स्थानत: समाकलनीय फलन

गणित में, स्थानीय रूप से एकीकृत वेरिएबल (कभी-कभी इसे स्थानीय रूप से सारांशित वेरिएबल भी कहा जाता है) वेरिएबल (गणित) है जो परिभाषा के अपने डोमेन के प्रत्येक कॉम्पैक्ट उपसमुच्चय पर पूर्णांकीय है (इसलिए इसका अभिन्न अंग परिमित है)। ऐसे फ़ंक्शंस का महत्व इस तथ्य में निहित है कि उनका कार्य स्थान Lp स्पेस के समान हैL^p रिक्त स्थान, किन्तु इसके सदस्यों को अपने डोमेन की सीमा पर अपने व्यवहार पर किसी भी विकास प्रतिबंध को पूरा करने की आवश्यकता नहीं है (यदि डोमेन असीमित है सीमा अनंत पर): दूसरे शब्दों में, स्थानीय रूप से एकीकृत कार्य डोमेन सीमा पर इच्छानुसार से तेजी से बढ़ सकते हैं, किन्तु अभी भी सामान्य एकीकृत कार्यों के समान ही प्रबंधनीय हैं।

परिभाषा

मानक परिभाषा

Definition 1. होने देना Ω यूक्लिडियन अंतरिक्ष में खुला समुच्चय बनें $\mathbb {R} ^{n}$ और f : Ω → $\mathbb {C}$ लेब्सेग माप मापने योग्य वेरिएबल बनें। अगर f पर Ω इस प्रकार कि

$\int _{K}|f|\,\mathrm {d} x<+\infty ,$

अर्थात इसका लेब्सग इंटीग्रल सभी कॉम्पैक्ट समुच्चय पर सीमित है K का Ω, तब f को स्थानीय रूप से एकीकृत कहा जाता है। ऐसे सभी फलनों का समुच्चय (गणित) द्वारा दर्शाया जाता है L_1,loc(Ω):

$L_{1,\mathrm {loc} }(\Omega )={\bigl \{}f\colon \Omega \to \mathbb {C} {\text{ measurable}}:f|_{K}\in L_{1}(K)\ \forall \,K\subset \Omega ,\,K{\text{ compact}}{\bigr \}},$

कहाँ ${\textstyle \left.f\right|_{K}}$ के कार्य के प्रतिबंध को दर्शाता है f समुच्चय पर K.

स्थानीय रूप से एकीकृत वेरिएबल की मौलिक परिभाषा में केवल माप सिद्धांत और टोपोलॉजिकल स्पेस सम्मिलित है अवधारणाओं और टोपोलॉजिकल माप स्थान पर समष्टि संख्या | समष्टि-मूल्यवान कार्यों के लिए अमूर्त पर ले जाया जा सकता है (X, Σ, μ): चूँकि , चूँकि ऐसे फ़ंक्शंस का सबसे आम अनुप्रयोग यूक्लिडियन रिक्त स्थान पर वितरण (गणित) के लिए है, इसमें और निम्नलिखित अनुभागों की सभी परिभाषाएँ स्पष्ट रूप से केवल इस महत्वपूर्ण स्थितियों से संबंधित हैं।

एक वैकल्पिक परिभाषा

Definition 2. होने देना Ω यूक्लिडियन अंतरिक्ष में खुला समुच्चय बनें $\mathbb {R} ^{n}$. फिर वेरिएबल (गणित) f : Ω → $\mathbb {C}$ ऐसा है कि

$\int _{\Omega }|f\varphi |\,\mathrm {d} x<+\infty ,$

प्रत्येक परीक्षण वेरिएबल के लिए φ ∈ C ∞
c (Ω) को स्थानीय रूप से एकीकृत कहा जाता है, और ऐसे कार्यों के समुच्चय को इसके द्वारा दर्शाया जाता है L_1,loc(Ω). यहाँ C ∞
c (Ω) सभी अपरिमित रूप से भिन्न-भिन्न फलनों के समुच्चय को दर्शाता है φ : Ω → $\mathbb {R}$ समर्थन (गणित) कॉम्पैक्ट समर्थन के साथ सम्मिलित है Ω.

