§ 6. Promeasure và độ đo trên một không gian lồi địa phương
Trong toàn bộ mục này, chỉ xét các không gian vectơ trên trường số thực. Theo không gian lồi địa phương, ta hiểu một không gian vectơ tôpô trên R tách được và lồi địa phương. Đối ngẫu tôpô của một không gian lồi địa phương E sẽ được ký hiệu là E′; với x∈E và x′∈E′, ta viết ⟨x,x′⟩=x′(x).
1. Promeasure trên một không gian lồi địa phương
Cho E là một không gian lồi địa phương. Ta ký hiệu bởi F(E) tập hợp các không gian con tuyến tính đóng của E có đối chiều hữu hạn, được sắp thứ tự bởi quan hệ ⊃. Với mọi V∈F(E), pV ký hiệu ánh xạ chính tắc từ E lên E/V. Cho V và W là hai phần tử của F(E) sao cho V⊃W; ta ký hiệu bởi pVW ánh xạ từ E/W vào E/V suy ra từ ánh xạ đồng nhất của E bằng cách chuyển sang các thương. Họ Q(E)=(E/V,pVW) là một hệ ngược các không gian lồi địa phương, được đánh chỉ số bởi F(E). Nó được gọi là hệ ngược các thương hữu hạn chiều của E.
Có thể chỉ ra rằng giới hạn ngược của hệ ngược Q(E) đẳng cấu chính tắc với đối ngẫu đại số E′∗ của E′, được trang bị tôpô yếu σ(E′∗,E′).
Định nghĩa 1
Cho E là một không gian lồi địa phương. Ta gọi promeasure trên E là mọi hệ ngược(1) các độ đo (§ 4, No. 2, Def. 1) trên hệ ngược các thương hữu hạn chiều của E.
Nói cách khác, một promeasure μ trên E là một họ (μV)V∈F(E), trong đó μV là một độ đo bị chặn (dương) trên không gian hữu hạn chiều E/V, và trong đó μV=pVW(μW) khi V⊃W. Tất cả các độ đo μV đều có cùng tổng khối lượng, được gọi là tổng khối lượng của promeasure μ.
Để một không gian con V của E thuộc F(E), điều kiện cần và đủ là tồn tại một số hữu hạn phần tử x1′,…,xn′ của E′ sao cho V gồm các x∈E thỏa mãn ⟨x,xi′⟩=0 với 1≤i≤n (TVS, II, § 6, No. 3, Cor. 2 of Th. 1 and No. 5, Cor. 2 of Prop. 7). Hơn nữa, trên một không gian vectơ hữu hạn chiều chỉ tồn tại một và chỉ một tôpô không gian vectơ tôpô Hausdorff (TVS, I, § 2, No. 3, Th. 2). Do đó, khái niệm promeasure trên E chỉ phụ thuộc vào đối ngẫu E′ của E.
Cho λ là một độ đo bị chặn trên E. Với mỗi V∈F(E), ta ký hiệu bởi λV ảnh của λ qua ánh xạ chính tắc pV từ E lên E/V. Ta có pV=pVW∘pW với mọi phần tử V và W của F(E) sao cho V⊃W; do đó, họ λ=(λV)V∈F(E) là một prođộ đo trên E. Ta sẽ nói rằng λ là prođộ đo liên kết với độ đo λ. Ta thấy ngay lập tức rằng λ và λ có cùng tổng khối lượng.
Mệnh đề 1
Cho E là một không gian lồi địa phương. Ánh xạ λ↦λ là một song ánh từ tập hợp các độ đo bị chặn trên E lên tập hợp các prođộ đo (μV)V∈F(E) trên E thỏa mãn điều kiện sau:
Với mọi ε>0, tồn tại một tập con compact K của E sao cho μV(E/V−pV(K))≤ε với mọi V∈F(E).
Ta biết rằng giao các hạt nhân của các dạng tuyến tính liên tục trên E bằng 0 (TVS, II, § 4, No. 1, Hệ quả 1 của Mệnh đề 2); do đó ⋂V∈F(E)V={0} và họ (pV)V∈F(E) là tương thích và phân ly. Khi đó mệnh đề suy ra từ Định lý 1 của § 4, No. 2.
Đặc biệt, ánh xạ λ↦λ là đơn ánh. Nếu μ là một prođộ đo trên E, và nếu tồn tại một độ đo bị chặn λ trên E sao cho μ=λ, thì do lạm dụng ngôn ngữ, ta sẽ nói rằng μ là một độ đo. Nếu E là hữu hạn chiều, mọi prođộ đo μ=(μV)V∈F(E) đều là một độ đo: thật vậy, {0}∈F(E), E/{0}=E và pV,{0}=pV, do đó μV=pV(μ{0}) với mọi V∈F(E); nói cách khác, μ=λ với λ=μ{0}.
(1) Cũng được gọi là một 'hệ xạ ảnh'.
Mệnh đề 2
— Cho T là một tập hợp đếm được, và E là không gian vectơ các hàm thực trên T, được trang bị tôpô của sự hội tụ điểm một. Mọi prođộ đo trên E đều là một độ đo.
Với mọi t∈T, gọi εt là dạng tuyến tính f↦f(t) trên E. Ta biết (TVS, II, §6, No. 6, Hệ quả 2 của Mệnh đề 8) rằng họ (εt)t∈T là một cơ sở của không gian vectơ E′. Ký hiệu bởi Φ tập hợp các tập con hữu hạn của 'T', và với mọi J∈Φ gọi EJ là tập các hàm trên T bằng không tại mọi điểm của J. Cho F∈F(E); vì trực giao F∘ của F là một không gian con hữu hạn chiều của E′, tồn tại một J∈Φ sao cho F∘ được chứa trong không gian con tuyến tính G của E′ sinh bởi các εt với t∈J. Vì F∘⊂G, ta có EJ=G∘⊂F∘∘=F và họ đếm được (EJ)J∈Φ là đồng cuối trong F(E). Khi đó mệnh đề suy ra từ Định lý 2 của §4, No. 3.
2. Ảnh của một promeasure
Cho E và E1 là hai không gian lồi địa phương, và u là một ánh xạ tuyến tính liên tục từ E vào E1. Với mọi V1∈F(E1), không gian con V=u−1(V1) của E thuộc về F(E), và u xác định, bằng cách chuyển sang các thương, một ánh xạ tuyến tính uV1 từ E/V vào E1/V1. Cho V1 và W1 trong F(E1) sao cho V1⊃W1; đặt V=u−1(V1) và W=u−1(W1). Ta có V⊃W, và một biểu đồ giao hoán
Bây giờ cho μ=(μV)V∈F(E) là một promeasure trên E. Với mọi V1∈F(E1), đặt
(1)
νV1=uV1(μu−1(V1)).
Tính giao hoán của biểu đồ trên cho thấy rằng họ ν=(νV1)V1∈F(E1) là một promeasure trên E1. Ta nói rằng ν là ảnh của μ dưới u, và ký hiệu nó bởi u(μ).
Cho λ là một độ đo bị chặn trên E, và u(λ) là độ đo trên E1 là ảnh của λ dưới u. Nếu promeasure μ liên kết với λ, thì promeasure u(μ) liên kết với u(λ). Điều này suy ra từ tính giao hoán của biểu đồ trên.
Cho V∈F(E). Ngay lập tức thấy rằng ảnh của tiền độ đo trên E/V của tiền độ đo μ theo ánh xạ chính tắc pV:E→E/V liên kết với độ đo μV.
