Парные интегральные операторы с однородно-разностными ядрами
Автор: Авсянкин Олег Геннадиевич
Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru
Статья в выпуске: 2 т.18, 2016 года.
Бесплатный доступ
Рассматриваются парные многомерные интегральные операторы с однородно-разностными ядрами, действующие в Lp-пространствах. Для таких операторов определен символ, в терминах которого получены необходимые и достаточные условия обратимости операторов.
Интегральный оператор, однородно-разностное ядро, символ, обратимость, сферические гармоники
Короткий адрес: https://sciup.org/14318535
IDR: 14318535
Текст научной статьи Парные интегральные операторы с однородно-разностными ядрами
В настоящее время имеется немало работ, посвященных многомерным интегральным операторам с однородными степени ( — n) ядрами и их обобщениями (см., например, [1-4] и цитированные в них источники). В работе [5] были введены и изучены операторы с однородно-разностными ядрами, т. е. с ядрами, которые являются однородными степени (— n) по одним переменным и разностными по другим. Развитием этого направления стала, статья [6], в которой была, построена, и исследована, банахова, алгебра, порожденная многомерными интегральными операторами с однородно-разностными ядрами.
Данная работа, продолжает исследования, начатые в статьях [5] и [6]. Ее целью является изучение парных многомерных интегральных операторов с однородно-разностными ядрами, действующих в пространствах суммируемых функций. Для этих операторов определен символ, представляющий собой совокупность пар функций специального вида. В работе получены необходимые и достаточные условия обратимости парных операторов с однородно-разностными ядрами, которые формулируются в терминах невырожденности их символов.
В работе использованы следующие обозначения: Rn — n-мерное евклидово пространство: x = (xi,..., xn) G Rn; |x| = Xi + ... + хП: x0 = x/|x|; x • y = xiyi + ... + xnyn'. Sn - 1 = {x G Rn: |x| = 1}; Z+ — множество целых неотрицательных чисел; R++m = {x G R1+m: x1 > 0}; Yv^ (ст) — сферические гармоиики порядка v; dn(v ) — размерность пространства сферических гармоник порядка v:
(n + v — 3)! dn(v) = (n + 2v — 2) 1 v!( n — 2)( ;
I — тождественный оператор (ниже из контекста всегда будет ясно в каком пространстве рассматривается этот оператор).
Постановка задачи и основной результат. Пусть 1 6 p 6 то. В пространстве
Lp(Rn+m) рассмотрим оператор
(K^)(x,t) = у у
Rn Rm
k(x,y,t - s) ^(y,s) dyds,
где x E Rn. t E Rm. предполагая, что функция k(x,y,t). задан пая на Rn х Rn х Rm. удовлетворяет следующим условиям:
[ 1°] однородное?ть степени (— п) по перемеппым x ii у. т. е.
k(ax,ay,t) = a nk(x,y,t) (V а> 0);
[2°] инвариантность относителыю группы вращений SO(n) по перемеппым x ii у. т. е.
к(ш(х), ш(у), t) = k(x,y,t) (V ш E SO(n));
[3°] суммируемость, т. е.
κ
У У |k(ei, у, t)||y| n/p dydt < то, ei = (1, 0,..., 0).
Rn Rm
Известно [5], что оператор K ограничен в пространстве Lp(Rn+m), при чем ||К || 6 к. Далее, определим в Lp(Rn+m) проектор P формулой lPp)lx,^) = ^lx't)'
|x| < 1, t E Rm,
|x| > 1, t E Rm,
и обозначим через Q дополнительный проектор.
Основным объектом исследования в данной работе является парный оператор
A = AI + K i P + KQ,
где Kj — оператор вида (1), j = 1, 2. Наша цель — установить критерий обратимости оператора A.
Чтобы получить условия обратимости оператора A, рассмотрим в пространстве Lp(Rn+m) уравнение, порожденное этим оператором:
A^(x,t) +
k i (x,y,t — s)^(y,s) dyds
|y|<1 Rm
+
k2(x, у, t
— s)^(y,s) dyds = f (x,t).
|y|>1 Rm
Так как функция kj (x,y,t) г де j = 1,2, удовлетворяет условию 2°, то по лемме 4.6 книги [7] найдется такая функция koj (r,p,T,t'), что kj(x,y,t) = koj(|х|, |У|,x' • yf,t).
