18.3

Свёртка обобщённых функций

[17/24%]
Показать
LaTeX
Задача 18.21

Доказать, что для обобщённой функции G∈E′G \in \mathcal{E}^{\prime } отображение φ→G∗φ\varphi \rightarrow G * \varphi определяет непрерывный оператор SG:D→DS_{G}: \mathcal{D} \rightarrow \mathcal{D} и справедливо включение:

supp⁡(G∗φ)⊂supp⁡G+supp⁡φ={x+y:x∈supp⁡G,y∈supp⁡φ}. \operatorname {supp}(G * \varphi ) \subset \operatorname {supp} G+\operatorname {supp} \varphi = \left\{ x+y: x \in \operatorname {supp} G, y \in \operatorname {supp} \varphi \right\} .
?
Задача 18.22

Доказать, что если регулярная обобщённая функция G=GφG = G_{\varphi } порождена основной функцией φ\varphi, то для любой обобщённой функции FF свёртка F∗GF * G есть регулярная функция, порожденная свёрткой F∗φF * \varphi (которая вычисляется по определению 18.2).

?
Задача 18.23

Доказать, что если одна из обобщённых функций FF и GG является элементом из E′\mathcal{E}^{\prime }, а другая — элементом из D′\mathcal{D}^{\prime }, то свёртка F∗GF * G определена, является элементом пространства D′\mathcal{D}^{\prime } и справедливо соотношение F∗G=G∗FF * G = G * F.

?
Задача 18.24

Доказать, что если одна из обобщённых функций FF и GG является элементом из E′\mathcal{E}^{\prime }, а другая — элементом из S′\mathcal{S}^{\prime }, то свёртка F∗GF * G определена, является элементом пространства S′\mathcal{S}^{\prime } и справедливо соотношение F∗G=G∗FF * G = G * F.

?
Задача 18.25

Доказать, что если одна из обобщённых функций GG и HH является элементом из E′\mathcal{E}^{\prime }, а другая — элементом из S′\mathcal{S}^{\prime }, то F^[G∗H]=2πF^[G]⋅F^[H]\hat{F}[G * H] = \sqrt{2 \pi } \hat{F}[G] \cdot \hat{F}[H].

?
Задача 18.26

Пусть f∈L2[−π,π]f \in L_{2}[-\pi , \pi ]. Для каждого a∈[0,2π]a \in [0,2 \pi ] и t∈[−π,π]t \in [-\pi , \pi ] положим

fa(t)={f(t−a),t−a⩾−π,f(t−a+2π),t−a<π. f_{a}(t) = \begin{cases} f(t-a), & t-a \geqslant -\pi , \\ f(t-a+2 \pi ), & t-a < \pi .\end{cases}

Доказать, что система функций {fa}a∈[0,2π]\left\{ f_{a}\right\}_{a \in [0,2 \pi ]} полна в L2[−π,π]L_{2}[-\pi , \pi ] тогда и только тогда, когда cn(f)=12π∫−ππf(t)e−intdt≠0c_{n}(f) = \frac{1}{2 \pi } \int_{-\pi }^{\pi } f(t) e^{-i n t} d t \neq 0 для всех n∈Zn \in \mathbb {Z}.

?
Задача 18.27

Обозначим через D+′\mathcal{D}_{+}^{\prime } множество обобщённых функций FF со свойством supp⁡F⊂[0,+∞)\operatorname {supp} F \subset [0,+\infty ). Доказать, что если F,G∈D+′F, G \in \mathcal{D}_{+}^{\prime }, то свёртка F∗GF * G определена и F∗G∈D+′F * G \in \mathcal{D}_{+}^{\prime }.

?
Задача 18.28

Доказать, что в D+′\mathcal{D}_{+}^{\prime } свёртка ассоциативна.

?
Задача 18.29

Привести пример обобщённых функций F,GF, G и HH, для которых выражения F∗(G∗H)F *(G * H) и (F∗G)∗H(F * G) * H определены и различны.

