Аннотация:
Обобщением преобразования Данкля может служить (k,a)-обобщенное преобразование Фурье, но оно деформирует хорошие классы функций, например, пространство Шварца. В работе изучается недеформированное обобщенное преобразование Данкля на прямой. Определены два оператора обобщенного сдвига. Для них получены интегральные представления и доказана Lp-ограниченность. Определены две свертки, для которых установлена теорема Юнга. В качестве приложения изучены условия Lp-сходимости обобщенных средних.
Библиография: 20 названий.
Пусть S(R) – пространство Шварца бесконечно дифференцируемых на R и быстро убывающих на бесконечности функций, Jα(x) – функция Бесселя первого рода порядка α⩾−1/2, jα(x)=2αΓ(α+1)x−αJα(x) – нормированная функция Бесселя, (α)n=Γ(α+n)/Γ(α)=α(α+1)⋯(α+n−1) – символ Похгаммера.
Одномерное унитарное преобразование Данкля (см. [1], [2]) имеет вид
Классическое преобразование Фурье получается при k=0. В 2012 г. Бен Саид, Кобаяши и Орстед [3] предложили двупараметрическое (k,a)-обобщенное унитарное преобразование Фурье, которое в одномерном случае имеет вид
Преобразование Данкля получается при a=2. Но если для преобразования Данкля Fk(S(R))=S(R), то обобщенное преобразование Фурье при a≠2 деформирует хорошие классы функций. Например, Fk,a(S(R))=S(R) тогда и только тогда, когда a=2. Более точно, множество Fk,a(S(R))⊂C∞(R), если только a=2n. Оно состоит из быстро убывающих на бесконечности функций, если только a=2/n, n∈N. Если a иррациональное, то для любой нетривиальной f∈S(R) выполнено Fk,a(f)∉S(R) [4]. Поэтому обобщенное преобразование Фурье не является в полной мере недеформированным обобщением преобразования Данкля.
Пусть λ⩾−1/2, dνλ(x)=(2λ+1Γ(λ+1))−1|x|2λ+1dx – мера на R, 1⩽p⩽∞, Lp(R,dνλ) – лебегово пространство измеримых комплекснозначных функций с конечной нормой
‖
C_b(\mathbb{R}) – подмножество L_{\infty}(\mathbb{R}) непрерывных функций, C_0(\mathbb{R}) – подмножество C_b(\mathbb{R}) бесконечно малых на бесконечности функций, C_K(\mathbb{R}) – подмножество C_0(\mathbb{R}) функций с компактным носителем.
В [4], отправляясь от преобразования (1.1) при a=2/(2r+1), с помощью замены переменной получено двупараметрическое семейство недеформированных унитарных преобразований
Назовем (1.2)(r,\lambda)-обобщенным преобразованием Данкля. Преобразование Данкля получаем при r=0, \lambda=k-1/2. Ядро преобразования (1.2) является ограниченной целой функцией экспоненциального типа по каждой переменной и справедливо вложение \mathcal{F}_{r}^{\lambda}(\mathcal{S}(\mathbb{R}))\subset C^{\infty}(\mathbb{R}), но преобразование \mathcal{F}_{r}^{\lambda}(f) для f\in\mathcal{S}(\mathbb{R}), к сожалению, может не иметь быстрого убывания на бесконечности. Точное описание инвариантного для преобразования \mathcal{F}_{r}^{\lambda} подпространства бесконечно дифференцируемых функций выглядит следующим образом [4]. Пусть
Таким образом, преобразование (1.2) при r\geqslant 1 имеет свои особенности.
В настоящей работе в п. 2 приводятся некоторые свойства обобщенного преобразования Данкля. В п. 3 определены два оператора обобщенного сдвига. Опираясь на новую теорему умножения для нормированных функций Бесселя [5], для них получены интегральные представления и доказана L_p-ограниченность. С помощью операторов обобщенного сдвига определены две свертки, и для них доказана теорема Юнга. В пп. 4, 5 с помощью сверток определяются обобщенные средние и исследуется их L_p-сходимость.
2. Некоторые свойства обобщенного преобразования Данкля
Пусть \{P_n^{(\alpha)}(t)\}_{n=0}^{\infty} – многочлены Гегенбауэра, ортогональные на отрезке [-1,1] с весом (1-t^2)^{\alpha}, \alpha>-1, и нормированные условием P_n^{(\alpha)}(1)=1,
При \alpha\geqslant -1/2, d_{n,\alpha}=1 (см. [4]). С многочленами Гегенбауэра C_n^{\lambda}(t), ортогональными с весом (1-t^2)^{\lambda-1/2} (см. [6; гл. X, 10.9]), многочлены P_n^{(\alpha)}(t) связаны соотношением
Отметим, что \mathcal{S}_r(\mathbb{R})\subset\mathcal{A} и \mathcal{S}_r(\mathbb{R}) плотно в пространствах L^{p}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), 1\leqslant p<\infty.