इस परिभाषा की जड़ें माप और एकीकरण सिद्धांत के दृष्टिकोण में हैं, जो निकोलस बॉर्बकी स्कूल द्वारा विकसित टोपोलॉजिकल सदिश स्पेस पर सतत रैखिक कार्यात्मक सतत रैखिक कार्यात्मक की अवधारणा पर आधारित है: यह वह भी है जिसे अपनाया गया है स्ट्रिचर्ट्ज़ (2003) और तक Maz'ya & Shaposhnikova (2009, p. 34). यह वितरण सिद्धांत संबंधी परिभाषा मानक परिभाषा के समतुल्य है, जैसा कि निम्नलिखित प्रमेय सिद्ध करता है:

Lemma 1. दिया गया वेरिएबल f : Ω → $\mathbb {C}$ के अनुसार स्थानीय रूप से एकीकृत है परिभाषा 1 यदि और केवल यदि यह स्थानीय रूप से एकीकृत है परिभाषा 2, अर्थात।

$\int _{K}|f|\,\mathrm {d} x<+\infty \quad \forall \,K\subset \Omega ,\,K{\text{ compact}}\quad \Longleftrightarrow \quad \int _{\Omega }|f\varphi |\,\mathrm {d} x<+\infty \quad \forall \,\varphi \in C_{\mathrm {c} }^{\infty }(\Omega ).$

का प्रमाण Lemma 1

यदि भाग: चलो φ ∈ C ∞
c (Ω) परीक्षण वेरिएबल बनें। यह अपने सर्वोच्च मानदंड से चरम मूल्य प्रमेय है ||φ||_∞, मापने योग्य, और इसमें समर्थन (गणित)#कॉम्पैक्ट समर्थन है, आइए इसे कॉल करें K. इस तरह

$\int _{\Omega }|f\varphi |\,\mathrm {d} x=\int _{K}|f|\,|\varphi |\,\mathrm {d} x\leq \|\varphi \|_{\infty }\int _{K}|f|\,\mathrm {d} x<\infty$

द्वारा परिभाषा 1.

केवल यदि भाग: चलो K खुले समुच्चय का संहत उपसमुच्चय बनें Ω. हम पहले परीक्षण वेरिएबल का निर्माण करेंगे φ_K ∈ C ∞
c (Ω) जो संकेतक वेरिएबल को प्रमुखता देता है χ_K का K.

दूरी समुच्चय के मध्य और बिंदु और समुच्चय के मध्य की दूरी मध्य में K और सीमा (टोपोलॉजी) ∂Ω पूर्णतया शून्य से बड़ा है, अर्थात

$\Delta :=d(K,\partial \Omega )>0,$

इसलिए वास्तविक संख्या चुनना संभव है δ ऐसा है कि Δ > 2δ > 0 (अगर ∂Ω खाली समुच्चय है, ले लो Δ = ∞). होने देना K_δ और K_2δ क्लोजर (टोपोलॉजी) समुच्चय नेबरहुड का क्लोजर (गणित) मीट्रिक स्पेस में|δ-पड़ोस और 2δ-का पड़ोस K, क्रमश। वह वैसे ही कॉम्पैक्ट और संतुष्ट हैं

$K\subset K_{\delta }\subset K_{2\delta }\subset \Omega ,\qquad d(K_{\delta },\partial \Omega )=\Delta -\delta >\delta >0.$

अब वेरिएबल को परिभाषित करने के लिए कनवल्शन का उपयोग करें φ_K : Ω → $\mathbb {R}$ द्वारा

$\varphi _{K}(x)={\chi _{K_{\delta }}\ast \varphi _{\delta }(x)}=\int _{\mathbb {R} ^{n}}\chi _{K_{\delta }}(y)\,\varphi _{\delta }(x-y)\,\mathrm {d} y,$

कहाँ φ_δ शांत करनेवाला है जिसका निर्माण मोलिफ़ायर#कंक्रीट उदाहरण का उपयोग करके किया गया है। ज़ाहिर तौर से φ_K इस अर्थ में गैर-ऋणात्मक है φ_K ≥ 0, असीम रूप से भिन्न, और इसका समर्थन निहित है K_2δ, विशेष रूप से यह परीक्षण वेरिएबल है। तब से φ_K(x) = 1 सभी के लिए x ∈ K, हमारे पास वह है χ_K ≤ φ_K.