?
Задача 18.30

Пусть функция g∈L1(R)g \in L_{1}(\mathbb {R}) и ∫Rgdx=1\int_{\mathbb {R}} g d x = 1. Пусть Fn∈D′F_{n} \in \mathcal{D}^{\prime } - peгулярные обобщённые функции, порождённые функциями ng(nx)n g(n x). Доказать, что Fn∗φ→φF_{n} * \varphi \rightarrow \varphi в D\mathcal{D} для любой функции φ∈D\varphi \in \mathcal{D} (ср. с задачами 16.20 и 18.31 а)).

?
Задача 18.31

Вычислить свёртки:

?
(а)

δ0∗φ,φ∈D\delta_{0} * \varphi , \varphi \in \mathcal{D};

(б)

δ0(n)∗φ,φ∈D\delta_{0}^{(n)} * \varphi , \varphi \in \mathcal{D};

(в)

δ0(n)∗δ0(k)\delta_{0}^{(n)} * \delta_{0}^{(k)};

(г)

δ0(n)∗x+k(x)\delta_{0}^{(n)} * x_{+}^{k}(x);

(д)

(θ(x)eax)∗(θ(x)ebx)\left(\theta (x) e^{a x}\right) *\left(\theta (x) e^{b x}\right);

(е)

x+k∗x+nx_{+}^{k} * x_{+}^{n};

(ж)

x+α∗x+β,Re⁡α>−1,Re⁡β>−1x_{+}^{\alpha } * x_{+}^{\beta }, \operatorname {Re} \alpha > -1, \operatorname {Re} \beta > -1.

Задача 18.32

Показать, что для линейного непрерывного оператора A:D→EA: \mathcal{D} \rightarrow \mathcal{E} следующие свойства эквивалентны:

  1. AA перестановочен со сдвигами: (Aφ)(x−a)=A(φ(x−a))(A \varphi )(x-a) = A(\varphi (x-a)) для всех a∈Ra \in \mathbb {R};

  2. А перестановочен с дифференцированием: (Aφ)′=A(φ′)(A \varphi )^{\prime } = A\left(\varphi^{\prime }\right);

  3. Aφ=F∗φA \varphi = F * \varphi для всех φ\varphi, где F∈D′F \in \mathcal{D}^{\prime } — некоторая обобщённая функция.

?
Задача 18.33

Вычислить первообразную порядка 1/21 / 2 от

?
(а)

θ(x)\theta (x);

(б)

χ[0,1](x)\chi_{[0,1]}(x).

Задача 18.34

Проверить, что I(12)I(12)θ(x)=x+I\left(\frac{1}{2}\right) I\left(\frac{1}{2}\right) \theta (x) = x_{+}.

?
Задача 18.35

Доказать, что I(α)I(β)f=I(α+β)fI(\alpha ) I(\beta ) f = I(\alpha +\beta ) f для f∈D+′,α,β∈(−12,12)f \in \mathcal{D}_{+}^{\prime }, \alpha , \beta \in \left(-\frac{1}{2}, \frac{1}{2}\right).

?
Задача 18.36

Вычислить производную порядка 1/21 / 2 от θ(x)\theta (x).

?
Задача 18.37

Доказать, что интегральное уравнение Абеля

g(x)=1Γ(1−α)∫0xf(t)dt(x−t)α g(x) = \frac{1}{\Gamma (1-\alpha )} \int _{0}^{x} \frac{f(t) d t}{(x-t)^{\alpha }}

с известной дифференцируемой функцией gg имеет решение f(x)=1Γ(α)∫0xg′(t)dt(x−t)1−αf(x) = \frac{1}{\Gamma (\alpha )} \int_{0}^{x} \frac{g^{\prime }(t) d t}{(x-t)^{1-\alpha }} при любом α∈(0,1)\alpha \in (0,1).

?