/
Tags: религии дальнего востока
Text
А.Н.КОЛМОГОРОВ
Избранные
труды
МАТЕМАТИКА
И МЕХАНИКА
Ответственный редактор
академик
С. М. НИ КОЛЬСКИЙ
моекпл
«НАУКА»
УДК 22.161.5 + 517.5
Колмогоров А. Н. Избранные труды. Математика и меха-
механика.—М.: Наука, 1985.—470 с.
Настоящее издание представляет собой первую книгу изб-
избранных трудов А. Н. Колмогорова. В ней сосредоточены исследо-
исследования по тригонометрическим и ортогональным рядам, теории
меры и интеграла, теории приближений, математической логике,
дифференциальным уравнениям, геометрии, топологии, функ-
функциональному анализу, суперпозициям функций, дескриптивной
теории множеств/теории турбулентности, классической механике
и некоторым другим вопросам.
Редакционная коллегия:
Н. Н. БОГОЛЮБОВ (главный редактор),
С. М. НИКОЛЬСКИЙ, А. М. ОБУХОВ, Ю. В. ПРОХОРОВ,
В. М. ТИХОМИРОВ, А. Н. ШИРЯЕВ
Составитель
В. М. ТИХОМИРОВ
Рецензенты:
Б. В. ГНЕДЕНКО, А. А. ГОНЧАР
ОТ РЕДАКЦИИ
1702050000-097
042@2)-85
138-84-IV
Издательство «Наука», 1985 г.
Президиум АН СССР принял постановление издать в двух кни-
книгах избранные труды одного из крупнейших математиков современ-
современности — Андрея Николаевича Колмогорова.
Творчество А. Н. Колмогорова необыкновенно многогранно.
В его трудах по теории тригонометрических и ортогональных рядов,
теории меры и интеграла, математической логике, теории прибли-
приближений, геометрии, топологии, функциональному анализу, класси-
классической механике, эргодической теории, суперпозиции функций,
теории информации были решены принципиальные и фундаменталь-
фундаментальные проблемы и поставлены новые вопросы, вызвавшие к жизни
огромное число исследований. А. Н. Колмогоров является одним из
создателей советской школы теории вероятностей, математической
статистики и теории турбулентности. В этих областях ему довелось
получить ряд основополагающих результатов, обрамленных огром-
огромным числом приложений к механике, геофизике, языкознанию,
теории стрельбы, биологии и другим областям знания.
В настоящее издание вошли важнейшие журнальные публикации
А. Н. Колмогорова, относящиеся к математике и естествознанию.
За его пределами остались философские и педагогические работы
А. Н. Колмогорова, статьи, написанные для «Большой Советской
Энциклопедии», труды по стиховедению и различным приложениям
математики, а также публикации по общим вопросам.
Отбор материала для настоящего издания и разбивка его были
проведены автором.
В первой книге собраны труды по математике (за исключением
тех, которые относятся к теории вероятностей и теории информации),
а также — по турбулентности и классической механике. Вторая
книга посвящена теории вероятностей и теории информации.
Внутри каждой книги работы располагаются в хронологическом
порядке. Они были разбиты автором на отдельные циклы. К боль-
большинству циклов написаны комментарии, в которых делается попыт-
попытка отразить влияние творчества А. Н. Колмогорова на развитие
современной математики. Эти комментарии, как правило, предва-
предваряются краткими вступительными словами автора.
Подготовка первой книги была осуществлена С. М. Никольским
и В. М. Тихомировым, подготовка второй — Ю. В. Прохоровым и
А. Н. Ширяевым.
Творчество А. Н. Колмогорова является живой составной частью
современной науки, и мы надеемся, что издание его трудов будет
встречено научной общественностью с большим интересом.
АНДРЕИ НИКОЛАЕВИЧ
КОЛМОГОРОВ
(Биографическая справка)
Андрей Николаевич Колмогоров родился 25A2) апреля 1903 г.
в Тамбове. Отец Николай Матвеевич Катаев был агрономом. Мать
Мария Яковлевна Колмогорова скончалась при родах и заботы по
воспитанию А. Н. Колмогорова взяла на себя сестра матери Вера
Яковлевна. Первые годы своей жизни А. Н. Колмогоров провел
в селе Туношне под Ярославлем в усадьбе родителей его матери.
Когда ему было около шести лет, В. Я. Колмогорова с племянником
приезжают в Москву. В 1910 г. А. Н. Колмогоров поступает в пер-
первый приготовительный класс частной гимназии Е. А. Репман
в Москве. В трудные годы A919—1920) А. Н. работает на железной
дороге. В 1920 г., получив аттестат об окончании 90-й школы вто-
второй ступени (так была переименована гимназия, в которой он начи-
начинал учиться), А. Н. Колмогоров поступает в Московский универ-
университет на физико-математический факультет.
Решение стать математиком пришло к нему не сразу. Среди раз-
разнообразных увлечений А. Н. большое место занимала история.
A. Н. посещает семинар видного русского историка С. В. Бахруши-
Бахрушина. В этом семинаре А. Н. выполнил научное исследование (о зе-
земельных отношениях в Новгороде по писцовым книгам XV—XVI вв.).
В то же время А. Н. получил выдающиеся результаты по теории
тригонометрических рядов и теории множеств, и в итоге интерес
к математике перевесил все остальное.
На первом курсе университета A920—1921) А. Н. Колмогоров
посещает лекции Н. Н. Лузина по теории функций, А. К. Власова
по проективной геометрии и становится участником семинара
B. В. Степанова по тригонометрическим рядам. В 1921 г. Н. Н. Лузин
предложил А. Н. Колмогорову сделаться его учеником. В этом же
году А. Н. завершает свою первую работу по тригонометрическим
рядам, а в начале 1922 г.— по дескриптивной теории множеств.
Летом 1922 г. А. Н. Колмогоров строит ряд Фурье, расходящийся
почти всюду (работа датируется 02.06.1922 г.), и этот результат
сразу приносит ему всемирную известность.
С 1922 по 1925 г. А. Н. работает учителем математики и физики
в потылихинской опытно-показательной школе Наркомпроса
РСФСР. В школе он, кроме того, руководит кружком юных биоло-
биологов и является секретарем школьного совета.
В 1925 г. А. Н. заканчивает Московский университет и становит-
становится аспирантом Н. Н. Лузина. К этому же году относится начало
исследований А. Н. в области теории вероятностей.
В 1929 г. происходит первое длительное лодочное плавание по
Волге с П. С. Александровым, ознаменовавшее начало дружбы,
А. Н. Колмогоров (Биографическая справка)
продолжавшейся до последних дней Павла Сергеевича (П. С. Алек-
Александров скончался 16 ноября 1982 г.). В 1935 г. А. Н. Колмогоров
и П. С. Александров приобретают дом в Комаровке (Клязьма, близ
Москвы), в котором протекала в основном их творческая жизнь.
Завершив в 1929 г. обучение в аспирантуре, А. Н. Колмогоров
становится старшим научным сотрудником Института математики
и механики при Московском университете и одновременно заведую-
заведующим кафедрой математики в Индустриально-педагогическом ин-
институте им. К. Либкнехта. С июня 1930 по март 1931 г. А. Н. нахо-
находится в первой заграничной научной командировке: Геттинген,
Мюнхен, Париж. С 1931 г. по настоящее время А. Н. Колмогоров —
профессор Московского университета.
В 1933 г. А. Н. Колмогоров назначается директором Института
математики и механики при МГУ. В этой должности он пребывает
до 1939 г. (и еще короткий период — с 1951 по 1953 г.). В 1939 г.
А. Н. Колмогорова избирают действительным членом Академии
наук СССР, и он становится академиком-секретарем Отделения
физико-математических наук. В том же году А. Н. становится заве-
заведующим кафедрой теории вероятностей на механико-математиче-
механико-математическом факультете МГУ (до 1966 г.) и заведующим отделом теории веро-
вероятностей в Математическом институте им. В. А. Стеклова Академии
наук СССР (до 1958 г.). В 1941 г. А. Н. удостаивается Государствен-
Государственной премии СССР (совместно с А. Я. Хинчиным) за работы по теории
вероятностей.
В конце 30-х и начале 40-х годов А. Н. Колмогоров начинает
интересоваться проблемами турбулентности и становится заведую-
заведующим лабораторией атмосферной турбулентности Геофизического
института АН СССР, где работает до 1949 г.
Во время Великой Отечественной войны А. Н. Колмогоров при-
принял активное участие в разработке проблем, связанных с обороной
нашей Родины.
Осенью 1942 г. Андрей Николаевич женился на Анне Дмитриев-
Дмитриевне Егоровой — подруге школьных лет.
В 1949 г. А. Н. Колмогоров удостаивается (совместно с Б. В. Гне-
денко) премии им. П. Л. Чебышева АН СССР.
С 1954 по 1958 г. А. Н. Колмогоров — декан механико-математи-
механико-математического факультета МГУ. В 1958 г. в течение весеннего полугодия
он работает профессором Парижского университета. В 1960 г.
А. Н. Колмогоров создает лабораторию вероятностных и статисти-
статистических методов при МГУ. До 1966 г. он является научным консуль-
консультантом, а с 1966 по 1976 г.— заведующим этой лабораторией.
В 1954 г. А. Н. принимает участие в работе Международного
математического конгресса в Амстердаме. Там он выступает с часо-
часовым обзорным докладом, посвященным небесной механике. Андрею
Николаевичу было предоставлено почетное право этим докладом
завершить научную программу конгресса. В том же 1954 г. А. Н.
Два месяца работает профессором Университета им. Гумбольта
A..H. Колмогоров (Биографическая справка)
в Берлине. В 1962, 1966 и 1970 гг. А. Н. принимает участие в Между-
Международных математических конгрессах, состоявшихся в Стокгольме,
Москве и Ницце.
С 1963 по 1968 г. А. Н. Колмогоров возглавил математическую
секцию комиссии АН СССР и Академии педагогических наук СССР
по определению содержания среднего образования. С 1968 по 1978 г.
А. Н. являлся членом Учебно-методического совета при Министер-
Министерстве просвещения СССР, руководя комиссией по математике при нем.
В 1966 г. А. Н. Колмогорова избирают действительным членом Ака-
Академии педагогических наук СССР. За вклад в развитие народного
образования А. Н. Колмогоров был удостоен медали им Н. К. Круп-
Крупской. В 1963 г. А. Н. Колмогоров выступает одним из инициаторов
создания школы-интерната при МГУ и в последующие годы отдает
много сил и энергии этому учебному заведению.
В 1965 г. А. Н. удостаивается (совместно с В. И. Арнольдом)
звания лауреата Ленинской премии за работы по классической
механике.
В 1970 и 1971—1972 гг. А. Н. Колмогоров участвует в двух
четырехмесячных плаваниях на научно-исследовательском судне
«Дмитрий Менделеев».
С 1976 по 1980 г. А. Н. Колмогоров заведует вновь созданной
кафедрой математической статистики на механико-математическом
факультете МГУ, с 1980 г. по настоящее время он — заведующий
кафедрой математической логики на том же факультете.
На заседании 28 апреля 1953 г. А. Н. Колмогоров был избран
почетным членом Московского математического общества, а в период
с 1964 по 1967 и с 1973 г. он является его президентом.
С 1936 г. начинается работа А. Н. Колмогорова в качестве редак-
редактора математического отдела «Большой Советской Энциклопедии».
В 1949—1960 гг. он член Главной редакции 2-го издания «Большой
Советской Энциклопедии» и 3-го издания «Малой Советской Энцикло-
Энциклопедии». В разные годы А. Н. Колмогоров был членом редакций «Ма-
«Математического сборника»,«Докладов АН СССР», «Успехов математи-
математических наук», в настоящее время он редактор этого журнала.
А. Н. Колмогоров является также заместителем редактора журнала
«Квант» и руководит математическим разделом журнала (с 1970 г.).
Среди учеников А. Н. Колмогорова академики АН СССР
И. М. Гельфанд, А. И. Мальцев, М. Д. Миллионщиков, В. С. Ми-
халевич, С. М. Никольский, А. М. Обухов, Ю. В. Прохоров,
члены-корреспонденты АН СССР В. И. Арнольд, Л. Н. Болыпев,
А. А. Боровков, А. С. Монин, Б. А. Севастьянов, академики рес-
республиканских академий Б. В. Гнеденко, С. X. Сираждинов, лауреат
Ленинской премии Ю. А. Розанов, около шестидесяти докторов и
кандидатов наук.
Многие университеты и академии мира удостоили А. Н. Колмо-
Колмогорова избранием в число своих членов. Он — почетный член Румын-
Румынской академии наук A965, чл.-кор. с 1957), иностранный член Поль-
А. Н. Колмогоров (Биографическая справна)
ской академии наук A956), почетный член Лондонского королев-
королевского статистического общества A956), Американской академии
искусств и наук в Бостоне A959), член Академии естествоиспыта-
естествоиспытателей «Леопольдина» (.1959), иностранный член Американского фи-
философского общества в Филадельфии A961), иностранный член Ко-
Королевской Нидерландской академии наук A963), член Лондонского
королевского общества A964), почетный член Венгерской академии
наук A965), член Национальной академии наук США A967), ино-
иностранный член Академии наук Франции A968), член Академии наук
ГДР, почетный член Индийского и Калькуттского математических
обществ, почетный член Американского общества метеорологов*
Международного статистического института, почетный доктор Па^'
рижского, Стокгольмского, Варшавского, Будапештского универ-
университетов, лауреат Международной премии фонда Бальзана, у остоен
золотой медали Американского метеорологического общества, меда-
медали Гельмгольца и др.
Заслуги А. Н. Колмогорова высоко оценены советским прави-
правительством. Он награжден семью орденами Ленина, орденами Ок-
Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени. В 1963 г.
А. Н. Колмогорову присвоено высокое звание Героя Социалисти-
Социалистического Труда.
В. М. Тихомиров
1
РЯД ФУРЬЕ —ЛЕБЕГА,
РАСХОДЯЩИЙСЯ ПОЧТИ ВСЮДУ*
Цель этой заметки — дать пример суммируемой функции \ ряд
Фурье которой расходится почти всюду (т. е. всюду, кроме точек
множества меры нуль).
Функция, построенная в этой заметке, не суммируема с квадра-
квадратом, и я ничего не знаю о порядке величины коэффициентов ее ряда
Фурье. Методы, использованные здесь, не позволяют построить ряд
Фурье, расходящийся всюду.
I. Я докажу ниже существование последовательности функций
<рх (х), . . ., фп (х), . . ., определенных для 0 <^ х <^ 2л и удовлетво-
удовлетворяющих следующим условиям:
1°. ср„
о
2°. Частные суммы ряда Фурье фп (х) ограничены.
3°. Каждой функции фп (х) можно поставить в соответствие по-
положительное число Мп, множество Еп и целое число qn такие, что:
За) Нт Мп = оо;
ЗЬ) lim mes Еп = 2л;
П-»эс
Зс) для каждой точки множества Еп существует частная сумма
ряда Фурье фп (х) с номером, меньшим или равным qn, абсолютное
значение которой больше, чем Мп.
Предполагая функции ф„ (х) построенными, легко найти последо-
последовательность возрастающих целых чисел пх, пг, ...,пк, ... таких, что:
и соответственно
Zj VW~
к=1
л
В) Величина -я- У Л^п* больше суммы максимумов модуля частных
сумм рядов Фурье (к — 1) функций фП1, . . ., ф^^.
Q <7П{^ ~1Г V"-^n/c Для всех i <^к.
Если гег известны для всех значений i, меньших к, то можно опре-
определить пк, удовлетворяющее неравенствам А), В), С).
Положим теперь
Фп* (X).
*=1
* Une serie de Fourier—Lebesgue divergente presque partout.— Fund, math.,
1923, vol. 4, p. 324—328. Перевод Л. Л. Ульянова.
1 Т. е. интегрируемой в смысле Лебега.
1. Ряд Фурье—Лебега, расходящийся почти всюду ^
В силу 1° и А) этот ряд сходится 2 почти всюду к суммируемой
функции и коэффициенты ряда Фурье Ф (х) равны сумме коэффициен-
коэффициентов Фурье функций
Рассмотрим частную сумму ряда Фурье Ф (х), которая в силу
3° для ф„л {х) больше, чем МП]! в точках множества Ещ.
a) Для члена ряда (р„к(х)/уМг,ъ она больше, чем
b) Для суммы всех членов с номерами, меньшими к, по условию
В) она меньше, чем 1/
с) Для членов с номерами s^>k она меньше, чем 6/2*.
В самом деле, частная сумма с номером, меньшим или равным
?%^"т/^п81 в силу С) меньше, чем Bqnk + 1), умноженное на
интеграл от абсолютного значения функции, который в этом случае
равен
Из а), в), с) вытекает, что соответствующая сумма Ф (х) по абсо-
абсолютной величине больше или равна
Отсюда мы получаем заключение, что ряд Фурье Ф (х) расходит-
расходится в каждой точке множества Е = lim Enk, mes Е = 2л.
II. Конструкция функции фп (х).
Пусть
Л! = 1, Л2, • . ., лП|
— конечная последовательность нечетных возрастающих чисел
такая, что условия, данные позднее, будут выполнены. |
Определим последовательность тг, т2, ¦ ¦ ., тп:
т1 = п, 2т-к + 1 = Я* Bп -\- 1).
Положим
Положим, наконец,! фп (х) = туп на сегменте
A)
B)
C)
2 См., например: Fund, math., 1923, vol. 4, p. 211, теорема Фубини (речь
идет о следующей теореме: всюду сходящийся ряд из неубывающих функций
можно дифференцировать почленно.— Примен. пер.).
10
1. Ряд Фурье—Лебега, расходящийся почти всюду
Для каждой точки, не принадлежащей сегментам Ак, мы поло-
полошим фп (х) = 0.
Очевидно, что
(pn(x)dx=2
(условие 1°
и ф„ (х) имеет ограниченное изменение, поэтому условие 2° также
выполнено.
Рассмотрим частную, сумму ряда Фурье ф„ (х) с номером тк
sin
х)
dcc-
2 sin-
D)
-j,- (a - x)
Допустим, что точка х лежит в сегменте
Г л , 2 , 2 1 ._.
Если Ki для i <^ А будут определены и соответственно функция
фп (х) определена на сегментах А,, то можно взять Хк таким боль-
большим, что интеграл D), вычисленный по всем сегментам Аг (? <^ к),
будет для каждой точки х, принадлежащей ок, как угодно мал.
Я предполагаю, что он меньше, чем 1, по абсолютной величине.
Рассмотрим теперь интеграл D) по сегменту As (s ^ к)
2ти +1 2тк + 1
; — х) л с ml sin 5 (л, — х)
1 г- msB1U
~л~ J ra2 si
2 sin !/2 (a — х)
я J п
2 sin х/г И, —
1 г- "»f [sin—i—(а-;г) sin—i—ив—ж) 1
— ) —[ 2 sin 1/2 (а -*) 2 sin ((Л - х)/2) Jda- F)
Принимая во внимание, что | a — As | <J 1/ms, можно увидеть,
что разность в квадратной скобке меньше, чем
max
2m,
sin
da 2 sin (a/2)
4mJ
И, поскольку длина As равна 21т\, второй член в F) меньше, чем 4/ге.
Вынося постоянную в первом интеграле, мы получаем, что вы-
выражение F) равно
sin
— х)
лге 2 sin Vs (^s — ¦
т
1. Ряд Фурье—Лебега, расходящийся почти всюду
11
Сумма членов с т для s = к, А + 1, . . ., я меньше по абсолютной
величине 4. Замечая, что
sin-
(Л8 — x) = sin-
(A-*),
tin V2 M,-
r-fc + l) '
мы видим, что сумма первых членов G) для s = к, к
равна по абсолютной величине
+ 1,
., И
sin
(8)
щ
Итак, для каждой точки а; из ак интеграл D) по абсолютной ве-
величине больше, чем .. . • '"'.'
п-К
1
sin
2т +1
г=1
Пусть Еп есть множество всех точек х, расположенных в сегмен-
сегментах ак для п — к ^> Yn таких, что в них выполняется следующее
условие: ¦¦' ' •:,,,-,
1 '"; ''''"'
sin
¦(Ак-х)
>
r=l
Можно увидеть, что для каждой точки Еп, принадлежащей Oj,
частная сумма ряда Фурье фп (х) с номером тк больше, чем
Можно показать без труда, что
lim mes En = 2я.
П—>оо
Москва, 2 июня 1922 г.
2. О порядке величины коэффициентов ряда Фурье—Лебега
О ПОРЯДКЕ ВЕЛИЧИНЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ
РЯДА ФУРЬЕ—ЛЕБЕГА*
Известно, что коэффициенты Фурье суммируемой функции стре-
стремятся к нулю. В этой заметке я докажу следующее предложение
относительно рядов по косинусам.
I. Для любой последовательности {an}^Li, сходящейся к нулю,
найдется такая последовательность {а'п}Т, что
!) I ап |< а'п;
оо
2) 21 ап cos пх
п=1
есть ряд Фуры суммируемой функции.
Рассмотрим ряд
о0/2 + ах cos х + • • • + а-п cos пх + • • • A)
Обозначим
А„ = ап — an+i, А„ = Ап — Ап+1.
Применяя два раза преобразование Абеля, получим два ряда
_1_д , V Л sin (B»+ 1) я/2)
2 ° "*" 2-1 п 2 sin (г/2) '
1
Ап4-
in(г/2)
sin((n + l)s/2)
B)
C)
Если выполнены условия
sin ((to + 1) Ф)
2 sin (,/2)
sin ((n
_
то ряд A) сходится одновременно с рядом C). Эти условия выполнены
всюду, кроме точек х s= 0 (mod 2л), если ап -*¦ 0 и, следовательно,
Д„^0.
оо
Если ряд 21 |А„| сходится, то ряды C) и A) сходятся к некоторой
п=1
функции / (х) всюду, кроме х = 0 (mod 2л). Заметив, что
получаем утверждение:
* Sur l'ordre de grandeur des coefficients dela serie de Fourier—Lebesgue.—
Bull. Acad. pol. sci. A,1 1923, p. 83—86. Представлено В. Серпинским. Пере-
Перевод П. Л. Ульянова.
2. О порядке величины коэффициентов ряда Фурье—Лебега
13
П. Если ряд 2 (п + 1) I An I сходится и коэффициенты ап
п=1
стремятся к нулю, то ряд C) сходится к суммируемой функции.
Значит, ряд A), сходящийся к суммируемой функции f (x), исключая
точки х = 0 (mod 2л), есть ряд Фурье—Лебега.
В частности, если все А^ положительны, то
п=0 п=0
Следовательно,
III. Если коэффициенты ряда по косинусам стремятся к нулю
и их вторые разности положительны, то этот ряд есть ряд Фурье—
Лебега.
Так как для любой сходящейся к нулю последовательности
{ап} найдется такая сходящаяся к нулю последовательность {ап},
что ап^> | ап | и вторые разности положительны, то предложение I
доказано.
Замечание 1. Пусть ряд
оо
2 ап cos пх = / (х)
п=1
удовлетворяет условиям предложения И. Положим х = ту + л/2.
Тогда
f(my + —-) = ^ (— <v_3 sin (in — 3) ту + ain-i sin (in —1) my)
n=i
, (— a4n_2 cos (in — 2)my + ain cos inmy). ¦
n=l
Первая сумма есть ряд Фурье—Лебега для
/ (ту + л/2) - / (- ту + я/2)
в частности, если т = 1, видим, что ряд
—a^sin у + a3sin Зг/ — agfsin by + a7 sin ly...
есть ряд Фурье—Лебега.
Замечание 2. Остаток ряда A) равен
R __L V л'/ sm((k+l)x/2) у , 1 л
п~~ 2 Zj \ sin (г/2) j "+" 2 п
*=п+1
, sin (B» + 1) г/2)
""" ™ 2 sin (ж/2)
sin ((» + !) г/2)
sin (г/2)
14
2. О порядке величины коэффициентов ряда Фурье—Лебега
Если выполнено условие предложения II, то имеем
2 Л со
J
0 fc=
2Я
sin (г/2)
я(& + 1) А» =0,
oo oo
= lim я (я + 1) I V A; < lim я У (Л + 1) | A^ | = 0.
/c=n Jc=n
2Jt
В этом случае \ \Rn\dx стремится к нулю вместе с
о
2Я
. П sin(Bn+l
I n ' J | 2 sin (х/
l)*/2)
V2)
и, следовательно, вместе с |an|logn.
IV. Если 2 n I ^n | сходится, то условие
n=i
lim an log n = 0
n—»oo
необходимо и достаточно для сходимости ряда A) в среднем [по
метрике L].
Таким образом, из двух рядов Фурье—Лебега
оо оо
ZCOS ПХ V^ COS ПХ
log п ' 2-1 (logn)t+E
П=2 П=2 6 '
второй сходится в среднем, а первый нет (см. [1]).
3 декабря 1922 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Banach S., Steinhaus H. Sur 1а convergence en moyenne.— Bull. Acad. sci.
Cracovie, 1918.
3. Замечания к исследованию сходимости рядов Фурье
15
ЗАМЕЧАНИЯ К ИССЛЕДОВАНИЮ СХОДИМОСТИ
РЯДОВ ФУРЬЕ*
Положим, как обычно,
cos ^ + ьъsin ^ж)>
I. Теорема, ^сды последовательность целых чисел пы (т
1, 2, . . .) удовлетворяет условию
wio для ряда Фурье всякой функции, интегрируемой с квадратом,
последовательность Snm сходится почти всюду к данной функции.
Доказательство. Известно, что последовательность
{°пт} сходится почти всюду к данной функции, поэтому достаточно
доказать, что последовательность {Snm — Gnm) сходится почтн всю-
всюду к нулю. Но легко видеть, что это — результат сходимости сле-
следующего ряда:
A)
m=l О
Рассмотрим частную сумму ряда A) с номером р. Имеем
р к=пт
р №
=? -i- ? кЧа\ + Ы) =
m—x о
Ы
—1
B)
где гат)с определяется неравенством
* Une contribution а Г etude de la convergence des series de Fourier.— Fund,
math., 1924, vol. 5, p. 96—97. Перевод И. А. Виноградовой.
16
4. О сходимости рядов Фурье
Очевидно, что
<-
1 Я"
А:2 Я2 — :
и, следовательно, сумма B) не превосходит
"-у
/2 I 7.2 ч
(а* + ок).
Это влечет сходимость ряда A) и наше доказательство завершено.
II. Теорема. Если в ряде Фурье—Лебега отличны от нуля
только члены с номерами пш (последовательность пт удовлетворяет
неравенству в условии теоремы I), то ряд почти всюду сходится.
Доказательство. Если рассматривать только функции,
интегрируемые с квадратом, то теорема II немедленно следует из
теоремы I; но утверждение верно для всех интегрируемых функций.
Последовательность оПт почти всюду сходится, следовательно, нуж-
нужно только рассмотреть разность
т—1
C)
Так как | ащ \ -\- | Ът | стремится к нулю при к-*- оо и, с дру-
другой стороны,
т—1 т—1
1 ^ 1
1 т-к
А,—Г
то видно, что разность C) стремится к нулю при т—> оо.
7 октября 1922 г.
4
О СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ *
Совместно с Г. А. Селиверстовым
Харди [1] доказал следующую теорему:
Если ряд
* Sur la convergence des series de Fourier.— С. г. Acad. sci. Paris, 1924,
vol. 178, p. 303—306. Представлено А. Лебегом. Перевод И. А. Виноградовой.
4. О сходимости рядов Фурье
17
сходится, то ряд
2 (ап °os пх -\- Ъп sin nx)
г
A)
сходится почти всюду (исключая множество меры нуль).
Из работы Д. Е. Меньшова [2] нам известно, что для общих
ортогональных рядов множитель (log reJ нельзя заменить на функ-
функцию w (ге), удовлетворяющую условию w (re) = о [(log nJ].
В настоящей заметке мы докажем, что в случае тригонометри-
тригонометрических рядов множитель (log reJ может быть заменен на (log reI+et
Лемма. Пусть дана тригонометрическая сумма
п
S(x)— 2 (аь cos kx -\- bk sin kx) (ге^>1),
тогда имеем
2Я Г п
1 SHx) (x) dx < у С log п 2 D + Ъ1)-
о р=1
В этом выражении к (х) есть произвольная целочисленная функция^
принимающая значения от 1 до ге:
ад
$н(х) (х) = S (аР cos рх + Ьр sin px),
p=i
а С — абсолютная постоянная.
Доказательство. Пользуясь неравенством Шварца ъ
получаем, что
2 л 2Я2Я к (ж)
'*(*) (x)dx= — \ \ S (а) У cos р (х — a) da dx =
j
0 0
2Л 2Я fr (ж)
P=l
2 ()
= — \ S (a) \ \ cos p (x — a) dx da
0 0 P=l
2Л 2
2Я 2Л к (К)
О 0 р=1
Далее,
\ j S cos Р (х — а) dx\ da =
0 0 p=l
2я2я2я^(ж) к (у)
~ J J § 2 cosp(x — а) 2 cos р (у — a) dy dx da =i
0 0 0 p=l
18
4. О сходимости рядов Фурье
2Я 2Я min[lt(l),
2 2Я min[lt(l), fc(y)] 2Я
= J J 2 \ cos р (х — a) cos p (у— a)dadxdy —
О О р=1 О
2я 2Л min[fc(*), ад]
= ^ 3 2 cos р(х —у) dxdy.
о о p=i
Можно без труда доказать, что последнее выражение не превосходит
С log п, где С — абсолютная постоянная.
Теорема. Если сходятся ряды
2 т (л) (а2п + Ы) = А, B)
C)
и х (п) <^ т (п 4- 1), то ряд A) сходится почти всюду.
Докажем сначала, что частные суммы ряда A) почти всюду огра-
ограничены.
Положим
i
^р, i= 2 (aq cos 4х + bq sin qx),
<7=22P
В силу леммы имеем
р> 1(х) (х) dx
log
С
где Z (ж) — произвольная целочисленная функция, удовлетворяю-
удовлетворяющая неравенству для I. Пусть Ф (х) — верхняя грань частных сумм
ряда A), тогда отсюда следует, что
о • р=о
Ряд справа сходится. Действительно,
2 V B2Р) < 2 (Л + Ь\) т (п) «= А,
р=0 п=1
5. Аксиоматическое определение интеграла
19
а в силу теоремы Коши
p=1 - ' «--<2
и, следовательно, имеем
п=1
т
(п)
p=i r
г,Р
Опуская первые члены ряда A), можно сделать интеграл D)
сколь угодно малым. Это доказывает сходимость ряда A).
14 января 1924 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hardy G. H. On the summability of Fourier's series.— Proc. London Math.
Soc, 1913, vol. 12, p. 365—372.
2. Menchoff D. Sur les series de fonctions orthogonales.— Fund, math., 1923,
vol. 4, p. 82—105.
АКСИОМАТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ИНТЕГРАЛА *
Класс функций, определенных почти всюду на действительной
оси, назовем классом К, если выполнено следующее условие:
Условие К. Если / — функция класса К и ф (х) — моно-
монотонная функция, возрастающая от — оо до + оо, с ограниченным
отношением
() — ф (xi)
то функция / [ф (х)\ ф' (х) также является функцией класса К.
Последняя функция считается равной нулю при ф' (х) = 0 даже
тогда, когда / [ф (х)] не определена.
Класс К является Z-интегрируемым, если на этом классе можно
определить функционал (Х-интеграл)
со следующими свойствами.
* La definition axiomatique l'integrale.— С. г. Acad. sci. Paris, 1925,
vol. 180, p. 110—111. Перевод В. А. Скворцова..
20
5. Аксиоматическое определение интеграла
6. О границах обобщения интеграла
21
0
Свойства интеграла. 1) \/ (a) da = 0;
2) ^ / (a) da является непрерывной функцией относительно х;
о
3) его Х-производная по х почти всюду равна /;
<р(ж) х
4) ^ f(a)da = y[y(a)\<$'(a)da, где функция ф (а) удовлетво-
о о
ряет указанному выше условию.
Мы предполагаем, что Х-производная является функционалом
со следующими свойствами.
Свойства производной. 1) [Fx (х) — F2 (х)У =
= F[ (х) - F'2 (x);
2) Множество значений F для тех точек, где F' (х) = 0 имеет
меру нуль.
Теорема I. Некоторой функции f (x) и процессу дифферен-
цирования X, даже для разных интегрируемых классов Кг и К2,
может соответствовать только единственная функция
X
Схема доказательства. Предположим противное:
для интегрируемых классов К1 и К% существуют две различные
функции Fl (x) и F2 (х). Х-производная от
Ф (х) = Fx (x) - F2 (x)
почти всюду равна нулю. Предположим, что Ф (х0) ^> 0, х0 ^> 0
(другие случаи рассматриваются аналогично). Положим
Ч1" (х) = х + max Ф (а), если х > 0,
? (х) = х, если х^О;
<р (х) — обратная функция (ф № (х)] = х) — удовлетворяет уело-
виям, указанным в начале статьи. Функция
Ф [ф (X)] = Fx [ф (X)] - F2 [ф (X))
имеет ненулевую производную на множестве положительной меры,
что невозможно.
Теорема П. Для процесса дифференцирования X существует
Х-интегрируемый класс Кт, который содержит все другие.
Теорема III. Для асимптотического дифференцирования ин-
тегрируемый класс Кт совпадает с классом всех функций, тотали-
зуемых в смысле Данжуа.
Замечание. Мы не даем в этой заметке полного аксиомати-
аксиоматического определения дифференцирования. В результате становится
возможным, что различным процессам дифференцирования могут
соответствовать различные интегралы.
6
О ГРАНИЦАХ ОБОБЩЕНИЯ ИНТЕГРАЛА*
I. ВВЕДЕНИЕ
§ 1. Рассмотрим г определение классического интеграла Ри-
мана: интервал интегрирования (а, Ь) разбиваем на частные интер-
интервалы Ах, А2, • • -, Ап. Найдем на каждом интервале Ад. нижнюю и
верхнюю грани функции / (х): тк и Мк. Назовем
/с=1
нижней суммой Римана и
к=1
верхней суммой Римана 2. Если верхняя грань величин s, соответст-
соответствующих всевозможным разбиениям, совпадает с нижней гранью
величин S, эту общую грань называют интегралом от функции / (х)
по интервалу (а, Ь).
Интеграл Лебега от ограниченной функции можно получить
аналогичным образом: интервал (а, Ъ) разбиваем на множества
Еъ Е3
р
Еп. Определим, как раньше,
k—n
*=i
Если верхняя грань величин s, соответствующих всевозможным раз-
разбиениям интервала (а, Ъ) на измеримые множества, совпадает с ниж-
нижней гранью величин S, мы назовем эту общую величину интегралом
ь
\f{x)dx.
а
В случае интеграла Римана всякое разбиение с достаточно ма-
маленькими интервалами А имеет суммы s и S, отличающиеся лишь
на малую величину. В противоположность этому в случае интегра-
интеграла Лебега выбор множеств Ек определяется поведением функции.
Например, используя обозначения Лебега [3], можно взять
Ек = ?[**-!</(*)</*]•
* Sur les bornes de la generalisation de l'integrale. 1925.Печатается впервые.
Перевод Т. Л. Лукашенко.
1 Здесь изложена подробно и полностью моя заметка [1] (см. статью №5
наст. изд.). См. также введение в мой мемуар [2] (статья № 16 наст. изд.).
2 Здесь Д^ обозначает длину интервала Д^. Далее Ек обозначает меру мно-
множества Ек.
6. О
гран а цах обобщи пня
Общий интеграл Лебега можно определит!, методом, подобным
двум предыдущим: шпернал (а, 1>) разопьем на бесконечную после
довательность множеств /•.',. Е. Л\. ... Обозначим через .< и S
суммы рядов
I. 1 ;,• -1
и случае, когда они сходятся абсолютно. А если эти рмды не сходят-
ся абсолютно, будем считать, что s и Л' не определены, что естествен-
естественно, так как при различном порядке множеств А,'; сумма ряда являет-
является совершенно произвольной величиной. Как и раньше, назовем
интегралом от f (х) по интервалу (а. Ь) общую 1])ань величии .v и
S по всем разбиениям, для которых .v и S определены.
В случае, когда функция измерима, но несуммпруема, интеграл
от нее порой удается получить методом, аналогичным предыдуще-
предыдущему. Как и предыдущее изложение, непосредственно последующее
служит только для пояснения смысла аксиоматического построе-
построения, рассматриваемого в данном мемуаре; тут мы только дадим
определение интеграла, эквивалентное интегралу, определенному
Дирихле. Разобьем интервал (а, Ь) на бесконечную последователь-
последовательность интервалов Д,, Л , Д1м .... расположенных произволь-
произвольно. Множество их концов есть приводимое .множество. Определим
величины тк и Мk для каждого интервала. Назовем выражения
m-KAh и -l/vAv элементами нижней пли верхней суммы Рн.мана,
соответствующими интервалу А,.. При суммировании элементы
берутся в порядке следования. Предположим, что среди интервалов
Д* существует последовательность интервалов Л,,,. Д;.,, . . ., Ai: ....
.... таких, что сумма интервалов Л* — также интервал (при этом
пренебрегаем счетным множеством точек). Дополнительно предпо-
предположим, что ряды элементов, соответствующих интервалам Да ,
сходятся абсолютно к *•' и S'. Назовем s' и S' элементами, соответ-
соответствующими сумме интервалов Ai- . Мы определим величину сумм
Рн.мана. повторяя трансфиннтно изложенный процесс (если лто
возможно). Потом, отправляясь от сумм Рнмана, определим ин-
интеграл, как и прежде.
Предыдущее, изложение приводит к заключению, что идея, со-
содержащаяся в понятии обычного интеграла
сохраняет свой смысл также в случае более общего определения.
Выражение I (л) dx — запись, обозначающая бесконечно малый
элемент в сумме Рнмана. стремящейся к величине интеграла. При
предварительном илложеинн последующих утверждении будем на-
называть / U) dx .'ле.иентпм функции,
/>. О границах обобщения интеграла
Л. Н
КОЛМОГОРОВ.
ЗО-с годы
$ 2. Изложенный здесь конструктивный метод недостаточен для
наших целей, которые состоят в исследовании границ возможного
обобщения интеграла. Следует применить аксиоматический метод.
В предыдущем параграфе уже намечены два раздела теории ин-
интегрирования: Г) теория абсолютного интегрирования, где порядок
суммирования элементов функции не важен, -) теория упорядочен-
упорядоченного (ordinale) интегрирования, где результат суммировании эле-
элементов определяется полностью порядком элементов.
Область абсолютного интегрирования может быть определена
более точно при помощи следующей аксиомы: величина интеграла
не меняется при заменах переменных, сохраняющих меру. Можно
доказать, что если рассматривать только измеримые функции, то
суммирование Лебега является наиболее общим процессом абсолют-
абсолютного интегрирования. С определенной точки зрения, которая далее
развивается в § 4 введения, теория абсолютного интегрировании
Лебега не может быть обобщена даже в области, содержащей неиз-
неизмеримые функции.
24
6. О границах обобщения интеграла
6. О границах обобщения интеграла
25
Теория упорядоченного интегрирования может быть определена
при помощи следующей аксиомы: если преобразование переменных
у = ср (х) не меняет порядка и не переводит множества меры нуль
оси х в множества ненулевой меры оси у, то
Далее используется лишь класс более специальных преобразо-
преобразований, которые представляют собой растяжение интервала действи-
действительной оси. Интеграл Данжуа удовлетворяет указанной аксиоме.
Этот мемуар мы посвятим нахождению границ области упорядочен-
упорядоченного интегрирования.
Сначала можно показать, что упорядоченное интегрирование
дает непрерывные примитивные. Рассмотрение разрывных прими-
примитивных может оказаться важным для некоторых разделов матема-
математики. Но в таком случае придется отказаться от приведенной выше
аксиомы замены переменных или же ограничиться некоторым видом
симметрической деформации в окрестности каждой точки. В такой
теории интегрирования величина интеграла будет зависеть не
только от порядка элементов функции, но также от их взаимных
расстояний.
Для полного объяснения метода последующих исследований ос-
осталось сделать несколько замечаний о принципе, который мы назо-
назовем принципом единственности.
§ 3. В принятых определениях интеграла интегрируемая функ-
функция является всюду, исключая, быть может, множество меры нуль,
производной своей примитивной при соответствующем выборе опре-
определения производной. Однако при нахождении наиболее общего
определения интеграла не следует вводить аксиому существования
производной. Действительно, данному определению интеграла мо-
может соответствовать определение производной, не введенное ранее.
Но любое определение интеграла должно удовлетворять аксиоме
единственности:
Примитивная функция не может соответствовать двум функ-
функциям, различающимся на множестве ненулевой меры.
В самом деле, теория, допускающая, что ненулевая функция
имеет нулевую примитивную, не может быть применена ни для опре-
определения коэффициентов Фурье, ни для решения других существую-
существующих задач.
§ 4. Мы укажем здесь два приложения принципа единствен-
единственности: в теории абсолютного интегрирования и в теории обобщен-
обобщенного интегрирования.
1. Можно показать, что абсолютное интегрирование дает абсо-
абсолютно непрерывные примитивные. Но все абсолютно непрерывные
функции являются примитивными суммируемых функций. Отсюда
получаем, что при принятии принципа единственности в число ак-
аксиом несуммируемые функции, в том числе и неизмеримые, не
могут быть абсолютно интегрируемыми.
2. Какова бы ни была теория интегрирования, следует допус-
допустить, что неравенство
I / (х) |< К
депременно влечет неравенство
ь
' ' ^К\Ъ — а\.
Теперь видно, что ограниченные функции имеют примитивные,
производные числа Дини которых ограничены. Но производные этих
примитивных измеримы. Стало быть ограниченная и неизмеримая
функция не может быть интегрируемой ни в каком смысле.
II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМ Ж
Два класса функций К = {F (х)} и к = {/ (х)} образуют систему
¦Ж, если они удовлетворяют следующим условиям.
1. Функции класса К непрерывны и равны нулю, когда х = 0.
2. Функции класса к определены и конечны всюду, за исключе-
исключением, быть может, множества меры нуль. (Две функции, различаю-
различающиеся только на множестве меры нуль, считаем равными.)
3. Между классами к ж К установлено взаимно однозначное
•соответствие. Назовем примитивной f (x) соответствующую ей функ-
функцию F (х); наоборот, / (х) назовем производной F (х). Таким образом,
рассматриваемая система Ж является системой пар функций
[F (х), f (х)].
4. Если пары [F± (x), /х (х)] и [F2 (x), /2 (х)] входят в Ж, то
пара UiF1 (x) + 12F2 (x), IJX (x) + l2f2 (х)] входит также (lt и I,-
произвольные действительные числа).
5. Если пара [F (x), f (x)] входит в Ж, то пара [F [ф (х)],
f [ф (х)] ф' (х)] входит также, где ф (х) является монотонной функ-
функцией, возрастающей от — оо до + оо, с ограниченным отношением
-ф_(ж2) - ф (*i) Птчт
#2 *1
нуль, даже если функция / [ф (х)] не определена.
Пять свойств систем Ж недостаточны для полного аксиомати-
аксиоматического определения производной и интеграла. Действительно,
в различных системах Ж одной производной / (х) могут соответст-
соответствовать различные примитивные Fx (x) и F2 (x) и, наоборот, одной
примитивной F (х) могут соответствовать различные производные.
26
6. О границах обобщения интеграла
Но эти свойства позволяют свести проблему определения интеграла
к проблеме определения производной.
В самом деле, допустим, что дано какое-либо новое определение
производной, т. е. что имеется функционал, зависящий от выбора
функции F (х) и величины х и определенный для некоторых функций
F и некоторых значений х; этот функционал назовем обобщенной
производной F' (х). Кроме того, допустим, что выполнены следующие
два условия:
1) если F (х) асимптотически дифференцируема в точке ж, то
F' (х) совпадает с этой производной;
2) [1XF1 (х) + ltFt (х)}' = Ijl (x) + 12F'2 (x).
Дополним теперь пять свойств систем Ж следующим шестым
свойством:
6. Если пара [F (x), f (x)] входит в Ж, то, за исключением, быть
может, множества меры нуль, / (х) = F' (х).
Опираясь на эти свойства, покажем, что если функция f (x)
входит в различные системы Ж, то ей в них соответствует одна
и та же примитивная F (х).
Доказательство, Предположим обратное: в системах
CK-l и Ж\ функции / (х) соответствуют две различные функции: Fx (x)
и F2 (х). Тогда обозначая-Ft (х) — F2 (х) как Ф (ж), мы имеем Ф' (х) =
= Fi (х) — F'2 (х) = 0. Предположим, что Ф (х0) > 0, х0 > 0 (дру-
(другие случаи аналогичны). Положим
(x) = x + max Ф (а) для х
0,
г|з (х) = х
'Ф (^г) — "
Ясно, что
хг — xx
(ф [i|) (x)] = x) имеем
ф Ы — ф (^l) ^л
для х <^ 0.
1; значит, для обратной функции ф (х)
В силу свойства 5 функции Fx [ф (х)] и F2 [ц> (х)] принадлежат со-
соответственно классам примитивных Кг и К2 и имеют производные,
равные / [ф (х)] ф' (х), за исключением множества меры нуль. Рас-
Рассмотрим теперь функцию Ф [ф (х)]. Из вышеизложенного следует,
что {Ф [ф (х)\}' существует и равна нулю всюду, кроме, быть мо-
может, множества меры нуль.
С другой стороны, легко показать, что в множестве тех точек,
в которых Ф (х) = max Ф (а), существует подмножество Р меры
р
нуль, на котором множество значений функции Ф (х), а значит, и
г|) (х) имеет ненулевую меру. Пусть Q — множество значений ijj (x)
на Р. На Р имеем
Ф (X) = 1J5 (х) — X.
6'. О границах обобщения интеграла
27
и
Ф [ф (х)] = г|) [ф (х)] — ф (х) = х — ф (х),
{Ф [ф (х)]}' = 1 - ф' {х).
Производная в последнем равенстве асимптотическая. Произ-
Производная ф' (х) на Q равна нулю, за исключением, быть может, мно-
множества меры нуль, так как множество значений ф (х) на Q — мно-
множество Р меры нуль. Следовательно, за исключением множества
меры нуль, на Q имеем {Ф [ф (х)]}' = 1. Противоречие получено 3.
III
Теперь легко показать, что сумма всех систем Ж, обладающих
свойством 6, также является системой Ж, обладающей свойствами
1-6.
Свойства 1, 2, 5 и 6 очевидно выполняются. Свойство 3 также вы-
выполняется, так как каждой примитивной соответствует определенная
производная и обратно, как показано выше.
Доказательство свойства 4. Докажем сначала
следующее: если две системы
Хх = {[Ft (x), U (х)]} и Ж2 = {[F2 (x), U («)]}
обладают свойствами 1—6, то система
Ж = {ВД (х) + 12F2 (x), IJ, (х) + l2f2 (x)]}
обладает ими также. Проверка для Ж свойств 1, 2, 4, 5, 6 не требует
сложных рассуждений. Остается проверить свойство 3: каждой
примитивной соответствует определенная производная; для этого
необходимо показать, что если производная представима в двух
видах: Zu/U (х) + l21f21 (х) и l12fn (х) + l22f22 (x), где /ц и /12 при-
принадлежат классу &!, а /2] и /22 принадлежат к2, то для соответствую-
соответствующих примитивных имеем hi^n (х) ~f~ I21F21 (х) = h^n (х) ~Ь
+ 122F22 (x).
Имеем lufn (х) — l12f12 (x) = Z22/22 (x) — l21f21 (x). Первый член
этого равенства — функция из Al7 второй член — функция из к2.
По ранее доказанному утверждению их примитивные удовлетворяют
3 Может быть доказано аналогичным образом и следующее утверждение:
если две функции fx и /2 принадлежат классам kt и к2 систем Ж\ и Ж2, обладаю-
обладающих свойством 6, и совпадают на интервале Д, то их примитивные Fx и F2
могут отличаться на этом интервале только на константу.
Доказательство в основном такое же, но проводится только на интервале
Див нем делаются следующие изменения. Обозначаем концы интервала Д как
а и Ъ. Предполагаем, что Ф (х0) > Ф (о) (остальные случаи аналогичны), х0
содержится в интервале Д. Полагаем
х -\- max [Ф (а)] для х > о,
г|) (х)
г|> (х) = х + Ф (х)
для
28
6. О границах обобщения интеграла
равенству: lnFlx (х) — 112F12 (х) = 122F22 (х) — 121F2X (x). Доказы-
Доказываемое равенство является следствием этого. Отсюда становится
очевидным справедливость свойства 4 для суммы систем.
Следовательно, сумма всех систем Ж, обладающих свойством 6Т
образует максимальную систему Жт. Для всех функций соответ-
соответствующего класса кт интеграл определен единственным образом
с помощью аксиом 1—6. Для каждой функции, не принадлежащей
кш, не существует такого интеграла. Это показывает, что система
аксиом является полной.
IV
Желая получить определение интеграла изложенным выше ме-
методом, необходимо выбрать некоторое конкретное определение про-
производной. Естественно рассмотреть асимптотическую производную.
В этом случае свойство 6 выражается так:
6а. Если пара [F (x), f (x)] входит в Ж, то / (х) равна асимпто-
асимптотической производной, F'(x), за исключением, быть может, множест-
множества меры нуль (F' (х) обозначает далее асимптотическую производ-
производную).
В силу предыдущего существует максимальная система Ж%,~
Эта система состоит из функций, тотализируемых по Данжуа,
и их примитивных.
Доказательство. Известно, что система тотализируе-
тотализируемых функций и их примитивных (разрешимых функций) обладает
свойствами 1—6а. Осталось показать, что эта система максимальна.
Предположим обратное: существует неразрешимая функция F (х),.
входящая в класс К системы Ж, обладающей свойством 6я. Возможны
два случая.
1) На некотором совершенном множестве меры нуль $> функция
F (х) имеет ненулевую простую вариацию *. Обозначим через
V (F, ЕР, а, Ъ) простую вариацию F (х) на порции 3i, содержащейся
между а и Ь. Предположим, что некоторая порция ёР располо-
расположена между точками А я В я для нее V (F, °Р, А, В) ^> О (случай:
V (F, ff>, А, В)<^0 аналогичен). Положим
-') (х) = х + max V (F, 9>, А, а) для Л О < ?,
6. О границах обобщения интеграла
29-
(x) = x + F (A)
{х) = х+ max V(F,gi,A,a)
ДЛЯ Х
ДЛЯ X
В.
* Простая (simple) вариация введена А. Данжуа [4] и для совершенного-
множества 9> равна F (sup ,<Р) - F (inf .*>) _ | {F (ад _ F (%)), где (^ ад ™
i [inf *
Окончание этого доказательства аналогично предыдущему доказа-
доказательству. Для обратной функции ср (х) справедливо свойство 5.
Обозначим через Q множество значений ty (x) на предложенной пор-
порции множества 5s. Легко видеть, что F [ф (х)] имеет положительную-
асимптотическую производную на некотором подмножестве Q по-
положительной меры. С другой стороны, {F [ф (х)]}' = / [ф (х)] ф' (х) =
= 0 на Q, за исключением, быть может, множества меры нуль. Про-
Противоречие получено.
2) Вариация F (х) неприводима на некотором совершенном мно-
множестве меры нуль Ъ3Ь. В этом случае можно найти функцию ф {х)г
удовлетворяющую условию 5 и такую, что функция F [ф (х)] не имеет
асимптотической производной на некотором множестве положитель-
положительной меры.
Конструкция функции ф (ж). Множество Q получается путем;
замены переменной из множества ff'i, являющегося частью S1.
Мы определим множество с помощью правильной системы сегмен-
сегментов. Мы назовем так систему сегментов
обладающую следующими свойствами: пусть iu i2, . . ., in_x фикси-
фиксированы, inменяется от 1 до N^... % . Сегменты одного и того же ран-
ранга (с фиксированным числом п) не пересекаются и расположены
в порядке возрастания индекса in. Каждый сегмент Aj^... \ содер-
содержится в соответствующем сегменте предыдущего ранга Ау^.л 1..
Сегменты первого ранга содержатся в сегменте А с концами а я Ъ.
SP-i есть множество всех точек, принадлежащих бесконечному чис-
числу сегментов А.
Сегмент Aj,^.... отображается в некоторый сегмент 8,^,...^.
Порция множества &\, содержащаяся в первом сегменте, отобра-
отображается в порцию множества Q, содержащуюся во втором сегменте.
Обозначим меру этой порции через е^... j . Числа е должны удовлет-
удовлетворять следующему условию:
Предположим еще, что
ъ Понятие приводимости вариации также принадлежит А. Данжуа [4].
Вариация F (х) приводима на совершенном множестве 3*, если для любой пор-
порции if существует ее подпорция, для которой простая вариация F (х) сущест-
существует.— Примеч. пер.
30
6. О границах обобщения интеграла
6. О границах обобщения интеграла
Если все числа е определены, то мера порции Q, соответствующей
какой-либо порции 5s!, определена единственным образом. Обозна-
Обозначим через е (х) меру порции Q, соответствующую порции 3i1, содер-
содержащейся между а и х. Более точно: для точки х, лежащей между
двумя сегментами ранга п, определим е (х) как сумму всех чисел е,
соответствующих сегментам ранга п, лежащим левее х. Функция
е (х), непрерывная и возрастающая, определена тем самым на всех
смежных интервалах множества &х. Доопределим е (х) на 3^1 по
непрерывности.
Функция, обратная к функции гр (х) = х -f- e (х), является иско-
искомой функцией ф (х); очевидно, что она удовлетворяет условию 5.
Определим сегменты Ду,... i и числа е^... j следующим способом
по индукции. Предположим, что Д^..., иву,... i уже определены.
Определим целое числоiVi,i2... j , сегменты Ду,...{ * и числа е^,.,,* r.
ВзявЛ^... i достаточно большим и выбрав сегменты'соответствующим
образом, можно добиться, чтобы выполнялись следующие условия:
1. Каждый сегмент Д^..^ s содержится в Д^..., и содержит
совершенную порцию множества 5s.
2. Длина Дг,»,...1пк меньше 1/и.
3. Сегменты Ai,»,...! s не перекрываются и расположены в порядке
возрастания индекса к.
4. Обозначим через u?i,i,...init и wui,...ink минимум |^(ж) — ^(г/)|. где
а; принадлежит \ц..л к> & У принадлежит Ai,i,...in;t-i для w или
Ai,i,...*nfr+i Для w"- Обозначим далее через w^...^ наибольшее из чи-
чисел w', w". В этих обозначениях потребуем, чтобы
•Определим еще
При п = 1 берем единственный сегмент Дх = Д и е1 = 1. Так опре-
определенные числа е удовлетворяют предшествующим условиям.
Определив таким образом функцию ср (х), покажем, что в каж-
каждой точке плотности множества Q функция F [ср (х)] не имеет асимп-
асимптотической производной.
В самом деле, такая точка х содержится в последовательности
сегментов 8^..., с возрастающим индексом п. Мера е^...г порции
множества Q, содержащейся в сегменте 8^ ... { , отличается от длины
этого сегмента на величину, которая является бесконечно малой
¦более высокого порядка, чем эта длина (в силу того что х — точка
плотности Q). Предположим, что соот-
соответствующее ЧИСЛО V)\ г2 . . . i больше ИЛИ
равно и;у2...г (противоположный слу-
случай аналогичен). В этом случае
W\\ .-•*„= W\\ ¦ ¦ • in < WiA ¦ ¦ ¦ *n+1' a 3Ha"
чит, по построению чисел е : еа2,. л ^
^ eiX i +i- Значит, длина сегмента
1 2 ' П
8y2...%n может превосходить длину сег-
сегмента 6i t i +1 только на величину,
которая является бесконечно малой бо-
более высокого порядка, чем их длины.
Расстояние между этими сегментами
также является величиной бесконечно
малой по отношению к этим длинам.
С другой стороны, ввиду свойства 4
сегментов Д и определения чисел е и w
имеем
|^'[фМ]-Лф(г/)]|>«;у,.1>
+
3
II
Рис. 1
для каждого у, принадлежащего сегменту бу2...i+i- Отсюда легко
следует, что функция F [ф (х)] не имеет асимптотической производ-
производной в точке х (см. рис. 1).
Заменяя свойство 6а свойством 6°, которое требует, чтобы / (х)
совпадала с обычной производной F' (х) всюду, за исключением, быть
может, множества меры нуль, получаем определение интеграла,
эквивалентное первому определению Данжуа.
V
Итак, для получения дальнейших обобщений упорядоченного
интеграла необходимо иметь более общее определение производной,
чем асимптотическая производная. Я приведу здесь определение
производной, приемлемое для этой цели. Это определение лишь де-
демонстрирует возможности обобщения интеграла Данжуа с сохра-
сохранением всех свойств упорядоченного интеграла. Глубокое изучение
определений такого рода еще предстоит осуществить.
Вначале следует обобщить понятие плотности множеств. Без
потери общности можно ограничиться изучением плотности справа
от начала координат. Пусть у = ф (х) — функция, имеющая такие
две первые производные, что
ф @) = 0; ф' @) = 0; ф» (х) > 0 для х > 0.
В этом случае каждому множеству Еу на оси у соответствует
множество Ех на оси х и наоборот. Можно доказать следующие,
утверждения:
32
6. О границах обобщения интеграла
1) если Еу имеет определенную правую плотность в точке О,
то множество Ех также имеет определенную плотность, которая равна
плотности множества Еу\
2) Ех может иметь определенную плотность, в то время как Еу
таковой не имеет.
В связи с этим становится естественным ввести такое определе-
определение обобщенной плотности: в качестве обобщенной плотности Еу
в точке 0 брать обычную плотность Ех, если она существует. Однако
такое определение зависит от выбора функции ф (х). Эта ситуация
подобна возникающей в суммировании расходящихся рядов: может
случиться, что для двух различных функций ф плотности множества
не совпадают. Мы должны, таким образом, выбрать определенную
функцию ф (х). Чтобы исключить неопределенность, ограничимся
¦функцией
у = ф (х) = е-1/*,
удовлетворяющей приведенным условиям при х <^ 1. Это вызвано
тем, что данная функция обладает таким свойством: если Еу с по-
помощью функции у = е~^х отображается в множество Ех определен-
определенной плотности, то с помощью другой произвольной функции ф
оно отображается либо в множество, плотность которого равна пре-
предыдущей, либо в множество неопределенной плотности.
Это показывает, что данный метод определения обобщенной
плотности приводит нас к таким же результатам, как и все другие
методы. Чтобы продвинуться дальше, нужно будет, по-видимому,
ввести новые аксиомы для плотности.
При помощи введенного определения обобщенной плотности
легко получить определение производной более общее, чем опреде-
определение асимптотической производной. Можно показать, что такое
-обобщение производной приводит с помощью метода § 3 к определе-
определению интеграла, более общему, чем у Данжуа. Это значит, что мак-
максимальная система Жт, соответствующая новой производной, яв-
является более обширной, чем система Жт- Вот пример примитивной
F (х) нашей системы, которая не является примитивной
6. О границах обобщения интеграла
33
/д (х) = ж/А,
/д («) = 1,
/д (ж) = 1 - (х - V
/д (i) = О,
/д (ж + 1) = /д (ж);
ФД (х) = дд (ж/Д),
•г|>„ (х) = фд^ (ж)
если 0 <; х < А;
если А < х < V2;
если V2 < х < V2 + А;
если 7а + А < х < 1;
если i|3i (х) = 0 для всех к < п;
/+Л
¦фп (х) = 0, если tyic (x) ф- 0 для некоторого к <^ п;
00
п=1
Константы Ап должны уменьшаться достаточно быстро и отноше-
отношение Д„/Ап+1 должно быть целым (см. рис. 2).
VI
Таким образом, любое обобщение интеграла Данжуа связано
с обобщением асимптотической производной. Для поисков границы
такого обобщения введем вместо свойства 6 системы Ж следующее
свойство.
В. Если F (х) имеет асимптотическую производную F' (х) на
множестве Е, то она равна / (х).
Мы обозначим через Ж Систему Ж обладающую 6 свойством б.
Система аксиом 1—Б неполна (смотри конец § 3), т. е. в двух си-
системах Жх и С№% одной производной могут соответствовать две раз-
различные примитивные. Но эта система аксиом достаточна для огра-
ограничения области упорядоченного интегрирования. Точнее, можно
показать, что функция f (x), не суммируемая ни на каком интер-
интервале, содержащемся в сегменте А, не может быть производной
в системе Ж.
8 Бели некоторая функция / входит в класс к системы X и совпадает на
интервале Д с функцией /", принадлежащей классу к^ (это значит, что она то-
тализуема), то примитивная F может отличаться на Д от примитивной F0' только
на постоянную. Значит, каждый интеграл, удовлетворяющий аксиомам 1—6,
совпадает с интегралом Давжуа,если оба существуют. Это немедленно вытекает
из примечания к разделу III.
2 А. Н. Колмогоров
34
6. О границах обобщения интеграла
6. О границах обобщения интеграла
35
Доказательство. Условимся говорить, что функция
F (х) растет на сегменте А = (а, Ъ), если для произвольного х,
лежащего между а и Ъ, F (о) <^ F (х) <^ F (Ь). (Это определение не
соответствует обычному определению, но для нас оно пригодно).
Если функция F (х) непрерывна и F (a) <^ F (Ь) для сегмента
А = (а, Ъ), то найдется такой сегмент А' = (а1, V), содержащийся
в А, что функция F возрастает на этом сегменте и F (а') = F (а),
F (V) = F (Ь).
Допустим, что функция Fx растет на сегменте Aj = (аи bj,
а функция Ft растет на сегменте Аа = (а2, Ъ2). В этом случае обозна-
обозначим сегмент б = {[^ (ах) + Fa (а2), F± (Ьг) + F2 F2)]} через
R [Fu F2, Al5 AJ.
Допустим, что существует система S± = [А{, А\, . . ., Af] из
конечного числа непересекающихся сегментов, которые располо-
расположены в порядке роста их индексов, и пусть функция F1 растет на
каждом сегменте А*. Предположим еще, что для функции F2 сущест-
существует система S2 ~ [A\, Al, . . ., Д?] с таким же числом сегментов,
имеющая аналогичные свойства. Тогда каждой паре сегментов
А\ и А2 соответствует сегмент
6* = («*, р») = R [Fu F%t A\, A\].
Предположим, наконец, что сегменты Ьк расположены таким
образом, что Pfe+1 ^> P^, ak+1 <; pfc. Тогда сумма сегментов 6* есть
сегмент. Обозначим его через
R IFU F2, Su S2) = б.
Лемма I. Пусть сегмент R [Ft, F2, S'x, S'2] = б' содержит
сегмент (а, Ъ) и сегмент R [Ft, Ft, S"u Sl\ = б" содержит сегмент
(Ь, с), причем а <[ Ъ <^с, и пусть системы S" лежат целиком спра-
справа от соответствующих систем S'. Тогда можно извлечь систем]/
S1 из систем S'x и Si и систему S^ из систем S'2 и 52 таким способом,
что сегмент
R [Fu F2, Slt S2) = б
содержит сегмент (а, с).
Лемма П. Если R [Flt F2, Аи А2] = б, где функции F1 и
F2 непрерывны и каждая имеет неограниченную вариацию на любом
интервале, содержащемся в соответствующем сегменте, то можно
найти системы S-^ и S2 произвольно малой меры, содержащиеся
в сегментах Аг и А2 такие, что
R [Fx, F2, S» S2] = б.
Доказательство. По условию функция Fx растет на
Ах = (аи bj) с Fx (ai) до F-l (by). Разобьем сегмент точкой сх на две
JM
Ж
tic naucM.
4
?,
ил
X
tb(x) -еХсчСС
еХ
Илшц
E
f?<ft(x
tt**4 Ax
рмЛ»иТ лил. в.
= 0.
Ш***
Страница рукописи «О границах обобщения интеграла»
2*
36
6. О границах обобщения интеграла
части (ах, сх) и (сх, Ъх) так, что функция Fx растет на (ах, сх). Это
можно сделать таким образом, что {ах, сх) будет произвольно малым.
Разделим еще Д2 = (а3, Ь3) на два сегмента (а2, с2) и (с2, 6Z) таких, что
Fi растет на (с2, Ь2) и так, что этот сегмент является достаточно ма-
малым.
Можно найти для сегмента (о1, сх) систему Sn = [Дц, Ац, . . .
. . ., Ац] сегментов Аи = (оц, Ьц), расположенных в порядке роста
их индексов и удовлетворяющих следующим равенствам и неравен-
неравенствам:
+ F2 (c,)] - [Ft (аг) - F, (a,)].
Это возможно, так как Fx имеет неограниченную вариацию на (ах,
сх). Можно предположить еще, что Fx растет на каждом сегменте
Ац. Теперь можно найти на сегменте (а2, с2) соответствующую систе-
систему Sn произвольно малой меры и такую, что
R [Fi, Ft, Sn, Slt] - 6г = {IF, (в1) + F* (a,)], [Fy (Cl) +
(см. рис. 3).
Так же можно построить на сегментах (clt bx) и (с2, Ь2) системы
Sn и ^22 такие, что
R lFlt Fit S*, Sn] - б2 = {IFX (d) + F2 (c2)], [Fx FX) + F2 F,)]}.
Построение системы 52а аналогично построению системы jS^ и по-
построение 521 подобно построению S^. Затем лемма I позволяет из-
извлечь из систем jS^, Sn, S21, S32 две искомые системы Si и 52.
Возвращаясь к главной теме этого раздела, предположим, во-
вопреки утверждению, которое мы хотим доказать, что в системе 3€
существует производная / (х), не суммируемая ни на каком интер-
интервале, принадлежащем сегменту Д. Соответствующая примитивная
F (х) не может быть функцией ограниченной вариации ни на каком
интервале, принадлежащем А. Выберем в А сегмент А' = (а', Ъ'),
на котором функция F растет с F (а1) до F (Ь'). Применим лемму II
к функциям Fx = F, Fz = F и сегментам Ах = А' и А2 = А'. Мы
получим две системы Sx и 5j с произвольно малыми мерами такие,
что
R IF, F, Su St] *= R IF, F, A', A'] = 6.
Применяя к каждой паре соответствующих сегментов систем Sx
и S2 ту же лемму, мы получим две новые системы S{ и S\, содержа-
6. О границах обобщения интеграла
37
iA
Рис. 3
щиеся в системах Sx и S% и такие, что
R IF, F, S\, S\] = б.
Повторяя эту операцию, можно получить последовательность
пар систем S™, ?2 с мерами, стремящимися к нулю. Обозначим через
SP>i совершенное множество, являющееся пределом систем Sx,
и через З^ъ — такое же множество для систем S^. Эти множества
меры нуль. По их определению они находятся во взаимно однознач-
однозначном соответствии с сохранением порядка и непрерывности. Про-
6. О границах обобщения интеграла
должим это соответствие на дополнительные интервалы. Пусть
?1 ix) — функция, которая осуществляет наложение &\ на ?Р2,
а ?2 (х) — такая, которая осуществляет наложение ,9*2 на 5V Легко
видеть, что выражение F (х) + F [|t (х)\ возрастает на SPi, а выра-
выражение F (x) -\- F [|2 (#I таким же образом возрастает на ёРг.
Положим,
Ь(*) = max
= max
Функции
-Фх (X) = X + lj_ (X) + Ci (X)
ф, (ж) = ж + Si (*) + ?2 (я)
преобразуют множества SPi и 3*2 в одно и то же множество (? поло-
положительной меры б. Обратные функции фх (х) и ср2 (х) удовлетворяют
условию 5. Можно показать, что функция
Ф(х) = F [ф1 (х)] + F [ф2 (г)]
имеет асимптотическую производную, равную 1 почти всюду на Q.
Таким образом, мы получили противоречие, так как примитив-
примитивная системы Ж обязана иметь почти всюду на Q производную, рав-
равную нулю. В самом деле,
Ф' (х) = / [ф1 (ж)] ср; (х) + f [ф2 (ж)] ф2 (х) = 0.
Вероятно, верна следующая более сильная теорема: в системе
Ж не может существовать производной, не суммируемой на каждой
порции некоторого совершенного множества. Но наши методы недо-
недостаточны для ее доказательства.
Москва, 14 февраля 1925 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kolmogoroff A. La definition axiomatique de 1'integrale.—С. г. Acad. sci.
Paris, 1925, vol. 180, p. 110—112.
2. Kolmogoroff A. Untersuchungen fiber den Integralbegriff.— Math. Ann., 1930,
Bd. 103, S. 659—696.
3. Lebesgue H. Lefons sur l'integration et la recherche des fonctions primitives.
Paris, 1904.
4. Denfoy A. Sur la derivation et son calcul inverse.— C. r. Acad. sci. Paris, 1916,
vol. 162, p. 377—380.
7. О возможности общего определения производной
39
О ВОЗМОЖНОСТИ ОБЩЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПРОИЗВОДНОЙ, ИНТЕГРАЛА И СУММИРОВАНИЯ
РАСХОДЯЩИХСЯ РЯДОВ*
I. Всякий способ обобщенного дифференцирования, приемлемый
для приложений, должен удовлетворять следующим условиям.
1°. Обобщенная производная совпадает с обычной производной,
если эта производная существует.
2°. Если ф (х) = af (x), то функция ф (х) дифференцируема в тех
же точках, что / (х) и ф' (х) = af (x).
3°. Если ф (х) = / (ах) и функция / (х) дифференцируема в точ-
точке ах0, то ф' (х0) = af (ax0).
4°. Если ф (х) = / (х + h) и функция / дифференцируема в точке
х0 + h, то ф' (х0) = f (х0 + h).
5°. Если Д, /2 обе дифференцируемы в точке х0, то функция
Ф (х) = Д (х) -f- U (х) также дифференцируема в точке х0 и
ф' (*о) = /i (хо) + /г Ы-
Если хотим ввести бесконечную производную, то должны вы-
выполняться следующие условия:
если а ]> 0, то a-(-foo) = +°°i a- (—сю) = —оо,
если а < 0, то а-(+оо) = — со, а-(—оо) = +оо, + °° +
+ а = +оо, — oo-f- а = —оо.
Пусть все предыдущие условия выполнены, тогда если функция
п=1
имеет производную, конечную или бесконечную на множестве поло-
положительной меры, то эта производная есть функция неизмеримая.
П. Если есть метод суммирования расходящихся рядов, который
удовлетворяет условиям:
A)
п=1
п=1
B) S ««>» = <* 2 "п.
п=1 п=1
и если при помощи его можно определить сумму, конечную или бес-
бесконечную для каждого ряда вида' 2sin 3nx, то можно построить
эффективный пример функции, неизмеримой по Лебегу.
* Sur la possibility de la definition generate de la derivee, de 1'integrale et
de la sommation des series divergentes.—С. г. Acad. sci. Paris, 1925, vol. 180,
p. 362—364. Представлено Э. Борелем. Перевод Л. А. Балашова:
40 8. О гармонически сопряженных функциях и рядах Фурье
III. Пусть для данного определения интеграла выполняются:
Ь с с
A) lf(x)dx l
B)
kb
C) $/(-jL)ds =
tea
При этих условиях, если можно определить интегралы
1
(функции /( будут определены ниже), конечные или бесконечные для
всех точек некоторого множества положительной меры, то можно
построить пример функции, не измеримой по Лебегу. Здесь
/, = 2n sin 3nt, когда
х > -^ .
Доказательства довольно длинны, но почти очевидны.
26 января 1925 г.
8
О ГАРМОНИЧЕСКИ
СОПРЯЖЕННЫХ ФУНКЦИЯХ
И РЯДАХ ФУРЬЕ*
Привалов [1] доказал следующую теорему:
Если f @) — суммируемая функция и
/(Р. е) =
1-р»
р2 — 2р cos (а — 9)
da,
то при z, стремящемся к eie no любому пути, некасательному к ок-
окружности, гармоническая функция g (z), сопряженная к f (z), стре-
стремится для почти всех значений 0 к определенному пределу
: * Sur les fonctions harmoniques conjuguees et les series de Fourier.^Fund.
math., 1925, vol. 7, p. 24—29. Перевод Т. П. Лукашенко.
8. О гармонически сопряженных функциях и рядах Фурье
41
где интеграл понимается как
8 Л
lim J +5J.
Вообще говоря, g @) является несуммируемой функцией [2].
Я докажу в этой заметке, что функция | g @) |1-e суммируема 'при
е ^> 0 (теорема II). Как непосредственное следствие я докажу тео-
теорему (III) о сходимости в среднем рядов Фурье, из которой вытекает
теорема, что всякий ряд Фурье — Лебега сходится по мере.
Теорема I. Рассмотрим множество Е всех точек 0, для
[
которых
имеем
@)
р
R, R — произвольное [число. При этих условиях
RmesE^C J |/@)|d9,
где С — абсолютная постоянная.
Доказательство. Предположим, что не существует
такой постоянной С, удовлетворяющей указанному неравенству.
В этом случае для каждого п существуют функция fn @), множество
Еп и постоянная Rn такие, что:
1) I ёп Ф) I ^> Rm если 0 принадлежит множеству Еп;
2) Rn mes En^> n;
3)
|/п(9)|йв<1.
Дополнительно предположим, что функции /„ @) и gn @) непре-
непрерывны; это возможно, если, например, положить fn (z) = fn (zp),
Sn (z) = 8n (zP)i гДе p <^ 1, a 1 — p настолько мало, что сохраняются
условия 1), 2), 3).
Без труда можно доказать, беря, если необходимо, некоторые
щ последовательно равными между собой, существование после-
последовательности щ, п2, п3, . . ., щ, . . ., удовлетворяющей следующим
условиям:
lim п^= со,
1С—»оо
(А) ряд 2 mesEn]t расходится,
РЯД
==— сходится.
42
8. О гармонически сопряженных функциях и рядах Фурье
Следовательно, положив %==
Ynh
*
* , будем иметь
(В) ряд 2j % сходится;
Иг=1
(С) \i
Рассмотрим сумму (рп — целые числа)
Этот ряд сходится почти всюду на окружности р = 1 к некоторой
суммируемой функции, так как в силу 3)
k=i -я
и к интегралу Пуассона от этой функции внутри круга. Ряд
сходится к сопряженной функции внутри круга.
Определим две последовательности
Pi<Pi< ¦ • • <р„ < ¦ • .-»- оо,
Pi<p2<- • • <рк <• . .-»-1,
удовлетворяющие следующим условиям:
I. Если Ек множество точек eie таких, что точки eip*e принадле-
принадлежат множеству Env и если Е является верхним пределом множеств
Ек, то
mes Е = 2л.
¦II: Для всех значений 0 и 1 > р > рк имеем
*-1 к-1
I 2
9=1
- %aqg [(е
9=1 ч
r]-ahgnk[(e*
III. Для всех 0 и р < pft имеем
S. О гармонически сопряженных функциях и рядах Фурье
43
В самом деле: 1) можно доказать, что условие I выполнено, если
числа ръ возрастают достаточно быстро *; 2) если даны ри р2, . . .
. . ., рк, то можно выбрать pft таким, что условие II выполнено
в силу непрерывности функций gn @); 3) условию III удовлетворим,
выбирая Pfr+i, рк+2, P)t+3i • • • такими большими, что p?k+1, Р^+2,
р^+3, . . . достаточно малы, и тогда условие III убудет выполнено,
ибо gn @) =0.
Рассмотрим точку Э, принадлежащую множеству Ек. В силу
III и II
. в)=
Chgnk
k—l
3=1
S-l
^, 0) =
g
ч
k-1
3=1
Следовательно,
I * (pt, в) —
,_i, 0)
- 5
akRni(\ -5.
Из этого результата имеем (см. I и (С)), что для всякой точки 0
множества Е функция i|; (p, 0) не стремится к пределу, когда р стре-
стремится к единице. Противоречие с результатом Привалова доказывает
теорему.
Теорема П. Для 1 ^> г ^> 0 имеем
где С — абсолютная постоянная.
Доказательство основывается на следующих замеча-
замечаниях: а) мера множества, на котором | g @) \^> R, меньше меры
множества, некотором | 1/0 | ^> R, умноженной на С ^ 1/@) 1^0,
—я
и б) функция [ Их I1 суммируема.
1 Доказательство этого длинное; оно может быть основано на расходимости
ряда (А) и на следующем замечании: если даны измеримые множества Elt Е2,. ..
. . ., Ек-1, то можно выбрать рк таким большим, что множество Ек расположено
довольно равномерно на окружности и мера пересечения Е-^Е^ . . . Ek-i с Ejg
близка к произведению мер, деленному на 2я.
44 8. О гармонически сопряженных функциях и рядах Фурье
Теорема III. Если f (х) — суммируемая функция, a Sn
сумма п первых членов ее ряда Фурье, то
для2 1 > е>0.
Доказательство. Известно, что
я
л = — \ —- sin na da + &>„ (х),
—я
где A)„ (ж) стремится к нулю равномерно. Аналогичным образом
можно записать
я
е J_ i' /(* + «) •
п~2я J tg(a/2) Slr
—я
где <йп —>¦ 0 равномерно.
Следовательно,
smnotda =
я
cos пх Г / (ж + a) sin re (я + а) ,
—п
sinnx Г f (x -\- a) cos n {х -{¦ а)
3
2д
-е я
е я
где интегралы взяты как lim ( \ + V ).
Если ф (х),~ \р (х) — функции, сопряженные к
/ (;r)sin nx, f (;r)cos пх,
то имеем
| cos
(ж) | + | sin гежг|? (х) \
(IФ (*) I1
2 Для 8=0 это неверно, см. [3].
9. О принципе tertlum поп datur
45
cos ад |
—я
—я
B)
Для любого h ^> 0 построим две функции /' (ж), /" (х) такие, что:
1. f (х) + Г (х) = f (х);
я п
. (jj
Я — Л
3. /' (ж) непрерывна и тогда она удовлетворяет условию A).
Применяя формулу B) к f (x) и обозначая через |5„, ?„ частич-
частичные суммы рядов Фурье от /', /", мы получим
я я
lim sup J | / (ж) — Sn (х) I1"* dx < lim sup $ | /' (ж) — Уп (ж) \l'e dx +
Я Я
+ \ | /" (ж) I1"8 dx + lim sup J |^Ийж</г.
-я п^°° -я
Это доказывает теорему.
Москва, февраль 1923 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Привалов И. И. Интеграл Копш. Саратов, 1919.
2. Лузин Н, Н. Интеграл и тригонометрический ряд. М., 1915.
3. Banach S., Steinhaus H. Sur la convergence en moyenne.— Bull. Acad. Cra-
covie, 1918.
9
О ПРИНЦИПЕ TERTIUM NON DATUR *
ВВЕДЕНИЕ
Работами Брауэра обнаружена незаконность употребления прин-
принципа tertium non datur 1 в области трансфинитных умозаключений.
Нашей задачей является выяснение причины того^ что это незакон-
незаконное употребление не привело до сего времени к противоречиям и
даже самая незаконность его оставалась часто незамеченной.
* Мат. сб., 1925, т. 32, № 4, с. 646—667.
1 Tertium non datur (лат.) — третьего не дано; название, употреблявшееся
схоластиками для закона исключенного третьего.— Примеч. ред.
46
9. О принципе tertium поп datur
Значение в приложениях могут иметь лишь финитные выводы
математики. Но для обоснования финитных выводов часто употреб-
употребляются трансфинитные умозаключения. Брауэр считает поэтому, что
и интересующиеся лишь финитными результатами математики не
могут пренебрегать интуитивистской критикой принципа tertium
поп datur.
Мы доказываем, что все финитные выводы, полученные посред-
посредством трансфинитного применения принципа tertium non datur,
верны и могут быть доказаны и без его помощи.
Естествен вопрос: имеют ли какой-либо смысл те трансфинит-
трансфинитные посылки, которые послужили для получения правильных фи-
финитных выводов?
Мы доказываем что всякий вывод, полученный при помощи
принципа tertium non datur, верен, если только вместо каждого
суждения, входящего в его формулировку, поставить суждение,
утверждающее его двойное отрицание. Мы назвали двойное отри-
отрицание суждения его «псевдоистинностью». Таким образом, в матема-
математике псевдоистинности законно применение принципа tertium non
datur.
Необходимость введения подобных понятий «псевдосуществования»
и «псевдоистинности» давно чувствовалась в математике, хотя бы
в связи с вопросом об аксиоме Цермело. Но только теперь один из
видов псевдоистинности получил строгое определение и обоснование
в виде аксиом, применимых в области псевдоистинности и не при-
применимых к подлинной истинности.
I. ФОРМАЛЬНАЯ И ИНТУИТИВИСТСКАЯ
ТОЧКИ ЗРЕНИЯ
§ 1. С формальной стороны математика является совокупностью
формул (см. [1, с. 152]). Формулы — это комбинации определенного
запаса элементарных символов. В основе математики лежат опре-
определенная группа формул, называемых аксиомами, и определенные
правила построения новых формул, исходя из данных (формул); такими
правилами являются в настоящее время вывод по схеме в, в -*- Z | ?
и правила подстановки частных значений вместо символов перемен-
переменных различного рода.
Определенная группа формул в противоположность аксиомам,
заведомо «истинным», признается заведомо «ложной». Система ак-
аксиом называется «непротиворечивой», если в результате вывода из
них, совершаемого согласно правилам, не может получиться ни
одной из формул, считаемых «ложными».
§ 2. Формальная точка зрения на математику утверждает, что
выбор аксиом, лежащих в основе ее, произволен и подчиняется лишь
соображениям практического удобства, лежащим вне математики
9. О принципе tertium non datur
47
и, конечно, более или менее условным 2. Единственное абсолютное
требование, предъявляемое каждому математическому учению,
это, с рассматриваемой точки зрения, требование непротиворечиво-
непротиворечивости лежащих в его основе аксиом.