होने देना f के अनुसार स्थानीय रूप से एकीकृत वेरिएबल बनें परिभाषा 2. तब

$\int _{K}|f|\,\mathrm {d} x=\int _{\Omega }|f|\chi _{K}\,\mathrm {d} x\leq \int _{\Omega }|f|\varphi _{K}\,\mathrm {d} x<\infty .$

चूँकि यह प्रत्येक कॉम्पैक्ट उपसमुच्चय के लिए प्रयुक्त होता है K का Ω, कार्यक्रम f के अनुसार स्थानीय रूप से एकीकृत है परिभाषा 1. □

सामान्यीकरण: स्थानीय रूप से पी-अभिन्न कार्य

Definition 3. होने देना Ω यूक्लिडियन अंतरिक्ष में खुला समुच्चय बनें $\mathbb {R} ^{n}$ और f : Ω → $\mathbb {C}$ लेबेस्ग्यू मापने योग्य वेरिएबल बनें। यदि, किसी दिए गए के लिए p साथ 1 ≤ p ≤ +∞, f संतुष्ट करता है

$\int _{K}|f|^{p}\,\mathrm {d} x<+\infty ,$

अर्थात, यह का है L_p(K) सभी कॉम्पैक्ट समुच्चय के लिए K का Ω, तब f को स्थानीय रूप से कहा जाता है p-अभिन्न या भी p-स्थानीय रूप से एकीकृत। ऐसे सभी फलनों का समुच्चय (गणित) द्वारा दर्शाया जाता है L_p,loc(Ω):

$L_{p,\mathrm {loc} }(\Omega )=\left\{f:\Omega \to \mathbb {C} {\text{ measurable }}\left|\ f|_{K}\in L_{p}(K),\ \forall \,K\subset \Omega ,K{\text{ compact}}\right.\right\}.$

स्थानीय रूप से एकीकृत कार्यों के लिए दी गई वैकल्पिक परिभाषा, पूरी तरह से अनुरूप, स्थानीय रूप से भी दी जा सकती है p-अभिन्न कार्य: यह इस खंड के समतुल्य भी हो सकता है और सिद्ध भी हो सकता है। स्थानीय स्तर पर उनकी स्पष्ट उच्च व्यापकता के अतिरिक्त p-अभिन्न कार्य प्रत्येक के लिए स्थानीय रूप से पूर्ण करने योग्य कार्यों का उपसमूह बनाते हैं p ऐसा है कि 1 < p ≤ +∞.

संकेतन

विभिन्न ग्लिफ़ के अतिरिक्त जिनका उपयोग अपरकेस L के लिए किया जा सकता है, स्थानीय रूप से एकीकृत कार्यों के समुच्चय के अंकन के लिए कुछ प्रकार हैं

• $L_{\mathrm {loc} }^{p}(\Omega ),$ के द्वारा ग्रहण किया गया (होर्मेंडर 1990, p. 37), (स्ट्रिचर्ट्ज़ 2003, pp. 12–13) और (व्लादिमीरोव 2002, p. 3).
• $L_{p,\mathrm {loc} }(\Omega ),$ के द्वारा ग्रहण किया गया (Maz'ya & Poborchi 1997, p. 4) और Maz'ya & Shaposhnikova (2009, p. 44).
• $L_{p}(\Omega ,\mathrm {loc} ),$ के द्वारा ग्रहण किया गया (Maz'ja 1985, p. 6) और (Maz'ya 2011, p. 2).