и g_1(x), g_2(x) – четные функции. Следовательно, \delta_{\lambda,r}f\in\mathcal{S}_r(\mathbb{R}). Равенство (2.9) с использованием (2.8) устанавливается так же, как в [4]. Лемма 1 доказана.
3. Операторы обобщенного сдвига и свертки
Для y\in\mathbb{R} рассмотрим два оператора обобщенного сдвига
Для многомерного преобразования Данкля аналог оператора \tau^y определен в [7], [8], аналог оператора T^y – в [9], [10]; для обобщенного преобразования Фурье аналог оператора \tau^y был определен в [11]. С помощью операторов (3.1), (3.2) в дальнейшем будут определяться потенциал и преобразование Рисса (см. [12]).
В пространстве L^{2}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) для них справедливы оценки
Получим для операторов (3.1), (3.2) интегральные представления. Напомним теорему сложения Гегенбауэра для нормированной функции Бесселя [13; гл. XI, 11.4]:
С использованием многочлена P_{2r+1}^{(\lambda-1/2)}(t), (2.2) формула (3.4) записана в более компактной, чем это принято, форме. Более сложно доказывается следующая теорема умножения [5]:
то T_g^yf(x) – положительный оператор, T_g^{-y}f(x)=T_g^yf(x) и для любой функции f\in L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), 1\leqslant p\leqslant\infty, выполняется неравенство
Доказательство. Если f(x)\geqslant 0, то T_g^{y}f(x)\geqslant 0. При заменах y\to -y, t\to -t, yt и A=\sqrt{x^2+y^2-2xyt} не изменятся, поэтому T_g^{-y}f(x)=T_g^yf(x).
то, применяя лемму 2 для g(t)=0, P_{2r+1}^{(\lambda-1/2)}(t), придем к следующему утверждению.
Лемма 3. Для всех 1\leqslant p\leqslant\infty, y\in\mathbb{R}, r\in\mathbb{Z}_+, \lambda> -1/2, линейные операторы (3.9) и (3.10) ограничены в пространствах L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) и для их норм справедливы оценки
поэтому для норм оператора \tau_1^{y} на этом подпространстве справедливы оценки (3.12) для оператора T_1^{y}.
Оценки L_p-норм оператора обобщенного сдвига для обобщенного преобразования Фурье, аналогичного оператору \tau^y, при \lambda\geqslant 0 получены в [5] (см. также [15]).
Лемма 4. Линейные операторы (3.1) и (3.9), а также (3.2) и (3.10) как операторы из L^2(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) в L^2(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) совпадают.
Из ограниченности операторов \tau_1^{y}, \tau^{y} в L^2(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), \tau_1^{y}f(x)=\tau^{y}f(x). Случай операторов (3.2) и (3.10) разбирается аналогично. Лемма 4 доказана.
Таким образом, операторы (3.9), (3.10) являются продолжениями операторов (3.1), (3.2) на пространства L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), p\ne 2. В дальнейшем операторы (3.9), (3.10) будем обозначать \tau^{y}, T^{y} соответственно.
Лемма 5. Для всех 1\leqslant p\leqslant\infty, x\in\mathbb{R}, r\in\mathbb{Z}_+, \lambda> -1/2 справедливы оценки
При \lambda\geqslant 0 применяем интерполяционную теорему Рисса–Торина. Как и в лемме 2, \|B^{x}f\|_{\infty}\leqslant \|f\|_{\infty}, поэтому достаточно доказать (3.14) для p=1. Так как T^y=T^{-y}, то
Доказательство. Свойства 1)–4) получаются из леммы 2, (3.1), (3.2), (3.6), (3.7), (3.9), (3.10). Свойство 5) вытекает из равенства Планшереля.
Если \chi_R(x) – характеристическая функция отрезка [-R,R], то \lim_{R\to\infty}\chi_R(x)=1 для всех x, поэтому по теореме Лебега об ограниченной сходимости согласно (3.10)\lim_{R\to\infty}T^y\chi_R(x)=1 для всех x и y. Для любой f\in L^1(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) \cap L^2(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) по теореме Лебега об ограниченной сходимости при R\to\infty
и для них свойство (3.18) выполнено. Так как множество L^1(\mathbb{R},d\nu_{\lambda})\cap L^2(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) плотно в L^1(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), то в силу непрерывности оператора T^y в L^1(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) свойство (3.18) выполнено для всех f\in L^1(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}). Свойство (3.17) для оператора \tau^y доказывается аналогично.
Свойство 7) вытекает из неравенства x^2+y^2-2xyt\geqslant(|x|-|y|)^2>\delta^2. Лемма 6 доказана.
