Ж.Б. Муканов
Об интегрируемости с весом двойных тригонометрических рядов с коэффициентами из класса R+0BV S2
(Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан )
В работе рассмотрена следующая задача: найти необходимые и достаточные условия интегрируемости в p-той степени сумм двойных тригонометрических рядов с коэффициентами из класса R+0BV S2 с некоторым весом γ. В качестве решения наложены условия на коэффициенты {λn}, которые в зависимости от γ, являются достаточными или необходимыми.
В работе изучаются вопросы интегрируемости с весом рядов g(x, y) =
∞
X
j=1
∞
X
k=1
λjksinjxsinky (1)
и
f(x, y) =
∞
X
j=1
∞
X
k=1
λjkcosjxcosky (2)
Запишем следующее определение (см.[1]). Нуль-последовательность положительных чисел c := {cn} принадлежит классу R+0BV S, если неравенство P∞
n=m|cn−cn+1| ≤ K · cm справедливо для всех натуральных m. Класс таких последовательностей был введен Л.Лейндлером в [1].
Через g(x) и f(x) обозначим суммы рядов
∞
P
n=1
λnsinnx и
∞
P
n=1
λncosnx соответственно.
В работе [2] Тихонова рассмотрена следующая задача: найти необходимые и достаточные условия интегрируемости в p-той степени сумм синус- и косинус-рядов с весом γ. В качестве решения наложены условия на коэффициенты {λn}, которые, в зависимости от γ, являются достаточными или необходимыми. Эти результаты сформулируем в следующих двух теоремах.
Теорема A. Пусть {λn} ∈R+0BV S и 1≤p <∞.
1) Если последовательность {γn} удовлетворяет условию: существует ε1>0 такое, что последовательность {γnn−p−1+ε1} является почти убывающей, то условие
∞
X
n=1
γnnp−2λpn<∞ (3)
достаточно для выполнения условия
γ(x)|g(x)|p ∈L(0, π). (4)
2) Если последовательность {γn} удовлетворяет условию: существует ε2>0 такое, что последовательность {γnnp−1−ε2} является почти возрастающей, то условие (3) необходимо для выполнения условия (4).
Теорема Б.Пусть {λn} ∈R+0BV S и 1≤p <∞.
1) Если последовательность {γn} удовлетворяет условию: существует ε3>0 такое, что последовательность {γnn−1+ε3} является почти убывающей, то условие
∞
X
n=1
γnnp−2λpn<∞ (5)
достаточно для выполнения условия
γ(x)|f(x)|p∈L(0, π). (6)
2) Если последовательность {γn} удовлетворяет условию: существует ε4 >0 такое, что последовательность {γnnp−1−ε4} является почти возрастающей, то условие (5) необходимо для выполнения условия (6).
Функция γ(x) определяется по последовательности {γn} следующим образом: γ(π/n) :=
γn, n∈N, и существуют положительные константы A и B такие, что Aγn≤γ(x)≤Bγn+1
для x ∈ (π/(n+ 1), π/n). Последовательность положительных чисел γ := {γn} называется почти возрастающей (почти убывающей), если неравенство Cγn ≥ γm (γn ≤ Cγm) справедливо для всех натуральных n≥m.
Здесь и в дальнейшем через C будем обозначать положительные постоянные, вообще говоря, разные в различных формулах.
Нашей целью является распространение этих результатов на случай двойных рядов вида (1) и (2). Для начала введем необходимые определения.
Определение 1. Говорят, что последовательность положительных чисел a := {ajk}, удовлетворяющая условию ajk → 0 при j +k → ∞ принадлежит классу R+0BV S2, если выполняются неравенства
∞
X
j=m
∞
X
k=n
|∆11ajk| ≤Camn приm, n∈N
и ∞
X
j=m
|∆10ajk| ≤Camk при каждом фиксированном k,
∞
X
k=n
|∆01ajk| ≤Cajn при каждом фиксированномj, где
∆11ajk =ajk−aj+1,k−aj,k+1+aj+1,k+1,
∆10ajk =ajk−aj+1,k,
∆01ajk =ajk −aj,k+1.
