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Locally integrable function

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수학(mathematics)에서, 지역적으로 적분-가능 함수(locally integrable function, 때로는 지역적으로 합-가능 함수라고도 불림[1])는 정의 도메인의 모든 각 컴팩트 부분집합(compact subset)에서 적분-가능인 (따라서 적분은 유한함) 함수(function)입니다. 그러한 함수의 중요성은 그것들의 함수 공간(function space)Lp 공간과 유사하지만, 그것의 구성원이 도메인 경계 (도메인이 경계지지 않으면 무한대)에서 행동에 대한 임의의 성장 제한을 만족시킬 필요가 없다는 사실에 있습니다: 다른 말로, 지역적 적분-가능 함수는 도메인 경계에서 임의적으로 빠르게 성장할 수 있지만, 보통의 적분-가능 함수와 유사한 방법으로 여전히 관리 가능합니다.

Definition

Standard definition

Definition 1.[2] Ω유클리드 공간(Euclidean space) 에서 열린 집합(open set)이라고 f : Ω → 르베그 측정가능 함수(measurable function)라고 놓습니다. 만약 Ω 위에 f가 다음을 만족하면,

즉, 그것의 르베그 적분(Lebesgue integral)Ω의 모든 컴팩트 부분집합(compact subsets) K 위에 유한이면,[3] f지역적으로 적분-가능(locally integrable)이라고 불립니다. 모든 그러한 함수의 집합은 L1,loc(Ω)에 의해 표시됩니다:

여기서 f의 집합 K로의 제한(restriction)을 나타냅니다.

지역적으로 적분-가능 함수의 고전적 정의는 측정 이론(measure theoretic)토폴로지적[4] 개념만을 포함하고 토폴로지적 측정 공간(measure space) (X, Σ, μ) 위에 추상적인 복소수-값(complex-valued) 함수로 이월될 수 있습니다:[5] 어쨌든, 그러한 함수의 가장 공통적인 응용은 유클리드 공간 위에 분포 이론(distribution theory)이기 때문에,[2] 이 섹션과 다음 섹션의 모든 정의는 이 중요한 경우에만 명시적으로 다룹니다.

An alternative definition

Definition 2.[6] Ω를 유클리드 공간 에서 열린 집합이라고 놓습니다. 그런-다음 각 테스트 함수 φC 
c
 
(Ω)
에 대해 다음임을 만족하는 함수(function) f : Ω →

지역적으로 적분-가능(locally integrable)이라고 불리고, 그러한 함수의 집합은 L1,loc(Ω)에 의해 표시됩니다. 여기서 C 
c
 
(Ω)
Ω에 포함된 컴팩트 지원(compact support)을 갖는 모든 무한하게 적분가능 함수 φ : Ω → 의 집합을 나타냅니다.

이 정의는 니콜라 부르바키(Nicolas Bourbaki) 학파에 의해 개발된 토폴로지적 벡터 공간(topological vector space) 위에 연속 선형 함수형(continuous linear functional)의 개념에 기반한 측정 이론과 적분 이론에 대한 접근 방식에 뿌리를 두고 있습니다:[7] 이 정의는 Strichartz (2003)Maz'ya & Shaposhnikova (2009, p. 34)에 의해 채택된 것이기도 합니다.[8] 이 "분포 이론적" 정의는 다음 보조정리가 증명하는 것처럼 표준 정의와 동등합니다:

Lemma 1. 주어진 함수 f : Ω → Definition 1에 따라 지역적으로 적분-가능인 것과 그것이 Definition 2에 따라 지역적으로 적분가능인 것은 필요충분 조건입니다, 즉,

Proof of Lemma 1

If part: φC 
c
 
(Ω)
를 테스트 함수라고 놓습니다. 그것은 상한 노름(supremum norm) ||φ||에 의해 경계지고, 측정-가능이고, K라고 부르는 컴팩트 지원(compact support)을 가집니다. 따라서 Definition 1에 의해,

Only if part: K를 열린 집합 Ω의 컴팩트 부분집합이라고 놓습니다. 우리는 먼저 K지시 함수(indicator function) χK를 전문화하는 테스트 함수 φKC 
c
 
