G. Fichera x E. Magenes (Eds.)
Integrali singolari e questioni connesse Lectures given at the Centro Internazionale Matematico Estivo (C.I.M.E.), held in Varenna (Como), Italy, June 10-19, 1957
C.I.M.E. Foundation c/o Dipartimento di Matematica “U. Dini” Viale Morgagni n. 67/a 50134 Firenze Italy
[email protected]
ISBN 978-3-642-10916-4 e-ISBN: 978-3-642-10918-8 DOI:10.1007/978-3-642-10918-8 Springer Heidelberg Dordrecht London New York
©Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 st Reprint of the 1 ed. C.I.M.E., Ed. Cremonese, Roma 1958 With kind permission of C.I.M.E.
Printed on acid-free paper
Springer.com
CENTRO INTERNATIONALE MATEMATICO ESTIVO (C.I.M.E)
Reprint of 1st ed.- Varenna, Italy, June 10-19, 1957
INTEGRALI SINGOLARI E QUESTIONI CONNESSE
E. Magenes:
Il problema della derivata obliqua regolare per le equazioni lineari ellittico-paraboliche del secondo ordine in m variabili ..........................................
1
G. Stampacchia:
Completamenti funzionali ed applicazione alla teoria dei potenziali di dominio ...................................... 53
A. Zygmund:
On singular integrals .............................................................. 69
S. Faedo:
Applicazione ai problemi di derivata obliqua di un principio esistenziale e di una legge di dualità fra le formule di maggiorazione ............................ 109
G. Fichera:
Una introduzione alla teoria delle equazioni integrali singolari ................................................................... 127
MAGENES, ENRICO 1957 Rendiconti di Matematica (3-4), Vol. 16, pp. 363-414
II problema della derivata obliqua regolare per Ie equazioni lineari ellittico-paraboliche del secondo ordine in m variabili (*) di ENRICO llIAGENES (Genova)
n. 1 Esempi intt·oduttivi. - Uno dei pitt importanti e prIml problemi cbe banIlo portato allo studio degli integrali singolari e delle equazioni singolari e it cosiddetto problema della derivata obliqua nella teoria del potenziale ordinario (v. ad es. [9aJ (i)). Esso cOIlsiste nel deterlllinare una fnnzione armollica u in Ull campo A dello spazio a 3 dimensioni quando sia assegnato sulla fl'ontiera .s di A it val ore della derivata secondo una direzione prefissata l, in generale variabile da punto a punto, cioe:
au = aI
(1)
h su 2
III ipotesi di opportulla regolal'ita sui dati del problema, cite per ora non e il caso di pl'ecisal'e, quando si cercbi la soluzione di (1) sotto la forma di potenziale di semplice strato
(*) Qllesta Memoria ripl'odnce IJrevemente Ie lezioni svolte dall' A. nel 2 0 cicIo di corsi del Centro Internaziona.le Matematico Estivo (CIME) tenuto a Val'enna dal 10 al 19 Gillgno 1957 sn «Integrali Bingo lad e qlteBtioni conneBBe ». (1) I llllmeri tra [] si riferisoono aHa bilJliografia finale della presente relazione.
1
2
[364]
ENRICO MAGENES
si e COlHlotti allo studio della derivata obliqua del potellziale (2) ed e facile, se cp e sufficientemellte l'egolare, trovare per questa derivata la formula limite: I,
(3)
1m
cos (n; , 1;)
. 0 1t (x) _
+
-----;;z; - -
2
(1:) cp s
+ J*cp ()y -0-40 (t , ,I}) d 0" 8
4
X~o (811 ttl; )
dove no e Passe normale a:4 nel punto ~ rivolto verso l'illterno di A e Pintegl'ale con asterisco e da intendersi q uale illtegrale prilleipale alla Canel.y, cioe come
, J
(4)
lun ,'0
,a 8 (~,
(p (y)
y)
a ll;
4-4.
Ii
0"
essendo :4 e la porzione di :4 clle si proietta suI piaHo tangen te a :4 nel punto ~ nel cercbio di centro ~ e raggio e (e> 0) (2). II nucleo 0 8
(~ ,
o 11;
Y) , salvo nel caso 1
non e sommabile su 2 esso
e nell'illtOl'110
di
~
=n
su 2 (problema di Neumann),
(come fUllziolle di y pel' ogni
~
fissato):
del tipo 0 ( 1 ) (3), ma tuttavia esiste il ~y2
limite (4). Si arri va COS1 per (1) allo studio dell'equazione integrale singolare - cos (nl; , 11;) cp (~) 2
(5)
+ J* cP (y) 0 s (~ , y) d Oy = h (~) 04
4
nell'incognita cp (~) • Un problema analogo a (1) puo porsi (ed e
(2) La (3) tl'ovasi per la prima volta l'ilevata esplicitamente in 'fl'icomi [21]. (3)
fine
Indichel'emo
C01l 0
~he 1+1 e intinitesimo
e () i simboI'i di Landau; v e v = 0 (t) che
2
= 0 (t)
1~ 1e limitato,
signitichel'a dun-
[365]
II problema della derivata obliqua ecc.
3
Si supponga che A sia un campo delimitato da una base iuferiore ~(2) posta suI piano Xa = 0, da una base superiore ~(1) posta suI piano Xa = to (to> 0) e da una superficie laterale ~(a) avente piano tallgente non caratteristico, cioe non parallelo al piano (Xi' X 2 ); (per es. A potrebbe essere un cilindro retto di direttrice Passe xa); e si cel'chi una soluzione di (6) la quale soddisfi anche aIle condizioni u
=
0 su
~(2)
e
au
al
=
h su
~(a)
essendo l un asse assegnato per ogni ~ di ~(2) e parallelo al piano (Xi' X 2 ) e h funzione pure data su ~(3). Se si cerca la soluzione nella classe dei cosidetti «potenziali di semplice strato del calore» u (x)
=
j cp
(,lI) s (x , y) d Oy
~(3)
dove s (x ,y) e auche qui la soluzione fondamentale di (6), cioe
o (7)
S
(x, y)
\
= ,
-
(Xl - YlI'
+ (x, -
y,)'
4 (X3-Y3)
I ~ e_ _~_----:-_ \ 4n
per xa
(xa - Y3)
> Y3
si trovano (come si vedra pili esattamente nel n. 11), se cp e sufficientemente regolare, la formula limite analoga alIa (3)
(8)
I ,lIn
+) x~g(su v<
au(x)_ -
-- -
a 19
cos (1I;,ll;) cp (1:) s2 cos 2 (ng ,'JI~)
------
-
I-j*cp I(3)
()as(~'Y)d y . oy • a l<
e l'equltzione integrale analoga alIa (5), dove 'JI~ e la «conormale» in ~ e l'integrale con asterisco e da intendersi come
'J'* cp (y) -a s-a(~,, -y) d
lIm
£-.0
I;
I(3L~£
3
(jy
4
[366]
ENRICO MAGENES
essendo ~. la porzione di ~ (3l, che si proietta suI piano tangellte a ~ (3) nel punta ~, nella regione elelimitata
e.
n~
mentale: s (~ , y) = lIa
10
~ (s > 0) (4) 4ns
(si osservi cbe anche nella
(4),~.
1 1 stesso siguificato relativo alia soluzione fondamentale - =). 4n xy
11 nueleo a s (~ ,y) non
a l~
e sommabile
e si tratta dun que anclle
ora di un integrale singolare; rna la siugolarita di •
+ (~~ -
,
(';, -y , 'i'
+ (';,-y,)'
a s (~ ,y)
a l~
I
, c Ie
- 1
e di tipo ltS(~3 - Y3)~ ) sai diverso da quell a tl'ovata lIel primo esempio, e di cOllseguenza d i verso risulta l'integrale principale reJati vo. N el n. 11 tOl'lleremo pili diffusamente su questo problema di derivata obliqua per equazioni paraboliche e sugli integrali principali eonllessi. Per ora ci e sufficiente aver segualato questi due esempi di pl'oblemi di del'ivata obliqua e Ie 101'0 relazioni con la teol'ia degli integrali singolal'i e delle equazioni integrali singolari. Scopo pl'ecipuo delle presellti lezioni e illfatti l'imposlazione genemle del problema di derivata obliqult pel' equazioni lineari del secondo online di tiro eliittico-paralJolico e 10 studio pili specifico nello spazio a un numero qualunque di dimellsioni del caso cosiddetto «regolare », con pal'ticolare l'ifel'imento aIle eqnazioni totalmente ellittiche e a quelle paral>oliche «del tiro del calol'e ». Studieremo il problema per vie diverse, in particolare senza far nso della teoria degli integl'ali e delle equazioni illtegrali siugolari, rna mettendone pero in luce Ie l'ecipl'oche relazioni, in modo da ottellere cosl anclle risnltati circa quest'ultima teoria. l'isulta essere 0
W'l -
YI)2
(
YZ)2 13-
-4 i $3-11,-)
n. 2 Impostazione del problema di det'ivala obliqua per l'equazione ellittico-parabolica del secondo ordine, Sia A ~lJ1 campo limitato (4) La onrva <3.;, se su "'; si introduce nn opportuno sistema di assi (V., v2) di origine ~ viene ad avere Ie eqnaziolli parametriche :
! VI
=
v2
=-
2 E sen () e~
V:g \e sen-
sen 2 ()
4
Il problema della derivata obliqua ecc.
[367]
5
e l'egolare dello spazio 8". a m dimeusioni, tale che Ill, sua frontiera ~ sill, formuta au Ull nnmero finito eli pOl'zioni di ipersuperficie l'egolal'i di classe 0 1 (5), ~1"'" ~r aventi a comune due u dne ~ll pin punti del 101'0 bordo. Per ogni pUlltO di ~i (i = 1 , ... , t·) che 1I0ll sill, suI bordo
coefficienti
COil 0(2)
(A
+ ~),
sia in A
+
~
1,tu
~ ahk ([I:) Ah }'k
ahk
(m), bh (x) e c (x) rispettivamente di classe
e 0(0) (A +~) e si supponga che esso ellittico-parabolico, cioe che Ill, forma quadrutica
0(1)
(A +~)
"m
nelle vuriabili reali Ai"'"
h,k
sia definita
0
semi-
+ .
definita (positiva) per ogni x di A ~ Vediamo come si possa impostare il problema di derivata obliqua pel' l'equazioue E (u) = f segnendo Ie idee di un recente lavoro di G. FICHERA [6c]. Ricordiamo anzitutto che dicesi ilJe1'Piano c(u'atte1'istico rispetto a E (u) neI punto x un iperpiano tale che i coseni direttori della sua normale N verificano l'equazione 1, ".
~ ahk (x)
cos
(Xh ,
N) cos
(Xk ,
N)
h,k
=
0
Indichiamo allora con ~i (i = 1 , ... ,r) l'insieme dei punti di nei quali l'iperpiauo tungellte e cal'atteristico rispetto a E (It); e iutl'oduciamo poi la fUllzione
~i
b (X)
=
I,m ~ h
l
bit (x) -
aXk(X)] cos (Xh'
1,,,. aa'hk
~ 7£
n)
(5) Nel presente IlHoro iliremo che una fnnziolle It (x) ilefinita in un insieme I appartiene rispettivamente aHe classi .J}p) (I) (p 0), dO) (I), CO,h (I), oC'·) (I) (r intero positivo), Cr,h (I) se e riSl'ettivament,e ili potenza p-esima sommabile in I, continua ill I, holcleriana in I, continlla con Ie derivate fino all'ordine " in I, hiiltlel'iana con Ie ilerivat,e fino all'ordin6 ,. in I. Una porzion6 di ipersuperfide regolare si dira poi di classe Cr se per ogni S110 punta esiste un intorllo rappreselltabile parametricmnellte COil fllllZiolli eli classe cl r ) (I).
>
5
6
[368]
KN1UCO MAGENES
la quale e definita in tutti 1. punti di ogni :2; (i = 1 , ... ,r) che non siano suI bordo di :2i e pub per continuita prolungarsi in tutto :2;. Detto infine :2~1) l'insieme dei punti di :2i in cui risulta b (x) ~ 0 poniamo
on de :2(1) , :2(2) , :2(3) esauriscono :2 e non hanno a due a due punti comuni. Ii problema di derivatlt obliqua per l'equazione (10)
E(u)=J
e allora
il segueute: Supposto :2(3) non vuoto e fissati la funzione ex su :2(3) e Passe per ogni punto di :2(3), determinare una soluzione u della (10) che verifichi Ie condizioni al contorno:
u=
(11)
au + ex tt = az
(J 2)
dove
su
#2
# 2 '
h e
1
It
:2(2)
su
,.;;,~\' 3)
J sono funzioni assegnate rispettivamente su
:2(21, :2(3)
eA. Se Passe l e in ogni punto penetrante in A diremo che iI problema e « regolare ». Naturalmente occorre, per completare I'enunciazione del problema e stabilire se esso sia «ben postO» nel senso di Hadamard, precisare in quale classe di funzioni va cercata la soluzione e in che senso essa verifica Ie condizioni (11) e (12). Ma cib dipendera volta per volta dall'operatore e dalle ipotesi fatte sui dati del problema e non si potra pretend ere una teoria abbastanza generale del problema se non limitandosi in un primo momento alIa ricerca di una soluzione «debole» dello stesso. E comunque interessante osservare anzitutto come nella formuhtzione del problema rientrino i problemi di del'ivata obliqua fino ad ora cOllsiderati della lettel'atura e precisamente i due casi delle
6
[369]
11 problema della derivata obliqua ecc.
eq uazioni totalmente ellittiche forma
I ,m
~ ilhk (x) Ah Ak h ,k
7
pili semplicemente, ellitiiche (Ill,
0,
definita P9sitiva per ogni
x
di A
+~)
e delle
equazioni paraboliche «del tipo del calore» (cioe della forma
E (u) =
1 ,,,,-1
~
h ,k
ahk
(x)
a2 1l (x) 1, ,,,-1 OU aXh aXk + ~h bh (x ) uXh + C (x) tt (x) -Cl-
-
-
ott
ax",
dove Ia parte dell'operatore che non contielle derivate rispetto ad x", e totalmente ellittica rispetto a (Xl, ... ,X"'-I) per ogni x.,,}. Nel primo caso si ha, ~(3) = ~; nel secondo ca.so ~(1 ) e costituito dai punti di ~ in cui Ill, normale n e parallela e di verso opposto all'asse x.", melltre ~(2) e formato dai pUllti nei quali la norm ale n e parallel a ed equiversa a x"•. In particolare rientrano nel nostro problema i due esempi del n. 1. Anclle nei due casi predetti il problema e pero fino ad ora ben lungi dall'essere compiutamente tmttato. Pel' l'equazioue ellittica il problema generale e stato studiato a fondo nei lavol'i di A. LIENARD, G. GIRAUD, e della scuola 1'l1SSa di N. J. MUSHELIVILI solo nel caso 111 = 2 (si veda il corso parallelo svolto dal prof. FICHERA) ma nel caso m > 2 Funico problema trattato finora e quello «regolare» (si vedano pili avanti inn. 3-8). Ancor meno si conosce finora pel' Pequazione del tipo del calore (v. n. 11); una trattazione esauriente e nel solo caSo «regolare », e contenuta in un lavoro di M. PAGNI [18] del quale diremo nel n. 11. Nei numeri seguenti noi cercheremo di dare una trattazione completa del problema «regolare» in m variabili; perverremo dapprima ad alcuni nuovi risultati nel caso dell'equazione generale ellittico-parabolica ed espol'remo poi nel caso ellittico e in quello parabolico «del tipo del calol'e» i l'isultati pili precisi finora noti.
n. 3 Il problema «regolare » per l' eqnazione ellittico-parabolica: f01'1Il1lta di Gt'een e pt'imi te01'emi di unicita. Pl'ecisiamo anzituito ulteriormellte Ie ipotesi sui dati del problema. Illdicllel'emo con ~ (i) (i = 1,2,3) l'illsieme di ~ (i) e dei suoi punti di accnmnlazione. SUpporremo senz'altl'o d'ora innanzi per semplicita che i ~(i) siano costituiti da llll'unica pOl'zione di superficie l'egolal'e di classe 0 (2) . Suppol'l'emo inoltre che Passe 1 sill, definito in tutti i punti ~ di ~ ( o ) , abbia i vi i coseni direttori di cIa sse C (I ) (~(3) ) e sia sempre pene-
7
8
[370]
ENRICO MAGENES
+
+
trante in A S(l) S(2) (6). Infine faremo su IX Pipotesi che sia definita e continna su S(3). Indichiamo con C (E) la classe delle funzioni 1t definite e con-
+S A +S
insieme alla deri vata 8 U se bh non e identicamente 8 Xh , 8 1t 8 1t 82 1t nullo in e insieme alle derivate - , ~ , 8 se ahk 8 Xh u Xk 8 Xh Xk non e identicamente nullo in A S _ E noto (v. ad es. M. Picone [19]) che per ogni coppia di funzioni 1t e v di C (E) sussiste la seguente formula di G1'een tinue in A
+
Jru E* (v) - v E (u)] d x
(13)
A
= Jb It v d a + ~(1)+~(2)
+ J~ a(l) v 8-a l 1t
~V a O,) u ~
82
+
b(l) 1t
v
}
2a
~(3)
col seguente significato dei simboli: a) E* (v) e l'operatore aggiunto di E (u) :
1 (l
I,m
(si osservi che a(l) > 0) cos ,n h,k c) 2 e Passe «coriflesso» di l uni vocamente determinato insieme ad a e?) , in funzione di l, dana posizione b)
a(l)=
a(?)
) Sahkcos(Xh,n) cos (xk,n)
cos (Xh ,2)
=
l,tn
2 S ahk cos (XI> , n) -
a(l) cos (Xh , l)
k
d) bel) = b - fill) essendo fill) una opportuna funzione determinabile in fllnzione di l e indipendente da u e v (v. con precisione ad es. [19, pag. 741 e seg.]) di cui qui interessa rilevare solo che e funzione continua su S(3). Oi proponiamo ora eli stabilire un teorema di unicita in C (E) per il problema «regolare» come e stato precisato lIel presente nu-
(6) Cia significa che i pnnti di I snfficielltemellte vicini a sitivo di I appartengono a A I(l) + I(2) •
+
8
~
Bel verso po-
Il problema della derivata obliqua ecc.
[371]
9
mero. Premettiamo anzitutto il seguente teorema, gia di per se 110tevole perche estende a lle eq nazioni ellittico-paraboliclte un risultato ben !loto nel caso ellittico e !leI caso parabolico del tipo del calore; per risultati analoglli e per il procedimento cIJe adopereremo si veda la memoria [6c] di G. ]'ICHERA.
<
=
+ ,
I: Se e c (x) 0 in A ~ per" ogni soluziolle della 0 appartenente (llla classe 0 (E) 1"isulta
TEORl<jMA
E (u)
max lu (x) I = max I u (x) I
(14)
A+~
~(2)+~(3)
Sia p un intero positi vo pari e v una fissata funzione della cIa sse 0 (E) (0 pin in particolare di classe 0(2) (A 2:) tale che:
v = 0 su
(15)
<0
v
2:(3),
in A
+
~(3)
+ +
2:(2)
La (13), scritta relativamente alIa coppia di funzioni uP e v, diviene:
E~ (v) + P c v) d x =
Ju p 1 A
J P (p
~ 1) V u p - 2 r (u) d x +
A
+ Ib v uP d a + Jb v tt Pd 0 ~(1)
~(2)
fa(Al
uP
~ ~ IZ a
~(3)
dove
e r(tt)
=
a tt a It a xh a Xk
I,m
2:
h,k
(Ihk -
Per Ie ipotesi fatte e per Ie (15) si ha all om
JUP[Et (V)+PCV]d,V<Jbvupda- Ja(A)Up~~ do
(16)
~,2)
A
~i:i)
+
Indichiamo con Ie l'insieme dei punti di A distanza < e. La (16) pub scriversi :
Ju p [Et
(v) -
aventi da
pc v] d x:::::: - Ju p Et (v) d x - J1' tt P Cv d x +
A-~
~
+ fb v tt Pd a - Jb a(J.) uP ~(2)
2:
:
~
~ Ii a < -
+ fb v d uP
~(2)
Jup lct Cv) d x Ie
~(3)
fa!!.l uP ~ ~ da
0 -
~(3)
9
+
2:(3)
10
[372]
ENRICO MAGENES
~
Perla eontinuita delle funzioni Et (v) , b v , alA) 0
OA
nei rispettivi
insiemi di definizione e possibile determinare una eostante K indipendente da u, p e (! tale eIte: Ju p lEt (v)
+ pc v] d x <
K { max lt P
A-I
+ max uP + max uP I
I(!
2'(2)
j
2'(3)
(!
:::;;;; 3 K max uP Ie+2'(2)
Fissato (! e possibile determinare un Pe tale ehe pel' ogni p riesea, in A - Ie, E~ (v) pc v:;:::: 1 e quilldi:
+
1
Elevalldo ad - , passando al limite 11 II
= , si
> Pe
ottiene, pel'
Ull
noto teorema di RLEsz, max 11t I < max I u I A-Ie
e quindi, al limite per
e-
Je +2'(2)
0, si 1m:
max I u I
<
A+2'
lIIax 1 1£ I 2'(2)+2'(3)
da cui la (14). Si puo di qui facilmente ricavare un teOl'ema di unicita per il problema di derivata obliqua «regolare»:
+
<
TEOREMAII: Se c (x) 0 in A ~ e IX (x) junzione u E C (E) soddisjacente alle condizioni : E (u) 8U
~(2), ~ 1; + IX U =
0
8U
~(3), e identicamente
Infatti se u non fosse = 0 iu A. rebbe Ull puuto Xo di ~(3) tale cIte max I u (x) I =
A+2'
10
+~
< 0 in =
nulllt
~(3),
0 in A ,
in A
It
ogni
=
0
+~.
pel' il teorema I esiste-
I u (xo) I =F
0
[373]
II problellla della derivata obliqua ecc.
Se fosse
se fosse u (xo)
t£
(xo)
>0
<0
11
si avrebbe
si avrebbe invece
+
+
In ogni caso, essendo l penetrante in A. 2'(1) 2'(2), si avrebbe un assurdo. Se l'equazione e ellittica 0 parabolica «del tipo del calore» il teorema di nnicita puo essere generalizzato; i risultati ill proposito sono assai noti e ci limiteremo qui a enunciarli.
e
TEOREMA III (si veda ad esempio [16a, pag. 8]). Se E (u) elWtico, c (x) ::;;: 0 in A. +.2' e IX (x) ::;;: 0 au .2' (si ricordi che e ora .2'(3) =.2') Nenza cite siano entrambe identicamente nulle, ogni funzione
u di C (E), soddiafacente aUe E(u)
e identicllmente
=
0 in A., :
~£ + IX U =
=
0 au 2',
nulla in A. + 2' ; ae invece risulta c (x) 0 in A. + .2' e IX (x) - 0 au .2' allom 7£ (x) e coatante in A. + .2' . Si osservi anche che il teorema III vale in una classe pin vasta di C (E): precisamente basta cbe usia di classe C (E) in ogni do-
e
minio interno di A., sill, continua in A +.2' e abbia derivata : ; in oglli punto di .2'.
e
TEOREl\!A IV. (si veda ad esempio [19, pag. 715J). Se E (u) parabolico «del tipo del calore» e IX (x) < 0 su .2'(3) ogni funzione tt di C (E), aoddisfiwente aIle E (u) = 0 in A, tt = 0 su .2'(2),
.au + IX U = 0 au .2'(3) e identicamente nulla in A. + .2'. iJl Anche questo teorema vale in ipotesi pin generali per tt, analoghe a queUe sopra viste per il teorema III. Problema aperto e interessante e la generalizzazione del teoremall ill modo da otten ere un risultato cbe comprenda fra l'altro i teoremi III e IV 0 in ogni caso perfezioni il teoremall ; e gia sarebbe interessante fermarsi a considerare classi di operatori parabolici che non siano «del tipo del calore ».
11
12
ffiNRICO
[374]
MAGffiNffiS
n. 4 Il problema «regolal'e» per l'equltzione ellittieo-parabolielt da.l pnnto di 1,ista. delle soluzioni «deboli ». Mantelliamo in questo Ilumero Ie ipotesi fatte nei Ull. 2 e 3 e poniamoci Ill, qeestiolle dell 'esistellzl1 di ulla SOlllziolle ~ debole» del problema. TornH assai semplice studiare tale qnestione secondo Ie idee di recente esposte da G. FICHERA nella memoria gill, citata [6c] e anche in lavori precedenti [6b]. Supponiltmo anzitutto eke i dati j, P2 e h siano 1'ispettivamente di elasse £ (2) (A), £ (2) (I(2 )) e £ (2) (I (3)) . Poniamo poi la seguellte DEFINIZIONE: Unit junzione 1t (x) E £2 (A) si dira soluzione « debole» del problema «l'egolal-e» (17)
E(lt)=/
(18)
It
= P-2
su
(19)
Jlu
E*(l') dx -
A
J
-alau +
I (2) ;
se esistono duf. junzioni
Pi E 2 (2)
b V P-I do
f A
,
A'
IX 1t
(I(l )) e P-3
+ JP-
I (1)
=
ill
3
= h
E £ (2)
llt(},) :~ -
su
I (3)
(I (3)), tali ehe t'isulti
[b ,l) -IX aU)]
t'l do =
I (3)
v j dx
+ Jb
V
P2 do
I (2)
+
f
a(l) h v do
I (3)
per ogni vEe (E) • Ad un teorema di esistenza della soluziolle «deboIe» si pui> giullgel'e applicalldo un priucipio geuerale di analisi fUllziouale dovuto a G. FICHERA. [6b], che e qui Oppol'tuno richiamare bl'evemeute. Sia V nna varieta lineal'e rispetto al corpo reale (0 complesso) e siano definite in V due trasformazioui lineari MI (v) ed M2 (v) aventi codominio rispettivamente in due spazi di Banach 03 1 e 032 reali (0 complessi). Sia qJ un assegnato funzionale Iineare e coutinuo definito in 03 1 e consideriarno l'eq uazione funzionale (20)
iP [Mt (v)] = 'P [M2 (v)]
nell'incognita 'P, funzionale Iineare e continuo definito Si ha il seguente:
12
ill
032 ,
[375]
13
Il problema della derivata obliqua ecc.
TEOREMA V: Condizione necessarin e sufficiente affinchc) assegnato C01nltllqlle t:]) esista una soluzionc lJ' della (20) c che esista una costante 7c tale che
111111 (11) II <
(21)
Soddisjatta let (21) esiste
k
II
M2 (v)
I
per oglli v E V.
801uzione lJ' tale che
1m(l,
e ogni altm solllzione si ottiene aggiungelldo ad essa 1m junzionale ol'togonale al codominio della tmsjonnazione Ji 2 (v) • Iudichiamo cou V Ia varieta delle fuuziolli v E C (JiJ), con 93. 10 spazio hi Ibertiano com pIe to dei vettol'i a tre componenti (f, 112 , h), dove j E 1](2) (A), 112 E 1](2) (2'(2)), h E 1](2) (2'(3)), con 932 10 spazio hilbertiallo cOlllpleto £lei vettori a tre componeuti (u, Ill' 1l3), dove It E 1](2) (A), III E 1](2) (2'(1)), 113 E 1](2) (2'(3)) . Siano 11'11 (D) e 1112 (11) Ie trasfOl'lllazioni
In virtu del teorema V Pesistenza di una soluzione « debole » del problema (17) - (18) per oglli tel'lllt di dati (f, 112 ,h) san\ allora pl'ovata qualora valga la seguente formula di maggiorazione per oglli vEC(E):
(22)
(J
1
v2
da:y +
A
(J (b
1
V)2
Ii
aY+
I~
(J
1
(a(l) V)2
~~
con k costante indipelldente da v. Ebbene, posto c* (x)
=
day <
c (x) -
facilmente dimostrare il
13
1. ...
2' h
Bb/i (x)
-Q'-
UXh
ahk (x) + h,k2' aB asi Xh X," 1,»>
2
puo
14
ENRICO
TEOREMA
[376]
~fAGENES
VI: Se esiste una funzione wE 0 (E) tale che
+ c*w > 0
in
A+~
(23')
w:::;;:O
in
A+~
(23")
w<-Ibl
su
~( l )
su
~(3)
(23)
/'J(w)
aw aU) - al
(23"')
(b CI) -
IX
a(!)) w
>0
+
~( 2 )
allora vale la (22) per ogni v di 0 (E) e qnindi esiste almeno una soluzione « debole » di (l7) - (18), qMlttnqne siano f E 2 (2) (A) , fl2 E 2 (2) (~(2 )),
h
E 2 (2) (~C 3))
.
La validita della (22) e, nelle ipotesi fatte Sll w, una facile conseguenza della formula di Green (13) del n. 2 scritta ponendo w al posto di II e v 2 al posto di v. E bene mettere in evidenza il COROLLARIO: Se a(l) > 0 sn ~(3) , IX <0 su ~(3) e c (x) < - M in A ~ (essendo M una costante positiva opportunamente g1'ande) allm'a la funzione w soddisfacente alle (23) ••. (23 '11 ) esiste certamente e quindi esiste la solttzione «debole» per ogni terna (f, fl2 , h) , Si prenda infatti, come e ora possibile essendo a CI) 0 SU ~ (3), UIla funzione w E 0 (E) e tale che
+
>
10
<0
in A a CI)
+~, oW _ a1
w
< - I b I su
b(!) w
>0
~(l )
+ ~(2)
SU ~(3)
La (23"1) e verificata di conseguenza essendo IX < 0; e se c < - M , con M sufficieIltemente grande, e ovvio che w veri fica anche la (23). Si osservi a proposito dell'ipotesi a CI) > 0 su ~(3) che essa in sostanza si riduce a supporre a l l ) > 0 suI bordo di ~ (3), perche Ilegli altri punti di ~ (3 ) (t CI) e gia in ogui CaSo positivo, per il modo come e definito (v. n. 3). Si pub ora porre la q llestione deli'uuicita della soluzione « debole» cosl trovata; il problema e aperto, e in particolare e aperto il problema di sapere se nelle ipotesi del teorernR II del n. 3, ill cui c'e I'lIl1icita della soluzione nella classe 0 (E), c'e anche l'uni-
14
II problema della derivata obliqua ecc.
[377]
15
cita della soluzione «debole ». Possiamo solo osservare che dal teorema V di Fichera segue cue l'unicita della soluzione «debole» equivale ad un teorema di completezza hilbertiana e precisamente: TEOREMA VII. Oondiziolle necessaria e sufficiente per l'unicita della soluzione «debo1e» di (17)-(18) e cite i vettot'i di componenti
E'" (v) -in A , a(!.) : ~ - (b(l) - " a(l)) v su ~(3), b v su ~(1) costituiscano una base ((1 varia1'e di v in 0 (E) per lo spazio d-i Hilbert dei vettod di compollenti j~ di c1asse £ (2) (A) , f2 di c1asse £ (2) (~ (2)), e b f3 di c1asse £ (2) (~ (ll) • Ritorneremo in segui to nel caso totalmente ellittico e parabolico del tipo del calore suI problema dell'unicita. Altri problemi interessanti e tllttora aperti relativi aIle soluzioni «deboli» sono i seguenti. Vuso del principio esistenziale del FICHERA (teorema V) permette di studiare il problema (17)-(18) quando esso sia risolubile pel' ogni terna (f, f-l2' It) dei dati e dunque in ipotesi presumibi1mente di unicita. In generale pero non ci si trovera in queste condizioni, ma e p1'esumibile che debba val ere un teorema deIl'alternati va. Come e d'abitudine ill q uestioni di questo tipo si puo aUora t.entare, una volta risolto il problema nei casi di unicita, di tradurl'e il caso generale in un'equazione funzionale del tipo di Riesz. Ma la cosa potra presentare difficolta. Una nuova via utile da seguire peril conseguimento del teorema dell'alternativa puo essere anche l'uso di un principio esistenziale di S. FAEDo [5], estensione del teorema V sopradetto; rna per esso e per la sua applicazione al problema (17)-(18) si veda la conferenza di S. Faedo unita al presente corso. Prima di chiudere questo numero sullo studio esistenziale del problema (17)-(18) dal punto di vista delle soluzioni deboli e necessario segnalare due recenti iJlteressanti lavori di J. L. LIONS [12a,b] sull'esistenza di una soluzione debole divel'sa da quella da noi introdotta; in essi il problema regolare e studiato addirittura per equazioni d'ol'dine qualunqae, trattasi pero dei soli casi delle equa~ioni ellittiche e di una classe particolare di quelle del tipo del cal ore e 10 studio delle condizioni al contorno e fatto in modo menD preciso di quanto noi fal'emo !lei seguenti n. 5. e 8 per la soluzione da noi considemta (*),
c) Dnrante la.vOl'O
la correzion e d elle lJozze 8000 venuto a conosce ll7.a di nn llUOVO di J. L. LIONS, che nscira sni Reports dell'University of Kansas, Lawrence,
15
16
[378J
ENRICO MAGI<;NES
n. 5. Il caso dell' equazione ' ellittica: «regolarizzazione » della soluzione debole, il teorema di inversione della /ol'muladi Green. Nel n. precedente abbiamo considerato l'esistenza di una soluzione «debole» del problema. Sipone ora la q uestione di vedere se essa e auche solllzioJle «forte», cioe se possiede ulteriori p1'oprieta di rf'golarita, clle dipellderallJlo ovviamente dal tipo di operatore differen~iale COli sid erato. II problema e quanto mai complesso in generale. Oi limiteremo percio a studiare il caso ellittico e quello parabolico del tipo del calOl·e. Iniziamo dal caso ellittico; in q uesto caso .s(3) coincide con tutto .s, cLe suppol'remo dUllque per semplicita essere un'unica superficie regolal'e di classe 0 2 • Malltelliamo anche Ie altre ipotesi fatte lIei 1111. 3 e 4 sui coefficienti eli E (u) e snll'asse 1 e su a. II problema regolare diventa ora (17) jiJ(u)=fin A
au at + ex
(18')
It
= It sn
.s
>
Osserviamo che ora risuHa aU) 0 in tutto del teorema VI ci assicura dUlIque la validita del
e
.s.
II corollario
TEOREMA VIII. Be E (u) ellittico in A .s , a < 0 su .s e c (x) M Slt A .s (con J;1 sujficientemente grande) esiste lt1la 80lttzione debole del problema «1'egollt1'e» e precisa,mente: assegnate comltnqne due junziolli j E 2 (2) (A) e It E 2 (2) (1:') esistono in con'ispondenza due funzioni It E 2(2) (A) e fh E 2(2) (1:') tllli cite 1'isulti
+
<-
(24)
r
tlZJ
~
It v
+
d a + fIV d x
=
A
J [nl!.) : ~ J fh
~
_(l!lll-OGa(l))V]da+
uE*(v)dx
A
per ogni v E 0 (E) . La «regolarizzazione» di tale soluzione «debole» nell'interno di A , cioe 10 studio delle proprieta differellziali di u nell'interno di A e nn fatto ormai ben noto, trattandosi di un'equazione eUittica; esso lion e legato aHe cOlldizioni al contorno ed e comune agli alt1'i problemi al contorllO (problema di Dirichlet e di Neumann o misto). Non ci soffermeremo percio sn di esso rimandando per june 1957, nel qllale il problema regolare per Je equazioni paraboliche del tipo del calore in domini cilindl'ici e studiato dal punto di vista esistenziale mediante un pl'ocedimento, introdotto per 10 studio dei problemi di propagazione per la prima volta da S. FAEDO.
16
II problema della derivata obUqua ecc.
[379J
17
notizie piu precise e indicazioni a [13d]. Oi limiteremo solo a osservare che, usando ad esempio i ragionamenti svolti da L. Amerio in [1], si puo dimostrare cLe se u e soluzione «debole» del problema, essa vel'ificft allebe Ie seguenti jot'mule di Green: (25) It
(25') -
(x) = _ 0-
[b(l) (y) -
!J
j(y) s (x, y) d Y
-
+ Jfl (y) I
A
til)
(y) a Sa(~~ y) -
:E
a (y) n U) (y)] s (x , y)} d Oy
-I
n(l) (y) h (y) s (;v , y) d Oy
:E
rispettivamente per x quasi,ovunque in A e pel' x esterno ad A, dove s (x ,y) e ulla soluzione fondamentale dell'equazione E (u) =0 ; dunque in partico]are se jE £,(2) (A), ?t ha derivate seconde di qua(Zt'ltto sommabile in ogni dominio intM'no ad A e verijiclt quasi ovunque in A l' equazione E (It) = j, se j e inoltre localmente hOlilerianlt in A, u ha derivate seconde' loclllmente hOlder'illne in A e verijica la E (u) = j in ogni punta di A . Questa osservazione e assai utile anche per l'ulteriore problema della «regolarizzazione» della so]uzione « debole »: la «regolarizzazione alIa froutiel'a », cioe l'interpretazione della coudizione a1 contorno (18'). Poiche u verifica Ie (25)-(25') si puo infatti utilizzare il cosidetto teorema di inversione delle jonnule di Green suI quale ora ci soffermeremo. TEOREMA IX. Se j, fl' h, u sono jUllzioni rispettivamente di classe £,\2) (A), £,\1) (2), £,(1)(2), £(1) (A) e verijicano lit (25) per quasi-tutti gli x di A e la (25') per tutti gli x esterni ad A , allorasi ha, per quasi tutti i punti ~ di 2: lim
x-~(su v;)
u (x) = fl
(~);
lim
X-~(SU v;l
[a u (x) + a (~) u (X)} = a l;;
h
(~)
=
Questo teorema e dovnto a L. AMERIO [1] lIel caso cbe 1 'II su 2. Per il caso 1 =1= v si veda [13b] e [13c]; la dimostrazione data ill [13b] ricone alIa teol'ia degli integrali e delle equazioni integrali singolari, teoria cLe puo in realta evitarsi; con dimostrazione assai piu semp1ice, come e fatto in [13c 1 e come ora vedremo; un teorema analogo, re]ativo al sistema all'elasticit,a, trovasi gia ill un lavoro di G. FICHERA [6d]. II teorema IX segue immediatamellte dal preventivo studio di cede formule limiti dei potenziali generalizzati eli dominio,
17
18
[380]
ENRICO MAGEN({S
di semplice strato e di doppio strato obliquo:
Wi
J
=
(X)
01 (y) S (X , y) d y,
A
W2 (X)
=
f
02
(y) S(X , y) d Oy ,
:E
wa (x) =
J
8 s (x, y) 03 (y) ~-- d Oy ;
:E
e precisamente: pel' quasi-tutti gli (26) lim
[Wi
(x') -
Wi
(x)]
=
0;
~
di
(26') lim
(27') lim
(28)
lim [wa (x') - w 2 (x)]
si ha
~
[8
[8 w
Wi
(;1:') _
a 1<
2
8
8
Wi
(x') _ 8 W 2
II;
(X)] =
8 1<
8
(,v)1 =
II;
0;
°z (~) .
a(l)(~) ,
= - ~;)(f~) ;
(28') dove x - ~ su vt e x' e il simmetrico di x rispetto a ~ su VI;. Queste formule sono ben note nel caso 1 = V (v. ad es. l'esposizione contenuta nella monografia [16aJ di C. MIRANDA, cui rinvio senz'altro pel' tutte queUe proprieta di teoria del potenziale ormai note, che avremo bisogno di ricordare qui e nel seguito). Nel caso I =F v, rimanendo ovviamente immutate Ie (26), (26') (27), occorre dimostrare Ie (27'), (28), (28'); esse si possono dimostrare direttamente con artifici e ragionamenti del tutto analoghi a queUi che si usano nel caso 1 = v, opportunamente completati. (Si veda ad es. per la (28') [14]). Oi limiteremo qui per semplicita a darne Ia dimostrazione nel caso che sia E (u) LIz u e m = 3, usando pero di un divel'so artificio, che ci sara utile anche in altra questione. Le dimostrazioni si possono ripetere anche nel caso di E (u) •
=
18
n
[381]
problema della derivata obliqua ecc.
19
Dimostriamo dapprima la (27'). Sia 152 (y) sommabile su ~ e sia ; un punta di Lebesgue per 82 (y). NelFintorno di ~ ~ si puo rappresentare, prelldelldo come piano (Yl 'Y2) il piano tangente a ~ con origine in ~ e come Yg l'asse n~, mediante l'equazione :
dove cp €I E 0 (2) (9) in un intorno 9 dell'origine e cp (0 , 0) = o. Diciamo Fr il cerchio del piano (Yl' Y2) determinato da Y~ Y~ < r2 e ~r la porzione di ~ che si proietta su Fr. Supponiamo per semplicita (1) che sia 152 (~) = 0, cioe che:
+
f
(29)
152 (y) d a =
0
(r2) .
Ir
POiche la (27') e nota per l; = 11; (si ricordi che in questo caso bastera prendere in considerazione Ie sole derivate «tangenziali» di w 2 (x) e dimostrare che il 101'0 «saIto» e zero, cioe ancora dimostrare che: n
= y),
(i
=
1 , 2)
quando
Per Ie proprieta di cp e possibile determinare quattro numeri positivi p, q, H, R (R < I) tali che per ogni (Yi' Y2) di e qualunque sia Xg si abbia, posta e = Vy~ Y~ ,
rr
+
I I cp (Yt 'Y2) I
/
P (Q2
I CP~i (Yu Yz) I
(i = 1,2)
xY ~
+ x~) < ~ x'Y / < q (Q2 + x~)
(7) Basta ricordare ehe se (J2 i) costante la (7') scende immediatamente daUe formule di Green e l'icondnl'si quill(li al caso (52 = 0.
a)
19
20
xa
Supposto
x~
[381.]
ENRICO lIIAmJNES
e illdicato R2 si ha allorll :
< ri <
OW2 (x') _ oW2 (x) a~
a~
=
J
02 (y)
COli
rR,x,
III
corona cil'colul'e
[0 S (x' , y) _ as (x , Y)l day + a~
o~
:E-:ER
_LJo. (y y) [OS (x' ,y) _ oS (x, y)] '/1 + cr'2 + m'2 dy dy., + "I 2 t, 2 OXi ox; V y, 1112 I ~ rR,x,
dove 02 (Yt , y~) = 02 (y) pel' y = [Yt , Y2 , cr (Yt , Y2)] . Ii primo integrale tende a zero ovviamente pel' X3 ~ 0 . Peril secolldo, osserviamo che perle (30) si Ita (v. ad es. [Gal):
=
Posto Yt 'IjJ (e)
=
e cos 0, Y2
JJ
x (r , 8) r d
o
=
e sell 0; x(e, 0)
= ! 02(Yt, Y2) V1 +?J;, +cr;,!,
2,,;
(!
l'
dO, si ba per (29)
IjJ
(e)
=
0
(e 2 ) e;
0
R
=
0
(J x,
'IjJ'(e) Xa e de)
(e2
+
X~)3/2
=
(illtegl'lmdo pel' parti) =
Analogamente :
dO) =
Analogamente si dimostra la (28).
20
0
(,T a) •
0
(,Ta) •
21
11 problema della derivata obliqua ecc.
l383]
Circa la (28'), cOllstatato allc1e qui c1e essa e immediata se costaute, ci si pno mettere nelle stesse coudiziolli per; e 03 di prima. Si ha aliOI'a, detti l~i) e J..~) (i = 1 ,2,3) i coseui direttori di l~ e A~
03
e
a2 s (x , y)
= ~~
iJl~ aAy
A(3) ~
Teuelldo couto che 1(3) la differenza
=
{Ii) ~_ A(j) ~. 1 • 4:n i,j ~ ax.; y aYi xY
Ali) E C(I) y
(2:) e c1e
A(l) ~
= -
l(l) A(2) i;' ~
= -
[(2) !;
,
.~,
pel' Y SU 2:R' I calcoli relativi sono del tutto analoghi a quelli che si fanno nel caSo 1 = n (v. ad es. [6a]), accanto a note espressioni che com· paiono per 1 = n si trovano ora espressioni del tipo:
che
e facile
maggiorare con K
((>2
+ x~)3/2 X3
(K costante).
Ragionando allora come sopra, ci si riduce in definitiva a dimostrare che sono illfiuitesimi con Xa gli integrali: e
il che si ottiene subito integra.ndo per parti. n teorema IX e dunque dimostrato. Applicaudo ora qllesto teol'ema alla soluzione «debole»,
+
Ii III x----..~
(su V;!
U
(:r)
=
fl (;) ;
.
lIm
x~~(SUV!;)
per ; quasi OVltnque su 2: .
21
fa-~ (x) + 1t
ali;
IX (;) 1t
(;1:) ]
= It W
22
[384]
ENRICO MAGENES
n. 6 Il problema della «regolarizzazione» sulla jrontiera della soluzione «debole» nel caso ellittico. Abbiamo dunque dato un'interpretazione della (18') per la solu-
zione debole precedentemente trovata. Ci si domanda pero ora se e possibile, facendo su f e h ulteriori ipotesi di regolarita, per es. f hOlderiana in A e h hOlderiana su ~, «l'egolarizzare» ulteriormente u su ~. Nel caso 1 v si pub procedere cos1, come e noto (v. [6bJ): si passa al limite nelle (25) per x ~ ~ su vt; sfruttando aItre note formule limiti, in partieolare la:
=
(31)
valida per quasi-tutti gJi
(32)
fl
(~) =
2
J
~
di
~,
(~ , y) ( o vY
11, (y) laCY) (y) 0 8
:2
-J
aCY ) (y) h (y)
8
nueleo 0 (
[b(Y)(y) -
(~ ,y) day -
a(y) It(Y)(y)l8(~, y)/ day -
\
J
J(y) S
(~ ,y) d y
A
:2
Dunque fl
si ottiene la:
e soluzione
1_)
~ym-2
di un'equazione integrale ordinaria con
e con termine noto E Ol,h
(~)
per note proprieta
di teoria del potenziale; con semplici iterazioni si ottiene che fl EOl,h (~) e . quindi u (x) E Ol,h (A +~) e la (18') e verificata con continuita in tutti i punti di ~ . Nel easo 1 =1= v il procedimento indicato porta invece alIa considerazione di integrali singolal'i ed equazioni integrali singolari. II nucleo 0 s (~,J!)
oAy
e infatti
un nucleo di integrale sillgolare nel senso
di Giraud [9 b, cJ. Formahnente la (31) e la (32) andrebbero sostituite dalle:
(33)
22
Il problema della derivata obliqua ecc,
[385J
(34)
fl ;~) Ifl* =
(,Ij) {aU) (y) a Sa(t y) -
23
[b(l) (y) - ail) (y) 0:: (y)] S (~, y)ldO y-
2:
- (aU) (y) h (y) s
(~ ,y) d Oy -
ff(y)
S
(~ ,y) d y
A
2:
dove negli integrali singolal'i si assumano come domini di esclusione quelle porziolli di 2, che si proiettano sull'iperpiano tangente in ~ a 2, nell'intersezioni di questo iperpiano con gli iperellissoidi definiti dalle limitaziolli
Ma naturalmente si pongono qUI varie questioni circa la validita della (33) e Ie proprieta dell'equazione integrate singolal'e (34): esistera l'integrale principale ~ Esistera il lim w3 (x) ~ Van'a an cora la '"-~
(33) ~ Quali proprieta di regolarita aVt'a la u (y) in quanta soluzione di (34) ~ Si osservi che Ie questioni si pongono anche se si sono supposte h e f regolari finche si vuole, poiche di sappiamo solo, dal teorema di esistenza, che e £(2) (2) . D'altra parte la validita della (33) e 10 studio dell'equazione (34) sono finora completamente noti solo nel caso che f,/, sia hOlderiana su 2 (si veda GIRAUD [9 b , cJ , TRJI'l'ZINSKY [22] ; e si osservi che la maggior parte dei recenti risultati di S. G. MIHLIN [15] e A. P. OALDERON - A. ZYGMUND [2 a ,b , c] si riferiscono a integrali estesi a iperpiani e non a ipersuperficie e cio non basta al nostro scopo). Rimane dunque aperto ilproblema della regolarizzazione sulla fl'ontiera della soluzione «debole» da noi trovata
fl
n. 7 Genno sulla traduzione del problema nel CItSO ellittico in eqttazioni integrali singolari. Oome gia si e accennato nel n. 1, il problema regolare nel caso ellittico puo essere studiato anche attraverso la teo ria delle equazioni integrali singolal'i. I primi lavol'i di G. GIRAUD [9 a, b, c] sulI'argomento seguono infatti tale indil'izzo. Se si cerca la soluzione del problema (17) - (18') come somma di nn potenziale di dominio e di uno di semplice strato si an'iva ad un sistema di equazioni 0 ad una eq uazione integrale singolare analoghe all'equazione (34); ad
23
24
[386]
ENIUCO MAGENES
esempio se f = 0 e si cerca la soluzione 1t nella forma w2 (x) (po· tenziale di semplice strato) (8) si arriva dapprima aJla formula limite
(35)
lim x~; (suvt)
e poi all'eq nazione i IItegrale sillgolal'e
(36)
°2 (~) - f*02 (y) l\3 s0(~l~, y) +
2 nil) (~) -
ex
,(
(~) .~ (~ , Y)j d
Oy -
It (~)
:E
dove il nucleo 0 s (~ ,y)
04
e
singolare, come 0 s
(~ , y)
o~
,
nel sellSO di
Giraud. Ma come gh\ dicemmo non e nostra illtenzione esporre qui per esteso questo procedimento; vogliamo pero rilevare che attra· verso di esso il problema e stato finora studiato solo in ipotesi di sufficiente regolarita sni dati It e f: h bOlderiana su ~ e f holde· riana su A ~. E possibile pervenire addirittura al teoremn del· l'alternntivn, nella stessa forma cbe si ottiene ad es. per il problema di N eumalln, Ia soluzione essendo intesa in senso «forte » (rappre· sentabile in sostanza con potenziali di dominio e di semplice strato con densita bOlderiane). Mail procedimento presenta difficolta, e proprio del tipo di queUe ore viste nel uumero precedente, quando si facciano sui dati ipotesi menD restrittive (per es. gia se si supponesse h solamente continuo su ~). Si consideriuo infatti ad es. Ie (35) e (36): inqunZi ipotesi pUt genenrli delln holderianiti't di 02 e It vale la (35) e si pub studiare In equazione (36) ~ Sono ovviamente questioni del tutto analoghe a queUe poste nel numero precedente per Ia (33) e Ia (34) ; entrambi i procedimenti, quello sviluppato nei numed 2·6 e quello ora accennato, pOl'tano dunque a problemi di teoria deJle equazioui integrali singolari fi· nora non completamente risolti (si veda anche in proposito il corso parallelo del prof. Zygmund).
+
(8) E si oBservi cho relativi non a E (/I) ma l, E (/I) -In, Si veda proeedimento eontenuta
pno anehe essere neeossal'io eho detti potenziali siano all'operatore variato, nttraverso un opportuno parametro oltre ai lavori oi tati eli Giraud, anelle l'esposizione del in [16 a, n. 23] e in [16 b] .
