Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/SuppMathOperators.js
Математические заметки
RUS  ENG    ЖУРНАЛЫ   ПЕРСОНАЛИИ   ОРГАНИЗАЦИИ   КОНФЕРЕНЦИИ   СЕМИНАРЫ   ВИДЕОТЕКА   ПАКЕТ AMSBIB  
Общая информация
Последний выпуск
Скоро в журнале
Архив
Импакт-фактор
Правила для авторов
Лицензионный договор
Загрузить рукопись

Поиск публикаций
Поиск ссылок

RSS
Последний выпуск
Текущие выпуски
Архивные выпуски
Что такое RSS



Матем. заметки:
Год:
Том:
Выпуск:
Страница:
Найти






Персональный вход:
Логин:
Пароль:
Запомнить пароль
Войти
Забыли пароль?
Регистрация


Математические заметки, 2023, том 113, выпуск 5, страницы 713–730
DOI: https://doi.org/10.4213/mzm13739
(Mi mzm13739)
 

Эта публикация цитируется в 3 научных статьях (всего в 3 статьях)

Равномерная сходимость на подпространствах в эргодической теореме фон Неймана с дискретным временем

А. Г. Качуровскийa, И. В. Подвигинa, А. Ж. Хакимбаевb

a Институт математики им. С. Л. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск
b Новосибирский государственный университет
Список литературы:
Аннотация: Рассматривается степенная равномерная (в операторной норме) сходимость на векторных подпространствах со своими нормами в эргодической теореме фон Неймана с дискретным временем. Найдены все возможные показатели степени рассматриваемой степенной сходимости; для каждого из этих показателей даны спектральные критерии такой сходимости и получено полное описание всех таких подпространств. Равномерная сходимость на всем пространстве имеет место лишь в тривиальных случаях, что объясняет интерес к равномерной сходимости именно на подпространствах.
Кроме того, попутно обобщены и уточнены старые оценки скоростей сходимости в эргодической теореме фон Неймана для сохраняющих меру отображений.
Библиография: 26 названий.
Ключевые слова: эргодическая теорема фон Неймана, скорости сходимости в эргодических теоремах, степенная равномерная сходимость.
Финансовая поддержка Номер гранта
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации FWNF-2022-0004
Работа выполнена в рамках государственного задания ИМ СО РАН (проект № FWNF-2022-0004).
Поступило: 26.09.2022
Исправленный вариант: 01.12.2022
Англоязычная версия:
Mathematical Notes, 2023, Volume 113, Issue 5, Pages 680–693
DOI: https://doi.org/10.1134/S0001434623050073
Реферативные базы данных:
Тип публикации: Статья
УДК: 517.987+519.214

1. Введение

1.1

Пусть H – гильбертово пространство и U:HH – унитарный оператор. Для каждого вектора fH и всех n,mZ таких, что n>m, рассмотрим эргодические средние

Pn,mf=1nmn1k=mUkf.
Эргодическая теорема фон Неймана утверждает, что для каждого вектора fH существование предела по норме пространства H
limnmPn,mf=f:=Pf,
где P – ортогональный проектор на подпространство FU неподвижных векторов оператора U. Ясно, что IP является ортогональным проектором на FU, и для fFU предел f=0. Поскольку Pn,m=UmPnm,0 и P=UmP, достаточно рассматривать однопараметрическое семейство усреднений Pn:=Pn,0.

Пусть {E(λ)}λ(π,π] – разложение единицы унитарного оператора U (см., например, [1; § 71]). Тогда для любых векторов f,gH справедливо представление

(Ukf,g)H=(π,π]eikλd(E(λ)f,g)H
для всех kZ, и можно ввести спектральные меры σf,g – такие конечные борелевские меры на (π,π], что для всех борелевских множеств C(π,π]
σf,g(C)=Cd(E(λ)f,g)H;
обозначим σf=σf,f. Рассмотрим ядра Фейера
Φn(x)=1nsin2(nx/2)sin2(x/2), 0<|x|
отметим хорошо известные (см., например, [2; § 47]) неравенства
\begin{equation} \frac{1}{n}\Phi_n(x) \leqslant\frac{\pi^2}{n^2 x^2} \qquad \text{для}\quad \frac{\pi}{n}\leqslant |x|\leqslant\pi, \end{equation} \tag{1.1}
\begin{equation} \frac{1}{n}\Phi_n(x) \leqslant 1 \qquad\text{для}\quad |x|\leqslant\pi. \end{equation} \tag{1.2}
При всех целых n\geqslant1 справедливо интегральное представление (см., например, [3; теорема 18.2.1])
\begin{equation} \|P_{n} f\|_{\mathcal{H}}^2=\int_{(-\pi,\pi]} \frac{1}{n}\Phi_{n}(\lambda) \, d\sigma_f(\lambda). \end{equation} \tag{1.3}

1.2

В работе [4] Бен-Арци и Морисс обнаружили существование (степенной) равномерной сходимости на некоторых специальных подпространствах в эргодической теореме фон Неймана с непрерывным временем. А именно, для некоторого банахова пространства \mathcal{X}, плотно и непрерывно вложенного в \mathcal{H}, была получена степенная оценка операторной нормы \|P_{t,-t}-P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}. Пространство \mathcal{X} описывалось в терминах асимптотического поведения плотности спектральной меры его элементов. В недавней работе [5], мотивированной [4], были получены критерии такой равномерной степенной сходимости на векторных подпространствах со своими нормами, и дано полное описание всех таких подпространств для всех возможных показателей степени.

Цель нашей заметки, следуя [5], получить аналогичные критерии равномерной степенной сходимости на подпространствах уже в случае дискретного времени, и также дать полное описание всех таких подпространств. Как и в непрерывном случае, одинаковая степенная особенность спектральной меры \sigma_f в нуле элементов f некоторого подпространства определяет равномерную сходимость эргодических средних на этом подпространстве. Свойства спектральной меры (в том числе и особенность в нуле) определяются поведением ее коэффициентов Фурье, т.е. (U^kf,f). В контексте унитарных операторов Купмана для разных динамических систем оценке асимптотики этих коэффициентов посвящено много работ (см., например, обзор [6] по скоростям сходимости в эргодических теоремах); возникают такие оценки, например, и в задаче о простом лебеговском спектре [7]–[9].

Отметим, что, используя вложение унитарного оператора в унитарную группу, можно связать исследуемые свойства унитарной группы и унитарного оператора. Подробнее это обстоятельство обсуждается в конце статьи.

Перечислим коротко полученные результаты. В теореме 1 мы даем спектральный критерий равномерной степенной сходимости с показателем \alpha\in [0,2) на одномерных подпространствах в \mathcal{H}. Как известно (замечание 2), степенная скорость сходимости с показателем \alpha=2 является максимально возможной для рассматриваемой эргодической теоремы фон Неймана; теорема 2 дает спектральный же (в несколько других терминах) критерий наличия такой максимальной скорости на одномерных подпространствах. Попутно теоремы 1 и 2 обобщают и уточняют оценки скоростей сходимости в эргодической теореме фон Неймана для сохраняющих меру отображений, полученные ранее в [10], [11].

Далее в теоремах 3 и 4 мы переносим критерии теорем 1 и 2 на общий случай многомерных векторных подпространств в \mathcal{H} со своими нормами. Удалось также получить (теорема 5) полное описание всех таких многомерных (нормированных, со своими нормами) подпространств с равномерной степенной со всеми возможными показателями \alpha\in [0,2] сходимостью.

Рассматриваемая равномерная сходимость на всем пространстве \mathcal{H} имеет место лишь в случае спектрального пробела (замечание 5) – что, например, в теореме фон Неймана для сохраняющих меру отображений равносильно (замечание 6) периодичности отображения, т.е. бывает лишь в тривиальных случаях; уже этим объясняется наш интерес к равномерной сходимости именно на подпространствах в \mathcal{H} со своими нормами.