Определение 2. Говорят, что последовательность положительных чисел γ := {γmn} почти возрастает (почти убывает), если для некоторой константы C и для всех натуральных m2≥m1, n2≥n1 выполнено неравенство
Cγm2n2 ≥γm1n1 (γm2n2 ≤Cγm1n1).
Определим функцию γ(x, y) по последовательности {γmn} следующим образом:
γπ m,π
n
=γmn ∀m, n∈N,
и существуют положительные константы A и B такие, что имеют место неравенства:
Aγmn≤γ(x, y)≤Bγm+1,n+1 ∀x∈ π
m+ 1, π m
, y∈
π n+ 1,π
n
Нами доказаны следующие теоремы.
Теорема 1. Пусть g(x, y) - сумма ряда (1), {λjk} ∈ R+0BV S2, 1 ≤ p < ∞, и последовательность положительных чисел {γjk} удовлетворяет условию: существуют некоторые ε1, ε2 > 0 такие, что последовательность {γjk · j−1+ε1} почти убывает при каждом фиксированном k, и последовательность {γjk ·k−1+ε2} почти убывает при каждом фиксированном j. Тогда из условия
∞
X
j=1
∞
X
k=1
γjk(jk)p−2·λpjk <∞ (7)
следует, что
γ(x, y)|g(x, y)|p ∈L(0, π)2 (8)
Теорема 2. Если последовательность γmn удовлетворяет условию: существуют ε3, ε4 >
0 такие, что последовательности {γmn mp−1−ε3} является почти возрастающей при фиксированном n, и последовательность {γmn np−1−ε4} является почти возрастающей при фиксированном m. То условие (7) необходимо для выполнения условия (8).
Теорема 3. Пусть f(x, y) - сумма ряда (2), {λjk} ∈ R+0BV S2, 1 ≤ p < ∞, и последовательность положительных чисел {γjk} удовлетворяет условию: существуют некоторые ε5, ε6 > 0 такие, что последовательность {γjk · j−1+ε5} почти убывает при каждом фиксированном k, и последовательность {γjk ·k−1+ε6} почти убывает при каждом фиксированном j. Тогда из условия
∞
X
j=1
∞
X
k=1
γjk(jk)p−2·λpjk <∞ (9) следует, что
γ(x, y)|f(x, y)|p ∈L(0, π)2 (10) Теорема 4. Если последовательность γmn удовлетворяет условию: существуют ε7, ε8 >
0 такие, что последовательности {γmn mp−1−ε7} является почти возрастающей при фиксированном n, и последовательность {γmn np−1−ε8} является почти возрастающей при фиксированном m. То условие (9) необходимо для выполнения условия (10).
Для доказательства этих теорем нам понадобятся следующие три леммы.
Лемма А.[3] Пусть {an≥0}, {λn≥0}, p≥1. Тогда верны следующие неравенства
∞
X
n=1
λn n
X
ν=1
aν
!p
≤pp
∞
X
n=1
λ1−pn apn
∞
X
ν=n
λν
!p
(11)
∞
X
n=1
λn
∞
X
ν=n
aν
!p
≤pp
∞
X
n=1
λ1−pn apn
n
X
ν=1
λν
!p
. (12)
Эти неравенства называются неравенствами типа Харди-Литтльвуда.
Лемма 1. Пусть {λjk} ∈ R+0BV S2 и g(x, y) - сумма ряда (1). Тогда имеет место неравенство
|g(x, y)| ≤C
m
X
j=1 n
X
k=1
λjk. (13)
при x∈h
π m+1,mπ
, y∈h
π n+1,πn
.
Лемма 2. Пусть {λjk} ∈ R+0BV S2 и f(x, y) - сумма ряда (2). Тогда имеет место неравенство
|f(x, y)| ≤C
m
X
j=1 n
X
k=1
λjk. (14)
при x∈h
π m+1,mπ
, y∈h
π n+1,πn
.
