15

Пространства пробных (основных) функций

[34/26%]
Показать
LaTeX
Задача 15.1

Доказать, что финитная функция

ωa,b(t)={exp⁡(1(t−a)(t−b)),t∈(a,b)0,t∉(a,b) \omega _{a, b}(t) = \begin{cases} \exp \left(\frac{1}{(t-a)(t-b)}\right), & t \in (a, b) \\ 0, & t \notin (a, b)\end{cases}

бесконечно дифференцируема на действительной оси (мы будем называть эту функцию «шапочкой»).

?
Задача 15.2

Доказать, что для любого δ>0\delta > 0 существует функция φδ∈D\varphi_{\delta } \in \mathcal{D} со свойствами: supp⁡φδ=[−1−δ,1+δ]\operatorname {supp} \varphi_{\delta } = [-1-\delta , 1+\delta ], φδ(t)∈[0,1]\varphi_{\delta }(t) \in [0,1] при всех tt, φδ(t)=1\varphi_{\delta }(t) = 1 при t∈[−1,1]t \in [-1,1] (мы будем называть эту функцию «шляпой»).

?
Задача 15.3

Доказать, что функция φ∈D\varphi \in \mathcal{D} является производной некоторой другой функции из D\mathcal{D} тогда и только тогда, когда

∫Rφ(t)dt=0 \int _{\mathbb {R}} \varphi (t) d t = 0
?
Задача 15.4

Доказать, функция φ∈D\varphi \in \mathcal{D} удовлетворяет равенству φ(0)=0\varphi (0) = 0 тогда и только тогда, когда φ(t)=t⋅ψ(t)\varphi (t) = t \cdot \psi (t), где ψ\psi — некоторая другая функция из D\mathcal{D}.

?
Задача 15.5

Привести примеры функций φ∈S\D\varphi \in \mathcal{S} \backslash \mathcal{D} и ψ∈E\S\psi \in \mathcal{E} \backslash \mathcal{S}.

?
Задача 15.6

Каким из пространств E,S,D\mathcal{E}, \mathcal{S}, \mathcal{D} принадлежат функции

?
(а)

φ(t)=sin⁡tt,φ(0)=1\varphi (t) = \frac{\sin t}{t}, \varphi (0) = 1;

(б)

ψ(t)=1−cos⁡tt2,ψ(0)=1/2\psi (t) = \frac{1-\cos t}{t^{2}}, \psi (0) = 1 / 2?

Найти носители этих функций.

Задача 15.7

Доказать, что для любой числовой последовательности {an}0∞\left\{ a_{n}\right\}_{0}^{\infty } найдётся такая функция φ∈D\varphi \in \mathcal{D}, что φ(n)(0)=an\varphi^{(n)}(0) = a_{n} при всех n=0,1,2,…n = 0,1,2, \ldots

?
Задача 15.8

Пусть φ∈C∞[a,b]\varphi \in C^{\infty }[a, b] (в концах отрезка требуется существование соответствующих односторонних производных любого порядка). Доказать, что существует функция ψ∈D\psi \in \mathcal{D} такая, что ψ∣[a,b]≡φ\left.\psi \right|_{[a, b]} \equiv \varphi.

?
Задача 15.9

Доказать, что любую функцию ψ∈E\psi \in \mathcal{E} можно представить в виде ряда ψ=∑k=1∞φk\psi = \sum_{k = 1}^{\infty } \varphi_{k}, где все φk∈D\varphi_{k} \in \mathcal{D} и каждая точка t∈Rt \in \mathbb {R} принадлежит лишь конечному числу носителей supp⁡φk\operatorname {supp} \varphi_{k}.

?
Задача 15.10

Существует ли такая функция φ∈D\varphi \in \mathcal{D}, что supp⁡φ⊂[0,∞)\operatorname {supp} \varphi \subset [0, \infty ) и при этом сама функция φ\varphi и все её производные положительны на интервале (0,1)(0,1)?

