. М., 1967. 258 с.

Поступила в редакцию

15 апреля 2009 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.