Об одной проблеме Адамара и сглаживании выпуклых функций
Автор: Брайчев Георгий Генрихович
Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru
Статья в выпуске: 3 т.7, 2005 года.
Бесплатный доступ
Приводятся узкие классы функций, в которых для произвольной целой функции можно найти представителей, дающих точные оценки снизу и сверху различных характеристик роста целой функции с возможностью вычисления таких характеристик по тейлоровским коэффициентам функции.
Короткий адрес: https://sciup.org/14318151
IDR: 14318151
Текст научной статьи Об одной проблеме Адамара и сглаживании выпуклых функций
Дорогому учителю посвящается
Приводятся узкие классы функций, в которых для произвольной целой функции можно найти представителей, дающих точные оценки снизу и сверху различных характеристик роста целой функции с возможностью вычисления таких характеристик по тейлоровским коэффициентам функции.
В 1892 году Ж. Адамар [1] ввел понятия порядка и типа целой функции и нашел формулы, определяющие введенные величины по коэффициентам ряда Тейлора целых функций. Некоторые целые функции при этом могли иметь при положительном порядке тип, равный нулю или бесконечности, а тип функции f (z) при порядке р определялся формулой af : = lim lnMfr), где Mf(r) = max{|f(z)| : |z| 6 r}. Начиная с Ж. Адамара, r→∞ r математиков интересовал вопрос о нахождении возможно более узких классов функций H таких, в которых для любой целой функции f (z) нашлась бы h(x) Е H с условием
-— ln M f (r) ,
( * )
^ / : = lim , / х = 0, Го r^^ h(r)
и с возможностью вычислить эту величину (называемую типом f (z) по отношению к h(r)) по тейлоровским коэффициентам f (z).
Эту задачу для подкласса целых функций конечного положительного порядка решил Ж. Валирон [2], введя понятие уточненного порядка. Накладывая на такие порядки дополнительные требования (такие как дифференцируемость достаточное число раз или бесконечная дифференцируемость и др.), классы уточненных порядков, применяемых для изучения сравнительного роста целых функций, постоянно сужались (см., например, [3, 4]). Многие авторы решали задачу коэффициентного описания роста целых функций нулевого или бесконечного порядков, определяя логарифмические, экспоненциальные, p, q — порядки и типы (и многие другие) и вводя соответствующие уточненные порядки.
Важность коэффициентной характеризации для различных пространств целых функций нашла убедительное подтверждение в работах Ю. Ф. Коробейника (см., например, [5, 6]) и его многочисленных учеников, а также последователей созданной им школы. Именно, координатный метод был Ю. Ф. Коробейником развит и применен к исследованию разрешимости дифференциальных уравнений бесконечного порядка в различных общих классах аналитических функций определенных им пяти типов.
Универсальной шкалы роста целых функций, конечно, не существует, но возможность иметь более узкий класс функций, с которым можно было бы сравнивать в том или ином смысле рост произвольной целой функции, имеет большое значение. Такие классы называются плотными классами функций сравнения роста во множестве всех целых функций А^,.
Наиболее полное решение проблемы Адамара получено в последнее время В. А. Осколковым [7, 8], которым показано, что классы Hγ , состоящие из возрастающих на R+, дважды непрерывно дифференцируемых функций Ф(х) с Ф00(х) > 0, удовлетво- ряющих условию
-— Ф(х)Ф 00 (х) lim --------- 6 y
x ^^ [Ф 0 (х)] 2
с константой y > 1 являются плотными классами функций сравнения роста, а классы H с Y < 1 — таковыми не являются.
Условие ( * ) дает точную асимптотическую оценку логарифма максимума модуля целой функции сверху. Но во многих вопросах анализа важное значение имеют и нижние оценки целых функций, поэтому мы расширяем задачу Адамара, дополняя ее нахождением возможно более узких классов функций H таких, что для любой целой функции f (z) дополнительно к ( * ) найдется h 1 (x) G H с условием
σ f
, ln M f (r) ,
= lim —-—тЦ— = 0, го r .^ h 1 (r)
( ** )
и с возможностью вычисления и этой величины по коэффициентам ряда Тейлора функции f (z). Такие классы функций мы назовем классами функций двустороннего сравнения роста (верхнего и нижнего), или двусторонне плотными в указанном смысле во множестве всех целых функций А. ^ .
Оценки (*) и (**) можно уточнять и находить такие классы функций, в которых для любой целой функции f (z) нашлись бы функции h(x) и hi(x) со следующими условиями lim (ln Mf (r) — h(r)) = 0, r→∞
( *** )
lim (ln M f (r) — h 1 (r)) = 0. ( **** )
r →∞
Таким образом, под обобщенной проблемой Адамара мы понимаем отыскание возможно более узких классов функций, в которых для любой целой функции f (z) нашлись бы функции, дающие точные асимптотические оценки M f (r) как снизу, таки сверху, причем с возможностью описания тейлоровских коэффициентов f (z), удовлетворяющих таким оценкам.
Эта задача оказалась связанной с регуляризацией и двусторонней аппроксимацией выпуклых функций и последовательностей.