गुण

===एल_p,loc सभी p ≥ 1=== के लिए पूर्ण मीट्रिक स्थान है

Theorem 1. L_p,loc पूर्ण मीट्रिक स्थान है: इसकी टोपोलॉजी निम्नलिखित मीट्रिक (गणित) द्वारा उत्पन्न की जा सकती है:

$d(u,v)=\sum _{k\geq 1}{\frac {1}{2^{k}}}{\frac {\Vert u-v\Vert _{p,\omega _{k}}}{1+\Vert u-v\Vert _{p,\omega _{k}}}}\qquad u,v\in L_{p,\mathrm {loc} }(\Omega ),$

कहाँ {ω_k}_k≥1 ऐसे गैर खाली खुले समुच्चयों का परिवार है

• ω_k ⊂⊂ ω_k+1, कारण है कि ω_k को कॉम्पैक्ट रूप से सम्मिलित किया गया है ω_k+1 अर्थात यह समुच्चय है जिसमें कॉम्पैक्ट क्लोजर को उच्च सूचकांक के समुच्चय में सख्ती से सम्मिलित किया गया है।
• ∪_kω_k = Ω.
• $\scriptstyle {\Vert \cdot \Vert _{p,\omega _{k}}}\to \mathbb {R} ^{+}$, के ∈ $\mathbb {N}$ सेमिनोर्म का अनुक्रमित परिवार है, जिसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है

${\Vert u\Vert _{p,\omega _{k}}}=\left(\int _{\omega _{k}}|u(x)|^{p}\,\mathrm {d} x\right)^{1/p}\qquad \forall \,u\in L_{p,\mathrm {loc} }(\Omega ).$

सन्दर्भों में (गिल्बर्ग & ट्रूडिंगर 1998, p. 147), (Maz'ya & Poborchi 1997, p. 5), (Maz'ja 1985, p. 6) और (Maz'ya 2011, p. 2), यह प्रमेय बताया गया है किन्तु औपचारिक आधार पर सिद्ध नहीं किया गया है: अधिक सामान्य परिणाम का पूर्ण प्रमाण, जिसमें यह भी सम्मिलित है, पाया जाता है (मीस & वोग्ट 1997, p. 40).

===एल_p L का उपस्थान है_1,loc सभी p ≥ 1=== के लिए

Theorem 2. हर फलन f से संबंधित L_p(Ω), 1 ≤ p ≤ +∞, कहाँ Ω का खुला उपसमुच्चय है $\mathbb {R} ^{n}$, स्थानीय रूप से एकीकृत है।

प्रमाण । मामला p = 1 तुच्छ है, इसलिए प्रमाण की अगली कड़ी में यह मान लिया गया है 1 < p ≤ +∞. संकेतक वेरिएबल पर विचार करें χ_K सघन उपसमुच्चय का K का Ω: फिर, के लिए p ≤ +∞,

$\left|{\int _{\Omega }|\chi _{K}|^{q}\,\mathrm {d} x}\right|^{1/q}=\left|{\int _{K}\mathrm {d} x}\right|^{1/q}=|K|^{1/q}<+\infty ,$

कहाँ

• q धनात्मक संख्या है जैसे कि 1/p + 1/q = 1 किसी प्रदत्त के लिए 1 ≤ p ≤ +∞
• |K| कॉम्पैक्ट समुच्चय का लेबेस्ग माप है K

फिर किसी के लिए f से संबंधित L_p(Ω), होल्डर की असमानता से, उत्पाद (गणित) fχ_K एकीकृत कार्य है अर्थात संबंधित है L₁(Ω) और

${\int _{K}|f|\,\mathrm {d} x}={\int _{\Omega }|f\chi _{K}|\,\mathrm {d} x}\leq \left|{\int _{\Omega }|f|^{p}\,\mathrm {d} x}\right|^{1/p}\left|{\int _{K}\mathrm {d} x}\right|^{1/q}=\|f\|_{p}|K|^{1/q}<+\infty ,$

