УДК517.982
СТРУКТУРА ОПТИМАЛЬНОГО ИНТЕРПОЛЯЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА В ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫХ ТРОЙКАХ ПРОСТРАНСТВ
p-СУММИРУЕМЫХ ФУНКЦИЙ
А. И. Ефимов
Для пространствp-суммируемых функцийA,B,C,D,E, на которые наложены некоторые допол-нительные ограничения, найден явный вид банахова пространства F(E) такого, что тройка про-странствA,B,Eинтерполяционна относительно тройки пространствC,D,F тогда и только тогда, когда пространствоF(E)вложено в пространствоF.
Ключевые слова:оптимальное интерполяционное пространство, интерполяционная орбита,
про-странство суммируемых функций.
В настоящей статье найден явный вид банахова пространства, которое является оп-тимальным интерполяционным пространством, как это понимается в [1], для некоторых интерполяционных троек пространствp-суммируемых функций.
Определение 1.ПустьA,B иC,D— две банаховы пары,E иF — промежуточные пространства междуA и B,C иD соответственно. Тройка(A, B, E) называется интер-поляционной относительно тройки(C, D, F),если для каждого ограниченного оператора из парыA,B в паруC,D его сужение наE является ограниченным из E вF.
Теорема 1 [1, с. 40]. Пусть E — промежуточное пространство для банаховой па-ры A, B, а C,D — другая банахова пара. Существует промежуточное для пары C, D пространство F(E), обладающее тем свойством, что тройка A, B, E интерполяционна относительно тройкиC,D,F тогда и только тогда, когда F(E)⊆F.
Такое пространство F(E) называют оптимальным интерполяционным простран-ством.
Под пространством p-суммируемых функций будем понимать:
Определение 2. Пространством Lp(0,+∞) p-суммируемых функций на полуоси
[0,+∞) будем называть совокупность классов эквивалентности функций
f(x) : kfkL1(0,+∞)=
+∞
Z
0
|f(x)|pdx
1
p
<+∞.
Определение 3. Пространством Lp(a(x),(0,+∞)) p-суммируемых функций на по-луоси [0,+∞) с весом a(x) >0 будем называть совокупность классов эквивалентности функций
f(x) : kfkL1(a(x),(0,+∞)) =
+∞
Z
0
|f(x)|pap(x)dx
1
p
<+∞.
c
Для нахождения оптимального интерполяционного пространства воспользуемся тео-рией орбит, в частности, работой [3] Гуннара Спарра. ОпределимK-функционал так же, как и в [2]:
Определение 4. K-функционалом элемента x∈A+B,где A,B — банахова пара, называется:
K(t, x;A, B) = inf
x=x1+x2{k
x1kA+tkx2kB}, t >0.
Определение 5. K-орбитой элемента a∈X1+X2 в Y1+Y2 называется KOrb(a; (X1, X2)→(Y1, Y2)) =
½
y∈Y1+Y2 : sup t>0
K(t, y;Y1, Y2) K(t, a;X1, X2)
<+∞
¾
,
гдеX1,X2 и Y1,Y2 — две банаховы пары. При этом можно рассматривать
KOrb(a; (X1, X2)→(Y1, Y2))
как банахово пространство с нормой
kykKOrb(a) = sup
t>0
K(t, y;Y1, Y2)
K(t, a;X1, X2) .
Определение 6. Орбитой элемента a∈X1+X2 в Y1+Y2 называется
Orb(a; (X1, X2)→(Y1, Y2)) ={y∈Y1+Y2 : (∃T ∈L((X1, X2),(Y1, Y2))) T a=y},
гдеX1,X2 и Y1,Y2 — две банаховых пары.
Замечание 1.ПустьE — промежуточное пространство для банаховой парыX1,X2 иa∈E.Тогда можно рассматривать
Orb(a; (X1, X2)→(Y1, Y2))
как банахово пространство с нормой
kykOrb(a) = inf©
kTkL((X1,X2),(Y1,Y2)): T ∈L((X1, X2),(Y1, Y2)), T a=ykakE ª
.
Далее будем рассматривать орбиту как банахово пространство с нормой k · kOrb(a). Определение 7. K(p1,p2)-функционалом элементаx∈A+B,гдеA и B — банахова
пара, называется:
K(p1,p2)(t, x) =K(p1,p2)(t, x;A, B) = inf
x=x1+x2{k
x1kpA1+tkx2k p2
B}, t >0.