Приведем результат О. Кизельмана [9], который показал, что если y = ^ i (x) — уравнение ломаной, звеньями которой являются опорные прямые к графику функции ^(x) = lnM f (e x ) с угловыми коэффициентами, последовательно равными натуральным числам, то для всех x ∈ R + выполняются неравенства
У1(х) 6 ^(x) 6 ^i(x) + C, где C — абсолютная константа, ln2 Вначале мы приводим результаты о двусторонней аппроксимации выпуклых функций, каждый из которых может быть применен для решения обобщенной проблемы Адамара, а затем даем коэффициентные характеристики целых функций, необходимые для решения проблемы Адамара в различных формах. Известно, что для трансцендентной, т. е. отличной от многочлена, целой функции f (z) функция ^(x) = In Mf (ex) является выпуклой и удовлетворяет условию lim ' = го. (2) x→∞ x Вписывая и описывая в график выпуклой функции ломаные с достаточно мелкими звеньями, в [10] получен следующий результат, примыкающий к [9]. Теорема A. Пусть ^(x) — выпуклая функция на R+, удовлетворяющая условию (2). Существуют кусочно-линейные выпуклые функции ^i(x) и ^2(x) такие, что для любого x Е R+выполняются неравенства ^1(x) 6 ^(x) 6 ^2(x) со знаками равенства на некоторой последовательности xn f го и ^(x) = ^i(x) + o(1), ^(x) = ^0(x) + o(1), x ^ го, i = 1, 2. Под ^(x) в дальнейшем понимаем правую производную выпуклой функции ^(x). Выпуклая регуляризация функций и последовательностей играет важную роль также в теории квазианалитических классов функций, используется при рассмотрении весовых пространств функций и последовательностей, при этом на регуляризованные функции часто накладываются дополнительные условия, одним из которых является дифференцируемость достаточное число раз. Кроме того, нередко для решения экстремальных и других задач требуется, чтобы приближающие функции имели строго возрастающие производные, т. е. чтобы эти функции были строго выпуклыми, или имели положительные вторые производные. Применяя определенные процессы сглаживания кусочно-линейных или кусочнопараболических мажорант и минорант выпуклых функций в [10] получен следующий результат: Теорема В. Пусть ^(x) — выпуклая функция на R+, удовлетворяющая условию (2). Существуют бесконечно дифференцируемые строго выпуклые функции ^i (x) и ^(x) (т. е. ^’-(x) > 0, i = 1, 2) такие, что для любого x Е R+ выполняются неравенства ^(x) 6 ^(x) 6 ^2(x) и y(x) = ^i(x) + o(1), x ^ го, i = 1, 2. А если дополнительно выполняется условие y°(x) — ^(x — 0) ^ 0 при x ^ го, то и y°(x) = ^i(x) + o(1), x ^ го, i = 1, 2. Дальнейшее сужение классов аппроксимирующих функций связано с наложением на такие функции дополнительных условий типа условия В. А. Осколкова (1). Именно, обозначим через Ink = ln(lnk-i) — k-ю итерацию логарифма и через H^k, Y > 0, k Е N — класс бесконечно дифференцируемых, строго выпуклых на R+функций, удовлетворяющих условию ___ / / / — 1 — 1 — 1... — 16 Y. Ф(x)Ф"(x) . [Ф0(x)]2 lim link Ф(x)... Ilnln Ф(x) (ln Ф(x) I - (к) Тк№ Очевидно, что для каждого k ∈N имеем Hγk⊂Hγ . Кроме того, Hγ1⊂Hγ2для Y1 < Y2 и Hk) С Hk) для к > к. Справедлив следующий результат (ср. [11] ). Теорема С. Пусть к Е N. Для любой выпуклой на R . функции ^(x), удовлетворяющей условию (2), существуют функции Ф1(x) и Ф2(x) из класса Н^ такие, что для всех x справедливо Ф1(х) 6 ^(x) 6 Ф2М, причем для некоторых последовательностей xn ^ го и xn ^ го выполняется Ф1 (xn) = ^(Xn) + o(1), n - го и Ф2(xn) = ^(xn) + o(1), n ^ го. В то же время, для любого y< 1 найдется выпуклая функция ^(x) со свойством (2) такая, что для всех Ф(x) Е Н(к)будет выполнятьсяlimфЦу = +го. x→∞ (к) Рассмотрим некоторые свойства функций из классов Hγ , которые будут нам полезны в дальнейшем. Мы сделаем это для более широкого класса функций. Обозначим через Н• класс выпуклых дважды дифференцируемых на