Интерполяционная теорема Марцинкевича, история развития которой берет свое начало с работ [1], [2], является важным инструментом во многих разделах современного анализа, использующих шкалу пространств суммируемых функций Lp. Здесь мы рассматриваем новую форму этой теоремы, которая адаптирована для применений в теории пространств Харди.
Пусть X – хаусдорфово пространство, топология которого порождена квазиметрикой d, т.е. задана функция d:X×X→[0,∞), удовлетворяющая всем аксиомам метрики, только неравенство треугольника заменяется более слабым условием: существует такое число ad⩾1, что для всех x,y,z∈X выполнено неравенство
d(x,y)⩽ad[d(x,z)+d(z,y)].
Пусть на X задана также σ-конечная борелевская мера, причем мера каждого шара
B(x,t):={y∈X:d(x,y)<t}
конечна и положительна.
Введем произведение
X:=X×I,гдеI=(0,t0),0<t0⩽+∞.
и снабдим его стандартной мерой-произведением μ×m1 [3; § 3.3] (m1 – одномерная мера Лебега на I). В случае, когда t0=+∞, множество A⊂X будем называть ограниченным сверху, если sup.
для любой функции u\colon \mathbf{X}\to \mathbb{C}.
Введем обозначение \mathcal{H}^0(\mathbf{X}) для множества всех измеримых функций (эквивалентные функции не отождествляются) u\colon\mathbf{X}\to\mathbb{C}, для которых максимальная функция \mathcal{N} u конечна \mu-почти всюду.
Пусть (Y,\nu) – множество с \sigma-конечной мерой \nu, L^0(Y) – пространство (классов эквивалентности) измеримых функций на Y. Для 0<p,r\leqslant\infty обозначим L^{p,r}(Y) пространства Лоренца ([4], см. также [5; § 5.3]) с квазинормой
При r=p будем писать \mathcal{H}^p(\mathbf{X}) вместо \mathcal{H}^{p,p}(\mathbf{X}). В случае \mathbf{X}=\mathbb{R}^{n+1}_+ классы \mathcal{H}^p(\mathbb{R}^{n+1}_+) впервые рассматривались в [6] (в указанной работе дополнительно предполагалось, что функции из этих классов непрерывны и имеют почти всюду некасательные пределы).
Условие \mathcal{N} u\in L^p(X) и само понятие максимальной функции восходит к Харди и Литтлвуду [7]. Оно широко используется в теории пространств Харди (см., например, [8] для случая \mathbf{X}=\mathbb{R}_+^{n+1}, [9; теорема 5.6.5] для случая \mathbf{X} – единичный шар в \mathbb{C}^n) и участвует в формулировках некоторых краевых задач для уравнений в частных производных (см, например, [10], [11]; перечень таких работ можно значительно расширить). Это определяет область возможных приложений наших результатов.
Пусть T – оператор, определенный на некотором векторном подпространстве в \mathcal{H}^0(\mathbf{X}), со значениями в L^0(Y). Тогда T называется квазисубаддитивным, если существует такое число K_1>0, что справедливо поточечное неравенство
на линейный или положительный субаддитивный оператор T ([1], [2], см. также [12; приложение Б]). Следующее утверждение является аналогом для классов \mathcal{H}^p(\mathbf{X}).
Теорема 1. Пусть 0<p_0\ne p_1\leqslant\infty, 0<q_0\ne q_1\leqslant\infty, квазилинейныйный оператор T\colon\mathcal{H}^{p_0}(\mathbf{X})+ \mathcal{H}^{p_1}(\mathbf{X})\to L^ 0(Y) удовлетворяет следующим условиям: существуют такие положительные постоянные M_0 и M_1, что для всех \lambda>0 выполнены неравенства
причем p\leqslant q. Тогда существует такая постоянная C=C(K_1,p_0,p_1,q_0,q_1,\theta), что для всех функций u\in \mathcal{H}^p(\mathbf{X}) выполнено неравенство
Такие условия в интерполяционной теореме Марцинкевича впервые вводились для параметров p_0,p_1,q_0,q_1\geqslant 1 в работе Стейна и Вейса [13] (см. также [5; § 5.3]). Условия такого вида рассматривались также в [14]–[16] для любых p_0,p_1,q_0,q_1>0. Аналоги (3) используются далее в нашей работе.