В работе [3] было доказано:
Теорема 2 [3, с. 240–244]. Если Lp1a(X, µ), Lp2b(X, µ) и Lp1c(X, ν),Lp2d(X, ν) — две
банаховых пары, где 16p1,p2 <+∞, и x∈Lp1a(X, µ) +Lp2b(X, µ), то
y∈Orb(x; (Lp1a(X, µ), Lp2b(X, µ))→(Lp1c(X, ν), Lp2d(X, ν)))
тогда и только тогда, когда
и
f2(x) =
(
0 ∀x: ap(x)> 1t, f(x) ∀x: ap(x)< 1t.
Тогда
K(p,p)(t, f(x);Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞)))
=
+∞
Z
0
|f1(x)|pdx+t +∞
Z
0
|f2(x)|pap(x)dx=
Z
Q1(t)
|f(x)|pdx+t
Z
Q2(t)
|f(x)|pap(x)dx. ⊲
Следствие 1. Пусть функция a(x)>0 монотонно убывает для любогоx∈(0,+∞). Тогда, если для любого положительного значения переменной x выражениеtap(x) при-нимает значение меньше 1, то
K(p,p)(t, f(x);Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞)))
=t +∞
Z
0
|f(x)|pap(x)dx=tkf(x)kpL
p(a(x),(0,+∞))
и
K(p,p)(t, f(x); Lp(0, +∞), Lp(a(x), (0, +∞))) = a−1(1
tp)
Z
0
|f(x)|pdx+t +∞
Z
a−1(1
tp)
|f(x)|pap(x)dx
в противном случае.
Следствие 2. Пусть функцияa(x)>0 монотонно возрастает∀x∈(0, +∞). Тогда, если для любого положительного значения переменнойx выражениеt·ap(x)принимает значение больше1, то
K(p,p)(t, f(x);Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0, +∞))) = +∞
Z
0
|f(x)|pdx=kf(x)kpL p(0,+∞)
и
K(p,p)(t, f(x);Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞))) = +∞
Z
a−1(1
tp)
|f(x)|pdx+t a−1(1
tp)
Z
0
|f(x)|pap(x)dx
в противном случае.
Лемма 4. Пусть E — промежуточное пространство для банаховой парыA,B, а C, D— другая банахова пара. Тогда пространство
F(E) = [
a∈E
Orb(a; (A, B)→(C, D))
обладает тем свойством, что тройка (A, B, E) интерполяционна относительно тройки
⊳ОбозначимOrb(a) := Orb(a; (A, B)→(C, D)).
Пространство F(E) содержит все элементы вида T x, где x ∈ E и T ∈ L(AB, CD). Значит, тройка (A, B, E) является интерполяционной относительно тройки(C, D, F(E))
и, если F(E)⊂F,то тройка(A, B, E) интерполяционна относительно (C, D, F). По построению пространство F(E) состоит из элементов вида
y=X
i yi,
X
ai∈E
kyikOrb(ai) <+∞, yi=Tiai, Ti ∈L(AB, CD).
При этом будем считать, что kaikE = 1.Этого всегда можно добиться, так как из yi = Ti∗a∗i следует yi = Tiai, kaikE = 1, где ai = ka∗1
ikEa
∗
i и Ti = kai∗kE ·Ti∗. Покажем теперь, что если тройка(A, B, E)интерполяционна относительно тройки(C, D, F),тоF(E)⊂F.
По определению нормы в Orb(ai) найдется оператор Ti ∈L(AB, CD)такой, что
kTikL(AB,CD) 6kyikOrb(ai)+ 1 2i. Поэтому
X
i
kyikF =
X
i
kTiaikF 6
X
i
kTikE→FkaikE =
X
i
kTikE→F
6CX
i
kTikL(AB,CD) 6CX i
µ
kyikOrb(ai)+ 1 2i
¶
=C
Ã
1 +X
i
kyikOrb(ai)
!
<+∞
и, следовательно,y∈F.Таким образом,F(E)⊂F.
Лемма 5. Пусть X1, X2 и Y1, Y2 — две банаховых пары и a ∈ X1 +X2, a 6= 0, y∈Y1+Y2,y 6= 0. тогда следующие утверждения равносильны:
(1) sup
t>0
K(t, y;Y1, Y2) K(t, a;X1, X2)
<+∞;
(2) lim
t→0
K(t, y;Y1, Y2) K(t, a;X1, X2)
<+∞ и lim
t→+∞
K(t, y;Y1, Y2) K(t, a;X1, X2)
<+∞.