R . функций Н(x), удовлетворяющих условиям (2) и sup{ H™ } 6 2. । I [Н0(x)]2J В силу условия (2) имеем lim Н0(x) = го, поэтому каждая функция из класса Н• x→∞ является строго возрастающей положительной для достаточно больших значений аргумента. Кроме того, эти функции обладают следующими свойствами Предложение 1. Функции Н (x) из класса Н• удовлетворяют условиям: Функция н ( ) является выпуклой для всех x > xg при некотором xg > 0, xH 0(x) ™ Н2(x) C Условие (5) следует из (4) поскольку ( Ня)' =(H0(x))2 / H3(x) V - H (x)H00(x) \ [H 0(x)]2К • Условие (6) вытекает из условия (5): 6(h(2) H(x)) " 0 B Предложение 2. Функции H(x) из класса Н• удовлетворяют условию Н(x)~H(x-?Нй)’ x го (7) C Обозначив c = , 1 , по формуле Тейлора с остаточным членом в форме Лагран- H0(|) жа имеем при некотором 9 : x — c < 9 < x in= HMC [Н0И12 (H00(9)Н(9) _ Л lnН(x) lnН(x c) Н(x) c +2 [h(9) J V [H0(9)]2 J ■ Первое слагаемое правой части _ / H 0(x) n = V W) " 0 H 0(x) _ H 0(x) H(x) c = H(x)VW) в силу (6). Во втором слагаемом выражение в круглых скобках не превосходит единицы в силу (4). Оставшийся сомножитель имеет оценку ГH0(0)1 2 H(0)] 2 _ H0(0) H0(0) = 2H0(x) H2(0) 1 H0(x — 1) 6 2 H2(x — 1) ^ 0. - Мы использовали возрастание производных функций H(x) и Hx) ввиду выпуклости последних (свойство (5)), а также то, что для достаточно больших x имеем c = ^H0( )< 1, и 0 > x — 1. B О равенстве некоторых характеристик роста целых функций Обозначим тип и нижний тип целой функции f (z) относительно h(r), соответственно, --- ln Mf(r) In Mf (r) °«f=rim -w" и-Mf =1 Имея в виду решение обобщенной проблемы Адамара, нам необходимо вычислить эти ∞ характеристики по коэффициентам Тейлора функции f (z) = ^2 fnzn. Однако с коэффи- n=0 циентами непосредственно связан не максимум модуля целой функции, а максимальный член ее ряда Тейлора ^j(r) =: max |fn|rn. Поэтому, определив величины σµf lim lnfr) и ^^ = lim r1^ h(r) ^f xi^ In ^f (r) h(r) имеет смысл найти условия, при соблюдении которых выполняются равенства —^f —Mf, —^f —Mf" Мы покажем, что для функций h(r) таких, что h(ex) Е H•, равенства (8) имеют место. Теорема 1. Пусть функция h(r) такова, что h(ex) Е H•, тогда справедливы равенства (8), т. е. — ln Mf(r) — In^j(r) ln Mf(r) In^f^r) ‘ r *^ h(l ) I *^ h(l ) xi^ h(l ) xi^ h(l ) C Нам понадобятся простые неравенства, первое из которых — следствие неравенств Коши. Для k = k(r) < 1 имеем ∞∞ ^(kr) 6 Mf (kr) 6 £ Ifnlrnkn 6 ^f (r) £ kn = R(r) — т. е. ^f(kr) 6Mf(kr) 6^f(r)1——. Учитывая, что ln x 6 x, x > 0, получаем неравенства In pf (kr) 6 In Mf (kr) 6 / h(kr) h(kr) ln^f(r) h(r) +1 h(r) (1 — k(r))h(r)) h(kr) Чтобы равенства (8) имели место, достаточно проверить, что при r → ∞ выполняются условия h(k(r) • r) — h(r), (1 — k(r))h(r) — to. Полагая r = ex, k(r) = exp <--, 1 >, с помощью предложения 2 получаем ( V H0(ln r) J h(r) = h(ex) = H(x) - H ^c — 1 pH 0(x) ) = h exp x — 1 pH 0(x) ^ = h(exk(ex)) = h(rk(r)), r — to, и условие (9) выполнено. Проверим выполнение (10): (1 — k(r))h(r) = (1 — k(ex)Me‘) = U — exp |— p= 1) H(x) - ~ PH(x) IH2(x) H (x) = y Hox-TO,x-to. Оба условия (9) и (10) выполнены, так что утверждение теоремы справедливо. B Замечание. В работе [11] показано, что утверждение теоремы имеет место, если In h(r) выпукла вверх или вниз на R+, а функция h(r) удовлетворяет условию (6) или соответственно несколько более сильному условию lim , rh^^rV = 0. r— ^ h(r)h( 2 ) Еще один способ выяснения роста целой функции состоит в том, что ее максимум модуля сравнивается с максимумом модуля «правильных» целых функций. В качестве таких «правильных» функций могут быть взяты функции сравнения. ∞ Функция A(z) = 52 Anzn называется функцией сравнения, если An > 0 для любого n n=0 и AA+1 ^ 0. Из последнего условия следует, что все функции сравнения являются целыми. Весьма полезным является следующее свойство функций сравнения. ∞ .