Cho u1 là một ánh xạ tuyến tính liên tục của E1 vào một không gian lồi địa phương E2. Ta thiết lập không khó khăn quan hệ
(u1∘u)(μ)=u1(u(μ))
(tính bắc cầu của các ảnh của các tiền độ đo).
3. Biến đổi Fourier của một tiền độ đo
Cho E là một không gian lồi địa phương và μ=(μV)V∈F(E) là một tiền độ đo trên E. Với mọi dạng tuyến tính liên tục x′ trên E, ta ký hiệu μx′ là độ đo trên R là ảnh theo x′ của tiền độ đo μ trên E. Biến đổi Fourier của μ là hàm Fμ trên E′ được xác định bởi
(Fμ)(x′)=∫Reitdμx′(t).
Cho λ là một độ đo bị chặn trên E. Biến đổi Fourier của λ là hàm trên E′ được xác định bởi
(Fλ)(x′)=∫Eei⟨x,x′⟩dλ(x).
Cho μ là tiền độ đo liên kết với λ. Với mọi x′∈E′, độ đo μx′ trên R là ảnh theo x′:E→R của độ đo λ trên E; từ các công thức (2) và (3), ta ngay lập tức suy ra Fμ=Fλ.
Cho μ là một tiền độ đo bất kỳ trên E, và u là một ánh xạ tuyến tính liên tục của E vào một không gian lồi địa phương E1. Ký hiệu tu là ánh xạ tuyến tính của E1′ vào E′ là chuyển vị của u, và ký hiệu ν là tiền độ đo u(μ) trên E1. Với mọi x1′∈E1′, ta có tu(x1′)=x1′∘u, do đó
νx1′=x1′(ν)=x1′(u(μ))=(x1′∘u)(μ)=μtu(x1′).
Do đó,
F(u(μ))=(Fμ)∘tu.
Đặc biệt, ta lấy u là ánh xạ chính tắc pV của E lên E/V (với V∈F(E)). Độ đo tiền pV(μ) trên E/V liên kết với độ đo μV, và tpV là một đẳng cấu từ đối ngẫu của E/V lên không gian con V∘ của E′ vuông góc với V. Nếu (E/V)′ được đồng nhất với V∘ bằng tpV, thì
(Fμ)(x′)=∫E′/Vei⟨x,x′⟩dμV(x)
với mọi x′∈V∘. Ta có E′=⋃V∈F(E)V∘, do đó công thức trước đó đặc trưng hàm Fμ trên E′. Cuối cùng, nếu đặt x′=0 trong (5), ta thấy khối lượng toàn phần của μ bằng (Fμ)(0).
Mệnh đề 3
Cho E là một không gian lồi địa phương. Ánh xạ μ↦Fμ từ tập hợp các độ đo tiền trên E vào tập hợp các hàm trên E′ là đơn ánh.
Công thức (5) cho phép quy về trường hợp E là hữu hạn chiều; vì mọi không gian hữu hạn chiều đều đẳng cấu với một không gian Rn, ta thậm chí có thể giả sử tồn tại một số nguyên n⩾0 sao cho E=Rn. Do đó ta phải chứng minh rằng nếu μ là một độ đo bị chặn (không nhất thiết dương) trên Rn và nếu
∫Rnei⟨x,y⟩dμ(x)=0
với mọi dạng tuyến tính y trên Rn, thì μ=0.
Với mọi số nguyên m⩾0, gọi Gm là nhóm con m⋅Zn của Rn. Ký hiệu Cm là không gian vectơ các hàm liên tục f trên Rn sao cho f(x+a)=f(x) với x∈Rn và a∈Gm. Theo Mệnh đề 8 của GT, X, §4, No. 4, mọi hàm trong Cm là giới hạn đều của các tổ hợp tuyến tính hữu hạn của các hàm kiểu x↦e2πi⟨x,q⟩ với q∈m−1⋅Zn. Do đó μ(f)=0 với mọi hàm f∈Cm.
Cho f là một hàm liên tục trên Rn có support compact. Với mọi số nguyên m⩾0, đặt fm(x)=∑q∈Gmf(x+q). Ngay lập tức thấy rằng với mọi x∈Rn, chuỗi trên chỉ có hữu hạn số hạng, và fm thuộc Cm. Hơn nữa, dễ thấy rằng dãy (fm) hội tụ đều tới f trên mọi tập compact, và tồn tại một hằng C⩾0 sao cho ∣fm∣⩽C với mọi m. Do đó, μ(f)=limm→∞μ(fm) theo Mệnh đề 12 của §5, No. 6. Vì fm∈Cm, ta có μ(fm)=0, do đó cuối cùng μ(f)=0. Vậy μ=0.
Nhận xét
— Khi E hữu hạn chiều, mọi đặc trưng của E đều có dạng x↦ei⟨x,x′⟩ với x′∈E′ (Théor. spect., Ch. II, §1, No. 9, Hệ quả 3 của Mệnh đề 12). Trong trường hợp này, Mệnh đề 3 suy ra từ định lý duy nhất đối với phép biến đổi Fourier (loc. cit., §1, No. 6, Hệ quả của Mệnh đề 6).
Với n=0, quan hệ này thu về Γ(21)=π1/2, tức là công thức (21) của FRV, VII, §1, No. 3. Trường hợp tổng quát sau đó suy ra bằng quy nạp theo n, có kể đến quan hệ Γ(x+1)=x⋅Γ(x) (loc. cit., §1, No. 1).
Cuối cùng, công thức (8) suy ra từ việc hàm x↦x2n+1e−x2/2 là lẻ.
nên đẳng thức này có thể được tích phân từng số hạng, do đó
(2π)−1/2∫Re−x2/2cosxydx=n=0∑∞∫Rgn(x)dx=e−y2/2
theo (14). Công thức (11) khi đó suy ra từ (12).
5. Promesure và mesure Gauss
Mệnh đề 4
Cho E là một không gian lồi địa phương. Với mọi dạng toàn phương dương Q trên E', tồn tại một và chỉ một promeasure ΓQ trên E sao cho FΓQ=e−Q/2. Khối lượng toàn phần của ΓQ bằng 1.
Tính duy nhất của ΓQ suy ra từ Mệnh đề 3 của No. 3. Khối lượng toàn phần của ΓQ bằng (FΓQ)(0)=e−Q(0)/2=1. Ta sẽ chứng minh sự tồn tại theo từng giai đoạn.
A) E có số chiều hữu hạn n, và Q không suy biến.
Theo Bổ đề 2 của No. 4, độ đo γ1 trên R có mật độ t↦(2π)−1/2e−t2/2 là bị chặn, có tổng khối lượng bằng 1. Đặt γ=γ1⊗⋯⊗γ1 (n thừa số). Từ Bổ đề 2 của No. 4, suy ra
Vì Q dương và không suy biến, tồn tại một cơ sở (e1′,…,en′) của E' trực chuẩn đối với Q (Alg., Ch. IX, §7, No. 1). Ký hiệu bởi f đẳng cấu x↦(e1′(x),…,en′(x)) từ E lên Rn, và bởi ΓQ độ đo f−1(γ) trên E. Cho x′=a1e1′+⋯+anen′ thuộc E'; khi đó x′(f−1(t1,…,tn))=∑j=1ntjaj với t1,…,tn thực, do đó
Cho N là không gian con tuyến tính của E' gồm các x′ sao cho Q(x′)=0. Ký hiệu bởi M trực giao của N trong E, và bởi j đơn ánh chính tắc từ M vào E. Ánh xạ tuyến tính tj:E′→M′ là toàn ánh, với hạt nhân N, vì vậy tồn tại trên M′ một dạng toàn phương dương không suy biến q sao cho Q=q∘tj. Theo điều đã nói trên, tồn tại một độ đo bị chặn Γ trên M sao cho FΓ=e−q/2. Đặt ΓQ=j(Γ), ta có
FΓQ=(FΓ)∘tj=exp(−q∘tj/2)=e−Q/2
theo công thức (4) của No. 3.