Истинными называются формулы, доказуемые на основании акси-
аксиом, ложными — приводящие к противоречию. Вопрос о истинности
или ложности непротиворечивой, но и недоказуемой формулы
с формальной точки зрения не имеет смысла. Существование таких
формул указывает на неполноту системы аксиом. Неполная система
аксиом может быть пополнена, если это почему-либо желательно,
путем признания за аксиому одной из недоказуемых и непротиворе-
непротиворечивых формул или, с таким же правом, ей противоположной. Вы-
Выбор формулы, принимаемой за новую аксиому, среди различных
противоречащих друг другу подчинен таким образом лишь соображе-
соображениям удобства.
§ 3. Интуитивистская точка зрения исходит из признания реаль-
реального значения математических предложений. Аксиомы, лежащие в
основе математики, признаются за выражение данных нам фактов.
Эта точка зрения допускает формальный метод изучения математи-
математических построений как один из возможных, но противоречит формаль-
формальному взгляду на математику в целом.
Совершенно иначе, чем с чисто формальной, решается с интуити-
интуитивистской точки зрения вопрос о природе недоказуемых, но и непро-
непротиворечивых предложений. Пусть для некоторой области математики,
например геометрии, дана система аксиом. Аксиомы эти являются
выражением свойств объекта изучения, в частном случае — про-
пространства. Пусть далее, некоторое предложение избранной области
не может быть доказано на основании данных аксиом, но и не при-
приводит к противоречию. С интуитивистской точки зрения может
представиться два случая. Во-первых, может случиться, что истин-
истинность или же ложность рассматриваемого предложения следует из
непосредственного усмотрения; в этом случае можно принять в каче-
качестве новой аксиомы данное предложение, если оно истинно, или,
если оно ложно, ему противоположное. Во-вторых, может случиться,
что предложение неопределенно, т. е. истинность его или ложность
не извлекаются из непосредственного усмотрения; в этом случае
можно лишь попытаться вывести рассматриваемое предложение из
других непосредственно очевидных; если же это не удастся, то
необходимо считать предложение неопределенным, так как возмож-
возможно, что впоследствии нам придется принять как очевидно истинные
аксиомы, из которых можно будет вывести его истинность или лож-
ложность, что же именно — неизвестно.
2 См. [2, введение]. Близок к этой точке'зрения и Гильберт: для него абсо-
абсолютными истинами (absolute Wahrheiten) являются лишь предложения «мета-
«метаматематики», т. е. утверждения о непротиворечивости, но, с другой стороны,
и формулы обычной математики (eigentliche Mathematik), по его мнению, все
же являются выражением некоторых мыслей (Gedanken) (см. [1, с. 152—153]).
48
9. О принципе tertium поп datur
9. О принципе tertium поп datur
49
§ 4. Формальная точка зрения выдвигается и в математической
логике. Мы в этой работе сталкиваемся с ней именно на почве логики.
Тем не менее основанием для формальной точки зрения в математи-
математической логике является отрицание реального значения математи-
математических предложений. В самом деле, к реальности никто не предложил
бы применять логические формулы, не имеющие реального значения.
Таким образом, поскольку математическая логика признается
только формальной системой, формулы которой не имеют реального
значения, постольку отделяется от общей логики: формальная точка
зрения может существовать только в математике и математической
логике, но не в обыкновенной логике, претендующей на значимость
в применении к действительности.
Мы же не отделяем от общей логики особой «математической
логики», но признаем только, что своеобразие математики как науки
создает для логики особые проблемы, которые исследуются специ-
специальной «логикой математики». Только в ней возникает сомнение
в безусловной применимости принципа tertium non datur.
§ 5. Различие двух установленных точек зрения проявляется
уже в области логики суждений. Мы понимаем в дальнейшем под
общей логикой суждений науку, исследующую свойства произволь-
произвольных суждений в отношений их истинности, ложности и процесса
вывода независимо от их состава (каждое суждение считается неразло-
неразложимым элементом исследования). Формальное выражение общей
логики суждений осуществляется при помощи символов произволь-
произвольного суждения А, В, С, . . . , символа следования А -*- В и символа
отрицания А.
Гильберт предложил следующую систему аксиом логики суж-
суждений (см. [1, с. 153]):
Аксиомы следования
1. А~*(В->А).
A)
4. (В-+ С)->{(А~+В)->(А->С)}.
Аксиомы отрицания
B) *' АА2{в2В)А-»В
Внутренняя непротиворечивость этих аксиом доказывается
крайне элементарно (см. [3]). С формальной точки зрения этого дос-
достаточно, чтобы принять их за основу общей логики суждений.
Кроме того, система Гильберта является полной: она не может
быть пополнена без противоречия новой независимой аксиомой.
Точнее: всякая формула, написанная в символах логики суждений,
хотя бы такая, как
),
или может быть доказана на основании аксиом Гильберта или же из
нее при помощи тех же аксиом можно извлечь следствие
А,
т. е. истинность произвольного суждения.
§ 6. С интуитивистской точки зрения взаимная непротиворечи-
непротиворечивость аксиом Гильберта отнюдь не достаточна для их признания.
В следующей главе мы проанализируем источники их значимости
для суждений вообще и для частных видов суждений.
Из двух гильбертовых аксиом отрицания аксиома 6 в несколько
необычной форме выражает принцип tertium non datur. Необосно-
Необоснованность применения этого принципа к произвольным суждениям
была показана Брауэром3. Аксиома 5 употребляется только в сим-
символическом изложении логики суждений, поэтому критика Брауэра
не коснулась ее, тем не менее она также не имеет интуитивных осно-
оснований.
Таким образом, вместе с критикой аксиом Гильберта мы должны
будем предложить новые аксиомы отрицания, приложимость которых
к произвольным суждениям была бы удостоверена.
3 См. [4, с. 252]. Гильберт тоже считает принцип tertium non datur в при-
применении к бесконечным совокупностям объектов не очевидным интуитивно.
Символически он выражает его в этом случае двумя формулами
la) A (a) aq.(Ea) А (а),
1ШГ) A (a) dq. (а) Л (а)
(см. [1, с. 153]). Что же касается принципа tertium non datur в общей логике
суждений (аксиома 6), то Гильберт ничего не говорит о его интуитивной очевид-
очевидности; по-видимому, он считает ее несомненной. Эти взгляды Гильберта не свя-
связаны неразрывно с основной чисто формальной его задачей — исследованием
непротиворечивости; они кажутся нам неверными.
Во-первых, аксиома 6 не является интуитивно очевидной. Отношение ее
к финитной логике (finite Logik) только кажущееся: в то время как истинность
аксиом следования 1—4 усматривается независимо от содержания суждений,
истинность аксиомы 6, как будет выяснено в следующей главе, требует для сво-
своего оправдания привлечения содержания суждений, содержание же это может
быть и трансфинитным.
Во-вторых, если аксиомы 1—6 признаны, то приведенные выше две формулы
могут быть доказаны при помощи нескольких аксиом, интуитивная очевидность
которых не может подлежать сомнению. Доказательства мы дадим в главе V,
для оправдания же следующих ниже исследований достаточно и первого эргу*
мента.
so
9. О принципе tertium поп datur
9. О принципе tertium поп datur
51
II. АКСИОМЫ ЛОГИКИ СУЖДЕНИЙ
§ 1. Аксиомы общей логики суждений претендуют на значимость
для всех суждений; следовательно, они должны вытекать из общих
•свойств суждений. Конечно, все дальнейшее является отнюдь не
определением основных понятий и доказательством аксиом логики
суждений, но разысканием об их интуитивных источниках, пользую-
пользующимся уже всеми понятиями и приемами логики.
Суждение в логике суждений рассматривается как последний
элемент исследования. Когда рассматривают суждение независимо
от заключенного в нем синтеза субъекта и предиката, остается
единственное характеристическое свойство суждения, отличающее
его от других видов высказывания, данное Аристотелем 4: подлежать
оценке с точки зрения истинности и ложности. Естественно попытать-
попытаться вывести аксиомы общей логики суждений, не выходя за ее собст-
собственные пределы, т. е. только' из указанного свойства суждения.
В какой мере это возможно, мы исследуем в следующих параграфах
этой главы»
§2. Значение символов А->В исчерпывается тем, что убедившись
в истинности А, мы обязаны признать истинным и В. Или в формаль-
формальном освещении: если написана формула А, мы можем написать-
и формулу 5 В. Таким образом, отношение следования между двумя
суждениями не устанавливает никакого соотношения между их
•содержанием.
Первая из гильбертовых аксиом следования, означающая «истин-
«истинное следует из всего», вытекает из такого формального понимания
следования: раз В само по себе истинно, то, признав А, мы также
должны считать В истинным. Истинность остальных трех аксиом
следования также легко "усматривается на основании данного пони-
понимания понятия следования. При этом характер рассматриваемых
суждений совершенно не затрагивается; следовательно, не может
возникнуть сомнений в применимости этих аксиом к произвольным
суждениям.
Интересен вопрос о полноте системы четырех аксиом следования.
После сказанного о полноте всей гильбертовой системы аксиом ло-
логики суждений, вопрос следует поставить так: истинной назыв ается
формула, доказываемая при помощи аксиом следования и аксиом от-
отрицания; всякая ли истинная формула, написанная при помощи одних
символов произвольного суждения и следования без символа отрица-
отрицания, может быть доказана на основе одних четырех аксиом следования?
4 De interp. 4; De anima III, 6. (Об истолковании, гл. 4; О душе, кн. III,
гл. 6 (лат.). См. [8, 9].— Примеч. ред.).
6 Именно это выражается схемой гильбертовой метаматематики @, @ —»
—•SIS- Зигварт также считает эту схему наиболее общей схемой всякого вы-
вывода (см. [5, с. 372]).
§ 3. В отношении к законченному суждению, рассматриваемому
как целое, отрицание является только запрещением признавать суж-
суждение истинным. Более полное представление об отрицании можно
получить, рассматривая суждение как высказывание предиката
о субъекте; отрицание явится тогда утверждением о несоответствии
предиката субъекту. _
Символ логики суждений А естественно выражает первое пони-
понимание отрицания как запрещения мыслить суждение А истинным.
Между тем обычная логическая традиция сводит это первое понима-
понимание ко второму как более первичному6. В применении к математи-
математическим суждениям это оказывается невозможным.
Действительно, поскольку отрицание суждения является продук-
продуктом непосредственного усмотрения, постольку второе понимание,
исходящее из идеи неосуществимости того синтеза, который создает
суждение, ближе к существу дела, чем первое, опирающееся на чисто
формальную идею запрещения. Но в случае получения отрицания
в результате вывода сведение первого понимания ко второму уже
не необходимо, а в случае математических суждений иногда и невоз-
невозможно. В самом деле, многие отрицательные суждения математики
доказываются путем приведения к противоречию по схеме 7 6 ->- ?,
? | © и не могут быть доказаны иным путем.
Таким образом, первое понимание отрицания является самостоя-
самостоятельным. Оно впервые выделено Брауэром, который определяет отри-
отрицание как абсурдность (см. [4]). Оно опирается на второе, так как
для вывода отрицательного суждения приведением к противоречию
надо уже иметь отрицательные же суждения, но в то же время оно
шире его.
§ 4. Первая из аксиом отрицания Гильберта: «из ложного следует
все» — появилась лишь с возникновением символической логики,
как, впрочем, и первая из аксиом следования. Но в то время, как
первая аксиома следования с интуитивной очевидностью вытекает
из правильного понимания идеи логического следования, рассматри-
рассматриваемая теперь аксиома не имеет и не может иметь интуитивных ос-
оснований как утверждающая нечто о последствиях невозможного:
мы обязаны признать Z?, если признали ложным истинное суждение А.
Таким образом, первая аксиома отрицания Гильберта не может
быть аксиомой интуитивистской логики суждений, из какого бы
понимания отрицания мы ни исходили. Этим, конечно, не исклю-
исключается возможность, что она может быть доказуемой на основании
других аксиом формулой.
§ 5. Вторая аксиома отрицания Гильберта выражает принцип
tertium non datur. Он выражен здесь в той форме, в которой применя-
6 См., например, [5, с. 135 и след.].
7 См. в § 6 о принципе противоречия.
52
9. О принципе tertium поп datur
ется для выводов: если В следует из А и из А, то В истинно. Обыч-
Обычная его форма: «всякое суждение или истинно, или ложно»8 —
эквивалентна вышеприведенной 9.
Ясно, что из первого понимания отрицания как запрещения
считать суждение истинным нельзя извлечь уверенности в истин-
истинности принципа tertium non datur; таких попыток, впрочем, и не
делалось. Следовательно, для его оправдания необходимо обратить-
обратиться к составу суждения: отношению предиката к субъекту. Уже в про-
простейшем случае суждения типа «все А есть В» в рассмотрение неиз-
неизбежно входят отношения к предикату В всех возможных А, запас
которых может быть и бесконечен. Брауэром показано10, что в слу-
случае подобных трансфинитных суждений принцип tertium non datur
и с этой точки зрения не может считаться очевидным.
§ 6. Итак с интуитивистской точки зрения ни одна из двух аксиом
отрицания Гильберта не может быть принята за аксиому общей ло-
логики суждений. Мы предлагаем здесь следующую аксиому, которую
назовем принципом противоречия:
9. О принципе tertium non datur
53
C)
5. (А -> В) -> {(А -+В)-> А}.
Смысл ее таков: если из А следует и истинность и ложность некото-
некоторого суждения В, то само суждение А ложно.
Обычный принцип противоречия: «суждение не может быть и
истинным и ложным» — не может быть формулирован в терминах
произвольного суждения, следования и отрицания. Наш принцип
содержит в себе несколько больше, именно: из него в соединении
с первой аксиомой следования вытекает и принцип reductio ad
absurdum: если В верно и из А следует ложность В, то А ложно.
Истинность предлагаемой аксиомы вытекает из простейшего пони-
понимания отрицания как запрещения считать суждение истинным и
не связана с рассмотрением содержания суждений.
Систему из пяти аксиом: четырех аксиом следования A) и только
что установленной аксиомы отрицания C) — я буду называть сис-
системой 95. Нам неизвестно формул общей логики суждений, обладаю-
обладающих интуитивной очевидностью в применении к произвольным
8 Простейшая формулировка Лейбница (см.: Nouveaux Essais, IV, 2 («Но-
(«Новые опыты...», кн. IV, гл. 2 (фр.). См. [10].— Примеч. ред.)).
9 Символически вторая форма выражается так: A \J А, где V означает
«или». Эквивалентность обеих форм легко доказывается на основании аксиом
следования и следующих аксиом, определяющих значение символа V> заимст-
заимствованных из работы Аккермана [3]:
1. А-^А V В.
2. B-^A\J В.
3. (А — С)-*(В^С)^(А\/ В)-*С.
10 См. [4] или же детально разобранный пример предложения, недоказуемо-
недоказуемого иначе, как с незаконным применением принципа tertium non datur, в статье [6].
суждениям, недоказуемых на основании этой системы аксиом. Тем
не менее вопрос/является ли эта система аксиом полной системой
аксиом интуитивистской общей логики суждений, остается открытым.
§ 7. Принцип tertium non datur, как мы видели, хотя и не может
быть признан за аксиому общей логики суждений, в ограниченной
области суждений, называемых Брауэром финитными, имеет силу.
Здесь мы не будем исследовать границу области финитных суждений;
задача эта не столь легка, как может показаться; поэтому мы ограни-
ограничимся признанием, что некоторая такая область существует.
Помимо принципа tertium non datur, в области финитного имеет
силу принцип двойного отрицания, выражаемый символически так:
D)
6. A-+A.1
Само собою разумеется, что все пять аксиом общей логики сужде-
суждений (система SS) действительны и в области финитного. Систему акси-
аксиом, состоящую из аксиом системы SS (т. е. A) и C)) и аксиомы двой-
двойного отрицания D), мы будем называть системой §.
Система © эквивалентна системе аксиом Гильберта A) и B).
Аксиомы следования в обеих системах общие. Для доказательства,
следовательно, достаточно доказать формулы C) и D) на основании
формул B) и обратно, пользуясь в обоих случаях аксиомами следо-
следования. Доказательство формул C) и D) на основании аксиом Гиль-
Гильберта A) и B) мы не будем приводить, обратное же, опирающееся
на аксиомы C) и D), впервые введенные здесь, приводится в следую-
следующем параграфе.
Для нас система § имеет то преимущество, что получается из
системы SS общей логики суждений путем добавления одной аксиомы
двойного отрицания; это значительно облегчает дальнейшие иссле-
исследования.
Ясно, что система ©, так же как и система Гильберта, является
полной. Из нее можно вывести все формулы традиционной логики
суждений. Все они являются истинными, если только заменить
в них символы произвольного суждения А, В, С, . . символами про-
произвольного финитного суждения А1', Bf, Cf, ... Доказательство
этого факта встречает некоторые трудности, которые выясняются и
преодолеваются в следующей главе12.
§ 8. Будем обозначать аксиомы системы © A), C) и D) их номе-
номерами 1—6. Подчеркнуты (двумя чертами) номера формул, опираю-
опирающихся на^аксиому 6, так как эти формулы имеют силу только в об-
11 Формула А —» А доказуема на основании системы 95. См. дальше фор-
формулу C4).
12 СмЛ§ 4 гл. III.
54
9. О принципе tertium поп datur
ласти финитного, в то время как остальные действительны для произ-
произвольных суждений.
9. О принципе tertium поп datur
55
E)
F)
G)
(8)
Акс. 1
С)}
[(д -> С) -, {(А - В) -. (А -* С)}] - [(Л - В) - {(В - С) -, (Л - С)}] АКС' ^
[(В - С) - {(А - В) - (Л - С)}] - [И - Д) - {(В _ С) -. (Л -. С)}] F)
(А-* R\-*!tK^.r.\ -*ia _^ п\\ лл1" *
A0)
(И)
A2)
A3)
A4)
A5)
A6)
A7)
A8)
А -, (А
G)
(8)
E)
Акс. 5
(9)
A0)
Акс. 1
(И)
A2)
(В
(В
(Я
Г-*Д).
-.В)
И-
(Л-
->{(Л
в-^в
-В)-* (у
¦Д)^(>
>В)^(.
->5)-
1^В)
И-В)
1-.С')}
4-.В)}
>(Л^
A4)
A6)
A3)
A9)
B0)
B1)
B2)
<23)
B4)
<25)
<26)
Таким образом, первая аксиома отрицания Гильберта доказана.
D->Д)-»(Д->Л) A0)
(Л -> Л)
Л) -> F}
(В
(Б -^ 2)} -* [{(в
В} _ {D
* 5} -
{(Б - Я)
В)
Акс. 5
A0)
B0)
G)
] B2)
A9)
B1)
B3)
A6)
B4)
B5)
Таким образом, и вторая аксиома Гильберта доказана.
Формулы A2) и B4) являются из формул, доказуемых при помощи
аксиом §» без аксиомы двойного отрицания, наиболее близкими
к аксиомам отрицания Гильберта. Вторая из них, приближающаяся
к принципу tertium non datur, означает: если В следует и из истин-
истинности и из ложности А, то В не может быть ложным. В самом деле,
допустим, что В ложно, тогда А не может быть истинным, так как из
А следовало бы В, но из ложности А следовала бы истинность В.
III. ЧАСТНАЯ ЛОГИКА СУЖДЕНИЙ
И ОБЛАСТЬ ЕЕ ПРИМЕНИМОСТИ
§ 1. Формулы, доказуемые на основании аксиом 35, образуют
общую логику суждений. Совокупность формул, доказуемых на
основании шести аксиом ф, будем называть частной логикой суж-
суждений13. Содержание частной логики суждений богаче, чем общей,
13 Общая логика суждений имеет и другое, реальное определение (см. § 5
гл. I). Частная логика суждений пока может быть определена только формаль-
формально, так как реальное значение ее формул будет установлено лишь впоследствии.
56
9. О принципе tertium поп datur
но область применения уже. Все дальнейшее посвящено выяснению
области применимости частной логики суждений. Эта область, мо-
может быть, и несколько уже, чем область применимости принципа
tertium non datur в гильбертовой форме.
§ 2. Введем символы А', В', С, . . ., обозначающие произвольное
суждение, для которого из двойного отрицания его следует само:
суждение. Таковы финитные суждения. Таковы же все истинные
суждения; это, впрочем, не найдет применения в дальнейшем.
Брауэр показал, что таковы все отрицательные суждения (см. 16]).
Доказательство, приводимое ниже, опирается только на аксиомы
системы 33.
На основании аксиом следования легко доказать формулу
B7) А-+А
9. О принципе tertium поп datur
5?
B8)
B9)
C0)
C1)
C2)
C3)
C4)
C5)
C6)
(А-
Й-
(Л-.
-(В-
А)-*
А->
А-,
А-+
А)-,
А->
{(А-*
-*{В-
4)
4)
А)
Л)-.3}
Л)-Л)
- (А - С)}
(А->А).
А-
(А.
(А
А->А
А-А
.А)
(А-
(А-
¦ А)
Акс. 5
Акс. 1
B9)
B8)
Акс. 3
C1)
C0)
B7)
C2).
C3)
A0)
C5)
А-,2
Последняя формула доказывает, что все отрицательные суждения
суть суждения типа А'.
Система аксиом ?> отличается от системы SS, имеющей универ-
универсальную применимость, только аксиомой двойного отрицания. Для
суждений типа А' она выражается следующей формулой:
C7) Т -> А\
Только эту формулу мы рассматриваем как истинную, формулу же
D) считаем необоснованной.
Но из сказанного еще не следует, что все формулы частной логи-
логики суждений верны для суждений типа А'; в самом- деле, при их
выводе аксиома двойного отрицания D) применяется не только
к элементарным суждениям, что для нашего случая суждений типа
А' узаконено формулой C7), но и к сложным формулам; между тем
неизвестно, является ли, например, формула типа А' -> В' форму-
формулой типа А'.
§ 3. Мы докажем теперь, что всякая формула, выраженная в сим-
символах А', В', С, . . ., следования и отрицания, является формулой
типа А'. Для этого достаточно разобрать два простейших случая.
Во-первых, всякое отрицательное суждение есть суждение типа
А' в силу брауэровской формулы C6).
Во-вторых, мы сейчас докажем, что суждение типа А' —*¦ В'
является также суждением типа А'.
C8)
C9)
(В-С)}-{В-.(Л-С»
{(А -* В) -+ (А -> В)} -> [ Л -»{(Л -> Б) -> В}]
т {а->В)^(А-^В)
К ' А^{(А^В)->В)
D1)
(Л-Л)-»(Л-,В)
(Л-»Б)->E->Я)
B7)
Акс. 3
C9)
C8)
A0)
D2)
D3)
D4)
(А
(А
D1)
D2)
D0)
D3)
58
9. О принципе tertium поп datur
9. О принципе tertium поп datur
59
D5)
D6)
[А _ {(Ж^В) - В}] -. {(Х=ГВ) - (Л -.В)}
[А -> {(Т^В) -> 5}] _> {A^Г5) -> D -> I)}
Акс. 3
D5)
D4)
Эта формула верна для произвольных суждений А и В. Заменяя
А ш В через Л' и В' и пользуясь формулой C7), легко вывести фор-
формулу <
D7) (Т=Г25Г)-D-->Д*),
которая и показывает, что суждения типа А' -*¦ В" принадлежат
к типу А'.
Восходя постепенно к более сложным формулам, можно доказать
утверждение начала параграфа.
§ 4. Теперь можно утверждать, что все формулы частной логики
суждений верны для суждений типа А\ в том числе для всех'финит-
ных и для всех отрицательных суждений. В самом деле, символы
А', В', С, . . ., А'-> В' и А' допускают все те операции, что и
символы общей логики суждений: подстановку вместо символов
А', В', С", ... любой формулы, написанной в рассматриваемых
символах, и вывод по схеме ©->-?, © | ?; кроме того, для них
верны все шесть аксиом ф.
Этим найдена точная граница области применимости частной
логики суждений: область эта совпадает с областью применимости
формулы двойного отрицания D).
IV. МАТЕМАТИКА ПСЕВДОИСТИННОСТИ
§ 1. В предыдущей главе мы установили, что все формулы тра-
традиционной логики суждений могут быть действительно доказаны, ;
как формулы частной логики суждений. Следует только признать,
что они имеют отношение лишь к суждениям типа А'. При этом
сами эти формулы оказываются формулами типа А'.
Теперь ставится вопрос: можно ли аналогично, наложив неко- ;
торые ограничения на их реальное толкование, восстановить зна-
значимость всех тех формул математики, которые доказываются при
помощи незаконного применения формул частной логики суждений, ,
в частности принципа tertium non datur, вне области их примени- ;
мости? Эта задача оказывается выполнимой.
§ 2. Мы построим рядом с обычной математикой новую «псевдо-
«псевдоматематику» так, что каждой формуле первой соответствует формула
второй, и при этом так, чтобы каждая формула псевдоматематики ,
была формулой типа А'. Пока мы не касаемся вопроса об истинности
формул псевдоматематики; к нему мы вернемся в § 5 этой главы.
Формулой называется символ простой или сложный, выражаю-
выражающий суждение. Элементарными формулами, или формулами первого
порядка, будем называть формулы, никакая часть которых не яв-
является формулой; такова формула а = а. Формулой тг-го порядка
будем называть формулу, части которой являются формулами по-
порядка не выше п — 1. Например, формула
а = Ъ -+ {А (а) -> В (а)}
есть формула третьего порядка, так как ее составная часть А (а) ->
-> В (а) является формулой второго порядка.
Элементарной формуле © соответствует в псевдоматематике
формула
D8) 6* = §,
выражающая двойное отрицание ©. В дальнейшем для удобства мы
двойное отрицание © будем обозначать через п©.
Формуле га-го порядка F (<5i, 62, • . ., ©»), где ©i, ©2, . . .
. . ., ©fc — формулы не выше (п — 1)-го порядка, соответствует
в псевдоматематике формула
., в*)* = nF (в?, в?, . . ., S*),
D9)
©г,
причем ©*, ©f, ...,©* считаются уже определенными. Например,
формуле
а = Ъ -»- {А (а) -+ В (а)}
соответствует в псевдоматематике формула
п [п (а = Ь) -*- п {пА (а) ->- пВ (а)}].
Каждому символу, не являющемуся формулой, также соответ-
соответствует определенный символ псевдоматематики. Символу простому
или сложному, никакая часть которого не является формулой,
в псевдоматематике соответствует тождественный ему символ. Слож-
Сложному символу, в состав которого входят формулы, соответствует
символ, в котором все формулы © заменены формулами ©*.
§ 3. Все формулы математики выводятся из аксиом 14, которые
мы обозначим Ui, U2, . . ., Ufc, при помощи операций подстановки
частных значений вместо переменных и вывода по схеме ©,©->-
-> ? | ?. Аксиомам в псевдоматематике соответствуют формулы
U*, U*, . . .,
Мы докажем, что всякая формула псевдоматема-
псевдоматемаU
, , , t д,
тики, соответствующая формуле, доказуемой на основании аксиом U,
является следствием формул U*. Для доказательства достаточно
установить следующие два факта.
Во-первых, если при подстановке в формулу © вместо перемен-
переменных частных значений получается формула ?, то при подстановке
14 В число аксиом математики здесь включаются и все аксиомы логики.
60
9. О принципе tertium поп datur
в формулу в* на соответствующие места соответствующих формул
и символов получается формула ?*.
Во-вторых, аналогично схеме @, © -*¦ % \ X верна схема
E0)
6*, (в
В самом деле,
E1)
так
имее
E2)
так как в* и ?* являются формулами типа А', то по формуле D7)
имеем
F*->?*)-> F*-»?*),
E3)
Таким образом, мы видим, что всякому правильному доказатель-
доказательству в области обычной математики соответствует правильное дока-
доказательство в области псевдоматематики. Отсюда вытекает истинность
выставленного в начале параграфа предложения.
§ 4. Пяти аксиомам общей логики суждений соответствуют в псев-
псевдоматематике следующие формулы:
1. п {пА —*- п (пВ —> пА)}.
2. п [п {пА —>л (пА-*- пВ)} -> п (пА -> пВ)\Л
E4) 3. п [п {пА -+п(пВ-> пС)} ->¦ п {пВ -> п (пА -> пС)}].
4. п [п (пВ -+ пС)-+ п {п (пА -+пВ)-+п (пА -+¦ пС)}].
5. п [п (пА ->- пВ) -*¦ п {п (пА -*¦ п (пВ))-+п (пА)}\.
Формулы эти могут быть получены посредством подстановки
пА, пВ, пС вместо А', В', С из следующих:
E5)
1. п {А' -+¦ п (В' -> А')}.
5. п [п {А' -+В')->п {п (А' -> пВ') -> пТ}].
Формулы E5), как формулы частной логики суждений, мы имеем
право доказывать, пользуясь всеми аксиомами § или всеми аксио-
аксиомами Гильберта. Доказательство их не представляет затруднений.
Таким образом, все формулы E4) оказываются истинными. Из этого
следует, что все формулы псевдоматематики, соответствующие ис-
истинным формулам общей логики суждений, истинны.
§ 5. Все известные нам аксиомы математики обладают тем же
свойством, как и аксиомы общей логики суждений: формулы, соот-
соответствующие им в области псевдоматематики, истинны. Например,
9. О принципе tertium поп datur
61
аксиоме
(а) А (а)-+А {а)
соответствует истинная формула
п {п (а) пА (а) -*¦ пА (а)}.
Будем называть аксиомы, обладающие формулированным выше
свойством, аксиомами типа 31. Назовем далее формулами типа 91
формулы, доказуемые на основе аксиом типа 31. Все известные нам
аксиомы и формулы математики 16 принадлежат к типу 31.
В силу сказанного выше та часть псевдоматематики, формулы
которой соответствуют формулам типа 31, приобретают реальное
значение: все формулы ее истинны, так как они являются следствия-
следствиями истинных формул, соответствующих в псевдоматематике аксио-
аксиомам типа SR. Название «псевдоматематика» для этой ее части, толь-
только пока и существующей, становится неподходящим: она как собра-
собрание истинных формул является частью настоящей математики.
Будем называть суждение псевдоистинным, если истинно его
двойное' отрицание. Суждение типа п& утверждает таким образом
псевдоистинность суждения в. Формулы псевдоматематики выра-
выражают всегда только суждения о псевдоистинности. Мы имеем право
назвать поэтому ту часть псевдоматематики, которая имеет реаль-
реальное значение, математикой псевдоистинности.
§ 6. В обычном изложении математики ряд выводов получается
посредством незаконного употребления формул частной логики
суждений, например принципа tertium non datur. Все эти случаи,
как было показано, могут быть сведены к употреблению принципа
двойного отрицания
D) 6. А-+А.
Рассмотрим те из этих выводов, которые, кроме незаконной фор-
формулы D), опираются только на аксиомы типа 31. Формулы, их вы-
выражающие, будем называть формулами типа 91'.
Построим формулы псевдоматематики, соответствующие форму-
формулам 31'. Все они будут следовать из формул U*, соответствующих
аксиомам типа 31, и из формулы
E6)
п {п (пА) ->- пА},
соответствующей формуле D).
Формула E6) является истинной. В самом деле, она вытекает
в силу формулы C4) из следующей:
E7)
п (пА) -*- пА.
16 Иногда в математике признавались за аксиомы формулы, истинность
которых не очевидна; такова, например, так называемая аксиома Цермело. Но
и они обладают свойством U —> U*.
62
9. О принципе tertium поп datur
9. О принципе tertium поп datur
63.
Формула E7) может быть получена посредством подстановки из
формулы частной логики суждений
<58) и!Х)->Л\
в частной же логике суждений, как известно, четное повторение от-
отрицания приводится к утверждению.
Таким образом, в то время как рассматриваемые формулы обыч-
обычной математики основаны на незаконном употреблении формулы
D), соответствующие формулы псевдоматематики опираются на
истинную формулу E6).
Итак, окончательно получим:
Все выводы обычной математики, основанные на употреблении
вне области финитного формулы двойного отрицания и других фор-
формул, от нее зависящих (как принцип tertium non datur), не могут
считаться твердо установленными.
Но поскольку кроме этой формулы, они опираются только на
аксиомы типа 81, а других пока неизвестно, постольку соответствую-
соответствующие формулы псевдоматематики являются истинными и, следова-
следовательно, входят в математику псевдоистинности.
Иначе говоря, все выводы, основанные на аксиомах типа ?Я и
формуле двойного отрицания, верны, если мы каждое входящее
в них суждение будем понимать в смысле утверждения о его псевдо-
псевдоистинности, т. е. его двойного отрицания.
V. ПРИЛОЖЕНИЯ
§ 1. Обнаружив незаконность применения принципа tertium non
datur к трансфинитным суждениям, Брауэр поставил задачу обо-
обоснования математики без помощи этого принципа, которую в значи-
значительной мере и выполнил 16. Но при.этом выяснилось, что существует
ряд математических предложений, которые не могут быть доказаны
без помощи отвергнутого Брауэром принципа t. n. d. Далее мы рас-
рассмотрим некоторые примеры таких предложений.
Мы показали в предыдущих главах, что наряду с изложением
математики без помощи принципа t. n. d. может быть сохранено и
обычное изложение. Правда, при этом всем предложениям надлежит
придать ограничительное толкование, именно: каждое суждение
обычной математики надо заменить утверждением о его псевдоистин-
псевдоистинности. Но это изложение все же сохраняет два замечательных свой-
свойства.
1. Если при помощи рассуждений, основанных на применении
принципа t. n. d., хотя бы и в области трансфинитного, получен
финитный вывод, то вывод этот истинен в обычном понимании.
В самом деле, он может в силу предыдущего быть доказан, как вы-
вывод о псевдоистинности; в области же финитного псевдоистинность
¦совпадает с обычной истинностью.
16 См., например, [7].
2. Применение принципа t. n. d. никогда не приведет к проти-
противоречию. В самом деле, если бы при его помощи была получена
ложная формула, то соответствующая формула псевдоматематики
была бы доказана без его помощи и все же приводила бы к проти-
противоречию 17.
Первое из этих положений противоречит одному замечанию-
Брауэра 18, который считает, что финитные выводы, основанные на
трансфинитном применении принципа t. n. d., также должны счи-
считаться недостоверными.
§ 2. Предложения, которые мы не умеем доказать без помощи
незаконного применения принципа t. n. d., обычно непосредст-
непосредственно опираются не на принцип t. n. d. логики суждений, но на
другой принцип, носящий то же название. В самом деле, из прин-
принципа t. n. d. в форме, свойственной логике суждений: «каждое суж-
суждение или истинно, или ложно», дальнейшие выводы получаются по
схем° формулы Гильберта: если В следует и из А, и из А, то В
истинно. Но в интересующем нас случае трансфинитных суждений
из чистого отрицания А трудно получить какой-либо положитель^
ный вывод В; для этого надо сначала преобразовать суждение А
в какое-либо другое.
Наиболее обычен следующий тип трансфинитного суждения:
для всех (а) верно А {а); символически это суждение записывается
так: (а) А {а). Когда из отрицания этого суждения {а)А {а) хотят
извлечь положительный вывод, то его приводят к форме {Еа) А {а),
т. е. существует (а) такое, что для него А {а) неверно. Эквивалент-
Эквивалентность последнего утверждения простому отрицанию суждения
(а) А {а) выражается следующими двумя формулами:
E9)
F0)
(а) А (а) -> {Еа) А (а).
{Еа) A {a)-+Ja)A (а).
В § 4 этой главы мы докажем, что формула E9) для своего дока-
доказательства, помимо формул, интуитивная очевидность которых не-
несомненна, в том числе аксиом общей логики суждений, требует только
признания принципа двойного отрицания D). Формула же F0)
доказывается и без помощи этого принципа.
Если мы признаем формулы E9) и F0), то мы будем иметь право
формулировать принцип t. n. d. для суждений типа (а) А (а) так:
{а) А {а) у {Еа) А {а),
т. е. или А (а) верно для всех (а), или существует (а), для которого
А (а) неверно.
17 Предполагается, что все рассматриваемые аксиомы являются аксиомами
типа ?Я, кроме того, что формулы, признанные заведомо ложными, © таковы,
что соответствующие им ©* также ложны.
18 См. [4, с. 252, примеч.].
64
9. О принципе tertium поп datur
9. О принципе tertium поп ctatur
65
Гильберт (см. [1, с. 157]) присоединяет к формулам E9) и F0)
еще следующие:
F1) (Ш) А (а) -> (а) А (а).
F2)
(а) А (а) -> (Еа) А (а).
В согласии со сказанным выше он считает, что формулы E9)—F2)
обосновывают применение принципа t. n. d. к бесконечным совокуп-
совокупностям объектов (а). В противоположность формулам E9)—F0)
формулы F1)—F2) обе могут быть доказаны на основании одних
интуитивно очевидных аксиом. Доказательство дается в § 4.
Таким образом, формулы F0)—F2) являются просто истинными
формулами, формула же E9) доказывается на основе принципа двой-
двойного отрицания D); к выводам, опирающимся на нее, следовательно,
применимо все изложенное в предыдущей главе.
§ 3. Прежде всего заметим, что, определяя значение символа
"(а)А (а), как «для всех (а) верно А (а)», мы понимаем «для всех (а)»
так же, как «для каждого (а)», т. е. в том смысле, что, каково бы ни
было дано (а), можно утверждать, что будет верно А (а).
Каждая формула общей логики суждений, когда она написана
самостоятельно, означает, что она верна для всех возможных суж-
суждений А, В, С, . . . Так, формула А -> А означает, что для любого
суждения из его истинности вытекает его двойное отрицание. Таким
образом, нельзя утверждать, что введение символа (а) А (а) впервые
выводит нас из области финитного: понятие «для всех (а)» в скрытом
виде содержится во всех формулах, заключающих символы пере-
переменных.
Вообще формула А (а), написанная самостоятельно, обозначает,
что, каково бы ни было частное значение (а), верно А (а). Из этого
вытекает следующий принцип, не могущий быть выраженным сим-
символически; если формула 6 написана самостоятельно, то можно на-
написать формулу 19(а)@. При ссылках мы обозначаем этот принцип
через Р.
Далее, мы принимаем следующие аксиомы:
I. (а) {А (а) -> В (а)} -> {(а) А (а) -+ (а) В (а)}
II. (а) {А-+В (а)} -+{А-> (а) В (а)}
F3) III. (а) {А (а) -> С} -> {(Еа) А (а) -> С}
IV. А (а) -+ (Еа) А (а).
19 Символ (а) может стоять и перед формулой, не заключающей в действи-
действительности переменное (я). Вместо принципа Р можно ввести аксиому
(a)V,
где V обозначает истинное суждение, и тоже неформулируемое символически
правило подстановки: вместо V можно подставить любую самостоятельно напи-
написанную формулу.
Мы считаем все эти аксиомы интуитивно очевидными. Выбор их
и их количество определяются исключительно нашей целью: дока-
доказательство формул E9)—F2).
§4.
F4)
F5)
А (а)
- (Еа) А (а)
(Еа)А
(а){(Еа)А(а)-
¦+А)
(а) - А (а)
->Л(а)}
A1)
Акс. IV
F4)Р
F6)
(а) {{Щ А (а)-* А (а)}
Таким образом, формула F1) доказана.
F7)
F8)
F9)
G0)
G1)
G2)
G3)
А -* (А -» В)
В)
А (а) -^ {А (а) -. (Еа) А (а)}
-+{(а)А(а)-+(а)В{а)}
(а) [А (а)-* {А (а) -, (ЁТ) А (а)}]
(а) А (а) _ (а) {А (а) - (Еа) А (а)}
(д) {А (а) -^С}^ {(Еа) А (а) -> С)}
(а) {А (а) -*(ЩА (а)} -» {(Еа) А (а) - Щ А (а)}
{(Еа) А (а) -^ (Щ А (а)} -> (Щ А (а)
(а) А (а) -> (а) {А (а) -»(Ш) А (а))
Акс. II
F5>
Акс. 3
A2)
F7)
F8)Р
Акс. I
F9)
Акс. III
Акс. 5
B7)
G2)
G0)
3 А. Н. Колмогоров
66
9. О принципе tertium поп datur
9. О принципе tertium поп datur
67
G4)
(а) {А (а) -^ (Еа) А (а)} -» {(Еа) А (а) -^ (Еа) А (а)}
{(Еа) А (а) -^ (Щ А (а)} -* JWa') А (а)
(а) А (а) -» Щ А (а)
Таким образом формула F2) доказана,
G5)
G6)
G7)
G8)
G9)
(80)
(81)
(82)
(а)Ж(а)->(Еа)А(а)
(а) А~ (а) -» (Еа) А {а)
А->Я
А (а) -* 2 (а)
(а) {А(а)-*Да)}
¦ {(а) А (а)-* (а) В (а)}
(а) {А (а) -. А~(а)}
(a) A (a)-* (a) 3 (a)
(a) A (a) -»(а) Ж (a)
(а) Л°(а) -> (Да~) Л (а)
(a) A (a) -» (Яо) Л (а)
(A-+B)-
¦(В-*А)
(а) А (а) -> (Еа) А (а)
(Щ А (а) -» (а) А (а)
(Еа) А (а) -* (Еа) А (а)
(Еа) А (а) -> (Ж) А (а)
Щ А (а) -^ (а) А (а)
(Еа)А(а)-*(а)А(а)
G1)
G3)
G4)
C4)
G6)Р
Акс. II
G7)
G8)
G5)
(И)
G9)
C4)
(81)
(80)
Таким образом, формула F0) доказана.
Доказательство формулы E9) не может быть проведено без по-
помощи аксиомы двойного отрицания. Номера формул, опирающихся
на эту аксиому, подчеркнуты
(83)
(Еа)А(а)-.(а)Л(а)
F6)
(84)
(85)
(86)
(87)
(88)
(89)
~A-*A
(а){Ж(а)-*А(а)}
(а) (Ж (а)-* А (а)}
(а) Я (а)-(а) А (а)
(аJ(а)-^(а) А (а)
(Щ А (а) -»(а) А (а)
_
(Еа) А (а) -* (а) А (а)
(Ea)A
Ja)A(,
(Ш) ж
A
(a)
%)-
(a)
(a) A
-*(Ea)
¦+Щ)
->(Ea)
(«)-
Л (а)
Л (a)
Ж (a)
(Ea)A
(a)
(a) A (a) -, (?a) Я (a)
Таким образом формула E9) доказана с помощью аксиомы двой-
двойного отрицания.
§ 5. Прекрасный пример предложения, недоказуемого без по-
помощи незаконного применения принципа tertium non datur, дан
Брауэром (см. [6]): нельзя считать доказанным, что всякое действи-
действительное число имеет разложение в бесконечную десятичную дробь.
Брауэром даже указано определенное число, про которое неизвест-
неизвестно, имеет ли оно первую цифру десятичного разложения.
Таково же предложение, утверждающее, что дополнение к зам-
замкнутому множеству есть область, т. е. что каждая точка, не принад-
принадлежащая к замкнутому множеству, содержится в некотором интер-
интервале, не заключающем в себе точек замкнутого множества 20. Дока-
Доказательство, как известно, осуществляется так: в силу принципа
t. n. d. в форме § 2 этой главы или все интервалы, содержащие взя-
взятую точку, заключают в себе точки множества, или существует хотя
бы один, их не содержащий; первое предположение приводит к про-
противоречию, так как из него следует, что точка принадлежит множест-
множеству, следовательно, верно второе. В противоположность примеру
Пример указан| П. С. Новиковым,
68
9. О принципе tertium поп datur
Брауэра мы не умеем указать определенное замкнутое множество и
определенную внешнюю для него точку, для которых было бы сом-
сомнительным существование требуемого интервала.
§ 6. Интереснее следующий пример: нельзя доказать без помощи
принципа t. n. d. все предложения, доказательство которых сво-
сводится обычно к применению принципа трансфинитной индукции.
Таково, например, предложение: каждое замкнутое множество
является суммой совершенного и счетного множества.
Часто проводят доказательство подобных предложений без по-
помощи принципа трансфинитной индукции. Но все такие доказатель-
доказательства опираются на принцип t. n. d., примененный к бесконечным
совокупностям, или на принцип двойного отрицания.
Важно отметить, что сам принцип трансфинитной индукции
может быть выведен без всяких новых по сравнению с теорией то-
точечных множеств допущений, но обязательно с применением прин-
принципа t. n. d. Следует только формулировать принцип трансфинит-
трансфинитной индукции, не употребляя термина «трансфинитное число», вве-
введение которого потребовало бы новых аксиом. Будем вместо этого
рассматривать расположенные вполне упорядоченно, слева напра-
направо, множества рациональных чисел. Будем называть отрезком
такого множества его часть, расположенную левее какой-либо точ-
точки, принадлежащей или не принадлежащей ему. Отрезок всегда
будет тоже вполне упорядоченным множеством. Множество отрезков
само также будет вполне упорядоченным. Назовем отрезок правиль-
правильным, если существуют точки множества, ему не принадлежащие.
Принцип трансфинитной индукции формулируется теперь так.
Пусть некоторое свойство /, могущее быть присущим или не
присущим вполне упорядоченным множествам рациональных чисел,
удовлетворяет следующим условиям.
1. Множества, состоящие из одной точки, обладают свойством /.
2. Если все правильные отрезки некоторого множества обладают
свойством /, то и само множество им обладает.
При этих условиях все вполне упорядоченные множества рацио-
рациональных чисел обладают свойством /.
Так формулированный принцип трансфинитной индукции может
быть использован в тех же случаях, как и обычный. Доказательство
его проводится так: или все множества обладают свойством /, или
существует такое множество Е, которое им не обладает; второе
предположение приводит к противоречию: среди отрезков Е должен
быть первый, не обладающий свойством /, существование же тако-
такого отрезка противоречит условиям.
Приведенных примеров достаточно, чтобы показать, что наряду
с развиваемым Брауэром изложением математики без помощи прин-
принципа t. n. d. должно быть сохранено обычное изложение, пользую-
пользующееся этим принципом, правда, только как изложение математики
псевдоистинности.
Москва, 30 сентября 1925 г.
10. О сходимости рядов Фурье
69
ЛИТЕРАТУРА
1. Hilbert D. Die logischen Grundlagen der Mathematik.— Math. Ann., 1923,
Bd. 88, S. 151—165.
2. Whitehead A.N., Russel B. Principia mathematica. Cambridge, 1910—1913.
Vol. 1-3.
3. Ackermann W. Begriindung des «tertium non datur» mittels der Hilbertschen
Theorie der Widerspruchsfreiheit.— Math. Ann., 1924, Bd. 93, S. 1—36.
4. Brouwer L. E. J. Intuitionistische Zerlegung mathematischer Grundbegrif-
fe.— Jahresber. Deutschen Math. Vereinigung, 1925, Bd. 33, S. 251—256.
5. Зигварт X. Логика. СПб., 1908. Т. 1.
6. Brouwer L. E. J. Besitzt jede reelle Zahl eine Dezimalbruchentwicklung? —
Math. Ann., 1921, Bd. 83, S. 201—210.
7. Brouwer L. E. J. Begriindung der Mengenlehre unabhangig vom logischen
Satz ausgeschlossenen Dritten. (I) Erster Teil: Allgemeine Mengenlehre.—
Verh. Kon. ned. akad. wetensch. Amsterdam, I, 1918, vol. 12, N 5; (II) Zwei-
ter Teil: Theorie der Punktmengen.— Ibid., 1919, vol. 12, N 7.
8. Аристотель. Об истолковании.— Сочинения. М.: Мысль, 1978, т. 2, с. 91—
116.
9. Аристотель. О душе.— Сочинения. М.: Мысль, 1975, т. 1, с. 369—448.
10. Лейбниц Г. В. Новые опыты о человеческом разуме. М.; Л.: Соцэкгиз,
1936. 484 с.
10
О СХОДИМОСТИ РЯДОВ ФУРЬЕ*
Совместно с Г. А. Селиверстовым
В предыдущей работе [4] нами было дано условие сходимости
тригонометрического ряда, более общее, нежели аналогичные усло-
условия, данные ранее Фату [1], Вейлем [6], Гобсоном [3], Планшере-
лем [5] и Харди [2].
Мы установили, что сходимость почти всюду тригонометриче-
тригонометрического ряда
(ап cos пх + Ъп sin пх)
A)
следует из сходимости ряда
при каком-нибудь положительном г.
Уже было указано, что все условия, данные ранее (самое общее
из них, принадлежащее Харди, отличается от нашего множителем
log2 n вместо (log иI+Е), верны для любой ортогональной системы
функций, в то время как наше условие неверно для некоторых ор-
* Sur la convergence des series de Fourier.— Atti Accad. naz. Lincei. Rend.,
1926, vol. 3, p. 307—310. Представлено А. Тонелли. Перевод И. А. Вино-
Виноградовой.
70
10. О сходимости рядов Фурье
тогональных систем — это следует из результатов Д. Е. Меньшова
[7]. Таким образом, доказательство нашей теоремы опирается на
специфические свойства тригонометрической системы.
В этой работе мы дадим более простое доказательство следую-
следующего более сильного утверждения: сходимость почти всюду ряда
A) следует из сходимости ряда
log n (at+ Ы).
B)
1. Лемма. Пусть дана тригонометрическая сумма
п
S (х) = 2 («ft cos kx -f- bh sin kx).
k=2
Тогда справедливо неравенство
2Я
Sk
k(X)
/log k (x)
dx<
D + -
C)
p=2
где к (х) есть произвольная целочисленная функция, принимающая
значения от 2 до п; Sk^ (х) — сумма к первых членов S (х); С —
абсолютная постоянная.
Доказательство. По неравенству Шварца
2Я
И
Vl0g k (X)
dx =
lr(x)
0 p=l
Kx)
2Я У, COS P (x — I
2Я 2Я 2J C0'
=j_e ^(a)e ,p=i .
л j wj i/i
/log A (*)
У 21
2Я
C03 P (ж ~
p=2
Для доказательства неравенства C) осталось установить ограни-
ограниченность /. Интегрируя по частям относительно а и используя орто-
орто10. О сходимости рядов Фурье
71
гональность тригонометрической системы, получаем
k(r\
12
da =
2Я
/ =
О
2Я ^ C0S Р (Х ~
Г p=i_===
J у log /с (ж
*(«) Ну)
2Я 2Я 2Я 2 C0S Р(Х — а) S C0S ? (^ ~ a)
q=1 dx dy da =
0 -0
х, у)
2Я 2Я У, СОЗ р (X — у)
о о
/с (г) log /с
¦.dxdy,
где & (ж, г/) есть наименьшее из чисел к (х), к (у).
Обозначим через Р множество тех точек (х, г/), для которых
к (х) <; к (у) и, следовательно, к (х, у) = к (х), log к (у) ^ log к (х);
через Q множество (х, у), для которых к (у) <^ к (ж), & (х, у) = к (у),
log A; (x) ]> log & (у). Тогда мы имеем
Нх) к(у)
, -J 2 cosp(*-if)| I •2icoSp(x-y)\
— <\\-^Ч—гг\ dxdy + \\ -^^-.—гг^ dxdj/
и ^ J J log /с (ж) ^ ' J J log /с (у) у
2Я 2Я /С(эс)
i ?
log /с (у)
0
2Я
S ?
о p=i
2Я Ну)
0 p=l
Легко видеть, что последнее выражение не превосходит абсолютной
постоянной С.
2. Из условия B), которому удовлетворяет ряд A), следует су-
существование возрастающей к бесконечности последовательности
т (п) такой, что ряд
п=2
т (п) log п(а*+Ы)
D)
сходится.
Положим
= Уt(n)log nan, Bn = Y%(n)\ognbn.
72
10. О сходимости рядов Фурье
Тогда ряд D) преобразуется так:
( )
п=2
Введем обозначения:
п
п И = ^ (Ak cos кх + Bh sin кх), ап (х) = -i- V Sft (ж)
fr=2 fr=2
Последовательность г (и) можно определить так, чтобы все Д'
были положительными. Тогда ряд г
со
Zj ^ B)
n=2
B) log 2 ^
сходится абсолютно, и, следовательно,
Применяя к ряду A) два раза преобразование Абеля, получим
оо оо
\ (an cos «ж -f Ъп sin гга;) = \
|/т (re) logn
cos их
sin nx)=
E)
Для обоснования справедливости преобразования достаточно
доказать соотношения
|/Ч (и) log п
Второе из них выполнено, если оп ограничены, т. е. почти всюду.
Что касается первого, то выполнение его пэчти всюду следует .из
нашей леммы. Наконец, если последовательность ап сходится (что
имеет место почти всюду), то ряд E) сходится. Итак, сходимость
ряда A) почти всюду доказана.
7 февраля 1926 г.
1 Сумма
оо оо
у
lA B) log 2
Фурье—Лебега, расходящийся есюду
73
ЛИТЕРАТУРА
1. faiow P. Series trigonometriques et serie de Taylor.— Acta math., 1906, vol.
30, p. 335-400.
2. Hardy G. H. On the summability of Fourier's series.— Proc. London Math.
Soc, 1913, vol. 12, p. 365—372.
3. Hobson E. W. On the convergence of series of orthogonal functions.— Proc.
London Math. Soc, 1913, vol. 12, p. 297—308.
4. Kolmogoroff A., Seliverstoff G. Sur la convergence des series de Fourier.— С. г.
Acad. sci. Paris, 1924, vol. 178, p. 303—306.
5. Plancherel M. Sur la convergence des series de fonctions orthogonales.— C. r.
Acad. sci. Paris, 1913, vol. 156, p. 539—541.
6. Weil H. Ober die Konvergenz von Reihen, die nach Orthogonalfunktionen fort-
schreiten.— Math. Ann., 1909, Bd. 67, S. 225—245.
7. Menchoff D. Sur les series de fonctions orthogonales.— Fund, math., 1923,
vol. 4, p. 82—105.
11
РЯД ФУРЬЕ-ЛЕБЕГА,
РАСХОДЯЩИЙСЯ ВСЮДУ *
Цель этой заметки дать пример суммируемой функции, ряд Фурье
которой расходится всюду.
1°. Определим для каждого целого п функцию фп (х):
т
т — к
2_j
k—i
г=0
Очевидно, что
Ф„ (х) > 0, ^ фп (х) dx = п.
2°. Функция фи (х) может быть представлена в виде
Фп (х) = ~2
* Une serie de Fourier—Lebesgue divergente partout.— С. г. Acad. sci
Paris, 1926, vol. 183, p. 1327—1329. Представлено Э. Борелем. Перевод
Л. А. Балашова.
74
11. Ряд Фурье—Лебега, расходящийся всюду
Рассмотрим частную сумму <ри (х):
ami(Ai — х)
1=1
п
*=j+l г
1 V4 mi
1=7+1
— к
i a
. 2ft
2 sin
+
2
i=0
i_
Г
( j x)
(А.-х)
"т"
где / предполагается таким, что rrij ^ к
A) будут неотрицательны. Поэтому
A)
\. Два первых члена
B)
i=j+l г 2 sin -у (А — л;)
3°. Можно доказать, что для достаточно больших п и для а;,
I 1 11
лежащих в сегменте Aj —• —^,Aj-\— я- |, имеет место неравенство
Sn* (х) > dn, C)
где С\ — абсолютная постоянная.
г 1 ll
4°. Для каждого х, лежащего в сегменте Aj -) ^, А,+1 т \,
предполагая п достаточно большим, можно определить к такое, что
2к + 1 будет делиться на In + 1 и будут выполняться следующие
неравенства:
. 2ft + 1
— Sin g X
у- .
В этом случае из B) можно вывести, что
с /_ч^ 1 . = _ 2ft+ 1
V -Lj ^
fj+1 i 2 Sin у (А-
>
5°. Для каждого х, удовлетворяющего неравенству
О < х < 2я — 1/J/7T,
на основании C) и D) можно определить индекс к такой, что
12. О сходимости ортогональных рядов
Положим, наконец,
m
7П=1
Если ряд из Мп сходится абсолютно, то Ф (х) суммируема. Если
индексы пт растут достаточно быстро, то ряд Фурье Ф расходится
всюду. Для доказательства двух последних фактов можно исполь-
использовать мою заметку [1].
27 декабря 1926 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kolmogoroff A. Une serie de Fourier—Lebesgue divergente presqT'e partout.—
Fund, math., 1923, vol. 4, p. 324—328.
12
О СХОДИМОСТИ ОРТОГОНАЛЬНЫХ РЯДОВ*
Совместно с Д.Е. Меньшовым
Основной результат этой статьи заключается в следующей тео-
теореме.
Теорема| I. Существуют такая система функций срп (х),
ортогональная на интервале @, 1) и принимающая только значения
±1, и такая последовательность чисел ап, для которых ряд
сходится, тогда как ряд
A)
B)
всюду расходится.
Известно (см. [1, 2]), что в случае произвольных ортогональных
функций достаточным условием для сходимости почти всюду ряда
B) является сходимость следующего ряда:
2 al log2 n.
n=l
C)
Кроме того, известно (см. [2]), что множитель (log nJ не может
быть заменен на другой, растущий менее быстро.
* Sur la convergence des series de fonctions orthogonales.— Math. Ztschr.,
1927, Bd. 26, S. 432—441. Перевод С. В. Вочкарееа.
76
12. О сходимости ортогональных рядов
В случае, когда функции <рп (х) ограничены в совокупности, мы
эяе можем дать столь же окончательный ответ. Мы можем только
.доказать следующую теорему.
Теорема П. Какова бы ни была положительная функция
W (п), удовлетворяющая условию W (п) = о (log n), всегда сущест-
существуют система функций <р„ (х), п = 1, 2, 3, . . ., ортогональная на
Ф, 1) и принимающая только значения ±1, и последовательность
действительных чисел ап, для которых ряд B) всюду расходится,
тогда как ряд
оо
\Г^ 2 ттт
сходится.
Таким образом, может случиться, что в случае функций <рп (х),
ограниченных в совокупности, сходимость ряда
a\\ogn
E)
является достаточным условием для сходимости ряда B). Для три-
тригонометрических рядов дело обстоит действительно так (см. [3, 4]).
Можно также построить ряд B), расходящийся почти всюду,
используя в качестве функций <р„ (х) тригонометрические функции.
Но в этом случае нельзя приблизиться к пределу W (п) = log п.
Вот почему мы только формулируем здесь без доказательства следую-
следующую теорему.
Теорема III. Существует расходящийся почти всюду ряд
вида
2 ancos(mnx -{- %п),
где целые числа тп(п= 1, 2, 3, . . .) все различны и ряд A) сходится х.
Теорема I есть непосредственное следствие теоремы II. Для до-
доказательства этой последней теоремы нам нужна следующая лемма.
Основная лемма. Каково бы ни было целое положитель-
положительное п, существует сумма
2
7с=1
F)
обладающая следующими свойствами:
I. Функции q>k (x) попарно ортогональны на интервале (О, 1),
принимают только значения ±1 и постоянны на каждом из интер-
интервалов б, образующих подходящее конечное разбиение интервала (О, 1).
1 Теорема была доказана А. Н. Колмогоровым.
12. О сходимости ортогональных рядов
П
II. 2j ^/г ==:: ^ •
III. Для каждой точки множества Е, mes E = V2, существует
число р ^ п такое, что
р
/г=1
где С — абсолютная постоянная.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ОСНОВНОЙ ЛЕММЫ
Г. Мы] рассмотрим только случай, когда п = 12 Dт — 1), где
т — целое положительное число. Отсюда без труда следует ^общий
случай. В неравенстве III мы заменим С ]/ log и на 73 Ym, что
также законно.
Впоследствии мы построим члены суммы F) для номера 12 Dт —
— 1) и затем в п. 11° определим их нумерацию. Сначала введем не-
некоторые вспомогательные функции.
2°. Пусть Si (i, r) — некоторая функция целочисленных аргу-
аргументов, обладающая следующими свойствами:
a) она определена для
1 < i < 3-2г, 1<г<3-2'-1;1
b) при фиксированном i она принимает каждое значение 1, 2,
3, . . ., 3-2г, кроме i, один и только один раз;
c) при фиксированном г она принимает все целые значения от 1
До 3-2f;
d) St [St {i, r), r] = i;
e) каждой паре чисел ii, iz, (h ф h, 1 < h <J 3-21, 1 <i i2 ^
<^ 3-2г) соответствует единственное число г, удовлетворяющее двум
соотношениям:
Si (h, r) = ^, Si (iz, r) = it.
Свойство е) является следствием свойств Ь)ис1). Определим функ-
функцию Si (i, r) рекуррентным способом.
А. Если Z= 1, то значения SL(i, r) задаются следующей таб-
таблицей:
i
6
5
4
3
2
1
5
6
3
4
1
2
4
2
6
1
5
3
2
3
1
5
6
4
3
1
2
6
4
5
1
4
6
2
3
6
12 3 4 5
78
12. О сходимости ортогональных рядов
В. Значения Sh\ (i, г) получаются из значений St (i, r) следую-
следующим образом: /
а) если г<3-2г, i < 3-2г, то /
Sl+1 (i, r) = St (i, r); I
б) если r<3-2', j>3-2', то
Sl+i (i, r) = St (i- 3-2', r) + 3-2';
в) если r>3-2', i<3-2', то
Sin (i, r) = i + r, когда i + r < 3-2I+1,
5г+1 (г, г) = i + г — 3-2', когда i + г > 3-2l+1,
г) если г ;> 3-2г, г ^> 3-2г, то значения Sl+i (i, r) определяются
единственным образом с помощью свойства d), исходя из значений,
определенных в предыдущих случаях 2.
3°. Пусть Slt g (г, г) — функция, обладающая свойствами Ь),
с), d), e) функции St (г, г) и свойством а'):
а') она определена для
l<i<3-2z, l<r<3-21 (r#g).
если
Определим Slt q (г, г) следующим образом: Sit q (i, r) = St (i, r — q),
и г — q > 0; Si,Q (г, г) = St (i, r — q + 3-2г), если г — g < 0,
Для Z = 2 значения Si (i, r) задаются следующей таблицей.
И
12
9
10
7
8
5
6
3
4
1
2
1
10
8
12
7
И
9
4
2
6
1
5
3
2
8
9
7
11
12
10
2
3
1
5
6
4
3
9
7
8
12
10
11
3
1
2
6
4
5
4
7
10
11
8
9
12
1
4
5
2
3
6
5
6
5
4
3
2
1
12
И
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
6
7
12
И
10
9
8
7
4
3
2
1
6
5
8
7
12
11
10
9
8
3
2
1
6
5
4
9
8
7
12
11
10
9
2
1
6
5
4
3
10
9
8
7
12
И
10
1
6
5
4
3
2
11
10
9
8
7
12
И г
12
И
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Конструкция этой таблицы может быть также объяснена с точки зрения
соответствия между ix и г2 (свойство е): соответствие между i, г i, в пределах от
1 до 6 обеспечивается левой нижней четвертью; соответствие между ?х и i2, из-
изменяющимися между 7 и 12, устанавливается аналогичным образом посредством
левой верхней четверти; наконец, соответствие между ilt меняющимся от 1 до
6, и i2, меняющимся от 7 до 12, устанавливается правой половиной.
12. О сходимости ортогональных рядов
79
Следовательно,- кмеем
4°. Пусть
Vi,q (i, r) = min [i; SUq{i, r)].
Из свойства d) функции Si (i, г) можно вывести, что
Ut,q(i, r) = Uuq[Sl<q(i, г), г]; G)
из свойства е) следует, что для г, соответствующего паре h, i2,
будем иметь
Ui, ч (*i. r) = Vlt q {i2, r) = min (h, i2). (8)
(Д. \ Ofc \\
—г ' —г" '
3-2 6-2 /
, / \ \ /2ft—1 ft \ ,
я[)( (x) = —1 на интервалах I j- , —-Л , где к — произвольное
V 6*2 3*2 /
целое положительное число.
6°. Определение функций <Pigi- Пусть
Таким образом, общее число функций q>lqi равно
т
—1).
^-, ^j,
п=
Положим фг?. = % на интервале
<plqi = ±Ц*, а = т + 9-4m + 3-2l-q + Ult q (I, r)
на интервале (—~7/»~т)> г ^ ?' где берется знак (+), если
ui,q (*i г) = i, и знак (—), если UUp (i, r) = Stj q {i, r).
7°. Определение коэффициентов а^:
Ulqi = ±YmrJ3~'
где берется знак (+), если 1 <| i <^ 2-2г, и знак (—), если 2-21 <^
<i<3-2!.
8°. Чтобы сумма F) обладала свойствами, указанными в основной
лемме, возьмем в качестве ее членов alqs$iqi (x), общее число ко-
которых уже было определено в п. 6°. Определим сумму квадратов
80
12. О сходимости ортогональных рядов /
коэффициентов:
2( 321
!=1 5=1 i=l
Итак, условие II основной леммы выполняется.
9°. Чтобы доказать, что функции ф/д. попарно ортогональны
(условие I), нам потребуется три леммы, в которых формулируются
свойства функций г|), (х) (см. п. 5°).
Лемма I.
3-2"
когда
к-1
3-2"
Лемма II.
к
3-2П
=;0, когда
к-1
3-2"
Лемма III.
2, tx>n.
к
3-2™
k-l
3-2"
[ipi(x)]»dx=
3-2"
Во всех этих трех леммах к я п суть целые положительные числа.
В дальнейшем нам понадобится еще
Лемма IV. Множество точек х интервала (-~1 -,е \
\ 3-2г 3-2*/'
где сумма
а (х) =
S
положительна, имеет меру, равную мере множества точек того же
интервала, где эта сумма отрицательна. Здесь предполагается, что
g есть некоторое целое число и все tk больше или равны t (t и tk —
целые положительные числа).
12. О сходимости ортогональных рядов
8*
Доказательство леммы немедленно получается из очевидного со-
соотношения
которое заведомо выполняется для всех иррациональных у.
10°. Чтобы доказать, что две функции ср*^, Фг2?гг, ортогональ-
ортогональны, нужно отдельно рассмотреть следующие случаи.
Первый случай: 1хф 1г. Положим для определенности
hj>h и рассмотрим интервал ( р, —р ). На этом интервале-
имеем фг1?1г, = %,, фгг9,^ = ч|><„ где tx и t2, вообще говоря, зависят
от к. Каково бы ни было к, из определения <flqi (см. п. 6°) следует,
что tx Ф t2, tx > 1г; поэтому из леммы II следует, что на каждом и»
рассматриваемых интервалов интеграл от произведения фг^,^, %^^
равен нулю, откуда получаем, что две функции фг,,^,, Фгг?гг2 орто-
ортогональны на @, 1).
Второй случай: lx = Z2 = I; ахф q^. На интервале
от
произведения
ортогональ-
По-
Последовательно, на этом интервале интеграл
Ф'йАФгйА также равен нулю и две функции ф^
ны на @, 1).
Третий случай: lx = l2 = I, qx = q2 = q, 1ХФ i2.
вторяя рассуждения двух предыдущих случаев, видно, что на каж-
(к — 1 /с \
дом интервале! j-,—Н, кроме двух исключительных интерва-
лов, интеграл от произведения Ф^дфг^г, равен1 нулю. Один из
исключительных интервалов соответствует случаю к = q, и на этом
интервале имеем (piqil = ф>д42 = г|зг (см. п. 6°). Следовательно, в си-
силу леммы III интеграл от] произведения равен -| j.
Второй исключительный интервал есть интервал, для которого
согласно соотношению (8) Uiq (ix, к) = V'lq (ц, к). На этом интер-
интервале имеем (fiqil = —ffiqu = ±^t (значение t определяется соглас-
согласно п. 6°). Следовательно, в силу леммы III интеграл от произведе-
произведения равен -t. Итак, видно, что в третьем случае две функции фг^,,,
и ф7йв{, также ортогональны на @, 1).
11°. Определим для каждой функции (flqi фундаментальную
точку xiqi посредством условий:
6-2г
когда i
2 • 21,
82
12. О сходимости ортогональных рядов
12. О сходимости ортогональных рядов
83
м
3-2'
когда i Ъ> 2-2г.
Занумеруем функции <(lqi в порядке убывания xlqi. Функции»
имеющие одинаковые фундаментальные точки, могут быть зануме-
занумерованы в произвольном порядке. Занумеруем, кроме того, коэффи-
коэффициенты alqi и точки Xiqi B том же порядке, что и соответствующие
¦функции (fiqi. Рассмотрим сумму
n=12Dm-l),
F')
где afc и ф^. суть агдг и фг?м занумерованные в указанном выше по-
порядке.
Докажем, что сумма F') обладает всеми тремя свойствами, сфор-
сформулированными в основной лемме. Свойства I и II уже были полу-
получены в п. 8° и 10°, Остается доказать, что сумма F') обладает свой-
свойством III.
12°. Пусть g — некоторое целое число. Обозначим через хк A <^
<С к <^ п) точки Xiqi, занумерованные в том же порядке, что и члены
к (х), т. е. справа налево. Рассмотрим на интервале Д = ~
6-2"
6-2
частную сумму
1с=1
(9)
состоящую из всех членов акц>к (х), для которых соответствующие
фундаментальные точки хк лежат правее А. (Так как хк занумерова-
занумерованы справа налево, существует целое число pg, не зависящее от точек
интервала А, и такое, что сумма (9) обладает указанным свойством.)
Для каждого значения I A <I l <^ т) существует одно и только
одно целое число q, для которого интервал А содержится в интерва-
интервале Iq ~~ , , —1—г) Для некоторых значений I интервал А целиком ле-
V 3-2' 3-2* /
/9 — 1 д \
жит в левой половине интервала I ——j , —у 1, тогда как для дру-
других значений I этот интервал А содержится в правой половине
?-И--, -!—). Рассмотрим некоторое значение I, для которого А содер-
3-2( 3-2'/
жится в левой половине указанного интервала. В этом случае для
всех значений ? A <^ ? <1 3-2г) точки xlqi расположены правее А
(см. п. 11°), и, следовательно, в сумме (9) содержатся все члены
вида alQi(f[qi. Среди этих членов 2-2г первых равны + ,- t , тогда
как другие 21 членов равны , (см. п. 6° и 7°).
|/ т 'О• 2
Следовательно, сумма всех рассматриваемых слагаемых равна
l/3/m.
Рассмотрим теперь такое значение I, для которого А содержится:
в правой половине \~l , ~^~j) • В этом случае правее А расположены
только точки xlqi, имеющие индекс i ^> 2-2'. Следовательно, в сум-
сумме (9) содержится только 21 членов вида alqi($lqi, и все эти члены
положительны, так как alqi и фг„5 отрицательны. Сумма рассматри-
рассматриваемых членов равна Vs У^т. Таким образом, получается то же са-
самое значение, что и в предыдущем случае.
Обозначим через 2' сумму всех тех членов в (9), которые были
до сих пор рассмотрены. Из предыдущих рассуждений следует, что
2' = V» Ут
для всех точек из А.
Затем рассмотрим сумму 2" тех членов в (9), которые не вошли
в 2'. На интервале А каждый член акщ (х) из 2" равен некоторому
выражению а-^^ (х), где tk ^> т (см. определение функций ф^
в п. 6°). Следовательно, в силу леммы IV функция 2" неотрицатель-
неотрицательна на множестве, мера которого равна половине длины интервала
А, и поэтому вся сумма (9) больше или равна Ч3 Ут по крайней мере
на множестве меры, равной V2 | А |. Таким образом, свойство III
основной леммы доказано.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ТЕОРЕМЫ II
1°. Обозначим для некоторого п через а^п и ф^.,, (х) числа а^
и функции ц>к (х), удовлетворяющие условиям основной леммы. По-
Положим для произвольного интервала б = (а, Ь)
Сумма
F( )
1с=1
обладает теми же свойствами, что и сумма F) основной леммы, нуж-
нужно только заменить интервал @, 1) на б и множество Е на множество
Е (б), mes Е (б) = V, | б |.
2°. Для доказательства теоремы II рассмотрим какую-нибудь
положительную функцию W (п), подчиненную единственному усло-
условию
v w(n) п
lim . v = 0.
A0)
84
12. О сходимости ортогональных рядов
Очевидно, существует бесконечная последовательность целых по-
положительных чисел «v (v = 1, 2, 3, . . .). которая обладает свойст-
свойствами:
3. Об операциях над множествами
85
V—1
г=1
W{n)
—г для п ^ nv.
(И)
A2)
A3)
A4)
3°* Определим числа а„ и функции ср„ (х) следующим образом,
а) Для п -^ «!
log n *^ v2
Положим
Согласно соотношению A1) имеем
у log щ
Ъ) Принимая, что ап и фп (х) уже определены для п ^ А^_ь
и предполагая, что интервал @,1) разделен на конечное число ин-
интервалов б, на каждом из которых все функции ф„ (х) (п С N^-x)
сохраняют постоянные значения, положим для iVv-i < п ^ Nv:
а„ =
„(х) = фйп (X, б)
на каждом из интервалов б, где к = п — iVn_x.
Свойство функций фп (х) быть постоянными на некоторых интер-
интервалах б, полученных разбиением @,1) на конечное число частей,
сохраняется на каждом шаге; поэтому можно последовательно опре-
определить функции фп (х) и коэффициенты ап для всех значений п.
4°. Легко доказать, что функции ф„ (х) попарно ортогональны
и ряд
S пуп()
71=1
расходится почти всюду. Изменяя значения некоторых функций
<р„ (х) на множестве меры нуль, можно, кроме того, преобразовать
ряд E) в расходящийся всюду ряд.
Для завершения доказательства теоремы II остается показать,
что ряд
сходится. Это устанавливается следующим вычислением:
v=2 n=Wv_1+l
n=JVv_x+l
W (п)
logn
Nv
V=2
где С" и С — постоянные 3.
5 марта 1926 г.
ЛИТЕРАТУРА
1 Rademacher H. Einige Satze fiber Reihen von allgemeinen Orthogonalfunktio-
nen.— Math. Ann., 1922, Bd. 87, S. 112—138.
2. Menchoff D. Sur les series de fonctions orthogonales.— Fund, math., 1923,
vol. 4, p. 82-105.
3. Plessner A. Uber die Konvergenz von trigonometrischen Reihen.— J. reine
und angew. Math., 1925, Bd. 155, S. 15—25.
4. Kolmogoroff A., Seliverstoff G. Sur la convergence des series de Fourier.— Atti
Accad. naz. Lincei. Rend., 1926, vol. 3, p. 307—310.
13
ОБ ОПЕРАЦИЯХ НАД МНОЖЕСТВАМИ*
В 1921 г. Н. Н. Лузин определил в курсе лекций по теории функ-
функций, читанном в Московском университете, класс С-множеств и по-
поставил вопрос о всестороннем его изучении. Недавно Е. А. Селива-
новским * опубликован ряд результатов, относящихся к этому клас-
классу и дающих довольно полную его характеристику. Мне кажется,
что в связи с этим будет небезынтересно и предлагаемое ниже иссле-
исследование, где я получаю часть из этих результатов, исходя из весьма
общих рассмотрений. Оказывается, что теорема о непустоте Xi
классов, на которые, так же как и класс множеств, измеримых В,
распадается класс С-множеств, имеет место для произвольного клас-
класса, порождаемого итерацией операций весьма общего, определенно-
определенного ниже типа и операции взятия дополнения.
3 Доказательство теоремы II аналогично рассуждениям, уже примененным
Д. Е. Меньшовым в работе [2] (см. [2, с. 99]).
* Мат. сб., 1928, т. 35, № 3/4, с. 414—422.
1 Sur une clasge d'ensembles definis par une infinite denombrable de condi-
conditions.—С r. Acad. sci. Paris, 1927, vol.. 184, p. 1311—1314.
13. Об операциях над множествами
13. Об операциях над множествами
78
Самое определение этого вида операций дано Хаусдорфом во вто-
втором его издании «Теории множеств». Но ни определения дополни-
дополнительной операции, ни основной теоремы о дополнениях у него нет.
Нижеследующее является лишь незначительной переработкой:
рукописи, оконченной 3 января 1922 г.
Все рассматриваемые в дальнейшем множества расположены на
открытом интервале @, 1) действительной прямой. За основной клас&
элементарных множеств принимаются замкнутые относительно ос-
основного интервала, включая в их число «пустое множество».
Операции, подлежащие нашему изучению, определяются зада-
заданием некоторой совокупности частей натурального ряда
1,2,3,4,...,
называемых числовыми цепями. Операция X считается вполне опре-
определенной, если определена совокупность {Ux} ее числовых цепей,,
где каждая цепь IIх является просто некоторой совокупностью на-
натуральных чисел. Совокупность {Ux} будет называться определяю-
определяющей системой операции X.
Пусть теперь дана последовательность множеств
Ег, Е2, Е3, . . .
Каждой цепи
Vх = {щ, ла, п3, . . .}
соответствует определенная цепь множеств
U* = {ЕП1, ЕП2, Ещ, . . .}.
Будем называть ядром R [%х\ цепи VIх произведение всех входящих
в нее множеств. Результат операции X над данной последователь-
последовательностью множеств мы определяем как сумму ядер всех соответствую-
соответствующих цепей
X (Еи Е„ Е9, . . .) = 2Д [цх].
Рассмотрим некоторые отдельные операции определенного выше
типа. Прежде всего операцию сложения:
2 {?„} = Ег + Е2 + . , ,
Эта операция определяется посредством счетной совокупности це-
цепей, состоящих каждая из одного элемента:
U? = {1}, Vl = {2},...
Операция умножения П определяется посредством одной цепи?
состоящей из всего натурального ряда:
С/п =з {1, 2, 3, . . .}.
Легко определить также операцию взятия верхнего или нижнего
предела последовательности множеств. Операция нахождения пре-
предела последовательности множеств, естественно, не может быть оп-
определена нашим способом, так как не для всякой последовательно-
последовательности множеств она приводит к определенному результату.
А-операция обычно определяется для счетной совокупности мно-
множеств, занумерованных не просто натуральными числами, а всевоз-
всевозможными кортежами
п±, л2, . . ., пк.
При этом цепью кортежей UA называется любая последовательность
кортежей
U {п
Множество
А {ЕП1Щ,._П1{},
изучаемое посредством Л-операции из множеств ?1П1п2...п)с, соот-
соответствующих всевозможным кортежам пх, я2, . . ., %¦, определяется
как сумма ядер всевозможных цепей
Легко видеть,что если раз навсегда занумеровать кортежи л17 п2, . . .
. . ., пк натуральными числами
(X {Пх, Ла, . . ., Щ),
это определение может быть приведено к данной выше форме, так
как цепи кортежей можно будет заменить цепями их номеров (х.
Операция X называется нормальной, если множество, получае-
получаемое двукратным ее применением:
Е = X {Еп}п, Еп = X {Епт}т,
может быть получено Х-операцией над множествами Епт в некотором
надлежащем выбранном расположении:
Е = X {Ещтк}, mft = Ф (к), щ = t (к).
Вообще говоря, функции ср (к) и г|) (к) могут зависеть от рассматри-
рассматриваемого семейства множеств, но для известных нам нормальных опе-
операций их удается выбрать в зависимости только от самой операции.
Операции сложения и умножения, очевидно, нормальны; опера-
операции взятия верхнего или нижнего предела не нормальны.
Нормальность 4-операции доказывается значительно сложнее
тем же методом, как доказывается то, что Л-операция, примененная
к Л-множествам, доставляет вновь Л-множества.
88
13. Об операциях над множествами
13. Об операциях над множествами
89
II
Рассмотрим систему числовых цепей {Ux} операции X. Будем;
называть цепью, дополнительной к данной системе, всякую совокуп-
совокупность натуральных чисел, имеющую хотя бы по одному общему эле-
элементу с каждой цепью IIх. Система всех дополнительных цепей:
{Ux} определяет операцию, которую мы будем называть дополни-
дополнительной к операции X и будем обозначать X.
Основное свойство операции X, послужившее поводом к ее обо-
обозначению как операции, дополнительной к X, заключается в сле-
следующем: обозначая Ё геометрическое дополнение множества Еу
имеем при условии
Е = X {Ег, Е2, . . .)
равенство
Е = X (Еи Ег, . . .).
Операция, дополнительная к X, то, что можно обозначить X*
очевидно, даст в применении к любой системе множеств те же ре-
результаты, что и X; это можно записать так:
Z~ X.
В частности, операция, дополнительная к сложению, есть в точности
умножение, но операция, дополнительная к умножению, хотя и эк-
эквивалентна со сложением, но определяется другой системой цепей.
Очевидно, что операция, дополнительная к нормальной, сама нор-
нормальна.
Операция, дополнительная к ^-операции, называется Т-опера-
цией. Естественно ее также определять посредством цепей кортежей,
как и ^.-операцию. П. С. Александровым дан следующий красивый
геометрический образ Г-цепей: будем рассматривать кортежи п1г
я2, . . ., щ как группы пространства Бэра нулевого измерения;
тогда, для того чтобы система кортежей была Г-цепью, необходимо
и достаточно, чтобы она полностью покрывала все пространство.
III
Будем называть Х-множестеами множества, получаемые посред-
посредством применения Х-операции к последовательности замкнутых
множеств. Множества, дополнительные к Х-множествам, могут быть
получены Х-операцией из открытых множеств (областей).
Основная теорема. Существует Х-множество, допол-
дополнение которого не есть Х-множество.
Рассмотрим бесконечномерный куб, точки которого определяются
координатами
где индексы пит принимают всевозможные значения. Построим
в этом кубе кривую Пеано, т. е. функции
Ц>пт (*), tnm @.
непрерывные и такие, что когда t пробегает интервал от нуля до еди-
единицы, то точка
апт = Фпт (t), Ьпт = г|5„т (t)
принимает хотя бы по одному разу всевозможные положения в на-
нашем кубе.
Определим множество Рп (t) как замкнутое множество, получае-
получаемое из интервала @,1) посредством выбрасывания из него интервалов
&пт (t) с концами (fnm (t) и i|)nm (t), соответствующих всевозможным
индексам т. Очевидно, что для каждой последовательности замк-.
нутых множеств
Mi "|i "з! • • •
существует такое t, что
Р1 = Рг (t), Р2 = Р2 (*), . . .
Определим, далее, множество
Et = X {Рп (*)}•
Из предыдущего следует, что каждому Х-множеству Е соответству-
соответствует такое t, что
Е = Et.
Определим, наконец, Qn как множество тех точек t, которые вхо-
входят в соответствующее Рп (t). Нетрудно доказать, что множество Qn
замкнуто. Множество
Е = X {<?„}
обладает следующим свойством: если t входит в Et, то оно входит
и в Е, если же t не входит в Et, то оно не входит и в Е.