С помощью операторов \tau^y и T^y определим две свертки
Равенства (3.22) и (3.23) для g\in\mathcal{A} доказаны. Случай g\in L^{1}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) получается предельным переходом. Если g_{\varepsilon}\in\mathcal{A} и \|g-g_{\varepsilon}\|_{1,d\nu_{\lambda}}\to 0 при \varepsilon\to 0, то применяя леммы 3, 5, получим равномерную ограниченность \tau^yf(x), T^yf(x) и при \varepsilon\to 0
Теперь мы можем доказать неравенство Юнга для сверток (3.20) и (3.21). При доказательстве следуем [10].
Теорема 1. Пусть 1\leqslant p,q\leqslant\infty, 1/p+1/q\geqslant 1 и 1/s=1/p+1/q-1. Если f\in L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), g\in L^q(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), то
Замечание 2. Если f\in L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) при 1\leqslant p<\infty, f\in C_0(\mathbb{R}) при p=\infty, f_{\varepsilon}\in\mathcal{A}, \|f-f_{\varepsilon}\|_{p,d\nu_{\lambda}}\to 0 при \varepsilon\to 0 и g\in L^1(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), g четная, то, применяя лемму 6 и теорему 1, получим
В этом пункте под L^{\infty}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) мы понимаем C_0(\mathbb{R}). В соответствии с теоремой 1 для f\in L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), 1\leqslant p\leqslant\infty, мы можем определить (r,\lambda)-обобщенные средние
Доказательство. Применяя (3.12), получим (4.4). В силу (3.12) равенства (4.5) можно доказывать для функций из плотного множества. Пусть f\in\mathcal{S}_r(\mathbb{R})\cap C_K(\mathbb{R}), |y|\leqslant 1, R\geqslant 2 выбрано так, что \operatorname{supp}f\subset [-R+1,R-1]. Будем писать A\lesssim B, если выполнено неравенство A\leqslant CB с константой C, зависящей от несущественных параметров.
Равенство (4.5) для модуля непрерывности \omega_{\tau}(\delta,f)_{p,d\nu_{\lambda}} при p<\infty также доказано. Случай модуля непрерывности \omega_{T}(\delta,f)_{p,d\nu_{\lambda}} разбирается аналогично. Лемма 8 доказана.
Теорема 2. Пусть \widehat{\varphi}=\mathcal{F}_{r}^{\lambda}(\varphi), функции \varphi,\widehat{\varphi}\in \mathcal{A}, \varphi(0)=1. Если f\in L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}) при 1\leqslant p<\infty или f\in C_0(\mathbb{R}) при p=\infty, то
Доказательство. Учитывая (4.2) и теорему Банаха–Штейнгауза, теорему 2 достаточно доказывать на плотном множестве \mathcal{S}_r(\mathbb{R}). Если f\in\mathcal{S}_r(\mathbb{R}), то в силу (3.15)
Обобщенные средние \Phi_{\varepsilon}f, для которых имеет место сходимость в пространствах L^p(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), 1\leqslant p\leqslant\infty, назовем регулярными.
5. Примеры обобщенных средних
Для четного генератора \varphi обобщенное преобразование Данкля \widehat{\varphi} также является четным и совпадает с преобразованием Ганкеля
поэтому обобщенное преобразование Данкля (r\geqslant 0) четного генератора обобщенных средних совпадает с обычным преобразованием Данкля (r=0) и даже преобразованием Ганкеля. В [18] рассмотрены следующие примеры средних для преобразования Данкля с четными генераторами: средние Гаусса–Вейерштрасса, Пуассона, Бохнера–Рисса. Они будут примерами и обобщенных средних. Для обобщенных средних Гаусса–Вейерштрасса \varphi(x)=\widehat{\varphi}(x)=e^{-x^2/2}\in L^{1}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}). Для обобщенных средних Пуассона
Генератор \varphi\in L^{1}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}). Функция \widehat{\varphi}\in L^{1}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), если только \delta>\delta_0=\lambda+1/2. Число \delta_0 называют критическим показателем. Если \delta>\delta_0, то обобщенные средние Бохнера–Рисса являются регулярными. При \delta\leqslant\delta_0 они не являются регулярными.