2. Одномерные подпространства с равномерной степенной сходимостью

2.1

Полное описание всех одномерных подпространств с равномерной степенной (с показателями меньше 2) сходимостью фактически было дано в [10], [11], где рассматривались эргодические средние полугрупп изометрических операторов \{U^n\}_{n\geqslant 0} в L_2(\Omega), порожденных эндоморфизмами вероятностного пространства \Omega (т.е. обычная эргодическая теорема фон Неймана для сохраняющих меру отображений). Поскольку представление (1.3) справедливо и для тех эргодических средних (подробности см., например, в [10], [11]), а константы наших оценок обеих частей теоремы 1 ниже точнее соответствующих им констант из [10], [11], то доказательство теоремы 1 немедленно дает и уточнение тех старых оценок.

Основное уточнение получилось за счет другого подхода к доказательству леммы 1 ниже. В [10], [11] для оценки интеграла от ядра Фейера по спектральной мере использовалось разложение его в ряд (следуя подходу из [12]). Мы здесь применяем для оценки этого интеграла оказавшийся здесь более подходящим метод интегрирования по частям, предложенный Гапошкиным в [13]. Отметим также, что, поскольку представление (1.3) справедливо и для (рассматривавшихся в [13]) средних стационарных в широком смысле процессов – см., например, [3; теорема 18.2.1], то наша теорема 1 имеет точный аналог и для тех стохастических процессов.

Далее нам потребуются следующие две технические леммы, уточняющие соответствующие им леммы 1 и 2 из [10], [11].

Лемма 1. Для всех целых n\geqslant1 справедливо неравенство

\begin{equation*} \|P_{n}f\|_{\mathcal{H}}^2 \leqslant \frac{2\pi^2}{n^2}\int_{\pi/n}^{\pi} x^{-3} \sigma_{f}(-x,x]\,dx +\frac{1}{n^2}\|f\|_{\mathcal{H}}^2. \end{equation*} \notag

Доказательство. Для всех целых n\geqslant1 по представлению (1.3) получаем
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|P_{n}f\|_{\mathcal{H}}^2&=\int_{(-\pi/ n,\pi/ n]} \frac{1}{n}\Phi_{n}(x) \, d\sigma_{f}(x) +\int_{(-\pi,-\pi/ n]}\frac{1}{n}\Phi_{n}(x) \, d\sigma_{f}(x) \\ &\qquad+\int_{(\pi/ n,\pi]}\frac{1}{n}\Phi_{n}(x) \, d\sigma_{f}(x). \end{aligned} \end{equation*} \notag

Пусть G(x)=\sigma_{f}(-\pi,x]; ясно, что G(x) – монотонная функция. Поскольку \sigma_{f} является конечной борелевской мерой, то G(x) будет функцией ограниченной вариации на (-\pi,\pi]. Таким образом, наряду с интегралом Лебега–Стилтьеса можно рассмотреть интеграл Римана–Стилтьеса по функции G(x). Если h(x) непрерывная на [a,b] функция, то для нее существует интеграл Римана–Стилтьеса, и его значение совпадает с интегралом Лебега–Стилтьеса:

\begin{equation*} \int_{[a,b]}h(x)\,dG(x)=\int_{[a,b]} h(x)\,d\sigma_{f}(x). \end{equation*} \notag
Теперь, если h(x) непрерывна и имеет ограниченную вариацию на [a,b], то
\begin{equation*} \int_{[a,b]} h(x)\,dG(x)=h(b)G(b)-h(a)G(a)-\int_{[a,b]}G(x)\,dh(x). \end{equation*} \notag
Это аналог формулы интегрирования по частям для интеграла Римана–Стилтьеса (см. [14; теорема 6.30]; а также [15; гл. II, § 6, теорема 11]). Поскольку функция G непрерывна справа, то последняя формула справедлива и для полуинтервалов (a,b]. С учетом неравенств (1.1) и (1.2) получаем
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|P_{n}f\|_{\mathcal{H}}^2 &\leqslant\int_{(-\pi/n,\pi/n]}\,dG(x)+ \frac{\pi^2}{n^2}\int_{(-\pi,-\pi/n]}x^{-2} \, dG(x)+ \frac{\pi^2}{n^2}\int_{(\pi/ n,\pi]}x^{-2}\, dG(x) \\ &=G\biggl(\frac{\pi}{n}\biggr)-G\biggl(\frac{-\pi}{n}\biggr)+ \frac{\pi^2}{n^2}\biggl(\frac{G(x)}{x^{2}}\bigg|_{-\pi}^{-\pi/n} +2 \int_{-\pi}^{-\pi/n}x^{-3}G(x)\, dx\biggr) \\ &\qquad+\frac{\pi^2}{n^2} \biggl(\frac{G(x)}{x^{2}}\bigg|_{\pi/ n}^{\pi}+ 2 \int_{\pi/n}^{\pi} x^{-3}G(x) \, dx\biggr). \end{aligned} \end{equation*} \notag
Вычисляя значения, делая замену y=-x в интеграле \int_{-\pi}^{-\pi/ n}x^{-3}G(x)\,dx и учитывая равенство G(x)-G(-x)=\sigma_{f}(-x,x], в итоге получаем требуемую оценку:
\begin{equation*} \|P_{n}f\|_{\mathcal{H}}^2 \leqslant \frac{G(\pi)-G(-\pi)}{n^2}+\frac{2\pi^2}{n^2} \int_{\pi/ n}^{\pi} x^{-3}\sigma_{f}(-x,x] \, dx. \end{equation*} \notag

Лемма 2. Пусть a\in(0,\pi]. Тогда для всех вещественных t\geqslant 1 справедливо неравенство

\begin{equation*} \biggl(\frac{\sin(a/2)}{a/2}\biggr)^2\sigma_{f} \biggl(-\frac{a}{t},\frac{a}{t}\biggr]\leqslant \|P_{[t]} f\|_{\mathcal{H}}^2. \end{equation*} \notag

Доказательство. Обозначим I=(-a/t,a/t]. Используя представление (1.3) и неравенства
\begin{equation*} 1>\frac{\sin x}{x}\geqslant\frac{\sin y}{y} \qquad\text{при}\quad 0<|x|\leqslant|y|\leqslant\pi, \end{equation*} \notag
получаем:
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|P_{[t]}f\|_{\mathcal{H}}^2&=\int_{(-\pi ,\pi]}{1/[t]} \Phi_{[t]}(\lambda)\,d\sigma_{f}(\lambda)\geqslant \int_I\frac{\Phi_{[t]}(\lambda)}{[t] }\,d\sigma_{f}(\lambda) \\ &= \int_I\biggl(\frac{\sin([t]\lambda/2)} {[t]\sin(\lambda/2)}\biggr)^2\, d\sigma_{f}(\lambda)\geqslant\int_I\biggl(\frac{\sin([t]\lambda/2)} {[t]\lambda/2}\biggr)^2\, d\sigma_{f}(\lambda) \\ &\geqslant\int_I\biggl(\frac{\sin(t\lambda/2)}{t\lambda/2}\biggr)^2\, d\sigma_{f}(\lambda)\geqslant\min_{|\lambda| \leqslant {a/ t}} \biggl(\frac{\sin(t\lambda/2)}{t\lambda/ 2}\biggr)^2\sigma_{f}(I) \\ &=\min_{|x| \leqslant a}\biggl(\frac{\sin(x/ 2)}{x/2}\biggr)^2 \sigma_{f}(I)=\biggl(\frac{\sin(a/2)}{a/2}\biggr)^2 \sigma_{f}\biggl(-\frac{a}{t},\frac{a}{t}\biggr]. \end{aligned} \end{equation*} \notag

2.2. Спектральные критерии степенной сходимости

Для \alpha\in[0,2] положим

\begin{equation*} \rho(\alpha)=\inf_{x>0}\frac{x^{2-\alpha}}{\sin^2x}. \end{equation*} \notag
Нетрудно убедиться, что \rho(0)=\rho(2)=1. Для \alpha\in(0,2) инфимум достигается на первом положительном решении уравнения \operatorname{tg} x=2x/(2-\alpha). Этот корень не превосходит \pi/2, поэтому \rho(\alpha)\leqslant(\pi/2)^{2-\alpha} при всех \alpha\in[0,2]. Эта оценка является хорошим приближением \rho(\alpha) при \alpha близких к 2. Можно также легко проверить, что 1\leqslant\rho(\alpha)\leqslant\sin^{-2}(1); при этом значение \sin^{-2}(1) достигается при \alpha=2(1- \operatorname{ctg} (1)).