Это позволяет переписать уравнение (3) в виде
A^(x,t)+ У У |xnkoi |y|<1 Rm
,x • y, t — s ^(y, s) dyds
+ / f Bn k02
|y|>1 Rm
,x • y, t — s^ ^(y, s) dyds = f (x, t).
xy полагая x = ra. y = р9. приходим к уравнению
AФ(ra, t) + j j j - D 1 ( —,a • 9,t — s) Ф(р9,s) dpd9ds
0 S n
1 Rm ra
+ .i / $ _ D2 (~,a • 9,t — s) Ф(р9,s) dpd9ds = F(ra,t), (4)
1 S n
1 Rm
где
Ф(ra,t) = ^(ra,t)rn 1)/p, F(ra,t) = f (ra, t)r(n 1)/p,
Dj (P,T,t) = k o j (1, p,T,tVn-1W, j = 1, 2.
Из условия 3° следует, что ra 1
УУУ |Dj (р, t, t)|p-1/p (1 — т 2)(n-3)/2 dpdTdt< ∞ .
0 -1 Rm
Умножив обе части уравнения (4) на Yv^(a) и проинтегрировав по единичной сфере, получим следующую систему интегральных уравнений:
XФvц(r, t) + j Yv^(a) daj j j r Di ^ r,a • 9,t — s) Ф(р9,s) dpd9ds
S n -1
ra
0 S n
1 Rm
+ У Yv^(a) da j j j r D2 (p,a • 9,t — s) Ф(р9,s) dpd9ds = Fv^(r,t),
S n -1
1 S n
1 Rm
где r Е R+- v G Z+- р = 1, 2,..., dn(v).
Ф^(r,t)= j Ф(ra,t)Yvц (a) da, Fv^(r,t) = j F(ra,t)Yv^(a) da.
S n -1
S n -1
Преобразуем интегралы из левой части формулы (7). Меняя порядок интегрирования и используя формулу Функа — Гекке [7, с. 43], получим следующую бесконечную диаго- нальную систему интегральных уравнений:
AФv^(r,t) +
/ / rD1^ (p,t-s)
$v^(p, s) dp ds
0 Rm
+
∞
H 1 D2v (Pt rr
1 Rm
- s) ф^(р, s) dp ds = Fv^(r,t),
где 2n(n-1)/2 r
Djv (P,t) = rT7----iW Dj (P,T,t Pv (т )(1 - т2)(n-3)/2 dT, j = 1,2. (9)
r((n -1)/2)
-1
Здесь Pv (т ) — многочлены Лежандра, определяемые равенством
Pv(т) = <
cos(v arccos т ),
v!(n-3)! r(n - 2) / 2 (n+v-3)! Cv
( т ) ,
n = 2;
n > 3,
где cVn 2)/2(т) — многочлены Гегенбауэра (см., например, [7, с. 41]).
В пространство Lp(R++m) рассмотрим оператор Av. г,те v G Z+- определяемый левой частью уравнения (8):
(Avg)(r,t) = Ag(r,t) +
[ 1 D1v ( P,t rr
0 Rm
— s I g(p, s) dp ds
∞
+ J J D I D«2V (p,t — s) g(p,s) dpds.
1 Rm
Лемма 1. Пусть A = 0. Тогда существует такое число vo G Z+, что для всех v > vo операторы Av обратимы.
<1 Запишем оператор Av в виде
Av = AI + Kiv P1 + K2v Q1,
Kjν
P1
∞
(Kjv g)(r, t) = j j rDiH (r
0 Rm
,t
— s g(p, s) dp ds,
j = 1, 2,
(P1g)(r,t) = ^ r G (0,1), t G Rm; r G (1, to), t G Rm, a Q1 ~ дополни тельный к P1 проектор. Для нормы оператора Kjv справедлива оценка см. [5]: ∞ kK3vk 6 у у 0 Rm IDjv (p, t)|p 1/pdpdt. В силу формулы (9) функции Djv(p,t) v Е Z+, являются коэффициентами Фурье функции Dj (p,T,t по системе мпогочлепов Лежандра, а потому Djv (p,t ж 0 щ:>и v жж для почти всех р Е R+, t Е Rm. Тогда, применяя мажорантную теорему Лебега, с учетом (6), заключаем, что kKjv || ж 0 пр и v ж го. Следовательно, существует такое число vg Е Z+- что дтя всех v > vg выполняется неравенство ||KivPi + K2vQ1 k 6 |A|. а значит, оператор Av обраtiim. B Лемма 2. Пусть А = 0 и vg — число, опредеденное в лемме 1. Для того чтобы оператор A впда (2) был обратим в пространстве Lp(Rn+m). необходимо и достаточно, чтобы все операторы Av. г те v = 0,1,..., vg. были обратимв i в пространстве Lp(R++m). C В пространстве Lp(Rn+m) = {ф(га^) : Ф(гщ t)r-(n-i)/p Е Lp(Rn+m)o определим оператор A следующим образом: A = AI + KiP + K2Q, где P ii Q — естественные аналоги проекторов P и Q в пространство Lp(Rn+m). а ∞ (Kj »)(г,,о = у у / rD (р 0 Sn-1 Rm ,σ · θ,t - s Ф(р0,s) dp