⊳Так как, согласно [2], K-функционал представляет собой положительную и
непре-рывную функцию переменнойt >0,то функция f(t) = K(t, y;Y1, Y2)
K(t, a;X1, X2)
также будет непрерывна для любогоt >0.Из сказанного следует, что на любом отрезке
[t1, t2],0< t1 < t2,функцияf(t) является ограниченной.
Пусть выполняется первое утверждение. Предположим, что при этом не выполняется второе. Не нарушая общности рассуждений, можно считать
lim
t→0f(t) = limt→0
K(t, y;Y1, Y2) K(t, a;X1, X2)
= +∞.
Отсюда следует, что существует монотонно убывающая последовательность положитель-ных чисел{un}∞n=1 такая, что
lim
n→∞f(un) = +∞. Поэтому
(∃n∈N)f(un)>sup
t>0
K(t, y;Y1, Y2)
что является невозможным, т. е. предположение о несправедливости второго утвержде-ния привело нас к противоречию.
Пусть теперь выполняется второе утверждение, покажем, что тогда выполняется и первое. Обозначим
A= lim
t→0
K(t, y;Y1, Y2)
K(t, a;X1, X2) <+∞, B = limt→+∞
K(t, y;Y1, Y2)
K(t, a;X1, X2) <+∞,
тогда для фиксированного ε > 0 существует h > 0 такое, что для любого t ∈ (0, h)
выполняетсяf(t)< A+εи для того же самогоεсуществуетl >0такое, что при любом t ∈ (l,+∞) выполняется f(t) < B+ε. Кроме того, как сказано выше, ∃C > 0 : ∀t ∈
[h, l], f(t)< C.Таким образом,
sup
t>0
K(t, y;Y1, Y2)
K(t, a;X1, X2) <max (A+ε, B+ε, C)<+∞,
что и завершает доказательство.⊲
Кроме того, так как функционалK(p1,p2)также представляет собой положительную и
непрерывную функцию переменнойt > 0,то дословно повторяя выкладки предыдущей леммы получим:
Следствие 3. Пусть X1, X2 и Y1,Y2 — две банаховых пары и a ∈X1+X2,a 6= 0, y∈Y1+Y2,y6= 0. Тогда следующие утверждения равносильны:
(1) sup
t>0
K(p1,p2)(t, y;Y1, Y2) K(p1,p2)(t, a;X1, X2)
<+∞;
(2) lim
t→0
K(p1,p2)(t, y;Y1, Y2)
K(p1,p2)(t, a;X1, X2)
<+∞ и lim
t→+∞
K(p1,p2)(t, y;Y1, Y2)
K(p1,p2)(t, a;X1, X2)
<+∞.
Лемма 6. Пусть f(x) > 0, g(x) > 0, h(x) > 0 при любом x > 0, и функции f(x)
и g(x) интегрируемы по Лебегу на интервале (0, v) для любого v > 0, а функция h(x)
непрерывная и монотонно убывающая на(0,+∞).Если существуетD >0такое, что для любогоv >0
v
Z
0
f(x)dx6D v
Z
0
g(x)dx,
то
v
Z
0
f(x)h(x)dx6D v
Z
0
g(x)h(x)dx (∀v >0).
⊳ Обозначим
A+(v) :={x∈(0, v] : D·g(x)−f(x)>0},
A−(v) :={x∈(0, v] : D·g(x)−f(x)<0}.
Можно представить множества A+(v) и A−(v) в виде следующих объединений измери-мых множеств
A+(v) =
à [
i
A+i (v)
! [
B+(v) и A−(v) =
à [
i
A−i (v)
! [
B−(v),
где
и Z
A+i(v)
(Dg(x)−f(x))dx>
Z
A− i(v)
(f(x)−Dg(x))dx,
а множестваB+(v) иB−(v) имеют нулевую меру. Тогда h(supA+i (v))
Z
A+i(v)
(Dg(x)−f(x))dx>h(infA−i (v))
Z
A− i (v)
(f(x)−Dg(x))dx ⇒
Z
A+
i(v)
(Dg(x)−f(x))h(x)dx>
Z
A− i (v)
(f(x)−Dg(x))h(x)dx ⇒
Z
A+(v)
(Dg(x)−f(x))h(x)dx>
Z
A−(v)
(f(x)−Dg(x))h(x)dx ⇒
Z
A−(v)
f(x)h(x)dx+
Z
A+(v)
f(x)h(x)dx6
Z
A+(v)
Dg(x)h(x)dx+
Z
A−(v)
Dg(x)h(x)dx ⇒
v
Z
0
f(x)h(x)dx6D v
Z
0
g(x)h(x)dx. ⊲
Сформулируем основной результат работы и проведем его доказательство.
