T.C. UZAYLARI VE İNTEGRAL OPERATÖRLERİ

Transkript

1 T.C. AHİ EVRAN ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HARMONİK ANALİZDE LEBESGUE UZAYLARI VE İNTEGRAL OPERATÖRLERİ Süleyman ÇELİK YÜKSEK LİSANS TEZİ MATEMATİK ANABİLİM DALI KIRŞEHİR 206

2 T.C. AHİ EVRAN ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HARMONİK ANALİZDE LEBESGUE UZAYLARI VE İNTEGRAL OPERATÖRLERİ Süleyman ÇELİK YÜKSEK LİSANS TEZİ MATEMATİK ANABİLİM DALI I. DANIŞMAN: Doç. Dr. Ali AKBULUT II. DANIŞMAN: Doç. Dr. Necip ŞİMŞEK KIRŞEHİR 206

3

4 TEZ BİLDİRİMİ Yüksek Lisans tezi olarak sunduğum Harmonik Analizde Lebesgue Uzayları ve İntegral Operatörleri başlıklı çalışmamın akademik kurallara ve etik değerlere uygun olarak yazıldığını, yararlandığım eserlerin kaynaklarda eksiksiz olarak gösterildiğini ve çalışmamın içinde kullanıldıkları her yerde bunlara atıf yapıldığını bildiririm. Süleyman ÇELİK i

5 ÖZET Harmonik Analizde Lebesgue Uzayları ve İntegral Operatörleri Yüksek Lisans Tezi SÜLEYMAN ÇELİK Ahi Evran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Temmuz 206 Bu yüksek lisans tezinde harmonik analizde Lebesgue uzaylarının özellikleri ve bu uzaylarda klasik integral operatörlerinin sınırlılıkları hakkında bilgi verilecektir. Bu tez çalışması dört bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm giriş kısmıdır. İkinci bölümde, tez konusu ile ilgili bazı temel kavram, notasyon ve teoremlere yer verilmiştir. Üçüncü bölümde, Lebesgue uzaylarının özellikleri ile ilgili tanım ve teoremlere yer verilmiştir. Son bölümde Hardy-Littlewood maksimal operatörü, Riesz potansiyel operatörü, singüler integral operatörlerinin L p (R n ) uzayında sınırlılıkları ile ilgili sonuçlara yer verilmiştir. Anahtar Kelimeler : L p (R n ) uzayları, Hardy-Littlewood maksimal operatörü, Riesz potansiyel operatörü, singüler integral operatörleri Tez Yöneticileri : Doç. Dr. Ali AKBULUT, Doç. Dr. Necip ŞİMŞEK Sayfa Adedi : 79 ii

6 ABSTRACT LEBESGUE SPACES AND INTEGRAL OPERATORS IN HARMONIC ANALYSIS Master of Science Thesis SÜLEYMAN ÇELİK Ahi Evran University Institute of Science July 206 In this graduate thesis, informatin about features of Lebesgue spaces and boundedness of classic integral operators will be given. This thesis study consists of four chapters. First chapter is introduction part. In the second chapter, some basic concepts, notations and theorems about thesis are given. In the third chapter, definition and theorems about features of Lebesgue spaces are given. In the last chapter, results about the boundedness of Hardy-Littlewood maximal operator, Riesz potential operators and Singuler integral operators in L p (R n ) spaces are given. Keywords : L p (R n ) spaces, Hardy-Littlewood maximal operator, Riesz potential operators, Singuler integral operators Advisor of Thesis : Assoc. Prof. Dr. Ali AKBULUT, Assoc. Prof. Dr. Necip ŞİMŞEK Number of Pages : 79 iii

7 TEŞEKKÜR Bu yüksek lisans tezini hazırlarken, her ihtiyaç duyduğumda değerli ve derin bilgileriyle bana ışık tutan, yardımlarını esirgemeyen, beni tüm içtenliği ve samimiyetiyle destekleyen, bana emek veren saygı değer hocalarım ve tez danışmanlarım Doç. Dr. Ali AKBULUT ve Doç. Dr. Necip sunarım. ŞİMŞEK e teşekkürlerimi Ayrıca bana destek veren kıymetli hocalarım Prof. Dr. Vatan KARAKAYA ya, Prof. Dr. Vagif S. GULİYEV e de teşekkür ederim. Yine tez çalışmamda emeği geçen Dr. Fatih DERİNGÖZ e, İlkay BİLGİN e ve Kemal KURT a, tez çalışması boyunca zaman ayıramadığım ihmal ettiğim sevgili eşim Yrd. Doç. Dr. Fatma ÇELİK e, çocuklarım Zahid Talha ÇELİK e ve Elif İrem ÇELİK e teşekkürlerimi sunarım. Süleyman ÇELİK iv

8 İÇİNDEKİLER DİZİNİ TEZ BİLDİRİMİ i ÖZET ii ABSTRACT iii TEŞEKKÜR iv SİMGELER VE KISALTMALAR vi GİRİŞ TEMEL KAVRAMLAR VE TEOREMLER Metrik Uzaylar Vektör Uzayları Ölçü Teorisi Ölçülebilir Fonksiyonlar İntegral LEBESGUE UZAYLARI L p (R n ) uzayı Zayıf Lebesgue Uzayı (p, q) Tipli Operatör HARMONİK ANALİZİN KLASİK İNTEGRAL OPERATÖRLERİ Hardy-Littlewood Maksimal Operatörünün L p (R n ) uzayında sınırlılığı Riesz Potansiyelinin L p (R n ) Uzayında Sınırlılığı Singüler İntegral Operatörlerinin Lp (R n ) Uzayında Sınırlığı KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ v

9 SİMGELER VE KISALTMALAR R n Ω x = ( n x 2 j ) 2 j= L p (R n ) W L p (R n ) f L p B(x, r) Q(x, r) M f I α f T Ω f : n boyutlu Reel uzay : R n de açık küme : x vektörünün mutlak değeri : Lebesgue uzayı : Zayıf Lebesgue uzayı : L p (R n ) normu : x merkezli r yarıçaplı yuvarın Lebesgue ölçüsü : x merkezli r yarıçaplı küp : Hardy-Littlewood maximal fonksiyonu : Riesz Potansiyeli : Singüler integral operatörü vi

10 GİRİŞ Fonksiyon uzaylarının modern teorisi S.L. Sobolev, A. Zygmund, S.M. Nikolskii, A. Calderon, V. Mazya, L.D. Kudryavtsev, N. Aronszayn, E.M. Stein, O.V. Besov, P.I. Lizorkin, H. Triebel, V.I. Burenkov gibi dünyaca ünlü matematikçiler tarafından incelenmiştir. Bu teori reel ve fonksiyonel analizin birçok konusuna ve diğer matematiksel disiplinler içinde kısmi diferensiyel denklemler ve matematiksel fizik gibi bir çok alanlara başarıyla uygulanmıştır. L p (R n ) Lebesgue uzayları 958 yılında Fransız matematikçi H. Lebesgue in (Dunford ve Schwartz 958) adıyla matematik dünyasında yer almıştır. Banach uzayıları ve topolojik vektör uzaylarının önemli bir sınıfını L p (R n ) uzayları oluşturur. Lebesgue uzaylarının, harmonik analizin problemlerinin çözülmesinde olduğu gibi kısmi türevli denklemler teorisi ile fizik, istatistik, finans, mühendislik ve ayrıca diğer disiplinlerde bir çok uygulamaları vardır. İntegral ve diferensiyel operatörlerin farklı norm eşitsizlikleri fonksiyon uzaylarının teorisinde ve onların uygulamalarında esaslı öneme sahiptir. Özellikle diferensiyellenebilir fonksiyonların klasik uzayları teorisi (Sobolev uzayları, Besov uzayları, ağırlıklı Besov tipi uzaylar, vb.) bu eşitsizlikler üzerine esaslı olarak inşa edilirler. Yakın zamanlarda integral ve diferensiyel operatörler için norm eşitsizlikleri ile ilgili birçok zor problemler çözülmüştür. Bu sonuçlar fonksiyonel analizin özellikle geniş olarak lineer ve lineer olmayan kısmi diferensiyel denklemlere uygulamaları için temel araçlar olmuştur. Harmonik analizin klasik operatörleri olan maksimal fonksiyon, Riesz potansiyeli ve singüler integral operatörleri de Fourier dönüşümü teorisinde, kısmi türevli denklemler teorisinde, olasılık teorisinde (Markov süreçleri için potansiyel fonksiyonlar ve durağan rasgele süreçlerin spektral yoğunluk fonksiyonları çalışmalarında), fonksiyonel analizde özel olarak operatörlerin interpolasyonu torisinde geniş uygulamalara sahiptir. Calderon-Zygmund singüler integral operatörü Hilbert ve Riesz