^e* Теорема 2. Для каждой функции сравнения A(z) = 52 Anzn, An = exp{ —Ф(п)}, n=0 Ф(x) G H•, выполняется соотношение In Ма(г) — In ^а(г) — Ф(1п r), r — to. C С одной стороны, In^A(ex)= sup {xn — Ф(п)} 6 sup{xZ — Ф(Z)} = Ф(х). n=0,1,2,... Z>0 С другой стороны, если Zx такова, что sup{xZ — Ф(Z)} = xZx — Ф(Zx) и [Zx] — целая часть Z>0 ζx , то ln^A(ex)= sup {xn — Ф(п)} > x[Zx] — Ф([Zx]) > x(Zx — 1) — Ф(Zx) n=0,1,2,... = xZx — Ф (Zx) — x = sup{xZ — Ф (Z)} — x = Ф(х) — x. Z>0 Таким образом, выполняются неравенства Ф(x) — x 6 lnца(ex) 6 Ф(x), из которых, учитывая (2), получаем ln ца(г) ~ Ф(1п r). Но в силу теоремы 1 также и ln Ма(г) ~ Ф(1пr). B Тип и нижний тип целой функции f (z) относительно h(r) можно определить следующим образом: CTf = inf{т > 0 : Mf (r) < expтh(r), r > го(т)}, соответственно, ^f = sup{^ > 0 : Mf (r) < exp^h(r), r > г0(ц)}. Аналогично этому вводятся и следующие понятия. Величина ста = CTA(f) = inf{т > 0 : Mf (r) 6 А(т • r), r > Г0(т)} называется типом целой функции f (z) относительно функции сравнения A(z) или просто A-типом f (z). Величину ста = Ста(f) = sup{т > 0 : Mf (r) > А(т • r), r > Г0(т)} назовем нижним типом целой функции f (z) относительно функции сравнения A(z), или нижним A-типом f (z). ∞ Ю. А. Казьмин [13] показал, что для целой функции f (z) = ^2 fnzn имеет место n=0 формула CTA(f) = lim n7|fn|/An. n→∞ Для определения σA и σA по коэффициентам целой функции нам, как и в теореме 1, понадобится заменить в определениях этих величин максимум модуля целой функции Mf (r) на ее максимальный член ^f (r). Теорема 3. Пусть f (z) — целая функция и A(z) — функция сравнения. Тогда CTA(f) = inf{т > 0 : ^f (r) 6 ца(т • r), r> п(т)}, CTA(f) = suP{т > 0 :^f(r) > М(т • r), r > rl(т)}. C Если f (z) — многочлен, то утверждение очевидно и CTA(f) = 0. Обозначим ст = inf{т > 0 : ^f (r) 6 ца(т • r), r > r1(т)}. Если f (z) — трансцендентная целая функция, то для k > 1 выполняется lim f(А = 0. Поэтому для любых т > cta(J) и ki > 1 имеем r^^ ^f \kr) ki ki — 1 ^f (r) 6 Mf (r) 6 А(тг) 6 ЦA(k1т • r) ki м(т^ kir) = ца(т kkir) ki — 1 ца(т • kkir) 6 ЦА(т kkir) при всех достаточно больших r. Отсюда заключаем, что ст 6 т • kki. Устремляя k и ki к единице, а т — к CTA(f), получаем ст 6 ста(f). С другой стороны, для любых т > ст и r > r1(т) имеем Mf(r) 6 ^f(kr) 6 ца(т • kr) 6 MA(т • kr) = А(т • kr). Отсюда по определению CTAf) получаем ста(f) 6 тк, что в силу произвольности чисел к > 1 и т > ст влечет неравенство cta(J) 6 ст. Вместе с предыдущим это приводит к первому утверждению теоремы. Второе доказывается аналогично. B Вычисление типов целой функции по ее тейлоровским коэффициентам Напомним, что сопряженной к функции ^(x) по Юнгу (Фенхелю — Лежандру) называется функция ^1(x), ^2(x) и им сопряженных по Юнгу функций e1(Z), $2(Z) условие ^1(x) 6 ^2(x) для всех x > 0 эквивалентно условию e1(Z) > e2(Z) для всех Z > 0. Обозначим сопряженную по Юнгу функцию к ln^f (ex) через g(y), и пусть Fn = ∞ exp{—g(n)}. Тогда In^f (ex) = sup{xn + InFn}, т. е. функции ^ Fnzn и f (z) имеют одинаковые максимальные члены. Коэффициенты Fn называются регуляризацией Ньютона — Адамара |fn|, а точки (n; — ln Fn) лежат на границе выпуклой оболочки точек (n; — ln |fn|). Коэффициентная характеризация типов целых функций опирается на теоремы 1, 3 и следующие три леммы. Лемма 1. Пусть функция ^(Z) удовлетворяет условию (2). Условие ln pf (r) 6 ^(ln r) асимптотически (т. е. для всех r > rg) выполняется тогда и только тогда, когда асимптотически выполняется условие ln |fn| 6 —e(n), или когда ln Fn 6 —e(n)- <1 Будем предполагать для простоты, что неравенства выполняются для всех значений аргументов. Общий случай лишь незначительными деталями отличается от