de ds, j = 1, 2. Очевидно, что оператор A обратим в пространстве Lp(Rn+m) тогда и только тогда, когда оператор A обратим в пространстве Lp(Rn+m). Определим в пространстве Lp(Rn+m) проектор Pn равенством N dn(v) (PNФ^СТЛ) = XX ФvM(r,t)YvMИ v=0 ^=i и обозначим через Qn дополнительный проектор. С помощью формулы Функа — Гекке непосредственно проверяется, что PnAQn = 0, QnAPn = 0. Учитывая эти соотношения, запишем матричное равенство / Pn Qn А /Л Qn Pn 0 AI + Pn (Ki P + K2Q)Pn 0 0 Pn Qn λI QN PN AI + On (KiP + K2Q)Qn Ясно, что оператор A обратим тогда и только тогда, когда обратимы операторы AI + Pn(KiP+K2Q^Pn и AI+On(KiP+K2Q)Qn- Покажем, что последний оператор обратим при достаточно большом значении N. В [1, с. 80-81] показано, что для любого е > 0 найдется функция bjN(p,T,t) j = 1, 2, вида . . . Г(п/2) N bjN (P, T, t) = 2пП/2 X dn(v)bj^ (P, t)Pv (T), v=0 где Pv(т) — многочлены Лежандра, для которой оператор ∞ (BjNФ)(гст, t) = j j j r bjN (p,o- • 9,t — s^ Ф(р9, s) dpd9 ds 0 Sn 1 Rm удовлетворяет неравенству .^e* kKj - BjN kL(Lp(Rn+m)) < e/2- При этом всегда можно считать, что N > vo. С помощью формулы сложения сферических гармоник [7, с. 38] легко проверить, что QnBjN = 0. Тогда XI + Qn (K1P + K2Q)Qn = AI + Qn (K1 — bin )PQn + Qn (K2 — B2N )QQn . Учитывая (10), имеем ||QN(K1 — BIN)PQN+QN(K2 —B2N)QQN kl(Lp(Rn+m)) 6 kK1— B1NkL (Lp^Rn^m)) + ||K2 — B2NkL (Lp^Rn^m)) < E Выберем число N столь большим, чтобы выполнялось неравенство kQ N(K1 — BIN)PQN + QN(K2 — B2N)QQN kl(Lp(Rn+m)) < lXl> из которого следует обратимость оператора XI + Qn(K1Р + K2Q)Qn- Таким образом, оператор A обратим тогда и только тогда, когда обратим оператор XI + Pn(K1P + K2Q')Pn- Обратимость последнего равносильна обратимости оператора An := Pn(XI + K1P + K2Q)| Im PN (см., например, [1, c. 6]). Нетрудно видеть, что уравнение, порожденное оператором An сводится к конечной системе уравнений (8), где v = 0,1,... ,N. Следовательно, необходимым и достаточным условием обратимости оператора A является обратимость всех операторов Av. v = 0,1,... ,N. Так как. согласно лемме 1. при vo < v 6 N операторы Av обратимы, то достаточно считать, что v = 0,1,..., vo. В Таким образом, задача свелась к изучению обратимости в Lp(R++m) опера торов Av, где v = 0,1,... , v0. Определим изоморфизм Wp: Lp(R++m) ^ Lp(R1+m) формулой (Wp^)(u, t) = e-u/pV(e-u,t), u G R1, t G Rm. Непосредственно проверяется, что оператор Cv = WpAvW—1 задается в пространстве Lp(R1+m) равенством ∞ (Cv ^)(u,t) = X*(u,t) + h1v(u — v,t — s)^(v, s) dv ds o Rm o + / / h2v (U - v, t — s)^(v, s) dv ds, (И) -∞ Rm где hjv(u,t) = Djv(eu,t)eu/p, u € R1, t G Rm, (12) a Djv(p,t) определяется формулой (9). Операторы вида (И) были изучены в работе [8]. Согласно теореме 1.4 из [8] оператор Cv обратим тогда, и только тогд;г. когда, обратимы операторы XI + H1v 1i AI + H2v. где ∞ (Hjv^)(u,t)= I I hjv(u - v, t — s) ^(v, s) dv ds. -∞ Rm Как известно, символом оператора XI + Hjv, j = 1, 2, является функция ∞ Hjv(€) = X +hjv(€) = X + j j hjv(u,t)ei^1 u+^t) dudt, -∞ Rm где € = (€1, €) = (€1,€2,..., €m+1)- Преобразусы функцию Hjv(€)■ Применяя формулы (12) и (9), а, затем формулу Каталана, (см., например, [7, с. 20]), получим