11 dönüşümlerinin genelleştirmesidir. Birincisi üst yarı düzlem üzerindeki eşlenik harmonik fonksiyonların sınır değer araştırmalarında ortaya çıkmıştır, diğeri ikinci dereceden eliptik denklem çözümünün regülerliğine karşılık gelmektedir. Bu tez çalışması dört bölümden oluşmaktadır. İkinci bölümde, tez konusu ile ilgili bazı temel kavram, notasyon ve teoremlere yer verilmiştir. Üçüncü bölümde, Lebesgue uzaylarının özellikleri ile ilgili tanım ve teoremlere yer verilmiştir. Son bölümde Hardy-Littlewood maksimal operatörü, Riesz potansiyel operatörü ve singüler integral operatörlerinin L p (R n ) uzayında sınırlılıkları ile ilgili sonuçlara yer verilmiştir. 2

12 2 TEMEL KAVRAMLAR VE TEOREMLER 2. Metrik Uzaylar Tanım 2.. X bir küme ve X kümesi üzerinde tanımlı d : X X R reel değerli fonksiyon olmak üzere, x, y, z X için aşağıdaki özelliklerini sağlıyorsa d fonksiyonuna X üzerinde bir metrik ( uzaklık fonksiyonu) denir. (a ) d(x, y) 0 (a 2 ) d(x, y) = 0 x = y (a 3 ) d(x, y) = d(y, x) (a 4 ) d(x, y) d(x, z) + d(z, y) (Üçgen Eşitsizliği) Bu durumda (X, d) ikilisine bir metrik uzay ve (a ) (a 4 ) özelliklerine de metrik aksiyomları denir. Bir küme üzerinde birden fazla metrik tanımlanabilir. (Kreyszig, 987) Örnek 2..2 X = R, x, y R ve d : R R R, olmak üzere d(x, y) = x y şeklinde tanımlanan d dönüşümü R üzerinde bir metriktir. Bu metriğe R üzerindeki öklid metriği (adi metrik) denir. Örnek 2..3 X bir küme olmak üzere, x, y X için d(x, y) = { 0, x = y, x y şeklinde tanımlanan d dönüşümü X üzerinde bir metriktir. Bu metriğe X üzerindeki ayrık metrik denir. 3

13 Örnek 2..4 R n (veya C n ), n N, tüm sıralı reel (veya kompleks) n-lilerin kümesini göstermek üzere, x = (x, x 2,..., x n ), y = (y, y 2,..., y n ) R n için aşağıda verilen d : R n R n R olmak üzere, ( n d(x, y) = k= x k y k 2 ) /2 şeklindeki d dönüşümüne R n üzerindeki öklid metriği (adi metrik), (R n, d) ikilisine ise n-boyutlu öklid uzayı denir. Örnek 2..5 X bir küme, B(X), X ten R ye tanımlı bütün sınırlı fonksiyonların kümesi ve d : B(X) B(X) R olmak üzere, d(f, g) = sup f(t) g(t) : t X} şeklinde tanımlı d dönüşümü B(X) üzerinde bir metriktir. Örnek 2..6 [a, b] R için C[a, b], [a, b] üzerindeki sürekli ve reel değerli fonksiyonlar kümesi ve d : C[a, b] C[a, b] R olmak üzere, d(f, g) = max{ f(t) g(t) : t X} şeklinde tanımlı d dönüşümü C[a, b] üzerinde bir metriktir. Tanım 2..7 (X, d) metrik uzayında {x n } n= bir dizi ve x 0 X olmak üzere x 0 X noktasına yakınsaktır ε > 0, n ε N n n ε d(x n, x 0 ) < ε ve şeklinde gösterilir. (Kreyszig, 987) x n x 0 veya lim n x n = x 0 (2.) Teorem 2..8 (X, d) metrik uzayında {x n } n= bir dizi ve x 0 X olmak üzere lim x n = x 0 ise, n (i) x 0 limiti tektir. 4

14 (ii) {x n } n= sınırlıdır. (iii) {x n } n= nin her {x n k } k= alt dizisinin limiti de x 0 dır. (iv) Eğer y n y 0 ise bu durumda d(x n, y n ) d(x 0, y 0 ) dir. (Kreyszig, 987) Tanım 2..9 (X, d) metrik uzay x 0 X ve r > 0 bir sayı olsun; B(x 0, r) := {x X : d(x 0, x) < r}, (x 0 merkezli r yarıçaplı bir açık yuvar), B(x 0, r) := {x X : d(x 0, x) r}, (x 0 merkezli r yarıçaplı bir kapalı yuvar), S(x 0, r) := {x X : d(x 0, x) = r}, (x 0 merkezli r yarıçaplı bir yuvar yüzeyi) şeklinde tanımlanır. Eğer {x n } n= B(α, r) olacak şekilde bir B(α, r) açık yuvarı varsa {x n} n= dizisi X metrik uzayında sınırlıdır denir. Ayrıca A B(α, r) olacak şekilde B(α, r) açık yuvarı varsa A X alt kümesine X metrik uzayında sınırlıdır denir. (Kreyszig, 987) Tanım 2..0 (X, d) metrik uzay ve A X olmak üzere, eğer B(x 0, ε) A olacak şekilde bir ε > 0 sayısı varsa x 0 A sayısına A nin bir iç noktası denir. (Kreyszig, 987) Tanım 2.. (X, d) metrik uzay ve Ω X olmak üzere, eğer Ω kümesinin her noktası Ω nın bir iç noktası ise Ω ya (X de) bir açık küme denir. (Kreyszig, 987) Tanım 2..2 (X, d) metrik uzay ve Ω X olmak üzere, (i) ε > 0 sayısı için 0 < d(c, x) < ε olacak şekilde bir x X varsa c X sayısına Ω kümesinin bir yığılma noktası denir. (ii) Eğer bir c Ω noktası Ω nın bir yığılma noktası değilse c elemanına Ω nin izole noktası denir. (Kreyszig, 987) Teorem 2..3 (X, d) metrik uzay ve A X olmak üzere aşağıdaki ifadeler denktir. 5

15 (i) c X noktası A kümesinin bir yığılma noktasıdır. (ii) ε > 0 için B(c, ε) açık yuvarı A kümesinin sonsuz çoklukta elemanını kapsar. (iii) A kümesinde bir {x n } n= vardır ki n N iken x n c ve x n c dir. (Kreyszig, 987) Tanım 2..4 (X, d) metrik uzayı ve F X alt kümesi verilsin. Eğer F tüm yığılma noktalarını kapsıyorsa F ye X te bir kapalı küme denir. (Kreyszig, 987) Teorem 2..5 (X, d) metrik uzay olmak üzere, (i) X teki açık kümelerin herhangi bir kolleksiyonunun birleşimi X te bir açık kümedir. (ii) X teki açık kümelerin herhangi bir sonlu kolleksiyonunun kesişimi X te bir açık kümedir. (Kreyszig, 987) Teorem 2..6 (X, d) metrik uzay olmak üzere, E X alt kümesi X te kapalıdır E c = X \ E (E nin tümleyeni), X te bir açık kümedir. (Kreyszig, 987) Teorem 2..7 (X, d) metrik uzay olmak üzere (il) X teki kapalı kümelerin herhangi bir kolleksiyonunun kesişimi X te bir kapalı kümedir. (ii) X teki kapalı kümelerin herhangi bir sonlu kolleksiyonunun birleşimi X te bir kapalı kümedir. (Kreyszig, 987) Tanım 2..8 A X olmak üzere (i) A kümesinin tüm iç noktalarının kümesine A nın içi denir ve Å şeklinde gösterilir. (ii) A kümesinin noktalarını ve tüm yığılma noktalarını kapsayan kümeye A nın kapanışı denir ve Ā şeklinde gösterilir. (Kreyszig, 987) 6

16 Tanım 2..9 (X, d ) ve (Y, d 2 ) metrik uzaylar A X, c noktası A nin bir yığılma noktası ve l Y olsun. x X ve ε > 0 için d 2 (f(x), l) < ε iken d (x, c) < δ olacak şekilde bir δ > 0 sayısı var ise l Y noktasına f : A Y fonksiyonunun c noktasındaki limiti denir ve lim x c f(x) = l şeklinde gösterilir. Burada c noktasının A kümesine ait olması gerekmez. (Kreyszig, 987) Tanım (X, d ) ve (Y, d 2 ) metrik uzaylar ve c X olmak üzere, f : X Y fonksiyonunu göz önüne alalım. Eğer ε > 0 için d (x, c) < δ iken d 2 (f(x), f(c)) < ε olacak şekilde bir δ > 0 sayısı var ise f fonksiyonu c noktasında süreklidir denir. Eğer f fonksiyonu X in her noktasında sürekli ise bu durumda f ye X uzayında süreklidir denir. (Kreyszig, 987) Tanım 2..2 (X, d ) ve (Y, d 2 ) metrik uzaylar olsun. f : X Y fonksiyonunu alalım, eğer ε > 0 için d (x, x 2 ) < δ iken d 2 (f(x ), f(x 2 )) < ε olacak şekilde bir δ > 0 sayısı var ise f fonksiyonu X te düzgün süreklidir denir. Düzgün sürekli olan bir fonksiyon aynı zamanda süreklidir ancak tersi doğru değildir. (Kreyszig, 987) Tanım (X, d) metrik uzay olsun.{x n } n=, X te bir dizi olsun. ε > 0 ve m > n n 0 için d(x m, x n ) < ε olacak şekilde bir n 0 sayısı varsa {x n } n= dizisine bir Cauchy dizisi denir. (Kreyszig, 987) Teorem (X, d) metrik uzay olsun. {x n } n=, X te bir yakınsak dizi ise {x n } n= bir Cauchy dizisi olur. Bu teoremin tersi R ve C kümelerinde öklid metriğine göre doğru olmakla birlikte genel olarak doğru değildir. (Kreyszig, 987) Lemma (X, d) metrik uzayında {x n } n= bir dizi ve k N için x n k dizisi {x n } n= nin bir altdizisi olsun. Eğer x n k x ise bu durumda x n x dir. 7