этого. Если ln pf (r) 6 ^(ln r), то — lnFn = sup{nx — lnpf (ex)} > sup{nx — ^(x)} = e(n). Отсюда ln Ifni 6 ln Fn 6 — e(n). Если же ln |fn| 6 —e(n), то lnpf(ex) = max{xn + ln |fn|} 6 max{xn — Оценки снизу, как обычно, не столь просты. Лемма 2. Пусть функция ^(Z) выпукла, возрастает и удовлетворяет условию (2). Если ln pf (r) > ^(lnr), то ln Fn> —e(n). Если lnFn> —e(n), то lnpf (r) > ^(lnr)(1 — o(1)). < — lnFn = sup{nx — ln^(ex)} 6 sup{nx — ^(x)} = e(n) и первое утверждение доказано. Для доказательства второго заметим, что Обозначив m = [Zx], с учетом того, что m 6 Zx < m + 1 и p(m) 6 ^(Zx), получаем ln^(ex) = max{nx + lnFn} > max{nx — e(n)} > mx — >(Zx— 1)x — (Zx) = ^(x) — x = ^(x) (1 — ^xx)) = ^(x)(1 — o(1))- B Замечание. Второе утверждение леммы 2 можно уточнить, если функция ^(x) удо- влетворяет более сильному, чем (2) условию y00(x) ^ го при x ^ го ( ^(x ^ го) x . Именно, в этом случае справедливо утверждение: Если lnFn> — то lnЦf (r) > ^(lnr) — o(1). Следующий простой вспомогательный результат мы не нашли в литературе, и поэтому для полноты изложения и удобства ссылок приводим его. ∞ ∞ Лемма 3. Пусть f (z) = 52 fnzn, g(z) = 52 gnzn — целые функции и Fnи Gn — ре- n=0 n=0 гуляризации Ньютона — Адамара последовательностей |fn | и |gn | соответственно. Справедливы следующие равенства |fn| Fn ГТ77 ^f(r) 1Fn Fn ^f(r) lim —— = lim — = lim ——, lim :—r = lim — = lim ——. n '^ Gn n^^ Gn r '^ Цд(r) n >^ |gn| n >^ Gn r >^ Цд(r) C Обозначим A = lim ^f (r). Для любого e > 0, A = A + e и r > rg = rg(E) имеем r ,^ EgVr) ^f (r) 6 A Цд(r). Теперь для n > ng = nf (rg) получаем Ifni 6 Fn 6 Цf(r) 6 A^g(2 rn rn и Ifni 6 Fn 6 A exp{— sup nln r — ln Цд(r)} = AGn, r>r0 а тогда lim Fn 6 A = A + e. Устремляя e к нулю, получаем n→∞ Gn B := lim n^6 6 lim —n 6 A. n→∞ Gn n→∞ Gn С другой стороны, для любого E > 0 и n > ng = По(е) выполняется Ifni 6 (B + E)Gn. Выберем rg = го(е) настолько большим, чтобы при r > rg центральный индекс nf = nf (r) превосходил ng, т. е. nf > ng. Тогда для таких r имеем Цf (r) = Iff |rnf6 (B + E)Gnf rnf 6 (B + E>g(r) и A =lim Цf(r) 6 B + E. Г^^ Цд (r) Отсюда вытекает A = lim ^f(r) 6 B, что вместе с предыдущим доказывает предложе-r^^ ^g(г) ние. Второе утверждение леммы следует из уже доказанного рассмотрением обратных отношений. B Обозначим через Hg(x) ассоциированную по Ньютону с H(x) функцию: Hg(x) = x — Ил^х). Теперь у нас есть все необходимое, чтобы доказать основные в этом пункте результаты. Теорема 4. Пусть функция h(r) такова, что h(ex) = H(x) G H•, в(t) — обратная функция к H0(x), Ho(x) — ассоциированная по Ньютону с H(x) функция, а w(t) — функция, обратная к exp{Ho(в(x))}. Тогда справедливы формулы — In Mf(r) n — n lim ——= -„ = lim ------— = lim ----—, ™ h(r) f ™ ^(|fn|-n) ™ ш(F-n) ln Mf (r) . h(r) -^f lim _1 . n→∞ -n ^(Fn ) C Для всех - > y^f, и только для них, выполняются неравенства ln^f (r) < -h(r), r > ro(—). Обозначив H(x) = h(ex), получим неравенства ln^f (ex) < -H(x), - > y^f, x > xo(-). По лемме 1 условие (12), в котором удобно считать H(x) = H(xo) для всех x 6 xo = xo(-), эквивалентно условию — ln |fn| > Ф(п), или условию — lnFn> Ф(п), где Ф(у) является сопряженной по Юнгу к функции -H(x). Найдем эту функцию. По определению Ф(у) = sup{xy — -H(x)}. А так как супремум достигается при x = в (n), то для n > no = -H0(xo) имеем Ф(п) = в (—) n σ - ^О )- nHo (» О). Таким образом, условия (12) эквивалентны условиям Fn 6 exp |-nHo (в (n))} , n > no, или |fn| 6exp |-nH0 (j (n))} , n > no, —1 которые легко преобразовать к виду w(Fn n) > n, или к виду n —1 6 -, - > a^f, n > no(-). ^(Fnn) Таким образом, последнее условие эквивалентно условию (12), что доказывает первое утверждение теоремы. Аналогично, опираясь на лемму 2, проверяется и второе. B ∞ Теорема 5. Пусть f (z) = 52 fnzn —целая функция, Fn —регуляризация Ньютона — n=o Адамара коэффициентов fnи A(z) — функция сравнения. Тогда справедливы формулы -A(f) = Um. ПIf = Um. П/Fn, -A(f)= lim П/Fn. n→∞ An n→∞ An n→∞ An C Утверждение очевидно для многочленов. Если f (z) — трансцендентная целая ∞ функция, то для т > -а(/) функция A^(z) = 52 Anzn, АП = тnAn является функцией A• сравнения так как Л An = T An+1 An n=0 ^ 0 и ца(т • г) = ца»(r). Согласно лемме 3 имеем |fn | lim . n→∞ τnA n lim f = lim Fn = lim r 61. n ^m An n .