В следующих теоремах 1 и 2 мы приводим спектральные критерии степенной скорости сходимости в эргодической теореме фон Неймана. Рассмотрим сначала случай показателя \alpha\in[0,2), который ранее был разобран в [12] (см. также [10], [11]); здесь мы попутно уточняем все ранее полученные константы.

Теорема 1. Пусть \alpha \in [0,2); зафиксируем f\in{\mathcal{F}_U}^\perp. Тогда

Доказательство. Воспользуемся леммой 1 для доказательства первой части теоремы:
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|P_{n}f\|_{\mathcal{H}}^2 &\leqslant\frac{2\pi^2}{n^2} \int_{\pi/ n}^{\pi}x^{-3}\sigma_{f}(-x,x] \, dx+ \frac{1}{n^2}\|f\|_{\mathcal{H}}^2\leqslant A\frac{2\pi^2}{n^2} \int_{\pi/ n}^{\pi} x^{\alpha-3}\, dx+A\frac{\pi^\alpha}{n^2} \\ &=A\frac{2\pi^2}{n^2}\,\frac{1}{\alpha-2} x^{\alpha-2}\bigg|_{\pi / n}^{\pi}+A\frac{\pi^\alpha}{n^2}= A \frac{2}{2-\alpha}\,\frac{\pi^\alpha}{n^\alpha}- A \frac{\alpha}{2-\alpha}\,\frac{\pi^\alpha}{n^2}. \end{aligned} \end{equation*} \notag
Для доказательства второй части теоремы воспользуемся леммой 2. Представляя произвольное \delta\in (0,\pi] в виде \delta=a/t при t\geqslant 1 и a\in(0,\pi], получаем:
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \sigma_{f}(-\delta,\delta]&=\sigma_{f}\biggl(-\frac{a}{t}, \frac{a}{t}\biggr]\leqslant \biggl(\frac{a/2}{\sin(a/2)}\biggr)^2 \|P_{[t]} f\|_{\mathcal{H}}^2 \leqslant\biggl(\frac{a/2}{\sin(a/2)}\biggr)^2B[t]^{-\alpha} \\ &\leqslant\biggl(\frac{a/2}{\sin(a/2)}\biggr)^2B \frac{2^\alpha}{t^\alpha} =\biggl(\frac{a/2}{\sin(a/2)}\biggr)^2 2^\alpha a^{-\alpha} B \delta^\alpha=\frac{(a/2)^{2-\alpha}}{\sin^2(a/2)}B\delta^\alpha. \end{aligned} \end{equation*} \notag
Минимизация константы в последнем выражении по a\in(0,\pi] приводит к требуемому неравенству, что и завершает доказательство теоремы 1.

Как уже отмечалось, константы оценок обеих частей теоремы 1, точнее констант соответствующих им оценок из [10], [11]: константа оценки первой части лучше за счет интегрирования по частям (вместо разложения в ряд) при подсчете интеграла от ядра Фейера при нашем доказательстве леммы 1; константа оценки второй части теоремы получилась точнее за счет того, что наше доказательство использует незамеченную в [11] возможность дополнительной оптимизации, а в [10] еще стояла грубая первоначальная оценка \rho(\alpha)\leqslant(\pi/2)^{2-\alpha}.

Разумеется, аналоги спектрального критерия степенной скорости сходимости теоремы 1 могут быть получены и для более широкого диапазона скоростей. Следующий диапазон был предложен Гапошкиным в [13].

Замечание 1. Пусть \alpha\in[0,2), и функция \varphi (u) – слабо колеблющаяся на [1,\infty), т.е. для любого \delta >0 функция \varphi (u)u^\delta монотонно возрастает, а функция \varphi (u)u^{-\delta } монотонно убывает. Тогда аналог утверждения теоремы 1 может быть получен и для всех скоростей сходимости вида n^{-\alpha}\varphi(n) (утверждение теоремы 1 соответствует случаю \varphi(n)\equiv 1; при \alpha=0 и \varphi(n)=\ln^\beta n, \beta \geqslant 0 получаем аналог этого утверждения для логарифмических скоростей; рассматриваемый диапазон скоростей включает и все скорости вида n^{-\alpha}\ln^\beta n для всех \alpha\in(0,2) при всех \beta).

Доказательства аналогов теоремы 1 для указанных выше скоростей могут быть получены так же, как и утверждения теоремы 1, конкретизацией оценок лемм 1 и 2 для каждой из этих скоростей, поэтому мы и сформулировали эти утверждения в виде двух отдельных лемм (вынеся их из доказательства теоремы 1).

Нас же в этой работе интересуют исключительно степенные скорости. Следующий спектральный критерий степенной с показателем \alpha=2 скорости сходимости в эргодической теореме фон Неймана был получен Робинсоном в [16]. Мы приводим здесь это утверждение в нужной нам форме, выписав в явном виде соотношения между возникающими константами.

Теорема 2 (Робинсон [16]). Зафиксируем f \in{\mathcal{F}_U}^\perp. Тогда

2.3. О максимально возможной скорости сходимости

Как показывает следующее замечание, скорость сходимости O(n^{-2}) при n\to \infty является максимально возможной в рассматриваемой эргодической теореме фон Неймана.

Замечание 2 (Батзер, Вестфал [17]; Гапошкин [18]; Седалищев [19]). Cтепенной скорости сходимости с показателем \alpha>2 не бывает; более того, скорость сходимости o(n^{-2}) при n\to \infty бывает только в вырожденном случае f=f^*.

Таким образом, теорема 2 дает спектральный критерий максимальной скорости сходимости; известен также критерий в терминах когомологичности нулю усредняемой функции f.

Замечание 3 (Браудер [20]; Батзер, Вестфал [17]). Максимально возможная скорость сходимости имеет место тогда и только тогда, когда

\begin{equation*} {f=(U-I)g_1+g_2} \end{equation*} \notag
для некоторых g_1,g_2\in\mathcal{H} при Ug_2=g_2.

Посмотрим, что можно получить при \alpha=2 в условиях теоремы 1. Аналог утверждения 2 теоремы 1 справедлив и в этом случае: доказательство проходит без изменений. А вот аналог утверждения 1 этой теоремы не имеет места, ни с какими константами: условие \sigma_{f}(-\delta,\delta]=O(\delta^2) при \delta\to 0 не является, вообще говоря, достаточным для выполнения соотношения \|P_{n}f\|_{\mathcal{H}}^2= O(n^{-2}) при n\to\infty (см. замечание 2 к теореме 3 в [12]). Тем не менее, справедлив следующий ослабленный вариант этого соотношения.