17 (Kreyszig, 987) Tanım (X, d) metrik uzay ve A X olsun, A daki her Cauchy dizisi A daki bir noktaya yakınsıyor ise A kümesine tamdır denir. (Kreyszig, 987) Tanım (X, d) metrik uzayındaki her Cauchy dizisi X teki bir noktaya yakınsıyor ise (X, d) metrik uzayına tam metrik uzay denir. (Kreyszig, 987) Tanım (X, d) metrik uzay ve A X olsun, eğer A daki her dizi, limiti A da olan yakınsak bir alt diziye sahip ise A kümesine kompakt küme denir. Eğer X kompakt ise (X, d) metrik uzayı kompakt olur. (Kreyszig, 987) Bir A X alt kümesinin kompaktlığı, X uzayında tanımlanan metriğe bağlıdır, örneğin [0, ] R alt kümesi, R deki öklid metriğe göre kompakttır; ancak ayrık metriğe göre kompakt değildir. (Kreyszig, 987) Tanım (X, d) metrik uzay ve A X olsun. X = Ā ise A kümesine X te yoğun küme denir. (Kreyszig, 987) Örnek Q sayılar kümesi R kümesinde yoğundur; ancak Z sayılar kümesi R kümesinde yoğun değildir. 2.2 Vektör Uzayları Tanım 2.2. V bir küme ve F bir cisim olmak üzere, + : V V V, (x, y) x + y : F V V, (λ, x) = λx dönüşümleri ile sırasıyla vektörel toplama ve skalerle çarpma işlemlerini tanımlanır. x, y, z V ve λ, µ F için aşağıdaki koşullar sağlansın: i. x + y = y + x ii. x + (y + z) = (x + y) + z 8

18 iii. x V için x + 0 = x eşitliğini sağlayan bir tek 0 V vardır. iv. x V için x + ( x) = 0 eşitliğini sağlayan bir tek x V vardır. v. x V için x = x vi. λ(x + y) = λx + λy vii. (λ + µ)x = λx + µy viii. (λµ)x = λ(µx) Bu durumda V ye F cismi üzerinde bir vektör uzayı (lineer uzay), elemanlarına ise vektör (nokta) denir. V = R alınırsa V ye bir reel vektör uzayı, V = C alınırsa V ye bir kompleks vektör uzayı denir. (Pick, Kufner ve ark. 202) Tanım V, F cismi üzerinde bir vektör uzayı ve = W V bir alt kümesi olsun. Eğer W, V vektör uzayındaki toplama ve skalerle çarpma işlemlerine göre bir vektör uzayı oluşturuyorsa W ye V nin bir (lineer) alt uzayı denir. (Pick, Kufner ve ark. 202) Teorem W V kümesinin V nin bir alt uzayı olabilmesi için gerek ve yeter koşul y, y 2 W ve λ, λ 2 F için λ y + λ 2 y 2 W olmasıdır. (Pick, Kufner ve ark. 202) Tanım V, F cismi üzerinde bir vektör uzayı olsun. : V R, x x dönüşümü x, y V ve λ F için aşağıdaki özellikler sağlanıyor ise V üzerinde bir norm tanımlanmış olur. (n ) x 0 (n 2 ) x = 0 x = 0 (n 3 ) λx = λ x (n 4 ) x + y x + y (Üçgen Eşitsizliği). 9

19 Bu durumda (V, ) ikilisine bir normlu vektör uzayı ve (n ) (n 4 ) özelliklerine ise norm aksiyomları denir. Eğer V = R ve V = C ise sırasıyla reel normlu uzay, kompleks normlu uzay olur. Bir vektör uzayı üzerinde birden fazla normlu uzay tanımlanabilir. (Pick, Kufner ve ark. 202) Örnek n N için R n öklid vektör uzayı ( n ) /2 x = x k 2, x = (x, x 2,..., x n ) R n k= şeklinde tanımlı : R n R dönüşümü ile bir normlu uzaydır. Bu uzaya R n deki öklid (adi) normu denir. Örnek l p, ( p < ) uzayı ( ) /p x lp = x k p şeklinde tanımlı lp : l p R dönüşümü ile bir normlu uzaydır. k= Tanım Her normlu vektör uzayından d(x, y) = x y, x, y V şeklinde bir metrik elde edilebilir. Bu metriğe normu tarafından üretilen metrik ( normunun indirgediği metrik) denir. (Rudin, 99) Teorem V, F cismi üzerinde tanımlı bir vektör uzayı olsun. : V R şeklinde tanımlı her norm dönüşümü V vektör uzayı üzerinde süreklidir. (Rudin, 99) Teorem F cismi üzerinde tanımlı herhangi bir V normlu vektör uzayında vektörel toplama ve skalerle çarpma dönüşümleri süreklidir. (Rudin, 99) 0

20 Tanım V, F cismi üzerinde tanımlı bir vektör uzayı olsun. x V için k x x 2 K x olacak şekilde k, K R pozitif sayıları varsa V üzerinde tanımlı ve 2 normlarına denk normlar denir. (Rudin, 99) Tanım 2.2. {x n } n=, (V, ) normlu uzayında bir dizi ve x 0 V olsun. Eğer lim x n x 0 = 0 n olursa x n dizisi x 0 noktasına yakınsıyor denir ve x n x 0 veya lim n x n = x 0 şeklinde gösterilir. Normlu uzayda tanımlanan bu yakınsamaya norma göre yakınsama denir. (Rudin, 99) Tanım (V, ) normlu uzayı içinde bir dizi {x n } n= olsun. ε > 0 için m, n n ε iken x n x m < ε olacak şekilde ε a bağlı bir n ε doğal sayısı varsa {x n } n= dizisine bir Cauchy dizisi denir. (Rudin, 99) Tanım Bir (V, ) normlu uzayı içindeki her Cauchy dizisi V içindeki bir noktaya yakınsıyor ise bu (V, ) normlu uzayına Banach Uzayı adı verilir. (Rudin, 99) Örnek V = R n (veya V = C n ) vektör uzayı (i) x = n x i i= ( n ) /p (ii) x p = x i p, p <, i= (iii) x = max{ x i : i =, 2,..., n} normlarına göre birer Banach uzayıdır. Örnek V = R (veya V = C)olmak üzere F üzerinde tanımlı V vektör uzayı normuna göre bir Banach uzayıdır. f C[a,b] = max t [a,b] f(t)

21 2.3 Ölçü Teorisi Tanım 2.3. H X kümesinin sınıfı için aşağıdaki özellikler sağlanıyor ise bu H sınıfına bir halka adı verilir. (i) A, B H, (ii) A, B H, A \ B H A B H Eğer (ii) yerine k N, A k H A k H şartı sağlanırsa bu durumda H halkasına bir σ - halka denir. (Royden, 968) k= Tanım X kümesindeki A sınıfı için aşağıdaki özellikler sağlanırsa bu A sınıfına X kümesi üzerinde bir cebir adı verilir. (i) X A (ii) E A, E c = X\E A (iii) k =, 2,..., n, E k A n k= E k A Eğer (iii) yerine n N, E n A E k A (2.2) şartı sağlanırsa bu durumda A cebirine bir σ-cebir adı verilir. (Royden, 968) n= Örnek X bir küme ve A = P(X) olsun. A, X üzerinde bir σ- cebirdir. Örnek X = N, A = {, {, 3, 5,..., 2n,...}, {2, 4, 6,..., 2n,...}, N} şeklinde tanımlanırsa A sınıfı, X kümesi üzerinde bir σ- cebirdir. Örnek X bir sonsuz küme ve A sınıfıda X in tüm sonlu alt kümelerinin bir sınıfı olsun. A sınıfı, X üzerinde bir σ- cebiri değildir. Çünkü E A ise E sonludur. Dolayısıyla, E c sonsuzdur, aksi durumda X kümesi sonlu olurdu. O halde E c A dır. 2