^ An n .^ ца^ (r) Отсюда t := lim nfn1= lim njAn 6 т, что в силу произвольности т > CTAf) дает t 6 ста(f). Но для любых Е > 0 и n > п(е) выполняется nJAn 6 ti = t + e или Fn 6 ti An. Отсюда следует для достаточно больших r неравенство pf (r) 6 Ра (tir), которое означает, что t + e > cta(J). Устремляя e к нулю, получаем t > cta(J). Сопоставив с ранее полученным неравенством, получаем t = cta(J). Для доказательства второго утверждения положим s = lim n/ AFn. Если n достаточно n→∞ n велико, то имеем последовательно npFn- > si = max{0; s — e}, Fn > s^An и, значит, pf (r) > pA(s1r) для достаточно больших r, т. е. s1 6 CTAf). Это при e ^ 0 дает s 6 СТA(f). Значит, s = 0, если CTAf) = 0. Если CTAf) > 0, то взяв произвольно положительное т < CTA(f), получаем pf (r) > Ра(т • r), r > ri(т). По лемме 3 получаем Fn lim --— n→∞ τ An Pf(r) rim Pa(t • r) > 1 и s = lim n n^ > t, n→∞ An что дает s > CTAf) и, окончательно, s = CTAf). B Различные формы решения проблемы Адамара Теоремы 4 и 5 дают вместе с теоремой С некоторое решение обобщенной проблемы (k) Адамара, предлагая любой класс H , k Е N, в качестве плотных в AL классов функций двустороннего сравнения роста. Теорема 6. Пусть m Е N. Для любой целой функции f (z) существуют функции hi(r), hi(ex) Е Н^, i = 1, 2, такие, что для всех r > 0 выполняются неравенства h1(r) 6 ln Mf (r) 6 h2(r), причем для некоторых последовательностей r^i ^ го, k ^ го, i = 1, 2, справедливы равенства ln Mf (rk) = hi(rlk) + o(1), k ^ го, i = 1, 2. Кроме того, выполняются равенства -— ln Mf (r) -— ln pf (r) —- = lim --^nr n→∞ -1 ^2 ( Fn n 1 n (Fnn)"' = 1, lim — / = lim — / = lim --7----- r^ro h(r) r^ro h(r) n^Li ^2 |fn| n ln Mf (r) ln pf (r) lim ———— = lim ———— = lim — →∞ h(r) r→∞ h(r) ^1 Здесь wi(t) связаны с hi(r) как в теореме 4. С другой стороны, для любого y Е [0,1) найдется целая функция f (z) такая, что limlnMf(r) = го при любой функции h(r), h(ex) Е HYAk. r→∞ Последнее утверждение теоремы означает, что при каждом m∈N в рамках классов Н^, Y > 0, дальнейшее сужение H(m)невозможно. Однако, опираясь на теорему 2, классы H(m)можно сузить, рассматривая совокупности функций {ln A(r), A(r) = PP е-ф(n)rn, Ф(х) Е H(m)}, m Е N. n=0 В теореме 6 формулы для вычисления типов целой функции получены в общей ситуации. В каждом конкретном случае они малопригодны, и их основное значение состоит в том, что они доказывают возможность решения проблемы Адамара. В работе В. А. Осколкова [8] для функций одного переменного и в работе Ю. Ф. Коробейника [14] для функций многих переменных при выполнении некоторых дополнительных условий получены общие формулы вычисления типа целой функции по ее коэффициентам Тейлора, являющиеся конкретизацией формул теоремы 6. Аналогичные формулы с нижними пределами и с заменой коэффициентов Ifni на их регуляризации Fnсправедливы и для вычисления нижнего типа целой функции. Отметим также, что в этих работах фактически доказано равенство a^f = aMf при условии, что функция a(x) = xh(x) удовлетворяет условию (6). Класс всех функций сравнения обозначим U. Класс U является плотным классом во множестве всех целых функций в том смысле, что для всякой целой функции f (z) найдется такая функция A(z) Е U, что aA(f) = 0, го (см. [13]). И здесь опять возникает проблема Адамара нахождения возможно более узких