Известия Российской академии наук. Серия математическая
RUS  ENG    ЖУРНАЛЫ   ПЕРСОНАЛИИ   ОРГАНИЗАЦИИ   КОНФЕРЕНЦИИ   СЕМИНАРЫ   ВИДЕОТЕКА   ПАКЕТ AMSBIB  
Общая информация
Последний выпуск
Скоро в журнале
Архив
Импакт-фактор
Правила для авторов
Загрузить рукопись

Поиск публикаций
Поиск ссылок

RSS
Последний выпуск
Текущие выпуски
Архивные выпуски
Что такое RSS



Изв. РАН. Сер. матем.:
Год:
Том:
Выпуск:
Страница:
Найти






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


Известия Российской академии наук. Серия математическая, 2021, том 85, выпуск 2, страницы 60–72
DOI: https://doi.org/10.4213/im8985
(Mi im8985)
 

Эта публикация цитируется в 4 научных статьях (всего в 4 статьях)

Общие коэффициенты Фурье и сходимость почти всюду

Л. Д. Гоголадзе, Г. Цагареишвили

Тбилисский государственный университет им. Ив. Джавахишвили
Список литературы:
Аннотация: В работе найдены неулучшаемые в определенном смысле достаточные условия, которым должны удовлетворять функции ортонормированной системы $(\varphi_n)$ для того, чтобы коэффициенты Фурье функций ограниченной вариации удовлетворяли условиям теоремы Меньшова–Радемахера. Также доказана теорема о том, что каждая система $(\varphi_n)$ содержит подсистему $(\varphi_{n_k})$, относительно которой коэффициенты Фурье функции ограниченной вариации удовлетворяют условиям теоремы Меньшова–Радемахера. Полученные результаты дополняют и обобщают соответствующие результаты из работы [1].
Библиография: 10 наименований.
Ключевые слова: ортонормированная система, коэффициенты Фурье, функции ограниченной вариации, банахово пространство.
Поступило в редакцию: 05.11.2019
Исправленный вариант: 25.04.2020
Англоязычная версия:
Izvestiya: Mathematics, 2021, Volume 85, Issue 2, Pages 228–240
DOI: https://doi.org/10.1070/IM8985
Реферативные базы данных:
Тип публикации: Статья
УДК: 517.521
MSC: 42A16

§ 1. Некоторые обозначения, вспомогательные леммы и теоремы

Через $V$ обозначим множество всех функций ограниченной вариации на $[0,1]$. $V(f)$ означает полную вариацию функции $f\in V$ на $[0,1]$.

Пусть $\mathcal{A}$ – банахово пространство всех абсолютно непрерывных функций на $[0,1]$. Как известно, норма в пространстве $\mathcal{A}$ определяется следующим образом:

$$ \begin{equation*} \|f\|_{\mathcal{A}}=\|f\|_C+\int_0^1 |f' (x)|\, dx. \end{equation*} \notag $$

Введем следующие обозначения. Пусть $(\varphi_n)$ – ОНС на $[0,1]$ и

$$ \begin{equation*} C_n (f)=\int_0^1 f(x) \varphi_n (x)\, dx \end{equation*} \notag $$
– коэффициенты Фурье функции $f\in L_2$.

Положим

$$ \begin{equation} P_n (a,x)=\sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1)\varphi_k (x), \end{equation} \tag{1.1} $$
где $a=(a_n )\in \ell_2$ – любая последовательность действительных чисел, а
$$ \begin{equation} D_n (a)=\max_{1\leqslant i\leqslant n} \biggl|\int_0^{i/n} P_n (a,x)\, dx\biggr|. \end{equation} \tag{1.2} $$

Лемма 1. Для любого $i=1,\dots,n$ и для любой последовательности чисел $(a_n )\in \ell_2$ справедлива оценка1

$$ \begin{equation*} \int_{(i-1)/n}^{i/n} |P_n (a,x)|\, dx\leqslant A_a, \end{equation*} \notag $$
где $A_a$ – некоторая положительная константа, зависящая лишь от $a=(a_n)\in \ell_2$.

Доказательство. Используя неравенство Гёльдера, получаем для всех $i=1,\dots,n$ оценки
$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, &\int_{(i-1)/n}^{i/n} |P_n (a,x)|\, dx \leqslant \frac{1}{\sqrt{n}} \biggl(\int_0^1 \biggl(\sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1)\varphi_k (x) \biggr)^2 \, dx\biggr)^{1/2} \\ &\qquad=\frac{1}{\sqrt{n}} \biggl(\sum_{k=1}^n a_k^2 \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2}\leqslant \frac{\log_2 (n+1)}{\sqrt{n}} \biggl(\sum_{k=1}^n a_k^2 \biggr)^{1/2}\leqslant A_a. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
Лемма 1 доказана.

Лемма 2. Пусть $(\varphi_n)$ – ОНС на $[0,1]$ и $(a_n )\in \ell_2$, тогда справедливо неравенство

$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, &\biggl|\int_0^1 \sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1)\varphi_k (x) \, dx\biggr| \\ &\qquad\leqslant \biggl(\sum_{k=1}^n a_k^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=1}^n \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2}. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$

Доказательство. Применяя неравенство Коши, получим
$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, &\biggl|\int_0^1 \sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1) \varphi_k (x) \, dx\biggr| =\biggl|\sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1) \int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr| \\ &\qquad\leqslant \biggl(\sum_{k=1}^n a_k^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=1}^n \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2}. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
Лемма 2 доказана.