Доказательство леммы 1. Пусть x ∈ h
π m+1,mπ
, y ∈ h
π n+1,πn
. Представим сумму g(x, y) следующим образом
g(x, y) =
m−1
X
j=1 n−1
X
k=1
λjksinjxsinky+
∞
X
j=m n−1
X
k=1
λjksinjxsinky+
m−1
X
j=1
∞
X
k=n
λjksinjxsinky+
∞
X
j=m
∞
X
k=n
λjksinjxsinky=:S1+S2+S3+S4.
Оценим каждое слагаемое отдельно. Для S1 ясно, что
|S1| ≤
m−1
X
j=1 n−1
X
k=1
λjk.
Для оценки S4 сначала применим к ней преобразование Абеля [4].
M
X
j=m N
X
k=n
λjksinjxsinky=
M−1
X
j=m N−1
X
k=n
Dej(x)Dek(y)∆11λjk+
+
M−1
X
j=m
Dej(x)DeN(y)∆10λjN −
M−1
X
j=m
Dej(x)Den(y)∆10λjn+
+
N−1
X
k=n
DeM(x)Dek(y)∆01λM k−
N−1
X
k=n
Dem(x)Dek(y)∆01λmk+
+λM NDeM(x)DeN(y)−λmNDem(x)DeN(y)−λM nDeM(x)Den(y) +λmnDem(x)Den(y),
где Den(x) = Pn k=1
sinkx. Известно, что Den(x)
≤ Cx при x∈[0, π). Учитывая это, имеем
M
X
j=m N
X
k=n
λjksinjxsinky
≤ C xy
M−1
X
j=m N−1
X
k=n
|∆11λjk|+
+
M−1
X
j=m
|∆10λjN|+
M−1
X
j=m
|∆10λjn|+
N−1
X
k=n
|∆01λM k|+
N−1
X
k=n
|∆01λmk|+
+λM N+λmN +λM n+λmn)≤ C
xy (C2λmn+C2λmN +C2λmn+C2λM n+
+C2λmn+λM N +λmN +λM n+λmn) Переходя к пределу при M → ∞, N → ∞, получим
|S4| ≤ C3
xyλmn≤C4mnλmn≤C5
m
X
j=1 n
X
k=1
λjk.
Здесь мы учли, что последовательность {λjk} почти убывает. Это следует из условия принадлежности к классу R+0BV S2.
Для оценки S3 сначала заметим, что
S3 ≤
m−1
X
j=1
∞
X
k=n
λjksinky .
Далее на основании преобразования Абеля имеем
N
X
k=n
λjksinky =
N−1
X
k=n
(∆01λjk)Dek(y) +λjNDeN(y)−λjnDen−1(y).
Следовательно, учитывая оценку |Dk(y)| ≤ Cy (k≥1,0< y < π) и условие {λjk} ∈R+0BV S2, при устремлении N → ∞ получаем
N
X
k=n
λjksinky
≤ C y
N−1
X
k=n
|∆01λjk|+λjN −λjn
!
≤ C
y (C2λjn+λjN) Следовательно
∞
X
k=n
λjksinky
≤ C3
y λjn≤C4nλjn.
Поэтому, с учетом того, что λjn почти убывает по второму индексу, получаем S3
≤
m−1
X
j=1
C4·nλjn≤C4 m−1
X
j=1 n
X
k=1
λjk
Доказательство почти убывания: пусть n2 > n1 λjn2 =
∞
X
k=n2
(λjk −λj,k+1)≤
∞
X
k=n2
|λjk−λj,k+1| ≤
∞
X
k=n1
|λjk−λj,k+1| ≤Cλjn1
Аналогично оценивается
S2 ≤C
m
X
j=1 n−1
X
k=1
λjk.
Объединяя все полученные оценки для Si (i = 1,2,3,4) окончательно получим требуемое неравенство леммы.