классов функций сравнения, плотных в этом смысле. Так в работе [15] А. Ю. Попов показал, что плотной в классе целых функций, имеющих бесконечный тип при логарифмическом порядке 2, является совокупность всех функций сравнения с дополнительным условием lim AnAn+2 = 1. П^Ю An+1 Обозначим uYk) An = e - e = {A(z) : A(z) = P e-^n) n=0 ∞ zn, Ф(х) Е Hk)}. Поскольку здесь ф(п), то AA+1= eф(n) Ф(п+1) ^ о, и каждый класс U^, к > 1, y > 0, состоит из функций сравнения. Очевидно, при любом к > 1, y > 0 и uYk+1)С uYk). Следующие результаты говорят о том, что при любом к > 1 в качестве плотного во множестве всех целых функций класса функций сравнения как сверху, так и снизу, (k) (k) может быть взят любой из классов U1 . В то же время классы UY 7 с y Е (0; 1) при любом к > 1 не могут служить такими классами функций сравнения, т. е. дальнейшее (k) сужение в рамках UY 7 при любом к > 1 уже невозможно. Теорема 7. Пусть к Е N. Для всякой целой трансцендентной функции f (z) = ^ TT(k) TT(k) 52 fnz найдутся функции Ф1(х) Е H и Ф2(х) Е H такие, что n=0 lim {ln^f(ex) — Ф1(х)} = 0 и lim {lnpf(ex) — Ф2(х)} = 0, x→∞ x→∞ причем lim {ln Fn + Ф2 (n)} > 0. n→∞ lim {ln Ifni + Ф1(п)} = lim {lnFn + Ф1(п)} = 0 и n→∞ n→∞ Здесь опять Fn — регуляризация Ньютона — Адамара | fn |. С другой стороны, для всякого y Е (0; 1) найдется целая функция f (z) такая, что lim {ln Fn + Ф(п)} = го при всех Ф(х) Е H(k). n→∞ <1 По теореме С для функции ^(x) = ln^f(ex) существуют функции Ф1 (x) и Ф2(х) из (k) класса H1такие, что для всех Ф1(х) 6 ^(x) 6 Ф2(х), причем для некоторых последовательностей xn ^ го и xn ^ го выполняются соотношения Ф1(Хп) = ^(xn) + o(1), n - го и Ф2(Xn) = ^(xn) + o(1), n ^ ГО. В то же время, для любого y< 1, найдется выпуклая функция ^(x) со свойством (2) такая, что для всех Ф(x) Е H^k будет выполняться lim [^(x) — Ф(x)] = +го. x→∞ ∞e Рассмотрим функцию A(z) = P Anzn, An = e-^(n). Для n = 0,1, 2,... выполняется n=0 ln |fn|enx6 Inpf (ex) 6 Ф2(x) и In |fn| 6 Ф2(x) — nx, а тогда In Ifni 6 ln Fn 6 — sup{nx — Ф2 (x)} = —Ф2М, т. е. |fn | 6 An . Кроме того, In^A(ex) = max{nx — Ф2(п)} 6 sup{Zx — Ф2(Z)} = Ф2(x)• n>0 z>0 Обозначим q = lim fn, q 6 1. Если бы q < 1, то для qi Е (q; 1) и достаточно больших n→∞ An r в силу леммы 3 имели бы pf (r) 6 qi^A(r), а тогда Ф2М + o(1) = lnpf (ex) 6 lnqi^A(ex) 6 lnqi + Ф2(x), x = xn ^ го. Противоречие указывает на то, что q = 1. Следовательно, lim Fn = lim fn = 1 и n→∞ An n→∞ An lim [ln |fn| + Ф2(n)] = lim [lnFn + Ф2(п)] = 0. n→∞ n→∞ ∞e Рассмотрим теперь функцию B(z) = P Bnzn, Bn = e-Ф1(n)• Поскольку ln pf (ex) = n=0 G(x), где y = G(Z) — уравнение ломаной Ньютона — Адамара функции f (z), то условие Ф1(x) 6 lnpf (ex) = G(x) эквивалентно условию G(Z) 6 Ф1(Z)• Тогда lnFn = —G(n) > — Ф1(n), т. е. Fn> Bn и lnFn + Ф1(n) > 0. B Теорема 8. Пусть k Е N. Для всякой целой трансцендентной функции f (z) = ∞ fnzn найдутся функции сравнения A(z) n=0 такие, что OA(f) = 1 и а в (f) > 1, причем P V Е U , B(z) = P Bnzn Е U^ n=0 n=0 о A(f) = lim n/fn- = lim n/Fn и а в(f) = lim Г/Fn, n→∞ An n→∞ An n→∞ Bn где Fn — регуляризация Ньютона — Адамара |fn |. В то же время, для любого 7 Е (0; 1) найдется целая функция f (z) такая, что оA(f) = го при всех A(z) Е uYk). C На самом деле, функции, построенные при доказательстве теоремы 7, пригодны и для доказательства теоремы 8. Это ясно для функции A(z), поскольку ∞∞ Mf (r) 6 52 Ifnirn 6 52 Anrn = A(r). n=0 n=0 И если бы для некоторых т < 1 и r0 при всех r > r0 выполнялось Mf (r) 6 A(t • r), то по лемме 1 предыдущего пункта имели бы для всех достаточно больших r и некоторого Ti Е (т; 1) оценку ^f (r) 6 ^a(ti • r) 6 qi^A(r) с произвольно малым положительным qi. Но это, как мы видели, невозможно. Следовательно, OA(f) = 1. По доказанной теореме 2 Fn > Bn, а тогда ств (f) = lim в Bn > 1. B n→∞ n (k) Классы H , к E N пригодны и для более точной, чем в теореме 6 классификации роста целой функции в смысле (***) и (****). ∞ Теорема 9. Пусть к E N. Для любой целой трансцендентной функции f (z) = ^2 fnzn n=0 существуют функции Фi(x) E H^k, i = 1, 2, такие, что выполняются равенства lim (lnMf (ex) — Ф2(x)) = 0, lim (InMf (ex) — Ф1(х)) = 0, x→∞ а для коэффициентов функции выполняются соотношения ^т^\!