卷积和恒等逼近
定义 f,g:Rn→R勒贝格可测,若∀ a.e. x∈Rn,f(x−y)g(y)∈L1(Ryn)(i.e.∫Rn∣f(x−y)∣∣g(y)∣<+∞),称(f∗g)(x)=∫Rnf(x−y)g(y)dy为f和g的卷积.
注:1∘ 平移 τhf(x):=f(x−h),∀x∈Rn,h∈Rn
2∘ (f∗g)(x):=∫Rnf(x−y)g(y)dy=∫Rnτyf(x)g(y)dy
3∘ 变换 (f∗g)(x)=∫Rnf(x−y)g(y)dy=x−y=z,dy=∣J∣dz=dz∫Rnf(z)g(x−z)dz=(g∗f)(x)
4∘ τh(f∗g)(x)=(τhf∗g)(x)=(f∗τhg)(x)
τ(f∗g)(x)=(f∗g)(x−h)=∫Rnf(x−h−y)g(y)dy=∫Rn(τhf)(x−y)g(y)dy=(τhf∗g)(x)
引理 如果f,g∈L1(Rn),则∀x∈Rn,(f∗g)(x)存在且f∗g∈L1(Rn), ∥f∗g∥L1⩽∥f∥L1∥g∥L1.
证明:存在和可测略. 有(f∗g)(x)=∫Rnf(x−y)g(y)dy,由集合平移测度不变有∫Rn∣f(x−y)∣dx=∫Rn∣f(x)∣dx, ∥τhf(x)∥L1(Rxn)=∥f∥L1(Rxn),所以∥f∗g∥L1(Rxn)=∫Rxn∣∫Rynf(x−y)g(y)dy∣dx⩽∫Rxn(∫Ryn∣f(x−y)∣∣g(y)∣dy)dx=∫Ryn∣g(y)∣(∫Rxn∣f(x−y)∣dx)dy=∫Ryn∣g(y)∣dy⋅∥f∥L1=∥f∥L1∥g∥L1
注:1∘ f,g,h∈L1(Rn), (f∗g)∗h=f∗(g∗h)∈L1
2∘ (f+g)∗h=f∗h+g∗h
3∘ (L1(Rn),∗)是代数.
例 (1) R1上的f(x)={1,0,x∈[−1,1]otherwise,求(f∗f)(x)=∫Rf(x−y)f(y)dy=∫−1⩽y⩽1f(x−y)dy
1∘ x>2,y∈[−1,1]⇒x−y>1⇒f(x−y)≡0⇒(f∗f)(x)=0
2∘ x<2,y∈[−1,1]⇒x−y<−1⇒(f∗f)(x)=0
3∘ x∈[0,2],(f∗f)(x)=∫−11f(x−y)dy=∫y∈[−1,1],x−y∈[−1,1]1dy=∫−1+x11dy=2−x
4∘ x∈[−2,0],(f∗f)(x)=2+x
综上,(f∗f)(x)={2−∣x∣0∣x∣<2otherwise,是个连续函数.
基本卷积不等式
定理(Minkovski不等式) 设1⩽p⩽∞, f∈Lp(Rn),g∈L1(Rn),有f∗g∈Lp(Rn)且∥f∗g∥Lp⩽∥f∥Lp∥g∥L1.
证明:1∘ p=1,∥f∗g∥L1⩽∥f∥L1∥g∥L1已证.