Теорема Банаха (см. [2; с. 106] и [3]). Пусть $f\,{\in}\, L_2$ $(f\,{\nsim}\, 0)$ – любая функция. Тогда существует ОНС $(\varphi_n)$, определенная на $[0, 1]$, такая, что

$$ \begin{equation*} \varlimsup_{n\to \infty} \biggl|\sum_{k=1}^n C_k (f)\varphi_k (x) \biggr|=+\infty \end{equation*} \notag $$
п.в. на $[0, 1]$.

Теорема Меньшова–Радемахера (см. [2; с. 87]). Если $(\varphi_n )$ – ОНС на $[0, 1]$ и

$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty a_n^2 \log_2^2 (n+1) <+\infty, \end{equation*} \notag $$
тогда почти всюду на $[0, 1]$ сходится ряд
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty a_n \varphi_n (x). \end{equation*} \notag $$

Справедливы следующие теоремы (см. [1]).

Теорема A. Пусть $(\varphi_n)$ – ОНС на $[0, 1]$ и $\int_0^1 \varphi_n (x)\, dx=0$ $(n=1,2,\dots)$. Если для любой последовательности $(a_n )\in \ell_2$ выполняется соотношение

$$ \begin{equation*} B_n (a)\leqslant A e_n (a), \end{equation*} \notag $$
где
$$ \begin{equation*} \begin{gathered} \, B_n (a)=\max_{1\leqslant i\leqslant n} \biggl|\int_0^{i/n} M_n (a,x)\, dx\biggr|, \qquad M_n (a,x)=\sum_{k=1}^n a_k \log_2^2 (k+1) \varphi_k (x), \\ e_n (a)=\biggl(\sum_{k=1}^n a_k^2 \log_2 ^2 (k+1) \biggr)^{1/2}, \end{gathered} \end{equation*} \notag $$
то коэффициенты Фурье каждой функции ограниченной вариации будут удовлетворять условию
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty C_n^2(f) \log_2^2 (n+1) <+\infty. \end{equation*} \notag $$

Теорема B. Пусть $(\varphi_n)$ – ОНС на $[0, 1]$ и $\int_0^1 \varphi_n (x)\, dx=0$ $(n=1,2,\dots)$. Если для некоторой последовательности $(b_n)\in \ell_2$ выполняется условие

$$ \begin{equation*} \varlimsup_{n\to \infty} \frac{B_n (b)}{e_n (b)} =+\infty, \end{equation*} \notag $$
то существует функция $g\in \mathcal{A}$ такая, что
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty C_n^2 (g) \log_2^2 (n+1) =+\infty. \end{equation*} \notag $$

Теорема C (см. [4; гл. 2, с. 40]). Последовательность чисел $(a_n)$ принадлежит к $\ell_p$ для $p>1$ тогда и только тогда, когда для любой последовательности $(b_n)\in \ell_q$, где $1/p+1/q=1$ сходится ряд

$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty a_n b_n . \end{equation*} \notag $$

Заметим, что подобные результаты рассмотрены в работах [5]–[8].

§ 2. Основные результаты

Теорема 1. Пусть $(\varphi_n)$ – ОНС на $[0, 1]$ и

$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1)<+\infty. \end{equation*} \notag $$
Если для любой последовательности $(a_n )\in \ell_2$ выполняется соотношение
$$ \begin{equation} D_n (a)\leqslant A_a, \end{equation} \tag{2.1} $$
то коэффициенты Фурье каждой функции $f$ ограниченной вариации удовлетворяют условию
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty C_n^2(f) \log_2^2 (n+1) <+\infty. \end{equation*} \notag $$

Доказательство. Пусть $(a_n)\in \ell_2$ – любая последователность, тогда, см. (1.1), справедливы равенства
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \sum_{k=1}^n a_k C_k (f)\log_2 (k+1)& =\int_0^1 f(x)\biggl(\sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1) \varphi_k (x)\biggr) \, dx \notag \\ & =\int_0^1 f(x) P_n (a,x)\, dx. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.2} $$
Справедливо равенство (см. [5])
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, &\int_0^1 f(x)F(x)\, dx =\sum_{i=1}^{n-1} \biggl(f\biggl(\frac{i}{n}\biggr)-f\biggl(\frac{i+1}{n}\biggr)\biggr)\int_0^{i/n} F(x)\, dx \nonumber \\ &\qquad+\sum_{i=1}^n \int_{(i-1)/n}^{i/n} \biggl(f(x)-f\biggl(\frac{i}{n}\biggr)\biggr)F(x)\, dx+f(1) \int_0^1 F(x)\, dx, \end{aligned} \end{equation} \tag{2.3} $$
где $f,F\in L_2$ и функция $f$ принимает лишь конечные значения на $[0,1]$.