Доказательство теоремы 1.На основании условиий теоремы на γ(x) и леммы 1 имеем
π
Z
0 π
Z
0
γ(x, y)|g(x, y)|pdxdy =
∞
X
m=1
∞
X
n=1
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
γ(x, y)|g(x, y)|pdxdy≤
≤C
∞
X
m=1
∞
X
n=1
γmn
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
|g(x, y)|pdxdy≤C2
∞
X
m=1
∞
X
n=1
γmn
m
X
j=0 n
X
k=0
λjk
p mπ
Z
π m+1
π
Zn
π n+1
dxdy ≤
≤C3
∞
X
m=1
∞
X
n=1
γmn
m
X
j=0 n
X
k=0
λjk
p
1
m2n2 =C3
∞
X
m=1
∞
X
n=1
γmn
m2n2
m
X
j=0 n
X
k=0
λjk
p
Далее дважды применим неравенство (11) из леммы А. Сначала применим указанное неравенство для внутреней суммы. Для этого введем обозначение Amk=
Pm j=0
λjk. Тогда
∞
X
m=1
∞
X
n=1
γmn
m2n2
m
X
j=0 n
X
k=0
λjk
p
=
∞
X
m=1
1 m2
∞
X
n=1
γmn
n2
n
X
k=0
Amk
!p
≤
≤C
∞
X
m=1
1 m2
∞
X
n=1
γmn n2
1−p
Apmn
∞
X
k=n
γmk k2
!p
=
=C
∞
X
m=1
1 m2
∞
X
n=1
γmn n2
1−p
m
X
j=0
λjn
p ∞
X
k=n
γmk k2
!p
Учитывая, что последовательность
γmnn−1+ε2 почти убывает при каждом фиксированном m, получаем
∞
X
k=n
γmk k2 =
∞
X
k=n
γmkk−1+ε2 k−1+ε2 · 1
k2 ≤Cγmnn−1+ε2
∞
X
k=n
1
k1+ε2 ≤Cγmn·n−1+ε2n−ε2 = Cγmn n .
Далее снова используем неравенство (11) из леммы А.
∞
X
m=1
1 m2
∞
X
n=1
γmn
n2 1−p
m
X
j=0
λjn
p ∞
X
k=n
γmk
k2 p
≤
≤C
∞
X
m=1
1 m2
∞
X
n=1
γmn
n2 1−p
m
X
j=0
λjn
p
γmnp
n2 =C
∞
X
m=1
1 m2
∞
X
n=1
γmn
n2−p
m
X
j=0
λjk
p
=
=C
∞
X
n=1
1 n2−p
∞
X
m=1
γmn m2
m
X
j=0
λjn
p
≤C2
∞
X
n=1
1 n2−p
∞
X
m=1
γmn m2
1−p
λpmn
∞
X
j=m
γjn j2
p
≤
≤C3
∞
X
n=1
1 n2−p
∞
X
m=1
γmn m2
1−p
λpmnγmnp mp =C3
∞
X
n=1
∞
X
m=1
γmn
n2−pm2−p ·λpmn = C3
∞
X
m=1
∞
X
n=1
γmn·(mn)p−2λpmn Следовательно, γ(x, y)|f(x, y)|p∈L(0, π)2
Доказательство теоремы 2.
Из условия (8) следует, что g(x)∈L(0, π)2. Действительно, если p∈(1,∞), то применяя неравенство Гельдера, получим
I :=
π
Z
0 π
Z
0
|g(x, y)|dxdy ≤
π
Z
0 π
Z
0
|g(x, y)|pγ(x, y)dxdy
1 p
π
Z
0 π
Z
0
(γ(x, y))−p
0 pdxdy
1 p0
где p0 = p−1p .
