§ 1. Phép chập
1. Định nghĩa và ví dụ
Nhắc lại (Ch. V, §6, Nos. 1 and 4; Ch. VI, §2, No. 10) rằng, nếu X và Y là các không gian compact địa phương, μ là một độ đo trên X, và φ là một ánh xạ từ X vào Y, thì φ được gọi là μ-thực sự nếu: a) φ là μ-đo được; b) với mọi tập con compact K của Y, φ−1(K) là μ-khả tích thiết yếu. Khi đó độ đo ảnh ν=φ(μ) trên Y tồn tại và có tính chất sau: để một hàm f trên Y, nhận giá trị trong một không gian Banach hoặc trong R, là khả tích thiết yếu đối với ν, điều kiện cần và đủ là f∘φ có tính chất ấy đối với μ, trong trường hợp đó,
∫Yf(y)dν(y)=∫Xf(φ(x))dμ(x).
Định nghĩa 1
Cho X1,…,Xn là các không gian compact địa phương, μi là một độ đo trên Xi (1≤i≤n); đặt X là tích của các Xi, μ là tích của các μi. Cho φ là một ánh xạ từ X vào một không gian compact địa phương Y. Người ta nói rằng dãy (μi) là φ-khả chập, hoặc rằng μ1,…,μn là φ-khả chập, nếu φ là μ-thực sự; trong trường hợp đó, ảnh ν=φ(μ) của μ dưới φ được gọi là tích chập của các μi đối với φ, và được ký hiệu là ∗φ(μi)1≤i≤n, hoặc ∗i=1nμi, hoặc μ1∗μ2∗⋯∗μn.
Hai ký hiệu sau cùng dĩ nhiên chỉ được dùng khi không thể có sự nghi ngờ nào về φ.
Cho f là một hàm trên Y, nhận giá trị trong một không gian Banach hoặc trong R. Điều kiện cần và đủ để f khả tích theo nghĩa thiết yếu đối với μ1∗⋯∗μn là hàm
(x1,…,xn)↦f(φ(x1,…,xn))
khả tích theo nghĩa thiết yếu đối với μ1⊗μ2⊗⋯⊗μn, và khi đó
(1)∫f d(μ1∗⋯∗μn)=∫f(φ(x1,…,xn))dμ1(x1)…dμn(xn),
một công thức có thể được xem như định nghĩa của μ1∗⋯∗μn khi lấy f∈K(Y).
Các định nghĩa lập tức suy ra rằng các μi lấy tích chập được nếu và chỉ nếu các ∣μi∣ lấy tích chập được. Khi điều đó xảy ra,
∣φ(μ1⊗⋯⊗μn)∣≤φ(∣μ1⊗⋯⊗μn∣)=φ(∣μ1∣⊗⋯⊗∣μn∣) (Ch. VI, §2, No. 10), nghĩa là,
(2)∣∗iμi∣≤∗i∣μi∣.
Nếu các μi khả chập được và dương, và nếu νi là một độ đo trên Xi sao cho 0≤νi≤μi, thì các νi khả chập được và
∗iνi≤∗iμi.
Giả sử μ1,μ2,…,μn khả chập được, và μ1′,μ2,…,μn cũng khả chập được (μ1′ là một độ đo trên X1). Theo Ch. V, §6, No. 3, Hệ quả 1 của Mệnh đề 6, μ1+μ1′,μ2,…,μn khả chập được và
(μ1+μ1′)∗μ2∗⋯∗μn=μ1∗μ2∗⋯∗μn+μ1′∗μ2∗⋯∗μn.
Ví dụ
— 1) Với mọi φ, các độ đo εxi, trong đó xi∈Xi với 1≤i≤n, luôn luôn khả chập và có tích chập là εy, với y=φ(x1,x2,…,xn). Do đó, nếu mỗi μi đều có giá hữu hạn, thì các μi khả chập và μ1∗⋯∗μn có giá hữu hạn. Đặc biệt, cho M là một monoid1 được trang bị một tôpô compact địa phương; nếu lấy φ là luật hợp thành trong M thì các độ đo trên M có giá hữu hạn tạo thành, đối với phép chập, một đại số không gì khác hơn là đại số của monoid M (trên R hoặc trên C, tùy theo người ta xét các độ đo thực hay phức) (A, III, §2, No. 6).