24
25
II problema della derivata obliqua ecc.
l387]
Il. 8 Traduzione del problema nel caso ellittico in equazioni integrali (non siugollt1'i) di Fredholm. Noi vedremo ora come possano evitarsi tali questioni di illtegrali singolari studiando il problema (17) - (1~') con Ull procedimento (Oseen [17]; Giraud [9 d]) cite permette di tradurre il problema in equazioni integmli ordillarie di Fredholm. Cosl facendo, non solamente risolveremo (17) - (18') ma potremo ancbe, come cOllseguenza, rispolldere ad alcune delle questioni ora sollevate sugli integrali sillgolari. Videa illiziale consiste nel rappreselltare la sol llzione attraverso illtegrali di dominio e di superficie del tipo:
(37)
v (x)
= -
Je (y) 11 (x, y) If Y
+ f~) (y) }] (x , y) d Oy :E
A
dove pct'o alla SOlltzione jondamentlt/e s (x ,y) vielle sostitltito un nucleo H (x, y), avente in comune con essa la sillgolorita quando x ~ y
(_1 -) ),
mit che dipenda allche dal dominio _4 ~ x y ... -2 e dall'asse ly, in modo ehe per x ~; (; e y SIl ~) il comportamento
(del tipo cioe 0
+
di 0 H (x, y) (9) sia dello stesso lipo della. 0 s (x ,y) e quindi che (Jw l~ Ox v~
(0
(38)
einoltre ehe sia
<
E
< 1),
Ex [H (x, y)l = () (_.1__ ) x y"'-e
Una H (x, y) siffatta si potra cbiamare llucleo ausiliario. Attraverso di essa il pro1Jlema e ricondotto al sistema di equaziolli iilte-
(0) A scan so di equivooi, in questo numero e lIel segllito col simbolo
() ()x ly
e analoghi intenderemo la derivazione fatta rispetto alla variabile x, lungo la direzione ly'
25
26
[388]
ENRICO MAGJ;;NJ;;S
grali ordinarie nelle incognite
e e 'ffJ
e(x)- jEx[H(X,Y)]e(Y)dY+ JEx[H(X,Yl]'ffJ(yldoy=f(x),xEA_ A
~
'ffJ~;l - J[o ~I;(f/ y) + cG(;) H (;, Yl] e (y) d Y +
(39) -
A
+ ,l'lO H01;(;,ll; y) +
IX (;)
H (; , yl]1jJ (yl d
Oy
=
h (;),
; E };
~
cui si puo applicare Ia teoria di Fredholm. II nucleo ausiliario non e evidelltemente unico. GIRAUD, che ha studiato il problema per Ie equazioni ellittiche generaIi, e partito dal risolvere anzitutto il problema:
ou
(40)
L1 2 u+cu=f in A; az=hsu};
<
nell'ipotesi c costante 0 , A il semispazio Xm > 0, 1 asse costante, f e h infinitesime opportunamente all'=. Costruito un nucleo ausiliario per (40), Giraud e passato, con una delicata trasfol'mazione, alla costruzione di H nel caso che E (u) sia Ull opera tore ellittico con c 0 e IX <0 ed ha studiato in questa caso il sistema (39) supponendo fE CO,h (A +~) e hE Co (~) • Sorge allOrlt il problema dell'eq1dvalenza tl'a (17) - (18') e (39). Si osservi anzitutto che se e E CO,h (A +~) e 'ffJ E 0° (};) la v (x) data dalla (37) appartiene alla classe cui e possibile applicare il teorema III del n. 3. Ora se c 0 e IX < 0, (17) - (18') ha una sola soluzione E come si e visto nel n. 3 (teol'ema III); per dedurre che anche (39) ha una ed una sola soluzione, qualunque siano f e h, e dunque l'equivalenza richiesta, Giraud suppone in pili che c, oltre che llegativo, sia in modulo sufficientemente grande. Probabilmente puo bastal'e supporre c < 0 , IX < 0, sfruttando il fatto che per c 0 esiste la soluzione fondamentale principaie di E (u) = 0 (previo prolungamento dei coefficienti di E (u) in tllttO 10 spazio). Cio ha COtnllllque poca importallza poiche, dimostmta l'esistenza e l'llnici ta ill q uesto casO pal'ticolal'e, si ottiene l'esistenza della fun-
<
e
<
e,
<
26
II problema della derivata obliqua ecc.
[389]
27
zione di GREEN per (17) - (18') G (x , y) (10), con la quale, con artificio no to, si puo studiare il problema nel caso generale (0 e IX qualunque); (17) - (18') si puo infatti sCl'ivere intl'oducendo un parametro A:
E
(41)
=f -
AU
(tt) -
A tt
;
-2a l + tt
IX U -
A It
=
It -
A 1£
Se A e preso in modo cIte 0 - A 0, IX - A < 0 e si possa costruire la funzione di Green col metodo su esposto (bastel'a prendere 0 e sufficientemente grande), (il problema (17) - (18') si traduce nell'equazione integrale:
<
A>
1£
(x)
=
f
A
G (x , y)
U
f
(y) d Y -
A
A
~
f
f
(y) G (x , y) d Y
A
+
f
J
~A
\ -f )
, ft
e ft
1£
f
+A
G (x , y) u (y) (l Y
G (x , y) ft (y) d ay
= -
4
f
G(x,y)f(y)"y+
A
G(x,y)h(y)dG"xEA
4
f (~ -J (~
(~) -
(y) (l ay -
h (y) G (x , y) d ay ,
A
I
(42)
U
4
equivaJente al sistema nelle incognite ( u (x)
G (x , y)
4
A
G
, y)
U
+ AJG (~ , y) ft (y) d ay =
(y) d y
A
G
-
4
, y) f (y) d y+
A
f
G
(~ , y) h (y) d a y , n ~
4
dove ft (~) e la traccia di u (x) su ~. Abbiamo dunque cIte, nelle ipotesi fatte sui dati (fE 0 a,h (A+~), hE 0 (0) (.J:)), se cerchiamo la soluzione del problema (17)-(18') nella (10) Per costruire G (x, y) bisogna, com'a noto, risolvere il problema aggiunto di (17) - (18'), il quale e an cora un problema de110 stesso tipo. Pill' oi prendere ~ <: 0 e c 0 e snfficicntemente grande anche l'aggillnto si trova nelle cOlldizioni cui applicare il metodo ora esposto.
<
27
28
[390]
l£NRICO MAGl£NI£S
e,
classe il problema stesso si pliO tradurre in un sistema di equa· ZiOlli integmli ordinarie di Fredholm ad esso equivalente e preci· samente nel sistema (39) se a ~ 0 e c 0 e ill modulo sllfficiente· mente grande, nel sistema (42) se a e c lion verificano queste ulti· me cOlldizioni. Si puo cosl. ottenere in denni ti va li teorema dell'ltlternativa per (17)-(18') nella stessa forma che per i problemi di DIRIOHLE'l' o di NEUMANN: e precisamente
<
XI: Nelle ipotesi jlttte au
+
]I] (tt) , A ~, l, a, se k E C (0) (~) vale nella closse per il p1'oblema (17)-(18') la seguente alternativa: 0 il problema 011l0geneo allllllette solo la SOltlzione nulla identicamente e allora (17)-(18') e t"isoltlbile qtutlunqne SilUlO f e k, opp1lre il problema omogeneo ammette q aufosoluzioni linearmente indipendenti e allora (17)-(18') risolubile allora e allora solo eke f e h soddisfano certe q eondizioni di cOlllpatibilitt'l (neeessM'ie e sUfficienti). Queste condizioni si possono scdret'e 0 attraVet"SO la considerazione del sistema 011l0geneo aggiullto di (42) oppure nelllt jonna TEOREMA
jE C O,h (A
e
+ ), ~
e
f
f
'Wi
A
dX
+ Jh
'Wi
da
=
0
(i
=
1 ,2, ... q)
:£
dove 'W t , ••• ,'Wq sono un sistema jondamentale di llutosoluzioni linellrmente indipendenti del 1'1'oblellw omogeneo aggiunto di (17)-(18'). (11) E importante osservare eke il pt'ocedimellto e ora applicabile in ipotesi assai piu generali sui dati f e h di quelle in Old si messo Giraud; e precisamente lIelle stesse ipotesi in cui si puo svolgere Ja teoria dei potenziali 'Wi (x) (i = 1,2,3) ordinari (v. n. 5 dove pel'o sia l '1') con gli stessi risultati. E cosl si potra supporre fE £(2) (A) e hE £(1) (~), arrivalldo a risolvel'e il problema (17)-(18') sellza far uso della teoria delle equazioni integrali singolari, evitando cosl. le difficolta di cui si e detto a proposito dei precedenti metodi (v. n. 6 e 7). Questa osservazione appare chiara se si pl'ende in particolare in consideraziolle il sistema (39), snpPollendo percio che sia a <0 e c 0 e in modulo sufficielltemente grande. Siano allorafE£(2)(A)
e
<
(Il) Il problema omogeneo agginnto di (17)-(18') Ii corne Ii noto il problema
E" (w) = 0 ill A ;
28
[391]
II problema della derivata obliqua ecc.
e si cerclJillo e E 2(2) (A) e v (x) data da (37) verifichi Ie e It
E 2 (1) (~)
E(v)
=/
1p E 2 (1)
29
(2:) in modo che la
qnasi-ovllnque in A
Perle proprieta del nueleo H (x, y) il problema (17)-(18') eosl impostato si traduce nel sistema (39) che si risolve, in modo nnieo, anche in queste nuove ipotesi. L'esposiziolle dettagliata di questi risllltati di Giraud non €I pero possibife in poeo tempo. Per qnesto ci limiteremo ad un caso particolare, quello tmttato inizialmente dall'Oseen. Cio e gia sufficiellte per dare un'idea del tipo di difficolta elJe si ineontrano lIel costru-ire la fUllzione H (x,y) e nello studial'e gli integrali del tipo (37). Sia dUll que il problema (43)
L121t = 0 in A "
aU = a1
h su 2:
nello spazio a tre dimensioni. Supponiamo inizialmente in dominio A 2: e Passe 1 tali ehe in ogni punto y di 2: if l'aggio di origine y e opposto a ly non incontri ulteriormente A 2:; pel' esempio, pet' fissare Ie idee, A sia conve880. Avendo fatto f = 0 ci si potra limitare a costruire H (x, y) per y E 2: e x E A 2: - y. Ebbene, si puo allora imporre (ecco qui Pidea originale di Oseen) addirittura ad B Ia condizione:
+
+
+
(44)
a H (x , y)
-
a
8
(x , y)
~.
[ 8 (1V , y) =
4n
1 ] xy
e allora, con una semplice integmzione, si ha come funzione ansi· liaria la (45)
-
a
1
H (x , y) = -
- - log Iyx 4n ax ny
~
~
+ yx . 't!].
dove yx e il vet tore di primo estremo y e secondo x e ly il vettore unitario su ly; H si puo anehe scrivere cosl: (46)
H (x , y)
= ~. 4n
!
1 . ny (ly t~,x) xy 1 Iy . 1' y,x
+
29
30
ENRICO
[392]
MAGENI
dove ny e ry,;x) sono vettori unitari rispettivamente SU 1!y e yx . . H (x, y) e funzione armonica di x in A .s - y e coincide con la soluzione fOlldamentale se 1y = ny; si vede snbito da (46) inoltre che esistono due numeri positivi m e M tali che:
+
m
o < --=- <
H (x , y)
xy
M
< -=xy
Cerchiamo dunqne la soluzione di (43) nella forma: (47)
v (x)
=
I
H (x , y) d ay
tp (y)
:E
Se ~ eyE ~ si ha:
a H (x , y) = a H (x, y) ax l; ax ly
+ a H (x , y) _
+ K (~ , x , y) =
ax l;
-
a s (x , y) a
dove
(48)
a H (x , y) = a 8 (x , y) ax 1y ax ny
y 1ty
+ K (~ , x ,y)
K(~,x,y) = aH(x,y) - aH(x,y) = 0 (~Y2) ax
ax ly
l~
+
xy
per
~,y E ~
e xE
nt·
in virtu del fatto che 1y e di classe 0 (1) (~) • Ma aHora, per un noto lemma di teoria del potenziale (v. ad es. Miranda [16a, pag. 27])
av (x) a 1~
si comporta esattamente come un
potenziale di doppio strato ordinario e si hanno percio i seguenti risultati : a) se tp E12(1) (~), pel' qnasi-tntti gli ~ di ~ 8i ha (49)
oR (~ , y) a; 1;
(50)
~
di
~
=0(
1 ) ~y
b) se tp E 0 (0) (~), la (49) e dnuqne verificata in ogui punto e anzi un iformemellte l'ispetto a ~;
30
il problema della derivata obliqua eeo.
[393]
c) se 'IjJ E2(2) (.2), v (x) ha derivate prime E2(2) (A) ; d) se 'IjJ E CO,k (.2), v (x), che assume su .2 il
v
(~) =
f
'IjJ
(y)
H(~ ,y) d 0y,
~
e di cIa sse
Gl,h
31
valore
(.2) e quindi, essendo
+
armonica, E Cl,k (A .2) . E evidente ora che in virtu delle (50) e (49) il problema (43) porta all'equazione integrale ordinaria: (51)
-
'IjJ
~~) +
J
'IjJ
(y)
a~~~,; y) d Oy = h (~)
~
cui si pub applicare la teoria di Fredholm anche se h E2(2) (.2) ('IjJ si trovera allora essa pure in 2(1) (.2)) . Rimane solo da verificare l'eqttivalenza di (51) e (43) e stabilire le condizioni di compatibilita del problema; per il che basta considerare la (51) nella cJasse delle h e 'IjJ hOlderiana su .2. Trattandosi di equazioni di Fredholm possiamo procedere nel modo seguente. Vequazione omogenea di (51) ha senz'altro autosoluzioni, poiche se cib non fosse, la (51) sarebbe risolubile qualunque fosse h, mentre se h e sempre positivo su .2, cib non e possibile per noti risultati suI massimo e minimo delle funzioni armoniche. Dico che c'e una sola autosoluzione linearmente indipendente. Ricordiamo anzitutto che due soluzioni E e di (43) possono differire al piu per una costante (v. teorema III, n. 3). Osserviamo poi ancora che se v (x) 0 su .2 (e quindi in A .2), e necessariamente 'IjJ (x) 0 su .2, cioe il nttcleo H (x, y) e chiuso su .2. E noto che tale proprieta di chi usura vale per il nucleo s (x , y); la si pub dimostrare anche pel' H (x , y), estendendo proprio il ragionamento che si usa fare per s (x ,y). O'e qui la difficolta che H (x, y) e per ora da noi definita solo per xE A +.2 - y. Occorre estendere la definizioue anche per x E e (.4. +.2) (com plementare'di A +.2) in modo opportuno (il secondo membro di (44) non si presta perche ha una sillgolarita, se x e suI semiraggio opposto a ly). Si pub procedere ad es. nel modo seguellte. Fissato y su .2 ai consideri il problema di Dirichlet esterno
==
+
( LI~ w (x) w (x)
=
=
0
per
H (x , y)
per
lim w (x)
= o. 31
=
32
[394]
ENRICO MAGENES
Si otterra eosl una funzione 'iVy (x), per oglli y fissato, Ia quale dipendera dal parallletro y E~. Poniamo allora H (x , y)
=
per
Wy (x)
y E~
e
xE
e (A + ~) .
Completata cosl Ia funzione H (x, y) al variare di x in tutto 10 spazio e di y su ~ e facile verifieare, per semplici proprieta di simmetria della H (x , y) (12), cLe, posto
t' (x) =
(52)
J
'IfJ (y) H (x, y) d ay
:E
e
ancLe per x E (A. +~), Ia fllllzione v (x), definita dalla (47) per x EA ~ e dalla (52) per x E e (A +~) l'isulta continua in tutto 10 spazio, nulla su ~, cOllvel'gente a zero all'=, al'monica in A e in e (A +~) e inoltl'e, poiche 21; e Passe simmetrico, rispetto a n;, di ll;, verifica la
+
cosiecLe in virtu anche della (49) si 1m lim
(53)
ro~; (SU
[ov (x') _ ov (X)l =
+ oAI; "I; )
'IfJ
(~) •
all;
ro'~; (8U ,,--;)
=
Se dunque risulta v (x) = 0 su ~ (e quindi in A) sara v (x) 0 alleLe in (A ~), poiche v (x) ~ 0 per x ~ =. Dunque Ia (53) ci dice eLe 'IfJ (~) = 0 BU ~. Ne viene di eonsegllenza oLe un'autosoluzione deIl'eqllazione omogenea di (51) da luogo ad una funzione v (x) costante e =1= 0 e dunque detta equazione lIa ulla sola autosoluzione linearmente indipendente. Lo stesso avverra allora per l'equazione olllogenea ag· giunta di (51).
e +
(12) Se A fosse il semispazio X3> 0 (e I il piano X3 = 0) la funzione H (x, y) per x E e (A. + I) si otterr'ebbe proprio per semplice simmetria rispett.o a I dalla fllllzione H (x ,y) per'x E A,
32
II problema della derivata obliqua ecc.
[3!J5]
33
III virtu del teOl'ema III del n. 3 possiamo aBora affermare clle c'e equivalenza tra il problema (43) e l'eqnazione (51), e la condizione di compatibilita pel' It sara
I
(54)
It (y)
7:
(y) d
Oy
=
0
2
dove 7: (y) e lln'an tosol nzione dell'eq naziol1e omogenea aggi unta della (51). Possiamo in defil1itiva rillssnmere i l'isultati relativi al problema (43) nel seguente
TEOREl\fAXII. Supposto hE 0(0)
(~), il pl'obZema (43) considerato delle jimzioni contin1te in A ~, armoniche in A e au at'enti in tutti i punti di ~ la de1'il'Utn - , risolubile allora e alal Zom solo che hverifica Za (54), dove 7: un'autosoluzione dell'equazione olllogenea aggiunta dclln (51); soddisfittta In (54) ogni soluzione si esprimelllediante ltt (47) dove '!jJ e una qucthmque soluzione del, l' equazione (51). Supposto invece hE £(1) (~) it problemn (43) puo studiarsi ancora, se si t'icercn la soluzione nelln classe delle Junzioni rnppresentabi1i medinnte 1a (47) con '!jJ E £(1) (~) e la condizione al contorno si interpretn nel senso
nella classe
+
e
e
e
lim
av (x)
oo~H8nl1t) al~
=
h (~) qunsi-ovunque S?t
~.
COlldiziolle necessnl'in e sufJiciente per In l'iso1ubi1ita e sempl'e 111 (54) e t!lt/e 1e soluzioni si ottengono dalla (47) dove '!jJ e UIUt qualunque soluzione delln (51). Naturalmel1te anche ora si pub interpretare la condizione di complItibilita (54) in termini eli problema olIlogeneo aggiunto di (43) (v. teorema XI).
L'estensiol1e delle cose rlette, e in particolal'e del teorema XII, al caso piu generale peril dominio A ~ si pub fare in modo al1alogo, quando si sia costruito till nucleo ausiliario H (x, y) • Questa costruziol1e pub farsi ad es. nel seguente modo. Per le ipotesi fatte su A ~ (~ di classe 0 2 ) esiste Ull numero d 0 tale clle per ogni y di ~ gli evelltuali pllIlti divel'si dlt y comuni
+
>
+
33
34
[396]
ENRICO MAGENI<;S
lld A +.E e al rllggio opposto a ly abbiallo distallza lliamo aHora per y E.E e x E A + .E - y 10 H (x, y) = -4 -!) -
n
Vx
ny
(log [y.r
+ yx-•-lyJ -
log [R (x , y)
> 2 d;
po-
+ R(x , y) • lyl)
dove R (x ,y) e il vettore yx dly applieato aye R (x ,y) e il sno modulo. La H (x, y) cosl costruita gode delle stesse proprieta della (45); in particolare ha, come funzioni di x, nell'intorno di ogni y E.E, 10 stesso comportamento della (45); la (44) va pero sostituita dalla
+
oH(x, y) _ as (x, y) ax ly - ax ny
--:----=-~
+L (
X ,
y
)
con L (x ,y) funzione limitata. n. 9 Alcune impM·tallti conseguenze. Vediamo ora aleune interessanti conseguenze della traduzione di (17) - (lS') in eq uazioni integrali ordinarie (v. [i3b]). IntroduciaIllo anzitntto alcune definizioni: indicLeremo con lu) Ill, elasse delle funzioni u E£ (1) (A), vel'ificanti Ie formule di Green (25) e (25'), essendo fE £ (2) (A), ft E£(1 ) (2') e hE £ (1) (2'); con (v) la classe delle funzioni rappresentabili daIla (37) (supposto cLe H(x, y) esista), essendo e E £ (2) (A) e 'IjJ E£ (1) (.E); con (70) la classe delle fnnzioni rappresentabili come somllla WI 70 2 di Ull potenziale di dominio WI e di uno di semplice strato W 2 , dove Ill, densita b1 di WI sill, E £ (2) (A) e quella b2 di 70 2 sia E £ (1) (.E) e iuoltre s (x , y) sill, Ia solnzione fondamelltale prillcipale (supposta esistente) di
+
E(u) = O.
Vogliamo mettere tra 101'0 ill relazione queste classi. Anzitutto si dimostra analogamente a quanto ha fatto G. FICHERA [6a,ej per il caSo 1 = '/I, il
<
TEOREMA XIII: Be c 0 in A +.E e ct < 0 su .E allora ogni funzione di (u) si pub rapp,-esentare amche nel seguente modo:
(55)
u (x) = -
J
G (x, y)f(y) d Y
+ Jh (y) G (x, y) d Oy I
A
dove G (x ,y) e la funzione di Green del problema (17) - (18').
34
35
11 problema della derivata obliqua ecc,
[397]
Infatti nelle ipotesi fatte peril teorema XI del n, 8 esiste la funzione di Green di (17)· (18') G (x , y) = s (x , y) - g (x , y)
jove g (x, y) si ottiene notoriamellte (v. ad es. [16a]) risolvelldo il problema aggiunto di (17)· (18') con i dati dipendenti da s (x, y) ed 3, fissato x ill A, fUllzione regolal'e di y in tllttO A ~; e facile aHora vel'ifical'e, come cOllsegueuza del teol'ema VIII, che per ogni x interno ad A risulta soddisfatta la
+
0= -
J
f(y) g (x, y) d Y
+ Jfl (y) la(.t) (y) og ~~: y) -
A
-
[b(l) (y) -
IX
:E
(y) a(l) (y)] g (x ,
Yl! d
Oy -
J
aU) (y) h (y) s (x , y) d
Oy
:E
ja cui tenelldo conto della (25) si ha la (55). Si ha allOl'a immediatamente il teorema di unicita nella classe In) per il problema (17) - (18') e quilldi anche l'unicita della soluzione ,< debole» da noi intl'odotta nel D. 4 (infatti ogni tale ·soluzione lppartiene come si e visto nel n, 5 alla classe In). Si ha precisamente:
<
TEOREMA XIV. Se 0 0 e IX <0 o'e al piu una solnzione del 'rob lema (17) - (18') nella olasse lu): e dunque o'e al piu una solu::ione «debole 'Y della stesso. Naturalmente per il teOl'ema VII del n. 4 si possono di qui 'icavare te01'mni di oompletezza hilbertialla di cedi sistemi di fun~ioni, assai utili nei procedimenti di calcolo approssimato delle JOluzioni, quaJi ad es. il metodo del Picone (v. l19]). Ma su cio IOn insistiamo l'illviando il lettore per pili ampi dettagli ai lavori )) e [6a] in cui la questione e ampiamente trattata nel caso 1 ~ '1'; 'isultati analoghi valgono anche per 1 =l= 'I' • Possiamo ora stabilire Ie relazioni tra Itt) e Iv), Pl'ecisamente:
<-
XV .. Se IX <0 e 0 N (oon N oostante positiva grande) allora lu)-lv) . Infatti se IX <0 e C 0, per quanta si e vis to nel n. 8, ~siste il nucleo H (x, y) 0 si puo dUllque considerare la classe Iv). 'D allora immediato verificare che ogni 1) di Iv) soddisfa anche alle ;25) e (25'); basta aPPl'ossimal'e in media del secondo ordine e con TEOREMA
~uffioientemente
<
35
36
ENRICO
[398]
MAGI~NI£S
+
una successione (ell) di funzioni di classe OO,h (A Z) e in media del primo online 'IfJ con una successione ('lfJIl) di funzioni di classe OO,h (Z); Ie funzioni v" (:1') = -
Jell
(y) H (x , y) d Y
A
+
J
'IfJ" (y) H (x , Y) Ii Oy
~
soddisfano allora alle (25) e (25'); e per n -+ 00 si ottiene il teorema. Se poi c N, con N sufficientemente grande, aHora allcbe ogni u di (u) appartiene a (v). Infatti data la u, si risolva in (v), come e ora possibile, mediante il sistema (39), il problema (17) -(18') con quella j e quella h cOl'l'ispolldenti ad u. Per quanta si e ora detto la soluzione v cosl trovata appartiene ad (u) e per il teorema XIV deve coincidere con u. Segue da quest'uHimo teorema XV, nelle ipotesi ammesse, la « regolaf'izzazione» della soluzione debole trovata nei nn. 4 e 5 (teorema VIII) anche sulla jrontie-ra; e infatti se ad es. jE OO,h (A Z) ed hE 0(0) (Z) la soluzione di (17) - (18') nella classe (v) e l'appresentabile con la (37) mediante una e E OO,h (A Z) e una 'IfJ E 0(0) (Z) e quindi appartiene alia classe e; e cit> avviene dunque per la soluzione debole poiche coincide con v. Si ha infine anche il
<-
+
+
TEOREMA XVI. Se IX <0 e c < - N (N costa/de positiva (u)) sttfficientemente g-rande) allora (10)- (v) (e quindi anche (10) (per il caso 1 'V si veda [6a]). Intanto osserviamo che, nelle ipotesi fatte, esiste certamente, previo prolungamento dei coefficienti di E (u) in tutto 10 spazio, la soluzione fondamentale principale di E(lI)=O (v. ad es. [16a], 11.20); COllsideriamo poi 10 spazio di Banach ge i cui elementi 'YJ siano Ie coppie ordinate di funzioni ('YJ1,'YJ2) con 'YJ1E12(2)(A) e 'YJ2E12(1)(Z), normalizzato ponendo
=
=
II'YJ II =
(f 'YJi (y) d yf2 + JI 'YJ2 (y) I day. A
~
Anlllogameute sia ge' 10 spazio di Ballach delle coppie T=(T1,T2) di funzioni con T{ E12(2) (A) e T2 E12(1) (A), 1I0rmalizzato pOllelldo
II T II =
(I T~
(y) d
y)1/2 + f I T2 (~!).I r7 Y·
A
A
36
II problellla della derivata obliqua ecc.
[399]
37
Le fUllzioni v di (vI e w di ('WI danno allora ol'lgllle a due trasfOl'mazioni lineari e continue di qe in 9{'; precisamente T j Cry) = [ -
J
I I
A
2'
J
'YJj (y) B (x, y) d Y ,
H(x, y) day]
:E
A
'1'2 ('YJ) = [ -
'YJ2 (y)
'YJJ (y) S (x, y) it Y ,
'YJ2 (y) S (x , y) it ay1
T j e '1'2 hallno 10 stesso codominio considerate sulle varieta CiC di 9{ delle coppie ('YJj ,'YJ2) h(illleriane I'ispettivamente su il I e I.
+
Infatti se
I
v (x) = -
r)J
(y) H (x , y) d Y
+
J
172
(y) H (x, y) d ay
:E
A
con 'YJl e 'YJz hOlderiane, a\lora v (x) E Cl ,h (A
+ I)
ov
e dUllq ue -
Oy
e
holderiana su I; risolviamo allora in (wI il proolella di Neumann
E (w)
=
E (v)
in
,
A'
ow
ov oy
Oy
au
I.
Cio e possibile (v. ad es. [16a, n. 22]) ed in modo unico, cosicche w e illoltre Ie dellsita (\ e b2 cite inliividuano w sono holderiane rispetti vamellte su A I e su I. Viceversa data
=v
+
w (x) =
-
I
1') 1
(Y)
II
(x , y) d Y
+
J
'YJ2 (y)
con 'YJl e 'YJ2 lJOIdel'iane, allOl'a w (x) E Ol,h (A
~7
(x , y) day
:E
A
una derivata
8
+ I) e dunque ammette
holderiana su I; risolviamo allora in (vI il problema
E (1)) = E ('W)
in
A;
ov ot
ow ot
-=-
su
I
mediante il procedimento del n. 8; si ottiene una funzione v clJe pel' i1 teorema III necessariamen te coincide COil 'W, ed e indi viduata dalle funzioni e e 1jJ holderiane I'ispettivltmente in A I e I.
+
37
38
[400]
ENRICO MAGENES
Dunque T1 e T Z hanno 10 stesso eodominio in C)(; poiebe C)( una base propria per CJe si dednce ehe T1 e T z bauno 10 stesso eodominio anehe in-tutto CJe, eioe Iv] lw] e. v. d. Uno studio pill approfolldito delle relazioni tra lu], tv] e lw] andrebbe fatto pill in generale, anehe quando manehi il teorema di unieita. Esso e ad es. possibile, eon ragionamenti del tutto analogbi a quelli ora visti, nel easo dell'operatore ,12 ~t e del problema (4~); si ka in particolare la coincidenza tra la classe dei potenziali di semplice strato ol'dinari con densitil sommabile su E e la classe delle funzioni rappresenta.bili con la (47), essendo 'IjJ di classe 2 (1) (E) .
e
=
n. 10. Applicazioni alla teo ria degliintegrali singolari. Si pone ora la domanda: Ie eOllsiderazioni svoHe uei n. 8 e 9 e fatte nell'intento di evital'e nel problema di derivata ohliqua regolare l'uso di integrali singolari, possono essere utili in qnalehe modo aile questioni sugli integrali singolHl'i poste nei n. 6 e 7 ~ La risposta e affermativa. Si prenda ad esempio il potenziale di semplice strato w z (x) e la (35) con E 2 (1) (E) e eib nell'ipotesi anelle di c qualullque. Si pongono eome si e detto Ie questioni:
az
I) esistenza del
lim oo~;(snyt)
oW2
(x)
.
~'
II) convergenza puntuale dell'integt'ale singolare cke cOlllpal'e it secondo membro della (35); III) validita della (35). Ebbene, I) e II) sono fatti equivalenti, III) segtte da I) ell). Dimostriamo dapprima l'equivalenza di I) ell), ponelldoei per semplicita nel caso E (u) - ,12 1t e m = 3 e malltenelldo Ie llotazioni gia adot,tate per la (27'). Basta limitarsi, essendo note Ie proprieta della deri vata normale di w 2 (x) a stlldiare Ie derivate « tangenziali» 010 2 (x) (i = 1 , 2), OXi
Ie qllali solo danno luogo all'integrale sillgolare. Poielle la (35) e nota per 15 2 eostallte, bastera supporre $ punto di Lebesgue per 15 2 e tale cbe valga la (29). Allora per xa 0 e x (0, 0, xa) si lIa:
==
>
'2+ fPy.'2dY1 dy2 +
OW 2 (X)=Ja.( )os(x'Y)do +(a( y)os(x'Y)' /l+ !lx. 2 Y ox.t . Y1 2 Yu 2 V!lx.t Y cry, v t 2:-2:R
rR ,008
'0+ cr
s ( / I..J +J U2 Y1 , Yo- )os(x'Y)' !l Y T cr UXi y,
roo,
38
"Yl dY2'
'2->
112
39
11 problema della del'ivata obliqna ecc.
[401]
D'altra parte si ha: '. /~ bz (y) la'~('1:'Y)l 0
.
Xt
z
day
X~O
=
.
l,lm
Xa~O
.
r
b2 (y) [OS(X,y)] ~. day = 0 x, X~O
z-z"3
Bastera dunque dimostrare Ie due relazioni:
lim fb 2 (Yt 'Y2) Yi:; 1/1 xY y
"3->0
+ cp'2 + cp'2 d Yt d Y9 y,
Y.
~
r"3
II primo integrale si tratta in modo analogo al secondo integrale considerato a propos ito della (27'); c'e pero qui da osservare che si dOVl'a ora usal'e la maggiorazione
la quale si ottielle attraverso il teorema del valor medio rapid amellte. Anche il secondo integrale si tratta COli artifici analog hi; per i dettagli si veda [13e]. Dllllque la I) e II) sono equivalenti per quasi-tutti i pUllti di ~; e
<-
s (x, y) e la .~oluzione fonda,mentale ,[l1"incipale, e vM'ijicata per quasitutti gli ~ di ~. Basta illfatti rieordare il teorema XVI.
39
40
Dunque nell'ipotesi dette (a. di
[402]
ENIUCO lUAGENES
~
esiste il
lim X~~(8U
vt)
< 0 , c < - N) per quasi-tutti gli
~
a ;~ (x) , esiste l'integrale llrincipale e vale la (35). !;
Questo stesso risultato vale anche per i potenziali di s/Jmplice strato ordinat'i (v. l'osservazione finale del n. 9).
E si osservi illoltre che con cio si e anche dimostrato in virtu anche dei risultati noti per l_1' che, nelle stesse ipotesi, per i potenzinli di semplice stmto esistono per quasi-tutti i punti ~ di ~ i lirniti Sit 1'i; delle derivate tan,qenziali Ij questi sono rllppresentabili dltgli integ1'llli singolm'i che si ottengono derivando for-malmente sotto il segno diintegl'ale, e il risultltto vale natu1'ltlmente anche per gli ordillari potenziali di semp lice stmlo. Possiamo anche dire di pin: sempre se c N e a. ~ 0 Pequazione (36) ammette ulla e una sola solnzione per ogni hE Ell) (~) ;
<-
anche cio e ovvia cOllseguellza del teorema XVI.
n. 11 - Il pt'oblema «j'egolare}> per l' equazione del calore. Passiamo ora a considerare l'equazione parabolica del tipo tipo del calore. Come abbiamo gil\ osservato pochi sono i risultati finora noti. Nel n. 3 abbiamo ricordato un teo rem a di unicita nella classe C (E); l'esistenza di una soluzione <1ebole segue poi dal Il. 4. Ricordiamo ora anche che in casi particolari il problema puo essere studiato attravel'so l'nso della trasfol'mata <1i Laplace: precisamente quando, esselldo il campo A nn cililldro retto a basi perpendicolari all'asse x"" e Passe 1 ponetrante ill A e giacente sempre su un iperpiano caratteristico, i coefficienti di ]i] (u), i dati f e h e Passe 1 non dipendono dana variabile x", (si veda ad es. (19) e anche recenti lavori di J. L. LIONS [12a,bj) (**). Qui vorremmo ora esporre rapidamente i risultati di un lavoro di M. PAGNI [18], attualmente in corso di stampa, nel quale, limitatamente a]]a classica equazione del calore, e studiato completamente ed esaurientemente il problema di derivata obliqua regolare gia accennato nel n. 1. II procedimento e i metodi usati sono interessanti anche perche dovrebbero poter servire in casi pili genel'ali di equazioni paraboliche. E interessanti sono pnre Ie relazioni con Ull llUOVO tipo di integrali sillgolari, cni gia acceunammo nel n. 1 e che meritereLbero di essen" ulteriormente studiati. ('") Sempre per domini cilindrici si veda allche illavoro citato Ilella nota (").
40
41
Il problellJa della derivata obJiqua ecc.
[403]
Prelldiamo dunque in cOllsiderazione l'equazione (6) e il problema relativo impostato llel II. 1; per comoditl't di scrittura indicheremo con t la vitriabile X3 e scriveremo dunqlle l'eqnazione nel seguell te modo (56)
Si supponga poi che Asia limitato da uua base inferiore 2:(21, posta suI piano t = 0 e costituita da un domillio di 11etto piano limitato da una cUl'va regolare di classe OZ, da una hase supel'iore 2: (Il, posta Sill piano t = to e pure delimitata da ulla cUl'va di cIa sse 0 2 , e da una snpel'ficie laterale 2:(3) di classe 0 2 e dotata di piano tangente ehe formi coi pialli caratteristici t = cost. un alJgolo maggiore di una costallte O. Sia poi assegllato ill ogni puuto di 2:'.3) un asse l giacellte suI piano caratteristico passante per detto pun to, sempre penetrante ill A 2:(1) 2:(2\ i cui coselli direttori, rispetto a Xl e X2, lll) e l(2) siano funziolli di cIa sse ot (2:) . II problema che cOlJsideriamo per la (56) sara determinato dalle condizioni
>
+
+
OU az =
(58)
(57)
h su
2:(3)
dove h e una funziolle assegnata sn 2:(3). Ahbiamo gia detto lIel n. 1 che se si cerca la soluzione nel!;t classe dei cosidetti «potelJziali di semplice strato del calore» (59)
w (x , t)
=
J
t5 (y , T) S (x , t ; y , T) It a
I(s)
I ~_("'_1-_Y_l_"2+_(_X_'-
\(x, t)
1(y , T) -
(Xi' ·'X'z , t) (Yt , Yz , T)
I
I
dove s (x , t : y, T) e Ia soluzione fondamentale di (56) cioe
(60)
s (x, t;y,
T)
=
0
4(1-.)
4
3t
(t -
T)
per t
<
T
y,)'
pert>
T
ci si trova di fronte a un nuovo tipo di integmli e di equazioni integrali singolari. Supposta infatti t5 holdel'iana rispetto a (Yl, Y2) uniformemente rispetto at, to (x ,t) aInmette, come eben noto [8J, deri· . I are la ow; ol'bene si va t e prime cou t"lIlue III A -t ..:.,~. e III partlco
oI
41
42
[404]
ENRICO MAGENES
oW
pUO facilmente dimostrare [18] che per la 0 l vale la seguente formula limite: ow(x,t)
Ii III
(61)
o l~,t
(x,l) ~(~,t)(SUV~,t)
o(~ , t)
-
2a(l)(~,t)
cos 2 (n~,t ,'1'0) e 'I'~,t e la conormale in (~ ,t) e l'intecos (11 ;,t , l;,t) grale COli astel'isco e da intendersi Ilel senso gilt dettonel n. I. II problema (56)-(57)-(58) porta dunque alIa cOllsiderazione dell'equazione integrale singolare dove
(62)
all)
(~ , t) =
-
o(~ , t) 2a(2)
(~,t)
+
f
* 0 (y, r)
0 S (~
, t ;
0 l;,t
y , T)
!l
a
= It (~, t)
2'(3)
equazione di tipo sostanzialmente nuovo, a quanta mi consta, avendo "I lOS (~ , t ; y , T) , come SI" tl). d etto ne I n. 1, una smgo " Ianta "' J nuc eo
o l~,t
non sommabile del tipo
o ( (~
f
_ Y
i
)2
+ (~ _ y)2 e_ (~l-Y!i'+ (;'-Y')')
t-T
2
2
4(t-r)
Sarebbe certamente interessante stlldiare direttamente la (61) e quindi attraverso di essa il problema posta e gia in ipotesi di sufficiente regolarita per It eo. Si puo pero anche pensare di seguire procedimenti allaloghi a quelli qui espostinei n. 4, 5, 6 e nel n. 8 per Ie equa?;ioni ellittiche. L'esistenza, nell'ipotesi che il dato It E E(2)(~(3)), di una soluzione «debole », nel senso definito nel n. 4, lit sua «regolarizzaziolle» nell'interno di A, l'interptetazione delle condiziolli al C011tomo (57)-(58) attraverso Ull teorema di inversione della formula di Green, si possono anche ora dimostrare ottellelldo risultati anaIoghi a quelIi per Ie equazioni ellittiche qui esposti nel n. 5. (v. [18] e [Ib]). Rimane aperto pero auche qui il problema della «regolarizzazione» sulla frontiera della soluzione «debole », e gli stessi p1'oblemi visti nel n. 6 per Ie equazioni ellittiche si pongono anche ora: ad es. iu quali ipotesi piu geuerali su 0 yarra la (61)?
42
43
11 problellla della derivata obJiqua ecc.
[405]
II procedimento pili utile per 10 studio del problema (56)-(57)(58), si rivela, direi ancor di pin che nel caso ellittico, dato iluuovo tipo di sillgolarita del nucleo dell'integrale sillgolare di (61) e (62), quello del n. 8, consistellte nella traduziolle in ull'equaziolle integrale ordinaria del problema stesso (13). E a questa traduziolle si pliO illfatti arrivare (v. [18]) rap presentalldo la Solllzione nella forma (63)
v (,r , t) =
f"P (y , T) R (x , t i Y , T) d a .E~3)
dove H e un opportuno nucleo avente proprieta analoghe a quelle del nucleo ansiliario di Giraud·Oseen (v. n. 8). Rillviando pel' brevi til, a (18] per il caso geJlerale, ci Iimitiamo qui a dare la costruzione di H nel caso ill cui Ie intersezioni di A con i piani caratteristici sono domini convessi. Si puo Hllora pone per (y, 0) E ~(3) e (x, t) E A ~
+
Opel' 0;:;::::: t ~
1. n
II (X,tiy,T ) =
-
---,---:- e 4n(t-T)
\ ( T. -;.
\ 'l cJ> dove r
~
4(t-?i
2 (t _
-
)
0)1/2
(n . m) (1; . ;)
4n(t-T)3/2
V;( -
e
4(t-<)
~~:) pel' < t
2\ e
0
e il
vettore di primo estremo (Y1' Y2 ,0) e secondo estremo (Xi' X 2 , 0), l' il suo modulo, 1n e il vettore uni tario di coseni direttori ( - 1(2), l(l) , 0), 1 e sono i vettori unitari rispettivamente Stl
-;t
x
1y,r e ny,r e cJ> (x)
= .I~-t' d t.
COS! costrnito, H verifica tra l'altro la
o
(561 come funzione di (x, t) e Ia
a R (x ~ t j Y , T) _ _a_8_(x_',_t_i_.I_1f_,T_) ax,t l~j,T (i3) Il procedimento si ii rivelato utile in altri problemi al contorllo del tipo di quello della ilerivata obliqna: ail es. nei problemi al contorno per il sistema ili equazioni ilell'equilibrio elastico. (v. S. Campanato [13].)
43
44
[406]
ENRICO MAGENES
Si ottiene COS1, uell'ipotesi delln soln continuita di h su 2,'(3), per il problemn (56) - (57) - (58) il teorema di esistenza e di unicitlt nella
.
..
.
a It au
classe delle fnnzio.ni u conttnue tn A -t- 2,', con denvate - - , - - ,
a2 It au.
[)? U
--2' --2 , -.- conttnue
aXl a X2 at 2,'(3)
la IlM'ivata
au 2l'
in A
+ 2,'(1),
a XI aX z
e che ammettono in ogni punto di
Anzi 8i ha di pin, nelln soln ipotesi che h E 2(1)
l'esistenza e l'ttniciti't della solltzione nelln classe delle iunzioni rapPl'esentabili con lit (63), If' essendo di clnsse 2(1) (2,'(3») •
2,'(3),
E di qui si p08sono anche ottellere i l'isultati allalog-hi a qllelli del nUlllero 9 e 10, sui q nali per brevita non ci sofferllliamo (v. [18]); l'icordiamo solo Ie applicazioni agli iutegrali sillgolari che compaiollo in (61) e (62) e precisameltte la vnliditi't dellit (61) per quasi tutti i
p1tnti di 2,'(3) nellit solltipotesi della sommabilitit di i5, e l'esistenza della soluzione della (62) nelln soln ipotesi dellit som11Utbilita di h. 12. Lo studio del cosidetto potenzillle di dominio per l'equazione del cnloJ'f) e i pt'oblemi nuovi di integra li sillgolari ad esso C01tII.
nessi. It presente numero non 8i inquadra nel problema di derivata obliqua trattato in tutti i numeri precedenti, hens! si l'iallaccia a un altro problema di teoria del potenziale che da luogo alIa c0l18iderazione di integntli 8i ngolari: q uello delle deri vate secollde del potenziale di dominio. Esso e esalll'ielltemellte trattato peril caso delle equazioni ellittiche nel corso parallelo del prof. Zygmnnd e nella confel'ellza del prof. Stampacchia. 10 vorrei qui invece soffermal'llJi sull'analogo problema per Ie equazioni paraboliche del tipo del calore, onde mettere in evidenza e proporre allo studio un nuovo tipo di integrali singolari, analoghi a quelli or ora visti nel n. 11 per il problema di derivata obliqua. Limitiamoci per semplicita all'operatul'e in due variabili x, t ~2 u 1t E(1't)--- ax 2
(64)
au
--
at
e cOllsideriamo il potenziale di domillio:
(65)
u (x , t)
=
[i(Y, 'l) s (x, t; Y ,'l) d Y d t A
44
II problema della derivata obliqua ecc,
[407]
45
dove supporl'emo, senza alterltre perci() Ia geueralita, cLe Asia il l'ettangolo a x b, 0 t to e
< <
< <
pert<7:
10
s (x, t; Y ,7:)
\
= j e-
(X-y)'
4(R
pert> 7:
\2VllVt-7:
E' noto che in ipotesi di sufficiente l'egolarita per f (per es, hOlderiana in A X) 1t ammette continue in ogni punto di A le del'irate 82 U U e soddisfa alla equazione: 8 x2 e a 8t
+
(teol'ema di LEVI·GEVREY [8), [11)) (14)
(66)
Ebbene, si puo dare nelle stesse ipotesi Sll f una forma esplicita di tali derivate attraverso integl'ali principali. Se (x, t) e un pUlltO di A e (! 0, indichiamo con (x, t , e) (0 con ell pili semplicemente) Ia CUl'va di livello della soIuzione fondamentaIe, cioe Ia curva tale che:
e
>
(aJ-y)'
e-~
1
Vt -7:
e
vale a dire Ia CUl'va di equaziolle nel piano (y,
l
y= x
(67)
7:
+ V2- e sell eV-log 8ell
2
7:)
e
= t - e2 sel 2 e
e con I(x, t, e) (0 semplicemellte Ie) il domillio delimitato da e(!, Anche qui, come llel ll, ] 1, sono qnesti domini Ie delimitati dalle curve di livello eli s (x, t; y, 7:) che ginocallo il ruolo di domini di esclnsione negli iutegl'ali pl'incipali cLe considereremo (15). Dimostrerelllo infatti:
(14) Si vedano anche i lavori pili recenti [4]. (15) ESRi servono anche pel' stabilire formule di media per la (66) (v. Pilli [20 b]).
45
46
[408]
ENRICO MAGENES
TEOREMA
a2 It (x
ax 2
(68)
l'J e
XVII. Per ogni (x, t) di A
= _
, t)
• + fl(Y
I(x t)
r)
' . ,
e t; Y , r) d
a2 s (x,
at x 2
A
yd r
*
d01.'e
da intendersi come lim e-o
f
(y , r)
I
[}2 S (x
t· y t)
'2"
ax
A-Ie
t7 Y II r
E' noto [11] che nella (65) si pub derivare rispetto a x sotto il segno di integrale e si ha:
=
a ~t (x , t) ax
jl
(y , r) a s (x , t ; Y r) d Y d r ax
A
Poniamo ora:
f
qJ(x,t,e)= I(y,r)
(69)
as (x ' " t· Y
t)
ax
A-l(oo,t,e)
dydr
Derivando Ia (69) si ottiene, in virtu anche di semplici maggiorazioni analoghe a quelle sviluppate ad esempio nel 11. 11 di [18],
a _ -rp-(x-, t-, e) --
ax
f
2
y.r .
s (x , t ;
ax .2
A-Ie
L'integrale
fl( )a
fl( )a
y , r) d. yd r -
s (x , t ; y , r) d y,rr
ax
lEe
risulta poi ugnale a:
lEe
l (x , t)
.
fa s (x , t ,Y , r) d r + f[1 (y , r) _ ax lEe
I
lEe
as (x , t ; y, r) d r ax
lEe
Usando a]]ora la rappresentazione (67) per
j
(x , t)]
as(x toy r) , , , d r
ax
ee,
si ottiene:
= ,/_ f e,/----e e= ,,/2
1
r2 n
cos
-,,/2
46
r - log sen 2
d
1
47
II problema dena derivata obliqua ecc.
[409]
Mentre invece per l'hOlderiana di rappresentazione (67) per ee):
f
risulta (usando della stessa
lim ([j(y, -r) _ f(x t)] a s (x ,t; y, -r) d -r = 0 e~O I ax
J
ee
nniformemente rispetto a (x, t) in ogni dominio T iuterno a A. COS1 pure si ha:
If
(y , -r) a2 s (~'~j y , -r) d y d
'f
=
A-Ie
+.f(x' t)ja2S'(X,l;y-r)dYd-r ax 2
A-Ie
II primo integrale per
e-
0 tende ulliformemente in T a:
Jrf (y , -r) - f(rc , tll a2 S (Xa':} Y , 1) d y d t A
in virtu dell'hOlderianita di
e di noti risuHati [11].
f
II secondo integl'ale, detta 2 d> 0 la distHnza di T da 2, per e d risulta eguale a
<
J
a2 s (x , t ; Y , -r) if
ax 2
if -r y
A-Ia
Ora
J,
+ Ja
2
S (:v ,
t; Y , -r) d d -r
a.x2
y
la-Ie
calcolato col cambiamellto di val'iabiIi:
la-Ie
~ y= x
~ -r =
+ V2
t-
y2
t'
sen () log
V-
sell 2
f)
e
se1l 2 ()
~
47
48
[410]
ENRICO JIIAGENES
risllita ngnale a: d
2
I~ f~ d ef Icos e ve (
2 r 2:n
n
I!
log sen 2 e - ROS e . {d - log sen 2 ej
e=
0
2
(L'integrale interuo si spezza nella differenza di due, elltrambi di a qJ (x, t j e) converge uuiformemenvalore = 2 :n). Dunqne per e - 0
ax
te in T a:
}[ j "(y , -r) -
j (;v , t)
1a2 s (x , t2j Y , -r) d Y d 'f +
ax
A
+ f(x, t)I
(}2
s (x, t 2; y, ,) d y d -r - f(x, t)
ax
A-1d
. I). t. ( ' 'f . '1' a -au. e P0lc IIj all cue cpx, t, e! COli verge nlll Ol'melllellte III SI IHt:
ax
a-221t = ax
-/(x, t)
+
}
.
[f(y, -r} - j (x, t}l
A
+ / (x , t)
I
a2s (x,tjY,'t) if Y d -r + ax2
a2 S (Xa' ~: y , -r) d y if -r
A-II!
Ebbene Ia somma degli ultimi due addendi e proprio, per quanto si e ora visto, l'iutegmle siugoIare cbe compare nella (68). Analogamente si puo dimostrare cbe:
(70)
If*
a
1£ (x , t) -'----:'a-t -'----'- =
(y , -r)
as (x a, tt ; y, 't) d y if. -r
A
COli la stessa definiziolle data dell'illtegnl1e pl'ineipale. Si pongono ora divt'rsi intel'eSsallti probIemi, che la teoria analoga del potenziaIe di dominio nel caso ellittico suggerisce (si pensi aI noto teol'ema di LIC'l'ENS'l'EINFRIEDRlCHS e ai recellti risllitati di A. 1'. CALDERON e A. ZYGMUND [2 H, b, c]) la maggiol' parte dei ql1ali e all cora apert,a.
48
[411]
II problema della derivata obliqua ere.
49
Anzitutto si pone il problema dell'estensione del teOl'ema di LEVI-GEVREY al caso in cui fE .£(p) (A). Tale estensione e stata conseguita finora nel solo caso p = 2 da B. PINI [20a] per I'equaziolle classica del calore e da E. GAGLIARDO [7] per Ie pili generali eq uazioni paraboliche «del tipo del calore ». Oi limiteremo a dare qui il risultato nel caso semplice dell'operatore (64). Si dimostra anzitutto il TEOREMA XVIII. Be dominio CJ) interno ad A
f e hOldedana in A
+2
si Ita per ogni
con K dipendente solo da CJ) e da A . Mediante procedimenti analoghi a queUi svolti da K. FRIEDRICHS per il caso ellittico, 0, con un'analisi ancor pili fine, mediante procedimenti basati su certi tipi di convergenza puntuale e analoghi a quelli illtl'odotti da G. STAMPAOOHIA per il caso ellittico (v. lao conferenza ten uta da Go stampacchia in questo stesso corso) si puo dimostrare i1
TEOREMA XIX. Se fE .£(2) (A), u (x, t) e per quasi-tutti gli x assolutamente continua in t e pm' quasi·tutti i t c assolutamente canII a u . 1 a u au a 2 u dOl ttnua tn x tnsteme a a - ; tnO tre - , - , --2' sono t c asse ax atax ax '£2 (A) e la (66) e verijieata quasi ovunque in A (16). Ube si puo dire se fE .£(p) (A) (p =f= 2) ~ Qui sostauzialmente quelIe che occorrerebbero sono Ie maggiorazioni analoghe alia (71); poicbe, una volta in possesso di esse, ci si potrebbe servire dei risultati di Gagliardo [7] per l'estensione del teol'ema XIX. Altro problema aperto, anche nel caSo di fE .£(2) (A), e poi l'estensione del teorema XVII: e pili precisamente Ie questioni o
0
0
0
(i6) Veramente nel oaso qui considerato di funzioni di due sole variabili si pno dire di pin che u e continua in A; abbiamo per/) enunciato il teorema nella forma piu restrittiva, perche solo in questa forma esso (; estendibile al caso di un nnmero qualunqne di variabili.