C) Trường hợp tổng quát. Cho V∈F(E). Ký hiệu bởi pV ánh xạ chính tắc từ E lên E/V, và bởi QV dạng toàn phương dương Q∘tpV trên (E/V)′; sau cùng, cho μV là độ đo trên E/V có biến đổi Fourier là e−QV/2 (xem B)). Nếu W∈F(E) được chứa trong V, thì pV=pVW∘pW, do đó QV=QW∘tpVW; theo công thức (4) của No. 3, độ đo pVW(μW) có biến đổi Fourier là hàm (e−QW/2)∘tpVW=e−QV/2, vì thế bằng μV. Vậy họ (μV)V∈F(E) là một prođộ đo μ trên E. Công thức (5) của No. 3 cho thấy rằng Fμ bằng e−Q/2.
Định nghĩa 2
Cho E là một không gian vectơ tôpô lồi. Với mọi dạng bậc hai dương Q trên E′, tiền đo trên E có biến đổi Fourier bằng e−Q/2 được gọi là tiền đo Gauss trên E với phương sai Q, và được ký hiệu ΓQ. Một tiền đo μ trên E được gọi là Gauss nếu tồn tại một dạng bậc hai dương Q trên E′ sao cho μ=ΓQ.
Theo lối nói mở rộng, một độ đo bị chặn μ trên E sẽ được gọi là Gauss với phương sai Q nếu tiền đo liên kết μ bằng ΓQ.
Nhận xét
— 1) Cho E là một không gian vectơ hữu hạn chiều, và cho μ là một độ đo dương trên E có khối lượng 1, sao cho mọi dạng tuyến tính trên E đều thuộc L2(E,μ). Người ta xác định một phần tử m của E và một dạng bậc hai dương V trên E′ bởi các công thức
⟨m,x′⟩=∫E⟨x,x′⟩dμ(x),V(x′)=∫E⟨x−m,x′⟩2dμ(x).
Theo thuật ngữ truyền thống của Lý thuyết Xác suất, m được gọi là trung bình và V là phương sai của μ; μ được gọi là có tâm nếu m=0.
Bây giờ cho a là một phần tử của E và Q là một dạng bậc hai dương trên E′. Ký hiệu Γa,Q là ảnh của độ đo ΓQ qua phép tịnh tiến x↦x+a. Dễ thấy rằng Γa,Q là một độ đo dương trên E có khối lượng 1, với biến đổi Fourier x′↦ei⟨a,x′⟩−21Q(x′) và trung bình là a. Hơn nữa, Mệnh đề 6 dưới đây suy ra rằng Q là phương sai của Γa,Q. Theo truyền thống, người ta nói rằng Γa,Q là độ đo Gauss có trung bình a và phương sai Q, và rằng ΓQ=Γ0,Q là độ đo Gauss có tâm với phương sai Q. Vì chúng ta sẽ chỉ xét các độ đo Gauss có tâm, nên ta sẽ bỏ qua định ngữ này.
2) Cho Q là một dạng toàn phương trên đối ngẫu E′ của một không gian lồi địa phương E. Nếu tồn tại một tiền độ đo trên E có biến đổi Fourier bằng e−Q/2, thì dạng toàn phương Q tất yếu là dương: thật vậy, hàm e−Q/2 bị chặn trên E′; do đó, với mọi x′∈E′, hàm t↦e−t2Q(x′)/2=e−Q(tx′)/2 trên R bị chặn, do đó Q(x′)≥0.
3) Đối ngẫu của R đẳng cấu chính tắc với R và các dạng toàn phương dương trên R là các hàm có dạng t↦at2 với a≥0. Vậy, với mỗi a≥0, tồn tại một và chỉ một độ đo bị chặn γa trên R mà biến đổi Fourier bằng hàm t↦e−at2/2; theo một cách dùng từ không nghiêm ngặt, γa được gọi là độ đo Gauss trên R có phương sai a.
Biến đổi Fourier của γ0 là hằng 1, do đó γ0=ε0 (khối lượng đơn vị tại gốc của R). Giả sử a>0 và ký hiệu bởi ua ánh xạ tuyến tính x↦a1/2x; khi đó Fγa=Fγ1∘tua, do đó γa=ua(γ1). Bổ đề 2 cho thấy rằng γ1 là độ đo có mật độ x↦(2π)−1/2e−x2/2 đối với độ đo Lebesgue; từ đó, ta dễ dàng suy ra
(15)dγa(x)=(2πa)−1/2e−x2/2adx.
Ảnh của một tiền độ đo Gauss dưới một ánh xạ tuyến tính liên tục là một tiền độ đo Gauss. Chính xác hơn, ta có kết quả sau:
Cho E và E₁ là hai không gian lồi địa phương, và u là một ánh xạ tuyến tính liên tục từ E vào E₁. Cho Q là một dạng toàn phương dương trên E', và Q₁ là dạng toàn phương dương Q ∘tu trên E'₁. Khi đó u(ΓQ)=ΓQ1.
Cho E là một không gian lồi địa phương và Q là một dạng toàn phương dương trên E'. Với mọi x′∈E′, ảnh của ΓQ dưới x′ là độ đo Gauss trên R có phương sai Q(x′).
Nếu các công thức này đúng với một phần tử x′ của E′, thì chúng đúng với mọi bội của nó t⋅x′ (với t thực). Vì vậy, ta có thể bằng lòng với việc thiết lập chúng khi Q(x′) bằng 0 hoặc 1.
a) Giả sử Q(x′)=0. Độ đo x′(μ) bằng γ0=ε0, do đó x′ bằng không μ-hầu khắp nơi; khi đó các công thức (16) đến (19) là hiển nhiên.
và (16) suy ra ngay lập tức từ (6) (No 4, Bổ đề 1). Tương tự, các công thức (17) và (18) suy ra từ (7) và (8). Cuối cùng, (19) thu được bằng cách đặt n=1 trong (17).
Bây giờ ta có thể chứng minh mệnh đề đảo lại của Hệ quả của Mệnh đề 5.
Mệnh đề 7
Cho E là một không gian lồi địa phương và μ là một tiền độ đo trên E. Giả sử rằng x′(μ) là một độ đo Gauss trên R với mọi x′∈E′. Khi đó μ là một tiền độ đo Gauss trên E.
Với mọi x′∈E′, gọi Q(x′) là phương sai của độ đo Gauss x′(μ) trên R. Ta có x′(μ)=γQ(x′), do đó
(Fμ)(x′)=∫Reit⋅1dγQ(x′)(t)=e−Q(x′)⋅12/2
theo định nghĩa của Fμ (No. 3, công thức (2)). Nói cách khác, Fμ=e−Q/2, và còn phải chứng minh rằng Q là một dạng toàn phương dương trên E′.