2) Cho M là một monoïde được trang bị tôpô rời rạc; giả sử rằng với mỗi m∈M, chỉ có hữu hạn cặp (m′,m′′)∈M×M sao cho m′m′′=m; điều này có nghĩa là luật hợp thành trong M là một ánh xạ thực sự từ M×M vào M; khi đó các độ đo trên M lập thành một đại số đối với phép chập, một đại số không là gì khác ngoài đại số *toàn bộ
(1) Monoïde, theo nghĩa của Bài tập 17 của Ch. VII, §1.
của monoïde M (A, III, §2, No. 10); chúng tôi chú ý hai trường hợp đặc biệt sau:
a) M=N, với luật hợp thành là phép cộng. Với mỗi độ đo μ trên N, ta gắn cho nó chuỗi hình thức
S(μ)=n=0∑∞μ({n})tn
trong một bất định t. Khi đó S(μ∗μ′)=S(μ)S(μ′). Một nhận xét tương tự cũng đúng đối với các chuỗi hình thức theo một số bất định tùy ý.
∗b) M=N∗, luật hợp thành là phép nhân. Với mỗi độ đo μ trên N∗, ta gắn cho nó chuỗi Dirichlet hình thức
D(μ)=n=1∑∞μ({n})n−s.
Khi đó D(μ∗μ′)=D(μ)D(μ′).
3) Cho X,Y,Z là các không gian địa phương compact, φ là một ánh xạ liên tục từ X×Y vào Z. Nếu x∈X và μ là một độ đo trên Y, thì nói rằng εx và μ là φ-khả chập tương đương với nói rằng ánh xạ φ(x,⋅) từ Y vào Z là μ-thực sự. Khi đó ta có εx∗μ=φ(x,⋅)(μ).
2. Tính kết hợp
Bổ đề sau đây hoàn chỉnh Mệnh đề 11 của Ch. V, §8, No. 5:²
Bổ đề 1
Với 1≤i≤n, gọi Xi,Yi là hai không gian compact địa phương, μi là một độ đo trên Xi, và φi là một ánh xạ liên tục từ Xi vào Yi. Đặt X=∏iXi, Y=∏iYi, μ=⨂iμi, và φ là ánh xạ từ X vào Y bằng tích của các φi. Nếu φ là μ-thực sự và μi=0 với mọi i, thì các φi là μi-thực sự và φ(μ)=⨂iφi(μi).
Ta có thể giả sử rằng các μi là dương và n=2. Cho f1∈K+(Y1). Vì μ2=0, tồn tại một f2∈K+(Y2) sao cho f2∘φ2 không phải là μ2-không đáng kể. Hàm (x1,x2)↦f1(φ1(x1))f2(φ2(x2)) hầu khắp khả tích đối với μ và liên tục, nên khả tích đối với μ. Do đó tồn tại một x2∈X2 sao cho f2(φ2(x2))=0 và sao cho hàm x1↦f1(φ1(x1))f2(φ2(x2)) khả tích đối với μ1. Do đó f1∘φ1 khả tích đối với μ1,
²Bổ đề này suy ra bằng quy nạp theo phần b) của Mệnh đề 11 đã dẫn, tức là trường hợp n=2; kết quả tương ứng trong ấn bản thứ nhất của Ch. V (§8, No. 3, Mệnh đề 7) không bao gồm kết quả của phần b).
điều đó chứng tỏ rằng φ1 là μ1-thực sự. Ta lập luận tương tự đối với φ2. Khi đó φ(μ)=⨂iφi(μi) theo Mệnh đề 11 của Ch. V, §8, No. 5.