49
50
[412]
ENRICO MAGENES
dell'esistellza degli integrali singolal'i di (68) e (70), della validita delle (68) e (70) e dei l'apPol'ti tra l'esistenza delle derivate
~21X!~ (0 ~ 1;)
e quella dell'integl'ale singolare di (68) (0 (70)).
Pl'obabilrnente non sistenza della derivata
e difficile 8 2 ~ (0 au)
aIX!
at
dimostrare l'equivalenza tra Fee quella dell'integrale di (68) (0
+
(70)) nell'ipotesi che fE 2(p) (A); se f e continua in A ~ detta equivalenza e sostanzialmente contennta, anche se non esplicitamente rilevata, in una recente estensione del teorema di Petrini al potenziale (65) data P. HARTMAN e A. WINTNER [10]. O'e dunque, a proposito dei potenziali di dominio per l'equazione del tipo del calol'e e pel' gli integTali singolari connessi, tutta una serie di pl'oblemi aperti che andrebbero studiati, onde ottellere quella cOlllpletezza di risultati, che si e ormai raggiunta per i potenziali di dominio delle equazioni ellittiche.
50
[413]
II problema della derivata obJiqua ecc.
51
BIBLIOGRAFIA 1a) Ib) 2a) 2b) 20) 3) 4) 5) 6a) 6b) 6e) 6d) 6e) 7) 8) 9a) 9b) 90) 9d) 10) 11) 12a) 12b) 13a.) 13b) 13e) 13d) 14) 15) 16a) 16b) 17) 18) 19) 20a) 20b) 21) 22)
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51
52
[414]
ENRICO MAGI<:NES
INDIOJ\] n. II.
II.
n.
n.
n. n. u.
n. ll. n. n.
1. -- Esempi introduttivi 2. - Impostazione del problema di derivata obliqua perl'equazione ellittico-parabolica del secondo ordine 3. - n problema regolare pel' l'equar,ione ellitti co-parabol ica ; formula di Green e primi teoremi di unicita 4. II problema regolare pel' l'equazione ellittico-parabolica dal punto di vista delle soluziolli deboli . fi. II caso dell'equazione ellittica; regolarizzazioue della soluzione debole, il teorema di inversioue della formula di Greeu II problema della regolarizzazione sulla frontiera della 806. luzione debole nel caso ellittico . 7. Cellno sulla traduzione del problema nel casu ellittico in equazioni integrali singolari. S. Traduzione del problema nel caso ellittico in eqnazioni integrali (non singolari) di Fredholm fl. Alcnne importanti conseguenze 10. Applicazioni alia teoria degli integra.Ii singolari 1L Il problema 1'egolare per l'eqnaziolle del cal ore. 12. Lo studio del cosidetto potellziale di domillio pel' l'equazione del calo1'e e problemi nnovi eli integrali singolari ad esso counessi
rEntrata
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in Redazione il 14 agosto 1957]
STAMPACCHI~
GUIDO
1957 Rendiconti di Matematica (3-4), Vol. 16, Pl" 415-429
Completamenti funzionali ed applicazione alla teoria dei potenziali di dominio (*) di GUIDO S'l'AUPACCHIA (Genova)
1. Assegnato uno spazio metl'ico S esiste - per un noto teorema di Hausdorff - uno spazio metl'ico completo S* contenente nn sottospazio tsometl'ico ad S, e base per S*. S* si chiama il completamento di S; esso e 10 spazio ove ogni punto e «l'astratto logico» delle successioni di Caucby «eqnivalenti » fm 101'0 (1). Se S e poi uno spazio lineare e normato, il suo completamento t:J* e uno spazio di Banach contellente un sottospazio isomol'fo ad S e base per S* (2). Sia ora t:J uuo spazio lineare e normato i cui pnnti sono funZiOlli definite in uno stesso domiuio T (3) dello spazio enclideo ad una 0 piil dimeusioni. 11 completalllento S* eli S non e necessariamente costitnito da fnnzioni di S (se S nou e completo). Pno pero accadel'e che ad ogui punto di S* si possa associ are una funzione (defiuita iu un sen so piil gellemle); chiameremo allora 10 spazio
st,
st
(*) Questa ~ota riproduce il testo di una conferenza tenuta nel 20 cicIo di corsi del Centro 111ternazionale Matematico Estivo (CIME) svoltosi a Varenna dal 10 Itl 19 Gillgno 1957 e dedicato a « Integrali singolari e qnestioni connesse. (1) Se Q (x, y) e la distanza di dne pnnti di S, due snccessioni di Cauchy Ix,,!, Iy,,! sono equivalenti se lim e (x"' Y,,) = I). La distanz'L fra due pUllti di U-+OO
S' rappresentati da due sllccessioni Ix,,!, Iy,,! di Cauchy lim e (x"' YII)' Cfr., ad es. [8J p. 20; [5J p. 54.
e data dall'espl'essione:
11--+00
(2) 100. cit. [5J p. 47.
(3) Pin generalrnente si potrebbel'o considerare spazi di fnn?'ioni definite llon in tutti i pnnti di Ull dominio T oppure fllnziolli definite ill nno spazio astl'atto.
55
54
'GUIDO STAMPACCHIA
[416]
S di tali funzioni un completamento funzionale di S, mentre 8* sara considerato come completalllento astratio di S. Ci proponiamo ora di iudicare una teoria del completamento funzionale secondo alCUlle idee che sono coutenute in un lavoro recente di N. Aronszajll - K. T. Smith [1]. Alcuni aspetti di questa teoria si trovano peraltro gill, in un lavol'o di F. Cafiero [2].
2. Pl'emettiamo alcune definizioni. Diremo (con Aronszajn e Smith) classe eccezionale & una famiglia d'insiemi di T che gode delle seguenti proprieta (COil la nomenclatura di Halmos [7]): IX) €I ereditaria: contenendo un insieme cOlltiene tutti i sottoinsiemi di questo. (3) €I o-additiva: contenendo una successione d'insiemi contiene anche la 101'0 unione. Le funzioni di uno spazio I si dicono definite in T a mellO di insiemi della classe eccezionale g, se I'insieme dei punti di T ove una delle funzioni di I non €I definita €I un insieme di &; due funzioni si riguardano come ugnaJi quando I'insieme dei punti ove una delle due funzioni non €I defiuita oppure esse non assumono 10 stesso valore appartiene alia classe eccezionale g. Premesso cio fissiamo uno spazio lineal'e e normato S di funzioni f(X) , definite in uno stesso dominio T di uno spazio euclideo (ad esempio) ad n dimensioni, e proponiamoci di costruire un completamento funzionale di S costituito da funziol1i definite a meno di insiemi di una opportuna elasse ecceziol1ale & (4). E evidente che questa problema non €I risolubile in modo unico. 3. Indichiamo con fl la classe degli insiemi di T definiti daUe disuguaglianze:
(1)
If(x)l>l
al variare di f (x) in S. Cio vuol dire che un insieme B appartiene ad fl se esiste almeno una funzione di S pel' cui la (1) €I verificata
(4) Si potrebbe, cOllie gia accelllwto in e), partire
56
[417]
Completamenti funzionali ed applicazione alla teoria ecc.
55
in B e non e verificata fuori di B (5). Introduciamo allora in et una fnnzione d'illsieme c (B) che soddisfa alle cOlldizioni seguellti:
c (B) > 0
a)
c (E [1/(x) I ~ 1) < qy
(11/11)
ove E [1/(x) I >1] ilHlica, come di consueto, l'illsieme dei pUllti x ove e: If(x)l>-l, e qy(t) e UlHt fllllzione defillita pel' O
La condiziolle a) postula la posWvita di tale fnnziolle d'insieme, mentr(' In ~) collega questa fllllzione d'insieme in et con Ia norma introdotta in S. A partire ora dalla classe et di illsiemi costrniamo la classe eta costituita dagli illsiemi cIle sono unioni llumerabili di insiemi di et; in formule: I E eta se I
1 .. 00
= U k
Bk
, Bk E et
.
Illtroduciamo ill eta tllla Ilnova funzione d'insieme p,(I) ponendo: p, (I)
(2)
= estr. info 00
Ie U Bk
00
~ k-1
c (B k )
k~1
cioe: p, (I) e l'estremo inferiore delle somme
00
~ k-1
c (B k ) costruite per
tutte Ie successioni di insiemi Bk E et tali cLe I sia contenuto nell'ullione di q nesti. La posizione (2) e analoga a qnella che fOl'llisce una misura estel'lla data una misura in tllla classe semplicemente additiva d'insiemi (6). La fUllzione d'insieme cosl prolungata gode delle seguenti proprieta (come si dimostra facilmente):
(5)
1)
P, (I) ~
2)
p, (I)
J n altri
0 (ed eventualmente =
< + 00
+ 00) per IE eta
per IE et
termini, la
clas~e
et 11 coati tuita dagli inaiemi defilliti dalla
relazione: E[ If(x)
I;::,. 1J
al variare di f(x) in S. (6) efr. [7J p. 41.
57
56
fl (I)
[418J
GUIDO STAMPACCHIA
<
fl (I) per l' C I
3)
fl (1')
4)
fl
5)
fl(E[lf(x)l>
CQ
1
h) < tl
fl (lie)
l)
Si pone natural mente la questione di sapere se la funzione e un prolungamento della funzione c (B) cioe se e:
c (B)
=
fl (B)
per
BEet
(in generale e: c (B)
>
fl (B)) .
La risposta e in genera]e negativa, ma si vede facilmente che: condizione necessaria e suftlciente affillche fl(I) sia un prolnngamento di c (B) e che la funzione c (B) verifichi in et la condizione:
c (B) <
00
~
se
c (BIe)
00
k~l
4. Definita in tal modo la funzione fl (I) ,non negativa, monotona e subadditiva nella classe (J-additiva eta, indichiamo con g ]a classe eccezionale - ovviamente ereditaria e (J-additiva - costituita dagli insiemi I di T che godono della seguente proprieta: comunque si jissa B> 0, esiste un insieme I. di eta tale cite I c: I. e fl (I.)
< Be)·
Costruita una tale classe eccezionale potremo prendere in considerazione funzioni definite a meno di insiemi di g. Potremo di piil parlare di funzioni f(x) «quasi continue» nel sen so che: jissato E > 0 e possibile determinare un insieme Ie E eta con fl (I.) < B e tale cite la funzione j t'i$ulti continua se considenlta fUM'i di I •. Si puo anche parlare, in relazione aIle funzioni precedentemente introdotte, di convergenza «quasi uniforme»; diremo che una suecessione di junzioni Lfnl converge quasi unijormemente ad un(/, junzione f se jissato B 0 e possibile detenninare un insieme I. E eta in modo cite fl (I.) B e lit convM'genza sia uniforme fuori di Ie. D'ora in avanti parlando di funzioni quasi continue e di successioni quasi uniformemente convergenti ci riferiremo al1e nozioni ora introdotte.
<
>
(7) Ossel'viamo che mentre la classe eta dipendIJ solo dalla natura delle funziolli di S, la classe eccezionale S dipende anche dalla fUllziolle c (B) in a e dalla fUIlzione 'P (t), 11 problema di individual'e la classe ecceziollale" nel modo pin «ristretto» possibile e studiato ill loco citato [1].
58
[419]
Completamenti fUllzionali ed applicazione alIa teo ria ecc.
57
Le funzioni quasi continue nel senso usuale saran no dette quasi continue nel senso di Lebesgue e analogamente per Ia cOllvergenza uniforme. Premesse queste considerazioni e fondamentale per il seguito il seguente teorema che generalizza il noto teorema di Wei! - Riesz TEOREMA: Sia Uk) una successione di Cauchy Iii S. E possibile estrarre da Uk) w~a sltCcessione pltrziale lit quale converge in tntti i punti di Tall eccezione di quelli Iii un insieme di 8; la cOllvergenza e unifonlle fttori di un insicme I di eta ove ft (l) e inferiot'e ad un numm"o positivo prcfissato.
Fissata infatti una successione di numeri positivi (b k ) infinitesima tale che
estraiamo da Uk) una successione parziale che illdicheremo, per semplicita, ancora con Uk) ill modo che:
II fie -fk-lll < bk · llldichiamo poi COil Bk l'insieme dei punti ove disuguaglianza
1.Ii. (x) -
J'C-l(X)!
>
e soddisfatta la
1
:lk
(e evidente che Bk E et). Se UIl pUll to x non appartiene ad alcuIlo
dei Bk COil k
> ko,
si ha, qualunque sia l'indice peper k> ko:
Quilldi la snccessiolle estratta Uk) COIl verge nil ifol'Ulemell te fllori di 00
(E t:1a)
U Bk k~J
per ogni scelta di k o ' D'altra parte si ha, perla 4):
59
58
[420J
GUIDO STAMPACCHIA
e quindi per la 4):
Di qui si deduce cite la snccessiolle estratta converge Illlifol'memellt.e ill tutti i pUllti - oi Tao eccezione di quelli di un insieme I di [, per cui # (I) e illfel'iore ad un llumero positivo pl'efissato. Consideriamo inune l'insieme: E
=
= n 00
lim sup. Bk
00
U Rk
8=1 k = s
ed osserviamo elle, essendo, qualullqlle sia I'inoiee
8:
00
e sussistendo la (3), E e Ull insieme di [,. La successiolle estl'atta cOllverge in tutti i pUllti di T clle non appartengono ad E e cio completa la dimostl'azione del teol'ema (8). II teol'ema precedente permette di risolvere it problema del completamento fUllzionale come fOl'mulato all'inizio; infatti ad ogni successiolle di CaucllY di S U;,l possiamo associare almeno una sllccessiolle estratta (lnkl elle con verge, come detto nell'enunciato precedente, ad uua fllllziolle- defiuita ill T a meno di illsiemi della classe eccezionale [,. Quindi ad ogni PUllto di S* velliamo ad associare almeno una funzione definita a menD di insiemi di [,. Siano ora I' ed j" due fllllzioni associate ad uno stesso punto di S* secondo il criterio precedente; segue facilmente clle # (E
[I' (x) =1= j" (x)j) =
0
(8) La dimostrazione del teorema e analoga a quella del ricordato teorema di Weil- Riesz relati vo alla oonvergenza in lllisura di una sottosuocessione convel'gente fort ellente in LV. Che la dimostrazione di questa teorema lion sfrutta l'additivita della misul'a, rna solo la Bubadditivita e stato osservato da diversi Autori: Cartan, Deny, Stampacohia, Deny - Lions, per particolari tipi di funzioni d'insieme suubaditive. Una prima formlllazione astratta oi questa teorema e stata data da F. Cafiero [2J; successivamente Aronszajn e Smith hanno dato ]a fOl'mulazione rip or taLa nel testo, ohe l'innncia rispetto a quella di F. Catiero - all ' ipotesi ehe la fnnzione f-' (I) sia definita in nna famiglia cOlDpletamente additiva.
60
[ 421]
COlllpletalllen ti funzionali ed applicazione alla teoria ecc.
59
cioe
E [f' (x) =1= f" (x)l E S . Ma di pin, possiamo dire che Ie funzioni di S sono «quasi continue» se Ie fUllziolli della classe S sono continne (9). Uua consegllenza immediata di quanto dimostrato e Ia seguente: Supposto che le funzioni di S sianu continne e che in et si abbia:
c (B)"? m
>0
pet" ogni
B=I=0
si 1IUO concludel'e che le fUllzioni iii S sono anche ('sse cOlttinue. Infatti in tal caso il teorelll3 preceden I.e assicum che Ia COllvergenza delle successioni di Oauchy di S unifol'llle e quindi 10 spazio S e costituito da funzioni continue.
e
5. Diamo ora un semplice esempio - a titolo illustmtivo di quanto detto precedentemente. Sia S costituito da funzioni di una variabile f(x) contiuue con Ie derivate prime Ilell'illtel'vallo 0 <x< 1 e introduciamo la norma:
(p "? 1) .
Lo spazio liueal'e S, COli la norma adottllta, !lOll e cOlllpleto. Mostriamo ehe i) suo com pletallle!l to fllllzionale e· costi tu ito da fnnzioni assoiutamente eOlltillue ill (0,1). Per questa osserviamo che in S valgollo Ie relaziolli: x"
f(x") - f(x')
(4)
=
J
f' (t) dt
x'
f 1
(5)
[v (t)f' (t)
+ v' (t)f(t)] dt = 0
(v (0) = v (1)
=
0)
o
(9) Non possiamo a questo punto cOllcludere ehe vi
S; (Jib sarebbe Ieei to se: per ogni slleeessi one di Canchy
verga a menu di insiellli d i
.s
a zero, si pub concIndere
61
e isomorJislllo fra s~ ed Iill I di S, III q nale (JOllehe: lilll II i" II = 0 .
,,-00
60
[422]
GUIDO STAMPACCHIA
max
(6)
O~x~l
If(x) I
La (6) ci permette di asserire che e possibile assumere in 1St, in modo da soddisfare Ie ex) e (3):
Allora S e costituito di fUllzioni continue in (0,1). Per defiuire Ie derivate in S possiamo sel'virci delle (4) 0 delle (5). Illfatti per oglli punto f (x) di S* possiamo iudi vidllare una funzione rp (E LP) per cui
J x"
f(x") - f(x') =
(4')
rp (t) dt
x'
oppul'e
J 1
[v (t) rp (t)
(5')
+ v' (t)f(t)J dt =
0
o
per ogni v(t) continua con derivate prime e tali che v(O)=v(I)=O. La (4') conduce a definire perle fuuzioni di S UIla derivata nel seIlSO di Lebesgue (esisteIlza del limite del rapporto iIlcrementale quasi ovuIlqne in (0,1)), mentl'e la (5') conduce a definire in S Ie derivate nel seIlSO di Sobolev [15] e di Schwartz [12] (10). 6. COllsideriamo ora la classe S delle funzioIli di n variabili definite nel cubo T: O<xi<1 (i=I,2, ... ,n) ed ivi continue con Ie derivate prime ed introduciamo la norma:
f(x 1 , ••• ,x,,)
1
1
II/II = {Jlfl" dXr- + {JI DJI" axlP T
T
(10) it semplice poi dimostrare, per noti teoremi di a,pprossimazione che il comp1etamento fUllziona1e di S coi ncide con 10 spazio delle funzioni asso1utamente continue dotate di derivate prime in LP.
62
[423]
Cornpletamenti funzionali ed applicazione alIa teoria ecc.
61
In IS sussistono Ie relazioni analogbe aIle (4) e (5):
f
(7)
f ax l ...
< dXi > ... dX" =
f
of OXi ax
R
iJR
ove R e un qualsiasi rettangolo n·dimellsiollale interno aT, oR il contorno orientato di R, e il primo membro e un integrale di una forma differenziale di grado n - 1 ;
v +fOV.) dx f(OOf .1:, ax,
(8)
=
O.
l'
ove v e una funzione nulla su ffT. Non sussiste pel'o in generale ulla maggiorazione del tipo (6), per modo cbe il completamento fUllzionale puo ancbe non essel'e costituito da funzioni continue. Una limitazione del tipo (6) si preseuta certamente se p > n; essa discende immediatamente dalla limitazione ([19] pp. 97-100, [10] pp. 15 teorema 2.2): 1
Ifll_~
l'
ove If In indica il coefficiente di Holder della funzione f relativo all'espollente Ct;. Se penon maggiore di n potremo utilizzal'e ancora questo risultato nel modo seguente: supponendo p > 1, indicbiamo COli "= [p] il massimo iutero minore di p (I' < p) e scriviamo una funzione dello spazio fJ nella forma:
f(X)
=f(~,
'fj);
mettendo cioe in evidenza la sua <1ipelldenza da Ull gruppo <1i ,. variabili (non necessariamellte Ie prime I') e dal complesso delle l'imanenti. Fissando ill modo gellerico 'fj, la funzione f, pellsata cOllie funzione di ~ e cioe di l' variabili, soddisfa ad una diseguaglianza del tipo: 1
{lfI 1 _2:.} < c ffl Dt/ lp a~}p P 'l ~co,t
'l~f:O"t
63
62
[424]
GUIDO STAMPACCHIA
Da questa diseguaglianza si deduce irnmediatamente una limitaziolle peril massimo valore assoluto eli j, pensata come fUllziolle delle sole vu,l'iabili: XI ••• X,. :
m~xlj(~'?J)lv
Indichi!~mo ora
COli
1iJ~ l'insieme (lei valol'i di
illt(>grando rispetto ad 'I) otteniamo la limitaziolle: (9)
'I-cost
SI1
?J dove
max If I~ 1;
o
questo illsieme la relazione precedente
mis E~ <
0
Ilfllp .
Queste cOllsirlerazioni ci permettollo di concludere clle bile costrnil'e nella classe et la funzione 0 (B) pOllendo:
o (B) =
~
mis
pr' (n - ,')
e possi-
B
ove pr'(H-r) B indicano Ie proiezioni dell'insieme B sulle val'ieta a (n - t') dimensioni coordinate e la somma e estesa alle misure delle
n ) pl'oiezioni. RiRultano in tal modo verificate Ie condizioni ( n-r IX) e (J) richieste dalle considerazioni pl'ecedenti quando si' abbia cp (t) = tv e ill pill e sernplice verificare cite f1- (I) ottelluta in eta con lit posizione (2) e un prolullgamento della fllllzione 0 (B) data in et . La classe ecceziollale & e costituita da illsiemi che hanno
pl'oiezioni di misura nulla sulle varieta a (n - r) dimensioni e Ie funzioni «quasi continue» sono Ie funzioni cbe sono continue quando si prescinda dai valori assunti in insiemi che hanno pl'oiezioni di misura piccola sulle ' varieta ad (n - 1') dimensioni. Possiamo allora dedlll'l'e clle Ie funzioni di S sono funzioni continne rispetto ai gruppi di l' variabili e 80n0 quasi continue nel senso ora detto. Abbiamo cosl. risolto il problema della quasi cOlltilluita delle fUllzioni di S (10). Questo problema, come abbiamo gia detto, non ammette una unica soluzione; ad esempio, limitatamente al caso p = 2, questo problema e stato studiato quando S e costituito da fllllzioni nulle (to') Pel' qneRto plInto <1i vista efr. [16J [17].
64
[425]
Completamenti funzionali ed applicazione aHa teoria ecc.
63
sulla fl'ontiera di l' da Deny - Lions [4] assumendo per c (B) la capacita newtoniana dell'insieme B (11). Rimane it problema d i assegllare un siglli ficato «generalizzato» aIle derivate ill S*. Ci(1 pub farsi ill modi diversi secondo che si sfl'utta la (7) oppnre la (8). Sfl'llttando la (8) si arriva alIa defini· zione di derivaziolle deb ole llel sellSO di SoboIev, Friedrichs, Schwartz. Per ogni fllnzione f di S* esiste una n-pla di fllnzioni (!Pi' .. !PH) appal'tenenti ad Lv in l' tali che
pel' ogni v continua Si pone allora:
COll
Ie derivate prime e nulla su ffT. !Pi
af = -aXi
Ponelldo invece a base Ia (7), bastera osserval'e che in S
per
tutti i reUangoli n-dimensiollali di l' (12) sono definite Ie funzioni di rettangolo :
f
(7')
fdx i
•••
< dXi > ... dx"
DR
Ie quali l'isultano fllnzioni assolutamente continue; allora. per un noto teorema di Lebesgue esistono n funzioni !Pi"'!P" (E LV) per cni
f
f
dX i •••
< dx; > ... dx" =
DR
f
!Pi dx •
R
Quindi si deduce che Ie funzioni f di S sono per quasi tutte Ie (n - I)-pIe di variabili assolutamente continue e illoItJ'e quasi ovunque (nel sen so di Lebesgue) si ha: aj - = !Pi
ax;
oV'e Ie derivate a primo membro sono intese nel senso classico.
(Ii) Cfr. [4] lemma 11 del cap. II I'. 347. Aron8zajn [1] ha poi dimostrato che tale oompletamento e un «oompletamento perfetto ». (12) Il primo membro della (7') esiste per ogni rettangolo ll-rlimcnsionale di l' a oausa delle pl'oprieta di quasi oontinuitll della funzione f IIi S. Cfr. (17) p. 37.
65
64
[4.26]
GUIDO STAMPACCHIA
Un altro modo di affrontare la questione della derivabilita delle funzioni del completamento di S si colI ega COil la teoria degli integrali singolari. Per una qualullque fUllzione f(x) dello spazio S che stiamo considerando si pub scrivere la relazione (13) : (n -
2) o,.j(x)
=
J
f(y)
01'2-11 --y;;do -
NT
J
gmdf(y) X grad", 1. 2-
11
fly
T
dove 0" e la misura della ipersupel'ficie sferica di raggio unitario. Lo studio della deri vabilita della funzione f (x) e quindi collegato COIl l'esistenza dell'integrale principale cbe si ottiene derivando fOl'malmente il secondo integrale a secondo membro e si COllnette quindi con i risultati del corso parallelo del prof. Zygmlllld. Nello spazio che stiamo studiando si pnb anche considerare il problema della diffel'enziabilita. 8e p > n Ie funzioni di S Sono differellziabili secondo Stolz (14); se illvece p n Ie funziolli f sono differenziabili asiutoticamellte di ordine l' secondo Ulla nozione illtrodotta indipelldelltemente da Rado e da Caccioppoli e Scorza Dragoni e generalizzata da Tibaldo e poi da Pezzaua [l1J. Una funzione f(P) di 8 gode infatti per quasi tutti i puuti di T della seguente proprieta:
<
lim p_~p
1 [ f(P) --=p P
-- " - (Xi f(1') ~ f~i (P)
Xi)] = 0
i~l
quando P tellde a P sellza abballdonare un insieme E (P) tale cbe la proieziolle del suo complemelltare su una delle varieta lineal'i ad (n - r)-dimensioni passante per P e parallela a (n - r) assi, abbia densita uguale a zero in P. 7. COIL procedimenti molto simili a quelli fino ad ora considerati si pub anche studiare Ie fUllZiolli del completamento dello spazio delle funzioni continue con Ie derivate prime e secollde in
(13) Cfr. (14)
Ita es. [3]. Cfr. [9] e [18] e [13]'
66
[4-27]
Compl'etamenti funzionali ed applicazione alia teoria ecc.
65
un domillio l' assumendo come norma l'espressione:
J
J
J
T
T
T
II flip = Iflp dx + I DJlp dx + I D2 fl p dx dove D{ , D2 indicano il complesso delle deri vate prime e seconde di f. Ripetendo ill questo caso Ie considerazioni svolte nell'esempio precedellte si ottellgono risultati analogbi; in particolare come funzioni d'insieme c (B) in et si puo assnmere la somma delle misure delle proiezioni di B sngli spazi coordinati ad (n - 2r)-dimensioni (anzicbe n - to), dove l' indica ancora il massimo inter~ mino,oe £Ii p. Lo spazio S l'isultera questa volta costituito
n
> 2' 8. Pl'endiamo ora in consideraziolle il potenziale newtoniano
(10)
1£
(x)
=
J
I x _ly 1"-2
f(y)
dy .
En
Sono ben note Ie propriet~\ della funzione 1£ qualldo f e ulla fUllzione lIo1deriana con esponente ex 1. In tali ipotesi per f, la funzione ?t (x) e continua con Ie derivate prime e secollde. Da una fondamentale memoria £Ii Zygmund e Calderon [20J si deduce che e possibile maggiorare la norma:
<
1111£ IIlp =
.r 11£ Iv +.r I dx
T
D j (x)
Iv dm
+.r I
T
D2 u
Iv dx
T
>
mediante la norma IlfllLP della densita f(p 1). Premesso cio osserviamo che ad ogni successione di Cauclly in LP LAl viene a cOl'rispondel'e mediante la (10) una successione £Ii CancllY secondo la norma 111?t III; cio basta ad assicurare che ad ogui fllllzione / E LP possiamo far corrispolldere una fUllzione u (X) dello spazio cOllsidel'ato al n. 7 (15). Possiamo all ora cOllcludere cbe la funzione u (x) e continua quando si pl'escinde da insiemi
(!5) Questo modo di cOlIsidel'fHe .il potellziale newtollinllo U (x) nello spazio L" diffel'isce
67
66
GUIDO STAMPACCHIA
[428]
Ie cui proiezioni sugli spazi a n - 2)' [r = massimo intero < p) dimensioni hanno misura piccola It pia cere. Eli integra cosl un risultato di Zygmund relativo aile proprieta di cOl1tinuita del potenziale newtoniano. Le derivate prime
ou ox, ,.
oltre che assolutamente continue l'i
spetto alle variabili separatamente, sono poi continue quando si prescinde da insiemi Ie cui proiezioni sugli spazi a n - r dimensioni banno misUl'a piccola; inoltre queste banllo come derivate, quasi ovunque, funziolli appartenenti ad Lv. Circa la diffel'enziabilita delle
ou OXi
si puo dire cbe esse S0110
differenziabili nel sen so classico se p> 11. Se invece p < n queste S0110 differenziabili asintoticamellte di online )' - lIel sell so detto al n. 6 -. Circa la differenziabilita della funzione u possiamo asserire che essa e differenziabile asintoticamente di ordine s esselldo s il mas-
, . t el'O mlllore . "" slmo III ttl
p n -
n-p
(P
< n.)
Infatti per un risnltato di Sobolev [14) [15) se D2 u ELv allora 1t
se p
E Lq
(localmente) ove ...!:... =
~- ~
e quindi il risultato pren cedente discende da quello di Pezzana citato. Segne in particolal'e, Dl
n > "2'
q
che la funzione u
p
e differenziabile
nel senso classico.
9. Estensioni dei risultati del n. precedente SOIlO state ottenute recentemente da D. Greco [6) per i potenziali di dominio generalizzati
J
L (x , y) f(y) dy
ove L (x, y) e una funzione di Levi relativa ad un opemtore eHit· tico del secondo ordine COil coefficienti holdel'iani con tecnicbe analogbe a queUe l'icbiamate al n. precedente. Queste tecnicbe ad operate possono essere utili anlllie per 10 studio di potenziali quali quelli che si pl'esentano nella teoria delle equazioni paraboliche, rna pel' questo rimandiamo al corso svolto da E. Magenes.
68
[429]
Completamenti funzionali ed applicazione alla teoria ecc.
67
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69
ZYGMUND, A. 1957 Rendieonti (li Matematica (3-4), Vol. 16, pp. 468-505
On singular integrals (*) by A. Z¥GMUND (a Chicago)
§ 1. In these lectures I present some of the results obtained jointly with A. P. Calderon during the last few years. Not all the results stated here are accompanied by proofs, and for additional details the reader is referred to original papers (**).
NOTATION. space, and by
We denote by En the n-dimensional Euclidean
Y=
('/}t , '/}2 , ••• , '/}n) ,
points of En. We write
x
+ Y = (~l +
,/}l , ••• ,
~n
+ ?]n) ,
IX X
=
(IX
~l
, IX
~2
, ••• , IX
for any real IX. We denote by Lp the set of all (measurable) functions that If Ip is integrable over En, and we set
where d x stands for d over the whole En.
~1
~n) ,
f
such
d ~2 ••• d ~n and the integral is extended
(*) II contenuto
71
On singular integrals
[469]
Given two integrable functions
f
69
(y) and K (y) we set
(1) It is a classical result tbat the integral exists (convergcs absolutely)
almost everywbere and represents a function integrable over En. Moreover
We are primarily interested in the case when K (x) is positively bomogeneous of degree - 0: • We then have
K (x) = K
(I x I I: I) = Ix I-a K ( I: I) .
Denote the projection xl Ix I of x onto tbe unit sphere Iy I = 1 by'x', and write K (xl Ix I) = Q (x'). We bave Q (x')
(2)
K(x)
= TXF'
<
and we consider two possibilities a) 0 < 0: n, b) 0: = n. In case a) tbe situation is comparatively easy. Suppose for simplicity that Q 1 and tbat f is integrable over En. In the equation
=
J1:1" f
(x -
y) d Y =
J+ J
Iyl"';l lyl>l
tbe first term on tbe right represents tbe convolution of f witb an integrable function (equal to Iy I-a for Iy I <1 and equal to 0 elsewhere), and so exists almost everywbere and is integrable over tbe whole plane. The second integral on the right in (3) represents a bounded function. Hence tbe left-band side in (3) exists almost everywhere and represents a locally integrable function. The result obviously holds if Q is merely bounded, and one could extend to result to more general cases. In case b) the situation is much les simple. We have
(4)
j' I In f Q(y') y
(x -
J+ J,
y) d Y = Iyl""l lyl>l
72
70
A.
[470]
l.YGMUND
and if we suppose that Q is bounded, then the second integral on the right exists, as before, everywhere and represents a bounded function (by an application of HOlder's inequality we see that the conclusion holds if fE LP, with 1). The main difficnlty, therefore, lies in the first integral on thc right, and it is clear that this integral need not exist, as a Lebesgue integral, at any point: for example if Q = 1, and f is a constant different from 0 in the neighborhood of a point .'Vo , then the integral diverges in the neighborhood of xo' It follows that we must 1) impose restrictions on the kernel K, 2) redefine the meaning of the integral (4)" Given a kernel K (x) and a number e> 0 we denote by Ke (xl the kernel equal to K (x) if Ix I >e and equal to 0 otherwise;· we call Ke a trttncated kernel. Consider the limit
p>
(5)
lim (f(y) K (.r - y) d Y
s_o}o.!
=
limf * Ke. t: .... 0
Ix - yl :? e
If it exists, we call it the pl'incipalvaluc of the integral
Jf(Y) K (x - y) d y. To the limit (5) we may give various meanings: in the classical sense of pointwise convergence, convergence in the mean, convergence in measnre, etc. If the limit exists, we shall denote it by I(x) (this notation does not display the dependence of J on the kernel K). vVe are interested in the ~llowing problems: a) the existence of f;
f.
b) the properties of We impose on K two conditions. Firstly, we suppose that
J
Q (x') d x'
(6)
=
0,
I
where ~ denotes the unit sphere Ix I = 1. This condition is indispensable if the limit (5) is to exist at a point in the neighbourhood of which the function f is constant and distinct from O. Secondly we must impose some conditions of regularity on Q. For many purposes it is sufficient to assume that Q satisfies a Lipschitz
73
[HI]
On singular integrals
71
condition of positive order on X; in symbols, Q E Lip
(7)
IX,
'l'he main theorem which we are going to discuss later may be stated as follows. TUEOREl\'[
1. Suppose that Q satisfies both (6) and (7). Then for
any fE LP, 1
< =,
the integral
J f
(8)
(y) K (x -
y) d Y
exists, in the principal-1Jalue sense, almost everywhere. The result may be completed as follows. THEOREM
than 1, then
f
2.
If f E LP, where p is finite and strictly greater
is also in LP, and
(9)
where the constcmt Ap depends on p and the kernel K, but not on f. We now consider a few examples. 1) If n = 1, then X consists of the two points x = ± 1, and the condition (6) reduces to Q 1) Q ( - 1) = o. Hence, if n = 1 we have, except for a numerical factor, only one kernel K. Suppose that Q 1) = lin. Then
(+ +
(+
K (x)
=
Q(x')
Ixl
=
signx
nlxl
=
~ nx'
and (10) -00
-00
is the classical Hilbert transform of f. For this reason we shall call the general integral (8) a HilbC1·t transform of f. The theory of the transform (10) has been developped considerably. We list some of the very wen known results.
(~) If f is in L, then f(x) exists almost everywhere (LusinPrivalov, Plessner);
74
72
[472J
A. ZYGMUND
b) If / is in LP, 1
<
Ap
11/ lip
(1\1. Riesz);
0) If / is L, then than 1 (Kolmogorov);
Lip
IX
1 is
then /
locally integrable in any power less
d) If / is in both in L and Lip (Privalov).
2) If n
=
2, z
=
x
+i Y= r K (z) =
Developping Q into a
~Fourier
lifllp <
is in LP and
Oirp,
1'-2
IX ,
0
< < 1, IX
then
1 is
in
we have
Q (rp) .
series we have
+=
Q(rp) =~'
k~-=
e
ikrp IXk-9 , 'r~
where the prime indicates that lXo = () (see (6)). vVe may therefore consider the special kernels Kk = r-2 eikrp , and for k = 1 , 2 we find the classical kernels r- 2 cos cp ,
The case n = 2 is already sufficiently typical for the general properties of the Hilbert transform, though the proofs in this case are somewhat easier than in the general case due to the fact that Q becomes a function of a single variable cp. :Moreover we can apply here the th-eory of functions of a complex variable, which is impossible for n > 3 . 3) n = 3. If we introduce polar coordinates 1', cp , (), we have K(x) = r- 3 Q ((), cp).
We may develop Q into a series of spherical harmonics, Q (9 ,cp) 00
roo.)
~
Y k (9 , cp), and we come across special kernels r- 3 Yle (9 , cp) •
Ie-I
§ 2. Before we pass to the proof of Theorem 1 of the preceding section, which is one of our main objects, we consider a number of possible generalizations. Let K (x) satisfy, as before, the conditions
r
Q (x') d .re' = 0 ,
(1 ) I
75
Q E Lip
IX , IX>
0
On singular integrals
[473]
73
and let K. (x) be the trnncated K, that is to say K. (x) 1 xl;;;:::: e and K (x) = 0 otherwise. We write
1. (x) = f ,.. K .
J
=
K (x) if
J
f (y) K, (x - y) d Y
f (y) K (x - y) d y ,
Ix-y l:?'
and we set ;: (x) = Sup
•>0
11. (x) I.
In view of Theorem 1 of § 1, the function ;: is finite almost everywhere for each f E LP, 1 <- p 00. The following res nIts which complement Theorem 2 arc important for applications.
<
THEOREl\'I
3. If f is in LP, 1
<
00,
so is f*, ctnd we hewe
where Ap is a constant independent of f. THEOREM 4.
If f is in LP, 1
<
111-1.llp =
00,
then
0.
In some problems we encounter what may be called convolntions with a variable kernel. Let z = (C j , '2' ... ,Cn) and suppose that (2)
K (x , z)
=
f2 ,x z') 1
z
in ,
where for each fixed x the kernel K satisfies the comlition
J
Q (x , z') d z' = 0 ,
s
and satisfies a Lipschitz condition of positive order with respect to z, and with respect to x, uniformly in the remaining variable. vVe may consider the function (3)
1 (x)
Jf
(y) K (x , x -
76
y) d Y .
74
[474J
A. ZYGMUND
The integral on the right is not a convolution since the kernel ]{ (x , z) depends on x, but it can be shown that the theorems stated above remain valid in this more general case. There are other types of singular integrals which are of interest in applications. Consider, for example, in the two dimensional case the integral '"':' (x 1) = ~ j , Y:n~
(4)
J+00 J+00f
(s , t) d s d t . (x - s) (y - t)
-00 -00
The operation which transforms f(x, y) into l(x, y) may be called a double Hilbert transform, since, formally at least, it consists of successive applications of ordinary Hilbert transforms to each variable x and y. The kernel ]{ (x , y) = 1/:n2 x y has singularities along the x
1
and y axes, and to define we must first eliminate in (4) a neighbourhood of these axes and then pass to the limit making the eliminated neighbourhood shrink indcfinitely. This could be done in various ways, but the following procedure seems to be the most natural: we define l(x, y) as · 21 /' 11m :n.
f
,,11~O
f(s, t)dsdt , (x - s) (y - t)
Ix-'I>. Iy-tl>'l
where e and t] tend to 0 independently of each other. The neighbourhood we remove therefore has the form of a cross symmetric with respect to the x and y axes, but the two beams of the cross have different widths. The above definition can be generalized. Suppose that x = = (t 1 , ~2 , ••• , ~m) and y = (t]l , t]2 , ••• , t]n) are points of Em and En respectively, and let ]{ (x , y) = ]{' (:0) ]{" (y) ,
where ]{' (x) and ](" (y) are of the types discussed at the beginning of the section. vVe consider the double Hilbert transform
(6) l(x,y)
fJf(8,t)]{(;r-S,y-t)dsdt=lim E
In
S'1J-~O
En
77
f
f,
IX- 8 1>.ly-tl>'l
On singular integrals
[475]
which is a transformation on functions t]t, ••• ,t],,) of 1n n independent real transforms we know the following results.
+
75
f (x,
y)
=f
(~1 , ... , ~1n
,
variables. About snch
'l'HEOREM 5. If both f (x ,y) and If (x , y) I log +1 f (x , y) I are integrable, then the limit in (6) exists (md is finite la almost all points of Em+n. THEOREM 6. If If (x , y) Ip is integrable over Em+", and p is greater than 1, then f(x, y) exists almost everywhere and
whe1'e Apis a eon stant which is independent of f. The proof of these results depends strongly on Theorem 3 and its suitable extension to the case p = 1. The curious aspect of the situation, not yet completely clarified, is the requirement that f log+ If I be integrable. It is not known whether the conclusion of Theorem 5 holds for functions which are merely integrable. There is a conjecture that perhaps the limit (6) exists almost everywhere, even for f merely integrable, provided that e and t] tend to 0 in such a way that both ratios e/t] and'r//e remain bounded; the problem remains open and seems rather difficult. vVe add that we can, of course, introduce kernels which are products of p kernels of standard type, and consider corresponding extensions of (6). Theorems 5 and 6 then still hold provided in the former we replace the integrability of Ifllog+lfl by that of If I (log+lfl)p-l. Let ... , X- 1 , Xo , Xi , X 2 ' •• , be a two-way infinite sequence of numbers. We denote by lP the class of all such sequences X for which the number (~I Xm Ipj1lp is finite, and we denote the number
by IIXllp. Consider the transformation
(7)
": _ +00, ;1,,, -
X
rn~-oo
Xm
---.,
n-
(n = ... , -
where the prime indicates that the index mation. vVe write
1 , 0, 1, 2, ... )
1n
X = !;;;,). 'l'he
1n
= n is omitted in sum
transformation is (except for the-
78
76
A.
[476]
ZYGMUND
factor lin) a discrete analogue of the Hilbert transformation
+00
~;' 1 Jf(Y)d Y J(x) = -
(8)
n
-00
x-Y'
I XI12 -:;;;: n I X 112' The result was showed that IIXllp ~ Ap IIXllp for each
and a classical result asserts that
extended by M. Riesz, who p>l. We may consider a generalization of the transform (7) to spaces of higher dimensions. IJet e1 , e2 , ••• ,en be a system of n mutually orthogonal non zero veetors in En. Consider the set of all lattice points h generated by this system. Hence the h are of the form fl1 e1 fl2 e2 fln en, where fl1' ,fln are arbitrary integers. Since the set of all lattice points is denumerable, we may arrange them into a single infinite sequence I hq I = (h o : hi , .•. ) . Given any infinite sequence of numbers I Xr 1= (XO , Xi , ••• ) we may consider the transformation
+
"'2 , ...
+ ... +
~
(9)
X'l
=
+00
2' K(h q
hr)xr ,
-
(q
=
0 , 1 , 2 , ... )
r~O
which obviously generalizes (7), and for which we have the following analogue of l\L Riesz"s theorem: 8. If the kernel K (x) = Q (x')1 Ix In satisfies the conditions (1), then the transformation (9) is from lP into lP, for p strictly THEOiml\I
greater than 1 . .iJ1ore precisely, if X = l;;q 1, then I ~Yllp < Ap II X lip· We shall now consider singular integrals for periodic functions. We recall that parallel to the theory of Hilbert transforms (8) we have a theory of conjugate functions
(10) -n;
The function f here is initially defined in (- n ,n) and then extended to all X by the. condition of periodicity. The properties of conjugate functions are close to those of Hilbert transforms (8),
79
On singular integrals
[477]
77
and this is not surprising since using the formula
(11)
1 (1 -cot -1 x = 1- + +00 ~ - -1-) , 2 2 x n~-oo X 2 11: n 2 :n n
+
we can put (10) in the form l(x) =
~
r
+00
f
11:.
-00
(y) d y •
x-y
We can apply the same procedure to the general kernel K (x) • Suppose for simplicity that the orthogonal vectors e 1 , e2 , ••• ,en are all of length 2 11: and set (12)
K* (.-r)
=
K (x)
+ +00 ~' jK (x + h
q) -
K (h q )\
q~l
assuming, for simplicity of notation, that ho = 0 . Using the fact that Q E Lip IX, it is not difficult to see that the series (12) converges uniformly over any finite portion of Ii] provided we drop the first few terms of the series which have singularities there; the function K* (x) is of period 2 11: in each of the components ~ j of x . Let Qn be the hypercube in En with center at the orig'in and half-dimensions 11:. Consider the function
n,
(13)
f(x) = ff(y) K* (x -
y) d y.
Qn
Since K - K* is continuous in Qn, Theorem 1 implies that the integral (13) exists almost everywhere in Q", and from Theorem 2 we can deduce without difficulty the following resuit: THEOREM
9. If f is in LP on Qn, where p
~ inLP, and llfllp<Apllfllp, where
Ilflip
> 1,
stands for
then
f
is also
(f If(x) Ip dx )l /P. Q"
We conclude this section with a few words about singnlar int.egrals on curves.
80
'is
[478]
A. ZYGMUND
C be a rectifiable curve in the complex plane, and let f (C) be and integrable function on C (that is, f an integrable function of the arc length). Consider the integral I~et
j
(14)
f(C)dC
z-C '
a
where z is also on C. By the pt'incipal value of this integral we mean the limit, as e -. 0, of
j z-C1 ' f(C)d
as (0)
where C. (z) is the part of the curve C which is outside the circle with center z and radius e. One would expect that under these conditions the integral (14) would exist at almost all points of C; whether this is so we do not know, and the best result so far obtained is the following THEOREM 10. If the curve C has bounded curVlttUt'e and. x and f is integrable on C, then the integral (14) exists, in the sense of principal value, at almost all points of C. D~finitions of singular integrals can be extended from Euclidean spaces to curved varieties, but very little is known in the general case, and we do not discuss the topic here.
§ 3. Given a function j (x) =
Fourier transform of
f
(I; 1
, •••
,I;n), we denote by
/'0-
f the
f,
f(x) = (2 n) -
+ff n
(y)
(}-i(xy)
dy ,
+ ... +
where (x y) stands for the scalar product /;1 'f/l /;n 'f/n of the vectors x = (1;1"'" I;n) and y = ('f/t , .•• ,.'f/n)' We take for granted /'0elementary properties of the Fourier transform f, in particular the
f
facts that if fE L2, then exists (in the metric LZ), that = II f 112, and that we have the inversion formula
(1)
f(y)
=
(2
n)-+nj.i(X) ei(xy) r7.1:, 81
IIill2 =
On singular integrals
[479]
79
Moreover we shall need the fact that if we define the convolution h of functions ! and g by the formula
h (x) = (2 n)-
+f! n
(y) g (x -
y) d y ,
and if one of the functions!, g is in L and the other in L2, then
h=!
(2)
g.
/'..
Since a singular integral! is a convolution of two functions ! and g, we may expect (2) to be valid in this case in some sense, and we are led to study the Fourier transform of the kernel K (x) = = Q (x') / I x In. The kernel being not integrable near the origin, we must first define the Fourier transform of K. Let K e ,'} (x) be the function coinciding with K for IJ < I x I < 'YJ and equal to 0 otherwise. "Ve define the Fourier transform of K by the formula K (xl
(3)
=
lim lim K e,') (x) , e---+O
't}-HXJ
/'..
and we first study the behavior of K e ,'}. We snppose temporarily that Q is merely bounded and satisfies the usual condition
r
Q (x') d x' = 0 .
I
I 1=
I I=
We introduce polar coordinates and set x r, y (2 , (x y) = r e cos cp. We have d y = e"-l d e d a, where d a stands for the element of area of ~, and (2 n)n/2
(4)
Jr.,') (x) =
J
da
I
'}
e- 1 Q (y') e-irecoAip (7 e =
:E
=
r
. :E
Q (y') il e
/7~-iecos'l'
. er
e
de.
Let g (e) be the function eq nal to 1 for e < 1 and to 0 for e
>1.
Then, in view of the condition
I
:E
82
Q (y') d y' = (),
the right
80
[480]
A. ZYGMUND
hand side of (4) is
J J 1Jr
de·
e
er
:E
g (e)
e-iecosrp -
Q (y')
Denote the inner integral by I. vVe will show that (.5)
1II
< log 1cos1 ffJ 1+ 0,
where 0 is an absolute constant. Consider first the case 13 r < 1
R~l
1
1=
e-iecosrp -
1
e
er
say. The inequality
1 eit -
d
----;::- d
'Jr
( e-iecosrp
.
e+
-e- d e = + 1 II
.
1
1
1
1
(! / •
"
1
We have
J
J
R e-ie
I
sup
01 =
r; 1", and set
<
2,
On the other hand,
and, consequently, 1
1121 <
Je-
1
Ieosrp I
de = log 1 1 I' cos ffJ
1121
1
< 0 1 + log 1cos ffJ I' ,
according as r; r 1 cos ffJ 1 is < 1 or > 1, so that in any case we have (.5) with 0 = 0 1 1. In the cases r; r < 1 and 13 r > 1 the situation is similar. In the former, using the same estimate as for It above, we obtain 1 II < 1; and in the latter
+
111=/ J
J
I --glle e- ie ~e-(lel<
e-iecosrp
£1'
1
I
£1' ('0':'.(1'
83
I
+, J-erle.I 1Jrleosrpl
1
'Jr
I
I' l
e- ie
I
1
[481]
81
On singular integrals
The contribution, if any, of the interval (1, 17 r I cos cp exceed 1 , and the rest is numerically majorized by
°
1
f
de -=log
erlcos'!'l
Q
1
r I cos cp
8
I-
1
I cos cp I
Il
does not
.
Thus (5) is established. Return to (4). Since the integral I converges as first 1] 00 and then 8 - 0, provided cos cp =F 0, and since the right-hand side of (.5) is integrable over ~, we deduce that
+
/'..
(i) K.,') (x) is bounded, uniformly in (ii) if
1] -
00
8
and
1];
/'..
and then
0, K.,,} (x) tends pointwise to a
8 -
/'..
bounded function which we may denote by K (x) and call the Fourier transforrn of K. Suppose now that fE L2, and set
Since K.,'1 EL, we have, by (2), /'..
1.,'} = f K.,'1 .
(6) ./"-. /'..
/'.. /"...
Since the difference f K - f I(.,,} tends pointwise to 0 and is majorized by a function in L2, we deduce that /""-...............
(7)
Ilf K
/".../"...
-
f
K.,'} 112
-+
o.
J
Let be the function whose Fourier transform is (7) and (6) we have (8)
In other words, the integral
1.,'} (x) =
rf
(y) K (x -
y) d Y
·.slx-yl.:S:'}
converges in L2 to limit
1 as
1]
~
00
84
and then
8
~0.
/'..
""-
f K. From
82
[482]
A. ZYGMUND
In the argument just completed we assumed that Q was bounded over ~. Since the right-hand side of (5) is integrable over ~ in any power 1, an application of HOlder's inequality shows that (8) holds if Q is in some LP, p 1. But we can go one step further. The right side R of (5) is integrable exponentially over ~, that is exp,1. R is integrable for some ,1. O. Using therefore, instead of HOlder's, Young's inequality
>
>
>
u v :::;;: u log (tt
(8a)
+ 1) + e (u , v;;::::: 0), V
we can deduce (8) under the hypothesis that Q log+ I Q grable over ~ : TEO REM
11. If Q log+ I Q
I i.q integmble over 2', and
I
Q
I is
inte-
(x') dx' =0,
:E
we have (8) for each f EL2. The result is not a special case of Theorems 1 and 2 for p = 2: we assume now much less about Q, but we assert only convergence in L2, not pointwise convergence. From the preceding argument we can easily obtain an explicit /'-.
formula for K. Suppose again, for simplicity, that Q is bounded. We have - n ..........
(9)
Let w
(2 n)21
=
K (x)
=
J lj't. e
.~+o 'l~+'"
.2
1
e-teeoscp -~-
Q (y')
declo =
Er
sign (cos cp). The inner integral can be written
I·- . e 00
(10)
lim lim
e-iwi!
e= J- 00
d
'rlco"'!'1
cos 12
Qd
J 00
.
e-~w
.rlc08'!'1
sin e
J
--012'
.rlco"'!'1
e
The real part on the right is
=
Je
cos e d e
.r
~
+ 1- cos 12 .
'''1,"08'!'1
85
Q
+J' e ~
1 if e
de.