Với mọi không gian con tuyến tính đóng V của E có đối chiều hữu hạn, ký hiệu pV là ánh xạ chính tắc từ E lên E/V, ký hiệu μV là độ đo pV(μ) trên E/V, và đặt QV=Q∘tpV. Vì E′=⋃V∈F(E)Im(tpV) và tpV là đơn ánh, chỉ cần chứng minh rằng QV là một dạng toàn phương dương trên (E/V)′. Lấy u∈(E/V)′ và x′=tpV(u). Ta có
u(μV)=u(pV(μ))=x′(μ)=γQ(x′);
Mệnh đề 6 khi đó suy ra
QV(u)=Q(x′)=∫Rt2dγQ(x′)(t)=∫E/Vu(x)2dμV(x),
do đó QV là một dạng toàn phương dương trên (E/V)′.
6. Các ví dụ về tiền độ đo Gauss
1) Cho E là một không gian Hilbert thực. Ánh xạ x′↦∥x′∥2 là một dạng toàn phương dương trên E′. Tiền độ đo Gauss tương ứng được gọi là tiền độ đo Gauss chính tắc trên E. Có thể chứng minh rằng tiền độ đo này không phải là một độ đo nếu E vô hạn chiều.
Cho A là một toán tử tuyến tính liên tục trên E. Ánh xạ x′↦∥tA⋅x′∥2 là một dạng toàn phương dương trên E′. Tiền độ đo tương ứng μA trên E là một độ đo khi và chỉ khi A là một toán tử Hilbert–Schmidt (xem No. 11, Hệ quả 2 của Định lý 3).
2) Hạt nhân kiểu dương. Cho T là một tập hợp và E=RT là không gian vectơ các hàm thực trên T, được trang bị tôpô của hội tụ từng điểm. Với mọi t∈T, ký hiệu εt là dạng tuyến tính f↦f(t) trên E. Họ (εt)t∈T là một cơ sở của E′ (TVS, II, §6, No. 6, Hệ quả 2 của Mệnh đề 8).
Ta gọi hạt nhân (thực) kiểu dương trên T là mọi hàm thực K trên T×T thỏa mãn các hệ thức
(20)K(t,t′)=K(t′,t)với t,t′ trong T,
(21)i,j=1∑pcicjK(ti,tj)⩾0
với mọi số nguyên dương p, các phần tử t1,…,tp của T, và các số thực c1,…,cp. Nếu đúng như vậy, công thức
(22)q(t∈T∑ctεt)=t,t′∈T∑ctct′K(t,t′)
xác định một dạng toàn phương dương trên E′. Ngược lại, nếu q là một dạng toàn phương dương trên E′, thì công thức
(23)K(t,t′)=21[q(εt+εt′)−q(εt)−q(εt′)]
xác định một hạt nhân K kiểu dương trên T. Do đó ta thu được hai song ánh nghịch đảo lẫn nhau giữa tập hợp các hạt nhân kiểu dương trên T và tập hợp các dạng toàn phương dương trên E′.
Cho K là một hạt nhân kiểu dương trên T, và q là dạng toàn phương liên kết trên E′. Tiền độ đo Gauss trên E có phương sai q cũng được gọi là tiền độ đo Gauss trên E có hiệp phương saiK. Nếu T là đếm được, Mệnh đề 2 của No. 1 suy ra rằng tiền độ đo này là một độ đo.
3) Cho T là một tập hợp đếm được. Một hạt nhân δ trên T kiểu dương được xác định bằng cách đặt
(24)δ(t,t′)={10neˆˊu t=t′neˆˊu t=t′.
Dạng toàn phương tương ứng được cho bởi q(∑t∈Tctεt)=∑t∈Tct2. Với mọi t∈T, ký hiệu μt là độ đo Gauss trên R có phương sai 1;
ta dễ dàng chứng minh rằng độ đo Gauss trên RT có hiệp phương sai δ bằng ⨂t∈Tμt.
4) Cho n≥1 là một số nguyên. Một ma trận vuông C=(cij) cấp n được gọi là đối xứng dương nếu nó đối xứng và ∑i,j=1ncijxixj≥0 với mọi số thực x1,…,xn; nói như vậy cũng tương đương với việc ánh xạ (i,j)↦cij là một hạt nhân kiểu dương trên tập hợp {1,2,…,n}. Do đó ta có thể nói đến độ đo Gauss γC trên Rn, có hiệp phương sai C; nó được đặc trưng bởi công thức
với x1,…,xn là các số thực. Từ Mệnh đề 6 của No. 5 (công thức (19)), suy ra
(26)∫RntjtkdγC(t1,…,tn)=cjk(1≤j,k≤n).
Từ Mệnh đề 5 của No. 5, suy ra công thức
(27)u(γC)=γUCtU,
trong đó u là một ánh xạ tuyến tính từ Rn vào Rm có ma trận là U. Hơn nữa, ta cũng dễ thấy (xem phần đầu của chứng minh Mệnh đề 4 của No. 5) rằng nếu In là ma trận đơn vị cấp n, thì độ đo γIn có mật độ
(2π)−n/2exp(−21(t12+⋯+tn2))
đối với độ đo Lebesgue λn trên Rn.
Chúng ta sẽ chứng minh rằng nếu ma trận C là khả nghịch, có nghịch đảo D=(djk), thì
Vì, nếu C khả nghịch, thì dạng toàn phương q trên Rn được xác định bởi
q(x1,…,xn)=j,k=1∑ncjkxjxk
là không suy biến. Dùng sự tồn tại của một cơ sở của Rn trực chuẩn đối với q, người ta chứng minh được sự tồn tại của một ma trận vuông U cấp n sao cho C=U⋅tU, do đó γC=u(γIn) theo (27) (trong đó u ký hiệu tự đẳng cấu của Rn có ma trận là U). Gọi Q là dạng toàn phương trên Rn được xác định bởi
Q(t1,…,tn)=t12+⋯+tn2;
khi đó
γIn=(2π)−n/2e−Q/2⋅λn,
do đó
u(γIn)=(2π)−n/2e−(Qou−1)/2⋅u(λn).
Ngay lập tức thấy rằng dạng toàn phương Q∘u−1 trên Rn nhận giá trị ∑j,k=1ndjktjtk tại điểm (t1,…,tn), và Mệnh đề 15 của Ch. VII, §1, No. 10 cho thấy rằng
u(λn)=(detU)−1⋅λn=(detD)1/2⋅λn.
Công thức (28) suy ra từ đó.
7. Độ đo Wiener
Trong No. này, ta ký hiệu bởi T khoảng ]0,1] của R và bởi H không gian Hilbert các hàm thực trên T khả tích bình phương đối với độ đo Lebesgue, trong đó tích vô hướng được ký hiệu là (f∣g). Ta cũng ký hiệu bởi C không gian các hàm thực liên tục trên T tiến tới 0 tại điểm 0; ta trang bị cho C chuẩn ∥f∥=supt∈T∣f(t)∣. Khoảng compact [0,1]=T∪{0} là compact hóa Alexandroff của khoảng địa phương compact nhưng không compact T; do đó, tập hợp các hàm liên tục trên T có hỗ compact là trù mật trong C, và đối ngẫu của C có thể được đồng nhất với không gian M1 các độ đo bị chặn (không nhất thiết dương) trên T (Ch. III, §1, No. 8, Định nghĩa 3).