(Ω)
를 구성할 것입니다. K경계(boundary) ∂Ω 사이의 보통의 집합 거리[9] 엄격하게 영보다 크며, 즉,

따라서 Δ > 2δ > 0임을 만족하는 실수 δ를 선택할 수 있습니다 (∂Ω이 빈 집합이면, Δ = ∞를 취합니다). KδK2δ는 각각 K닫힌 δ-이웃2δ-이웃을 나타냅니다. 그것들은 마찬가지로 컴팩트하고 다음을 만족시킵니다:

이제 합성곱(convolution)을 다음에 의한 함수 φK : Ω → 로 정의하기 위해 사용합니다:

여기서 φδ표준 양의 대칭적 완화자를 사용함으로써 구성된 완화자(mollifier)입니다. 분명히 φKφK ≥ 0이고 무한하게 미분-가능하다는 의미에서 비-음수이고, 그것의 지원은 K2δ에 지원이 포함되며, 특히 그것은 테스트 함수입니다. 모든 xK에 대해 φK(x) = 1이므로, χKφK임을 가집니다.

fDefinition 2에 따른 지역적으로 적분-가능 함수라고 놓습니다. 그런-다음

이것은 Ω의 모든 각 컴팩트 부분집합에 대해 유지되므로, 함수 fDefinition 1에 따라 지역적으로 적분-가능입니다. □

Generalization: locally p-integrable functions

Definition 3.[10] Ω를 유클리드 공간 에서 열린 집합이라고 놓고 f : Ω → 를 르베그 측정-가능 함수라고 놓습니다. 만약, 1 ≤ p ≤ +∞을 갖는 주어진 p에 대해, 는 다음을 만족시키면:

즉, 그것이 Ω의 모든 컴팩트 부분집합(compact subsets) K에 대해 Lp(K)에 속하면, 지역적으로 p-적분가능(locally p-integrable) 또는 역시 p-지역적으로 적분가능(p-locally integrable)입니다.[10] 모든 그러한 함수의 집합(set)Lp,loc(Ω)에 의해 표시됩니다:

지역적으로 적분-가능 함수에 대해 주어진 것과 완전하게 유사한 대안적인 정의는 지역적으로 p-적분가능 함수에 대해서도 제공될 수 있습니다: 그것은 이 섹션에 있는 것과 동등하고 입증될 수도 있습니다.[11] 명백히 더 높은 일반성에도 불구하고, 지역적으로 p-적분가능 함수는 1 < p ≤ +∞임을 만족하는 모든 각 p에 대해 지역적으로 적분가능 함수의 부분집합을 형성합니다.[12]

Notation

대문자 "L"에 사용될 수 있는 다른 글리프(glyphs)를 제외하고,[13] 지역적으로 적분가능 함수의 집합의 표기법에 대한 변형이 거의 없습니다.

Properties

Lp,loc is a complete metric space for all p ≥ 1

Theorem 1.[14] Lp,loc완비 메트릭가능 공간(complete metrizable space)입니다: 그것의 토폴로지는 다음 메트릭(metric)에 의해 생성될 수 있습니다:

여기서 {ωk}k≥1는 다음임을 만족하는 비-빈 열린 집합의 가족입니다:

  • ωk ⊂⊂ ωk+1, ωkωk+1에 컴택트하게 포함된다, 즉, 그것은 더 높은 인덱스의 집합에 엄격하게 포함된 컴팩트 클로저를 가지는 집합임을 의미합니다.
  • kωk = Ω.
  • , k는 다음으로 정의된 반노름(seminorms)인덱스된 가족(indexed family)입니다:

참조 (Gilbarg & Trudinger 1998, p. 147), (Maz'ya & Poborchi 1997, p. 5), (Maz'ja 1985, p. 6), 및 (Maz'ya 2011, p. 2)에서, 이 정리는 명시되어 있지만 형식적 기초 위에 입증되지 않았습니다:[15] 그것을 포함하는 더 일반적인 결과의 완전한 증명은 (Meise & Vogt 1997, p. 40)에서 찾을 수 있습니다.

Lp is a subspace of L1,loc for all p ≥ 1

Theorem 2. Lp(Ω), 1 ≤ p ≤ +∞에 속하는 모든 각 함수 는 , 여기서 Ω열린 부분집합(open subset)이며, 지역적으로 적분-가능입니다.