Очевидно, Е является Х-множеством, но если бы Ё тоже было
Х-множеством, то существовало бы такое t, что
E = Et,
из чего легко извлечь противоречие, что и доказывает основную тео-
теорему.
IV
Определим W (Х)-областъ как минимальную область множеств,
содержащую в себе все замкнутые множества, инвариантную по от-
отношению к Х-операции и заключающую в себе все дополнения вхо-
входящих в нее множеств. Очевидно, W B) и W (П) совпадают с об-
областью множеств, измеримых В, W (А) и W (Г) с С-областъю
90
13. Об операциях над множествами
13. Об операциях над множествами
91
Н. Н. Лузина. Мы построим классификацию множеств W (Х)-об-
ласти, аналогичную классификации Бэра, и в некоторых весьма ши-
широких допущениях докажем непустоту всех классов этой классифи-
классификации.
Определим, далее, классы Wa (X) и Wa (X) , где а — транс-
трансфинитное число второго класса, следующим индуктивным процес-
процессом. '-
1. Wo (X) есть совокупность замкнутых множеств, Wo (X) — со-
совокупность открытых множеств.
2. Если Wa, (X) и Wa (X) определены для а<Р, определим
W$ (X) как совокупность множеств, получаемых посредством Х-опе-
рации над множествами, каждое из которых принадлежит к какому-
либо из классов Wa, а < р. Соответственно W$, (X) определяется
как класс множеств, получаемых из множеств классов Wa (X), а <
< р\ посредством Х-операции.
Каждая операция, производимая над последовательностью тож-
тождественных множеств, приводит вновь к взятому множеству
X (Е, Е, Е,..) = Е.
Поэтому ясно, что Wa (X) содержит в себе все W$ (X) для р < а.
С другой стороны,_ясно, что| Wa (X) содержит и_все W$ (X), р < а.
Соответственно и Wa (X) заключает в себе все W$ (X) и W$ (X).
Дополнение к множеству класса Wa (X), очевидно, всегда при-
принадлежит к Wa (X). Из этого вместе с предыдущим легко вывести
равенство
W(X) = 2Wa(X) = Ша(Х),
где суммирование распространяется на все трансфинитные числа
второго класса.
В самом деле, замкнутые множества и их дополнения, открытые
множества, принадлежат Wa (X); посредством трансфинитной индук-
индукции можно доказать, что и все множества из Wa (X) или Wa (X)
также входят в W (X). С другой стороны, легко видеть, что суммы
= Ша(Х)
удовлетворяют условиям, выставленным в начале для классов, из
которых W (X) является минимальным.
Обозначим теперь:
va (X) = wa (X) - 2 Wp (X), va (X) = Wa (X) ~ 2
P« fl
Тогда имеем
причем члены последних сумм не пересекаются между собой.
Теорема о непустоте классов. Если операция
сложения может быть заменена какой-либо комбинацией Х- и Ж-опе-
раций, то ни один из классов Va (X) и Va (X) не может быть пус-
пустым.
1. Допустим, что
Va (X) = 0;
тогда
2 ^Р (X) (Z Wa (X);
P
Wa (X) = 2 ^р (X), Wa (X)
P<a
легко видеть, что в этом случае
W (X) = Wa (X).
Мы покажем, что в условиях теоремы это равенство неосущест-
неосуществимо.
2. Пусть дана операция Y и последовательность операций Ух,
У2, Y3, . . . Определим операцию Z, которую будем обозначать
Z = (Y | Yu Y,, ...),
следующим образом, сначала как операцию над системой множеств
с двумя индексами:
{Епт}-
Цепью Uz мы будем называть такую совокупность пар индексов
(пт), что совокупность встречающихся в этих парах значений пер-
первого индекса образует цепь UY, а совокупность значений второго
индекса в парах с данным первым индексом п образует цепь U ™.
Легко видеть, что из
Е = Y {Ет}, Еп = Yn {Enm}m
следует
Е = Z {Епт}пт
и, обратно, из последнего равенства следует существование мно-
множеств Еп, удовлетворяющих первым. Таким образом, Z-операция
заменяет совершение У-операции над результатами У„-операций
и, обратно, результат Z-операции может быть получен последователь-
последовательным совершением Y и У„-операций.
Перенумеровав пары (пт) посредством одного индекса к, нетруд-
нетрудно получить, наконец, операцию с одним индексом
обладающую теми же свойствами.
В частности, операция
Z = B | Yx, Ув> . . .),
если предположить для всех и Ф п0
Епт = 0
92
13. Об операциях над множествами
я для п = п0
&ПГП == &ТП1
доставляет множество, получаемое операцией Yn:
% {Епт}пт = У {Ет}.
Таким образом, при помощи операции 7, можно получить все
множества, получаемые какой-либо^ из операций Yn.
3. Определим операции Ха и Ха следующим индуктивным про-
процессом. Предполагаем все трансфинитные числа v
v< p<a
определенным образом расположенными в последовательность vx,
v2, v3, . . . Полагаем
-А. ^ ~-= л , Л. -^ — Л..
Далее, предполагаем Xv и Xv для v
в случае р непредельного
определенными, определим
3-i> ^p-i, ^p-i, • • •)•
В случае же р предельного
Хр = B | XVi, XVt, XVa,...),
3» ^3» • ¦ •)>
3» -^З» • • •)•
4. Нетрудно посредством индукции доказать, что операция Ха
позволяет из замкнутых и открытых множеств построить любое мно-
множество класса Wa (X.). По основной теореме о дополнениях операция
Ха позволит тогда построить множество, не принадлежащее к Wa (X).
Легко, однако, доказать, что это множество принадлежит к PF» (X),
что и доказывает нашу теорему.
Применение к теории В- и С-множеств не требует пояснений,
14 декабря 1928 г.
14. О процессе интегрирования Данжуа
14
О ПРОЦЕССЕ ИНТЕГРИРОВАНИЯ
ДАНЖУА *
Пусть / (х) — функция с периодом Ъ
а. Пусть
In < b
— разбиение отрезка [а, Ь]. В соответствии с определением Данжуа
/ (х) интегрируема в смысле (В) и интеграл
ь
а
имеет значение /, если при стремлении к нулю шага со разбиения xf
мера множества тех t, которые удовлетворяют соотношению
| / _ ф («) | = | / - 2 (*, - хк) f (xt + t) | > R,
0 < t < b — a,\
стремится к нулю, каково бы ни было положительное число R, не-
независящее от со.
Данжуа доказал, что все суммируемые функции интегрируемы
(В). Наша цель состоит в том, чтобы показать, что все функции
2Я
сопряженные к суммируемым функциям f (x) периода 2я, также ин-
интегрируемы (В). Известно, что среди этих функций g (x) имеются та-
такие, которые несуммируемы ни на каком интервале.
Мы установили ранее (см. [1]) неравенство
\f(x)\dz,
A)
где С — абсолютная константа. Образуем сумму ф (t) для функции
g (x), при этом ф (t) является сопряженной к функции
2 (Xi - xt.x) f (It + t).
Тогда в силу A)
2Я
B)
• Sur un procede d'integration de M. Denjoy.— Fund, math., 1928, vol. 11,
p. 27—28. Перевод В. А. Скворцова.
94 15. О тополого-теоретико-групповом обосновании геометрии
Пусть е сколь угодно мало, / может быть представлена в виде
/ (х) = Л (х) + U (х),
где/2 (х) ограничена и
2Я
Функция gx (x), сопряженная к Д (х), суммируема к нулю на интер-
интервале (—я, я) и значение интеграла равно нулю. Значит, для доста-
достаточно малого со имеем
Е1 = mes {| ф1 (*) | > 72Я} < в/2.
•С другой стороны, в силу B) имеем
Е2 = mes {| ф2 (*) | > 1/,Д> < е/2.
Из этих двух неравенств получаем для достаточно малого со
тез{|Ф@ |>Д}<?г + Я2<е,
что доказывает интегрируемость (В) функции g (x).
Аналогичным образом можно показать, что g (x) cos nx и
g (x) sin nx также интегрируемы (В) и что ряд Фурье — (В) функции
g (х) является сопряженным к ряду Фурье—Лебега функции / (х).
5 апреля 1927 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kolmogoroff A. Sur les fonctions harmoniques conjuguees et les series de Fou-
Fourier.— Fund, math., 1925, vol. 7, p. 23—28.
15
О ТОПОЛОГО-ТЕОРЕТИКО-ГРУППОВОМ
ОБОСНОВАНИИ ГЕОМЕТРИИ *
Известно, что л-мерное пространство постоянной кривизны (т. е.
гиперболическое, евклидово, эллиптическое или сферическое прост-
пространство) имеет (п + 1)я/2-мерную непрерывную группу движений.
Все остальные до сих пор известные тг-мерные геометрические обра-
образования допускают только меньшую свободу движений 1. Представ-
Представляется естественной задача охарактеризовать пространства постоян-
постоянной кривизны как единственные топологические пространства с дос-
* Zur topologisch-gruppentheoretischen Begriindung der Geometrie.— Nachr.
Ges. Wiss. Gottingen, 1930, Bd. 8, S. 208—210. Представлено П. Александро-
Александровым. Перевод И. Пенкова (НРБ).
1 Замечательным исключением являются в одномерном случае соленоиды
ван Данцига; см.: Fund, math., 1929, vol. 15, p. 102—105.
15. О тополого-теоретико-групповом обосновании геометрии 95-
таточно большой свободой движений. Для этого рассмотрим тополо-
топологическое пространство R и некоторую группу Г из однозначных
непрерывных отображений R на себя. Для того, чтобы добиться сход-
сходства Г с группой, составленной из движений, естественно потребо-
потребовать, чтобы отображения из Г были в совокупности равномерно не-
непрерывны 2:
Условие I. Для любой пары точек (х, у) и любой окрестно-
окрестности U (у) существуют две окрестности V (х) и W (у) такие, что при
любом отображении из Г, которое переводит по крайней мере одну
точку из V (х) в W (у), весь образ V (х) лежит в U (у).
В случае метризуемого и локально компактного пространства R
условие I необходимо и достаточно для того, чтобы на R можно было-
ввести такую метрику (функцию расстояния), чтобы все отображения
из Г сохраняли расстояние между любыми двумя точками, т. е. стала
конгруэнтными отображениями 3.
Условие II. R метризуемо и локально компактно.
Условие III. R связно.
Условие IV. Г транзитивна4.
Отображения из Г, сохраняющие данную точку х, образуют под-
подгруппу Тх вращений вокруг х. Обозначим множество всех образов,
точки у при отображениях из Гж через S (х | у) и назовем его сферой
вокруг х. Если z лежит в S (х \ у), то S (х \ у) и S (x \ z) совпадают.
Дальше будем обозначать сферы с центром в х просто через S (х).
Условие V. Для любых двух различных сфер S' (х) и S" (х)
с общим центром х одна из них всегда отделяет другую от центра.
С помощью условий I—V можно показать, что на R можно ввес-
ввести инвариантную относительно Г выпуклую5 функцию расстояния:
р (х, у). При этом Г определяет эту выпуклую функцию расстояния
с точностью до множителя. Если R одномерно, из I—V следует, что
R гомеоморфно обычной окружности или прямой. При этом можно*
так отобразить R на окружность или на прямую, что Г перейдет в
группу вращений и отражений [и группу сдвигов и отражений соот-
соответственно]. Не исключена возможность, что и в общем случае прост-
пространство R с условиями I—V обязательно гомеоморфно конечномер
2 Мне кажется, что это определение равномерной непрерывности системы
отображений в окрестности пары точек (х, у) представляет известный интерес
и в общем случае отображений из одного пространства jf? в другое пространство /?'.
3 В случае компактного пространства R такая функция расстояния р* (х, у)-
определяется как верхний предел р (х', у') для всех образов (х', у'), вар точек
(х, у) при отображениях из Г; при этом р (х, у) — произвольная функция рас-
расстояния в R.
4 Соленоиды ван Данцига удовлетворяют условиям I—IV; но условие III:
можно было бы заменить более сильным (которое не выполнено для соленоидов):
Условие III'. Пространство R связно и локально связно.
Условия I, II, III' и IV выполнены, например, для группы движений обыч-
обычного кругового цилиндра. Встает вопрос, не является ли R при этих условиях,
обязательно многообразием?
6 Говорят, что р (х, у) выпукла, если для любых двух точек х и у сущест-
существует по крайней мере одна точка z такая, что р (х, у) — 2р (х, г) = 2р (у, z).
¦96
IS. Исследование тнятпя ин,пг грала
16. Исследование понятия интеграла
97
ному пространству постоянной кривизны. Но для того, чтобы полу-
получить полную группу движений или движений и отражений, условия
I—V недостаточны: уже в четырехмерном евклидовом пространстве
существует группа движений, которая удовлетворяет I—V, но яв-
является только семимерной 6.
При любом отображении из Гж, сфера S (х) переходит вместе
с центром х сама в себя. Эти отображения S (х) на себя образуют
группу Г {S (х)}. Для любой точки у на S (х) можно теперь опреде-
определить группу вращений Ту {S (х)} сферы S (х) вокруг точки у. Мно-
Множество образов точки z, лежащей на S (х), при отображениях из
Гу {S (х)} обозначим через S (х, у | z) или коротко через S (х, у)
и назовем его сферой второго порядка. Более общо, если даны сфера
n-го порядка S (хи х2, . . ., хп) и группа Г {S (ха, х2, . . ., хп)}, для
любой точки у на S {хх, х2, ¦ . ., хп) определяется аналогично группа
вращений Ту {S (хх, х2, . . ., хп)} вместе со сферами (п + 1)-го по-
порядка S (хх, х2, . . ., хп, у | z) или коротко S (хъ х2, . . ., хп, у). На-
Наконец, определяются также и группы Г {S (хи х2, . . ., хп, у)}.
Условие V. Для любых двух различных сфер 5" (хх, х2, . . .
. . ., хп) и S" (xlf x2, . . ., хп) одна из них отделяет другую от центра
яп в S (хх, х2, . . ., хп-х \хп).
Если сфера S (хи х2, . . ., хп) нульмерна, условие V становится
бессодержательным для сфер большего порядка, которые лежат
в S (xlt x%, . . ., хп); можно доказать, что в действительности если
выполнены условия I—IV и V, то все сферы достаточно большого
порядка нульмерны. Следовательно, существуют также и одномер-
одномерные сферы, а они обязательно гомеоморфны обычным окружностям.
С помощью метода индукции получается наконец
Основная теорема. Если выполнены условия I, II, III,
IV, V, mo R гомеоморфно конечномерному пространству постоян-
постоянной кривизны; при этом R можно отобразить на это пространство
так, что Г перейдет в полную группу движений и отражений.
18 июля 1930 г.
16
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОНЯТИЯ ИНТЕГРАЛА*
Основная цель этой работы — выяснить логическую природу
процессов интегрирования. И если, помимо объединения различных
подходов, при этом возникло некоторое обобщение понятия интег-
интеграла, то дело тут, по-видимому, в том, что обобщение понятия за-
зачастую бывает полезно для постижения его сущности (ср. с преди-
предисловием ко второму изданию [1]). Не исключено, что все эти обобще-
8 Эта группа соответствует унимодулярной группе линейных кватернион-
ных подстановок: х' = ах + Ь, | а | = 1.
* Untersuchungen iiber Integralbegriff.— Math. Ann., 1930, Bd. 103,
S. 654—696. Перевод П. Освальда (ГДР).
ния могут представить интерес и для приложений, однако достоинст-
достоинства более общего подхода] видятся мне прежде всего в простоте и яс-
ясности, которые вносят новые понятия.
Интересом к общим проблемам теории интегрирования я обязан
профессору Н. Н. Лузину. Кроме того, я хотел бы поблагодарить
В. И. Гливенко, с которым имел многочисленные беседы, относя-
относящиеся к содержанию данной работы и из которых извлек много по-
полезного.
Глава I
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. То, что сегодня понимают под словом «интегрирование»,
не является, собственно говоря, логическим понятием в строгом
смысле. Скорее этот термин является собирательным для нескольких
операций, каждая из которых имеет свое определение. В большинст-
большинстве случаев, однако, эти операции обладают тем общим свойством,
что в случае интегрирования непрерывной функции получается ин-
интеграл в классическом смысле. Мне кажется, что все многообразие
определений не может быть естественным образом сведено к одному,
т. е. иначе говоря, проблема отыскания естественного определения
интеграла, содержащего в себе все прежние определения в качестве
частных случаев, является совершенно безнадежной.
В частности, мне представляется, что, пытаясь объединить общей
концепцией, с одной стороны, интеграл типа Стилтьеса для функций
на абстрактных множествах (в той форме, которую предложил не-
недавно Фреше [2]) и, с другой стороны, интеграл Данжуа, мы неиз-
неизбежно столкнулись бы с принципиальными трудностями. Ведь для
того, чтобы такое объединенное понятие могло быть применено к
функциям, заданным на произвольных абстрактных множествах,
оно должно базироваться лишь на таких построениях, которые ос-
основаны на общих свойствах множеств и функций. В то же время оно
же должно учитывать особенности метода интегрирования Данжуа,
столь тесно связанного с отношением порядка на числовой прямой.
Процесс обобщения математического понятия, идущий одновре-
одновременно в нескольких направлениях, встречается здесь не впервые:
аналогичная картина имеется, например, когда различные свойства
натурального числа служат отправной точкой принципиально раз-
различных обобщений. С одной стороны, получаются трансфинитные
порядковые и кардинальные числа, с другой — вещественные числа.
Интегрирование в смысле Данжуа (им самим названное «тотали-
зацией») является обобщением классического метода интегрирова-
интегрирования, понимаемого как построение первообразной к данной функции.
Это есть вполне естественный и логичный путь обобщения, который,
если^угодно, можно рассматривать как последнее звено цепи, имею-
имеющей своим началом ньютоновское понимание интеграла.
Другой и еще более проторенный путь исходит из общей и доволь-
довольно неопределенной идеи, согласно которой интегрирование есть не-
4 А. Н. Колмогоров ¦
98
16. Исследование понятия интеграла
16. Исследование понятия интеграла
99
кий способ суммирования, относящийся к бесконечному числу бес
конечно малых величин, соответствующих в свою очередь бесконечн
малым частям области интегрирования. Эта идея, которой мы обяза-
обязаны также самим словом «интеграл», была высказана в весьма рас-
расплывчатой, но совершенно общей форме Лейбницем. Она получила
толкование (более или менее удовлетворяющее современного матема-
математика) впервые у Коши. Среди множества последующих работ, зани-
занимающихся проблемой интегрирования, большинство посвящено раз-
развитию этой идеи Лейбница. К этому же источнику относится уже-
упомянутое определение интеграла, данное Фреше (и ведущее в дру-
другую сторону по сравнению с интегралом Данжуа).
Создание по возможности более широкого определения интегра-
интеграла, реализующего понятие интеграла Лейбница в форме, отвечающей
современным требованиям строгости, и, насколько это можно, со-
сохраняющего при этом его универсальный характер, является целью-
данной работы.
Оба указанных направления не являются единственными, в ко-
которых можно продвигаться разумным образом, сохраняя достаточно-
много свойств операции интегрирования в классическом смысле.
В особенности хочу отметить, что исходя из проблемы нахождения
среднего значения функции (решение которой, как известно, в клас-
классических случаях задается интегралом) можно получить новую,
весьма общую операцию, которая, между прочим, полезна в различ-
различных конкретных вопросах теории вероятностей. Эту операцию (кото-
(которая, конечно, содержит классическое интегрирование как частный
случай) я надеюсь сделать предметом другой работы. Здесь хочу
лишь указать на тот замечательный факт, что даже для веществен-
вещественной функции / (х) одной вещественной переменной естественным об-
образом однозначно определенное среднее значение на единичном от-
отрезке может не совпадать с интегралом Данжуа (взятым по тому же
отрезку).
То обстоятельство, что мы имеем дело с двумя определениями ин-
интеграла, каждое из которых является естественным и важным обоб-
обобщением классического интеграла и дает для одной и той же функции
два различных значения, на мой взгляд обосновывает высказанное
в начале этого параграфа воззрение о безнадежности нахождения
универсального понятия интеграла, охватывающего все разумные
определения интеграла.
Но даже в рамках данной работы мы встретимся с двумя опреде-
определениями, а именно: с определениями интеграла из глав II и III, ко-
которые для некоторых функций дают различные значения (см. гл. III,
п. 14).
Следует, однако, отметить, что случаи несовпадения двух послед-
последних названных определений интеграла реализуются только на функ-
функциях множества, построенных ad hoc1 и для которых неясно, пред-
представляет ли вообще интерес их интегрирование.
1 По конкретному поводу (лат.).
§ 2. Пусть х — изменяющаяся в интервале (а, Ъ) величина. Лейб-
Лейбниц предполагает, что каждому значению х отвечает бесконечно ма-
малая величина dy. Складывая все эти dy, получается так называемая
Summa Omnium Лейбница или интеграл от dy на интервале (а, Ъ).
Смысл этого определения был даже для математиков XVIII в. недо-
недостаточно ясен, что вынуждало их до Коши, отказываясь от подхода
Лейбница, определить интегрирование как обращение дифференци-
дифференцирования.
Коши первым перевел определение Лейбница из языка метафизи-
метафизики на язык математики и открыл этим возможность — хотя бы
в частном случае dy = / (х) dx — найти путем настоящего вычисле-
вычисления интеграл
ь
\f{x)dx
как предел известных интегральных сумм
A)
-*i-i). B)
Обозначим интервалы (хг-Х, xt) через At, длину интервала А через
I (А), а через / (А) многозначную функцию интервала, которая на
каждом интервале принимает все значения, пробегаемые / (х) на А.
Тогда выражение B) имеет вид
Идея Лейбница осуществляется следующим образом. Найти для
каждого значения х в (а, Ъ) бесконечно малую dy означает определить
функцию интервала ср (А), которая становится бесконечно малой,
когда А стягивается к точке х. Найти сумму всех dy означает опре-
определить предел интегральных сумм C) при бесконечном продолжении
разбиений отрезка (а, Ъ) на частичные отрезки.
Открываются следующие четыре возможности обобщения метода
интегрирования Коши.
1. Вместо функции интервала ср (А) = / (А) I (А) можно рас-
рассматривать произвольные функции интервала ср (А).
2. Область интегрирования может разбиваться на конечное или
счетное число произвольных множеств (и не обязательно на интерва-
интервалы).
3. Область интегрирования не обязательно должна представлять
собой отрезок числовой прямой. Можно допускать в качестве обла-
областей, по которым производится интегрирование, множества, состоя-
состоящие из элементов произвольной природы.
4. Наконец, можно также выбрать значения функции ср (А) из
элементов произвольного векторного пространства, не обязательно
из вещественных чисел.
В первом из этих четырех направлений большой прогресс достиг-
достигнут в виде интеграла Стилтьеса и его непосредственных обобщений.
100
16. Исследование понятия интеграла
16. Исследование понятия интеграла
101 ¦
Вместо длины I (А) вводилась произвольная аддитивная функция
интервала. Однако общая постановка вопроса впервые появилась
у Беркилля [3], который в 1924 г. для произвольной функции интер-
интервала ф (А) определил интеграл
как предел сумм
при бесконечном продолжении разбиений (а, Ъ) на частичные отрезки
Аг. Беркилль при этом ограничился рассмотрением однозначных
функций ф (А), что ему не позволило получить классическое опре-
определение интеграла по Копта в качестве частного случая своего соб-
собственного.
В данной работе мы систематически допускаем многозначные
функции, кроме того, функции точки / (х) последовательно заменяют-
заменяются на функции интервала и — даже более общо — на функции мно-
множества / (Е), принимающие в качестве своих значений на Е совокуп-
совокупность значений / (х) на этом же множестве. Только этот путь приведет
нас к общей теории интеграла, в которой под знаком интеграла рас-
рассматривается лишь одна функция множества. Господствовавшее до
сих пор во всех теориях интегрирования расщепление функции, под-
подлежащей интегрированию, является, таким образом, искусственным
и немотивированным ограничением, одновременно суживающим общ-
общность проблемы и простоту метода.
Существенный прогресс во втором направлении, как известно,
был достигнут благодаря Лебегу, который интеграл A) определял как
предел сумм
2/(Я,) m(Et), ' D)
где Et представляют собой измеримые множества, на.которые раз-
разбивается отрезок (a, b), a т (Е) есть мера множества Е. Лебег в сво-
своем определении требует, чтобы выражения D) стремились к пределу
для разбиений более специального вида. Общее определение предела
для выражения, зависящего от разбиений отрезка {а, Ъ) при «неогра-
«неограниченном продолжении» разбиений (ср. гл. II, п. 8), принадлежит
Муру [4]. СамМур указывает на то, что введенное им понятие предела
сделает возможным особенно простую форму определения интеграла
Лебега и приведет к его обобщению. Некоторые обобщения класси-
классического интеграла Стилтьеса получил этим путем Смит [5].
Что касается общности допустимых областей интегрирования, то
— после ряда исследований различных авторов — Фреше в уже цитиро-
цитированной работе окончательно установил, что вся общая теория интег-
интегрирования может быть развита без всякого ограничения этой общ-
общности.
То, что до сих пор делалось в этих первых трех направлениях
теории интегрирования, было учтено при создании построенного
в данной работе определения. Зато оставшийся еще четвертый путь —
интегрирование функций, значения которых принадлежат произволь-
произвольному векторному пространству — сознательно не рассматривается.
Большинство результатов обобщается и на этот случай, однако осу-
осуществление этого обобщения излишне перегружало бы изложение.
§ 3. В предыдущем параграфе мы проследили тот путь развития
понятия интеграла, который начинается с Summa Omnium Лейбница.
При этом мы убедились, что все это развитие являлось последова-
последовательным и неизбежным раскрытием идеи Лейбница, хотя некоторые
более недавние определения кажутся очень отдаленными от перво-
первоначальной идеи.
По-другому обстоит дело с понятием неопределенного интеграла.
Классическое понимание, рассматривающее неопределенный интег-
интеграл как функцию точки, существенно связано с интегрированием на
линейном интервале прямой и даже не обобщается на случай крат-
кратных интегралов. Лишь в последнее время развивалась более общая
и одновременно более простая точка зрения, рассматривающая не-
неопределенный интеграл как функцию множества, по которому про-
производится интегрирование. Мы в дальнейшем имеем дело только с пос-
последним подходом.
В случае интеграла Стилтьеса — Радона речь идет о двух адди-
аддитивных функциях множества ф (Е) и г|) (Е) и о функции точки / (х),
связанных друг с другом посредством следующих соотношений:
A)
ж
d^ (E)/d(f (E) = f{x). B)
Второе соотношение при этом имеет место лишь «почти всюду». Сле-
Следует еще отметить, что понятие производной одной функции множе-
множества по отношению к другой зависит существенно от геометрических
свойств пространства, в котором лежат соответствующие множества.
Правда, в приложении к этой работе мы покажем, что и в случае
определенного на абстрактном множестве интеграла типа Стилтьеса
(без всякого привлечения геометрических понятий) производную B)
можно ввести так, чтобы из B) следовало A).
Общая концепция интегрирования, связанная с формулами A),
B), неоднократно пропагандировалась Лебегом, который подчер-
подчеркивал ее основополагающее значение для физики. Однако мы увидим,
что чисто логически это понятие интеграла включено в общий метод
интегрирования
C)
с необязательно аддитивной функцией множества ф (Е). Я надеюсь
в одной из последующих работ показать, что это еще более общее
102
16. Исследование понятия интеграла
понятие также математически оправдано и что оно принесет боль-
большую пользу именно в теории меры и в общей теории квадратур по-
поверхностей.
В случае C), где встречаются две функции множества, только одна
из которых аддитивна, интегрирование, конечно, не может быть свя-
связано с каким-то методом дифференцирования. Тем не менее и в этом
случае функции ср и г|) связаны отношением, носящим определенный
дифференциальный характер, которое мы в дальнейшем введем под
названием дифференциальной эквивалентности.
Глава II
ПЕРВАЯ ТЕОРИЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ
(СЧЕТНЫЕ РАЗБИЕНИЯ)
§ 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
1. Система множеств со свойством, что пересечение двух множеств
системы снова принадлежит системе, называется Ш-системой (-муль-
(-мультипликативной системой) и обозначается2 через 3J}.
2. Каждое разбиение множества Е из данной ЗК-системы на конеч-
конечное или счетное число попарно не пересекающихся слагаемых из той
же системы
обозначается через
множества Еп при этом называются элементами разбиения D.
3. Каждое разбиение DE с элементами Еп порождает в подмно-
подмножестве Е' из Е однозначно определенное разбиение
которое обозначим той же буквой D.
4. Разбиение D'E называется продолжением разбиения DE, если
каждый элемент Е'п разбиения D' содержится в некотором элементе
Ет из D, что обозначим так: D' ^> D. Очевидно, что из D" ^> D',
D' ]> D следует соотношение D" ^> D.
5. Под произведением двух разбиений D'E и D"E понимается раз-
разбиение
2 Если в системе множеств 03? содержатся два непересекающихся множест-
множества, то согласно предположению и пустое множество принадлежит ?0?.
16. Исследование понятия интеграла
103
Здесь Еп и Е"т обозначают соответственно элементы из D' и D". Бла-
Благодаря основному свойству ЗК-системы элементы произведения разбие-
разбиений принадлежат нашей ЗК-системе. Произведение двух разбиений,
очевидно, является одновременно продолжением каждого из разбие-
разбиений.
6. Определим еще сумму разбиений. Если
и
Jnrai
titn п m
то положим по определению
п
Таким образом, каждое продолжение D'E разбиения DE может быть
представлено в таком виде и притом единственным образом, в этом
случае разбиения ?МЧЁ„ назовем компонентами продолжения D'E.
Верно также обратное к этому утверждению: каждое разбиение
~LD^En является, очевидно, продолжением разбиения DE.
7. Совокупность элементов всех разбиений DE множества Е обоз-
обозначается через $&Е. Система множеств ШЕ сама является ЗК-систе-
мой. В самом деле, если Е' и Е" — элементы из %ШЕ, то они встре-
встречаются в качестве элементов некоторых разбиений D'E и D"E, а пе-
пересечение Е'Е" является элементом из [D'D"]E.
Если G принадлежит ШЕ, то 3RG содержится в ШЕ.
8. Допустим сейчас, что на некотором множестве разбиений DE
множества Е задана одно- или многозначная функция / (D). Следуя
Муру, назовем число / пределом для f (DE) при неограниченном про-
продолжении разбиений DE и обозначим
/ = I [/ (DE)),
если для каждого е ]> 0 существует такое DE, что для всех D' > D
определена функция / (D1) и выполняется неравенство (см. [4])
sup \f(D')-I\<s.
Легко видеть, что более одного предела существовать не может.
Если /' и /" — два предела, то найдутся также два разбиения D'E
и D"E, для произведения которых (являющегося совместным их про-
продолжением) справедливы неравенства
/ (ID'D"]) - Г |< е/2, sup | / (W'D"]) - Г \ < е/2,
sup
откуда | /' — /" | < 8 и в силу произвольности положительного s
мы должны иметь /' = /".
9. Для / (DE) существует предел тогда и только тогда, когда вы-
выполнен критерий сходимости Коши, а именно: для каждого е ^> О
104
16. Исследование понятия интеграла
существует «е-регулярное разбиение DE», т. е. такое разбиение, для
которого из D' ^> D всегда следует 3
sup | / (DE) - f (D'E) | < e.
10. Данное выше определение легко обобщается на случай
/ = + оо. Положим
l[f(DE)] = + оо,
если для любого Н < + оо существует такое DE, что при D' ^> D
выполнено]
inf [/ (D'E)] > Я.
Аналогично определяется отрицательно бесконечный предел.
§2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРОСТЕЙШИЕ СВОЙСТВА ИНТЕГРАЛА
11. Пусть функция / (Е) определена для всех элементов разбие-
разбиения DE. Введем обозначение
(Rf)(DE)=%f(En),
п
в случае многозначной функции / многозначным будет и (Rf) (различ-
(различные значения для (Rf) получаются, если при суммировании для каждого
Еп берутся все различные значения f (En)). Чтобы приведенное выше
обозначение имело смысл, предполагается 4, что ряд справа являет-
является абсолютно сходящимся при любом выборе значений функции
/ (Еп).
Выражение (Rf) (DE) можно назвать суммой Римана для /, от-
отвечающей разбиению DE.
12. Интеграл для f на множестве Е по отношению к данной си-
системе 59? положим по определению равным
) = l[(Rf)(DE)\,
(Щ
где предел понимается в смысле п. 8.
Букву (Щ перед знаком интеграла чаще всего можно опустить,
поскольку все рассмотрения, в которых одновременно участвуют не-
несколько интегралов, относятся всегда к одной и той же Ж-системе.
13. Ясно, что интеграл не 'может существовать, если функция
(Rf) не определена для любых продолжений хотя бы одного разбие-
3 При этом разность двух многозначных выражений принимает все значе-
значения, являющиеся разностью двух значений данных выражений.
4 Следует при этом оговорить, что для пустого множества все рассматрива-
рассматриваемые функции принимают только нулевое значение. Это соглашение необходимо
в любой аддитивной теории функций множества, иначе, в частности, не сущест-
существовала бы ни одна интегрируемая функция.
16. Исследование понятия интеграла
105'
ния DE. Что касается функции /, то в определении интеграла испоив*"
зуются лишь ее значения для элементов системы $RE, достаточно даже
ограничиться значениями, которые она принимает на всех элементах
любых продолжений некоторого разбиения DE. Совокупность этих
последних множеств обозначим через %RDE. Ясно, что SSItDE является
подсистемой для ШЕ и в свою очередь Ж-системой. Функцию мно-
множеств, определенную для всех элементов некоторой системы 5SIDE,
назовем определенной на ШЕ дифференциальным образом — или
короче дифференциально определенной функцией. Тогда необходимое
условие, при котором интеграл для / на Е существует, состоит
в свойстве / быть определенной на 5SIE дифференциальным образом,
14. Свойства интеграла.
I. Если существует интеграл для f на Е, то существует также
интеграл для f на любом множестве из ШЕ.
Доказательство этого свойства проводится вместе с доказатель-
доказательством следующего свойства.
П. Интеграл является аддитивной функцией множества, т. е.
для каждого разбиения DE имеем
A)
Е п
при этом из существования интеграла в левой части этого равенства
вытекает существование всех интегралов в правой части (последнее
утверждение совпадает с утверждением в I), а также абсолютная
сходимость ряда из этих интегралов.
Доказательство. В самом деле, допустим, что сущест-
существует интеграл для / на Е, т. е. что (Rf) (DE) сходится к определенному
пределу при неограниченном продолжении DE. Тогда в силу п. 9 для
каждого е ^> О существует е-регулярное разбиение D'E, для каждого
продолжения D"E которого имеем
sup \(Rf) (D'E) - (Rf) (D'E) |< e.
Я утверждаю, что разбиение D'En также е-регулярно. В самом деле,
пусть D'"En представляет собой продолжение для D'En, тогда, как
легко видеть,
sup | (Rf)(D'"En) - (Rf)(D'En) | <
<sup |(/?/)(?"?„+ 2 D'Em)-(Rf)%(D'Em)\ =
гафп т
= sup | (Rf)(DIVE) - (Rf)(DE) | < e,
где D™E, очевидно, есть продолжение для D'E.
Так как для каждого е ^> 0 существует е-регулярное разбиение
D'En, то при каждом п также существует предел для (Rf) (DEn),
т. е. интеграл /„ для / на Еп. Выберем для каждого п такое разбие-
разбиение DnEn, что для любого продолжения DnEn справедливо
sup | (Rf) (D"nEn) -In\< в/2".
106
16. Исследование понятия интеграла
Сейчас положим
Для произвольного' продолжения D"E = ~ZDnEn этого разбиения оче-
очевидным образом выполнено неравенство
sup | (Rf)(D"E) - 2 /„ | < S sup | (Rf)(DnEn) - /B |< e,
из которого следует, что интеграл для / на Е совпадает с величиной
^j», что и требовалось доказать.
III. I [fx (dE) + U (dE)) = S Д (dtf) + J /, (
E ЕЕ
при этом из существования правой части следует существование ле-
левой.
IV. \Щ(йЕ) = к \f(dE).
Е Е
V. Если справедливо Д (Е) ]> /2 (?) для всех множеств, на которых
одновременно определены обе функции 5, то имеем также
Е Е
VI. Интеграл для аддитивной на ШЕ функции совпадает с ней.
VII. Пусть заданы функция f и последовательность функций
h, /г,- • •. fn- • • такие, что 6
sup [(R | / - /„ |) (DE)] + О (п -> оо);
тогда
причем из существования интегралов в левой части последнего соот-
соотношения вытекает существование интеграла в правой части.
Все эти свойства вряд ли нуждаются в доказательстве.
§3
ПОНЯТИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ
И ВТОРОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛА
15. Мы увидели, что, если / на Е интегрируема и, следовательно,
определена на некотором VRDE, то ее интеграл
5 Неравенство /х (Е) >> /2 (Е) означает, что каждое значение /' (Е) больше
любого значения /2 (Е).]
6 Знак sup здесь обозначает точную верхнюю грань значений (R | / — /п |)
для всех DE и фиксированного п.
16. Исследование понятия интеграла
1GT
является аддитивной функцией, определенной для всех множеств G"
системы ЯШЕ. Естественно возникает вопрос: каковы связи -между
функциями / и F? Ответ на этот вопрос получается с цомощью сле-
следующего >
Определения. Дифференциально определенные на ЯШЕ"
функции / (G) и g (G) называются дифференциально эквивалентными,,
если для каждого е ^> 0 существует такое разбиение DE, что для всех;
D' ~^> D имеет место
Свойство дифференциальной эквивалентности может быть выраже-
выражено короче в следующих двух формах:
/ - g I) (DE)] = 0
или
l\f(dE)-g(dE)\ = O.
Наконец, введем еще следующее обозначение для дифференциаль-
дифференциальной эквивалентности на ШЕ двух функций / и g:
f (DE) = g (dE) (Ш),
где ($RE) опускается в тех случаях, когда исключено недоразумение.
16. Дифференциальная эквивалентность удовлетворяет условию
транзитивности, т. е. из
f (dE) = g (dE) и g (dE) = h (dE)
следует, что
f (dE) = h (dE).
Действительно, существуют такие DXE и D%E, что для их продол-
продолжений DXE и D2E справедливы неравенства
sup (R | / - g |) (D[E) < e/2, sup (R \g - h |) (D'2E) < e/2.
Теперь без труда можно убедиться, что для произвольного продолже-
продолжения D'3E разбиения D3E = [DiD2]E имеет место неравенство,
sup (R\f-h |) (D'3E) < e,
что и требовалось доказать.
17. Чтобы более полно охарактеризовать понятие дифференциаль-
дифференциальной эквивалентности, докажем еще следующее
Предложен и е. Пусть функция ср (xi, х2,. . ., хп) от п
вещественных переменных удовлетворяет условию Липшица
ср (хъ х2,...,хп) —
г/2,
г/„
— yk |
108
16. Исследование понятия интеграла
Если функции Д, /2, ...,/„ и f[, /2, ...,/; на $&Е дифференциально
определены и удовлетворяют условиям fk (dE) = fk {dE), то
Ф (dE) = Ф [/i (dE), f2 (dE), . . ., fn (dE)] =
= Ф' (dE) = Ф [f[ (dE), /i (dE), ...,/;
Доказательство. Для произвольного e ^> 0 сущест-
существуют разбиения DkE со свойством, что при всех Dk ]> Dk
sup SI /it (Km) - h (E'km) I < г/пК.
m
Каждое продолжение D'E разбиения
DE = [Di, D2, . . ., Dn] E
является также продолжением любого разбиения из DkE, откуда
следует неравенство
8ир2|Ф'(?т) — Ф(?т)|<8
т
и из него непосредственно наше предложение.
18. Из соотношения A) для дифференциально эквивалентных
функций / и g вытекает, что для каждого G из ШЕ справедливо
]\f(dG)-g(dG)\--=O
G
и согласно свойству V интеграла (п. 14)
S [/ (Я?) - g (dG)] < 0, J [g (dG) - f (dG)\ < 0,
G G
llf(dG)-g(dG)] = O. B)
G
Если одна из двух функций fug интегрируема, то очевидно
Мы хотим сейчас показать, что и, наоборот, из справедливости
B) для каждого G следует дифференциальная эквивалентность функ-
функций fug. Таким образом, необходимое и достаточное условие диффе-
дифференциальной эквивалентности двух функций состоит в обращении
в нуль интеграла для их разности на любом G, взятом из $ЯЕ.
Полагая h = / — g, сведем наше утверждение к следующему.
19. Для любой функции h (E) из справедливости условия
16. Исследование понятия интеграла
109
для всех G из Ж? вытекает соотношение
или, что то же самое,
h (dE) = 0.
Доказательство. В силу интегрируемости h на Е суще-
существует е-регулярное разбиение DE, для произвольного продолжения
которого имеем
sup | (ЯЛ) (D'E) | < е.
Я утверждаю, что тогда для каждого D' ~^> D справедливо
sup (Я | Л |) (D'E) < 4e,
что докажет наше предложение.
Допустим противное, т. е. что существует такое продолжение D'E,
для которого выполнено
sup (Я | h \)(?УЕ) = sup 2 | h (En) \ > 4е.
Тогда из совокупности TV всех индексов п можно выбрать подсистему
М с
2
м
Для каждого индекса п из N — М = L выберем такое
чтобы имело место
sup | (ЯЛ)
и положим
< е/2п,
М L
Как легко видеть, справедливо
sup | (Rh)(D"E) I > sup 12 h (E'n) | - 2 sup | (Rh)(D{n)E'n) \ > e,
m h
что является противоречием, поскольку D"E есть продолжение для
DE.
20. Интегрируемая на Е функция f (G) дифференциально экви~
валентна своему неопределенному интегралу на 5К?
F(G)=]f(dG).
G
Действительно,
110
' 16. Исследование понятия интеграла
и благодарней. 18 имеем
/ (dE) = F (dE).
Верно также обращение этого предложения: если на ШЕ функция
/ (G) дифференциально эквивалентна некоторой аддитивной функции
F (G), то из п. 18 вытекает, что
16. Исследование понятия интеграла
111
Ё Ё
21. Таким образом, получаем
Второе определение интеграла. Интегралом
для f на Е называется аддитивная функция на ШЕ, являющаяся диф-
дифференциально эквивалентной функции /.
Из только-что доказанного следует, что такая функция, если
она вообще существует, однозначно определена и что второе определе-
определение интеграла эквивалентно первому.
§4
ЗАМЕЧАНИЯ О БЕСКОНЕЧНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ ИНТЕГРАЛА
22. В п. 10 был оговорен смысл выражения «функция разбиения
DE сходится при неограниченном продолжении разбиений к ±оо».
Чтобы получить определение бесконечных значений интеграла, од-
однако, вряд ли будет целесообразно ограничиться заменой в опреде-
определении в п. 12 понятия предела из п. 8 на определение из п. 10. Более
естественный путь состоит в таком обобщении определения абсолют-
абсолютной сходимости, которое позволяет учесть и бесконечные значения
римановых сумм (Rf) (DE). Кроме того, уместно также отбросить
требование конечности интегрируемой функции и, следовательно,
рассмотреть ±оо в качестве допустимых значений функций.
Итак, введем следующее определение:
Ряд
назовем абсолютно сходящимся в расширенном смысле в следующих
случаях:
a) если он сходится абсолютно в обычном смысле;
b) если сумма его положительных членов равна -f- oo, в то вре-
время как ряд из отрицательных членов абсолютно сходится в обычном
смысле. В этом случае ряд по определению сходится к + .оо. Ме-
Меняя ролями оба знака, получим абсолютно сходящиеся к — оо ряды;
c) если некоторые члены равны + оо, в то время как остальные
сходятся в смысле а) или Ь) к конечному значению или к + оо. Ана-
Аналогичным образом получается случай —. оо.-
23. Кроме модификации определения абсолютной сходимости,
определение для (Rf) (DE) остается прежним, в то время как Опре-
Определение интеграла с использованием данного в п. 10 определения
бесконечного предела в остальном проводится, как в п. 12.
24. Что касается свойств интеграла I—VII, то только V, VI и
VII сохраняются в точности, причем в формулировке для VI поня-
понятие аддитивной функции следует понимать в естественно расширенном
смысле: функция/ (G), принимающая для каждого Gna 3JJ? однознач-
однозначно определенное, но возможно бесконечное значение, называется ад-
аддитивной в расширенном смысле, если для каждого разбиения DG
выполнено равенство
f(G)=%f(Gn)
п
в смысле обобщенной абсолютной сходимости согласно определению
из п. 22.
25. Свойство I, вообще говоря, отпадает, как видно из следующе-
следующего примера. Предположим, что 59?? состоит из двух непересекающих-
непересекающихся множеств Ei и Е2, Ei + Е2 — Е, причем
f(Ei) = + l, /(?2) = + oo.
Очевидно, что интеграл для / на Е равен + оо, в то время как интег-
интеграл на Ei не существует вообще.
Свойство II сохраняется с тем ограничением, что из существова-
существования левой части вовсе не вытекает существование правой.
Свойство III сохраняется, за исключением того случая, когда
правая часть принимает вид (+ оо) -f- (— оо). Свойство IV верно,
если к отлично от 0 и ± оо.
26. Второе определение интеграла, основанное на понятии диф-
дифференциальной эквивалентности, нельзя расширить на тот случай,
когда допускаются бесконечные значения интеграла. Все же сохра-
сохраняется предложение:
Если имеет место /i (dE) = f% (dE), то функции или обе интегри-
интегрируемы, или обе неинтегрируемы, причем в первом случае выполнено
НЕКОТОРЫЕ СЛУЧАИ ИНТЕГРИРУЕМОСТИ.
ПОЛУАДДИТИВНЫЕ ФУНКЦИИ И ФУНКЦИИ
ОГРАНИЧЕННОЙ ВАРИАЦИИ
27. Однозначная функция, принимающая, возможно, и бесконеч-
бесконечные значения, называется полуаддитивной вверх, если для любого
разбиения DG множества G из 5Ш? выполняется неравенство
причем ряд в правой части должен абсолютно сходиться в расширен-
расширенном смысле (разбираемом в п. 22). Если при тех же условиях имеет
112
16. Исследование понятия интеграла
16. Исследование понятия интеграла
113
место неравенство
то / называется полуаддитивной вниз.
Когда / (G) полуаддитивна вверх, то — / (G) полуаддитивна вниз
и наоборот, отсюда вытекает возможность в большинстве случаев
ограничиться изучением одного из этих двух классов функций.
28. Для функции /, полу аддитивной вверх, имеем для всех D' ^> D
(Rf)(DG)>(Rf).(D'G).
В самом деле, пусть
тогда
(Rf)(DG) = 2 / (Gn) > 2 2 / (GU =
n n m
Для полуаддитивной вниз функции очевидно справедливо обрат-
обратное соотношение.
29. Каждая полу аддитивная на $51Е функция интегрируема на Е.
Действительно, пусть / полуаддитивна вверх. Как легко видеть,
число
/ = inf [(Rf) (DE)]
удовлетворяет определению интеграла ^ / (dE). Для полуаддитив-
ной вниз функции имеем соответственно
lf(dE) = supl(Rf)(DE)).
Е
Эти факты являются частными случаями следующего утверждения:
Если однозначная функция f (DE) является невозрастающей, т. е.
если из D'E ^> DE вытекает неравенство / (D'E) <J / (DE), то
I If (DE)] = inf [/ (DE)],
в то время как для неубывающей функции имеет место равенство
I [/ (DE)] = sup [/ (DE)].
30. В предположении, что /, /i, /2, . . ., /„ являются аддитивными,
функции
\f(G)\ и -
полуаддитивны вниз. Достаточны несложные выкладки (с особым
учетом случая, когда появляются бесконечные значения), чтобы
убедиться в этом.
Следовательно, для аддитивных на ШЕ функций /, /i, /2, . . ., /„
существуют интегралы
l\f(dE)\,
Первый из этих интегралов есть полная вариация для / (G) на мно-
множестве Е. Представление полной вариации аддитивной функции
в виде интеграла восходит к Радону, однако без указания точного^
смысла, в котором берется интеграл. Второй из наших интегралов
назовем совместной полной вариацией функций /i, /2, . . ., /„.
31. Если 5SIE является аддитивной системой множеств (т. е.
системой множеств, содержащей все разности и конечные пли счет-
счетные суммы своих элементов), на которой определена конечная и ад-
аддитивная функция / (G), то, как известно, также конечна полная
вариация для /на Е. Напротив, как видно из простого примера, для
общих систем множеств 5Ш? из конечности и аддитивности / (G) на
ШЕ вовсе не следует конечность ее полной вариации.
Пусть Е — полуоткрытый отрезок 0 ^ х < 1, а система ШЕ
состоит из всех отрезков а <; х < Ъ с 0^а<Ь^1. Рассмотрим
какую-нибудь непрерывную функцию / (х), имеющую в точке 0 бес-
бесконечную вариацию (к примеру, положим / (х) = х sin (\lx)), и оп-
определим функцию интервала / [а, Ъ) через приращение / (х) на [а, Ъ)'.
f [а, Ь) = / (Ь) - / (а).
Легко убедиться, что / [а, Ъ) аддитивна на ШЕ (единственное со>-
мнение, которое здесь могло возникнуть, касается разбиений интер-
интервала [0, Ъ): оно сразу устраняется тем, что любое разбиение указан-
указанного отрезка содержит непременно элемент вида [0, а], и так как все
остальные элементы отдалены от опасной точки 0, то аддитивность и
здесь сохраняется). Так как очевидно
то наша цель достигнута.
32. Необходимым и достаточным условием для того, чтобы каж-
каждая из аддитивных функций Д (G), /2 (G), . . ., /n (G) имела ограни-
ограниченную вариацию, является конечность интеграла
I = S V& (dE) + & (dE)
? (dE).
Е
Для доказательства достаточно заметить, что, с одной стороны,
в силу | /» | < У й + . . . + /п имеем
Е\
114
16. Исследование понятия интеграла
а с другой —
/ = sup {{R Y& + ...+fn) (DE)] < S sup [(R | h |) (ЯЯ)]
к Е
33. Если положить
то для аддитивной функции / (G) ограниченной вариации получим
обычное представление в виде разности двух неотрицательных функ-
функций:
/ (G) = Ф (G) - ф (G).
34. Из дифференциальной эквивалентности двух функций /' (G)
и /" (G) вытекает непосредственно дифференциальная эквивалент-
эквивалентность их абсолютных величин | /' (G) | и | /" (G) |. Из этого замеча-
замечания следует, что если / (G) на множествах из ШЕ обладает конечным
интегралом F (G) (который согласно п. 20 дифференциально эквива-
эквивалентен / (G)), то имеет место соотношение
Полная вариация, таким образом, может быть определена для каж-
каждой функции, имеющей конечный интеграл.
§ 6
НЕКОТОРЫЕ УТВЕРЖДЕНИЯ ОБ ОДНОРОДНЫХ ФУНКЦИЯХ
35. I. Пусть Д (G), /2 (G), . . ., /n (G) — определенные на УНЕ
конечные аддитивные функции ограниченной вариации и ф (ж1? х2,. . .
. . ., хп) — положительно однородная функция первого порядка,
Ф (tai, to2, . . ., txn) = t(f (xu x2, . . ., xn), t > 0, A)
с ограниченными вторыми производными в каждом из направлений:
-- ^ B\
Тогда функция
Ф (G) = Ф If, (G),
(G),
/„ (G)]
имеет конечный интеграл на Е.
Доказательство. Положим
16. Исследование понятия интеграла
115
Мы утверждаем, что конус V, определенный в (п + 1)-мерном про-
пространстве равенством
z = ¦ф (хи х2, . . ., хп), .
является выпуклым вниз. В самом деле, для его выпуклости доста-
достаточно, чтобы имело место
d2^/ds2 > 0
для любого направления, ортогонального к радиус-вектору из 0>
в данную точку конуса. Последнее неравенство вытекает из того, что
для таких направлений
d*p/ds* = 1/р,
что в силу B) дает
+ 2К d2p/ds2 > 0.
Из выпуклости V следует, что середина отрезка с лежащими на
V концами z[, х'и х'г, . . ., х'„ и z", х[, х\, . . ., х„ лежит выше конуса,
т. е.
2 ' "~ -^ т V 2 "
откуда (согласно A))
C)
Несложная индукция с последующим переходом к пределу пока-
показывает, что, когда
2j Хъ = хк
т
является абсолютно сходящимся для всех к, имеет место
Из D) непосредственно следует полуаддитивность вниз для функ-
функции^ [/х (G), . . ., /n (G)], что влечет за собой ее интегрируемость на Е.
Так как р [/х (G), ...,/„ (G)] также интегрируема, то доказано и су-
существование интеграла
ф (dE) = \у (dE) — 2К J p (dE).
ЕЕ Е
36. П. Пусть f1 (G), f2{G), . . ., /„ {G) "— аддитивные функции
ограниченной вариации на ШЕ и ф (xlt х2, . . ., хп) — непрерывная
и положительно однородная функция первого порядка. При этих-
условиях
обладает конечным интегралом на Е.
16. Исследование понятия интеграла
Доказательство. Представим ф в виде предела некоторой
аюследовательности функций
фтп (^1> Х2, • • м Хп) -»• ф. т-* °О|
удовлетворяющих условиям предложения I, и позаботимся при
этом о том, чтобы для любого т|^>0и достаточно больших т
I Фтп — ф I < Лб-
Далее, положим
К = S Yf!(dE) + ..
fn(dE) = sup [(Л Yfl+ ...+Ц) (DE)].
Тогда для достаточно большого т справедливо
(R | Фго - Ф | ) (DE) < г\К.
Затем свойство VII (п. 14) позволяет из существования интегра-
интегралов для фго (G) на Е заключить о существовании
37. III. Предложение I остается справедливым также в случае,
когда относительно функций /х, /2, . . ., /„ не предполагается их ад-
аддитивность, а лишь существование конечных интегралов на Е.
Действительно, в силу п. 20 функции fk (G) дифференциально
эквивалентны своим неопределенным интегралам Fk (G). Согласно
п. 17 далее Ф (G) = Ф [Д (G), ...,/n (G)] и Ф (G) = Ф [Fx (G), . . ,
. . ., Fn (G)] также дифференциально эквивалентны. Но так как вто-
вторая из этих функций интегрируема благодаря I, то это имеет место
и для ф (G), что и требовалось доказать.
§ 7
ИНТЕГРАЛЫ ТИПА [ f (х) ф (dE)
Е
38. Определение. Для функции / (х) (возможно, многознач-
многозначной) обозначим через / (Е) функцию множества, принимающую на
множестве Е все значения, пробегаемые / (х) на всем множестве Е.
Если / (х) определена для всех х ЕЕ Е и ф (G) дифференциально
определена на ШЕ, то положим
(m\f(x)<p(dE)=
Е
f(dE)y(dE).
A)
Нас главным образом интересует случай, когда / (х) однозначна,
а ф (G) на ШГконечна и аддитивна. В этом случае скажем, что ин-
интеграл A) является интегралом типа Стилтьеса. Однако кое-что
мы докажем и в общем случае.
16. Исследование понятия интеграла
117
39. Соотношение
JJ / (х) [Ф1 (dE) + ф2 (dE)] = $ / (х) ф1 (dE) + [f(x) ъ (dE) B)
Е ЕЕ
вытекает непосредственно из свойства III (п. 14), причем существо-
существование правой части из B) влечет за собой существование левой. Чуть
более сложно доказывается формула
$ C)
[А
Ф (dE) = $ /i (х
/2
Из свойства III сначала имеем
h (dE) + /я (dtf)] Ф (dE) =
/2
D)
E
при этом правая часть D) согласно нашему определению равна пра-
правой части из C), в то время как левая часть в C) совпадает с выра-
выражением
где (/х -j- /2) (G) представляет собой совокупность значений, прини-
принимаемых /х (х) + /а (х), когда х пробегает множество G.
Если / (G), понимаемое в смысле определения п. 38, как множе-
множество содержится в /' (G), то пишем (в соответствии с обычными тео-
теоретико-множественными обозначениями) / (G) с: /' (G). Аналогично
поступаем для функций разбиения. Очевидно, что из / (DE) CZ
С /' (DE) вытекает соотношение
I [f (DE)] = I [f (DE)],
E)
причем из существования правой части следует опять существование
левой.
Включение / (G) С /' {G) на Ж ? влечет за собой аналогичное
включение
№ (DE) С (#/') (DE)
для римановых сумм, откуда в силу E) получаем, что
Е Е
Так как имеет место далее
ifl + U)()l(
(/1 + /2) (G) Ф (G) С t/i (G) + /, (G)] Ф (G),
118
16. Исследование понятия интеграла
то, принимая во внимание D), получим
/i (х) + h (х)] Ф (dE) == $ (/х + /2) (dE) ф (d?) =
Е
16. Исследование понятия интеграла
119
Е
ф
л Е Е
т. е. формулу C), где снова из существования правой части выт
кает существование левой.
40. Предположим сейчас, что ф (G) аддитивна на Э?? и. неотри-
неотрицательна. Рассмотрим разбиение DG множества G из ШЕ. Легко по-
показать, что для каждой функции / (G) справедливы соотношения
sup {[R (/Ф) (DG)]} = sup {S / (Gn) Ф (Gn)} <
< sup {/ (G) 2 Ф (Gn)} < sup [/ (G) ф (G)]
n
и аналогично
inf {Ш ((/Ф) (#G)]} > inf [/ (G) Ф (G)].
Соответственно для любого продолжения D'E разбиения DE имеем
sup {[R (ftp) (D'E)} < sup {[R (fcf) (DE)]} F)
и
inf {[R (/Ф) (D'E)} > inf {[R (ftp) (DE)]}. G)
Суммы Римана для /ф, таким образом, для лродолжения разбие-
разбиения DE заключены в более тесных границах, чем для самого раз-
разбиения DE. Далее, из определения интеграла как предела римановых
сумм мы заключаем, что для каждого разбиения выполнено
inf {[R (/Ф) (DE)}} < J / (х) Ф (dE) < sup {[R (/Ф) (DE)]}. (8)
Е ¦
На основании этого результата в нашем случае неотрицательной
аддитивной на ШЕ функции ф (G) интеграл
0
Е
можно определить как такое число I, для которого при каждом е
существует разбиение DE, удовлетворяющее неравенству
| [R (/Ф) (DE)] - / | < в. ¦ (9)
Действительно, если существует разбиение с требуемыми свой-
свойствами, то те же свойства (в силу F) и G)) справедливы для произ-
вольного продолжения этого разбиения, что приведет нас к первона-
первоначальному определению интеграла. Обратный переход тривиален,
так как теперешнее условие является ослабленной формой перво-
первоначального.
41. Если ф (G) — аддитивная функция ограниченной вариации,
то представление в виде разности (п. 33)
Ф (G) = у (G) - % (G)
согласно B) приведет к аналогичному представлению
$ / (х) Ф (dE) =lf(x)q (dE) - J / (x) x (dE). A0)
E E E
Формула A0) тоже может служить определением интеграла для
/ф, если интегралы справа определены в смысле п. 40. В качестве
специального случая нашего определения получаем, таким образом,
определение интеграла Стилтьеса в виде, данном Фреше и рядом дру-
других авторов.
Следует еще отметить, что для неотрицательных ф (G) в силу фор-
формул F) — (8) можно избежать использования понятия предела по
Муру потому, что уже существование разбиения с маленьким колеба-
колебанием соответствующих римановых сумм гарантирует хорошее при-
приближение интеграла. Однако привлечение формулы A0) в целях оп-
определения интеграла в общем случае является обходным путем, так
что все равно в этом случае понятие предела по Муру больше соот-
соответствует существу дела.
42. Функцию / (х) назовем измеримой на Ж, если при любом
выборе вещественных чисел а и Ъ множество Е (а <^/ (х) < Ъ) всех
тех х, для которых / (х) удовлетворяет взятому в скобки неравенст-
неравенству, принадлежит к системе Ж. Легко доказать, что интеграл A) су-
существует, как только / (х) ограничена и измерима на 3JJ, а ф (G) имеет
ограниченную вариацию по этой же системе множеств.
43. Если / (х) по абсолютной величине меньше некоторой кон-
константы К, то из дифференциальной эквивалентности двух функций
<р (Е) и •ф (Е) вытекает дифференциальная эквивалентность для
/ (E)(f (Е) и / (E)ty (E). Из дифференциальной эквивалентности
интеграла и стоящей под знаком интеграла функции мы, далее, за-
заключаем:
Если f (x) ограничена и ф (G) обладает конечным интегралом на
Е, то
dE
Таким образом, из существования конечного интеграла с ограни-
ограниченной вариацией для ф (Е) следует интегрируемость / (х) ф (Е) для
ограниченных и измеримых / (х). В частности, существует интеграл
lf(x)<p[h(dE),ft(dE) fn(dE)],
120
16. Исследование понятия интеграла
16. Исследование понятия интеграла
121
как только /j, /2, .-..,/„ удовлетворяют условиям одного из пред*
ложений § 6. Аналогичным образом в качестве частного случая на
шего определения получаем интеграл в смысле Хеллингера [6]:
/-ч df(x)dh{x)
Л) dg(x)
U
§ 8
ПРИМЕРЫ Ж-СИСТЕМ
44. Пусть система Ш± состоит из всех открытых интервалов (н&
исключены бесконечные интервалы) и из всех одноточечных мно-
множеств числовой прямой. Разбиения DE при этом являются разбие-
разбиениями интервала?нанеболеечемсчетноечисло интервалов и отдель-
отдельных точек. Во многих случаях (в частности, когда интегрируемая
функция множества для одноточечных множеств принимает значе-
значение нуль) только интервалы играют существенную роль.
45. Интеграл вида
где I (А) обозначает длину интервала А, представляет собой неболь-
небольшое обобщение интеграла Копти—Римана: те и только те функции
оказываются интегрируемыми в данном смысле, которые вместе со
своей абсолютной величиной интегрируемы по методу Дирихле.
46. Если F (х) имеет только точки разрыва первого рода, то
(VF) (Е) определяется через разность F (Ъ — 0) — F (а + 0), ког-
когда Е является интервалом (а, Ь); для Е, состоящего из одной точ-
точки а, положим (VF) (Е) = F (а + 0) — F (а — 0). По определению
пишем
S / (х) dF (х) = C»!) J / (я) (VF) (йД).
A)
Это определение интеграла близко понятию интеграла Стилтьеса,
Оно отличается от последнего тем, что допускаются не только ко-
конечные, но и счетные разбиения. Кроме того, используется понятие
предела по Муру. Это второе обстоятельство важно для следующего
легко доказываемого результата:
Если f (х) и F (х) обе имеют ограниченную вариацию на А, то су-
существует интеграл A).
Когда обе функции / (х) и F (х) имеют разрыв в одной точке, то
обычное определение Стилтьеса недостаточно. Интегралы этого типа
имеют большое значение, в частности, в некоторых вопросах теории
вероятностей.
47. Пусть область Э3?2 состоит из всех измеримых в смысле Лебе-
Лебега множеств числовой прямой. Интеграл
где т1 обозначает линейную меру Лебега, совпадает с интегралом
Лебега. Как уже отмечалось в п. 40, в этом случае понятие предела
по Муру не дает ничего нового.
48. Пусть система Ж3 состоит из всех измеримых по Борелю
множеств числовой прямой. Если F (х) имеет ограниченную вариа-
вариацию, то, как известно, (VF) (E) может быть определена для каж-
каждого Е из Ж3. По аналогии с п. 44 определим
(Щ J / (х) dF (х) = EЮ.) J / (х) (VF) (dF).
Для измеримых в смысле Бореля функций это определение интег-
интеграла Стилтьеса совпадает с данным Лебегом (см. [1]).
49. Назовем Э?-систему Z-системой («разложимой системой»),
если для любых двух множеств Ег (Z Е можно найти разбиение
DE такое, что Е1 является его (первым) элементом и все элементы
принадлежат системе множеств Щ.
Примерами Z-систем служат системы ШЕ (п. 7) и Ш)? (п. 13).
Таким образом, определение интеграла зависит только от значений
интегрируемой функции в некоторой Z-системе. В соответствии с
этим нас должны прежде всего интересовать те случаи, в которых
системы множеств Ж, по отношению к которым производится ин-
интегрирование, сами представляют собой Z-системы. Этому условию
удовлетворяют рассмотренные выше системы 50?1? Ж2, 5Э?3. Если же
вместо 50?! взять состоящую из одних интервалов систему W, не
являющуюся Z-системой, в качестве основы для построения теории
интегрирования, то формально такую теорию можно безупречно
развивать. Однако она оказалась бы несодержательной, ибо интер-
интервал нельзя разбить на меньшие непересекающиеся интервалы, так
что интеграл любой функции интервала совпал бы всегда с самой
этой функцией.
Для Z-системы система ZE по определению совпадает с совокуп-
совокупностью всех подмножеств множества Е, принадлежащих данной
Z-системе.
50. Если система G)?' содержится в другой системе Ж, то из су-
существования интегралов
f(dE),
вообще говоря, не следует их равенство. В этом можно убедиться на
простых примерах. Пусть Ж' состоит из одного единственного мно-
множества Е Ф ф и Ж из множеств Е, Еи Е2 с Е = Ех + Е2, ЕхЕг =
122
16. Исследование понятия интеграла
16. Исследование понятия интеграла
123
= ф. Положим / (Е) = О, / (Е,) = 1, / (Et) = 1, тогда
Однако формула
может быть доказана в следующем частном случае:
Если ф (Е) неотрицательна и аддитивна на Ш, то для любой под
системы ЭК' системы ЭК соотношение
(ЭК') J / (
= (ЭК)
E
A
вытекает из существования обоих интегралов. ;
Согласно п. 40 в ЭК' для каждого е ^> 0 существует разбиение DE,
удовлетворяющее неравенству (9) из п. 40, где под / следует понимат
интеграл в левой части A). Поскольку DE можно рассматривать так^
же как разбиение в Ж, то из формулы (8) того же п. 40 следует, что
стоящий в правой части интеграл тоже не может отклоняться от /
больше, чем на е. Так как е произвольно, то отсюда получаем наше
утверждение.
51. Согласно A0) из п. 41 формула A) остается в силе также для
интегралов типа Стилтъеса, если те могут быть определены с по-
помощью указанной формулы A0), т. е. если ф (G) на ЭК2? имеет огра-
ограниченную вариацию.
Для общего же случая интегралов типа Стилтьеса только-что
обсужденный вопрос остается неразрешенным.
Глава III
ВТОРАЯ ТЕОРИЯ ИНТЕГРИРОВАНИЯ
(КОНЕЧНЫЕ РАЗБИЕНИЯ)
§ 1
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
1. Теория интегрирования главы II основывалась на системати-
систематическом рассмотрении разбиений DE множества Е на конечное или
счетное число подмножеств. В данной главе мы хотим исследовать
те изменения, которые претерпит теория в случае, когда допуска-
допускаются лишь конечные разбиения (т. е. разбиения от Е на конечное
число подмножеств).
Что касается возникающего на этом пути определения интегра-
интеграла, то можно было думать, что оно более узко, чем наше прежнее
определение. Однако это неверно: имеются важные случаи, в кото-
которых определенный с помощью конечных разбиений интеграл суще-
существует, в то время как мы имеем дело со случаем неинтегрируемости,
когда в основу кладутся бесконечные разбиения. Более того, точка
зрения, которой мы сейчас придерживаемся, непосредственно при-
примыкает к классической теории Коши и Римана и дает большие воз-
возможности для полноты и прозрачности всего построения.
В случае конечных разбиений мы сохраняем те же обозначения,
которые служили в аналогичных целях для бесконечных разбиений.
Когда встречаются параллельно понятия из обеих теорий, то отно-
относящиеся к бесконечным разбиениям (т. е. к теории главы II) отме-
отмечаются звездой.
2. Все определения § 1 из главы II остаются в силе и при на-
настоящих предположениях, понятие суммы, естественно, вводится
только для конечных разбиений. Ясно, что система ШЕ сейчас не
совпадает, вообще говоря, с соответствующей системой ЭКЕ* при
тех же ЭК и Е, а вполне может представлять собой более узкую си-
систему. В предположении конечных разбиений предел I [/ (DE)] мо-
может не совпадать с аналогичным выражением I [/ (D*E)] даже тог-
тогда, когда исходная система ЭК одна и та же для обоих переходов
к пределу.
3. Суммы Римана (гл. II, п. 11) сейчас существуют для любого
разбиения, если только функция, подлежащая интегрированию,
конечна, в то время как в гл. II отсутствие абсолютной сходимо-
сходимости соответствующих рядов приведет неизбежно к неприятностям.
Само определение интеграла — по формулировке — естествен-
естественно остается неизменным.
Свойства I—VI, за исключением свойства II, остаются также
справедливыми, если брать за основу конечные разбиения. Что
касается свойства II, то имеет место конечная аддитивность, т. е.
формула A) (см. гл. II, п. 14) выполнена только для конечных раз-
разбиений. При этом из существования интегралов в правой части этой
формулы следует существование интеграла в левой.
4. Определение дифференциальной эквивалентности и связан-
связанные с ней результаты также остаются неизменными, однако с той
естественной оговоркой, что все встречающиеся разбиения конечны
и под аддитивностью соответствующих функций понимается их
конечная аддитивность.
5. Введение бесконечных значений интеграла происходит, как
в j 4, причем необходимость расширения понятия абсолютной схо-
сходимости отпадает; вместо этого договоримся о том, что сумма про-
произвольного конечного числа бесконечных слагаемых одного знака
равняется бесконечности (того же знака) и что этот результат не
изменяется при добавлении еще конечного числа конечных сла-
слагаемых.
124
16. Исследование понятия интеграла
16. Исследование понятия интеграла
125
§ 2
РАЗЛОЖИМЫЕ СИСТЕМЫ
6. По аналогии с п. 49 из гл. II скажем, что Ж-система является
Z-системой, если для любого Е из 3)? и каждого его подмножества
Ех из SOJ существует разбиение DE, первый элемент которого —
множество Еи а остальные (их сейчас только конечное число) при-;
надлежат $51. Очевидно, что Z-система в указанном выше смысле
является непременно 2*-системой. Эти последние ниже рассматри-
рассматриваются под названием ^-систем в расширенном смысле.
7. Пусть Ех, Ег, . . ., Еп — множества из Z с
если
п+р
Тогда существует разбиение DE = 2j Ет, первые п элементов кото-
ТП=1
рого совпадают с заданными Ет.
По определению в Z существуют разбиения
5=1
с Ет в качестве первого элемента. Разбиение
=% Em+
m=l
Ып)
• • • Д«п
удовлетворяет требованиям нашего предложения.
8. Как в случае ?*-системы, ZE совпадает с совокупностью всех
подмножеств из Е, принадлежащих Z. Отсюда вытекает, что ZE =
= Z*E, последнее утверждение уже необязательно выполняется для
общей ЯК-системы. Для примера рассмотрим Ж*-систему, состоящую
из ? и счетного числа элементов некоторого бесконечного разбиения
BE. В этих условиях ШЕ состоит из одного множества Е, а Ш*Е из
Е и всех Еп.
9. Далее, пусть KZ — наименьшее тело множеств, содержащее
систему множеств Z. Мы хотим доказать, что KZ является совокуп-
совокупностью множеств, допускающих конечное разбиение на элементы
из Z. Для доказательства обозначим через aZ систему всех множеств,
удовлетворяющих указанному последнему свойству. Система со-
содержится, очевидно, в KZ, остается показать, что aZ сама является
телом. Пусть
m=l <7=1
— два множества из aZ, представленные в виде сумм попарно не-
непересекающихся множеств из Z. Так как множества EmEq принад-
лежат Z, то согласно п. 7 в Z имеются разбиения вида
t
5=1
Очевидно, что
т q
принадлежат aZ, поскольку правые части этих равенств представ-
представляют собой разбиения на попарно не пересекающиеся множества
из Z. Отсюда вытекает, что aZ является телом и, следовательно, сов-
совпадает с KZ.
10. Аддитивная на Z функция f (E) всегда и притом единствен-
единственным образом продолжима на область KZ с сохранением ее свойства
аддитивности.
Ясно, что (в предположении, что такое продолжение возможно)
для каждого разбиения множества Е из KZ на множества из Z мы
должны иметь
/ (Е) = (Rf) (DE).
A)
На основании аддитивности / на Z мы, далее, имеем для любых раз-
разбиений DE и D'E соотношение
(Rf) (DE) = (Rf) {[DD'\ E} = (Rf) (D'E),
которое показывает, что данное формулой A) определение / (Е), где
Е — произвольный элемент из KZ, не зависит от выбора разбиения
DE. Продолженная на всю область KZ функция / (Е) является
аддитивной.
11. Для Е из KZ положим
= ^ (Z) J f(dEm),
Е
пг=1
причем DE = 1>Ет — разбиение Е в Z.
Согласно только что доказанному это определение от выбора
разбиения не зависит. Определенный таким образом интеграл обла-
обладает свойствами I—VI.
12. В качестве примеров Z-систем приведем следующие: уже оп-
определенную в гл. II (п. 44) систему 50?x, состоящую из открытых ин-
интервалов и одноточечных множеств числовой прямой; систему Ж4
всех «полуоткрытых» интервалов [а, Ь) (этой системой мы пользова-
пользовались в гл. II, п. 31); систему 50?5 всех интервалов вида (a, b), [a, b),
126
16. Исследование понятия интеграла
(а, Ъ], [а, Ь], причем к замкнутым интервалам [а, Ъ] отнесены также
отдельные точки.
Очевидно, что, кроме того, каждое тело, в частности системы Ж2
и 50?з из гл. II (п. 47 и 48), является Z-системой. Z-системы образуют
естественную основу для построения теории интегрирования.
§3
О ВЗАИМОСВЯЗИ ДВУХ МЕТОДОВ ИНТЕГРИРОВАНИЯ
13. Ограничимся рассмотрением интегралов
(Z)lf(dE) и (Z)]*f(dE), A)
Е Е
взятых относительно Z-систем. Как упоминалось уже в п. 8, в этом
случае ZE и ZE* совпадают. В общем случае 9RE и 59? Е* могут
•быть различными и одно это обстоятельство затрудняет в значитель-
значительной степени построение более или менее простой теории.
14. Прежде всего покажем на примере, что интегралы A) на са-
самом деле могут быть различными. Для этой цели вспомним состоя-
состоящую из интервалов и отдельных точек систему множеств ^И±, которая
•согласно п. 12 являетсяZ-системой, и определим/(/?), полагая/ (Е) =
= 1 для каждого интервала вида Е = @, а) и / (Е) = 0 для осталь-
остальных элементов 50?1. Очевидно, что / (Е) аддитивна (т. е. конечно
аддитивна), однако только полуаддитивна вверх в смысле бесконеч-
бесконечных разбиений. Легко видеть, что для единичного интервала Д =
= @, 1) имеем
так что оба определения интеграла дают вполне определенные, но
•отличные друг от друга значения.'
15. Следуя Фреше, назовем заданную на Z функцию множества
непрерывной по системе Z, если для каждой последовательности убы-
убывающих множеств Еп с пустым пересечением / (Еп) сходится к ну-
нулю при возрастающем п. Легко убедиться, что построенная в п. 14
функция не является непрерывной.
16. Для непрерывной на теле множеств К функции f (E) имеет
место
Е
причем из существования левой части следует существование правой.
Предположим, что левый интеграл / существует и конечен. Тог-
п
да для любого 8 ^> О существует конечное разбиение DE = 2 Ет
16. Исследование понятия интеграла
12?
такое, что для каждого его продолжения D'E^> DE
| (Rf) (D'E)-I\< e.
Рассмотрим теперь произвольное бесконечное продолжение
D*E = 2 Я?
для DE и докажем, что ряд
является абсолютно сходящимся. Последовательность множеств;
г=1
(члены которой, очевидно, принадлежат К) удовлетворяет условию-
непрерывности из п. 15, так что lira / (Gmk) = 0. Следовательно,,
мы можем взять к0 настолько большим, что для всех т ^ п
f (Gmk) < в/п, ft > к0. D)
Конечное разбиение
г=1
m=l
является продолжением DE, таким образом, для него справедливо
неравенство B). Принимая во внимание D), из B) следует, что для«
достаточно больших к выполнено неравенство
Но тогда ряд C) должен абсолютно сходиться, в противном слу-
случае можно было бы перенумеровать Ей таким образом, чтобы не-
неравенство E) было нарушено, каким бы большим ни было к.
Этим доказано, что сумма Римана (Rf) (D*E) существует и со-
согласно E) удовлетворяет неравенству
| (Rf) (D*E)-I |< 2e. F>
Поскольку для конечных разбиений имеет место более сильное-
неравенство B), то F) справедливо для всех продолжений DE, что»
(в силу произвольности е) дает требуемую формулу
m=l
428
16. Исследование понятия интеграла
Аналогично можно справиться со случаем бесконечных значений
интеграла.
17. Если интегрирование ведется в Z-системе, не являющейся
телом, то только что доказанное предложение теряет силу. Чтобы
в этом убедиться, рассмотрим следующий пример.'Элементом систе-
системы множеств 3J?6 считается множество всех иррациональных точек,
лежащих внутри квадрата числовой плоскости с рациональными вер-
вершинами (для краткости всякое такое множество назовем также квад-
квадратом). Здесь под рациональной (соответственно иррациональной)
точкой понимается точка, обе координаты которой являются рацио-
рациональными (соответственно иррациональными). Для квадратов Е,
примыкающих справа к оси у, положим f(E) равным длине стороны
данного квадрата, для остальных квадратов положим / (Е) — 0. Как
нетрудно видеть, для единичного квадрата Е1 имеем
(Щ J / (dEj) = 1, (Щ I* f (dEx) = 0,
хотя / (Е) непрерывна на Ж6 и 3)?в является Z-системой.
18. Укажем еще пример непрерывной на Z-системе функции, ин-
интегрируемой в смысле конечных разбиений, но неинтегрируемой в
смысле бесконечных разбиений. Для этого рассмотрим на системе
Шг вариацию (VF) (Е) непрерывной функции точки F (х) (ср. гл.
II, п. 46). Как известно, (VF) непрерывна на Шг в смысле определе-
определения из п. 15, а 50?! является Z-системой. Тем не менее в силу адди-
аддитивности (VF) имеем
в то время как
существует только тогда, когда F (х) имеет на Е ограниченную ва-
вариацию.
19. Определенная на Z функция / (Е) называется вполне непре-
непрерывной, если для каждой последовательности множеств
из KZ с пустым пересечением и каждой последовательности разбие-
разбиений
D&, DtEt, . . ., DnEn, . . .
множеств Еп на множества из Z суммы (Rf) (DnEn) становятся
бесконечно малыми при возрастающем п (само собой разумеется,
что эти разбиения предполагаются конечными).
16. Исследование понятия интеграла
129
Очевидно (п. 15), что вполне непрерывная функция является не-
непрерывной в смысле Фреше 7.
20. Для вполне непрерывной на Z функции f (E) справедливо
(Z)\f(dE) = (Z)\* f(dE),
E E
A)
причем из существования одного из этих интегралов вытекает суще-
существование другого.
Предположим сначала, что существует первый из этих интегралов
и пусть он равен конечному числу /. Тогда для любого е ~^> 0 мож-
п
но найти разбиение DE = 2j Em, для каждого конечного продол-
m=l
жения D'E ^> DE которого имеет место
\(Rf)(D'E)-I \<г. B)
Пусть D*E = S Ё% — бесконечное продолжение для DE. Для по-
следовательности множеств
i=k
члены которой принадлежат KZ, в силу полной непрерывности /
при любом выборе разбиений DnGn имеем
(Rf) (Dn Gn) -> 0.
Выберем к настолько большим, что для произвольного DGk выпол-
выполнено
| (Rf) (DGk) | < е. C)
В силу п. 7 существует разбиение для Е на множества из Z вида
к-г In pk
DkE=^E*+ 2 2ВД*.
i=l m=l g=l
очевидно при этом, что
m=l g=l
= GA.. Разбиение
^fcg
7 Для аддитивных функций оба понятия совпадают, поэтому в прежних
теориях наше новое понятие было ненужным. Однако в общем случае как раз
полная непрерывность представляет собой естественное обобщение на неадди-
неаддитивные функции понятия непрерывности для аддитивных функций.
5 А. Н. Колмогоров
130
16. Исследование понятия интеграла
является продолжением DE, следовательно, для него справедливо
неравенство B). С другой стороны, согласно C) имеем
I S S / (EnEkq) | = | (Rf) (D'hGk) | < е,
что вместе с B) дает
D)
E)
Как и в п. 16, отсюда заключаем, что ряд
абсолютно сходится и имеет место
| (Rf) (D*E)-I | < 2е.
Так как это неравенство верно для произвольного бесконечного про-
продолжения разбиенияZ72?, а для конечных продолжений справедливо
даже B), то получим (как в п. 16) равенство
f(dE) = I. F)
~Е
В случае бесконечного / доказательство проводится в полной ана-
аналогии.
Допустим сейчас, что /* существует и конечен. Тогда для каждо-
каждого е ^> О найдется такое разбиение D*E, что для любого его продол-
продолжения D*E выполнено неравенство
| (Rf) (DtE) - /* | < е. G)
Мы хотим построить с помощью D*E некоторое конечное раз-
разбиение DE, удовлетворяющее при любом DXE ~^> DE неравенству
| (Rf) (D,E) - /* | < Зе. (8)
Если D*E — подлинно бесконечное разбиение, т. е.
D*E = S Et,
то можно найти такое к, что (сохраняя наши прежние обозначения)
имеет место неравенство C), и кроме того,
(9)
Последнего свойства, кстати, можно добиться за счет абсолютной
сходимости ряда (Rf) (D*E), которая в формуле G) предполагается.
16. Исследование понятия интеграла
131
Сейчас положим
i п
^D^E^^i E*+ 2Etq.
