7A

Lp(μ)\mathcal{L}^p(\mu)

[24/50%]
Показать
LaTeX
Задача 7A.1

Пусть μ\mu — мера. Докажите, что

f+gf+g и αf=αf \left\| f+g\right\| _{\infty } \leq \left\| f\right\| _{\infty }+\left\| g\right\| _{\infty } \quad \text{ и } \quad \left\| \alpha f\right\| _{\infty } = \left|\alpha \right|\left\| f\right\| _{\infty }

для всех f,gL(μ)f, g \in \mathcal{L}^{\infty }(\mu ) и всех αF\alpha \in \mathbf{F}. Сделайте вывод, что с обычными операциями сложения и умножения функций на скаляр L(μ)\mathcal{L}^{\infty }(\mu ) является векторным пространством.

?
Задача 7A.2

Пусть a0,b0a \geq 0, b \geq 0 и 1<p<1 < p < \infty. Докажите, что

ab=app+bpp a b = \frac{a^{p}}{p}+\frac{b^{p^{\prime }}}{p^{\prime }}

тогда и только тогда, когда ap=bpa^{p} = b^{p^{\prime }}.

?
Примечание.
?

сравните с неравенством Юнга (7.8)

Задача 7A.3

Пусть a1,,ana_{1}, \ldots , a_{n} — неотрицательные числа. Докажите, что

(a1++an)5n4(a15++an5) \left(a_{1}+\cdots +a_{n}\right)^{5} \leq n^{4}\left(a_{1}^{5}+\cdots +a_{n}^{5}\right)
?
Задача 7A.4

Докажите неравенство Гёльдера (7.9) в случаях p=1p = 1 и p=p = \infty.

?
Задача 7A.5

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) — пространство с мерой, 1<p<1 < p < \infty, fLp(μ)f \in \mathcal{L}^{p}(\mu ) и hLp(μ)h \in \mathcal{L}^{p^{\prime }}(\mu ). Докажите, что неравенство Гёльдера (7.9) обращается в равенство тогда и только тогда, когда существуют неотрицательные числа aa и bb, не равные одновременно нулю, такие, что

af(x)p=bh(x)p a\left|f(x)\right|^{p} = b\left|h(x)\right|^{p^{\prime }}

для почти всех xXx \in X.

?
Задача 7A.6

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) — пространство с мерой, fL1(μ)f \in \mathcal{L}^{1}(\mu ) и hL(μ)h \in \mathcal{L}^{\infty }(\mu ). Докажите, что fh1=f1h\left\| f h\right\|_{1} = \left\| f\right\|_{1}\left\| h\right\|_{\infty } тогда и только тогда, когда

h(x)=h \left|h(x)\right| = \left\| h\right\| _{\infty }

для почти всех xXx \in X таких, что f(x)0f(x) \neq 0.

?
Задача 7A.7

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) — пространство с мерой, а f,h:XFf, h: X \rightarrow \mathbf{F}S\mathcal{S}-измеримые функции. Докажите, что

fhrfphq \left\| f h\right\| _{r} \leq \left\| f\right\| _{p}\left\| h\right\| _{q}

для всех положительных чисел p,q,rp, q, r таких, что 1p+1q=1r\frac{1}{p}+\frac{1}{q} = \frac{1}{r}.

?
Задача 7A.8

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) — пространство с мерой и nNn \in \mathbb {N}. Докажите, что

f1f2fn1f1p1f2p2fnpn \left\| f_{1} f_{2} \cdots f_{n}\right\| _{1} \leq \left\| f_{1}\right\| _{p_{1}}\left\| f_{2}\right\| _{p_{2}} \cdots \left\| f_{n}\right\| _{p_{n}}

для всех положительных чисел p1,,pnp_{1}, \ldots , p_{n} таких, что 1p1+1p2++1pn=1\frac{1}{p_{1}}+\frac{1}{p_{2}}+\cdots +\frac{1}{p_{n}} = 1, и всех S\mathcal{S}-измеримых функций f1,f2,,fn:XFf_{1}, f_{2}, \ldots , f_{n}: X \rightarrow \mathbf{F}.

?
Задача 7A.9

Покажите, что формула из 7.12 верна при p=p = \infty, если μ\muσ\sigma-конечная мера.

?
Задача 7A.10

Пусть 0<p<q0 < p < q \leq \infty.

?
(a)

Докажите, что pq\ell^{p} \subseteq \ell^{q}.

(b)

Докажите, что (a1,a2,)p(a1,a2,)q\left\| \left(a_{1}, a_{2}, \ldots \right)\right\|_{p} \geq \left\| \left(a_{1}, a_{2}, \ldots \right)\right\|_{q} для каждой последовательности a1,a2,a_{1}, a_{2}, \ldots элементов F\mathbf{F}.

Задача 7A.11

Покажите, что p>1p1\bigcap_{p > 1} \ell^{p} \neq \ell^{1}.

?
Задача 7A.12

Покажите, что p<Lp([0,1])L([0,1])\bigcap_{p < \infty } \mathcal{L}^{p}([0,1]) \neq \mathcal{L}^{\infty }([0,1]).

?
Задача 7A.13

Покажите, что p>1Lp([0,1])L1([0,1])\bigcup_{p > 1} \mathcal{L}^{p}([0,1]) \neq \mathcal{L}^{1}([0,1]).