?
Задача 15.11

Доказать, что следующие полунормы являются допустимыми на D\mathcal{D} :

?
(а)

q1(φ)=sup⁡{∣α(t)φ(t)∣:t∈R}q_{1}(\varphi ) = \sup \left\{ \left|\alpha (t) \varphi (t)\right|: t \in \mathbb {R}\right\}, где α:R→R\alpha : \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} — непрерывная функция;

(б)

q2(φ)=∑k=0∞∣φ(k)(k)∣q_{2}(\varphi ) = \sum_{k = 0}^{\infty }\left|\varphi^{(k)}(k)\right|;

(в)

q3(φ)=(∫R∣φ′(t)∣2dt)1/2q_{3}(\varphi ) = \left(\int_{\mathbb {R}}\left|\varphi^{\prime }(t)\right|^{2} d t\right)^{1 / 2}.

Задача 15.12

Пусть pp — допустимая полунорма на D\mathcal{D}. Доказать, что следующие выражения являются допустимыми полунормами:

?
(а)

q1(φ)=p(αφ)q_{1}(\varphi ) = p(\alpha \varphi ), где α∈E\alpha \in \mathcal{E};

(б)

q2(φ)=p(φ′)q_{2}(\varphi ) = p\left(\varphi^{\prime }\right);

(в)

полунорма q3q_{3}, подчинённая полунорме pp (т. е. найдётся такое C>0C > 0, что q3(φ)⩽Cp(φ)q_{3}(\varphi ) \leqslant C p(\varphi ) для любого φ∈D\varphi \in D);

(г)

q(φ)=max⁡k=1,2,…,npk(φ)q(\varphi ) = \max_{k = 1,2, \ldots , n} p_{k}(\varphi ), где pk,k=1,2,…,np_{k}, k = 1,2, \ldots , n, — допустимые полунормы на D\mathcal{D}.

Задача 15.13

Привести пример полунормы, определённой на всём пространстве D\mathcal{D} и не являющейся допустимой.

?
Задача 15.14

Доказать, что следующие три системы полунорм в S\mathcal{S} эквивалентны (т. е. задают одну и ту же топологию):

?
(а)

{pn,k}n,k=0∞\left\{ p_{n, k}\right\}_{n, k = 0}^{\infty },

(б)

{pn,k,1(φ)=∫R∣tnφ(k)∣dt}n,k=0∞\left\{ p_{n, k, 1}(\varphi ) = \int_{\mathbb {R}}\left|t^{n} \varphi^{(k)}\right| d t\right\}_{n, k = 0}^{\infty },

(в)

{pn,k,2(φ)=∫R∣tnφ(k)∣2dt}n,k=0∞\left\{ p_{n, k, 2}(\varphi ) = \sqrt{\int_{\mathbb {R}}\left|t^{n} \varphi^{(k)}\right|^{2} d t}\right\}_{n, k = 0}^{\infty }.

Задача 15.15

Зададим систему полунорм P′\mathcal{P}^{\prime } на пространстве D\mathcal{D} следующим образом: P′={pα,c}\mathcal{P}^{\prime } = \left\{ p_{\alpha , c}\right\}, где α=(α1,α2,…)\alpha = \left(\alpha_{1}, \alpha_{2}, \ldots \right) — произвольная последовательность неотрицательных целых чисел, c=(c1,c2,…)c = \left(c_{1}, c_{2}, \ldots \right) — произвольная последовательность положительных чисел, а pα,c(φ):=:=∑m=1∞cmpm,αm(φ)p_{\alpha , c}(\varphi ): = : = \sum_{m = 1}^{\infty } c_{m} p_{m, \alpha_{m}}(\varphi ), где pm,k(φ)=max⁡0⩽j⩽k,m−1⩽∣t∣⩽m∣φ(j)(t)∣p_{m, k}(\varphi ) = \max_{\substack {0 \leqslant j \leqslant k, m-1 \leqslant \left|t\right| \leqslant m}}\left|\varphi^{(j)}(t)\right|. Доказать, что системы P\mathcal{P} и P′\mathcal{P}^{\prime } эквивалентны.