Предложение 1. Пусть f\in{\mathcal{F}_U}^\perp и \alpha=2. Если существует положительная константа A такая, что для всех \delta\in(0,\pi] выполняется неравенство

\begin{equation*} \sigma_{f}(-\delta,\delta]\leqslant A\delta^2, \end{equation*} \notag
то для всех целых n\geqslant1
\begin{equation*} \|P_{n}f\|^2_{\mathcal{H}} \leqslant A\pi^2\frac{1+2\ln n}{n^2}. \end{equation*} \notag

Доказательство. Учитывая оценку \|f\|^2_{\mathcal{H}}=\sigma_{f}(-\pi,\pi]\leqslant A\pi^2, по лемме 1 получаем
\begin{equation*} \|P_{n}f\|_{\mathcal{H}}^2 \leqslant\frac{2\pi^2}{n^2} \int_{\pi/ n}^{\pi}x^{-3}\sigma_{f}(-x,x] \, dx+ \frac{\|f\|_{\mathcal{H}}^2}{n^2}\leqslant A \frac{2\pi^2}{n^2} \int_{\pi/ n}^{\pi} \frac{1}{x}\, dx+ A \frac{\pi^2}{n^2}=A\pi^2 \frac{1+2\ln n}{n^2}. \end{equation*} \notag

Рассмотрим теперь случай \alpha>2 в условиях теоремы 1. Следующее предложение 2 в качестве аналога утверждения 1 теоремы 1 для случая \alpha>2 дает еще один достаточный признак максимальной скорости сходимости.

Предложение 2. Пусть f\in{\mathcal{F}_U}^\perp и \alpha>2. Если существует положительная константа A такая, что для всех \delta\in(0,\pi] выполняется неравенство

\begin{equation*} \sigma_{f}(-\delta,\delta]\leqslant A\delta^\alpha, \end{equation*} \notag
то для всех целых n\geqslant1
\begin{equation*} \|P_{n} f\|^2_{\mathcal{H}} \leqslant A\frac{\alpha}{\alpha-2}\,\frac{\pi^\alpha}{n^2}. \end{equation*} \notag

Доказательство. По лемме 1 получаем
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|P_{n} f\|_{\mathcal{H}}^2 &\leqslant\frac{2\pi^2}{n^2} \int_{\pi/ n}^{\pi}x^{-3}\sigma_{f}(-x,x] \, dx+ \frac{1}{n^2}\|f\|_{\mathcal{H}}^2\leqslant A\frac{2\pi^2}{n^2}\int_{\pi/ n}^{\pi} x^{\alpha-3} \, dx+ A \frac{\pi^\alpha}{n^2} \\ &=A \frac{2\pi^2}{n^2}\,\frac{1}{\alpha-2} x^{\alpha-2}\bigg|_{\pi / n}^{\pi}+A \frac{\pi^\alpha}{n^2}= A \frac{\alpha}{\alpha-2}\,\frac{\pi^\alpha}{n^2}- A \frac{2}{\alpha-2}\,\frac{\pi^\alpha}{n^\alpha}. \end{aligned} \end{equation*} \notag

3. Общий многомерный случай

3.1. Степенные равномерные сходимости на подпространствах

Следующая теорема является следствием (естественной переформулировкой на общий многомерный случай) теоремы 1.

Теорема 3. Пусть \alpha\in[0,2), \mathcal{H} – гильбертово пространство, \mathcal{X}\subseteq \mathcal{H} – его векторное подпространство со своей нормой \|\cdot\|_{\mathcal{X}}. Тогда

Доказательство. Из первой части теоремы 1 следует, что
\begin{equation*} \|(P_{n}-P)f\|^2_{\mathcal{H}} \leqslant A\frac{2}{2-\alpha}\, \frac{\pi^\alpha}{n^\alpha}\|f\|^2_{\mathcal{X}}. \end{equation*} \notag
Поэтому для всех n\geqslant1
\begin{equation*} \sup_{f \in \mathcal{X}\colon f \ne 0} \frac{\|(P_{n}-P)f\|^2_{\mathcal{H}}}{\|f\|^2_{\mathcal{X}}} \leqslant A \frac{2}{2-\alpha}\,\frac{\pi^\alpha}{n^\alpha}. \end{equation*} \notag
Докажем вторую часть теоремы. Из равномерной сходимости эргодических средних мы получаем, что для всех f \in \mathcal{X}, при всех n\geqslant1
\begin{equation*} \frac{\|(P_{n}-P)f\|^2_{\mathcal{H}}}{\|f\|^2_{\mathcal{X}}} \leqslant B n^{-\alpha}. \end{equation*} \notag
Тогда из второй части теоремы 1 следует, что для всех \delta\in(0,\pi]
\begin{equation*} \sigma_{(I-P)f}(-\delta,\delta]\leqslant A\delta^\alpha \|f\|^2_{\mathcal{X}}, \qquad\text{где}\quad A=B\rho(\alpha), \end{equation*} \notag
что и требовалось доказать.

Переформулируем на многомерный случай утверждения предложений 1 и 2, т.е. посмотрим, что можно получить в условиях теоремы 3 при \alpha \geqslant 2.

Предложение 3. Пусть \alpha \geqslant 2, \mathcal{H} – гильбертово пространство, \mathcal{X} \subseteq \mathcal{H} – его векторное подпространство со своей нормой \|\cdot\|_{\mathcal{X}}. Если существует положительная константа A такая, что для всех f \in \mathcal{X}, при всех \delta\in(0,\pi] выполняется неравенство

\begin{equation*} \sigma_{(I-P)f}(-\delta,\delta]\leqslant A \|f\|^2_{\mathcal{X}}\delta^\alpha, \end{equation*} \notag
то имеет место равномерная сходимость на пространстве \mathcal{X} в теореме фон Неймана:

Доказательство проводится аналогично доказательству первой части теоремы 3 c пользованием предложений 1 и 2, соответственно.

Переформулируем теперь на многомерный случай теорему 2, т.е. дадим критерий наличия степенной с показателем \alpha=2 (максимально возможной скорости – по замечанию 2) равномерной сходимости на подпространствах.

Теорема 4. Пусть \mathcal{H} – гильбертово пространство, \mathcal{X} \subseteq \mathcal{H} – его векторное подпространство со своей нормой \|\cdot\|_{\mathcal{X}}. Тогда

Доказательство проводится аналогично доказательству теоремы 3 c использованием теоремы 2.

3.2. Пространства \mathcal{X}_\alpha и \mathcal{Y}

Рассмотрим аналоги для случая дискретного времени введенных в [5] пространств. Для любого \alpha>0 обозначим через \mathcal{X}_\alpha множество всех f\in\mathcal{H}, у которых спектральная мера \sigma_f имеет степенную с показателем \alpha>0 особенность в нуле, т.е.

\begin{equation*} \mathcal{X}_\alpha=\bigl\{f\in \mathcal{H}\mid \exists\, A>0\ \forall\, \delta\in(0,\pi]\ \sigma_{f}(-\delta,\delta] \leqslant A\delta^\alpha\bigr\}. \end{equation*} \notag
Нетрудно убедиться, что локальная степенная оценка на спектральную меру эквивалентна глобальной степенной оценке.

При переходе от (2) к (1) можно положить A=\max\{A_r,\|f\|^2_{\mathcal{H}}/r^\alpha\}. Множества \mathcal{X}_\alpha образуют убывающую по включению цепь, а именно \mathcal{X}_{\alpha_1}\subseteq\mathcal{X}_{\alpha_2} при \alpha_1>\alpha_2. Кроме того, справедливо следующее предложение.

Предложение 4 [5]. \mathcal{X}_\alpha образует векторное подпространство в \mathcal{H}, ортогональное подпространству неподвижных векторов оператора U, в котором можно ввести норму

\begin{equation*} \|f\|_{\mathcal{X}_\alpha}^2=\inf\bigl\{A \mid \forall\, \delta \in (0,\pi] \ \sigma_{f}(-\delta,\delta] \leqslant A\delta^\alpha\bigr\}. \end{equation*} \notag

Определяя \mathcal{X}_0 аналогично \mathcal{X}_\alpha, т.е. при \alpha=0; нетрудно видеть, что тогда \mathcal{X}_0=\mathcal{H} и \|\cdot\|_{\mathcal{X}_0}=\|\cdot\|_{\mathcal{H}}. Рассмотрим еще одно подпространство \mathcal{Y}, определенное следующим образом:

\begin{equation*} \mathcal{Y}=\biggl\{f\in \mathcal{H}\biggm|\int_{(-\pi,\pi]} \frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_f(x)<\infty\biggr\}. \end{equation*} \notag
Норму в нем определим равенством
\begin{equation*} \|f\|_\mathcal{Y}^2=\int_{(-\pi,\pi]} \frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_f(x). \end{equation*} \notag
Нетрудно проверить, что все свойства нормы выполняются. Кроме того, \mathcal{Y} (как и \mathcal{X}_\alpha при \alpha>0) ортогонально подпространству неподвижных векторов оператора U.