г=1 9=1
Пусть DXE — конечное продолжение DE. Разбиение
i=l i=k
является продолжением для D*E, так что выполнено условие G).
С другой стороны, согласно C) и (9) имеем
| (Rf) (DXE) - (Rf) (DtE) | < | S / (E*q) \ + | S / (Ei) \ < 2e,
9=1
i=k
что вместе с G) показывает справедливость формулы (8) для беско-
бесконечного D*E. ЕслиД*? конечно, то положим DE = D*E и (8) тог-
тогда непосредственно следует из G). Наконец, в силу произвольности
s получим
= {Z)lf(dE)=I*.
Аналогичные рассуждения приведут к цели и в случае бесконечного
/*, чем полностью заканчивается доказательство.
§4
ПРИМЕРЫ
21. По аналогии с § 8 при исследовании понятия интеграла из
гл. II рассмотрим интеграл в нашем новом смысле для конкретных
5В?-систем. В первую очередь обратимся к определенной в гл. II
(п. 45) системе 50?х, состоящей из интервалов и отдельных точек ве-
вещественной числовой прямой.
Как там, обозначим через I (А) длину интервала А. Тогда для
получим определение, совпадающее с интегралом по Коши
lf{x)dx.
д
22. Если рассмотреть непрерывные функции х = ф (t), у =
= г|) (t) как параметрическое представление некоторой непрерыв-
непрерывной кривой и через s (А) обозначить расстояние («длину хорды»)
между точками кривой, соответствующими концам интервала А,
то длина заданной этими точками дуги кривой определяется
132
16. Исследование понятия интеграла
16. Исследование понятия интеграла
133
интегралом
23. Используя те же обозначения, что и в гл. II (п. 46), определим
как там,
(Щ J / (х) dF (х) = (Шх) J / (х) (VF) (dA).
A)
Это определение совпадает с определением интеграла Стилтьеса,
данным Смитом. Интеграл A) существует (как в случае гл. II), когда
F (х) и / (х) имеют ограниченную вариацию. В отличие от ситуа-
ситуации гл. II A) существует даже тогда, когда от F (х) требуется не-
непрерывность, а от / (х) по-прежнему ограниченность вариации. Это
как раз тот важный случай, когда наше определение шире определе-
определения из гл. И.
24. Интеграл
аналогичен исследованному в гл. II (п. 47), он существует только для
ограниченных функций и в этом случае совпадает с интегралом Ле-
Лебега.
Добавление I.
ИНТЕГРАЛ КАК МНОГОЗНАЧНАЯ ФУНКЦИЯ
1. До сих пор мы при изложении хотя и пользовались системати-
систематически многозначными функциями под знаком предела (соответст-
(соответственно интеграла), но в предположении, что значение предела (соот-
(соответственно интеграла) определялось однозначно. Можно, однако,
сделать рассмотрения одновременно более общими и простыми, если
отказаться от однозначности и в последнем случае. Большое преи-
преимущество, получаемое при этом, состоит в том, что теперь каждая
дифференциально определенная функция интегрируема, в то время
как интегрируемые в прежнем смысле функции можно называть од-
однозначно интегрируемыми. При этом верхняя и нижняя грани (мно-
(многозначного) интеграла выступают в качестве верхнего и нижнего
интегралов. В этом добавлении дается краткий очерк такой теории
интегрирования. Мы при этом придерживаемся понятий из гл. II,
т. е. используем бесконечные разбиения. Изменения, которые потре-
потребует случай конечных разбиений, мы оставляем читателю.
2. Пусть задана одно- или многозначная функция / (DE) раз-
разбиений DE множества Е на подмножества из системы Ж, причем /
может принимать конечные или бесконечные значения. Под преде-
пределом f (DE) при неограниченном продолжении DE сейчас понимает-
понимается любое число
I = L[f (DE)]
со свойством, что для произвольно выбранного DE и е ^> О сущест-
существует разбиение D'E ^> DE с
inf | / (D'E) — I !< е.
При этом под знаком инфимума допускаются все значения, прини-
принимаемые / (при заданном D'E). Положим L [/ (DE)\ = +oo, если
для каждого DE и произвольного Н < +оо существует такое D'E ^>
^> DE, что sup / (D'E) ^> H. Аналогичное определение имеет место
для L [/ (DE)] = — оо.
3. Легко убедиться в том, что произвольно определенная на всех
DE функция / (DE) имеет по крайней мере один предел и что все
пределы для / (DE) образуют замкнутое множество. Поэтому и чис-
числа sup L [f (DE)] и inf L If (DE)] вполне определены, причем они
сами являются значениями L [/ (DE)].
Если
sup L [f (DE)] = inf L [f (DE)]
(т. е. если L If (DE)] однозначен), то имеем
L [f (DE)] = I If (DE)],
и получим понятие предела, указанного в гл. II (п. 8).
4. Данное в гл. II (п. 22) определение суммы ряда сейчас следует
дополнить. В случае неабсолютно сходящегося ряда допускается
всякое значение от —оо до +оо в качестве значения суммы ряда.
После этого символ (Rf)(DE) определяется дословно, как в гл. II
(п. 11), и понятие интеграла вводится с помощью формулы
5. Далее, положим
I f (dE) = sup I f (dE), \ f (dE) = inf J / (DE).
E
Если \ = \, то просто пишем \ = \ и получим тогда интеграл в
смысле гл. II.
6. Что касается сформулированных в гл. II (п. 14) свойств ин-
интеграла, то сейчас они имеют место со следующими изменениями.
Свойство I теряет свое значение, ибо теперь каждая дифферен-
дифференциально определенная функция интегрируема. Из однозначности и
конечности интеграла вытекает его однозначность на любом мно-
множестве из 'Я&Е.
134
16. Исследование понятия интеграла
Свойство II остается справедливым, если учесть данное в гл. II
(п. 11) правило сложения многозначных функций.
Свойство III теряется, в то время как IV, V, VI, VII остаются
верными.
7. Что касается верхнего и нижнего интегралов, то на подробном
рассмотрении их свойств мы здесь не останавливаемся. Отметим
лишь, что при любом разбиении DE имеют место соотношения
[ f (dE) = sup 2 J / (dEn), I f (dE) = inf 2 I f (dEn).
E
Если соответствующие ряды сходятся абсолютно, то знаки sup
и inf можно опустить. Если же абсолютная сходимость не имеет
места, то интегралы в левых частях равны положительной (соответ-
(соответственно отрицательной) бесконечности. Таким образом, конечный
верхний или нижний интеграл обязательно является аддитивной
функцией множества.
Добавление П.
К ОБОСНОВАНИЮ ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЯ
В АБСТРАКТНЫХ МНОЖЕСТВАХ
1. Мы здесь хотим показать, что определение производной одной
аддитивной функции множества по отношению к другой можно
ввести независимо от всяких геометрических свойств соответствую-
соответствующих областей их задания. Так как мы не собираемся развивать об-
общую теорию, то для ясности изложения сделаем предварительно
несколько ограничительных предположений.
Пусть F — аддитивная система множеств, ф (Е) — определен-
определенная там конечная неотрицательная и аддитивная функция и f (х) —
измеримая относительно F функция точки (ср. гл. II, п. 42), не пре-
превышающая по абсолютной величине некоторой константы, скажем 1.
Тогда для каждого Е из F существует интеграл
A)
Е
причем, как легко видеть,
|4(?)|<Ф (Е). B)
Измеримая относительно F функция / (х) называется производ-
производной от г|э по отношению к ф,
/(*)=* №/<р (dE),
если она удовлетворяет A) при всех Е из F.
2. Сперва докажем, что (если пренебречь множествами Е
с ф (Е) = 0) проивводная единственна. Другими словами, если
16. Исследование понятия интеграла
135
/х (х) и /2 (х) обе удовлетворяют A) и G обозначает то множество, где
/i (х) ^ /2 (x)i т0 ф {G) = 0. Действительно, имеем
для всех Е из F и согласно п. 19 из гл. II также
Отсюда легко следует, что при каждом е ^> 0 множество Ge, где
I /i — /2I ]> е> удовлетворяет условию ф (Gs) = 0. Следовательно,
имеем также ф (G) = 0, что и требовалось доказать.
3. Докажем теперь, что
f(x)=y (dE)/q> (dE)
существует, как только i|) (E) аддитивна и выполнено неравенство
B). Для этого мы укажем способ ее построения, который между про-
прочим может служить для определения производной в более общих
ситуациях.
Функция / (х) будет построена для конкретного множества Е,
однако построение легко распространяется на все остальные мно-
множества из F. Построим сначала функцию / (DE, х), зависящую от
точки х и от разбиения DE = ^Еп. Для этого положим
п
f (DE, х)=у СЕ„)/ф (Еп), х е Еп,
причем если ф (Еп) = 0, то / (DE, х) = 0. Для любого е ^> 0 най-
найдется разбиение DE такое, что для каждого его продолжения D'E
выполняется неравенство
I = j [/ (DE, x) - f (D'E, x)f Ф (dE) < e. C)
E
Действительно, пусть
Тогда имеем
136
17. Об определении среднего
Функция г|э2 (G)/(p (G) на Е интегрируема, ибо в силу B) она сов-
совпадает с функцией г|J (G)/max [ф (G), г|э (G)], которая удовлетворяет
условиям предложения из гл. II (п. 36). Поэтому разность в конце
выражения D) может быть сделана меньше е за счет подходящего
выбора DE, что и доказывает наше утверждение.
Так же как в обычной теории сходимости в среднем, легко уста-
установить, что из C) вытекает существование функции / (х), для кото-
которой имеет место
Ё
(предел понимается, как и выше, в смысле предела по Муру для
функции разбиения DE). Эта функция / (ж) удовлетворяет требова-
требованиям приведенного в п. 1 формального определения производной.
6 февраля^ 930_ г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lebesgue H. Lefons sur l'integration et la recherche des fonctions primitives.
2ed. Paris, 1928. Рус. пер.: Лебег А. Интегрирование и отыскание примитив-
примитивных функций. М.; Л.: ГТТИ, 1934.
2. Frechet M. Sur l'integrale d'une fonctionnelle etendue a un ensemble abstrait.—
Bull. Soc. math. France, 1915, vol. 43, p. 248.
3. Burkill J.S. The derivatives of functions of intervals.— Fund, math., 1924,
vol. 5, p. 321.
4. Moore E. H., Smith H. L. A general theory of limity.— Amer. J. Math., 1922,
vol. 44, p. 102; ср. также: Шатуновский С. О. Введение в анализ. Одесса,
1923.
5. Smith H. L. On the extension of Stieltjes integral.— Trans. Amer. Math.
Soc, 1925, vol. 27, p. 491—515.
6. Hellinger E. Neue Begrandung der Theorie quadratischer Formen von unend-
lichvielen Veranderlichen.— J. reine und angew. Math., 1909, Bd. 136, S. 234.
17
ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ СРЕДНЕГО*
Все, известные типы средних, такие, как, например, средние
арифметическое, квадратическое, геометрическое, гармоническое
и т.п., имеют вид
M {хг, x2,...ixn)='
Ф
ф
ф
A)
где ф — непрерывная строго монотонная функция, a тр — обрат-
обратная к ней.
* Sur la notion de la moyenne.— Atti Accad. naz. Lincei. Rend., 1930,
vol. 12, N 9, p. 383—391. Представлено Г. Каотельнуово. Перевод В. М. Тихо-
Тихомирова.
17. Об определении среднего
137
В этой заметке будет показано, что каждый тип среднего, если
только он удовлетворяет нескольким естественным условиям {аксио-
{аксиомам среднего), необходимо имеет вид A).
Далее будем предполагать, что функция Мп {хх, х2, . . ., хп)
или просто М {хг, . . ., хп) определена для любого и>1 и любых
значений жх, х2, . . ., хп, лежащих в интервале a <J x <^ Ъ.
Полученный далее результат распространяется также и на сред-
средние, определенные на бесконечном интервале — оо <^ х <С оо,
a <J ж < оо, — оо<^ж<^6 (к таковым относятся средние арифме-
арифметические и геометрические). Доказательство в этих случаях должно
быть лишь слегка изменено.
Последовательность функций Мп определяет регулярный тип
среднего, если удовлетворяются следующие условия:
I. M {xi, хг, . . . , хп) непрерывна и монотонна по каждому
переменному. Для определенности будем считать, что М возрас-
возрастает по каждому переменному.
П. М {хх, х2, . . ., хп) — симметрическая функция.
III. Среднее от одинаковых чисел равно их общему значению:
М {х, х, . . ., х) = х.
IV. Можно заменить некоторую группу значений их собствен-
собственным средним, не меняя общего среднего:
М (хи . . «, хт, уу, . . ., уп) = Мп+т {х, . . ., х, уи . . ., уп).
где х = М {хи . . ., хп).
Теорема. При выполнении условий I—IV среднее М (хи
х2, . . ., хп) имеет вид A), где ф — непрерывная возрастающая функ-
функция, а г|) — обратная к ней.
Доказательство. Пусть М {тх, пу) — среднее т оди-
одинаковых значений х и п одинаковых значений у:
М {тх, пу) = М (жц . . ., хт, уи . . ., уп), B)
Хх = Жа = . . . = Хт = X, yt = у2 = . . . = уп = у.
Тогда в силу IV и III
М {ртх, рпу) = М {рМ {тх, пу)) = М {тх, пу).
Значит, если тп = пт', то
М {тх, пу) — М {тп'х, пп'у) = М {пт'х, пп'у) = М {т'х, п'у).
C)
Можно теперь определить для каждого рационального z, 0 ^ z =
= p/q <; 1, функцию г|) (z) следующим образом:
i|> (z) = М {рЪ, {q - p) а). D)
Это определение корректно, поскольку для двух разных пред-
представлений z = p/q = p'/q' числа z имеет место очевидное равенство
Р (<?' — р') — {Я — Р) р' И7 значит, в силу C) имеется единственное
значениег|) (z). Функция^ (z), как функция рациональныхz, являет-
138
17. Об определении среднего
ся возрастающей. Действительно, пусть z' ^> z. Представим z'
и z как дроби с одинаковым знаменателем z'= p'/q, z = p/q, p' ^> p,
и тогда получим в силу свойства монотонности I неравенство
\р (г') = М (p'b, (q - р') а) > М (pb, (q-p)a)=y (z).
В итоге получилось, что можно однозначно определить обратную
функцию ф (х), определенную для всех значений х, где z рациональ-
рационально и при этом ф будет возрастающей непрерывной функцией.
Теперь можно без труда вычислить среднее М (хи х2, . . ., хп)
для значений xt = i|) (zt), где zt рациональны. Для этого представим
zt как дроби с одинаковым знаменателем: zt = Ptlq, тогда
xt = М (ptb, (q — р^ a) и
M (xv x2,...,xn) = M (qxv qx2,..., qxn) = M ((pi + ...
... +pn)b, (nq — px— рг — ...— pn)a) =
Pi
~T~ P
Z2 -j-
ф
- Ф (*„)
E)
Таким образом, формула A) оказалась доказанной для тех спе-
специальных значений переменных, о которых говорилось выше.
Докажем теперь, что функция г|э непрерывна для каждого зна-
значения 0 s^ у ^ 1, рационального или иррационального. Предпо-
Предположив противоположное, найдем точку у, не являющуюся точкой
непрерывности г|). Если допустить, что у^0шуф1,т:о тогда зна-
значения пределов г|) (у — 0) = и и г|) (у + 0) = v различны и, значит,
и <^ v. Имеем для двух рациональных чисел zx и z2 (согласно E))
Если теперь заставить zx и z2 сходиться к у так, что первая точка
стремится к у слева, а вторая справа, то получится, очевидно,
lim $ ( ^-y^1-) = М (и, v) > в.
Однако можно сделать так, чтобы (z: + z2)/2 всегда было слева от у.
Тогда limг|) (-—д—- )== и. Противоречие показывает, что допущение
о том, что у не является точкой непрерывности, ложно. Аналогичное
заключение можно сделать и для точек у = 1 и у = 0.
Мы видим, таким образом, что значения х = г|) (z), соответствую-
соответствующие рациональным z, образуют плотное множество в интервале
между а = г|) @) и & = ар A). Следовательно, можно определить
функции \\i (z) и ф (ж) по непрерывности для всех точек интервалов
0^г^1иа«^х^6 соответственно. Таким образом, формула E)
остается верной по непрерывности для всех значений х, a <! х <; Ь,
что и доказывает теорему.
3 октября 1930 г.
18. О компактности множеств функций при сходимости в среднем 139
18
О КОМПАКТНОСТИ МНОЖЕСТВ ФУНКЦИЙ
ПРИ СХОДИМОСТИ В СРЕДНЕМ*
Пусть G есть множество, функций / (х), определенных во всех
точках х некоторого ограниченного множества F в re-мерном евкли-
евклидовом пространстве Rn и интегрируемых в р-й степени (р ^> 1):
jl/(i)|"da<oc.
F
Говорят, что последовательно {fm (х)} сходится в среднем к / (x)v
если
A)
lim Ufm(x)-f(x)\*>do = 0.
m»oo
Множество G называется компактным, если всякая последователь-
последовательность {fm (x)} функций из G содержит подпоследовательность
{/т (х)}, сходящуюся в среднем. В этой работе мы дадим необходи-
необходимое и достаточное условие компактности G.
Если положить
то A) можно записать в форме
Ит р (/т, /) = 0, то-»- оо.
Совокупность всех функций, интегрируемых в р-й степени с «рас-
«расстоянием» B), образует, как известно, полное метрическое про-
пространство.
В дальнейшем всегда предполагается, что / (х) = 0 во всех
точках из Rn, не принадлежащих F. Положим
/e(z)=y^y jj f(y)dG>
Six, e)
где S (х, г) обозначает шар с центром х радиуса е и V (г) — его
объем. Как легко видеть, всегда
Р (/в, &) < Р (/, g). C)
Докажем, что для любой функции
lim р (/е, /) = 0, е -> 0.
* Ueber Kompaktheit der Funktionenmengen bei der Konvergenz im Mittel.—
Nachr. Ges. Wiss. Gottingen, 1931, Bd. 9, S. 60—63. Представлено Р. Курантом.
Перевод С. В. Стечкина.
140 18. О компактности множеств функций при сходимости в среднем
Действительно, как известно, для любого б ^> 0 существует функция
и (х), равномерно непрерывная на всем пространстве Rn и обладаю-
обладающая свойством
Р {и, /) < б.
Для равномерно непрерывной функции, очевидно, имеем
Нш р (ие, и) — 0, е ->- 0
и так как в силу C)
Р ("е, U) < Р К /) < б,
то, следовательно,
Йт р (Д, /) < 26, е -* 0.
В силу произвольности б ^> 0 это доказывает утверждение.
Теорема. Для компактности G необходимо и достаточно^
чтобы выполнялись следующие два условия.
I. Существует постоянная К, что для всех функций из G
[
П. Для любого б ^> 0 существует г ^> 0, что для всех функций
из G
f | /е (а:) — / (х) I" d<r < 6».
F
Доказательство того, что условия необ-
необходимы. Пусть не выполняется условие I; тогда существует
последовательность {/т} функций из G, для которой расстояния
стремятся к -f- оо, а значит, и расстояния
Р (Л», /) > Р (Л», 0) - р @, /)
от любой другой точки / неограниченно, возрастают с ростом т.
Но тогда последовательность {/т}, а значит, и G некомпактны.
Допустим теперь, что не выполняется условие II; тогда найдутся
такое 6 ^> 0, такая последовательность
/l> fli • • ч /mi • • •
функций из G и такая последовательность гт ^> 0,
lim гт = 0,
т
оо,
1 В данном виде условие II сформулировано по предложению проф. Ку-
ранта.
18. О компактности множеств функций при сходимости в среднем 141
что для любого т
Очевидно, имеем
б < Р (/жет, U < р (fmem, fej + p &„, /) + Р (/, /т) <
V26.
D)
Так как
lim р (/Em, /) = О,
то в силу D)
lim p (/,„, /
Следовательно, последовательность {fm} и само множество G неком-
некомпактны.
Доказательство того, что условия доста-
достаточны. Обозначим через GE множество функций /е (х), которые
соответствуют функциям / (х) из G. Функции из Ge равномерно огра-
ограничены и равностепенно непрерывны. В самом деле, для любого
множества / объема V (/)
I f (х) da = J 1 • / (х) da < {J 1 • da}lfQ {$ | / (x) |* da}1/P <
j j
l/P+l/g = l. E)
Применяя неравенство E) к множеству J = S (х, г), получаем
что доказывает равномерную ограниченность функций /Е (ж). Точ-
Точно так же, полагая
J = {S (x', e)\S (х", г)} [j {S (х", г) \ S (х\ е)},
получаем неравенство
| U (х") - U (*') I =
{V (e
Так как V (J) равномерно стремится к нулю вместе с | х — х' |,
то доказана также равномерная непрерывность функций /Е (х).
Следовательно, G компактно в смысле равномерной сходимости
и тем более в смысле сходимости в среднем, так как если последова-
последовательность функций равномерно сходится, то она сходится также и
в среднем.
В силу условия II множества Gt аппроксимируют множество G
с произвольной точностью, т. е. если е достаточно мало, то G лежит
в объединении шаров S (Ge, p) сколь угодно малого радиуса р.
Отсюда непосредственно следует компактность G.
Гёттинген, 6 февраля 1931 г.
142
19. К толкованию интуиционистской логики
19
К ТОЛКОВАНИЮ
ИНТУИЦИОНИСТСКОЙ ЛОГИКИ *
На данную работу можно смотреть с двух совершенно различных
точек зрения.
1. Если не признавать интуиционистских теоретико-познава-
теоретико-познавательных предпосылок, то следует принимать во внимание лишь
первый параграф. Выводы этого параграфа могут быть суммированы
приблизительно следующим образом.
Наряду с теоретической логикой, систематизирующей схемы
доказательств теоретических истин, возможна систематизация схем
решений задач, например, геометрических задач на построение.
Принципу силлогизма будет здесь соответствовать, например, сле-
следующий принцип: если мы можем свести решение задачи Ъ к реше-
решению задачи а, а решение задачи с — к решению задачи Ъ, то и решение
задачи с мы можем свести к решению задачи а.
Введя соответствующую символику, можно дать формальные
исчислительные правила, позволяющие осуществить символистичес-
символистическое построение системы подобных схем решения задач. Таким обра-
образом, наряду с теоретической логикой возникает некоторое новое
исчисление задач. При этом нет нужды в каких-либо специальных
(например, интуиционистских) теоретико-познавательных предпо-
предпосылках.
Имеет место следующий замечательный факт: исчисление задач
по форме совпадает с брауэровой интуиционистской логикой, недавно
формализованной Рейтингом [1, 2].
2. Во втором параграфе при признании общих интуиционист-
интуиционистских предпосылок критически исследуется интуиционистская логи-
логика; при этом указывается, что она должна быть заменена исчислением
задач, поскольку ее объекты суть в действительности не теоретичес-
теоретические высказывания, а, напротив, задачи.
§ 1
Мы не определяем, что такое задача, а объясняем это на примерах.
Вот задачи:
1. Найти такие четыре целые числа х, у, z, n, для которых вы-
выполняются соотношения
хп + уп = zn, n > 2. A)
2. Доказать, что теорема Ферма неверна.
* Zur Deutung der intuitionistischen Logik.— Math. Ztsehr., 1932, Bd. 35,
S. 58—65. Перевод В. А. Успенского.
19. К толкованию интуиционистской логики
143
3. Через три заданные точки (х, у, z) провести окружность х.
4. Предположив, что один корень уравнения ах1 -f- Ъх -f- с =
— О дан, найти другой.
5. Предположив, что число я допускает рациональное выражение
я = т/п,
найти аналогичное выражение для числа е.
Отличие второй задачи от первой понятно и еще не составляет
предмет специфически интуиционистского утверждения2. Четвертая
и пятая суть примеры условных задач; при этом посылка в пятой
задаче невозможна и, следовательно, сама задача бессодержательна
или пуста. Доказательство бессодержательности задачи будет всег-
всегда в дальнейшем рассматриваться как ее решение.
Мы полагаем, что после этих примеров и разъяснений понятия
«задача» и «решение задачи» во всех случаях, которые встречаются
в конкретных областях математики, могут употребляться без недо-
недоразумений 3. В дальнейшем задачи будут обозначаться посредством
строчных латинских букв а, Ъ, с, . . .
Коль скоро а и Ъ — задачи, а /\Ъ означает задачу «решить обе
задачи а и Ь», а а \/ Ъ — задачу «решить по крайней мере одну из
задач а и 6». Далее, a Z) Ъ есть задача «предположив, что решение
задачи а дано, решить задачу Ъь или, что значит то же самое, «свести
решение задачи Ъ к решению задачи а».
Мы нигде не предполагали, что каждая задача разрешима. Пусть,
например, теорема Ферма верна; в таком случае решение первой
задачи было бы противоречивым. Соответственно этому \а озна-
означает задачу «предположив, что решение задачи а дано, получить
противоречие» *.
Согласно этим определениям, если а, Ъ, с, d суть задачи, каждая
формула р (а, Ь, с, . . .), составленная с помощью знаков Д, \/, ZD
и ~], также обозначает некоторую задачу. Если же а, Ь, с, . . . суть
только символы неопределенных задач, можно сказать, что р (а,
Ъ, с, . . .) представляет собой функцию заданных переменных а,
Ь, с, . . . В общем случае если х есть переменная (произвольного
сорта) и а (х) обозначает задачу, смысл которой зависит от значений
1 Чтобы быть совершенно точным, следует при формулировании этой задачи
указать дозволенные средства построения.
2 В противоположность этому высказывания «теорема Ферма неверна» и
«существуют четыре числа, удовлетворяющие соотношениям A)» с точки зрения
классической логики эквивалентны.
3 Главные понятия логики высказываний «высказывание» и «доказательство
высказывания» находятся не в лучшем положении.
* Отметим, что ~Па не следует понимать как задачу «доказать неразрешимость
задачи а». В общем случае, если рассматривать «неразрешимость а» как вполне
определенное понятие, мы получаем лишь, что из ~\а вытекает неразрешимость
а, но не обратное. Если бы, например, было доказано, что осуществление впол-
не-упорядочения континуума превосходит наши способности, еще нельзя было
бы утверждать, что из наличия такого вполне-упорядочения вытекает противо-
противоречие.
144
19. К толкованию интуиционистской логики
19. К толкованию интуиционистской логики
145
х, то (х) а (х) обозначает задачу «указать общий метод решения зада-
задачи а (х) при каждом отдельном значении х». Это следует понимать
так: решить задачу (х) а (х) значит быть в состоянии для каждого
заданного единичного значения х0 переменной х решить задачу а (х0)
посредством конечной последовательности заранее (до выбора этого
х0) известных шагов ъ.
Для функций р (а, Ъ, с, . . .) от неопределенных задач а, Ь,
с, ... в дальнейшем вместо ;
(а)(Ь)(с) . . . р (а, Ь, с, . . .)
пишем просто 6
1— р (а, Ь, с, . . .).
Следовательно, |—р (а, Ъ, с, . . .) обозначает задачу «указать общий
метод решения задачи р (а, Ь, с, . . .) при каждом отдельном выборе *
задач а, Ь, с, . . .».
Задачи вида \—р (а, Ь, с, . . .), где р выражено посредством знаков :
V' Л' ^ и 1> составляют предмет элементарного исчисления задач1.
Соответствующие функции р (а, Ь, с, . . .) суть элементарные
заданные функции.
То, что я решил задачу, является чисто субъективным фактом,
который сам по себе еще не представляет никакого общего интереса. ;
Логические и математические задачи обладают, однако, специаль-
специальным свойством общеобязательной значимости их решений: если я
решил логическую или математическую задачу, то я могу изложить
это решение общепонятным способом и оно с необходимостью будет ¦'<
признано правильным, хотя эта необходимость и носит идеальный,
в некоторой степени, характер, поскольку предполагает достаточное •
развитие слушателей 8. !
Цель исчисления задач состоит, собственно говоря, в том, чтобы ;
дать метод, позволяющий посредством механического применения %
нескольких простых исчислительных правил решать задачи вида
|—р (а, Ъ, с, . . . ), гдер (а, Ь, с, . . .) представляет собой элементар-
элементарную задачную функцию. Чтобы свести все к этим исчислительным
правилам, мы должны предположить, однако, что решения неко-
некоторых элементарных задач нам уже известны. Мы принимаем как
постулаты, что две следующие группы задач А и В уже решены, г
5 Как и ранее, мы надеемся, что в конкретных областях математики это
определение не может привести к недоразумениям.
6 Такое объяснение значения значка |— полностью отличается от предло-
предложенного Гейтингом, хотя и приводит к тем же самым правилам исчисления.
7 Это определение аналогично определению элементарного исчисления выс-
высказываний. Однако в исчислении высказываний логические функции, аналогич-
аналогичные функциям Д, V) 3, и ""], могут быть выражены через две из них. В исчис-
исчислении задач все четыре функции независимы.
8 Дословно то же справедливо и для доказательств теоретических высказы-
высказываний. Существенно, однако, что каждое доказанное высказывание является
верным; для задач подобное понятие верности отсутствует.
Дальнейшее изложение обращено только к такому читателю, кото-
который решил все эти задачи9:
2.1 I— a ID а Д а
2.11 [— а /\bZDb /\а
2.12 1- (а =) Ь) ID (а Д с ZD Ъ /\ с)
2.13 \- {а 3 6) Л Ф ID с) Z) (a ZD с)
2.14 Н Ъ ID (a Z) Ъ)
А 2.15 I- а Д (a ID Ъ) ID Ъ
3.1 \^aIDa\/ Ъ
3.11 \-a\J ЫзЪ\/ а
3.12 \- (a ID с) Д F ID с) ZD {а \/ Ъ ZD с)
4.1 hlO(Ob)
4.11 Ь (а => 6) Д (a ZD ~\Ь) Z) ~\а.
Итак, мы предполагаем, что при любом выборе задач а, Ъ, с
читатель может решить все стоящие здесь после знака |—задачи. Это
не представляет никаких трудностей. Например, в задаче 2.12t
предполагая, что решение Ъ уже сведено к решению а, следует свести
решение Ъ Д с к решению а Д с. Пусть решение а Д с дано; это
означает, что даны как решение а, так и решение с; из решения а
мы можем по предположению вывести решение Ъ, а так как решение с
уже является данным, мы получаем решения обеих задач Ъ и с,
а следовательно, и решение задачи Ъ /\с.
В этом рассуждении заключается общий метод решения задачи
{a Z) 6) ID {а Д с Z) Ъ Д с),
справедливый при любых а, Ъ, с. Таким образом, мы имеем право
рассматривать задачу
2.12. 1- (a Z) Ъ) ID (а Д с ID Ъ Д с)
(со знаком общности (—) как решенную.
Вторая группа задач, для которой мы постулировали наличие
решений,— группа В — содержит лишь три задачи 10. А именно мы
исходим из того, что мы всегда в состоянии (владеем общим методом)
решить для любых элементарных задачных функций р, q, r, s,. . .
следующие задачи:
I. Если \— р Д q решена, решить \— р.
II. Если |— р и (— р ID q решены, решить |— q.
III. Если \— р (а,Ъ, с, . . .) решена, решить f— p (q, r, s, . . .).
Теперь мы можем указать правила нашего исчисления задач.
9 В случае исчисления высказываний, если желать установить верность
следствий, следует сперва убедиться в верности аксиом. Относительно нумера-
нумерации формул ср. [1].
10 Их нельзя, однако, выразить символически посредством знаков элемен-
элементарного исчисления задач.
146
19, К толкованию интуиционистской логики
1. Сперва мы заносим в список решенных задач задачи группы А.
2. Если в нашем списке уже находится j—р /\ q, разрешается
поместить туда также и |— р.
3. Если там находятся обе формулы j— р и |— р ZD q, можно
поместить и (— q.
4. Если [— р (а, Ь, с, . . .) уже находится в списке и q, r, s, . . .
суть произвольные задачные функции, разрешается поместить туда
также и |— р (q, r, s, . . .).
На основании ранее принятых постулатов легко убедиться, что
это формальное исчисление действительно обеспечивает решение
соответствующих задач.
Мы отказываемся здесь от дальнейшего развития этого исчисле-
исчисления поскольку все только что указанные формальные исчислитель-
ные правила и a priori написанные формулы совпадают с исчисли-
тельными правилами и аксиомами Рейтинга [1]; следовательно, все
формулы названной статьи мы можем трактовать как задачи и все эти
задачи считать решенными.
Здесь мы отметим лишь некоторые особенно интересные из таких
задач (они также рассматриваются как решенные):
4.3
4.2
4.3.2
Решения задач 4.3 и 4.2 ясны и без вычислений. Решение задачи
4.3.2 получается из 4.3 и 4.2, если в 4.2 заменить 6 на | | а.
Если к принятым a priori формулам А присоединить еще формулу
Ь- а V « B)
(в логике высказываний — принцип исключенного третьего), мы
получим полную систему аксиом классической логики высказыва-
высказываний. При нашем толковании задач формула B) читается следующим
образом: указать общий метод, позволяющий для каждой задачи а
либо найти ее решение, либо же из наличия такого решения вывести
противоречие! В частности, когда задача а состоит в доказательстве
высказывания, надо располагать общим методом, позволяющим каж-
каждое высказывание либо доказать, либо привести к противоречию.
Если наш читатель не считает себя всезнающим, он, пожалуй, согла-
согласится, что формула B) не может находиться в списке решенных им
задач.
Странным образом, однако, задачу п
4.8 К
можно решить, как показывается исчислением Рейтинга.
11 В логике высказываний 4.8 выражает брауэрову теорему о непротиворе-
непротиворечивости закона исключенного третьего.
19. К толкованию интуиционистской логики
147
Формула
ННП«С« C)
(в исчислении высказываний — правило двойного отрицания)
также не может появиться в нашем исчислении задач, поскольку из
нее с помощью 4.8'следует формула B).
Мы видим, таким образом, что в противоположность формулам
интуиционистской логики Рейтинга даже самые простые формулы
классической логики высказываний не могут появиться в нашем
исчислении задач.
Следует еще отметить, что если формула \—р является ложной
в классической логике высказываний, то соответствующая задача
|—р не может быть решена. В самом деле, из такой формулы j— p
с помощью ранее принятых формул и исчислительных правил исчис-
исчисления задач можно вывести очевидным образом противоречивую
формулу |—а Д ~\а (ср. [31).
Основной принцип интуиционистской критики логических и
математических теорий таков: каждое не бессодержательное высказы-
высказывание должно указывать на одно или несколько совершенно опреде-
определенных, доступных нашему опыту положений вещей 12.
Если а есть общее высказывание вида «каждый элемент множест-
множества К обладает свойством Л» и если, сверх того, множество К беско-
бесконечно, то отрицание высказывания а, т. е. высказывание «а ложно»,
не удовлетворяет только что сформулированному принципу. Чтобы
устранить это затруднение, Брауэр дает новое определение отрица-
отрицания: ш ложно» следует понимать как «а ведет к противоречию».
Таким образом, отрицание высказывания а превращается в экзис-
экзистенциальное высказывание, или высказывание о существовании:
«Существует цепь логических заключений, которая, если принять
верность высказывания а, приводит к противоречию».
Экзистенциальные высказывания, однако, были подвергнуты
Брауэром глубокой критике. А именно, с интуиционистской точки
зрения не имеет смысла просто сказать: «среди элементов бесконеч-
бесконечного множества К имеется по крайней мере один элемент со свойст-
свойством .4», не указав этот элемент.
Брауэр, однако, не намерен полностью изгнать из математики
экзистенциальные высказывания. Он лишь разъясняет, что экзи-
экзистенциальное высказывание не должно высказываться без приведе-
приведения соответствующей конструкции. Вместе с тем экзистенциальное
высказывание не является, согласно Брауэру, простой констатацией
того факта, что мы уже нашли в К соответствующий элемент; в этом
последнем случае экзистенциальное высказывание оказывалось бы
12 Ср. [4]. Все дальнейшее исследование негативных и экзистенциальных
высказываний примыкает в сущности к этой работе Вейля.
148
19. К толкованию интуиционистской логики
неверным до изобретения конструкции и верным лишь после это-
этого. Так возникает этот совершенно особый тип высказываний, ко-
которые, хотя и не должны иметь меняющегося с течением времени
содержания, могут тем не менее высказываться только при опреде-
определенных условиях.
Может возникнуть естественный вопрос, не является ли этот
особый тип высказываний всего лишь фикцией. В самом деле, пред-
предлагается задача «во множестве К найти элемент со свойством А»;
эта задача имеет в действительности некоторый определенный, не
зависящий от состояния наших знаний смысл; если эта задача
решена, т. е. если соответствующий элемент х найден, мы получаем
эмпирическое высказывание «теперь наша задача решена». Итак,
то, что Брауэр понимает под экзистенциальным высказыванием,
полностью разложено на два элемента: объективный элемент (зада-
(задача) и субъективный (ее решение). Тем самым не остается ничего, что
можно было бы трактовать как экзистенциальное высказывание
в собственном смысле слова.
Поэтому главный результат интуиционистской критики нега-
негативных высказываний должен быть сформулирован следующим
простым способом: для общего высказывания бессмысленно] в общем
случае рассматривать его отрицание как определенное высказывание.
Но тогда исчезает предмет интуиционистской логики, поскольку
теперь принцип исключенного третьего оказывается справедливым
для всех высказываний, для которых отрицание вообще имеет
смысл 13.
Для математики отсюда следует, что решение задач должно рас-
рассматриваться как ее самостоятельная цель (наряду с доказательст-
доказательством теоретических высказываний). Как было показано в первом па-
параграфе, в сфере задач и решений формулы интуиционистской ло-
логики также приобретает новый смысл ы.
Гёттинген, 15 января 1931 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Heytlng A. Die formalen Regeln der intuitionistisehen Logik.— Sitzungsber.
Preuss. Akad. Wiss., Phys.-math. Kl., 1930, S. 42—56.
2. Heyting A. Die formalen Regeln der intuitionistisehen Mathematik.— Sit-
Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss., Phys.-math. Kl., 1930, S. 57—71, 158—169.
3. Glivenko V.— Sur quelques points de la logique de M. Brouwer.— Bull. cl.
sci. Aoad. roy. Belg., ser. 5, 1929, vol. 15, p. 183—188.
4. Weyl H. Ober die neue Grundlagenkrise der Mathematik.— Math. Ztschr.,
1921, Bd. 10, S. 39—79. Рус. пер.: О новом кризисе основ математики.—
В кн.: Вейль Г. О философии математики. М.; Л.: ГТТИ, 1934, с. 92—128.
5. Heyting A. Die intuitionistische Grundlegung der Mathematik.— Erkenntnis,
1931, Bd. 2, S. 106—115.
13 Возникает однако, новый вопрос: какие логические законы справедливы
для высказываний, отрицание которых не имеет смысла?
u Эта интерпретация интуиционистской логики тесно связана с идеей, ко-
которую развил Рейтинг в [5]; У Рейтинга, правда, отсутствует ясное различие
между высказыванием и задачей.
20. К обоснованию проективной геометрии
149
20
К ОБОСНОВАНИЮ ПРОЕКТИВНОЙ ГЕОМЕТРИИ*
Мы хотим здесь указать на одно интересное приложение теоремы
Бонтрягина о непрерывных алгебраических телах х. Если при
обосновании проективной геометрии принимать только (трехмерные)
аксиомы инцидентности, то получится, как хорошо известно, боль-
большое количество возможных типов пространств. Эти различные типы
проективных пространств соответствуют различным типам абстракт-
абстрактных алгебраических тел. В самом деле, в каждом проективном про-
пространстве можно, обычным путем (с помощью теоремы Дезарга) ввести
исчисление расстояний и получившееся при этом (вообще говоря,
некоммутативное) тело расстояний определяется однозначно с точ-
точностью до изоморфизма при помощи исходного пространства. Обрат-
Обратно, если задано абстрактное алгебраическое тело, можно построить
единственный, ему соответствующий тип проективного пространства.
Для того чтобы охарактеризовать обычную вещественную про-
проективную геометрию, мы должны были бы следуя классическому
методу, ввести две новые группы аксиом, а именно: аксиомы порядка
и аксиомы непрерывности. Лишь после этого можно было бы добав-
добавлением комплексных элементов обосновать комплексную проектив-
проективную геометрию. Но абстрактная топология дает нам теперь возмож-
возможность рассматривать свойства непрерывности независимо от свойств
порядка и, следовательно, обосновать аксиоматически комплексную
геометрию непосредственно, без использования аксиом порядка,
которые верны только в вещественной геометрии. Ниже мы и пред-
предлагаем один такой прямой путь.
Даны три системы элементов, которые называются точками, пря-
прямыми и плоскостями. Пусть они удовлетворяют следующим усло-
условиям.
I. Каждая из этих трех систем образует связное бикомпактное
топологическое пространство.
И. Точки, прямые и плоскости удовлетворяют обычным проек-
проективным аксиомам инцидентности.
III. Отношения инцидентности непрерывны: проходящая через
две точки прямая является непрерывной функцией этих двух точек
(если они не сливаются) и т. д.
Если в проективном пространстве, удовлетворяющем I—III,
выбрать на одной прямой три произвольные точки в качестве нуля,
единицы и бесконечности и определить соответствующее исчисление
расстояний, то, как легко показать, в получившемся теле расстояний
выполнены все требования теоремы Понтрягина. Следовательно,
это тело расстояний изоморфно либо телу вещественных, либо телу
* Zur Begrundung der projektiven Geometrie.— Ann. Math., 1932, vol. 33,
p. 175—176. Перевод И. Ленкоеа (НРБ).
1 Ober stetige algebraische Korper.— Ann. Math., 1932, vol. 33, p. 163—174.
150
21. К теории меры
комплексных чисел, либо телу кватернионов. И значит, существуют
лишь три различных типа пространств, удовлетворяющих требова-
требованиям I—III, а именно: обычное вещественное проективное простран-
пространство, комплексное проективное пространство и пространство, ко-
которое строится с помощью однородных координат из тела кватер-
кватернионов.
Если принять теорему Паскаля (и, следовательно, коммутатив-
коммутативность умножения) как новую аксиому, последняя возможность
исключается. Наконец, комплексная геометрия выделяется при
помощи аксиомы полноты.
26 мая 1931 г.
21
К ТЕОРИИ МЕРЫ*
ВВЕДЕНИЕ
Пусть ц (Е) — неотрицательная (может быть, принимающая
также и значение + °°) функция множества, определенная на всех
Л-множествах (суслинских множествах) n-мерного евклидова про-
пространства R™. Говорят, что ц (Е) есть функция меры (или просто
мера), если она удовлетворяет следующим условиям:
I. Если объединение конечного или счетного числа множеств
Ет покрывает множество Е:
(что обозначается {Ет} = U (Е)), то
II. Если конечное или счетное число множеств Ет дизъюнктны
и все они лежат в Е:
Ет С Е, EtE} = 0, i ф j
(что обозначается] {Ет} = ? (Е)), то
Для формулировки условия III нужно следующее
Определение1. Множество Е есть нерастянутый образ
множества, Е', если существует однозначное отображение из Е'
* Beitrage zur MaBtheorie.— Math. Ann., 1933, Bd. 107, S. 351—366. Пере»
вод И. Ленкова (НРБ).
1 Понятия нерастягивающего отображения (отображения без растяжения)
было впервые использовано Э. Шмидтом для определения длины кривой (см.
[2]).
21. К теории меры
151
на Е, при котором расстояние любых двух точек из Е' не меньше чем
расстояние их образов в Е.
Нерастянутый образ множества Е будет всегда обозначаться через
я (Е), где я (х) — соответствующее непрерывное отображение.
III. Если множество Е' является нерастянутым образом множест-
множества Е, то
(х (Е') < (х (Е).
IV. Для некоторого множества / (эталона меры) выполнено
[X (/) = 1.
Замечание I. Мы всегда предполагаем, что (х (Е) опреде-
определено для всех Л-множеств из Rn и только для них.
Замечание II. Из I и II следует, что для
выполнено равенство
т. е. ц (Е) аддитивна.
Замечание III. Из III следует
III'. Если Е' и Е" конгруэнтны, то
(х (?') = (х (Е").
Замечание IV. Из I следует, что если Е d E', то выполне-
выполнено неравенство
(х (?)< (х (Е1),
т. е. (х (Е) — монотонная функция множества.
Самым важным является случай, когда в качестве эталона меры
/ выбран А-мерный (к < п) единичный куб Jk. В этом случае мы
называем |х (Е) А-мерной мерой и пишем (xfe (E).
Впрочем, известно 2, что в случае к = п мера Лебега тп (Е)
есть единственная функция множества, определенная на всех .4-мно-
.4-множествах в R", которая удовлетворяет условиям I, II, III', IV.
Дальше мы увидим, что мера Лебега тп (Е) удовлетворяет также
условию III (а не только III'); следовательно, мера Лебега есть
единственное решение нашей задачи о мерах, где в качестве эталона
меры выбран n-мерный единичный куб. Если к <^ п, то для любого
множества Е из R*, которое лежит в некотором R\ имеет место
равенство (xfc (Е) = т* (Е).
2 Утверждение справедливо, согласно Лебегу, для любой аддитивной
функции [X (Е), которая удовлетворяет условиям III и IV и определена на всех
борелевских множествах. Но так как для любого А -множества Е (как и для
любого измеримого по Лебегу множества) существуют борелевские множества
Е' и Е" такие, что Е' С Е С Е", тп (Е') = тп (Е) = тп (Е"), то наше утверж-
утверждение справедливо и для функций, определенных на всех 4-множествах.
152
21. К теории меры
Случай к <^п был рассмотрен впервые Каратеодори в его осно-
основополагающей для всех дальнейших исследований в этой области
работе [3] и привел к целому ряду различных определений меры.
Целью настоящей работы является предложение некоторого прин-
принципа упорядочивающего это многообразие определений.
Наш основной результат о /с-мерных функциях меры может быть
сформулирован следующим образом.
Основная теорема. Для любого натурального числа
к < п существуют две специальные функции меры: максимальная
мера р^ (Е) и минимальная мера ц!1 (Е). Любая другая к-мерная
функция меры \ik (Е) для любого А-множества Е лежит между р*1" (Е)
и jx* \(Е):
р.* (Е) > ц* (Е) > jx* (E).
НЕРАСТЯГИВАЮЩИЕ ОТОБРАЖЕНИЯ
Сначала мы докажем, что для множеств в R™ мера Лебега тп (Е)
удовлетворяет условию III. Этот факт следует из следующей общей
теоремы.
Теорема 1. Для любого нерастянутого образа я (Е) произ-
произвольного множества Е (оба множества лежат в R") выполнено нера-
неравенство:
mns (Е) > ml {я (Е)},
где m"s (E) — верхняя мера Лебега Е.
Доказательство основано на следующем утверждении.
Вспомогательная теорема. Пусть Е — множество
в Rn, лежащее внутри шара Sn объема V; если я (Е) — нерастяги-
вающее отображение из Е на некоторое множество Е' = я (Е), так-
также лежащее в Rn, то выполнено
mns (E') < V.
Ясно, что диаметр d' множества Е' не больше чем диаметр Sn.
Если F — выпуклая оболочка Е', то ее диаметр тоже d' и ее объем
U не больше объема V шара диаметра d'. Поэтому
m°s (Е1) < U < V < V,
что и требовалось.
Доказательство теоремы 1. Рассмотрим покрытие
множества Е шарами ??, к = 1, 2, 3, . . .; эти шары можно выбрать
так, чтобы было выполнено условие
21. К теории меры
153
где Ух — объем 5". Ясно, что такое покрытие существует для лю-
любого е > 0. Если обозначить ES^ через Е^, то
E = %Eh, Ehcz Snk, ml {л (Eh)} < Vh,
ml {л (E)} <^S{« (Eh)} < 2 Vh < ml (E) + e,
что доказывает нашу теорему.
Мы хотели бы указать еще следующее известное свойство непре-
непрерывных (в частности, нерастягивающих) отображений.
Если Е' = ф (Е) — непрерывное отображение Л-множества?на
множество ?", то образы Л-подмножеств из Е (в частности, само ?")
и прообразы (в Е) Л-подмножеств из Е' сами являются Л-множест-
вами (см. [1]).
В дальнейшем если Е' = ср (Е), то мы обозначаем прообраз в Е
некоторого множества Е" CZ Е' через ф (Е"\.
МАКСИМАЛЬНАЯ МЕРА \>*(Е)
Определим теперь на всех Л-множествах функцию множества
jlfr (E) как нижнюю грань меры Лебега ткл~1(Е) для всех Л-мно-
жеств л^) из Rfc, которые можно отобразить нерастягивающим
образом на Е:
у}' (Е) = inf m'n-1 (E).
Если множества л (Е) не существуют вообще, полагают
р* (Е) = + оо.
Про функцию р.'1 (Е) мы докажем, что она есть fc-мерная функция
меры и при этом наибольшая среди всех /с-мерных функций меры.
Таким образом, будет доказана первая половина основной теоремы.
I. p* (E) удовлетворяет условию I из введения.
Если хотя бы одно из слагаемых рЛ (Ет) равно + оо, то наше
утверждение заведомо справедливо. В противоположном случае в
Rfr существуют такие множества Ет, что
(т) (Ет) = Ет, т" (Ет) < flfr (En) + е/2"\
я(
Рассмотрим разбиение R*1 на кубы, каждый из которых меньше еди-
единичного; обозначая через Етг (г = 1,2,3, . . . ) пересечение Ет с
кубами этого разбиения, получаем
тк {Ет) =^тк (Етг).
Далее,
154
21. К теории меры
Заметим еще здесь, что диаметры Етт тоже < 1. Упорядочим все
Emr в последовательность'
21. К теории меры
155
Поскольку е > 0 было произвольным, получаем
и положим Pi = sup p (х, у), где х пробегает все точки множества
Етггг, а у — объединения всех Ет.г, для / < i. Теперь мы опреде-
определяем подмножества Етг в Rs так, чтобы ?„г было конгруэнтно Етг
и, кроме того, было выполнено неравенство
Наконец мы определяем
?* = 2, Я* г.
Каждое ?mr отображается на соответствующее ЁтТ при помощи
конгруэнтного отображения:
'-'глт == Лтг (дтг).
Далее,
Таким образом, 2?* отображается на
Это отображение нерастягивающее. Действительно, если две точки
х* и х* принадлежат одному множеству Emr, то
х = л* (ж*) = я<»>Ятг(л:*)
и так как Kmr, соответственно л(т), конгруэнтно, соответственно
нерастягивающее, то
р (х*, ж2*) > р (ж17 ж2).
С другой стороны, если х?и я* принадлежат различным множест-
множествам, например, х* принадлежит Ет^., а х* принадлежит Ет.Т.
(с i > /), то
р («!*, ж2*) > рг > р (жх, ж2).
Наконец, мы имеем
ц* (Е) < тк (Е*) = S/и* (Я* г) = S mfr (Enr) =
= S тк (Ет) < S (Я* (Ет) + s/2m) =21A* (fi'm) + e.
что и требовалось.
II. р,*1 (?)] удовлетворяет условию II из введения.
Действительно, если jlfc (?) = +°°>то это тривиальным образом
верно. Но если pLfe (Z?) < +°о, в Rfc существует множество л~1 (?)
такое, что
р,* (Е) > тп^'л (?) - е.
Тогда
21 !Xfr (Ят) < S ntn-1 (Ет) < тля^ (?) < flfr (?) + е.
Поскольку е > 0 было произвольным, этим наше утверждение до-
доказано.
III. Всегда
(Х^я (Е) < р* (Е)
(условие III).
Это следует немедленно из того, что композиция двух нерастя"
гивающих отображений л1п2 (Е) есть снова нерастягивающее отоб-
отображение.
IV. Для множеств из Rfc выполнено
Д* (Е) = т* (Е).
Это следует из теоремы 1 (§ 1). В частности, p,fc (/*) = 1 (усло-
(условие IV).
V. Для любой другой к-мерной меры \\.к (Е) выполнено неравенство
|ik (Е) < Д* (Е).
Щействительно, для любого л (Е) d Rfc
следовательно, и
ц* (?) < inf тп
|Положим]
^ (Е) = sup 23
(Е) =
§ 3
МИНИМАЛЬНАЯ МЕРА
; G0} = 0, г ^= /),
тде знак супремума относится к всевозможным счетным последова-
последовательностям Л-множеств, которые удовлетворяют условиям в скоб-
скобках и образы которых лежат в R^. Так же как и для jl* (?), мы до-
докажем следующие утверждения.
156
21. К теории меры
21. К теории меры
157
I. [x (E) удовлетворяет условию I из введения.
Действительно, для любого е > О имеется последовательность
Л-множеств Gt (Gt d E, Gfij = О, i Ф j) и отображений яг таких,
что
Далее имеем
2 »»*я4 (^)
- е.
Поскольку е было произвольным, наше утверждение доказано.
II. \ик (Е) удовлетворяет условию II.
Действительно, для любого т имеется такая последовательность
Л-множеств Gmi (Gml d Em, GmiGmi = 0, i Ф j) и отображений ятг,
что
И* (Ет) < 2 ™^mi'(Gmi) - 8/2™. •
Поэтому поскольку множества Gmi лежат в Е и дизъюнктивны, то
чем наша теорема доказана.
III. Всегда
IV. Для множеств из R*
^ (?) = тп'1' (?).
V. Для любой к-мерной меры \\.к (Е) выполнено неравенство
[А* (Е) < (х^ (?).
Доказательство.
|А* (?) = sup S ro^t (Gt) < sup S ^ (Gt) < H-fr (^)-
Этим наша основная теорема полностью доказана.
§ 4
НЕСКОЛЬКО СПЕЦИАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ФУНКЦИЙ МЕРЫ
И \ik(E)
Следующая теорема проясняет связь между функциями меры раз-
различных размерностей.
Теорема I. Пусть i < к; тогда из \ik (E) > 0 следует, что
р,г (Е) = +оо, а из \>.к (Е) > 0 следует, что р/ (Е) = +°°.
Действительно, если (х* (Е) > 0, в ? существует подмножество Е',
которое можно нерастянуто отобразить на некоторое подмножество
Е" из К^ с тк (Е") > 0. Но тогда в Е" можно найти последова-
последовательность подмножеств Ет, которые лежат в различных (например,
в параллельных) R\ так что
Следовательно,
М-*{Е) > р\Е
Е"т) = ^т1 (Е"т) =
что доказывает первую половину нашей теоремы
Если предположить, что ji1 (E) +, к
вует Е' = я (Е). Тем более Е' лежит в некотором R
^ (Е) < тк (Е') = 0,
у р
ji1 (E) < +оо, г < к, то в R1 сущест-
сущест' R\
причем
что и требовалось.
Дальше мы обозначим через Sa (x) = у преобразование подобия
Rn на себя с коэффициентом пропорциональности, равным а. Мы го-
говорим, что функция меры ц (Е) имеет хорошо определенный поря-
порядок, равный с, если для любого множества] Е из R™ и для любого
Sa (x) выполнено равенство
(х {Sa (E)} = a°|i (E);
при этом с может быть произвольным положительным числом.
Легко видеть, что функции меры р,* (Е) и (xfe (E) имеют порядок
с = к; при этом мы, однако, не знаем, каждая ли \ik (E) имеет хо-
хорошо определенный порядок и равен ли он обязательно к.
Теорема II. Пусть ф (Е) = Е' — непрерывное отображение
множества Е на множество Е' такое, что
Р (х', у') < ар {х, у)
(где х' = ф (х), у' = ф (i/), a p (х, у) означает расстояние между х
и у); пусть, далее, ц (Е) — функция меры порядка с. Тогда
(х (Е') < ас(х (Е). A)
Действительно, пусть
Е" = So- (?')•
Всегда верно, что
р (ж", у") = oTV
< р (х, у).
Следовательно, Е" = 5о-> ф (?) является нерастягивающим отоб-
отображением; далее, по свойству III функции (х (Е) имеем
(I (?") < (х (Я)
158
21. К теории меры
21. К теории меры
159
и, поскольку, кроме того, [х (Е") = a"*(x (?"), в результате получаем
неравенство A).
§ 5
СЛУЧАИ, КОГДА ЛИНЕЙНАЯ МЕРА ОДНОЗНАЧНА
Линейная, т. е. одномерная мера, очевидно однозначно опреде-
определена для Е, когда р,1 (Е) = jx1 (Е). Дальше мы даем некоторые
достаточные условия для этой однозначности.
Теорема I. Для любой простой жордановой дуги S верно ра-
равенство
(х* (S) = ^ (S) = L (S),
где L (S) — длина S.
Вспомогательная теорема. Для любого контину-
континуума К верно
jxi (E) >d(K),
где d (К) обозначает диаметр К.
Действительно, пусть точки а и 6 из К выбраны так, что р (a, b)t=
= d, (К). Функция / (х) = р (й, х) дает нерастягивающее отображе-
отображение К на отрезок числовой оси А от 0 до d (К), для которого т1 (А) =
= d (К) и этим наше утверждение доказано.
Доказательство теоремы I. По определению дли-
длины дуги L (S) на S существует последовательность точек хи х2, ¦ ¦ .
- . ., хт таких, что
(S) — г.
Пусть St — части дуги S, расположенные между xt-x и xt. По дока-
доказанной вспомогательной теореме \хг (Si) ;> р (xi-x, xt) и ц1 (S) —
= 2ц1 (S^ > L (S) — ей, следовательно,
if1 (S) > L (S). A)
Пусть теперь у0 — начальная точка S. Функция я-1 (у) =
= L (у0, у) (где (у0, у) — часть дуги S с конечными точками у0 и у)
реализует отображение из S на интервал А длины L (S). Обратная
к ней функция я (х) отображает А нерастягивающим образом на S,
так как для точек х', х", отвечающих точкам у', у" из S очевидно
имеем
р(х', x") = L(y\ y")>p(y', у").
Из этого мы заключаем, что
р1 (S) < L (S). B)
Так как jl1 (S) ;> (х1 (S), утверждение теоремы вытекает из нера-
неравенств A) и B).
Замечание. Из предыдущего видно, что L (S) — это ниж-
нижняя грань длин интервалов А, которые можно отобразить нерастя-
гивающим образом на S. Это определение длины восходит к Э. Шмид-
Шмидту (ср. с [2]).
Можно доказать более общее утверждение.
Теорема II. Для любого континуума К jl1 (К) = ц,1 (Е).
Сначала мы предположим, что К не является локально связным.
Тогда существует бесконечно много дизъюнктных континуумов
К1, К2, . . ., Кт, . . . в К таких, что их диаметры превосходят
некоторую фиксированную положительную константу D. Поскольку
(х1 (Кт) > D, то ц1 (К) > 2(хх (Кт) = +оо, следовательно, ц1 (К) =
= ^(К) = +оо.
Пусть теперь К локально связен. Тогда на основе известных тео-
теорем для каждой точки а ЕЕ К и для каждого ее не содержащего
замкнутого множества F а К можно найти жорданову дугу (a, F) ё=
ЕЕ К так, чтобы а была ее крайней точкой, а другая ее крайняя точка
была бы единственной точкой дуги, принадлежащей F. Начнем те-
теперь индуктивный процесс, в котором множеством Fo будет некото-
некоторая точка а0 ЕЕК, и примем, что замкнутые множества Fo, Flt . . .
. . ., Fm уже построены. Выберем дальше одну из всех наиболее от-
отдаленных от Fn точек из К, скажем ат, построим дугу (ат, Fm) ЕЕ К
и положим Fm+1 = Fm + (am, Fm).
Если ряд
C)
(am, Fm)
расходится, то по теореме I
и, следовательно, (х1 (К) = (х1 (К) = +оо.
Если же ряд C) имеет конечную сумму L, то L (am, Fm) стремит-
стремится к нулю с ростом т, из чего при помощи определения дуги (ат, Fm)
следует, что множества Fm аппроксимируют континуум К сколь
угодно хорошо. Теперь мы определим непрерывные кривые So, 5l7...
. . ., Sm, .... так, что запас точек Sm будет совпадать с Fm.
Sm строятся последовательно таким образом: So совпадает с точкой
а0 = Fo. Примем, что кривая <Sm уже построена, и выберем на ней
первую точку хт, которая совпадает с конечной точкой (ат, Fm),
принадлежащей Fm. Тогда пусть Sm+1 будет по определению не-
непрерывной кривой, которая начиная с начальной точки кривой Sm
совпадает с Sm вплоть до точки хт, затем пробегает дугу (ат, Fm)
туда и обратно и после возвращения в хт пробегает остаток Sm от
хт до конечной точки.
Очевидно, все начальные и конечные точки кривых Sm совпадают
с точкой а0; их общая длина равна
1 = 2 S L(ak,Fk).
k<m
160
21. К теории меры
В предположении, что ряд C) сходится, легко видеть, что кривые
Sm аппроксимируют некоторую непрерывную кривую S, длина ко-
которой будет в точности равна 2L. Кривая S (как множество точек)
совпадает с континуумом К.
Континуум К может быть представлен в виде
где Е — множество точек, не принадлежащих дугам (ат, Fm).
Отобразим S на отрезок А длины 2L, как в доказательстве теоремы
I, так, чтобы обратное отображение было нерастягивающим. При
этом два раза пробегаемые дуги (ат, Fm) переходят в части А с об-
общей длиной 2L, а Е отображается на множество ?" меры 2L —
2L = 0. Далее, поскольку Е' отображается на Е нерастягивающим
образом,1 ft1 (Е) = 0, а следовательно, и \\} (Е) = 0, из чего при по-
помощи D) следует, что
(К) = 2 W К
= L =
1 (ат, Fm) = fx1 (К).
6
ТЕОРИЯ МЕРЫ В ОБЩИХ МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ
Во всем изложении до этого места мы могли предполагать, что [
функции множества ц, (Е) определены для всех метрических А-мпо-
жеств. При этом под метрическим множеством мы понимаем множест-
множество из любых элементов, в котором для любой пары элементов (х, у) ",
определено расстояние, удовлетворяющее обычным аксиомам (см. ?'
[1]). Метрическое множество называется (абсолютным) 4-множест-
вом, если оно является непрерывным образом множества всех ирра-
иррациональных чисел.
Функции множества Ц,к (Е) и jifr (E) определены, следовательно,
для всех метрических 4-множеств и обладают в этой новой области
определения всеми ранее сформулированными свойствами. В част-
частности, результаты § 5 о длине дуг и о линейной мере континуумов
верны тоже в общих метрических пространствах. Возможность по-
построения теории меры в общих метрических пространствах была осоз-
осознана впервые П. Урысоном в 1921 г. в одной его неопубликованной
работе. Урысон рассматривает множества Е в компактном метриче-
метрическом пространстве R и поступает следующим образом.
Пусть U — покрытие Е, состоящее из конечного или счетного
числа замкнутых множеств Fk С R с диаметрами dk <^ е. Мера
та (Е) порядка а (а > 0) определяется как
та (Е) = lim inf m (a) \ dak, m (а) =
гтО/2
2°Г(з/2 +1)
21. К теории меры
161
Для точечных множеств из R" это определение можно найти у Хаус-
дорфа [4] среди многих других определений, которые не имеют смыс-
смысла для общих метрических пространств 3.
Функция меры та (Е) удовлетворяет нашим условиям I, II, III,
и если 0 целочисленно, то и условию IV с единичным кубом Ja в ка-
качестве эталона меры. Следовательно, для целых о
у? (Е) < т„ (Е) < л» (Е).
Если 0 = 1, ma (E) отождествляется с линейной мерой Каратеодо-
ри; мне кажется вероятным, что равенство тх (Е) = [х1 (Е) имеет
место всегда.
§ 7
ТЕОРЕМА ОДНОЗНАЧНОСТИ
ДЛЯ ТОЧЕЧНЫХ МНОЖЕСТВ ЕВКЛИДОВЫХ ПРОСТРАНСТВ
И СВЯЗИ С ТЕОРИЕЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ МЕРЫ
Мы возвращаемся теперь к множествам, лежащим в R". Имеет
место следующая
Теорема однозначности. Равенство
Цк (Е) = у.к (Е)
выполнено для любого множества Е a R", которое может быть
представлено как нерастянутый образ некоторого А-множества
Е' С R*.
Неравенство р.* (Е) > \ik (E), следовательно, возможно только
при p.fc (Е) = +оо. В случае однозначности отображения я (Е) =
= Е' теорема однозначности следует из некоторого интегрального
представления функций меры р/ (Е) и \ik (E). Рассмотрим для этого
функции
*i = *i (Уи Уг, • ¦ ¦ , Ук),
i = 1, 2, . . . , п,
которые представляют отображение в некоторых прямоугольных ко-
координатах в R" и соответственно в R*. Поскольку л (?") нерастя-
гивающее, то
X;
' - ц" I < 1,
A)
где т], как обычно, обозначает вектор с компонентами уг, у2, . ¦ .,
(а также и точку (ух, у2, . . ., ук)), и
I Ч' — Ч* I = Р Ы, Ц") = /2 (Уг -
3 Во время исследований Урысона A921) работа Хаусдорфа [4] была в Мос-
Москве недоступной.
6 А. Н. Колмогоров
162
21. К теории меры
Следовательно, для функций xt почти везде на Е' определены част-
частные производные дхг1ду$. Составим выражение
где знак суммы распространяется на всевозможные наборы (i1, г2г
Теорема об интеграле. В сделанных предположениях
где интеграл понимается в смысле Лебега 4.
Доказательство. Очевидно, достаточно рассматривать
множества Е' с тк (Е') < +оо, так как иначе Е' можно было бы
разложить в счетную сумму таких множеств.
Говорят, что хг (уг, у2, . . . .., ук) = xt (ц) дифференцируема в
некоторой точке, если для Axt = х\ — xt и Дг/^ = z/j — у$ выпол-
выполнено
Ах, = У^
Если обозначить матрицу || dxjdyj || через дЖ/дц, то в точке, где
все функции хг дифференцируемы, в векторных обозначениях выпол-
выполнено равенство
B)
Из результатов Радемахера [5] и из A) следует, что B) выполнено
почти всюду. Далее, для любого е > 0 можно найти подмножество
Р из Е' такое, что тк (?" — Р) ^ г, компоненты дЖ1дх\) непрерыв-
непрерывны на Р и B) выполнено равномерно.
Поскольку \D | < 1,
Z) do
Е'-Р
Л.
\ккп (Е' - Р) < р*п (Е' -
(Е' — Р)< е,
достаточно доказать нашу теорему об интеграле для Р и Q = л (Р)
вместо Е' и Е. Пусть ц — точка из Р, a S — открытый шар (внутрен-
(внутренность шара) радиуса р с центром в г\. Положим также
R = PS, Т = п (R).
4 В частности, из нашей теоремы следует независимость интеграла Ik (E)
от отображения Е = л (Е').
21. К теории меры
163
Вспомогательная теорема. Для \ik
же для \хк = \ik и для любой точки ц из Р выполнено
\ik, а так-
такПримем пока, что эта вспомогательная теорема доказана. По тео»
реме Витали для любого е > 0 можно найти последовательность
шаров Su S2, . . ., Sm, . . . таких, что
mk(N) =
и, следовательно,
последняя формула доказывает нашу теорему об интеграле.
Доказательство вспомогательной теоре-
м ы. Пусть D (ц) Ф 0. Отображение
переводит шар S в /е-мерный эллипсоид Е — Ф (S). Это отображение
однозначно и непрерывно. Следовательно, отношение
I ?' - ?" |/| ri' - г!" |
имеет положительную нижнюю грань и вместе с B) выполнено
Ж' _ Ж" = ?' - I" + о (р) |?'-?' |,
I Ж' - Ж" | = IS' - I" | {1 + о (р)}. C)
Пусть U — Ф (R). В силу равенства C) отображение Т = лФ (U)
лишь немного отличается от конгруэнтного отображения. По теоре-
теореме II § 4 из этого следует соотношение
V* (Т) = mk (U) {1 + о (р)>.
Но, поскольку mk (U) = D (x\) mk (R) и D меняется непрерывно
вместе с х\, получаем, наконец,
ц* (Т) = D (ц) mk (R) {1 + о (р)> = J D do {1 + о (р)} =
6*
164
21. К теории меры
Остается случай D (г\) — 0. Тогда в силу непрерывности Ф имеем
так что остается только показать, что и
ji* (Т) < fxfc (Г) = о (р) mk (S).
Отображение ?' = Ф (г\г) переводит теперь шар S в i-мерный эллип-
эллипсоид, где i < к. При подходящем выборе прямоугольной система
координат можно представить Ф в виде
z] = К} (у] — у;),
Zj = 0,
Положим
4== ^ B/j — 2/j).
% ф 0, / < г,
7 < J.
Это есть однозначное отображение t* = Ф* (t]') шара 5 в некото-
некоторый /е-мерный эллипсоид ?*; отсюда следует, что отношение
I 5-* f* I/I „' „'I
I fel — t>2 I'I % — ^21
имеет положительную нижнюю грань. Пусть U* = Ф# (Д); отобра-
отображение Т = яФ (?/*), очевидно, удовлетворяет условию
I ж; - ж; i < i к - к i + о (р) i »i - уг к
< I Э - Bf I + о (Р) I m - тJ К I Ш - й I {1 + о (р)}.
По теореме II § 4 имеем далее
fl* (Г) < ш* (С/*) {1 + о (р)}.
Но поскольку б было произвольным, отношение
m* (U*)/mk (R) = mfr (?*)/mfr (S)
можно сделать сколь угодно малым, так что в итоге получаем
flfc (Г) = о (р) m* (S).
Наша вспомогательная теорема, а вместе с ней и теорема об инте-
интеграле, тем самым доказана.
Доказательство теоремы однозначности.
Ясно, что -Е" можно представить в виде
Е' = р± + Р* + ... + Рп + .. • + n, Pm
21. К теории меры
165
где Рт замкнуты и ограничены и тк (N) = 0. Пусть
Qm = я (Рт), М = я (JV).
Поскольку ptfc (Tkf) = 0, выполнено соотношение
Р-* (Qm) -»- Я
Я*
оо).
Нужно, следовательно, доказать только равенство
lk (Qm) = Л" (Qm).
Но для замкнутых множеств Р и Q это равенство следует из теоремы
об интеграле при помощи следующей теоремы.
Теорема об униформизации. Если Р — замкнутое
ограниченное множество и Q = ср (Р) — непрерывное отображение,
то в Р существует А-[под\множество А такое, что <р (А) = Q и это
отображение взаимно однозначно на А.
Доказательство. Пусть / (С) = Р —• непрерывное отоб-
отображение из канторовского совершенного множества (см. [1]) на Р.
Мы рассматриваем непрерывное отображение Q = я|з (С) = ср/ (С).
Прообраз я)? (х') точки х' (Z<? является замкнутым подмножеством в
С; обозначим через у = ю (х1) нижнюю грань
у = inf я)? (сг')
множества я)? (ж'). Функция у = а> (х') определена на Q и полу-
полунепрерывна, следовательно, ее множество значений Ас является
Л-множеством. Отображение я|з (Ас) = Q-, очевидно, взаимно одно-
однозначно. Пусть теперь А = / (Ас). А есть тоже Л-множество и отобра-
отображение Q = ср (А) взаимно однозначно, что и требовалось.
Наконец, заметим, что по нашей теореме об интеграле обе функ-
функции множества \Хк (Е) и \хк (Е) совпадают для квадрируемых по Ле-
Лебегу поверхностей с их поверхностной мерой (см. [6, с. 315]) (мы
рассматриваем только двумерные элементы, т. е. поверхности, кото-
которые взаимно однозначно и непрерывно отображаются на плоский
квадрат); для этого класса поверхностей Т. Радо доказал (см. [7,
с. 445]), что классическое интегральное выражение Ik (E) действи-
действительно задает поверхностную меру Лебега. Поверхностная мера
множеств, лежащих на квадрируемых по Лебегу поверхностях, оп-
определенная Радемахером (см. [8, с. 54 и особенно § 17, с. 61]), также
совпадает с 1к (Е) = \1к (Е) = {г* (Е).
Дополнение
НОВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕРЫ ЛИНЕЙНЫХ МНОЖЕСТВ
Понятие нерастягивающего отображения, которое мы использо-
использовали в этой работе для обоснования естественного понятия меры для
множеств возможно более общей природы, дает в применении к ли-
линейным множествам следующее очень простое определение. Р
166
21. К теории меры
смотрим все нерастягивающие отображения данного линейного мно-
множества Е на замкнутый отрезок:
п(Е) = J
и положим
L (Е) = sup {L (/)},
где L (/) обозначает длину отрезка /.
Теорема. Для множеств Е, измеримых по Лебегу, число
L (Е) совпадает с мерой Лебега т1 (Е).
Доказательство. Пусть F — ограниченное замкнутое
подмножество в Е. Определим функцию л (х) с помощью равенства
л (х) = т* {F (х)},
где через F (х) обозначается множество всех точек из F, лежащих
левее х. Как легко видеть, эта функция отображает всю прямую,
множество F, а также множество Е гна один и тот те интервал длины
т1 (F). Поскольку это отображение, кроме того, и нерастягивающее,
то
L (Е) > т1 (F).
Так как F было произвольным ограниченным подмножеством Ещ
выполнено далее
L (Е) > sup m1 (F) = то1 (Е).
С другой стороны, по теоремй I § 1
L (Е) < то1 (Е),
что завершает доказательство нашей теоремы.
1 января 1932 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hausdorff F. Grundziige der Mengenlehre. 2 Aufl. Berlin; Leipzig: W. de Gruy-
ter Co, 1927. Рус. пер.: Хаусдорф Ф. Теория множеств. М.; Л.: ОНТИ, 1937.
2. Schmidt E. Ober die Definition des Begriffs der Lange krummer Linien.—
Math. Ann., 1901, Bd. 55, S. 163—176.
3. Caratheodory K. Uber das lineare Mass von Punktmengen.— Nachr. Ges. Wiss.
Gottingen, 1914, Okt. 24.
4. Hausdorff F. Dimension und aisseres Mass.— Math. Ann., 1918, Bd. 79,
S. 157—172.
5. Rademacher H. Ober partielle und totale Differentierbarkeit von Funktionen
mehrerer Variabeln und uber die Transformationen der Doppelintegrale.—
Math. Ann., 1918, Bd. 79, S. 340—359.
6. Lebesgue H. These.—Ann. mat. pura ed appl. 3, 1902, vol. 7, p. 315.
7. Rado T. Ober das Flachenmass rektifizierbarer Flachen.— Math. Ann., 1928,
Bd. 100, S. 445—479.
8. Rademacher H. Ober partielle und totale Differenzierbarkeit von Funktionen
mehrerer Variabeln. II.— Math. Ann., 1920, Bd. 81, S. 52—63.
22. О точках разрыва функций двух переменных
167
22
О ТОЧКАХ РАЗРЫВА ФУНКЦИЙ
ДВУХ ПЕРЕМЕННЫХ *
Совместно с И. Я. Верченко
Пусть / (Р) есть ограниченная (| / (Р) | < М) однозначная дейст
вительная функция, определенная во всех точках Р плоской области
G. Рассмотрим точку Ро области G и полупрямую L, начинающуюся
в точке Ро и образующую угол а с положительным направлением
оси X. Обозначим через Ф (Ро, а) верхнюю грань верхних пределов
/ (Р) при приближении Р к Ро по всевозможным касательным к L
путям. Ф (Ро, а) называется верхним пределом f (Р) в точке Ро по
направлению а. Аналогично определяется нижний предел <р (Ро, а)
функции f (Р) в точке Ро по направлению а. Ф (Ро, а) как функция
а полунепрерывна сверху, а ср (Ро, а) полунепрерывна снизу; эти
две функции а в значительной мере характеризуют поведение функ-
функции / (Р) в окрестности точки Ро.
1. Для того чтобы / (Р) была непрерывна в точке Ро, необходимо
и достаточно, чтобы для всех а
Ф (Ро, а) = ср (Ро, а) = f (Po).
2. Ро есть точка разрыва первого рода функции f (P), если f (P)
не непрерывна в точке Ро и для всех а
Ф (Ро, а) = у (Ро, а).
Множество точек разрыва первого рода произвольной функции
/ (Р) не более чем счетно.
Доказательство. Обозначим через со (Ро) колебание
/ (Р) в точке Ро. Пусть Еп есть множество тех точек разрыва первого
рода, для которых колебание функции / (Р) превышает 1/п. Легко
показать, что Еп не содержит ни одной своей предельной точки и
поэтому не более чем счетно. Следовательно, и множество всех точек
разрыва первого рода
не более чем счетно.
3. Ро есть нормальная точка функции f (P), если для всех а
Ф (Ро, а) = Ф (Ро) > / (Ро) > Ф (Ро) = Ф (i>0, a),
т. е. если Ф (.Ро, а) и ф (Poj а) не, зависят omauf (Po) лежит между
ними. Каждая точка непрерывности функции f (P) есть нормальная
точка. Нормальная точка, не являющаяся точкой непрерывности,
называется точкой нормального разрыва.
* ДАН СССР, 1934, т. 1,№ 3, с. 105—106. Представлено С. Н. Бершптейном.
168 23. О нормируемости общего линейного топологическою пространства
Теорема. Множество не нормальных точек произвольной
функции / (Р) может быть расположено на счетном множестве
спрямляемых кривых.
Отсюда следует, в частности, что множество не нормальных точек
имеет плоскую меру нуль. Доказательство теоремы основано на сле-
следующем вспомогательном предложении, справедливом в случае ог-
ограниченной области G.
Рассмотрим сектор круга с радиусом р и центром Ро, лежащий
между направлениями а — б и а + б, и обозначим через М (Ро,
а, б, р) верхнюю грань значений / (Р) во внутренних точках этого
сектора. Для любых а, б > 0, р > 0, а >> Ъ множество тех точек Ро,
в которых
/ (Ро) > а, М (Ро, а, б, р) < 6,
может быть расположено на конечном числе спрямляемых кривых *.
Москва, 21 декабря 1933 г.
23
О НОРМИРУЕМОСТИ ОБЩЕГО ЛИНЕЙНОГО
ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА*
Мы^исходим из следующего определения линейного топологиче-
топологического пространства: множество Е является линейным топологиче-
топологическим пространством, если:
1) для элементов из Е определены операции сложения и умноже-
жения на действительное число, которые удовлетворяют аксиомам
линейного пространства х;
2) для любого подмножества А множества Е определено его за-
замыкание A CZ Е, которое удовлетворяет трем аксиомам топологи-
топологического пространства 2;
3) операции сложения и умножения непрерывны.
Открытые множества топологического пространства в смысле
примечания.2, рассматриваемые как окрестности содержащихся в
1 / (Ро) обозначает здесь верхний предел / (Р) в точке Ро, т. е. максимум
/ (Ро) и Ф (Ро) = sup Ф (Ро, а). Аналогично через / (Ро) обозначаем нижний
предел / (Р) в точке Ро. Тогда а (Ро) = / (Ро) - /_(Р0).
* Zur Normierbarkeit eines allgemeinen topologischen linearen Raumes.—
Stud, math., 1934, vol. 5, p. 29—33. Перевод С. В. Стечкина.
1 См.: Banach S. Theorie des operations lineaires. Warszawa, 1931. Chap. 2.
2 См., например: Alexandroff P. Ober stetige Abbildnugen kompakter Rau-
me.— Math. Ann., 1926, Bd. 96, S. 555. Эти аксиомы звучат следующим образом:
1. Каждое подмножество АСЕ, состоящее не более чем из одного элемен-
элемента, совпадает со своим замыканием.
2. А = А для всякого множества АСЕ.
3. MIJN = М U N.
23. О нормируемости общего линейного топологического пространства 169
них точек, удовлетворяют, вообще говоря 3, трем первым аксиомам
Хаусдорфа и первой аксиоме отделимости. Однако в нашем случае
линейных топологических пространств, как вообще в случае тополо-
топологических групп, автоматически выполняются также вторая и третья
аксиомы отделимости, т. е. пространство является регулярным.
Этот факт будет доказан в § 1. В связи с этим представляется со-
совершенно естественным развивать общую теорию линейных функцио-
функционалов и операторов именно в линейных топологических пространст-
пространствах. Однако значительная часть этой теории развита в настоящее
время только для случая нормированных пространств, т. е. таких
пространств, в которых каждому элементу х сопоставлено в качестве
нормы неотрицательное число | х \, удовлетворяющее следующим
условиям:
| ах | = | а || х |, A}
причем топологические свойства пространства определяются расстоя"
нием между двумя элементами, которое определяется формулой
р (х, у) = | х — у |. C)
Возникает вопрос: какие линейные топологические пространства
можно нормировать? Иными словами, при каких условиях можно
ввести в линейном топологическом пространстве норму, удовлетво-
удовлетворяющую условиям A), B), чтобы при помощи C) она определяла
a priori заданные топологические отношения пространства. Для от-
ответа на этот вопрос мы используем следующее определение 4.
Определение. Множество А а Е называется ограничен-
ограниченным, если для любой последовательности {ап} действительных чисел
и любой последовательности элементов {хп}, принадлежащих А,
из ап —у О вытекает апхп -»- 0 (где 0 во втором соотношении обозна-
обозначает нулевой элемент пространства Е).
Это определение позволяет нам сформулировать следующую
теорему.
Т е о рема. Для нормируемости пространства Е необходимо и
достаточно, чтобы в Е существовала по крайней мере одна ограни-
ограниченная выпуклая окрестность нуля.
При этом множество A d E называется выпуклым, если иза;е4
У ?Е А, А, ;> О, ц > 0 следует
v-t=A. D)
Доказательству этой теоремы посвящен § 2.
3 См.: Hausdorff F. Grundzuge der Mengenlehre. Berlin, 1927, S. 227—229.
4 Mazur S., Orllcz W. Uber Folgen linearer Operationen.— Stud, math.,
1933, vol. 4, p. 152—157, особенно с. 152.