π
Z
0 π
Z
0
(γ(x, y))−p
0
pdxdy =
∞
X
m=1
∞
X
n=1
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
(γ(x, y))−p−11 dxdy ≤
C
∞
X
m=1
∞
X
n=1
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
1 γmn
p−11
dxdy≤C
∞
X
m=1
∞
X
n=1
1 γmn
p−11
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
dxdy=
=C2
∞
X
m=1
∞
X
n=1
1 γmn
p−11 1
m2n2 =C2
∞
X
m=1
∞
X
n=1
np−1−ε4 γmnnp−1−ε4
p−11 1 m2n2 ≤
≤C3
∞
X
m=1
∞
X
n=1
1 γm1
p−11 n1−
ε4 p1
m2 =C3
∞
X
m=1
∞
X
n=1
mp−1−ε3 γm1mp−1−ε3
p−11 n−1−
ε4 p−1
m2 <
< C4
1 γ11
p−11 ∞
X
m=1
∞
X
n=1
m−1−
ε3 p−1n−1−
ε4 p−1 ≤C.
Пусть p= 1. Тогда
π
Z
0 π
Z
0
|g(x, y)|dxdy =
∞
X
m=1
∞
X
n=1
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
|g(x, y)|dxdy ≤
C
∞
X
m=1
∞
X
n=1
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
|g(x, y)|γ(x, y)
γ(x, y) dxdy≤C
∞
X
m=1
∞
X
n=1
1 Aγmn
π
Zm
π m+1
π
Zn
π n+1
|g(x, y)|γ(x, y)dxdy ≤
≤ C2 γ11
∞
X
m=1
∞
X
n=1
π m
Z
π m+1
π n
Z
π n+1
|g(x, y)|γ(x, y)dxdy= C2 γ11
π
Z
0 π
Z
0
|g(x, y)|γ(x, y)dxdy < C3
Интегрируя g(x, y) получим
F(x, y) =
x
Z
0 y
Z
0
g(s, t)dsdt=
x
Z
0 y
Z
0
∞
X
m=1
∞
X
n=1
λmnsinmssinntdsdt=
∞
X
m=1
∞
X
n=1 x
Z
0 y
Z
0
λmnsinmssinntdsdt=
∞
X
m=1
∞
X
n=1
λmn x
Z
0 y
Z
0
sinmssinntdsdt
∞
X
m=1
∞
X
n=1
λmn
mn(1−cosmx)(1−cosny) = 4
∞
X
m=1
∞
X
n=1
λmn
mn sin2mx
2 sin2ny 2 Следовательно,
F(π j,π
k) = 4
∞
X
m=1
∞
X
n=1
λmn
mn sin2mπ
2j sin2 nπ 2k ≥4
j
X
m=[j2]
k
X
n=[k2] λmn
mn sin2 mπ
2j sin2 nπ 2k
4
j
X
m=[j2]
k
X
n=[k2] λmn
mn m
j 2
n k
2
≥ 4C j2k2
j
X
m=[j2] mλmk
k
X
n=[k2]
n≥4Cλjk
Далее введем обозначение dµ,ν =
π µ
R
π µ+1
π µ
R
π ν+1
|g(x, y)|dxdy, µ, ν∈N Имеем
λjk ≤CF π
j,π k
≤C
π j
Z
0
π k
Z
0
g(s, t)dsdt≤C
π j
Z
0
π k
Z
0
|g(s, t)|dsdt=
C
∞
X
µ=j
∞
X
ν=k
π µ
Z
π µ+1
π
Zν
π ν+1
|g(s, t)|dsdt=C
∞
X
µ=j
∞
X
ν=k
dµ,ν
Далее воспользуемся неравенством (12) и условием теоремы.