В равенстве (2.3) положим $f\in V$ и $F(x)=P_n (a,x)$. Будем иметь

$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, &\int_0^1 f(x) P_n (a,x)\, dx=\sum_{i=1}^{n-1} \biggl(f\biggl(\frac{i}{n}\biggr)-f\biggl(\frac{i+1}{n}\biggr)\biggr)\int_0^{i/n} P_n (a,x)\, dx \nonumber \\ &\qquad\qquad+\sum_{i=1}^n \int_{(i-1)/n}^{i/n} \biggl(f(x)-f\biggl(\frac{i}{n}\biggr)\biggr) P_n (a,x)\, dx+f(1) \int_0^1 P_n (a,x)\, dx \nonumber \\ &\qquad= I_1+I_2+I_3. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.4} $$
Оценим $I_1$, $I_2$ и $I_3$.

Поскольку $f\in V$, согласно (2.1) (см. (1.2)) получаем

$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, |I_1 | & \leqslant \sum_{i=1}^{n-1} \biggl|f\biggl(\frac{i}{n}\biggr)-f\biggl(\frac{i+1}{n}\biggr)\biggr|\,\biggl|\int_0^{i/n} P_n (a,x)\, dx\biggr| \nonumber \\ &\leqslant V(f) \max_{1\leqslant i\leqslant n} \biggl|\int_0^{i/n} P_n (a,x)\, dx\biggr| \leqslant A_f D_n (a)\leqslant A_{a,f}. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.5} $$
Используя лемму 1, имеем
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, |I_2 | & \leqslant \biggl|\sum_{i=1}^n \int_{(i-1)/n}^{i/n} \biggl(f(x)-f\biggl(\frac{i}{n}\biggr)\biggr)P_n (a,x)\, dx\biggr| \nonumber \\ & \leqslant \sum_{i=1}^n \sup_{x\in [(i-1)/n,i/n]} \biggl|f(x)-f\biggl(\frac{i}{n}\biggr)\biggr| \int_{(i-1)/n}^{i/n} |P_n (a,x)|\, dx \leqslant A_{a,f}. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.6} $$
Принимая во внимание условия леммы 2 и теоремы 1,
$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, |I_3 | & =|f(1)|\biggl|\int_0^1 P_n (a,x)\, dx\biggr| \\ & \leqslant A_f \biggl(\sum_{k=1}^n a_k^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=1}^n \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2}\leqslant A_{a,f}. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
Учитывая в равенстве (2.4) оценки (2.5) и (2.6), а также последнюю оценку, заключаем
$$ \begin{equation*} \biggl|\int_0^1 f(x) P_n (a,x)\, dx\biggr|\leqslant A_f. \end{equation*} \notag $$
Отсюда и из (2.2) находим
$$ \begin{equation*} \biggl|\sum_{k=1}^n a_k C_k (f)\log_2 (k+1) \biggr|\leqslant A_{a,f}. \end{equation*} \notag $$
Таким образом, для любой последовательности $(a_n )\in \ell_2$ сходится ряд
$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty a_kC_k (f)\log_2 (k+1) . \end{equation*} \notag $$
Стало быть, согласно теореме C получаем, что $(C_k (f) \log_2 (k+1))\in \ell_2$, т. е. для любой функции $f\in V$
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty C_n^2(f) \log_2^2 (n+1) <+\infty. \end{equation*} \notag $$
Теорема 1 доказана.

Теорема 2. Пусть $(\varphi_n )$ – ОНС на $[0, 1]$ и

$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1)<+\infty. \end{equation*} \notag $$
Если для любой последовательности $(a_n )\in \ell_2$ выполняется соотношение
$$ \begin{equation*} D_n (a)\leqslant A_{a}, \end{equation*} \notag $$
то ряд Фурье
$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty C_k (f) \varphi_k (x) \end{equation*} \notag $$
каждой функции $f$ ограниченной вариацией сходится п.в. на $[0, 1]$.

Справедливость теоремы 2 вытекает из теоремы 1 и теоремы Меньшова–Радемахера.

Теорема 3. Пусть $(\varphi_n)$ – ОНС на $[0,1]$. Если для некоторой последовательности $(b_n )\in \ell_2$ выполняется соотношение

$$ \begin{equation*} \varlimsup_{n\to \infty} D_n (b)=+\infty, \end{equation*} \notag $$
то существует функция $h\in \mathcal{A}$ такая, что
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty C_n^2 (h) \log_2^2 (n+1) =+\infty. \end{equation*} \notag $$

Доказательство. Пусть
$$ \begin{equation} D_n (b)=\max_{1\leqslant i\leqslant n} \biggl|\int_0^{i/n} P_n (b,x)\, dx\biggr|=\biggl|\int_0^{i_n/n} P_n (b,x)\, dx\biggr|, \end{equation} \tag{2.7} $$
где $1\leqslant i_n<n$.