170 23. О нормируемости общего линейного топологического пространства
§ 1
В этом параграфе Е может быть произвольной топологической
группой, т. е. произвольным топологическим пространством, в ко-
котором определено сложение, удовлетворяющее всем аксиомам груп-
группы, и сложение и вычитание непрерывны. Мы докажем, что тогда Е
регулярно, иными словами, что для любой окрестности U (х0) эле-
элемента х0 ЕЕ Е найдется окрестность V (х0), которая принадлежит
U (х0) вместе со своим замыканием. При помощи преобразования
х' = х — х0 эта задача сводится к случаю х0 = 0.
Итак, пусть задана окрестность нуля U. Так как 0 + 0 = 0,
то в силу непрерывности сложения можно найти такую окрестность
V нуля, что из х' ЕЕ V, х" ЕЕ V следует х' + х" ЕЕ U. Пусть теперь
х ЕЕ V. Так как х — х = 0 и вычитание непрерывно, то существует
такая окрестность W (х) точки х, что из х' ЕЕ W (х), х" ЕЕ W (х) сле-
следует х' — х" ЕЕ V. Найдем теперь точку х*, которая принадлежит как
W (х), так и V (х* существует, так как х Ej_V). Так как х ж х* при-
принадлежат окрестности W (х), то х — я* ЕЕ V. Так как, далее, х — х*
и х* принадлежат окрестности V, то х = (х — х*) + х* принадле-
принадлежит окрестности U, откуда следует
V€=U, E)
и т. д.
§ 2
Необходимость условий нашей теоремы очевидна, так как со-
состоящий из всех точек с | х | < 1 шар образует выпуклую ограни-
ограниченную окрестность нуля. Остается доказать, что условия доста-
достаточны. Пусть U — выпуклая ограниченная окрестность нуля.
Обозначим через all множество точек х = ах', для которых х' ЕЕ U.
Для любого а ф 0 множество aU есть ограниченная выпуклая ок-
окрестность нуля. Положим по определению
Е \ aU, F)
= sup
х
где знак sup распространяется на все а, для которых выполняется
условие х ЕЕ Е \ aU.
Сразу видно, что определенная формулой F) норма удовлетво-
удовлетворяет условию A).
Покажем теперь, что выполняется также и условие B). Для
этого заметим прежде всего, что из х ЕЕ aU и у ЕЕ aU при X ^5* 0,
ц ^> 0 вытекает
1.x +
EEaU
и, следовательно, из
а и I 2/ I ^С ос имеем
24. О точках разрыва функций двух переменных
171
Полагая [ х | = %, \ у | = ц, X -
получаем
I ж' | = -?-1 х I = а, I у' I = — I у | = а,
= а, х' = ^-х, у'=^-
Остается показать, что расстояние р (х, у) = | х — у \ опреде-
определяет те же предельные отношения, что и в пространстве Е. Рас-
Рассмотрим точку 0 и докажем, что множества all, a ]> 0, образуют
полную систему окрестностей нуля. Пусть W — произвольная ок-
окрестность нуля; надо найти такое а ^> 0, чтобы all содержалось
в W. Если бы это было невозможно, то можно было бы найти та-
такие последовательности ап —» 0 и хпЕЕ U, что для всех п точки
апхп лежат вне W и, значит, последовательность апхп не стремится
к нулю, что противоречит ограниченности U.
Множества aU образуют, следовательно, полную систему ок-
окрестности нуля. Сразу видно, что шар | х \ < а содержится во
множестве aU. Поэтому если будет доказано, что 0 является внут-
внутренней точкой каждого шара | х | < а, а ^> 0, то этим будет уста-
установлено, что система шаров | х \ < а, а~^> 0, эквивалентна полной
системе окрестностей нуля aU. Но каждый шар | х \ <^а, а^>0,
содержит окрестность нуля, равную пересечению 5 1/iaU и —xl^aU.
Действительно, если одновременно х ЕЕ 1/iaU и х ЕЕ —1IiaU, то х
будет лежать в каждой окрестности bU с | Ъ \ !> а/2, откуда сле-
следует | х | < г/2а <,а.
При помощи преобразования х' = х — х0 мы убеждаемся, что
шары с центром в х0 эквивалентны полной системе окрестностей
этой точки. Таким образом, наша теорема полностью доказана.
26 мая 1934 г.
' 24
ПРОДОЛЖЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ!
О ТОЧКАХ РАЗРЫВА ФУНКЦИЙ
ДВУХ ПЕРЕМЕННЫХ*
Совместно с И. Я. Верченко
В предыдущей нашей заметке -1 было доказано, что за исключе-
исключением точек, лежащих на счетном множестве спрямляемых кривых,
все точки области существования G произвольной ограниченной
6 Было бы нетрудно убедиться, что шары [ ж | < а совпадают с пересече-
пересечением aUC\ (—all).
* ДАН СССР, 1934, т. 4, №7, с. 361—362. Представлено Н. Н. Лузиным.
1 ДАН СССР, 1934, т. 1, № 3, с. 104—106 (см. № 22 наст. изд.).
172
24. О точках разрыва функций двух переменных
функции двух переменных являются нормальными точками, т. е.
для них имеют место соотношения
Ф (Ро, а) = Ф (Ро) > f (Ро) > Ф (Ро) = Ф (Ро, а).
Из не нормальных точек может быть выделен класс линейных
точек. Именно будем называть точку Ро линейной точкой функции
/ (Р), если существует такая проходящая через Ро прямая R, что
как Ф (Ро, а), так и ф (Ро, а) принимают по обоим направлениям
вдоль R равные значения, а по обе стороны от R постоянны. Обо-
Обозначая через | положительное направление прямой R, мы можем
записать условия линейности точки Ро следующим образом:
Ф (Ро, |) = Ф (Ро, I + л) = Фо (Ро),
Ф (Л, I) = ф (Ро, I + я) = ф0 (Ро),
л,
2я.
Легко видеть, что при этом неизбежно
Фо (Ро) > Фг (Ро) > ф1 (Ро) > ф0 (Ро),
Фо (Ро) > Ф2 (Ро) > ф2 (Ро) > ф0 (Ро)-
Линейные ненормальные точки могут как показывают элемен-
элементарные примеры, заполнять целиком спрямляемые кривые. В про-
противоположность этому имеет место следующая
Теорема. Множество нелинейных точек произвольной огра-
ограниченной функции f (Р) имеет линейную меру нуль.
Так. как нелинейные точки в то же. время и не нормальны и,
следовательно, все лежат на счетном числе спрямляемых кривых,
то для доказательства этой теоремы достаточно установить, что
множество нелинейных точек имеет лебеговскую меру, равную нулю
на любой1спрямляемой кривой.
В заключение укажем на применения полученных результатов
к изучению плоских множеств в направлении, начатом Булиганом.
Пусть теперь / (Р) есть характеристическая функция плоского
точечного множества Е, т. е. функция, равная единице на Е и нулю
вне Е. В этом случае Ф (Ро, а) может принимать только два значе-
значения — нуль и единица. Множество С (Ро), являющееся суммой всех
полупрямых, выходящих из Ро, для которых Ф (Ро, о) = 1, на-
названо Булиганом контингенцией множества Е в точке Ро. Понятие
контингенции является естественным обобщением понятия касатель-
касательной. Из полунепрерывности (сверху) функции Ф (Ро, а) непосред-
непосредственно вытекает замкнутость контингенции С (Ро).
24. О точках разрыва функций двух переменных
173
В изолированных точках множества Е контингенция его пуста,
так же как во всех точках, лежащих на положительном расстоянии
от Е (последние точки мы будем называть внешними точками для
Е). Напротив, во всех предельных точках множества Е континген-
контингенция содержит хотя бы одну полупрямую. Если предельная точка
множества Е является нормальной точкой функции / (Р), то, оче-
очевидно контингенция множества Е в ней содержит всю плоскость.
В линейных ненормальных точках функции /(Р), помимо случая
контингенции, заполняющей всю плоскость, могут встретиться еще
два существенно различных случая: или
Фо (Ро) = 1, Фх (^о) = фз (ро) = О,
или
В первом из них контингенция состоит из одной прямой (слу-
чайп существования касательной), во втором — из полуплоскости.
В соответствии с этими различиями мы введем следующие опреде-
определения.
Определение 1. Множество Е имеет в точке Ро каса-
касательную, если контингенция С (Ро) этого множества состоит из
одной прямой.
Определение 2. Точка Ро принадлежит правильному краю
множества Е, если С (Ро) состоит из полуплоскости.
Определение 3. Точка Ро есть недостижимая точка мно-
множества Е, если С (Ро) состоит из полной плоскости.
Определение 4. Точка Ро является внешней по отноше-
отношению к множеству Е, если она лежит на положительном расстоянии
от Е.
Определение 5. Во всех остальных случаях точка Ро на-
называется иррегулярной точкой множества Е.
Теорема. Множество точек, в которых множество Е имеет
касательную, множество точек регулярного края Е и множество
иррегулярных точек Е лежат на счетном множестве спрямляемых
кривых. Множество иррегулярных точек имеет на каждой из этих
кривых линейную меру нуль в смысле Лебега. Остальные точки плос-
плоскости являются недостижимыми или внешними для Е.
Москва, 3 ноября 1934 г.
174
25. О сходимости рядов по ортогональным полиномам
25
О СХОДИМОСТИ РЯДОВ
ПО ОРТОГОНАЛЬНЫМ ПОЛИНОМАМ*
В недавно опубликованной заметке И. П. Натансон [1] доказал,
что ряды по ортогональным полиномам при любом суммируемом
положительном весе р (х) сходятся почти всюду к разлагаемой в
ряд функции / (х), если только эта последняя удовлетворяет усло-
условию Липшица с показателем а, большим V2. Нашей задачей являет-
является показать, что тот же результат справедлив для каждой функции,
удовлетворяющей условию Липшица с произвольно малым поло-
положительным показателем а. Мы доказываем даже несколько больше;
именно для сходимости почти всюду упомянутого выше ряда ока-
оказывается достаточным существование таких констант С и е ]> О,
чтобы соотношение
A)
I * * ' ' ^ 111" М |1+8
было справедливо при любых х» ф х'.
Напомним сначала основные относящиеся к вопросу определе-
определения. Пусть на интервале @, 1) задана положительная суммируемая
функция
Р (*) > 0.
Тогда можно и притом единственным способом построить последо-
последовательность полиномов
[со0 (х), щ (х), . . ., соп (х),
где соп (х) есть полином степени п, удовлетворяющую соотноше-
соотношениям
1
I р (х) щ (х) со,- (х) dx = 0, ъф /,
\ р (х) cof (ж) dx = 1.
B)
Каждая функция / (х), определенная на @, 1), для которой произ-
произведение р (х) f (x) суммируемо, порождает ряд
2 сп»п (*).
п=0
C)
* ДАН СССР, 1934, т. 1, № 6, с. 291-294.
25. О сходимости рядов по ортогональным полиномам
175
где
D)
Теорема I. Если функция f (х) удовлетворяет на @, 1) усло-
условию A), то ряд C) сходится к f (х) почти всюду на @, 1).
Доказательство теоремы I будет основано на следующем пред-
предложении.
Теорема II. Ряд C) сходится почти всюду, если только ряд
E)
п=1
сходится.
Теорема II справедлива для произвольных систем функций соь
удовлетворяющих соотношениям B), хотя бы они и не были поли-
полиномами, и произвольных коэффициентов сп независимо от того,
получены ли они по формулам D) исходя от какой-либо функции
/ (х). Теорема эта является простым следствием известных резуль-
результатов Г. Радемахера и Д. Е. Меньшова. В самом деле, положим
X
y=lp(x)dx. F)
о
Без существенного ограничения общности можем предполагать, что
Тогда формула F) определяет взаимно однозначное и непрерывное
преобразование интервала @, 1) в самого себя. Важно отметить,
что при этом преобразовании множества положительной меры на
оси х переходят в множества положительной меры на оси у. Поло-
Положим далее
«п № = ф« (у)-
Легко вывести из соотношений B) соотношения:
G)
Мы видим, таким образом, что функции срп (х) образуют ортогональ-
ортогональную и нормированную систему функций на @, 1). Г. Радемахером
[2] и Д. Е. Меньшовым [3] было указано, что из сходимости ряда
176
25. О сходимости рядов по ортогональным полиномам
E) вытекает сходимость почти всюду на @, 1) ряда
оо
с«фпB/). (8)
п=о
В силу сказанного выше отсюда следует непосредственно и сходи-
сходимость почти всюду ряда C). В самом деле,
п=о
п=о
и если бы ряд C) расходился на множестве положительной меры
на оси х, то ряд (8) расходился бы на множестве положительной
меры на оси г/, что, как сказано, невозможно. Таким образом, тео-
теорема II доказана.
Доказательство теоремы I. Если мы докажем, что
в условиях теоремы ряд C) сходится почти всюду, то из общих
свойств ортогональных полиномов уже будет следовать, что ряд
этот сходится почти всюду именно к функции / (х). Следовательно,
нам достаточно доказать в условиях теоремы I, что ряд C) сходится
почти всюду, а для этого по теореме II достаточно доказать сходи-
сходимость ряда E).
В силу условия A) существует такая константа К, что для лю-
любого п ]> 1 существует полином Рп (х) степени п, удовлетворяю-
удовлетворяющий на @, 1) неравенству (см. [4])
Так как сумма
осуществляет наилучшее квадратическое приближение функции / (х)
на @, 1) при весе р (х) среди всех полиномов п-й степени, имеем
далее
1 1
#п = [ Р (х) {/ (х) - sn (x)}* dx^[p (х) {/ (х) — Рп {х))* dx <
О О
1
p(x)dx~ 5+ii"' (^^)
Из неравенства A0) вытекает непосредственно сходимость ряда
оо
A=1
25. О сходимости рядов по ортогональным полиномам
177
Заметим теперь, что
оо
D V12 п п 2
-fln — 2is ^fri -^n—1 ** n — ^^*
Применяя к ряду A1) преобразование Абеля, заключаем поэтому,
что ряд
A2)
п=2
где
п—1
л„ =
также сходится. Но так как кп возрастают быстрее, чем
то из сходимости ряда A2) вытекает сходимость ряда E). Этим в
силу сказанного ранее и заканчивается доказательство теоремы I Ч
21 декабря 1933 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Натансон И. П. К вопросу о разложении функций по ортонормированным
полиномам.— Изв. АН СССР. Сер. физ.-мат., 1933, т. 1, с. 85—88.
2. Rademacher H. Einige Satze iiber Reihen von allgemeinen Orthogonalfunktio
nen.— Math. Ann., 1922, Bd. 87, S. 112—138.
3. Menchoff D. Sur les series de fonctions orthogonales.— Fund, math., 1923,
vol. 4, p. 82—105.
4. Jackson D. The theory of approximation. New York, 1930.
1 Указание на связь, существующую между проблемой, поставленной
И. П. Натансоном, и результатом Г. Радемахера, который использован в этой
заметке, содержится также в рецензии на работу И. П. Натансона, данной
Шохат (см.: Zbl. Math., 1933, Bd. 7, S. 17). Однако эта рецензия содержит ряд
утверждений, с трудом поддающихся пониманию. Например, в'ней утверждает-
утверждается, что для последовательности функций фп (х) с интегрируемым квадратом и»
lim
р^ (х) dx =
следует
^lim фп (х) = 0
почти всюду на (а, Ъ). Следующий пример противоречит этому утверждению
Фп (х) = 0, если х < И2к или х > (i + 1)/2*.
фп (х) = 1, если г/2* < х < (i + l)/2fc,
где
п = 2fc + 1, i = 0, 1, 2, . . ., 2s - 1.
Г/8
26. Преобразование Лапласа в линейных пространствах
26
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛАПЛАСА
В ЛИНЕЙНЫХ ПРОСТРАНСТВАХ*
1. Пусть Е — сепарабельное банахово пространство. Рассмот-
Рассмотрим действительную вполне аддитивную функцию множества F (А),
определенную на всех 5-измеримых подмножествах А пространст-
пространства Е. Для линейного функционала / всегда существует интеграл
Лебега—Стилтьеса
Я (/) =
> dF (E),
где х — переменная, по которой производится интегрирование в
пространстве Е. Функция Я (/) функционала / является по опре-
определению характеристической функцией для F (А). Можно показать,
что функция множества F (А) полностью определяется соответ-
соответствующей функцией Н (/). Было бы очень интересно найти простую
аналитическую формулу, выражающую F (А) через Н (/).
2. Обозначая A -f- х множество точек вида z = у + х, где у?4,
можно доказать, что соотношение
E
эквивалентно соотношению
Этот факт может иметь некоторые применения в теории вероятностей.
В частности, отсюда можно получить обобщение на линейные про-
пространства фундаментальной предельной теоремы Лапласа. Для этой
цели в качестве нормальных рассматриваются распределения F (А)
с характеристической функцией
где М1 (/) — произвольная линейная форма, а М2 (/, /) — некото-
некоторая квадратичная положительно (или неотрицательно) определен-
определенная и симметричная форма.}
3. Пусть теперь
Мп (Д, А, ...,/„)= J А (*) А {х)... /„ (х) dF (Е).
Е
* La transformation de Laplace dans les espaces linearies.— C. r. Acad. sci.
Paris, 1935, vol. 200, p. 1717—1718. Представлено Ж. Адамаром. Перевод
А. В. Булинского.
27. О порядке остаточного члена рядов Фурье
179
Полилинейная форма Мп называется моментной формой и-го по-
порядка распределения F (А). В случае конечности интеграла
легко получить разложение Тейлора
1
п\
(«+ 1I
4. Пусть, наконец,
у = Ux
— линейное преобразование пространства Е и
G(A) = F {U (А)}.
Для моментов Nn распределения G {А) имеет место формула
Nn (/) = Мп {V (/)}.
Здесь Nn (/) = Nn (/, / , /), Мп {V (/)} = Мп (V (/), V (/),.. .,
. . ., V (/)), V — преобразование, сопряженное к преобразованию U.
Таким образом, для последовательности линейных преобразо-
преобразований пространства Е возможно изучать поведение моментов Nn
различных порядков отдельно при каждом п. Вследствие этого
общего факта в квантовой физике изучение распределений в линей-
линейных пространствах заменяют изучением моментов второго порядка
(рассматриваемых обычно в виде линейных операторов). Если бы
мы хотели создать нелинейную квантовую теорию, было бы необ-
необходимо рассматривать сами распределения, или их характеристи-
характеристические функции, или, наконец, всю совокупность моментов Nn.
20 мая 1935 г.
27
О ПОРЯДКЕ ОСТАТОЧНОГО ЧЛЕНА
РЯДОВ ФУРЬЕ
ДИФФЕРЕНЦИРУЕМЫХ ФУНКЦИЙ *
Первая постановка вопроса. Рассмотрим класс всех периоди-
периодических (с периодом 2я) функций / (х), непрерывных вместе с их
производной порядка р (р > 1), у которых производная /(р> (х)
по абсолютной величине меньше или равна 1. Абсолютное
* Zur Grossenordnung des restgliedes Fourierschen Reihen differenzierbarer
Funktionen.— Ann. Math., 1935, vol. 36, p. 521—526. Перевод С. А. Теляковского.
180
27. О порядке остаточного члена рядов Фурье
значение остаточного члена
Rn (/, х) = / (х) 5~ ао —¦ / (я-к cos kx + bk sin kx)
ряда Фурье имеет для этого класса функций конечную не завися-
зависящую от х верхнюю грань С[р).
Для произвольной периодической р раз непрерывно дифферен-
дифференцируемой функции / (х) непосредственно получаем неравенство
где Мр (/) — верхняя грань для | /(р) (х) |. Константа С^р) в не-
неравенстве A), очевидно, не может быть понижена.
Вторая постановка вопроса. Можно рассматривать также более
широкий класс всех периодических функций / (х), непрерывных
вместе со своей производной порядка р — 1, у которых (р — 1)-я
производная удовлетворяет условию Липшица
Верхняя грань С„ величин | Rn (/, х)\ для этого более широкого
класса функций остается, однако, той же самой, как и при первой
постановке задачи.
А. Лебег [1] 1 показал в 1910 г., что С^ имеет порядок (log n)ln.
Наша задача — показать, что вообще
C)
Я-= nf \ Пу
В случае нечетных р мы докажем также точную формулу
2Я
sin kx
dx.
Дальнейшее изложение основывается на второй из указанных
выше постановок вопроса. Так как производная /(р-1> (х) удов-
удовлетворяет условию Липшица B), то почти всюду существует также
производная порядка р и | /(Р> (х) | <^ 1. Наоборот, произвольная
измеримая определенная всюду, за исключением некоторого мно-
множества меры нуль, функция ср (х), для которой
2Я
E)
может быть] выбрана в качестве /(р> (х).
1 Здесь исправлена неточность в ссылке, имевшаяся в оригинале.— При-
Примеч. пер.
27. О порядке остаточного члена рядов Фурье
181
После этих замечаний положим
. 2га+ 1
1I1 х
S1I1
2 sin A/2)
sin кх
sin kx
2m
/г=1
к=п+1
Очевидно,
Z)« Bя) - Df @) = я,
Z>f Bя) - D^ @) =0, р > 2.
Из известной формулы Дирихле
F)
G)
(8)
(9)
A0)
(И)
A2)
о
получаем, повторяя интегрирование по частям, в силу A0)—A2)
2Я 2Я
^п @) = / @) - -L J /' (г) Z)« (Ж) ^ = / @) + -jr \ /" № № П dx=
Следовательно,1]
дп (/, 0) = / @) - Sn @) =
р > 1.
A3)
Заметим еще, что СТ является также верхней гранью для Rn (/, 0),
так что С^ равняется верхней грани величин
2Л
A4)
182
27. О порядке остаточного члена рядов Фуръе
для всевозможных] измеримых функций <р (х), удовлетворяющих
условиям E). Отсюда непосредственно следует неравенство
2Я
A5)
о
В случае нечетных р в силу G) и (9) D™ (х) является нечетной
функцией от х. Полагая в этом случае ф (х) = +1 во всех точках,
в которых ?>'р) > 0, и ф (х) — —1, если Z>ip) < 0, получим функ-
функцию ф (х), удовлетворяющую условиям E). Для этой функции ф (х)
имеем
2Я 2Я
4" $ Ф (*) ДпР> (a:) dx = 4" J I ^ (*) I <**•
to о
Итак, мы видим, что в случае нечетных р
2Я
A6)
Таким образом, для нечетных р доказана формула D).
§2
АСИМПТОТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЛЯ С(Р>
В СЛУЧАЕ p = 2i + l (г>0)
Речь идет об асимптотической оценке интеграла A6). Положим
ф ли-
2Я
^=-~- J \D$\x)\dx.
2 sin (x/2)
4(sina/2))»
A2 (k) = A (A) - A (k + 1).
При этом
<Dfc (ж) - Фк-г (х) = sin Аж,' Tfc (ж) - Tfe_x (x)
Преобразование Абеля приводит к соотношению
= Фк (х).
к=п+1
A7)
7. О порядке остаточного члена рядов Фурье
183
Заметим теперь, что
и, следовательно,
2Я— 1/п
а также,
2Я—1/п
С
)
1/п
А (к)
что
1 V
1 тп
= 0
), А2 (к) = О A//ср+а),
поэтому из A7) получаем оценку
2_П 2Я—1/п
1/п
5
О
Д(п
2Я—1/п
2Я—1/п
1/п
2Я— 1/Jr
?c=n+l l/fc
(г) | da: =
С другой стороны, подобно тому как для констант Лебега
2Л
:=4§ \Df(x)\dx = ±\ogn + O(l),
2Я
sin
2
2n + l
2
sin (ж/2)
A9)
2 При р = 1 оценка | D^1 (х) | = О A) вытекает из G) в силу равномерной
ограниченности частных сумм ряда \ sm . — Примеч. пер.
184
27. О порядке остаточного члена рядов Фурье
доказывается, что
2Л—1/П
2Я-1/П
4- j \on(x)\dx=±. с
COS
2 sin (я/2)
Из A8) и B0) получаем окончательно
2Я
^-^r log n+ 0A).
B0)
B1)
Таким образом, в силу B1) и A6) соотношение C) доказано для
нечетных р.
§ 3
АСИМПТОТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЛЯ
В СЛУЧАЕ p = 2i (г>1)
Положим в этом случае
«nv/— 2 \ sin (ж/2) J
и заметим, что
Dk0) (x) — D& (x) = cos kx, ak (x) — 0^ (x) = D^ (x).
Тогда с помощью преобразования Абеля получаем
cos kx
k=n+l
{x) ~A(
B2)
Заметим теперь, что, как известно,
2Я
27. О порядке остаточного члена рядов Фурье
185
Отсюда следует неравенство
2Я 2Я
2Я
= 0 -L. . B3)
Далее, из A5), B2), A9) и B3) следует оценка
2Я 2Я
2Я
B4)
Пусть, наконец, ф (х) = 0 на отрезке 0 <; х <[ 2я/Bтг + 1) и ф (х) =
= +1 или ф (х) = —1 для х^> 2п/Bп + 1), смотря по тому, яв-
. 2*+1 Q
ляется ли sin —^— х положительным или отрицательным. Эта
функция удовлетворяет условиям E). При этом
2Я 2Я
±- jj ф (х) Df (x)dx = ± jj | DT (x) I dx = ± log n + О A)
2Я/Bп+1)
и в силу B2) и B'3)
2Я
¦О
B5)
Из B5) следует в силу определения С„ , что
(р) >J_Jogn_ 0[J
B6)
Вместе оценки B6) и B4) приводят к доказательству соотношения
C) также и в случае четных р.
Клязьма, близ Москвы, 30 ноября 1934 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lebesgue H. Sur la representation trigonometrique approchee des fonctions
satisfaisant a une condition de Lipschitz.— Bull. Soc. math. France, 1910,
vol. 38, p. 184—210.
186 28. О наилучшем приближении функций заданного класса
28
О НАИЛУЧШЕМ ПРИБЛИЖЕНИИ ФУНКЦИИ
ЗАДАННОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КЛАССА *
1. Общая постановка вопроса. Мы предполагаем, что для рас-
рассматриваемых функций введено некоторое определение расстояния.
Если рассмотреть задачу о приближении функции / линейными
формами
28. О наилучшем приближении функций заданного класса 187
Ф
С2ф2
Спф„
с фиксированными функциями cpl5 ср2, . . ., срп, то возникнет задача
(задача Чебышева): с помощью подходящего выбора коэффициентов
с-у, с2, . . ., сп сделать возможно малым расстояние р (/, ф). Не об-
обсуждая вопросов существования в единственности, обозначим через
Еп (/) нижнюю грань расстояний р (/, ф). Для класса F функций /
обозначим, далее, через Еп (F) верхнюю грань величин Еп (/) для
всех / из F. Величина Еп (F) определяется классом F и функциями
Фи фг! • • • > Фп- Мы ставим теперь новую задачу: для заданных F и
п доставить минимум для Еп (F) за счет выбора функций ф1? ф2, . . .
. . ., фп. Независимо от существования этого минимума обозначим
через Dn (F) нижнюю грань Еп (F).
Таким образом, каждому функциональному классу F соответ-
соответствует последовательность вполне определенных неотрицательных
(возможно, бесконечных) величин
Dx (F) >D2{F)>--->Dn{F)^ ...
Если минимум Dn (F) действительно достигается на Еп (F), то мож-
можно поставить также вопрос о единственности, именно в следующем
смысле: определяются ли функции ф1? ф2, . . ., ф„, которые достав-
доставляют минимум Dn (F), с точностью до некоторого линейного пре-
преобразования однозначно или нет!
2. Специализация. Далее мы рассматриваем только функции
одного действительного переменного, определенные на отрезке
[О, 1]. В качестве расстояния р (/, ф) вводим
При этих предположениях нам удалось получить простые резуль-
результаты для следующих классов функций:
* Ueber die beste Annaherung von Funktionen einer gegebenen Funktionen-
klasse.—Ann. Math., 1936, vol. 37, p. 107—110. Перевод С. А. Теляковского.
состоит из всех р раз дифференцируемых функций /,
для которых
F% (p ^> 1) состоит из всех функций из Fp, которые удовле-
удовлетворяют условиям периодичности /@) =/A), /' @) =/' A), . . .
. . ../(Р-1* @) =/№-« A).
3. Результаты. В случае F% имеем
D2m(F*p) =
= 1, 2, 3,...,
при этом минимум Dn (Fp) всегда достигается; наилучшие функции
%, фа, . . ., ф„ в случае' п = 2т + 1 определяются с точностью до
линейного преобразования однозначно \ а именно ими |являются
1, )/ sin 2nkx, Y% cos 2nkx, k = 1, 2, . . ., m.
В случае Ft имеем]
Dn(Fi) = ~, n = 1,2/3,...;]
причем наилучшие функции ф17 ф2, • . ¦, фп при каждом п опреде-
определяются с точностью до линейного преобразования однозначно, ими
являются
1, У cos лкх, /с = 1, 2, . . ., п — 1.
Результаты в случае Fp при произвольном р нельзя выразить
так просто: они зависят от некоторой специальной, своей для каж-
каждого р ортонормированной системы функций
upii иуг,..., upr,...,
которая будет определена в п. 4. Будет доказано, что в случае Fp
Dn(FP) = +<*>, п = 1,2, . . .,р - 1,
D (*¦) п р + 1р + 2
где hf' — собственные числа, определяемые в п. 4. При этом асим-
асимптотически (при фиксированном р)
1 Предположения о единственности наилучших функций, высказанные
в этой работе, не оправдались, см. комментарий к этой статье.— Примеч. пер.
188 28. О наилучшем приближении функций заданного класса
В случае Fp наилучшие функции ц>±, ц>2, . . ., ц>р при п ^> р опре-
определяются с точностью до линейного преобразования однозначно,
ими являются первые п функций Upk, к = 1, 2, . . ., п. При р = 1
этот результат согласуется со сказанным выше, так как
Un = 1, Uln = /2 cos я (п — 1) х, и = 2, 3, ...
4. Определение и свойства функций Uvn. Для п = 1, 2, . . ., р
положим Um равными многочленам Лежандра степени п — 1Т
нормированным условием
28. О наилучшем приближении функций заданного класса
189
Для п = р -f- к, к ^> 0, определим ?/р„ как таким же образом нор-
нормированное решение системы
(_1)РУ(8Р) - ^ = О, ¦
Ух=0,1 — Ух=0,1 • • • — Ух—0,1 — и>
соответствующее к-му отличному от нуля собственному числу ^
системы (А) (при этом мы, само собой разумеется, считаем, что Х^
упорядочены в порядке их возрастания). Это определение предпо-
предполагает, что все отличные от нуля собственные числа задачи (А)
положительны и просты, что действительно имеет место 2.
Из свойств системы {U]m} (при фиксированном р) мы хотим
отметить следующие:
1. Эта система ортонормирована и полна.
2. Производные порядка р
a T7
рп
образуют ортогональную (хотя и не нормированную) систему функ-
функций
3. Для каждой р раз дифференцируемой функции /, для которой
1
из
Отметим, что свойствами 1—3 система {V^ определяется одно-
однозначно с точностью до замены многочленов Лежандра какими-либо
другими р ортонормированными многочленами степени <J>.
Наконец, упомянем еще, что при п <; р функции мрп тождест-
Нкц, у щ, р <
венно равны нулю, а при п = р + к, к
решением системы
(_1)Pj,(*p> - Ху = О,
р
0, ирп является тем
(В)
следует справедливость разложения
2/ж=о, 1 — Ух=о, 1 • • — Ух=о, 1 — ui
которое соответствует &-му отличному от нуля собственному числу
)ffl (собственные числа задач (А) и (В), очевидно, совпадают)
Вместо обычных условий нормировки здесь принимается условие
ln dx =
5. Геометрический смысл доказательства. Сначала сделаем не-
несколько замечаний к общей постановке вопроса. Множество функ-
функций ф = с1ф1 + с2ф2 + • • • + с„ф„ при фиксированных функциях
фь ф2, . . •, ф„ образует и-мерное линейное подпространство Фп
пространства R всех рассматриваемых функций. Еп (/) является
расстоянием точки / от множества Фп. Величина Еп (F) является,
таким образом, естественной мерой уклонения множества F от ли-
линейного пространства Фп. Следовательно, нижнюю грань Dn (F)
величин Еп (F) можно назвать п-м поперечником множества F.
Наши специальные рассмотрения относятся к гильбертову про-
пространству Н всех интегрируемых с квадратом функций. Множества
Fp и Fp можно понимать как эллиптические цилиндры этого про-
пространства. Геометрически почти очевидно, что в этом случае мини-
минимум Dn (F) величин Еп (F) достигается, если рассмотреть «-мерное
линейное пространство Фп, натянутое на п наибольших главных
осей цилиндра F. Эти главные оси легко находятся с помощью
классических приемов вариационного исчисления. В частности,
в случае Fp направления главных осей совпадают с определен-
определенными выше функциями Uvi.. Длины соответствующих полуосей при
к ^ р бесконечны, а при к = р -\- i, i ^> 0, равны величинам 1/V Xt*
1 мая 1935 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крейн М. Г. Об одном специальном классе дифференциальных операто-
операторов.— ДАН СССР, 1935, т. 2, с. 345—349.
2 См. работу М. Г. Крейна [1] (находившуюся тогда в печати.— Примеч.
пер.). Я благодарю М. Г. Крейна за соответствующее письменное сообщение.
190
29. О законах двойственности в комбинаторной топологии
29
О ЗАКОНАХ ДВОЙСТВЕННОСТИ
В КОМБИНАТОРНОЙ ТОПОЛОГИИ*
1. Граница r-мерного алгебраического комплекса является
(г — 1)-мерным алгебраическим комплексом [2]. Одновременно с
операцией перехода к границе мы рассмотрим двойственную опе-
операцию, которая каждому r-мерному алгебраическому комплексу
сопоставляет (г + 1)-мерный. Полученная при этом теория, двойст-
двойственная к обычной теории гомологии, дает новое понимание клас-
классических теорем двойственности Пуанкаре и Александера. Она
верна не только для обычных комплексов, но и для более общих
структур, которые мы вместе с А. В. Таккером [3] назовем клеточ-
клеточными пространствами. При этом мы ограничимся рассмотрением
только конечных клеточных пространств. Такое пространство яв-
является по определению конечной системой элементов (клеток);
каждой клетке соответствует целое число — ее размерность; выде-
выделены некоторые пары клеток, размерности которых отличаются на
1 и которые будут называться взаимно инцидентными. Инцидент-
Инцидентность клеток хТ и xr-1 размерностей гиг — 1 будет обозначаться
хг -> хг-К
2. Клеточное пространство R называется ориентируемым [4],
если каждой r-мерной клетке хг из R соответствует другая
/•-мерная клетка этого пространства, обозначаемая —хг, при этом:
1) — (—хг) = хТ; 2) из хт -^ хт~х следует —хг -+ —аГ1; 3) обо-
обозначения хг —>х г~г и хг —> —хг~х несовместны.
3. r-мерный алгебраический комплекс есть функция f{xr), которая
каждой клетке хт ориентированного клеточного пространства R
ставит в соответствие элемент фиксированной абелевой группы /,
называемой областью коэффициентов, причем должно выполнять-
выполняться условие / (—хг) = —/ (хг). Читатель сам заметит, что эта точка
зрения идентична обычному пониманию алгебраического комплекса
как линейной формы с клетками в качестве переменных и с коэф-
коэффициентами из данной области [5]. Однако у нее есть преимущество
большей логической простоты, которое является удобным, особен-
особенно в случае бесконечных клеточных пространств. Эти преимущества
выявляются и в дальнейшем при написании индексов размерности
и знаков функции; таким образом, r-мерный алгебраический ком-
комплекс (на данном ориентируемом клеточном пространстве) можно
обозначить f (xr). Совокупность r-мерных алгебраических комплек-
комплексов над данной областью коэффициентов образует абелеву группу,
которую мы обозначим Fr (R, J).
29. О законах двойственности в комбинаторной топологии 191
4. Определим теперь для произвольной f = f (xr):
xr+l
* Ueber die Dualita't im Aufbau der kombinatorischen Topologie.— Мат.
сб., 1936, т. 1, с. 97—102. Перевод О. В. Локуциевского. См. [1].
сумма в обоих случаях распространяется на те r-мерные клетки,
которые инцидентны хг~1 или xr+1. Ясно, что guf является не чем
иным, как границей алгебраического комплекса в обычном понима-
понимании этих слов [6].
5. Для дальнейшего построения теории введем следующие ак-
аксиомы:
AUJ. Для всех г и всех f:
guguf = 0.
AOJ. Для всех г и всех f:
gogof = 0.
Эквивалентность этих двух аксиом можно проверить простым
подсчетом. Верно даже большее: если одна из этих аксиом выпол-
выполняется для целочисленной области коэффициентов, то обе аксиомы
верны для любой области коэффициентов.
6. Дадим обычные определения: если gufr = 0, то f называется
и-циклом; если gof = 0, то f называется 0-циклом. Совокупность
r-мерных м-циклов, соответственно 0-циклов, образует подгруппу
Zru (R, J), соответственно ZT0 (R, J), группы Fr (R, J). Мы говорим,
что f\ и /г и-гомологичны или ^-гомологичны между собой, если су-
существуют f+1 или f'1 такие, что guf'1'1 = /i — й или gof'1 =
= f[ —f\. Гомологичность будет обозначаться /I ~ /?, соответст-
соответственно f[ ~ f\. Когда f гомологичен 0, мы говорим, что f «ограни-
«ограничивает», точнее «м-ограничивает», соответственно «0-ограничивает».
Из АШ или AOJ следует, что каждый «-ограничивающий комплекс
является м-циклом, а каждый (^ограничивающий комплекс —
0-циклом. Ограничивающие циклы назовем также границами (м-гра-
ница, 0-граница).
7. В группах Z« = Zru (R, J) или Zr0 = Zr0 (R, J) г-мерных
м-циклов, соответственно 0-циклов, содержатся подгруппы Hru, соот-
соответственно Щ-1 границ. Фактор-группы Bru = 7lu — НТи и В\ = Zr0 —
— Hi суть по определению r-мерные группы Бетти данного клеточ-
клеточного пространства по области коэффициентов /; точнее, Вги есть
ц-группа Бетти, a Bl — 0-грудпа Бетти; м-группы являются, ко-
конечно, теми самыми группами, которые до сих пор обычно понима-
понимались под группами Бетти в комбинаторной топологии. Когда есть
необходимость указать клеточное пространство или область коэф-
коэффициентов, то пишем подробно Bru (R-, J), соответственно Br0 (R, /).
192
29. О законах двойственности в комбинаторной топологии
29. О законах двойственности в комбинаторной топологии
193
Без труда можно перейти к рассмотрению пар областей коэффици-
коэффициентов [7] /' ZD J и определить группы Ни (R, J, /') и НТ0 (R, J, /'),
а также
Bru (R, J, /') = Zru (R, J) - Hru (R, J, /')
ш
Вг0 (R, J, /') = ZS (Я, /) - Нг0 (R, J, /').
8. Ориентированное клеточное пространство называется клеточ-
клеточным комплексом, если оно изоморфно (т. е. может быть взаимно
однозначно отображено с сохранением размерности, ориентации и
инцидентности) совокупности ориентированных клеток евклидова
клеточного комплекса (т. е. разбиению на клетки полиэдра). При
этом необходимо помнить, что вершины евклидовых клеточных,
комплексов надо учитывать дважды — один раз со знаком плюс,
а другой — со знаком минус. В соответствии с этим каждый одно-
одномерный элемент евклидова клеточного комплекса инцидентен одной
положительной и одной отрицательной вершинам.
9. Как известно, и-грушш Бетти, т. е. обычные группы Бетти
разбитого на клетки полиэдра, топологически инвариантны (это
означает, что разбиения на клетки гомеоморфных полиэдров имеют
изоморфные группы Бетти). Такая же теорема об инвариантности
верна и для 0-групп Бетти. Она выводится [8] из инвариантности
•м-групп при помощи теорем двойственности, рассматриваемых в
п. 14.
10. Два ориентированных клеточных пространства R и R' на-
называются и-двойственными друг другу, если они могут быть так
взаимно однозначно отображены одна на другое, что каждая
r-мерная клетка хг одного пространства соответствует одной (п — г)-
мерной клетке другого; пары инцидентных клеток переходят в пары
инцидентных клеток и, следовательно, если клетки х и х' соответ-
соответствуют друг другу, то клетки —х и —х' тоже соответственны.
Очевидно существует только одно с точностью до изоморфизма
клеточное пространство, которое и-двойственно данному клеточно-
клеточному пространству R; мы обозначим его DnR. Примем в дальнейшем,
что при рассмотрении пары п-двойственных пространств выбирается
обычно определенное взаимно однозначное соответствие между ними.
Это дает возможность говорить о фиксированном соответствии кле-
клеток х и х , двойственных друг другу.
11. Пользуясь классическим определением и-мерного замкнуто-
замкнутого многообразия ЛГ1, легко доказать, что ориентированное клеточ-
клеточное пространство R изоморфно разбиению на клетки ориентирован-
ориентированного Мп, если и только если R и DnR являются клеточными ком-
комплексами. Если R есть разбиение на клетки М™, то DnR — с точ-
точностью до изоморфизма двойственное ему в классическом смысле
разбиение М71.
12. Кажому алгебраическому комплексу f (xr) клеточного про-
пространства R соответствует алгебраический комплекс hn~r (xn~r) про-
пространства DnR, т. е. функция, которая на клетках хп~г, двойствен-
двойственных к хг, принимает значения f (хТ). Если при этом f = gufr+1,
то для только что введенных функций hn~r и hn~r~1 верно двойствен-
двойственное соотношение
А"-' = gohn-r-1.
Аналогично из равенства /r+1 = g^ следует, что
hn~r-1 = guhn-r.
Отсюда легко выводится изоморфизм
Bl (R, /) ж Bfr (DnR, J).
Из этого изоморфизма и из п. 11 следует первая теорема двойствен-
двойственности для ориентированного 4
13. Для дальнейших рассуждений, которые в первую очередь
будут посвящены связи между группами В^ и Bl, мы должны рас-
рассмотреть случай, когда область коэффициентов / является топо-
топологической абелевой группой. Тогда группа Fr всех алгебраических
комплексов f тоже окажется топологической, как топологическое
произведение конечного числа сомножителей, каждый из которых
совпадает с / (число сомножителей при этом равно числу пар кле-
клеток (хг, —хТ) клеточного пространства R). Топология группы Fr
порождает естественным образом топологию в подгруппах Zra, Zru,
Ни, Щ, а также обычным путем — в фактор-группах Вти и В\.
14. Пусть теперь А и В — две локально бикомпактные тополо-
топологические абелевы группы, каждая из которых является группой
характеров другой (в смысле Понтрягина [9]). Тогда группы
Вги (R, А) и Br0 (R, В) локально бикомпактны и удовлетворяют
следующему закону взаимности: Bru (R, А) и Bl (R, В) являются
группами характеров одна другой.
Мы наметим доказательство этого утверждения. Пусть а — лю-
любой элемент из А, Ъ — любой элемент из В; тогда Ь является гомео-
гомеоморфизмом группы А в группу К действительных чисел, приведен-
пых по модулю 1; таким образом, Ь (а) есть элемент группы К,
который мы обозначим как произведение а X Ь элементов а и Ъ.
Это умножение дистрибутивно с обеих сторон. Алгебраический
комплекс из R относительно А (т. е. функцию со значениями в А)
обозначим f = f (xr), алгебраический комплекс относительно В
через К = hr (xr). Определим умножение комплекса /'' на комплекс
7 А. Н. Колмогоров
194 29. О законах двойственности в комбинаторной топологии
29. О законах двойственности в комбинаторной топологии
195
hr по формуле
f xhr=
hr{xr).
/es
Это определение позволяет рассматривать f как линейный функ-
функционал от kr (со значениями в К); и, конечно, наоборот можно рас-
рассматривать hT как линейный функционал от f.
Оказывается (проверяется вычислениями), что всегда
A)
Таким образом, операторы gu и g0 ведут себя как сопряженные в тео-
теории линейных операторов.
Дальнейший путь доказательства закона взаимности таков.
Группу Fr (R, В) всех hT можно понимать как группу всех гомео-
гомеоморфизмов группы Fr (R, А) в К, т. е. как группу характеров
группы Fr (R, А). Далее, используя A), можно доказать, что
ZrQ(R, В) является аннулятором [10] Нги {R, А) в Fr (R, В). Отсюда
вытекает, что Zj (R, В) есть группа характеров фактор-группы
Fr (R, А) — Ни (R, А). Далее, Zu (R, А) есть аннулятор Hr0 (R, В)
в Fr (R, А); следовательно, Н\ (R, В) является группой характеров
Fr (R, А) — Zu (R, А). Из всего этого вытекает, что ВТ0 (R, В) =
= Z\ (R, В) — Hi (R, В) есть группа характеров группы
{F (R, А) - К (R, А)} - {Fr (R, А) - Zru (Я, А)} да
^Zu (R, А) - Hi (R, А) = Вти (R, А).
15. Рассмотрим теперь разбиение на клетки сферы S". Клетки
этого разбиения обозначим через х, а клетки двойственного разбие-
разбиения — через у. Пусть К — некоторый построенный из клеток аг
комплекс, ai — множество клеток х, которые не принадлежат К;
обозначим через К' множество клеток у, двойственных клеткам
из L. Легко[ видеть, что К' является комплексом, тогда как L ком-
комплекса не образует, но удовлетворяет аксиомам AOJ и AUJ. Группа
Вги (К') есть не что иное [11], как обычная группа Бетти дополни-
дополнительного пространства Sn — К; мы обозначим ее через 5„ (?"— К).
Из дальнейших формул п. 16 и 17 можно заключить, что группы
Ви (L), Во (К') и Br0 (L) также являются Топологическими инвариан-
инвариантами дополнительного пространства Sn — К. Обозначим эти груп-
группы *Bl (Sn - К), Bl (Sn -К) л *Br0 (S" - К). Группа *Bru (Sn -
— К) есть при этом группа Бетти, полученная с помощью «открытых»
циклов из S71— К [12].
16. При 1 <[ г <[ п верна формула
В'и1 (К) » *Bru {Sn — К) да В™ Eя — К).
Второй изоморфизм следует из двойственности L и К' в силу
п. 12. Докажем [13] первый изоморфизм.
Любой ц-цикл zT~x из К ограничивает в Sn: z1" = gyf. Функ-
Функция f, рассматриваемая на L, есть, очевидно, цикл. Различные f,
ограниченные одним и тем же циклом или циклами, гомологичными
(на К) друг другу и данному циклу zr-1, гомологичны на L.
Таким образом, каждый (г — 1)-мерный класс гомологии на К
соответствует r-мерному классу гомологии на L. Так как эти соот-
соотношения двойственны, то Ви1 (К) и *Ви (?" — К) изоморфны.
Таким образом, мы доказали формулу A). Изоморфизм между
ВГиХ (К) и Bo~r (Sn — К) назовем второй теоремой двойствен,"
ности.
17. Пусть теперь снова А и В — группы характеров друг друга.
Тогда группой характеров группы
Вг-Х (К, А) да •#* (Sn - К, А) да Bn0-r (sn — К, А)
является с точностью до изоморфизма группа
В1'1 (К, В) да *Br0 (Sn — K,B)^ BTr (S* — К, В).
(Доказательство следует непосредственно из закона взаимности
п. 14.)
|В доказанном содержится теорема двойственности Александера:
ВТиг (К, А)ж Bu'r (Sn — К, В) суть группы характеров друг друга.
18. В случае г = 1 аналогичным путем получим „,-
В°и (К,\ А) да *Bl (Sn -К, А) + А да Bf (Sn -К, А) + А
есть группа характеров для группы
В°о (К, В) х *В\ (Sn -К, В) + В^
Наконец, для г = п находим, что
ВТ1 {К, А) + А да *Впи EП - К, Л)
и'1 (Sn -К, В) + В,
В°о (Sn - К, А)
есть группа характеров группы
ЯГ1 (К, А) + В да *Вп0 (Sn -Ш, В) да Я° Eя - К, В).
ПРИМЕЧАНИЯ
1. Результаты этой работы применительно к обычным комплексам были
получены автором весной и летом 1934 г. и частично доложены на Международ-
Международной конференции по тензорному анализу (Москва) в мае 1934 г. Общая теория,
представленная здесь, составила основу доклада, который автор прочел на Меж-
Международной топологической конференции (Москва, сентябрь, 1935); в послед-
последнем докладе автор отметил, что большая часть этих результатов получена
Александером. См. вышедшую за это время из печати заметку Александера:
196
29. О законах двойственности в комбинаторной топологии
Ргос. Nat.| Acad. Sci. USA, 1935, vol. 21, p. 509—512. Александер тоже доложил
свои результаты на Московской топологической конференции. Обобщение на
случай замкнутых множеств и конструкция колец гомологии для комплексов
и замкнутых множеств, также доложенные автором на конференции по тен-
тензорному анализу в 1934 г., будут представлены в последующих публикациях.
Эти дальнейшие конструкции, впрочем, также были найдены Александером и
частично опубликованы в цитированной заметке.
2. По поводу терминологии и обозначений из комбинаторной топологии
см.: Alexandrojf P. S. Einfachste Grundbegriffe der Topologie. Berlin: Spring.
Verl., 1932, и в особенности: Alexandroff P., Hopf H. Topologie. Berlin: Spring.
Verl., 1935, Bd. 1, Tl. 4.
3. Tucker A. W. An abstract approach to manifolds.— Ann. Math., 1933,
vol. 34, p. 191—243. Клеточные пространства составляют частный случай дис-
дискретных пространств в смысле П. С. Александрова (см. его заметку: Sur les
espaces discrete.— С. r. Acad. sci. Paris, 1935, vol. 200, p. 1649—1650). Значи-
Значительная часть представленных здесь результатов верна для более общих дис-
дискретных пространств, нежели клеточные; в частности, если предположить про-
пространство частично упорядоченным и конечным. Мы определяем размерность
(следуя Таккеру) как гомеоморфное отображение данного дискретного про-
пространства (рассматриваемого как частично упорядоченное множество) в (упо-
(упорядоченное) множество целых чисел, что отличается от специального опре-
определения по Александрову. См. также: Rham A. de. Sur l'Analysis situs des
varietes a rc-dimensions: These.— J. math, pures et appl. Ser. 9, 1931, vol. 10,
p. 115-200.
4. См.: Tucker A. W.~ Ibid.
5. Alexandroff P., Hopf H. Topologie. Bd. 1, S. 168—170. Следует при этом
заметить, что если множество лежащих в R клеток размерности г пусто, то су-
существует единственная функция /г с пустой областью определения.
6. В случае симплициальных комплексов и в употребительных в наши дни
обозначениях комбинаторной топологии определения звучат следующим обра-
образом. Пусть сначала комплекс f = txr содержит только один симплекс хг.
Обозначим инцидентные хТ (г — 1) (соответственно (г + 1))-мерные ориентиро-
ориентированные симплексы aj, 1
Мы определяем
х^Г1 (соответственно х*+1, . . ., x
rr+1)
Тогда для любого алгебраического комплекса fr = ^t x ="^fr определены
7. Alexandroff P., Hopf H. Topologie. Bd. 1. S. 205.
8. Здесь мы рассматриваем дискретные 0-грушш; соответствующие груп-
группы характеров, следовательно, являются биокомпактными.
9. Pontrjagtn L. S. Topological commutative groups.— Ann. Math., 1934,
vol. 35, p. 1—338; Kampen E. R. van. Locally bicompact Abelian groups and
their character groups.— Ann. Math., 1935, vol. 36, p. 448—463.
30. Кольцо гомологии комплексов
197
10. Pontrjagin L. S.— Ibid.
11. Ср.: Pontrjagin L. Ober den algebraischen Inhalt topologischer Duali-
tatssatze.— Math. Ann., 1931, Bd. 105, S. 165—205.
12. Ср.: Tucker A. W.— Ibid.
13. Ср.: Lefschetz S. Topology. New York, 1930. Chap. 4.
30
КОЛЬЦО ГОМОЛОГИИ КОМПЛЕКСОВ
И ЛОКАЛЬНО БИКОМПАКТНЫХ ПРОСТРАНСТВ*
§ 1
кольцо гомологии комплекса
Первый параграф является продолжением моей работы «О зако-
законах дврйственности комбинаторной топологии» (см. № 29 наст. изд.).
Мы сохранили все обозначения этой работы, но рассматриваем лишь
специальный случай построенной там общей теории: клеточное про-
пространство R является симплициальным комплексом, а в качестве
области коэффициентов / выбирается аддитивная группа рациональ-
рациональных чисел. Пусть два симплекса хт = (р0, рг, . . ., рт) и ж8 =
= (?07 ?i> • • ч Is) являются клетками R. Если каждая точка qt
отличается от всех точек Pj и симплекс (р0, ръ . . ., pr, q0, gl7 . . .
. . ., qs) есть клетка R, мы называем xr+s+1 произведением хт и х*
и пишем
Ясно, что определенное выше умножение симплексов ассоциатив-
ассоциативно; коммутативность описывается следующим соотношением:
Под произведением двух алгебраических комплексов f и f мы
понимаем алгебраический комплекс fr+s+1i который определяется
следующей формулой:
п
Умножение в правой части понимается в смысле обычного умноже-
умножения рациональных чисел. Сумма распространяется на все возможные
представления симплекса xr+s+1 в виде произведения хгх". Эквива-
Эквивалентное определение произведения алгебраических комплексов было
дано Александером [2]. В противоположность произведению сим-
* Homologierung des Komplexes und des localbikompakten Raumes.— Мат.
сб., 1936, т. 1, с. 701—706. Перевод О. В. Локуциевского. См. [1].
198
30. Кольцо гомологии комплексов
плексов произведение алгебраических комплексов определено во
всех случаях.
Если R не содержит (г + s + 1)-мерных симплексов, то сущест-
существует, это доказано в моей работе, цитированной выше, единственный
(г -f- s + 1)-мерный алгебраический комплекс и произведение лю-
любых f и f равно этому комплексу /r+s+1. Можно легко видеть, что
произведение алгебраических комплексов ассоциативно и дистри-
дистрибутивно относительно сложения. Закон коммутативности заменяется
равенством
ff = (_i)(r+i)(s+i)/s/r.
Отсюда вытекает при четных г
ff = (_i)c-+i)y/r = -ff = 0.
B)
C)
Каждая вершина комплекса R определяется (в соответствии
с моей работой, цитированной выше) двумя нульмерными клетками
+ (р) и — (р). Мы введем специальный нульмерный алгебраический
комплекс е° такой, что для любой точки р
е» (+ (Р)) = + 1, е° (-(р)) = -1.
Из определения оператора g0 мы немедленно получаем
gof = e°f. D)
Так как согласно C) е°е° = 0, то
go (gof) = еРеГ = 0,
что ранее было доказано непосредственно.
Для произвольного s-мерного симплекса Xs мы обозначим через
[xs] комплекс (клеточное пространство), который состоит из всех
его граней (включая сам симплекс Xs). Если Xs принадлежит R,
то, очевидно, каждая функция f (хг), которая определена для всех
хт из R при г ^ s, определена и для всех хт из [ж8]. Если при этом
f является 0-циклом на R,' то f остается 0-циклом, если эту функ-
функцию рассматривать как алгебраический комплекс на [Xs].
Лемма. Любой 0-цикл zr (r ^ s) 0-гомологичен нулю на каж-
каждом [Xs], т. е. существует такой комплекс f1"'1, определенный на
[хг], что
= zr
на
Для доказательства достаточно выбрать какую-нибудь вершину
р симплекса х'; тогда для каждого симплекса х1"'1 из [хг] можно
утверждать:
f~x (хг~х) = 0, если р есть вершина х
г~1
30. Кольцо гомологии комплексов
199
Из леммы вытекает, что произведение двух циклов всегда равно
нулю. Действительно, пусть
тогда на каждом [a;'r+s+1] справедливы равенства
и, таким образом,
_ eO/r-le()ys-l == _f_ eOeOfr-lfs-l — 0.
Введение второго умножения приводит к новым гомологическим
инвариантам. Это второе умножение может быть определено формулой
[ff] = /™
Сумма в правой части распространяется на все возможные представ-
представления симплекса xr+s в форме трех сомножителей указанных раз-
размерностей. Легко видеть, что второе умножение дистрибутивно по
отношению к сложению и что выполняется соотношение
[f, f] = (_1)" [f, f].
F)
Основная формула, связывающая первое умножение со вторым,
гласит:
(r + s+t + r)[ff, f] = (s+t + 1) f If, f] +
+ (_i)C+DC+i) (r+t+l)f If, f]. G)
Для доказательства положим ff = wr+s*1. Тогда
(r + s + t + 2) [ff, f] = (r + s + t + 2) K+-i, /(] =
— u(r+s+t+l) /xr+l+t+l\ __
= -i- V wr+s+i (x r+s+iX°) f (xOx*-1) =
4-
200
30. Кольцо гомологии комплексов
[f, /']
1) Г [Л /'].
что и требовалось доказать.
Легко видеть, что
[е\ П = f.
Поэтому из G) следует
(r + s + r) [e°f, П = (r
(8)
1) e° If, f] +
(9)
Дважды применяя (9), получим
= eoff. A0)
Формула A0) делает возможным новое определение второго умноже-
умножения для 0-циклов. Пусть zr и zs — два 0-цикла и xr+s — некоторый
симплекс. По лемме, доказанной выше, на xr+s выполнены соотно-
соотношения
zr = e°/r и zs = e0/8.
Из формулы A0) следует
Ясно, что значение e°f~1f~1 на симплексе xr+s не зависит от выбора
f~x и f~x. Это новое определение без труда приводит к ряду новых
фактов. Во-первых, мы устанавливаем, что произведение [zr, zs]
двух 0-циклов является 0-циклом: пусть xr+s+1 — любой симплекс;
для [?r+s+1] выполнены равенства
zr = e°f~1 и zs = е0/5".
Отсюда следует, что
-0 \7Г 7$Л ,,r+s+l (vr^s+l\ „OpOfr-
= 0.
Во-вторых, докажем, что для циклов второе умножение ассоциа-
ассоциативно: пусть zr, zs и zl — циклы и xr+s+t — любой симплекс. На
lxT+s+t]
zr =
zs = e0/8-1, z* = e0/
и мы получаем для симплекса x
r+s+t
Приведем еще следующую формулу:
(г + s + 1) е° If, f] = (r + 1) [еГ, П +
(И)
30. Кольцо гомологии комплексов
201
аналогичную формуле дифференцирования в кольцах Пуанкаре
кососимметрических дифференциальных форм.
Заметим, что из (9) вытекает
(-l)r(r + s + 2) [f, е»/'] = (г + s + 1) е° If, f] +
+ (-1Г (г + 1) ff. (9')
Умножая (9) на (г + 1), (9') на (s + 1) и складывая полученные
равенства, получим после сокращения формулу A1).
Если zs — 0-цикл, a zr — гомологичный нулю 0-цикл, то
eV = 0 и zr = е0ГК
Далее, из формулы A1) следует
(г + s) e° [f"\ zsl = г [zr, zs],
т. е. что цикл [zr, zs] гомологичен нулю.
Отсюда мы заключаем:
Если 0-циклы z{ и zl, а также zf и zl попарно гомологичны, то
циклы [zl, z|] и [z?, z^] также гомологичны. В самом деле,
[Zl, Zi] — [Zg, Z2] = [z{, z[ — zl] + [zl — zl, zl] C/D 0,
так как zl — z\ <x> 0 и z[ — z\ 00 0. Из последних результатов, сле-
следует, что второе умножение 0-циклов zT и zs обычным путем
индицирует умножение элементов групп Бетти В\ (В) и В\ (В.),
результатом которого является элемент группы Бетти] Bl+S (В).
Элементы всех групп Бетти Вгй (В) с этим умножением образуют
кольцо 0-гомологий комплекса В [3].
§ 2
КОЛЬЦО ГОМОЛОГИИ ЛОКАЛЬНО
БИКОМПАКТНОГО ПРОСТРАНСТВА
Результаты § 1 верны для произвольной совокупности вершин,
причем под В можно понимать любую систему симплексов, удовлет-
удовлетворяющую единственному естественному требованию: все грани
принадлежащего В симплекса хт также принадлежат В. Отметим
следующее преимущество 0-гомологий перед обычными и-гомология-
ми: теория последних применима лишь для таких алгебраических
комплексов, которые на совокупности симплексов с общей вершиной
имеют лишь конечное число коэффициентов, отличных от нуля.
Теперь рассмотрим в связи с моей заметкой «Группы Бетти
локально бикомпактных пространств» (см. № 32 наст, изд.) локаль-
локально бикомпактное пространство Е и систему В всех симплексов все-
всевозможных размерностей с вершинами из Е. Каждая определенная
на Е функция /г (ро> Рл-, ¦ • •> Рг) (в смысле цитированной заметки)
соответствует вполне определенному алгебраическому комплексу
202
30. Кольцо гомологии комплексов
f (xr) системы В. При этом для двух функций /г, /8 определены
произведения ff* — /r+s+1 и If, /s] = /r+s. Легко убедиться, что
эквивалентным функциям соответствуют эквивалентные произведе-
произведения. Ясно, что определены первое^и второе произведения алгебраи-
алгебраических комплексов также в смысле цитированной выше заметки.
Формулы B)—D), F)—A1) из § 1 остаются в силе. Утверждения
§ 1 переносятся без изменения на соответствующие группы Бетти
Bl (Е) и это дает кольцо 0-гомологий пространства Е (см. [4]).
§ 3
СЛУЧАЙ ДВУСТОРОННИХ МНОГООБРАЗЛЙ
Мы возвратимся к обозначениям § 1 и предположим что комплекс
В является двусторонним многообразием размерности п. В этом
случае группа Бетти В\ (В) при любом г ^ п изоморфно отобразит-
отобразится на группу В™~г (В) вполне определенным способом, описанным
в работе, цитированной выше (см. [1]). При этом в качестве коэф-
коэффициентов также могут быть взяты рациональные числа. Мы обо-
обозначим через 1и X r\Sn ~ ?r+s-" пзрэсзчзняз] элементов |и и r\su групп
Ви (В) и Ви (R).] Второе] умножение элементов |J и г\8а групп Br0 (R)
и Bs0 (В) определяется с помощью пересечений соответствующих
элементов \апг и ц^ групп Bu~r (R) и BZ~S (R) таким образом, что
^s = [|Jt r]o] есть элемент, соответствующий элементу ^n~r~s =
(r+*)!tn-r
r\s\
v
Болшево — Комаровка, близ Москвы,
20 апреля 1936 г.
ПРИМЕЧАНИЯ
1. Содержание доклада, прочитанного автором на Московской конферен-
конференции по топологии, лишь частично отражено в дальнейшем: не представленная
здесь часть доклада была опубликована ранее (см. № 29 наст. изд.). Результаты
§ 2 настоящей статьи были изложены в докладе только для компактов; обобще-
обобщение на произвольные локально бикомпактные пространства были получены
позже A936).
2. См.: Alexander J. W. On the ring of a compact metric space.— Proc. Nat.
Acad. Sci. USA, 1935, vol. 21, p. 511—512. В этой работе Александер ошибочно
допускает, что произведение двух 0-циклов может быть отлично от нуля.
3. См.: Hopf #.— J. reine und angew. Math., 1930, Bd. 163, S. 73—88,
особенно § 1.
4. Первое умножение функции (ffs = /r+s+i) было определено Александером
в цитированной (см. [2]) работе для произвольных метрических пространств.
На Московской топологической конференции (сентябрь, 1935) я узнал, что
Александер нашел также второе умножение.
31. Конечные покрытия топологических пространств
203
31
КОНЕЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ
ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВ *
Совместно с Л .С. Александровым
1. Пусть F — топологическое пространство. Конечная система
@ замкнутых (соответственно открытых) подмножеств пространства
F называется замкнутым (соответственно открытым) мультиплика-
мультипликативным покрытием 1 этого пространства, если, во-первых F = {J At
г---Л
и, во-вторых, каждое непустое пересечение Ац (~) -...[) Aik
элементов системы @ также является элементом этой системы. При-
Примером замкнутого мультипликативного покрытия служит клеточное
(в частности, симплициальное) разбиение конечного полиэдра.
Наибольшее среди всех таких целых X, для которых существует
убывающая последовательность
различных непустых элементов мультипликативного покрытия @,
называется длиной этого покрытия. Если дано произвольное конеч-
конечное покрытие U пространства F (т. е. такая произвольная конечная
система точечных множеств Ai, что (J Ai = F), то, дополняя это
г
покрытие всевозможными пересечениями его элементов, получим
мультипликативное покрытие © ID U. Далее, очевидно, что длина
покрытия @ не превосходит порядка покрытия U; однако она может
оказаться и меньше: если F — квадрат, U — покрытие этого квад-
квадрата, образованное его разбиением на меньшие квадраты 2, и @ —
отвечающее U мультипликативное покрытие, то порядок U равен
четырем, тогда как длина @ — трем. Длина любого симплициаль-
ного разбиения n-мерного полиэдра равна п; порядок же покрытия,
образованного основными 3 симплексами такого разбиения, может
быть сколь угодно велик.
Цель настоящей заметки — уточнение соотношения между дли-
длиной и порядком покрытий и в особенности доказательство следую-
следующего утверждения, которое, по-видимому, само по себе ново даже
* Endliche Oberdeckungen topologischer Raume.— Fund, math., 1936,
voL 26, p. 267—271. (П. 1 и 2 принадлежат П. С. Александрову, п. 3 и 4 —
А. Н. Колмогорову.) Перевод О. В. Локуциевского.
1 Терминология всюду та же, что в [1].
2 Разбиение осуществляется проведением отрезков, соединяющих пары
противоположных сторон квадрата.
3 Симплекс комплекса К называется свободным, если он является гранью
единственного основного} симплекса; симплекс называется основным, если
он не является гранью никакого другого симплекса. При этом каждый симплекс
считается своей (несобственной) гранью.
204
31. Конечные покрытия топологических пространств
для n-мерного куба и является усилением теоремы Лебега — Брау-
эра о мостовых.
Теорема. При достаточно малом е ^> 0 длина каждого
замкнутого и каждого открытого мультипликативного ^-покрытия
п-мерного компакта F не меньше чем п + 1.
Доказательство. Пусть © — данное мультипликатив-
мультипликативное покрытие компакта F; F можно рассматривать как ограниченное
замкнутое подмножество пространства Rm. Через N обозначим нерв,
а через X — длину покрытия ©.
Лемма. При г > X каждый свободный r-мерный симплекс
нерва N содержит свободную (г — \)-мерную грань.
Доказательство леммы. Пусть хТ — (а0, . . ., аг) —
свободный симплекс нерва N, являющийся свободной гранью основ-
основного симплекса
хи=(а0, . . . ,аг,аг+1,.. . ,аи), и^г.
Так как г ~^> X и, следовательно, г -\- 1 ^> X, то существует такое
р ¦< г, что
где At — элемент покрытия ©, отвечающий вершине at нерва N.
Тогда
х^1 = (а0, . . . , ар, ар+2, . . . . аг)
— искомая грань симплекса хг. Действительно, пусть
х = (а0,. . . , ар, йр+2, • ¦ ¦ , 0-п ¦ ¦ • , av)
— основной симплекс нерва N, имеющий хг~х своей гранью. Из
определения числа р следует, что
х = (по, . . ., пр, Яр+i, Яр+2> • • • j ^r' Q"!1! • • • 1 я»)
также является симплексом нерва ./V; так как он содержит х' в ка-
качестве грани, то х = хи, т. е вез a'h, r <^ h ^ у, содержится среди
o-i, 0 <; t "^ и. Следовательно, xv оказывается гранью симплекса
хи и, будучи основным симплексом, совпадает с хи. Лемма доказана.
Пусть ./V реализован в качестве евклидова комплекса в Rm.
Тогда из леммы следует возможность деформировать N путем по-
последовательных вдавливаний 4 свободных симплексов в некоторый
полиэдр размерности <^Х, причем так, что в процессе деформации
каждая точка остается в содержащем ее основном симплексе. Если
© есть е-покрытие, а N реализован 5 вблизи ©, то из доказанного
вытекает, что F может быть посредством е-сдвига отображен в поли-
полиэдр размерности <Х Тем самым наша теорема доказана.
4 См. [2, с. 150—151] или [1, с. 382—383].
5 См. [1, с. 160—161 и гл. 9, § 3, с. 363 и далее].
31. Конечные покрытия топологических пространств
205
2. Приведенное выше доказательство верно как для замкнутых,
так и для открытых покрытий. В случае открытых покрытий можно
поступить еще следующим образом.
Пусть снова © есть е-покрытие и N — его нерв, реализованный в
качестве евклидова комплекса вблизи ©. С помощью метода К. Кура-
товского в отобразим F в N. Это отображение мы обозначим через
х. Совокупность тех точек, которые отобразятся во внутренность
симплекса хг = (а0, . . ., аг), есть
где и ' означает, что суммирование распространено на все индексы,
отличные от 0, 1, . . ., г.
Пусть теперь х11 = (а0, . . ., ап) есть n-мерный симплекс нерва
N, причем п !> X. Из равенства
Ао П . . . П АР = АО П • • . П Ар Г) Ap+i
следует, что
Л П • • • П ap\ap+i
пусто. Значит, пусто и
Поэтому внутренность симплекса (а0, . . ., ар) свободна от точек
множества и (F). Иначе говоря, каждый симплекс хп имеет грань,
внутренность которой не содержит точек множества и (F). А так как
к (F) замкнуто, то каждый х11 содержит открытое множество, не
пересекающееся с к (F). Так как сказанное верно при любом е,
то dim F <^ X — 1, что и требовалось доказать.
3. Случай замкнутых покрытий может быть разрешен также
с помощью нижеследующей простой конструкции. Для нашей цели,
очевидно, достаточно доказать следующую теорему.
Теорема. Компакт F, имеющий замкнутое мультиплика-
мультипликативное г-покрытие © длины X, имеет также замкнутое е-покрытие
порядка <Л.
Доказательство. Пусть Л1? . . ., As — элементы покры-
покрытия ©. Под рангом элемента А^ из© будем понимать длину той под-
подсистемы ©Л покрытия ©, которая состоит из элементов, содержа-
содержащихся в 7 Аи- Элементы ранга г покрытия © обозначим через А„,
i = 1, . . ., sr. Два различных элемента ранга г имеют в качестве
пересечения элемент ранга <>.
Мы положим теперь
Вп = U (Arl, dr).
6 См. [3, с. 191] или [1, с. 366—368].
7 Ah также является элементом ©/,.
206
31. Конечные покрытия топологических пространств
где dr ^> О определяются последовательно для г = 1, . . ., К так,
как это описано далее. Число dx выбирается столь малым, что Вц
попарно не пересекаются. Если dr-, r' <^ г, уже определены, то dr
выбираем столь малым, что для любых Arij_ Arj, для которых Ar{ f]
П ATj = Аг'к, выполняются включения Bri f] ВГ] CZ Brlt. Пусть,
наконец,
чУ вг.кс:вн\ и ,
г'<г г'<г
При i Ф j имеем
ибо если
ТО
сн n cri с вн п вт5\вгк с вг,к\вг,к = 0.
Таким образом, если точка принадлежит нескольким среди мно-
множеств С, то все эти множества имеют различные индексы г. Но г —
это ранги элементов покрытия © и поэтому могут принимать лишь X
различных значений, так; что точка из F может принадлежать не
более чем К различным множествам С, т. е. порядок покрытия, обра-
образованного этими множествами, не превосходит К.
4. Наша теорема может быть mutatis mutandis перенесена на
случай произвольного нормального пространства R (без предполо-
предположений о его компактности и метризуемости). А именно справедливо
следующее:
Пусть Ц = {G1, . . ., Gu} — конечное открытое покрытие и
© = {Аг, . . ., As} — конечное замкнутое покрытие нормального
пространства R, причем © вписано в U (т. е. каждый A t содержится
по меньшей мере в одном Gh). Тогда существует вписанное в U зам-
замкнутое покрытие © = {Clt . . ., Cv}, порядок которого не превос-
превосходит длины покрытия ©.
Доказательство остается тем же, что и в п. 3. Только
вместо U {А,^, dr) надлежит рассмотреть такие открытые множества
Uri И>Лн, которые удовлетворяют условиям, высказанным в п. 3
относительно U (ATi, dr); в частности если Ari d Gh, то и Uri CZ Gh.
Болшево — Комаровка, 1935 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Alexandroff P., Hopf H. Topologie. Berlin., 1935. Bd. 1.
2. Alexandroff P. S. Untersuchungen iiber Gestalt und Lage abgeschlossener
Mengen beliebiger Dimension.— Ann. Math., 1928—1929, vol. 30, p. 101—
187. Рус. пер.: Исследования о форме и расположении замкнутых множеств
произвольной размерности.— В кн.: Александров П. С. Общая теория го-
гомологии. М.: Наука, 1979, с. 68—176.
3. Kuratowski К. Sur un theoreme fondamental cobcernant le nerf d'uri systeme
d'ensembles.— Fund, math., 1933, vol. 20, p. 191—196.
32. Группы Бетти локально бикомпактных пространств
207
32
ГРУППЫ БЕТТИ ЛОКАЛЬНО
БИКОМПАКТНЫХ ПРОСТРАНСТВ*
Пусть г J — дискретная абелева группа и 9 — бикомпактная
абелева группа 2. Пусть, далее, R — хаусдорфово локально биком-
бикомпактное пространство; я предполагаю дать здесь для каждого не-
неотрицательного целого числа г определение двух групп Бетти
Br0 (R, J) и Ви {R, 9), которые называют соответственно 0-группой
и и-группой пространства R относительно г (числа измерений) и
области коэффициентов / и 8 соответственно. В случае, когда R
является компактом (метрическим компактным пространством),
u-группы изоморфны группам Бетти относительно 0 в смысле Вьето-
риса; 0-группы изоморфны в этом случае группам, определенным
в 1935 г. Александером3,.
1. Определение групп Ви {R, 0). Назовем комплек-
комплексом (точнее, r-мерным и-комплексом) каждую функцию фг (е0,...
. . ., ег), удовлетворяющую следующим условиям:
а) ф1' (е0, . . ., ег) однозначна и определена для всевозможных
систем г + 1 подмножеств е0, . . ., ег пространства R, бикомпакт-
бикомпактных в й;
р) значения функции фг (е0, . . ., ег) суть элементы группы 0;
у) ф?' является кососимметричной относительно всех своих
аргументов;
б) фг аддитивна по всем аргументам, т. е.
Фг (е0, . . ., ei + е'-, . . ., ег) = фг (е0, . . ., г\,. . ., гг) + ц>г (е0, • • •
е)фг(е0, . . ., ег) равно нулевому элементу группы 0, если замыка-
замыкаё ест е е не содержат общей точки
ния ё0,
sr множеств е„,
у р
ег не содержат общей точки.
0, , r „, , г р
Комплексы фг образуют абелеву группу Фг относительно сло-
сложения. Эта группа допускает гомоморфное отображение в группу
Фг~х, осуществляемое оператором gu следующим образом. Если
R бикомпактно, то мы определяем gu формулой
= ф'"
е0,
* Les groupes de Betti des espaces localement bicompacts.—C. r. Acad. sci.
Paris, 1936, vol. 202, p. 1144—1147. Представлено Г. Жюлиа. Перевод
М. Б. Балавадзе.
1 Обо всех понятиях общей топологии см.: Alexandroff P., Hopf H. Topo-
Topologie. Berlin., 1935. Bd. 1. Понятие локально бикомпактного пространства при-
принадлежит П. С. Александрову (см.: Math. Ann., 1924, Bd. 92, S. 294).
2 См.: Катреп Е. R. van.— Ann. Math., 1935, vol. 36, p. 448—463.
3 См.: Alexander J. W.— Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1935, vol. 21, p. 511 —
512.
208
32. Группы Бетти локально бикомпактных пространа
Если R не бикомпактно, то мы заменяем в предыдущей формуле R
на некоторое открытое множество G ID ?0 + . . . + ё.^-1, бикомпакт-
бикомпактное в R; из е) следует, что такое определение не зависит от выбора
множества G. Комплекс <рг-1 = gu<pr называется границей фг.
Комплексы, границы которых равны нулю, называются циклами
(r-мерными и-циклами). Каждая граница является циклом, так как
guSu4>r (ео> • • •» 6г-г) = фг (G, G, е0, . . ., ег_2) = 0.
В группе Zr всех r-мерных циклов имеется подгруппа Г" всех
циклов, гомологичных нулю (т е. таких циклов, для которых су-
существует фг+1 с условием gu<pr+1 = ф'). Группа вычетов4 Zr —
— Гг есть по определению группа Бетти В и (R, 8).
Определим в Фг окрестности; мы это'сделаем так, что Фг окажется
бикомпактной; таким образом, группы Zr, Tr и Вти (R, 8) также бу-
будут бикомпактными 5. Окрестности каждого элемента фг группы Фг
будут соответствовать некоторым конечным системам подмножеств
пространства R, бикомпактных в R, следующим образом. Пусть
Мг, . . ., Мп — система, о которой идет речь. Каждой системе
г + 1 индексов] г0, . . ., ir, ни один из которых не превосходит п,
поставим bj соответствие какую-либо окрестность 27io...i элемента
фг (Mia, . . ., Mir) группы 8. Окрестность комплекса ц>г по опре-
определению будет состоять из всех комплексов т|эг таких, что для про-
произвольно выбранных i0, . . ., ir среди чисел 1, 2, . . ., п, элемент
т|зг (Mia, . . ., Mir) группы 8 принадлежит ?/*«,...г .
2. Определение групп BrQ (R, J). Рассмотрим систему
Fr всех функций f (р0, . . ., рг), удовлетворяющих следующим
условиям:
a) Т (/'о. • • ч Рг) однозначна и определена для всех систем
г + 1 точек р0, . , ., рг пространства R;
b) значения /г суть элементы группы /;
c) /г кососимметрична по всем своим аргументам;
d) для каждой функции /г существует конечная система S,r
попарно не пересекающихся бикомпактных в R подмножеств таких,
что
1°- Г (Ро,г • • -, Рг) = Г (р'о, • ¦, Рг), если для любого i две
точки pi и pi принадлежат одному и тому же элементу системы S.r;
<2°. f (р0, . . ., рг) = 0, если среди аргументов р0, . . ., рг хотя
бы один не принадлежит ни одному элементу системы S.r.y
Две функции /[, и f\ называются эквивалентными, если для каж-
каждой точки р пространства R существует окрестность U (р) такая,
что/Г (р0, . . ., рг) = fl (р0, . . ., рТ), если все точки pt принадлежат
4 Ныне употребляется термин «фактор-группа».— Примеч. пер.
6 См. упомянутый выше мемуар ван Кампена.
33. Свойства групп Бетти локально бикомпактных пространств 209
U (р). Мы обозначим через f и назовем ^-комплексом размерности г
классы эквивалентных между собой функций /г. Комплексы обра-
образуют группу Fr, которая есть не что иное, как группа вычетов Fr =
= Fr — Ог. Мы определим теперь как 0-границу функции f функ-
функцию
г+1
gof = fr+1 (Ро. • • • , pr+i) = S (— 1)г Г {ро, ¦ • • . Pi-i, Pi+i, • • • , Pr+i).
г=0
Границы двух эквивалентных функций являются эквивалентны-
эквивалентными, поэтому граница gof комплекса f определяется как комплекс
границ функций, принадлежащих f. Комплекс /'' называется цик-
циклом @-циклом размерности г), если его граница равна нулю (т. е.
равна комплексу Or+1, содержащему нулевую функцию 0r+1).
Комплексы, являющиеся границами (гомологичные нулю), образуют
подгруппу Нг группы Zp всех r-мерных циклов (поскольку g0gof =
= С+2). Группа вычетов Zr — Нг есть по определению группа
Бетти Br0 (R, /).
16 марта 1936 г.
33
СВОЙСТВА ГРУПП БЕТТИ
ЛОКАЛЬНО БИКОМПАКТНЫХ ПРОСТРАНСТВ *
1. 0- и м-грушш произвольного локально бикомпактного про-
пространства R находятся в следующем соотношении *.
Пусть / — произвольная дискретная абелева группа и 0 ее
группа характеров в смысле Понтрягина 2; 8 является тогда абеле-
вой бикомпактной группой, ее группа характеров дискретна и изо-
изоморфна группе /. Мы говорим вообще, что две абелевы группы, одна
из которых дискретна, а другая бикомпактна, взаимны 3, если одна
из них изоморфна группе характеров другой.
Теорема взаимности. Группы Bru (R, 8) и Br0 (R, J)
для каждого г ^ 0 взаимны.
Доказательство. Так как 0 является группой характе-
характеров группы /, произведение а X а произвольного элемента а из
/ на произвольный элемент а группы 8 есть определенный элемент
* Proprietes des groupes de Betti des espaces localement bicompacts.— C. r.
Acad. sci. Paris, 1936, vol. 202, p. 1325—1327. Перевод М. Б. Балавадзе.
1 Настоящая заметка существенно опирается на мою заметку (см. № 32
наст, изд.), которая в дальнейшем будет обозначаться (BI).
2 Для ссылок на результаты, относящиеся к топологическим группам и
в особенности их теории характеров, см. заметку (BI) и мемуар Л. С. Понтря-
Понтрягина: Topological commutative groups.— Ann. Math., 1934, vol. 35, p. 361 —
388.