इसलिए

$f\in L_{1,\mathrm {loc} }(\Omega ).$

ध्यान दें कि चूँकि निम्नलिखित असमानता सत्य है

${\int _{K}|f|\,\mathrm {d} x}={\int _{\Omega }|f\chi _{K}|\,\mathrm {d} x}\leq \left|{\int _{K}|f|^{p}\,\mathrm {d} x}\right|^{1/p}\left|{\int _{K}\mathrm {d} x}\right|^{1/q}=\|f\chi _{K}\|_{p}|K|^{1/q}<+\infty ,$

प्रमेय कार्यों के लिए भी सत्य है f केवल स्थानीय स्तर के स्थान से संबंधित p-अभिन्न कार्य, इसलिए प्रमेय का तात्पर्य निम्नलिखित परिणाम से भी है।

परिणाम 1. हर फलन $f$ में $L_{p,loc}(\Omega )$, $1<p\leq \infty$, स्थानीय रूप से एकीकृत है, i. इ। से संबंधित $L_{1,loc}(\Omega )$.

नोट: यदि $\Omega$ का खुला उपसमुच्चय है $\mathbb {R} ^{n}$ वह भी परिबद्ध है, सीमा में मानक समावेशन होता है $L_{p}(\Omega )\subset L_{1}(\Omega )$ जो उपरोक्त समावेशन को देखते हुए समझ में आता है $L_{1}(\Omega )\subset L_{1,loc}(\Omega )$. किन्तु इनमें से पहला कथन सत्य नहीं है यदि $\Omega$ परिबद्ध नहीं है; सीमा यह अभी भी सच है $L_{p}(\Omega )\subset L_{1,loc}(\Omega )$ किसी के लिए $p$, किन्तु ऐसा नहीं $L_{p}(\Omega )\subset L_{1}(\Omega )$. इसे देखने के लिए, सामान्यतः वेरिएबल पर विचार किया जाता है $u(x)=1$, जो इसमें है $L_{\infty }(\mathbb {R} ^{n})$ किन्तु अंदर नहीं $L_{p}(\mathbb {R} ^{n})$ किसी भी परिमित के लिए $p$.

एल_1,loc बिल्कुल निरंतर माप का घनत्व का स्थान है

प्रमेय 3. फलन f पूर्ण निरंतरता का घनत्व वेरिएबल (माप सिद्धांत) है उपायों की पूर्ण निरंतरता यदि और केवल यदि $f\in L_{1,loc}$.

इस परिणाम का प्रमाण रेखाचित्र द्वारा दिया गया है (श्वार्ट्ज 1998, p. 18). अपने कथन को दोबारा दोहराते हुए, यह प्रमेय प्रामाणित करता है कि प्रत्येक स्थानीय रूप से पूर्णांकीय वेरिएबल बिल्कुल निरंतर माप को परिभाषित करता है और इसके विपरीत, प्रत्येक बिल्कुल निरंतर उपाय स्थानीय रूप से पूर्णांकीय वेरिएबल को परिभाषित करता है: यह, अमूर्त माप सिद्धांत ढांचे में, महत्वपूर्ण रेडॉन-निकोडिम प्रमेय का रूप भी है स्टैनिस्लाव साक्स ने अपने ग्रंथ में दिया है।

उदाहरण

• निरंतर कार्य 1 वास्तविक रेखा पर परिभाषित स्थानीय रूप से एकीकृत है किन्तु विश्व स्तर पर एकीकृत नहीं है क्योंकि वास्तविक रेखा में अनंत माप है। अधिक सामान्यतः, स्थिरांक (गणित), निरंतर कार्य और एकीकृत कार्य स्थानीय रूप से एकीकृत होते हैं।
• कार्यक्रम $f(x)=1/x$ x ∈ (0, 1) के लिए स्थानीय रूप से है किन्तु वैश्विक रूप से (0, 1) पर एकीकृत नहीं है। यह स्थानीय रूप से एकीकृत है क्योंकि किसी भी कॉम्पैक्ट समुच्चय K ⊆ (0, 1) की 0 से धनात्मक दूरी है और f इसलिए K पर घिरा है। यह उदाहरण प्रारंभिक दावे को रेखांकित करता है कि स्थानीय रूप से एकीकृत कार्यों को सीमा के पास विकास की स्थिति की संतुष्टि की आवश्यकता नहीं है परिबद्ध डोमेन.
• कार्यक्रम