Рассмотрим последовательность функций

$$ \begin{equation} f_n (x)= \begin{cases} 0 & \text{при } x\in \biggl[0,\dfrac{i_n}{n}\biggr], \\ 1 & \text{при } x\in \biggl[\dfrac{i_n+1}{n},1\biggr], \\ \text{линейная и непрерывная} & \text{при } x\in \biggl[\dfrac{i_n}{n},\dfrac{i_n+1}{n}\biggr]. \end{cases} \end{equation} \tag{2.8} $$
В равенстве (2.3) положим, что $f(x)=f_n (x)$ и $F(x)=P_n (b,x)$. Будем иметь
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, &\int_0^1 f_n (x) P_n (b,x)\, dx=\sum_{i=1}^{n-1} \biggl(f_n \biggl(\frac{i}{n}\biggr)-f_n \biggl(\frac{i+1}{n}\biggr)\biggr) \int_0^{i/n} P_n (b,x)\, dx \nonumber \\ &\qquad\qquad+\sum_{i=1}^n \int_{(i-1)/n}^{i/n} \biggl(f_n (x)-f_n \biggl(\frac{i}{n}\biggr)\biggr) P_n (b,x)\, dx+f_n (1) \int_0^1 P_n (b,x)\, dx \nonumber \\ &\qquad= J_1+J_2+J_3. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.9} $$
Используя (2.7) и (2.8), получаем
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, |J_1 | & =\biggl|\sum_{i=1}^{n-1} \biggl(f_n \biggl(\frac{i}{n}\biggr)-f_n \biggl(\frac{i+1}{n}\biggr)\biggr)\int_0^{i/n} P_n (b,x)\, dx \biggr| \notag \\ & =\biggl|\int_0^{i_n/n} P_n (b,x)\, dx \biggr|=D_n (b). \end{aligned} \end{equation} \tag{2.10} $$
С другой стороны, согласно (2.8) и лемме 1 имеем
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, |J_2 | & =\biggl|\sum_{i=1}^n \int_{(i-1)/n}^{i/n} \biggl(f_n (x)-f_n \biggl(\frac{i}{n}\biggr)\biggr) P_n (b,x)\, dx\biggr| \notag \\ & \leqslant \int_{i_n/n}^{(i_n+1)/n} |P_n (b,x)|\, dx\leqslant A_{b}. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.11} $$
Затем, принимая во внимание лемму 2, получаем следующую оценку:
$$ \begin{equation*} |J_3 |=|f_n (1)|\,\biggl|\int_0^1 P_n (b,x)\, dx\biggr|\leqslant \biggl(\sum_{k=1}^n b_k^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=1}^n \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2}. \end{equation*} \notag $$
Теперь если
$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1) =+\infty, \end{equation*} \notag $$
то теорема 3 доказана, так как $\int_0^1 \varphi_n (x)\, dx$ есть коэффициенты Фурье функции, тождественно равной $1$.

В случае, если

$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty \biggl(\int_0^1 \varphi_k (x)\, dx\biggr)^2 \log_2^2 (k+1) <+\infty, \end{equation*} \notag $$
то, так как $(b_n )\in \ell_2$, получим
$$ \begin{equation*} |J_3 | \leqslant A. \end{equation*} \notag $$
Принимая во внимание (2.10), (2.11) и оценку $J_3$ в равенстве (2.9), заключаем, что
$$ \begin{equation*} \biggl|\int_0^1 f_n (x) P_n (b,x)\, dx\biggr| \geqslant D_n (b)-A. \end{equation*} \notag $$
Отсюда в силу условия теоремы 3 получаем
$$ \begin{equation} \varlimsup_{n\to \infty} \biggl|\int_0^1 f_n (x) P_n (b,x)\, dx\biggr|=\lim_{n\to \infty} D_n (b)=+\infty. \end{equation} \tag{2.12} $$
Рассмотрим определенную на пространстве $\mathcal{A}$ последовательность линейных и ограниченных функционалов
$$ \begin{equation*} U_n (f)=\int_0^1 f(x) P_n (b,x)\, dx. \end{equation*} \notag $$
Согласно (2.12) будем иметь
$$ \begin{equation} \varlimsup_{n\to \infty} |U_n (f_n )|=+\infty. \end{equation} \tag{2.13} $$
Поскольку (см. (2.8))
$$ \begin{equation*} \|f_n \|_{\mathcal{A}}=\|f_n \|_C+\int_0^1 |f_n' (x)|\, dx=2, \end{equation*} \notag $$
то в силу теоремы Банаха–Штейнгауза, см. (2.13), существует функция $h\in \mathcal{A}$ такая, что
$$ \begin{equation*} \varlimsup_{n\to \infty} |U_n (h)|=+\infty. \end{equation*} \notag $$
Отсюда
$$ \begin{equation} \varlimsup_{n\to \infty} \biggl|\int_0^1 h(x) P_n (b,x)\, dx\biggr|=+\infty. \end{equation} \tag{2.14} $$
Наконец, так как $(b_n)\in \ell_2$, то, используя неравенство Коши, получаем
$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, &\biggl|\int_0^1 h(x) P_n (b,x)\, dx\biggr| =\biggl|\sum_{k=1}^n b_k \log_2 (k+1) \int_0^1 h(x) \varphi_k (x)\, dx\biggr| \\ &\qquad =\biggl|\sum_{k=1}^n b_k \log_2 (k+1)C_k (h)\biggr| \leqslant \biggl(\sum_{k=1}^n b_k^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=1}^n C_k^2 (h)\log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2} \\ &\qquad \leqslant A \biggl(\sum_{k=1}^n C_k^2 (h)\log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2}. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
Отсюда согласно (2.14) заключаем
$$ \begin{equation*} \lim_{n\to \infty} \sum_{k=1}^n C_k^2 (h)\log_2^2 (k+1) =\varlimsup_{n\to \infty} \biggl|\int_0^1 h(x) P_n (b,x)\, dx\biggr|=+\infty. \end{equation*} \notag $$
Теорема 3 доказана.