Hjv(€) = X + L Ч Rm e Djv (р, t)p-1/p+i^1 ei^1 dpdt =X+ ∞ ZZ Rm о -1/p+i§1 Д-t ρe dp dt j Dj (p ,e1 • e,t)Pv(e1 • 0) de. Sn- Наконец, используя равенство (5), после несложных преобразований приходим к формуле Hjv (€) = X + У j kj (e1 ,y,t)Pv (e1 • у')Ы-п/р+р1 егр1 dydt. (13) Rn Rm Совокупность пар функций (h1v(€),h2v(€)), v G Z+, определяемых формулой (13), будем называть символом оператора A. Основным результатом данной работы является следующая Теорема 1. Для того чтобы оператор A вида (2) был обратим в пространстве Lp(Rn+m). необходимо и достатодно. чтобы для любого v G Z+ выполнялось условие Hjv(€) = 0 (V€ G R1+m, j = 1,2), (14) гдеR1+m — одноточечная компактификация пространства R1+m. C Проанализируем два случая. 1) Пусть X = 0. Условие (14) является необходимым и достаточным для обратимости всех операторов XI + Hjv. г,те v G Z+- j = 1, 2. а значит, и вех операторов Cv вида (11). Так как Av = W-1CvWp. то оп<щатор Av обратим в проетраиетве Lp(R++m) тогда и только тогда, когда оператор Cv обратим в пространстве Lp(R1+m). Следовательно, условие (14), необходимо и достаточно, для обратимости всех операторов Av, v G Z+- что в силу леммв! 2 равиосилыю обратимости оператора A. 2) Пусть X = 0. Предположим, что оператор A обратим. Тогда найдется такое 5 > 0, что все операторы из 5-окрестности оператора A обратимы. Подберем такие числа V1 е Z+ 11 & е Ri+m что |sivi (^0)| < 5. Тогда оператор A — Sivi (£o)I обратим. С другой стороны, символом оператора A — sivi (^o)I является совокупность пар функций Из этой теоремы легко получается критерий обратимости оператора XI + K, ранее установленный в [5]. Так как XI + K = XI + KP + KQ, то символом этого оператора является совокупность функций Sv«) = X + У У k(ei,y,t)Pv(ei • y0)|y|-n/p+i51 eiet dy dt. Rn Rm Следствие 1. Для того чтобы оператор XI + K был обратим в пространстве Lp(Rn+m). необходимо и достаточпо. чтобы для любого v е Z+ выполнялось условие Sv(0 = 0 (V е е Ri+m).
Список литературы Парные интегральные операторы с однородно-разностными ядрами
- Karapetiants N., Samko S. Equations with Involutive Operators.-Boston-Basel-Berlin: Birkhauser, 2001.-427 p.
- Авсянкин О. Г. О C*-алгебре, порожденной многомерными интегральными операторами с однородными ядрами и операторами мультипликативного сдвига//Докл. РАН.-2008.-Т. 419, № 6.-С. 727-728.
- Авсянкин О. Г., Перетятькин Ф. Г. Об ограниченности и компактности многомерных интегральных операторов с однородными ядрами//Изв. вузов. Математика.-2013.-№ 11.-С. 64-68.
- Авсянкин О. Г. Проекционный метод для интегральных операторов с однородными ядрами, возмущенных односторонними мультипликативными сдвигами//Изв. вузов. Математика.-2015.-№ 2.-С. 10-17.
- Авсянкин О. Г. Многомерные интегральные операторы с однородно-разностными ядрами//Диф. уравнения.-2012.-Т. 48, № 1.-С. 64-69.
- Авсянкин О. Г. Об алгебре многомерных интегральных операторов с однородно-разностными ядрами//Мат. заметки.-2014.-Т. 95, вып. 2.-С. 163-169.
- Самко С. Г. Гиперсингулярные интегралы и их приложения.-Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1984.-208 с.
- Симоненко И. Б. Операторы типа свертки в конусах//Мат. сборник.-1967.-Т. 74, № 2.-С. 298-313.