Bổ đề sau hoàn tất Mệnh đề 4 của Ch. V, §6, No. 3.\footnote{Mệnh đề của bổ đề này thực ra là phần b) của Mệnh đề 4 đã dẫn, một phần đã không được đưa vào trong ấn bản thứ nhất của Ch. V.}
Bổ đề 2
Giả sử T, T', T'' là ba không gian địa phương compact, μ là một độ đo trên T, π là một ánh xạ μ-đo được từ T vào T', π′ là một ánh xạ liên tục từ T' vào T'', và π′′=π′∘π. Nếu π′′ là μ-thực sự, thì π là μ-thực sự, π′ là π(μ)-thực sự, và π′′(μ)=π′(π(μ)).
Cho K' là một tập con compắc của T'. Khi đó K′′=π′(K′) là compắc, do đó π′′(K′′) là khả tích thiết yếu đối với μ, do đó π−1(K′)⊂π′′(K′′) là khả tích thiết yếu đối với μ, vì thế π là μ-thực sự. Khi đó π′ là π(μ)-thực sự và π′′(μ)=π′(π(μ)) theo Ch. V, §6, No. 3, Mệnh đề 4.
Mệnh đề 1
Cho Xij (1≤i≤m,1≤j≤ni), Yi (1≤i≤m), và Z là các không gian compact địa phương; với mỗi i, gọi φi là một ánh xạ từ Xi=∏jXij vào Yi; gọi φ là tích của các φi, ánh xạ X=∏iXi vào Y=∏iYi; gọi ψ là một ánh xạ từ Y vào Z.
(i) *Cho các μij lần lượt là những độ đo đã cho trên các Xij, sao cho, với mỗi i, các μij (1≤j≤ni) là φi-khả hợp, và sao cho các độ đo ∗∣μij∣ là ψ-khả hợp; khi đó các μij, với 1≤i≤m,1≤j≤ni, là (ψ∘φ)-khả hợp và
∗i,jμij=∗i(∗jμij).
(ii) Giả sử ψ và các φi liên tục, và cho các μij là những độ đo =0 lần lượt cho trên các Xij và khả hợp đối với (ψ∘φ); khi đó, với mỗi i, các μij (1≤j≤ni) là khả hợp đối với φi, các độ đo ∗j∣μij∣ là khả hợp đối với ψ, và công thức (3) đúng.
Chỉ cần xét trường hợp tất cả các độ đo đang nói đến đều ≥0.
Hãy đặt mình dưới các giả thiết của (i). Ánh xạ φ là thực sự đối với ⨂i,jμij, và
φ(i,j⨂μij)=i⨂φi(j⨂μij)=i⨂(∗jμij)
(Ch. V, §8, No. 5, Mệnh đề 11). Ánh xạ ψ∘φ là thực sự đối với ⨂i,jμij, và
(ψ∘φ)(i,j⨂μij)=ψ(i⨂(∗jμij))=∗i(∗jμij) (Ch. V, §6, Mệnh đề 4). Do đó các
μij (
1≤i≤m, 1≤j≤ni) là
(ψ∘φ)-khả chập và công thức (3) đúng.
Ta đặt mình dưới các giả thiết của (ii). Trước hết, Bổ đề 2 chứng minh rằng φ là thực sự đối với ⨂i,jμij. Khi đó Bổ đề 1 chứng minh rằng với mọi i, φi là thực sự đối với ⨂jμij, và rằng
φ(i,j⨂μij)=i⨂(∗jμij). Theo Bổ đề 2,
ψ là thực sự đối với
⨂i(∗jμij). Do đó suy ra mệnh đề.
Hệ quả
— Cho Xi,Xi′ (1≤i≤n), Y,Y′ là các không gian compact địa phương; cho φ,φ′ là các ánh xạ liên tục từ X=∏iXi vào Y và từ X′=∏iXi′ vào Y′, tương ứng; cho fi là các ánh xạ liên tục từ Xi vào Xi′ (1≤i≤n) và g là một ánh xạ liên tục từ Y vào Y′, sao cho φ′∘f=g∘φ, trong đó f là ánh xạ từ X vào X′ bằng tích của các fi. Cho μi là các độ đo được cho tương ứng trên các Xi, tất cả đều =0. Khi đó hai khẳng định sau là tương đương: (i) fi là μi-thực sự với mọi i, và các độ đo fi(∣μi∣) là φ′-khả chập; (ii) các μi là φ-khả chập, và g là thực sự đối với ∗φ(∣μi∣).