Определение 1. Через $B$ обозначим множество всех неубывающих последовательностей положительных чисел $(d_n)\in B$, которые удовлетворяют условию

$$ \begin{equation*} d_n\leqslant A\frac{\sqrt{n}}{\log_2 (n+1)} . \end{equation*} \notag $$

Теорема 4. Каждая ОНС $(\varphi_n )$, где $\int_0^1 \varphi_n (x)\, dx=0$, $n=1,2,\dots$, содержит подсистему $(\varphi_{n_k})$ такую, что для любой последовательности $(d_n)\in B$ и для произвольной функции $f\in V$ справедлива оценка

$$ \begin{equation} \sum_{k=1}^\infty d_k^2 C_{n_k}^2 (f)\log_2^2 (k+1) <+\infty. \end{equation} \tag{2.15} $$

Доказательство. Пусть $\chi(u)$ – характеристическая функция сегмента $[0,x]$. Тогда
$$ \begin{equation*} \int_0^x \varphi_n (u)\, du=\int_0^1 \chi(u) \varphi_n (u)\, du=C_n (\chi). \end{equation*} \notag $$
Если $(\varphi_n )$ полная в $L_2$ система, то в силу равенства Парсеваля для любого $x\in [0,1]$ находим
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty \biggl(\int_0^x \varphi_n (u)\, du\biggr)^2=\sum_{n=1}^\infty \biggl(\int_0^1 \chi(u) \varphi_n (u)\, du\biggr)^2 =\sum_{n=1}^\infty C_n^2 (\chi)=\int_0^1 \chi^2 (u)\, du=x. \end{equation*} \notag $$
Отсюда согласно теореме Дини существует возрастающая последовательность натуральных чисел $(n_k )$ такая, что равномерно относительно $x\in [0,1]$
$$ \begin{equation*} \sum_{n=n_k}^\infty \biggl(\int_0^x \varphi_n (u)\, du\biggr)^2 <k^{-3}. \end{equation*} \notag $$
Отсюда, равномерно относительно $x\in [0,1]$,
$$ \begin{equation} \biggl|\int_0^x \varphi_{n_k} (u)\, du\biggr|<k^{-3/2}. \end{equation} \tag{2.16} $$
Если $(\varphi_n)$ не является полной, то, рассмотрев систему $(g_n)$, являющуюся пополнением $(\varphi_n)$, и повторяя вышеприведенное рассуждение, получим
$$ \begin{equation*} \biggl|\int_0^x g_{n_k} (u)\, du\biggr|<k^{-3/2}. \end{equation*} \notag $$
Отсюда следует справедливость оценки (2.16).

Рассмотрим ОНС $(\varphi_{n_k})$ и положим, что $f\in V$ – любая функция, тогда

$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \sum_{k=1}^m a_kd_k C_{n_k} (f)\log_2 (k+1) & =\int_0^1 f(x)\biggl( \sum_{k=1}^m d_k a_k \log_2 (k+1) \varphi_{n_k} (x)\biggr) \, dx \notag \\ & =\int_0^1 f(x) Q_m (d,a,x)\, dx, \end{aligned} \end{equation} \tag{2.17} $$
где $(d_k )\in B$ и $(a_n )\in \ell_2$ – произвольные последовательности и
$$ \begin{equation*} Q_m (d,a,x)=\sum_{k=1}^m d_k a_k \log_2 (k+1)\varphi_{n_k} (x). \end{equation*} \notag $$