.rlc08'!'1
On singular integrals
[483]
83
Of the three integrals, the first is independent of cp and so can be dropped in (9), in view of the fact that the integral of Q over ~ is zero; the second integral tends to as e ~ 0, r remaining fixed; the third integral is log (1/lcos cp I). The imaginary part on the right
~
of of (10) differs from -
17, i w by a quantity tending to 0 with
e. Collecting the results we see that
(11)
/'-
K (x) = (2 17,)
-~nf 2
It
Q (y') log
I cos1 cp I -
1 ( 217, i sign cos cp do .
I
2:
This bounded, over ~. The of degree
formula was proved under the hypothesis that Q was but, of course, remains valid if Q log+ I Q I is integrable formula (11) shows that K (x) is a homogeneous function O.
§ 4. Our next topic of discussion is Theorems 1, 2 and 3 stated previously. Complete proofs of these theorems would take us too much time and we cannot go into them, but there are some aspects of the proofs, and some special cases, which are of independedent interest an which can be diijcussed easily. We call the kernel K (x) even, if K (- x) = K (x), and odd if K (- x) = - K (x). Every kernel K (x) is a sum of its even com-
1 . ) and odd component 21 iIK(x)-K(-x) ) . ponent 2!K(x)+K(-x) It turns out that some of results are comparatively easy to prove
for odd kernels; more precisely, in the case of odd kernels results for n-dimensional Hilbert transforms are deducible from corresponding result for the classical, one-dimensional, Hilbert transform. 'l'his is of interest since a number of important kernels are odd. 'l'his is true in particular of the Riesz kernel K(x) =
x/I x In+1;
it is a vector function, and so transforms every scaJar function
f
into a vector function = f * K. I,et K be an odd kernel, K (- x) = - K (x) , and suppose first that f E L2. Consider the truncated transform
7
7 (x)
•
£
=If I In (x -
y
y) Q (1f') r7lJ =
..
lyl2:£
_If I In
(x _-tkl) Q (1f') r7 Y . JJ
,yl2:£
86
.
,
84
[484]
A. ZYGMUND
(the equality of the last two integrals uses the odd character of the kernel K). It follows that
1. (x) =
-
~J/(X 2
lyl2:·
+ y)Iy- In/(x -
y) Q (y/) dy'
If we set I y I = 'rj, we have d y = 'rjn-l d 'rj do, and if t deuotes a unit vector we can write y = t'rj, and we obtain (1)
l.(x)=-
~
j!J(t) {J/(X-t't])-;;/(x+t't])d't]}dt. 1}2:.
2,'
If we set g.(.1), t) = _ J/(X +t't])--;;/(X-t'Y)) d'Y), 'I'J?!:.e
we have (2)
It is clear that (except for the numerical factor l/n) g. (x ,t) is a trun-
cated one-dimensional Hilbert transform at the point x of the function / restricted to the straight line L t passing through the point x and parallel to the vector t. It is therefore natural to apply here results for one,dimensional Hilbert transform. Suppose that h (x) is a function of the single variable x and of the class I}. A classical result asserts that
II 'h. (x) 112 <
(3)
A
II h (x) 112 .
The inequality is a corollary of Theorem 11, but can be proved directly and immediately by observing that the Fourier transform of the truncated kernel l/x is
jSin 00
(2n) -~J 2 e- ixt t-1 dt=-(2/n) ~2 signx. Itl2:.
t -t-dt,
'Ixl
and so is uniformly bounded in x and 8, and tends pointwise to a limit as 8 ~O. If we apply (3) to the function go (x ,t) we
87
On singular integrals
[485]
85
have
Jig" (x , t) I d L Z
t
< A
I
If (x)
12 d L t ,
Lt
Lt
and, integrating this over all straight lines parallel to the direction
t, we abtain 1
(4)
1
(JI g" (x, t) 12 dxt < A (JI1(X) 12 d X)2 =
A
11111z'
Return to (2).Applying Minkowki's inequality (which asserts that the norm of an integral never exceeds the integral of the norm), we deduce that (5)
III
112< ~
J
I Q (t) III g" (x, t)
112 d t:::;;: ~
A II Q
111 111112,
:4
where II Q 111 designates the integral of I Q lover X . The inequality (3) which we used in the preceding argument is a special case of the more general inequality (6)
of M. Riesz, valid for all p strictly greater than 1. If we assume that 1 (x) is in LP (E n), and use (6) instead of (3), the preceding argument gives the following generalization of (5) :
(7)
Iii (x) lip
<
Ap II Q
111 111(x) lip,
>
for any 1(x) in LP,p 1. The inequality (6) admits of considerable generalization. In connection with Theorem 3 we introduced the function ;: (x)
=
sup ,,>0
11.(x) I
(thus /; is always non-negative, possibly infinite). It is known that the one-dimensional inequality (6) can be strengthened to (p> 1)
(8)
88
86
[486]
A. ZYGMUND
an inequality which is equivalent to saying that for any measurable step function e (x) we have II h e(x ) (x) lip < Ap II h (x) lip,
(p> 1)
where Ap is a constant depending on p, but not the choice of e (x) • Suppose now that the e in (2) is a function of x, say a step function (by a step function in En we mean a function constant in a finite number of non-overlapping n-dimensional rectangles and 0 elsewhere). We have Ih(X) (x) I::::;:
~
J
IQ
(t) ge(x) (x , t)
Id t <
:?:
if we set
J
I Q (t) Ig* (x , t) d t ,
:?:
g* (x , t) = sup I g e (x , t) I , e>O
and so also
~ (x) :::;;: 2, 1 j~
I' I Q
(t)
I g* (x , t) d t ,
:?:
from which, by the previous argument, we deduce
I IJ~ (x) lip <
(9)
Ap II Q Iii Ilf(x) lip
(p> 1).
1.
This inequality implies that < 00 almost everywhere, and in particular that at almost all points x the integral h (x) remains bounded as e ~ O. But at also implies easily that for almost aU x the limit l(x) = lim h (x) necessarily exists. To see this we observe that exists everywhere if f is continuously differentiable and, say vanishes outside a sufficiently large sphere. The class of such functions f is dense in every LP . Now, if we set
1
() (x)
= () (x, f) =
lim suph (x) -
._+0
lim infh (x), e~+O
then (9) implies that (10)
II () (x ,f) lip < 2 Ap II Q 111 IIflip·
Now () (x ,f) = a(x, f- g) for any g such that g (xl = lim g. (x) exists and, selecting g such that Ilf - gl lp is arbitrarily small, we deduce
89
On singular integrals
[487]
that
1
87
110 (x , f) lip =
0 , (} (x , f) = 0 almost everywhere, so that = lim]; exists almost everywhere. Applying this to (7) we see that
(11)
Let us summarize the results obtained so far in this section. Taking for granted results for the one-dimensional Hilbert transform, and assuming that the function Q is odd and integrable over ~ (this, of course, implies that the integral of Q over ~ is 0) we deduced that 1(x) = lim]; (x) eX'ists almost everywhere, and that l zed by a function in LP; in particular
is rnajori-
111-];llp = o.
lim
The method we used, which we may call the method of rotation, may be applied to more general kernels, already considered in § 2, provided the kernels are odd. Oonsider the integral (12)
-ff (- ) I I
f~• (x ) -
y Q (xyn, y') d y,
x
1!l1;;;;':·
where f is in L p , p > 1, and Q is a function of the variable y' E ~ and of the parameter x E En. We assume that Q is odd in y', and that there exists a function Q* (y') integrable on ~ and such that
IQ (x , y') I ~ Q* (y')
(13)
for all x. If g. (x , t) has the same meaning as above, then arguing as before we have
~ (x) f.
IJ
="2
Q (x , t) g. (x , t) d t ,
I
11. (x) I< ~ JIQ* (t) II g. (x , t) I d t , I
from which it follows that
II]; (x) lip <
Ap
II Q* 111 IIf
90
(x)
lip
(p> 1).
88
[488]
A. ZYGMUND
The last inequality can be extended to
h, (x) =
where
=
sup
_>0
I]; (x) I,
which, as before, implies that l(x)
=
lim.f. (x) exists almost everywhere.
§ 5. In this section we cousider the limiting case p = 1, and we show that if Theorem 1 is valid for p = 2, then it is also valid for p = 1. Thus the result is of conditional nature, but is of interest since in the preceding section we showed the validity of Theorem 1 for odd kernels and any p > 1. The method we use is itself of interest and has wider application. We begin with the proof of the following lemma. LEMMA I. Let P be a bounded perfect set in En, and A a sphere containing P. Let b (x) be the distance of x from P. Then for any A. 0 and almost all points x in P we have
>
(1)
I (x) =
f
0" (y) y In+l d y
!x _
<=
.
LI
We shall call the integral in (1) the integral of ltlarcin7ciewicz. It is enough to prove the lemma in the case n = 1 which is entirely typical. We will show that ./I(X) dx
(2)
< =.
p
Clearly
r
. I (x) d x
=
P
ff
f f1 dx
P
b.! (y) x _ y 1J.+1 d Y = d x
LI
oJ. (y) __ Y
1J.+1
dY .
Q
P
where Q = A- P. We have
1x
00
./ I (x) d x P
faA (y) d ~r 1x ~; 1J.+1
Q
P
fbJ. (y) d y.
~
O-J. (y) d Y <
Q
This proves (2), and so also the lemma.
91
~~
~
1Q
I.
On singular integrals
[489J
----
89
LEMMA II. Let f (x) be a functionintegralfle in a cube IC.E, and let y be a positive nttmber sufficiently lctrge. Then there exists a sequence of cubes It , I2 , . " contained in I, without interior points in common with each other, and stwh that
(3)
y
< T;k I JIf I d x ::;: 2" y
(k
=
1 , 2, ... ).
Ik
MOre01)er, if Q =
~
h ,P
=
I -
Q, we have
Ifl
We decompose I into 2" equal cubes, and set aside those cubes over which the average value of If I exceeds y. Each of the remaining cubes we subdivide into 2 n equal parts and set aside those of the cubes over which the average value of f exceeds y. Each of the remaining cubes we again subdivide into 2 n equal parts and proceed as before, and so on. Let Ij' I2 , . .. be the sequence of all the cubes we set aside in this process. The Ik are all contained in I and have no interior points in common with each other. Clearly we have (3). In this process of subdivision each point of P = I - Q = I - ~ Ik is contained in a sequence of cubes converging to it and over which the average value of If I is < y. It follows that If I < y at almost all points of P. This completes the proof of the lemma. We now pass to the proof of the result stated at the beginning of the section, and we assume that
J
Q d y'
=
0 and that Q E Lip A ,
1:
A> O.
Since the existence of f is a local property, we may assume that the function f is 0 outside a cube 1. We may also suppose that f> O. Let y be a number positive and sufficiently large.
92
90
[490]
A. ZYGMUND
Let Ii , I2 , ... , P, Q have the same meaning as in Lemma II. We set \ fin P g =) , Cf7Lf in each I k , where Cf7Lf designates the average value of f in I outside I. If we set f= g h, then
+
k ,
and g = 0
\' 0 in P,
h='
if - Cf7Lf in each I k
and we have
,
Jh(ZX=O, Jl hldX<2jf dX .
(4)
Ik
Ik
rVe now observe that
Ik
g exists almost everywhere, since g is bounded
and is 0 outside I, and we assume the existence of
g if g
is in L2.
It is therefore enough to prove the existence of h . We denote by It the cube concentric with and homothetic to I k , with sides three times those of I k , and we set
Q"'=
~
It,
P"'= I - Q"'.
h at almost all points of p.r., for the proof of Lemma II implies that, if y is large enough then IQ I, and so also IQ* I, is small and, correspondingly, Ip* I is arbitrarily close to II I . We have, formally,
It is enough to prove the existence of
h (x) Jh (y) K
(x -
y)
dY = Jh (y) K (x -
I
y)
dY =
I
= ;
J
h (y) K (x -
y) d Y ,
Ik
since Q =
~ Ik •
Using the fact that p~(y) dy = 0, we can also write Ik
(5)
h (x) =
f Jh (y) [K (x Ik
93
y) -
K (x -
Yk)]
dy "
On singular integrals
[491]
91
where Yk is the center of the cube I k , It will be enough to show that if we replace the integrands by their absolute values, the resulting series will converge almost everywhere in p*, The difference in square brackets is ]( (x _ y) _ ]( (x _ Yk)
=
Q [(x _ y)']
lI
1
_
x - Y I"
=
Ix -
1
Q [(x -
y)'] _ Q [(x - Yk)'j = Ix - Ykl n
Ix - yin
Yk In
+ Q [(x -
]
y)'] -
IX -
Q [(x -
Yk In
Yk)'J ,
Denoting by 0 suitable constants we can write
where Yk is on the segment joining Y and Yk' Since for x in P* and Y in lk we have OJ <: Ix - Y I/ Ix - Yk I<: 0z, it follows that
(6)
IQ [Ix. <: 0
-
y)'] [_ _ Ix - 1 Y_ In _
IY - Yk I <: Ykl n+1 -
Ix -
0
I,r -1 Yk In-J I::;;: Ix -
dk Ykl n +1
,
where dk designates the diameter of Ik ' Let rp be the angle between the vectors x - Y and x - Yk ' Since Q satisfies a Lipschitz condition of' order A, 0 A <: 1 , we have
<
due to the fact that rpl. <: 0 IY - Yk I/ Ix - Yk I, It follows that
IQ I(x -
I
y)'] - Q [(x - y)!c] <: O. d~ , Yk In -- Ix - Yk In+1.
Ix -
Comparing this with (6) and observing that A <: 1, we see that (y
94
Eh, x EP*)
02
[492]
A. ZYGMUND
and (see (5))
(7)
~Jlh(Y)IIK(X-Y)-K(X-Yk)ldY
n
k
~
~
Since, by (4) and (3)
JI hid Y < 2J f d Y < 2,,+1 IY II Ik I , lie
Ik
it follows that the right side of (7) is majorized by
and so also, if /J (x) is the distance of x from P*, by
almost everywhere in P*, by Lemma 1. This completes the proof of the existence of
f
§ 6. Consider a function transform
/'-.
Tf=f (x)
(x) E L~ (- = ,
1 almost everywhere.
+ =)
and its Fourier
1 f+OO
= -=
f(y) e- ixy d y.
V2.n
-00
It is a very well known, and immediately verifiable, fact that if Tg
--
= T f,
then g (x)
----
= f (-
x) •
Let
J (x) = ~ n
+00
Jf
(y) d Y ,
x-y
-00
that is
J = f.,
K, where K = (2/n)11 2 X-I. In this case, /'-.
K (x)
= -
i sign x ,
95
On singular integrals
[493]
93
and
T
(1)
1=
. T K = T f . (- i sign xl ,
Tf
or T f = T (i sign x), from which it immediately follows the inversion formula
1-
r
+oo~
. j(x)
(2)
= -
-f(y) -dy.
-1
:rr. x-y -00
This formula was established for f E L2, but is immediately extensible to f in any LP, p > 1, since it is valid for functions f which are simultaneously in L2 and LP, and such functions form a dense subset in LP. The Fourier analysis of Hilbert transforms in E2 has already a richer content. Write z = r ei
=
eik
(k=+1,+2, ... ).
-2-
r
/'..
We want to determine K k • Let J k (e) denote the lc-th Bessel function. We recall the basic properties
We shall also need the formula
Ie 00
Jk(e) d e
(3)
this~
we have
II 2",
"'. 1 Kk (z) = 2n
o 00
0
~
(lc> 0).
k
o
Using
=
00
e-irecos(tp-fi) eikfi
e
d
e d () =
2",
= eik
94
A.
.f
e'k
o
f
2n
00
=
[494]
ZYGMUND
d
-
(2
(2
1 2n
e
il!'ill'l'-ibl'-i!!.-2 Ie
d
ljl
=
0
The last integral being 11k for k> 0 and (- 1)kj I k I for 7c we we arrive at the formula /'-.
(4)
Kk(z)
=
i)llel
eile
(7c
17c I
= +
1,
+
<0
2 , ... ) .
Consider now the M. Riesz transform R which is defined by the kernel KI (z) = zl Iz 13• We have /'-.
(5)
KI (z)
Hence, if k
=
ei
i),
/'-.
K_I (z) =
e-i'l' ( -
i)
= -
/'-.
1/KI (z).
>0,
(6)
Let Hie be the transformation corresponding to the kernel K le From (6) we deduce that
•
(7) where
1
ric = k
for k
=
1 , 2, ... , and
ric =
(_ 1)1e
-17c- I- for 7c
=-
1,
- 2 , . .. Thus, except for numerical factors, the transformations Hie are 7c-th powers of the Riesz transformation. If we write K (z) = Sf Ie
eile
(where the prime signifies that the term k = 0 is absent in summation) and denote by II the transformation corresponding to the
97
On singular integrals
[495]
95
kernel K, we obtain, formally, (8)
(9)
where the Yk have the same meaning as before. The formula (8) is valid if Q log+ 1 Q 1 is integrable over (O,2n). To see this we observe that the formula is certainly valid if Q (e) is a trigonometric polynomial in 9. Let an be the (C , 1) means of the Fourier series of Q. From the theory of Fourier series it is well known that if Q log+ 1 Q 1 is integrable, then both integrals
J
J 2"
2"
1
Q (ip) -
an (cp) 1 (1 cp ,
o
I
Q (cp) -
an (ip) Ilog+ 1 Q (cp) -
an (cp)
1
d cp
o
converge to 0 as n ~ 00. Consider now the formula (11) of § 3, which in our case can be written
K(r
J 2"
eifi )
=
(2 n)-1
1
Q (cp) llOg cos (: _
ip)
1- ~
ni sign cos (9 -ip)!dCP.
o
Using Young's inequality (8a) of § 3, we con easily prove that the integral 2,.
J
1Q (ip) -
an (cp) 1log
o
cos
191
- cp
I d cp
tends to 0, uniformly in 9. Hence, if in the formula defining
/'..
J( /'-
we substitute an for Q, the re,sulting expression will tend to K, uniformly in e, as n ~ 00. This means that the series in (8) is /'-
summable (C, 1) to K, and since the terms of the series are o (ljn) , the series converges. This proves (8). As to (9), we observe that if Q (e) "" ~ r:x.k eikfi is such that Q log+ 1 Q I is integrable then, as is known in the theory of Fourier series, ~'I r:x.k I k 1-1 is finite. Hence, if K (z, N) is the N-th sym -
98
96
[496]
A. ZYGMUND
/'-.
metric partial sum of ~r-2 (Xk eikf3 , then K /'-.
to K (z), and so, for any
(z
,N) converges uniformly
f EL2,
II (K(z) -
K(z, Nlf(z) 112 - 0,
which means that the operators which represent the N-th partial sums on the right of (9) converge uniformly to the operator H . It is easy to obtain inversion formulas for the operators defined by the kernels K k • Suppose that fE L2 and let ()k = (-i)lkl 17c 1-1 (see (4)). If T f denotes the Fourier transform of f, then T = Tf. eikrp ()k, whence
1=
and, taking conjugates,
Passing from Fourier transforms to functions we have
():12
f(-X)=I
J
K k (x-y)l(-
~)(ly,
and, finally, we get the inversion formula (10)
f
(x)
=
7c 2
J
K'f (y -
We discuss briefly the case n series of spherical harmonics have
K (x)
00
=
x).1(y) d y .
> 2.
Developping Q into a
r- n Y k (x') ,
~ k- l
where Yk (x') is a linear combination of fundamental spherical functions of order k. A remarkable fact about the kernels Y k (x') r- n is that their Fourier transforms are numerical multiples of Y k (cf. (4)); more precisely (11)
n (2 1l) - 2.. 2
f
Y k (y') rn
. _ - e-i(xy)
99
cl y
=
()k
Y k (x) ,
[497]
On singular integrals
97
where (12)
00
Arguing formally, we see that if K(x) = r- n X Y k (x'), then 1 "'-
K (x) = X ~k Y k (x') .
(13)
1
This is an analogue of the formula (8),and it is valid if Q log+ IQ I is integrable over X and the sum is taken, say, in the Abel sense. The proof is essentially the same as before: the formula is valid if ~J is a spherical harmonic; hence it is valid when the development of Q into spherical harmonics converges uniformly; finally if Q log+ I Q I is integrable over X, and Q (e ,x') is the Abel mean of the Fourier series of Q (or, what is the same thing, the Poisson integral of Q) then
fI J
IQ (x') -
Q (e , x') -
I
Q (x') d x' - 0
1
:E
Q (e , x') Ilog+ I Q (x') -
Q (e , x') I d x' - 0
:E
which implies that if on the right of the formula 11 of § 3 we replace Q (y') by Q (e ,y'), the resulting expression tends uni"'formly to K (x) as e - 1. This show that the series in (13) is uniformly " Abel summable to K. REMARK. Return to the formula (11) of § 3. It indicates that K is a spherical convolution of Q with a kernel Q (cos cp) depending only on the angle cp: /'..
(14)
11. (.:v') =
where (15)
J
Q (y')
Q (cos cp) d y',
:E
Q(cos cp) = (2n)
_2..n{ log I 2
I
I } I- I sign cos
cos cp
100
2
ni
cp •
98
[498]
A. ZYGMUND
It is of interest to find the development of this kernel into a 1 series of ultraspherical polynomials pt (cos cp), where a = 2 (n -2)
and the P ku are defined by the equation (1- 2 w cos cp
+ w )-u = 2
00
~
P ku (cos (p)
Wk •
k- O
The elassical formula
+
r(a) (k a)I U Y k (x') =. 2 n U +1 P k (cos cp) Y k (y') d y' I
<
implies that if 0 < e 1 and ~k is given by (12), then for any, say, continuous Q!'.) ~ Y n we have 00
(16)
~ 15."
k~l
e2k Yk (x') =
Normalizing the Pi: over the sphere ~ and using the Riesz-Fisher theorem we easily verify that the series ~ (k a) 15k P ku (cos cp) is the Fourier series of a function S (cos cp) in L2 over ~. Since the
+
/'-.
left side of (16) as well as ~ (l Y k (x') tend uniformly to limits K (x') and Q (y') respectively, we have
K(x') =
r (a+) 2nu 1
I
S (cos cp) Q (y') d y.
I
Comparing this with (14), and observing that the integrals over ~ of both Q (cos cp) and S (cos cp) are 0, we see that Q = (T(a)j2n u +1 j S, or, after simplifications, 1og
I cos1 cp I - -12
n
101
..
~ SIgn COS
cp ("
[499]
On singular integrals
99
Taking real and imaginary parts we obtain formulas for log(l/l cos cP and sign cos cp •
Il
>
§ 7. We now prove Theorem 9. Let p 1 and let the kernel K(x) = Q (x)/1 x In satisfy the hypotheses of Theorem 8. Given any
sequence X = (xzJ = (xo,
we consider the transformation
Xi' •• ,) 00
(1)
';;"" =
X' K (It", -
hi)
XI
l- o
of X into
X=
~1nl. vVe have to show that
where II X II p stands for (X I Xl IP) l/P, and Ap depends on p and the kernel K, but not on X, 1'0 simplify the argument we suppose that the vectors e1 , e2 , ••• ,en which generate the lattice points hm are of length 1. Let Rq be the hypercube with center hq, edges parallel to thecoordinate axes and of length 2- 1• We set if X E R q , q = 0 , 1 , 2 , ' , , ; elsewhere,
\Xq
f(x)
= 10
Since Ilf lip = 2- n /p II X lip, the function
f is in
Lp, By Theorem, 2, 111111'
11111p <
(2)
If
X
E R""
l(tc)
=
<
Ap lif lip. Hence
Ap II Xllp·
then
X [,em
J
K (x -
y).l (y) el y
111
= X
+ JK (x -
y) f (y) c1 Y =
11m
J' K
Xl l,em , Rl
(X -
y) ely
+
Xm
J' K
(X -
y) d y.
, Em
The hypothesis that Q is in Lip A. implies that if y E Rl (l =f: 1n), then C I K (x - y) - K (11m - 11.1) I s:: I' _ 1 In+).· "~m
102
II
X
E Rm and
100
[500]
A. ZYGMUND
It follows that, if x E Rm ,
f~(x) =
2
-n
~ Xl Z¢m
K (h m
hi)
-
+
~ (x)
Xm gJm
+0
{
I IxIII In+J.\ ,
~ Z -h
l¢m
~m
where by gJm we denote the characteristic function of Rm. It follows that
and it is therefore enough to show that
~J Il(x) Ip·d x + Xlxm Ipfl ;Pm (.x) Ip d + m m X
Rm
Rn
Now, we have
:II.f(.X) Ip d x
<J If(x) Ip
R",
JITm
(X)
J
Em
~ I Xm Ipf ITm (X) Ip d X <
m
n II X II ~ .
2- At
Rm
If we set OGm-1
= 2-
E"
and therefore
IX
II~ ,
< At'11 X
Ipd x < f ITm (X) Ipd X :::::;: At' I gJm (X) Ipd X
R",
with
d.T
En
= I hm -
independent of
X (~ 111
l¢m
hi 1-"-\ we have Xl
CXm-l
l¢m
1n,
< < CX
and we can write
I Xl I am-i) p < X (X ml¢m
=
~ (X I Xl I 1X:!'~1 1X~!'~I) P ml¢m
I Xl I CXm-l) I¢m (X CX
1l1 -I)P/P'
This eompletes the proof of Theorem 8.
103
00 ,
nAt' ,
On singular integrals
[501]
101
8. Historically, singular integrals and Hilbert transforms appeared first in the theory of the potential. It is well known that the second derivatives of the potential of an absolutely continuous mass distribution are represented by such integrals, and some of the problems still unsolved in the theory of the potential are essentially problems about Hilbert transforms. We shall now apply some of the results discussed previously to the theory of the potential. We are primarily interested in local problems, and without loss of generality we may assume that all the functions / (x) we consider ,vanish outside a sufficiently large sphere. The class of functions / (x) such that 1/ Ilog+ 1/ I is integrable we shall denote by L*. With the hypothesis just made about the functions / we have the obvious inclusions: (1
Ooncerning
l
we have the following theorems:
(i) If f is in LP, so is 1, and 11/11 < Ap Ilfllp (p 1); (ii) If / is in L*, / is in locally in L, and, for any cube Q,
>
fill d x
<
f 1/
AQ
Q
Ilog+
1/1 d x + B Q
En
(iii) If / is in L, for every cube Q;
(f
I
is locally in every 'L1-", 0
)
I/Il-"clx
11(1-,,)
< e < 1,
and
f Ifldx.
Q
Part (i) is Theorem 2 of § 1; (ii) and (iii) hold without the restriction imposed on /. It can be shown on examples that the integrability of 1/ Ilog+ 1/1 in (ii) cannot be weakened if we want
1 to
be locally integrable. This indicates that the class L* plays important role in the theory of Hilbert transforms; as a matter of fact, class L* is interest for the general theory of integration. Oonsider the potential U (x , y , z)
=
j·/(8, -R
t)
E'
104
d
8
dt
102
[502]
A. ZYG1HCND
of a simple layer, where E2 designates the plane (8, t), (x, y ,z) is a point of the half-space z 0, R the distance of (x , y ,z) from (8, t), and f is in L. The function U is harmonic in the half-space. ""Ve consider the behavior of the first derivatives Ux , Uy , Uz .
>
Ifz>O, _~ Uz = ~fJf(S, t) d sat 4n
4n
R3
E'
The right-hand side here is the Poisson integral of f and, as is well known, lim .~+o
l-~
4n
U(x,y, z)t=f(.v,y) \
for almost all points (x, y) af the plane E2. We also have
(1)
Urn (x , y , z)
=-
JJf
(8 ,
t) X R3!. d
8
dt,
E.
and an analogous formula for U y (x, y , z). Setting formally z in the integral on the right we obtain
JJf (8 , t) K (x -
=
0
t) d 8 Ii t ,
8, Y -
E'
where K is a singular kernel
K(x, y)
= -
x
----,-3 •
(x2
+ y2)2
Theorem 1 asserts that if fEL then the integral (2) exists almost everywhere in E2. On the other hand, it is easy to show that at almost all points (x, y) (more precisely, at all points of the Lebesgue set of the function f) the existence of lim Urn (x , y ,z) is equiZ~O
valent to the existence of (2), and the two quantities are equal. Similarly for Uy • lIenee, under the sole assumption that f is integrable, the tangential derivatives Ux (x , y ,z) and Uy (x , y ,z) have at almost all points (;v, y) finite limits as z ~ 0, and the limits are represented by singular integrals (2).
+
105
On singular integrals
[503]
103
Consider now the logarithmic potential tt(X,y)=/ f(s,t)log
~
dsdt,
E'
where r is the distance of (x, y) fi'om (s, t). If f is merely integrable, then u, as a convolution of f and log l/r, exists (as an absolutely convergent integral) almost everywhere, and is locally integrable (in any positive power). If f E L*, then the last integral converges absohttely everywhere and u is continuous. That 1t exists everywhere and is locally bounded follows at once from Young's inequality vw
< v log (v + 1) + e
W
(v, w
>
0)
with v = If I and w = I log 1/1' I, and it is easy to refine the boundedness of tt to continuity. The result fails to hold (tt may be everywhere unbounded) if we replace the condition f E L* by a weaker one. If we differentiate the integral defining u formally with respect to x or y we obtain a convolution off with the kernel x/(x 2 y2) or y /(x 2 y2), as the case may be. Both kernels are locally integrable, and the differentiated integrals converge absolutely almost. everywhere to functions which are locally integrable. In particular u", and u y exist almost everywhere and u is an absolutely continuous function of y for almost every x, and vice versa. This is true under the sole hypothesis that f is integrable. We now pass to the second derivatives of u. If f is continuous and satisfies a Lipschitz condition of positive order, there exist classical formulas expressing u"''''' ttwy ,U yy in terms of Hilbert transforms of f, with kernels
+
+
It can be shown these formulas hold almost everywhere if f is in L*. vVhether these formulas hold for f E L, is still an open problem,
and it is conceivable that in this case the second derivatives need not exist in the classical sense. That certain results may fail to hold if we pass from L* to L may be seen from the following fact. Suppose thatfE L*. vVe have
106
104
[504]
A. ZYGJlIUND
just mentioned that in this case u has almost everywhere the derivatives ttxx , ttxy , U yy • But another result holds in this case: if f EL"', then u has almost everywhere a second Peano differential, that is
+ h , y + u (x , y) = A h + B k + + ~ C h + D h 7c + ~ E + (h + 7c
u (x
Te) -
2
Te2
0
2
2 ).
This, of course, implies that u is bounded in the neighborhood of almost all points, and also indicates that the integrability of f log+ If I cannot be weakened here siuce otherwise tt may be everywhere unbounded. If we set k = 0 in the last equation, we obtain u (x
+ h , y) -
tt (x , y)
=
A h
+ 21
C h2
+
0
(h 2 )
•
This indicates that the second derivative of tt with respect to x in the Peano sense exists almost everywhere. The result is weaker than the existence almost everywhere of the classical second derivative, but in is not impossible that in this form the result is extensible to functions f of the class L. We conclude with a few words about the Newtonian potential in the space En with n > 3 :
L-i-
f E +e, then it is a simple consequence of Holder's inequality that u exists almost everywhere and is continuous; if f is only in
If
n
L 2, U may be everywhere unbounded. Suppose now that f E L*. Then, as in the case of the logarithmic potential, u has almost everywhere all second derivatives, and these derivatives are given by classical formulas. The second differential, however, need not exist at a single point since already in the case when f E Ln/2 the potential tt may be everywhere unbounded. If however in u (x) = U (~1' ~2, ... ,~n) we fix ~1' ~2 , ••• , ~n-2, then for almost all choices of (~1 , ••• , ~n-2) in En-2, tt has almost everywhere in E2 a second differential with respect to ;n-1 and ;".
107
[505]
105
On singular integrals
BIBLIOGRAPHICAL
NOTE
Tho ono-dimensional Hilbert transform is a classical topic_ Hilbert transforms in higher dimensions seem to have ben first considered by Tricollli (for 11 = 2) and Girand, bnt the introduction of the Lebesgue integral and the modern theory of operators seems to be due to Michlin. Miohlin's main work is discussed in his expository article Singular integral equations, Uspekhi Matemati~eskich Nallk, vol. 3 (1948), No.3, pp. 29-112 (there is an English translation in Allleri"an Math. Soc. translations, No. 24 (1950». It also contains a discussion of, and references to, the earlier work of Tricomi and Giraud. The developments (8) and (9) of § 6 will be found there (proved by a totally dift'erent argument). The series 13 of § 6 oocurs already in the note of Giraud Sur une class gelllJrale d'equations integrales p1'incipales, C. R. de l' Acad. :"ci. Paris, vol. 202 (1936), 2124-2125, but no Fonrier integral is menLionell, no proofs are giv6u, and it remains a mystery how Giraud arrived at the development, though he explicity mentions the fact that to the composition of integrals corresponds multiplication of the devel(lpments, an obvious hint nowadays to Fourier integrals. That the development is actually the Fourier ntegral of K is implicitly contained in the paper of Bochner, Theta j'elatiolls with spltel'ical ha1'11!onics, Proc. of the Nat. Acad. USA, 37 (1951\,804-808, which contains the formnla (11) of II 6; see also Michlin, On the theOl'y oj nwltidimensional sing'llar integral equations, Vestnik Leningrad University, Series of Math., Astronomy and Mechanics, Vol. 1 (1956), No. I, p. 1-24. Theorems 5 and 6 about iterated Hilbert transforms are proved by M. Cotlar, Some generaliziations oj the HardyLittlewood maximal theorem, Hevista Matelllatica Cuyanil, vol. I, fase. 2, pp. 85-104. A. P. Calder6n's and the author's work is contained in the foll()wing papers: (i) On the existence oj certain integrals, Acta Mat. 88 (1952), 85-139; (ii) On a problem oj Michlin, Trans. American Math. Soc. 78 (1955), 209-224 (Addenda, Ibid. 84 (19~7), 559-560); (iii) Singular integrals and periodic jnnctions, Studia Math. 14 (1954), 249-271; (iv) On singulal' integrals, American J. of Math. 78 (1956),289-309; (v) Algebras oj certain singulm' operatOl's, Ibid. p. 310-320; (vi) Singular integral operators and differential equations, Ibid. 79 (1957), PI). 801-821.
a
[Entrata in RedaziQne il 29 novembrc 1957]
109
FAEDO, SANDRO 1957 Remliconti eli Matelllatica (3-4), Vol. 16, pp. 515-532
Applicazione ai problemi di derivata obliqua di un principio esistenziale e di una legge di dualita fra Ie formule di maggiorazione (*) di SANDRO FAEDO (Pisa)
1. - Nel convegno iuteruazionale snlle equazioni aIle derivate parziali tellllto a Trieste nell'estate del 1954 G. FiclJera lJa comuIlicato Ull principio generale di esistenza nell' Allalisi lineare, clJe gli lJa permesso di dare una tmttazione unitaria a llumel'osi problemi esistenziali. Siano V un insieme astratto, lilleal'e rispetto al corpo reale [complessoJ e Bi e R~ due spazi di Banach l'eali [colllplessiJ. Siano definite in V due trasforrnazioni lineal'i MI (v) e M2 (v), aventi codominio rispettivamente ill Bl e B 2 . Sia assegnato Illl funzionale lineare e continuo if! (Wi)} definito in Bl e si considel'i l'equazione
1) nell'incognita IfF (w 2 ), essendo IfF (w 2 ) un funzionale lilleare e continuo defiuito in B 2 • II principio esistenziale di Fichera si pub ('oSI ellllnciare: «Condizione necessaria e sllfficiente affinche esista la solnzione dell'equlIzione 1), dato comllnque if! , e che esista una costante K, tale clJe sia per ogni v c V 2)
II
M{ (v)
II
<
KII M 2 (v) II·
(*) Il oontenuto di questa Nota e stato esposto nelle lezioni del 20 Ciolo dei corsi del Centro Internazionale Matematioo Estivo (CJME) tenuto a Varenna dal 10 al 19 gingno 1957.
111
[5] 6]
Applicazione ai pl'oblemi di derivata ecc.
107
Soddisfatta Ia 2) esiste una soIuzione lJ' della ]) verificante Ia disuguaglianza 11lJ' II < K II qJ II e ogni altra soluzione si ottiene aggiungendo a essa un funzionale ortogonale al condominio 1112 ( V) di M2 (v) ». Desidero notare esplicitamente due casi particolari del teorema ora dimostrato. Sia Ei un illsieme misl1rabile appartenellte ad un dato ambieute Si uel ql1ale e stata illtrodotta uua misl1ra 'fi. La misura di Ei sia fiuita. Indicbiamo COIL )}CPi) (Ei) )0 spazio (1'eale 0 comp)esso) delle fuuzioni misurabili in Ei ed aveuti modulo di potenza p;sima sommabile (Pi> 1) . (
Pi. )
Sia Mi (V) c .E Pi -1 (Ei) Si ha il teorema: «Condizione necessaria e sufficiente perche, assegnata comunque una fUJlzione q; in .E(P 1) (E I ) , esista una fllnzione '1' in ..r;CP 2) (Ti}2) verificante per ogni v c V l'eq uazione 3)
e che esista uua costaute K tale cite, qualnuque sia v c V, si abbia
3')
Pi Pi- 1 si pone - - = --- = 1. Pi - 1 Pi Se iuvece Ei e un insieme chiuso e limitato di uno spazio enclideo ed illi (v) e costituita da fllnzioni continue in E si ha: «Coudizione necessaria e sllfficiente perche, assegllata comnllque la funzioue q; completameute additiva sui boreliani di E1 esista Ulla fUIlzioIle 1fJ completamellte additiva sui borelialli di E 2 , tale che si abbia per ogui vc V Al soli to per Pi
= =
4)
112
108
[517]
SANDRO J<'AEDO
e che 4')
esista ulla costante K tale cbe, qualunqne sia vc V si abbia
I
max M j (v) Ej
I:::;: K
max E2
I M2 (v) I .
2. - Del SilO principio di esistenza Fichera La mostrato l'lltilita, perla dimostrazione di svariati teol'emi di esistenza pel' pl'Oblemi al COlltOl'110 per equaziolli del 2° ordine ellitticlie e pamboliche. Sia
con lIhk bh , c, f fUllzioni di x = (Xj , x 2 , ••• ,xlt ) definite in un campo B di 8", sulle quali si fanno Ie ipotesi: 1) r~e lIhk e bh apparteugono a (B) • 2) La forma quadratica ~ lIhk Ah Ak e definita positiva per oglli x di B. Indicllerell10 al solito con S* (u) I'operatore aggillllto e ci~e
oiP
+
Sia A un campo limitato tale che A FA appartellga aBe la fl'Ontiera di Asia costitnita da ipersuperficie continue, dotate di iperpiano tangente variabile con cOlltinuita. Fichera lIa dill10strato il teorell1a: ~< Assegllata arbitrariall1ellte 1a funziolle h (x) defillita e continua su FA e 1a fnllzione f (x) della classe OJ. (A FA), esiste la funzione u (x) continua in A FA di classe 0(2) (A.), verificante Ie condizioni
+
+
S(n)=f(x)
xc A
u (x) = h (x)
xc FA .
Esall1illiamo a gralldi Iinee la dimostrazione di Fichera per vedere il rnolo cLe in essa gioca il principio eli esistenza: Egli snppone dapprill1a cLe sia It = 0 , f::2:: 0 e
5)
+
In tal caso, detto V Pi lIiieme delle fnuzioni di classe 0(2) (A e per cui e 8* (v) = 0 in A, poicLe l'equazione 8* (v) = 0
+ FA)
113
[518]
109
Applicazione ai problemi di derivata ecc.
ha il coefficiente di v non positivo, risulta max
6)
A+FA
Iv I =
max I v I . FA
Applichiamo q uindi il teol'ema di esistenza, assumendo come (v) la trasformazione identica e come spazio d i Banach Bi ljuello FA con delle funzioni Wi continue in A jl[2
+
II Wi I =
I Wi I,
max
A+FA
come 2112 (v) la tr:.tsformazione che fa cOl'rispondere ad ogni v di V let sua traccia su FA e come spazio B2 quello delle funzioni 102 continue su li'A con
II 102
1
I 10 2 I .
= max FA
Percio dalla 6) [come dalla 4') segue la 4)] segue che esiste una fllllziolle completamente addittiva 'IjJ, definita sui borelialli di FA, e tale cbe per ogni 1) c V e (dx
IVfdx. I vd'IjJ A
=
dX i
•••
dx,,) .
FA
Se B' e uu campo limitato, cOlltenuto insieme alIa sna frontiera ill B, con B'::> A FA, esiste una fUllzioIle s (x, y) definita per ogni coppia di punti x, y di B' COIl x =l= y, la quale e come fllllzione di x soluzione fondamentale di g (u) = 0 e come fnllzione di y soluziolle fondamelltale di g* (tt) = 0 . Per xc B' - (A FA) e y conteuuto ill A FA s (x, y) come fllnzione di y appartiene a V e q uindi e
+
+
+
Is (xy)f(y) dy = Is (xy) tTy A
'1jJ.
FA
Se xc A si cousidel'i la funzione tt (x)
=
I
s (x y) dy 'IjJ -
FA
f
s (x y)f (y) dy.
A
Questa fUllzione appal'tielle a 0
114
(2)
(A) ed
e soluzione di
S (u) = O.
1]0
[5] 9]
BANDitO J<'A I£DO
Illoltre si dimostra che Sll ogni punto di FA la 1t (x) ha limite nella direziolle conormale e che tale limi te e zero. Se nOll e I> 0, pliO porsi 1=/1 - 12 con Ii e 12 > 0 e, pel' sovrapposizione, si ottiene la soluzione. Analogamente la condizione It = 0 puo togliel'si faceudo ricorso al teorema di Hal'l\ack generaIizzato. Per togliere la condizione 5) Fichera ricorre alIa funzione di Green relativa al caso in cui e gia verficata la 5) e per cui e
=.r ~
~t (x)
(xy)/(y) i/1/·
A
Si cOllsidera il lIUOVO problema & (1t)
+ c*
1t
=
= fin
U
A,
h su FA
+
e si pl'ova che esso ha soluzione se e c c* :;:;;;: 0 . Se si fa l'ipotesi che per una particolare scelta del coefficiente c « 0) di & (u) esista una funziolle w di classe () (2) (A FA), nulla su FA e tale che & (w) 0 in A FA, allora sussiste una formula
JI
7)
v
+
+
>
I i/x <
JI
K
A
v
I i/o
IrA
che segue dalla formula di reprocita di Green e che vale per Ie soluzioni di &* (v) = 0 appartenenti a 0 (1) (A FA). Fissata per c la particolare funzione per cui cio accade si 1Ia dalla 7') [come dalla 3') la 3)) che esisle una funzione 'IP misnrabile e limitata su FA per cui e
+
JvI
dx =
A
Essell
'IjJ
=
limitata,
f
s (.r:y)
Iv
'IjJ
do.
FA
e immediato 'IjJ
(y) i/y
0 -
FA
J
s (xy)1 (y) dy
A
115
cbe
[520]
e la
111
Applicazione ai problemi di derivata ecc.
la soluzione ricbiesta dato cbe il potenzillle di strllto semplice
.f s (x Y) 1/) (Y) l1y a FA
e
funzione continua di x in tutto 10 spazio. Con artifici analogbi al caso precedente si passa al caso non omogeneo e in cui C ~ 0 e qualunque. Sotto l'ipotesi che gli ahk siano di classe C (2)(B), i bh di classe e (1) (B) e c di classe CiJl (B) e cbe FA sia sufficientemente regolare, Fichera ba dato una dimostrazione del teorema di esistenza per il problema di Diricblet cbe non fa ricol'so alia soluzione fondamentale e che e fondata su uua disuguagliauza del tipo
.f v dx < k(JE* 2
A
(V2)
I1x + .f v iI a)
A
2
FA
+
valevole ora per ogni v di classe C (2) (A FA) (e non solo per Ie soluzioni Iii g* (v) = 0); questa disuguaglianza sussiste ogni volta che esista una fuuzione w verificltllte Ie cOlldiziolli gill, dette. 3. - Considel'iamo ora il problema di Neumanll. E lIssegnata flluzione q continua su FA e una / di classe eJ(A FA) ; consideriamo il problema
+
UlIlt
g (It)
=/
iu A
au = ay
-
q su FA.
Ficbera ba dimostrato che, se esiste una funzione w di classe FA) verificallte Ie condizioni
C (2) (A
8)
+
w
~~-bW>OSUFA,g(W)+Cow>OinA (
r
normale interua, Co = c -
abh )
n ~ -
h~l aXh
esiste (ed e unica) uua funzione u (x) appartenente aile classi C (1) (A FA) e e (2) (A) soluzione del problema di Neumann
+
S (1t)
=
0 ill A
au = -ay 116
q su IlA ».
112
[521]
SANDRO FAEDO
L'esistenza della sllddetta w porta al1a formula di maggiorazione 9)
+
per oglli soluziol1e v di &* (v) = 0 di classe 0(2) (A PA); tale disuguaglianza discende dalla formula di reciprocita scritta per v 2 e w. Il principio di esistenza assicura che esiste una fUl1zione '!jJ di quadrato sommabile su FA , tale che pel' oglli v di 0 (1) (A FA) e soluzione di &* (v) = 0 sia
+
f
10)
l'
q do
FA
f
q 8 (x , y) ily a
=
I (: :~
b v) If do.
FA
Per ogni xc B' - (A
FA
=
+ FA)
f
si ha
l ~y
'1/' (y) a
8
(xy) -
b (y)
8
1
(x, y ily
0 •
FA
Come nel caso del problema di Dirichlet si prova che u (x)
=
f
'!jJ
(Y) [a
~y 8 (x , y) -
b (y)
8
FA
(x , y)] d y
0 -
f
q (y) 8 (x , y) d y a
FA
e la
soluzione del problema. Dimostrata cosl l'esistenza della solnzione per una particolare c verificante la 8) si passa poi al caso generale illtrodncel1do la relativa fnnziolle di Green. Altre applicazioJli di detto principio Fichera ha fatto al caso di Ull problema di tipo misto pel' ulla eqnazione di tipo ellittico e infine al caso di un problema al contorno pel' una equazione parabolica. 4. - Mi SOIlO recentemente (1) proposto di allargare il campo di applicabilita del principio di esisteuza di Fichera. Indichiamo con Wi l'origine dello spazlo di Banach Bi e con Vi la varieta, lineare delle antosolnzioni dell'eqnazione Mi(v) = wi(i= 1,2). La varieta Vi puo essere eventualmente vuota. (I) SANDRO F AEDO, Sit un pl'lnclpw di esistenza nell' ..4nalisi lineat'e, Annali SenoIa NOl'lIlaIe Snpel'iol'e !1i Pisa. S. JII, Vol. XI, p. l-iL
117
Applieazione ai problemi di derivata eec.
[522]
118
Se e soddisfatta la 2) e ovviamellte V2 c VI' Se non e Vz C V t esiste un'autosoltIziolle di M2 (v) = w 2 che non veri fica la 2), comllIlque grande si prenda K; in tal caso esistOllO funzionali lineari continui qJ (10 1 ), definiti in B j per cui la I) non possiede soluzione. T1WREMA I: « Se non e V 2 c Yj , condizione necessaria perche ]a I) sia risolnbile e cbe l'assegnato fuuziona]e qJ (101) sia ortogonale a M j (Vz); ogni soluziolle 'P (1('2) della 1) e allora ortogonale a 1IJ 2 (V t )>>· Illfatti se per lIll certo qJ (10 1) la 1) ha la solnzione 'P (w~) rislllta
e, per la 1) qJ [Mj (V2 )]
Allalogalllente e Ml (Vj)
=
Wt ,
=
qJ
0
lMI (Vi)]
=
0 e quindi
'P[1I1 z (V j )]= O.
Studialllo ora I'equazione 1) quando non sia V z c Vj . TEOl~EMAII: «Colldizione necessaria e sufficiente affincbe esista la soluzione 'P dell'equazione 1), per ogni qJ ortogonale a M j (V2 ) e cbe esista nua costante K, tale che sia pel' ogni vc V
11)
estr. info v.c v•
II Ml (v + v2) II <
K
111112 (v) II.
Soddisfatta questa condiziolle, esiste una soluzione 'P della 1), ortogonale a M2 (Vj) e verificante In disuguaglianza II 'P II :::;;: K II qJ II e ogni altra soluziolle si ottielle aggiungendo ad essa tIll funzionale ortogonale a M2 (V) ». La condizione e sufficiente. Per ogn i 10 2 cM2 (V) si consideri lin v C V tale cbe sia M2 (v) = 102 e il nUlllel'o qJ [M j (v)]. Dimostrialllo che qJ [M 1 (v)] e univocarnente detel'minato da 1V 2 ; infatti se 1112 (v') = 1L'2 riSlllta v - Vi C V 2 ed e qJ [Ml (v)] -
qJ [Ml (v')] =
qJ [ill j (v -
v')] = 0 ,
essendo qJ ortogonale a il1 j (V 2 ). Si e cosl definito in M z (V) il funziollale, ovvialllente lineare,
118
114
[523]
SANDRO FAEDO
----------------------------------------------------1'2C
Tale fUllzionale e anche continuo ill M2 (V). Infatti pel' ogni V 2 si ha
e, {loiehe il prillio mell\bro nOB (lipell<1e <1av z ,
dalla 11) segue e quindi
Per il teorema di Hahn-Banach si puo pl'olungaie 'P (10 2) in tutto B2 in modo da ottellere Ull fl1lJzionale liJleare e continuo 'P (10 2 ) per cui sia ancom
II'P II <
K
II qJ I .
Per il teorema I 'P e ortogonale It M2 (Vi)' E illoltre ovvio che se 'Po (10 2) e ortogonale a JV[2 (V) anche 'P 'Po soddisfa alia I) e che viceversa la difl'el'enza fra due diverse soluzioni della I) e ortogonale a M2 (V) . La condizione e necessaria. Invece di cOBsideral'e gli spazi di Banach Bi ci si puo limital'e aIle 101'0 varieta lineari 111; (V) e Hi fnJlzionali Iilleal'i ill esse deftnUi. Indichiamo con CJlli 10 spazio duale (2) di ]11i (V) e con CJll/ la varieta lineare, cOlltenuta in CJlli , degli elementi di CJlli che SOllO ortogonali a M;(Vj) (i ,j =1= 1, ~; i =l=j). Se Ia 1) e risolubile per ogni qJ di CJll/, essa fa corl'ispoJldere a ogni qJ di CJ1l1' un solo elemell to 'P di CJ1l2'; si ha COS] UlJa trasformazione lineare 'P = T (qJ) definita in CJ1l1' e COIL codominio in CJll~. Fissato 102 ill M2 (V), al variare di qJ in CJ1l1' cOllsideriamo 'P = T UP) e il numero lJf (10 2); si vielle cosl ad associal'e all'eIemento 10 2 un fUllziollaie Iineal'e, defillito in CJ1l1' e che indichel'emo
+
(2) V. ad eR. G. FICHERA « Lezioni Bulle t1'asjol'mazioni lineari )', Vol. I, IHt. Mat.; Univ. TriPHtfl, 1954, pag. 143.
119
115
Applicazione ai problemi di derivata ecc.
[524]
con Wi (
e lineal'e,
defillita in ""'1 2 (V) e COli codominio nel duale di 2171'. La 1.'* (w 2 ) e continua, cioe esiste una costlillte K tale che
sia 12)
cio si dimostra con 10 stesso ragionamento di Fichera (3). Si noti che II WI II e definito da
Sia Wi C 1I1 j (V). Ad ogni
13)
dove dWf
e la
distanza fra
e M j (V2 ). V 2 ) e pOlliamo
~ia
dove to
C l~li
(V2 ) e t
e un
numero, risulta
Percio e, per t =1= 0 ,
Ia I
I qJ (ll') I ] 4)
IIWII
e il modulo eli CP (w), considerato soltau to su V70 i
(3) Loc. cit. ill (2), pagg. 176-177.