Hơn nữa, khi các khẳng định này được kiểm chứng,
∗φ′(fi(μi))=g(∗φ(μi))=∗g∘φ(μi).
Thật vậy, đặt h=φ′∘f=g∘φ. Theo Mệnh đề 1, mỗi điều kiện (i) và (ii) đều tương đương với điều kiện sau: (iii) các μi là h-khả chập. Khi điều đó xảy ra,
∗φ′(fi(μi))=∗h(μi)=g(∗φ(μi)).
3. Trường hợp các độ đo bị chặn
Mệnh đề 2
— Cho X1,…,Xn,Y là các không gian địa phương compact, μi là một độ đo bị chặn trên Xi (1≤i≤n), μ là tích của các μi, φ là một ánh xạ μ-đo được từ ∏i=1nXi vào Y. Khi đó các μi là φ-khả chập và
∥∗i=1nμi∥≤i=1∏n∥μi∥. Nếu hơn nữa các
μi là dương, thì
∥∗i=1nμi∥=i=1∏n∥μi∥. Thật vậy,
μi′=∣μi∣ bị chặn và
∥μi′∥=∥μi∥ (Ch. III, §1, No. 8, Hệ quả 1 của Mệnh đề 10). Ta có
∣μ1⊗⋯⊗μn∣=μ1′⊗⋯⊗μn′ (Ch. III, §4, Nos. 2, 4), do đó
μ1⊗⋯⊗μn bị chặn và
∥μ1⊗⋯⊗μn∥=∥μ1∥⋯∥μn∥ (sđd., Mệnh đề 4). Do đó
φ là
μ-thực sự (Ch. V, §6, No. 1, Nhận xét 1), nghĩa là các
μi là
φ-khả chập. Ta có
∥∗i=1nμi′∥=∥μ1′⊗⋯⊗μn′∥ (Ch. V, §6, No. 2, Định lý 1), do đó
∥∗i=1nμi′∥=∥μ1′∥⋯∥μn′∥. Sau cùng,
∣∗iμi∣≤∗iμi′ (No. 1, công thức (2)), do đó
∥∗iμi∥≤∥∗iμi′∥=i=1∏n∥μi∥.
Mệnh đề 3
— Cho X1,…,Xn,Y là các không gian compact địa phương, φ là một ánh xạ liên tục từ ∏i=1nXi vào Y. Khi đó ánh xạ
(μ,…,μn)↦∗φ(μi) từ
∏i=1nM1(Xi) vào
M1(Y) là một ánh xạ đa tuyến tính liên tục. Điều này suy ra từ Mệnh đề 2 và những gì đã nói ở No. 1.
4. Các tính chất liên quan đến giá
Mệnh đề 4
— Cho X1,…,Xn,Y là các không gian compact địa phương, μi là một độ đo trên Xi (1≤i≤n), Si là giá của nó, và φ là một ánh xạ liên tục từ ∏iXi vào Y sao cho hạn chế của φ trên ∏iSi là thực sự. Khi đó các μi là φ-khả chập.
Thật vậy, cho K là một tập con compact của Y. Giá của μ=μ1⊗⋯⊗μn là S=∏iSi (Ch. III, §4, No. 2, Prop. 2). Do đó φ(K)∩(∏iXi−S) là μ-không đáng kể. Mặt khác, φ(K)∩S là compact. Vậy φ(K) là μ-khả tích.
Mệnh đề 5
Cho X1,…,Xn,Y là các không gian compact địa phương, μi là một độ đo trên Xi (1≤i≤n), μ là tích của các μi, φ là một ánh xạ μ-thực sự của ∏iXi vào Y, và Si là giá của μi.
a) *Giá của ∗iμi được chứa trong bao đóng của φ(∏iSi).
b) Nếu φ liên tục và các μi là dương, thì giá của ∗iμi là bao đóng của φ(∏iSi).