Полагая в равенстве (2.3), что $f\in V$, $F(x)=Q_m (d,a,x)$ и $n=m$, получим

$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, &\int_0^1 f(x) Q_m (d,a,x) =\sum_{i=1}^{m-1} \biggl(f\biggl(\frac{i}{m}\biggr)-f\biggl(\frac{i+1}{m}\biggr)\biggr) \int_0^{i/m} Q_m (d,a,x)\, dx \nonumber \\ &\qquad+\sum_{i=1}^m \int_{(i-1)/m}^{i/m} \biggl(f(x)-f\biggl(\frac{i}{m}\biggr)\biggr) Q_m (d,a,x)\, dx=S_1+S_2. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.18} $$
Поскольку $f\in V$ и $(d_n)\in B$, то, учитывая (2.16), применяя неравенство Коши, имеем
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, |S_1 | & =\biggl|\sum_{i=1}^{m-1} \biggl(f\biggl(\frac{i}{m}\biggr)-f\biggl(\frac{i+1}{m}\biggr)\biggr) \int_0^{i/m} Q_m (d,a,x)\, dx\biggr| \notag \\ & \leqslant V(f) \max_{1\leqslant i\leqslant m} \biggl|\int_0^{i/m} \biggl(\sum_{k=1}^m d_k a_k \log_2 (k+1)\varphi_{n_k} (x)\biggr) \, dx\biggr| \notag \\ & \leqslant A_{f} \max_{1\leqslant i\leqslant m} \biggl|\sum_{k=1}^m d_k a_k \log_2 (k+1) \int_0^{i/m} \varphi_{n_k} (x)\, dx\biggr| \notag \\ & \leqslant A_{f} \sum_{k=1}^m d_k |a_k | k^{-3/2} \log_2 (k+1) \leqslant A_{f} \biggl(\sum_{k=1}^m a_k^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=1}^m d_k^2 k^{-3} \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2} \notag \\ & \leqslant A_{f} \biggl(\sum_{k=1}^m \frac{k}{\log_2^2 (k+1)} k^{-3} \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2}\leqslant A_{f} \biggl(\sum_{k=1}^m k^{-2} \biggr)^{1/2}\leqslant A_{f}. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.19} $$
Затем, так как $(d_n)\in B$ и $f\in V$, в силу неравенства Гёльдера справедливы соотношения
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, |S_2 | & =\biggl|\sum_{i=1}^m \int_{(i-1)/m}^{i/m} \biggl(f(x)-f\biggl(\frac{i}{m}\biggr)\biggr) Q_m (d,a,x)\, dx\biggr| \notag \\ & \leqslant \sum_{i=1}^m \sup_{x\in [(i-1)/m,i/m]} \biggl|f(x)-f\biggl(\frac{i}{m}\biggr)\biggr| \int_{(i-1)/m}^{i/m} |Q_m (d,a,x)|\, dx \notag \\ & \leqslant V(f) \max_{1\leqslant i\leqslant m} \int_{(i-1)/m}^{i/m} |P_m (d,a,x)|\, dx \notag \\ & \leqslant \frac{A_{a,f}}{\sqrt{m}} \biggl(\int_0^1 \biggl(\sum_{k=1}^m d_k a_k \log_2 (k+1) \varphi_{n_k} (x) \biggr)^2 \, dx\biggr)^{1/2} \notag \\ & \leqslant \frac{A_{a,f}}{\sqrt{m}} \biggl(\sum_{k=1}^m d_k^2 a_k^2 \log_2^2 (k+1) \biggr)^{1/2} \leqslant A_{a,f} \frac{d_m \log_2 (m+1)}{\sqrt{m}} \biggl(\sum_{k=1}^m a_k^2 \biggr)^{1/2}\leqslant A_{a,f}. \end{aligned} \end{equation} \tag{2.20} $$
Если (2.19) и (2.20) учтем в (2.18), убедимся, что для любой последовательности $(a_n )\in \ell_2$ справедлива оценка
$$ \begin{equation*} \int_0^1 f(x) Q_m (d,a,x)\, dx \leqslant A_{a,d}. \end{equation*} \notag $$
На основании последнего условия из (2.17) заключаем, что для любой последовательности $(a_n )\in \ell_2$ сходится ряд
$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty a_k d_k C_{n_k} (f)\log_2 (k+1) . \end{equation*} \notag $$
Стало быть, для каждой функции $f\in V$ (см. теорему C)
$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty d_k^2 C_{n_k}^2 (f)\log_2^2 (k+1) <+\infty. \end{equation*} \notag $$
Теорема 4 доказана.

Этот результат, когда $d_n=1$ $(n=1,2,\dots)$, был получен в работе [1].

Теорема 5. Пусть $(d_n)\in B$ – произвольная последовательность чисел, $(\varphi_n)$ – любая ОНС на $[0,1]$ и

$$ \begin{equation*} \int_0^1 \varphi_n (x)\, dx=0,\qquad n=1,2,\dots\,. \end{equation*} \notag $$
Тогда она содержит подсистему $(\varphi_{n_k})$ такую, что для любой функции $f\in V$ почти всюду на $[0,1]$ сходится ряд
$$ \begin{equation*} \sum_{k=1}^\infty d_k C_{n_k} (f)\varphi_{n_k} (x). \end{equation*} \notag $$

Справедливость теоремы 5 вытекает из теоремы 4 и теоремы Меньшова–Радемахера.

§ 3. Эффективность условия (2.1)

Теорема 6. Если ОНС $(\varphi_n)$ такая, что равномерно относительно $x\in [0,1]$ соблюдается условие

$$ \begin{equation} \int_0^x \varphi_n (t)\,dt\leqslant \frac{A}{n}, \end{equation} \tag{3.1} $$
то для такой системы выполняется (2.1).

Доказательство. В самом деле, пусть $(a_n )\in \ell_2$ – любая последовательность чисел. Учитывая (3.1) и используя неравенство Коши, будем иметь
$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, M_n (a) & =\max_{1\leqslant i\leqslant n} \biggl|\int_0^{i/n} P_n (a,x)\, dx\biggr|=\max_{1\leqslant i\leqslant n} \biggl|\sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1) \int_0^{i/n} \varphi_k (x)\, dx\biggr| \\ & \leqslant A_{a} \sum_{k=1}^n |a_k | \frac{\log_2 (k+1)}{k}\leqslant A_{a} \biggl(\sum_{k=1}^n a_k^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=1}^n \frac{\log_2^2 (k+1)}{k^2} \biggr)^{1/2}\leqslant A_{a}. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
Теорема 6 доказана.