120
e~ d • w
I
116
[525]
SANDRO FAEDO
Poiche rP e continuo, se e d,v I = 0 neve essere anche a = 0 ; percio in tal caso il modulo di rP su Vw e nullo. I Iudicato cOIl!1 rPll il modulo di rP(tI'j) in M(V), si lta quilldi 15)
Iuoltre, per il teorema di Hahn-Banach esistono certamente ill
8lZ1 dei rP per cui nella 15) vale il segno di ugllaglianza. Dalla 15), per rP c81Z/ , risulta
I W ~ = I rP (1(~ = Jti < II (]) I I (]) I II (]) I -WI
17", I
ed esistono in 8111' elementi per cui vale 1'1Ignaglianza. j'1] cos1 dimostrata la 13). Se vc V ed e 11'1 =·M j (1'), 102 = M2 (1'), posto 'P = T((]») si 1m per ogni rP di 81Z' ossia da cui 16)
II Se 112 C V 2
,
Ww I
II = I
Wj
I
consideriamo Ill, varieta elegli elemellti M j (1'
eli M j (V) . Si ha est)'. info ~C~
II·M 1 (1' + v2) I =
dove d", indica la distanza di I N e segue per Ie 13) e 16) estr. info ~C~
11"j
d,,) , I
da Jlf1 (V2 ) •
IIMt (1' + 1'2) I = II W", I = II I
Wt I
e quiudi perla 12) estr. info v.c v,
e COSl
II M (1.' + 1'2) II <
K 111V2 11
dimostrato che sussiste la 11).
121
=
K
II M2 (v) II ;
+ 1'2)
Applicazione ai problellli di derivata ecc.
[526]
117
OSSERVAZIONE: Se e V 2 C Vi e Mi (V2 ) = Wi ed oglli if> e ortogonale a frJ i (V 2 ); inoltre e 21!j1(V+V 2 )=il1 i (v) per ogni v 2 C V 2 • In tal caso la 11) si riduce ana 2) e si riottiene il teorema di Fichera. 5. Come semplice app]icazione del principio di esistenza cos1 generalizzato cOllsideriamo il problema di Neumann pel' l'equaziolle LI (tt) = O. Ove ci si limitasse a far nso del principio di esistenz a soltanto, tale caso non rientra in qnello di Fichera in quanto non esiste una w vel'ificante Ie 8) (4): il teorema si raggiunge solo COIl l'nso della fUllzione di Green conseguita in un caso particolare pel' cui c sia tale che valgano Ie 8). Le 8) servivano ad assicurare che valga la 9) da cui il principio di esistenza ha fatto seguire ]a 10). Nel llostro caso la 10) si rid uce a
f
vq do
FA
=
f dY ~V
ljJ
do.
1'A
Ebbene, pel'che esista Ill, 1jJ oCCOl're e basta che q sia ortogonale alia costante suF A e clle sussista la disuguagl ianza
Tale disuguaglianza breve provato.
e
effetti vamente verificata come san\ tra
6. - Un'altra brillante applicazione del suo principio di esistenza Ficbera Pha data nello stabilire una legge di dualita di alculle fOl'lllUle di maggiorazione relative aIle equazioni diftel'enziali. Sia Ek (1( = 1 , 2 , ... , n) un illsieme appartenente a uno spazio ambiente Sk nel quale sia stata definita una misura non negativa f.lk peL' cui Ek risulti f.lk-misurabile. Con .J}p) (Ek) (p > 1) si indichera 10 spazio di Banach delle funzioni reali aventi modulo di potenza p-esima cbe sia f.lk-sommabile ill E k • Al solito COIl .£(00) (Ek ) si indica 10 spazio delle funzioni pseudo-limitate in E k •
(4) In tal caso II b = 0 e la 9) nOll
A
+ FA_
e
122
ad es. veriticata da llna v = cost. su
118
SANDIW
[527]
~'AJJ;DO
Siano V Ull insieme astratto, Jineare rispetto al corpo reale, ed Mk (r) Lk (v) due trasformazioni Iineari definite in V e i cui codomini Mk (V) e Lk (V) appartengono rispettivamente a J](qu) (Ek ) e .,£(Pk)
(Ek ) (1 <;::
qk
< =;
1
=).
Sia inoltre U uu secondo insieme astratto lineare rispetto al corpo reale. Le due trasformazioni lineari (u) e (u) siano definite in U ed abbiano 'codomilli M:(U) ed Lk(U) contenuti ill .,£(P'k l (E k ) ed .,£(q'kl (E k ) , dove P~ e q~ sono rispettivamente i COIllplementari di Pk e qk (5). Supponiamo che per ogni v c V ed tt c U si abbia
M:
x
17)
JrMk (v)
k~l
L~ (u) - illt (u)
L:
Lk(v)] dftk =
o.
Ek
Indichiamo con Bl 10 spazio di Banach che ha per elementi i vettori w = (111 , 1t2 , ••• , tt,,) di componenti Uk c .,£(qkl E k ) e con B2 10 spazio di Banach che ha per elementi i vettori 102 = (s. ,s2' . •. ,Sh) con Sk c .,£(Pk)(Ek ) • Analogamente indichiamo con Bt e B~ gJi spazi di Banach dei vettori Ie cui componenti appartengono rispetti vamente a .,e(P'k) E k ) ed .,£(q'k) (E k ). Ovviamente Bi [Btl e 10 spazio duale di Bl [B 2].
Lo spazio Bl
e cosl
normalizzato
e analogamente R 2 , Bf e B2*. Indichiamo con Jf (v) Ia tl'asformazione lineare la quale fa corrispondere all'elemento l' di V il vettol'e w. di B j con componenti Mk (v) e con L (v) quell a tl'asformazione lineal'e che fa corrispondere a v eVil vettore w 2 di B2 di componeuti Lk (v). Analogamente sia M*(u) [L*(tt)] la trasformazione lineare che fa corrispondere all'elemento u c U l'elemento wnw:tj di Bt[Bi] di compl)nenti M~(u) [£~(u)]_ G. Fichera (6) ha dimostrato il seguellte principio eli dualita per Ie formule di maggiol'aziollc: (5)
P e q sono complemental'i se -
1 p
+ -q1 =
1,
COil
Ia convenzione p
=
00
se q = 1 e vicevel'sa. (6) G. FICHEHA, « Sn un p1'incipio di dnalita pel' talnne /orrllule di tnaggiomzione relative alle equazioni dijfer8nziali », Rend. Ace. Naz. Lillcei, S. VIII, Vol. XIX, 1955, pagg. 41 t--118.
123
[528]
Applicazione ai problemi di derivata ecc.
119
«Se il COOOmillio L(V) della trasformaziolle L(v) e un insieme completo nella spazio B2 e se sussiste la formula di maggiorazione
I ill (v) II <
18)
per ognin c V, allora per ogni giorazione dllale 18')
It
II L (v) II
K
c U sussiste la formula di mag-
II M* (It) II ::;;: K II L* (v) II· »
7. - Sllpponiamo cbe sussistano anCOl'a la 17) e la 18) rna che L (V) possa non essere completo ill B 2 • Dalla 18), per il principio eli esistellza di Ficbera, segue che, comunque si assuma un funziolmle Iineare continuo
ed
e
II
20)
P
=
P (L (v))
II ::;;: K II
+
Inoltre ogni soluzione della 19) e del tipo P Po, dove Po (Wi) e un funzionale lineare continuo eli 132 ortogonale a £(V). La 17) esprime che kl*(u) e una soluzione della 19) in cui si sia posto
=
.M* (u)
+ Po
dove Po e un elemento della varieta W degli elementi eli sono ortogonali a L (V). N e segue dalla 20) cIre e 18")
estr. inf.11 M*(u) lJToCW
+ Po II <
K
Btt
eIre
Ii L*(II) Ii.
Se L (V) e completo, W e vuota e si l'iottiene la 18'). N e segue immediatamente -cbe «Se per ogni v c V sussiste la formula di magg'iorazione 18) e se M* (U) contiene la varieta dei fUllzionaIi lilleari continni ortogollali a L (V), snssiste per ogni u c U la formula di maggiorazione duale 18"')
estr. inf.11 M*(u u!cu i
+u 124
1)
<
K
II L*(u) II ,
120
[529]
SANDUO }'AEDO
dove U 1 e la varieta degli elementi u di U per cui M* (n i ) gonale a L (V) ».
e or to-
8. - Indichiamo con Vi C V l'insieme delle autosoluzioni di L (v) = (02' (02 esseudo 10 zero di B 2 • Supponiamo che continui a valere la 17) e in luogo della 18) sia verificata, per ogni v C Vi' Ia disuguaglianza 21)
estr. inf.11 M(v+v 1 ) II
CVi
II.
Dal teorema dimostrato nel n. 4 segue che, comunque si assegni un funzionale lineare e contiuuo tJ) (Wi)' dofinito in Bi e ottogomtle a M (Vi) esiste un fllnzionale lineare cOlltiuuo lJ'(W2) , definito in B2 e verificante Ie 19) e 20). Ne segue immediatamente il teorema: «Se per ogniv C V sussiste la formula di maggioraziolle 21) e se M* (U) contiene la varieta dei funzionali lineari e con tin ui ortogonali a L (V), aHora per tutti gli u cUper cui L* (It) e ortogonale a 11J (Vi) sussiste la formula di maggiorazione duale estr. inf.1I Jl*(n ucui
+ ll
i)
II :::;: K I L* (n) I , '
dove U 1 e lit varieta degli elementi u di U per cui M'" (tt) e ortogonale a L (V) ». Qualora Vi ed U i siano vuoti si riottiene il principio di dnalita di Fichera (n. 6). Indichiamo ora con Uf la varieta delle autos01uzioni 1tt dell'equazione L*(u) = (O~, essendo 10 zero di B~. Dimostriamo che e Uf c U1 • Infatti se dalla 17) per u = 11'1' e ogniv = V (O~
k~IJ Mt(uf) Lk (v) d/kk =
e
ttf c Uf risnlta
0
Ek
che esprime che M* (u!)
e
ortogonale a D (V) ossia che
125
llt c
Uj
•
121
Applicazione ai problemi di dm'ivata ecc.
[530]
== ut.
Se M (V) e completo all om e U 1 in tale caso e VI c uti illfatti se Ul C VI
e
Basta dilllostmre clJe qualullque sia v c V
da cui segue perla com pletezza di ill (V) . Si ba cos1 i I teol'ema: « Se per ogni v c V esiste la formula di maggioraziolle 21), se M*(U) cOlltielle la varieta dei funziollali Iiueal'i e COlltillui ortogoad L (V) ed ",Ii (V) e completo, allom pel' tutti gli tt cUper cui L*(n) e Ol'togollale a M (Vi)' sllssiste Ia formula duale
II ~1* (u + ut) <
estr. info
ut:;) ur
K
II L* (u) II ,
dove VI e Ia variet.a delle autosoluzioni di L (v) ed delle ltutosoluzioui di L*(1t»> (1). 9. -
ar e la val'ieta
Come esempio consideriamo la maggiorazione
(f v do )1/2 < K [J(lL..." 2
hk
FD
[)v
[)v
cv 2
ahk [) xh [) xk
)]1/2 ,
D
<
cbe sussiste per v c C(l) (D), COIl J) conllesso per c 0 i se c = 0 essa sussiste per ogni 1) cbe si annulli ill Ull prefissato pUll to di D. Se v vel'itica l'equazione 1.....
L -
22)
h
allOl'a per ogni tt di recipl'ocita
[)
3Xh
C C(I)
(1..... L k
3v ) ahk [) Xk
+ cv =
0
(lJ) e Solllzione della 22) vale la relazione
(7) Per la prima parte del n. 8 si veda anche S. Faedo, Rend. Accad. Linoei,
S. VIII, vol. XXII, pag. 434-437.
126
122
SANDRO
[531]
FA~mO
Per un teorema di chiusura relativo alle Solllzioni di tale equazioni si ottiene la duale
au au ) dx]112
D
Nel caso
0
=
(v
FD
+ A}2 do) :::;;: K lJ 1~...
OV
n
1/2
FD
(f (v +
0}2
do )1/2 <
](1
ov
dx
]1/2
(f (~:r do)1/2 ,
FD
FD
come si e affermato Bel 10.
OY
0hk hl£ OXh 0 Xk
D
estr·c info
23)
Xl£
0 si ottiene invece che se A e una opportuna costante e
(J e qninoi
OXh
II.
5.
Consideriamo il problema di derivata obliqua f
=
Llu
u=
24}
0
fl2
au =
h
\0l
in
A
in
~,2)
,
in
~\3)
,
dove per Ie notazioni rin viamo alle lezioni tell ute da E. Magenes (n. 2). La formula di Green da, per ogni v tale che Llv = 0, 25}
J
fla
[(tV,)
:~ -
b(l) v] do
=
2,'(3)
f
(t(l)
hv do ,
2,'(3)
fla essendo la traccia di u su ~(3). II teol.emaII (pl'inci pio di esistenza generalizzato) da Ia con-
dizione llecessaria e sufficiente per l'esistenza della soluzione deb ole del problema 24} e cioe della risolutilita oella 25}. COJlsideriamo il problema ill
Llv = 0
ov
tt(A) -
oA
-
b(!)
v= 0
e sia Vi la varieta delle sue soluzioni.
127
A ,
in
~(3) ,
Applieazione ai problemi di derivata eee.
[532]
Se h
e tale
che pel' ogni VI
I
C
e
VI
all) hVI do
123
=
0,
2,'3)
aHora Ia condizione necessaria e sllfficiente per l'esistenza della solllzione debole del problema 24) e cite esista una costante K tale cite sia per oglli V COIL Llo - 0 in A 26)
eS~:~~~f. fJ (v + VI)2dOr2 ~ K
[J (II
2,'(3)
(A)
:~
b(l)
-
V)r dar2
2,'(3)
It principio di dualitft, nell' ultima forma data lIel n. 8, permette
di dimostrare la 26). Infatti consideriamo in I uogo della 17) la relazione di recipro· citft 25) e Ia disllguagliallza 27)
est!'.c info
J
(w
+ c)2da <
2,'(3)
K
J(
(t(l)
OW)2 da tii
2,'(3)
cite e del tipo della 23), w essendo una qllalllnqlle Solllzione in A deIl'eq Ilazione Llw = 0 . COllsideriamo Ie deformazioni 1ineari Jl1 (w)
=
w
L (w)
=
M*(v) L* (0)
su
X(3)
,
a(l)-
su
Z(3)
,
=
V
Sll
Xi;!) ,
=
a(l)_ -
su
X(3) •
ow
at
00
OA
btl)
v
La 25, si scri ve allora
J\<'Ill
(w) L*(v) -
M*(v) L(w)) do
=
0
2,'(3)
e 1a duale della 27) e appunto la 26). L'esempio considerato prova che i1 prillClplO generale di esistenza puo utilmente applicarsi per dimostrare l'esistenza della soluzione debo1e nei prob1emi di derivata obliqua e che il principio di dualita fra Ie formule di maggiorazione permette di ricondnrre la dimostrazione di queste a casi piu semplici. [Entrata in Redazione il 9 gennaio 1958J
128
FICHERA, GAETANO 1958 Rendiconti di Matelllatica (1-2) Vol. 17, pp. 82-191
Una introduzione aHa teoria delle equazioni integra Ii singolari
C)
oi
GAETANO FICHERA
(Rom a)
Questa Memoria, a carattere prevalelltemellte lIlonografico, si propone di presentare una trattazione, per quanto possil>ile sistema· tica e completa, delle equazioni integrali singolari relative ad 1I1Ia CUI'va cbiusa del piano e che principalmente si presentallo nello studio delle eqnazioni alle derivate parziali di tipo ellittico, Occorre subito dire cbe esistono due pregevoli trattazioni delle equazioni singolari sulle elll've del piano, La prima e dovuta a N. 1. MUSKHELISHVILI, la secollda a S. G. MIHLIN (1). Quest'nltima considera anche equazioni integrali singolari per funzioni di pin variabili. Sia nell'nna che nell'altra, 10 studio delle eq uazioll i singolari sulle curve piane €I appoggiato alia teoria delle funzioni olomorfe di una variabile complessa; in vece la presente trattazione trae partito dalla teoria oelle eq naziou i lineari a deri vate parziali del secondo ordine di tipo ellittico. La ragione che mi ha spinto a scegliere questa impostazione, €I dnplice. In primo Iuogo, ~Itre ad ottenere nna esposizione form almente pin generale della teoria, il conlletterla con Ie equazioni ellittiche permette di porre maggiormeute ill risalto I'illteresse applieativo di essa. In secondo luogo, 10 svincolal'lle i procedimeuti dalla teoria delle fUlIzioui oiomorfe di una variabile, cOllsente di forIllularue i
(*)
n
contonuto
I' Autore nol 2° CicIo
e stato originato
C~ntro
dallo lozioni tonuto dalInternaziollllle Matelllatico Esti YO
(C.I.M.E.) (Varenna, 10-19 gillgno 1957). (I) Cfr. [21], [17]. I numeri fra pttren tesi q l1a c1re rimall(lano alla Biuliogratia aHa tine elella Memoria.
129
[83]
125
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc.
risuHati sotto la forma cbe meglio si presta a fare intravvedere Ie possibili geueralizzHzioni agli spazi a tre 0 pin dimensioni 0, quanta me no, a pili rapidameute focalizzare Ie ragioni perle quali dette estensioni non sono consegnibili. Ii punta di vista adottato pno essere anche impiegato per la tratt.azione di equaziolli relative a curve aperte 0 per sistemi di equazioni. Tali argomenti lion vengono considerati nella presellte Memoria. Un effettivo progresso della teoria qui esposta, rispetto alle precedellti, e costituito dalla estellsione ag-li spazi .i?(p) con 1 , per essa cOllsegnita ill questo lavoro (2) • .A cio ai pervielle dimostrando la
p>
CAP.
1.
INTEGRALI SING-OLARI E POTENZIALI DI LINEA.
1. -
Definizione generale di integrale singolare su una em'va chiusa.
Sia ~ una curva semplice e cldusa di classe Gil) contenuta nel piano della variabile complessa z = x iy. Con tale dizione inten· diamo che ~ e illuogo descritto dal punto z = z (8) quando 8 varia nell'intervallo chiuso (0, L) e che la funzione z (8) e continua con
+
(2) L'interesse
130
126
[84]
GAli:TANO FICHERA
la sua derivata prima z' (s) in (0, L), riuscendo z' (0) = z' (L) e Z(S1)=Z(S2) con S1 <S2 allom e allora soltallto cbe e S1 = 0,s2=L. Supponiamo aHresl che in tllttO (0, I,) riesca I z' (s) I = 1. Cio implica che il parametro s rappresenta ull'ascissa curvilinea sn ~. Noi supporremo, salvo avviso in contrario, che il verso deJl'urco crescente su X sia q nello positi vo, (lioe il verso antiorario sulla cnrva X. In seguito supporl'emo ancbe che z' (s) verifichi in (0, L) una cOlldizione di IHiLDER, cioe che pel' o~ni coppia S1 ed '~2 di valori di (0, L) si abbia:
<
eon N costaute posi ti va e 0 h < 1. Esprimerelllo coucisamente tale circostanza dicendo che X e di classe e~). Silt f(z) una funzione reale 0 complessa, della variabile complessa z, definita per ogui z E ~. Dil'emo che f(z) appartiene alla classe elm) (~), 1n esseudo nn inter~ lion negativo, se la fllnzione f[z (s)] e dotata di tutte Ie derivate successive, rispetto ad s, fino all'ordine m incluso e se ciascuna di queste, considerata (lome fUIlzione del punto z val'iabile in ~ , riesce una funzione cOJltinua su ~. d nt Posto rp(z) = dsmf[z(s)] , se esistono due costallti N eel h tali che per ogni coppia
e
Z1
Z2
di pUllti di
~
si aubia:
(1 )
essendo N> 0 e 0
ey:') (~) .
< h<
1, diremo cbe f(z) appartiene alia classe
Dicendo che f(z) e mislwabile (secondo LEBESGUE) su ~ intendiamo cbe e tale la fUllziolle f[z (s)] in (0, L). Un insieme ~'C ~ dicesi misllmbile (secondo LEBl<~SGUE) se e bile la sua immagille I' in (0, L). Si intellde per misura linem'e di ~' quella dell'illsieme I' sull'asse reale. Si pone poi aucbe, per definizione:
J
f(z) ds
2"
J
f [z (s)] ds
l'
intendelldo l'illtegrale al secondo membro cOllle integrale di LEBESGUE di una fUlIzione sommabile e definendo, ovviamente, pel' sOlllmabilitt'" di nna fUllzione f (z) su ~' q uella della funzione f [z (s)] su I'.
131
Una introduzione alla teoria delle equazioni ecc.
[85]
127
Silt Zo un punto fissato su ~ ed f(z) ulla fllllziolle misurabile in ~ - zo' Diciamo (E) una famiglia di illsiemi misurabili di ~, verificante Ie seguenti condizioni: a) Ogni E contiene 2 0 , u) L'intersezione di due qualsivogliallo insiemi di (ID) cOlltielle Ull insieme di (E). Supponiamo che f (z) sia sommabile in ~ - E per oglli E E ( Ej. Si consideri la variahile:
F (E)
jf(Z) ds . I-E
Poiche (E) puo (Irdinarsi, nel sel1so di MOOl~E e PICONE (1), asSumendo come seguenti di un dato E tutti quegli insiemi della famiglia in esso cOJltenuti, ha senso parlare del massimo e del mil1imo limite di F (E) su tale famiglia: maxlim F (E) ,
minlim F (E) .
lEI
lEI
Orhene, se esiste iI lim F(E) ed
e finito,
110i porremo:
lEI
jf(Z)d.~
limF(IiJ)
lEI
I
e chiameremo l'integrale a secondo membro UII integt'ale singo/are (0 della f (z) ottelluto sulla famiglia (E). GIi insiemi E verrallllo chiamati insiemi di esclttsione e quiudi (E) sara detta la fetmiglia degli insiemi di esclusione. La teoria degli integrali siJlgolari divielle sigllificativa se (E), oltre cIte et) e b), veri fica allelle la segnen te eOlldizioJle: c) Fissato comullque Ull intol'llo eircolare di 2'0' esiste qualche E £Ii (E) contelluto ill tale intorno. E ovvio il seguente teorema: 1. Se f (z) e s01nmabile su ~, eSSlt ammette integrale sillgoZar'e, qualu1Ique sia let fmniglin (E) ver'ificante tt), b), c) ed eKSO coi1lcide con l'integrttle di LEBESGUE di f (z) esteso It ~. Que8to teOl'ema fa vedere come una teoria degli integraJi siugolari possa riguardarsi una estensioue di quella delle funzioni sommabili. p~'incipale)
(I) efr. r6] pag, 17.
132
128
2. -
GA~;TANO
[86]
J!'ICHERA
Integl'ali sillgolnri di tipo elJittico. Jlltegl'ali singolari (Ii Cauchy e di Hilbert.
Sia B Ull campo (illsieme aperto) (leI piano della variahile complessa z. In B siano definite Ie tre funziolli reali: A12
(z)
= A21 (z) ,
AZ2
(z) ,
veri ficanti Ie segnenti i potesi : 10) Ciascuna di esse e coutinua in B eel 1m derivate parziali pl'illle coutiuue iu B. Cio si esprime dicendo e11e ogni Aij (z) appartielle alia classe E\l) (B) . 2°) Fissato comunque z in B, la forma q uadratica:
e defillita
positiva.
3°) Riesce in ogni punto
z EB :
= 1.
e
~
La curva semplice e cbiusa ~ £Ii cIa sse G~) sia cOlltenuta ill B. Si consideri la funzione non negati va dei due pnnti z = x i y = ~ i fJ COl'll £Iefinita:
+
+
Se dx e dy denotano i coseni direttori deIl'asse tangente posids
ds
t tl, vo a .:;,'" ne I punto z (S ) , con -dx e -dy,III d'IC11 eremo I' coseIll'1' (Iredn dn tori dell'asse nonnale a ~ ill z (s) O1'ientato positivarnente vel'SO l'interno del campo lirnitato A di cui ~ e 1a completa frontiej'a. Si ha: dx
dy
dx
dy
- dn'
COllsideriamo due pUllti z e ~ elltramhi su denti. Detta Sz l'ascissa curvilinea di z, si ha:
a
-;- log U
Sz
~
1 a e (z , ~) = e z,(1-) -8-Sz e (z , ~) . ~
133
e nOli COillCi-
129
Una introduzioDe alIa teoria delle equazioDi ecc.
[87]
E immediato cOllstatal'e che riesce:
Sia qJ (C) una fUllziolle compJessa appal'tenente a .,1? (1) (~), cioe defillita an 2' e ivi misllrabile e sommabile. Fissato z su ~, in generale la fUlIzione di C: (C)
qJ
~
a Sz
log
e (z
,
C)
e sommabile su ~. Se esiste l'illtegrale :
non
f-qJ (C) -aa
(2)
'~z
log
e (z , C) d s~ =
~
J
qJ (e)
~
1
e (z ,
C) - a
a Sz
e(z , C) d SI;
come integrale singolare, con una opportllnH scelta della famiglia degli insiemi d'esclusiolle E, diremo che esso e un integra Ie singolare di tipo ellittico. Sussiste il segnente fondamelltale teorema: II. Fissato z su ~ ell e 0, si consideri il campo ellittico veI'ificanti la diseguagliltnzn: costituito da tutti i punti
>
e
e (z
, e)
< e•
Silt E l'insieme dei punti di ~ contenuti in questo campo. Se qJ (e) appa1,tielle alla cll/sse 8~O) (X), esiste l'integrale singolare ellittico (2), assume1ulo come insiemi d'esclllsione gli E teste definiti. Si ha:
J
qJ (e)
1 a ~ e (z ,1) a e (z , e) d s~ = J[qJ(e) Sz
2,'-E
1 qJ(z)] eTz~
a a e(z,e) ds/; + Sz
~-E
1 a + qJ (z) .f-(-1=\ e z, a <"
Sz
e (z , e) d Sl;
•
~-E
(2) Se a e Ii sono due variabili in eorrispondenza, seri vendo
a = 0 (b) intendialllo che la variabile ~
ehe riesee:
e limitata, \l
134
130
GAETANO
[88]
FICH~mA
Possiamo supporre e tanto piccolo che E sia costituito da un unico arco di estremi .2'1 e Z2 (positivo Bel verso che va da Zt a z2) contenente z. Riesce: (3)
rIP (() -
(4)
1 iJ 1-(--y:-) e z,,, -a
1
IP (z)] e(z-'0 iJ
Sz
I-E
e (z, () (Z
SI;
=
.~z e (z, 0
iJ
=
0
121-(-1="") 1 [a e z,,, -iJ
Sz
(1) p-k 1
z_ (
iJ 1 + -. e(z,O ds c · iJ
e(z,()
Si;
D'altra parte si ba:
Q
=
(Zl, () [/S3 e (z , () + /S/ (z , ()] =
[e (z ~ ()]2 ([Ail (() (x - ; )
+ A12 (C) (y -
'1])] (x' (8 2 )
x' (s,))
-
+
+ [A21 (() (x - ; ) + iL22 (() (y - '1])] (y' (sz) - y' (se))) + + __1_._liJ Att {~(x _ ;)2 + 2 ~_12 (() (x - t) (y - '1]) + I
2 [e (z , n]2
iJ se
iJ se
e quindi:
_l_[_iJ_ e
(5)
e (z , ()
iJ
Sz
(z
() ' .
+~ (z ()] = iJ Be " , 0
1__).
0 ( .. ____ 1
z-
(
1
1- 11
DaIle (3), (4), (5) segue Ia tesi. II teorema ora dimostrato a mmette il seguellte corollario; Ill. Nelle ipotesi per IP (() , aS8UlIte nel teo}'. II e con la stessa scelta della jamiglia (El , esiste per ogni z E ~ l'integntle .~illgolat·e: (2')
1
IP (() - iJ
I
iJ
Sf;
log
e (z , () d se =
1
~
1 IP (() -(-1="") - iJ
e z,,,
iJ
Sf;
e (z , () ds/; .
La dimostrazione €I consegueuza immediata del teoI'. II e della (5). Ancbe l'integrale (2') san't detto un iutegrale singolare di tipo ellittico.
135
[89]
Una introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
131
In gellerale chiameremo integrate singolare iii tipo ellittico ogni in tegrale singolare avente la forma seguente:
Jep
(C) K (z , C)
ds~
:s
dove K (z ,C) e Illla fUllzione complessa
1 °°.~. e
e (z ,1)
(z
C def1nita e continua
(1)
,C) = 0 I z _ CIl-q
>
esselldo q 0. Il teorema III ovviamellte sussiste peril pin generale integra Ie singolare di tipo ellittico. II nucleo K (z ,C) sara detto un nucleo Sin{IOlal'e iii tipo ellittico.
OS8(J1'vazione I. - La dimostrazione £lei teoremi II e III seguita a sussistere e si perviene aHo stesso val ore per l'illtegrale singolal'e, se cOllie famiglia (E) si assume una qualsiasi famiglia vel'ificante Ie condizioni a), b), c) del nO 1, nella quale ogni E sia costituito da un arco Z1 z2 tale che:
-----
(6)
Tale considerazione pel'mette di sostituire, ad esempio, ai campi ellittici, cOllsiderati nell'enullciato del teOl'ema II, i campi circolari eli centro z e assumere come insiemi di esclusione Ie illtel'sezioni eli ciaseullo
-----
Sussiste quineli la (6).
Ossel'vazione n. Si noti che £lalla elimostrazione del teorema II segue subito che la relazione di limite: lim
lEI
rep (C) _0_ log e (z ,C) ds c =j'ep (C) _a_log e (z, C) dSI; ~-E
°
.~.
I
136
a 8.
132
[90]
GAETANO FICHERA
e uniforme
rispetto a z. I~o stesso dicasi se gli E si sostituiscollo con gli illtorni circolari considerati lleIl'osservazione 1.
08servazione III. Si noti che nella dimostraziolle del teoremaII e quindi del teorema III non si e sfruttata Pipotesi che Ie Aij (~) SOllO di classe e (I) (B). Ma sol tanto che Ie Aij sono diffe-
a Aij (~) a 81;
. b'l. te renzllt lie I e d enva
-~--
. b'I' ~ sono mlsllra lie I"t llIll a t e su .:;,.
Si considerino Ie funziolli cosl definite:
Se u e una funzione continua COll Ie sue derivate prime ill Ull campo che 'lontiene i l punto z di E, chiameremo derivlttlt 001101'mltle della funzione u (relativa alia matrice (aij)) llel punta z di E e Ia indicheremo col simbolo au, la fuuzione:
aY
a~t
- = By
1111
au iix oxdn
(z) -;;- -
dy + ltt2 (z) -au[jxdn - +a
21
au dx Bydn
(z) -
fly + lt92 (z) -au - . Bydn
Nel caso clle Ia matrice (aij) sia quella unitaria, du
+
coiucide con
della usn E. Nel caso generale -
fln
alia derivata della u, secondo Passe eli coselli (Iirettori:
V'(
IIU
(z) dx dn
+
£1 11
(z) -
+
1112
y (z) -d dn
)2+.(ad X + a (z) -d y )2 ' 21 (z) 22
dx
dn
V'(
£1 12
+a n
dx
ail (z) dn
+a
12
dy (z) dn
dy
(z)-
dn
dn
dx a 21 (z) -d
+
~:
au By
Ia derivata normale (interna) -
e uguale
~
Z2
dn
dy (z) -d
n
)2+ (ltZId(z)X d y)2 ' dn + a 22 (z) dn
moltiplicata peril fattore:
+
It
(z)
dx + a t2 (z) dn dy)2+ = + l/( V ltli (z) dn
(dX iiy)2 a21 (z) dn + a22 (z) dn .
Vasse Y. uscente da z e avente i coseni direttori anzidetti, chiamasi asse cononnale a E nel punta z. Si osservi clle la scelta
137
133
Una introduzione aHa teo ria delle eqllazioni ecc.
[91]
+
del segno equi vale a fissare sull'asse cOllol'male come orientamento positivo qnello secondo cui Passe penetra nell'intemo di A (asse conormale intemo). Sussiste il segllente ben noto lemma: IV. - Se In curvn semplice e chiusn ~ e di classe e~l), nssttnti z e C su di essa, riesce :
(7)
aa'V z log e (z , C) =
(I z _
0
C su
Si ha infatti, per z e
a -log a'V z
1 ) (3) C II-I<) ; aa'V, log e (z , C) = 0 (Iz-W-h .
1
~:
1 [(x -~) -dx + (Y-1J) -cdYl = e (z ' C) - le--,--(z , ()]2 cln dn
0 (1).
Fissati z e C con z =!= C, assllmiamo Parco s crescente nel verso ehe va da z a C secondo l'arco minore. Detti Zt e Zz due convenienti punti interni all'arco anzidetto, riesce:
Ne segue la prima delle (7). Aualogamente si dimostra la secoJlda. Si assuma in pal'ticolare A 11 A22 1, A t2 O. Riesce aIlora e (z , C) = I z - CI . Si ponga:
=
=
(8)
-
K (z , C)
= -a
log
as,
I C-
z
I-
a
i-log ani;
1 dC I C- z I = --'- . C-zds
Esiste per cp (C) E e~O) l'iutegrale singolare di tipo ellittico:
-I
(9)
(p (C) K (z , C) d s, .
:E
(3) Scrivenelo
J!... (J!...) intendiamo ehc a z av V
male viene apl)licata a
!;
e (z, /;)
l'operazione di dcrivazione conor-
consi,lerata corne funzione eli z (eli /;),
138
134
[92]
GA);)TANO FICH);)RA
:s
Poiche in oglli C di
distinto da z riesce:
dC
- K (z , C) ds, = -,.. <, - z scriveremo sotto 1a forma seguente l'integrale (9):
e 10 chiameremo, per ovvi motivi, integrale singolaTe di CA UOHY, mentl'e il llucleo (8) sara detto nucleo .~illgolaTe di CAUOHY. Oonsideriamo Ull altro esempio di llucleo sillgolare di tipo el~
littico. A tal fine con ven iamo di indicaTe di C con origille z e tale che poniamo: K (z, C)
=-
~
cotg (a zC)
~
<
~
a cotg (a z C) •
e nn
Dimostriamo cLe K (z , C) ellittico. Si La infatti:
L
z C I'ascissa cnrvilillea 2 z C < L. Sia a =n L-l;
COil
particolare nucleo sillgolare di tipo
1 a = -a -log a Sz
1
z - CI
+
-(a+ ( 1 - -1 tang (a z~a C) -log 1 z - C1) cotg z C) e riesce:
a Sz
a
a log 1 z - C1) cotg (a z~C) ( 1 - -1 tang (a ~ z C) a (J Sz
a cos (a;?) 1z -
C 12 - sin (a
-
a cos (a
;f) [(X - ~)ddXs + (y -?J) dd
;?) 1z -
Essendo:
..--..
cos (a z C) - 1 = 0 (i z - C
12),
(X _
~)
dx
+ (y _
dN
I.z-CI
=
C 12
--
sin (a z C)
Iz-CI
?J) dy
ds
sin (a ~
azC I ']2 Iz_CI=O(z-~ ),
~ zC _ h +lz_CI-O(lz-CI),
139
;C) .
[93]
Una introduzione alla teoria delle equaziolli ccc.
segue:
135
1)
,,-... cotg(azn+ -1 -0 l o g l z- C1= 0 ( -[ ~Ilh . a 0 sz z - <, -
II nncleo singolare ][ (z ,C) chiamasi rmcleo singolare di Esso interviene nella teoria delle serie trigonometriche coniugate. (4) HILBER'l'.
3. -
Potenziale di semplice strato.
Sia cp (C) una fUllzione, reale 0 complessa, definita sulla cllrva 2: (sempl;ce chi usa e di cIa sse 8~1)) e ivi sommabile. Per ogni z che non stia Sll 2: riesce defiuita la funzione:
v (z)
J
=
cp (C) log
e (z , C) ds;;
:E
che denoteremo potenziale (di linea) di semplice stmto di densiti"t cp (C) • E ovvio che v (z) e dotata di derivate parziali di online comunque elevato in tutto il piano privato di 2:. SussiStOllO i seguenti teoremi: V. - Per qUllsi tutti i pUlIti z di 2: e sornrnabile la junzione di C: cp (n log e (z , C), talche Za v (z) e definita anche in 2: - N essendo N un insierne di rnisura Zineare nulZIt contenuto in 2: . La funzione log e (z ,C) e funzione di z sommabile BU 2:, comunque si fissi C in 2:. Inoltre la funzione:
JI
log
e (z , n I ds z
:E
e funzione
continua di C Stl 2:, come si constata con cOllsiderazioni elemelltari. Ne segue, per un teol'ema eli TONELLI, clJe tp(z) log e (z,C) e sommabile suI prodotto topologico 2: X 2: (5). Quindi cIal teorema eli FUBINI (6) sugU integrali multipli segue la tesi.
(4) Cfr. [28J, [34 J. (5) Cfr. [6J pag. 366. (6) Cfr. [6] pag. 375.
140
136
[94]
GAETANO FICHERA
VI. -
Bia l un semiasse uscente dal punto tallgente a ~ in zo' Be e Zo E ~ - N riesce :
lim Z~Zo
(su I)
v (z)
=
Zo
di
~
e non
v (zo) .
Cio segue dal teorema pl'ecedente e dalla diseguaglianza di elemell_ tare dimostrazione: jIog
e
(z , i;)
I
K
~(~---y:-)
e
I,
zo' <, e una opportuna costante
valida pel' ogui z E l e ogni i; E ~; K positiva. Indicheremo con .£ (p) (~) (p :;;::: 1) la classe delle funzioni COIllplesse definite e misnrabili su ~ tali cue Icp (i;) I" sia sommabile sn ~. I teoremi V e VI POSSOllO migliorarsi quando riesce cp E .£ (p) (~) con p 1. Si ba pl'eCiSamelltf'.: VII. Be e cp E .J:( p) (~) con p 1, la jun.zione di i;: cp (i;) log e (z ,i;) e sommabile comunque si jissi z in ~ e la v (z), cite e, in tal caso, definita anclie sn ttttta ~, e una junzione di z continua in tutto ilpiano Sia q iI complementare di p, sia cioe q tale cbe:
>
>
1
1
-+-=1. p q Fissato comunque z in log
~,
riesce ovviamellte:
e (z , i;) E .J: (g)
(~);
cio implica la sommabilita della funziolle cp (i;) log Si ba d'altra parte, fissato Zo su ~ e detto z conol'male 'Pzo a ~ in Zo :
e (z ,i;) Ull
su ~ (1). punta sull'asse
uniformemente rispetto a zo' segne l'asserita COlltilluita di v (z) in tutto il piano. (7) Cir. [6] p. 462.
141
[95]
Dna illtroduzione alia teoria delle equazioni ecc.
137
Sia lz Ull semiasse uscente nal punta z di ~ e mai tallgente a in z. Sia zl Illl punta su tale sellliasse distillto da z. Con il simbolo: ~
iutenderemo iudicare la nel'ivata direzionale della fUlIzione ~t, secondo Passe conormale intel'llo ad A, calcolata ill Zl e moltiplicata per il fattore a (z) • VIII. - Si(t cp E ,£(1) (~). Per quasi ogni z di ~ e sommabile su ~ la jwtzionc ,:
a
cp (') -log aYz
e (z , ') •
Inoltre esiste un insieme N c ~ di misut'lt mtlla t(tle cite, 8e lz verso l'interno (l' t'sterno) di A , per z E ~ - N, 1'iesce:
e (Uretto (10)
. llln Zc'Z
(su
lzl
av (z_1) = _ al!z
f
+ nrp (z) +
a e (z , ') ds~ cp (') -log ayz
:E
(11)
Se (17 (')
e continua
su ~ e si .~~tppone cite i coseni dircttori di lz sono jnnzioni continue su z, In (10) e la (11) SOltO unijo1'1ni l'ispetto it z. La prima parte del teOl'ema si dirriostra con ragionamento idelltico a qnello del lelllJlla V, tellelldo pl'esente it lemma IV. Pel' dimostrare la (10), snpPolliamo dapprima cp _ 1 Stl ~. Si aSSllllla la tangente a ~ in z come asse ~ e la nOl'male interlIa ad A come asse 'iJ. Sia ~o un arco di ~ contenellte z e [wente, rispetto ag'Ii assi ora scelti, equazione:
Indichiamo COli A if i coefficienti della forma q uadratica cLe definisce e2, cOllsiderati in relaziolle al sistema di assi ora scelto e calcolati llell'origine del piano, cioe nel punto z. Diciamo 2; e A1J i coseni direttol'i dell'asse lz. Possiamo supporre ~o tale cLe riesca: M = max I'iJ! (~) I (-a,a)
142
< q,
138
[96]
GAWI'ANO FICHJ£RA
avendo indicato con q il minore dei tre numeri:
Esiste una costante H> 0 tale cbe per
Zt E
l e
CE 40 si ha:
(12) Illfatti, posto t IZI -
=
CI 2 =
1
Zt -
t2
Z
1 ,
riesce:
+ ~2+ [r/ (~J]2 -
>- (1-12;1-12'11 M) (t 2
+ 2'1'tJ) >+ ~2) + rl, 2t (2~~
donde la (12). Dalla (12) facilmente segue:
=
0 (Iz ~CII.-h)'
Riesce:
(14)
-0
-<1
143
139
Una introduzione alla teoria delle eqnaziolli ecc.
[97]
Essendo
XI
YI
= tA~ e
=
tA'I' si ha:
In conseguellza: o 20 All (Xl -~) 2A12 (Xl-~) (Yl -
+
r;)
+ A22 (Yl 0
2
r;) ~Pl (~
+ t)-
22
- 21 A ~211 r;~ 1- A~2 r;2 - 2t 1r; 1(I A~211 A~I + A~21 A'II) > ~ (J11 - 31 A~21 M - 2A~2 M) (~2 + t 2) = P (e + t 2 ) , Da cio segue: (15)
[
-(~-x1)r;'(~)+(r;(~)-Yl)
A~l (Xl -
~)2
+ 2A~2 (Xl -~) (Yl -
r;)
+ A~2 (Yl -
+ r;)2
Si constata d'altra parte, con calcolo elementare: (16)
Da (13), (14), (15), (16) si deduce subito la (10) pel' cP Sia z tale che:
== 1 ,
o
(17)
~fl cP (C) a
lim O~O
(P (z) 1
d~ =
0,
-0
I punti che nOli verificano la (17) costituiscollo Ull illsieme di misura nulla su 2: (8), Dato 13 0, sia a tale che pel' s':;:: (j si abbia:
>
s
fl
cp (C) - cp (z) 1 d~
-8
(8) efr. [28J pag. 174.
144
< IlS ,
140
GAI~TANO
s
Posto 'P (8)
./1
g; (z)
g; (') -
}<' ICHI£RA
Id~,
[98]
riesce:
o
Da questa disegnaglianza, ela (13), (14) e (15) e dal fatto clIe pel' q lIasi tutti gl i z eli ~, segue la (10). In modo pp.rfettalllente allalogo si prova III (11). Si ossel'vi che la (17) e uniforllle rispetto a z se g; (') e COIltinua sn ~. Siano inolt.re fnlIziolli contiIlue di z i coseni direttori di l. Riguardando la dimostrazione del teorema, e semplice verificare che, in tali ipotesi per If' ell l, la (10) e la (11) SOllO uniformi rispetto a z.
Ig; (') II z - 'Ih-l e sommabile
Osservazione. -
E facile constatare clIe I'insieme N di misura
nulla che intervieue lIei teoremi V e VI e 10 stesso di qnello che si considem Ilel teOl'ellla ora elimostrato ed e costituito dai pUllti peri quali lion sussiste la (17). N el segnito chiamel'emo pUllti di I1EBESGUE perIn cp i pnllti di ~ lIei qllaJi sussiste la (17). Nell'ellunciato del teorema che seg'lIe denoterelllo COil ~ (t) Pillsieme dei pnlIti di ~ che SOIlO interni al cerclIio di centro it pIlutO z di ~ e rag'gio t. Illoltl'e, detto Zj un punto sulla conormale 'I'z a ~ iu z, porremo:
(n
cioe COil i I sim bolo al primo mem bro si indica la deri vata della u, secondo la direzione dell'asse taugellte positivo a ~ in z, calcolata nel punto Zj (9). (9) La simlJOleggia tum
ottDB(Zj) z
non
e molto corretta
a dopemre la seguente r ~1' Tuttav ia 1a DBz Zj
l
145
prim~t
e cer t o sarebbe pin giusto
Ii tipografi camclltc pin se mpli-
[99]
141
Una introduzion e alla teoria delle equa zioni ecc.
IX. Sia r:p
E .,£ (1) (2').
e 1tn
Se Z
pllnto di LEB]
si ha: (18)
e
e
Se r:p (C) continlllt SU 2' , la (18) unifonne 1'ispetto If. Z. NOli e 1esivo alla gellel'a1itft assulllere gli assi coordillati come nella dilllostrazione del teOl'ellla pl'eCedellte. Sia 2'0 Parco di 2' gift considerato ill quella dilllostl'lIzione e (j vel'ificLi cOlldiziolli analogLe a qllelle ivi espl'esse, ne11e quali A; e A~ vanllo sostituite con 1'; e 1"1' coseni dil'ettol'i di 1'. (11). I,ll. (18) si dimostl'a immediatamellte per r:p = 1. In fatti , basta ossel'vare che pel' Zj E1'. e CE 2'0 si La, per 1a (12):
Posto t =
~1
a
S.
1
og
Zj -
(
Z
r)
(! Z t ,,,
1 ,
si veri fica che:
+ Au (C) 2~ .+ A (! (Zj'
j 2 (C) 'YJ _
-
C)
0
(t11
Z -
Zj -
CI) C12
ce e, d 'altronde, do po Ie precisazioni fatte, non pub dare luogo ad equivoci. An aloga consider az ion c pub far si per il simbojo
]a
onoy. (Zt)
gia in preeeden za adoperato.
(to) Cfr. [3] pagg. 30-31 e per il eas o gen er al e eli cp soltan t o somillabile [Hi]. (It) Precisamente l' ar co :Eo deve esser tale eh e, d etta 'I) = 'I) (~), - (J <: ~ <: (J slla rappresentazione rispetto agli assi prescelti, si abbia: M
=
max
(-a, a )
I 'I)' m I < q ,
avenelo ill{licato con q il min ore d ei tre numeri : 1,
2 (max Ail ~
+ lLlax A22 + 2 m ax I Au I) (3 max I At2 I + 2 max A 22 ) • ~
~
~
~
E o d enot a un qualsia si prefi ssato duminio (cioe la chinsnra di un insi eme aperto) contenente n el SilO interno A :E, Supposto assegnato E > 0, d eve inoltre esser e:
+
s
11 (0 cp
cp (z)
-8
per ogll i
H
<.
0 .
146
I d~ < 8 8
142
Dato (19)
(100]
GAETANO FICHERA
IJ
e> 0,
silt be tale cLe per t
[91 (e) -
91 (z)]
< be riesca:
[/~z log e (ZI' e) - /Sz log e (z, e)l d sci < e.
I - I.
Detta H Ulla cOllveniente costante positiva, si La: (20)
J
I
[91 (e) -
91 (z)]
[~IOg e (Zj ,e) - ~ log e (z B B Sz
Sz
,n]
r1
s.l::;::
I . - I(t)
J (n -
I
(21)
[91
llz
91 (z)] BB log
e (ZI ,e) dB /; I<
I (t )
Indicando sempre Hi una opportulla costallte positiva, telleudo presellte cite e in ~o - ~ (t): I ~ I :2:: t, e ripetelldo i ragiollamenti fatti nella dimostrazione precedente, si ottiene:
91 (z) I
e +t t
2
-u
147
d~ < e H2
(
02
ta
+ t + 271 ) • 2
[101]
Una introduzione alla teoria delle equazioni ecc.
143
Si lJa per la (12):
lIP (() -
t Iz -
IP (z) I ~
(I . (1 2 < 2 HI g' (() -
IP (z) I
e quindi: (23)
Infine riesce: (24)
<
(1+
s H ,/_ r2
V2 +
1)
log ,/ ; y2-1
If' ($) e la funzione introdotta nella dimostrazione del teorema precedente. Da (19), (20), (21), (22), (23), (24) segue la tesi. Si osservi che se IP (() e continua su ~, potelldosi scegliere a e o. indipendellti da z, la (18) l'iesce uniforme rispetto a z, come si cOllstata, rignardalldo la dimostraziolle teste esposta. Dal teorema IX seguollo alcnlli importallti corollari. E intallto ovvio il seguente: X. Sia IP una j1tnzione di .£(1) (L:) e z 1tn punta di LEBESGUE pm" essa. Condizione necessaria, e suffici ente perche esista l'integra le singolare di tipo ellitlico (2), can insiemi di esclusione gli insiemi L: (t), e cite esistll il limite: (25)
1n tttl caso, detto limite
c uguaZe
all'integ)'ole singolarlJ anzidetto.
148
144
[102]
GAETANO FICHERA
XI. - Se rp appartiene alla ClltSSe el~ (L:), esiste il limite (25) per' ogni z E L: ed e uguale all'integrale singolare di tipo ellittico (2). Title limite e unifonne rispetto a z. Deriva immediatamente dal teol.emaII e dall'osservazione II a quel teorema. Se 1 ed 1n SOI~? -.?ne versol'i, cbe snpporrelllo applicati a110 stesso pun to, COIl (l, 1/1) indicheremo l'ang-olo di cui deve rnotare 1 nel verso positivo (cioe antiorario) delle rotazioni per sovl'apPol'si
(z,1;)=:n--=(;;,0
e quilldi cos (i,;;) = (m , l), Sill (l , m) = - sin (m , l) . Illdichiamo con lI z e 'P. i versori sugli assi, lIol'male e conol'male, intel'lli ad A , lIel punta z di L:. Sia l" llli asse
=
1;.~. ~idellte_c~e COS
a u (Zt) = a l"
sin ~:.l..!'.':) cos (1/" , 'P.)
a It (Zt) + cos ~, ~) as" cos (n" , 'P.)
_1_ ~
it (z)
U (Z1)
a'P.
•
Scrivendo Zt - Z (8U 'P;;) [Zt - Z (su 'P;)], intendialllo che Z1 tellde a Z (Illantellelldosi sull'asse conorlllale 'P.) dall'illteJ'110 (esteJ'llo) di A. COllsegnellza illllllediata dei teol'emi VIII, X e XI, e il segnellte: X II. - Sia rp ttna funzione di .J: (1) (L:) e Z un punto di LEBlTISGUE pel' essll. Condi.zione necessit1'ia e sU.fficiente l)el'che esista l'integrille .~illgola1-e di tipo ellittico:
J (~) aazz rp
log (} (z , ~)
ds~
£:
con insiemi di esclusione i L: (t), e che esista il limite: lim Si ha in tal caso:
(26)
.
II III
zr7Z (suv;;)
(27)
a lz
av (z ) (,1I,,';) a lz
lim ZI"
a v (z ) = - n
__ 1
av (Zj) .
"1-. (suvs ) a Zs
cos (ls 1/.)
_ '_
rp (z)
a(z) cos (n., 'Pz)
3t
__ 1 =--
cos (T. 1/.)
a log(}(z, ~)llsl; + Jrp (C) '-.
~'_ rp(z) It(Z) cos (nz ,'P,,)
149
a l"
£:
f
+ I
a a"
rp(~)llog(}(z,C)(lsl.;'
[103]
145
Una introduzione aIla teoria delle equazioni ecc.
Se rp appat'tiene a e~ (.~), sU8sistono III (26) e In (27) pm' ogni z E ~ e sono unifonni rispetto It z e a lz. XIII. - Se rp appal,tielle a e~ (~), il potenziale di semplice strato v (z) e unn fttnzione iii clnsse uno in A ~ (t2). lnoltre per il calcolo delln derivntlt tangenziale di v su ~, e lecita la derivazione
+
sotto il seyno iii integrale, eppero
~ e data dall'integrale singolal'e (2).
as
Infatti, in virtu del teorema precedente, esistono i due limiti : lim
pel' ogni z E ~ e sono Ilniform i rispetto a z. Da cio segue Pappartenenza di v a eCll (A +~) (13) e quindi la tesi. In modo analogo puo provarsi cite v (,,) e di classe uno nel cOIllplementare di A. 4. -
Potenziale di doppio strato.