2∘ p=∞,∀x∈Rn, ∣(f∗g)(x)∣=∣∫Rnf(x−y)g(y)dy∣⩽∫Rn∣f(x−y)∣∣g(y)∣dy⩽∥f∥L∞∫Rn∣g(y)∣dy=∥f∥L∞∥g∥L1 ⇒∥f∗g∥L∞⩽∥f∥L∞∥g∥L1
3∘ 1<p<∞, ∣(f∗g)(x)∣=∣∫Rnf(x−y)g(y)dy∣⩽∫Rn∣f(x−y)∣∣g(y)∣dy=∫Rn∣f(x−y)∣∣g(y)∣p1∣g(y)∣p′1dy⩽(∫Rn(∣f(x−y)∣∣g(y)∣p1)pdy)p1(∫Rn∣g(y)∣p′1⋅p′dy)p′1=(∫Rn∣f(x−y)∣p∣g(y)∣dy)p1(∫Rn∣g(y)∣dy)p′1 ⇒∫Rn∣(f∗g)(x)∣pdx⩽∫Rn∫Rn∣f(x−y)∣p∣g(y)∣dy⋅∥g∥L1p′pdx=∥g∥L1p′p∫Rn(∫Rn∣f(x−y)∣p∣g(y)∣dy)dx=∥g∥L1p′p∫Ryn∣g(y)∣(∫Rxn∣f(x−y)∣pdx)dy=∥g∥L1p′p∥f∥Lpp∥g∥L1=∥f∥Lpp∥g∥L1p ⇒∥f∗g∥Lp⩽∥f∥Lp∥g∥L1
定理(Young不等式) 设1⩽p,q,r⩽∞ s.t. 1+r1=p1+q1,则∀f∈Lp(Rn),g∈Lq(Rn)有f∗g∈Lr(Rn)且∥f∗g∥Lr⩽∥f∥Lp∥g∥Lq
定理(Young不等式,弱型) 设1⩽p⩽∞,1<q,r<∞ s.t. 1+r1=p1+q1,则∃cp,q,r>0 s.t. ∀f∈Lp(Rn),g∈Lq,∞(Rn)有f∗g∈Lr,∞且∥f∗g∥Lr,∞(Rn)⩽cp,q,r∥f∥Lp∥g∥Lq,∞
不存在f0∈L1(Rn) s.t. f0∗f=f=f∗f0,∀f∈L1(Rn),但有Dirac delta distribution
δ0(x):<δ0,f>=f(0),∀f∈Cc(Rn),Cc(Rn)={f∈C(Rn)∣∃K⊂⊂Rn s.t. f∣KC≡0},K⊂⊂Rn即K为紧集,则有δ0∗f=f=f∗δ0
恒等逼近
定义 一个恒等逼近(ε→0)是L1(Rn)上的一族函数kε且满足:
(i) ∃c>0 s.t. ∥kε∥L1(Rn)⩽c (∀ε>0) (一致有界)
(ii) ∫Rnkε(x)dx=1 (∀ε>0)
(iii) ∀给定的U(0)(0∈Rn的邻域),ε→0lim∫UC(0)∣kε(x)∣dx=0,UC(0)=Rn\U(0)
例(1) 设k(x)∈L1(Rn)且∫Rnk(x)dx=1 (f∈L1,∫fdx=0,∫∫Rnfdxfdx=1)
定义kε(x)=ε−nk(ε−1x) (∀ε>0),则{kε(x)}ε>0是一个恒等逼近.
验证:(i) ∥kε∥L1=∫Rnε−n∣k(ε−1x)∣dx=y=ε−1x,dx=εny∫Rnε−n∣k(y)∣εndy=∫Rn∣k(y)∣dy=∥k∥L1为与ε无关的常数. (ii)由(i)显然
(iii) ∀U(0),∃δ0>0 s.t. Bδ0(0)⊆U(0)⇒UC(0)⊆Bδ0C(0)={x∈Rn:∣x∣>δ0},从而0⩽∫UC(0)∣kε(x)∣dx⩽∫Bδ0C(0)∣kε(x)∣dx=∫∣x∣>δ0ε−n∣k(ε−1x)∣dx=∫∣y∣>ε−1δ0∣k(y)∣dy
因为k∈L1,∫∣k∣dy<+∞,有ε→0lim∫∣y∣>εδ0∣k(y)∣dy=0,由两边夹即证.
(2) R1上P(x)=π(x2+1)1 (∀x∈R),∫R∣P(x)∣dx=1,令Pε=ε−1P(ε−1x),则{Pε(x)}ε>0是恒等逼近.
注:ε−nk(ε−1x)为尺度变换.
(3) ρ(x)={c0e∣x∣2−11,0,∣x∣<1∣x∣⩾1,取c0=(∫∣x∣<1e∣x∣2−11dx)−1,有∫Rnρ(x)dx=1,ρ(x)∈L1(Rn)⇒ρε(x)=ε−nρ(ε−1x),{ρε(x)}ε>0为恒等逼近.
注:(1) ρ∈C∞(Rn)
(2) Rn上f的支撑集:{x∈Rn∣f(x)=0}=Supp(f),若Supp(f)有界,称f具有紧支撑. f∈Cc(Rn)⇔f∈C(Rn)且f有紧支撑.
(4) Gauss核. Gε=c0ε−ne−ε2∣x∣2 (ε>0)
(5) Fejeˊr核 FN(t)=j=−N∑N(1−N+1∣j∣)e2πijt=N+11(sin(πt)sin(π(N+1)t))2为恒等逼近.