3.3. Характеризация подпространств со степенной равномерной сходимостью

С помощью подпространств \mathcal{X}_\alpha, \alpha\in[0,2) и \mathcal{Y} можно описать все вложенные в \mathcal{H} нормированные пространства, на которых имеется равномерная степенная сходимость в теореме фон Неймана. Напомним, что (замечание 2) такой скорости сходимости с показателем степени больше 2 не бывает.

Теорема 5. Пусть \alpha \in [0,2], \mathcal{X} \subseteq \mathcal{H} – его векторное подпространство со своей нормой \|\cdot\|_{\mathcal{X}}. На пространстве \mathcal{X} будет равномерная степенная с показателем \alpha сходимость в теореме фон Неймана тогда и только тогда, когда оператор I-P является непрерывным отображением \mathcal{X} в \mathcal{X}_\alpha в случае \alpha\in[0,2), и, соответственно, непрерывным отображением \mathcal{X} в \mathcal{Y} при \alpha=2.

Доказательство. Пусть существует положительная константа B такая, что для всех n\geqslant1 выполняется неравенство \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X} \to\mathcal{H}} \leqslant Bn^{-\alpha}.

Из доказательства второго утверждения теоремы 3 следует, что при \alpha\in[0,2) (и при \alpha=2) для всех f\in \mathcal{X} спектральная мера вектора f-f^*=(I-P)f имеет степенную с показателем \alpha особенность, а именно, для всех \delta\in (0,\pi]

\begin{equation*} \sigma_{(I-P)f}(-\delta,\delta]\leqslant B \rho(\alpha)\|f\|^2_{\mathcal{X}}\delta^\alpha. \end{equation*} \notag
Следовательно, (I-P)f\in\mathcal{X}_\alpha и \|(I-P)f\|^2_{\mathcal{X}_\alpha}\leqslant B \rho(\alpha) \|f\|^2_{\mathcal{X}} для всех f\in \mathcal{X}, что и требовалось доказать.

Докажем утверждение в обратную сторону. Пусть (I-P)\mathcal{X}\subseteq\mathcal{X}_\alpha и существует положительная константа A такая, что \|I-P\|^2_{\mathcal{X}\to\mathcal{X}_\alpha}\leqslant A. Тогда для любого \delta\in (0,\pi] получим

\begin{equation*} \sigma_{(I-P)f}(-\delta,\delta]\leqslant \|(I-P)f\|^2_{\mathcal{X}_\alpha}\delta^\alpha\leqslant A\|f\|^2_\mathcal{X}\delta^\alpha. \end{equation*} \notag
Первое утверждение теоремы 3 тогда даст требуемую оценку
\begin{equation*} \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}\leqslant A \frac{2}{2-\alpha}\,\frac{\pi^\alpha}{n^{-\alpha}}. \end{equation*} \notag
Пусть теперь \alpha=2 и существует константа B>0 такая, что для всех n\geqslant1 выполняется неравенство \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X} \to \mathcal{H}} \leqslant Bn^{-2}. Из второго утверждения теоремы 2 следует, что для всех f\in \mathcal{X}
\begin{equation*} \int_{(-\pi,\pi]}\frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_{(I-P)f}(x) \leqslant 2B\|f\|^2_{\mathcal{X}}. \end{equation*} \notag
Следовательно, (I-P)f\in\mathcal{Y} и \|(I-P)f\|^2_{\mathcal{Y}}\leqslant 2B \|f\|^2_{\mathcal{X}} для всех f\in \mathcal{X}, что и требовалось доказать. В обратную сторону: пусть (I-P)\mathcal{X}\subseteq\mathcal{Y} и существует положительная константа A такая, что \|I-P\|^2_{\mathcal{X}\to\mathcal{Y}}\leqslant A. Тогда для любого \delta\in (0,\pi]
\begin{equation*} \int_{(-\pi,\pi]}\frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_{(I-P)f}(x) \leqslant A \|f\|^2_{\mathcal{X}}, \end{equation*} \notag
и по первому утверждению теоремы 2 для всех n\geqslant1
\begin{equation*} \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X} \to\mathcal{H}} \leqslant An^{-2}. \end{equation*} \notag

Замечание 4 (Лин [21]). Равномерная сходимость в теореме фон Неймана на всем пространстве \mathcal{H} имеет место тогда и только тогда, когда образ \mathcal{R}(I-U) оператора I-U будет замкнутым.

При этом \mathcal{H}=\mathcal{R}(I-U)\oplus\mathcal{F}_U и сужение S оператора I-U на \mathcal{R}(I-U) будет обратимым, и \|S^{-1}\|<\infty. Поэтому в рассматриваемом случае скорость сходимости будет максимально возможной. А именно, для любого вектора f\in\mathcal{H}, поскольку (I-P)f\in\mathcal{R}(I-U)=\mathcal{R}(S), при всех n\geqslant1 будет

\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|P_{n}f-Pf\|_{\mathcal{H}}&=\frac{1}{n}\biggl\|\,\sum_{k=0}^{n-1} U^k(I-P)f\biggr\|_{\mathcal{H}}= \frac{1}{n}\|(U^{n}-I)S^{-1}(I-P)f\|_{\mathcal{H}} \\ &\leqslant\frac{2}{n}\|S^{-1}\|\, \|(I-P)f\|_{\mathcal{H}}\leqslant \frac{2\|S^{-1}\|\,\|f\|_{\mathcal{H}}}{n}. \end{aligned} \end{equation*} \notag

Этот критерий можно переформулировать в терминах наличия спектрального пробела (“spectral gap”); см. также обсуждение для операторов с ограниченными степенями в [22; теорема 1.1.34].

Замечание 5. Равномерная сходимость в теореме фон Неймана на всем пространстве \mathcal{H} имеет место тогда и только тогда, когда существует \gamma>0 такое, что во множестве \{|z|=1\colon |\arg z|<\gamma\}\setminus\{1\} нет точек спектра оператора U.

Действительно, если сходимость равномерная на всем пространстве, то по предыдущему замечанию спектр оператора U состоит из спектра сужения U|_{(I-U)\mathcal{H}} и точки 1 (если \mathcal{F}_U\ne\{0\}). Поскольку для оператора U|_{(I-U)\mathcal{H}} точка 1 является регулярным значением (ввиду того, что \mathcal{R}(S)=\mathcal{R}(I-U) и \|S^{-1}\|<\infty), а множество регулярных значений ограниченного оператора открыто, то на единичной окружности найдется проколотая окрестность точки 1, содержащая только регулярные значения U.

Обратно, если есть такое \gamma>0, то, используя представление (1.3), получим для каждого вектора f\in\mathcal{H} при всех n\geqslant1 оценку

\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|P_{n}f-Pf\|^2_{\mathcal{H}}&=\frac{1}{n^2} \int_{(-\pi,\pi]\setminus\{0\}}\frac{\sin^2(nx/2)}{\sin^2(x/2)}\, d\sigma_f(x) \\ &=\frac{1}{n^2}\int_{(-\pi,\pi]\setminus(-\gamma,\gamma)} \frac{\sin^2(nx/2)}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_f(x)\leqslant \frac{\|f\|^2_{\mathcal{H}}}{n^2\sin^2(\gamma/2)}. \end{aligned} \end{equation*} \notag

Замечание 6. Равномерная сходимость в теореме фон Неймана для оператора Купмана U_{T}, порожденного автоморфизмом T пространства Лебега (\Omega,\mu) с неатомической мерой \mu, на всем пространстве L_2(\Omega,\mu) имеет место тогда и только тогда, когда T – периодический; обсуждение этого вопроса можно найти в [23].