Sia rp ulla funzione di .1' (1) doppio stl'ato la funzione: w (z)
=
Dicesi pote1lziale (di linea) di
(~).
frp (C) _a_log a'Pc
e (z, C) d.~~ ;
:J:
essa e continua e dotata di derivata di ordine comunque elevato in tntto il piano privato della cur va ~. (12) Dicendo abe una fnuzione v (z)
e
di classe
11!
in A.
+r
(rinsieme con-
tennto in ~) 0 appartiene n. elm) (A. + r), intendiamo cbe iu A Ill. v e dotata di derivate parziaii continue fino al1'ol'dine 11! e, detta 10 (z) una qllaisiasi derivata di v, di ordine <. 'In, esiste una fllnzione 10* (z) continna in .d + cbe coincide con 10 nei pllnti di A., (,3) Sllssiste invero il seguente lemma di eIemental'e dimostl'azione: Sill u (z) deJinita iu A. e veriJichi Ie 8eguenti condizioni: a) n (z) e continna in A. ; b) Ji88ato com1tllque z 81t ~, e8iste finito il limite: lim u (Zj) = u· (z); c) tale
r
",-•• (su
limite
e Il11ifol'me
l'i81'etto a z.
I,a Junzione U (z) cOBi defillita:
I·
=
U (z)
It
(z)
= n* (z)
iJ continna in A.
y;;)
z E A. z E~
+~. 10
150
146
[104]
GAETANO FICHERA
Sia lz il semiasse cOllsiderato nel teorema VIIL. Snssiste il seguente teorema: XIV. Silt ((! E.£ (1) (~). Se z c un punt!) di LEBESGUE pM' ((! (qnindi pM' quasi tutti gli z di ~), e somma bile la funzione di 1;:
a a y~
(1;) -log
((!
Inoltre, se lz
e dir-etto
e (z
,1;) .
Vet'So l'interno (estenw) di A, PC}' l'anziaetto
z riesce: (28)
(29)
Be ((! (1;) e i co,~eni direttori di lz sono contilmi su ~, la (28) e la, (29) .~ono uniformi rispetto a z. La dimostrazione pl'ocede esattamente come queUa del teorema VIII eon la sola val'iante che la (13) e sostituita dalla segnente:
a a y?; log e (Zi ,1;) -
-
0(1) .
Si osservi che w (z), nell'ipotesi che ((! (1;)sia continua su ~, per il lemma enunciato nella nota (i3), coincide con una fUllzione continua in A ~ (nel complementare di A). Sia Az un asse, di versore Az , defini to pel' ogni z di ~, i cui coselli direttori sono funzioni misurabili su ~ . Diremo doppio strato obliquo la fnnzione:
+
w(A)
(z) =
J
((!
(1;)
aaA~ log e (z
, 1;) ds?; ,
~
che, come la to (z), pri vato di ~.
e con tin ua
con tutte Ie sue deri vate nel piano
151
147
Una introduzione aHa teo ria delle equazioni ecc.
[105]
II seguelltp teol'ema gelleralizza il preceoente: XV. /Sia cp E .1! (11 (.2') e silt z un PltntO di LEBESGUE per entj·ambe 1e junzioni :
Condizione necessaria e 8utJiciente pM'che esistn l'integrale singola1'e di tipo ellittico:
J
cp (() /;'c log
e (z , () ds c ,
2:
con insiemi di esclnsione i .2' (t),
e che esista
lim
il limite:
w().)
(Zt).
Zl~' (8U "z)
Si ha in tal cnso:
(30)
lim
(31) Zl~Z
w(!.) (Z1)
= ~ cos (~z , a (z)
(811 v;-)
COS
(nz ,
Se cp (() e i coselli dij'etto1'i di 1, appartengollo a G~ (.2'), sussistono 1(1 (30) e In (31) pet' ogni z E.2' e sono unijot'1ni rispetto a z.
La dimostraziolle di questo teorema e conseguenza immediata dei teoremi X, XI e XIV, Ulla volta osservato che:
+ cos (1"
ne) -1- - [J I og vd It (() [J Vc
--_--~-
cos (n"
e clte, per la (12) l'iesce pel'
(32)
-;:,[J- log u
.~z
e (Zl
, ()
Z1
e (z,
~)
<,
EV z :
+ -~- log e [J
0 sl;
152
(Z1 ,
n=
1 ) 0 ( -,--Y:--Il h Z -
<,
-
•
148
[106]
GAETANO FICHERA
XVI. - 8ia cp E E(l) (2') e z un punto di I~1<~BESGU1<j per cp. Se Z1 e Z2 sono dne pnnf'i s1tlla cononnale Y z l/, 2' in z, sim1netrici rispetto a z, si ha: (33) ogni qual1)olta tale t'elazione sussiste ass1t1nendo cp
= ].
La dimostrazione e analoga a quella dei teoremi VIII e XIV. Consideraudo Parco 2'0 iutrodotto nella dimost.raziolle del teor. VIII e impiegando il sistema di assi ~ e 1') lit nsati, si prova che: lim
Z,~Z
J[CP (e) -
cP (z)]
z,
[_8_ ~ log e (z, 8 8 Yz
e)]
dSi;
Yz:
~
=
O.
~
Cib consegue, con gli stessi ragionamenti di quella dimostrazione, dalla diseguaglianza: z,
I[/YZ /Yi; log e (z, e)ll < ~2 ~ t2
(34)
l(
dove si e posto costante positiva.
come al solito -
t
= IZ1
-
(e E 2'0)'
z I e K indica una
La (34) si acquisisce COil semplici ealcoli, del tutto allaloghi ad altri in precedenza svolti. OssM'1)(Izione. La (33) snssiste, assumendo
z
E 2'
cp = 1, per ogni
se riesce;
J
- 8 log 8 vi;
(35)
e (z,
r) ds (
I.,
.
1= =
h (z) h (z)
+c
per z E A per z esterno ad A,
I
essendo h (z) una funzione £Ii classe uno in tutto il costante. Tale circostanza si presenta se Ie Aij (z) stanti in B: snssiste allora la (35) COil h (z) = 0 e Questo teol'ema pub esser esteso al doppio strato Ma eli cib uoi nOll ci occupiamo, dato che di una non avremo occasione di doverci servire. (H) efr. [16J pag. 383.
153
piano e c una SOIlO tutte coc = - 2 Jr. obliquo w P·) (14). tale estellsione
[107]
149
Una illtroduzione alJa teoria delle equazioni ecc.
Osserviamo illvece il segllente utile cOl'ollal'io (1:;) dei teoremi VI, VIII, XIV, XVI. XVII. Siano CPo (e) e 'PI (e) dne jltnzioni appartenenti II 2 (1) (~) e t(tii ohe pel' ogni z esterno ad A riesoa:
J[cp! (e)
(36)
log
e (z,
(e) /1'1; log e (z, e)] d8~
CPo
e) -
= O.
I
Su,ssista inoltre la (35). La jtmzione oosi definita in .A:
It
(z)
J
2~ lcp! (() log Q (z,
=
CPo (e)
e) -
aa'l'~ log e (z,
0] ds~
I
per quasi tutti oontorno:
punti z di
lim ZI~Z
vt)
(su
u (Zl)
=
f
2~
=
verifion le seguenti condizioni al
CPo (z) ,
Si ponga: v (z)
~
CPt (e) log
e (z
, e) d
s~ ,
I
w (z) =
J
~
CPo (e)
2n
--!-1'1; log U
Q
{z,
e) ds~
.
I
Supposto z puuto di Lebesgue per CPo e CPt e detto 22 il silllllleti'ico di Zt rispetto a z Sll 'I'z, si ha perla (36) e peri teoremi VI e XIV:
lim ZI~Z(SU
vt)
lw
(Zj) -
(15) efr, Ll], [7 J.
154
W (z2)] = CPo (z)
150
e per
teol'emi YIII e XVI:
l
OV (Zi)
lim
0 v (Zz)l -
--------
z\->z (S1I it)
5. -
[108]
GAETANO :I<'ICHERA
OYz
OYz
Estensione della teoria svoIta sui potellziali di linea.
E utile fare un'osservazione (16), in vista delle successive applicazioni. Sill, F (z, C) una funzione denllita nel campo B, la quaJe possa mettersi sotto la forma seguente: F (z, C)
=
log
e (z,
C)
+ F o (z,
C),
essendo F o (z, C) una funzione che gode delle seguenti pl'opl'ieta,: 1°) Assunti comuIlque due domini Di e D z cOlltenuti in B e senza punti in comune, la funzione }!'o (z, C) e fUllzione di classe uno rispetto alle quattro variabili reali x, y, ~, r;, nel dominio Di X D 2 • 2°) Indicata con (j) (z, C) una q ualsiasi delle seguenti funzioni:
o
or; F o (z, C),
si ha:
L'osservazione cui si a(lceunava ed aHa quale vogliamo dare forma di teorema e Ia seguente: XVIII. - I teM'cmi V, VI, VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV seguitano a sussistcre se nei lora enuncillti la jllnzionc log e (z, C) l,iene sostituita con laF (z, ve1'ificante 1e condizioni teste specificate. In pllrtico1are, sostituendo log e (z , C) con log e(C ,z).
n
(16) efr. [19J §~ 14, 15.
155
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc.
[l09]
15]
La dimostrazione e nn'ovvia consegnenza delle ipotesi 1°) e 2°) ammesse pel' F o (z, ,). E poi facile COllstatal'e che la fnnzione log
~ ~~:
:; veri fica dette ipotesi 1°) e 2°).
II.
CAP.
IL PROBLEMA
1. -
DEI~LA
DERIVATA OBLIQUA
Operatore differenziale Ulleare ellittico del secondo ordine. Nel campo B del piano siano definite Ie fUl1ziolli reali:
che snppol'remo di classe CE~) in B. Supporremo altresl che Ja forllla quadratiea nelle val'iabili reali 21 e 22 :
sia defil1ita positiva per ogni z di B, riuscendo ill B:
Siano b1 (z) e b2 (z) due funziolli reali di classe CE~) (13) e c (z) una funzione reale appartenente a CE~) (B). Considel'eremo ill B il seguellte operatore differenziale:
+b
i
au + b
(z) -
ax
an + c (z) u.
z (z) -;;-
uy
Sia A un campo limitato contenllto in B assieme aHa sua froutiel'a ~, che snppol'remo costituHa da Ull nnmel'O fiuito di curve semplici e chiuse di classe CE~) a due a due disgiunte: ~o (contol'llo esterno) e ~i' ~2'" ., Zr (contorlli illterni).
156
152
[110]
GA ETA NO }'ICHh;J{A
Assegnate Ie fllnzioni complesse p (z), q (z), It (z) e j(z) su ~ e g (z) ill A, in cOllllessione all'operatore ellittico & (u) si pone il seguente generale problema al COlltOl'llO: & (u)
=
au
p (z) ay -
g in A,
q (z)
alt as + h (z) tt =
j (z)
su~.
+ .
L'incognita e una fnnzione complessa u definita in A ~ Vedremo come 10 studio di questo problema generale dipenda dalla pl'eventiva soluzione di esso ill nn caso particolare, al quale dedichiamo il pl'esente capitolo. Sara altresl 10 studio di tale caso pal'ticolare che ci permettera di cOIJsegnil'e i risultali salienti relativi alIa teoria di una importaute classe di equazioni integrali Sillgolari. Fal'emo l'ipotesi, alia qnale ci si pub ill modo ovvio sempre ricondurre, che i coefficienti nhk (z) (h, k = 1, 2) siano definiti ill tutto il piano (cioe B coincide con tllttO il piano) e che esista un cerchio: Iz I < L tale che in ogni pllnto esterno ad esso riesca:
= aZ1 (z) = 0 , (z) = b (z) = (z) = O. a 12 (z)
b1
C
2
E evidente come tale ipotesi non sia restrittiva potendosi pl'olungare i coefficienti fuori di A dizioni soprascritte.
2. -
+
~
in modo tale che si verifichino Ie con-
Dimostrazione dell'esistenza di nna solnzione fondamentale.
Faremo l'ipotesi che per ogui z si abbia c (z) < O. Ci proponiamo di dimostl'are l'esistenza di una soluzione jondamentnle relativa all'operatore & ed al suo aggiunto &*. Sia T un cam po circoIal'e 1. Sia r la frolltiera di centro l'origille e raggio R con R> L di T. Diciamo z! e punti variabili su e Z2' punti variabili in T. Fissato l'illtero positivo q, sia \ Pi (') , ... , {3q (') 1 un qualsiasi sistema ortonormale in T costituito da fUllZiolli reali hOideriane in T Sia inoltre \ "'I ('l , ... , "'q (')) un sistema di q funzioni reali, verificanti Ie segue uti condizioni: 1) Le funzioni "'I , ... , "'q souo defiuite in tutto il piano. 2) Ogni e continua con tutte Ie sue derivate parziali dei primi tre ordini ed e di versa da zero soltauto nei punti di un insieme chiuso contenuto nel campo T.
+
'1
r
+ r.
"'h
157
'2
[111 ]
3) Pl'efissato il sistema di q fuuziolli reali t fJt ('), hOlderiaue iu T r, posto:
+
riesce: (I)
153
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc.
det.
!f
&(0)
[C(h (')]
!
fJt (') dTe =F
0
(11, k
=
... , fit
(Z;))
1, 2 , ... , q).
'1'
Oi riserviamo di indicare lIel seguito, ill qual modo scegliel'e Ie fuuziolli fJh e fJt e mostreremo che la scelta cbe sara fatta del sistema delle fit, sara tale da assicurare l'esisteuzlt di un sistema di C(h verificallti 1), 2), 3). Poniamo:
e(o)
(z, ')
=
q
~ &(0)
[C(h (z)] fJh (') •
h- l
OOllsideriamo la seguente matrice nucleare :
cui elementi
SOIlO
definiti al modo seguente:
l e uua costallte reale negativa e fI- una costante reale cbe per adesso Iasciamo arbitraria.
158
154
GAI~TANO
Ii silllbolo 0z [log
[112]
FICHIC,RA
(i; , z)] denota ebe l'operatore 0 viene applicato alla funzione log Q (i;, z) in qnanto fnnzione di z. Si cOllstata, eseguiti i calcoli, ehe la funzione 0z [log Q (i; ,z)] e funzione di z (di i;) ltOlderiana in oglli dominio del piano che non contiene il punto , (il punta z). Riesce inoltre: Q
Abbialllo qUilldi:
(2)
lnoltre ciascllno dei I1llelei cOllsiderati gode della pro prieta che, fissato uno qualsiasi dei punti da cui esso dipende, e fllnzione ltolderiana dell'altro punta in ogni illsieme avente distanza positiva dal punta fissato. Indichialllo COil Cit 10 spazio vettol'iale reale costituito dai vettori a due componenti reali, la prima delle qnali f{Jl (i;1) e una fllnzione defillita sn r e appartenente a .J:(p) (r), la seconcta f{J2 (i;2) defiuita in T e appartenente a .J:(p) (T); sia illoltre p 2. cff pub pensarsi come uno spazio di BANAOH, definendo al modo seguente il modulo di un sno elemellto:
>
Sia reali, la ten en te I,a
CJll 10 spazio vettoriale reale dei vet tori a due componenti prima '!jJj defillita e continua su la seconda '!jJ2 appara .J:(p) (T). norma di un elemento di CJll sara cosl defillita:
r,
159
Una introduzione alla teoria delle equazioni ecc.
[113J
155
Sussiste il seguente teorema: 1. Lit tmsjonnazione funzionale :
'If I (Zt) =
I
KII (Zt' '1)
9)1
'lf2 (Z2)
=
J d8~l + f
('1)
r
dS~l +
][12
(ZI ,
,~) 1['2 ('2) dT!;,
T
J
K21 (Z2 ,
'1) !PI ('I)
K22 (Z2'
'2)!P2 ('2) dT!;,
T
r
(dT = area dell'elemellto di superficie su '1'), e UIIl! trasjonnllzione totalmente contil/un di Cit in -em;. Sia t rp~,), rp~,) I ulla successione
e
esselldo ulla costante illdipendente da n. Illdiehiamo con t 'lfr'), 'If~n)) la sneeessiolle trasformata. Si ha, per la (3), detta H una eostante e ZI e zl due Jlllllti di
r
e posto: p'
=
-p- :
p-l
Ne segue la equieontinuita delle fUIlZiolli
della successione
t 'If~'))' Analogamente se ne dimostra Ill, equilimitatezza. Si ha d'altra parte, detta H1 una eostaute positiva:
(I
(4)
K21 (Z2 ,
'1)
Ip' dS!;l <
HI
.1
r
Dall'ultima delle (2) e dalla (4) segue faeilmente, dette HI e Hz due costanti positive: (5)
160
156
GAI£TANO
[114]
FICH~mA
Inoltre, poiclle 10 spazio rluale rli Cit e separabile, dalla Sllccessione (cpin) , cp~n)) se ne puo estrarre una (cpini) , cp;'i)) tale che pel' oglli z2 di T la successione ('f/1~ni) (Z2)) sia eouvergente (1). Sia 'f/12 (Z2) il limite di tale successione. Perla (5), esso appartiene a .,f(P! (T) e riesce inoltre:
lim ni-
OCl
J!
'f/1~/i) -
'f/12!P dr = O.
T
Con cio il teorema e dimostrato. OOllsideriamo ora il sistema illtegrale: (6)
'f/1i (Zi)
~ CPi (Zl) + .f Kii (zu' i) CPt ('i) ds~! + .f K12 (Zi' '2) CP2 ('2) dr~, , r
T
+.f ][21 (Z2' 'i) CPi ('1) ds~! +.fK22 (:<12' '2) CP2 ('2) dr~•.
'f/12 (Z2) = CP2 (Z2)
r
T
Ad esso, per il teorema ora dimostrato, pno applicarsi Palternativa di FREDHOLM. Si cOllsideri il sistema omogeneo associato:
o = cP~ (Z1) +
.fKu
(Zl' '1)
cP~ ('1) ds~! +.f [[12 (ZI , '2) cP~ ('2) dr~, , T
r
o=
cP~ (Z2) + .f K2I(Z2"I)cp~ ('l)ds~! + r
J
K 22 (Z2, '2)
cP~ ('2) dr~,.
T
Le proprieta riscontrate per i Illlclei Kij ci assicurano cLe cP~ (Zl) e cPg (Z2) , componenti di Ulla Solllzione del sistema omogelleo, sono fllJlziolli hi:ilderiane llei rispettivi insiemi di defiuizione. (2)
POlliamo: (7)
tto (z)
= ~
JCP~('i)
log
(!
('1' z) ds,!
+
r
+ .f CP~ ('2) [2~ log
(!
('2' z)
+ ft h!t'h(z) f3 h('2)] dr~,.
T
(l) Cfr. [6J teoI'. XL pag. 478. (2) Cfr. (19J ni 13, 14 e 18.
161
[115]
157
Una introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
La u o (z) e di classe uno in 'I' essa veri fica Ie condizioni:
au + 2 o = av
_0
Ne segue cbe lto
U
e
0 su
+r
e di classe due in T. IlloHre
r,
g (u o) = 0 in T.
idelliicamellte nulla in T. (3) D'altra parte, la
(7), per z esterno a '1', fOl'nisee:
tto
(z) = ~ f IP~ (~) log
J
z d'~CI + :n./ IP~ ('2) log
'1 -
J
r
J
'2 -
z (lTc, . J
T
Poniamo: It
JIP~
=
('1) ds!;]
f
+ IP~ ('2) d7:I;, •
r
La funziolle: v (z)
T
=
t[o
a log J zJ
(z) -
e armoniea nel complementare di T verifiea su Ia condiziolle:
r
v= -
it
+ r,
illfinitesima all'illfinito e
log R.
Ne segue cbe la v e quindi anche la lto SOIlO identicamente Jll1l1e llel complemental'e di T. Dal teo I'. VIII del cap. I segue IP~ ('1) 0 Stl
=
r.
Vogliamo pervenil'e a proval'e cbe l'iesce anche IP~ ('2) Se l'equazione integrale:
(8)
o=
IP (z)
= 0 in '1'.
+ :n f IP (C) &}o) [loge (C ,z)] d7:1; T
e sprovvista di al1tosoluzioni, intento e raggiun to.
basta aSSlllllere ft
=
0 e il llOStl'O
Supponiamo invece clle la (8) abbia autosoluzioni. Assumiamo come sistema (PI (z) , ••. , Pq (z)) nn sistema Ol'tOllorlllale e completo eli autosoluziolli della (8).
(3) Cfr. [19] teor. 5. II pag. 8.
162
158
[116]
FICHERA
GA~jTANO
Sia (~i (z), ... ,~: (z)) un sistema di q autosoJuziolli indipelldellti della equaziolle integraJe trasl'osta della (8) : (8*)
Facciamo vedere cLe e veriticata la (1) per una q-pla di funzioni appal'tellenti alIa val'ieta et delle fUllzioni IX vel'ificallti Ie COIIdizioni 1) e 2) 80pra specificate. Supponiamo clle cio lion sia vero. Sia 'It la massima caratteristica delle matrici:
(h , k = 1 , 2 , ... , q)
al variare in tutti i modi possibili delle q funzioni IX1' IX2 , in et. Rie8cira allora 'It q. Possiamo supporre clle sia:
<
elet. \
J
0 (0)
(IXh)~: d 7:1 =f=
0
••• , IXq
(h, k= 1 ,2, ... ,n)
T
con
lXI' OG2' ••• ,IX ..
Sia
C1 ,
c2 ,
opportune. una autosoluzione del sistema:
•• , ,C .. +1
(It
r
Posto
=
"+1 E
Ck
=
1 , 2 , ... , n) .
~t, sara:
k~1
J
0 (0;
(OG)
r
d 7: = 0
'1'
pel' ogni 0(0)
(p*)
OG
=
(4) efr.
eli
et.
Cio implica cLe
r
.sia soluzione dell'equazione
0 ill T (4), oltre ad essere autosoluzione della (8*). Tale
[19] pag. 93.
163
[117]
Una introduzione alla teoria delle equazioni ecc.
ultima. circostallza assicura che formola di STOKES fornisce:
J[*
1 - .--2n r
e di
~*
classe due in T
2 log 1 z - ~ 1 - -a ~* log 1 z - ~
~ (~)
av,
159
ave
+ r.
La
J' (l.~~
1
e quindi per zET: 1 .---
2n r
J[*f3
(~)
a log 1 z ~ 1 - -afJ* log 1 z ----aVi;
aVi;
-- ~
] ds, =
1
0.
Per modo che, posto per z esterno a 1': (J*(z)
iJlfJ* (~) aloga~1z ~
=
~ 1- U~ log 1z - ~ 11 ds c , a~
r
si ha
Stl
r,
J
per lin analogo del teot'o XVII del cap. I:
(9)
Poiche riesce:
.f a/:
cIs
ne segue che di T:
Ma
e anche:
r
(0)
(r) d T
O. Si Ita allora, detto T j il complementare
f -
a(3* ds - . j~fJ* a-:; r
1grad
fJ* 12 dT =
0.
Tl
(~jj
d s
,
T
f3* (=) =
2fJ* + Jl J a-; Ii *
.f{,
= -
r
(2ax f3*)2 + 2 a fJafJ*x j2
a ~* + a22 (fJBy fJ* )21 d-c = By
O.
T
Pertanto, in virtu delle (9), riesce
164
fJ* =
0 in T.
E
qllindi assllrdo
160
[118]
GAETANO FICHERA
<
et
ammettere n q. Esistono cioe q funzioni di POlliamo: [i]
vel'ificanti la 3).
2~ lip (') s~O)[Iog e (' , z)] [1 TC ,
(ip) =
2'
Q (ip)
=
J
ip (')
6:)(O)(z , ')
(he,
(ip , '1p)
=
'1'
J
ip 'IjJ dT.
2'
Se facciamo vedere che la scelta di Jl pub farsi in modo tale che l'equazione: (10)
ip
+ E (ip) + Jl (J (ip) =
0,
sia sprovvista di autosoluzioni, avremo provato che ipg e identicamente nulla, dato che tale fllnzione e una Soillzione della (10). TelIiamo presente che E e Q 80110 trasformazioni lineari total mente continue dello spazio di HILBER'1' j}(2) (T) in se stesso. Diciamo P (ip) la proiezione di un elemento di j}(2) (T) sulla val'ieta V ortogonale a q uella ind ivid nata da fJr, .. . , fJ~, cioe sulla varieta delle flln'IjJ = o. ziolli ortogonali ad ogni autosoluzione dell'eqnazione E* ('IjJ) E univocamente determinata una trasformazione lilleal'e e continua R, definita in V, tale che pel' ogni 'IjJ di .£(2) ('I') si abbia:
+
R P ('IjJ)
+ ERP ('IjJ) =
(R P ('IjJ)
p ('IjJ) ,
,fJh) =
0
(h
=
1 , 2 , ... , q) .
Deve quindi essere per la (10):
(11 )
La trasformaziolle T = RPQ e continua (anzi totalmente continua) e quilldi dalla (11) perl JlI II T pbsto:
11-1,
<
8 ,t
=
00
~
(- Jl)k Tk
k~O
165
Una introduzione alla teoria delle equazioni ecc.
[119]
161
si trae:
D'altra parte, pel' Ja (10), assunto ft
=F
=
0
(Q (cp),
~;:)
0, deve essere:
(k = 1 , 2 , ... , q)
e quinrli: (k = 1 , 2 , ... , q) •
Si giunge cosi alia cOllclusione cbe se la (10) ammette autosoluzione, deve essere: (It, k = ] , 2, ... , q) •
:Ma riesce:
il che prova cbe, scegliendo ft diverso da zero ma di modulo assai piccolo, la (10) non puo avere autosoluzioni. Poicbe, con la seelta teste specificata di ft e 6:2(0) (z , 'l, si e provato cbe iI sistema (6 0 ) 11011 alllmette autosoluzioni, resta dimostrato che il sistema (6) ammette una ed una sola soluzione per qualsiasi scelta del vettore ("PI' "P2l in em;. l,a solnziolle del sistema (6) e del tipo seguente:
CPI (ZI)
=
"PI (ZI)
+
J
Rl1 (zi , '1)11'1
(e l ) dS cI +
l'
CP2 (zz) = "P2 (Zz)
J
RI2 (ZI ,
~2) "P2 ('2) dTe,
2'
+ JR ZI (Zz , 'I) 1PI ('I) dSCI + JR22 (Z2 , '2)"P2 ('2) dTC, • '1'
l'
La matrice (Rij (Zi , ej) l (i ,j = 1 , 2) e la risolvente del sistema (6) ed i suoi elemeuti veriticano Ie seguenti equazioni:
11
166
162
[120]
GAETANO FICHERA
( Ru (Zi ,
J
~1) + Kii (Zl , ~1) +
I
Kii '(Zl ,
11~) Ru (10 , ~i) ds w +
r
+JKd Zl , 10) R2i (10 , ~1) dTw = T Rt2
(Zl ,
J
~2) + K12 (ZI , ~2) +
J
+ R21 (Z2 ,
~2) dTw =
0
J
~1) + /(21 (Z2 , ~t) +
J
+
~2) ds w +
Kii (ZI , 10) Rt2 (10,
r
Ki2 (ZI , w) R22 (10 ,
T
(12)
0
~1) ds", +
K21 (Z2 , 10) Rl1 (10 ,
I'
~i) dTw= 0
K22 (Z2' w) R21 (W,
T
R22 (Z2 ,
J
~2) + K22 (Zz , ~2) +
J
+
\
K2i (Z2 , 10) R12 (10 ,
~2) ds", +
I'
K22 (Z2' 10) R22 (I£', '2) dTw=
o.
T
Ogni nucleo Rij (Zi ,'j) ha peculiarita analitiche analogbe a queUe del corrispondente nucleo Kij (Zi , 'j). III pal'ticolare ogni Rij (Zi , ~j) veri fica Ie aualogbe delle (2). Poniamo:
e consideriamo la sol1tzione jondamentale:
(13) F(z, ')
=
1 log 2n
1 e(', z) + fl.£(z,~) + -;;
Je
log (10, z) Ri2 (1O,~) ds,,,
r
J
+ l2~ log e (10, z) + fl.£(Z, 10)1 R22 (to,~) dT,V • '1'
167
+
[121]
163
Una introduzione aHa teoria delle equazioni ecc.
La F (z , '), fissato, in T, veri fica, come funzione di z, Ie segllenti pl'oprieta: 1°) E di classe due inT - , e di classe nno in T r - ,. 2°) Verifica su r la condizione al con torno:
+
(14)
Infatti tale equazione altro non e che Ia second a delle (12). 3°) Verifica in T - , l'equazione:
Ia quale altl'o non e cbe l'ultima delle (12). La F (z , ') e Ia Junzione di GREEN per l'opel'atore &(u) relativa ou
all'operatore al contorno -
OP
+ Att
su
r.
II procedimento seguito puo ripetersi, considerando anziche l'opel'atore &, l'operatore a,ggiunto:
S*(u) =
e sn
r
1.. (a OX
11
ou OX
+a
i2
01£) oY
+~ (a oy
Oil sempre l'operatore -
OP
21
ou OX
+ a Ou) _ obiox tt _ oY 22
ob 2 tt oY
+ 01£
+ AU.
NOli c'e che da ripetere, punto per punto, la dimostrazione seguita per pervenire alia F (z , ') • L'ullica difl'erenza da notare si lIa allorquando, considerata la funzione dat.a dana (7), si constata che essa verifica, nel caso attuaIe, Ie equazioni;
OU _0 OP
+ Alto = 0
su
r,
Non si pno, allora, pin invocare un teol'ema di unicita per il problellla (140) fondato sulle pl'oprieta di massimo e minimo per Ie solnzioni di &*(1£) = 0, dato che il coefficiente di 1£ in tale equazione puo, ill qualcbe punto, essere positi yo. Ma si ossel'vi cbe, assegnate arbitrariamente '1ft (Zj) (Z1 Er) e 'lfz (Z2) (Z2 E T r), holderiane Ilei l'ispettivi illsiemi eli tiefinizione,
+
168
164
GAETANO
[1221
FICH~;RA
esiste, per la dimostrazione precedente, \Ina
au
oy
+ AU = V'1
per modo che l'identita di
su
r,
GREEN
jUoV'zdT
& (u)
=
inl.
V'z
applicata a
+ jU01JJ1ds =
T
tale che:
1t
tt
e
Uo
porge:
0
r
=
e quindi, per l'arbitrarieta di 1JJ1 e 1JJ2' segue Uo 0. Si giunge in tal modo a dimostrare Pesistenza di una soluzione fondamentale F* (z , ') relativa all'operatore &*, la quale gode di proprieta analoghe alla 1°), 2°) e 3°) sopra enunciate per la F. Fissati , e w in T, diciamo E£ ('l ed E. (w) i due campi rispettivamente definiti dalle limitazioni:
e (' , z) < e,
e(w,z)<e.
Applicando l'identita di GREEN aIle due funzioni di z: F (z , ') e F* (z , w) nel campo l' - E. (') - E£ (w) e facendo poscia tend ere e a zero, con classico procedimento si tl'ae: F (w , ') = F* (' , w) , il che prova che la F (z , '), come funzione di " e soluzione fondamentale relativa all'operatore &*. Raccogliamo in un nnico enunciato tutti i l'isultati cOllseguiti. II. - Nelle ipotesi ammesse pM' i coefficienti dell'operafat'e &, esiste una Junzione F (z , ') data dalla (13), soluzione Jondamentale dell'equazione &(u) = 0, come }itnzione di z, e dell'eqllazione &*(11) = 0, come Junzione di ,. Essa inoltt'e, jissato , in T, come Jttnzione di z verifica su la (14) e, jissato z in T, come Junzione di , verijitJa su la condizione:
r
(14*)
r
of (z , () + AIi' (z , ') = oY;;
169
() .
[123]
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc,
E
165
necessario notare anche il seguente teorema:
III. -
La Junzione F (z , ') e Ie sue derivate of e of veri-
ax
jicano It! limitazioni: F -
1 -,--- log 2n
e (z , ') = aF _ ay
0 (1),
~ 0 log 2n
oY
-of - -1 -a log ----e = OX
2n
e=
0 (1),
oX
oy
0(1),
, ,all , ' , L e j. 'unzwnt e -of sono continue e dotate d i d envate pnllte e oX ay secon(le rispetto aUe va,riabili ~ e r; continue per z =f: , . Riesce in ogni insieme chiuso contenuto in T:
Risultati analoghi sussistono mutando le veci di X e y con ~ e r;. ' , re ] a t'I ve a F , -of.e -of sono consegnenza lmme , d'laL e ] I' ml't aZlOnl
aX
oy
ta della (13). Gti altri fatti asseriti nell'enunciato si provano ripetendo, con ovvie modi fiche, la dimostrazione del teorema 19. IV di [19].
3. -
Funzioni &·coniugate.
COllsideriamo Ie funzioni reali aij (z) introdotte uel nO 1 di questa capitolo e verificanti Ie ipotesi h\ specificate. In particolare, snpporremo che esse siano definite in tutto il piano. Sia A Ull campo limitato e a (z) e {J (z) dne fnnzioni complesHe di classe uno in A. Diremo che a e {J sono una coppia di Junzioni &-ooniugate se esse verificano in ogni punta di A it sistema aIle derivate parziali:
(15)
170
166
GAETANO
[124]
FICH~;RA
E immediato constatare che ex e (J sono &-coniugate allora e allora sol tanto clle verificallo it sistema: (15')
Consideriamo l'operatore:
" = o:-ca (au au) a (au au) au ax + U 12 ay + ay ((21 ax + U22 ay ,
(16)
'" (1')
caso particolare di quello introdotto nel nO 1. Nel seguito di questa capitolo, allorcbe menzioneremo l'operatore &, illtenderemo sempre riferirci al caso pal'ticoJare (16), ora considerato. Si constata che, se ex e (J sono di classe due in A, riesce: & (ex)
=
& (fJ) = 0 •
0,
Vedremo fra breve che due funzioni apparteueuti a
(?(l)
(A) ed
& coniugate, sono necessariamente di classe due.
Supponiamo che Ill, frontiera di Asia la curva semplice e chi usa ~ di classe (?~). Se e 7f sono &-coningate e continue in A ~ ,-per ogni ~l appartenente aIla famiglia '2f delle funzioni di classe uno in A ~, di classe due in A e ivi verificanti l'equazione &(u) = 0, riesce:
+
a
+
ds = fl -;:aayn _7fattl oS
(17)
o.
;g
Cib e un'ovvia conseguenza del lemma di GREEN-GAUSS. Seguendo ora un tipo di argomentazione, intl'odotto da AMERIO (5) nella teoria delle equazioni Jineari aIle derivate parziali, questo risultato pub invertirsi. Si consideri il campo T contenente A ~, neJ qnale esiste la soluzione fondamentale F (z ,') relati va all' opera tore (16), costruita col procedimento del nO precedente. Si osservi che nel
+
(5) efr. [1].
171
[125]
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc.
caso attuale la F (z , il seguente teorema:
C)
e fUDzione
167
simmetrica di z e C. Sussiste
IV. - Siano IX e 7f dtte junzioni complesse appartenenti a .£ (1) (2') e 1Jerijicanti la (17) per ogni tt appartenente ad '1t. Per z E A si ponga: IX
(z)
a F (z , C) - -f3 (C) - a F (z ,C)1ds!;, = - J[-IX (C) -aV!; as!; I
(18) ~ (z)
Jl-f3
= -
(C) -
a
av!;
F (z , C)
+ - (C) -as!;a F (z ,C)]ds!; . IX
I
Le
IX
e f3 sono &-colliugate e pM' quasi tutti i punti
lim
(J 9)
IX
(z) =
IX
lim
(C),
z- I; (su vi )
Se
IX
A+S. Se z
J[IX
pUlltO di T - (A (C) -
a
av!;
t·ie.~ce:
7f (C) •
z-!; (s u vi )
e f3 appartengono a e~) (S), allora
e un
f3 (z) =
C di S
+ S),
IX
e f3 sono continue in
per la (17) riesce:
F (z , C) - -f3 (C) - a F (z ,C)Jds!; as!;
= 0,
I
talche la prima delle (19) e ovvia conseguenza del teor. III e dei teoremi XIV e XV del cap. I. Se u appartiene ad '1t, esiste una v pure di '1t tale che tt e v riescono &-coniugate. Si ba in ogni punto di 2':
Inoltre, quando u descri ve tutta '2t, aHcbe v descri ve tutta 9./. Ne segue che la (17) e verificata quando e solo quaudo riesce: (J 7')
per ogni u E'1t .
172
168
GAIGTANO
[126]
J<'ICHI£RA
Puo quindi dimostrarsi lit seconda delle (19), COil 10 stesso ragianamento usato pel' pl'oval'e la prima di esse. II teoI'. XV del cap. I assicura cLe la holderianeita di IX e fJ implica la continuita in A ~ di IX e fJ • In virtu del teoremaIII.lalX e la fJ sono di classe due in A e riesce ivi: (, (IX) = (, (fJ) = O. Sia ~o una qualsiasi curva semplice e chi usa di classe el~l) contenuta in A. Sia u £ CJt. Poniamo per ogni £ ~:
+
e
Sia a (z), b (z) uua qualsiasi coppia di fnnzioni (,-coniugate di di classe uno in A ~. Si ha per ogni z £ A :
+
J aave Jlb (e) aave
a (z) = -
[a (e)
F(z,
e) -
/8~ F(z, e)l ds e,
b (e)
:E
(18')
b (z) = -
F (z
,e) + a (e) aase F (z ,e)] ds e ·
2.~
Ne segue: 0=
(20)
f (a : : -
b
~ :) ds =
:Eo
-
J
(ap - bq) ds .
:E
La. p (e) ba valore medio nullo su ~ ed e di classe e~) (2') . Esiste quindi una soluzione v dell'equazione (, (v) = 0 di classe UIlO ill A
+,2'
e tale che
av = P (6). a;
(6) Ripetendo un classico procedimento, si ponga:
v (z)
=
J'q;
(C) Ji'(z, C) d8 C '
:E
La funzione inoognita q; (C) 6 soluzione sn I della equazione integrale di
173
FUED-
16n
Dna illtrodllziolle alia teoria delle equaziolli ecc.
[127]
Esseudo:
J(
av av -
,.
pel' Ja (20), segue:
av) a.y (ls =
0,
U-
it -
) .Ill" (aa:-QdS=O ~
pel' ogui b, traccia su Oio implica (1):
av = as
0= l
di una soluzione di elasse
~
IlUO
di 8(1£)
=
O.
q. Ne segue:
ex - - -av) f3 -s ds = (( -av ava
=J
(ex
"
-
J--f3 (ex p .
q) ds
=
~
au a v - f3~) a IS ds
~o
HOLM
(cfr. teoI'. VIII e XVIII del cap. I):
- 1 'P (z) 2
+
('Pi(t;) 'J F (z , C) ds, = p (z) • i)v z
L'eq uazione omogellea, II q nesta associata, ammette nua :ll1tosolnzione 'Po (z) , dato che l'equazione omogenea trasposta ammette l'autosolnziolle '1'0 (z) ;;; 1 . Sia 'PI (z) ulla autosolnzione della equazione omogellea associata alIa (*). POSSOIIO scegliersi Ie costallti Co e c i non entrambe nulle e tali clle la fnllZiolJf' :
w (z)
=./[00'Po (C) +
c i 'PI (Cl] F(z,
n dB,
~
sia llulht in A. La
IV
(z) verifica sn
r
i'Jw ilv
(frolltiem di '1') la eondizione -+lw = 0
r
e si annnlla 8n:1:. Pertallto essa (UOIl potendo avere sn ne m:tssillli positivi ne minirni negativi, dato ehe e l 0), e UlIlIa ill '1' - (A + :1:). Ne segne (teor. VIn e X VIn del cap. 1): Co 'Po + ci 'PI ;;; 0 8n:1:. Esiste qnilldi nlla soluziolle (leIla (*) e, ill consegnellza, la fUllzione v llIen>.ionata Bel testo, ehe, data l'appartenellza di 'P a @kO) (:1:) (efr. [19J 11 0 14), e di classtl uno in A +:1:.
<
(7) Assegllata sn :1: ulla qualsiasi funzione Ii di classe @~l) (:1:), questa e la traccia su :1: di una b di classe nllO ill A + :1:, soluzione in A della I) (b) = 0 . La b e infatti una S-coningata di ulla fnnzione a, soluzione del problema di NEUMANN:
S (a) = 0 ill A, -
i)a
i'Jv
= - -
i'Jb i'JB
su :1:, oertamente esistente, per quanto
si e provato nella precedente nota (6).
174
170
[128]
GAETANO J<'ICHICRA
e quindi, detLa
r
la fnnziolle 8-coniugata della
J~ J~* ds =
2'0
si ottienc: -
J
(I'R -
in A tale che:
ds ,
LO
P*ou ) - ds
Zo
C(
as
=
J as0p 1t -
(
-
R* ) I'
ds = 0
Zo
r
che per l'arbitrarieta di u, implica ~ = su ~o e, in conseguenza, in ogni punto iutel'no a ~o. Data l'arbitl'arieta di ~o, resta pl'Ova to che C( e ~ sono 8-coniugate.. Osservazione. - Occorre llotare che, sussistendo per due funzioni 8-coniugate Ill, rapPl'eselltazione (18') in ogni campo iuterno ad A, resta provata l'esistenza delle 101'0 derivate parziali secollde, in accordo a quanto si era asserito in precedenza. Notiamo il seguente utile lemma relativo alle funzioni 8-coniugate. V. - Sill j(w) 1l1Ut jttnzione ololn01ja nel campo e della variabile complessa w. Siano 01: (Z) e ~ (z) due jt~nzioni reali, 8-coniui ~ (z), al vat'iare gate nel campo A, tali che il punto w = C( (z) di z in A, sia sempt'e contenuto in e. Posto:
+
j[C((z)
+i~(z)J=
O(z)+i V(z),
Ie due jnnzioni U e V ri.mltano 8-coniugate in A . Si lut:
e quindi, tellendo presenti Ie (15) e (15') e Ie equazioni di CAUCHYHlEMANN
aU
av
au
si trae:
175
171
Una introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
[129]
Analogameute si prova che:
4. -
Diseguagliauza fOlidamelitale per Ie flluziolli S.colliugate.
Sia A il campo considerato nel nO precedente, avente per frontiera la curva ~ semplice e chi usa di classe e~ll. OOIl Zo indiclJeremo un punta arbitmriamellte fissato in A . Snssiste il seguente teorema: VI. - Fissato il nume1'o 1'eale p 1, esiste una costaJ/te ][p (A ,zo) rlipendente nnicamente dlt p, dlt A e dlt zo' title che per ogni coppin di funzioni IX e fJ, &-coniugate in A, continue in A ~ e con fJ (zo) = 0, si hit:
>
+
(JI )
( f3 [P ds l/P :::;: Kp (A ,zo)
(21)
:E
/.
[IX
IP d s )l!P
:E
Poiche IX e fJ sono &-coniugate aHora ed all ora sol tanto che 10 sono Ie due coppie {!l1X, {!l fJ e CJ IX , CJ fJ, e ovvio che basta limitarsi a d imostrare il teorema nel caso che IX e fJ siano reali. POlliamo per oglli z E ~ : 1X1
(z)
1
= 2
(IX
(z)
+
[IX
-
1X 2(Z)
(z) [) ,
1
= 2 ([ IX (z) I -
IX
(z)) •
Riesce sn 2,': IX = 0(.1 - 1X2' lXi > 0 1X2 > 0 . Sia IXh (h = 1 , 2) la fnnzione contin na in A ~. soluzione del problema di DIRICHLET: &(lXh) = 0 in A, O(.h = ~h su ~ (8).
+
L'esistenza di una u continna in .d + ~ e solu7.ione del problema di (u) = 0 in A, 11 = -;; S11 ~ (n f11llzione continlla assegnata sn ~) PIlO provarsi direttalllente col classico prooetiimento cOllsistente nel rappresentare It con un doppio strato l'elativo a Ji' (z , Z;) e nel risohere la corrispondente eqnaziolle integrale. Ma pin semplicemente, conviene approssimare ulli fOl'memente la ;; con flln7.ioni Ibhi di classe Gill (~), considerare la snccessione Ibhi delle solnzio(8)
DIRICHLET (),
ni dei problemi di DInICHL~JT COIl dati 8n ~ Ie bh (cfr. nota (7) e constatare (usando il classico teorema di HAHNAC]{) clte Ibhi converge alia Aolllzione desiderata. Fissato z in A, sia g (z ,Z;) la funzione di Z; solnzione della (), (u) = 0, che 6ll ~ coincide con JJ'(z, 0. Essa e di classe 11no in A ~ (cfr. nota (7)). Posto:
+
G (z , Z;) = g (z ,
0 -
176
Ji' (z ,
C) ,
172
[130]
Sia /3h nulla in Zo e tale che (Xh e /3h risultino 8-collingate. Poiche riesce (X = (Xi - (X2' sara f3 = /31 - /32' Supponiamo di aver provato il teorema nel caso di uua coppia (X e 13 con (X >0 su ~ e con J[p (A , lOa) = J[. Posto: (22)
sara (la traccia eli funzioni eli '2/):
f3h
BU
II f3h II p <
e quiudi:
esseuelo il limite in .£ (p) eli tracce eli
~
II (Xh II p <
K
II 1311 p <
2 ]{ II
(X
If
II (X lip
II P •
Possiamo quineli limitarci al CilSO in cui e rx:2:: 0 BU ~. Poniamo per ogui z di A ~
(X
+ :
=
f(z)
Sussiste su
~
+ i {J (10) •
la diseguaglianza elementare:
I (f (z)]p - [i {J (z)] pi <
(23)
rx (10)
e 13 sono reali ed
p2
p-I 2
([rx (z)jP
+ [rx (z)] I 13 (z) IP-I) ,
avendo Bcelto la determinazione principale per Ie potenze che compaiono Bel primo membro della (23) (9).
si ha: u (z) =
j-
u(n
i)G(z,l;) i)vl;
dB/;.
J5
La G (z, 1;) - ehe con elassieo pl'oeedimento si !lirnostrft aSAere fnnzione ~inllne triea di z e I; - e la Junzione di GI{E~;N per il proLlema di DIIUCHU;T. (9) Si eOllsideri la fllllzione cp (10) = lOP della variabile eomplessa 10 = U + iv (p> I), aventlo Beelto pel' lot potenza la datenninazionB pl'incipale. Es~a e COIltinua COil la sua derivata prima ill tntto il piano privato del semiasse reale llegati vo. Per u:> 0 si ha: w
Iw P -(iv)P I= I'P (w) -
..
cp (iv) I = P \ !W P- I d10 \
0
p-I
177
(ltP+ulvIP-I).
+ V2)P-;1 dt <
[131]
Una introduzione ana teoria delle equazioni ecc.
173
Dieiamo G (z, ') la funzione di GREEN relativa al problema di per l'operatore 8 in A (efr. la preeedente nota (8) a pie di pagina). Poniamo: DIRICHLE'l'
p-I H
1rL
=
2-2 max P ~EL:
Si ha per la (23):
I
J
Ia Ga(zo , ') I . 'V~
[i~ (')] p) a Gj}:;, ') ds~ I ~ M
([J(')lV -
L:
J
+ I ~ IV-I) ds.
(Ct P
IX
L:
Riesee d'altra parte, tenendo presente il lemma V ed il fatto ehe IX e sempl'e positiva in A :
J
If(')] p
a Ga(:; ,n d s~ =
[IX
(zolJ P
L:
e quindi:
IJ([.t(')lP-ri~(')JP) a Ga(::")ds~l= L:
-
Se ne trae:
. t.SIll
P -n
2
J
R I'
L:
r (<,)
I I'R (,,)r IP- 1 a G---(Zo -, -S) ds!; I . a 'Vi;
(24)
Dalla:
si trae: (25)
[IX
(zo) I P < 1111
.r 2,'
178
IX P
ds ,
174
[132]
GAETANO I<'ICH]jiRA
con Mj costante. Supposto p divel'so da ogni intero dispari e posto:
a G (~, C) e a '1'1;
dalle (24), (25), tenendo p1'6Sente che su I, si deduce:
+ I 'In
<
,
'In
1
n
cosp 2
J[1
II! a (Zo) !
n
fJ
P
G (z~)
a :/.;'
ds/.;
I<
2:
nl f
I cos p 2
f! I a
cos p 2
P -
sempre positiva
I At ni f
aPds+
m cos p
2:
2
(aP+a!fJ!p-I)ds.
2:
Resta cosl provato che esistono due costanti positive tali che:
Ii Pi'd, <', 2:
01
e
02
J.pd, + ',(j""j,t (fI Pi' d,r'
2:
2:
2:
E quindi verificata la (21), assumendo come
([(p)
P
la radice reale
positiva della equaziolle: 01
+
p-I
02
t
P -
t
=
0.
+
Sia ora p = 2h 1 COll h intero positivo qualsivoglin.. E evidente che basta dimostrare In. (2]) per due fUllzioni (reali) a e fJ di classe e~l) (I) . Le due fnnzioni a 2 - fJ2 e 2a fJ SOIlO, per il lemma V, 6-(\0Iliu0 ill A ,
~~ =
21X : :
su I, nulla in Zo eel 'Yj (z) sia quella del problema 6 ('Yj)
= 0
iu A,
gate. Sia y (z) la soluziolle del problema g (y) a'Yj __ 2 fJ afJ su ~ "', allc II ' essa ay as
Ull 11' a III
y (z) - 'Yj (z)
=
zo'
=
S'1 b a I. l l .A
21X (z) fJ (z).
179
+ '" ~
:
Una introduzione alIa teo ria delle equazioni ecc.
[133]
+ 21
Ne segue, posto q = h
I I Iq 'Yj
l7s
< 2ff
L:
175
:
I I Iff Y
r7s
L:
+ 22<J
I IIX
fJ Iff cl S <
L:
Riesce d'altra parte:
e quindi:
I
I fJ I p ds <
2q (Kq)2 q
L:
I
IIX I"
ds
+ 22q (Kq)q
L:
(I
IIX Iv d.~ II fJ I" ds t2
L:
L:
Sussiste quindi la (21), assumendo per (Kp) v la radice reale positiva dell'equazione:
11 teol'ema
5. -
e cosl
completamente dimostrato. (iO)
Diseguagliallza duale della diseguaglianza fondamentale per Ie fUllziolli &-eoniugate.
Sia V una varieta astl'atta lineare rispetto al corpo complesso e siano in essa definite Ie due trasformaziolli lilleal'i .Mi (v) ed M2 (v) aventi codomilll cOlltelluti rispettivameute llei due spazi di BANACH: Si e S2 (if). Sia ([J un fUllzionale lilleare e cOlltinuo defi-
(10) La dimostrazione seguita pub l'igual'darsi come una estensione oi qllella l'elativa ad un teOl'ema di M. RIESZ ([25J, [26J) sulla trasfol'maziolle di HILBIt)tT. Vedremo in efl'etti nel seguito come il teorellla dilllostrato sia equivalente ad una generalizzllzione del citato teOl'ema di M. Hmsz. (11) Per i concetti generali dell'Analisi lineare, cfr. [6J.
180
176 nito ill &3 1
P34]
GAETANO }'ICllERA
,
Si cOllsideri per ogni v E V l'equazione:
(26)
e
ill cui l'incognita
il funzionale P lineare e continuo definito in tJj comnnque prefissato se
&3 2 , Essa ammette soluzione per oglli esiste K > 0 tale clte per v E V 'l'iesce :
I M1 (v) II <
(27)
I J1;[2 (v) II·
K
Esiste allora una soluzione P della (26) verificante Ill, disegnaglianza :
liP II <
(28)
K
II tJj II . eZ)
Se Po e il generico funzionale ortogonale al codominio 1112 (T') della M z , si 1m: (28')
estr. inf.IIP 'Po
+ Po II <
K
II
tJj
II·
(12) efr. [8]. Questo teorema €I stato esteso da S. FAEDO [5], considerando i1 caso in cni l'insieme V 2 delle solnzioni della M2 (v) = 0 (antoinsieme di M 2 ) non €I contenuto nell'analogo insieme V, relativo alIa trasformazione M j • E interessante uotare che. con la cOllsiderllzione del concetto di spazio qnoziente di dlle spazi di BANACH (efr. [33] pag. 99) l'estellsione di FA~;[)O pliO farsi rientral'e nel teorema riehiamato nel testo. Tnfatti, detta l1f, (V2 ) la ehiusllra di M, (V2 ), si eOllsideri 10 spazio di BANACH qnozieute:
e la trasformazioue 81l, (v) ehe IlInta l'elemeuto v di V uell'elelllento [M, (v)J di
:E,. Sill, 'V, l'antoinsieme di 811,. Si ha V2 C 'V,. Se aHora cp €I nu qnalsiasi fuuziouale lineare e continuo delinito in :E" eondizione necessaria e snffieientll perche l'equazione :
alllmetta solnzione, (' clle pel' v E V:
II
81Zj (v)
II
= estI'. info V2 E
II
M j (v)
+ M, (1'2) II <: K II
M2 (v)
II .