Proof. 경우 p = 1는 자명하고, 따라서 증명의 계속에서 1 < p ≤ +∞임이 가정됩니다. Ω의 콤팩트 부분집합 K특성 함수(characteristic function) χK를 생각해 보십시오: 그런-다음 p ≤ +∞에 대해,

여기서

그런-다음 Lp(Ω)에 속하는 임의의 에 대해, 횔더 부등식(Hölder's inequality)에 의해, 곱(product) K적분-가능(integrable), 즉, L1(Ω)에 속하고 다음과 같습니다:

따라서

다음 부등식이 참이기 때문에

정리는 지역적으로 p-적분가능 함수의 공간에만 속하는 함수 에 대해서도 참이고, 따라서 정리는 다음 결과도 암시함을 주목하십시오.

Corollary 1. , 에서 모든 각 함수 는 지역적으로 적분가능, 즉, 에 속합니다.

Note: 만약 가 역시 경계진 열린 부분집합(open subset)이면, 주어진 위의 포함 을 의미있게 만드는 표준 포함 을 가집니다. 그러나 이들 명제의 첫 번째는 만약 가 경계지지 않으면 참이 아닙니다; 게다가 여전히 임의의 에 대해 라는 것은 참이지만, 라는 것은 참이 아닙니다. 이를 확인하기 위해, 전형적으로 함수 를 생각해 보십시오, 이 함수는 임의의 유한 에 대해 에 있지만 에 있지 않습니다.

L1,loc is the space of densities of absolutely continuous measures

Theorem 3. 함수 절대적으로 연속 측정(absolutely continuous measure)밀도(density)인 것과 인 것은 필요충분 조건입니다.

이 결과의 증명은 (Schwartz 1998, p. 18)에 의해 스케치됩니다. 그 명제를 바꾸어 말하면, 이 정리는 모든 각 지역적으로 적분가능 함수가 절대적으로 연속 측정을 정의하고 반대로 모든 각 절대적으로 연속 측정이 지역적으로 적분가능 함수를 정의한다고 주장합니다: 이것은 역시, 추상 측정 이론 프레임워크에서, Stanisław Saks에 의해 그의 논문에서 제공된 중요한 라돈-니코딤 정리(Radon–Nikodym theorem)의 형식입니다.[16]

Examples

  • 실수 직선 위에 정의된 상수 함수 1은 지역적으로 적분가능이지만 전역적으로 적분가능은 아니데 왜냐하면 실수 직선은 무한 측정을 가지기 때문입니다. 보다 일반적으로, 상수, 연속 함수,[17]적분가능 함수(integrable functions)는 지역적으로 적분-가능입니다.[18]
  • x ∈ (0, 1)에 대해 함수 는 (0, 1) 위에 지역적이지만 전역적으로 적분-가능은 아닙니다. 그것은 지역적으로 적분가능인데 왜냐하면 임의의 컴팩트 집합 K ⊆ (0, 1)은 0에서 양의 거리를 가지고 따라서 는 K에 경계지기 때문입니다. 이 예제는 지역적으로 적분-가능 함수가 경계진 도메인에서 경계 근처에서 성장 조건을 만족시킬 필요가 없다는 초기 주장을 뒷받침합니다.
  • 다음 함수는
x = 0에서 지역적으로 적분-가능이 아닙니다: 그것은 실제로 이 점 근처에서 지역적으로 적분-가능인데 왜냐하면 그것을 포함하지 않는 모든 각 컴팩트 집합에 걸쳐 적분이 유한하기 때문입니다. 형식적으로 말하면, 1/xL1,loc( \ 0):[19] 어쨌든, 이 함수는 코시 주요 값(Cauchy principal value)으로 전체 위에 분포로 확장될 수 있습니다.[20]
  • 앞의 예제는 다음과 같은 질문을 제기합니다: Ω에서 지역적으로 적분-가능 모든 각 함수는 분포로 전체 위에 확장을 허용하는가? 대답은 부정적이고, 다음 함수에서 반대예제를 제공합니다:
위 함수는 위에 임의의 분포를 정의하지 않습니다.[21]
여기서 k1k2복소 상수(complex constants)이며, 위의 함수는 다음 기본 일-차 비-푹스 미분 방정식(non-Fuchsian differential equation)의 일반 해입니다:
다시 말하지만 그것은 k1 또는 k2가 영이 아니면 전체 위에 분포를 정의하지 않습니다: 따라서 그러한 방정식의 유일한 분포적 전역 해는 영 분포이고, 이것은 미분 방정식 이론의 이 가지에서 분포 이론의 방법이 같은 이론의 다른 가지, 특히 상수 계수를 갖는 선형 미분 방정식 이론에서 달성된 같은 성공을 가지도록 기대할 수 없는 방법을 보여줍니다.[22]