Замечание 1. Из теоремы 6 следует, что так как система

$$ \begin{equation*} (\sqrt{2} \cos n2 \pi x, \sqrt{2} \sin n 2 \pi x) \end{equation*} \notag $$
и система Уолша (см. [9]) удовлетворяют условию (3.1), то для них соблюдается условие (2.1).

Теорема 7. Система Хаара $(X_n)$ (см. [10]) удовлетворяет условию (2.1).

Доказательство. Из определения системы Хаара (см. [10]) следует, что если $m=2^k+l$ $(1\leqslant l\leqslant 2^k )$, то для любого $x\in [0,1]$
$$ \begin{equation*} \biggl|\int_0^x X_m (t)\,dt\biggr|\leqslant \begin{cases} 2^{-k/2} & \text{при } x\in \biggl[\dfrac{l-1}{2^k}, \dfrac{l}{2^k}\biggr], \\ 0 & \text{при } x\notin \biggl[\dfrac{l-1}{2^k}, \dfrac{l}{2^k}\biggr]. \end{cases} \end{equation*} \notag $$
Отсюда, если $(a_m )$ – некоторая последовательность чисел, то справедливо неравенство
$$ \begin{equation*} \biggl|\int_0^x \sum_{m=2^k}^{2^{k+1}-1} a_m X_m (t)\,dt\biggr|\leqslant 2^{-k/2} |a_{m(k)} |, \end{equation*} \notag $$
где $x\in [0,1]$ и $2^k\leqslant m(k)< 2^{k+1}$.

Теперь положим $n=2^s-1$ и $(a_n )\in \ell_2$ – любая последовательность. Если используем предыдущее неравенство и неравенство Коши, получим ($i\,{=}\,1,\dots,n$)

$$ \begin{equation*} \begin{aligned} \, &\biggl|\int_0^{i/n} \biggl(\sum_{k=1}^n a_k \log_2 (k+1)X_k (t)\biggr)\,dt\biggr| =\biggl|\int_0^{i/n}\biggl( \sum_{m=1}^{2^s-1} a_m \log_2 (m+1)X_m (t)\biggr) \,dt\biggr| \\ &\qquad=\biggl|\int_0^{i/n}\biggl( \sum_{k=0}^{s-1} \sum_{m=2^k}^{2^{k+1}-1} a_m \log_2 (m+1) X_m (t)\biggr) \,dt\biggr| \\ &\qquad\leqslant \sum_{k=0}^{s-1} \biggl|\int_0^{i/n} \biggl( \sum_{m=2^k}^{2^{k+1}-1} a_m \log_2 (m+1)X_m (t)\biggr) \,dt\biggr| \\ &\qquad\leqslant \sum_{k=0}^{s-1} 2^{-k/2} |a_{m(k)} | \log_2 (m(k)+1) \leqslant A \sum_{k=0}^{s-1} \biggl(\sum_{m=2^k}^{2^{k+1}-1} a_m^2 \biggr)^{1/2} \cdot k\cdot 2^{-k/2} \\ &\qquad\leqslant A \biggl(\sum_{k=0}^{s-1} \sum_{m=2^k}^{2^{k+1}-1} a_m^2 \biggr)^{1/2} \biggl(\sum_{k=0}^{s-1} k\cdot 2^{-k/2} \biggr)^{1/2}\leqslant A_a. \end{aligned} \end{equation*} \notag $$
Аналогичное неравенство будет иметь место и тогда, когда $n\,{=}\,2^s\,{+}\,p$ ($1\,{\leqslant}\, p\,{\leqslant}\, 2^s$). Теорема 7 доказана.

Замечание 2. Заметим, что теоремы 1 и 3 справедливы и в том случае, когда $\int_0^1 \varphi_n (x)\, dx=0$ ($n=1,2,\dots$).

Теорема 8. Пусть $(\varphi_n)$ – ОНС на $[0, 1]$ и $\int_0^1 \varphi_n (x)\, dx=0$ $(n=1,2,\dots)$. Тогда для любой последовательности $(a_n)\in \ell_2$ следующие два условия эквивалентны:

a) $B_n (a)\leqslant A e_n (a)$ (см. теорему A);

b) $D_n (a)\leqslant A_{a}$ (см. (2.1)).

Доказательство. Пусть выполняется а). Тогда согласно теореме A, для любой функции $f\in V$ справедливо
$$ \begin{equation} \sum_{n=1}^\infty C_n^2 (f) \log_2^2(n+1) <+\infty. \end{equation} \tag{3.2} $$
Допустим противное и положим, что не выполняется условие b), тогда в силу теоремы 3 существует функция $h\in \mathcal{A}$ такая, что
$$ \begin{equation*} \sum_{n=1}^\infty C_n^2(h) \log_2^2 (n+1) =+\infty. \end{equation*} \notag $$
Это противоречит (3.2).

Аналогично доказывается, что если выполняется b), то выполняется и a). Теорема 8 доказана.