Với mọi hàm f∈H, ta xác định một hàm Pf trên T bởi
(Pf)(t)=∫0tf(x)dx=(f∣It),
trong đó It là hàm đặc số của khoảng ]0,t]. Bất đẳng thức Cauchy–Schwarz kéo theo các bất đẳng thức
∣(Pf)(t)∣≤∥f∥2⋅t1/2
∣(Pf)(t)−(Pf)(t′)∣≤∥f∥2⋅∣t−t′∣1/2;
do đó, Pf thuộc C, và ánh xạ tuyến tính P từ H vào C là liên tục với chuẩn ⩽1.
Hãy đồng nhất không gian Hilbert H với đối ngẫu của nó (TVS, V, §1, No. 7, Định lý 3), và ký hiệu bởi Π:M1→H ánh xạ chuyển vị của P:H→C. Với mọi độ đo μ∈M1 và mọi hàm f∈H, ta có
Bây giờ, It⋅It′ là hàm đặc trưng của khoảng ]0,t]∩]0,t′], do đó ngay lập tức
(35)
∫TIt(x)It′(x)dx=inf(t,t′).
Suy ra rằng
(36)
(Πμ∣Πν)=∫T∫Tinf(t,t′)dμ(t)dν(t′).
Theo kết quả trước đó, người ta định nghĩa một dạng toàn phương dương W trên M1 bởi công thức
(37)
W(μ)=∫T∫Tinf(t,t′)dμ(t)dμ(t′)=∥Πμ∥22.
Đặc biệt, nếu t1,…,tn là các phần tử của T, và c1,…,cn là các số thực, thì
W(j=1∑ncjεtj)=j,k=1∑ncjckinf(tj,tk)
và vì W là dương, hàm (t,t′)↦inf(t,t′) là một hạt nhân kiểu dương trên T.
ĐỊNH LÝ 1 (Wiener). — Cho w là ảnh qua P:H→C của tiền độ đo Gauss chính tắc trên không gian Hilbert H. Khi đó w là một độ đo Gauss trên C có phương sai W.
Theo phép dựng, W(μ)=∥tP(μ)∥22; Mệnh đề 5 của No. 5 cho thấy w là một tiền độ đo Gauss có phương sai W. Còn phải chứng minh rằng w là một độ đo trên C.
A) Phép dựng một không gian đo được phụ^{(2)} (Ω,m): Với mọi số nguyên n⩾0, ký hiệu bởi Dn tập hợp các số có dạng k/2n với k=1,2,3,…,2n. Đặt D=⋃n⩾0Dn (tập hợp các số nhị phân được chứa trong T) và Ω=RD. Với mỗi t∈D, ký hiệu bởi X(t) dạng tuyến tính f↦f(t) trên Ω.
Với t,t′ thuộc D, đặt M(t,t′)=inf(t,t′); ta đã thấy rằng M là một hạt nhân kiểu dương trên D. Vì tập hợp D là đếm được, ta có thể định nghĩa độ đo Gauss m trên Ω với hiệp phương sai M (No. 6, Ví dụ 2).
Chú ý rằng 2t+t′ thuộc D. Ta biết (No. 6, Ví dụ 2) rằng họ (X(t))t∈D là một cơ sở của đối ngẫu tôpô Ω′ của Ω; vì thế tồn tại một dạng song tuyến tính đối xứng M trên Ω′×Ω′ được đặc trưng bởi M(X(t),X(t′))=inf(t,t′). Theo phép dựng, phương sai của độ đo Gauss m trên Ω là dạng toàn phương ξ↦M(ξ,ξ) trên Ω′. Đặt, đặc biệt,
(2) Không gian đo được: một không gian compact địa phương được trang bị một độ đo (Ch. III, ấn bản thứ nhất, §2, No. 2, p. 52).
Theo Mệnh đề 6 của No. 5 (công thức (16)),
∫Ω∣ξ∣3dm=π−1/223/2Γ(2)M(ξ,ξ)3/2;
bổ đề suy ra ngay lập tức từ các công thức (40) và (41).
B) Phép dựng một ánh xạ u từ Ω vào C: Với mọi số nguyên n⩾0, ký hiệu En là không gian con của C gồm các hàm afin trên mỗi khoảng [2nk−1,2nk] với 1⩽k⩽2n. Một hàm afin trên một khoảng compắc I của R đạt các cận của nó tại các đầu mút của I; do đó,
∥f∥=1⩽k⩽2nsupf(2nk)
với f∈En.
Với mọi hàm g∈Ω và mọi số nguyên n⩾0, tồn tại một và chỉ một hàm un(g) thuộc En và trùng với g tại mọi điểm của Dn; ta sẽ viết Tng=un+1(g)−un(g). Vì Dn là hữu hạn, ánh xạ Tn từ Ω vào C là liên tục, do đó m-đo được.
Theo Bổ đề 4, ánh xạ Tn từ Ω vào không gian Banach C thuộc LC3(Ω,m) và N3(Tn)≤(8π)1/61(2−1/6)n, do đó ∑n=0∞N3(Tn)<+∞. Theo Mệnh đề 6 của Chương IV, §3, No. 3, tồn tại một tập hợp Ω0⊂Ω sao cho Ω−Ω0 là m-không đáng kể và sao cho chuỗi ∑n=0∞Tn(g) hội tụ tuyệt đối trong C với mọi g∈Ω0. Khi đó ta định nghĩa một ánh xạ m-đo được u từ Ω vào C bởi
Vì un(g) và g trùng nhau trên Dm⊂Dn với 0≤m≤n, nên ngay lập tức suy ra rằng hạn chế của u(g) lên D bằng g với mọi g∈Ω0.
C) Phép dựng một độ đo Gaussian trên C: Cho w′ là độ đo bị chặn trên C là ảnh của m qua ánh xạ m-đo được u:Ω→C. Ta sẽ chứng minh rằng w′ là một độ đo Gaussian trên C, với phương sai W, do đó w=w′. Kí hiệu D là không gian con tuyến tính của M1 sinh bởi các độ đo εt khi t chạy qua D.
Đặt I=[0,1]. Không gian M1 của các độ đo bị chặn trên T=]0,1[ sẽ được đồng nhất với không gian con của M(I) gồm các độ đo không đặt trọng số tại 0. (3) Ta trang bị cho M(I) tôpô mơ hồ. Ánh xạ
(3) Tức là, các độ đo trên I tập trung trên T=I−{0}.
Ánh xạ t↦εt từ I vào M(I) là liên tục (Ch. III, §1, No. 9, Mệnh đề 13); vì D trù mật trong I, bao đóng D của D chứa tất cả các độ đo điểm. Đặt A là tập các độ đo ν∈D sao cho ∥ν∥≤∥μ∥; độ đo μ nằm trong bao đóng của A (Ch. III, §2, No. 4, Hệ quả 1 của Định lý 1). Tập A tương đối compact trong M(I) (Ch. III, §1, No. 9, Mệnh đề 15) và các tập con compact của M(I) đều khả metric (TVS, III, §3, No. 4, Hệ quả 2 của Mệnh đề 6,(4) và GT, X, §3, No. 3, Định lý 1). Vì thế tồn tại một dãy độ đo μn∈A hội tụ đến μ trong M(I). Vì C được đồng nhất với không gian con các hàm liên tục trên I bằng không tại gốc, ta có μ(f)=limn→∞μn(f) với mọi f∈C. Hơn nữa, vì C(I)⊗C(I) trù mật trong không gian chuẩn C(I×I) (Ch. III, §4, No. 1, Bổ đề 1), các quan hệ limn→∞μn=μ và ∥μn∥≤∥μ∥ suy ra limn→∞(μn⊗μn)=μ⊗μ (Ch. III, §1, No. 10, Mệnh đề 17); vì các độ đo μn và μ không đặt trọng số tại 0, ta có
W(μn)=∫I∫Iinf(t,t′)dμn(t)dμn(t′),
W(μ)=∫I∫Iinf(t,t′)dμ(t)dμ(t′),
do đó limn→∞W(μn)=W(μ).