22 Teorem X kümesindeki σ- cebirlerin herhangi sayıdaki kesişimleri yine bir σ- cebiridir. (Royden, 968) Teorem K X kümesinin bir sınıfı olsun. K sınıfını kapsayan σ- cebirlerinin bir en küçüğü vardır. (Royden, 968) Tanım Bir K sınıfını kapsayan σ- cebirlerinin en küçüğüne K nın ürettiği (doğurduğu) σ- cebiri denir, D(K) ile gösterilir. R n deki bütün açık (a, b) aralıklarının doğurduğu σ- cebirine Borel Cebiri denir ve B (R n ) ile gösterilir. n = olması halinde B(R ) Borel cebiri B(R) ile gösterilir. B(R n ) nin herbir elemanına bir Borel Kümesi denir. (Royden, 968) Örnek X = R = R {, + } ve E de bir Borel kümesi olsun. E = E { }, E 2 = E {+ } ve E 3 = E {, + } olsun. E kümesi B(R) Borel cebirini taradığında E, E, E 2, E 3 kümelerinin sınıfı B(R) olsun. B(R) bir σ-cebiridir. Bu σ- cebirine Genişletilmiş Borel Cebiri adı verilir. Tanım X bir küme ve A da X üzerinde bir σ- cebiri olsun. (X, A) ikilisine bir ölçülebilir uzay, A daki her kümeye A-ölçülebilir uzay (ölçülebilir küme) adı verilir. (Stein, Shakarchi 2005) Tanım 2.3. (X, A) bir ölçülebilir uzay olsun.a üzerinde tanımlı genişletilmiş reel değerli bir µ fonksiyonu (i) µ( ) = 0 (ii) A A, µ(a) 0 (iii) Her ayrık (A n ) dizisi için µ( A n ) = µ(a n ) n= özelliklerini sağlarsa bu fonksiyona bir ölçü fonksiyonu veya kısaca ölçü adı verilir. A A, µ(a) < ise µ ye bir sonlu ölçü adı verilir. X kümesi herbiri sonlu ölçüye sahip sayılabilir adetteki kümelerin birleşimi olarak yazılabiliyorsa µ ölçüsü 3 n=

23 σ- sonludur denir. Eğer µ(x) = ise bu ölçüye olasılık ölçüsü adı verilir. (Stein, Shakarchi 2005) Örnek X ve A = P(X) olsun. E A, µ(e) = 0 biçiminde tanımlanan µ fonksiyonu bir sonlu ölçü ve dolayısıyla bir σ- sonlu ölçüdür. Örnek X ve A = P(X) olsun. E A için µ(e) = { 0, E = +, E (2.3) biçiminde tanımlanan µ fonksiyonu bir ölçüdür. Bu ölçü ne sonlu ne de σ- sonludur. Tanım Bir X kümesi, X in alt kümelerinin bir A σ- cebiri ve A üzerinde tanımlı bir µ ölçüsünden oluşan (X, A, µ) ölçüsüne bir ölçü uzayı adı verilir. (Stein, Shakarchi 2005) Teorem (X, A, µ) bir ölçü uzayı olsun. Eğer A, B A ve A B = µ(a) µ(b) şeklindedir. Ayrıca, dır. (Stein, Shakarchi 2005) µ(a) < = µ(b\a) = µ(b) µ(a) (2.4) Teorem (X, A, µ) bir ölçü uzayı olsun.. (A n ), A daki elemanların artan bir dizisi ise dır. µ( n= A n ) = lim n µ(a n ) (2.5) 4

24 2. (B n ), A daki elemanların bir azalan dizisi ve µ(b ) < ise dır. (Rudin, 987) µ( n= B n ) = lim n µ(b n ) (2.6) Sonuç (X, A, µ) bir ölçü uzayı olsun.. (A n ), A daki elemanların bir artan dizisi ise dır. µ( lim n A n ) = lim n µ(a n ) (2.7) 2. (B n ), A daki elemanların bir azalan dizisi ve µ(b ) < ise dır. (Rudin, 987) µ( lim n B n ) = lim n µ(b n ) (2.8) Teorem (X, A, µ) bir ölçü uzayı olsun. (A n ), A ya ait kümelerin herhangi bir dizisi ise dır. (Rudin, 987) µ( A k ) k= µ(a k ) (2.9) k= Tanım X bir küme ve P(X) de X in kuvvet kümesi olsun. P(X) üzerinde tanımlı genişletilmiş reel değerli bir µ fonksiyonu (i) µ ( ) = 0 (ii) E P(X), µ (E) 0 (iii) A B X µ (A) µ (B) (iv) n N, A n P(X) µ ( ) µ (A n ) n= şartları sağlanırsa µ fonksiyonuna X kümesinde bir dış ölçüsüdür denir. 5 n=

25 Ölçü ve dış ölçü tanımları göz önüne alınırsa ne ölçünün ne de dış ölçünün bir ölçü olması gerekmediği görülür. Dış ölçü, ölçü fonksiyonunun sağladığı pek çok özelliği sağladığı için bu ad verilmiştir. Bir ölçünün bir dış ölçü olabilmesi için onun tanım kümesinin P(X) kuvvet kümesi olması gerekir. (Stein, Shakarchi 2005) Örnek X herhangi bir küme ve P(X) üzerinde tanımlanan µ (A) = { 0, A =, A (2.0) fonksiyonu bir ölçü olmayıp bir dış ölçüdür. Örnek X herhangi bir sonsuz küme ve P(X) üzerinde tanımlanan µ (A) = { 0, n(a) <, n(a) = (2.) fonksiyonu bir dış ölçü değildir. Bilindiği gibi, bir I aralığının l(i) uzunluğu o aralığın uç noktalarının farkı olarak tanımlanır. Yani I = [a, b] (veya (a,b), (a,b], [a,b)) aralığının boyu l(i) = b a dır. Uzunluk bir küme fonksiyonuna (bir koleksiyondaki herbir kümeye bir genişletilmiş reel sayı karşılık getiren fonksiyon) bir örnektir. Bu durumda uzunluğun tanım kümesi aralıklar koleksiyonu, değer kümesi de genişletilmiş reel sayılar kümesidir. Burada uzunluk kavramı, aralıklardan daha karışık kümeler için tanımlanacaktır. Örneğin açık bir kümenin uzunluğunu, bu kümeyi oluşturan açık, ayrık aralıkların uzunlukları toplamı olarak tanımlanır. Bir λ fonksiyonu, R nin alt kümelerinin bir M sınıfı üzerinde tanımlı olsun ve aşağıdaki özellikleri sağlasın: I. λ, R nin herbir E alt kümesi üzerinde tanımlı olsun, yani olsun. M := P(R) II. Her bir I aralığı için λ(i)=l(i) olsun. 6

26 III. Eğer (E n ) bir ayrık dizi ve λ bunların herbiri üzerinde tanımlı ise olsun. λ( E n ) = λ(e n ) n= n= IV. λ öteleme altında invaryant olsun. Yani λ fonksiyonu, E ve kümeleri üzerinde tanımlı olduğunda E + y := {x + y : x E} olsun. λ(e + y) = λ(e) (I)-(IV) özelliği sağlayan bir küme fonksiyonu tanımlamak mümkün değildir. Bugüne kadar ilk üç şartı sağlayan bir küme fonksiyonu bilinmemektedir. Bundan dolayı bu üç şartın birinden vazgeçmek gerekmektedir. O halde (II), (III), (IV) şartlarını bırakıp, (I) şartını değiştirmek daha uygundur. Burada yapılması gereken değişiklik λ fonksiyonunu tüm alt kümeler üzerinde tanımlamayıp daha dar σ- cebiri üzerinde tanımlamaktır. Yani M olarak P(R) kuvvet kümesi değil, üzerinde λ fonksiyonunu tanımlayabilecek uygun bir σ- cebiri almaktır. Şimdi Lebesgue dış ölçü tanımını verelim. Tanım (I k ), R nin sınırı ve açık alt aralıklarının bir dizisi, T A = {(I k ) : A I k } olsun. P(R) üzerinde λ (A) = inf{ l(i k ) : (I k ) T A } (2.2) k= biçiminde tanımlanan λ bir dış ölçüdür. Bu dış ölçüye Lebesgue dış ölçüsü adı verilir. (Rudin, 987) 7 k=