V2
Ma poiehe 10 spazio dei funzionali cp lineari e eontillui in :E, €I eqnivalente aIla varietil dei fnnzionali 1illeari e eontinni if> nnIli BII M, ( V2 ), nel senso ehe cp ([1OJ) = if> (10), ne ~egne ehe la (*) €I necessaria e sufficiente perehe esista una soluzione 'If della (26), eomnllque si assegni if> ortogonale a M j (V2 ) •
181
[ 135]
Una intl'oduzione alia teoria delle equazioni ecc.
177
La (28') [e, lIei caso cite Ia (26) abbia twa sola soluzione P (it che avviene se e solo se M2 (V) e una base pel' &3 2 }, Ia (28)] dicesi la fOYlIlola di 1/taggio1'azione dUllle (13) della (27). Sia &3 1 = &3 2 = .J; (p) (2') (p I). Sia V Ia classe delle funzioni continue in A. +2' di classe 8 (2) (A) ed ivi soluzioni dell'equazione o (v) = 0, tali cite ognulla di esse silt dotata di 0·coniugata continua in A 2'. Diciamo (J. la traccia di un eIemellto v di V su 2' e fJ q nella della 0·eolliugata nulla ill Zo (pl'efissato punto di A). Poniamo: 1111 (v) = if, M2 (v) = IX •
>
+
Siano (p e scrive:
1jJ
due fUllzioni di .£ (q) (2'). La (26) nel caso attuale si
J
fJ qJ ds =
(26')
I
J
IX
111 ds .
2'
+
Sia It appartenente aile cIassi 8 (2) (A) e e(1 ) (A 2') e soluzione in A della equaziolle 0 (tt) = O. Abbiamo gia indicato con 9.t la totaIita di queste funzioni. Assumendo
.
SoluzlOlle 111
au
= -
a'll
qJ
(cfr. la (17}) e qnesta
= -au , la AS
.
(26') ammette Ia
e unica, dato
che
(J.
'==
M2 (v),
al variare di v in V descrive un insieme clle cOlltiene tutte Ie funzioni della classe e~l) (.J:) e q nindi e una base pel' .J; ( p ) (.J:). Sllssiste qnindi la forlllola (28) duale della (27), clle lIel caso in conside· razione, altro 1I011 e cbe la (21) e det,ta formola eluaIe esprime che: (29)
pel' ogni
1t
£Ii 9.t.
Si aSsuma ora nella (26') rp
01t = -' a'll'
l'ullica soluzione 111 _ -
au as
(30)
I< I au (),~ q
esiste allOl'a (efr. la (17'))
e quindi Ia (28) fornisce:
IIp
I [)~ 01' II· q
(13) efr. [9]. 12
182
178
[136]
GAETANO FICHERA
Abbiamo cosl dimostrato il seguente teorema: VII. - Se u e una jltnzionc appat·tenente alln clnsse '2t, per essa sussistono le due jormole di maggiot'azione (29) e (30).
6. -
Posizione del problema della derivata obliqua.
Siano p (z) e q (z) due funzioni coinplesse definite sulla cUl'va semplice e chiusa X di classe Gi,l) , Ie quali godano delle seguenti proprieta : 10) Appartengono entrambe a G~l (X) : 2°) La fUllzione p2 q2 lion e mai nulla su X. Assegnata su X la funzione complessa j (z) appartenente a (E~) (X), considereremo il seguente problema al contorno: detenninnl'e Wilt junzione (complessn) u appnrtenente nIle cla.ysi G(l) (A X) e G(2) (A) la quale verifichi le equazioni:
+
+
(31) (32)
o(u) =
0
au
au
a'jJ
a·y
in A,
p--q-=j
Sit
X.
Chiameremo questa problema: pl'oblema, della de1'ivata obliqua per l'equazione (31). Tale locuzione €I giustificata dal fatto che, supposta p e q reali, la (32) equivale ad assegnare su X la derivata della u secondo ulla direzione variabile Dei punti di X . Nella discussione di questo problema riveste fondamentale importanza la seguente funzione delI'arco s di X: (33)
Y (s)
=
1 P - iq -2. log m p lq
-+. ,
la cui definiziolle nei punti di X occorre precisare, data la polidromia del logaritmo. Sia (0, L) l'illtervallo in cui varia il parametro s che /""'.
esprime la IUllgllezza dell'arco positivo zoz di .2, essendo Zo un punto fissato su .2. Considel'iamo la funziolle complessa cosl delinita ill (0, L) : p (z) - iq (z) w (s) = p (z) iq (z) .
+
Scegliamo una detel'minazione 1f'0 di Arg w (0), ad esempio quella principale. Rimane allora univocamente determinata una fun-
183
Dna introduzione alla teoria delle equazioni eec.
[137]
zione
179
la quale verifica Ie seguenti condizioni: 1°) E hOlderiana in (0, L) . 2°) Si ha 1jI (0) = 1jI0 • 3°) Per ogni 8 di (0, L) coincide con una determinazione di Al'g W (8). Porremo: 1jI (8)
(33')
Y(8) =
~ [log IW (8) I + i1jl (8)] 2m
che precisa la deterlllinazione da scegliere peril logaritmo al secondo membro della (33). La fUllzione y ( .~) e holderiana in (0, L), dato che e sempre IW (8) I =1= o. Porremo: (34)
U
=
I' (L) -
y (0) •
II numero :x; e I1n intero e rappresenta l'illdice topologico della curva di equazione w = W (8), lIel piano della. variabile complessa w, rispetto all'origine di tale piano.
7. -
II caso
:x;
= 0.
Supponiamo :x; = O. La y, cOllsiderata corne funzione del punto z di ~, appartiene in Lal caso a (2~) (~). Diciamo Q (z) la fUllzioJle appartenente aile classi (2(0) (A +~) e (2(2) (A), soluzione del problema di DIRICHLE'l':
g (Q)
=
0
in A,
Q= -
ny
su
~.
In virtu del pl'incipio di Analisi funzionale ricltiama.to nel UO 5 e perla (30), fissato comullque p, esiste uua A (z) E .£ (p ) (X) verificaute per ogni tt E CJ.t Ie equazioni:
J( auay + A-
au) ds = as
ny -
0 .
I
Deve quindi essere per z E T -
184
(A"
+ X):
180
[138]
GAETANO J;'ICHERA
Poicbe la funzione:
h (z)
=
f
n
off (z
y (e)
os,,
e) ds/; .
~
e continua in T - A (cfr. teor. XV del cap. I), si trae cbe 1 e continua su ~, dato cbe essa; e soluzione dell'equazione £Ii FREDHOLM (cfr. teor. XIV del cap. I): 12 1 (z) +fl (e) BF(z, , BYe
.
~
e) as/; + h (z) =
0
con termine noto continuo (14). N e segue che la funzione cosl definita in A :
A (z)
=
-J[l (e) BF (z, By!;
e) + ny (e) BFBRc (z , el] ds/;
~
+
e continua in A ~ (teor. XV del cap. I) ed e tale che A e Q risultano 8-couiugate (teoI'. IV) in A . E immediato constatare cite Ie due funzioni: IX
=
fJ = eA sin Q
eA cos Q,
sono 8-coniugate. Si consideri quella determin!lzione della potenza [10 (s)]1/2 coI'rispondellte ad Arg 10 (s) = '!fJ (s). Rimane fissata una determinazione della potenza (p2 q2)1/2 tale cite su .~ si ba:
+
[ ,
)]1/2 _
u (s
E facile
-
P - iq (p2 q2)1/2 •
+
verificare cbe con tale sceIta £Ii (p2
+ q2)1/2
riesce
BU ~:
(35)
(U) Il termille noto h (z) e quindi anche ). II t.ale.
e anzi
hiilderiano
185
811
::E (cfr. teor. III del cap. In)
[139]
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc.
181
Per la (17) si ricava la seguente condizione per il dato I, llecessaria per l'esistenza della soluzione u del problema di derivata obliqua (15): (36)
Le (35) assicurano che: (37)
appartiene a 12~) (Xl (cfr. nota (14)) per modo che, esselldo TIE 12~) (X) e, supposta veritieata la (36), esiste una v solnziolle del problema di DIRlCHLE'l':
•
&(v)=O
(38)
+
in A,
v [z
(8)] =
jTj do
SIl
X
o
e)).
di elasse 12(1) (A X) (efr. nota Si consideri ora il seguellte lemma:
VIII. - Se a e b 80110 due lUltzioni &-coniugafe in A e continue in A X e v una junzione di CJ.t, esiste ttna jnnzione u appartenentc ad CJ.t tale eke:
+
(39)
Con caleoli elementari si constata che:
+
cio che prova l'esistenza di uua tt di classe 12(1) (A X) verifieallte Ie (39). E auclle elemelltare eOllstatare clle & (tt) = 0 . Si ponga: (40)
b
(f5) efr. [10].
186
=
f3
a2
+ ~2'
182
[140]
GAETANO ]'ICHERA
+
Poiclte e a2 (32 = e2A , la a e Ia b appartellgono aIle 2) e e( 2) (A). Semplici calcoli provano inoltre che sono 8-coniugate. Sia tt Ia fUllziolle fornita dalle (39), quando soluzione del problema (38) e it e b so no date dalle (40). dalle (39): e(O)
(A
+
classi a e b vela Si ha
(41)
e quindi su 2:
av as
au av
.f=~ = a - -
(42)
au as
(3-.
Per Ie (35) e Ia (37) segue clte u e una soluzione del problema. E ovvio che la costante e una autosoluzione del problema. Sia u una eventuale autosoIuzione non costante appartenente ad '2t. Si consideri la fUllzione v di '2t cbe per il lemma VIn viene fornita
= =0
dalle (41). Pel' essa si ha su 2: ov = O. Quindi v", Vy 8s talche dalle (41) si trae u", ~ tty 0 in A. Possiamo q uindi concludere con il seguente teorema:
=
in A,
IX. - Be e '" = 0, esisteuna soluzione in '2t del problenut (31), (32) se e solo se, data f (z) E e~) (2), e veriflcatll III (36). Lit costallte e una autosoluzione del problema e non esistono in '2t autosoluzioni non identicamente costanti in A .
8. -
II caso '"
<0•
Consideriamo la soluzione fondamentale F (z , ') che scriviamo al modo seguente: (43)
Per il teor. III riesce: (43/)
ap'o (z , ') = 0 (1) •
Fo (z, ') = 0 (1),
ay
187
183
Una introdnzione alIa teoria delle equazioni ecc.
[141]
e
Fissato in T per ogni z di 1', distinto da consideriamo la fllnzione:
H
(z ,e)
• flail
e,
posto t = tl
+ it z ,
e) + al2 (t) JiTt, (t , ell dt 2 -
(t) Ft, (t ,
o
•
- 1[1121 (t)
Ft, (t ,
e) + a 22 (t) F t, (t , e)l
dt l
•
o
L'integl'azione e estesa ad una cUl'va regolare che unisce 0 con z. La H (z , e fllllzione di z polidroma attomo a dato che per ogni cm'va semplice e chiusa 0 cui e interno, riesce:
n
e,
e
e
Diciamo e~ (z) l'anomalia del punto z rispetto al polo e con asse polare parallelo ed equiverso al semiasse delle asci sse positive. Si ha: (44)
La fllllzione Eo (z , e) e fnllzione di z monodroma ill T - e. Scelta una qnalsiasi determinazione mOltodroma di H (z, e) in un campo semplicemente conllesso che non contiene si constata che Ie due funzioni di z: IF ed H sono S-coniugate. SnpPolliamo dapprima x pari e pOlliamo 2m = - x. Siano m punti distinti contelluti in A. Diciamo H j (z) 1 , C 2 , ••• , (j = 1 , 2, •.• ,m) uua detel'minazione di H (z ,ej) che per z E .E riesca funzione di s continua in (0, L). La fUllzione:
e,
e
em,
W
(z)
= - n;r (z) -
m
2n; .E H j (z) j~ l
appartiene a 8~\.E). Diciamo ti la soluzione del problema di DIIUOHLE'I': S (Q) = 0 in A, Q = ;;; su .E. Ripetendo il ragionamento fatto nel nO precedente, si prova che esiste una fllllzione X (z), continua in A +.E e la cui traccia I su .E appartiene a 8~) (.E), tale che X e ti riescono S-coniugate in A.
188
184
[142]
GAItTANO FICHICRA
+~ :
Poniamo pel' z E A Q (z)
=
_
111,
Q (z)
+ 2n ~ H
j
A (z)
(z) ,
j~l
CIG
(z)
=
eA cos Q ,
=
_
til
A (z)
~ (z) =
+ 2n ~ F (z , 'j) , j~l
eA sin Q ,
+ ,
IJe due funziolli 0: e ~ sono lllonodrome e continue in A ~ &-coniugate in A e Sll ~ di classe e~) (~), Esse verificano su ~ Ie q2)l/2, (35) per ulla opportuna sceltia della determillazione di (p2 Posto:
+
Ao (z)
=
A (z)
+ 2n ;E'" Fo (z , 'j) , j~l
per la (43) si trae: eA(z)
=
eAo(z)IT e (z, 'j) , j~l
Pertanto, posto: 0:
(z)
=
m
0:
(z)II e (z, 'j) ,
P(z) =
j~l
?It
~ (z) II j~l
e (z , 'j)
,
+
si deduce che la fllnziol1e 0: 2 ~2 = e2..10 nOll e mai nulla in A +~, Sllpposta verificata la (36) e fatta Ia posizione (37), sia v Ia soIuzione (di c]asse eel) (A +~)) de] problema (38), Poniamo, detta G (z ,') ]a funzione di GREEN de] problema di DIRICHLET:
ed ammettiamo che siano verificate Ie segnel1ti condizioni: (45)
fAjT/ds = 2:
0,
JBjTfd.~ =
0
(j = 1 ,2, .. " m),
2:
Cio significa che Ia v soddisfa Ie cOl1diziol1i: (j = 1 ,2, ' , " m),
(45')
Consideriamo ]e equazioni (39) COil a e b date dalle (40). secondi membri definiscono una funzione di classe uno in A ~ Iufatti e verificata la (39') ed inoltire pel'
I
+ -
'1 - ,,,- 'm'
189
[143]
lS5
Una intl'oduzione alia teOl'ia delle eqnaziolli ecc.
rj
ogni cerchio
di centro
'j,
che esclude ogni
J
J(
rj
rj
-an ds = as
'h
con 11 =1= j riesce:
0/7) ds = 0 b --
av It -;::-
dY
as
'1 - .,.- '''''
data la Iimitatezza
+
'1' '2' .. ,"",
di nna funziolle a(z) tale che su av(2)
-ay- =
av(2)
si avrebbe - -
~
as
av(l)
a - - . Cio e assurdo perche, data ap
av(1)
av (1)
as
ay
- - =1= - -
alJ(l) (fa - as
e nulla llei
V(2)
e
av(l)
as
a -- ,
non costaIlte, essendo av(l)
punti di massimo dilJ(1) e la - - e in
J
av(l)
a - - ds=O,
essi negati va), puo scegliersi a tale cLe: talcLe, se
V(l)
=
2,'
J
ay
av(l)
a - - ds=l= 0,
as
ay
I
detel'minata (a meIlO di una costante) dalla cOlldiav(2)
zioIle al contorno - as
av(l)
= a- - , as
essa nOll verifica fa second a delle
1n>
identiti sopra scritte. Sia ora 1. SUPPolliamo vero l'assel'to pel' ?It - 1. Ne segue che possono fissarsi '1"'" ''''-1 tali che
'm
190
'm,
1R6
2",
[144]
GAETANO }']CHI£RA
(k)
~ CkVw
k-l
(Cn,)
_
=
2m
,(k)
~ Ck'y
_
(C",) -
,"',
,
Uw e assurdo., Nell'altro
O.
caso
k~l
avverrebbe che ogui fuuzione V di C2f la quale veri fica Ie condiziolli Vw (Ci) = Vy (Ci) = 0 (i = 1 , 2 , ... ,m 1) ed ha nulla in Cm una delle due derivate parziali, vi ha nulla anche l'altra. Ma abbiamo gia visto che si possono costruire due funzioni OG e {J, S-coniugate, llulle ill C1, ... , Cm-1 e tali che OG 2 {J2 sia diversa da zero negli altri punti. Sia Cm Ull punto in cni si possono assegnare ad arbitrio i valori a ttw e u y essendo u E 9./. Le (41) permettono aHora di costruire una v che ha nulle Ie sue derivate parziali prime in Ci (i = 1 ,2, ... ,m - 1) melltre che queste assumono in Cm valori comunque prescritti. II ragionamento fatto ne1 caso ,,= 0 pub ripetersi per proval'e che non esistono autosoluzioni diverse dalle costanti. Si e COSl provato il tflorema: X. Se" e negativo e pari, esiste una soluzione in C2f del problema (31), (32) se e solo se, dlltn f(z) E 8~) (2:'), sono verijicnte Ie 1 condiziolli indipendenti (36), (45). La costante e lw'autosoluzione del problema e non esistono in C2f antosoluzioni non identicnmente costllnti in A. Hia ora " dispari. Poniamo I" I = 2m 1 (m 2 0). Fissiamo il punto Co sceglielld010 coincidente con zo, origine degli archi su ~ e sceg1iamo, eventua1mente, gli 1n puuti C1 , ••• ,Cm in A come llel caso precedellte. I,a fnnzione H o (z) rappresellti nIla determinaziolle di H (z ,Co) monodroma in A. Tale determinazione esiste certamente perla (44). Poiche la H o (z ,Co) e, in virtu delle (43'), ulla fUllzione di z lipschitziana, Ia H o (z) H o (s) e, come fUlIzione di 8, lipschitziana, (cioe appartenellte a 8iO)) iu (0, L) e riesce iuoltl'e
+
- "+
+
=
H o (L) -
H o (0) =
~
. La fUIlzioue:
ny (z) -
w (z) = -
'"
2n
~
Hj(z) -
j~l
2n H o (z)
appartiene a 81°) (~). Ulla volta scelta w, definiamo Q e A, come nel caso precedente e poniamo : Q(z)
(46)
=
_
Q(z)
+ 2n OG
m
A (z) = A (z)
2:' Hj(z) ,
+ 2n ~'" 1/(z, Cj) j~O
j~o
if (z) =
(z) = eA cos Q,
eA sin Q.
Ancbe nel caso attuale sono verificate Ie (35).
191
[145]
Uua intl'oduzione alb teol'ia delle eqnazioJli ecc .
Posto:
A o(z) = A (z) si trae:
m
+ 211: .4 F o (z , I;j), j= O
_
(47)
187
m
eA lz ) = eA o,z ) II [Q (z ,I;j)l. j= O
+ .4 e,
Ne segue, per Ie (46), la cOlltinuita di IX e ~ in A rate su .4, la loro llppartenellza a e~) (.4). Talcbe la (37) e, per Ie (35), appartenente a e~) (.4). Posto: _ IX
(z) =
IX
7:
considedefillita dalla
m
~(z) =
(z) II Q (z , I;j), j= O
~(z)
II Q(z, I;j),
j= O
+
come ill pl'eCedellza si constata che ~2 fJ2 non e mai nulla ill A +~. Snpponiamo siallovel'ificate Ie (36), (45) e sia v la soluzione del problema (38). Suppolliamo illoltre che f sia tale che si aubia:
= [ov] OY z= Co
(48)
Poiche per la (47) riesce
7:
0•
l~v.]
(1;0) = 0 e qnilldi
u
~
.-Co
= 0, e dato cue
:: E e~) (.4) (17), sara: v",(z) =
0 (I z - 1;0 Ik') , Vy (z) = 0 (I z -
1;0 Ik').
Le solite (39), COIl a e b date da (40) forlliscoIlO una soluziolle u del problema di classe IIno in A .4 - 1;0 e tale cIte:
+
(49) Ma
U",
(z) = 0 (I z -
u y (z) = 0 (I z -
1;0 Ik'-l) ,
1;0 Ik'-l) .
e
facile provare Sia infatti .40 un due funziolli p* e q*, coillcidellti con p e q
Ie eontinuita di 11", e u y ill 1;0' areo di .4 cui 1;0 e illterno, tale ehe esistano verificallti Ie eonilizioni 1°) e 20 ) di pag. 55, l'ispettivamente su .40 e tali che x*, indice p* - i q* topologieo della eurva w = w* (s) = * * sia zero. E ovvia
p
+ tq.
l'esistellza eli tali p* e q* pur di prendere COllsideriamo in A it problema di derivata ou* - q* -01t* = f* p* -OU - q* A p* ,
OY
dS
=
dY
.40 abbastanza piccolo. obliqua: (, (u*) = 0 in OU
-
dS
. La f* dato cue si '
,
assume in t~tto .40 coincidellte COil f, appartielle a e~) (~) e verifica, per Ie (49), la condizione iii eompatibilita per l'esistenza (17) Questa
e un'iUlwediata
conseguellza del teor. IV del cap. III.
192
188
[146]
GAETANO FICHERA
della soluzione. Esiste quilldi ill e(l) (A +~) Ia u*. Poniamo w* = tt - tt*. Consideriamo Ie analogite delle (41) relative al problema di derivata obliqua con coefficienti p* e q*. Sostituendo nei secondi membl'i di q ueste Ie deri vate di w*, si ottengono Ie derivate v; e v; di una funzione v* tale cite:
v; (z)
=
Co 1""-1),
0 ([z -
8 (v*)
=
0
in
v;
=
av* = as
A, -
0
(I z - Co 1""-1) ,
0
s u ~.
w; _
w;
Cio implica v* = costctnte e qllindi = O. Oi pl'oponiamo ora di determinal'e Itt cOlldiziolle cni deve soddisfare 1 perche sia vel'ificata la (48). Sia w una funzione di CJ.t tale cite v e w siano 8-coni ugate in A. Tenendo pl'esente la nota (6), e facile constatare che puo pOl'si ill w(z) = Jr(C)/(ClN(Z,C)dS, , 2:
esselldo N (z ,C) (funzione di NEUMANN) una particolare soIuziolle fOlldamentale per I'operatol'e 8. Si avra allora (teoI'. XIII del cap. I):
Sicche posto:
la (48) e verificata se e solo se l'iesce: (48')
J
Ao (C)/(C) ds,
=
0 .
I
Si lloti che Ao (C) l'iesce continua su ~, Pel' provare la indipendenza delle (36), (45), (48') lIel caso attuale, nOli c'e cite da l'ipetere un ragionamento del tutto analogo a quello in pl'ecedenza fatto. Possono ora ripetersi considerazioni identiche a queUe svolte nel caso " pari per provare la necessita delle (36), (4§), (48') e la non esistenza di autosoluzioni diverse dalla costante. XI. Se " c negativo e dispari, esiste una soluzione in CJ.t del problema (31), (32) Bel e solo SIJ l data 1 (z) E e~) (~), sono verijicate le
193
[147]
Dna introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
189
+
- x 1 condizioni indipendenti (36), (45), (48'). La costante 13 unit al£tosoll£zione del problema e non esistono in '2C lIutosoll£zioni non identicamente costanti in A.
9. -
II caso
x> 0 .
Supponiamo prima x= 2m (m intero positivo). SialJo Cu C2 , ... ,C", soli ti punti arbi trariamente scelti in A. Poniamo: w (z) = -
n')' (z)
+ 2n
'" H j (z) •
~
j~l
Come al solito Q e Ill, solnzione del problema di Diricblet: 8 (Q) = 0 in A, Q = w su ~ e A e tale che A e Q siano 8-coniugate. Poniamo per z E A ~
+ :
-
2n
Q (z) = Q -
'"
~
A (z) = A (z) -
H j (z) ,
...
2n ~ P(z, !;j) ,
j ~l
j-I
(3 (z ) = cA sin Q .
ex (z) = eA cos Q ,
+ -
Le due fUllzioni ex e (J sono monodl'ome e contillue in A ~ - 1;1 - ••• - Cm, 8-coniugate in A e su ~ eli classe e~) (~). Ease verificano au ~ Ie (35) per un'oPPol'tuna acelta della determinazione di (p2 q2)1 /2 • Posto:
+
Ao (z) = A (z) -
tn
2n ~ Po (z , !;j) , j~l
per Ill, (43) ai trae: eAo(Z}
eA (z)= _ _ __ m
IT j ~l
e (z , Cj)
Pertanto, posto: ex (z) =
ex (z) '" - -II (z , l;j) j~ 1
(J (z)
e
= '" 7f (z) II e (z , l;j) j~ l
si deduce che Ill, funzione ~2 +P2 =
194
e2AoCz )
e limitata
in A
+~ .
190
[148]
GARTANO ]<'1Clmlu
Sia:
J
·fds = c.
(50)
£:
Consideriamo la funzione v di '2t soluzione del problema di DIRICHLET:
; -=I s
8 (v) = 0 in A,
rfda -
~,
cHI (z) sn
o
e pOlliamo: v (z) = v (z)
't,
+ cHj (z).
I.Ja v e polidroma in A rna Ie sue derivate prime sono ivi monodrome. Ripetelldo un ragionamento gh\ ill precedeuza fatto, si deduce che Ie (39), con a e b date dalle (40), forniscollo una soluzione del problema apparteuente ad qt. Si uoti che in questa caso lion e stata richiesta alia f alculla cOlldizione di compatibilita. Indichi, come al solito, G (z, In funziolle di GREEN per il" problema di DIRICHLE~' relativo all'operatore 8. Posto:
n
(j
la gj(z)
e eli
classe uno in A
+ ~
'j
=
1 , 2, ... , m) ,
e verifica Ie equazioni: aUj
as
=
0 su
~.
I.Je solite (39), Ilelle qnali si assumn v = gil forniscollo, COil l'ol'mai consueto ragiollamento, una fuuziolle u(j) di qt 1a quale su ~ verifica la cOlldizione: p
an(j)
anti)
- 0. Tv- q Ts-
Cioe ulla autosoluzione del
problema. Supposto m> 1, sia It,. (r = 1 , ... , m 8oluzione del problema di DIRICHLE~':
8 (lt r )
=
0 in A ,
h,. = H,. (z) -
1) la fUllzione di qt
Hm (z)
Poniamo: hr (z)
=
Hr (z) -
Hm (z) -
195
hr (z).
811
I.
[149]
191
Una introduzione alla teoria delle equazioni ecc.
e",
La h,. (z) e polidrorna in A - ~,. i vi rnonodrome. Inoltre riesce:
rna Ie sue derivate prime sono
oIt,.
- = 0 su X.
08
Le (39), assuntavi v=ltq fOl'lliscono una funzione 1t("'+") (1'=1,2, ... • • , 1It 1) di '2t autosoluziolle del problema. Le funzioni U,l), U(2) , ••• , u(2m-l), 1 sono linearmente indipendenti in A X. Illfatti, in easo contmrio, dalle (39) e (41) si trarrebhe l'esistenza di 2m costallti OJ, O2 , ••• ,C2". lion tutte nulle tali cbe, per z E A. - ~1 - ••• -~"" sarebbe:
+
tU-l
tn
W
(z)
= X
OJ
gj(z)
j~l
Se ogni
eh
+X
0",+,.
It,. (z)
"~1
Ii e
una circonferenza di centro con h =1= j e esteruo, si 1m:
JOV
OW -ds
=
OJ
=
+
eh
0
02m
= 0.
contenuta in A, cui
(j
=
1 , 2 , ... , m)
(1'
=
1 , 2 , ... , m -1)
rj
e quindi ancbe C2»1 = 0 . II seguente lemma servinl, a provare cbe ogni autosoluzione del problema e ulla comhinaziolJe lilleare ·di quelle gi{i tl'ovate. XII. Siano X e :y due j1tnzioni di olasse uno in A XI ••• ivi verijioltnti 1e segucnti oondizio1li:
- e
+
e... ,
Xy = Y""
:x (a 11 X dx
Xds
+a
12
Y)
+ :y (a
+ Y -dyds = Y (z)
=
X
+ a~2 Y) =
0,
0 su X,
0 ( Iz -
196
21
ej [-.1)
U=
1
,2, ... ,m).
191,
[150]
GAETANO ]<'ICHERA
Esistono allora e so no ttnivocamente detenninate 2m c j , c2 , ••• , C2H1-1 tnli cke si abbia:
1 costanti:
L'univocita delle Ch si consegue col medesimo ragionamento usato per dilllostrare l'indipendenza lineare delle 1t(h). Proviamone l'esistenza. Si assullla:
U=1,2, ... ,m) e per
m> 1 : Cm+ •.
=[(Xdrc+ Ytly)
(!'=1,2, ... ,m-l).
+Ij
Ponialllo:
+ -
Esiste UIla fUllzione Vo (x) di classe due in A ~ ivi soluzioIle dell'equazione (. (vo) = 0 e tale che: 01'0
(;j -
.•. -
(;""
-X
ox -
0'
' oVo R lesce - = 0 su ,,:;,~' e IllO1tl'e :
as
av = ax
_0
0(lz-(;.1-1)
J,
(i8) Ne1 eaRO m = 1 1a seconda sornnmtol'ia, in ciascnno dei secondi rnembl'i, va soppl'essa,
197
Una illtrodllzione alIa teoria delle equazioni ecc.
lI5!]
!9~
Tali uHime condizioni implicano, come si prova con classici ragionamenti (19) : m
+~
vo = Wo
hj G (z , 'j) ,
j~l
essen<1o Wo di classe due iu A
+~
e: (j=1,2, ... ,m).
=
Ma riesce hj = 0 (j = 1 , 2 , ... , m) e quindi e Vo = Wo costante in A +~. Segue da cio la tesi. Sia 110 Iln'autosoluzione del problema. Sostituendola nei secondi membl'i delle (41), si otteugollo due funzioni X e Y clle verificano Ie ipotesi del lemma ora dimostrato. Da cio segue che 110 e una com binaziolle liueare delle segllenti: u(l), U(2), ••• , u(2m-l), 1. Si sllppollga ora x = 2m 1 (m intel'o non uegativo). Si scelga '0 Sll ~ come llel n° precedente ed, evelltnalmente, '2'''' , ill A. Si ponga:
+
w (z)
=-
'I'
ny (z)
+ 2n
~
'm
H j (z) .
j~O
Col solito procedimellto si determinano la Q e Ia A e quindi Ie due fUllzioni S-coniugate ex e /J, lllollodrome e continue ill A ~ vel'ificanti su ~ Ie (35) e per Ie quali puo pOl'si:
+ -
'0 - '1 - ... - 'rn,
Q(, (z) ex (z) = -,,-,- - II e (z , 'j)
j-O
+
con ~2 ~2 limitata in A +~. Sia c la costallte data dalIa (50) e v la fllllzione di '2t soluzione del problema eli DIRICHLET: 8
Se;) = 0 ill A,
v=IT!da-2cHo (z) su~. o
(19)
efr. [24 J pag. 293.
198
194
[152]
GAETANO FICHERA
Posto: v (z)
=
v (z)
+ 2c Ho (z)
e sostituita tale funzione nelle (39), si ottielle una soluzione del problema di derivata obliqua, appartenente ad CJt. Nel caso m = 0 ogni autosoluzione del problema coincide con la costante, come si prova con l'ormai consueto ragionamento cbe impiega Ie (41) e sfruttando, in pin, la circostallza che ogni soluzione di & (v) = 0 di c1asse nno in A L: - Co, tale clte v = 0 sn ~, v", (z) = 0 ( I z - Co 1-1), vy (z) = 0 ( I z - Co 1-1) e identicamente nulla in A ~. Per ?It 0 si costrlliscono Ie 21n - 1 autosolllzioni U(I) , U(2) , .. , ... ,u(2m-l) gia considerate nel caso u pari. In pili si costruisce l'autosoluzione u(2m) al modo seguente. Si cOllsidera 1a soluzione hm del problema di DIRICHLET:
+
+
>
S (h m )
=
h",
0 in A ,
Quindi, posto: hm
=
Ho -
1
2
=
Ho (z) -
Hm -
1
2 Hm (z)
su L:.
hm e sostituita la It", nelle (39),
si ottiene la u(2m). La indipendenza delle autosolnzioni u(1), n(2), • •• ,u(2m), 1 si prova con ragionamento analogo a quello fatto nel caso precedente e cosl pure la circostanza clle oglli autosoluzione del problema e una combinaziolle lineare di quelle ora trovate. I risultati ottenuti si compendiano nel seguente teorema: XIII. Se u e positivo) esiste !t1ut autosoluzione in CJt del problemtt (31), (32), comunque si asseglli f(z) in e~) (~). Il p1'oblema, ammette inoit1'e u e non piu di u autosoluzioni lineanllcnte indipendenti.
10. - Risultati conclusivi della discussione dei vari casi net problema di derivata obliqua. La seguente tabella riassume i risllltati relativi ai vari casi che si presentano nella diAcnssiolle esp1etata ]lei ]li precedenti, del problema della del'i vata obliq ua (31), (32) nella classe qt'.
199
[153]
Dna illtroduzione alJa teoria delle equazioni ecc.
195
"
Condizioni eli cOlllpatihilitil
Dimellsiolle dell'ineieme delle autosolnzioni
x=O
1
1
x
-x+l
1
x>O
0
x
E opportuno notare che: XIV. La dijfC1-cnza ira la dimensione dell'iusieme delle autosoluzioni nel pl'oblemtt rii dedmta obliqua (31), (32) in C)C e il mtmero delle cOlldizioni di compatibilitil cui deve soddisfare il tennine nota .t~ il sempl-e 7tgllale a x.
OAP.
III.
EQUAZIONI lNTEGRALI SINGOLARI SU UNA OURVA OHIUSA.
1. -
CIasse H e opel'atore integl'ale singolal'e. In relazione alla solita
semplice e chiusa di classe e~), considerialllo Ie classi e~) (2.') per ogni k tale che 0 k < 1. Dil'emo classe H la unioue di tutte qneste classi. Fissato 1, sia 111 (z,~) un nucleo definito quasi ovunque in ~ X ~ e tale che la trasformazione: curva~,
<
p>
em (cp) =
J
M (z
,~) cp (~) dc s
2
sia definita per ogni q; E .Dp) (~), ablJia codominio contenuto ill .Dp) (2.') e sia totalmente continua ill tale spazio. Ohiamel'emo brevemente una tnlsfol'mazione come la 6)1l (cp) un operatore integrale regolare. Piu ill gel\erale, allorche ill segnito, fissato p, parleremo di ope1'atorc regolat-c ill .£(p) (2.'), intenderemo l'iferil'ci ad uua qualsiasi trasformazione liueal'e di .£(p) (2.') in se, la quale sia totalmente continua.
200
196
[154]
GAl£TANO FICHERA
Sia K (z ,~) un nucleo singolare di tipo ellittico, secondo Ia definizione data nel n. 2 del cap. 1. Consideriamo Ia trasformazione : Cit (rp)
= ~
J[(
(z , ~) rp
(~) d s~.
:E
la quale e certamente definita per ogni rp E H ed ha codominio contenuto in 8(0) (~). Siano p (z) e q (z) due funzioni complesse appartenenti ad H. Definiremo al modo seguente l'operatore (integrate) singolare cS:
(1)
cS(rp)
=
p (z) rp (z) -
q (z) Clt(rp)
+ cJ7Z(rp).
Esso assume significato per ogni rp E H e i1 suo codominio e contenuto in .1:(p) (~). Ci occuperemo in seguito del suo prolungamento a tutto .1:(p) (~).
2. -
Forme canoniche dell'operatore sillgolare cS.
Dicendo cbe Ia funzione Q (z ,~) definita in E C ~ X ~ appartiene a 8~1)(E), intendiamo che esi~tono due costanti L e k COil L>O e 0 k < 1, tali che per (z,~) E E, (Zl, nEE Sll ~ riesca:
<
E evidente che se Poniamo:
e
Q(z,~) E 8~) (~X~), allora per z
=l=
e
Q(z, z) E 8~) (~).
I; ,
per z = I; ,
--
per z
=l=
I; ,
pel' z
=
I; .
A z~ attribniamo il siguificato datog'li al II. 2 del cap. 1. Sill, E, I 'insieme dei ]luuti (z, di z><~ tali elle 1< 10 (0 < 210 IUlIgh. Z).
izl;
n
201
<
[155]
Una introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
E evidente che Qh (z ,C) (h
e continua
= 1 ,2)
in pin affermare che: I. Nelle solite ipotesi per
~,
H/7
in Es. Si pub
le junzioni Qi (z ,C) e Q2 (z , C)
appartengono a ~) (EE) (1).
Si ha infatti:
I 1
1
Q2 (z , e) =
Qt(z,C)= IX'[tzeJdt,
;?J dt ,
y' [t
o
o
donde facilrnente la tesi. Da questo lemma segue immediatamente che, detto C il coniugato di posto:
e,
I=---dC - - -c--ae .
pel'
z
~=1
per
z = C,
z-
I
(e)
(3)
fl z ,
ds (] (z ,C) ass
la fl (z ,C) appartiene a ~) (~ [/((cp)
(3)
= ~
J
X
(z , C;)
i=
e,
~). Si ha quindi:
/1, (Zz' ~
~ (e)
de
+ 2lZi (cp) ,
+2'
essendo 2lZ{ (cp) un operatore integmle regolare (cfr. la dimostrazione del teoI'. VI di questo capitolo). L'operatore sinv,olare c5 (cp) assume pertanto la forma seguente : c5(cp)
(4)
= p (z) cp (z) + q~1
Jt
(C)z dC
+ rE(cp) ,
+2'
avendo posto: rE (cp)
=
2lZ (cp)
+ q (z) 2lZ (cp) + CJ.~~ Jfl(Z,? j
+2'
quindi rE (cp)
e un
=
t(Z ,z) cp(O de;
operatore integrale regolare (cf1'. teor. VI).
(1) efr. [21J, pag. 19.
202
198
[156]
GAI£'l'ANO FICHI£RA
La (4) dicesi la p1'irna forma canonica dell'operatore illtegmle 3ingolare c5. Posto:
3criveremo brevemellte la (4) in questa modo: ~4)
o (cp) = p (z) cp (z) + q (z) 0 0 (cp) + [(cp) • Si ha d'altra parte:
con [0 (cp) l'egolare, sicche posto: Clto (cp) = -1
;n;
f [)
cp (') -[) log I z -
,
Sz
I ds~
,
I
abbiamo Ill, seconda forma canonica per 0:
o (cp) =
p (z) cp (z) - q (z) Clto (cp)
+ [1 (cp) •
E
ovvio che l'operatore [1 (cp) e regolare. Si e COS1 dimostrato che: II. L'operato1'e integrale singolare 0 (cp) pub sempre lIIettersi sotto fa forma (4) (prima forma canonical 0 sotto la (7) (seconda, forrnlt canonical. Vedremo in seguito che tali rappresentazioni dell'operatore c5 sono univocamente determinate da 0.
3. -
Appartenenza ad H della funzione trasformata. Sussiste il seguente importante lemma: III. Se cp (z ,') appartiene It e~) (Z X Z), la funzione: '!jJ
, = f+I '-z a, cp (' , w)
(z w)
203
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc.
[157)
199
appartiene a e~) (Z X~) con le' = le - 8 (8) 0 al'bitra1'io) (2). Siano z e z' due punti di Z. Poniamo a = z' - z e 0 = ;;'. Possiamo supporre 0 e tale inoltre ehe z sia contenuto in un area di eurva A, di estremi Z1 ez2 , di !ung):lezza 40, siffatto ehe ~z = -;2 = 20. Si ha:
0>
'If' (z = j
+
l/, ,
10) -
I cp (C , 10) -
'If' (z ,10) -
+
(C-z-a
a,
in ['P (z
+ a ,10) -
,10) _
I
C-z
+2'
cp (z ,10)) =
+I
essendo Io 1'integrale esteso a A ed I la parte residua. Poiehe e: I
+ a , 10) -
I
cp (C , 10)
I<
+a-
Clie,
Liz - Clie,
riesee, come si eonstata con sempliei cal coli :
j
I Io I < LI I z + a -- CIIe-l ds + L I z - CIIe-l ds < Lo I a lie , A
A
essendo Lo una eostante positiva. Si ha inoltre: con I 1 _jCP(Z,1O)-
C-z
r
I2 = a
(C -
'+(2'-A)
z-a)(C -
z)
Si ha, detta L1 una eostante positiva:
in Z -
= I I a I I' si osservi elle
't' e limitato per C variabile l; - z A da un numero iudipendente da a. Riesee pertanto, dette
Posto
't'
(2) La dimostraziolle qui esposta del lemma pagg. 47-50,
204
e
qnella oontenuta ill [21J
200
GAltTANO
(158]
1<'ICH~JRA
L 2 , La, ... costunti positive:
J
ds I' ds < - L 1I1f:.i; _ z 12-7£(1_ 'l)l-7£ <- L9~ 1/I I, Ii; - z 2,'-A
I Izil
< La I a 17£
/<
li3
I II 1I log I a II
/1J1 (z' , w) -
(8)
1J1 (z , w)
con L4 e k' indipendenti da w. Siano ora w' e w due punti di 11J1 (z , w') -
[tp
•
se
k
< 1,
se
k
=
1.
provato che:
COS1
=J
2 -'"
~-A
Pet'tall to :
E
1
(i; , U' + b) -
tp (z , w
+I
+ [tp (z , w
1
~.
Z
17£'
Si ponga b = w' - w. Si lilt:
1J1 (z , w) / =
+
b)] C-z
+ b) -
< L4 Iz' -
[tp (i; , w) -
tp (z , w)]
J
tp (z ,w)] dC +
dC
C _ z·
+~'
Indicato con J il primo integrale al secondo membro, e detto A Parco dianzi considerato, assullto ora di IUllglIezza 40 = 4 I b I , centrato nel punto z, si ha: J=J1 +J2
dove J 1 indica l'integrale esteso a A e Jz la parte residua. Riesce:
IJzl=
+b) - tp(C ,w) J' dC I C-[tp(z,1IJ+b)-tp(z,w)] C-z < ----f=Z------d IJ'tp(C,W
+(I-A )
+(I-A)
I b 17£j'
ds z I 11; _
L7 . + L6 1 Ii I'" <1'b 11£ log m
I-A
205
[1591
Dlla iutroduzione alia teoda delle e ljuazioni ecc,
201
Si La pertanto:
IIp (z , w') -
(9)
1jJ
I < Ls I w' -
(z , w)
wile'
con Ls iudi pendente da z. Da (8) e (9) segue Ia tesL
Oliservazione. - Si lloti ehe nella dimostraziolle (leI lemma si e sol tanto sfrnttata l'appartenenza di ~ alIa elasse e(l) e non quella a e~) . Dal lemma dimostrato segue: IV. Sia ~ di classe e~ ) e si ponga:
Il codominio della tras/ot'lliazione C/{(rp) per rp E H iJ contennto in H. Cib e cOllseguenza immediata della (3), nella qllllle, con l'attuale assullzione di K(z, '), riesce 97Z1 (rp) O. Diremo cLe un operatore integ'l'ale regolare e H·regollll'e se trasfol'ma ogni fnllziolle di H in nlla funzione appartenente ad R. IudieLeremo brevemellte con c5 (H) il codominio dell'operatol'e c5 quando cp varia in H. Dai teoremi III e IV consegue ovviamellte il seguellte. V. 1l codominio c5 (H) dell'operatore integrale singolare c5 e contennto in R allM'a e allora soltanto cite l'operatM'e regolat'e [ (oppw'e (0) cite compa1'e nella (4) (nellit (7)) e H-1·egolare. E IItile il seguente lelllma eLe foruisce nu'impOl'tallte elasse di opera tori H-l'egolal'i. VI. iJJ R-regola1'e ogni opera,tore regolare 97Z il cui nucZeo PoSS(£ mettersi sotto la Jonna segltente:
=
con
r (z ,0 appartenente a e~) (~ x~) e tale cite r (z , ') = 0 (I z - , Ik)
(71;> 0).
L'appartenenza di 97Z(rp) ad H e assicnrata dal teorema IV. Si ha inoltre, dette 1 , 2 , 0 3 costallti positive:
° °
206
202
[160]
GAJi;TANO }<'ICHI£RA
e qUilldi :
che prova la contiuuita di 2Jll(ep) della totale contilluita di 2Jll (ep) esempio F). Si noti che 2Jll (ep) e definito '!jJ (z) di .£(1') (2'), che cOl'risponde I' integrale :
ill .£(1') (2'). Per la dimostrazione rimandiamo a [33] (pag. 326, pel' oglli ep E .£(1') (2') e l'elemellto a ep, tl'amite la 2Jll, e dato dal·
i1 cui illtegrando e sommabile in cOl'rispondenza ad oglli
z, punta
di LEBESGUE per ep, come facilmellte si pl'ova.
4. -
Proprieta degli operatori integrali singolari. Poniamo:
C1{* (ep)
(10)
= ~
I
K (C ,z) ep(C)
ds~.
:z
Tale illtegrale esiste come integrale singolare, con Ia consueta famiglia degli iusiemi di esclusiolle, se ep appartiene ad H. Diciamo 2Jll* (ep) la tmsformaziolle aggi uuta della 2Jll (ep), cioe q nella tmsformazione tale che per ogni '!jJ appal'tenente allo spazio .£(g) (2'), duale di .£(1') (2'), si abbia:
avendo posto: ( tt , V )
=
f
uv ds .
:z
L'operatore COSl definito per ep E H: (11)
J/'(ep)
=
p(z) ep(z) - C1{*(qep)
207
+ 2Jll*(ep) ,
203
Una illtroduzione alla teoria delle equazioni ecc.
[161]
dicesi l'operatore aggiullto dell'operatore integrale singoJare c5 (cp). Fatte Ie posizioni analoghe della (10):
l'opemtore c5* (cp) pub mettel'si sotto Ie forme seguellti:
+ c5~(qcp) + (i*(cp) p (z) cp (z) - C!{~ (qcp) + (if (cp)
(12)
c5*(cp) = p(z) cp(z)
(13)
c5*(cp) =
con ovvio significato di (i* e (if. VII. Be cp e 'tjJ sana due junzioni di H si hct: (14)
( 'tjJ
,c5 (cp) ) = ( c5* ('tjJ)
cp ) •
,
Basta ovviamente Iimitarsi a provare che: (15)
La (15)
e verificata
(16)
v (z)
assumendo
= ~
j cp
'tjJ
(C) log
= 1.
Difatti, posto:
I z - C Ids,
:E
si ha, tenelldo pl'esente il teoI'. XIII del cap, I:
(1 , dto(q;) ) =
J~;
ds
=
0,
:E
ed inoltre: (C!{o*(l) , cp)
= ~Jcp(Z) dSzj _a_log I z - C Ids!; = n as, :E
:E
dato cLe (cfr. Ia dimostrazione del teoI'. II dal cap. I):
J
",a log I z - ,
uSI;
:E
208
Ids,
= 0.
0,
204
GA
Sia ora
1jJ
~;TANO
[162]
FICHEll,A
(z) Ulla al'bitraria fUllziolle di e~) (L:). Si ba:
rp(z)[1jJ(C) -1jJ(z)]
a
oSI;
log
I Z - C 1= 0 ( I Z _ 1 CIl-k) ,
pertanto la funziolle It primo membro e sommabile in L: X L:. Applicauelo il teorema eli l'iduzione degli integrali multipli, si ba:
JJ rp (z)
(z)]
[1jJ
(C) -
1jJ
[1jJ
(C) -
lp (z)]
a~1; log
Iz-
C Ids" ds/; =
a:1;
IZ
,
~X2
Ma si bit anche:
If
rp (z)
log
-
I ds"dsl; =
2X-2
=Jd'YI;Jrp(Z)[1jJ(C)-1jJ(Z)]~lOg I z - ' I ds z OSI; ~:
=
2
Resta quiudi provata la (15). VIII. Se fJl e un opemtore tale che fJl* sia H-regolltre, per rp e 1jJ in H si ha: (17)
( 1jJ ,
fJld (rp) )
= ( d* fJl* (1jJ) , rp ) •
E un'ovvia conseguenza del teorema VII. IX. Posto per we' su L: (w -=l= ') : (IS)
~ as,v log
L(w, ') =J "
I w - z I aO log I z - , Ids",
s"
~
si Ita: (IS')
L(w,')=
J
0 0 -log I w-z I-o-Iog I z - ' Ids".
Bnw
on"
2
209
[163]
205
Una introdnzione alla teoria delle equazioni ecc.
L'illtegrale (18) che defillisce L (w ,C) e da intendersi ovviamente come integrale sillgolare. Siano w' e C' due punti esterni ad A ~ posti, rispettivamente, sulle normali, n;; ed n" esterne a ~, nei punti w e C. Si ha (teoremi X e XII del cap. I):
+
L (w, C)
=
lim 10' -10
~ flOg as w [lim "~, :E
11() -
I ~ log I z - C' I dS
as z
Z
Z ].
+
Diciamo (910' (z) una determillazione monodroma in A ~ della funzione (anomalia di z rispetto al polo w') introdotta a pag. 60. Si ha, con semplici applicaziolli della formola di GREEN:
J
z I-~ log I z -
log I w' -
1;' Ids;; =
a~
2
J
-
(9tu' (z)
2
~ log I z - c' I d,~. a~
e q Uilldi (teor. XIV, cap. I): lim flOg /;'_1;
I w' - z I ~ as z log I z - C' I il,yz = -
-r
:E
(9,V'(Z) _a_log
all.
i;
n(9w' (1;) -
I z - C Ids ••
Riesce d'altra parte:
Ne segue: (HI)
~ as",
[lilll. flOg I w' ,I_I;
z
I oa
log Iz-
10' -
z
OSz
:E
a log I +J-aU'1II
I -a
log
an.
2'
n dS.] =n-~Iog Iw' -c 1+ anw I z - C I ds z
e pertanto (teor. XIV cap. I):
L (w,
n= + n ~ log 1 dn10
1.() -
+ [_a_log I an",
1()
z
1;
I-
I -~a-
onz
:E
210
n -/!-log
log
dn,v
Iz -
1;
I
/(1 -
I ds z •
CI +
206
[164]
GAETANO FICHERA
X. Per ogni cp EO H si ha:
(20)
f ~ log I w -
Z
B~
I dSzj cp (~) ~ log I z - ~ I ds~ B~
:J:
:J:
n 2 cp (w)
= -
=
f
+ rp(~) 1.1 (w , ~) ds c• :J:
Attribuelldo a w' e ~' 10 stesso significato dato 101'0 nella dimostrazione del teorema precedellte e tellendo presente la (15) e la (19), si lIa:
f
Iw -
_B_ log B~
Z
I dSzJ cp (~) ~ log I z - ~ I ds c = B~
:J:
:J:
= ",'~", lim.Jrp(n ~ lliJll JlOg I w' Bs," 1;'-.1; :J:
z I _B_Iog Bs z
I z - (' I dSz] ds c =
:J:
=
~~~~vn Jrp (n B~'I! log I w' - ~ I (lsI; + :J:
= -
nrp 2
(w)
+ nJ cP (0 ~ log I u; Bnw
~ I dSi;-
:J:
Iudicato con .1! (If)) l'operatore illtegra1e aveute n- 2 L (w , ~), la (20) pliO scri versi al modo seguente:
ClCo ClCo (rp)
(21)
Voperatol'e .1! I V del capi tolo 1.
e
=-
rp
pel' llucleo
+.£ (cp).
l'egolare, come segue !lalla (18') e dal lemma
211
207
Una introduzione alla teoria delle equazioni ecc.