Còn phải chứng minh rằng biến đổi Fourier của w′ bằng e−W/2. Cho μ∈M1; chọn các độ đo μn∈D như trong Bổ đề 6. Độ đo w′ bị chặn, và ∣ei⟨f,μn⟩∣=1 với mọi n; Bổ đề 5 và định lý hội tụ của Lebesgue (Ch. IV, §4, No. 3, Định lý 2) suy ra
Độ đo w trên C có biến đổi Fourier bằng e−W/2 được gọi là độ đo Wiener trên C.
Nhận xét
— Với mọi khoảng nửa mở J=]a,b] được chứa trong T, ta đặt l(J)=b−a (độ dài của J) và ký hiệu AJ là dạng tuyến tính f↦f(b)−f(a) trên C. Có thể chứng minh rằng độ đo Wiener được đặc trưng bởi tính chất sau:
Cho J1,…,Jn là các khoảng nửa mở được chứa trong T và rời nhau từng đôi một. Ảnh của độ đo w qua ánh xạ tuyến tính f↦(AJ1(f),…,AJn(f)) từ C vào Rn bằng γa1⊗⋯⊗γan với ai=l(Ji)1/2 cho 1≤i≤n.
8. Tính liên tục của biến đổi Fourier
Mệnh đề 8
— Cho E là một không gian lồi địa phương, μ là một tiền độ đo trên E, và Φ là biến đổi Fourier của μ. Ta có các bất đẳng thức
— Trang bị cho E′ một tôpô tương thích với cấu trúc không gian vectơ của nó. Để Φ liên tục, điều kiện cần và đủ là phần thực ℜΦ của nó liên tục tại gốc, khi đó Φ liên tục đều.
Cho F là một không gian lồi địa phương. Ta trang bị cho đối ngẫu F′ của F một tôpô tương thích với tính đối ngẫu giữa F và F′, và đồng nhất F với đối ngẫu của F′. Do đó, biến đổi Fourier của một độ đo bị chặn μ trên F′ là hàm Fμ trên F được xác định bởi
(Fμ)(x)=∫F′ei⟨x,x′⟩dμ(x′).
Mệnh đề 9
— Nếu F là barreled, thì biến đổi Fourier của mọi độ đo bị chặn trên F' là một hàm liên tục đều trên F.
Cho μ là một độ đo bị chặn trên F′ và Φ là biến đổi Fourier của nó. Cho ε>0. Tồn tại một tập con compact K của F′ sao cho μ(F′−K)≤ε. Bây giờ, K là compact đối với tôpô yếu σ(F′,F), do đó là đều liên tục vì F là barreled (TVS, III, §4, No. 2, Định lý 1). Vì thế tồn tại một lân cận đối xứng U của 0 trong F sao cho cực U∘ chứa K. Lấy x thuộc εU; khi đó
Φ(0)−ℜΦ(x)=∫F′(1−cos⟨x,x′⟩)dμ(x′).
Khi đó, 0≤1−cos⟨x,x′⟩≤2 với mọi x′∈F′−K, và
1−cos⟨x,x′⟩≤21⟨x,x′⟩2≤2ε2
với x′∈K⊂U∘; suy ra rằng
0≤Φ(0)−ℜΦ(x)≤2μ(F′−K)+2ε2μ(K)≤2ε+2ε2μ(F′).
Vế thứ hai của bất đẳng thức này tiến tới 0 khi ε tiến tới 0; do đó ℜΦ liên tục tại 0 và mệnh đề suy ra từ Hệ quả của Mệnh đề 8.
9. Bổ đề Minlos
Cho T là một không gian vectơ hữu hạn chiều và μ là một độ đo bị chặn trên T′; ta sẽ đồng nhất T với đối ngẫu của T′, sao cho biến đổi Fourier Φ của μ là một hàm trên T. Giả sử cho trước hai dạng toàn phương dương h và q trên T và một số ε>0. Với mọi số thực r>0, ta ký hiệu Cr là tập hợp các x′∈T′ sao cho ⟨x,x′⟩2≤r2h(x) với mọi x∈T.
Ta viết Tr(q/h) để chỉ vết của q theo h (xem Phụ lục, No. 1). Công thức (55) là tầm thường khi Tr(q/h) vô hạn. Từ đây trở đi, ta giả sử rằng Tr(q/h) là hữu hạn, do đó h(x)=0 kéo theo q(x)=0 với x∈T.
Cho a1,…,an là các phần tử của T, và D là tập hợp các x′∈T′ sao cho ∑j=1n⟨aj,x′⟩2>1. Với mọi số thực t≥0 ta có 3(1−e−t/2)≥0, và thậm chí còn có
3(1−e−t/2)≥3(1−e−1/2)≥3(1−(49)−1/2)=1
với t>1, vì e>49. Áp dụng các bất đẳng thức này cho t=∑j=1n⟨aj,x′⟩2, ta được
μ(D)≤3∫T′(1−exp(−21j=1∑n⟨aj,x′⟩2))dμ(x′).
Cho γ là độ đo trên R có mật độ t↦(2π)−1/2e−t2/2 đối với độ đo Lebesgue. Theo Bổ đề 2 của No. 4,
với mọi x′∈T′. Hàm của x′,t1,…,tn cần được lấy tích phân ở vế thứ hai là liên tục và bị chặn trên về trị tuyệt đối bởi 2, và các độ đo μ và γ là bị chặn; do đó ta có thể lấy tích phân hai vế của (57) đối với dμ(x′) và đổi thứ tự các phép lấy tích phân đối với μ và γ; ta được
Vì q là một dạng toàn phương trên T, tồn tại các số thực qjk sao cho
q(j=1∑ntjaj)=j,k∑qjktjtk
với t1,…,tn thực; đặc biệt, qjj=q(aj) với 1≤j≤n. Hơn nữa, tích phân ∫Rtndγ(t) nhận các giá trị 1, 0, 1 tương ứng với n=0,1,2 (No. 4, Bổ đề 1). Từ đó, ta suy ra ngay lập tức
Bây giờ, vế thứ nhất của (58) và Φ(0) là các số thực; do đó ta có thể thay thế Φ bằng ℜΦ trong vế thứ hai của (58). Bất đẳng thức Φ(0)−ℜΦ≤ε+q và các công thức (56), (58) và (59) khi đó suy ra
μ(D)≤3(ε+j=1∑nq(aj)).
Cố định số r>0. Vì dạng toàn phương h là dương, tồn tại một cơ sở (e1,…,en) của T và một số nguyên m nằm giữa 0 và n sao cho
h(j=1∑ntjej)=j=1∑mtj2
với t1,…,tn thực (Phụ lục, No. 1, Mệnh đề 2). Khi đó ngay lập tức thấy rằng Cr gồm các x′∈T′ sao cho
j=1∑m⟨ej,x′⟩2≤r2,j=m+1∑n⟨ej,x′⟩2=0.
Với mọi số nguyên l≥1, cho Dl là tập hợp các x′∈T′ thỏa mãn bất đẳng thức
j=1∑m⟨r−1ej,x′⟩2+j=m+1∑n⟨lej,x′⟩2>1.