27 Teorem Lebesgue dış ölçüsü R nin herbir alt aralığına onun uzunluğunu karşılık getirir, yani I R bir aralık ise λ (I) = l(i) dır. (Rudin, 987) Teorem R n üzerindeki Lebesgue dış ölçüsü herbir aralığa onun hacmini karşılık getirir. (Rudin, 987) Sonuç A sayılabilir küme ise λ (A) = 0 dır. Sonuç [0, ] kümesi sayılamayan bir kümedir. Tanım X bir küme µ da X üzerinde bir dış ölçü olsun. Eğer X in herbir A alt kümesi için µ (A) = µ (A E) + µ (A E c ) (2.3) ise X in E alt kümesi µ - ölçülebilir (µ ye göre ölçülebilir) denir. µ fonksiyonunun alt toplamsallık özelliği de denilen µ ( A k ) µ (A k ) özelliğinden, X in bütün A ve E alt kümeleri için µ (A) µ (A E) + µ (A E c ) olacağından bir E kümesinin µ - ölçülebilir olması için herbir A X için µ (A) µ (A E) + µ (A E c ) (2.4) eşitsizliğinin sağlandığını göstermek yeterlidir. Ayrıca, eğer µ (A) = + ise (2.4) eşitsizliğinin sağlanacağı açıktır. O halde X in bir E alt kümesinin µ - ölçülebilir olduğunu göstermek için X in µ (A) < + 8

28 şartını sağlayan herbir A alt kümesi için (2.4) eşitsizliğinin sağlandığı göstermek yeterlidir. (Stein, Shakarchi 2005) Teorem X bir küme ve µ da X üzerinde bir dış ölçü olsun. X in herbir E alt kümesi için µ (E) = 0 veya µ (E c ) = 0 ise E kümesi µ - ölçülebilirdir. (Stein, Shakarchi 2005) Sonuç ve X, X üzerinde tanımlanan her dış ölçüye göre ölçülebilirdir. Özel olarak ve R kümeleri λ Lebesgue dış ölçüsüne göre ölçülebilirdir. (Stein, Shakarchi 2005) Teorem E ve E 2, µ - ölçülebilir kümeler ise E E 2 de µ - ölçülebilirdir. (Stein, Shakarchi 2005) Teorem X bir küme µ X üzerinde bir dış ölçü ve M(X, µ ) da X üzerinde µ - ölçülebilir kümelerin sınıfı olsun.. M(X, µ ) bir σ- cebiridir. 2. µ ın M(X, µ ) sınıfına kısıtlanması bir ölçüdür. Lebesgue dış ölçüsü olan λ ın M(R, λ ) sınıfına ve B(R) sınıfına olan kısıtlamasına Lebesgue Ölçüsü denir ve λ ile gösterilir. İkisini birbirinden ayırmak gerektiğinde, üzerinde Lebesgue ölçüsünün tanımladığı sınıf belirtilir. B(R) üzerindeki Lebesgue ölçüsü veya M üzerindeki Lebesgue ölçüsü gibi. Bazen de Borel kümeleri üzerinde tanımlı Lebesgue ölçüsü şeklinde ifade edilir. (Royden, 968) Lemma a R için (a, + ) aralığı λ dış ölçüsüne göre ölçülebilirdir. (Royden, 968) Teorem Herbir Borel kümesi λ ölçülebilirdir. (Royden, 968) 9

29 2.4 Ölçülebilir Fonksiyonlar Bu bölümde reel değerli fonksiyonların ölçülebilirliği ayrıca genişletilmiş reel değerli fonksiyonlarla ile ilgili tanım ve teoremlere yer verilecektir. Tanım 2.4. (X, A) bir ölçülebilir uzay olsun. f : X R fonksiyonu ölçülebilidir α R için f ((α, + )) = {x X : f(x) > α} A. Şimdi yukarıdaki tanımda geçen kümelerin şeklini değiştirmeye olanak veren bir lemmayı ifade edelim. (Stein, Shakarchi 2005) Lemma (X, A) bir ölçülebilir uzay olsun. f : X R fonksiyonu için aşağıdaki önermeler denktir.. α R, A α = {x X : f(x) > α} A 2. α R, B α = {x X : f(x) α} A 3. α R, C α = {x X : f(x) α} A 4. α R, D α = {x X : f(x) < α} A (Stein, Shakarchi 2005) Örnek Her sabit fonksiyon bir ölçülebilir fonksiyondur. Gerçekten, x R için f(x) = c ise α c için {x X : f(x) > α} = A ve α < c için {x X : f(x) > α} = X A olur. (Rudin, 987) 20

30 Örnek X = R ve A = B(R) olsun. Sürekli her f : R R fonksiyonu (Borel) ölçülebilirdir. Gerçekten, f sürekli olduğunda α R için {x R : f(x) > α} = f ((α, )) kümesi R de bir açık kümedir. Her açık küme Borel cebirine ait olduğundan {x R : f(x) > α} B(R) olup Borel ölçülebilirdir. (Rudin, 987) Teorem f ve g ölçülebilir fonksiyonlar ve c R olsun. cf, f 2, f + g, f.g, f fonksiyonları da ölçülebilirdir. (Rudin, 987) Tanım (X, A) bir ölçülebilir uzay ve A A olsun. f : A R ölçülebilirdir α R için {x A : f(x) > α} A Lemma deki denklemlerin f : A R fonksiyonu için de doğru olacağı açıktır. Bu tanımların benzerleri genişletilmiş reel değerli fonksiyonlar için de verilebilir. (Rudin, 987) Tanım (X, A) bir ölçülebilir uzay ve A A olsun. f : A R ölçülebilirdir α R için f ((α, + ]) = {x A : f(x) > α} A olmalıdır. X kümesi üzerinde tanımlı, genişletilmiş reel değerli A ölçülebilir bütün fonksiyonların kümesi M(X, A) ile gösterilir. Eğer f M(X, A) ise A = {x X : f(x) = + } = {x X : f(x) > n} n= 2

31 B = {x X : f(x) = } = {x X : f(x) n} n= ( = {x X : f(x) > n} n= olacağından A ve B ölçülebilirdir. (Royden, 968) ) c Teorem f : A R ölçülebilirdir A = {x X : f(x) = + }, kümelerinin ve B = {x X : f(x) = } f (x) = { f(x), x A B 0, x A B (2.5) biçiminde tanımlanan reel değerli f fonksiyonunun ölçülebilir olmasıdır. (Stein, Shakarchi 2005) Tanım B(R n ) Borel cebirine göre ölçülebilen bir fonksiyona Borel ölçülebilir fonksiyon (Borel fonksiyonu) adı verilir. M(R, λ ) σ- cebirine göre ölçülebilen bir fonksiyona Lebesgue ölçülebilir fonksiyon denir. R nin Borel kümesi olmayan fakat Lebesgue ölçülebilir alt kümeleri mevcut olduğundan, R de herbir Borel ölçülebilir fonksiyon Lebesgue ölçülebilirdir. (Stein, Shakarchi 2005) Tanım f : A R olsun. f + (x) = max{f(x), 0} f (x) = max{ f(x), 0} biçiminde tanımlanan f + ve f fonksiyonları da X üzerinde tanımlı ve negatif olmayan fonksiyonlardır. f + fonksiyonuna f nin pozitif parçası, f fonksiyonuna da 22

32 f nin negatif parçası denir. O halde tanımdan, bağıntıları mevcuttur. (Royden, 968) f = f + f, f = f + + f, f + = 2 ( f + f), f = ( f f) 2 Teorem 2.4. f : A R ölçülebilirdir f + ve f fonksiyonlarının ölçülebilir olmasıdır. (Royden, 968) Teorem (X, A) bir ölçülebilir uzay ve A A olsun. f, g : A R ölçülebilir olsunlar. Bu durumda {x A : f(x) < g(x)}, {x A : f(x) g(x)}, {x A : f(x) = g(x)} kümeleri ölçülebilirdir. (Royden, 968) Teorem (X, A) bir ölçülebilir uzay ve A A olsun. f, g : A R ölçülebilir ise (f g) ve (f g) fonksiyonları ölçülebilirdir. (Royden, 968) Teorem (f n ), A A üzerinde tanımlı, R- değerli ölçülebilir fonksiyonların bir dizisi ise sup f n ve inf f n fonksiyonları da ölçülebilirdir. (Royden, 968) n N n N Teorem (X, A) bir ölçü uzayı ve A A olsun. (f n ), A üzerinde tanımlı R- değerli ölçülebilir fonksiyonların bir dizisi ise lim inf n ölçülebilirdir. f n ve lim sup f n fonksiyonları n Ayrıca tanım kümesi A 0 = {x A : lim sup f n (x) = lim inf f n(x)} olan lim f n n n n fonksiyonu da ölçülebilirdir. (Royden, 968) 2.5 İntegral Bu bölümde önce negatif olmayan ölçülebilir basit fonksiyonların integrali, daha sonra da negatif olmayan, R- reel değerli, ölçülebilir fonksiyonların integrali ile 23