Рассмотрим пример генератора \varphi_{s,a}(x)=(1+ax^{2s+1})e^{-x^2/2}, s\in\mathbb{Z}_+, a\in\mathbb{R}, не являющегося четным. Функция \varphi_{s,a}\in \mathcal{S}_r(\mathbb{R}) при s\geqslant r. Обобщенное преобразование Данкля
\begin{equation*}
\widehat{\varphi}_{s,a}(y)=e^{-y^2/2}+iac_{r,\lambda,s}y^{2r+1} \begin{cases} \Phi\biggl(\lambda+r+s+2,\lambda+2r+2,-\dfrac{y^2}{2}\biggr),&s<r, \\ e^{-y^2/2}L_{s-r}^{\lambda+2r+1}\biggl(\dfrac{y^2}{2}\biggr),&s\geqslant r. \end{cases}
\end{equation*}
\notag
(см. [20; гл. VIII, (8.6.13), (8.6.14)]). Здесь L_s^{\lambda}(x) – обобщенные многочлены Лагерра (см. [6; гл. X, 10.12]). Следовательно, \widehat{\varphi}_{s,a}\in\mathcal{S}_r(\mathbb{R}) при s\geqslant r. Согласно асимптотике вырожденной гипергеометрической \Phi-функции [19; гл. VI, (6.13.1)] при s<r и y\to\infty
поэтому \widehat{\varphi}_{s,a}\in L^{1}(\mathbb{R},d\nu_{\lambda}), но \widehat{\varphi}_{s,a}\not\in \mathcal{S}(\mathbb{R}). Обобщенные средние с генератором \varphi_{s,a} являются регулярными. Они обобщают средние Гаусса–Вейерштрасса.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
C. F. Dunkl, “Integral kernels with reflection group invariance”, Canad. J. Math., 43:6 (1991), 1213–1227
2.
M. Rösler, “Dunkl operators: theory and applications”, Orthogonal Polynomials and Special Functions (Leuven, 2002), Lecture Notes in Math., 1817, Springer-Verlag, Berlin, 2003, 93–135
3.
S. Ben Saïd, T. Kobayashi, B. Ørsted, “Laguerre semigroup and Dunkl operators”, Compos. Math., 148:4 (2012), 1265–1336
4.
D. V. Gorbachev, V. I. Ivanov, S. Yu. Tikhonov, On the Kernel of (\kappa,a)-generalized Fourier Transform, arXiv: 2210.15730
5.
M. A. Boubatra, S. Negzaoui, M. Sifi, “A new product formula involving Bessel functions”, Integral Transforms Spec. Funct., 33:3 (2022), 247–263
6.
A. Erdélyi, W. Magnus, F. Oberhettinger, F. G. Tricomi, Higher Transcendental Functions, v. II, McGraw Hill, New York, 1953
7.
M. Rösler, “Generalized Hermite polynomials and the heat equation for Dunkl operators”, Comm. Math. Phys., 192:3 (1998), 519–542
8.
K. Trimèche, “Paley–Wiener theorems for the Dunkl transform and Dunkl translation operators”, Integral Transforms Spec. Funct., 13:1 (2002), 17–38
9.
M. Rösler, “A positive radial product formula for the Dunkl kernel”, Trans. Amer. Math. Soc., 355:6 (2003), 2413–2438
10.
D. V. Gorbachev, V. I. Ivanov, S. Yu. Tikhonov, “Positive L^p-bounded Dunkl-type generalized translation operator and its applications”, Constr. Approx., 49:3 (2019), 555–605
11.
D. V. Gorbachev, V. I. Ivanov, S. Yu. Tikhonov, “Pitt's inequalities and uncertainty principle for generalized Fourier transform”, Int. Math. Res. Not. IMRN, 23 (2016), 7179–7200
12.
В. И. Иванов, “Преобразование Рисса для одномерного (k,1)-обобщенного преобразования Фурье”, Матем. заметки, 113:3 (2023), 360–373
13.
G. N. Watson, A Treatise on the Theory of Bessel Functions., Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1966
14.
H. Mejjaoli, “Deformed Stockwell transform and applications on the reproducing kernel theory”, Int. J. Reprod. Kernels, 1:1 (2022), 1–39
15.
H. Mejjaoli, K. Trimèche, “Localization operators and scalogram associated with the deformed Hankel wavelet transform”, Mediterr. J. Math., 20:3 (2023), 186
16.
С. С. Платонов, “Гармонический анализ Бесселя и приближение функций на полупрямой”, Изв. РАН. Сер. матем., 71:5 (2007), 149–196
17.
Б. М. Левитан, И. С. Саргсян, Введение в спектральную теорию. Самосопряженные обыкновенные дифференциальные операторы, Наука, М., 1970
18.
S. Thangavelu, Y. Xu, “Convolution operator and maximal function for the Dunkl transform”, J. Anal. Math., 97 (2005), 25–55
19.
A. Erdélyi, W. Magnus, F. Oberhettinger, F. G. Tricomi, Higher Transcendental Functions, v. I, McGraw Hill, New York, 1953
20.
A. Erdélyi, W. Magnus, F. Oberhettinger, F. G. Tricomi, Tables of Integral Transforms, v. II, McGraw Hill, New York, 1954
Образец цитирования:
В. И. Иванов, “Недеформированное обобщенное преобразование Данкля на прямой”, Матем. заметки, 114:4 (2023), 509–524; Math. Notes, 114:4 (2023), 443–456