3 Двойственны в смысле теории характеров Понтрягина.— Примеч. пер,
210 33. Свойства групп Бетти локально бикомпактных пространств
<х (а) непрерывной циклической группы К (группы действительных
чисел, приведенных по модулю 1). Мы определяем для пары функций
<рг и У, удовлетворяющих соответственно условиям (а) — (б) и
{а) — (d) из (BI), произведение fr X фг следующим образом: пусть
Mlt . . ., Мп — элементы системы множеств S-r, определенной
в п. 2 из (BI) условием (d); положим
34. Группы Бетти метрических пространств
211
Х ф' =
X
,„ . . . , Mif),
A)
где pi — произвольная точка из Mt и индексы is независимо друг
от друга пробегают все значения 1, . . ., п. Произведение /г X срг,
очевидно, не что иное, как n-кратный интеграл в смысле Радона —
Стилтьеса
у
f (Ро, ...,Рг)Ч>г {dvB,..., dPrR),
Таким образом, каждая функция срг задает гомоморфное отобра-
отображение группы Fr в группу К. Легко видеть, что, с другой стороны,
каждое гомоморфное отображение Fr в К при надлежащем выборе
<рг можно определить таким образом. Отсюда следует, что группа
<РГ всех функций срг, удовлетворяющих условиям (а) — (б), с то-
топологией, которая вводится следуя (BI), взаимная группе F\
Однако подгруппа Фг группы Фг есть в точности аннулятор в Fr
труппы Ог функций У, эквивалентных нулю. Следовательно, группы
Фг и Fr комплексов фг и f также взаимны. Это позволяет опреде-
определить произведение f X фг элементов групп Fr и Фг. Далее, дока-
доказывается основное соотношение
Г X guyr+1\= gvf X Фг+1- B)
Получается, что Гг является аннулятором группы Zr в Фг,
следовательно, Фг — Г" взаимна с Z'. Получаем также, что 2?
является аннулятором группы НТ в группе Фг, следовательно,
фг _ zr взаимна с Нг. Из этого вытекает, что группа В\ (R, J) =
= Z' - Ш взаимна с Zr - Гг = Bru (R, 9).
2. Фундаментальные системы. Обозначим через
2 разбиение R = ИВа пространства R на конечное либо бесконечное
семейство непересекающихся подмножеств Ва- Разбиение 2 называет-
называется локально конечным, если каждое бикомпактное в R множество
пересекается лишь с конечным числом множеств Ва- Система S
локально конечных разбиений называется фундаментальной систе-
системой, если она обладает следующими свойствами: 1°) если 2' и
2" — два разбиения, принадлежащие данной системе S, то раз-
разбиение 2 '2 " = 2, элементами которого являются пересечения про-
произвольного элемента 2' с произвольным элементом 2", также при-
принадлежит семейству S; 2°) какова бы ни была конечная система
f/j, . . ., Un открытых множеств, покрывающая какое-либо биком-
бикомпактное в R подмножество А, среди разбиений пространства R,
принадлежащих S, найдется по крайней мере одно, со свойством:
его элементы, имеющие общие точки с А, содержатся каждый в не-
некотором Iff.
Конечные объединения множеств, выбранных из разбиений 2
данной фундаментальной системы S, образуют тело множеств 4Г
которое мы обозначим через Т (S).
Первая теорема редукции. Для произвольной-
фундаментальной системы S и 0-цикла zr существует цикл уТ,
гомологичный zr и постоянный6 по отношению к каждому своему аргу-
аргументу, на элементах некоторого разбиения 2, принадлежащего S.
Вторая теорема редукции. Пусть фг (е0, . . .
. . ., ег) есть и-цикл; если ц>г (е0, . . ., ег) = 0 всякий раз, когда
е0, . . ., гг принадлежат телу Т (S) некоторой фундаментальной
системы S, то цикл фг гомологичен нулю,
Обозначим через Jrs функции, удовлетворяющие условиям (а) —
(d) п. 2 из (BI) и постоянные на элементах хотя бы одного разбиения
2 фундаментальной системы S. Обозначим далее через ф^ функции,
удовлетворяющие условиям ф) — (е), но определенные только на
множествах из Т (S). Функции fs образуют группу Frs. Все рас-
рассуждения из (BI) остаются в силе в этом случае и приводят к опре-
определению групп Bl, (R, 9, S) и В\ (R, J, S). Итак, в силу теорем
редукции эти две группы соответственно изоморфны группам
Bru (R, 9) и Br0(R, J).
30 марта 1936 г.
34
ГРУППЫ БЕТТИ
МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВ *
В этой заметке 1 мы изучаем, что происходит с нашей общей тео-
теорией групп Бетти в двух специальных случаях метрических про-
пространств, а именно в случае компактов и в случае открытых много-
многообразий.
1. Пусть R — произвольный компакт. Главная цель, которую
мы преследуем при исследовании этого случая, это следующая
4 Система Т множеств называется телом, если объединение, пересечение и
разность двух множеств, принадлежащих Т, есть снова множество, принадле-
принадлежащее Т.
5 Комплекс f называется_ постоянным на элементах некоторого разбиения,
если он содержит функцию f с отмеченным свойством.
* Les groupes de Betti des espaces metriques.— C. r. Acad. sci. Paris, 1936,
vol. 202, p. 1558—1560. Представлено Г. Жюлиа. Перевод М. Б. Балавадзе.
1 Она опирается на мои заметки (см. № 32 и 33 наст, изд.), которые в даль-
дальнейшем будут обозначаться (BI) и (ВП).
212
34. Группы Бетти метрических пространств
34. Группы Бетти метрических пространств
213
Теорема. Группа Bru (R, 0) изоморфна обычной группе
Бетти Br {R, 0) пространства R (в смысле Вьеториса 2).
Чтобы доказать эту теорему, прежде всего отметим, что в случае
компактов вместо общих фундаментальных систем можно рассмот-
рассмотреть фундаментальные последовательности S = {215 ..., Хк, . . .}
последовательных подразбиений R на непересекающиеся множества:
при диаметрах Bi, стремящихся к нулю, когда к стремится к бес-
бесконечности. Тогда достаточно показать изоморфизм между Bru (R,
6, S) и ВТ (R, 0). Итак, системе S соответствует проекционный спектр
Us пространства R в смысле Александрова 3: достаточно в каждом
В[ выбрать точку ai и рассмотреть эти точки как вершины нерва
jVi. системы множеств Вх, . . ., В, . Таким образом, имеем следую-
шее предложение.
Лемма. Существует изоморфизм, сохраняющий гомологию,
между группой ЪТ (R, 0, S) и группой всех истинных проекционных
циклов сТ спектра Щ-
Пусть, в самом деле, q/ (Ео, . . ., Ег) есть u-цикл; положим для
каждого r-мерного симплекса {а^, . . ., uir) из Nk
с\ (аи,
air) = фг (Ви,
Bir).
Алгебраические подкомплексы с? нерва Nk, которые получены
таким образом, являются циклами и последовательность {cl\ есть
истинный проекционный цикл сг. Легко усмотреть, что это соот-
соответствие между фг и сг является искомым изоморфизмом. Имея
истинный цикл Вьеториса, остается лишь показать, что, наоборот,
произвольный цикл Вьеториса гомологичен истинному проекцион-
проекционному циклу. Доказательство этого предложения [принадлежащее
Александрову 4 в случае когда 0 — конечная группа] основывается
на компактности области коэффициентов.
2. Пусть теперь R — открытое многообразие размерности п.
Рассмотрим произвольное клеточное разбиение Мп пространства R.
Тогда можно применить после легкой модификации теорию, ко-
которую я развил ранее б. С этой целью мы рассмотрим нечетные функ-
функции фг (хг) ориентированных клеток ? из М71, значения которых
суть элементы 0, т. е. бесконечные алгебраические подкомплексы
в классическом смысле. Операторы gu и g0 определяются, как и в ци-
2 Л. Вьеторис дал определения лишь для групп целых чисел и групп по-
порядка 2 в качестве областей коэффициентов (Math. Ann., 1927, Bd. 97, S. 454—
472). Общие области коэффициентов были введены П. С. Александровым (см.:
Fund, math., 1933, vol. 20, p. 140—151).
3 См.: Ann. Math., 1928, vol. 30, p. 101—187, а именно с. 107.
4 Ibid., p. 162.
6 См.: Мат. сб., 1936, т. 1, № 1, с. 97—102 (см. № 29 наст. изд.).
тированном мемуаре, причем первый из этих операторов дает гра-
границу алгебраического комплекса ф* {хг) в классическом смысле.
Группы Zru и Zra u-циклов и 0-циклов, так же как и подгруппы Г„
и Го циклов, являющихся границами, определяются автоматически.
Группы Бетти #„ (М™, 0) = ZTU — Yru изоморфны тогда группам
Вти {R, 0), определенным в (BI). Показывается, далее, что если Ml
и М\ являются двумя клеточными разбиениями R, то группы
Во {Ml, 0) и В\ {Ml, 0) также изоморфны. Следовательно, мы смо-
сможем написать В\ {R, 0) вместо В\ {Мп, 0).
Рассмотрим, с другой стороны, конечные алгебраические подком-
подкомплексы М1, т. е. нечетные функции f {xr) со значениями в / и от-
отличными от нуля лишь для конечного числа хг. Эти функции таким
же образом, как и всегда, приводят нас к группам Бетти Ви (М", J)
и В\ (М71, /). Легко доказывается, что Br0 {Mn, J) изоморфна группе
Br0{R, J), определенной в (BI), жч^о В^(Мп, J) с точностью до изо-
изоморфизма не зависит от выбора клеточного подразделения Мп, так
что группу Ви {Мп, J) можно рассматривать как группу Вги (R, /);
эта последняя, впрочем, является обычной группой Бетти Мпв клас-
классическом смысле комбинаторного Analysis situs. Используя два
взаимных клеточных разбиения, наконец, доказывается теорема
двойственности Пуанкаре, т. е. следующие изоморфизмы
Bru {R, 0) ж 5ГГ {R, 0), A)
Bru{R, J)
Вп0~Т (R, J).
B)
Можно также заметить, что согласно теореме взаимности из
{ВП) группы A) и B) являются взаимными.
20 апреля 1936 г.
214 35. Относительные циклы. Теорема двойственности Алексйндера
35
ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ.
ТЕОРЕМА ДВОЙСТВЕННОСТИ АЛЕКСАНДЕРА*
1. Пусть1 R — локально бикомпактное пространство, 0— замк-
замкнутое множество в R. Мы скажем, что комплекс срг (Ео, ...,ЕГ)Г
u-комплекс в смысле (BI), лежит на 0, если для любых Ео, . . ., Ег
имеем соотношение
Комплекс называется следуя Лефшецу2, относительным цик-
циклом по отношению к Q или проще циклом mod Q, если его граница
лежит на Q. Пусть ?г есть цикл mod Q. Мы скажем, что ?г есть гра-
граница mod Q или что ?г гомологичен нулю mod Q, если существует
комплекс фг+1 такой, что guq>r+1 — t,T лежит на Q. Циклы-границы
mod Q образуют подгруппу Tq группы Zq всех r-мерных циклов,
mod Q. Группа
Bru (R, Q; 0) = ZrQ - TQr
есть и-группа Бетти mod Q пространства R.
Аннулятором группы Tq в группе Fr является группа Zq всех
r-мерных 0-циклов, равных нулю на Q (в том смысле, что zr (ро, . . ^
. . ., рг) = О, если все точки pt принадлежат Q). Аннулятором
Zq в Fr является группа Hq всех О-циклов-границ, равных нулю на
Q. Следуя рассуждениям, аналогичным имеющимся в (ВП), можно
заметить, что группы Zq — Hq — Bq (R, Q, J) и Bu {R, Q, 0) яв-
являются взаимными.
2. Теорема. Группы Bl (R, Q, J) и Br0(R — Q, J) изоморф-
изоморфны; изоморфны также группы Bu (R, Q, 0) и Bu (R — Q, 0).
Второй из этих изоморфизмов немедленно следует из первого.
Последний может быть доказан с помощью следующей леммы.
Лемма. Произвольный 0-цикл, нулевой на Q, гомологичен циклуг
отличному от нуля лишь на множестве, бикомпактном в R — Q.
3. Предыдущие рассуждения могут быть применены для дока-
доказательства следующих теорем.
* Cycles relatifs.' Theoreme de dualite de M. Alexander.— C. r. Acad. sci.
Paris, 1936, vol. 202, p. 1641—1643. Представлено Г. Жюлиа. Перевод
М. Б. Балавадзе.
1 Эта заметка опирается на мои заметки (см. § 32—34 наст, изд.), они будут
обозначаться (BI), (ВП) и (ВШ).
2 С. Лефшец дал это определение, разумеется, для относительных циклов
в обычном смысле Вьеториса. Он также исследовал для этого случая понятия
относительных гомологии и групп Бетти (см.: Lefschetz S. Topology. New York,
1930).
36. Об открытых отображениях
lib
Первая теорема двойственности. Пусть R —
локально бикомпактное пространство, группы В\ (R, J) и 5J (R, J)
которого нулевые. Какое бы ни было множество Q CZ R, замкнутое
в R, группы Bl'1 (Q, J) и Br0(R — Q, J) изоморфны.
Вторая теорема двойственности. Пусть R —
локально бикомпактное пространство, группы BTU (R, 0) и В^1 (R, 0)
которого нулевые. Какое бы ни было множество Q d R, замкнутое
в R, группы Вгп1 (Q, 0) и Bu (R — Q, 0) изоморфны.
Пусть теперь R — Rn — евклидово пространство размерности п.
В случае 1 < г < п условия теорем двойственности выполнены.
Следовательно, в этом случае по формулам A) и B) из (ВШ) полу-
получается, что изоморфные группы
ВГ1 (<?, /) ~ Вг0 (Rn -Q,J)^ ВГ (Rn - Q, J)
взаимны с группами
В71 (Q, 0) ~ Bru (Rn - Q, 0) « Btr (Rn - Q, 0).
В частности, имеем, что В^1 (Q, 0) и 5„~г (Rn — (), /) взаимны,
что в точности есть теорема двойственности Александера в той общей
форме, которую недавно ей придал Понтрягин.
4 мая 1936 г.
36
ОБ ОТКРЫТЫХ ОТОБРАЖЕНИЯХ*
В предлагаемой работе будет дан пример открытого отображе-
отображения х одномерного континуума на двумерный.
1. Прежде всего сделаем замечание о топологическом предельном
переходе в смысле Александрова — Фрейденталя (см. [1, 2]). Пусть
^1> -^25 • • Ч -Л ГЦ • • • A)
— последовательность топологических пространств, и для каждого п
задано непрерывное отображение ц>п из Хп в Хп_х (п = 2, 3, . . .)»
Тогда точками предельного пространства X служат по определению
последовательности
х = [Хц х%, . . ., хп, . . .), (Z)
где хп GE Хп и xn-t = ф„ (хп). Для каждой точки вида B) из X
п-я «координата» хп обозначается через Ф„ (х), так что Фп отобра-
* Ueber offene Abbildungen.— Ann. Math., 1937, vol. 38, p. 36—38. Перевод
В. В. Успенского.
1 Непрерывное отображение пространства X в пространство Y называется
открытым, если образ каждого открытого в X множества открыт в Y.
216
36. Об открытых отображениях
36. Об открытых отображениях
217
жает X в Хп. Введем на X топологию, объявляя точку х ЕЕ X точкой
прикосновения подмножества М d X тогда и только тогда, когда
для каждого п точка Ф„ (х) есть точка прикосновения для Фп (М)
в Хп.
Пусть теперь наряду с A) задана еще одна последовательность
* li *S» • • ч * ni • • • C}
топологических пространств вместе с отображениями tyn из Yn
в Yn_i и предельным пространством У. По аналогии с Ф„ мы строим
отображения Тп из У в Yn.
Наконец, предположим, что каждое Хп открыто отображено на
Yn\ соответствующие отображения обозначим через fn. Пусть, кроме
того, для каждого хп ?Е Хп выполняется равенство
t«/n (Хп) = /п-1 Фп Ю- D>
Из D) следует, как легко видеть, что отображение / из X в Y, воз-
возникающее из отображений /п:
/(*)=/ К) = {/« W)
есть открытое отображение X на Y. Действительно, если G CZ X
открыто в X и х ЕЕ G, то существует такое п, что хп = Фп (х) не-
неявляется точкой прикосновения для Ф„ (X — G). Поскольку ото-
отображение /п : Хп ->- Yn открыто, уп = /п (хп) не является точкой
прикосновения для /п Фп (X — G) = Ч^/ (X — G). Следовательно,
точка у = f (x), у которой n-я координата есть уп, не является точ-
точкой прикосновения для / (X — G) ZD Y — / (G), откуда вытекает
открытость множества / (G) и тем самым отображения /.
2. Мы переходим теперь к построению анонсированного примера.
Пусть
— убывающая последовательность положительных чисел, сходя-
сходящаяся к нулю. Мы строим шаг за шагом двумерные евклидовы по-
полиэдры Yn (их можно представлять, например, расположенными
в R4). За У\ примем квадрат. Предположим, что уже задана триангу-
триангуляция полиэдра Fn_i, причем диаметр любого треугольника этой
триангуляции меньше, чем е„. В каждом таком треугольнике выре-
вырежем квадратную дыру и заклеим ее листом Мёбиуса. При этом листы
Мёбиуса должны быть реализованы как триангулированные по-
поверхности.
Отображение г[>п заключается в том, что каждой точке из Yn,
которая в то же время является точкой из Yn-X, сопоставляется эта
же самая точка, а каждый добавленный лист Мёбиуса непрерывно
отображается на внутренность соответствующей дыры так, что точки
края остаются неподвижными. Предельное пространство У, возни-
возникающее в результате такого построения, есть не что иное, как из-
известная понтрягинская поверхность, и является, следовательно,
двумерным континуумом (в смысле брауэровского определения раз-
размерности) [3].
3. Прежде чем перейти к построению одномерного континуума X
и его открытого отображения на У, сделаем краткое предварительное
замечание. Оно относится к следующему факту:
Тор (имеется в виду поверхность) можно открыто отобразить
на лист Мёбиуса таким образом, чтобы некоторая простая замкну-
замкнутая кривая, не ограничивающая на торе (например, экватор), отобра-
отображалась бы на край листа.
В самом деле, пусть и и v — географические координаты,
—я <; и < + я, —я <; v < + я. Отождествляя точку (и, v) с точ-
точкой (и + v, —v), получим искомое отображение поверхности тора на
лист Мёбиуса (кривая v = 0 переходит в край листа). Очевидно, что
отображение с указанными свойствами можно также определить как
симплициальное отображение.
Теперь за Хх примем снова квадрат, а за отображение /а из Хг
в 7j — тождественное отображение. Предположим, что триангули-
триангулированная поверхность Хп-Х и открытое симплициальное отображение
}п-1 : Хп-г ->¦ Yn-X уже построены. Каждая дыра, которая была вы-
вырезана из некоторого треугольника в Yn-1 (для перехода к У„),
служит образом при отображении /„_! одной или нескольких дыр
в Хп~х. Вырежем все эти дыры, и к краю каждой из них приклеим
триангулированную поверхность тора вдоль экватора. Тем самым
Хп.х переходит в Хп. Каждый тор открыто и симплициально отобра-
отобразим на тот лист Мёбиуса, которым заклеивалась соответствующая
дыра в yn-j. Возникающее открытое симплициальное отображение
Хп на Yn обозначим через /п. Далее, определим отображение срп из
Хп на Хп-г так, чтобы имело место равенство
очевидно, это возможно.
Поскольку отображения fn по построению открыты и удовлетво-
удовлетворяют условиям D), они определяют открытое отображение X на У.
Наконец, нетрудно убедиться (проще всего, пожалуй, применить
теорему Александрова об е-отображениях), что X одномерно.
Отметим к тому же, что У можно топологически вложить в четырех-
четырехмерное евклидово пространство, а X (как всякую кривую) — в трех-
трехмерное.
Болшево — Комаровка, близ Москвы
ЛИТЕРАТУРА
1. Alexandroff P. Sur les suites des espaces topologique.— C. r. Acad. sci. Pa-
Paris, 1935, vol. 200, p. 1708—1711.
2. Freudenthal H. Die i?n-adische Entwicklung von Raumen und Gruppen.—
Proc. Amsterdam Acad., 1935, vol. 38, p. 414—417.
3. Pontrjagin L. Sur une hypothcse fondamentale de la theorie de la dimension.—
С. г. Acad. sci. Paris, 1930, vol. 190, p. 1105—1107.
218 37. Кососимметричные величины и топологические инварианты
37
КОСОСИММЕТРИЧНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
И ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ИНВАРИАНТЫ *
Задачей автора является построение своеобразного разностного
исчисления, с одной стороны могущего в результате предельного
перехода привести к дифференциальным операциям над кососим-
метричными тензорами (поливекторами), с другой же стороны стояще-
стоящего в тесных взаимоотношениях с понятиями комбинаторной топо-
топологии. В частности, при помощи этого разностного исчисления могут
быть определены некоторые новые инварианты комплексов и зам-
замкнутых множеств и доказаны некоторые обобщения законов двой-
двойственности.
§ 1. Мы рассматриваем в дальнейшем кососимметричные функ-
функции 1
п + 1 аргументов х0, хъ . . ., хп. Так как значение такой функции
/п не меняется при совершении над х0, хх, . . ., хп произвольной чет-
четной подстановки, то мы говорим, что /п есть функция ориентирован-
ориентированного симплекса
А = \Х§, хх, . . ., хп).
При изменении ориентировки симплекса знак функции меняется:
U (~Хп) = -/„ (Хп). !
Функции /п (Хп) будут в дальнейшем предполагаться определен-
определенными для всех n-мерных симплексов Хп, входящих в некоторое! мно-
множество К симплексов разного числа измерений. Относительно этого
множества К мы предполагаем в дальнейшем, что:
1) вместе с Хп и симплекс — Хп входит в К;
2) вместе с Хп и все его (п — 1)-мерные грани входят в К.
Условия 1) и 2) являются обобщением требований, предъявляемых
к комплексам в комбинаторной топологии. Чтобы К было комплек-
комплексом, необходимо еще, чтобы каждая вершина х входила лишь в ко-
конечное число симплексов из К. Это последнее условие не предпола-
предполагается в дальнейшем.
Умножение симплексов определяется формулой
(х0, *!,..., хп) Q/o, У1, . . ., ут) = XnYn = Z"+m+i =
= (х0, хх, . . ., хп, у0, ух, . . ., ут).
* В кн.: Труды семинара по векторному и тензорному анализу с их при-
приложениями к геометрии, механике и физике. М.; Л.: ГОНТИ, 1937, вып. 4,
с. 345—347.
1 Для простоты предполагаем, что значениями рассматриваемых функций
являются действительные числа, хотя в приложениях к топологии существенны
и некоторые другие случаи.
37. Кососимметричные величины и топологические инварианты 219
Умножение функций /п (Хп) определяется формулой
fnL = fn+m+x (
где суммирование совершается по всем парам симплексов Хп и Хт,
дающих по умножении xn+m+l.
Легко видеть, что умножение функций ассоциативно и дистри-
дистрибутивно относительно сложения. Вместо коммутативности имеет
место соотношение
В частности, при четном п
Un = (- 1)<П+1)! fnfn = - /n/n = 0.
Для того чтобы развиваемая теория была применима к симплек-
симплексам нулевого измерения, следует допустить, что каждому элементу
х0 соответствуют два симплекса нулевого измерения +(я0) и —()
Условившись в этом, положим для любого элемента х0
Функция е0 (Х°) симплексов нулевого измерения удовлетворяет вы-
выдвинутым выше условиям.
Определим теперь операцию rot равенством
rot fn = eofn.
Операция rot/n, очевидно, является некоторой функцией /п+1 сим-
симплексов п + 1 измерения. В силу второго условия, наложенного на
систему симплексов К, она определена для всех симплексов хп+1,
входящих в К. Из равенства
еоео = 0
вытекает непосредственно, что
rot (rot /n) = 0.
Кроме того, операция rot, очевидно, дистрибутивна относительно
сложения.
Будем говорить, что /п есть цикл, если
rot /„ = 0.
Цикл /„ называется, далее, гомологичным нулю, если существует
функция /п_х, для которой rot /п_х = /„.
Циклы образуют относительно сложения группу так же, как и
циклы, гомологичные нулю. Фактор-группа группы всех циклов по
группе циклов, гомологичных нулю, называется группой Бетти
системы симплексов К. Отношение определенных таким образом
220
37. Кососимметричные величины и топологические инварианты,
38. Исследование уравнения диффузии
22*
групп Бетти к группам Бетти, обычно рассматриваемым в комбина-
комбинаторной топологии, будет освещено в другой моей работе.
§ 2. Произведение двух циклов всегда равно нулю. Для циклов
оказывается полезным введение второго умножения. Второе умноже-
умножение, обозначаемое
l/n) /mil
может быть определено для любых функций /п и /т рассматриваемо-
рассматриваемого типа, однако только для циклов мной доказана его ассоциатив-
ассоциативность. Общее его определение доставляется формулой
Второе умножение дистрибутивно относительно сложения.
В случае, если /n, fm и /R — циклы, имеет место ассоциативный закон
Н/», /ml /*1 = У», [/m, /»]]•
Вместо коммутативности имеет место соотношение
Г/ / 1 = (—IVй™ 17 / 1
Операция rot связана со вторым умножением формулой
(n+m + l) rot [fn, /J = (» + 1) [rot /n, /m] +
+ (-l)"(m + l)[/n,rot/J.
Произведение (в смысле второго умножения) цикла, гомологич-
гомологичного нулю, на произвольный цикл является циклом, гомологичным
нулю. Это позволяет определить кольцо гомологии системы К точно
так же, как оно определяется обычно для многообразий.
38
ИССЛЕДОВАНИЕ УРАВНЕНИЯ ДИФФУЗИИ,
СОЕДИНЕННОЙ
С ВОЗРАСТАНИЕМ КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА,
И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
К ОДНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЕ*
Совместно с И. Г. Петровским и Н. С. Пискуновым
ВВЕДЕНИЕ
Мы исходим из уравнения диффузии для простоты в двух изме-
измерениях
dv __
~дГ~
дх*
к>0,
х и у обозначают здесь координаты точки на плоскости, t — время,
v — плотность вещества в точке (х, у) в момент времени t. Допустим
теперь, что, кроме диффузии, имеет место возрастание количества
вещества, скорость которого в данной точке и в данный момент вре-
времени зависит от уже имеющейся плотности. Мы получим тогда урав-
уравнение
dv
B)
Естественно, нас интересуют лишь значения F (v) при v ^ 0.
Мы будем предполагать, что F (v) — непрерывная и нужное коли-
количество раз дифференцируемая функция v, удовлетворяющая, кроме
того, условиям
C)
D)
с, 0<1?<1. E)
F @) = F A) = 0;
F(v)>0, 0<1?<1;
?' @) = а > 0, F' (v)
Таким образом, мы предполагаем, что при весьма малых v ско-
скорость F (v) возрастания v пропорциональна v (с коэффициентом про-
пропорциональности а) и что при приближении v к единице наступает
состояние «насыщения» и возрастание v прекращается. В соответст-
соответствии с этим мы будем рассматривать только решения уравнения B),
удовлетворяющие условию
0 < v < 1. F)
• Бюл. МГУ. Математика и механика, 1937, т. 1, вып. 6, с. 1—26.
222
38. Исследование уравнения диффузии
38. Исследование уравнения диффузии
22»
Произвольные начальные значения v при t—О, удовлетворяющие
соотношению F), определяют одно и только одно решение ' нашего
уравнения B) при;?>0, подчиненное тому же условию F).
Мы будем далее предполагать, что плотность v не зависит от коор-
координаты у. В этом случае основное уравнение B) запишется в виде
Предположим теперь, что в начальный момент t — 0 при х < а
плотность v =i0, а при х > b ^ а плотность достигает своего макси-
максимального возможного значения v = 1. Естественно, что область плот-
плотностей, близких к единице, будет с возрастанием t распространяться
Рис. 1
«нрава налево, оттесняя область малых плотностей влево. В частном
случае а — b картина будет приблизительно такова, как изображено
на рис. 1. Тот участок кривой плотности (как функции х), на кото-
который приходится основная часть падения плотности от единицы до
нуля, с течением времени перемещается справа налево. По форме
кривая плотности при t-*-<*> приближается к определенной предель-
предельной кривой. Задача заключается в том, чтобы определить эту пре-
предельную форму кривой плотности и предельную скорость ее пере-
перемещения справа налево. Оказывается, что искомая предельная ско-
скорость равна
fe (8)
а предельная форма кривой плотности дается решением уравнения
?S
обращающимся в нуль при х = — оо и в единицу при х = + °°.
Такое решение всегда существует и единственно с точностью до пре-
преобразования х' = х + с, не меняющего форму кривой.
Заметим, что уравнение (9) может быть получено следующим об-
образом. Будем искать решение уравнения G), обладающее тем свойст-
1 Доказательство этого будет дано в § 3.
вом, что при изменении t форма кривой, изображающей зависимость
v от х, не меняется, а сама эта кривая перемещается справа налево»
со скоростью К. Такое решение имеет вид
|у (х, t) = v (x + Kt). A0>
Рассматривая теперь v как функцию одного переменного»
z = х + Kt, получим уравнение
-?
-*
¦?-
Уравнение это, оказывается, имеет решения, удовлетворяющие
условиям, поставленным выше для уравнения (9), при всевозможных
К ^ Ко. Но только при К = Ко мы получим интересующую нас пре-
предельную форму кривой плотности при указанных выше начальных
условиях. Чтобы понять странное на первый взгляд явление наличия
решений уравнения G) вида A0) при К ]> ?i0, т. е. решений, при
которых расширение области больших (близких к единице) плотно-
плотностей происходит со скоростью, большей %0, разберем предельный:
случай к = 0. В этом случае диффузия отсутствует и уравнение G)
легко интегрируется. При наших начальных условиях в точках
х < а, где плотность вначале была равна нулю, она останется рав-
равной нулю при любом t ^> 0. Однако нетрудно подсчитать, что при
любом К ^> ?i0 найдутся решения уравнения G) вида A0), удовлетво-
удовлетвоК
любом К ^> ?0 найдуя р ур () д (), уд
ряющие всем поставленным выше условиям. Кажущееся перемеще-
перемещение вещества справа налево будет здесь вызвано на самом деле ростом
его плотности в каждой точке, происходящим совершенно независи-
независимо от течения процесса в других точках.
В § 1 изложенные во введении факты применяются к изучению
биологических проблем, в § 2 и 3 будет дано доказательство этих
фактов.
§ 1
Рассмотрим теперь некоторую территорию, заселенную каким-
либо видом. Предположим сначала, что некоторый доминантный ген
А распространен по изучаемой территории с постоянной концентра-
концентрацией р @ <^ р <; 1). Предположим далее, что особи, обладающие
признаком А (т. е. принадлежащие к генотипам АА и Аа), имеют
преимущество в борьбе за существование над особями, не обладаю-
обладающими этим признаком (принадлежащими к генотипу аа); именно
предположим, что отношение вероятности выживания особи,
обладающей признаком А, к такой же вероятности для особи, им
не обладающей, равно
где а — малое положительное число. Тогда с точностью до членов
порядка а2 получим для приращения концентрации р за одно»
224
38. Исследование уравнения диффузии
38. Исследование уравнения диффузии
225
поколение формулу (см. [1])
Ар = ар A - р)\ A1)
Предположим теперь, что концентрация р различна в различ-
различных точках территории, занятой изучаемым видом, т. е. что р за-
зависит от координат точки на плоскости х и у. Если бы при этом
особи нашего вида оставались прикрепленными неподвижно к от-
отдельным точкам территории, то соотношение A1) было бы по-преж-
по-прежнему справедливо. Допустим, однако, что в промежутке между рож-
рождением и размножением каждая особь перемещается в случайном
направлении (все направления равновероятны) на то или иное
расстояние. Пусть при этом / (г) dr будет вероятность перемещения
на расстояние, лежащее между г и г + dr, a
Р =
— среднеквадратичное перемещение. Тогда получим вместо A1)
¦формулу
— оо — оо
ар(х,у){1—р(х,у)}2,
A2)
где
Мы предполагаем теперь, что р дифференцируемо по х, у и вре-
времени t (считая| последнее в поколениях) и что аир весьма малы,
а третий момент
мал по сравнению с р2. В этом случае, разлагая в A2) р (I, ц) в ряд
Тейлора по | — х и ц — г/и ограничиваясь членами второго поряд-
порядка (члены первого порядка исчезают), получаем2 приближенно диф-
дифференциальное уравнение для р:
-рJ. A3)
К этому уравнению применимы все рассмотрения, относящиеся
к общему уравнению B).
Подчеркнем еще раз сделанные допущения. Мы предположили,
что концентрация р плавно меняется в зависимости от места и време-
2 По поводу перехода от A2) к A3) см. аналогичные рассмотрения, напри"
мер, у А. Я. Хянчина в его книге [2].
ни (дифференцируемость по х, у, t), что изменения эти вызваны от-
отбором в отношении] A -f- a): 1 в пользу доминантного признака А и
беспорядочными перемещениями отдельных особей со среднеквадра-
среднеквадратичным перемещением одной особи за время от рождения до размноже-
размножения р и, наконец, что аир малы (р — по сравнению с расстояниями,
на которых происходят значительные изменения концентрации р).
В этом случае, принимая одно поколение за единицу времени, мы
и получаем уравнение A3).
Обратимся теперь к тому случаю, когда обширная территория уже
занята геном А с концентрацией р, близкой к единице. Вдоль
границы этой области, естественно, должна лежать переходная поло-
полоса промежуточных концентраций. За пределами этой полосы будем
предполагать р близкими к нулю. В силу положительного отбора
область, занятая геном А, будет расширяться, иначе говоря, ее гра-
граница будет перемещаться в сторону территорий, еще не занятых
геном А, вдоль же этой границы будет все время сохраняться полоса
промежуточных концентраций. Нашей первой задачей является
определение скорости наступления гена А, т. е. скорости перемеще-
перемещения границы области, заселенной геном А,,.ъ направлении нормали
к этой границе. Формула (8) дает готовый ответ на этот вопрос: так
как к в нашем случае равно р2/4, то искомая скорость равна
Л = р|Аа» A4)
В качестве второй задачи естественно возникает задача опреде-
определения ширины переходной области. В силу формулы (9) в направ-
направлении нормали к границе концентрация р удовлетворяет уравнению
" dn — 4
или после деления на а и замены К с помощью формулы A4)
р dp 1 р2 d%p , /л \2
—7=—л— == ~7 , „—|- р A — р) .
т|/ /v dn 4 ее г О/П
Вводя новое переменное v с помощью соотношения
П = I
получаем уравнение
dp
dv
4 dv2
A5)
A6)
уже не содержащее ни а, ни р. Граничные условия для этого урав-
уравнения таковы же, как и для (9):
р (_оо) = 0, р (+оо) = 1.
Из соотношения A5) заключаем, что ширина переходной полосы
пропорциональна
L = р//а. A7)
8 А. Н. Колмогоров
226
38. Исследование уравнения диффузии
Пусть, например, р = 1, а = 0,0001, тогда К = 0,01,
L = 100.
§2
В этом параграфе мы будем рассматривать уравнение
A8)
где К и к будем считать положительными, а относительно функции
F (v) предполагать, что она удовлетворяет условиям, перечисленным
во введении.
Мы ставим сейчас целью установить те соотношения между \,
к и а = F' @), при которых это уравнение имеет решение, удовлетво-
удовлетворяющее следующим требованиям:
ж
+oo и v (х) -v 0, х
—оо.
Положим dvldx = p, Тогда
d2v fdp dv dp
dx*
dv dx
—
Подставляя это в уравнение A8), найдем
dp Хр — F(v)
dv
кр
A9)
Нас интересуют те интегральные кривые этого уравнения, которые
на плоскости (р, v) проходят между прямыми у = 0иу= 1. Вообще
говоря, среди этих кривых могут быть кривые следующих типов:
1. Интегральные кривые, которые не подходят к одной из пря-
прямых v = 0, v = 1 ближе чем на некоторое е ^> 0.
2. Интегральные кривые, которые бесконечно удаляются от оси
v, приближаясь асимптотически к одной из прямых v = 0, v = 1.
3. Интегральные кривые, которые пересекают одну из этих пря-
прямых в некоторой конечной точке, не принадлежащей оси v.
4. Интегральные кривые, которые приближаются к точкам
v = 0, р = 0иу = 1,/> = 0ине принадлежат ни к одному из пре-
предыдущих типов.
Но легко видеть, что интегральным кривым первого типа не могут
соответствовать решения уравнения A8), удовлетворяющие постав-
поставленным условиям, потому что для них v не может быть как угодно-
близко к 0 и 1.
Интегральных кривых второго типа вообще не существует, так
как у кривых этого типа обязательно должны быть точки, для кото-
которых при очень больших | р | величина | dpldv | очень велика. Но
дробь (Кр — F (v))/kp при больших значениях | р | приблизительно
равна К/к (в силу ограниченности F (v) на интервале @, 1)).
38. Исследование уравнения диффузии
227
Интегральным кривым третьего типа соответствуют решения
уравнения A8), не остающиеся всегда между 0 и 1. Действительно,
допустим, например, что какая-нибудь кривая этого типа прибли-
приближается к точке v = 1, р = рг Ф 0. Вблизи прямой v = 1
следовательно, здесь можно рассматривать р как функцию от v.
Пусть р = ф (v). Так как ф A) = рг Ф 0, то и на некотором малом
интервале A — е, 1 + е) | ф (v) | остается больше некоторой поло-
положительной постоянной С. Обозначим через х0 значение х, при кото-
котором v = 1 — е. Тогда, интегрируя уравнение dvldx = ф (v), находим
X V
С , ' dv
\ах = х — хо = \ ¦—г-г- .
J J ФИ
Х„ 1-Е
Отсюда видно, что, когда v меняется от 1 — е до 1 + е, изменение
х по абсолютной величине не превосходит 2е/С. Поэтому v при изме-
изменении х от х0 до х0 + 2е/С обязательно переходит через единицу.
Остается рассмотреть интегральные кривые четвертого типа.
Каждая из точек у = 0, р=0яи = 1,р = 0 есть особая точка диф-
дифференциального уравнения A9). Интегральная кривая четвертого
типа должна приближаться к каждой из этих точек, не пересекая
прямых v = 0 и v = 1, следовательно, не закручиваясь. Поэтому,
чтобы такие кривые существовали, характеристическое уравнение
для каждой из этих точек должно иметь действительные корни.
Напишем F (v) в форме
F (v) = av + фх (v).
Тогда, очевидно, <fi(v) = о (v). Поэтому характеристическое
уравнение для точки v = 0, р = 0 имеет вид
к
— Р
или
р2 — Кр + ак = 0. B0)
Это уравнение будет иметь действительные корни, если
К2 > 4ак.
Чтобы получить характеристическое уравнение для точки
v = 1, р = 0, сделаем замену переменных, положив v = 1 — и.
Получаем
dp — Хр + Ф (и)
Чп к~р '
где
Ф (и) = F A - и).
8*
228
38. Исследование уравнения диффузии
38. Исследование уравнения диффузии
229
Очевидно, F' A)< 0 и Ф' @) = — F' A) = А > 0. Следователь-
Следовательно,
Ф (и) = Аи + о (и)
и характеристическое уравнение для точки v = 1, р = 0 примет
вид
— к — р А
1 = 0,
к —р
или
p2 + кр — Ak = О,
Это уравнение будет иметь действительные корни, если
кг > — Ык.
B1)
B2)
определяются из
Так как а ]> 0, то уравнение B0) имеет действительные корни
одного знака. Следовательно, точка @, 0) есть узел. Все интеграль-
интегральные кривые, попавшие в некоторую достаточно малую окрестность
этой точки, проходят через эту точку. Уравнение же B1) имеет
корни разных знаков, если А ^> 0. Поэтому если А ^> 0, то через
точку A, 0) проходят только две интегральные кривые по строго
определенным направлениям. Пусть эти направления даются урав-
уравнениями
т^и -f- щр = 0, тги -\- п^р = 0.
Известно 3, что коэффициенты тг, п±, тп2, п2
уравнений
ктх — РхЩ = 0, ктг — р%п% = 0, B3)
где Pi и р2 — корни характеристического уравнения B1). Так как
корни разных знаков, то и угловые коэффициенты прямых B2) будут
разных знаков 4. Поэтому в каждом из углов, образованных пере-
пересечением прямых v = 1 и р = 0, находится только одна интеграль-
интегральная кривая уравнения A9), проходящая через точку v = 1, р = 0.
На рис. 2 изображено примерное расположение этих кривых.
Кривая // пересекает ось р ниже начала координат, потому что
уравнение A9) показывает, что dpldv ^>0в той части полосы, заклю-
заключенной между прямыми v = 0 и v = 1, которая лежит ниже оси v.
Поэтому кривую // надо исключить из рассмотрения. Остается ис-
исследовать 5 кривую /.
3 См., например, Бендиксон [3] (или В. В. Степанов [4].— Примеч. ред.).
4 Совершенно так же можно показать, что оба угловых коэффициента каса-
касательных в начале координат к интегральным кривым уравнения A9) положи-
положительны.
6 Если А = 0, то можно только утверждать, что существует по крайней
мере одна интегральная кривая типа /, приближающаяся к точке A, 0) по неко-
некоторому определенному направлению, угловой коэффициент которого отрица-
отрицателен (см. [5]).
Мы хотим доказать, что всякая кривая типа / пересекает ось р
в начале координат. Докажем прежде всего, что эта кривая не может
пересекать оси р ниже начала координат. Рассмотрим для этого
изоклины уравнения A9)* Уравнение семейства этих линий имеет
вид
**-*»= С. B4)
Здесь С есть значение dpldv в точке v, p. Отсюда
Уравнение B4) представляет семейство кривых, проходящих
через точки @, 0) и A, 0). На рис. 3 схематически показано это
Рис. 2
Рис. 3
семейство. Рядом с каждой кривой показано соответствующее ей
значение С. Жирной линией начерчена кривая, соответствующая
С = 0. По мере повышения вершин кривых соответственно увеличи-
увеличивается С, приближаясь к величине к/к, которая соответствует пря-
прямым i; = 0 и i; = 1. В области, заключенной между кривой С = 0
и осью у (заштрихованной на рис. 3), С < 0, причем в точках, близ-
близких к оси v, С очень велико по абсолютной величине. Ниже оси v
С ]> 0, при понижении вершины кривой от уровня оси v до —оо
С уменьшается от +оо до к/к.
Теперь уже легко видеть, что интегральная кривая / (см. рис. 2)
не может пересекать оси Ор ниже начала координат. Действительно,
в этом случае кривая / должна была бы пересечь ось v. Так как
dp/dv = —оо на верхней стороне этой оси и dpldv = +оо на нижней
ее стороне, то выпуклость интегральной кривой / в точке пересече-
пересечения ее с осью v обращена к прямой v = 1. Поэтому, чтобы эта кривая
попала в точку A, 0), необходимо, чтобы dpldv обращалась в оо выше
оси v, что невозможно. По этой же причине интегральная кривая /
не может пересечь прямую v = 1 выше оси v.
Докажем теперь, что интегральная кривая / не может пересекать
оси р выше начала координат. Для этого достаточно доказать, что
230
38. Исследование уравнения диффузии
существует такая полупрямая, проходящая через начало координат
в первом координатном угле, которую не пересекает ни одна из ин-
интегральных кривых, пересекающих ось р в ее положительной
части. Из уравнения B4) мы получаем6.
dp \ а
~dv~ )v=o X — Ck '
Определим С так, чтобы (dp/dv)v=0 = С. Для этого имеем урав-
уравнение
а
= С,
или
кС2 - Ск + а = 0,
откуда
—4ак
2к
B5)
Так как мы предполагаем, что
Л* > 4ак,
то оба значения С, даваемые равенством B5), действительны и поло-
положительны. Обозначим через Со одно из них и проведем прямую
р = Cov. B6)
Легко видеть, что для всех тех точек полосы между прямыми
v = 0 и v = 1, которые лежат выше прямой B6) или даже на самой
этой прямой (за исключением начала координат) ',
dp ^г
>C
Поэтому ни одна интегральная кривая, проходящая через какую-
нибудь точку оси р, лежащую выше начала координат, никогда не
пересекает ту часть прямой B6), которая расположена выше оси
V. Тем самым доказано, что всякая интегральная кривая типа /
(см. рис. 2) проходит через начало координат.
Докажем, что существует только одна интегральная кривая ти-
типа /. (Это доказательство необходимо, конечно, только в случае
Д = 0.) Действительно, мы доказали, что все кривые типа / прохо-
проходят через начало координат. С другой стороны, из равенства A9)
следует, что при р ^> 0 и неизменном v производная dpldv увеличи-
• ?? означает производную функции р = р (v), определяемой уравне-
dv
нием B4').
7 Здесь р есть функция от v, определяемая уравнением A8).
38. Исследование уравнения диффузии
231
вается вместе с р. Отсюда следует, что две интегральные кривые,
выходящие из начала координат, не могут пройти через точку A, 0).
Докажем теперь, что кривой / соответствует решение уравнения
A8), удовлетворяющее поставленным вначале условиям. Заметим
прежде всего, что всякий перпендикуляр к оси v пересекает инте-
интегральную кривую / уравнения A9) только в одной точке, иначе выше
оси v dpldv обращалась быв оо. Поэтому вдоль этой кривой р есть
функция от v, р = ф(у). Вспомним еще, что кривая /пересекает ось
v в точке A, 0) под углом, тангенс которого отрицателен, а в начале
координат — под углом, тангенс которого положителен. Поэтому при
малых значениях v
p = kxv + о (v),
а при малых значениях 1 — v
p = k2 A - v) + о A - v),
где кг и &2 положительны.
Вспомним теперь, что р = dvldx. Поэтому dvldx = ср (v),
dx = dv/(p (v). Интегрируя последнее равенство, получаем
B7)
B8)
или
В силу соотношений B7) и B8) отсюда следует, что при v -» О,
х —* —°° и при v ~-» 1, ж—>• оо, что и требовалось доказать.
§ 3
Вместо уравнения G), о котором говорилось во введении, мы
будем в этом параграфе рассматривать уравнение
?-?¦ = *<»>. B9)
где функция F (v) удовлетворяет следующим условиям:
F @) = F A) = 0;
/»>0, 0<i><1;
F' @) = 1;
C0)
C1)
C2)
C3)
F' (v) ограничена и непрерывна на интервале @, 1). Кроме того,
мы будем предполагать, что F (v) дифференцируема нужное число
раз. Именно общее уравнение G), данное во введении, можно всегда
свести к виду B9) при помощи замены переменных
х = Ykja X и t = t/a.
232
38. Исследование уравнения диффузии
38. Исследование уравнения диффузии
233
Основной целью этого параграфа является доказательство того,
что при t —» оо участок кривой плотности v (x, t) (как функции от
х), на который приходится основная часть падения от 1 до 0,'с тече-
течением времени перемещается влево со скоростью, которая приближа-
приближается к 2 (снизу), а сама форма кривой плотности приближается при
этом к форме графика того решения и (х) уравнения
^_2^- + ^» = 0, C4)
которое обращается в 0 при х —> —оо и в 1 при х —>оо; существование
такого решения было доказано в § 2.
Прежде чем приступить к доказательству основных утверждений
этого параграфа, рассмотрим уравнение
dv d2v „ . , ,
частным случаем которого является уравнение B9). Мы докажем су-
существование решения, принимающего заданные значения при t = О,
и изучим ряд его свойств.
Теорема 1. Пусть дано уравнение
dv d*V __ p , t v ,ggv
где непрерывная и ограниченная функция F (x, t, v) удовлетворяет
условию Липшица по v и х, т. е.
\F (x2, t, v2) — F (xi, t, vi) | < k | v2 — vi | -j- k | x2 — xi | C6)
(k — постоянная, не зависящая от х, t, v). Пусть f (x) — некоторая
ограниченная функция, определенная для всех значений х. Для просто-
простоты будем предполагать, что f (x) имеет только конечное число точек
разрыва. Тогда существует одна и только одна ограниченная при огра-
ограниченных значениях t функция v (x, t), которая при t ^> 0 удовлетво-
удовлетворяет уравнению C5) и при t = 0 принимает значение f (x) во всех
точках непрерывности этой функции. В дальнейшем, для краткости
говоря, что v (x, t) обращается в f (х) при t = 0, мы будем всегда иметь
в виду только точки непрерывности функции f (x).
Доказательство. Пусть v0 (x, t) — ограниченная функ-
функция, удовлетворяющая при t ^> 0 уравнению
dv d'v
dt dx"-
C7)
и принимающая значения / (ж) при t = 0. Подставляя эту функцию
вместо v в правую часть уравнения C5), мы по формуле
i/ji
О —оо
't-T)
l\))dt
C8)
находим решение этого уравнения, принимающее значение 0 на оси
х (см. [6]). Функция
VI (X, t) = Vo (X, t) + VI {Х, t)
принимает при t = 0 значения / (х) и удовлетворяет при t ^> 0 урав-
уравнению
dv! <52Ух „ , ...
~W дФ = Р[х' *' Уо^' ')!•
Вообще по формуле
vi+1 (x, t) = v0 {x, t) + -±— С d-q [ e ^ F (I, t], Vi) dl C9)
2.Л1 Я .! V 1/ t — TI
находим функцию vH1 (x, t), удовлетворяющую при t > 0 уравне-
уравнению
dv.
г+1
at
дх*
D0)
и обращающуюся в / (х) при t = 0.
Докажем, что последовательность функций Vi (x, t) равномерно
сходится. Действительно, принимая во внимание C6), мы находим
из равенств C9)
== sup | vi+i (x, x\) — vi{x,
— F(
D1)
(«-a»
так как
—r==- dl = 2 у п. Но, обозначая через М0 верхнюю
У t — Т)
-—ОО
границу значений | / (х) | и F (x, t, 0), мы получаем
| v0 (x, t) |< Мо
и при помощи равенства C8)
Отсюда, пользуясь неравенством D1), легко получаем
234
38. Исследование уравнения диффузии
из чего уже совсем просто получается равномерная сходимость vt.
Положим
v (x, t) = lim Vt (х, t).
i—>oo
Функция v (x, t) обращается в / (x) при t = 0. Кроме того, как легко
видеть, она удовлетворяет уравнению
v(x,
--vo(x, t)
. D2)
0 —oo
Отсюда ясно, что v (x, t) есть непрерывная функция х ъ t при
t ^> 0. В цитированном уже мемуаре Жеврея [6, с. 343—344] дока-
доказывается, что при любой ограниченной функции F второе слагаемое
правой части последнего равенства имеет ограниченную производную
по х. В силу условия C6) отсюда следует, что функция F (x, t,
v (x, t)) при t ^> 0 имеет ограниченные производные любого порядка
по х и потому v (x, t) (см. [6, с. 351]) удовлетворяет уравнению C5).
Единственность ограниченного решения доказывается следую-
следующим образом. Допустим, что существуют две ограниченные функции
vi (х, t) и р2 (х, t), принимающие одинаковые значения при t = 0.
Тогда они удовлетворяют уравнению
Vi(x, t)~-V1(X, t) =
. (*-?)•
-^(g, л.
0 —o
D3)
Положим
M (t) = sup | v2 (x, r\) — vi (x, ц) |.
Тогда из D3) при помощи C6) получим
t
что невозможно.
Примечание. Для областей, ограниченных слева и справа
некоторыми линиями х = cpi (t) и х = ф2 (t), а сверху и снизу — неко-
некоторыми прямыми t = t0 и ? = h ^> t0, в цитированном уже мемуаре
Жеврея [6] доказаны существование и единственность ограниченной
функции, удовлетворяющей внутри этой области уравнению C5) и
принимающей на линиях х = cpi (t), х = ср2 (t) и t = ?0 заданные не-
непрерывные и ограниченные значения. Аналогично можно было бы
доказать существование и единственность ограниченной функции,
удовлетворяющей уравнению C5) внутри области G, ограниченной
35. Исследование уравнения диффузии
235
только с одной стороны линией х = ср (?), а сверху и снизу прямыми
t т= t0 n t — h^> t0 и принимающей заданные ограниченные и не-
непрерывные значения на линии х = ср (t) и на прямой t = fOl
Теорема 2. ZTpu замене функции F (x, t, v) новой функцией
Fi (x, t, v), для которой всегда
Fi (x, t,v)>F (x, t, v),
функция v (x, t) не уменьшается, если начальные условия не измени-
изменились.
Замечание. Если уравнение C5) интерпретировать как урав-
уравнение распространения тепла, то функция F (x, t, v) характеризует
интенсивность зарождения теплоты, и физически теорема 2 делается
очевидной.
Доказательство. Пусть функции v (x, t) и vi (x, t) удов-
удовлетворяют соответственно уравнению C5) и уравнению
Вычитая почленно, получим, что функция
w (х, t) = vi (х, t) — v (х, t)
удовлетворяет уравнению
Положим
w {x, t) — w (x, t) e~kt,
где к — то же, что в неравенстве C6). Тогда
^=№ + е*ЧР1(х, t, ъ) — Р(х, t, v)].
dw
Отсюда
(x-1)'
— F(l i\, i;)]dg>
6 —»
236
38. Исследование уравнения диффузии
г,, vl)-F(l л,
со -
е
О —сю
— ¦ц
D4)
Выражение, стоящее в квадратных скобках, равно 0, если w ^
>0 и равно —2Ш, если г? <; 0. Обозначим через —т (t) нижнюю
границу значений w Ц, г\) — \w (?, г\) | при r\ < t. Для доказатель-
доказательства нашей теоремы, очевидно, достаточно показать, что т (t) = 0.
А для этого заметим, что из неравенства D4) следует, что
t
w(x, t)^ — k
и потому j
t
m(i)</c^m(r])dri,
о
что возможно только при т (t) = 0, что и требовалось доказать.
Теорема 3. При увеличении f (х) величина v (x, t) не умень-
уменьшается.
Физически содержание этой теоремы так же ясно, как и содержа-
содержание предыдущей, если уравнение C5) интерпретировать как уравне-
уравнение распространения теплоты в стержне. Функция / (х) представля-
представляет начальную температуру стержня. Когда эта температура повышает-
повышается, то и последующая температура также повышается.
Доказательство теоремы 3. Пусть vi (x, t) и v2 (x, t)
удовлетворяют уравнению C5) и при t = 0 обращаются соответствен-
соответственно в /i (х) и /2 (х), /2 (х) > /х (х). Докажем, что v2 ^ vi. .
Функция w = v2 — vi удовлетворяет уравнению
ди>
l
dt
дх*
= F{x, t, v2) — F(x, t,
В силу условия C6)
F (x, t, vz) — F (x, t, vi) > -к
w
Значит, по теореме 2 функция w (x, t) не меньше функции v* (x, t),
которая при t = 0 обращается в /2 (х) — /i (x), а при t ^> 0 удовлет-
удовлетворяет уравнению
dv* дЪ* 7f*i
Ограниченным при ограниченных t решением этого уравнения
(единственным по теореме 1) является функция erktv**, где v** (x,
t) удовлетворяет уравнению C7) при начальном условии v** (x, 0) =
38. Исследование уравнения диффузии
237
/г (х) — /i (x) (очевидно, она неотрицательна). Следовательно,
w = v2 — vi ^> 0,
и требовалось доказать.
,Т е о р е м а 4. Если всюду f (х)
0.
0 и F (x, t, 0) = 0, то и
V (x, t)
Доказательство. По теореме 3 при уменьшении / (х)
функция v (x, t) не увеличивается. При / (х) = 0 имеем v (x, t) = 0.
Следовательно, при / (х) ;> 0 будет v (x, t) ^ 0, что и требовалось
доказать.
Теорема 5. Если, кроме условия теоремы 4, выполняется еще
условие, что f (x) ^> 0 на некотором интервале положительной длины,
то при t ^> 0
v (x, t) > 0.
Доказательство получается из доказательства теоремы
3, если в нем положить v2 = v и vi — 0 и принять во внимание, что
v** (x, ?), представляемая интегралом Пуассона, обязательно поло-
положительна при t ^> 0.
Теорема 6. Если F (x, t, 1) =з 0 и f (х) <| 1, то и v (x, t) <^ 1.
Доказательство. По теореме 3 при увеличении / (х)
функция v (x, t) не уменьшается. При / (х) = 1 функция v (x, t) = 1.
Отсюда следует доказываемая теорема.
Теорема 7. Если функция v (x, t) при t = 0 принимает значе-
значения монотонно возрастающей дифференцируемой функции f (x) и
при t ~^> 0 удовлетворяет уравнению
dv дЪ п . . - //с\
mo v (x, t) есть неубывающая функция от х при любом t^>0.
Доказательство. По, теореме 1
D6)
где v0 {x, t) при t ^> 0 удовлетворяет уравнению
— — — — 0 ' D7}
dt dx* —U . - -l^'J
и обращается в / (х) при t = 0. Если / (х) дифференцируема, то
dv0 (x, t)ldx приближается к /' (ж), когда точка (ж, t) приближается
к (ж, 0) (см. [6, с. 330—331]). С другой стороны, частная производ-
производная по х от второго слагаемого правой части D6) по абсолютной ве-
величине не превосходит D/|/"я) Mt!i, если | F | ^ М (см. [6, с. 344]).
Следовательно, dv (ж, t)/dx приближается к /' (ж), когда t —-> 0. Если
предположить еще, что функция v (ж, t) имеет производные d^vldtdx
238
38. Исследование уравнения диффузии
и д3у/дж3, что имеет место, если F (t, v) трижды дифференцируема п<;
v, то функция w (ж, t) = dv (ж, t)/dx удовлетворяет уравнению
dw d2w dF lllQ.
-тт. яТ — ~ w» D8)
dt дхг dv I
Тогда, применяя теорему 4, мы найдем, что w (ж, t) ^ 0, чт^> и
требовалось доказать.
Теорема 8. Если
е-»о
так, что при этом
+0О
то при всяком t ^> О функция yW (ж, f), удовлетворяющая при t ]> О
уравнению C5) и обращающаяся в /<е) (ж) при f = 0, приближается к
функции у(°) (ж, ?), также удовлетворяющей уравнению C5) при ? ^>
)>0 в обращающейся в /№ (ж) при i = 0.
Доказательство. Будем находить у(8> (х, i) и у<°> (ж, i)
методом последовательных приближений, как это делалось при
доказательстве теоремы 1. Функции yje) и 1>оО> даются соответственно
формулами
(«-а»
Отсюда сразу видно, что при t ^> О
4Е) (*, 9е-^40) (*, 9-
Величина г?18) (ж, t) — г7^0) (ж, t) (обозначения те же, что и в до-
доказательстве теоремы 1) дается формулой
t +0О -
Отсюда
у*
— v[0)(x, t) |
-«8°E.
О —оо
38. Исследование уравнения диффузии
239
Положим
Очевидно,
v*0 (ж, 9 >
и потому
9 - ^@) (*. 9
+оо —
(*-?)'
= к С у* (ж, f) dr\ = fefy* (^> 9-
Последнее равенство вытекает из того, что v* (ж, t) удовлетворя-
удовлетворяет уравнению D7). Таким образом,
vf (x, t) < ktv% (x, t).
Совершенно так же мы найдем, что
v*(x, t) = \v^
, 9-
Отсюда следует, что, выбирая е достаточно малым, мы мо-
жем сделать величину 2j v~? (xi 9i a следовательно и
(x, t) —
t=0
t0
— yd» (ж, t) |, как угодно малой, что и требовалось доказать.
Теорема 9. Функция v (ж, f), которая при t ^> 0 удовлетворяет
уравнению D5), при ? = 0 и ж <^ 0 обращается в 0, а при ( = 0 и
ж ^> 0' обращается в 1, есть неубывающая функция от х при любом
t ^> 0, причем dv (ж, ?)/Зж ^> 0 при ? ^> 0.
Доказательство. Согласно последней лемме функцию
v (ж, ?) можно рассматривать как предел при е —> 0 функции yW (ж, t),
которая на оси ж при | ж | ^ е принимает такие же значения, как
и у (ж, t), и на всей оси ж непрерывна вместе со своей производной по
х и монотонна. Но относительно функции iXs> (ж, t) только что было
доказано (теорема 7), что при t ^> 0 она монотонно возрастает вместе
с ж. Значит, то же справедливо и для v (ж, t).
Докажем еще, что при t ^> 0 величина dv (ж, t)/dx ^> 0. Для этого
надо только показать, что при t ^> 0 не может быть dv (ж, t)/dx = 0.
Это же следует из таких соображений. Величина dv (ж, t)/dx удовлет-
удовлетворяет при t ^> 0 уравнению D8). Следовательно, величина
w (ж, t) = eMtdv(x,t)/dx, где М — верхняя граница значений
240
38. Исследование уравнения диффузии
удовлетворяет уравнению
dw d2w I dF , -.I _
-^ 3-5- = — \- M \w.
dt dx2 I dv ' J
Так как
dF/dv + M > 0, /
то на основании теоремы 2 функция w (x, t) при i ^> t0 ^> 0 не меньше
функции w (x, t), которая при t = t0 совпадает с w (ж, t), а при t >
^> ^о удовлетворяет уравнению
dw дШ 0
dt dx* — '
Эта же последняя функция всюду при t ^> 10 положительна, так
как при t = t0 функция w (x, t) не равна 0 тождественно, если t0
достаточно мало.
Во всем дальнейшем мы будем обозначать через г; (х, t) функцию,
удовлетворяющую при t ~^> 0 уравнению B9) и обращающуюся в О
при i = 0 и а;<^0 и в 1 при t = 0 и ж^> 0.
Теорема 10. При любом постоянном х <^0
v (х — It, t) -> 0.
t—*t-oo
Доказательство. Функция г; (ж, ?) = г; (ж — 2t, t) удов-
удовлетворяет уравнению
Функция же г;* (ж, i) = г; (ж — 2^, t) e~x удовлетворяет уравне-
уравнению'
Согласно наложенным на F (v) условиям C2) и C3) F (v) — г; ^
<[ 0. Следовательно, г;* (ж, t) меньше той функции, которая удовлет-
удовлетворяет уравнению C7) при t ^> 0, а при t = 0 принимает значе-
значение 0, когда х <^ 0, и значение ё~х, когда ж ^> 0. Эта же послед-
последняя функция равномерно по х стремится к 0 при t —> сю.
Теорема 11. Будем рассматривать величину dv (x, t)/dx при
постоянном t как функцию v. Это возможно на основании теоремы 9.
Пусть
dv (x, t)/dx = г|з (г;, t). DS)
Тогда при возрастании t и неизменном v функция г|з не возрастает.
8 Легко видеть, что функция v* (x, t) остается ограниченной при ограничен-
ограниченном t > 0.
38. Исследование уравнения диффузии
241
Доказательство. Рассмотрим функции v(x, t) и v (ж + с,
t -j- t0) = vt, (x, t), где с — некоторая константа и t0 ^> 0. Положим
и; (ж, *) = v (х, t) — vt, (х, t).
Пусть fO? есть множество тех точек плоскости (х, t), где w (ж, t) ^>
^> 0. Докажем прежде всего, что это множество ограничено только
слева и притом такой линией, которая выхо-
выходит из начала координат и вдоль которой ко-
координата t нигде не убывает. Для доказатель-
доказательства этого заметим, что w (ж, t) удовлетворяет
уравнению
dw d2w , . . ,cfu 0 J?
dt dx~ "-V-ч /«"» V / рис> 4
где к (ж, ?) есть некоторая ограниченная функция, именно
к (ж, t) = *" (в (ж, 0),
и й (ж, f) есть некоторое число, заключенное между г; (ж, t) и ^о (ж, t).
Поэтому множество Ш не может содержать изолированных кус-
кусков 9, не примыкающих к оси х. Значит, оно состоит только из одно-
одного куска, примыкающего, очевидно, к правой половине оси х. Чтобы
доказать, что множество Ш ограничено слева линией, вдоль которой
t нигде не убывает, допустим противное, именно, что эта линия со-
содержит кусок вида, изображенного на рис. 4. Пусть, например, на-
начиная от точки А эта кривая опускается вниз. Тогда функция w (ж, t)
принимала бы отрицательные значения правее линии О А, в то вре-
время как на самой линии О А она равна 0, а на оси ж при ж ^> 0 она при-
принимает положительные значения. Но методами, совершенно сходны-
сходными с теми, какими была доказана теорема 4, можно показать, что это
невозможно.
Совершенно так же доказывается, что множество Ш не ограничено
справа.
После этих замечаний высказанная теорема доказывается уже
совсем просто. Действительно, пользуясь произволом в выборе с,
можно достичь того, чтобы при любом наперед заданном t при неко-
некотором ж = ж0 величины v (ж0, t) и vto (x0, t) совпадали. А тогда на ос-
основании только что приведенных рассуждений будет при всех х ^> ж0.
v (ж, t) > vu (ж, t)
и, следовательно,
dv ,
что и требовалось доказать.
9 По поводу доказательства аналогичного утверждения для случая конеч-
конечных кусков см. [7, с. 386—387]. Можно показать, что то же утверждение имеет
место и для бесконечных кусков. Ср. примечание к теореме 1.
242
38. Исследование уравнения диффузии
. Т е о р е м а 12. При любом t
dv (x, t) i 1 \
jjj ^U [X),
если v (x, t) = и (х). Здесь и (х) означает решение уравнения C4),
о котором говорилось в начале этого параграфа.
Доказательство совершенно такое же, как у предыдущей
теоремы. Надо только вместо функции vtt (x, t) взять функцию
и (х + с) и вместо прежней функции w (x, t) рассматривать разность
v (х, t) — и(х + с).
Теорема 13. Пусть
где функция ср (t) подобрана таким образом, что постоянно
v* (О, t) = с = const.
Тогда равномерно по х
v* (х, t) -> г;* (х)
t-*ca
Доказательство. Из равенства D9) находим
Ж=С *^_. E1)
с
При t —>• оо согласно теореме 11 подынтегральная функция мо-
монотонно возрастает. Кроме того, согласно теореме 12 интеграл
{' dv
j i|)(t>, i) не возрастает бесконечно. Поэтому в равенстве E1) можно
с
переходить к пределу под знаком интеграла. Пусть при t —> оо
Ч> (у, *) -* ч> (у).
Тогда в пределе равенство E1) обращается в
V*
dv
38. Исследование уравнения диффузии
243
Так как по теореме 12
У (v) > О,
то это равенство определяет некоторую функцию v* от х. Остается
показать равномерность стремления г;* (х, t) к г;* (х). Для этого
заметим, что из E1) следует равномерная сходимость х (v*, t) к
х (v) на всяком интервале е <^ v* <^ 1 — 8. Если теперь принять во
внимание, что вследствие теоремы 11 функция г|з (у*, t) остается огра-
ограниченной на всяком таком интервале, то отсюда следует равномер-
равномерная сходимость i>* (x, t) к v* (х) для значений х, где г; (х) заключено
между числами е и 1 — е (е произвольно мало). Вне же этого интер-
интервала значений х v*(x, t) —> i>* (x) равномерно потому, что там при
достаточно больших t функция v* (x, t) вообще принимает значения,
мало отличающиеся от 0 и 1.
Теорема 14. При t0 —» + °° последовательность функций
vt. (х, t) = v [х + ф (t0), t + t0]
ходится к некоторому решению v (x, t) уравнения B9) равномерно
области t <^ Т = const. Функция ср (t0) определена так, что при
сех t0
Vta @, 0) = с = const.
Доказательство. Функция
w(x, t) = vto(x, t) — у(о+г (х, t)
удовлетворяет уравнению
dw d'zw г.//-\ /гоч
где v (x, t) заключено между Vt0 (x, t) и г;,0+г (х, t). Согласно теореме
13 при достаточно большом t0
(x, 0)
е,
где е ^> 0 как угодно мало. Согласно теоремам 2 и 3 w (x, t) меньше,
чем функция w (x, t) — ее1", где к есть верхняя граница значений
| F' (и) |, потому что эта последняя функция при t = 0 принимает
значение, не меньшее чем w (х, 0), при t ^> 0 удовлетворяет уравне-
уравнению
dw
дгп?
правая часть которого при w = w не меньше правой части уравне-
уравнения E2). Совершенно так же доказывается, что
w (x, t) > — ее*'.
Итак, показано, что последовательность функций ty0 (x, t) при
t0 —> -f-oo равномерно на некоторой области t <^ T сходится к неко-
некоторой функции, которую обозначим через v (x, t). Покажем, что
v (x, t) удовлетворяет уравнению B9).
Воспользовавшись для этого равенством D2), напишем
( *
t..oi
t -f-oo — •
Я J J |/f — T)
E3)
0 —oo
244
38. Исследование уравнения диффузии
В этом равенстве можно переходить к пределу, поставив вместо
vu величину v. Функция же, удовлетворяющая уравнению E3),
удовлетворяет и уравнению B9) как было показано при доказатель-
доказательстве теоремы 1.
Теорема 15. При t0 -> +°° частные производные первого
порядка по х и t от vta (x, t) приближаются к соответствующим
частным производным v (x, t) и притом равномерно во всякой области
ж <^t <^ Т, где е и Т — любые положительные постоянные.
Доказательство. Равномерная сходимость dvjdx дока-
доказывается на основании равенства E3)Л Действительно, равномерная
сходимость при t ^> е частной производной по х от первого слагаемо-
слагаемого правой части вытекает из того, что это слагаемое представляется
интегралом Пуассона. Чтобы то же доказать .при t <^ T для второго
слагаемого, составим разность его значений для двух значений t0: t'o и
tl; она равна
¦ ) — F(v)]dt E4)
J у t — ч\
По теореме 14 величина
F(v.{l, t))-F(V.{t, t))
*о 'о
при достаточно больших t'o и tl как угодно мала. В таком случае,
применяя цитированный уже выше результат Жеврея, мы найдем,
что частная производная по х от E4) при достаточно больших t'o и
t'o делается равномерно по х как угодно малой, если t <^ Т.
Функция wh (x, t) = dvu (x, t)ldx удовлетворяет уравнению
Мы уже доказали равномерную сходимость при 8 < t <; Т пра-
правой части этого уравнения, когда t0 —> оо. Поэтому тот же ход рас-
рассуждений, которым доказывалась равномерная сходимость dv*Jdx,
применяется к доказательству равномерной сходимости dwtjdx —
— d2vtjdx2. А так как функция vu удовлетворяет уравнению B9),
то этим доказывается и равномерная сходимость dvtjdt.
Теорема 16. Пусть вдоль линии х = ср,о it) (соответственно
х = ф (t)) функция vu (x, t) (соответственно v (x, t)) остается постоян-
постоянно равной 6. Тогда равномерно по t при г <^ t <^ T
Доказательство. Величина <р{0 (t) (соответственно ф' (t))
в точке (ф(о (t), t) (соответственно (ф (t), t)) равна
dvt jdt \ r Qvjdt \
- „ ° соответственно ' .
dvt dx J \ dvjdx j
38. Исследование уравнения диффузии
245
В силу теорем 12 и 14 при достаточно большом t0 всюду на области
G (8 < * < Т)
1ф*„ (*) - Ф @1 < 81,
где 8i произвольно мало. По теореме 15 равномерно на области G
числители и знаменатели дробей
dvtjdt
dvt Idx
V
dvjdt
dvjdx
E5)
при одинаковых значениях аргументов отличаются друг от друга
как угодно мало. Кроме того, в полосе ср (t) — 62 <^ х <^ ф (?) -f- e2
величина дп/дх превосходит некоторую положительную константу.
Поэтому дроби E5) при одинаковых значениях аргументов и доста-
достаточно большом t0 отличаются меньше чем на е3 на полосе
е < t < 7\ Ф (t) - е2 < х < ф (*) + е2.
dvjdt
Если еще принять во внимание, что дробь -J-— равномерно не-
dvjdx
прерывна на этой полосе и потому ее значения в точках этой полосы,
имеющих одинаковое t, при достаточно малом е3 отличаются как
угодно мало, то отсюда и вытекает доказываемая теорема.
Теорема 17. При любом t
v (x, t) = и (х
и dw/dt —^ —2
t—ЮО
{обозначения теоремы 14),
Доказательство. Рассмотрим функцию
v* (x, t) = v(x + ci (t), t),
где функция с\ (t) подобрана так, что
i>* @, t) == с = const.
Тогда
dv* d^v* f ... dv* I? / *\
dt дх dx
Но, с другой стороны, по определению v (x, t) величина г;* (х, t)
ни при каком х не должна зависеть от t. Поэтому
dv*ldt = 0 и с[ (t) = const.
Согласно § 2 эта постоянная не может быть больше —2, а соглас-
согласно теореме 10 эта постоянная не может быть меньшей —2. Значит,
она равна —2, и согласно теореме 16
dq>/dt -> — 2,
t —>оо
что и требовалось доказать.
Замечание. Допустим, что начальные значения v (x, t) не
такие, как предполагалось до сих пор, а именно:
246 39. Упрощенное доказательство эргодической теорема
1) v (х, 0) = 1 при х > су,
2) v (х, 0) = 0 при х < с2 < d;
3) v (x, 0) принимает при с2 <^ ж <^ ci какие угодно значения, за-
заключенные между 0 и 1.
Тогда легко видеть, что скорость передвижения влево того участ-
участка, где происходит главная часть падения г; от 1 до 0, все-таки при
t —> оо стремится к 2, так как в этом случае
v (х — a, t) <; v (х, t) <; v (х — с2, t),
где v (x, t) означает решение уравнения B9), удовлетворяющее но-
новым начальным условиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fisher R. A. The genetical theory of natural selection. Oxford: Univ. Press,
1930.
2. Хитин А. Я. Асимптотические законы теории вероятностей. М.; Л.: ОНТИ,
1936.
3. Bendixon I. Sur les courbes definies par les equations differentielles.— Acta
math., 1901, vol. 24, p. 1—88.
4. Степанов В. В. Курс дифференциальных уравнений. М.: Физматгиз, 1958.
468 с.
5. Petrowsky I. Uber das Verhalten der Integralkurven eines Systems gewohnli-
chen Differentialgeichungen in der Nahe eines singularen Punktes.— Мат. сб.,
1934, т. 41, с. 107—156.
6. Geurey M. Sur les equations aux derivees partielles du type parabolique.— J.
math, pures et appl. Ser. 6, 1913, vol. 9, p. 305—471.
7. Petrowsky I. Zur ersten Randwertaufgabe der Warmeleitungsgleichung.—
Сотр. math., 1935, vol. 1, N 3, p. 383—419.
39
УПРОЩЕННОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО
ЭРГОДИЧЕСКОЙ ТЕОРЕМЫ
БИРКГОФА — ХИНЧИНА *
§ 1
ВВЕДЕНИЕ
Интересующая нас теорема была сформулирована Биркгофом
как теорема механики, или, если угодно, теорема, относящаяся к
эволюции произвольной системы, состояние которой вполне опреде-
определяется конечным числом параметров, а ход изменения — дифферен-
дифференциальными уравнениями, допускающими интегральный инвариант.
Пусть состояние изучаемой системы может быть изображено точ-
точкой Р некоторого замкнутого и-мерного дифференциально-геометри-
дифференциально-геометрического многообразия Мп. Пусть, далее, координаты ал, ж2, . . .
39. Упрощенное доказательство эргодической теоремы
247
, . ., хп точки Р подчинены дифференциальным уравнениям
dxjdt = Xt (xi, x2, . . ., хп), A)
причем в правые части не входит явно t. Уравнения A) в предполо-
предположении (которое мы делаем) однозначности их решения определяют
для каждого t преобразование любого подмножества Е многообра-
многообразия ЛГ:
TtE = Е',
где Е' есть множество всех точек Р', в которые передвинутся точки Р
множества Е за промежуток времени t. Интегральным инвариантом
называется такая функция множества / (Е), для которой всегда
/ (TtE) = I (E). B)
Мы предполагаем, что существует определенный для всех измеримых
подмножеств Е многообразия М4 интегральный инвариант / (Е),
подчиненный условию
/ (Мп) = 1. C)
Теорема, доказанная самим Биркгофом в несколько более узких
предположениях, гласит: какова бы ни была суммируемая относи-
относительно г I {Е) действительная функция f (Р), определенная на М™,
предел
с
lim ¦±-
существует, за исключением самое большее множества U точек Р,
для которого I (U) — 0.
Эта теорема может рассматриваться как частный случай следую-
следующей, более общей теоремы. Пусть дан стационарный стохастический
процесс в смысле Хинчина 2, т. е. совокупность случайных величин
xt, зависящая от параметра t, —oo<|?<|-f-oo, подчиненная тому
условию, что законы распределения систем
(Xtl, Xf,, , . ., Xtn) U (X(l+T, Xt,+T, . . ., Xtn+X)
при любых заданных п, h, t2, . . ., tn и т совпадают. Допустим, что
величины | xt | имеют конечное математическое ожидание Е | xt \
(которое в силу стационарности одинаково для всех t)uc вероятностью
1 Это означает, что интеграл
\f(P)\I(dMn)
* УМН, 1938, вып. 5, с. 52—56.
мп
существует и конечен.
2 Хинчин А. Я. Теория корреляции стационарных стохастических про-
процессов.— УМН, 1938, вып. 5, с. 42—51.
248 39. Упрощенное доказательство эргодической теоремы
единица непрерывны3 по t. Тогда с вероятностью единица существует
предел
с
lim ~\xtdt. D)
Это и есть общая теорема Биркгофа — Хинчина. Приведенная
выше теорема Биркгофа действительно является ее частным случаем,
так как если принять вероятность нахождения точки Р в множестве
Е равной / (Е), то случайные величины
х, = 1 (Tt P)
удовлетворяют всем условиям общей теоремы.
§ 2
РЕДУКЦИЯ К ДИСКРЕТНОМУ СЛУЧАЮ
В этом параграфе будет показано, что существование с вероят-
вероятностью единица предела D) вытекает из существования с той же ве-
вероятностью предела
п
lim—[xtdt, E)
о
где п пробегает лишь целые положительные значения. Вводя обоз-
обозначение
г+1
;== [ Xtdt
и замечая, что
i+l
Е | х{ К Е \ | xt | dt = Е | х01,
X
мы убеждаемся таким образом, что доказательство общей теоремы
Биркгофа — Хинчина сводится к доказательству следующей теоремы,
относящейся к дискретным последовательностям случайных величин.
Основная теорема. Пусть xt (—оо <! f <С + °°) — стацио-
стационарная 4 последовательность случайных величин, для которой матема-
математическое ожидание Е | xt | конечно. Тогда с вероятностью единица
существует предел
lim-
П-*оо
3 Это допущение может быть ослаблено.
4 Определение стационарности остается дословно прежним, лишь t заме-
заменяется через i, принимающее только целые значения.
39. Упрощенное доказательство эргодической теоремы
249
Итак, допустим, что предел E) существует с вероятностью едини-
единица. Положим
п+1
Уп= ) \zt\dt.
Очевидно,
Ы =
t = Е |
Поэтому ряд вероятностей]
n=l
п—1 т=п
со
= V
me}
7П=1
сходится при любом е^> 0. Отсюда вытекает, что с вероятностью
единица
п+1
lim4-»п= Нт4- \ \xt\dt^O. F)
п
Из существования предела E) вытекает существование предела
1 1?
lim -77- \ %t dt,
с+°° i
где [С] обозначает целую часть С, а С пробегает непрерывный ряд
значений. В случае же наличия равенства F) имеем
С [С]
1С 1 (
lim sup -ут- \ xt dt ут- \ xtdt
С->+оо
п+1
= lim sup
С-»+оо
— ] Xtdt
[С]
lim sup— \
п_»оо п J
Поэтому при одновременном существовании предела E) и справед-
справедливости F), т. е. с вероятностью единица, существует и предел D).
250
39. Упрощенное доказательство эргодической
теоремы
Положим
§3
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ОСНОВНОЙ ТЕОРЕМЫ
h
*Ь-1
> — а
°° стремится с вероятностью
Требуется доказать, что heb при Ъ —>
единица к определенному пределу.
Лемма. .Если вероятность существования предела heb при
Ъ —> -f-oo меньше единицы, то существуют два числа а и р, а <^ р,
для которых вероятность одновременного выполнения соотношений
lim sup йог, ^ Р> liminf/j0
Ь-Ч-оо ' ¦
положительна.
Доказательство. Пусть
(ап, р„), л = 1, 2, .. .,
есть последовательность всех интервалов ап <^ Р„ с рациональными
концами. Если lim heb не существует, то среди интервалов (ап, р„)
найдется первый по порядку, для которого lim sup hOb ^> р„,
lim inf hob <^ а„. Таким образом, случай К несуществования lim hob
разбивается на счетное число случаев Кп. Но если вероятность
Р (К) положительна, то найдется такое п, что и Р (Кп) ^> 0. Тем
самым лемма доказана.
Доказательство основной теоремы. Обозначим
случай справедливости неравенств G) через К. Будем теперь пред-
предполагать, что все xt приняли какие-то определенные значения,
и займемся более детальным изучением поведения средних hab. Будем
называть сегмент (а, Ъ) особым (относительно Р), если hab ^> р,
но hab' <; р при всех Ъ', а <^ Ъ' <С Ъ. Легко показать, что два особых
сегмента (а, Ъ) и (oj, Ьг) не могут перекрываться, т. е. не может быть
положения, при котором а <^ аг <^ Ъ <[ Ъх. В самом деле, в случае
такого перекрытия из
(ei - a) hna + (Ь ¦
h
'¦ab:
b — a
и hab ~^> p вытекает или haai ^> p, что невозможно, так как сегмент
(а, Ъ) особый, или hatb ^> р, что невозможно, так как сегмент (а1, &х)
особый.
Будем называть разность Ъ — а рангом сегмента (а, Ъ). Назовем,
далее, сегмент (а, Ъ) s-особым, если он является особым, имеет ранг,
не превышающий s, и не заключен ни в каком большем особом сегмен-
сегменте ранга, не превышающего s. Очевидно, что каждый особый сегмент
(а, Ъ) ранга, не превышающего s, заключен в одном и только в одном
s-особом сегменте. В самом деле, среди особых сегментов, заключаю-
заключающих в себе (а, Ъ), ранг которых не превышает s, должен найтись хотя
39. Упрощенное доказательство эргодической теорема
251
бы один наибольшей длины; если бы таких нашлось два, то они долж-
должны были бы перекрываться, что по доказанному невозможно. Что
же касается двух s-особых сегментов, то такие два сегмента могут
только лежать один вне другого.
Обозначим через Ks случай справедливости неравенств G), соеди-
соединенной с существованием такого t <^ s, что hot ^> р. Очевидно, что
lim Ks = К; поэтому
lim Р (К.) = Р (К). (8)
Нашей задачей является, допустив, что Р (К) ^> 0, прийти к проти-
противоречию При Р (К) ^> 0, очевидно, начиная с некоторого s все
Р (Ks) также положительны. Мы рассматриваем далее только такие s.