E
evidente che proprieta analoga alla (21) snssiste per gJi Jperatori CJi'(
>
(22)
Assumiamo per c5 (
(3) Dal teorema dimostrato pno faeilmente dednrsi la olassiea, formola eli inversione elegli integrali singola,ri £Ii CA ()CHY, nota, col nome di /orlnola di invej'Bione di POINCAH(,;-BEHTHAND. Dctt,a A(z, C) nna, fnnzione a,ppartenente a e~) (:Ex:E), detta forllloia e la segnellte :
dzf z - IV
+2'
fA-(z, C),dC -- = C-
- or 2 A (IV, 1+fdrf 0),
Z
+2'
+2' +2'
A(z, (C --dz z)
(z -
C)
IV)
.
Essa si ot,tiene dimostl'3u£Io prima, con proeedimcllti anftloghi a qnelli segniti Ilelle dirnostraziolli dei teorerni IX e X, che pel' ogni nncleo M (z, 0 verificante Ie ipotesi del lemma IV, si ha:
Snccessivamellte, tenendo eOllto che si ha:
~ dC Z
,
eOIl
.11 (z,
C)
del tipo
= [-
~ log I z -- CI + 111 (z , C)] , i)B z
anzidetto, e serivendo nel primo melllbro della (*):
.d(z,O=[A(z,C)-A(C,C)]+A(C,C), eon faeili passaggi Ai trae la (*), Pel' Ulla elilllostraziolle della (*) in ipotesi di notevole genel'alita efr, [30/.
212
208
[166]
GAETANO l!' ICHERA
Consideriamo in A
+~ ~
u (z) =
la fnnzione:
f
qJ
(C) log I z -
CIds/; ;
I
essa e - per qJ E H - di classe (? (l) (A +~) (teor. XIII, cap. I), inoltre e armonica in A. Puo ad essa applicarsi la (30) del cap. II (nella qllale si lllutauo Ie veci di p e q) e si ba (llel caso attuale
e y=n):
(23) Riesce d'altra parte (teoI'. VIII cap. I):
au an =
(24) avendo posto: (25)
qJ (z)
-
]f
CJ71 (r ) = n
r
+ CJ71(r ) , a
(C) -;- log vn z
I z - C Ids/; .
I
Poiche q uest'operatore veri fica Ie i potesi del lemma VI, come facilmente si cOllstata, dalla (24) si trae:
e q uindi, dalla (23), la tesi. Una semplicissima dimostrazione, fondata unicameute snlla (21), pno darsi Ilel caso particolare p = 2. Si ba iufatti:
IIClCo (r) I I~ = \ ClCo (qJ) , ClCo (qJ) )= (ClCo* ClCo (qJ) , qJ ) = = ( ([JCo* + [JCo) ClCo (qJ) , r ) + I (p I I~ - ( .£(-;r) , qJ ) . Per la contiuuita dell'operatore ClCo* e dell'operatore .£ segue:
+ CI{o
(cfr. la (5) del cap. I)
II teorema ora provato flimostra ciJe cS(r) e uua trasformaziolle cOlltillua ill H COil la metl'iea di .£(pJ. Poiclle H e una base per
213
[167]
Dna iutroduzione alIa teoria delle equaziolli ecc,
209
(2:) la (22) permette di prolungare c5 (cp) per cOlltinuita in tllttO spazio )?(p) (X). Qllindi d'orltin Itvanti cOllsidereremo c5 (cp) come 1tltlt tm,~/onnlt· zione linem'e e continult deftllitn in tutto .£(1') (2:) e con codomillio iV'i contenuto. Vedremo ill segnito come ad c5 (r) possa darsi il significato di operatore illtegrale ancLe per fUllziolli cp di .£(1') (2:) cLe nOll appartengono ad H. La continuita di c5 si e ottelluta come cOllsegllenza di quella dell'operatore Cleo' E ovvio che conside1'lmdoil pl'olu1Iga1llento di Cleo in .£(1') (2:) pel' esso seguitlt a sussistere la (21). Occorre notare il segnen te teorema, immediata cOllsegllenza della (21), che denullcia i I moti vo peril q uale la teoria delle equaziolli illtegl'ali sillgolaL'i 1l01l pua farsi rientrare ill qnella delle onlillarie eqllllziolli illtegrali. XII. L' opemtore Cleo non e tota lmente cOlltinttO in .£(1') (X). Suppolliamo Cleo totalmell te conti!l no. Tale e allom Cle;. Sia Icp ... j ull'al'bitraria snccessiolle limit.ata. ill .£(p) (X). Da essa pua estrarsi una. sottosuccessiolle ICPmk l tale che [c7eo2 (CPmk)j ed I)? (CP"'k)j siano cOllvergenti. Per la (21) sarebbe allora [CP"'kj convergente. Cia e assurdo, data la 11011 compattezza dello spazio .£(p) (2:). Per l'operatore c5, prolungato nel modo sopra detto ill tutto .£(p) (2:) si lIa: XIII. 8Ilssi,~tollo la (14) e la (17) COl1Htllqnc si assumano cP E .£(1') (2:), 1jJ E ,£(g) (X) e qualunque sia l'opemt01'e regolare tll. La (14) sussist,e, data. la continuita di c5, assumelldo come c5* l'operatore agginllto di c5, llel sellSO della teOl'ia delle trasformazioni lilleari. Oceorre solo llotal'e elle tale ,5* e il prolullgamento in )?(q) (X) dell'operatol'e gia defillito ill H per mezzo della (11). I~a (17) sllssiste, com'e HotO, per due quali si vogliano opera tori contilllli tll ed c5 ill .£(p) (2:), qllilldi, in pal'tieolal'e, pel' quelli considerati nell'ellUllciato. II segllellte teorema fornisee la legge di composiziolle di due operatori singolari. XIV, 8iano ("51 eil c5 z d1le ope1'l!tori ,Yingolal'i ilei qllali cons idet'iamo III secondlt /01'l1la cltnonica: .£(1')
)0
cSt (fp)
= Pt (z) cP (z) -
q! (z)
c5 2 (cp)
- 112 (z) (P (z) -
q2
214
c7eo (cp)
(z) Cl~) (cp)
-+
[1 (r)
+ [2 (cp) •
210
[168)
GAKTANO FICHlmA
Si ha pet' q; E .Dp) (2') :
0 1 0 2 (q;)
(27)
-
= (P2 (z)
(P2 (z) ql (z)
111
(z) -
q2 (z) ql (z)) q; (z) -
+ q2 (Z)PI (z»
ClCo (q;)
+ [(q;)
'con [(q;) opel'atol'e l'egolat'B.
Oominciamo con l'osservare che l'operatore relativo alia trasfor· mazione: 'IfJ (z) = ClCo [( P «() - P (z» q; «()] , che muta q; in 1p, e regolare se P (z) appartiene ad H. Infatti esso puo mettersi sotto forma di opera tore integrale con un nucleo verificante I'ipotesi del lemma VI. Si ha:
0 2 0 1(q;) = -
P2 PI q; - P2 ql ClCo (q;)
+ P2 [I (q;) -
+ q2 3Co [ql 3Co (
q2 ClCo [1 (
q2 Clto (111 q;)
+ [2 (PI q;) -
[2 [ql Clto (q;)]
+
+ [2 [I (q;) •
POlliamo: [0 (
+ q2 (z) ClCo [(ql «() + [2 (PI q;) -
+ q2 (z) ClCo [I (q;) +
q2 (z) Clto [(PI «() - PI (z))
+ [2 [I (
In base all'os8el'Vaziolle premessa [0 (
Perla (21), pOlleJl(]o: [(
e
+- q2 ql J! (
q (z)
(J
(0]
un opemt,ol'e rego-
segue la (27).
gli opemtori regolltl'i [(q;) e
«p) cite intel'vengono ?lella (4) e nella (7) sana nnivoca,mente deter-
miltltte dall'ope1'llt01'e
Basta limital'si (28)
si ha: P - q
0. It
dimostl'are cue se pel' ogni q; E j}p) (2') riesce:
P (z)
== 0,
[I
== 0 . 215
+ [1 (
0,
[169]
Una introdnzione aUa teoria delle equazioni ecc.
+
211
+
Sill, P = p' ip", q = q' iq" COil p', p", q', q" reali. Per ogni cp appartenente a .Dp) (~) e reale si lin.: cS'(cp) -
11' (z) 11' (z) -
q' (z) ~7~) ((p)
+ l1?(I1 (Ip) =
0 ,
avelldo illdicato con c1l(Ij (cp) Ill, part.e reale della fllllziolle (Ii (cp). Considel'iarno I'operatore: cS~(cp)
=
p' (z)
<j'
(z)
+ q' (z) ClCo(cp).
Si ha, per ogni cp reale: (29)
cS; d' (Ip)
= [( JI' (Z))2 + (q' (z)2] cp (z) + (I' (cp) =
0,
esselldo (I' (cp) Hila trasformaziolle lineal'e totalmente continua dello spazio .£(p) (~) reale in se stesso. Dalla (29) segue ovviamente p' (z) - q' (z) - O. Analogamellte si prova che p" (z) q" (z) O. Segue allora dalla (28) (Ii O.
=
=
5. -
=
SuI prolungamento dell'operatore integrale singolare cS a tutto 10 spazio .Dp) (~).
Nel nO precedente abbiamo diniostrato la possibilita di prolungare pel' contiuuita I'opel'atol'e c7Co (cp), e quindi cS(cp), da H a tutto .£(p) (~). Vogliamo ora vedel'e come a questo prohlllgamento possa attribuil'si il significato di Illl eft'ettivo operatore integrale. Mostrerelllo prt'cisamente clle per ogni cp E .£(p) (~) esiste per quasi tutti i pllnti z eli ~ I'integrale singolal'e:
f cp (C) ~as log I z - C. ds( I
•
2,'
z
e cite la fUlizione 1jJ (z) lIa esso quasi oVllllque definita, coillcide COil l'elemento di .£(p) (~) trasformato di cp tramite l'operatol'e ClCo , quando qnesto si pellsi prolullgato a .£(p) (~) per continnita. Tale elemento, come lIel UO precedente, seguiterii ad essere indicato con clCo (cp). Sia N l'illsieme dei plluti di ~, che nOll sono di IjEBl<,SGUE pel' Ill, fUllziolie cp (z) di .£(1') (~), con ~ (z ,t) l'insieme dei pnnti di ~ interni al cerchio di centro z t' rag'gio t (cfr. cap. I).
216
212
[170]
GAETANO FICHERA
Sussiste il seguellte teorema: XVI. Fissato z in ~ - N, esistono i limiti: lim
~
t~o 11:
J
cp (C)
~ log I z as z
CI ds~ ,
lim t~o
~ (cp(O K(z, C) ds~ , 11: 2-E(z, t)
E-E(z,t)
lim
~J
t~o n
cp (C) dC
C-
z
E-E(z,t)
e le Junzioni qultsi ovunque definite in ~ pe1' mezzo di essi coincidono rispettivamente con ;JCo (cp), ;JC(cp) e cl o (cp).
E evidellte cLe basta limiLarsi a dimostrare il teorema per il primo £lei tre limiti considerati, dato che il ]ll1cleo del primo iutegrale diffel'isce dai restallti d\le per nuclei M continui, per z =l= C, e verificallti la limitaziolle M = 0 (I z - CIq-l) (q> 1). III virtu del teoI'. IX del cap. I basta Ii lIIitarsi a far vedere che per z E ~ - N si ha: (30)
Sia !CPk) una successione £1i fnnzioni di H tali che lim Ii IPk-CP IIp=O. k~oo
Poniamo:
Vk
= ~
(z)
J
(rk
I
(C) log z -
CI dSi; ,
v (z)
~
=
Fissato z in
\a Vlrt
1an \
cp (C) log I z -
CI dSi;
•
E
E
Poiche
J
e:
1tk
nIla coniugata. armonica di
al'k
a Vir
as
an
lim
k->oo
e quinoi \
sia
~
II a~vk oS
a1t k/
1as
\
c7Co (cp)
II p =
convergellte in
+
-
Vk
ta.le che:
aUIr
as
0, per Ia. (29) del cap. II sara
.£(p)
(~).
Cia implica. lao uniforme
cOllvergenza in A ~ della. successione (Uk(Z)) verso una. funzione tt (z) cOlliugata armonica della v. Indicbiamo COil b(Z1) ulla fUllzione uguale a. zero per Zl estel'llo ad A, uguale a 1 per Zl interno ad A.
217
[171]
Una introduzione alia teotia delle equazioni ecc .
Per ogui z\ fnori di
Per k -
00
~
213
si 1m:
si trae:
Pertallto il teorema XVII del cap. I ci assicnra clJe snssiste la (30).
6. -
Indice di
Ull
operatore sillgolare e operatore riducente.
Si e dimost,rato clJe ogni operatore singolare c5 determina ullivocall1ellte Ie due funzioui p (z) e q (z) e gli operatori regolari [, e [,1 clJe intervellgono nelle sue espressioni calloniclle (teor. XV). Diremo di prima specie ogui operatore sillgolare d tale che sia p2 q2 0 sn ~. d sara detto invece di secollda specie se p2 q2 non e mai nulla su ~. Sono di terZlt specie tutti gli opera tori che non sono ne di prima ne di secollda specie, per i quaJi cioe p2 q2 si annulla in pnnti di ~ senza essere identicameute lIulla su ~. Sia d di second a specie e cOllsideriamo la fUllzione r (s) ben definita, a partire da p e q, nel nO 6 (iel cap. II, e il SilO incremento u = r (L) - r (0). Tale numerO intero vena da lIoi indicato COil u (d) e chiamato l'inrlice dell'openltore di seconda specie d. Sussistono i seguellti teoremi. XVII. Due operntori singolari di seconda specie la cui diffe-
+ =
+
+
1'enza
e un
ope1'atore regolll,re hanno lo stesso indice.
La dimostrazioue e ovvia. XVIII. Se d 1 e d 2 sono di secondlt specie
Si dimostra con cal coli elemeutari. Diremo clle ff e un opemt01'e rli FREDHOLM se puo mettersi sotto la forma:
218
214
[172]
GAETANO FICHERA
essendo c'7 l'operatol'e identico e [, un operatore l'egolare. E ovvio cbe: XIX. Ogni opemtore di FREDHOLThl e di seconda specie ed ha in dice nullo.
Sia eI un qualsiasi opera tore lilleal'e continuo cbe llluta .J;(p)(l:) in una sua val'ietil. Diremo cbe eI e j'idlWibile se esiste un operatol'e eI', ancil'esso lineare e continllo, tale clle c5'eI sia Ull operatol'e di FREDHOLThI. I/operatore eI' si dint j'iducente c5 0 cile j'iduce c5. XX. So eI ed d' sono operlltol'i singolltj'i di secondlt specie e se eI' j'iduce opposto.
eI,
i
lOj'o indici Sal'lInllO di modulo uguale e di segno
E ovvia conseguenza dei teor. XVIII e XIX. XXI. Per ogni opel'atol'e singolnre eI di secondl!, specie esistono injiniti opera tori singolal'i di secondlt specie cite lo j'iducono e, posto:
eI (rp) = P 9) - q 3to (rp) + [,1 il generico di essi
eI'(rp) =
e dato p
2
(rp) ,
da:
~ q2 rp + __q - 3t. (rp) + [, (rp) , p2 + q2 0
essendo [, (rp) un ltl'bitrario opemtol'c j'egoll!1'e.
Segue facilmellte dal teor. XIV.
7. -
'l'eoria degli operatori riducibiH in uno Silltzio di Banach. Sia .r;3 uno spazio di
completo e 83* il suo duale. Sia
BANACH
eI un opel'atore lineare continuo cile tl'asforma 83 in una snaval'ietil. Con c5* denoteremo l'operatol'e aggiunto di dualita fra 83 e 83* si indica con: 1t
eI, per modo che se la
E83* , rp E83 ,
si avril. per u E83*, rp E83 : (31)
(u, c5 (rp)) = ( eI'*(u) , rp).
Come nel nO precedente, diremo eI riducibile se esiste ratore lineare e continuo c5' tale che:
219
Ull
ope-
[173]
Dna introduzione alla teoria delJe equazioni ecc.
215
essendo ~ Ill, trasformazione identica di t13 e (£ un operatore lineare total mente continuo definito in 83 e con codominio contelluto in 83. L'operatore ff = ~ (£ sara, come ill precedenza, chiamato un operatore di PREDHOLlVI. Vogliamo, ill q uesto n umero, stabilire alcuni teoremi generali sugli opel'atori riducibiIi, che applichel'emo successivamellte agli opera tori illtegrali singolari. XXII. Il codominio di un openltM-e linem'e e continuo cS ridudbile e una vlt1'ieta chiusa di 83. Sia: (32) (h = 1 ,2, ... ).
+
La successione (1fJh) sia cOllvergente. Sia cS' riducellte cS. Sara allora:
e quindi
rpl! e soluzione
deIl'equazione di
RIESZ-PREDHOLM
Sia 83 0 Ill, varieta Iineare di tutte Ie soluziolli deIl'equl:tzione ff(rp) = 0 (autoinsieme dell'operatol'e ff). Sia J13 j 10 spazio di BANACH (completo) costituito da tutti gli elementi di 83 che verificano tutte Ie seguenti equazioni (Uk, rp) = 0 (k = 1 , 2 , ., . ,r) essendo u 1 , uz"",U r un sistema cOlllpleto di soluzioni dell'equl:tzione ff*(u)=o. Consideriamo 10 spazio quoziente 83/t13 0 ' Com'e 1I0to, esso e uno spazio di BANACH completo, definendo al modo seguente il modulo di un suo elemellto [rp]:
II [rp]1I =
estI'. info 'Po E &3 0
II 9J + rpo II . (4)
De6niamo in 83/83 0 Ill, trasformazione Iineare e continua ffo al modo seguente:
Essa ha codominio contenuto ill 83 1 dato che (Uk, ff(rp)) = (ff*(Uk)'
(4) efr. [33] pag. 99.
220
rp) =
O.
216
[174]
GA Ii:TANO l<'ICHERA
Anzi la Sfo, per il teorellla fondamentale d i RI'ESz-FRBDHOL}I (5), pone una corrispondenza billnivoca fra S{~/c730 e S73 1 • Ne segue che essa e dotata di invel'sa contillua: §0-1 (6). Sara quindi:
Sia
'IjJ
iI limite della successione ('ljJhl. Si pOllga:
Sara [Ip] = lim [tph] , nella topologia di S73/Jt3 o ' h~oo
Sia lim) una successiolle cresceute eli indici tale che: (tn
[!JJiol = 0, ['1] ... ] = [tpi",l- [!JJi m -
Posto:
Riesce d'altra parte:
e
quindi,
scegliendo 'l]m (cio che
II 'l]m II < 2 II ['1] ... ]11
=
1 , 2 , ... ) .
00
1 ],
si
lIa Z ['1]",] = [tp]. m~l
nella classe ['I]m] ill guisa tale che lecito), si ha la convergeuza della
e
00
serie
~
'l]m.
m~l
(0)
m
Porremo !JJi", = Z
'l]s.
s~l
zione 8. Riesce S7361) C S73 0
,
.
",(I)
Sla c6 0
l'autoinsieme della trasforma-
N el caso S73b1) =·S73 o si avrebbe:
e la tesi sarebbe acquisita. Sia 1·(1) la dimellsione eli c1.3~l) ed r quella di Jt3 0 ; l'iesce j = l' - 1'(1) > O. Sia PI , P2 , ... ,Pr Ull sistema eompleto in S73 0 con PHI' .. (3,. appartellenti a S73~I). Vi sara Ull elemento
(5)
efr. [33] pag. 380.
(6) Cfr. [6J pag. 102.
221
U n!t introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
[175)
verificallte Ja (32), per h = i m
CPh
217
aveute la forma seguente:
,
(33) Gli elementi c5({Js) s = 1 ,2 , ... ,j sono liut'armente illdipelldenti e pertall to possono trovarsi j elemen ti Vi' V 2 , ••• ,Vj in Cl3* tali cl1e:
( v", cS({Js) ) = !..
(I) · P olllHmo cP", =
o~
A vremo
(S) R ~ Om I's'
n.
(8) Om
((I))) P' I." = ( V s , O(cp", •. OICuo e:
s~1
si ha Ill, convergellza oi eessiolle Ilumel'ica (e~]l. elemellto e dato
"-co
(c5(cp~hl e qUilldi la cOllvergellza della sue· Uio impliea che Ia successiolle (cpiml il cui (33) e convergente e detto cP il suo limite prova la chiusnra di c5(&1).
XXIII. Silt c5 un ope1'atore linen1'C cOlltinuo e 1·iducibile. PM' l'eqllazione:
c5(cp) =
(34)
ljJ
sussiste il princtpw dell'a It en III tiva. Cioe essa e risolubile allom ed allm'a soltanto che ljJ e ortogonaZe ad oglli solttzione dell'equazione omogenett aggiuntn:
c5*(u) = 0
(35)
(1) Pouiamo "s = SUl s ) e diciamo ez la varieta lineare individuata da "1 ' ... , "j' Sia a 1 "'1 aj "'j il generico vettore di e. POlliamo V h (,,) = a". II fUllzionale vh e lilleare ill B. Detta d h la diHtltllZa di "'h dalla
,,=
+ ... +
a"
varieta illdivlduata da "'1"'" "'h-l' "'''+1''''' "'j si ha per =i= 0: II ah _ 1 ah +1 aj _ a1 -I 111-+ -ah- "'h-l + "" ah "'''+1 ah "1 ah "j II::> I
a"
+ ...
E qllindi esselldo d" <: d;;1
II " II.
teorema di nel testo.
Cioe
+--
>0
t' h
+ ... + -
per l'indipendenza lilleare delle "s' si ha:
e
HAHN·BANACH.
'" II =
a" I dh · I v" (,,) I <:
continuo in B. Si prolunghi v h in tutto 83, usaudo il I funzionali VI" •• , Vj verificano Ie condizioui indicate
222
218
[176J
GAETANO FICHERA
La tesi e una cOllseguenza bell nota della cLillsnra del codomill io cS (c'B) di c5 (8). Riportiamo com llllque l'assai sem plice rlimostmziolle. La necessita dell'ortogollalita di 'IjJ aile solnzioni delle (35) e un'ovvia cOllsegnellza della (31). Vicevel'sa, verificLi 'If! tale cOlldizione di ortogollalita e sia, per aSSlll'rlo, non appartenente ad c5(&3). Esiste allora UII elellleuto ~t eli &3* nullo Stl c5(&3) e tale cLe (1t , 'IjJ) = 1 (9). Tale 1£ e ulla soluziolle della (35) (come segue rlalla (31)) nOll ortogonale a 'IjJ, contro I'ipotesi. XXIV. Sin c5 un Opel'atM'e linea1'e, continuo e riducibile ed c5' sia riducente c5. Conllizione necessa.1'ia e s1tJJiciente perclie esista una soluzione dell'equazione: c5'*(v) = w,
(36)
e che
w sia Q1·togonale ad ogni soluzione dell'equazione:
c5'('IjJ)
=
O.
La necessita della condizione e ovvia. Dimostriamo la sufficienza. &3 0 , &3~J) , r, r(l) ,j; Pl, ... , Pj, ... , p,.; 1l1, ••• , 1tr abbiano 10 stesso significato 101'0 aUribuito nella dimostrazione del teoI'. XXII. Siano Zl, ... , Z,., l' elemellti di &3* tali cLe:
e Ci
, .•• ,
C,.,
l'
elementi di &3 tali che:
Dato comunque z in &3*, esiste eel verificante Ie equazioui: r
ff*(v)=c5*cS'*(v)...:...z- ~ h~l
e
unico I'elemeuto v eli &3*
(Z,Ph)Zh' (v,Cj)=O (j=I,2, ... ,1').
Indichiamo tale elemento v con &3 (z). L'operatore §l e lineare e continuo. Sia w un elemento eli &3* tale cLe, se j 0, si abbia:
>
(k
(37)
(8)
Cfr. [6J pag. 150.
(9) Cfr. [6J pag. 140.
223
=
1 , ... ,j).
219
Una introduzione aHa teoria delle equazinni ecc.
[177]
Riesce in oglli caso: (h = ] , ... , '1') •
Esiste, quilldi, III SOlllziolle dell'eqnaziolle:
c:l* -\'*(v)
= (5*(w)
e si ba:
"
(38)
v=§lc:l*(w)+ ~
ckllk'
k~l
Sia cp un lIrbitrario elemellto di 83. Si ha: (c:I'*(v) , cp) r
+~
Ok(Uk'
k~l
Pertanto, posto
=
c:I'(cp))
(v ,c:I'(cp))
=
(§lc:l*(w), c:I'(cp))
= (to, c:lt1l* c5'(cp)) +
+
r
~
Ok (Uk'
c:I'(cp)).
k~l
§ = c5t1l*c5' - CJ, si trae: r
(39)
(c:I'*(v) -
w, cp) =
(w ,§ (cp)) + k~l Ck (Uk' cS'(cp)).
la dimensiolle dell'autoinsieme dell'operatore c:I'*. Sara o <]" < 1'. Posto y = ]' - f", se y > 0, possiamo supporre che Uv+l, ••• ,u" appartengano al detto antoillsieme. Diciamo, in tal caso, rpi , .•. , rpv, y elemellti di f13 tali che: Sia
f"
ed assullliamo: (40)
(h
=
1 , ...
,~).
POlliamo:
Se w verifica Ie cOlldiziolli segnenti: (41)
(w, c6(rp)) =
0,
per ogni rp E 83, aBora, assunte nella (38) 01 , ••• ,ov come indicato daUe (40) e Ie l'estantiok arbitrarie, si ottiene una soIuzione v della
224
220
GA gTA 1\0
[178J
FICH~;RA
(36). Infatti, ill virtu della (39), per oglli cP U73 riesce: (d '*(v) -w, cp ) = O.
Viceversa, se I' e soluzione della (36), 10 = ,j'*(v) verifica Ie (37) e Ie (41). Sia 0 l'illsieme costituito dai vettori d((3k) (k = 1, ... ,j) (per j 0) e da tutti i vettori c6 (cp) al variare d i cP ill [13. Sia 1jl E 0. Riesce per oglli v E c'73*: (d'* (v), lp) = 0 e qUilldi (v, d' (1jl) ) = 0, cIte implica d' (1jl) = O. Oioe 0 e cOlltelluto nell'alltoillsieme di S. Da cio la tesi.
>
Osservazione. La dimostraziolle ora s vol ta poteva ancbe essere impiegata per dimostrare il teorema XXIII. Viceversa, il teorema ora provato UOII aVl'ebbe avuto bisogno di esser dimostrato - rielltralldo lIel teoI'. XXIII - qualOl'a si fosse imposta allo spazio {i3 la cOlldizione di essere riflessivo (10). XXV. Silt d ttn Ope1'ntM'e linell1'e, continuo e 1'iducibile. Condiziolle necessaria e s1l.tficiente perche l'insiellle delle soluzioni dtll'eqwtzione (35) abbin dimensione jil/ita, e che abbia dimensione finita l"insiCJlle delle sulttzioni dell'equnzione d' (cp) = 0, essendo d ' tm qttalsiasi operatM'e t'iducente d . La condiziolle e lIecessaria. L'eqnaziolle (35) abbia 11, e non pili di n, soluzioni linearmente illdipeudenti: 1tj' tt2 , ••• ,u". Siano 1jlj , 1jl2" .. ,1jl", n elementi di {i3, linearmeute indipendenti, tali cbe: (11 , k
=
1 , 2 , ••. , n) .
Siano illoltre CPj, CP2, • , • , CPt'" ?It elementi di {i3 linearmente iudipelldellti e costituenti Ull sistema completo per l'autoillsieme dell'operatol'e di FREDHOLM d'd = CJ Illdichiamo con Vi' V 2 , ••• , V"" ?It elemell ti di {i3* tali cbe:
+ [,
(h, k = 1,2, ... , m),
Se
e un elemellto dU73 ortogonale ad ogni soluzione dell'equazione: 0, esiste ed e uuico l'elemellto di {i3, che illdicberemo COli 8l (1jl), verificante Ie equaziolli: u
If
+ [*(u) =
(Vh,!ll(1jl) ) =O
(10) Cfr. [6] pag, 149,
225
(h=1,2, ... ,m).
Una introduzione alia teoria delle equazioni ecc.
[179]
221
Sia lj1 una qualsiasi soluzione dell'eqnaziolle eS' (lj1) = O. Posto ak = (Uk, lj1) (k = 1 , ... , n), esiste (teoI'. XXIII) un elemellto ({J di [13 tale cLe:
c5 (({J)
(42)
"
= lj1- 2: Ilk lj1k' k~l
Sara allora: eS'eS (({J)
-
n
L: ak 8leS'(lj1k) k~l
+
n
= '"
2: ak eS' (lj1k) e quindi deve essere k~l
2: bh
({Jh COli
({J
= -
Ie bh costallti. Segue dalla (42):
h~l
11
+ 2:
1n
lj1= 2: ak(1fJk-dJl?c5'(1fJk)) k~l
lihcl(f{Jh)'
h~~l
Cio pro va elle l'autoillsieme di cS ' lIa dilllellsione fillita lIOll snperiore ad n 1n. La condizione e sufficiente. L'operatore c5'* agg'iunto £Ii cS' e ridncihile ed cS* e un sno rid llcell te. Detto S* 10 Hpazio duale di [13*, e noto ehe esso contielle nn sottospazio Y3~ equivalente a [13, tale elle se ({J e c[> SOIlO due elemellti di Cil e corrispOlHlellti nell'equivaleuza fra Jl3 e Jl3~ l'iesce:
+
mt
per ogni nUl3* (11). II codominio cS'*(&3*) lieH'opel'atore cS'* e costituito da tntti i vettori di &3* ort,ogonali ad oglli lIutosolnzione dell'eql1azione cS' (11') = 0 (teoI'. XXIV). D'altm parte, poiclie oglli elemento di c5'*(&3*) e ol'togonale ad oglli elemento dell'autoiusieme deIl'operatore J', aggiunto di ,,)'*, lie segue ehe ogni soll1ziolle dell'equazione JI (p) =0 appartielle a Qnilldi tale equazione lia un numero fillito di soluziolli lillearmente illdipelldenti. Ne segue, per Ill, prima parte del teorema, che c5* ha ~lIltoinsiellle di dimensione fillita. XXVI. Se d' 1'iduce e5, detti ([ e ([' due qltillsiansi opet'atod linear; totll,lmente continui, el' dduce c5 I.Ja dimostrazione e ovvia. XXVII. Sia r5 ridllcibile e ([ un qUlllsiasi operatm'e lineare tot(tllllenle continuo. L'autoinsieme di c5* ([* ha dimensione /initlf se e solo 8e ltit dimensione /inita quello di (5*.
mt.
+ (['
+ ([.
+
(ti) Cfr, [6J ra.g. 148, teor. XVIII.
226
222
[180]
GAETANO l<'lCHERA
Be cS' dduce c5, l'alttoinsieme di (S' e solo se hlt dimensione finitlt quello di
+[
Ita dimensione j"inita se
c5 '.
E cOllseguellza immediata dei teoremi XXV e XXVI. XX V III. Se c5 e 1'id1tcibile ed 6* lw lIutoillsieme di dimensione j"inita, llt diffe1'enza fm le dimensiolli degU autoinsiemi di c5 + [ e di c5* [* e un nttn!e1'O che non dipeni7e d(tll'opM'ato1'e linell1'e total-
+
mente continuo [.
Sia c5' l'iducellte c5. Gli autoiusiemi di c5, c5*, c5', c5'* banllo tutti dimellsiolle fillita (teoI'. XXV) e queste siano, rispettivamellte, eguali ad 1', It, 1", n'. Siano (rph) (It = 1 , ... ,1'), (Uk) (7c = 1 , ... ,n), (1f'd (i = 1 , ... ,r'), (Vj) (j = 1 , ... , n') sistemi I'ispettivamellte COIllpleti llegli anzidetti autoiusiemi. E immediato COllstatal'e, tellendo presente il teor. XXXIII, cbe rp e una solllzioue dell'equaziolle:
c5'd(rp) =
0,
all ora, ed allora soltanto, cbe essa veri fica l'equazione:
"I
c5(rp)= ~
lti
i~1
"I'i,
con Ie ai costanti, soluziolli del sistema omogelleo:
,-,
_~ ai (1tk'
(43)
1f'i) =
(Ie
0
=
1 , ... , n) •
t~l
Se s e iI rallgo della. Illatrice C(1tk,"I)i)) (7c=1, ... ,n;i=1, ... ,1"), ne viene che l'untoinsieme di cS'cS ha dilllellsione r' - 8 1'. Iufatti
+
r'
sia V,_" 10 spazio lineare descritto da
~ ai
1f'i al
i~l
val'iare delle
(Ii
(antoinsieme di c5') e Vr,-s la vlll'ietii, di V,_, costituit,a da tutti gJi elementi (Ii V,.! tali cile Ie corrispOlHlenti ai verificallo Ie (48). Sia 1f'1 , "1)2 , ••• , "I),-'-s Ull sistellla completo in V,.I- s e rpi ulla soluziolle particolare (Iell'eq uazione ,) (rp) =Vli (i = 1 , ... ,1" - s). Si 1m : rp
=
t"-8
2,'
+ 2,' 1~
(Ii
(pi
i~1
Ch
rph .
h~l
Ne puo essel'e: r'-s
~ i~l
ai
r
Pi
+Z
Ch
h~l
227
rph = 0 ,
Una introduzione aHa teoria delle eqnazioni eec.
[181]
con Ie r '-s
X
ai
ai c5(;Pi) =
i~l
e Ie ,"-8
X
Ch
223
non tutte nulle, dato cIJe allora si avrebbe:
(li:;Pi = 0 e quindi ai = 0
(i = 1, ... ,
i~l
,.I -
S). Doude
seguirebbe Ch = 0 (It = 1 , ... , r) . Si consideri ora l'equazioue:
c5*eS'*(1t)
= O.
Per il teor. XXIV, si lia clie tt verifica tale equazione se e solo se essa e soluzione deIFequaziol1e:
eS'* (u) = X"
b", 1t,c,
Ic ~ l
con Ie bk costanti, soluzioni del sistema omogeneo: n
X b", (Uk, 1f'i)
Ic~l
=
(i=1, ... ,1,1).
0
Ne segne, per cOl1sideraziol1i analoghe a quelle teste svolte,clie l'autoinsieme di c5* c5'* ha dimellsiolle 11 - s 1/'. Dato cIJe eS'c5 e un operatore di FREDHOLM, riesce 1"' - S 1" = 11- S n' e quindi:
+
,. - n
(44)
=
n' -
+
+
1"' •
Ripetelldo il ragionamento ora fatto per pervellire alla (44), cOllsi(leralldo c5 in Inogo
+ ([
(45)
c5' c5
(cp) =
228
eS' (1f') ,
224
[182]
GAETANO 1<'ICHlmA
e anche soluzioJIe dell'equazioJIe:
cS (rp) =
(46)
1jJ •
Si dice allora che ,), ridnce cS equil·alentemente. Si tratta di asseguare Ie condizioni sotto Ie quali cS amlllette una l'iduzione equivalente. II seguente teorema risolve completamente il problema. XXIX. Condizione necesmria e sl~f.ficiel/te pC1'che l'operatore linellre, contil/lto e l'iducibile cS lt1l1meita wla t'iduzione equivalente, e cite la dimensiolle dell'autoinsinne di cS non sia inferiore a quella dell' autoinsieme di cS*. Cominciamo con l'osservare che cS', riducellte cS, 10 riduce equivalentemellte se e solo se l'autoinsieme di el' lia dimeJIsione nulla (12). Infatti, se rp verifiea la (45), c) (rp) -1jJ appartiene all'alltoinsieme di cS' e quindi, se questo ha dimensione Ilulla, rp veri fica la (46). Viceversa, se ogni soluzione della (45) veri fica la (46), assunto 1jJ nell'autoinsieme di c5', si lla: cS'cS(O) = c5' (1jJ) e qUilldi cS(O) = '1/), cioe 1jJ = 0 . La cOlldizione del teorema e necessaria. Iufatti, esistendo cS' riducellte cS e COIl antoinsieme (Ii dimensione nulla, O. Dimostriamo la suffieienza della anzidetta condizione. Sia cS' Ull qualsiasi operatore l'iducente CS. Abbiano (1jJi) (i = ] , ... ,1") e (11j) (j = 1', ... ,n') 10 stesso significato 101'0 attribuito nella dilllost,razione del teor, XXVIII. Pel' I'ipotesi amJIIessa e perla (44), riesce n' > 1", Siano (zd (i = 1 , .. , ,1") e (1]j) (j = ] , ... ,n') elelllenti rispettivamente di if3* e iI3 tali clie:
Poniamo, pel'
8'(u)
=
U
E ~6*, rp E Y] :
,.'
(It, 1jJi\I Zi, i~l ~
([ (rp)
=
+ ([
,.'
~ (Zi'
i~1
Dato che cS' e ridncente rS, ancllc cS' riduee cS, esseudo ([ 1111 operatore lineare totalmente continuo (teoI'. XXVI), Se fal'elllo vedere che r\' 1m autoinsieme di dimensione nulla, avremo dimo-
+ ([
(12) efr. [17J pag. 30,
229
.
Una introduziolle alIa teoria delle equazioni ecc.
[183]
225
strato il teorema. A tal fine basta provare che I'equazione : (5'*(1')
(47)
+ [*(v) =
10
ammette soluzione cOlllunqne si scelga 10 in &3* (teor. XXIV). Esiste, iutanto, ed e unico, l'elemento v(O) di &3*, verificante Ie condizioni: (It = 1, ... , n') Ponialllo:
Velemento che
1)
=
e [*(11) =
VIO)
,"
+
v(l)
e una solnzione della (47).
'fenelldo pl'esente
.2: (1t, 'YJi ) Zi, si COllstata che [*(v(o))=O, [*(V(l))=@,(W) >~l
e, dato che c)'*(1P») = 0) si trae:
8. -
I teoremi di F. Noethel' e(] S. G. Mihlill per 1e equazioni illtegl'ali singo1al'i.
Vogliamo applicare la teol"ia svolta nel nO 7 al caso cbe &3 sia 10 spazio .1Jp) (2:) (p 1) ell c5 un operatore illtegrale singolare di secollda specie. A tal fiue occorre pl'emetter il seguente teorema di equivalenza relati vo al particolare opera tore singolare:
>
cbe supporremo di secondlt specie. XXX. Condizione necessaria e S1tfficiente perche, data f in H, esista una soluzione dell' equazione integrale: (48)
e
eke esista una soluziolle It appm·tenente alle e(2) (A) del problema di derivata obliqua:
(49)
1I21t
=
in
0
230
A,
cla.~si
eel) (A
+~)
e
226
[184]
GA ETANO FlCeERA
Bu Bu f p--q-=
(50)
Bn
Bs
su
~.
Be cp verifica la (47), posto: u (z)
(51)
= ~
I
cp
(~) log I z - ~ I dSt ,
:E
e
si ottiene lit 1'ichiesta soluzione di (49), (50) e viceversa, se u tale ,wluzione, la cp (z) - certo esistente - ve1'ificante llt (51), e soluzione della (48). La condizione e necessaria. Poniamo: (52)
La cp
e
soluzione dell'equazione illtegrale di
FRIWHOLM:
iI cui nucleo verifica Ie condizioni del lemma VI. Ne vielle, per un classico ragiollalnento della teoria delle equazioni di PRI~DHOL)}I, che (I' appartiene ad H. Ne segue (teor. XIII del cap. I), clJe Ia. funzione u, arnlouica in A, data da (51), appartiene a (Sr.l) (A +-~) e veri fica 8U ~ la (50) (cfr. teol'l'. VIII e XIII del cap. I). Vicevel'sa, se It e ulla soluzione del problema (49) (50) appartellellte a (S(l) (A. +-~), poiclre essa pub mettersi sotto la forma (51) (cfr. nota (0) a pag, 51), la equazione (50) altl'o 11011 e che la (48). Sia ora d (qJ) UII qnalsiasi operatol'e illtegl'ale singolare di se· cOllda specie. Assegnata fE .£<.1') (~), considereremo la 8egnente equltzione integrale 8ingolnl'e !Ii seconda specie: d(p)=j,
(53)
per la quale ricerchererno Hila Solllzione appal'tellellte a(l ..f(I') (~). Sussistono i seg'llent,i teol'enri perla prima volta dilllostrati da F. No JjJ 'l'JII<m : XXXI. OOlldizione nece8sa1'ia e sll;t:ticieute perche esi8tlt una soluzione cp della (53) e cite / 1)C1'ifiChi lt3 cOlldizioni:
I/(Z)
1jI(z) d8 = 0,
2,'
231
[185]
Dna int.l'oduzione alla teoria delle equazioni ecc.
227
pet" ogni 'If soluzione dell'equazione:
E Ull CHSO particolare del teorema XXIII, la cui ipotesi e verificata in virtu del teor. XXI. XXXII. Gli Itutoinsiemi d i ,5 e di c\* lutnno dimensione jinit{t, r ed II, rispettivamellte, e la difjel'enz(/, t" - n e 1tguIlle all'indice dell'opemtol'e CS. L'antoiusieme di cS La dimellsiolle finita perche cS e ridncibiIe, quello tli c5* (teor. XXV) perche e I'iducihile l'operatore dato dalla (5~) e riducente cS . III virtu del teoI'. XXVIrI, si 1m cLe I' n e nguale alia (lifferenza fra I'antoinsiellle di cS t e qnella di cSt. Ma (lal teorema di equivllienza XXX dm'iva facilmellte cite I'autoillsieme di cSt ha dimellsiolle ngnale a qnella dell'insieme delle autosoluzioni del problema di derivata obliqua (49), (50), mentl'e clte Ia dimen· sione dell'autoinsieme di cSf e uguale al llnmero delle cOlldizioni di compatibilita per il detto problema. rl'ellelldo presente il teoI'. XIV del cap. II, ne segue: I' -
11
= u (cS) •
Dal teorema ora dimostrato e dal teor. XXIX segue immedia· tamente il seguente di S. G. MIHLIN. XXXIII. Condizione neccssal"ia e sufficiente perche esista 1tn operatore regolare (£ (cp) ttlle che, postn : cS' (cp) =
cSi (cp)
+ (£ (cp) ,
ogni soluzione dell'equazione di FREDHOLM: cS' cS(cp) = cS' (f) 10 sia per la (53), e che l'indice
9. -
,,(cS) dell'operatore cS sia non negativo.
Applicazioni ai problemi al contorno per Ie equ8zioni ellittiche.
Daremo ora q Ilalche cenno sulle applicazioni della teoria svolta delle equazioni singolari di seconda specie al generale problema al contorno per Ie equazioni eUitticLe del secondo ordine, considerato al nO 1 del cap. II.
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GAETANO ]<'ICHERA
Sia S (u) l'operatore hI, introdotto e si consideri per esso il problema al contorno: (54)
au ay
S(u) = 9 in A,
au + h(z) 1£ =j(z) , as
p(z)--q(z)-
su
~.
e la
frontiera del campo limitato A, c1le, per semplicita, supporremo costituita da un' uuica curva semplice e chillsa di classe e~). Sui eoefficienti di & faremo Ie ipotesi ammesse ]leI nO 1 del cap. II ed in pili Ia seguente: c (z) < 0 per ogni z. Le p (z), q (z), h (z), j(z) sono fllnzioni appal'tenenti ad H e p2 q2 non e mai nulla su ~. Se 9 e continua in A ~ ed holderiana in ogni insieme chiuso di A, poiche possiamo dispone di una soluziolle fondamentale relativa all'operatore &: F(z, l:), e lecito snpporre 9 0, caso al quale ci si puo sempre ricondurl'e. Sussiste il seguente ]lotevole teorema: XXXIV. La d~!lel'enz(t jra il nUlIIero delle attiosoluzioni linearmente indipendenti del problemn consideratv e quello delle condizioni di compatibilita cui deve soddi.~fare la junzione dat/t j, dipende unicamente dalle due jitnzioni p e q ed e ugll/tle all'iltdice dell'operalot'e singolllre : c5 (cp) = pcp- q dt~ (cp) (cp). ~
+
+
=
+ ([
Accenniamo alia dimostrazione. E intallto assai facile estendere 'il teor. XXX e provare che, assunto l'opemtore regolal'e ([ in modo che si abbia:
c5 (cp) =
p (z) cp(z) - q (Z).f~ (l:) aF (z ,l:) ds, 11:
as z
i
+ 1 (Z)jcp (l:) aF(z , l:) ds, + a'l'z J
11:
:E
h (z) I' cp (l:) F(z , l:) ds( , + ---;;-. :E
I'equazione c5 (rp) = j e risolubile, se e solo se esiste qualche soluzione di cIa sse elI) (A +~) del problema (54) (COil g = 0). Da cio segue che la differellza di cui varIa renunciato e uguale a quella fra la dimensione deII'autoinsieme di c5 e la dimensiolle dell'autoillsieme di c5*. Pertanto, detta differellza Ilgnaglia '" (c5). Diverse altre applicazioni sarebbe [lossibile trarre dalla teOl'ia degli operatori singolal'i perle equazioni ellitticlle. Si potrebbe, ad esempio, estendere aUe soluzioni di una qualsiasi equazione ellittica (con c ~ 0) Ie disegnaglianze (29) e (30) e cio sfruttando la continuita in j!(p) (~) deU'opemtore illtegL'aIe singolare. Ci asteniamo comllnque dal far cio, per non Illtel'iormente amplial'e la mole, gia llotevole, della presente Memoria.
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Una introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
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NOTE BIBLIOGRAFICHE La teoria del potenziale di linea svoltll nel primo capitolo estende quella classica di Gauss ed e stata elabora,ta in successivi lavori di Giraud [11], Tricomi [29], Evans e Miles [4], Amerio [I], Fichera, [7], Miranda [19] l\fagenes [15]. La teenica delle dimostrazioni impiegate nel presente lavoro e essenzia1mente quella usata ill [1], [7], [15]. La dimostrazione dell'esistenza di una solllzione. fondamentale principale esposta nel ll. 2, ritengo abbin. earattel'e di originalitil. ed e eoneettualmente divel'sa ed assai pili semplice rispetto a queJla dovnta a Giraud [12] ed esposta in [19]. La teoria dei sistemi alle derivate parziali del primo ordine ehe genera1izzano qnello di Cauchy-Riemann .lelle fnnzioni armonicbe coniugate e stata largamente considerata da diversi Antori. Per una bibliografia completa cfr. [2], [20J. Nella presente Memoria vengono eonsiderati solo aspetti partieolari di questa teoria, in stretta relazione alle applicazioni ebe se ne fanno alle eqnazioni integrali singolari. Di particolare rilievo e la (21) del cap. II, cbe estende ad un'ampia classe di dominI una formula di maggiorazione nota solo ill casi partico1ari. Il problema della derivata obliqna llel campo reale e per l'operatore di Laplace e stato stndiato dn. Lienard, nell'ampia Memoria [14]. II metodo impiegato nel presente lavol'o ha qualche allalogia COIl quel10 di qnesto Autore. E pero da llotal'e cbe 10 studio del problema llel campo complesso introduce nuove notevoli difficolta. Si nsservi infatti che lIel caso reale " e sempre pari, talcbe lion si presentano a1cuni casi cbe invece oecorre discntel·e nel casu generale in cui p e q so no fllnzioni eomplesse. La dimostrazione espo~t" della formola di iterazione per nil operatore integrale singo1are e diversa da quelle date di soli to, fonda-te suI preventivo conseguimento della formola di Poincare-Bertrand. Considerazioni analogbe, ma meno semlllici di quelle qui svolte trovansi in [23]. La, continllitil in .£(2) (2) per l'operatore integrale singolare trovasi dilllostrata in [17], rna la dimostrazione esposta in q 11 ell a Monografia e meno semplice di quell a cbe per p = 2 e stata data a pag. 85 della presente Memoria. Ritengo non sia stata prima dimostrata la continuita in .£(p) (:2), eon p>l, per lIna arbitra.ria cnrva :2. L'esistenza dell'integrale singo1Hre per funzioni appartenenti ad .£(.1) (:2) e stata eonsegllita da Magenes [15]' La dimostrazinne data in questo lavoro e soltanto relativa al caso ):,(p) (:2) con p> 1, ma mostra, oltre cbe l'esistenza dell'integrale singo1are, la coinciilenza di questo con il prolungalllento de11'operatore, ottenuto per continuith. II contennto del n. 711ft carattere di originalita, dato che viene elaborata, ritengo per la prima volta, nna teoria degli opera tori ridncibili in uno spazio di Banach. MihIin, in [17j, espone lIna t,eoria di tali operatori in uno spazio di Hilbert, rna la dinlOstrazione dell'analogo del teor. XXVIII appare incolllpleta, dato ehe in essa fa illlplicitalllente uso, senza averli dimostrati, degli analoghi dei teorr. XX V e XXVII. La dimostrazione del citato teorema XXVIII estende
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GAWfANO FICHERA
[181')
agli spazi di Banach nn ragionamento svolto da I. N. Vekua [32] per gli operatori integrali sillgolari. II teorema XXIX riso[ve in ipotesi di grande gcncralita il problema dell'eqllivalellza di nn operatore riducibile ad un operatore di Fredholm. Tale questione era stata risolnta da Mihlin nel caso particolare di operatori integrali sillgolnri in uno spazio di Hilbert [18]. II teorema XXXIV stabilisce l:t connessione fra Ia teoria delle eqnaziolli integrali singolari ed H problellla della derivata obliqua. Nelle altre trattaziolli (efr. [17J, [21]) anziche tale problema, si eonsidera qllello cosidetto di RiemannHilbert per Ie fnnzioui olomorfe. Per Ie applicazioni delle eqnaziolli integrali sillgolari ai problemi al eOIltorno per Ie equaziolli ellittiche, qui limitate a pochi cenni, rilllRntiiamo alIa fondamelltale Monogratia [19] di Miranda slllle equa/iolli ellittiche. Cfr. anche
[16J, [21], [23].
La bibliogratia che trovasi alia tille di questa Memoria e solo da ritenersi una integrazione di quelle t'ontellute in [17] e [21], dato che essa mCllzioll1t qnasi escillsivamente i lavori [ti quaJi 8i fa esplieito riferimento Ilel corso del presente lavoro.
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Una introduzione ana teoria delle equazioni ecc.
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GAETANO FICHERA
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Una introduzione alIa teoria delle equazioni ecc.
INDICE
Cap. I - Integrali 8illgo/ari e poieuziali di linea .
1. 2.
3. 4. 5.
Definizione generale di integrale sillgolare 811 una cm·va chinsa . Integrali singolari di tipo ellittico. Integrali singolari di Cauchy e di Hilbert Potenziali di semplice strato Potenziale di dopl'io strato Estensione della teoria Bvolta sni potenziali di linea
Cap. II - II problema della derivata obliqna. 1. 2. 3. 4. 5.
6. 7. 8. 9.
10.
1.
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Ol'eratore differenziale lineare ellittico del secondo ordine Dimostrazione dell'esistenza di una Boluzione fondamentale . l"ullzioni &-'coningat,e Disegnaglianza fOlldamentale per Ie fnnziolli &-coniugate Diseguagliallza duala della diseguaglillllza fondamentale per Ie fllnzioni &-coningate. posizione del problellla della derivata obliqlla 11 caBO 0 11 caso 0 II caso 0 Risnltati concillsivi della discnssione dei vaTI casi nel problema
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83
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83
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»
86 93 103 108
»
109
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109 110 123 129
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138 136 187 140 147
di derivata obliqua
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Cap. III - E'qnazioni iniegmli Bingo lad Bit una curva chiuBa
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153
Classe H e opera tore integrale singolare Forme canoniche dell'operatore singola.re J) AppartenellZlt ad H della fnnzione trasformata Proprietlt degli operatori integrali singolad SuI prolnngamellto dell'operatore illtegrale sillgolare J) a tnt to 10 spazio .t(p) (~)
)} » » ).
153 154 156 160
»
»
169 171
»
172
)} »
183 185
Indice di nn 'l'eoria degli I teoremi di Bingolari Applicazioni
operatore singolare e operatore rielncente operatori ridncibili in UIIO spazio di Banach F. Noether eel S. G. Mihlill per Ie eqnaziolli integrali ai problemi al contorno perle eqllazioni ellittiche.
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