3.4. Локальные оценки спектральной меры и скорости сходимости

\mspace{-1mu} Как уже упоминалось во введении, недавно в [4] были получены оценки скоростей сходимости на подпространствах в эргодической теореме фон Неймана с непрерывным временем (с приложениями к получению оценок убывания временных средних решений уравнения Шрёдингера, и линейных волновых уравнений) – по оценкам спектральной меры в фиксированной окрестности нуля. Лемма 3 позволяет перенести наши результаты на аналогичный случай локальных оценок для дискретного времени. Из следующей теоремы 6 получаются точные локальные аналоги теоремы 3 и предложения 3.

Теорема 6. Пусть \alpha \geqslant 0, \mathcal{H} – гильбертово пространство, \mathcal{X} \subseteq \mathcal{H} – его векторное подпространство со своей нормой \|\cdot\|_{\mathcal{X}}, которое непрерывно в него вложено, т.е. без ограничения общности считаем \|\cdot\|_{\mathcal{H}} \leqslant \|\cdot\|_\mathcal{X}. Если для некоторого r \in (0,\pi] существует положительная константа A такая, что для всех f \in \mathcal{X} при всех \delta \in (0,r) выполняется неравенство

\begin{equation*} \sigma_{(I-P)f}(-\delta,\delta]\leqslant A\|f\|^2_{\mathcal{X}}\delta^\alpha, \end{equation*} \notag
то имеет место степенная равномерная сходимость на пространстве \mathcal{X} в теореме фон Неймана: при B=\max\{A,1/r^\alpha\} для всех целых n\geqslant1
  • 1) в случае \alpha \in [0,2)
    \begin{equation*} \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X} \to \mathcal{H}} \leqslant B\frac{2}{2-\alpha}\,\frac{\pi^\alpha}{n^\alpha}\,; \end{equation*} \notag
  • 2) в случае \alpha=2
    \begin{equation*} \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X} \to \mathcal{H}} \leqslant B\pi^2 \frac{1+2 \ln n}{n^2}\,; \end{equation*} \notag
  • 3) в случае \alpha>2
    \begin{equation*} \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X} \to \mathcal{H}} \leqslant B \frac{\alpha}{\alpha-2}\,\frac{\pi^\alpha}{n^2}. \end{equation*} \notag

Доказательство. Из леммы 3 следует, что для всех \delta\in (0,\pi]
\begin{equation*} \sigma_{(I-P)f}(-\delta,\delta]\leqslant \max\biggl\{A\|f\|^2_\mathcal{X}, \frac{\|f\|^2_{\mathcal{H}}}{r^\alpha}\biggr\} \delta^\alpha. \end{equation*} \notag
По условию, \mathcal{X} непрерывно вложено в \mathcal{H}; следовательно,
\begin{equation*} \sigma_{(I-P)f}(-\delta,\delta]\leqslant \max\biggl\{A,\frac{1}{r^\alpha}\biggr\}\|f\|^2_\mathcal{X} \delta^\alpha. \end{equation*} \notag
Доказываемые утверждения немедленно следуют отсюда из первой части теоремы 3 (для \alpha \in [0,2)), и предложения 3 (для \alpha\geqslant 2).

Следующая теорема позволяет дать точный локальный аналог спектрального критерия максимальной скорости сходимости – теоремы 4.

Теорема 7. Пусть \mathcal{H} – гильбертово пространство, \mathcal{X} \subseteq \mathcal{H} – его векторное подпространство со своей нормой \|\cdot\|_{\mathcal{X}}, которое непрерывно в него вложено, т.е. без ограничения общности считаем \|\cdot\|_{\mathcal{H}} \leqslant \|\cdot\|_\mathcal{X}. Если для некоторого r \in (0,\pi] существует положительная константа A такая, что для всех f \in \mathcal{X}

\begin{equation*} \int_{(-r,r]}\frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_{(I-P)f}(x)\leqslant A\|f\|^2_{\mathcal{X}}, \end{equation*} \notag
то имеет место степенная с показателем 2 равномерная сходимость на пространстве \mathcal{X} в теореме фон Неймана: при всех целых n\geqslant1
\begin{equation*} \|P_{n}-P\|^2_{\mathcal{X} \to \mathcal{H}} \leqslant Bn^{-2}, \end{equation*} \notag
где можно положить B=(A+1/\sin^2(r/2)).

Доказательство. По интегральному представлению (1.3) при всех n\geqslant1
\begin{equation*} \begin{aligned} \, & \|P_{n}f-Pf\|_{\mathcal{H}}^2=\int_{(-\pi,\pi]} \biggl(\frac{\sin(nx/2)}{n\sin(x/2)}\biggr)^2\, d\sigma_{(I-P)f}(x) \leqslant \frac{1}{n^{2}}\int_{(-\pi,\pi]} \frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_{(I-P)f}(x) \\ &\qquad=\frac{1}{n^{2}}\int_{(-r,r]} \frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_{(I-P)f}(x) +\frac{1}{n^{2}}\int_{(-\pi,-r]\cup(r,\pi)} \frac{1}{\sin^2(x/2)}\,d\sigma_{(I-P)f}(x) \\ &\qquad\leqslant\frac{1}{n^{2}}\biggl(A\|f\|^2_\mathcal{X}+ \frac{\|f\|^2_{\mathcal{H}}}{\sin^2(r/2)}\biggr) \leqslant\frac{\|f\|^2_\mathcal{X}}{n^{2}} \biggl(A+\frac{1}{\sin^2(r/2)}\biggr), \end{aligned} \end{equation*} \notag
что и требовалось.

Замечание 7. В теоремах 6 и 7 вместо условия непрерывного вложения \mathcal{X} в \mathcal{H} достаточно требовать условия \|I-P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}<\infty. Последнее эквивалентно следующему необходимому условию равномерной сходимости, а именно \|U^m-P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}<\infty для любого m\in\mathbb{Z}.

Действительно, начиная с некоторого номера n_0\in\mathbb{N} будут конечны операторные нормы: \sup_{n\geqslant n_0} \|P_n-P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}=c<\infty. Тогда для таких номеров получим

\begin{equation*} \|U^n-P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}=\|(n+1)(P_{n+1}-P)- n(P_n-P)\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}\leqslant(2n+1)c<\infty. \end{equation*} \notag
Откуда для любого m\in\mathbb{Z} ввиду унитарности U и равенства UP=P имеем
\begin{equation*} \|U^m-P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}=\|U^{n_0-m}U^m- U^{n_0-m}P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}= \|U^{n_0}-P\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}<\infty. \end{equation*} \notag

4. О связи с однопараметрическими группами унитарных операторов

4.1

Пусть оператор U вкладывается в группу унитарных операторов \{\mathcal{U}^t\}_{t\in\mathbb{R}}, т.е. \mathcal{U}^1=U. Известно, что каждый унитарный оператор может быть вложен в унитарную группу (см., например, [24]). При этом таких групп может быть континуальное множество (в контексте эргодической теории см., например, [25]). Предположим, что на некотором подпространстве \mathcal{X}\subseteq\mathcal{H} имеет место равномерная сходимость в теореме фон Неймана для группы \{\mathcal{U}^t\}_{t\in\mathbb{R}}, т.е. \|\mathcal{P}_t-\mathcal{P}\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}=o(1) при t\to\infty, где

\begin{equation*} \mathcal{P}_tf=\frac{1}{t}\int_0^t\mathcal{U}^sf\,ds,\qquad f\in\mathcal{H}, \end{equation*} \notag
и \mathcal{P} – ортопроектор на подпространство неподвижных векторов группы. При этом, если \|I-\mathcal{P}\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}<\infty, то из равномерной сходимости вдоль натуральных моментов времени следует равномерная сходимость вдоль вещественных моментов времени. Действительно, для всех t>0 имеем
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|\mathcal{P}_tf-\mathcal{P}_{[t]}f\|_{\mathcal{H}}&= \|\mathcal{P}_t(f-\mathcal{P}f)-\mathcal{P}_{[t]} (f-\mathcal{P}f))\|_{\mathcal{H}} \\ &\leqslant\biggl|\frac{1}{t}-\frac{1}{[t]}\biggr|\, \biggl\|\int_0^{[t]}\mathcal{U}^s(f-\mathcal{P}f)\, ds\biggr\|_{\mathcal{H}}+\frac{1}{t}\biggl\|\int_{[t]}^t \mathcal{U}^s(f-\mathcal{P}f)\,ds\biggr\|_{\mathcal{H}} \\ &\leqslant\frac{2\{t\}}{t}\|f-\mathcal{P}f\|_{\mathcal{H}}\leqslant \frac{2\|I-\mathcal{P}\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}} \|f\|_{\mathcal{X}}}{t}. \end{aligned} \end{equation*} \notag