В случае Ks существует s-особый сегмент (а, Ъ) с а <^ 0 <^ Ъ.
В самом деле, среди тех t <[ s, для которых в случае Ks справедливо
неравенство hot ^> р, существует наименьшее t'. Сегмент @, t') осо-
особый. Следовательно, он заключен в s-особом сегменте (а, Ь). Обратно,
если существует s-особый сегмент (а, Ъ) с а <^0<^ 6, то существует
такое t <; s, что hot ^> р. В самом деле, если а = 0, то можно поло-
положить t = b, если же а <^ 0, то из
¦и -aha0 + bh0b
"аЬ— "¦ ь_а
и h<ib^> Р> ^ао ^ Р вытекает hob )>p и, следовательно, также мож-
можно положить t = Ъ. Итак, случай Ks всецело определяется неравен-
неравенствами G) и существованием s-особого сегмента (а, Ъ), а ^ 0 <^ Ъ.
При этом s-особый сегмент (а, Ъ), удовлетворяющий неравенству
а -^ 0 <^ Ъ, может существовать в каждом отдельном случае только
один, так как два таких сегмента перекрывались бы в точке 0,
что невозможно. Обозначая —а через р и Ъ — а через q, получаем,
таким образом, что случай Ks является" суммой попарно несовмести-
несовместимых случаев Kpq, соответствующих наличию s-особых сегментов
s; p=0,
1.
(9)
V, Я
Замена i' = i -{- р переводит случай KOq в случай Kpq; поэтому
в силу стационарности Р (Kpq) — Р (KOq) и EKpq (х0) = EKOq (xp).
Мы получаем, следовательно, принимая во внимание, что в случае
KOq имеет место неравенство hOq ^> P,
. (*о) = 2 Р (Яре) Е*„„ (хо) = %Р (KOq) 2 Е^о„ (хр) =
Р (Ks)
откуда
EKS (x0)
0д
(Жо)=2Р(^О9K
1 3 Р
P, Я
p.
252
40. О неравенствах для производных
Так как Ks -*- К, то отсюда вытекает
ЕК (х0) > р.
С другой стороны, можно было бы аналогично доказать, что
ЕК (х0) < а,
что и приводит к противоречию. Следовательно, Р (К) = 0, а это
и составляет утверждение доказываемой основной теоремы.
40
О НЕРАВЕНСТВАХ
МЕЖДУ ВЕРХНИМИ ГРАНЯМИ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДНЫХ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФУНКЦИИ
НА БЕСКОНЕЧНОМ ИНТЕРВАЛЕ*]
§ 1
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Рассмотрим функцию / (х), первые п производных которой огра-
ограничены на всей действительной прямой. При этом ограниченность
п-й производной будем понимать в том смысле, что (п — 1)-я произ-
производная имеет ограниченные производные числа 1. Обозначим через
Мк (/) верхнюю грань абсолютной величины к-ж производной функ-
функции / (ж):
Mfc(fl = sup !/<*>(*) |, ft = 0, 1, 2, ...,n.!
Заметим, что при этом Мп (/) обозначает верхнюю грань абсолютных
величин производных чисел (п — 1)-й производной. Целью настоя-
настоящей работы является доказательство следующей теоремы, формули-
формулировка которой была сообщена мною в [1]:
Теорема I. Для того чтобы тройке положительных чисел
Мо, Mjt, Мп @ < k<i n) соответствовала функция f (x), для которой
Мо = Мо (/), М, = Мк (/), Мп = Мп (/),
необходимо и достаточно соблюдение условия
A)
* Уч. зап. МГУ, 1939, т. 30. Математика, кн. 3, с. 3—16.
1 Результаты не изменятся, если рассматривать лишь функции / (х), имею-
имеющие непрерывную ге-ю производную, или даже только аналитические функции:
условие A) нашей теоремы I останется необходимым и достаточным.
40. О неравенствах для производных
25$
где
(,п-к)/п
К
при i четном,
4 / а , 1 . _!_ _u -^— 4- ..\ при i нечетном.
Неравенство A) можно записать в виде
Такая запись имеет то преимущество, что] все коэффициенты
рациональны. Приведем значения C"s Для п <^ 5.
п
2
3
4
5
ft = l
2
9
8
512
375
1953125
1572864
fc = 2
3
36
25
125
12
fc = 3
24
5
225
128
k = 4
15
г
Приведем еще приближенные значения констант С„^ при п
п
2
3
4
5
о
7
k = l
1,41421
1,04004
1,08096
1,04426
1 04298
1,03451
1
1
1
1
1
К-= 2
,44225
,09545
,11665
,08001
,07289
1
1
1
1
К = 3
,48017
,11942
,14520
,10472
1
1
1
К =4
,49631
,14280
,16471
1
1
К = 5
,50892
,15137
1,51748
Сделаем еще несколько замечаний об асимптотическом поведении
коэффициентов Cnk. Так как, очевидной
Ki -*¦ 4/я при t->-oo,
то имеет место следующее:
1) при п -»¦ оо и ограниченности п — к
40. О неравенствах для производных
2) при п -> оо и п — к
В частности,4
Сп, n-i -> АГх = я/2
при
при
п ¦
/г-
¦ сю.
Интерес последних двух соотношений увеличивается тем, что при
всех п ш к @ <i к<С п) выполняются неравенства 2
1<Спк< я/2. C)
Для случая п = 2, & = 1 теорема I была доказана в 1914 г. [2],
для всех случаев п<5и для случая \п = 5, к = 2 — Г. Е. Шило-
Шиловым [3]. При доказательстве теоремы I мы используем тот факт, что
экстремальное равенство
Мк (/) = C*Mt**« (/) МТ (/) D)
осуществляется, в частности, при заданном п и любом к (О <Г к <С п)
для функции
E)
m=o
4Эти функции fn (х), графики которых изображены на [рис. 1,
рассматривались ранее по другому поводу Н. И. Ахиезером и
М. Г. Крейном [4].
Легко подсчитать, что из справедливости равенства D) для функ-
функции /„ (х) вытекает его справедливость для любой функции вида
Фп (х) = aU (Ьх + с), 1F)
где а^> 0, 6)>0и с — произвольные константы. Константы а и Ъ
можно подобрать так, чтобы Мо (ф„) и Мп (ф„) приняли произволь-
произвольные наперед заданные положительные значения 3. Гипотеза о том,
что функции вида F) осуществляют экстремум М% (/) при заданных
Мо (/) и Мп (/), была высказана Г. Е. Шиловым. В доказательстве
этой гипотезы и заключается существенное содержание [настоящей
работы.
Функции/„ (х) периодичны с периодом 2я и, кроме того, удовлет-
удовлетворяют равенству
-т + х) = (-
з Доказательство элементарно, мы его не приводим,
чины Мг ИГ™ К°НСТаНТЫ с' то ее изменение, очевидно, не влияет на вели-
40. О неравенствах для производных
255
\О
\Z?L
\ssi
'Я v^^^
ZJt
?3?
Рис. 1
В силу этого равенства поведение функции /„ (х) на всей действи-
действительной прямой однозначно определяется ее значениями на каком-
либо одном отрезке вида
тл/2 < х < (т + 1) я/2.
При п ^> 0 на каждом таком отрезке /„ (х) монотонно и непрерывно*
меняется от нуля на одном конце до ±Кп на другом конце. Анало-
Аналогичными свойствами периодичности и симметрии обладают и функ-
функции вида F). Из этих свойств периодичности и симметрии функций
Ф„ (х) вида F) легко вывести следующее: если, кроме Мо (срп) и
Мп (фп), зафиксировать значение \ функции ф„ (х) в точке х0 удов-
удовлетворяющее условию
UI<m0 (Фп),
то по этим трем данным из всех функций вида E) выделятся ровно
две в случае | | | < Мо (фп) и одна в случае | | | = Мо (фп). Если
обозначить эти две функции (совпадающие в случае [ | | = Мо (ф„))
через фпа (х) и фп,2 (х), то
>, фАд (ж0) = —ф;,2 (ж0)
и, следовательно,
I фп,1 (Жо) I = I фп,2 {ХО) I-
Пусть теперь дана какая-либо функция / (х) с конечными Mt (/)
при i <^ п. Будем называть функцией сравнения порядка п для функ-
256
40. О неравенствах для производных
ции / (х) в точке х0 функцию вида F), для которой
Мо (Фп) = Мо (/), Мп (ф„) = Мп (/), Фп (х0) = / (хв).
Приняв это определение, мы сможем доказать следующую теорему.
Теорема II. Если функция ц>п (х) есть функция сравнения
порядка п для функции f (х) в точке х0, то
I/'WK 1фп'(*о)|. G)
Заметим, что в случае п = 1 производные /' (х) и ф„ (х) могут не
существовать; однако неравенство G) сохраняется и в этом случае
для производных чисел. Теорема II является усилением неравенства
A) для случая к = 1. В самом деле, из неравенства G) вытекает, что
для любой точки х0
п—1
и—1
о) | <М1 (Фп) = Сп, 1Моп (Ф„) М: (Ф„) = Сп, гМоп, (f)
¦откуда следует,
n-l
т. е. неравенство A) для случая к = 1.
Доказательство теорем I и II осущзствляется следую-
следующим образом: в § 2 доказывается достаточность условия A) теоремы
I при помощи рассмотрения функций вида
In (x) = а/„ (bx) + d;
s § 3 для случая к = 1 при помощи индукции по п одновременно до-
доказывается необходимость условия A) теоремы I и теорема II; в § 4
индукцией по к доказывается необходимость условия A) в общем
«лучае.
§ 2
ДОСТАТОЧНОСТЬ УСЛОВИЯ A)
При любых положительных Мо, Мк и Мп равенство
•однозначно определяет при 0 < к < п множитель ^
Чпъ = Ynfc (Мо, Мк, Мп) > 0.
Обозначим еще для любой функции / (х) с конечными Mt (/), i <J nt
Упк (/) = Упи {Мо (/), Мк (f), Mn (/)}.
Будем говорить, что тройка положительных чисел (Мо, Мк, Мп)
ч<возможна», если существует функция / с
=> Мо, Мк (/) - Мк, Мп {f) = Мп.
40. О неравенствах для производных
257
Докажем такую лемму.
Лемм а. Если «возможна» тройка (Мо, Мк, Мп), то возможны
и все тройки (Мо, Мк, Мп), для которых
(М'о, М'ъ М'п)
Mn).
Доказательство. По допущению леммы существует
функция / (х), для которой
Мо (/) = Мо, Mk (f) = Мк, Мп (/) = Мп.
Легко подсчитать, что при любых а ^> 0 и Ъ ^> 0 для функции
Ф (х) = af (bx)
справедливо равенство
Упк (ф) = УпИ (/)•
Константы а>0и 6>0 можно подобрать так, что получится
Мк (Ф) = М'к, Мп (ф) = Мп.
Из этих равенств и иэ неравенства
упк (Мо, М'к, М'п) < уп1! (Мо, Мк, Мп) = упк (/) = упк (ф)
вытекает, что
М'о > Мо (ф).
Положим теперь
% (х) = ф (х) + d,
где d — некоторая константа. Очевидно,
Мк (%) = Мк (Ф) = Mi Mn (х) = Мп (ф) = Ml
Подбирая константу d, можно произвольно увеличить Мо (%) по
сравнению с Мо (ф), в частности, можно достигнуть того, чтобы бы-
было
Мо
= М'о.
Мо
Мы видим, таким образом, что тройка (Мо, Мк, Мп) действительно
«возможна».
В силу доказанной сейчас леммы ясно, что достаточность усло-
условия A) будет установлена, если будет при любых данных к и п @ <
<; к < п) найдена хотя бы одна функция / (х), для которой
Ynis (/) = Спк.
Этому условию как раз и удовлетворяет функция /п (х), определяе-
определяемая формулой E). В самом деле, легко вычислить, что при к = 1,
9 А. Н. Колмогоров
258
40. О неравенствах для производных
2, . . ., п справедливы равенства
Mk (/„) = sup | /„_„ (г) | = Kn.t. (9)
Из (8), (9) и B) и вытекает, что упк (/„) = СпК.
§3
СЛУЧАЙ-ft = 1
В этом параграфе мы докажем теорему II и необходимость усло-
условия A) теоремы I в случае к = 1. Чтобы оба эти предложения были
доказаны, достаточно установить следующее.
A) Теорема II верна при п = 1.
B) Если теорема II верна при п = т, то условие A) теоремы I
необходимо при п = т + 1.
C) ?ам теорема II верна при п = т и условие A) теоремы I
необходимо при п = т + 1, то теорема II верна при п = т + 1.
Чтобы убедиться в правильности утверждения А, достаточно
заметить, что при любом а;
\f'i(x)] = i
и, следовательно, в случае п = 1 для функции сравнения
ф! (z) = a/t (bx) + с
теоремы II абсолютная величина производной постоянна:
| ц>[ (х) | = Мх Ы = Мх (ф).
Таким образом, при п = 1 все содержание теоремы II сводится к три-
тривиальному неравенству
40. О неравенствах для производных
259
Займемся теперь доказательством утверждения В. Будем назы-
называть верхней функцией сравнения порядка п для функции / (х) в точке
х0 функцию вида
Ф„ (х) = afn (bx + с),
для которой
п (Ф„) =
Ф„
Легко убедиться, что для верхней функции сравнения | ФЙ (х0) |
всегда больше, чем | фА (а;0) | для соответствующей функции сравне-
сравнения в собственном смысле слова. Ясно также, что верхнюю функ-
функцию сравнения <рп (х) можно всегда подобрать так, чтобы в любом
заданном конечном интервале, окружающем точку х0, сама функция
Ф„ (х) отличалась сколь угодно мало от ф„ (х), а ее производная
отличалась сколь угодно мало от производной фп (х). Поэтому при
каждом п утверждение теоремы II равносильно следующему:
Теорема II *. Если <рп (ж) есть верхняя функция сравнения
порядка п для функции f (x) в точке х0, то
I /' (*о) К I Фп (*о) I- . (Ю)
Предположим теперь, что теоремы II и II * установлены при п =
= т и рассмотрим функцию / (х) с конечными М( (/) вплоть до i =
= т + 1.
Сколь бы ни было мало 8 ^> 0, можно выбрать такую точку х0, в
которой
| /' (ХО) | > Мх (/) - 8.
Без ограничения общности можно считать, что /' (х0) ^> 0. В против-
противном случае следовало бы перейти от рассмотрения / (х) к рассмотре-
рассмотрению —/ (х). Построим для функции /' (х) в точке х0 две функции срав-
сравнения фт;1 (х) и фт, 2 (а;), подчиненные условиям
фт, 1 (Яо) > 0, фт, 2 (Яо) < 0.
Обозначим через хг ближайший слева от х0 нуль функции фт, i (x)
и через х2 ближайший справа от х0 нуль функции фт, 2 (х) (см. рис. 2).
Рис. 2
Мы сейчас докажем, что на сегменте [хг, х0] справедливо неравенст-
неравенство
f'(x)><Pm.i(x), (На)
а на сегменте [х0, х2] — неравенство
Установим первое из этих неравенств. Для этого рассмотрим вместо
самой функции фт? х (х) какую-либо верхнюю функцию сравнения
Фт, 1 (х) порядка п для / (х) в той же точке х0. Ближайший слева от
х0 нуль функции фт?1 обозначим xt и докажем, что в интервале
(хг, х0) выполняется неравенство
9*
260
40. О неравенствах для производных
40. О неравенствах для производных
261
В самом деле, если бы это неравенство нарушалось где-либо в интер-
интервале (х1: х0), то существовала бы первая влево от х0 точка ? интер-
интервала (хи х0), в которой нарушается неравенство. В этой точке ?,
очевидно, выполняются соотношения
/'Ш=Фт.1Ш, A3)
/•(а>Ф«,1ф>о. A4)
Равенство A3) показывает, что <pm,x (|) можно рассматривать как
верхнюю функцию сравнения порядка т для /' {х) в точке |. Следо-
Следовательно, по теореме II (которая в случае п — т считается уже ус-
установленной)
!/'(?) К 1ф«,1Ф I-
A5)
Противоречие между A4) и A5) доказывает, что неравенство A2а)
не может нарушаться в интервале (Х±, х0).
Если выбрать <pmil (х) достаточно мало отличающимся от фт>1 (х),
то и точка ~хх будет сколь угодно близка к хг. Поэтому из A2а) пере-
переходом к пределу получается неравенство (На) на сегменте [хг, х0].
Аналогично доказывается неравенство (lib).
Из неравенств A1а) и (lib) вытекает, что
фт,
A6)
Ж,
Если выбрать е достаточно малым, то фт,2 {х) будет отличаться на
]х0; х2] сколь угодно мало от (pmil (x), а точка х2 будет сколь угодно
близка к ближайшему вправо от х0 нулю х'2 функции фт, i (x) (см.
рис. 2). Следовательно, правая часть неравенства A6) может быть
сделана отличающейся сколь угодно мало от
m,i(%)dx. A7)
Xi
Заметим теперь, что
Фт,1 («) = afm Фх + С)
является производной от функции
Фт+i (ж) = {alb) fm+i {Ъх + с).
Легко видеть, что интеграл A7), распространенный на промежу-
промежуток между двумя соседними нулями функции фт, х {х), в котором она
положительна, равняется в точности
Так как, с другой стороны,
то в силу A6) и произвольной близости правой части A6) к интегра-
интегралу A7) получается
Мо (/) < Мо (Фга+1).
Из этого последнего неравенства в соединении с равенствами
т 1
= Мо (фт>,) = Мр (/') = Мх (/),
+1) = Мт (Фт, j) = Мт (/') = Мт+1
получаем окончательно
т
Мг (/) < Ст+1,
чем и заканчивается доказательство утверждения В.
Докажем теперь утверждение С. Допустим, что необходимость
условия A) для п = т-\-1жк = 1 уже установлена и что теоремы
II и II * уже доказаны для п = т. Предположим, что вопреки ут-
утверждению С теорема II * неверна при п = т -f- 1. Пусть, следова-
следовательно, для какой-либо функции / (х) и какой-либо ее верхней функ-
функции сравнения) фт+1 {х) порядка m -j- 1 в точке х0 имеет место нера-
неравенство!
I /' (х0) | > | Фт+i (*„) I.'
Так как Мо (фт+i) > Мо (/), то точка х0 не может быть максимумом
Фт+1 и в ней, следовательно, Фт+1 (х0) ^Ои/' (х0) Ф 0. Не умень-
уменьшая общности, можно допустить, что/ (а;0) > 0и/' (ж0) ^> 0. Осталь-
Остальные случаи можно привести к этому, заменяя в случае надобности
Рис.3
/ {х) на —/ (х) и а; на —х. Можно также выбрать функцию сравнения
так, чтобы было фш+i (^о) ^> 0 (см- Рис- 3).
Пусть теперь хг есть ближайший вправо от х0 максимум фт+1 {х).
Имеем
/ (х0) = фт+1 (х0),
f (хх) < Мо if) <
= фт+1
262
40
О неравенствах для производных
Следовательно, на сегменте [х0, хг] разность
/ <.х) - fm+1 (х)
достигает максимума в какой-то точке |, отличной от хх. В точке ?
имеем
/'(?) = <iw(?)> /"(i)<$'m+i(i)- A8)
Дифференцируя функцию
Фт+1 (х) = с/т+1 (Ьх + С),
получим функцию
Фт (X) = фт+1 = ubfm (Ьх + С).
Заметим теперь, что в силу определения верхней функции срав-
сравнения фт+1 (х)
Мо (/) < Мо (fm+1), A9)
Мт (/') = Мт+1 (/) = Мт+1 (fm+1) = Мт (фт). B0)
Неравенство A), которое для случая п = т-\-1пк = 1 считается
уже установленным, дает нам вместе с A9)
т 1
Мо (/') = Мх (/) < СтлилМ™ (/) ДГ? (/) <
< Сп+1, Ж --1 (-рт, !>
Из B0), B1) и равенства
тт, i) = ЛГХ (fm+1) = Мо (fm).
B1)
40. О неравенствах для производных
263
ными Мо (/), Мт+1 (/) и Мп (/) (т + 1 < л). Очевидно,
') = М
ю+1
), ЛГ„_Х (/') = Мп (/).
Так как необходимость условия A) при к = т уже доказана, то
n—I—m m
mil) '^ '-'n-i. т.1'1 п
или, что то же самое,
Мт+1 (/) < С^, пМ^ (/) Мр1 (/).
Кроме того, так как для случая к = 1 необходимость условия A)
доказана при любом п, имеем
Mi (/) <С„, .М^ (/) Mjf (/).
Подставляя B4) в B3), получим
B3)
i A)
B4)
а так как
р р(п-1)/п р
"-•п-1, тУп, 1 — ^п,
то окончательно
п— 1 n—l—m m+l
"¦""""А/ ™ /A.W п /
-чг, 1 '"о \1) х лп \
m+l»
n—m—1
m+l
Mm+1(/)<Cn,m+1M0 n (/)Mnn (/),
что и доказывает наше утверждение.
заключаем, что фт (л;) есть верхняя функция сравнения порядка т
для /' (х) в точке Ё. По теореме II *, которая для п = т считается
уже доказанной, отсюда следует, что
или, так как у"т+1 (I) < 0,
/" (I) > 4Wi (I). B2)
Противоречие между неравенствами A8) и B2) и доказывает утверж-
утверждение С.
§ 4
НЕОБХОДИМОСТЬ УСЛОВИЯ A) ПРИ ЛЮБОМ п
Допустим, что необходимость условия A) уже доказана для всех
п и для к <; т (т J> 1). Докажем, что в этом случае оно выполняет-
выполняется и для к = т + 1. Для этого рассмотрим функцию / (х) с конеч-
ЛИТЕРАТУРА
1. Kolmogorov А. N. Une generalisation de l'inegalite de M. J. Hadamard entre
les bornes superieures des derivees successives d'une fonction.— C. r. Acad.
sci. Paris, 1938, vol. 207, p. 764—765.
2. Hadamard J. Sur le module maximum d'une fonction et de ses derivees.—
С. г. Soc. math. France, 1914, vol. 41, p. 68—72.
3. Боссе Ю. Г. (Шилов Г. Е.). О неравенствах между производными.— Сб.
работ, студ. науч. кружков МГУ, 1937, т. 1, с. 17—27.
4. Ахиезер Н. И., Крейн М. Г. О наилучшем приближении тригонометриче-
тригонометрическими суммами дифференцируемых периодических функций.— ДАН СССР,
1937, т. 15, с. 107—112.
264
41. О кольцах непрерывных функций
41
О КОЛЬЦАХ НЕПРЕРЫВНЫХ ФУНКЦИЙ
НА ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВАХ*
Совместно с И. М. Гелъфандом
Настоящая статья примыкает к исследованиям М. Стоуна [2]
и к публикуемой выше статье Г. Е. Шилова *. В отличие от этой
последней мы рассматриваем кольцо непрерывных функций, опреде-
определенных на некотором топологическом пространстве, как чисто алгеб-
алгебраическое образование, не вводя в нем никаких топологических соот-
соотношений. Оказывается, что в случае бикомпактных пространств,
рассмотренном М. Стоуном, а также в значительно более общих слу-
случаях уже чисто алгебраическая структура кольца непрерывных
функций определяет топологическое пространство с точностью до
гомеоморфизма.
Для любого топологического пространства ? мы будем рассмат-
рассматривать два кольца: кольцо С (S) всех определенных на iS действи-
действительных непрерывных функций и кольцо С (S) всех ограниченных
функций из С (S).
При изучении таких колец естественно ограничиться случаем
вполне регулярных пространств S. Объясняется это тем, что кольца
С (S) и С (S) произвольного топологического пространства S соот-
соответственно изоморфны кольцам С (pS) и С (pS) определенного, од-
однозначно связанного с S, вполне регулярного пространства pS, вве-
введенного Е. Чехом [1]. Вместе с пространством pS в работе Е. Чеха
вводится определенное непрерывное отображение у — р (х) прост-
пространства S на пространство pS, обладающее следующим свойством:
действительные непрерывные функции на S совпадают с функциями
вида
/ И = ф fp (яI,
где ф (у) — непрерывная действительная функция на пространстве
pS. Из этого последнего обстоятельства и вытекает, что кольцо С (S)
изоморфно кольцу С (pS), а кольцо С (S) — кольцу С (pS).
Ввиду изложенного во всем дальнейшем мы будем предполагать
само первоначальное пространство S вполне регулярным (в этом слу-
случае pS совпадает с S).
Будем называть идеал кольца С максимальным, если он не совпа-
совпадает со всем кольцом, но и не содержится ни в каком большем идеа-
идеале, кроме самого кольца С. Образуем из множества у максимальных
* ДАН СССР, 1939, т. 22, № 1, с. 11—15. Представлено И. М. Виногра-
Виноградовым.
1 Имеется в виду статья Г. Е. Шилова «Идеалы и подкольца кольца непре-
непрерывных функций», помещенная на с. 7—10 того же выпуска журнала.— При-
Примеч. ред.
41. О кольцах непрерывных функций
265
идеалов кольца С топологическое пространство при помощи следую-
следующего определения: максимальный идеал а является точкой прикос-
прикосновения множества максимальных идеалов Ш, если он содержит
пересечение всех максимальных идеалов, входящих в 3)?. Легко про-
проверить, что для любого кольца С это определение точен прикоснове-
прикосновения создает из множества у пространство типа Т1 (по терминологии
Александрова — Хопфа, Topologie, I). Заметим, что такой способ
введения топологии в множестве максимальных идеалов употреблял-
употреблялся ранее М. Стоуном [2].
Будем обозначать пространство у, соответствующее кольцу С (S),
через у (S), а пространство у, соответствующее кольцу С (S), через
У' E).1
1
СЛУЧАЙ БИКОМПАКТНОГО ПРОСТРАНСТВА
Если пространство ? бикомпактно, то кольца С (S) и С" (S) сов-
совпадают (все непрерывные функции на ? ограничены) и необходи-
необходимость их раздельного рассмотрения отпадает.
Теорема I. Если пространство S бикомпактно, то оно го-
меоморфно пространству у (S).
Для доказательства этой теоремы установим сначала такую лем-
лемму.
Лемма. Для любого идеала А кольца С (S), не совпадающего
со всем кольцом, существует точка а пространства S, в которой
все функции, принадлежащие А, обращаются в нуль.
Доказательство леммы. Допустим обратное. Тогда
для каждой точки ? пространства ? можно найти по функции /| (х)
из А, которая не равна нулю в точке \. Функция /g (x) отлична от
нуля в некоторой окрестности и (?) точки !•. По теореме Бореля —
Лебега можно выбрать конечное множество точек
fell eg» • • •> ?п
так, что окрестности
" (У» и (У. . ¦ .,и (У
покрывают все пространство S. Функция
Ф (*) = /I (х) +&(*) + ... + f\n (х)
принадлежит идеалу А и всюду отлична от нуля. Поэтому любая
функция / (х) кольца С (S) может быть представлена в виде
/ (х) = г|) (х) Ф (х)
и, следовательно, тоже входит в А вопреки допущению. Полученное
противоречие доказывает лемму.
Доказательство теоремы I. Из установленной лем-
леммы вытекает, что любой идеал А, не совпадающий со всем кольцом
266
41. О кольцах непрерывных функций
41. О кольцах непрерывных функций
267
С (S), содержится в некотором идеале / (а), состоящем из всех функ-
функций обращающихся в нуль в точке а. Значит, только идеалы этого
последнего типа могут быть максимальными. Ясно также, что вся-
всякий идеал типа / (а) действительно является максимальным. В силу
полной регулярности пространства S максимальные идеалы / (а)
и / (а'), соответствующие двум различным точкам а и а', различны:
существует функция из С (S), обращающаяся в нуль в точке а и от-
отличная от нуля в точке а'. Таким образом, ставя каждой точке а
пространства 5 в соответствие максимальный идеал / (а), получаем
взаимно однозначное соответствие между пространством 5 и мно-
множеством у (S) максимальных идеалов кольца С (S).
Остается доказать, что полученное соответствие между S я у (S)
является гомеоморфизмом.
Пусть множеству Мточек пространства 5 соответствует множест-
множество 50? максимальных идеалов. Если точка а является точкой прикос-
прикосновения множества М, то все функции, входящие в пересечение всех
идеалов из 93?, т. е. обращающиеся в нуль во всех точках множества
М, обращаются в нуль и в точке а, т. е. входят в идеал / (а), что по
определению обозначает, что / (а) есть точка прикосновения мно-
множества 93?. Обратно, если точка а не является точкой прикосновения
для М, то в силу полной регулярности S можно построить функцию
/ (х) из С (S), обращающуюся в нуль на М и отличную от нуля в точ-
точке а; эта функция входит в пересечение всех идеалов из 93?, но не
принадлежит / (а); значит, в этом случае / (а) не будет точкой при-
прикосновения для 9)?. Таким образом, гомеоморфизм пространств S
и у (S) доказан.
Теорема II. Для того чтобы два бикомпактных пространст-
пространства S и iSx были гомеоморфны, необходимо и достаточно, чтобы кольца
С (S) и С (SJ были алгебраически изоморфны.
Доказательство. Необходимость условия очевидна: вся-
всякий гомеоморфизм между S ж S± автоматически порождает изоморф-
изоморфное отображение кольца С (S) на кольцо С (S^. Достаточность усло-
условия вытекает из теоремы I: из изоморфизма С (S) и С EХ) очевид-
очевидным образом следует гомеоморфизм пространств у (S) и у (Sj), эти
же последние по теореме I гомеоморфны пространствам S и S±.
КОЛЬЦО C'{S) В ОБЩЕМ СЛУЧАЕ
Вопрос об устройстве кольца С (S) произвольного вполне ре-
регулярного пространства S сводится к случаю бикомпактного про-
пространства. Для этого сведения следует воспользоваться введенным
Е. Чехом [1] пространством p\S. Именно по Е. Чеху каждому вполне
регулярному пространству ? соответствует определенное однознач-
однозначно с точностью до гомеоморфизма пространство fiS, характеризую-
характеризующееся следующими условиями:
1) fiS бикомпактно;
2) PiS содержит S;
3) S плотно на $S:
4) каждая непрерывная ограниченная действительная функция,
определенная на S, может быть продолжена на $S с сохранением не-
непрерывности.
Из того что S плотно на fiS, вытекает, что продолжение непрерыв-
непрерывных функций с S на f>S производится однозначно. Таким образом,
возникает взаимно однозначное соответствие между ограниченными
непрерывными функциями, определенными на ? и на $S. Легко ви-
видеть, что при этом кольцо С (S) отображается изоморфно на кольцо
С (Р5). Мы доказали, следовательно, такую теорему:
Теорема III'. Кольцо С (S) изоморфно кольцу С ф?) (или,
что то же самое, кольцу С (fiS)).
Из теорем I и III' вытекает
Теорема IV. Пространство у' (S) гомеоморфно пространст-
пространству ps.
В силу теоремы III' ясно, что два негомеоморфных пространства
S и St могут иметь изоморфные кольца С (S) и С' (S^. Чтобы в этом
убедиться, достаточно взять за ? любое небикомпактное пространст-
пространство и положить S1 = fiS; тогда по теореме III' кольцо С (S) изоморф-
изоморфно кольцу С (iS^). Однако справедлива такая
Теорема V. Для того чтобы два пространства S и Slf
удовлетворяющие первой аксиоме счетности, были гомеоморфны,
необходимо и достаточно, чтобы кольца С (S) и С (SJ были алгеб-
алгебраически изоморфны.
Доказательство. Достаточность условия устанавлива-
устанавливается так же, как в случае теоремы I. Необходимость условия выте-
вытекает из того факта, установленного Е. Чехом [1], что для двух про-
пространств 5 и iSj, удовлетворяющих первой аксиоме счетности, из го-
гомеоморфизма Р5 и Pi?x следует гомеоморфизм исходных пространств
<S и 5Х. В самом деле, из изоморфизма С (S) и С (Sj) вытекает гомео-
гомеоморфизм у' (S) и у' (iS^), т. е. по теореме IV гомеоморфизм f>S и P-Sj,
а следовательно, в силу упомянутого сейчас результата Е. Чеха
и гомеоморфизм между S и Sx.
3
КОЛЬЦО C(S) В ОБЩЕМ СЛУЧАЕ
Для кольца С (S) теорема, аналогичная теореме III', относящей-
относящейся к кольцу С (S), неверна. Например, если ? есть пространство
целых чисел (т. е. счетное множество изолированных точек), a Sx =
= PiS, то С (S) и С (Sj) неизоморфны (доказательство этого послед-
последнего факта мы опускаем). Однако теоремы, аналогичные теоремам
IV и V, остаются в силе.
Теорема IV. Пространство у (S) гомеоморфно пространст-
пространству ps.
Теорема V. Для того чтобы два пространства S и S1, удов-
удовлетворяющие первой аксиоме счетности, были гомеоморфны, необ-
268
41. О кольцах непрерывных функций
42. Кривые в гильбертовом пространстве
269
были алгебраически
ходило и достаточно, чтобы кольца С (S) и С
изоморфны.
Теорема V выводится из теоремы IV точно так же, как V из IV.
Поэтому нам остается только доказать теорему IV.
Доказательство теоремы IV. Поставим в соответ-
соответствие каждой функции / (х) из С (S) функцию
/х (х) = B/я) arctg [/ (х)].
Функция fx (х) непрерывна и ограничена на S. Следовательно, она
продолжается с сохранением непрерывности на пространство fiS.
Это позволяет в известном смысле распространить на все пространст-
пространство |3iS и определение функции / (х). Именно в любой точке множества
PiS \ S мы полагаем
/ (х) = tg [(я/2) fx (х)], если | Л (х) | Ф 1;
/ (х) = + °°, если Д (х) = +1;
/ (х) = — оо, если fx (x) = —1.
После того как функции / (х) распространены на все пространство
fiS, доказательство теоремы IV протекает с некоторыми осложнения-
осложнениями параллельно доказательству теоремы I. Мы ограничимся сооб-
сообщением лишь основных моментов этого доказательства. Сначала
устанавливается следующая
Лемма 1. Для любого идеала А кольца С (S), не совпадающего
со всем кольцом, существует точка а пространства jiiS, в которой
все функции, принадлежащие А, обращаются в нуль.
Любая точка а пространства ftS определяет идеал / (а) кольца
С (S), состоящий из всех функций / (х) этого кольца, для которых
все произведения
ф (*) = Ч> (X) f (х)
с множителями г|з (х) из С (S) обращаются в нуль в точке а (если точ-
точка а принадлежит 05 \ S, то при этом имеется в виду значение ср (а)
в смысле, определенном выше). На основе леммы 1 доказывается,
что все идеалы типа / (а) максимальны и никаких других макси-
максимальных идеалов в кольце С (S) нет.
Лемма 2. Если точка а принадлежит S, то идеал I (а) со-
состоит из всех функций f (x) кольца С (S), обращающихся в нуль в точ-
точке а. Если точка а принадлежит $S \ ?, то идеал I (а) состоит из
всех функций f (x) кольца С (S), обращающихся в нуль на множестве
точек Nf первоначального пространства S, имеющем точку а точкой
прикосновения.
Доказательства леммы 2 мы не приводим. Из этой леммы вытека-
вытекает, что идеалы I (а) и I (а'), соответствующие двум различным точ-
точкам а и а', различны. Таким образом, устанавливается взаимно од-
однозначное соответствие между точками а пространства $S и макси-
максимальными идеалами / (а). Подобно тому как это было сделано в слу-
чае теоремы I, доказывается, что установленное соответствие между
E5 и у (S) является гомеоморфизмом.
Замечание. Из изоморфизма колец С (S) и С (iSx) вытекает
(по теореме IV) гомеоморфизм пространств $S и р"?х, а следовательно
(по теореме III'), и изоморфизм колец С" (S) и С" (SJ. Обратно же,
из изоморфизма колец С (S) и С (Sj), вообще говоря, еще не следует
изоморфизма колец С (S) и С (Sj). Например, если S есть простран-
пространство целых чисел, a Sx = f>S, то кольца С" (?) и С (iSj) изоморфны,
кольца же С (S) и С (iS^) неизоморфны. Таким образом, кольцо С (S)
является более гибким аппаратом для исследования топологических
свойств пространства S, чем кольцо С (S). Однако все же сущест-
существуют пространства S л S1 с изоморфными кольцами С (S) и С (S^,
негомеоморфные друг другу. Таковы, например, пространство 5
трансфинитных чисел <йи пространство Sx трансфинитных чисел
^, взятые с обычными в них предельными соотношениями 2.
17 ноября 1938 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Cech E.— Ann. Math., 1937, vol. 38, p. 823—844.
2. Stone M. H.— Trans. Amer. Math. Soc, 1937, vol. 41, p. 375—381.
42
КРИВЫЕ
В ГИЛЬБЕРТОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ,
ИНВАРИАНТНЫЕ ПО ОТНОШЕНИЮ
К ОДНОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ
ГРУППЕ ДВИЖЕНИЙ*
Движением в гильбертовом пространстве Н мы будем называть
любое преобразование
у = Кх
пространства Н в себя, представимое в виде
Кх = а + Ux,
где а — фиксированный элемент пространства Н, a U — унитарный
оператор.
Непрерывной однопараметрической группой (НОГ) движений
будем называть совокупность {Kt} движений Kt, зависящих от дей-
2 Здесь Q обозначает первый несчетный трансфинит.— Примеч. ред.
* ДАН СССР, 1940, т. 26, с. 6—9.
270
42. Кривые в гильбертовом пространстве
ствительного параметра t, пробегающего все значения между — оо
и +°°, которая удовлетворяет следующим условиям:
1) для любых s и t
2) для любого элемента х пространства Н из tn
\KK\
t вытекает
при п —*- оо.
Пусть дана НОГ движений Kt и какой-либо фиксированный эле-
элемент х0 пространства Н. Рассмотрим функцию действительного аргу-
аргумента t
I (t) = Ktx0.
Очевидно, что функция эта непрерывна (в смысле сильной сходи-
сходимости в Н).
С геометрической точки зрения точка
x=l(t)
описывает,в пространстве некоторую кривую. Произвольное движе-
движение К преобразует функцию \ (t) в новую функцию
Ех (*) = Kl (*).
Если движение К = Ks принадлежит исходной НОГ движений,
ТО
li (t) = t(t-s),
т. е. кривая | (t) отображается преобразованием К — Ks на самое
себя. Иначе говоря, кривая I (t) инвариантна по отношению к пре-
преобразованиям Ks исходной НОГ. Если К не принадлежит исходной
НОГ, то кривая | (t) переводится преобразованием К, вообще го-
говоря, в новую конгруэнтную ей кривую. Не останавливаясь далее
на разъяснении геометрической терминологии, связанной с поняти-
понятием кривой, сформулируем задачу дальнейшего исследования в ана-
аналитической форме.
Определение. Функция | (if) со значениями из Н, опре-
определенная при всех действительных t, принадлежит классу $, если
она может быть представлена в виде | (t) = Ktx0, где х0 — элемент
Н, a {Kt} — НОГ движений пространства Н.
Целью настоящей работы является изучение функций класса $
и, в частности, их свойств, инвариантных по отношению к движе-
движениям, т. е. свойств, которые остаются неизменными при переходе
от функций | (t) к функции
Ь (t) = Kl (t),
каково бы ни было движение К.
42. Кривые в гильбертовом пространстве
271
Рассмотрим какую-либо функцию I (t) класса $ и положим
Въ (ti, та) = (?(* + ъ) - I (*), t (t + та) - I («))• A)
(Очевидно, что В% (п, т2) не зависит от t.) Обозначим через Щ ми-
минимальное замкнутое линейное подпространство пространства Н,
содержащее все разности | {t + т) — | (?), через G| пространство
Н — Hi, состоящее из всех элементов х, принадлежащих Н, орто-
ортогональных к Hi, и через щ размерность Gg (которая может равнять-
равняться 0, 1, 2,. . . или оо).
При этих обозначениях имеют место следующие теоремы.
Теорема 1. Если |i (t) и g2 @ принадлежат классу R, то для
существования движения К, преобразующего ?i в |2> т- в. движения,
для которого
Ь (*) = Kb (t),
необходима и достаточна совокупность двух условий: 1) <Х|г = ag2;
2) В^ (тг, т2) = В%2 (тг, т2) для любых Ti и т2.
Теорема 2. Для того чтобы данному а (а = 0, 1, 2, ... или
оо) и данной функции В (ti, t2) соответствовала хотя бы одна функ-
функция | (t) класса ®.
а| = а, Вг (ti, т2) = В (ti, т2),
необходимо и достаточно, чтобы В (ti, t2) было представимо в виде
В
т2) =
— 1) dF (A,) + бтат.2,
B)
где интеграл понимается в смысле
Е->0
6 — произвольная константа, а функция интервала F (ДО удовлет-
удовлетворяет следующим условиям:
A) она определена для всех Ах, для которых нуль не принадлежит
к числу внутренних и концевых точек, аддитивна и непрерывна спра-
справа относительно концов Д^;
B) F (ДО > 0;
C) интегралы
—11 <х>
dF(Ax), $K*dF(A,), ]dF(Ax)
—i
конечны.
Теорема 3. Функция В (ti, т2), представимая»в виде B) с со-
блюдением условий А), В), С), может быть представлена таким обра-
образом единственным способом.
272
42. Кривые в гильбертовом пространстве
Определенная таким образом однозначно функция F (АО и кон-
константа 9, соответствующие 5j (ti, т2) для данной функции ? (t) клас-
класса $, обозначаются JFg (Ах) и 9g.
Из теорем 1—3 вытекает, что полную систему инвариантов от-
относительно движений для кривой | (t) класса Ж образуют
«I, 9| и Ft(Ax).
При этом для существования кривой класса Ж с данными а (а =
= 0, 1, 2, ... или с»), 9 (которое может быть любым комплексным
числом) и F (Ах) необходимо и достаточно, чтобы функция интервала
F (Ах) удовлетворяла условиям А), В), С) теоремы 2.
Спектральное представление B) функции В% (%i, т2) связано со
спектральным представлением самой функции ? (t), указываемым
в следующей теореме:
Теорема 4. Каждая фунция ? (t) класса Ж может быть пред-
представлена единственным способом в виде
+ ut + v, C)
где и и v — элементы Н, а Ф (А^) — функция интервала А\ со зна-
значениями из Н, обладающая следующими свойствами:
1°. Ф (ДО определена для всех интервалов Ах, для которых нуль
не принадлежит к числу концевых или внутренних точек, аддитивна
и непрерывна справа относительно концов Ах.
2°. Если Ах и Ах не пересекаются, то
(Ф (Дя), Ф (ДО) = 0.
3°. Интегралы
—11 со
dF(A,), §k*dF(Ax), J^ (АО,
з —1 1
42. Кривые в гильбертовом пространстве
27$
F (Ах) = || Ф (А,) |р,
понимаются в смысле, указанном в тео-
теококечиы.
При этом интегралы
реме 2, и
F (Ах) = Ръ (А,), II и ||2 = 86,
где Fi (Ax) и 9| имеют ранее определенный смысл.
Функцию Ф (Ах) и элементы и ж v пространства Н, соответствую-
соответствующую по теореме 4 функции | (t) класса ®, будем обозначать
Ф6 (ДО, «i, ^|.
Теорема 5. Для того чтобы данным и и v из Н и функции ин-
интервала Ф (Ах) со значениями из Н соответствовала по формуле C)
функция \ (t) из Ж, необходимо и достаточно, чтобы Ф (АО удовлет-
удовлетворяла условиям 1°, 2° и 3° теоремы 4.
Отметим в заключение, что функция класса $ в том и только в том
случае может быть представлена в виде
6 (*) = Utx0, E)
где {Ut} есть НОГ унитарных операторов, когда норма
II I (*) II = г
постоянна при всех t, т. е. в том и только в том случае, когда крива»
| (t) расположена на сфере
II х || = г.
Класс функций, представимых в виде E), будем обозначать $0,
Для функций класса Жо все предложения, аналогичные теоремам
1—5, выводятся непосредственно из спектрального представления
соответствующей группы {Ut} и иногда в несколько иной форме хо-
хорошо известны.
Рассмотрение произвольной функции класса $ может быть све-
сведено к рассмотрению функций класса S?o на основе следующего за-
замечания: если ? (t) принадлежит Ж, то
& @ = [? '* + А) - 6 (t)Vh
принадлежит Ш. Функции t,h (t) представляются в виде
где операторы
не зависят от h. Поэтому
где
Vh (Ах) = ? (АО ?h @).
Доказывается существование предела
и полагается
Ф(Д0=
а
Полученная таким образом функция Ф и есть функция Ф| теоремы 2.
Полные доказательства будут опубликованы в другом месте.
23 ноября 1939 г.
274
43. Спираль Винера и некоторые другие кривые
43. Спираль Винера и некоторые другие кривые
275
43
СПИРАЛЬ ВИНЕРА И НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ
ИНТЕРЕСНЫЕ КРИВЫЕ
В ГИЛЬБЕРТОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ*
Мы рассмотрим здесь некоторые частные случаи кривых, которым
посвящена моя предыдущая заметка [1].
Преобразованием] подобия в гильбертовом пространстве Н бу-
будем называть любое преобразование А в самого себя, представимое
в виде
А = а + qlJx,
где а — фиксированный элемент пространства Н, U — унитарный
оператор, a q — действительное число, большее нуля.
Определение. Функция g (t) класса Ж принадлежит клас-
классу U, если при любом действительном к Ф О существует такое пре-
преобразование подобия А^, что
I (kt) = Akl (t)
для всех t.
Если заменить пространство Гильберта в наших определениях
конечномерным унитарным пространством, то единственными функ-
функциями класса U будут линейные функции вида
(где и vl v — фиксированные элементы пространства). Тем более ин-
интересно, что в гильбертовом пространстве существуют другие типы
функций класса U. Геометрически каждая функция класса U опре-
определяет кривую в пространстве Н, инвариантную по отношению
к группе преобразований подобия, зависящих от двух параметров,
которые позволяют отобразить кривую на самою себя так, что любая
заданная пара ее точек х и у =Ф х перейдет в любую другую заданную
пару точек х' и у' =/= х', лежащих на той же кривой.
Теорема 6. Функция В\ (ti, т2), соответствующая функции
| (t) класса U, может быть представлена в виде
1, Т2) = С [| Tl
|V _
Т1 - Т2
где сиу — действительные константы, удовлетворяющие неравен-
неравенствам
с > 0, 0 < у < 2.
Очевидно, что в случае 5g (ti, t2), нетождественно равного нулю,
константы
с =
и y =
однозначно определяются по функции В% (ti, t2), а следовательно,
и по самой функции | (?). Ясно также, что 5| (ti, t2) может быть тож-
тождественно равным нулю только в случае, если | (t) постоянно.
В дальнейшем мы отбрасываем этот исключительный случай и счи-
считаем, что
уъ > О, С| > 0.
Мы видим, таким образом, что функции класса U характеризуются
с точностью до преобразований движения в пространстве Н инвари-
инвариантами а|, cj и Yg. Что касается соответствующих кривых, то они
определяются с точностью до конгруэнтности инвариантами ag и у%
(изменение же eg не меняет вида кривой, изображаемой функцией
| (?), а связано лишь с изменением выбора параметра t).
Теорема 7. Любым а (= 0, 1, 2, . . ., или оо), с (с >¦ 0) и у
@ <С у ^ 2) соответствует хотя бы одна функция | (t) класса U с
Щ = а, 4 = с> 76 = 7-
Для функции класса U, соответствующей данным а, с и у, имеем
при у <; 2
где
," (sin
¦dk.
* ДАН СССР, 1940, т. 26, с. 115—118.
В случае же у = 2 имеем
9g-2c, ^(Дя) = 0.
В последнем случае (у = 2) сама функция | (t) линейна (т. е. геомет-
геометрически изображает прямую в пространстве Н).
Рассмотрим теперь специально класс Ш функций g (t) класса U,
для которых
7| = 1-
Кривые, соответствующие этому классу функций, назовем спи-
спиралями Винера. В соответствии с вышесказанным спираль Винера
определяется с точностью до конгруэнтности единственным инвари-
инвариантом <xg. Если же интересоваться лишь расположением кривой в со-
соответствующем пространстве #g, то можно сказать, что все спирали
Винера конгруэнтны друг другу. Точно это обозначает следующее:
для любых двух спиралей Винера, определяемых функциями gi
276
43. Спираль Винера и некоторые другие кривые
и |2> существует взаимно однозначное соответствие между Н^ и Н^
вида
у — а + Ux,
где а — фиксированный элемент Н&, a U — изометричный линей-
линейный оператор, который преобразует первую кривую во вторую.
Теорема 8. Для того чтобы функция класса Ж принадлежала
классу 23, необходимо, и] достаточно, чтобы для любых двух непере-
непересекающихся интервалов
43. Спираль Винера и некоторые другие кривые
277
s2
t < t2
оси t имело место равенство]
(ti) - I (si), l (h) - I (%)] = o.
На геометрическом языке теорему 8 можно выразить так: спирали
Винера вполне характеризуются двумя следующими свойствами:
1) они инвариантны по отношению к некоторой НОГ движений;
2) их хорды, соответствующие двум неперекрывающимся дугам,
ортогональны.
Откладывая доказательство перечисленных теорем до другой пуб-
публикации, дадим здесь несколько дополнительных замечаний и при-
примеров.
1. При y< 2 функция % (t) класса U не дифференцируема (как
в смысле сильной, так и в смысле слабой сходимости).
2. Если ? (t) принадлежит классу U, то различным значениям t
соответствуют различные |. Это свойство не обязательно для функ-
функций класса 8, среди которых имеются, в частности, периодические.
3. Значения функции | (t) класса U неограничены по норме. Так
как значения функции класса $0 имеют постоянную норму, то от-
отсюда вытекает, что классы U и $0 не пересекаются.
4. Пример реализации спирали Винера. Рассмотрим гильбертово
пространство Но комплексных функций / (z) действительного аргу-
аргумента z (—оо <z < oo) с конечным интегралом
J \f(z)\*dz,
в котором скалярное произведение определено обычной формулой
(/, g) = J f(z)g(z)dz.
—оо
При t > 0 положим | (t) равным функции / (z), которая равна 1,
если 0 <^i z <^. t, и равна 0 для остальных z.
Легко проверить, что / (z) удовлетворяет условиям теоремы 8.
5. Применение функций класса $, Жо, U и Щ в теории вероят-
вероятностей. Пусть дано какое-либо поле вероятностей (для определений
см. [2]). Комплексные случайные величины х этого поля с конечным
математическим ожиданием
Е \х\*
образуют, если их скалярное^произведение определить формулой
{х, у) = Е (ху),
унитарное пространство R конечного или бесконечного числа изме-
измерений. Наиболее интересен случай бесконечномерного пространства
со счетным базисом. В этом случае R удовлетворяет всем аксиомам
гильбертова пространства. Если каждому t поставлена в соответст-
соответствие случайная величина | (t), то говорят, что | (t) есть случайная
функция. Будем считать, что | (t) при каждом t принадлежит R и
непрерывна в смысле сходимости по норме в R. Тогда
a) Принадлежность ? (?) к классу $0 совпадает со стационарно-
стационарностью случайной функции | (t) в широком смысле (в теории вероят-
вероятностей играет большую роль также другое понятие «стационарности
в узком смысле», на котором мы здесь не останавливаемся). Стацио-
Стационарные в широком смысле случайные функции подробно изучены
А. Я. Хинчиным [3].
b) Если случайная функция ? (t) принадлежит классу К, то ее
естественно назвать случайной функцией со стационарными (в широ-
широком смысле) приращениями. Их детальное изучение являлось одной
из очередных задач теории вероятностей и может быть проведено
на основе изложенных нами в [1] результатов.
c) Требование
II (ti) - I (si), I (t2) - i (%)] = о
теоремы 8 на языке теории вероятностей обозначает равенство нулю
коэффициента корреляции между приращениями | (t) на двух непере-
непересекающихся интервалах оси t. Таким образом, случайные функции
класса 23 — это функции со стационарными (в широком смысле)
и некоррелированными приращениями.
Частный случай такого рода случайных функций, встречающий-
встречающийся при изучении броуновского движения, и привел Винера еще
в 1923 г. (см. [4]) к рассмотрениям, которые в переводе на геомет-
геометрический язык приводят к описанным выше спиралям Винера.
28 ноября 1939 г.|
ЛИТЕРАТУРА
1. Колмогоров А. Н. Кривые в гильбертовом пространстве, инвариантные по
отношению к однопараметрической группе движений.— ДАН СССР, 1940,
т. 26, с. 6—9.
2. Колмогоров А. Н. Основные понятия теории вероятностей. М.; Л.: ОНТИ,
1936. 80 с; 2-е изд. М.: Наука, 1974.
3. Хинчин А. Я. Теория корреляции стационарных стохастических процес-
процессов.— УМН, 1938, вып. 5, с. 42—51.
4. Wiener N. Differential-space.— J. Math, and Phys., 1923, vol. 11, N 3,
p. 122-174.
278
44. Точки локальной топологичности отображений компактов
44. Точки локальной топологичности отображений компактов 279
44
ТОЧКИ ЛОКАЛЬНОЙ ТОПОЛОГИЧНОСТИ
СЧЕТНОКРАТНЫХ ОТКРЫТЫХ
ОТОБРАЖЕНИЙ КОМПАКТОВ*
Рассмотрим непрерывное однозначное отображение
y = f{x)
компакта X на компакт Y. Отображение / называется открытымг
если образ любого открытого множества пространства X является
открытым множеством в пространстве Y. Отображение / называется
счетнократным, если полный прообраз f~l (у) любой точки у прост-
пространства Y не более чем счетен. Точка х пространства"X называется
точкой локальной топологичности отображения /, если существует
такая окрестность U точки х, которая отображается отображением
/ на свой образ / (U) топологически. В дополнение к результатам
П. С. Александрова [1] я доказываю далее следующую теорему.
Теорема. Если отображение f открыто и счетнократно,
то множество Tf точек его локальной топологичности всюду плот-
плотно в X.
Для доказательства теоремы, очевидно, достаточно установить,,
что из существования непустого открытого множества U d X, не
содержащего точек локальной топологичности открытого отображе-
отображения /, вытекает существование в
V = f{U)
точки у* с более чем счетным полным прообразом /-1 (у*). Что-
Чтобы найти такую точку у*, мы построим точки
\:lU F (n=l, 2, ...; г* = 0,1)
и открытые множества
inC:U, Vм С V (n = i, 2, ...;
обладающие следующими свойствами:
ik = 0, 1),
2)
3)
*&..,„
/(".+1).
5) F"+1CFW,
6) F^e/([/&.,,>
8) диаметр множеств F('7> и С/у2...г меньше 1/и.
Из 3), 5), 8) вытекает, что точки г/С) сходятся при п ->¦ оо к неко-
некоторой предельной точке г/*. Из 2), 4) и 8) вытекает, что для любой
последовательности
составленной из нулей и единиц, точки
к некоторой предельной точке
хчч~1п...
^,^
сходятся при п -> оо
• ДАН СССР, 1941, т. 30, с. 477-479.
Из 7) вытекает, что точки ж^.л , соответствующие различным по-
последовательностям h, 1г, . . ., in, . . ., различны. Из непрерывности
отображения / вытекает, что для любых h, ?2, . . ., гп, . . ..
f(XiA...in...)=y*'
т. е. что полный прообраз f~l (у*) точки у* имеет мощность конти-
континуума.
Переходим к построению точек a4"i'...i и г/"' и открытых мно-
множеств Utl..in и F<">.
a) При п = 1 в качестве точки г/1' выбираем любую точку из F,
имеющую в U не менее двух различных прообразов х0 и х\ . В силу
отсутствия в U точек локальной топологичности такая точка у<-1)
существует. За Ug и Ui принимаются какие-либо окрестности то-
точек ж^ и Xi, удовлетворяющие условиям
Наконец, в качестве F^ выбирается такая окрестность точки
yW, которая содержится вместе с своим замыканием в F, / (Е7о )
ив/ (f/i0)). Такая окрестность точки г/1' существует в силу откры-
открытости отображения /.
b) Допустим, что точки х\,,л и г/^п) и открытые множества
t4"i,...i и ^(п) Уже построены для п = N, vl построим их для п =
= N + 1. Положим
v = ii + 2г2 + 22i3 + . . . +2»-4ff
280
44. Точки локальной топологичности отображений компактов
45. Локальная структура турбулентности
281
и будем обозначать систему индексов Ш2 . . . in через S (v). Системы
индексов Ы2 . . лп0 и Ы2 . . . inl обозначим соответственно через
S (v) 0 и S(v)l. В новых обозначениях множества Vi^1\^iN+v ко-
которые нам предстоит построить, обозначаются символами
и Сда, где
v = 0, 1, 2, . . ., 2N - 1.
При построении этих множеств мы введем еще точки t)v, gv и
и открытые множества W, обладающие следующими свойствами:
2) T]V <= Wv,
3) /&)
4) Wv
5) ^v+
6) PFoc
Построение точек t]v, |v и ?v и открытых множеств ?/scv)o\ f/ад1/
и Wv производится индуктивно переходом от v к v + 1:
bi) При v = 0 выбираем в F(W) точку тH, имеющую в С/^) не менее
двух различных прообразов go и ^о- В качестве 17$$ и C/sco)^ берем
окрестности точек ?0 и Ц, удовлетворяющие требованиям
N+l r-
rAN+1) tj(N+1)
В силу открытости / у точки тH найдется окрестность Wo, содержа-
содержащаяся в FW, / (Ц$$) и / (?/И).
Ь2) Допустим, что T)v, g;, gv> С^ад^, t^soo^ и Wy, уже построены
при v = р, и построим их для v = р + 1- В качестве T)g+1 выберем
точку из W$, которая имеет в t^sfp+i) не менее двух различных прооб-
прообразов ?р+1 и |g+1. В качестве t/s(g+i)o и C/(s(p"+i)i выберем какие-либо
окрестности точек ?p+i и ^41, удовлетворяющие требованиям
т(ЛГ+
В силу открытости / у точки т)р+1 найдется окрестность WfJ+1, содер-
содержащаяся в
= 2w — 1, положим
Дойдя в описанном построении до v =
В силу свойств 4), 5) и 6) множеств Wv множество Wv содержится
во всех / (?/И) и / (U$$l).
Поэтому у точки г/(ЛГ+1) найдется по прообразу
(ДГ+1) (N+1)
лежащему в каждом из множеств Us<y)l и Us[\)l. В силу открыто-
открытости / у г/W+D ^ И^о с: F(W» найдется окрестность F(W+1), содержа-
содержащаяся вместе со своим замыканием в F(iV), во всех f (Us<y)o) и
Легко проверить, что построенные точки х"^ ... -х и открытые мно-
множества U\"l_ ..i и F(n) удовлетворяют условиям 1) — 8).
20 декабря 1940 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров П. С. О счетнократных открытых отображениях.— ДАН
СССР, 1936, т. 4, № 7, с. 283-287.
45
ЛОКАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ТУРБУЛЕНТНОСТИ
В НЕСЖИМАЕМОЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ
ПРИ ОЧЕНЬ БОЛЬШИХ ЧИСЛАХ
РЕЙНОЛЬДСА*
§ 1. Будем обозначать через
иа (Р) = ih. {%i, x2, x3, t), а = 1, 2, 3,
компоненты скорости в момент времени t в точке с прямоугольными
декартовыми координатами xi, x2, х3. При изучении турбулентности
естественно считать компоненты скорости иа (Р) в каждой точке
Р = (xi, x2, x3, t) изучаемой области G четырехмерного пространства
(xi, x2, x3, t) случайными величинами в смысле, принятом в теории ве-
вероятностей (см. по поводу такого подхода Миллионщиков [1]).
Обозначая через А математическое ожидание случайной величи-
величины А, предположим, что
и\ и {dujdxbf
конечны и ограничены в каждой ограниченной подобласти области G.
* ДАН СССР, 1941, т. 30, № 4, с. 299—303.
282
45. Локальная структура турбулентности
Введем в четырехмерном пространстве (xi, х2, x3, t) новые коор-
координаты
45. Локальная структура турбулентности
283
= ха -
где
- иа
40),
A)
— некоторая фиксированная точка из области G. Заметим, что коор-
координаты г/а какой-либо точки Р зависят от случайных величин иа (Pt0))
и поэтому сами являются случайными величинами. Компоненты ско-
скорости в новых координатах равны
"><* (Р) = иа (Р) - иа (рт). B>
Пусть при каких-либо фиксированных значениях величин
иа (Р@)) точки РП, к = 1, 2, . . ., п, имеющие в системе координат
A) координаты г/?° и s«, лежат в области G. Тогда можно определить
3/г-мерный условный закон распределения вероятностей Fn для ве-
величин
*° = wa (Р«0), a = 1, 2, 3; к = 1, 2, . . ., п,
при заданных
Вообще говоря, закон распределения Fn зависит от параметров
а?°\ *@), u?\ $\ в(*>.
Определение 1. Турбулентность называется локально од-
однородной в области G, если при любых фиксированных п, у?:) и s *'>
закон распределения Fn не зависит от 2&°>, № и и®\ пока все точки
P(/f> помещаются в G.
Определение 2. Турбулентность называется локально
изотропной в области G, если она локально однородна и если, кроме
того, указанные в определении 1 законы распределения инвариант-
инвариантны по отношению к вращениям и зеркальным отражениям исходной
системы координатных осей (xi, x2, х3).
По сравнению с введенным Тейлором [2] понятием изотропной
турбулентности наше определение локально изотропной турбу-
турбулентности уже в том отношении, что в нашем определении требуется
независимость законов распределения Fn от №\ т. е. стационарность
во времени, и шире в том отношении, что ограничения накладывают-
накладываются лишь на законы распределения разностей скоростей, а не самих
скоростей.
§ 2. Гипотеза изотропности в смысле Тейлора хорошо подтверж-
подтверждается экспериментально в случае турбулентности, вызванной про-
прохождением потока через решетку (см. [3]). В большинстве других
практически интересных случаев она может рассматриваться лишь
как весьма грубое приближение к действительности даже для ма-
малых областей G и при очень больших числах Рейнольдса.
В отличие от этого автору представляется весьма правдоподобным,
что в произвольном турбулентном потоке с достаточно большим чис-
числом Рейнольдса х
Re = LU/v
в достаточно малых областях G четырехмерного пространства (xi, x2i
х3, t), не лежащих вблизи границ потока или других его особенно-
особенностей, осуществляется с хорошим приближением гипотеза локальной
изотропности. При этом под «малой областью» подразумевается об-
область, линейные размеры которой малы по сравнению с L, а вре-
временные — по сравнению с
Т = U/L.
Естественно, что в столь общей и несколько неопределенной фор-
формулировке выдвинутое сейчас предположение не может быть стро-
строго доказано 2. Чтобы сделать возможной его экспериментальную про-
1 Здесь L и U обозначают типичные масштабы длин и скоростей для потока
в целом.
2 Приведем здесь лишь некоторые общие соображения в пользу высказан-
высказанной гипотезы. При очень больших Re турбулентный поток можно представлять
себе следующим образом: на осредненный поток (характеризующийся математи-
математическими ожиданиями иа) накладываются «пульсации первого порядка», состоя-
состоящие в беспорядочном перемещении отдельных объемов жидкости с диаметрами
порядка 1^* = I, (где I — прандтлевский путь перемешивания) друг относи-
относительно друга; порядок скоростей этих относительных перемещений обозначим
через г/1*. Пульсации первого порядка оказываются при очень большом Re
в свою очередь неустойчивыми и на них накладываются пульсации «второго
порядка» с путем перемешивания № <С № и относительными скоростями
</2' <С г/1^; такой процесс последовательного измельчения турбулентных пуль-
пульсаций происходит до тех пор, пока для пульсаций какого-либо достаточно боль-
большого порядка п число Рейнольдса
Re(n) =
не окажется достаточно малым, чтобы влияние вязкости на пульсации ге-го
порядка было уже ощутительно и предупреждало образование накладываю-
накладывающихся на них пульсаций (п + 1)-го порядка.
С энергетической точки зрения процесс турбулентного перемешивания
естественно представлять себе так: пульсации первого порядка поглощают энер-
энергию осредненного движения и передают ее последовательно пульсациям более
высоких порядков; энергия же самых мелких пульсаций рассеивается в теп-
тепловую благодаря вязкости.
В силу хаотического механизма передачи движения от пульсаций низших
порядков к пульсациям более высоких порядков естественно допустить, что
в пределах малых по сравнению с JA) областей пространства мелкие пульсации
высших порядков подчинены приближенно пространственно изотропному ста-
статистическому режиму. В пределах малых промежутков времени этот режим
284
45. Локальная структура турбулентности
верку для отдельных частных случаев, мы указываем далее ряд след-
следствий из гипотезы локальной изотропности.
§ 3. Будем обозначать через у вектор с компонентами г/i, у2, у3
и рассмотрим случайные величины
wa (у) = wa (г/i, г/г, Уз) = "a {xi + г/i, х2 + г/2, х3 + у3, t) —
— иа (xi, х2, x3, t). C)
В силу предположения локальной изотропности их законы рас-
распределения не зависят от xi, x2, х3 и t. Для первых моментов величин
wa (у) из локальной изотропности вытекает, что
ъЛу) = 0. D)
Переходим поэтому к изучению вторых моментов 3
E)
5. Локальная структура турбулентности
285
= wa
Из локальной изотропности вытекает, что
- г/", i/W - */<«)]. F)
Эта формула позволяет ограничиться вторыми моментами вида
Bab BЛ У)- Для них
Ва$ (г/, г/) = В (г) cos 9a cos % + 8а&Впп (г),- G)
где г2 = г/i + у\ + у\, г/„ = г cos 9«, бар = 0 при а ф р, ба0 = 1
при а = Р;
В (г) = Bdd (г) _ Впп (г),
Bdd (r) = la* (r, О, О)]2,
При г = 0 имеем
Jnn
(г) = [в* (г, 0, О)]2.
@) = Впп @) = ± Bdd @) = ± Впп @) = 0,
(8)
(9)
A0)
(И)
естественно считать приближенно стационарным даже в том случае, если поток
в целом нестационарен.
Так как при очень больших Re разности^
wa (Р) = иа (Р) - иа (/»<»))]
компонент скоростей в близких точках Р и Р®' четырехмерного пространства
(*ii X2, x3, t) определяются почти исключительно пульсациями высших порядков,
то изложенная сейчас схема и приводит нас к гипотезе локальной изотропности
в малых областях в смысле определений § 1 и 2.
3 Все результаты § 3 вполне аналогичны полученным в [1, 2, 4] для случая
изотропной турбулентности в смысле Тейлора.
Формулы F) — A1) были получены без использования предполо-
предположения о несжимаемости жидкости. Из этого предположения выте-
вытекает уравнение
г dBJdr = -2В, A2)
позволяющее выразить Впп через Bdd. Из A2) и A1) вытекает, что
al = 2а2.! A3)
Легко далее вычислить, что (в предположении несжимаемости) сред-
среднее рассеяние энергии в единицу времени на единицу массы равно
дуг
+
A4)
A5)
§ 4. Рассмотрим преобразование координат
г/« = г/а/т1, s' = si a.
Скорости, кинематическая вязкость и среднее рассеяние энергии
в новой системе координат выражаются следующими формулами:
v' = va/тJ, в' = ёа3/тJ. A6)
Примем теперь следующую гипотезу:
Первая гипотеза подобия. Распределения Fn
для локально изотропной турбулентности однозначно определяются
величинами v и ё.
Преобразование координат A5) при
т| = X = УЧ* = V/'/ё1/», ( A7)
o=l/a = /;wl A8)
приводит к величинам v' = 1, е' = 1.
Поэтому в силу принятой гипотезы подобия соответствующая
функция
Вы (г') - pdd>') A9)
должна быть одинакова для всех случаев локально изотропной тур-
турбулентности. Формула
Bdd (г) = YVz pdd (rA) B0)
показывает в соединении с выведенными ранее, что вторые моменты
Ва$ (г/A\ г/B)) в случае локально изотропной турбулентности одно-
однозначно выражаются через v, e и универсальную функцию $dd.
§ 5. Чтобы определить поведение функции $dd (r1) при больших
г', введем еще одну гипотезу.
286
45. Локальная структура турбулентности
Вторая гипотеза подобия4. Если абсолютные ве-
величины векторов yW и их разностей у№) — ?/(*') (где к' Ф к) велики по
сравнению с К, то законы распределения Fn однозначно определяются
величиной ё и не зависят от v.
Положим
у"* = y'Jk», s" = *7A», B1)
где у'а и s' определены в соответствии с формулами A5), A7) и A8).
Так как при любом к
5' = 8* = 1,
то при г' большом по сравнению с X' = 1 в силу принятой сейчас
гипотезы
B"dd (r") « 5dd (rff) = pdd (r'/ft»).
С другой стороны, из формулы B0) вытекает, что
Bdd (г") = A/Л«) ?dd (г') = A/&2) pdd (г').
Таким образом, при больших г'
pdd (r'/F) « (I/A;2) pdd (r),
откуда
pdd (r') « С (r')V., B2)
где С — абсолютная константа. В силу A7), B0) и B2) при г, боль-
больших по сравнению с К,
Bdd (r) « С?/,Г7,. B3)
Из B3) и A2) легко вывести, что при г, больших по сравнению с К,
Впп (г) « V3BM (r). B4)
Заметим по поводу последней формулы, что при г, малых по срав-
сравнению с Я, в силу A3) имеет место соотношение
Впп (г) « 2i?dd (r). B5)
28 декабря 1940 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Миллионщиков М. Д. Вырождение однородной изотропной турбулентности
в вязкой несжимаемой жидкости.— ДАН СССР, 1939, т. 22, № 5, с. 236—
240.
46. К вырождению изотропной турбулентности
287
4 В терминах схематического представления о турбулентности, развитого
в примечании 2, К есть масштаб наиболее мелких пульсаций, энергия которых
непосредственно рассеивается в тепловую благодаря вязкости. Смысл второй
гипотезы подобия заключается в том, что механизм передачи энергии от более
крупных пульсаций к более мелким для пульсаций промежуточных порядков,
для которых № больше чем Я, не зависит от вязкости.
2. Taylor G. I. Statistical theory of turbulence. I—IV.— Proc. Roy. Soc. Lon-
London, 1935, vol. A151, N 874, p. 421—478.
3. Modern developments in fluid mechanics/Ed. S. Goldstein. Oxford: Univ.
Press, 1938, vol. 1, § 95. Рус. пер.: Современное состояние гидродинамики
вязкой жидкости/Под ред. С. Гольдштейна. М.: Изд-во иностр. лит., 1948.
Т. 1.|
4. Karman Th. von. The fundamentals of the statistical theory of turbulence.—
J. Aeronaut. Sci., 1937, vol. 4, N 4, p. 131—138.
46
К ВЫРОЖДЕНИЮ
ИЗОТРОПНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
В НЕСЖИМАЕМОЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ*
Будем, подобно [1, 2], считать компоненты
иа (Р, t) = иа (xi, х2,
3,
t)
скорости в момент времени t в точке Р = {xi, x2, х3) случайными ве-
величинами и через А обозначать математическое ожидание случай-
случайной величины А.
В случае изотропной турбулентности в смысле Тейлора (см.
[3, 4])
па = 0 A)
и вторые моменты
„A) JX> f\~ /тB) (а) B) -
Х2 1 Х3 i Ч МР \Х1 > Х2 i Х3 >Ч
выражаются формулами (см. [1, 5])
Цз = 5 (г, t) cos 9a cos Эр + 6apfenn (r, f),
где
Г2 /rB) TW\2 I /~B) т% 1 /тй ~A)\2
^а2) — х^ — г cos Эа, бар = 0 при а Ф р, 8af, = 1 при а =
5 (г, t) = fedd (г, t) - fenn (г, 0;
bdd {r, t) == Mi (хъ х% х3, t) Hi (хг + г, х2, ж3> t);
Ъ„п (r, t) = м2 (a
B)
C)
2, xs,
г, хг, х3, t);
Формула G) вместе с
bdd @, t) = brm @, t) = [ua(x1,x2,xs,t)}2 = b (t)
D)
E)
F)
C)
ДАН СССР, 1941, т. 31, № 6, с. 538-541.
288
46. К вырождению изотропной турбулентности
46. К вырождению изотропной турбулентности
289
позволяет определить Ъпп через bdd. Таким образом, все вторые мо-
моменты определяются через единственную функцию bdd (r, t).
Для bdd (r, t) Карман и Ховарт [5] получили уравнение
тде
bnnd (Г, t) = и\ (хи Х2, Xs, t) Mi {Xt + Г, X2, XS, t).
Лойцянский [6] из уравнения (9) вывел, что
оо
A=\bdd(r,t)r*dr
не зависит от времени.
Примем за «масштаб турбулентности» длину
L = (А/ЬУ'\
По L и среднему значению компонент скорости
и = У~Ь
'Определим число Рейнольдса
Re = Lu/v = (A'/./v) и'Л.
(9)
A0)
A1)
A2)
A3)
A4)
Так как и —» 0 при t —»- оо, то из A4) вытекает, что при больших t
число Рейнольдса Re мало. На этой заключительной стадии вырожде-
вырождения изотропной турбулентности законно применение теории, прене-
пренебрегающей третьими моментами. Как показано в [1], в этом случае
A5)
:и, следовательно,
и =АГЧ*,
L = Bft.
.Легко вычислить, как к, А и В выражаются через v и Л.
Для больших Re Карман, допуская, что bdd (r, t) имеет вид
bdd (r, t) = bxp (r/L),
A6)
A7)
A8)
A9)
нашел (см. 15]), что
и = и0 (* - «0)-р,
B0)
не определив, однако, показатель р.
Ниже приводится новый вывод формул B0), из которого следует,
что
Р = 5/7. B1)
Установим сначала, что при достаточно большом Re из допущения
A9) вытекает
db/dt = -W*L-\ B2)
где К — абсолютная константа. Формула B2) может быть обоснова-
обоснована различными способами. Если принять допущения моей заметки
[2], то можно рассуждать так. При изотропной турбулентности сред-
средняя энергия на единицу массы равна C/2) Ъ. Поэтому рассеяние энер-
энергии за единицу времени на единицу массы равно в среднем
в = — C/2) db/dt.! B3)
Так как, пользуясь обозначением Bdd (r) из [2], имеем
Ъм (r) = b- (Va) Bdd (r), B4)
то в силу формулы B3) из [2] при г, малых по сравнению с L, но
больших по сравнению с X,
i B5)
B6)
B7)
B8)
Для функции г|з (р) из B5) при малых р получаем
у (р) « 1 - яр*/,,
где
Следовательно,
ё = Bgb/Cy/-L-1.
Положив
К = B/3) Bg/CL;
из B3) и B7) получаем формулу B2). Формула B8) показывает, как
коэффициент К выражается через абсолютную константу С, введен-
1 Уравнение G7) проинтегрировано в [6] ошибочно. В действительности
показатель степени в формуле G8) должен равняться А В/[5 + А В], а в формуле
(81) — равняться —5/[5 + АВ]. Значение р = 6/? соответствует АВ = 2.
2 Мы принимаем, что соотношение B6) сохраняется для сколь угодно
малых р. Однако реальный смысл оно имеет только при р, больших по сравне-
сравнению с k/L, так как само допущение A9) естественно лишь при г, больших по
сравнению с %.
10 А. Н. Колмогоров
290
47. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности
ную в [2], и величину g, определяющуюся из B6) по виду функции
*(Р).
Из A2) и B2) получаем
db/dt = —KA^V". B9)
Интегрирование уравнения B9) приводит к результату
Ъ = (i0/7K)u''A*h (t — Jto)-M/'. C0)
Из C0), A3) и A2) вытекает
и = A0/7tf)V,AV. (* - *„Н', CD
L = Gtf/10)V'A'A (t - «„)•/,. C2)
Сопоставление C1) и C2) с B0) показывает, что действительно р =
= 5/7.
4 марта 1941 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Миллионщиков М. Д. Вырождение однородной изотропной турбулентности
в вязкой несжимаемой жидкости.— ДАН СССР, 1939, т. 22, № 5, с. 236—240.
2. Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вяз-
вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса.— ДАН СССР, 1941,
т. 30, № 4, с. 299—303.
3. Taylor G. I. Statistical theory of turbulence. I—IV.— Proc. Roy. Soc. Lon-
London, 1935, vol. A151, N 874, p. 421—478.
4. Modern developments in fluid mechanics/Ed. S. Goldstein. Oxford: Univ.
Press, 1938, vol. 1, §91. Рус. пер.: Современное состояние гидродинамики
вязкой жидкости/Под ред. С. Гольдштейна М.: Изд-во иностр. лит., 1948.
Т. 1.
5. Karman Th. von, Howarth L. On the statistical theory of isotropic turbulen-
turbulence.— Proc. Roy. Soc. London, 1938, vol. A164, N 917, p. 192—215.
6. Лойцянский Л. Г. Некоторые основные закономерности изотропного тур-
турбулентного потока.— Тр. ЦАГИ, 1939, вып. 440, с. 3—23.
47
РАССЕЯНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ЛОКАЛЬНО
ИЗОТРОПНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ *
В моей заметке [1] было определено понятие локальной изотроп-
изотропности и были введены величины
Bdd (г) = [ud (М>) - ud (М)]\ Впп (г) = [ип (М') - ип (М)]*, A)
где г обозначает расстояние между точками М и М', ud (M') и
ud (М) — компоненты скорости в точках М и М' по направлению
ММ', а ип (М) и ип (М') — компоненты скорости в М и М' по ка-
какому-либо перпендикулярному к ММ' направлению.
* ДАН СССР, 1941, т. 32, №11, с. 19—21.
47. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности 291
Для дальнейшего нам понадобятся еще третьи моменты
Bddd(r) = [ud(M')-ud(M)]*. B)
При локально изотропной турбулентности в несжимаемой жидкости
имеет место уравнение
45+ —^-4-~В
C)
аналогичное известному уравнению Кармана для изотропной тур-
турбулентности в смысле Тейлора. Здесь ё обозначает среднее рассеяние
энергии в единицу времени на единицу массы. Уравнение C) запи-
записывается в виде
E)
F)
и в силу условия dBdd (r)ldr |r=0 = Bddd @) = 0 дает
&vdBdd/dr — Bddd = D/5) гг.
При малых г, как известно,
Bdd ~ (V15V) гг2,
т. е.
QvdBdd/dr ^ (*/в) 5г.
Таким образом, при малых г в левой части уравнения E) второй член
бесконечно мал по сравнению с первым. При больших г, наоборот,
первым членом можно пренебречь по сравнению со вторым, т. е. счи-
считать
Ди««-(*/в)ёг. G)
Естественно допустить, что при больших г отношение
S=Bddd:Bfd, (8)
т. е. асимметрия распределения вероятностей для разности
Aud = ud (M') — ud (M),
остается постоянной. При этом допущении имеем для больших г
Bdd х СР/'г2/», (9)
где
С = (-4/5?)г/з.
A0)
Соотношение (9) было выведено в [1] из несколько других соображе-
1 А. М. Обухов независимо нашел соотношение (9) из подсчета баланса рас-
распределения энергии пульсаций по спектру (см. [2]).
10
292 47. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности
47. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности
293
В [1] был введен локальный масштаб турбулентности
Я, = (v3/e)V« A1)
и обосновано допущение, что
Bdd (г) = УЩи (гА), Впп (г) = Y^Kn (гА). A2)
где pdd и рпп — универсальные функции, для которых при малых р
р\и (р) « (V15) р2, {$„„ (р) « B/15) р2, A3)
а при больших р
Pdd (P) ~ CpV., pnn (p) » (*/,) Ср'/.. A4)
При изотропной турбулентности в смысле Тейлора закономерности
локально изотропной турбулентности должны иметь место для рас-
расстояний, значительно меньших чем интегральный масштаб турбу-
турбулентности L (см. по поводу его рационального определения мою
заметку [3]). При этом коэффициенты корреляции
Raa (г) = (»„ (М') ud (М)): Ъ, Впп (г) = (ип (М') ип (М)): Ъ, A5)
где Ъ есть среднее значение квадрата компонент скорости, связаны
с Bdd (r) и Впп (г) соотношениями
Bdd = 26 A - Rdd), Bnn = 26 A - Впп). A6)
В силу A6) и A2) при г, малых по сравнению с L, должно быть
A7)
Если г мало по сравнению с L, но велико по сравнению с Я,, то
в силу A4) и (И)
1 — Bdd « (V,)
Формулы A8) позволяют определить константу С из эксперимен-
экспериментальных данных. Наиболее тщательные измерения коэффициентов
корреляции Rdd и Rnn были произведены Драйденом, Шубауэром,
Моком и] Скрэмстадом [4]. Представив формулу A82) в виде
1 - Rnn « 1С (Ar)V., k = ё : C6)'А, A9)
я вычислил из эмпирической формулы A7) работы [4], полагая в обо-
обозначениях из [4] Ъ — У"Р, ? = C/2) UdYW/dx, значения коэф-
коэффициента к, соответствующие турбулентности на расстоянии АОМ
М, дюйм 1 3,25 5
к, ем-* 0,197 0,065 0,042
от решетки с размером ячейки М, равным 1", 3,25" и 5". С этими зна-
значениями для к кривые рис. 5 из [4], учитывающие поправку на дли-
длину проволок, хорошо укладываются для не слишком больших по
сравнению с L значений г в формулу A9) при
С = 3/2. B0)
Локальный масштаб % в условиях опытов, описанных в [4], настоль-
настолько мал, что отклонения от соотношений A8) при малых г не могут
быть обнаружены 2.
Кривые рис. 28 из [4] не могут быть непосредственно использо-
использованы для определения С, так как в них не внесена поправка на дли-
длину проволок. Однако они с удовлетворительной точностью подтверж-
подтверждают при г, малых по сравнению с L, вытекающее из A8) соотноше-
соотношение
A - i?nn)/(l - Rdd) = V3. B1)
С учетом поправки на длину проволок для отношения B1) в [4] по-
получено значение 1,28 (см. [4, с. 29]), также достаточно близкое, если
учесть ограниченную точность опыта, к теоретическому значению
4/
'з-
ЛИТЕРАТУРА
1. Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вяз-
вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса.— ДАН СССР, 1941,
т. 30, № 4, с. 299—303.