Applications

지역적으로 적분-가능 함수는 분포 이론(distribution theory)에서 중요한 역할을 하고 경계진 변동의 함수와 같은 다양한 클래스의 함수(functions)함수 공간(function spaces)의 정의에서 발생합니다. 더욱이, 그것들은 모든 각 측정의 절대적으로 연속적인 부분을 특성화함으로써 라돈-니코딤 정리(Radon–Nikodym theorem)에 나타납니다.

See also

Notes

  1. ^ According to Gel'fand & Shilov (1964, p. 3).
  2. ^ a b See for example (Schwartz 1998, p. 18) and (Vladimirov 2002, p. 3).
  3. ^ Another slight variant of this definition, chosen by Vladimirov (2002, p. 1), is to require only that K ⋐ Ω (or, using the notation of Gilbarg & Trudinger (2001, p. 9), K ⊂⊂ Ω), meaning that K is strictly included in Ω i.e. it is a set having compact closure strictly included in the given ambient set.
  4. ^ The notion of compactness must obviously be defined on the given abstract measure space.
  5. ^ This is the approach developed for example by Cafiero (1959, pp. 285–342) and by Saks (1937, chapter I), without dealing explicitly with the locally integrable case.
  6. ^ See for example (Strichartz 2003, pp. 12–13).
  7. ^ This approach was praised by Schwartz (1998, pp. 16–17) who remarked also its usefulness, however using Definition 1 to define locally integrable functions.
  8. ^ Be noted that Maz'ya and Shaposhnikova define explicitly only the "localized" version of the Sobolev space Wk,p(Ω), nevertheless explicitly asserting that the same method is used to define localized versions of all other Banach spaces used in the cited book: in particular, Lp,loc(Ω) is introduced on page 44.
  9. ^ Not to be confused with the Hausdorff distance.
  10. ^ a b See for example (Vladimirov 2002, p. 3) and (Maz'ya & Poborchi 1997, p. 4).
  11. ^ As remarked in the previous section, this is the approach adopted by Maz'ya & Shaposhnikova (2009), without developing the elementary details.
  12. ^ Precisely, they form a vector subspace of L1,loc(Ω): see Corollary 1 to Theorem 2.
  13. ^ See for example (Vladimirov 2002, p. 3), where a calligraphic is used.
  14. ^ See (Gilbarg & Trudinger 1998, p. 147), (Maz'ya & Poborchi 1997, p. 5) for a statement of this results, and also the brief notes in (Maz'ja 1985, p. 6) and (Maz'ya 2011, p. 2).
  15. ^ Gilbarg & Trudinger (1998, p. 147) and Maz'ya & Poborchi (1997, p. 5) only sketch very briefly the method of proof, while in (Maz'ja 1985, p. 6) and (Maz'ya 2011, p. 2) it is assumed as a known result, from which the subsequent development starts.
  16. ^ According to Saks (1937, p. 36), "If E is a set of finite measure, or, more generally the sum of a sequence of sets of finite measure (μ), then, in order that an additive function of a set (𝔛) on E be absolutely continuous on E, it is necessary and sufficient that this function of a set be the indefinite integral of some integrable function of a point of E". Assuming (μ) to be the Lebesgue measure, the two statements can be seen to be equivalent.
  17. ^ See for example (Hörmander 1990, p. 37).
  18. ^ See (Strichartz 2003, p. 12).
  19. ^ See (Schwartz 1998, p. 19).
  20. ^ See (Vladimirov 2002, pp. 19–21).
  21. ^ See (Vladimirov 2002, p. 21).
  22. ^ For a brief discussion of this example, see (Schwartz 1998, pp. 131–132).

References

External links

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