Обозначим S_0^+(\mathbf{X}) – множество всех функций на \mathbf{X} вида
где m<n – целые, A_k\subset \mathbf{X} – измеримые множества конечной меры, ограниченные сверху, S^r_0(\mathbf{X}) – множество всех функций на \mathbf{X} вида (u-v), где u,v\in S_0^+(\mathbf{X}). Наконец, S_0(\mathbf{X}) означает множество функций вида u+iv, где u,v\in S^r_0(\mathbf{X}).
является важным, так как участвует в условиях наших результатов, приводимых ниже.
Теорема 2. Пусть 0<p_0\ne p_1\leqslant\infty, 0<q_0\ne q_1\leqslant\infty, 0<r<\infty, T – квазилинейный оператор, определенный на S_0(\mathbf{X}), со значениями во множестве L^0(Y), удовлетворяющий следующим условиям:
Пусть \theta\in(0,1), p и q определяются равенствами (2). Тогда существует единственное продолжение для T до ограниченного квазилинейного оператора из \mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) в L^{q,r}(Y) и существует такая положительная постоянная C=C(K_1,p_0,p_1,q_0,q_1,r,\theta), что для всех функций u\in\mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) выполнено неравенство
Роль условия (6) состоит в том, что оно обеспечивает существование продолжения оператора T с класса S_0(\mathbf{X}) на пространство \mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}). Условие (6) выполнено, например, если оператор T является линейным или положительным сублинейным.
Утверждение теоремы 2 подобно утверждению интерполяционной теоремы Марцинкевича (см., например, [5; § 5.3]). Отличия состоят в присутствии нормы максимальной функции \mathcal{N} в правой части неравенства (7), а также в форме основных условий (4)–(5).
Если в теореме 2 заменить \mathbf{X} на любое множество X с \sigma-конечной мерой \mu, пространства \mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) – на пространства Лоренца L^{p,r}(X) и условие \widehat{A}\subset\mathbf{X} заменить на A\subset X, то мы получим вариант теоремы Марцинкевича из работы [15]. Этот результат в близкой форме приведен также в [16; теорема 1.4.19]. В обоих случаях доказательства основаны на идеях из [14; теорема 1.4.19], где впервые был рассмотрен случай 0<p_i,q_i<1, i=0,1, для параметров теоремы Марцинкевича.
Однако доказательство в [14; теорема 1.4.19] содержало пробел, устранение которого и послужило поводом для публикации [15]. Для этого понадобилась существенная корректировка как доказательств, так и формулировок. Этим объясняется появление в них класса S_0(\mathbf{X}) и дополнительного условия (6).
Доказательство теоремы 2 также следует схеме рассуждений из [14; теорема 1.4.19] и [15] с изменениями, необходимыми в нашей ситуации. Подробному обоснованию будет посвящена отдельная работа. Сейчас отметим только, что доказательство опирается на ряд вспомогательных утверждений, из которых ключевыми являются следующие.
Лемма 1. Множество S_0(\mathbf{X}) плотно в \mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) при любых 0<p,r<\infty.
Лемма 2. Пусть 0<p<\infty, 0<q\leqslant\infty, T – квазилинейный оператор, определенный на S_0(\mathbf{X}), со значениями в L^0(Y), удовлетворяющий следующему условию: существует такая положительная постоянная M, что для любого измеримого ограниченного сверху множества A\subset\mathbf{X} конечной меры выполнено неравенство
Тогда для любого 0<\alpha\leqslant\alpha_0 существует положительная постоянная C(K_1,p,q,\alpha) такая, что любой функции u\in S_0(\mathbf{X}) выполнено неравенство
Приведем теперь вариант теоремы 2 для операторов, действующих в паре пространств \mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) и \mathcal{H}^{q,r}(\mathbf{Y}): пусть заданы два пространства \mathbf{X} и \mathbf{Y} описанного выше типа, построенные на множествах X и Y с разными, вообще говоря, квазиметриками и мерами \mu и \nu соответственно.