п\+длп1=^тДпД+Д2(о=а, lim lnFn ?-> n→∞ n n→∞ n n→∞ <1 В самом деле, существование таких Фi(x) E H^k, i = 1, 2, гарантирует теорема С. Построим функции A(z) = P е-ф2(n)zn, B(z) = P е-ф 1(n)zn. Как и в теореме 8, по-n=0 казываем, что CTA(f) = 1 и ств(f) > 1. А это после логарифмирования дает требуемые формулы. B ∞e Замечание. Если дополнительно функция B(z) = P Bnzn, Bn = е-Ф1(п)тако-n=0 ва, что x = о(Ф1(х)), x ^ го (например, Ф,/(x) ^ го, что влечет BnBn+2 ^ 1), то 1 1 Bn+1 в теореме 8 можно утверждать, что ств(f) = 1, и, соответственно, в теореме 9 — что lim inFn+^W = o. n. n→∞ В самом деле, если бы ст в (f) > 1, то для некоторого т > 1 по лемме 1 имели бы асимптотически pf (r) > цв (т • r), что влечет Ф1(x) + o(1) = lnц (ex) > цв(ex+lnт) > Ф1(x + lnт) — (x + lnт), x = xn^ го. А тогда имели бы o(1) > Ф1(x + ln т) — Ф1(x) — (x + ln т) > Ф1 (x) ln т — (x + ln т) (x = xn^ го) или o(1) > ('Mixhn т x x — ln т ^ го, если x = xn^ го, что невозможно. Противоречие доказывает требуемое равенство ст в (f) = 1. Применяя методы работы [14], можно перенести полученные результаты и на функции многих переменных.
Список литературы Об одной проблеме Адамара и сглаживании выпуклых функций
- Hadamard J. Essai d`etude des fonctions donnees par leur developpement de Taylor//J. Math. Pure et Appl.-1892.-V. 8.-P. 154-186.
- Valiron G. Lecture on the General Theory of Integrаl Functions.-Privat Toulouse, 1923.
- Левин Б. Я. Распределение корней целых функций.-М.: ГИТТЛ, 1956.-632 с.
- Таров В. А. Гладко меняющиеся функции и совершенные уточненные порядки//Мат. заметки.-2004.-Т. 76, вып. 2.-С. 258-264.
- Коробейник Ю. Ф. Аналитические решения операторных уравнений бесконечного порядка: Дис.... докт. физ.-мат. наук.-Ростов-на-Дону, Ростовский гос. ун-т, 1965.
- Коробейник Ю. Ф. Нормально-разрешимые операторы и дифференциальные уравнения бесконечного порядка//Литовский мат. сб.-1971.-Т. XI, № 3.-С. 569-596.
- Осколков В. А. Современные методы теории функций и смежные проблемы//В сб.: ВЗМШ, тезисы докладов.-Воронеж, 1997.-С. 126.
- Осколков В. А. О некоторых вопросах теории целых функций//Мат. сб.-1993.-Т. 184, № 1.-С. 129-148.
- Kiselman Ch. O. Croissance des fonctions plurisousharmoniques en dimension infinie//Ann. Inst. Fourier, Grenoble.-1984.-V. 34, № 1.-P. 155-183.
- Брайчев Г. Г. О сглаживании выпуклых функций//Мат. вестник педвузов и ун-тов Волго-Вятского региона.-Киров, 2004.-Вып. 6.-С. 38-47.
- Брайчев Г. Г. Несколько простых замечаний о равенстве характеристик роста целых функций//В сб.: Актуальные проблемы математики, физики, информатики и методики их преподавания. Юбилейный сборник к 130-летию МПГУ.-М.: МПГУ, 2003.-С. 49-53.
- Брайчев Г. Г. О сглаживании выпуклых функций. Обобщенная проблема Адамара//В сб.: Актуальные проблемы математики, информатики, физики и математического образования. Юбилейный сборник к 70-летию кафедры математического анализа МПГУ.-М.: МПГУ, 2004.-С. 147-156.
- Казьмин Ю. А. Методы интерполяции аналитических функций и их приложения: Дис.... докт. физ.-мат. наук.-М.: МГУ, 1972.
- Коробейник Ю. Ф. О связи между максимумом модуля и тейлоровскими коэффициентами целых функций многих комплексных переменных//Мат. заметки.-1997.-Т. 62, вып. 2.-С. 238-258.
- Попов А. Ю. Границы сходимости и единственности интерполяционных задач Абеля -Гончарова//Мат. сб.-2002.-Т. 193, № 2.-С. 97-128.