33 ilgili bilgiler verilecektir. Daha sonra da R-değerli fonksiyonların integrali üzerinde durulacaktır. Önce basit fonksiyonun tanımını verelim. Tanım 2.5. Görüntü kümesi sonlu elemandan oluşan ϕ fonksiyonuna basit fonksiyon adı verilir. (Royden, 968) ϕ reel değerli bir basit fonksiyon ve χ Ek, E k kümesinin karakteristik fonksiyonu olmak üzere n ϕ = a k χ Ek, a k R (2.6) biçiminde yazılabilir. Eğer ϕ fonksiyonu X üzerinde tanımlı ise n E k = X k= k= dir. Burada E k kümelerinin seçilişi tek olmadığından ϕ nin (2.6) tipindeki gösterimi tek değildir. Eğer a, a 2,..., a m sayıları ϕ nin X üzerinde aldığı farklı değerler ve E k = x X ve f(x) = a k seçilirse E k kümeleri ayrık olur. Bu durumda n ϕ = a k χ Ek k= gösterimine ϕ fonksiyonunun standart gösterimi adı verilir. X üzerinde tanımlı, reel değerli, A ölçülebilir basit fonksiyonların kümesi S = S(X, A), S deki negatif olmayan fonksiyonların kümesi S + ile gösterilir. (Royden, 968) Tanım (X, A, µ) bir ölçü uzayı olsun a k lar negatif olmayan reel sayılar A, A 2,..., A n ler A ya ait olmak üzere n n A k = X ve ϕ = a k χ Ek (2.7) k= k= gösterimine sahip bir ϕ S + fonksiyonunun µ ölçüsüne göre integrali n ϕdµ = a k µ(a k ) (2.8) X k= dir. 24

34 Bu tanıma göre ϕ nin µ ye göre integrali ya negatif olmayan bir reel sayı ya da µ ölçüsünün sonlu olmayan bir ölçü olması haline karşılık gelen + değeridir. Belirtelim ki, ϕ fonksiyonunun µ ye göre integrali ne a k sayılarına ne de A k kümelerine bağlıdır. Bununla ilgili olarak şu teoremi verebiliriz. (Royden, 968) Teorem (X, A, µ) bir ölçü uzayı ϕ S + (X, A) ve A k lar ayrık olmak üzere ϕ nin bir gösterimi ϕ = n k= a k χ Ak olsun. ϕ nin µ ölçüsüne göre integrali ne a k sayılarına ne de A k kümelerine bağlıdır. (Royden, 968) Şimdi negatif olmayan basit fonksiyonların integraline ait temel özellikleri verelim. Teorem (X, A, µ) bir ölçü uzayı ϕ S +, Ψ S + ve c 0 olsun. Bu durumda (i) c.ϕdµ = c ϕdµ X X (ii) (ϕ + Ψ)dµ = ϕdµ + Ψdµ X X X (iii) x X için ϕ(x) Ψ(x) ise ϕdµ Ψdµ dir. X X (Royden, 968) Tanım (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve f M + (X, A) olsun. f fonksiyonunun µ ölçüsüne göre integrali fdµ = sup ϕdµ : ϕ S + ve ϕ f (2.9) X X genişletilmiş reel sayısıdır. E A olsun. f nin µ ye göre E üzerindeki integrali fdµ = f.χ E dµ. (2.20) X X sayısıdır. (Royden, 968) Teorem f, g M + (X, A) ve E, F A olsun. 25

35 (i) x X için f(x) g(x) ise fdµ gdµ dir. X X (ii) E F ise E fdµ F fdµ dir. (Royden, 968) Şimdi integral teorisinin temel teoremlerinden birini ifade edelim. Teorem [Monoton Yakınsaklık Teoremi] (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve (f n ) de M + (X, A) daki fonksiyonların monoton artan bir dizisi olsun. (f n ) dizisi f fonksiyo-nuna yakınsak ise X fdµ = lim n X f n dµ (2.2) dir. (Pick, Kufner ve ark. 202) Teorem (Lebesgue Baskın Yakınsaklık Teoremi) (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve (f n ) de M + (X, A) daki fonksiyonların bir dizisi olsun. f n (x) g(x), h.h. x X olacak şekilde g integrallenebilir bir fonksiyon olsun. (f n ) dizisi f fonksiyonuna yakınsak ise n N için f n ve f integrallenebilirdir ve dır. (Pick, Kufner ve ark. 202) X fdµ = lim n X f n dµ Lemma (X, A) bir ölçülebilir uzay, A A ve f : A R fonksiyonu ölçülebilir olsun. Bu taktirde A üzerinde tanımlı R-değerli, ölçülebilir basit fonksiyonların öyle bir artan (ϕ n ) dizisi vardır ki lim n ϕ n = f dir. Eğer f sınırlı ise bu yakınsama düzgündür. (Royden, 968) Teorem (i) f M + ve c 0 ise cf M + olup, cfdµ = c fdµ X X dir. 26

36 (ii) f, g M + ise f + g M + olup, (f + g)dµ = fdµ + gdµ X X X dır. (Royden, 968) Teorem 2.5. (Fatou Lemması) (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve f n de M + (X, A) daki fonksiyonların bir dizisi ise lim inf f ndµ lim inf n n dır. (Royden, 968) X X f n dµ (2.22) Teorem (Beppo-Levi Teoremi) (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve f k da X üzerinde tanımlı [0, + ] değerli,ölçülebilir fonksiyonların bir serisi olsun. Bu durumda ( ) f k dµ = f k dµ (2.23) dir. (Royden, 968) X k= k= X Tanım (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve f M(X, A) olsun. Eğer f + dµ ve X f dµ integrallerinin her ikisi de sonlu ise f fonksiyonu X üzerinde integrallenebilirdir X denir. Bu integral fdµ = f + dµ f dµ reel sayısıdır. X X X X üzerinde µ ölçüsüne göre integrallenebilen fonksiyonların sınıfı L = L(X, A, µ) ile gösterilir. (Royden, 968) Teorem (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve f M(X, A) olsun. Bu durumda f L f L dır ve bunların biri gerçeklendiğinde fdµ olur. (Royden, 968) X X f dµ 27

37 Teorem (Tchebichev Eşitsizliği) (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve f : X [0, + ] fonksiyonu ölçülebilir olsun. α > 0 için A α = {x X : f(x) α} denirse µ(a α ) α A α fdµ α X fdµ dır. (Royden, 968) Teorem (X, A, µ) bir ölçü uzayı, f ile g, X üzerinde integrallenebilen reel değerli fonksiyonlar ve α herhangi bir reel sayı olsun. Bu durumda (i) αf L ve f + g L (ii) αfdµ = α fdµ X X (iii) (f + g)dµ = fdµ = fdµ + gdµ X X X X dır. (Royden, 968) Tanım f ölçülebilir bir fonksiyon olmak üzere her kompakt K kümesi üzerinde f dµ < K ise f fonksiyonuna lokal integrallenebilirdir denir. (Royden, 968) 28

38 3 LEBESGUE UZAYLARI Fonksiyonel analizde, Banach uzayı nın ve topolojik vektör uzaylarının önemli bir sınıfını Lebesgue uzayı (L p (R n ) uzayı) oluşturur. Harmonik analizin önemli konularından biri olan L p (R n ) uzayı nın, harmonik analizin iç problemlerinin çözülmesinde olduğu gibi kısmi türevli denklemler teorisi ile fizik, istatistik, finans, mühendislik ve ayrıca diğer disiplinlerde uygulamaları vardır. 3. L p (R n ) uzayı Tanım 3.. x = (x,..., x n ) ve y = (y,..., y n ), R n de vektörler olmak üzere R n, n boyutlu Öklidyen uzayı (x, y) = n x j y j iç çarpımı ile donatılmış R n, n boyutlu reel uzayıdır. Burada x vektörünün mutlak değeri x = tanımlanır. j= ( n x 2 j j= ) 2 ile R n üzerinde dx = dx...dx n ile Lebesgue ölçüsü ve R n uzayı üzerinde f fonksiyonunun (Lebesgue) integrali f (x) dx = f (x,..., x n ) dx...dx n ile gösterilir. Çok katlı integrali kutupsal koordinatlarda ifade etmek çoğu kez kullanışlı olmaktadır. r = x olsun ve S n = {x : x = } ile birim küreyi gösterelim. f ( x ) dx integralinin hesabı için; R n 0 r <, 0 θ,..., θ n 2 π, 0 θ n 2π olmak üzere x = r cos θ x 2 = r sin θ cos θ 2 x 3 = r sin θ sin θ 2 cos θ 3 29

39 ... x n = r sin θ sin θ 2... sin θ n dönüşümü yapılır. Bu dönüşümün Jakobiyeni n J (r, θ,..., θ n ) = r n (sin θ j ) n j olarak hesaplanır. f ( x ) dx = R n = j= π π 2π f (r) J (r, θ) drdθ...dθ n 0 0 π π r n f (r) dr... 2π n j= = ω n f (r) r n dr elde edilir, burada ω n, birim kürenin yüzey alanıdır. 0 (sin θ j ) n j dθ...dθ n Genel olarak R n f ( x ) dx = = 0 S n f (r sin θ,..., r sin θ... sin θ n ) r n drdθ...dθ n f (r, θ) r n drdσ 0 S n biçiminde yazılır. dx hacim elemanı dx = r n drdσ biçiminde yazılır. Burada dσ, S n üzerinde dx tarafından belirlenen yüzey ölçüsüdür. Ayrıca; B(x, r) = dy = dy = dz = B(0, r) ve B(x,r) {x R n ; x y <r} {z R n : z <r} B(x, r) = dz = r t n dtdσ B(x,r) = dσ 0 S n r t n dt S n 0 = S n rn n = ω nr n. 30