?
Задача 15.16

Доказать теорему 15.1.

?
Задача 15.17

Доказать, что если множество M⊂DM \subset \mathcal{D} ограничено по каждой из допустимых полунорм, то носители всех функций из MM расположены на одном и том же отрезке и множество MM секвенциально предкомпактно в D\mathcal{D} : из любой содержащейся в нём последовательности можно выбрать сходящуюся подпоследовательность.

?
Задача 15.18

Найти предел (или доказать расходимость) последовательностей в пространстве E\mathcal{E} :

?
(а)

fn(t)=ntn2+t2f_{n}(t) = \frac{n t}{n^{2}+t^{2}};

(б)

fn(t)=n3t2(1+n2t2)2f_{n}(t) = \frac{n^{3} t^{2}}{\left(1+n^{2} t^{2}\right)^{2}};

(в)

fn(t)=e−nt2f_{n}(t) = e^{-n t^{2}};

(г)

fn(t)=∑k=0ntkk!f_{n}(t) = \sum_{k = 0}^{n} \frac{t^{k}}{k!};

(д)

fn(t)=1t+n+i/nf_{n}(t) = \frac{1}{t+n+i / n};

(е)

fn(t)=sin⁡(nt+n2)t+nf_{n}(t) = \frac{\sin \left(n t+n^{2}\right)}{t+n}.

Задача 15.19

Пусть φ0∈D\varphi_{0} \in \mathcal{D} — ненулевая функция. Найти предел (или доказать расходимость) последовательностей в пространстве D\mathcal{D} :

?
(а)

fn(t)=1nφ0(t/n)f_{n}(t) = \frac{1}{n} \varphi_{0}(t / n);

(б)

fn(t)=1n2φ0(nt)f_{n}(t) = \frac{1}{n^{2}} \varphi_{0}(n t);

(в)

fn(t)=1nφ0(n+t)f_{n}(t) = \frac{1}{n} \varphi_{0}(n+t).

Задача 15.20

Привести пример последовательности финитных функций, которая сходится в E\mathcal{E}, но не сходится в S\mathcal{S}.

?
Задача 15.21

Привести пример последовательности финитных функций, которая сходится в S\mathcal{S}, но не сходится в D\mathcal{D}.

?
Задача 15.22

Доказать, что пространства E\mathcal{E} и S\mathcal{S} метризуемы (и, более того, являются пространствами Фреше), а пространство D\mathcal{D} не метризуемо.

?
Задача 15.23

Доказать, что естественные вложения D⊂S⊂E\mathcal{D} \subset \mathcal{S} \subset \mathcal{E} непрерывны.

?
Задача 15.24

Показать, что:

?
(а)

D\mathcal{D} плотно в E\mathcal{E};

(б)

D\mathcal{D} плотно в S\mathcal{S}.

Задача 15.25

Доказать, что D\mathcal{D} плотно в каждом из пространств

?
(а)

Lp(R),1⩽p<∞L_{p}(\mathbb {R}), 1 \leqslant p < \infty;

(б)

Cn[a,b],n=0,1,…C^{n}[a, b], n = 0,1, \ldots

Задача 15.26

Доказать, что множество всех многочленов плотно в E\mathcal{E}.

?
Задача 15.27

Доказать, что для любой функции φ∈D\varphi \in \mathcal{D} и любой другой функции ψ∈D\psi \in \mathcal{D}, не равной нулю ни в одной точке из supp⁡φ\operatorname {supp} \varphi, найдётся такая последовательность многочленов pnp_{n}, что ψpn→φ\psi p_{n} \rightarrow \varphi в D\mathcal{D}.

?
Задача 15.28

Доказать, что пространство D\mathcal{D} сепарабельно.

?
Задача 15.29

Доказать, что оператор дифференцирования непрерывен в каждом из пространств D,S,E\mathcal{D}, \mathcal{S}, \mathcal{E}.