Рассматривая усреднения для натуральных моментов времени, получаем связь с усреднением для оператора U, а именно \mathcal{P}_n=P_n\mathcal{P}_1. Для ортопроекторов также будет \mathcal{P}=P\mathcal{P}_1. Если \mathcal{P}_1\colon\mathcal{X}\to\mathcal{P}_1(\mathcal{X}) будет обратим, то на линейном пространстве \mathcal{P}_1(\mathcal{X}) можно определить норму \|\mathcal{P}_1f\|_{\mathcal{P}_1(\mathcal{X})}= \|f\|_{\mathcal{X}}. Поэтому оператор \mathcal{P}_1 будет изометрией, и мы получим равномерную сходимость для дискретного усреднения, а именно при n\to\infty

\begin{equation*} \|P_n-P\|_{\mathcal{P}_1(\mathcal{X})\to\mathcal{H}}= \|(P_n-P)\mathcal{P}_1\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}= \|\mathcal{P}_n-\mathcal{P}\|_{\mathcal{X}\to\mathcal{H}}=o(1). \end{equation*} \notag

Пусть \widetilde{\sigma}_f – спектральная мера f\in\mathcal{H} относительно потока \mathcal{U}^t. Опишем ее связь с \sigma_f: для любого n\in\mathbb{N}

\begin{equation*} \begin{aligned} \, \int_{(-\pi,\pi]}e^{in\lambda}\,d\sigma_f(\lambda)&= (U^nf,f)=(\mathcal{U}^nf,f)= \int_\mathbb{R}e^{int}\,d\widetilde{\sigma}_f(t) \\ &=\sum_{k\in\mathbb{Z}}\int_{(-\pi+2\pi k,\pi+2\pi k]} e^{int}\,d\widetilde{\sigma}_f(t)=\int_{(-\pi,\pi]} e^{in\lambda}\,d\sum_{k\in\mathbb{Z}} \widetilde{\sigma}_f(\lambda+2\pi k). \end{aligned} \end{equation*} \notag
Отсюда заключаем, что \sigma_f(C)=\sum_{k\in\mathbb{Z}}\widetilde{\sigma}_f(C+2\pi k) для любого борелевского множества C\in(-\pi,\pi]. Учитывая результаты теорем 3 и 4 нашей работы, и теорем 2 и 7 из [5], получаем, что из степенной равномерной сходимости для усреднений оператора U на пространстве \mathcal{X} следует степенная равномерная сходимость на этом же пространстве для усреднений группы \mathcal{U}^t.

4.2

Для оператора Купмана U_T, определенного в гильбертовом пространстве L_2(\Omega,\mu) равенством U_Tf(\omega)=f(T\omega), где T – эргодический автоморфизм вероятностного пространства (\Omega,\mu), рассмотрим следующую конструкцию. Вложим унитарный оператор U=U_T\otimes I, действующий в \mathcal{H}=L_2(\Omega,d\mu)\otimes L_2([0,1),dx), в унитарный поток \mathcal{U}^t, используя специальное представление сохраняющих меру потоков (см., например, [26; гл. 11]).

Специальный эргодический поток T^t\colon\Omega\times[0,1)\to\Omega\times[0,1) действует как

\begin{equation*} T^t(\omega,s)=(T^n\omega,s+t-n), \end{equation*} \notag
где n\leqslant s+t<n+1 и t\geqslant0. Для любой функции f\in L_2(\Omega\times[0,1),d\mu\otimes dx) положим
\begin{equation*} \mathcal{U}^tf(\omega,s)=f(T^t(\omega,s)). \end{equation*} \notag
Будем рассматривать сужение этого потока на функции вида g(\omega)h(s), т.е. действующим в L_2(\Omega,d\mu)\otimes L_2([0,1),dx). Нетрудно проверить, что \mathcal{U}^n=U^n=U^n_T\otimes I для любого n\in\mathbb{N}. Кроме того,
\begin{equation*} \mathcal{P}_1=I\otimes V^*+U_T\otimes V, \qquad Vh(s)=\int_0^sh(t)\,dt. \end{equation*} \notag
Действительно,
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \mathcal{P}_1g(\omega)h(s)&= \int_0^1\mathcal{U}^tg(\omega)\otimes h(s)\,dt \\ &=\int_0^{1-s}g(\omega)\otimes h(t+s)\,dt+ \int_{1-s}^1g(T\omega)\otimes h(s+t-1)dt \\ &=g(\omega)\otimes\int_s^1h(t)\,dt+ g(T\omega)\otimes\int_0^sh(t)\,dt. \end{aligned} \end{equation*} \notag

Предложение 5. Пусть \mathcal{X} \subseteq L_2(\Omega,d\mu) – векторное подпространство со своей нормой \|\cdot\|_{\mathcal{X}}. Равномерная сходимость для усреднений оператора Купмана U_T на пространстве \mathcal{X} влечет равномерную сходимость для унитарного потока \mathcal{U}^t на пространстве \mathcal{X}\otimes 1 с нормой \|f\otimes1\|=\|f\|_{\mathcal{X}}.

Доказательство. Пусть P_n^T – усреднения для оператора Купмана U_T, а \Theta – ортогональное проектирование на константы – его предел. Пределом для усреднений потока \mathcal{U}^t является \Theta\otimes\Theta. Пусть имеется равномерная сходимость для усреднений оператора Купмана. Тогда ввиду замечания 7, рассуждений в пункте 4.1 и равенства
\begin{equation*} \|I-\Theta\otimes\Theta\|_{\mathcal{X}\otimes1\to\mathcal{H}}= \|I-\Theta\|_{\mathcal{X}\to L_2(\Omega,d\mu)} \end{equation*} \notag
достаточно рассмотреть усреднения для группы \mathcal{U}_t только для натуральных моментов времени. Имеем
\begin{equation*} \begin{aligned} \, \|\mathcal{P}_n- \Theta\otimes\Theta\|_{\mathcal{X}\otimes1\to\mathcal{H}}&= \|(P_n-P)\mathcal{P}_1\|_{\mathcal{X}\otimes1\to\mathcal{H}} \\ &=\|(P^T_n\otimes I-\Theta\otimes I)(I\otimes V^*+ U_T\otimes V)\|_{\mathcal{X}\otimes1\to\mathcal{H}} \\ &=\|P^T_n\otimes V^*-\Theta\otimes V^*+P^T_nU_T\otimes V- \Theta\otimes V\|_{\mathcal{X}\otimes 1\to\mathcal{H}} \\ &\leqslant\|P^T_n\otimes V^*- \Theta\otimes V^*\|_{\mathcal{X}\otimes1\to\mathcal{H}}+ \|P^T_nU_T\otimes V- \Theta\otimes V\|_{\mathcal{X}\otimes1\to\mathcal{H}} \\ &\leqslant\frac{1}{2}\|P^T_n-\Theta\|_{\mathcal{X}\to L_2(\Omega,d\mu)}+\frac{1}{2}\|P^T_nU_T- \Theta\|_{\mathcal{X}\to L_2(\Omega,d\mu)} \\ &=\|P^T_n-\Theta\|_{\mathcal{X}\to L_2(\Omega,d\mu)}. \end{aligned} \end{equation*} \notag