Dễ thấy rằng dãy (Dl)l≥1 là tăng với hợp là T′−Cr, do đó
μ(T′−Cr)=l→∞limμ(Dl).
Nhưng theo (60),
μ(Dl)≤3(ε+j=1∑mr−2q(ej)+j=m+1∑nl2q(ej));
với j=m+1,…,n ta có h(ej)=0, do đó q(ej)=0. Hơn nữa, Tr(q/h)=∑j=1mq(ej) (Phụ lục, No. 1, Mệnh đề 2). Khi đó quan hệ (55) suy ra từ (61) và (62).
Q.E.D.
10. Các độ đo trên đối ngẫu của một không gian hạt nhân
Cho F là một không gian lồi địa phương. Gọi Ts là tôpô yếu σ(F′,F) trên F′, và Tc là tôpô của sự hội tụ đều trên các tập con compact lồi của F. Theo định lý Mackey (TVS, IV, §1, No. 1, Định lý 1), các tôpô Ts và Tc trên F′ tương thích với tính đối ngẫu giữa F và F′; do đó điều tương tự cũng đúng với mọi tôpô lồi địa phương T trên F′ nằm giữa Ts và Tc. Nếu T là một tôpô như vậy, và FT′ ký hiệu không gian F′ được trang bị T, thì ta sẽ đồng nhất F với đối ngẫu của FT′. Vì thế các tiền độ đo trên F′ là như nhau đối với mọi tôpô T thuộc kiểu nói trên, và nếu μ là một tiền độ đo như vậy thì biến đổi Fourier của nó là một hàm trên F.
Người ta gọi tôpô Sazonov trên F là tôpô lồi địa phương S được xác định bởi các nửa chuẩn liên tục N thỏa mãn điều kiện sau: N2 là một dạng toàn phương dương trên F và tồn tại một dạng toàn phương dương liên tục H trên F sao cho Tr(N2/H)<+∞. Tôpô S thô hơn tôpô đã cho trên F; nếu hai tôpô này trùng nhau thì F được gọi là hạt nhân. Lớp không gian này sẽ được nghiên cứu chi tiết về sau.
Định lý 2 (Minlos)
— *Cho F là một không gian lồi địa phương, T là một tôpô lồi địa phương trên F′ nằm giữa Ts và Tc, và μ là một tiền độ đo trên FT′. Giả sử biến đổi Fourier Φ của μ liên tục trên F đối với tôpô Sazonov. Khi đó μ là một độ đo trên FT′.
Cho ε>0. Vì Φ liên tục đối với tôpô Sazonov trên F, nên tồn tại hai dạng toàn phương dương liên tục Q và H trên F sao cho Tr(Q/H)<+∞ và
Φ(0)−RΦ(x)≤ε/6
với mọi x∈F sao cho Q(x)≤1. Theo Mệnh đề 8 của No. 8, ∣RΦ(x)∣≤Φ(0) với mọi x∈F, do đó
Φ(0)−RΦ(x)≤ε/6+2Φ(0)Q(x)
với mọi x∈F.
Đặt r=(12Φ(0)Tr(Q/H)ε−1)1/2 và ký hiệu bởi K tập hợp các x′∈FT′ sao cho ⟨x,x′⟩2≤r2H(x) với mọi x∈F. Vì H1/2 là một nửa chuẩn liên tục trên F, tập K là đồng liên tục và đóng trong FT′; do đó nó là compact trong FT′ theo định lý Ascoli (GT, X, §2, No. 5, Hệ quả 1 của Định lý 2).
Cho V là một không gian con tuyến tính đóng của FT′ với đối chiều hữu hạn; khi đó, V là phần trực giao của một không gian con tuyến tính hữu hạn chiều T của F. Cho μV là độ đo trên T′ là ảnh của tiền độ đo μ trên FT′ qua ánh xạ pV là chuyển vị của đơn ánh chính tắc của T vào F; biến đổi Fourier của nó là sự hạn chế của Φ lên T. Cuối cùng, theo định lý Hahn–Banach (TVS, II, §3, No. 2, Hệ quả 1 của Định lý 1), pV(K) bằng tập hợp Cr của các x′∈T′ sao cho ⟨x,x′⟩2≤r2H(x) với mọi x∈T. Theo bất đẳng thức (63), ta có thể áp dụng Mệnh đề 10 của No. 9 cho độ đo μV trên T′, khi lấy q là sự hạn chế của 2Φ(0)Q lên T và h là của H. Khi đó, Tr(q/h)≤2Φ(0)TrQ/H), do đó
μV(T′−Cr)≤3(6ε+2Φ(0)Tr(Q/H)r−2)=ε.
Vì pV, qua phép đi qua thương, xác định một đẳng cấu của FT′/V lên T′, Mệnh đề 1 của No. 1 suy ra rằng μ là một độ đo trên FT′.
Q.E.D.
Hệ quả
— *Cho F là một không gian barreled hạt nhân, T là một tôpô lồi địa phương trên F′ trung gian giữa Ts và Tc, μ là một tiền độ đo trên FT′, và Φ là biến đổi Fourier của μ. Để μ là một độ đo, điều kiện cần và đủ là Φ liên tục trên F.
Điều kiện cần suy ra từ Mệnh đề 9 của No. 8 và điều kiện đủ từ Định lý 2.
Nhận xét
— Cho F là một không gian barreled và T là một tôpô lồi địa phương trên F′ trung gian giữa Ts và Tc. Mọi tập con của F′ compact đối với T đều compact đối với tôpô yếu hơn Ts. Ngược lại, cho K là một tập con của F′ compact đối với Ts. Vì F là barreled, K là đều liên tục (TVS, III, §4, No. 2, Định lý 1); nhưng theo định lý Ascoli, mọi tập con đều liên tục của F′ đều tương đối compact đối với Tc và a fortiori đối với T, do đó K được chứa trong một tập con của F′ compact đối với T. Không khó suy ra từ đó rằng ánh xạ đồng nhất của FT′ lên FTs′ xác định một song ánh giữa các tập hợp các độ đo trên hai không gian này.
Cho E là một không gian Hilbert thực, trong đó tích vô hướng được ký hiệu bởi (x∣y). Tồn tại một đẳng cấu j của E lên đối ngẫu E′, được đặc trưng bởi công thức ⟨x,j(y)⟩=(x∣y) với x,y trong E (TVS, V, §1, No. 7, Định lý 3). Ta sẽ đồng nhất E và E′ nhờ j. Vì thế biến đổi Fourier của một tiền độ đo μ trên E là một hàm Fμ trên E; khi μ là một độ đo, ta có
(64)
(Fμ)(x)=∫Eei(x∣y)dμ(y)(x∈E).