?
Задача 15.30

Пусть α:R→R\alpha : \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} — бесконечно гладкая функция. При каких условиях на функцию α\alpha оператор φ⟼αφ\varphi \longmapsto \alpha \varphi непрерывен

?
(а)

в пространстве E\mathcal{E},

(б)

в пространстве D\mathcal{D},

(в)
  • в пространстве S\mathcal{S},
(г)

из E\mathcal{E} в S\mathcal{S},

(д)

из E\mathcal{E} в D\mathcal{D},

(е)

из S\mathcal{S} в D\mathcal{D}?

Задача 15.31

Доказать непрерывность оператора интегрирования

(Aφ)(t)=∫−∞tφ(s)ds (A \varphi )(t) = \int _{-\infty }^{t} \varphi (s) d s

действующего в пространстве D\mathcal{D} и определённого на подпространстве D0={φ∈D:∫Rφ(t)dt=0}\mathcal{D}_{0} = \left\{ \varphi \in \mathcal{D}: \int_{\mathbb {R}} \varphi (t) d t = 0\right\}.

?
Задача 15.32

Пусть α:R→R\alpha : \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} — монотонно возрастающая бесконечно дифференцируемая функция.

?
(а)

Доказать непрерывность оператора замены переменной

(Aφ)(t)=φ(α(t)), (A \varphi )(t) = \varphi (\alpha (t)),

действующего в пространстве E\mathcal{E}.

(б)

Доказать, что если α(±∞)=±∞\alpha (\pm \infty ) = \pm \infty, то этот оператор непрерывен в пространстве D\mathcal{D}.

(в)
  • Доказать, что если существует такое p>0p > 0, что ∣α(t)∣>∣t∣p\left|\alpha (t)\right| > |t|^{p} при ∣t∣→∞\left|t\right| \rightarrow \infty и для любого k∈Nk \in \mathbb {N} найдётся такое sks_{k}, что ∣α(k)(t)∣<∣t∣sk\left|\alpha^{(k)}(t)\right| < |t|^{s_{k}} при ∣t∣→∞\left|t\right| \rightarrow \infty, то этот оператор непрерывен в пространстве S\mathcal{S}.
Задача 15.33

Пусть α:R→R\alpha : \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} — финитная суммируемая по Лебегу функция. Доказать непрерывность оператора свёртки

(Aφ)(t)=∫Rφ(s)α(t−s)ds (A \varphi )(t) = \int _{\mathbb {R}} \varphi (s) \alpha (t-s) d s

в пространствах D\mathcal{D} и E\mathcal{E}. Доказать непрерывность этого оператора в пространстве S\mathcal{S} в случае, когда α\alpha — измеримая быстро убывающая (т. е. sup⁡{(1+∣t∣)n∣α(t)∣}<∞\sup \left\{ (1+\left|t\right|)^{n}\left|\alpha (t)\right|\right\} < \infty для любого n=0,1,…n = 0,1, \ldots) функция.

?
Задача 15.34

Пусть ω−1,1\omega_{-1,1} — функция из задачи 15.1 («шапочка»), c=∫Rω−1,1(t)dtc = \int_{\mathbb {R}} \omega_{-1,1}(t) d t, а f∈C(R)f \in C(\mathbb {R}) и supp⁡f⊂[−N,N]\operatorname {supp} f \subset [-N, N]. Доказать, что свёртка φε(t)=(cε)−1∫Rf(s)ω((t−s)/ε)ds\varphi_{\varepsilon }(t) = (c \varepsilon )^{-1} \int_{\mathbb {R}} f(s) \omega ((t-s) / \varepsilon ) d s лежит в пространстве D\mathcal{D}, причём supp⁡φε⊂[−N−ε,N+ε]\operatorname {supp} \varphi_{\varepsilon } \subset [-N-\varepsilon , N+\varepsilon ]. Доказать, что φε→f\varphi_{\varepsilon } \rightarrow f при ε→0\varepsilon \rightarrow 0 в пространстве C(R)C(\mathbb {R}). Верно ли, что φε→f\varphi_{\varepsilon } \rightarrow f в пространстве D\mathcal{D} (в случае f∈D)f \in \mathcal{D})?

?