Теорема. Пусть a(x), b(x), d(x) — дифференцируемые монотонно убывающие на
[0,+∞) функции такие, что
lim
x→+∞a(x) = 0, x→+∞lim b(x) = 0, x→+∞lim d(x) = 0 a(0) = 1, b(0) = 1, d(0) = 1
и для каждогоx > 0 справедливо b(x)6 d(x) 61. Обозначимc(x) =d(b−1(a(x))). При p>1тройка пространств
(Lp(0,+∞), Lp(b(x),(0,+∞)), Lp(d(x),(0,+∞)))
является интерполяционной относительно тройки
(Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞)), F)
тогда и только тогда, когда
Lp(c(x),(0,+∞))⊆F,
гдеF — банахово пространство. Т. е. пространствоLp(c(x),(0,+∞))является оптималь-ным интерполяционоптималь-ным пространством.
⊳ Согласно лемме 4, оптимальное интерполяционное пространство можно
рассмат-ривать как сумму орбит
Orb(g(x) : (Lp(0,+∞), Lp(b(x),(0,+∞)))→(Lp(0,+∞), L1(a(x),(0,+∞))))
элементов g(x) пространства E = Lp(d(x),(0,+∞)), которое для краткости обозначим
S
g(x)∈E
и
˜
g(x) = ˜f(a−1(b(x)))((a−1(b(x)))′)1p.
Рассмотрим оператор T˜: g(x)→f(x),гдеf(x) — такая функция, что
g(x) =f(a−1(b(x)))((a−1(b(x)))′)1p.
Так как для норм выполняются следующие равенства:
kT g˜ (x)kpL
p(0,+∞)=
+∞
Z
0
|f(x)|pdx=
+∞
Z
0
|f(a−1(b(x)))|p(a−1(b(x)))′dx=kg(x)kpL p(0,+∞)
и
kT g˜ (x)kpL
p(a(x),(0,+∞)) =
+∞
Z
0
|f(x)|pap(x)dx
=
+∞
Z
0
|f(a−1(b(x)))|p(a−1(b(x)))′bp(x)dx=kg(x)kpL
p(b(x),(0,+∞)),
то оператор T˜ является непрерывным как действующий из банаховой пары Lp(0,+∞),
Lp(b(x),(0,+∞))в банахову паруLp(0,+∞),Lp(a(x),(0,+∞))с нормой равной единице. Так какT˜g˜(x) = ˜f(x),то ˜g(x)∈E.
Тогда
kf˜(x)kSOrb(g(x))6kf˜(x)kOrb(˜g(x))
6kT˜k˜g(x)kEkL((Lp(0,+∞),Lp(b(x),(0,+∞))),(Lp(0,+∞),Lp(a(x),(0,+∞))))
=kg˜(x)kE =
+∞
Z
0
|f˜(a−1(b(x)))|p(a−1(b(x)))′dp(x)dx
1
p
=kf˜(x)kLp(c(x),(0,+∞)).
Тем самым, доказано вложение Lp(c(x),(0,+∞)) в оптимальное интерполяционное пространство.
Покажем теперь, что сумма орбит
Orb(g(x) : (Lp(0,+∞), Lp(b(x),(0,+∞)))→(Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞))))
по всемg(x)∈Lp(d(x),(0,+∞))вложена в пространствоLp(c(x),(0,+∞)). Покажем, что для любой функции
g(x)∈Lp(d(x),(0,+∞))
орбита
Orb(g(x) : (Lp(0,+∞), Lp(b(x),(0,+∞)))→(Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞))))
вложена вLp(c(x),(0,+∞)). Возьмем функциюf(x),принадлежащую орбите
Orb(g(x) : (Lp(0,+∞), Lp(b(x),(0,+∞)))→(Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞)))),
Следовательно,(∃D2) (∃u0) (∀u > v > u0) u
Z
v
|f(a−1(b(x)))|pbp(x)(a−1(b(x)))′bp(x)dx6D2 u
Z
v
|g(x)|pbp(x)dx.