Định lý 3 (Prokhorov–Sazonov) — Cho E là một không gian Hilbert và Es là không gian E được trang bị tôpô yếu hơn. Cho μ là một tiền độ đo trên E, và Φ là biến đổi Fourier của nó. Các điều kiện sau là tương đương:
a) Hàm Φ liên tục trên E theo tôpô Sazonov.
b) Với mọi ε > 0, tồn tại một dạng toàn phương dương hạt nhân Q trên E sao cho Φ(0) − ℜΦ ≤ ε + Q.
c) Tiền độ đo μ là một độ đo trên Es.
b)⇒a): Điều này suy ra từ Mệnh đề 8 của No. 8 (xem bất đẳng thức (54)).
a)⇒c): Điều này suy ra từ Định lý 2 của No. 10.
c)⇒b): Giả sử rằng μ là một độ đo trên Es. Cho ε > 0. Với mọi số nguyên n≥1, tập Bn các x∈E có chuẩn ≤n là một tập con đóng của Es, và E=⋃n≥1Bn. Do đó tồn tại một số nguyên n≥1 sao cho μ(E−Bn)<2ε. Công thức
(65)
Q(x)=21∫Bn(x∣y)2dμ(y)
xác định một dạng toàn phương dương Q trên E. Đặt C=2n2μ(Bn). Nếu (e1,…,ep) là một dãy trực chuẩn hữu hạn trong E, thì
j=1∑p(ej∣y)2≤∥y∥2≤n2
với mọi y∈Bn theo bất đẳng thức Bessel. Suy ra bằng cách lấy tích phân rằng
Hơn nữa, 1−cost≤inf(2,2t2) với mọi số thực t, do đó
Φ(0)−ℜΦ(x)=∫E(1−cos(x∣y))dμ(y)
≤∫Bn21(x∣y)2dμ(y)+∫E−Bn2⋅dμ(y)
<Q(x)+ε
với mọi x∈E. Vậy b) được kiểm tra.
Q.E.D.
Hệ quả 1
— *Cho E1 và E2 là hai không gian Hilbert, u là một ánh xạ Hilbert–Schmidt từ E1 vào E2, và μ là một promeasure trên E1. Giả sử rằng biến đổi Fourier Φ của μ liên tục trên E1. Khi đó promeasure ν=u(μ) là một độ đo trên E2 được trang bị tôpô yếu.
Với các đồng nhất hóa của E1 và E2 với các đối ngẫu của chúng được đưa vào trong No. này, biến đổi Fourier của ν bằng Φ∘u∗, trong đó u∗ là liên hợp của u. Mà u∗ là một ánh xạ Hilbert–Schmidt từ E2 vào E1 (Phụ lục, No. 2), và do đó dạng toàn phương y↦∥u∗(y)∥2 trên E2 là hạch. Nếu (E2)S ký hiệu E2 được trang bị tôpô Sazonov, thì u∗ do đó là một ánh xạ tuyến tính liên tục từ (E2)S vào E1, và FV=Φ∘u∗ liên tục trên (E2)S; khi đó Định lý 3 cho thấy rằng ν là một độ đo trên không gian E2 được trang bị tôpô yếu.
Hệ quả 2
— *Cho Q là một dạng toàn phương dương hạch trên không gian Hilbert E. Promeasure Gauss ΓQ trên E có phương sai Q là một độ đo trên Es.
Biến đổi Fourier Φ của ΓQ bằng e−Q/2. Bây giờ, et≥1+t với mọi số thực t, do đó Φ(0)−ℜΦ≤Q/2. Vậy điều kiện b) của Định lý 3 được kiểm tra và ΓQ là một độ đo trên Es.
Nhận xét
— 1) Cho E là một không gian Hilbert, Es là không gian E được trang bị tôpô yếu, và j là ánh xạ đồng nhất của E vào Es. Người ta biết rằng j xác định một song ánh từ tập hợp các tiền độ đo trên E lên tập hợp tương ứng đối với Es. Hơn nữa, nếu E tách được, thì nó là một không gian Polish và j xác định một song ánh từ tập hợp các độ đo bị chặn trên E lên tập hợp các độ đo bị chặn trên Es (§ 3, No. 3, Nhận xét); có thể chứng minh (định lý của Phillips) rằng định lý này vẫn còn đúng nếu E không tách được. Do đó, Định lý 3 cung cấp các tiêu chuẩn để một tiền độ đo trên E là một độ đo.
2) Có thể chứng minh (Phụ lục, Bài tập 7) rằng tôpô Sazonov trên một không gian Hilbert E được xác định bởi các nửa chuẩn kiểu Q1/2 trong đó Q là một dạng toàn phương dương hạch trên E.
đúng với mọix1,…,xptrongGvà mọi số phứcc1,…,cp.
Khái niệm này sẽ được nghiên cứu chi tiết về sau.
Mệnh đề 11
— Cho E là một không gian vectơ hữu hạn chiều, μ là một độ đo bị chặn (dương) trên E, và Φ là biến đổi Fourier của μ. Hàm Φ là liên tục và có kiểu dương trên E′.
Người ta có thể chứng minh một mệnh đề đảo lại gọi là định lý Bochner: mọi hàm liên tục trên E′ có kiểu dương đều là biến đổi Fourier của một độ đo bị chặn (dương). (*) Chúng ta sẽ thừa nhận kết quả này trong phần còn lại của No. 12.
Định lý 4
— Cho E là một không gian lồi địa phương. Phép biến đổi Fourier là một song ánh từ tập hợp các tiền độ đo trên E lên tập hợp các hàm kiểu dương trên E′ mà hạn chế của chúng trên mọi không gian con hữu hạn chiều đều liên tục.
Ta biết (No. 3, Mệnh đề 3) rằng phép biến đổi Fourier là đơn ánh. Cho μ=(μV)V∈F(E) là một tiền độ đo trên E và Φ là biến đổi Fourier của nó. Cho T là một không gian con hữu hạn chiều của E′ và cho V là trực giao của T trong E. Có thể đồng nhất T với đối ngẫu của E/V; hạn chế ΦT của Φ lên T là biến đổi Fourier của độ đo bị chặn μV trên E/V. Theo Mệnh đề 11, ΦT liên tục và có kiểu dương trên T. Vì T là tùy ý, hiển nhiên là Φ có kiểu dương trên E′.
Ngược lại, cho Φ là một hàm kiểu dương trên E′ mà hạn chế của nó trên mọi không gian con hữu hạn chiều của E′ là liên tục. Với mọi V∈F(E), ta đồng nhất đối ngẫu của E/V với trực giao V∘ của V trong E′; hạn chế ΦV của Φ trên V∘ là liên tục và kiểu dương, nên theo định lý Bochner, tồn tại một độ đo bị chặn (dương) μV trên E/V mà biến đổi Fourier của nó là ΦV. Cho V và W trong F(E) sao cho W⊂V, và cho pVW là ánh xạ chính tắc từ E/W lên E/V; với các sự đồng nhất đã thực hiện, tpVW là đơn ánh từ V∘ vào W∘. Theo công thức (4) của No. 3, khi đó ta có
F(pVW(μW))=(FμW)∘tpVW=ΦW∘tpVW=ΦV=FμV,
(*) Vấn đề này sẽ được nghiên cứu trong một chương sắp tới của bộ sách Théories spectrales. Bạn đọc có thể tham khảo về chủ đề này cuốn sách của L.H. LOOMIS, Abstract harmonic analysis, Van Nostrand, New York, 1953.
do đó pvw(μw)=μv theo Mệnh đề 3 của No. 3. Do đó, họ μ=(μv)v∈F(E) là một promeasure trên E; hiển nhiên Φ là biến đổi Fourier của μ.
Hệ quả
— *Cho F là một không gian hạt nhân lồi địa phương đầy; trang bị cho F' một tôpô lồi địa phương T nằm giữa tôpô yếu σ(F′,F) và tôpô hội tụ đều trên các tập con compact lồi của F. Phép biến đổi Fourier là một song ánh từ tập hợp các độ đo bị chặn (dương) trên F' lên tập hợp các hàm liên tục kiểu dương trên F.