J :=
∞
X
j=1
∞
X
k=1
γjk(jk)p−2λpjk ≤C
∞
X
j=1
∞
X
k=1
γjk(jk)p−2
∞
X
µ=j
∞
X
ν=k
dµν
p
=
=C
∞
X
j=1
jp−2
∞
X
k=1
γjk(k)p−2
∞
X
ν=k
∞
X
µ=j
dµν
p
≤
≤C
∞
X
j=1
jp−2
∞
X
k=1
γjkkp−21−p
∞
X
µ=j
dµk
p k
X
ν=1
γjννp−2
!p
≤
≤C2
∞
X
j=1
jp−2
∞
X
k=1
γjkkp−21−p
∞
X
µ=j
dµk
p
γjkp k(p−1)p =
≤C2
∞
X
j=1
jp−2
∞
X
k=1
γjkk2p−2
∞
X
µ=j
dµk
p
=C2
∞
X
k=1
k2p−2
∞
X
j=1
jp−2γjk
∞
X
µ=j
dµk
p
≤
≤C3
∞
X
k=1
k2p−2
∞
X
j=1
jp−2γjk1−p
dpjk
j
X
µ=1
µp−2γµk
p
≤
≤C3
∞
X
k=1
k2p−2
∞
X
j=1
jp−2γjk1−p
dpjk γjkjp−1p
=
=C3
∞
X
k=1
k2p−2
∞
X
j=1
j2p−2γjkdpjk =C3
∞
X
j=1
∞
X
k=1
j2p−2k2p−2dpjkγjk
Если p∈(1,∞), то применяя неравенство Гельдера, получим
p0 = p−1p
dpjk =
π j
Z
π j+1
π
Zk
π k+1
|g(x, y)|dxdy
p
≤
π j
Z
π j+1
π
Zk
π k+1
|g(x, y)|pdxdy
π j
Z
π j+1
π
Zk
π k+1
1p0dxdy
p p0
≤
≤C
π j
Z
π j+1
π
Zk
π k+1
|g(x, y)|pdxdy 1
j2k2 p
p0
=C
π j
Z
π j+1
π
Zk
π k+1
|g(x, y)|pdxdy(jk)2(1−p) =
=C(jk)2(1−p)
π j
Z
π j+1
π k
Z
π k+1
|g(x, y)|pdxdy
Следовательно,
J ≤C4
∞
X
j=1
∞
X
k=1
j2p−2k2p−2γjk
π j
Z
π j+1
π k
Z
π k+1
|g(x, y)|pdxdy(jk)2(1−p)=
=C4
π
Z
0 π
Z
0
γ(x, y)|g(x, y)|pdxdy.
Теорема доказана. Теоремы 3 и 4 доказываются аналогично.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Leindler L. A new class of numerical sequences and its applications to sine and cosine series //Anal.Math. - 2002. - V.28, №4. - P.279-286.
2. Тихонов C.Ю. Об интегрируемости тригонометрических рядов //Мат.заметки. - 2005. - Т.78. - С.476-480.
3. Потапов М.К., Бериша М. Модули гладкости и коэффициенты Фурье периодических функций одного переменного //Publ. Inst. Math. (Beograd) (N.S.). - 1979. - Т.26(40). - С.215- 228.
4.Moricz F. On double cosine, sine, and walsh series with monotone coefficients //Proc.Amer.Math.Soc. - 1990. - V.109, №4. - P.417-425.
Мұқанов Ж.Б.
Коэффициенттерi R+0BV S2 класында жататың тригонометрия жүйесi бойынша екi еселi қатарлардың салмақпен интегралдануы
Жұмыста келесi есеп қарастырылған: коэффициенттерi R+0BV S2 класында жататың тригонометрия жүйесi бойынша екi еселi қатарлардың қосындыларының p-шi дәрежесi салмақпен интегралдануының қажеттi және жеткiлiктi шарттарын табу. Шешiмi ретiнде γ-ға байланысты қажеттi немесе жеткiлiктi болатын{λn} коэффициенттерiне шарртар қойылған.
Mukanov Zh.B.
On the integrability with power of double series by triginometric system with coefficients from R+0BV S2 class
In this work the following problem is considered: to find necessary and sufficient conditions of integrability in p-th degree of the sums of double series with factors from R+0BV S2 class by triginometric system with weight γ. As the decision conditions on factors {λn} which depending on γ are sufficient or necessary are imposed.
Поступила в редакцию 15.10.10 Рекомендована к печати 30.10.10