Тогда, для любого измеримого множества A⊂(u0, +∞) получаем
Z
A
|f(a−1(b(x)))|pbp(x)(a−1(b(x)))′bp(x)dx6D2
Z
A
|g(x)|pbp(x)dx.
Следовательно, почти всюду на интервале (u0, +∞) выполняется
|f(a−1(b(x)))|pbp(x)(a−1(b(x)))′bp(x)6D2|g(x)|pbp(x) ⇒ |f(a−1(b(x)))|pbp(x)(a−1(b(x)))′ 6D2|g(x)|p ⇒
|f(a−1(b(x)))|p(a−1(b(x)))′dp(x)6D2|g(x)|pdp(x).
Из этого следует, что u
Z
u0
|f(a−1(b(v)))|p(a−1(b(v)))′dp(v)dv 6D2 u
Z
u0
|g(v)|pdp(v)dv,
a−1(b(u)) Z
v0
|f(x)|pcp(x)dx6D2 u
Z
u0
|g(v)|pdp(v)dv,
гдеv0 =a−1(b(u0))и, переходя к пределу приu→ ∞,получим +∞
Z
v0
|f(x)|pcp(x)dx6D2 +∞
Z
u0
|g(v)|pdp(v)dv 6D2kgkLp(d(x),(0,+∞))<+∞.
А для интеграла v0
Z
0
|f(x)|pcp(x)dx6
v0 Z
0
|f(x)|pdx= 1
ap(v 0)
v0 Z
0
|f(x)|pap(v0)dx
6 1
ap(v 0)
v0 Z
0
|f(x)|pap(x)dx6 1
ap(v 0)k
fkLp(a(x),(0,+∞))<+∞.
Это означает, что f(x) ∈ Lp(c(x),(0,+∞)). Покажем теперь, что норма орбиты g(x) мажорируется нормой пространстваLp(c(x),(0,+∞)),т. е.
∃C >0 : k · kOrb(g(x))6Ck · kLp(c(x),(0,+∞)).
Предположим, что это не так, тогда существует последовательность{yn}∞n=1 элементов пространства Lp(c(x),(0,+∞))такая, что
kynkOrb(g(x)) 6
1
Обозначим
f =
∞
X
n=1
|yn|
kynkLp(c(x),(0,+∞))
и проверим, чтоf является элементом орбиты
kfkOrb(g(x))6
∞
X
n=1
kynkOrb(g(x))
kynkLp(c(x),(0,+∞)) 6
∞
X
n=1
1 2n = 1.
При этом,
kfkpL
p(c(x),(0,+∞))=
+∞
Z
0
à ∞
X
n=1
|yn(x)|
kynkLp(c(x),(0,+∞))
!p
cp(x)dx
>
∞
X
n=1 +∞
Z
0
|yn(x)|p
kynkpLp(c(x),(0,+∞))
cp(x)dx=
∞
X
n=1
kynkpLp(c(x),(0,+∞))
kynkpLp(c(x),(0,+∞))
=
∞
X
n=1
1 = +∞,
т. е. f не является элементом пространства Lp(c(x),(0,+∞)). Что противоречит дока-занному выше. Следовательно,
∃C >0 : k · kOrb(g(x)) 6Ck · kLp(c(x),(0,+∞)).
Поэтому справедливо вложение орбиты элементаg(x) в пространство Lp(c(x),(0,+∞)). Тогда, согласно [1, с. 29–31], сумма орбит
Orb(g(x) : (Lp(0,+∞), Lp(b(x),(0,+∞)))→(Lp(0,+∞), Lp(a(x),(0,+∞)))),
по всемg(x)∈Lp(d(x),(0,+∞))вложена в пространствоLp(c(x),(0,+∞)).⊲
Литература
1. Крейн С. Г., Петунин Ю. И., Сем¨енов Е. М.Интерполяция линейных операторов.—М.: Наука, 1978.—400 с.
2. Берг Й, Л¨ефстр¨ем Й.Интерполяционные пространства.—М.: Мир, 1980.—264 с. 3. Sparr G.Interpolation of weightedLpspaces // Studia Math.—1978.—Vol. 62.—P. 229–271.
Статья поступила 19 августа 2008 г.
Ефимов Анатолий Иванович
Южный федеральный университет,
ст. преп. каф. теории функций и функцион. анализа, РОССИЯ, 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Мильчакова, 8-А; Южный математический институт ВНЦ РАН и РСО-А, ст. науч. сотр. лаб. вещественного анализа