?
Задача 7A.14

Пусть p,q(0,]p, q \in (0, \infty ], причём pqp \neq q. Докажите, что ни одно из множеств Lp(R)\mathcal{L}^{p}(\mathbb {R}) и Lq(R)\mathcal{L}^{q}(\mathbb {R}) не является подмножеством другого.

?
Задача 7A.15

Покажите, что существует fL2(R)f \in \mathcal{L}^{2}(\mathbb {R}) такая, что fLp(R)f \notin \mathcal{L}^{p}(\mathbb {R}) для всех p(0,]\{2}p \in (0, \infty ] \backslash \left\{ 2\right\}.

?
Задача 7A.16

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) — пространство с конечной мерой. Докажите, что

limpfp=f \lim _{p \rightarrow \infty }\left\| f\right\| _{p} = \left\| f\right\| _{\infty }

для каждой S\mathcal{S}-измеримой функции f:XFf: X \rightarrow \mathbf{F}.

?
Задача 7A.17

Пусть μ\mu — мера, 0<p0 < p \leq \infty и fLp(μ)f \in \mathcal{L}^{p}(\mu ). Докажите, что для каждого ε>0\varepsilon > 0 существует простая функция gLp(μ)g \in \mathcal{L}^{p}(\mu ) такая, что fgp<ε\left\| f-g\right\|_{p} < \varepsilon.

?
Примечание.
?

Это упражнение обобщает 3.44.

Задача 7A.18

Пусть 0<p<0 < p < \infty и fLp(R)f \in \mathcal{L}^{p}(\mathbb {R}). Докажите, что для каждого ε>0\varepsilon > 0 существует ступенчатая функция gLp(R)g \in \mathcal{L}^{p}(\mathbb {R}) такая, что fgp<ε\left\| f-g\right\|_{p} < \varepsilon.

?
Примечание.
?

Это упражнение обобщает 3.47.

Задача 7A.19

Пусть 0<p<0 < p < \infty и fLp(R)f \in \mathcal{L}^{p}(\mathbb {R}). Докажите, что для каждого ε>0\varepsilon > 0 существует непрерывная функция g:RFg: \mathbb {R} \rightarrow \mathbf{F} такая, что fgp<ε\left\| f-g\right\|_{p} < \varepsilon и множество {xR:g(x)0}\left\{ x \in \mathbb {R}: g(x) \neq 0\right\} ограничено.

?
Примечание.
?

Это упражнение обобщает 3.48.

Задача 7A.20

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) — пространство с мерой, 1<p<1 < p < \infty и f,gLp(μ)f, g \in \mathcal{L}^{p}(\mu ). Докажите, что неравенство Минковского (7.14) обращается в равенство тогда и только тогда, когда существуют неотрицательные числа aa и bb, не равные одновременно нулю, такие, что

af(x)=bg(x) a f(x) = b g(x)

для почти всех xXx \in X.

?
Задача 7A.21

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) — пространство с мерой и f,gL1(μ)f, g \in \mathcal{L}^{1}(\mu ). Докажите, что

f+g1=f1+g1 \left\| f+g\right\| _{1} = \left\| f\right\| _{1}+\left\| g\right\| _{1}

тогда и только тогда, когда f(x)g(x)0f(x) \overline{g(x)} \geq 0 для почти всех xXx \in X.

?
Задача 7A.22

Пусть (X,S,μ)(X, \mathcal{S}, \mu ) и (Y,T,v)(Y, \mathcal{T}, v)σ\sigma-конечные пространства с мерой и 0<p<0 < p < \infty. Докажите, что если fLp(μ×v)f \in \mathcal{L}^{p}(\mu \times v), то

[f]xLp(v) для почти всех xX [f]_{x} \in \mathcal{L}^{p}(v) \text{ для почти всех } x \in X

и

[f]yLp(μ) для почти всех yY [f]^{y} \in \mathcal{L}^{p}(\mu ) \text{ для почти всех } y \in Y

где [f]x[f]_{x} и [f]y[f]^{y} — сечения ff, как определено в 5.7.

?
Задача 7A.23

Пусть 1p<1 \leq p < \infty и fLp(R)f \in \mathcal{L}^{p}(\mathbb {R}).

?
(a)

Для tRt \in \mathbb {R} определим ft:RRf_{t}: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} формулой ft(x)=f(xt)f_{t}(x) = f(x-t). Докажите, что функция tfftpt \mapsto \left\| f-f_{t}\right\|_{p} ограничена и равномерно непрерывна на R\mathbb {R}.

(b)

Для t>0t > 0 определим ft:RRf_{t}: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} формулой ft(x)=f(tx)f_{t}(x) = f(t x). Докажите, что

limt1fftp=0 \lim _{t \rightarrow 1}\left\| f-f_{t}\right\| _{p} = 0
Задача 7A.24

Пусть 1p<1 \leq p < \infty и fLp(R)f \in \mathcal{L}^{p}(\mathbb {R}). Докажите, что

limt012tbtb+tff(b)p=0 \lim _{t \downarrow 0} \frac{1}{2 t} \int _{b-t}^{b+t}\left|f-f(b)\right|^{p} = 0

для почти всех bRb \in \mathbb {R}.

?