Список литературы

1. Л. Гоголадзе, В. Цагарейшвили, “Некоторые классы функций и коэффициенты Фурье относительно общих ортонормированных систем”, Ортогональные ряды, теория приближений и смежные вопросы, Сборник статей. К 60-летию со дня рождения академика Бориса Сергеевича Кашина, Тр. МИАН, 280, МАИК «Наука/Интерпериодика», М., 2013, 162–174  mathnet  mathscinet  zmath; англ. пер.: L. Gogoladze, V. Tsagareishvili, “Some classes of functions and Fourier coefficients with respect to general orthonormal systems”, Proc. Steklov Inst. Math., 280 (2013), 156–168  crossref
2. Г. Алексич, Проблемы сходимости ортогональных рядов, ИЛ, М., 1963, 359 с.  mathscinet  zmath; пер. с англ.: G. Alexits, Convergence problems of orthogonal series, Internat. Ser. Monogr. Pure Appl. Math., 20, Pergamon Press, New York–Oxford–Paris, 1961, ix+350 с.  mathscinet  zmath
3. S. Banach, “Sur la divergence des séries orthogonales”, Studia Math., 9 (1940), 135–155  crossref  mathscinet  zmath
4. Г. Харди, Дж. И. Литтлвуд, Г. Полиа, Неравенства, ИЛ, М., 1948, 456 с.  mathscinet; пер. с англ.: G. H. Hardy, J. E. Littlewood, G. Pólya, Inequalities, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1934, xii+314 с.  mathscinet  zmath
5. Л. Гоголадзе, В. Цагарейшвили, “Коэффициенты Фурье непрерывных функций”, Матем. заметки, 91:5 (2012), 691–703  mathnet  crossref  mathscinet  zmath; англ. пер.: L. Gogoladze, V. Tsagareishvili, “Fourier coefficients of continuous functions”, Math. Notes, 91:5 (2012), 645–656  crossref
6. L. Gogoladze, V. Tsagareishvili, “Convergence of the Fourier series of functions Lip1 with respect to general orthonormal systems”, Ukrainian Math. J., 69:4 (2017), 546–560  crossref  mathscinet  zmath
7. L. Gogoladze, V. Tsagareishvili, “Summability of general Fourier series”, Publ. Math. Debrecen, 91:3-4 (2017), 391–402  crossref  mathscinet  zmath
8. Л. Д. Гоголадзе, В. Т. Цагарейшвили, “Безусловная сходимость рядов Фурье функций ограниченной вариации”, Сиб. матем. журн., 59:1 (2018), 86–94  mathnet  crossref  mathscinet  zmath; англ. пер.: L. D. Gogoladze, V. Sh. Tsagareishvili, “Unconditional convergence of Fourier series for functions of bounded variation”, Siberian Math. J., 59:1 (2018), 65–72  crossref
9. N. J. Fine, “On the Walsh functions”, Trans. Amer. Math. Soc., 65 (1949), 372–414  crossref  mathscinet  zmath
10. П. Л. Ульянов, “О рядах по системе Хаара”, Матем. сб., 63(105):3 (1964), 356–391  mathnet  mathscinet  zmath

Образец цитирования: Л. Д. Гоголадзе, Г. Цагареишвили, “Общие коэффициенты Фурье и сходимость почти всюду”, Изв. РАН. Сер. матем., 85:2 (2021), 60–72; Izv. Math., 85:2 (2021), 228–240
Цитирование в формате AMSBIB
\RBibitem{GogCag21}
\by Л.~Д.~Гоголадзе, Г.~Цагареишвили
\paper Общие коэффициенты Фурье и сходимость почти всюду
\jour Изв. РАН. Сер. матем.
\yr 2021
\vol 85
\issue 2
\pages 60--72
\mathnet{http://mi.mathnet.ru/im8985}
\crossref{https://doi.org/10.4213/im8985}
\adsnasa{https://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/bib_query?2021IzMat..85..228G}
\transl
\jour Izv. Math.
\yr 2021
\vol 85
\issue 2
\pages 228--240
\crossref{https://doi.org/10.1070/IM8985}
\isi{https://gateway.webofknowledge.com/gateway/Gateway.cgi?GWVersion=2&SrcApp=Publons&SrcAuth=Publons_CEL&DestLinkType=FullRecord&DestApp=WOS_CPL&KeyUT=000701438200001}
\scopus{https://www.scopus.com/record/display.url?origin=inward&eid=2-s2.0-85105099819}
Образцы ссылок на эту страницу:
  • https://www.mathnet.ru/rus/im8985
  • https://doi.org/10.4213/im8985
  • https://www.mathnet.ru/rus/im/v85/i2/p60
  • Эта публикация цитируется в следующих 4 статьяx:
    Citing articles in Google Scholar: Russian citations, English citations
    Related articles in Google Scholar: Russian articles, English articles
    Известия Российской академии наук. Серия математическая Izvestiya: Mathematics
    Статистика просмотров:
    Страница аннотации:318
    PDF русской версии:58
    PDF английской версии:25
    HTML русской версии:99
    Список литературы:46
    Первая страница:15
     
      Обратная связь:
     Пользовательское соглашение  Регистрация посетителей портала  Логотипы © Математический институт им. В. А. Стеклова РАН, 2024