引入p-norm,p-模,1⩽p<∞,f∈Lp(Rn)
wf,p(h)=(∫Rn∣f(x)−f(x−h)∣pdx)p1=∥f−τhf∥Lp
性质 wf,p(h)⩽2∥f∥Lp
引理 (i) 若f∈L1(Rn)则wf,1(h)→0(∣h∣→0)
(ii) f∈Lp(Rn) (1<p<∞)则wf,p(h)→0(∣h∣→0)
证明:(i) 第一步,因为Cc(Rn)在L1(Rn)是稠的(实变),所以∀f∈L1(Rn)给定,∀δ>0,∃fδ(x)∈Cc(Rn) s.t. ∥fδ−f∥L1<δ且∥fδ∥L1⩽c∥f∥L1
则f=fδ+fδ,其中fδ∈Cc(Rn),fδ:∥fδ∥L1<δ
第二步,对fδ∈Cc(Rn),wfδ,1(h)=∫Rn∣fδ(x)−fδ(x−h)∣dx⩽2∥fδ∥L1⩽c∥f∥L1. 由Lebsgue控制收敛定理,∣h∣→0limwfδ,1(h)=∫Rn∣h∣→0lim∣fδ(x)−fδ(x−h)∣dx=0 i.e. wfδ,1(h)→0. 另一方面,wf,1(h)=∫Rn∣f(x)−f(x−h)∣dx=∫Rn∣fδ(x)−fδ(x,h)+fδ(x)−fδ(x−h)∣dx⩽∫Rn∣fδ(x)−fδ(x−h)∣dx+∫Rn∣fδ(x)−fδ(x−h)∣dx⩽wfδ,1(h)+2∥fδ∥L1⩽wfδ,1(h)+2δ 从而对∀δ>0,∃ε0>0 s.t. ∀∣h∣<ε0有wf,1(h)⩽δ+2δ=3δ i.e. ∣h∣→0limwf,1(h)=0,类似可证(ii).
Minkovski不等式:f(x,y),x,y∈Rn,q⩾p有∥∥f∥Lp∥Lq⩽∥∥f∥Lq∥Lp
定理 设{kε}ε>0为Rn上的恒等逼近
(1) 若f∈Lp(Rn) (1⩽p<∞)则有∥kε∗f−f∥Lp(Rn)→0 (ε→0)(i.e. kε∗f→f in Lp(Rn))
(2) 当p=∞,有:若f∈C(U(K)),U(K)⊂Rn是紧集K⊂Rn的邻域,∥kε∗f−f∥L∞(K)→0 i.e. kε∗f⇉f(ε→0) on K
注:集合K的邻域是有K⊂U(K)的开集,有d(K,∂U)>0
证明:(2)略.
(1) 1⩽p<∞,kε∗f(x)−f(x)=∫Rnkε(y)f(x−y)dy−f(x)∫Rnkε(y)dy=∫Rn(f(x−y)−f(x))kε(y)dy=∫∣y∣<r(f(x−y)−f(x))kε(y)dy+∫∣y∣⩾r(f(x−y)−f(x))kε(y)dy=I1(r,x)+I2(r,x) (∀r) ∥I1(r,x)∥Lp⩽∥∫∣y∣<r∣f(x−y)−f(x)∣∣kε(y)∣dy∥Lp(Rxn)⩽∫∣y∣<r∣kε(y)∣∥f(x−y)−f(x)∥Lp(Rxn)dy=∫∣y∣<r∣kε(y)∣wf,p(y)dy 因为∀δ>0,∃r0>0 s.t. ∀∣y∣<r0,wf,p(y)<δ⇒∥I1(r0,x)∥Lp(Rxn)⩽δ∫∣y∣<r0∣kε(y)∣dy⩽cδ
∥I2(r0,x)∥Lp=∥∫∣y∣⩾r0(f(x−y)−f(x))kε(y)dy∥Lp(Rxn)⩽∫∣y∣⩾r0∣kε(y)∣wf,p(y)dy⩽2∥f∥Lp∫∣y∣⩾r0∣kε(y)∣dy 又ε→0lim∫∣y∣⩾r0∣kε(y)∣dy=0,故对上面的δ>0,∃ε0>0 s.t. ∀0<ε<δ0,∫∣y∣⩾r0∣kε(y)∣dy<∥f∥Lpδ⇒∥I2∥Lp(Rxn)⩽2∥f∥Lp⋅∥f∥Lpδ=2δ
综上,∀δ>0,∃ε0>0,∀0<ε<ε0有ε→0lim∥kε∗f−f∥Lp=0.