Đặt S=∏iSi là giá của μ. Giá của ∗iμi được chứa trong φ(S) theo Ch. V, §6, No. 2, Cor. 3 of Prop. 2. Nếu φ liên tục và các μi là dương, thì giá của ∗iμi là φ(S) (loc. cit., Cor. 4 of Prop. 2).
Hệ quả
Nếu φ liên tục và các μi có giá compact, thì các μi khả tích chập được và ∗iμi có giá compact.
5. Biểu thức vectơ của tích chập
Mệnh đề 6
Cho X,Y,Z là các không gian địa phương compact, φ là một ánh xạ liên tục từ X×Y vào Z, và λ,μ là các độ đo trên X,Y. Để λ và μ là φ-khả chập, điều kiện cần và đủ là ánh xạ (x,y)↦εφ(x,y)=εx∗εy từ X×Y vào M(Z) là khả tích vô hướng đối với (λ⊗μ) theo tôpô σ(M(Z),H(Z)), khi đó
λ∗μ=∫X×Y(εx∗εy)dλ(x)dμ(y).
Nói rằng λ và μ là φ-chập được có nghĩa là, với mọi f∈H(Z), f∘φ là (λ⊗μ)-khả tích, tức là, với mọi f∈H(Z) hàm (x,y)↦⟨f,εφ(x,y)⟩ là (λ⊗μ)-khả tích, hay lại nữa, ánh xạ (x,y)↦εφ(x,y) từ X×Y vào M(Z) là khả tích vô hướng theo (λ⊗μ) đối với σ(M(Z),K(Z)). Nếu đúng như vậy, thì
⟨λ∗μ,f⟩=∫f(φ(x,y))dλ(x)dμ(y)=∫X×Y⟨εφ(x,y),f⟩dλ(x)dμ(y),
do đó λ∗μ=∫X×Yεφ(x,y)dλ(x)dμ(y).
Mệnh đề 7
Cho X, Y, Z là các không gian compact địa phương, φ là một ánh xạ liên tục từ X×Y vào Z, và λ,μ là các độ đo trên X, Y. Giả sử rằng với mọi x∈X, εx và μ là khả chập theo φ. Để λ và μ là khả chập theo φ, điều kiện cần và đủ là ánh xạ x↦εx∗∣μ∣ từ X vào M(Z) là khả tích vô hướng theo λ đối với tôpô σ(M(Z),K(Z)), khi đó λ∗μ=∫X(εx∗μ)dλ(x).
Giả sử rằng λ và μ là φ-khả chập. Với mọi f∈K(Z), f∘φ là (∣λ∣⊗∣μ∣)-khả tích, do đó hàm x↦∫Yf(φ(x,y))d∣μ∣(y)=⟨f,εx∗∣μ∣⟩ (mà theo giả thiết được xác định với mọi x∈X) là λ-khả tích; vì thế x↦εx∗∣μ∣ là khả tích vô hướng theo λ đối với σ(M(Z),K(Z)), và
⟨f,λ∗μ⟩=∫Xdλ(x)∫Yf(φ(x,y))dμ(y)=∫X⟨f,εx∗μ⟩dλ(x),
do đó λ∗μ=∫X(εx∗μ)dλ(x). Ngược lại, giả sử rằng ánh xạ x↦εx∗∣μ∣ từ X vào M(Z) là khả tích vô hướng đối với λ cho σ(M(Z),K(Z)). Cho f∈K+(Z). Khi đó hàm (x,y)↦f(φ(x,y)) là liên tục và (Ch. V, §8, No. 3, Prop. 5)
∬∗f(φ(x,y))d∣λ∣(x)d∣μ∣(y)=∫∗d∣λ∣(x)∫∗f(φ(x,y))d∣μ∣(y)=∫∗⟨f,εx∗∣μ∣⟩d∣λ∣(x)<+∞.
Vậy f∘φ là khả tích đối với (λ⊗μ), suy ra λ và μ là φ-khả chập.
Bài tập
Xem các bài tập cho § 1.