Теорема 3. Пусть 0<p_0\ne p_1\leqslant\infty, 0<q_0\ne q_1\leqslant\infty, 0<r<\infty, T – квазилинейный оператор, определенный на S_0(\mathbf{X}), со значениями в \mathcal{H}^0(\mathbf{Y}), удовлетворяющий следующим условиям:
Пусть \theta\in(0,1), p и q определяются равенствами (2). Тогда существует единственное продолжение для T до ограниченного квазилинейного оператора из \mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) в \mathcal{H}^{q,r}(\mathbf{Y}) и существует такая положительная постоянная C=C(K_1,p_0,p_1,q_0,q_1,r,\theta), что для всех функций u\in\mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) выполнено неравенство
Далее сформулируем вариант теоремы 2, соответствующий первоначальной версии теоремы Марцинкевича из [14; теорема 1.4.19]. Отличие следующей теоремы 4 от теоремы 2 состоит в том, что условие (6) заменено на непрерывность оператора T\colon\mathcal{H}^{p_0}(\mathbf{X})+\mathcal{H}^{p_1}(\mathbf{X}) \to L^0(Y). При этом в \mathcal{H}^{p_0}(\mathbf{X})+ \mathcal{H}^{p_1}(\mathbf{X}) топология вводится с помощью квазинормы
а L^0(Y) снабжается, как обычно, топологией сходимости по мере.
Теорема 4. Пусть 0<p_0\ne p_1\leqslant\infty, 0<q_0\ne q_1\leqslant\infty, 0<r<\infty, T – квазилинейный и непрерывный оператор из \mathcal{H}^{p_0}(\mathbf{X})+\mathcal{H}^{p_1}(\mathbf{X}) в L^0(Y), удовлетворяющий следующим условиям: существуют такие положительные постоянные M_0 и M_1, что для любого измеримого ограниченного сверху множества A\subset\mathbf{X} конечной меры выполнены неравенства (4) и (5).
Пусть \theta\in(0,1), p и q определяются равенствами (2). Тогда существует такая положительная постоянная C=C(K_1,p_0,p_1,q_0,q_1,r,\theta), что для всех функций u\in\mathcal{H}^{p,r}(\mathbf{X}) выполнено неравенство (7).
Доказательство теоремы 4 использует идею из [15; замечание (iv)] и следующую модификацию леммы 2.
Лемма 3. Пусть 0<p<\infty, 0<q\leqslant\infty, T – квазилинейный и непрерывный оператор \mathcal{H}^{p}(\mathbf{X})\to L^0(Y), удовлетворяющий следующему условию: существует такая положительная постоянная M, что для любого измеримого ограниченного сверху множества A\subset\mathbf{X} конечной меры выполнено неравенство
Тогда для любого 0<\alpha\leqslant\alpha_0 существует положительная постоянная C(K_1,p,q,\alpha) такая, что любой функции \mathcal{H}^{p,\alpha}(\mathbf{X}), принадлежащей области определения T, выполнено неравенство
В. Г. Кротов, “Интерполяционная теорема Марцинкевича для пространств типа Харди и ее приложения”, Матем. сб., 215:8 (2024), 95–119; V. G. Krotov, “Marcinkiewicz's interpolation theorem for Hardy-type spaces and its applications”, Sb. Math., 215:8 (2024), 1091–1113
В. Г. Кротов, “Интерполяция операторов в пространствах типа Харди”, Теория функций многих действительных переменных и ее приложения, Сборник статей. К 90-летию члена-корреспондента РАН Олега Владимировича Бесова, Труды МИАН, 323, МИАН, М., 2023, 181–195; V. G. Krotov, “Interpolation of Operators in Hardy-Type Spaces”, Proc. Steklov Inst. Math., 323 (2023), 173–187