40 dır. (Sadosky, 979) Tanım 3..2 (X, A, µ) bir ölçü uzayı ve p < olmak üzere Ω X = R n bölgesinde tanımlı ve f(x) p dx < Ω özelligine sahip ölçülebilir f : Ω R fonksiyonlar sınıfına L p (Ω) uzayı veya Ω bölgesinde p. kuvvetten Lebesgue-integrallenebilir fonksiyonlar uzayı denir. L p (Ω) uzayı f L p (Ω) = f L p := /p f(x) p dx < seklindeki norm ile tanımlanır. Buradaki f L p gösterimine f fonksiyonunun L p (Ω)- normu denir. Ω Ω bölgesinde hemen her x için f(x) M olacak şekilde bir M sabiti varsa f fonksiyonuna hemen hemen heryerde sınırlıdır denir. Böyle M sabitlerinin en büyük alt sınırına da f nin Ω bölgesindeki esas supremumu(esaslı sınırı) denir ve ess sup f(x) := ess inf {K : f(x) K h.h.x Ω} x Ω seklinde gösterilir. Ω bölgesindeki hemen hemen heryerde sınırlı f fonksiyonları ile tanımlanan uzay L (Ω) seklinde gösterilir. Buna göre bir f fonksiyonunun L - normu f L := ess inf x Ω f(x) olarak tanımlanır. (Pick, Kufner ve ark. 202) Aşağıdaki teoremi ispatsız olarak verelim. Teorem 3..3 (Marcinkiewicz Teoremi) T alt toplamsal operatör ve p 0 < q 0, p q ve q 0 q olsun. Ayrıca T operatörü zayıf (p 0, q 0 ) ve zayıf (p, q ) tipli operatör olsun ve p ile q p = θ + θ, p 0 p q = θ + θ (0 < θ < ) q 0 q 3

41 biçiminde tanımlansın. Bu durumda T operatörü (p, q) tipli operatördür. (Sadosky, 979). Lemma 3..4 (Young eşitsizliği) < p, p <, p + p = ve a, b > 0 için olur. (Pick, Kufner ve ark. 202) ab ap p + bp p (3.) İspat. a = 0 veya b = 0 olması durumunda (3.) ifadesi doğrudur. olmasından Kabul edelim ki a > 0 ve b > 0 olsun. f (x) = exp x fonksiyonunun konveks ab = exp (ln (ab)) = exp (ln a + ln b) ( = exp p p ln a + ) q q ln b ( = exp p ln (ap ) + ) q ln (bq ) p exp (ln (ap )) + q exp (ln (bq )) = ap p + bq q. Lemma 3..5 (Hölder eşitsizliği) < p, q <, p + q = ve f Lp, g L q ise fg L olur ve f(x)g(x) dx f L p g L q (3.2) eşitsizliği sağlanır. (Pick, Kufner ve ark. 202) Ω İspat. f veya g fonksiyonlarından biri hemen hemen her yerde sıfır olması durumunda (3.2) eşitsizliğinin ispatı aşikardır. (3.) eşitsizliğinde (Young eşitsizliği) a = f(x), b = g(x) f L p g L q 32

42 seçilirse f(x). g(x) f L p g L q p. f(x) p ( f L p) + p q. g(x) q, x Ω (3.3) ( g L q) q p + q = olduğundan (3.3) eşitsizliğinin heriki tarafının integrali alınması ile (3.2) elde edilir. Teorem 3..6 (Minkowski eşitsizliği) p için eğer f, g L p ise (f + g) L p ve f + g L p f L p + g L p (3.4) dir. (Pick, Kufner ve ark. 202) İspat. f + g = 0 olması durumunda ispat aşikardır. Kabul edelim ki f + g 0 olsun. Hölder eşitsizliğinden f + g L p = f(x) + g(x) p dx R n = ( f(x) + g(x) ) f(x) + g(x) p dx R n ( f(x) + g(x) ) f(x) + g(x) p dx R n = f(x) f(x) + g(x) p dx + g(x) f(x) + g(x) p dx R n R n ( ) /p ( ) /p f(x) p dx + g(x) p dx Rn R n f(x) + g(x) (p )( p p ) dx p R n = ( f L p + g L p). f + g L p f + g L p = ( f L p + g L p) 33

43 olup (3.4) eşitsizliği elde edilir. Hölder eşitsizliği ve Lebesgue integralinin özellikleri gözönünde bulundurulduğunda p <, L p uzayının bir vektör uzayı olduğu görülür. Bununla birlikte f fonksiyonunun L p uzayının f L p normu altında;. f L p 0 2. f L p = 0 ise h.h. f(x) = 0 3. αf L p = α f L p, α R 4. f + g L p f L p + g L p özellikleri sağlandığından p <, L p bir normlu uzaydır. Tanım 3..7 f n ve f fonksiyonları L p uzayının elemanları olmak üzere; (f n ) dizisi f fonksiyonuna p. mertebeden yakınsaktır (L p de yakınsaklık) ε > 0 için n 0 N öyleki n n 0 için f n f L p < ε. Burada Buna göre, f n f L p := Ω p f n f p dµ, p <. (f n ) dizisinin f fonksiyonuna L p de yakınsak olması için gerek ve yeter şart olmasıdır. (Rudin, 976) lim f n f L p = 0 n Teorem 3..8 Ω R n olmak üzere L p (Ω), p <, uzayı f L p := Ω f(x) p dx normu altında tam ve dolayısıyla Banach uzayıdır. (Pick, Kufner ve ark. 202) /p 34

44 İspat. Kabul edelim ki, L p (Ω) uzayında (f n ) n N bir Cauchy dizisi olsun. L p (Ω) uzayında (f n ) n N nin yakınsak olduğunu ispatlamak için, Lemma e göre L p (Ω) uzayında (f nk ) n N nin yakınsak olduğunu göstermek yeterlidir. f nk+ f nk L p < 2 k, k N olacak şekilde (n k ) n N pozitif tamsayılı artan bir dizi olsun. k N ve x Ω için şeklinde tanımlansın. g k (x) := f n (x) + k f ni+ (x) f ni (x), i N (3.5) i= Bu durumda, x Ω için (g k (x)) k N azalmayan dizidir. Ayrıca Teorem 3..6 (Minkowski eşitsizliği) den k N için p g k (x) p dx f n L p + f ni+ (x) f ni (x) L p (3.6) Ω i= f n (x) L p + <. Dolayısıyla k N, g k L p (Ω) ve L p (Ω) uzayında (g k ) k N düzgün sınırlıdır. (g k (x)) k N monoton dizi olduğundan dolayı g(x) := lim k g k (x), x Ω yani g k fonksiyonu g fonksiyonuna noktasal yakınsaktır. (3.6) ifadesi ve Teorem (Fatou Lemma) den, g(x) p dx = lim g k(x) p dx k Ω Ω lim k ess inf sup k N Ω ( f n p+ ) p < Ω g k (x) p dx g k (x) p dx 35

45 olup g L p (Ω) elde edilir. Ayrıca (f ni+ (x) f ni (x)) <, h.h. x Ω. Sonuç olarak, olmak üzere i= f(x) := f n (x) (f ni+ (x) f ni (x)), x Ω i= lim f n k (x) = f(x), h.h. x Ω. (3.7) k k N ve x Ω için elde edilir. Bundan dolayı f nk+ (x) = f n (x) k (f ni+ (x) f ni (x)), i= f nk+ (x) g k (x) g(x), ve f nk+ (x) p (g(x)) p. Böylece (3.7) ifadesi ve Teorem (Lebesgue Baskın Yakınsaklık Teoremi) den f L p (Ω) elde edilir. Sonuç olarak, k N ve x Ω için f nk+ (x) f(x) = (f ni+ (x) f ni (x)) i=k+ olup f nk+ (x) f(x) f ni+ (x) f ni (x) g(x) i=k+ ve f nk+ (x) f(x) p (g(x)) p. elde edilir. O halde Teorem (Lebesgue Baskın Yakınsaklık Teoremi) den f nk f L p 0, k olduğundan ispat tamamlanır. 36