$f(x)={\begin{cases}1/x&x\neq 0,\\0&x=0,\end{cases}}\quad x\in \mathbb {R}$

स्थानीय रूप से एकीकृत नहीं है x = 0: यह वास्तव में इस बिंदु के निकट स्थानीय रूप से एकीकृत है क्योंकि इसे सम्मिलित किए बिना प्रत्येक कॉम्पैक्ट समुच्चय पर इसका अभिन्न अंग परिमित है। औपचारिक रूप से बोलते हुए, 1/x ∈ L_1,loc($\mathbb {R}$ \ 0): चूँकि , इस वेरिएबल को संपूर्ण वितरण तक बढ़ाया जा सकता है $\mathbb {R}$ कॉची प्रमुख मूल्य के रूप में।

• पिछला उदाहरण प्रश्न उठाता है: क्या प्रत्येक वेरिएबल जो स्थानीय रूप से एकीकृत है Ω ⊊ $\mathbb {R}$ संपूर्ण के लिए विस्तार स्वीकार करें $\mathbb {R}$ वितरण के रूप में? उत्तर ऋणात्मक है, और प्रतिउदाहरण निम्नलिखित वेरिएबल द्वारा प्रदान किया गया है:

$f(x)={\begin{cases}e^{1/x}&x\neq 0,\\0&x=0,\end{cases}}$

किसी भी वितरण को परिभाषित नहीं करता है $\mathbb {R}$.

• निम्नलिखित उदाहरण, पिछले उदाहरण के समान, वेरिएबल से संबंधित है L_1,loc($\mathbb {R}$\ 0) जो अनियमित विलक्षणता वाले विभेदक ऑपरेटरों के लिए वितरण के सिद्धांत के अनुप्रयोग में प्राथमिक प्रति-उदाहरण के रूप में कार्य करता है:

$f(x)={\begin{cases}k_{1}e^{1/x^{2}}&x>0,\\0&x=0,\\k_{2}e^{1/x^{2}}&x<0,\end{cases}}$

कहाँ k₁ और k₂ समष्टि संख्या हैं, निम्नलिखित प्राथमिक फ़्यूचियन अंतर समीकरण का सामान्य समाधान है | प्रथम क्रम के गैर-फ़ुचियन अंतर समीकरण

$x^{3}{\frac {\mathrm {d} f}{\mathrm {d} x}}+2f=0.$

फिर यह समग्र रूप से किसी भी वितरण को परिभाषित नहीं करता है $\mathbb {R}$, अगर k₁ या k₂ शून्य नहीं हैं: ऐसे समीकरण का एकमात्र वितरणात्मक वैश्विक समाधान शून्य वितरण है, और इससे पता चलता है कि, अंतर समीकरणों के सिद्धांत की इस शाखा में, वितरण के सिद्धांत के तरीकों से समान सफलता की उम्मीद नहीं की जा सकती है समान सिद्धांत की अन्य शाखाओं में, विशेष रूप से स्थिर गुणांक वाले रैखिक अंतर समीकरणों के सिद्धांत में।

अनुप्रयोग

स्थानीय रूप से एकीकृत वेरिएबल वितरण (गणित) में प्रमुख भूमिका निभाते हैं और वह वेरिएबल (गणित) और वेरिएबल स्पेस के विभिन्न वर्गों की परिभाषा में होते हैं, जैसे कि बाध्य भिन्नता। इसके अतिरिक्त, वह रेडॉन-निकोडिम प्रमेय में प्रत्येक माप के बिल्कुल निरंतर भाग को चिह्नित करके प्रकट होते हैं।

यह भी देखें

• कॉम्पैक्ट समुच्चय
• वितरण (गणित)
• लेब्सग्यू का घनत्व प्रमेय
• लेब्सेग विभेदन प्रमेय
• लेब्सग इंटीग्रल
• एलपी स्पेस

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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