Авторы благодарят рецензента за замечания и предложения по улучшению статьи.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н. И. Ахиезер, И. М. Глазман, Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве, Наука, М., 1966  mathscinet
2. Н. К. Бари, Тригонометрические ряды, Физматгиз, М., 1961  mathscinet
3. И. А. Ибрагимов, Ю. В. Линник, Независимые и стационарно связанные величины, Наука, М., 1965  mathscinet
4. J. Ben-Artzi, B. Morisse, “Uniform convergence in von Neumann's ergodic theorem in the absence of a spectral gap”, Ergodic Theory Dynam. Systems, 41:6 (2021), 1601–1611  crossref  mathscinet
5. A. G. Kachurovskii, I. V. Podvigin, V. E. Todikov, “Uniform convergence on subspaces in von Neumann's ergodic theorem with continuous time”, Siberian Electronic Math. Reports, 20:1 (2023), 183–206  mathnet
6. А. Г. Качуровский, И. В. Подвигин, “Оценки скоростей сходимости в эргодических теоремах фон Неймана и Биркгофа”, Тр. ММО, 77:1 (2016), 1–66  mathnet  mathscinet
7. А. А. Приходько, “Эргодические автоморфизмы с простым спектром и свойством быстрого убывания корреляций”, Матем. заметки, 94:6 (2013), 949–954  mathnet  crossref  mathscinet  zmath
8. В. В. Рыжиков, “Эргодические гомоклинические группы, сидоновские конструкции и пуассоновские надстройки”, Тр. ММО, 75:1 (2014), 93–103  mathnet
9. А. А. Приходько, “Об эргодических потоках с простым лебеговским спектром”, Матем. сб., 211:4 (2020), 123–144  mathnet  crossref
10. А. Г. Качуровский, В. В. Седалищев, “О константах оценок скорости сходимости в эргодической теореме фон Неймана”, Матем. заметки, 87:5 (2010), 756–763  mathnet  crossref  mathscinet
11. А. Г. Качуровский, В. В. Седалищев, “Константы оценок скорости сходимости в эргодических теоремах фон Неймана и Биркгофа”, Матем. сб., 202:8 (2011), 21–40  mathnet  crossref  mathscinet  zmath
12. А. Г. Качуровский, “Скорости сходимости в эргодических теоремах”, УМН, 51:4 (310) (1996), 73–124  mathnet  crossref  mathscinet  zmath
13. В. Ф. Гапошкин, “О скорости убывания вероятностей \varepsilon-уклонений средних стационарных процессов”, Матем. заметки, 64:3 (1998), 366–372  mathnet  crossref  mathscinet  zmath
14. У. Рудин, Основы математического анализа, Мир, М., 1976  mathscinet
15. А. Н. Ширяев, Вероятность, Наука, М., 1989  mathscinet
16. F. A. Robinson, “Sums of stationary random variables”, Proc. Amer. Math. Soc., 11:1 (1960), 77–79  crossref  mathscinet
17. P. L. Butzer, U. Westphal, “The mean ergodic theorem and saturation”, Indiana Univ. Math. J., 20 (1971), 1163–1174  crossref  mathscinet
18. В. Ф. Гапошкин, “Сходимость рядов, связанных со стационарными последовательностями”, Изв. АН СССР. Сер. матем., 39:6 (1975), 1366–1392  mathnet  mathscinet  zmath
19. В. В. Седалищев, “Связь скоростей сходимости в эргодических теоремах фон Неймана и Биркгофа в L_p”, Сиб. матем. журн., 55:2 (2014), 412–426  mathnet  mathscinet
20. F. E. Browder, “On the iteration of transformations in noncompact minimal dynamical systems”, Proc. Amer. Math. Soc., 9 (1958), 773–780  crossref  mathscinet
21. M. Lin, “On the uniform ergodic theorem”, Proc. Amer. Math. Soc., 43:2 (1974), 337–340  crossref  mathscinet
22. E. Yu. Emel'yanov, Non-Spectral Asymptotic Analysis of One-Parameter Operator Semigroups, Operator Theory: Adv. and Appl., 173, Birkhäuser, Basel, 2007  mathscinet
23. A. Gomilko, M. Haase, Yu. Tomilov, “On rates in mean ergodic theorems”, Math. Res. Lett., 18:2 (2011), 201–213  crossref  mathscinet
24. T. Eisner, “Embedding operators into strongly continuous semigroups”, Arch. Math., 92:5 (2009), 451–460  crossref  mathscinet
25. А. М. Степин, А. М. Еременко, “Неединственность включения в поток и обширность централизатора для типичного сохраняющего меру преобразования”, Матем. сб., 195:12 (2004), 95–108  mathnet  crossref  mathscinet  zmath
26. И. П. Корнфельд, Я. Г. Синай, С. В. Фомин, Эргодическая теория, Наука, M., 1980  mathscinet

Образец цитирования: А. Г. Качуровский, И. В. Подвигин, А. Ж. Хакимбаев, “Равномерная сходимость на подпространствах в эргодической теореме фон Неймана с дискретным временем”, Матем. заметки, 113:5 (2023), 713–730; Math. Notes, 113:5 (2023), 680–693
Цитирование в формате AMSBIB
\RBibitem{KacPodKha23}
\by А.~Г.~Качуровский, И.~В.~Подвигин, А.~Ж.~Хакимбаев
\paper Равномерная сходимость~на~подпространствах в~эргодической~теореме~фон~Неймана с~дискретным временем
\jour Матем. заметки
\yr 2023
\vol 113
\issue 5
\pages 713--730
\mathnet{http://mi.mathnet.ru/mzm13739}
\crossref{https://doi.org/10.4213/mzm13739}
\mathscinet{http://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=4602429}
\transl
\jour Math. Notes
\yr 2023
\vol 113
\issue 5
\pages 680--693
\crossref{https://doi.org/10.1134/S0001434623050073}
\scopus{https://www.scopus.com/record/display.url?origin=inward&eid=2-s2.0-85163150206}
Образцы ссылок на эту страницу:
  • https://www.mathnet.ru/rus/mzm13739
  • https://doi.org/10.4213/mzm13739
  • https://www.mathnet.ru/rus/mzm/v113/i5/p713
  • Эта публикация цитируется в следующих 3 статьяx:
    1. A. G. Kachurovskii, I. V. Podvigin, V. È. Todikov, A. Zh. Khakimbaev, “A Spectral Criterion for Power-Law Convergence Rate in the Ergodic Theorem for  {&#120145;}^{d} and  {&#120137;}^{d} Actions”, Sib Math J, 65:1 (2024), 76  crossref  mathscinet
    2. А. Г. Качуровский, И. В. Подвигин, В. Э. Тодиков, А. Ж. Хакимбаев, “Спектральный критерий степенной скорости сходимости в эргодической теореме для {\Bbb Z}^d и {\Bbb R}^d действий”, Сиб. матем. журн., 65:1 (2024), 92–114  mathnet  crossref
    3. I. V. Podvigin, “On the rate of convergence of ergodic averages for functions of Gordin space”, Владикавк. матем. журн., 26:2 (2024), 95–102  mathnet  crossref
    Citing articles in Google Scholar: Russian citations, English citations
    Related articles in Google Scholar: Russian articles, English articles
    Математические заметки Mathematical Notes
    Статистика просмотров:
    Страница аннотации:245
    PDF полного текста:20
    HTML русской версии:122
    Список литературы:41
    Первая страница:18
     
      Обратная связь:
     Пользовательское соглашение  Регистрация посетителей портала  Логотипы © Математический институт им. В. А. Стеклова РАН, 2025