46 3.2 Zayıf Lebesgue Uzayı Tanım 3.2. (Zayıf Lebesgue Uzayı) p <, f : R n R ölçülebilir bir fonksiyon ve f W L p := sup λ {x R n : f(x) > λ} p λ>0 olmak üzere zayıf Lebesgue uzayı W L p (R n ) aşağıdaki şekilde tanımlanır: W L p (R n ) := {f : R n R : f ölçülebilir ve f W L p < }. dur. (Sadosky, 979) Uyarı p < için L p (R n ) W L p (R n ) dir. Ayrıca f W L p f L p eşitsizliği sağlanır. (Sadosky, 979) Tanım p < olmak üzere, R n nin her bir kompakt K alt kümesi için sırasıyla fχ K L p (R n ) ve fχ K W L p (R n ) şartlarını sağlayan tüm ölçülebilir f fonksiyonlarının uzayı L p loc (Rn ) ve W L p loc (Rn ) ile gösterilir. Burada χ K, K kümesinin karakteristik fonksiyonunu göstermektedir. Özel olarak p = yani f L loc (Rn ) ise f fonksiyonu lokal integrallenebilirdir denir. L loc(r n ) := {f : R n R; ölçülebilir : K R n kompakt ve (Grafakos, 2004) K f(x) dx < }. Aşağıdaki teoremi ispatsız olarak verelim. Teorem Her f L p loc (Rn ) için fχ B(x,r) L p lim r 0 χ B(x,r) L p eşitliği gerçeklenir. (Grafakos, 2004) = f(x), h.h. x R n 37

47 3.3 (p, q) Tipli Operatör Tanım 3.3. ((p, q) tipli operatör) T bir quasi-lineer operatör ve p, q olsun. Eğer T operatörü L p (R n ) uzayından W L q (R n ) uzayına sınırlı ise zayıf (p, q) tipindendir denir. Yani her bir λ > 0 ve f L p (R n ) için {x R n : T f(x) > λ} ( ) q C λ f L p olacak şekilde bir C > 0 sabiti var ise T operatörü zayıf (p, q) tipindendir. Eğer T operatörü L p (R n ) uzayından L q (R n ) uzayına sınırlı ise güçlü (p, q) tipindendir denir. Yani her f L p (R n ) için T f L q C f L p olacak şekilde bir C > 0 sabiti var ise T operatörü güçlü (p, q) tipindendir. (Pick, Kufner ve ark. 202) Uyarı Her güçlü (p, q) tipli operatör aynı zamanda zayıf (p, q) tipli operatördür. (Pick, Kufner ve ark. 202) 38

48 4 HARMONİK ANALİZİN KLASİK İNTEGRAL OPERATÖRLERİ Bu bölümde, harmonik analizde önemli yer tutan maksimal operatörleri, Riesz potansiyeli ve singüler integral operatörlerinin L p (R n ) uzayındaki sınırlılıklarını inceleyeceğiz. 4. Hardy-Littlewood Maksimal Operatörünün L p (R n ) uzayında sınırlılığı Harmonik analizde çok önemli bir yeri olan Hardy-Littlewood maksimal fonksiyonunun tanımını vererek başlayalım. Tanım 4.. (Hardy-Littlewood maksimal fonksiyonu) Her bir f L loc (Rn ) ve x R n için f nin Hardy-Littlewood maksimal fonksiyonu Mf (x) = sup r>0 r n y r f (x y) dy (4.) şeklinde tanımlanır. Ayrıca, M : f M f ye Hardy-Littlewood maximal operatorü de denir. Q(x, r), x merkezli ve kenar uzunluğu r olan küp olmak üzere maksimal fonksiyonlar, bazen aşağıdaki gibide tanımlanabilir. f L loc (Rn ) ve x R n için M f (x) = sup r>0 E, E nin Lebesgue ölçüsü olmak üzere Q Q(x,r) M f (x) = sup E x E E f (y) dy, f (y) dy (4.2) şeklinde daha genel olarak tanımlanabilir. Burada supremum x i içeren bütün Q küpler veya yuvarlar üzerine uygulanmıştır. (Sadosky, 979) Hardy-Littlewood maksimal operatorü M için aşağıdaki uyarıları verelim. 39

49 Uyarı 4..2 (4.) ve (4.2) ifadelerinden her bir x R n ve C i (i =, 2, 3) sabitlerinin için yalnızca n boyutta olmak üzere aşağıdaki eşitsizlik kolayca görülebilir C 0 Mf (x) C M f (x) C 2 M f (x) C 3 Mf (x). (4.3) Böylelikle, f fonksiyonunun Mf-Hardy-Littlewood maksimal fonksiyonu ve M f, M f maksimal fonksiyonları sabit farkıyla birbirlerine denktir. (Sadosky, 979) Uyarı 4..3 f L loc (Rn ) için R n üzerinde Mf Hardy-Littlewood maksimal fonksiyonu alt yarı sürekli bir fonksiyon ve aynı zamanda ölçülebilir bir fonksiyondur. (Stein, 969) (4.3) den, sadece M f(x) için önermeyi göstermemiz yeterlidir. Aslında, her bir λ R, için E := {x R n : M f(x) λ} kümesinin açık olduğunu göstermemiz de ispatın tamamlanması için yeterlidir. M f(x) tanımlanışından bütün λ > 0 için E nin açık olduğunu göstermek yeterli olacaktır. Denk olarak, her λ > 0 için E c := {x R n : M f(x) λ} kümesinin kapalı olduğunu gösterelim. Kabul edelim ki x k E c ve k için x k x olsun. Sadece r > 0 için Q (x, r) f (y) dy λ (4.4) Q(x,r) olduğunu göstermemiz yeterlidir. Buradan her k =, 2,..., için Q k =Q(x k, r) ve f k (y) = f (y) χ Q(x,r) Qk (y) denirse Q (x, r) Q k = (Q (x, r) \Q k ) (Q k \Q (x, r)) olur. Böylece, k için f k (y) f (y) lim f k (y) = 0 k olur. Lebesgue baskın yakınsaklık teoremini uygulanırsa, aşağıdaki denklemi elde ederiz. lim Q (x, r) k Q(x,r) 40 f k (y) dy = 0 (4.5)

50 dır. Diğer taraftan, Q (x, r) Q k (x,r) f (y) dy = Q k (x, r) Q k (x,r) f (y) dy λ olduğu açıktır. Buradan Q (x, r) Q(x,r) f (y) dy f (y) dy Q (x, r) Q(x,r) Q k + f (y) dy Q (x, r) Q k (x,r) f k (y) dy + λ Q (x, r) Q(x,r) k için (4.0) dan (4.9) i elde ederiz. Uyarı 4..4 M Hardy-Littlewood Maksimal operatörü, L (R n ) den L (R n ) e sınırlı bir operatör değildir. (Stein, 969) dır. Buradan dır. M, n = durmunu ele alalım. f(x) = χ [0,] (x) olsun ve x için R Mf (x) 2x Mf (x) dx 2x 0 f (y) dy = 2x Mf (x) dx 2x dx = L (R n ) de sınırlı bir operator olmamasına rağmen, W L (R n ) uzayı için L (R n ) den L, (R n ) e tanımlandığı zaman M operatörü sınırlı bir operatördür. Lemma 4..5 (Vitali örtme lemması) E, R n de ölçülebilir küme ve B, d(b) < olan ve E yi Vitali anlamında örten B kümelerinin bir kolleksiyonu olsun. Herhangi bir x E için x B x olmak üzere B x B var ise β > 0, n sadece boyuta bağlı ve B, B 2,..., B k,..., B de ayrık yuvarlar olmak üzere B k β E eşitsizliği sağlanır. 4 k

51 Burada lemma nın ispatında da görüleceği gibi β = 5 n seçmek yeterlidir. (Stein, 969) İspat. l 0 = sup{d(b) : B B < } ve B B olacak şekilde seçilsin. d(b ) 2 l 0 olsun. Benzer şekilde B = {B : B B ve B B = } ve l = sup{d(b) : B B }; B 2 B için d(b 2 ) = l 2 seçilebilir. B, B 2,..., B k, B den olmak üzere yukarıdaki gibi kümeler seçilsin. { B k = B : B B ve B ( k ) } B j = φ olur ve l k = sup{d(b) : B B k }. Daha sonra B k+ B k, d(b k+ ) l 2 k olacak şekilde seçilebilir. Böylece B den B, B 2,..., dizisini aşağıdaki özellikleri sağlayacak şekilde seçilmiş olur. j= (i) B, B 2,..., B k,... ayrık; (ii) d(b k+ ) sup{d(b) : B B 2 k} ve { B k = B : B B ve B ( k ) } B j = φ, k =, 2,... için dır. Eğer bu şekildeki ilerleme bazı B k kümeleri için sağlanmıyorsa bu B k = olduğunu gösterir. Bu durumda, her bir x E, B x B vardır öyleki k 0 k j= olmak üzere x B x ve B x B k0 =. Genelliği bozmadan, B x B j =, olduğu j =, 2,..., k 0 için varsayılabilir. Bundan dolayı, d(b k0 ) 2 d(b x) ve buradan B X 5B k0 dır. Burada 5B k0 için B k0 yuvarını merkezi aynı kalacak şekilde beş kat 42