2. Обухов А. М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока.—
ДАН СССР, 1941, т. 32, № 1, с. 22-24.
3. Колмогоров А. И. К вырождению изотропной турбулентности в несжимаемой
вязкой жидкости.— ДАН СССР, 1941, т. 31, № 6, с. 538—541.
4. Dryden H. L., Schubauer G. В., Mock W. С, Scramstad H. К. Measurements
of intensity and scale of wind-tunnel turbulence and their relation to the criti-
critical Reynolds number of spheres.— Nat. Adv. Com. Aeronaut., 1937, Rep.
N 581.
5. Миллионщиков М. Д. Затухание пульсаций скорости в аэродинамических
трубах.— ДАН СССР, 1939, т. 22, № 5, с. 241—242.
6. Миллионщиков М. Д. О влиянии третьих моментов в изотропной турбулент-
турбулентности.— ДАН СССР, 1941, т. 32, № 9, с. 615—617.
2 Заметим в связи с этим, что попытку применения к наблюдениям из [4]
теории изотропной турбулентности, пренебрегающей третьими моментами, пред-
предпринятую Миллионщиковым в [5], следует признать основанной на недоразуме-
недоразумении. Легко обнаружить, что в обстановке наблюдений из [4] в уравнениях, свя-
связывающих вторые моменты с третьими (например, в уравнении C)), члены со
вторыми моментами несравненно меньше, чем члены с третьими моментами.
На рис. 3 из [5] сравнение с теоретической кривой для Rnn (полученной
в пренебрежении третьими моментами) с опытными данными из [4] произведено
ошибочно, так как: 1) использованные данные относятся к определенной спект-
спектральной компоненте пульсаций, а не к полным пульсациям; 2) опытные данные
не соответствуют условию 8vt = 7,56, которым определяется теоретическая кри-
кривая.
В более поздних работах [6] и еще неопубликованных (см.: Изв. АН СССР.
Сер. геогр. и геофиз., 1941, т. 5, № 4/5, с. 433—446.— Примеч. ред. к наст, изд.)
сам Миллионщиков при помощи тонких рассмотрений, использующих третьи
и четвертые моменты, дал оценку ошибки, происходящей от пренебрежения
третьими моментами.
294 48. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости
48
УРАВНЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ДВИЖЕНИЯ
НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ*
Общую картину турбулентного движения можно представлять себе
(в соответствии с Тейлором и Ричардсоном) следующим образом. На
осредненный поток накладываются турбулентные пульсации различ-
различных масштабов, начиная от масштабов порядка «внешнего масштаба»
турбулентности L («путь перемешивания») до наиболее мелких масшта-
масштабов порядка величины тех расстояний X, на которых делается сущест-
существенным влияние вязкости («внутренний масштаб» турбулентности).
В участках, размеры которых малы по сравнению с L, поле скорос-
скоростей является плавным. Наиболее крупномасштабные пульсации чер-
черпают энергию от осредненного потока и передают ее пульсациям
меньшего масштаба. Таким образом возникает поток энергии, не-
непрерывно передаваемой от пульсаций больших к пульсациям мень-
меньших масштабов. Диссипация энергии, ее переход в тепло происхо-
происходит в основном только в пульсациях масштаба X. Величина w дисси-
пируемой в единицу времени в единице объема энергии является ос-
основной характеристикой турбулентного движения во всех масштабах.
Наиболее характерными для турбулентности являются свойства
движения в участках, размеры которых малы по сравнению с L.
Локальную структуру турбулентности (т. е. структуру ее при мас-
масштабах <k^.L) можно считать пространственно однородной и изотроп-
изотропной. Ее изучение проводится аналогично тому, как была изучена Тей-
Тейлором и Карманом изотропная турбулентность. Однако при этом сле-
следует рассматривать моменты различных порядков, определяемые как
средние значения от произведений компонент векторной разности
скоростей в двух различных точках пространства. В силу изотропии
эти моменты являются функциями только от расстояния г между
точками (при г <^L). Так, моменты второго порядка Bdd и Впп суть
средние значения квадратов разностей проекций скоростей в двух
точках соответственно на линию соединения этих точек и на направ-
направление, ей перпендикулярное. При г <^ L эти моменты оказываются
пропорциональными г2, а при г ^> к (но г <^ L) Bdd и Впп пропор-
пропорциональны г2/з 1. Сам внутренний масштаб турбулентности к пропор-
пропорционален v3/* (p/w)*/*, где v — вязкость жидкости, р — ее плотность.
Эти результаты находятся в хорошем согласии с измерениями кор-
корреляции скорости, выполненными Драйденом и др.
Несколько менее полному математическому исследованию может
быть подвергнуто однородное и изотропное (во всех масштабах) тур-
* Изв. АН СССР. Сер. физ., 1942, т. 6, № 1—2, с. 56—58. Краткое резюме
доклада на Общем собрании Отделения физ.-мат. наук Академии наук СССР
26—28 января 1942 г. Казань.
1 ДАН СССР, 1941, т. 30, с. 299 (№ 45 наст, изд.— Примеч. ред.)
48. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости 295
булентное движение, в котором осредненный поток отсутствует;
такое движение непременно является затухающим со временем. В до-
дополнение к результатам Тейлора и Кармана с помощью найденного
Л. Г. Лойцянским 2 закона сохранения можно показать 3, что пуль-
сационная скорость движения затухает здесь обратно пропорцио-
пропорционально ft*. Масштаб же L движения растет как fl->.
Исходя из изложенных локальных свойств турбулентности можно
построить (при помощи некоторых допущений, несколько более гру-
грубо приближенных) полную систему уравнений турбулентного дви-
движения. Эти уравнения имеют вид
Dv, _ a
Dt
Доз
~ЪТ
з
дх.
-Ttr + ^r . A)
7 2 .,
Db , , A
-=— = — Ьсо -f- -о
Dt ' 3
b - , Л„\Л д Г Ь db Л
-в-\- А" у -— ъ—
w ' i/_j дх. у w дх. J
B)
C)
Здесь DlDt означает субстанциональную производную по времени,
Fi есть внешняя сила, vt — скорость осредненного движения, р —
осредненное давление; Ъ = GзJvf есть 73 от среднего квадрата
з
пульсационной скорости; со — некоторая средняя «частота», опре-
определяемая как со = cYb/L, где с — константа, а посредством е обо-
\ л /dv- dv. \ a
значено е = 2_j [ -т^ ~Ь 1TLI • Наконец, А, А', А" суть численные по-
i, i J г
стоянные, которые должны быть определены раз и навсегда сравне-
сравнением какого-либо решения уравнений с экспериментальными дан-
данными. Отношение Ь/а играет в уравнениях A) — C) роль некоторого
«коэффициента диффузии» соответственно для осредненной скорости,
«частоты» со и пульсационной скорости Ъ. Первый член в C) представ-
представляет собой 2/3 от турбулентной диссипации энергии, отнесенной к еди-
единице массы жидкости Bы;/3р), а второй — 2/3 от энергии, передаваемой
турбулентным пульсациям от осредненного движения. Отноше-
Отношение коэффициентов первых членов в A) и B) определяется упоми-
упоминавшимся уже соотношением Лойцянского. Уравнения A) — C)
определяют вектор осредненной скорости vt, пульсационную ско-
скорость Ъ и масштаб движения L.
Решение этих уравнений представляет большие трудности. В ко-
конечном виде они могут быть проинтегрированы для движения жид-
жидкости между движущимися параллельными плоскостями, причем
получаемый результат находится в согласии с известными резуль-
результатами Кармана.
а Тр. ЦАГИ, 1939, вып. 440, с. 3.
3 ДАН СССР, 1941, т. 31, с. 538 (№ 46 наст. изд. — Примеч. ред.).
296
49. Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева
В заключение доклада приведены предварительные результаты
численного интегрирования уравнений A) — C) для турбулентного
течения по трубе кругового сечения.
Дискуссия. Л. Д. Ландау отмечает, что А. Н. Колмогоров впервые
дал правильное понимание локальной структуры турбулентного потока. Что
касается уравнений турбулентного движения, то в них, по мнению Ландау,
должен быть непременно учтен тот факт, что в турбулентном потоке наличие
ротора скорости ограничено конечной областью пространства; качественно
правильные уравнения должны приводить к такому характеру распределения
вихрей.
В дискуссии принял участие также П. Л. Капица.
26 января 1942 г.
49
ЗАМЕЧАНИЕ ПО ПОВОДУ МНОГОЧЛЕНОВ
П. Л. ЧЕБЫШЕВА,
НАИМЕНЕЕ УКЛОНЯЮЩИХСЯ
ОТ ЗАДАННОЙ ФУНКЦИИ*
В 1918 г. А. Хаару [1] удалось довести условия единственности
многочлена наилучшего приближения до чрезвычайной общности.
Результат Хаара не послужил, однако, в течение тридцати лет со
времени его опубликования исходным пунктом каких-либо новых
исследований конкретного аналитического характера. По-видимо-
По-видимому, это объясняется тем, что не было обнаружено достаточно простых
и аналитически естественных случаев применимости условий Хаара
за пределами «систем Чебышева» в смысле С. Н. Бернштейна (см.
[2, § 1—2 гл. I]). Работа Хаара, как и вся классическая теория наи-
наилучших приближений, относится к действительным функциям.
В этой заметке я показываю, что теорема Хаара легко переносится
на комплексные функции. Это делает ее применимой, например, к во-
вопросу наилучшего приближения непрерывной комплексной функ-
функции на любом замкнутом ограниченном множестве комплексной плос-
плоскости обыкновенными многочленами (см. [4]).
Кроме перенесения на комплексный случай теоремы Хаара (см.
далее теорему 3), я устанавливаю комплексный аналог данного еще
Чебышевым характеристического свойства многочленов наилучшего
приближения (см. далее теорему 1). Ввиду элементарного характера
всех дальнейших результатов, примыкающих непосредственно к ра-
работам Чебышева, я привожу полностью все доказательства, хотя не-
некоторые из них являются лишь небольшими видоизменениями § 44—
45 из книги Н. И. Ахиезера[3]. Появление этой книги и послужило
* УМН, 1948, т. 3, вып. 1, с. 216—221.
49. Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева
297
непосредственным поводом для моего интереса к данному кругу во-
вопросов.
Мы будем рассматривать «многочлены» вида
Pa (z) = ахфх (z) + а2ф2 (z) + . . . + а„ф„ (z),
где ц>к суть выбранные раз навсегда комплексные функции, которые
предполагаются определенными и непрерывными на некотором ком-
компакте К.
Для любой заданной на К непрерывной комплексной функции
/ (z) и любой системы
а = (<*!, а2, . . ., ап)
из п комплексных чисел обозначим
Ах,/(*) =Pa{z)-f(z).
Как и в действительном случае, существует
L(a,f)= max |Ax,/(z) |,
и минимум
»(/)== mini (a,/)
а
достигается хотя бы для одного многочлена Ра (z).
Множество тех z ее К, для которых
| Da, t(z)\=L (а, /),
мы будем обозначать Ма< f.
Теорема 1. Для равенства
L (а, /) = 8 (/)
необходимо и достаточно условие:
(Т) Каков бы ни был многочлен
(z)
min Re
> f
z) Da f (z)} < 0.
Доказательство достаточности. Допустим, что
условие (Т) выполнено, и рассмотрим многочлен Ра, (z). Пусть
Рр (z) = Ра (z) - Ра. (z).
В силу условия (Т) существует z0 «= Ма< /, для которого
Re{Pp(z0)Z)ai/(z0)}<0.
В этой точке
I А»-,
= -Da, , (ZO) At, / («о) —
t, /
Ы —
a, f (z0)
298
49. Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева
49. Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева
299
Рр (z0) Рр Ы = | A». f (z0) |а - 2 Re {Pe (z0) Д,, /
|
Таким образом, при любом a'
L (a', /) > L (a, /),
что и требовалось доказать.
Доказательство необхо д'и мости. Допустим, что
условие (Т) нарушено, т. е. существует многочлен Рр (z), для кото-
которого всюду на Ма, /
Так как Ма< / замкнуто, то существует такое е)>0и такое от-
открытое G э Afa, /, что для всех гЕб
Положим
#=тах |РрB)|,
h = L(a, /)— max I Z)a /(z)!,
Z?iC
где
F = K\G.
Так как F замкнуто и на нем | Dat (z) | не достигает L (а,
Л>0.
Выберем К ]> 0 так, чтобы было
Я, < е/#2, к < А/2Я,
и положим
Pa' (Z) = Pa (Z) - КР& (Z).
Легко установить, что на G
), то
| Z>a., f (z) |2 = | Da, f (z) |2 _ 2% Re {Pp (z) ?»a,, (z)}
< L2 (a, /) — 2Я« + к -|г //2 = U- (a, /) — Лв.
С другой стороны, на F
2tf
Из этих двух оценок ясно, что
L(a',f)<L (a, /),
т. е. Pa, (z) не является многочленом наилучшего приближения, что
и требовалось доказать. Теорема 1 полностью доказана.
Введем теперь в рассмотрение допущения:
(A) Функции фх (z), ф2 (z), . . ., ф„ (z) линейно независимы на К.
(B) К содержит не менее п + 1 точек.
(Н) Любой многочлен Рр (z), у которого не все коэффициенты
Рте равны нулю, обращается на К в нуль не более чем в п— 1 точках.
Условия (А) и (В) исключают лишь тривиальные, неинтересные
для рассмотрения случаи. Условие (Н), наоборот, существенно ог-
ограничивает класс допустимых систем функций ф^. (z).
Теорема 2. При условиях (В) и (Н) из
L (a, /) = Щ (/)
вытекает, что
I Да, / (Z) I = Ш (/)
ке менее чем в п + 1 точках.
Доказательство. Допустим, что, вопреки утверждению
теоремы, множество Ма, / состоит лишь из точек
zlt z2, . . ., zg; q < /г.
Так как множество Ма f в силу (В) не совпадает с К, то при к =
= 1,2,...,?
| ?>a,, (zft) | = L (а, /) > 0.
Дополним произвольно систему точек zx, z2, . . ., zq (в случае
<? < п) до системы из /г различных точек
zl7 z2, . . ., zn.
Из (Н) вытекает, что детерминант
I ф* (zm) I, к, т = 1, 2, . . ., /г,
отличен от нуля. Поэтому система уравнений
Рхф1 (Zft) + Р2Ф2 (%) + • • • + Рпфп (Zfc) = I>a, / (Zft),
А = 1,2, . . .,q,
разрешима. Соответствующий любому решению этой системы много-
многочлен Pg (z) противоречит, как легко установить, условию (Т) теоре-
теоремы 1. Таким образом, Pa(z) не может быть многочленом наилучшего
приближения. Полученное противоречие доказывает теорему.
Как было указано в начале заметки, нас будут интересовать
условия, при которых имеет место теорема единственности:
(U) Для любой определенной на К непрерывной комплексной функ-
функции / (z) имеется только один многочлен
Ра (z) = Т, (z),
300
49. Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева
49. Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева
301
обладающий свойством
L К f) = & (/).
Теорема 3. Если выполнено условие (А), то утверждения
(U) и (Н) равносильны (т. е. (Н) есть необходимое и достаточное
условие для (U)).
Доказательство соотношения (Н) -*¦ (U). Из (А)
вытекает, что К содержит не менее п точек. Если число точек в К
равно точно п, то любая функция / (z) является многочленом и сама
является своим единственным наилучшим приближением с & (/) =
— 0. Остается рассмотреть случай, когда выполнено условие (В)
и можно применить теорему 2.
Допустим, вопреки утверждению (U), что существует два различ-
различных многочлена Ра> (z) и Ра» (z), для которых
L(a',f) = L (а", /) = g (/).
Образуем многочлен Ра (z), соответствующий
Щ = (as + as)/2; к = 1, 2, . . ., п.
Легко видеть, что
L (a, /) = & (/).
По теореме 2 существует п + 1 точек
zl> Z2, . . ., Zn+1,
в которых
\Da,f(zk)\ =.?(/).
Обычным образом доказывается, что во всех этих точках
А*', / (zk) = -Da", / Ы = Da, f (z,t),
что вместе с допущением (Н) приводит к противоречию. Тем самым
соотношение (Н) -»- (U) доказано.
Доказательство соотношения (U) -*- (Н). До-
Допустим, вопреки утверждению, что условие (Н) нарушается, т. е.
существует система из п различных точек zx, z2, . . ,,zn, для которой
детерминант
I ф* (zro) I» k,m = l,2,.. ., n,
равен нулю, т. е. существуют нетождественно равные нулю
Vi> Ya. • • •> Yn,
удовлетворяющие при любом А; = 1, 2, . . ., п условию
(z2) + ¦ • • + УпЩ (zn) = 0.
Легко построить на К непрерывную комплексную функцию g (z),
обладающую свойствами:
(a) g (zm) = Ym/| Ym I в тех точках zm, где ут ф 0,
(b) I g (z) | < 1 всюду на Я.
Выбрав какую-либо такого рода функцию g (z), положим
где
Я = max | Ру (z) I.
K
Лемма. Ш (/) = 1.
Для доказательства леммы допустим, вопреки утверждению, что
существует многочлен Ра (z), удовлетворяющий неравенству
L (а, /) < 1.
Тогда в точках zm, в которых ут ф 0,
/(zm)=Ym/|Ym|,
Re {vmP« (zm)} = Re {ymf (zm) + YmDa> f (*„)} =
Re
что противоречит равенству
S yma(m) S H Yф(
m=l ft=l m=l
Противоречие доказывает лемму.
Докажем теперь, что при
| е | < 1/Я
любой многочлен
удовлетворяет равенству
Это вытекает из оценки
Полученное противоречие с условием (U) доказывает соотношение
(U) -*¦ (Н). Теорема 3 полностью доказана.
302
50. О дроблении капель в турбулентном потоке
Возврат к теории наилучших приближений действительных функ-
функций действительными многочленами можно произвести при помощи
следующего предложения. /
Теорема 4. Если функции щ (z), к .*= 1, 2, . . ., п, и / (z)
действительны, то равенство
L (a, /) = ? (/)
(где & (/) определено как минимум L (а, /) для комплексных мно-
многочленов Ра (z)) заведомо достигается для какого-либо действитель-
действительного многочлена Ра (z).
Доказательство теоремы 4 непосредственно вытекает
из того простого замечания, что при сделанных в ней допущениях
для любого комплексного многочлена Ра (z) многочлен
Рс,' (Z) = V, {Pa (Z) + РТ&}
действителен и удовлетворяет неравенству
L (о', /)< L (а, /).
ЛИТЕРАТУРА|
1. Haar A.— Math. Ann., 1918, Bd. 78, S. 294-311.
2. Бернштейн С. Н. Экстремальные свойства полиномов. М.; Л.: ОНТИ,
1937. Ч. 1.
3. Ахиезер Н. И. Лекции по теории аппроксимации. М.; Л.: Гостехтеориздат,
1947.
4. Montel P. Le?ons sur les series de polynomes a une variable complexe. Paris,
1910, p. 66-71.
50
О ДРОБЛЕНИИ КАПЕЛЬ
В ТУРБУЛЕНТНОМ ПОТОКЕ *
Публикуемая непосредственно перед моей заметкой заметка [1]
М. К. Баранаева, Е. Н. Теверовского и Э. Л. Трегубовой содер-
содержит интересный экспериментальный материал по вопросу о дробле-
дроблении капель нерастворимых в воде жидкостей в турбулентном водном
потоке. Явление это, помимо его самостоятельного интереса, может,
по идее авторов заметки [1], служить и дополнительным средством
проверки наших представлений о локальной структуре турбулент-
турбулентных пульсаций.
Теория локальной структуры турбулентных пульсаций была
разработана мною и А. М. Обуховым. Она была проверена по дан-
данным непосредственных измерений пульсационных скоростей и наш-
нашла ряд подтверждений и применений при изучении рассеивания в
* ДАН СССР, 1949, т. 66, № 5, с. 825—828. ;
50. О дроблении капель в турбулентном потоке
303
турбулентной атмосфере звука, ультракоротких радиоволн и света.
В соответствии с этой теорией средний квадрат v\ разности скоростей
в двух точках, лежащих на расстоянии d, выражается формулой
i (d/\>), (a)
где v — кинематическая вязкость, а / — универсальная функция
с асимптотическим поведением:
/ (k) ~ к2 при малых к, ф)
/ (к) ~ А2/» при больших к.
(у)
(В обозначениях мы, по возможности, следуем заметке [1], а знак ~
употребляем в смысле приближенной пропорциональности, причем
коэффициент пропорциональности не пишем.) .
В приведенных формулах Ко обозначает «внутренний масштаб»
турбулентности. При спектральном разложении турбулентных пуль-
пульсаций компоненты спектрального разложения масштаба, значитель-
значительно меньшего Ко, должны быть ничтожно малы. Что касается разностей
скоростей на расстояниях d, существенно меньших ^,0, то их сред-
среднеквадратичное значение в соответствии с (Р) убывает пропорцио-
пропорционально d. Для многих физических процессов эти разности могут ока-
оказаться «достаточно большими» и при расстояниях d, значительно
меньших, чем внутренний масштаб к0. Поэтому обнаружение физиче-
физических процессов, производимых этими разностями, еще совсем не оз-
означает необходимости какого-либо пересмотра нашей с А. М. Обу-
Обуховым теории 1.
Введем теперь в турбулентный поток «первой» жидкости (в опы-
опытах [1] — воды) тонкую струйку «второй» жидкости с той же плот-
плотностью (это требование в опытах [1] выполнено с большой точностью)
с кинематической вязкостью v' и с поверхностным натяжением на
границе с первой жидкостью о.
Если бы а равнялось нулю, a v' равнялось v, то с механической
точки зрения струйка второй жидкости ничем не отличалась бы от
выделенной чисто геометрически струйки потока первой жидкости.
В заметке [1] не совсем точно описывается судьба такой струйки.
Такая струйка должна в действительности не распадаться на капли
диаметра порядка к0, а деформироваться во все более тонкую изви-
извивающуюся и разветвляющуюся нить. Никакого предела размешива-
размешивания ст руи в потоке в такой идеализированной схеме не получилось^бы.
Предел этому размешиванию кладет только поверхностное натя-
натяжение. Благодаря нему струя распадается на капли, капли эти дро-
дробятся до некоторого предела, а капли достаточно малого диаметра d
сохраняются, так как действующие на них разрывающим образом
1 Попытка же, предпринятая в статье [2] Е. Н. Теверовским, обосновать
необходимость применять при d, значительно меньших чем %0, «закон двух тре-
третей» (у) не может считаться достаточно убедительной. Описываемые им в [2\
явления могут найти и совсем другое объяснение.
304
50. О дроблении капель в турбулентном потоке
разности скоростей порядка vd при малых d малы/ж уже не в состоя*
нии преодолеть поверхностное натяжение. /
Из гипотезы об универсальности безразмер:иой локальной струк-
структуры турбулентных потоков вытекает, что судьба капли диаметра d
должна зависеть только от безразмерных отношений d/K0 и v'/v и чис-
числа Вебера
Wed = o/vddp.
Вместо отношений d/K0 и v'/v можно ввести два числа Рейнольдса
Re,j = vdd/v, Red = vddlv',
В области диаметров капель одного порядка с внутренним мас-
масштабом Яо число безразмерных характеристик процесса, по-видимо-
по-видимому, нельзя уменьшить, их должно быть три:
(Wed, d/K0, v'/v)
или
(Wed, Red, Rei),
безразлично.
Но при d, значительно меньших чем Яо, мы попадаем в область
значительного преобладания сил вязкости над силами инерции и без-
безразмерных характеристик остает-
остается только две:
Wed и v'/v.
В области d, значительно боль-
больших чем Ко, роль вязкости первой
жидкости должна быть мала. Если
вязкость v' второй жидкости мень-
меньше или того же порядка, как и
вязкость первой жидкости, то при
d, значительно больших чем Ко,
можно пренебрегать и той и другой
вязкостью. Если вязкость второй
жидкости значительно больше вяз-
вязкости первой, то пренебрегать ею
можно только для d, превосходя-
превосходящих масштаб
dxh
v'-^v
или v'«v
v'^>v
Wed и V7V
Wed, djh, и v'/v
Wed
—
Wed и Red'
Wed
Таким образом, мы получаем таблицу (см. выше) безразмерных
характеристик.
Опыты, описанные в заметке [1], имели дело с водой в качестве
первой жидкости и двумя различными смесями в качестве второй
жидкости. Поверхностное натяжение о в обоих рассмотренных слу-
50. \O дроблении капель в турбулентном потоке
305
чаях было почти одинаковым. Отношение v'/v было различным в двух
вариантах опыта, но все же не очень сильно отличалось от единицы.
Как видно из рис. 2 заметки [1], влияние различия значений v' в
двух вариантах опыта оказалось лежащим в пределах разброса точек
для каждого варианта в отдельности. Оставляя поэтому пока в сто-
стороне обсуждение предлагаемой авторами заметки [1] формулы C),
первый член которой должен учитывать влияние изменений отноше-
отношения v'/v (т] обозначает в [1] вязкость ц = v'p второй жидкости), рас-
рассмотрим пока случай постоянного отношения v'/v, меньшего едини-
единицы или не очень много превышающего единицу.
В этом случае вместе с авторами заметки [1] естественно предпо-
предположить, что максимальный диаметр d0 капель, обладающих доста-
достаточной устойчивостью для длительного сохранения, должен соответ-
соответствовать некоторому вполне определенному «критическому» числу
Вебера Wed0. Строго говоря, в силу указанного выше это допущение
можно считать хорошо обоснованным лишь за пределами области
значений d0 одного порядка с Ко, а критическое число Вебера может
оказаться в области йо<^Яои d0 ^> ^,0 различным. Пользуясь форму-
формулами (Р) и (у), получаем окончательно:
d
-о
We*
в случае
в случае
В трубе диаметра D вне ламинарного пограничного слоя
be = g (r/D) (vsD/ulY'*,
где и% — так называемая динамическая скорость, г — расстояние
от оси трубы, a g — некоторая универсальная функция. Подстав-
Подставляя это выражение для ^.0 в предыдущие формулы для d0, получаем
do-«''•D-
в случае
we
Kpp
в случае do!^>V
(I)
(II)
Так как отношение и/и% средней скорости в трубе к динамиче-
динамической скорости меняется медленно, то формула (II) соответствует
формулам G) и (8) заметки [1]. Возможно, что уместнее было бы
пользоваться при объяснении результатов опытов, изложенных в
[1], не формулой (II), а формулой (I). Впрочем, при имеющейся пока
точности опытов различие между показателем —1 в формуле (I) и по-
показателем —6/д в формуле (II) вряд ли может быть уловлено. Судя
по рис. 2 из [1], непосредственная обработка опытов приводит к по-
показателю, несколько меньшему единицы. Однако авторы [1] справед-
справедливо полагают, что это обстоятельство может быть связано с недоста-
306
SO. 0 дроблении капель в турбулентном потоке
точным временем пребывания капель в жидкостей при больших ско-
скоростях для того, чтобы процесс дробления успел закончиться.
Далее авторы поднимают очень интересный вопрос: если vd яв-
является лишь среднеквадратичным значением разности скоростей
на расстоянии d, то не возникают ли изредка на том же расстоянии
разности значительно большие?
Для ответа на этот вопрос надо было бы знать закон распределения
разностей скоростей на заданном расстоянии d.
Если бы можно было поставить опыты с дроблением капель так,
чтобы каждая капля достаточно долго могла находиться в области
с постоянными характеристиками локальной структуры, то такие
«пыты могли бы оказаться существенными для дальнейшего разви-
развития наших представлений о локальной структуре турбулентности.
К сожалению, в трубе внутренний масштаб ^,0 значительно ме-
меняется в поперечном сечении. Те капли, которые заметно удалились
от оси трубы, должны подвергаться дроблению до заметно меньших
диаметров, чем те, которые все время оставались вблизи оси трубы.
Это заставляет пока отнестись с большой осторожностью к ис-
истолкованию данных заметки [1] о зависимости минимального размера
капель от времени пребывания в потоке.
Развитие дальнейших работ по обсуждаемой теме должно, мне
кажется, пойти по двум путям.
1. Развитая выше концепция наличия твердой нижней грани
диаметров капель d0, дальше которой дробление в пределах области
с заданными характеристиками локальной структуры потока не про-
происходит, должна быть разработана в направлении учета влияния
на размеры d0 вязкости второй жидкости v'. Эту теорию первого
приближения надо попробовать применить к расчету различных спе-
специальных задач с неоднородными потоками.
2. Должны быть поставлены опыты для выяснения зависимости
распределения размеров капель от времени пребывания в потоке
со строго постоянными локальными характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баранаев. М. Я., Теверовский Е. Н., Трегубова Э. Л. О размере минималь-
минимальных пульсаций в турбулентном потоке.— ДАН СССР, 1949, т. 66, № 5,
с. 821—824.
2. Теверовский Е. Н. О коагуляции частиц аэрозоля в турбулентной атмосфе-
атмосфере.— Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1948, т. 12, № 1, с. 7—19.
51. О динамических системах с интегральным инвариантом на торе 307
51
О ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
С ИНТЕГРАЛЬНЫМ ИНВАРИАНТОМ НА ТОРЕ*
Рассматриваемые далее системы координат на торе Т2 будут от-
относить точке Р пару действительных чисел (х, у), определенных по
модулю 2я.
Под аналитичностью функции / (х, у) от координат будет пони-
пониматься ее аналитичность при всех действительных х и у. Функция
от координат / (х, у), очевидно, лишь в том случае будет однозначной
функцией / (Р) точки Р, когда она периодична по каждому из пере-
переменных х я у с периодом 2я. Мы будем рассматривать динамическую-
систему на Т2, определенную в некоторой системе координат систе-
системой уравнений
dxldt = А (х, у), dyldt = В (х, у) , A)
и обладающую интегральным инвариантом
= \\u{x,y)dxdy.
g
Естественно, что при этом функции А, В я U предполагаются од-
однозначными функциями точки Р. Кроме того, мы предположим, что
они аналитичны и удовлетворяют на всем Г2 условиям
А2 + В2 > 0, U > 0.
При этих допущениях известные общие результаты Пуанкаре,
Данжуа и Кнезера (см., например, [1, гл. 2, § 2]) могут быть допол-
дополнены следующим образом.
Теорема 1. Существует аналитическое преобразование ко-
координат, которое приводит систему A) к виду
dx_ 1 dy у ,2\
dt ~ F (х, у) ' dt F (х, у) ' V ;
а интегральный инвариант I (g) к виду
= §F(x,y)dxdy,
g
где у — некоторая константа.
Случай рационального у приводит к замкнутым траекториям
и с качественной точки зрения вполне элементарен. Если у иррацио-
иррационально, то хорошо известно, что все траектории всюду плотны на
Т2 и динамическая система транзитивна (см. [1]). Введенные нами до-
допущения об аналитичности функций А, В и U позволяют устано-
ДАН СССР, 1953, т. 93, с. 763-766.
308 51. О динамических системах с интегральным инвариантом на торе
вить, что в известном смысле «общим» случаем здесь является случай
динамической системы, записывающейся в надлежащей системе ко-
координат в виде
duldt = ku dv/dt = Х2, C)
где Я,х и Х2 — константы. Именно имеет место
Теорема 2. Если существуют такие С ^> 0 и h ^> 0, что
при всех целых т и п ^> 0
I т — пу | > Chn, D)
то существует аналитическое преобразование координат, которое
переводит систему B) в систему (<?), причем
К =
а интегральный инвариант I (g) приобретает вид
C0
где* К — константа.
| Условие D) выполняется (при надлежащем выборе С и h, завися-
зависящих от у) для всех у, кроме множества лебеговской меры нуль (см.,
например, [2]).
Очевидно, что в случае применимости теоремы 2 динамическая
система имеет дискретный спектр с собственными частотами
где г и s — целые числа, и соответствующими им собственными функ-
функциями фГ8, которые по приведении системы к виду C) записываются
в виде
фг3 (U, V) = <.«"*+«». E)
В силу аналитичности преобразования координат, приводящего
систему к виду C), собственные функции являются аналитическими
и в первоначальной системе координат.
Для иррациональных у, не удовлетворяющих условию D), име-
имеется ряд других возможностей, полное обозрение которых требует
перехода на точку зрения общей метрической теории динамических
систем. При этом естественно допустить к рассмотрению не только
неаналитические, но даже и разрывные преобразования координат,
требуя только, чтобы отображение координатного тора (х, у) на ко-
координатный тор (и, v), так же как и обратное отображение, были
измеримы по Лебегу и переводили множества меры нуль в множест-
множества меры нуль (метрическая абсолютная непрерывность). Рассмотре-
Рассмотрения естественно вести с точностью до множеств меры нуль и называть,
например, отображение аналитическим, данное число раз дифферен-
дифференцируемым или непрерывным в том случае, если оно совпадает с ана-
51. О динамических системах с интегральным инвариантом на торе 309
литическим, данное число раз дифференцируемым или непрерыв-
непрерывным отображением, с точностью до множества меры нуль.
Формулируемая далее теорема 3 относится именно к измеримым
абсолютно непрерывным (в метрическом смысле) преобразованиям,
рассматриваемым с точностью до множества меры нуль.
Для правильного ее понимания следует заметить, что два такого
рода преобразования, приводящие динамическую систему с ирра-
иррациональным у к виду C), могут отличаться между собой лишь линей-
линейным преобразованием
и' = аи
bv,
си + dv
с целыми коэффициентами и детерминантом ±1.
Теорема 3. При надлежащем выборе иррационального у и
аналитической функции F (х, у) возможен каждый из следующих слу-
случаев:
1) система B) приводится к виду C) бесконечно дифференцируемым,
но не аналитическим преобразованием координат;
2) система B) приводится к виду C) k-кратно дифференцируе-
дифференцируемым, но не дифференцируемым (к -\- 1)-кратно преобразованием;
3) приведение системы B) к виду C) возможно лишь при помощи
всюду разрывного преобразования;
4) приведение системы B) к виду C) невозможно.
Очевидно, что в случаях 1), 2) и 3) система имеет дискретный
спектр с системой собственных функций вида E), но эти функции
оказываются соответственно неаналитическими, недифференцируе-
мыми (к + 1)-кратно или всюду разрывными.
Весьма вероятно, что в случае 4) спектр неизбежно непрерывен,
но пока доказана только
Теорема 4. При надлежащем выборе иррационального у и ана-
аналитической функции F (х, у) спектр динамической системы непреры-
непрерывен 1.
Преобразование координат, существование которого утверждает-
утверждается в теореме 2 и в п. 1), 2), 3) теоремы 3, может быть получено следую-
следующим образом:
где
= xBn,y),
о
2Я
2JI 2JI
= —,— \ \ F (x,y)dxdy,
о о
1 Т. е. не существует измеримой функции <р (Р), же равной с точностью до
множества нуль константе, которая вдоль траекторий меняется по закону
ср (Pt) =
(Ро).
310 51. О динамических системах с интегральным инвариантом на торе
a R (у) — решение функционального уравнения
R(y- 2пу) -R(y) = S (у) - а0, F)
имеющее период 2я и удовлетворяющее условию
2Я
Если представить S (у) в виде тригонометрического ряда
то R (у) формально пишется в виде
¦ еыУ.
G)
Условие D) гарантирует сходимость ряда G) к аналитической
функции. Наличие в формуле G) знаменателей, которые при надлежа-
надлежащей арифметической природе иррациональности у могут быть очень
малы, объясняет причины возникновения аномалий, отмеченных
в теореме 3.
Если ряд
(8)
сходится, то спектр дискретен и собственные функции имеют вид
E). При сделанном в самом начале допущении об аналитичности
функции F (х, у) коэффициенты ап с возрастанием | п | быстро убы-
убывают, малые же знаменатели в ряде G) при любой иррациональности
у могут встречаться лишь по разреженной последовательности зна-
значений п. Поэтому в случае расходимости ряда (8) следует ожидать,
что природа ряда G) будет аналогична природе лакунарных рядов
с расходящейся суммой квадратов коэффициентов, т. е. с рядом G)
нельзя будет связать естественным образом никакой измеримой
функции R (у). Поэтому вероятно, что в случае расходимости ряда (8)
приведение динамической системы к виду C) невозможно. Вероятно,
в этом случае спектр неизбежно непрерывен, т. е. для рассматривае-
рассматриваемых нами динамических систем исключен случай смешанного спектра,
а дискретный спектр! всегда имеет ровно две независимые частоты.
В заключение заметим, что роль «малых знаменателей», мешающих
сходимости рядов, хорошо известна в небесной механике.
13 ноября 1953 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Немыцкий В. В., Степанов В. В. Качественная теория дифференциальных
уравнений. 2-е изд. М.: Физматгиз, 1959.
2. Хинчин А. Я. Метрические задачи теории иррациональных чисел.— УМН,
1936, вып. 1, с. 7—32.
52. О сохранении условно периодических движений
311
52
О СОХРАНЕНИИ
УСЛОВНО ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ
ПРИ МАЛОМ ИЗМЕНЕНИИ
ФУНКЦИИ ГАМИЛЬТОНА*
Рассмотрим в 2я-мерном фазовом пространстве динамической
системы с s степенями свободы область G, представленную в виде
произведения s-мерного тора Т на область S евклидова s-мерного про-
пространства. Точки тора Т будем характеризовать круговыми коорди-
координатами qu . . ., qs (замена qa на <7а+ 2я не меняет точки q), координаты
же точки р из S будем обозначать рх, . . ., ps. Будем предполагать,
что в области G в координатах {qx, . . ., qs, pu . . ., ps) уравнения
движения имеют канонический вид
dt
дРп
dt
A)
Функция Гамильтона Н далее предполагается зависящей от па-
параметра G и определенной при всех (q, р) ЕЕ G, G ?? (— с; + с),
но не зависящей от времени. По существу дальнейшие рассмотрения
имеют действительный характер, но требуют довольно значительных
ограничений на гладкость функции Н (q, p, Э), более сильных, чем
бесконечная дифференцируемость. Для простоты во всем дальнейшем
предполагается, что функция Н (q, р, 8) анашпгична по совокупности
переменных (q, p, G).
Суммирование по греческим индексам предполагается далее рас-
распространенным от 1 до s. Употребляются обычные векторные обозна-
обозначения: (х, у) = ^ХаУа., I ос \ = + Y(X' x)- Целочисленным векто-
а
а
ром называется вектор, все компоненты которого целые числа. Мно-
Множество точек (<7, р) из G с р = с обозначается Тв. В теореме 1 пред-
предполагается, что ? содержит точку р = 0, т. е. То с: G.
Теорема 1. Пусть
2 Ф«
ар
О(\р |3
B)
zde т и Ха — константы, и при некотором выборе констант с ^> 0 и
rj ^> 0 для всех целочисленных векторов п выполняется неравенство
\(п, к) \>а\п |2. C)
* ДАН СССР, 1954, т. 98, № 4, с. 527—530.
312
52. О сохранении условно периодических движений
Пусть, кроме того, детерминант, составленный из средних значений
2JI 2Я
Off
функций
отличен от нуля:
(О) I Ф О.
Тогда существуют определенные для всех достаточно малых О
и для всех точек (Q, Р) некоторой окрестности V множества Тоана-
литические функции Fa (Q, Р, 0) и Ga (Q, Р, Э), осуществляющие-
преобразование прикосновения
<7<х = <?а + №a (Q, P, 0), ра = Ра + QGa (Q, Р, в)
V в V' cr G, которое приводит Н к виду
Н = М (в) + 2 %аРа + О (Р«) E)
а
(М (в) ме зависит от Q и Р).
Легко понять значение теоремы 1 для механики. Она показывает,
что s-параметрическое семейство условно периодических движений
д« = Kt + g(a\
= О,
существующее при Э = 0, не может при условиях B) и C) исчезнуть
в результате малого изменения функции Гамильтона Н: произойдет
лишь смещение обегаемого траекториями этих движений s-мерного
тора То в тор Р = 0, который останется заполненным траекториями
условно периодических движений с теми же частотами ^, . . ., Ks.
Преобразование
(<?, Р) = Кв (q, p),
существование которого утверждается в теореме 1, может быть по-
построено в виде предела преобразований
(<?(*), рт) = КР (д, р),
где преобразования
((?A>, РA)) = LA) (q, p), (Q*+
находятся при помощи «обобщенного метода Ньютона» (см. [1]).
В этой заметке мы ограничимся построением преобразования .ЙГ^ =
= Le1', что позволит уже понять роль условий C) и D) теоремы 1.
52. О сохранении условно периодических движений
313
Зададим преобразование Lq формулами
F)
(легко проверить, что это преобразование прикосновения) и будем
искать константы ga я ? и функции X (д) и Yb (q), исходя из требо-
требования, чтобы
а + ч* 2 ф«
н=
имело вид
я = m + eg + 2 М^ + ^
Подставляя F) в G), получим
2 5« E-) р«
Таким образом, наше требование (8) сводится к тому, чтобы выпол-
выполнялись уравнения!
= г, (9)
A0)
Введем функции
(И)
Разложив функции Фар, А, Ва, X, Ya, Za в ряды Фурье вида
и положив для определенности
х @) = 0, уа @) = 0,
A2)
314
52. О сохранении условно периодических движений
получим для остальных подлежащих определению коэффициентов
Фурье х (п), уа (и), za (п) и констант ?а и ? уравнения
A3)
A4)
A5)
52. О сохранении условно периодических движений
315
а (п) + i (п, К) (х (п) = 0 при п ф О,
МО)+ 2
в
ь«(») + 2
р
при
A6)
Легко видеть, что система A1) — A6) однозначно решается при
условиях C) и D). Условие C) существенно при определении х (п) из
A4) и при определении уа (п) из A6). Условие D) существенно при
определении Eg из A5). Так как коэффициенты рядов Фурье анали-
аналитических функций Фор, А и Ва при возрастании | п \ имеют порядок
убывания не меньше р''1', р < 1, то из условия C) вытекает не только-
формальная разрешимость уравнений A3) — A6), но и сходимость
рядов Фурье для функций X, Yan Za и аналитичность этих функций.
Построение дальнейших приближений не связано с новыми трудно-
трудностями. Несколько тоньше лишь использование условия C) для дока-
доказательства сходимости отображений Kq к аналитическому предель-
предельному отображению Kq.
Условие отсутствия «малых знаменателей» C) следует считать,
«вообще говоря», выполненным, так как при любом r\ ^> s — 1 для
всех точек s-мерного пространства % = (Кг, . . ., %s), кроме множест-
множества лебеговской меры нуль, можно найти с (к), при котором
\(п, к) \>с(к)/\п р,
каковы бы ни были целые пг, щ, . . ., пв (см. [2]). Условие D) тоже
естественно считать, «вообще говоря», выполненным. Так как
Ф«в(О) = ^(О),
2Я
где
— «средняя частота» по координате др при фиксированных импуль-
импульсах рг, . . ., ps, то условие C) обозначает, что якобиан средних частот
по импульсам отличен от нуля.
Перейдем теперь к рассмотрению того специального случая, когда
Н (q, р, 0) зависит только от р, т. е. Н (q, р, 0) = W (р). В этом слу-
случае при Э = 0 каждый тор Тр состоит из полных траекторий условно
периодических движений с частотами
Ъа(р)= dW/dPa.
Если якобиан
дК
A7)
отличен от нуля, то почти ко всем торам Тр можно применить теоре-
теорему 1. Возникает естественное предположение, что при малых 9 по-
полученные в соответствии с теоремой 1 «сдвинутые торы» заполняют
большую часть области G. Это и подтверждается указываемой далее
теоремой 2. При формулировке этой теоремы будем считать область S
ограниченной и введем в рассмотрение множество Mq тех точек
(<7(оь Р<0)) (Ei G, для которых решение
<7а @ = U (t; q®, р<<», 9), pa (t) = ga (f, ?<°>, p<°\ 9)
системы уравнений A) с начальными условиями
да @) = <#\ Ра @) = /40)
приводит к траекториям, не выводящим при изменении t от — оо
до +оо из области G, и условно периодично с периодами Ха =
= ^а (<7@), Р(о\ 9), т. е. имеет вид
/а (t) = Фа (е«Ч .. ., e*V), ga (t) = гMа (eft.*,..., А().
Теорема 2. Если Н (q, р, 0) = W (р) и детерминант A7) не
равен нулю в области S, то при 9 —>¦ 0 лебеговская мера множества
Mq стремится к полной мере области G.
По-видимому, в известном смысле слова «общим случаем» являет-
является такой, когда множество Mq при всех положительных 9 имеет
всюду плотное дополнение. На такого рода осложнения, возникаю-
возникающие в теории аналитических динамических систем, указано по бо-
более специальному поводу в моей заметке [3].
31 августа 1954 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Канторович Л. В. Функциональный анализ и прикладная математика.—
УМН, 1948, т. 3, вып. 6, с. 163.
2. Koksma J. F. Diophantische approximationen. Berlin: Springer, 1936.
3. Колмогоров А. Н. О динамических системах с интегральным инвариантом
на торе.— ДАН СССР, 1953, т. 93, № 5, с. 763—766.
316
53. Общая теория динамических систем и классическая механика
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 317
53
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
И КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА*
ВВЕДЕНИЕ
Для меня явилась неожиданностью необходимость сделать до-
доклад на заключительном заседании Конгресса в этом большом зале,
который был ранее мне известен более как место исполнения великих
произведений мировой музыки под управлением Менгельберга. Док-
Доклад, который я подготовил, не учитывая перспективы столь почет-
почетного его положения в программе нашего Конгресса, будет посвящен
довольно специальному кругу вопросов. Моей задачей будет выяс-
выяснение путей применения основных концепций и результатов совре-
современной общей метрической и спектральной теории динамических си-
систем к изучению консервативных динамических систем классиче-
классической механики. Мне кажется, впрочем, что выбранная мною тема мо-
может иметь и более широкий интерес как один из примеров рождения
новых неожиданных и глубоких связей между различными частями
классической и современной математики.
В своем знаменитом докладе на Конгрессе 1900 г. Гильберт го-
говорил, что единство математики, невозможность ее распадения на не-
независимые друг от друга ветви вытекают из самого существа нашей
науки. Наиболее убедительным подтверждением правильности этой
мысли является возникновение на каждом этапе развития математи-
математики новых узловых пунктов, где при решении вполне конкретных проб-
проблем оказываются необходимыми и вступают в новое переплетение
понятия и методы самых различных математических дисциплин. Для
математики XIX в. одним из таких узловых пунктов являлись воп-
вопросы интегрирования систем дифференциальных уравнений класси-
классической механики, где проблемы механики и теории дифференциаль-
дифференциальных уравнений органически переплетались с проблемами вариацион-
вариационного исчисления, многомерной дифференциальной геометрии, теории
аналитических функций и теории непрерывных групп.
После работ Пуанкаре стала ясной фундаментальная роль для
этого круга вопросов топологии. С другой стороны, теорема о воз-
возвращении Пуанкаре — Каратеодори послужила началом «метриче-
«метрической» теории динамических систем в смысле изучения свойств движе-
движений, имеющих место при «почти всех» начальных положениях систе-
системы. Развившаяся отсюда «эргодическая теория» получила различ-
различные обобщения и сделалась самостоятельным центром притяжения
и узлом переплетения методов и проблем различных новейших отде-
отделов математики (абстрактная теория меры, теория групп линейных
* In: Ргос. Intern. Congr. Math., 1954, vol. 1, p. 315—333; To же.— В кн.:
Труды Междунар. математического конгресса. Амстердам, 1954 г.: Обзор, докл.
М.: Изд-во АН СССР, 1961, с. 187—208.
операторов в гильбертовом и других бесконечномерных простран-
пространствах, теория случайных процессов и т. д.). На предшествующем
Международном конгрессе 1950 г. общим вопросам эргодической тео-
теории был посвящен большой доклад Какутани [23].
Топологические методы, как известно, получили существенные
применения в теории колебаний, в частности при решении вполне
конкретных проблем, возникающих при изучении систем автоматиче-
автоматического регулирования, в электротехнике и т. д. Однако эти реальные
физические и технические применения относятся главным образом
к неконсервативным системам. Дело сводится здесь обычно к разыс-
разысканию отдельных асимптотически устойчивых движений (в частности,
устойчивых точек покоя и устойчивых предельных циклов) и изуче-
изучению пучков интегральных кривых, притягивающихся к этим асимп-
асимптотически устойчивым движениям.
В консервативных системах асимптотически устойчивые движе-
движения невозможны. Поэтому, например, разыскание отдельных перио-
периодических движений при всем его математическом интересе имеет
в случае консервативных систем лишь весьма ограниченный реаль-
реальный физический интерес. Основное значение в случае консерватив-
консервативных систем имеет метрическая точка зрения, позволяющая изучать
свойства основной массы движений. Современная общая эргодичес-
эргодическая теория подготовила для этой цели набор понятий, обладающих
очень большой физической убедительностью по своему замыслу.
Однако наши успехи в смысле анализа с этих современных точек
зрения конкретных задач классической механики до настоящего
времени более чем ограничены.
Дело идет в первую очередь о следующей проблеме. Допустим,
что движение по s-мерному аналитическому многообразию Vs опре-
определяется канонической системой дифференциальных уравнений с ана-
аналитической функцией Гамильтона Н (qu . . ., qs, рг, . . ., ps). Пусть
при этом имеется к однозначных аналитических первых интегралов-
1\, . . ., Ijc и условия
/х = Сх; . . .; 1]с = Ск
выделяют из фазового пространства Q2s аналитическое многообразие
M^s~k. Как известно, при почти всех значениях Съ . . ., Cfc на M2s~k
возникает естественным образом аналитическая инвариантная плот-
плотность, что дает возможность применить к движениям на M2s~k общие
принципы метрической теории динамических систем. Естественно
обращаться к этим более современным средствам в случаях, когда,
кроме, 1Х, . . ., 1к, независимых от них однозначных аналитических
первых интегралов нет или их нахождение представляется слишком
трудным, а другие классические аналитические методы окончания
интегрирования системы оказываются тоже неприменимыми. В та-
таких случаях требуется при помощи тех или иных качественных рас-
рассмотрений решить вопрос о том, будет ли движение на Мм~к транзи-
транзитивным (т. е. будет ли почти все М28~ксостоять из одного^единственного
318 53. Общая теория динамических систем и классическая механика
эргодического множества), в случае транзитивности — определить
характер спектра, при отсутствии же транзитивности — изучить
с точностью до множества меры нуль (или хотя бы с точностью до
множества малой меры) характер разложения M2s~k на эргодические
множества и характер спектра на этих эргодических множествах.
Мне известны только две конкретные задачи классической меха-
механики, в которых эта программа в большей или меньшей степени уже
выполнена.
1. Для движения по инерции по замкнутой поверхности V2 всюду
отрицательной кривизны1 Хопф в 1939 г. установил, что движение на
трехмерных многообразиях L\, выделяемых требованием постоян-
постоянства энергии Н = h, транзитивно, а спектр непрерывен (см. [8])-
2. Как будет указано далее, при движении по инерции по анали-
аналитическим поверхностям, достаточно близким к трехосному эллипсо-
эллипсоиду, движение на L\ нетранзитивно и с точностью до множества малой
меры разбивается на двумерные торы Т2, на каждом из которых дви-
движение транзитивно, а спектр дискретен (см. конец § 2).
Однако мне представляется, что как раз сейчас наступило время,
когда окажется возможным значительно более быстрое движение
вперед.
§ 1
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
И ИХ УСТОЙЧИВЫЕ СВОЙСТВА
Динамические системы классической механики являются част-
частным случаем аналитических динамических систем с интегральным ин-
инвариантом. Носителем такой динамической системы является анали-
аналитическое /г-мерное многообразие Qn (фазовое пространство системы).
В соответствии с этим допустимые преобразования координат хх, . . .
. . ., хп точки х 6Е Qn будут всегда аналитическими.
Правые части дифференциальных уравнений, определяющих дви-
движение,
dxjdt = Fa (хъ . . ., Хп) A)
и инвариантная плотность, порождающая инвариантную меру
ш(А)= ^М (х) dxi... dxn,
А
будут считаться аналитическими функциями координат 2.
1 Быть может, небесполезно заметить, что в обычном евклидовом простран-
пространстве можно задать замкнутую поверхность V2 рода два и разместить по соседст-
соседству с ней конечное число центров притяжения или отталкивания, создающих на
V2 потенциал сил таким образом, что движение материальной точки по F2 под
действием введенных внешних сил будет математически эквивалентно движению
по инерции в метрике, обладающей всюду отрицательной кривизной.
2 Всюду, где мы говорим просто о «мере» без дальнейшей специализации,
мы имеем в виду меру т.
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 31Э1
В соответствии со сказанным во введении нас будут по преимуще-
преимуществу занимать канонические системы, т. е. системы с п = 2s, разде-
разделением координат точки (q, р) ЕЕ Q2S на две группы qlf . . ., qt и
рг> . . ., ps, преобразованиями прикосновения в качестве допустимых.
преобразований координат, уравнениями канонического вида
B)
дН
дН.
dt
dt
и инвариантной плотностью
Особое внимание будет уделено вопросу о том, какие свойства ди-
динамических систем являются при «произвольных» Fa и М (или «про-
«произвольной» функции Н (q, p) в случае канонических систем) «типич-
«типичными» и какие могут проявляться лишь в виде «исключения». Вопрос
этот, однако, весьма деликатен. Подход со стороны категории соот-
соответствующих множеств в функциональных пространствах систем
функций {Fa, M} (или функций Н), несмотря на известные успехи,,
полученные в этом направлении в общей теории абстрактных дина-
динамических систем, интересен более как средство для доказательств су-
существования, чем как непосредственный ответ на сколь угодно сти-
стилизованные и идеализированные реальные запросы физиков или ме-
механиков. Подход со стороны меры, наоборот, представляется вполн»
здравым и естественным с физической точки зрения (как это под-
подробно аргументировалось, например, Нейманом [1]), но наталки-
наталкивается на отсутствие естественной меры в функциональных простран-
пространствах.
Мы будем следовать двумя путями. Во-первых, для получения-
положительных результатов о том, что тот или иной тип динамичес-
динамических систем должен быть признан одним из существенных, не «исклю-
«исключительных» и не подлежащих ни с какой разумной точки зрения «пре-
«пренебрежению» (подобно тому как пренебрегают множествами меры
нуль), мы будем пользоваться понятием устойчивости в смысле со-
сохранения данного типа поведения динамической системы при малом,
изменении функций Fa и М или функции Н. Любой тип поведения
динамической системы, для которого существует хотя бы один при-
пример его устойчивого осуществления, должен с этой точки зрения,
считаться существенным и непренебрегаемым. В соответствии с при-
принятым подходом со стороны аналитических функций, «малость» из-
изменения функции /0 (х) будет пониматься в смысле перехода от функ-
функции /0 (х) к функции
/ (*) = /о (х) + еФ (х, в)
при малом значении параметра 9 и аналитичности функции ср по со-
совокупности переменных х1: х2, . . ., хп, 0. Такой подход к делу может
подвергаться критике, но при нем можно получить некоторые ин-
интересные результаты. Там, где можно ограничиться близостью функ-
320
53. Общая теория динамических систем и классическая механика
ций /0 и / в смысле близости их производных ограниченного порядка,
это будет указано.
Для получения отрицательных результатов о несущественном,
исключительном характере какого-либо явления мы будем применять
только один несколько кустарный прием: если в классе К функций
/ (х) можно ввести конечное число функционалов
Fi (Я, Рг (/), ..., Fr (/),
которые в том или ином смысле естественно считать принимающими,
«вообще говоря, произвольные» значения
Fx (/) = CU.. ., Fr (/) = Cr
из некоторой области r-мерного пространства точек С = (С17 . . .
. . ., Сг), то мы будем считать любое явление, которое может иметь
место только при С из множества, имеющего r-мерную лебеговскую
меру нуль, исключительным и подлежащим «пренебрежению».
Я начну обзор конкретных результатов с применения этой идеи
к исследованию динамических систем, фазовое пространство которых
является двумерным тором.
§ 2
О ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ НА ДВУМЕРНОМ ТОРЕ
И НЕКОТОРЫХ КАНОНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ
Как и всюду далее, точки тора Т2 будем считать заданными кру-
круговыми координатами агх, х2 (точка х не меняется при переходе от
ха к ха -\- 2л). Функции Fa, стоящие в правых частях уравнений
и инвариантную плотность М (хг, х2) будем в соответствии с ранее
сказанным считать аналитическими и, кроме того, подчиним усло-
условиям
F\ + Ft > 0, М > 0
A)
ж для простоты условию нормировки тп (Т2) = 1. Введем средние
частоты обращения
%i = ^ F\ (x) dm, K2 = \ F2 (x) dm.
Небольшое усиление результатов Пуанкаре, Данжуа и Кнезера
приводит в нашем случае к выводу, что аналитическим преобразова-
преобразованием координат уравнения движения можно привести к виду
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 321
Хорошо известно, что в случае иррационального отношения
все траектории оказываются всюду плотными, а мера т транзитив-
транзитивной. Кроме того, следуя Маркову [2], легко доказывается, что при
иррациональности у динамическая система строго эргодична, т. е.
содержит одно-единственное эргодическое множество Е, точки ко-
которого имеют собственной мерой меру
цЕ = cm,
где с — константа. Естественное утверждение, что движения на дву-
двумерном торе при условиях A), «вообще говоря», обладают всеми
перечисленными сейчас свойствами, уже является применением упо-
упомянутого принципа пренебрежения случаями, когда некоторая конеч-
конечная система функционалов (в данном случае Кг и К2 ) принимает зна-
значения из некоторого множества меры нуль (в данном случае из мно-
множества точек (A,l7 A,a) с рациональным отношением у).
В заметке [3] мне удалось пойти несколько дальше. Именно
я доказал, что в предположении существования таких с ^> 0 и
h ^> 0, что для всех целых г и s имеет место неравенство
> ch», B)
г - sy
преобразова-
преобразоваC)
уравнения движения можно привести аналитическим
нием координат к виду
dxjdt = Я,1} dx2ldt = k2.
Как известно из теории диофантовых приближений, условие B)
выполнено (при надлежащих с и h) для почти всех иррационально-
стей у- Таким образом, за исключением случаев, когда у «ненормаль-
«ненормально хорошо» приближается дробями rls, аналитическая динамическая
система с интегральным инвариантом на торе Т2 при условиях A)
неизбежно оказывается допускающей только почти периодические и
даже более специально «условно периодические» движения с двумя
независимыми частотами Хг и Я2.
Известно много задач классической механики с двумя степенями
свободы (s = 2, п = 4), в которых из-за наличия двух однозначных
на всем Q4 первых интегралов 1г и /2 четырехмерное многообразие Q4
распадается, за исключением некоторых исключительных многооб-
многообразий не более чем трех измерений, на двумерные многообразия
LciC2 = L2 Aг = Сг, 12 = С2).
Так как в точках покоя выполняются четыре уравнения
дН___дН_ _ дН_ _JH__q
дй\ dq2 дрх др% '
Г'
то в случае аналитической функции Н их множество на Q4 не более
чем счетно. Поэтому на многообразие L2 они могут попасть лишь в ви-
11 А. Н. Колмогоров
322 53. Общая теория динамических систем и классическая механика
де исключения. Отсюда получается вывод, что почти все компактные
многообразия L2 являются именно торами (как ориентируемые ком-
компактные двумерные многообразия, допускающие векторное поле бе»
нулевых векторов).
Задачи классической механики рассматриваемого типа, как из-
известно, всегда интегрируемы. Качественное исследование спе-
специальных задач такого рода (движение под действием силы тяжести
по поверхности вращения, движение по инерции по поверхности
трехосного эллипсоида и т. д., движение точки по плоскости под
действием ньютоновского притяжения двух неподвижных цент-
центров и т. п.) и приводит к большому числу примеров распадения
пространства Q4 в основном на торы Т2 с заполняющими их всюду
плотно обмотками из траекторий условно периодических движений
с двумя независимыми частотами К± и А,2.5Между этими торами, вообще
говоря, лежит всюду плотное множество торов, распадающихся из-за
соизмеримости частот на замкнутые траектории, и, уже дискретным
образом, не более чем трехмерные особые многообразия, на которых,
в частности, помещаются точки покоя и так называемые асимптоти-
асимптотические движения. Рассмотрение таких интегрируемых задач дает
много интересных примеров довольно сложных разложений фазового
пространства Q на эргодические множества и остаток из «нерегуляр-
«нерегулярных точек», которые лежат на траекториях асимптотических движе-
движений 3.
В уже упомянутой моей заметке [3] указывается, что при исклю-
исключительных (не удовлетворяющих условию B)) иррациональных у
действительно имеется ряд новых возможностей, иногда достаточно
неожиданных для аналитических систем (об этом будет сказано да-
далее). Но в упомянутых задачах классической механики эти исклю-
исключительные случаи не появляются по весьма простой причине: пере-
переход к круговым координатам ?х, ?а на торах Г2 и к параметрам этих
торов Си С2 в этих задачах осуществляется преобразованиями при-
прикосновения. Поэтому уравнения сохраняют канонический вид
dt
at
и так как инвариантность торов Т2 получается только в случае
dCJdt = dCJdt = О,
то Я зависит только от С1 и С2, что приводит на каждом торе Т2 без
всяких исключений к уравнениям C) с постоянными Хх и Х.2.
Поэтому реальное значение для классической механики приве-
приведенного мною анализа динамических систем на Т2 зависит от того,
имеются ли достаточно важные примеры канонических систем с дву-
3 В связи с этим замечу, что весьма поучительный качественный анализ за»
дачи о притяжении двумя неподвижными центрами, проведенный в известном
трактате Шарлье, оказался неполным и частично неверным и дважды исправлял-
исправлялся [4, 5].
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 323
мя степенями свободы, не интегрируемых классическими методами,
в которых существенную роль играют инвариантные (по отношению
к преобразованиям S1) двумерные торы.
Чтобы убедиться в том, что такие примеры существуют, рассмот-
рассмотрим, примыкая к проведенному Биркхофом [6] исследованию ок-
окрестности эллиптического периодического движения, систему с кру-
круговыми координатами qu q2 и импульсами рх, р2, для которой
Я (q, p) = W (p).
Уравнения движения имеют вид
dW
?- = 0.
dt дра ' dt
Очевидно, что торы Т\, выделяемые условиями
Рх ==
Рг
инвариантны и на каждом из них происходит условно периодическое
движение
с двумя частотами, зависящими от с. Предположим, что якобиан час-
частот Ха по импульсам ра отличен от нуля:
ФО.
D)
Оказывается, что в этом случае разбиение рассматриваемой области
четырехмерного пространства Q4 на двумерные торы Т2 в основном
устойчиво по отношению к малым изменениям Н вида
Я (q, p,Q) = W(p) + OS (q, p, 6).'
Чтобы получить точную формулировку, рассмотрим область G ^ Q4,
определяемую условием р & В, где В — ограниченная область на
плоскости точек р. В предположении аналитичности функций W
и S и при условии D) можно доказать следующее: для любого е ^> О
существует такое б ^> 0, что при | 6 | < б в динамической системе
dt
вся область G, кроме множества меры меньше е, состоит из инвари-
инвариантных двумерных торов Т2, на каждом из которых в надлежащих
(аналитически зависящих от q, p) круговых координатах движение
определяется уравнениями
11*
324 53. Общая теория динамических систем и классическая механика
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 325
где \ и Л2 на каждом Г2 постоянны, т. е. являются условно периоди-
периодическими с двумя периодами.
Метод доказательства заключается в том, что прослеживается
судьба первоначальных торов Т\ с частотами Ха (с), удовлетворяющи-
удовлетворяющими условию B), при изменении 6 и устанавливается, что каждый та-
такой тор при достаточно малом е не разрушается, а лишь смещается
в Q, сохраняя на себе траектории условно периодических движений
с постоянными частотами Ха.
Вероятно, многие слушатели уже догадались, что дело идет по
существу о некоторой переработке широко дискутировавшейся
в литературе по небесной механике идеи о возможности избежать по-
появления ненормально «малых знаменателей» при расчете возмущен-
возмущенных орбит. Однако в отличие от обычной теории возмущений я полу-
получаю точные результаты, а не вывод о сходимости рядов того или ино-
иного приближения конечного порядка (относительно 0). Это достигает-
достигается благодаря тому, что вместо расчета возмущенного движения при
фиксированных начальных условиях я сами начальные условия ме-
меняю так, чтобы при изменении 6 все время попадать на движения
с нормальными (в смысле условия B)) частотами Ла.
Сделаю еще три замечания по поводу сказанного.
1. Теорема о приводимости движений на Т2 к виду C) может быть
доказана и при условиях достаточно высокого порядка конечнократ-
ной дифференцируемости функций Fan M (естественно, с соответст-
соответствующим ослаблением заключения). Теорема о сохранении торов
в Q4, наоборот, по-видимому, необходимо требует, если не аналитич-
аналитичности W (р) и S (q, р, 6), то существования у этих функций бесконеч-
бесконечного числа производных, подчиненных некоторым ограничениям на
порядок их роста.
2. Предусмотренное во второй теореме исключительное множе-
множество меры < е действительно может оказаться всюду плотным и,
вероятно, положительной меры при сколь угодно малых 6. Это явление
аналогично «зонам неустойчивости», обнаруженным Биркхофом при
исследовании окрестностей эллиптических периодических траекто-
траекторий [6].
3. В качестве одного из специальных случаев, к которым приме-
применимо все сказанное выше, можно указать на движение по инерции по
аналитической поверхности, близкой к трехосному эллипсоиду.
§3
ЯВЛЯЮТСЯ ЛИ, «ВООБЩЕ ГОВОРЯ», ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
НА КОМПАКТНЫХ МНОГООБРАЗИЯХ ТРАНЗИТИВНЫМИ И СЛЕДУЕТ
ЛИ НЕПРЕРЫВНЫЙ СПЕКТР СЧИТАТЬ «ОБЩИМ» СЛУЧАЕМ,
А ДИСКРЕТНЫЙ —«ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫМ»?
Гипотеза о преимущественном значении транзитивного случая
и случая непрерывного спектра (перемешивания) неоднократно
высказывалась в связи с «эргодическими» гипотезами в физике. В при-
применении к каноническим системам обе эти гипотезы естественно от-
относить лишь к Bs — 1)-мерным инвариантным многообразиям
//л*» которые выделяются требованием постоянства энергии
Я = h,
и относить их только к случаю компактных Z/л*, так как на неком-
некомпактных 1$~г в самых простых задачах имеются (и обычно господст-
господствуют по мере) «уходящие» траектории, о которых речь будет идти
далее (в § 4). В случае отказа от первой гипотезы вторую естественно
относить уже не ко всему многообразию Q" (или Lh~ в случае
канонических систем), а к тем эргодическим множествам, на которые
распадается Q" (разрешая, конечно, пренебрегать эргодическими
множествами, сумма которых имеет меру нуль).
В применении к аналитическим каноническим системам на оба
вопроса следует ответить отрицательно, так как теорема об устойчи-
устойчивости разбиения на торы, высказанная нами для систем с двумя
степенями свободы, сохраняется и при любом числе степеней свобо-
свободы. Если в 25-мерном тороидальном слое G фазового пространства Q2S
Я (q, p,Q) = W (p) + QS (q, p, 6),
то при 0 = 0 этот слой очевидным образом распадается на инва-
инвариантные s-мерные торы Тр, на каждом из которых движение услов-
условно периодично с s периодами, причем в случае
на почти всех торах Тр периоды независимы в смысле
(п, К) = ?j naKa =7^ О
а
при любых целых па и поэтому траектории обвивают тор всюду плот-
плотно, s-мерная лебеговская мера на Ts транзитивна и весь тор представ-
представляет собой одно эргодическое множество. Теоремы 1 и 2 моей заметки
[22] утверждают, что в описанной обстановке при малых 0 вся эта
картина изменяется только в том отношении, что некоторые торы,
соответствующие системам частот, для которых выражения (п, X)
убывают с возрастанием
слишком быстро, могут исчезнуть, большинство же торов Тр, со-
сохраняя характер происходящих на них движений, несколько смеща-
смещаются в Q2*, продолжая при малых 0 заполнять G с точностью до мно-
множества малой меры. Таким образом, при малых изменениях Н дина-
динамическая система остается нетранзитивной, а область G с точностью
до остатка малой меры остается распадающейся на эргодические мно-
множества с дискретным спектром (указанной специальной природы).
326
53. Общая теория динамических систем и классическая механика
В связи с этим интересно отметить, что некоторыми физиками
(см., например, [7]) высказывалась как раз гипотеза, что «общим слу-
случаем» канонической динамической системы без уходящих траекторий
является как раз распадение Q28 на s-мерные торы Та, несущие на се-
себе условно периодические движения с s периодами. Идея эта, по-
видимому, основана только на преимущественном внимании к линей-
линейным системам и к ограниченному набору интегрируемых классиче-
классических задач, но во всяком случае следует отметить, что методы доказа-
доказательства приведенной выше теоремы существенно привязаны именно
к расслоению Q28 на торы Т* и неприменимы к расслоению на торы
какой-либо иной размерности r^>s или г < s.
В общем виде указанная сейчас гипотеза вряд ли может быть
поддерживаема, так как весьма вероятно, что при любом s имеются
примеры канонических систем с s степенями свободы и устойчивыми
транзитивностью и перемешиванием на многообразиях /Д*. Я имею
в виду движение по геодезическим на компактных многообразиях
Vs постоянной отрицательной кривизны, т. е. динамические системы
с
Н {<!¦> Р) = S gap (?) PaPfi, A)
O.i
где qa — координаты на компактном многообразии Vs постоянной
отрицательной кривизны, а gag — компоненты метрического тензора
на Vs.
Устойчивость отрицательной кривизны по отношению к малым
изменениям функций gafi (q) не требует пояснений. Затруднения
заключаются лишь в том, что изменение функций gag (q) не являет-
является единственным возможным видом изменений функции Н (q, p),
а транзитивность и перемешивание при s ^> 2 остаются доказанными
лишь для случая постоянной кривизны, в то время как при варьи-
варьировании gag кривизна перестает быть постоянной. Второе затрудне-
затруднение в случае s = 2, для которого транзитивность доказана и при пе-
переменной кривизне, отпадает. Первое же не существует, если огра-
ограничиться функциями Н (q, p) вида
H(q,p)=U(q) + ^gaz{q)PaP» B)
(которыми, собственно говоря, и занимается классическая механика),
так как переходом к новой метрике системы вида B) сводятся к си-
системам вида A).
Если вспомнить то, что было ранее сказано о движении по инер-
инерции по поверхностям, близким к трехосному эллипсоиду, то мы при-
приходим к выводу, что уже в простейших задачах классической механи-
механики приходится считаться как с устойчивыми и поэтому имеющими
право на равное и основное внимание по меньшей мере с двумя рас-
рассмотренными случаями, из которых один связан с транзитивностью
на многообразиях постоянной энергии и непрерывным спектром, а
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 327
другой — с отсутствием транзитивности и по преимуществу дискрет-
дискретным спектром.
Аналогичных результатов об устойчивости того или иного общего
типа поведения неканонических динамических систем с интеграль-
интегральным инвариантом и компактным Q" мне неизвестно.
НЕКОТОРЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ О НЕКОМПАКТНОМ СЛУЧАЕ
Особенностью некомпактного случая является возможность су-
существования траекторий, уходящих при t —>- оо или при t —*- —оо
из всякой компактной части Q. Я изложу здесь некоторые общие
положения эргодической теории, пригодные для любых непрерыв-
непрерывных потоков S' в локально компактных пространствах Q. Так как
односторонний уход в бесконечность возможен лишь для траекторий,
образующих множество меры нуль, то сразу определяют уходящую
точку х требованием существования для любого компакта К такого
Т, что все точки S'x с | 11 ]> Т лежат вне К. Через Q" обозначим мно-
множество всех уходящих точек. Для целей детального анализа конк-
конкретных классических динамических систем целесообразно строить
«индивидуальную эргодическую теорию» не в чисто метрическом ва-
варианте, изложенном в книге Хопфа [91, а следуя более ранним рабо-
работам Хопфа и Степанова [10, 11], а в некоторых пунктах непосредст-
непосредственно следуя изложению мемуара Крылова и Боголюбова [12], хотя
в нем имеется в виду компактный случай.
При таком изложении основным остается, как и в компактном слу-
случае, понятие регулярной точки. Так называется точка х, если для
нее существует инвариантная мера (х, обладающая следующими
свойствами:
1. (л (Q — 1Х) = 0, где 1Х — замыкание траектории, проходящей
через х.
2. (л (Vy) > 0 для любой окрестности Vy точки у GE 1Х-
3. Для любых двух отличных от нуля лишь на компактных мно-
множествах непрерывных функций / (х) и g (x)
lim 4г
g (Slx) dt
если только
4» Мера (х транзитивна.
?28 53. Общая теория динамических систем и классическая механика
Так как отсутствует требование нормировки, то мера ц определя-
определяется точкой лишь с точностью до постоянного множителя. Тем не
менее мы ее будем обозначать \хх и называть «индивидуальной ме-
мерой» точки х. Из-за этого в определение эргодических множеств вво-
вводится небольшое изменение: две точки х и х' относятся к одному
эргодпческому множеству, если их индивидуальные меры совпадают
в смысле совпадения с точностью до постоянного множителя. Таким
образом, все множество Q' регулярных точек представляется в виде
суммы эргодических множеств
Q' = Ее.
Меры |АЕ, естественно, теперь тоже определяются эргодическим
множеством лишь с точностью до постоянного множителя.
Индивидуальная эргодическая теорема утверждает, что
Q = Q' + Q" + N, где К (N) = О
в любой инвариантной мере X. Для нас существенно, впрочем, глав-
главным образом лишь то, что всегда
т (N) = 0.
Любая транзитивная инвариантная мера |а является или мерой
уе некоторого эргодического множества е, или имеет вид
^Х (А) = V; (А П /),
где Vi — «временная» мера на уходящей траектории /. В отличие
от второго тривиального случая естественно меры первого типа на-
называть эргодическими, так как им соответствует множество е^ с
IS = М-
Те соображения, которые в случае компактного Q можно привести
в пользу мнения, что «общего вида» компактная динамическая си-
система транзитивна, в применении к некомпактным динамическим си-
системам приводят к гипотезе, что, «вообще говоря», имеет место один
из двух случаев: или система диссипативна (т. е. почти все ее точки
уходящие), или мера т эргодична (очевидно, что во втором случае
уходящие точки образуют лишь множество меры нуль).
Иногда эту гипотезу применяют и к отдельным классическим за-
задачам в такой форме: если у данной задачи имеется некоторое число
первых интегралов и нет основания ожидать открытия новых, то счи-
считают правдоподобным, что на многообразиях, определяемых указа-
указанием значений известных первых интегралов, имеет место транзи-
транзитивность. В подтверждение такой практики можно привести то заме-
замечание, что, по исследованиям Хедлунда и Хопфа, эта альтернатива
всегда имеет место для движений по геодезическим постоянной от-
отрицательной кривизны.
Если заведомо известно, что существует множество положитель-
положительной меры из уходящих точек, то в соответствии со сказанным возни-
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 329
кает гипотеза о том, что система диссипативна. По-видимому, на та-
такого рода соображениях основано предположение Биркгофа о дис-
сипативном характере задачи трех тел.
Однако представляется вероятным, что указанными в [22] метода-
методами для канонических систем можно построить примеры устойчивого
одновременного нахождения в Q2* диссипативной части положитель-
положительной меры и положительной области G, заполненной в основном s-мер-
ными инвариантными торами.
Замечу, что из более элементарных вопросов специалисты по ка-
качественной теории дифференциальных уравнений мало занимаются
конкретными задачами об уходящих траекториях различных спе-
специальных типов. Ярким примером этого является то обстоятельство,
что опровержение утверждений Шази о невозможности «обмена»
и «захвата» в задаче трех тел [17, 18] было сначала достигнуто тя-
тяжелым (и без точных оценок ошибок логически неубедительным!)
путем численного интегрирования (Беккер [19], Шмидт [20]) и лишь
недавно пример «захвата» был построен Ситниковым весьма просто
и почти без вычислений [21].
§ 5
ТРАНЗИТИВНЫЕ МЕРЫ, СПЕКТРЫ И СОБСТВЕННЫЕ ФУНКЦИИ
АНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Назовем меру (л в Q" аналитической, если она может быть задана
в виде
где Vk — некоторое локально замкнутое в Q™ аналитическое много-
многообразие какого-либо числа измерений к <^ п, а функция / от коор-
координат la на Vk (зависящих аналитически от координат ха в Q")
аналитическая.
Многообразие V* однозначно определяется мерой \х (если она не
тождественный нуль). Число к поэтому может быть названо и раз-
размерностью меры (х.
Нас будут специально интересовать транзитивные меры. В этом
случае многообразие Vй должно быть инвариантным. Инвариантные
многообразия одной и той же размерности не пересекаются, а разной
размерности могут только целиком включаться одно в другое (мень-
(меньшей размерности в большую). Каждое инвариантное многообразие
несет на себе не более одной транзитивной меры. В силу сказанного
система аналитических транзитивных мер имеет сравнительно обоз-
обозримую структуру.
До последнего времени в аналитических системах были известны
только аналитические транзитивные меры. Лишь недавно Грабарь
[13] построил аналитический аналог примера Маркова (аналитиче-
(аналитическую неприводимую, но не строго эргодическую динамическую си-
330 S3. Общая теория динамических систем и классическая механика
стему) и тем самым дал пример неаналитической транзитивной меры
в аналитической системе. Возможно, однако, что сумма всех неана-
неаналитических эргодических множеств всегда пренебрегаема в смысле
основной меры т.
Эргодические множества однозначно определяются своими мера-
мерами {i?, которые по самому определению транзитивны.
Что касается эргодических множеств, соответствующих аналити-
аналитическим транзитивным мерам (не сводящимся к мере це одной траек-
траектории), то заметим только, что в случае аналитичности меры цЕ
эргодическое множество лежит на носителе Vs меры \ie, будучи на
нем всюду плотным, но уже в некоторых простых классических при-
примерах разность Vr — е может быть тоже всюду плотной на Vr.
Спектральные свойства транзитивных мер на аналитических си-
системах мало изучены.
Дискретные спектры пока получены только с конечным базисом
независимых частот
Кг, К2, . . ., Я,|.,
причем для аналитических мер число независимых частот совпадает
во всех известных случаях с размерностью.
Непрерывный спектр полностью определен лишь недавно Гель-
фандом и Фоминым [14,15] для некоторых случаев движений по гео-
геодезическим на поверхностях постоянной отрицательной кривизны.
В этих случаях он оказался счетнократным лебеговским.
Не исключена возможность, что только эти случаи (дискретный
спектр с конечным числом независимых частот и счетнократный ле-
беговский) являются возможными для аналитических транзитивных
мер или что только они являются в том или ином смысле общими,
типичными случаями.
Для неаналитических транзитивных мер представляется более
вероятным их совершенно произвольное строение. Это было бы не-
несомненным, если бы был установлен аналитический аналог теоремы
Какутани [16] об изометрическом вложении произвольного потока
в поток непрерывной динамической системы.
По поводу собственных функций остановимся только на примере
аналитической динамической системы на двумерном торе Г2 с дис-
дискретным спектром и всюду разрывными собственными функциями.
Правда, пример этот, связанный с ненормально хорошо приближае-
приближаемым рациональными дробями rls отношением у = Кг/к2 средних час-
частот, по самому своему происхождению указывает скорее на то, что
мы имеем дело не с типичным, а исключительным явлением.
Чтобы выяснить вопрос подробнее, рассмотрим вновь уравнения
движения по двумерному тору, введя в них параметре, изменяющий-
изменяющийся в каких-либо пределах [6^ 621:
dxjdt = Fa (хх, х2, 6).
53. Общая теория динамических систем и классическая механика 331
Будем предполагать функции Fa (ж1? х2, 6) аналитическими. Очевид-
Очевидно, что аналитически зависеть от 6 будет и отношение средних частот
у F). Если у F) непостоянно, то множество R тех 0, для которых си-
систему можно преобразовать аналитически к виду
dlJdt = К,
будет занимать почти весь отрезок [6Х, 62]. Собственные функции
при возвращении к первоначальным координатам хи х2 будут для
6 ЕЕ R аналитическими функциями от хх и х2. Но, вообще говоря,
даже на R они будут на этом множестве по 6 всюду разрывными, при-
причем эту разрывность нельзя будет уничтожать выкидыванием из R
множества меры нуль. Эти обстоятельства значительно существеннее,
чем то, что ц>тп (arl7 x2, 6) можно определить и в некоторых точках
остаточного множества [6Х, 62] — R меры нуль за счет допущения
их неаналитичности и разрывности по хг и х2.
Возможно, что зависимость cpmrj (arl7 x2, 6) от параметра 6 на R
относится к классу функций типа моногенных функций Бореля [24]
и допускает, несмотря на всюду разрывный характер, исследование
надлежащими аналитическими средствами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я буду считать свою цель достигнутой, если мне удалось убедить
слушателей в том, что, несмотря на большие трудности и ограничен-
ограниченный характер уже полученных результатов, поставленная задача
использования общих понятий современной эргодической теории для
анализа качественного характера движения в аналитических и спе-
специально канонических динамических системах заслуживает боль-
большого внимания исследователей, способных охватить те многообраз-
многообразные связи, которые здесь обнаруживаются с самыми различными от-
отделами математики. В заключение мне хочется поблагодарить орга-
организационный комитет Конгресса за предоставленную мне возможность
прочесть этот доклад и за любезную помощь в размножении кон-
конспекта с формулами и литературными ссылками, а всех собравшихся
за внимание, оказанное мне в этот последний день наших занятий,
когда все уже и без того перенасыщены огромным материалом докла-
докладов предшествующих дней.
ЛИТЕРАТУРА
1. Neumann J. Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Berlin, 1932,
2. Марков А. А. Почти периодичность и гармонизируемость.— В кн.: Трудн
второго Всесоюз. математического съезда Л.; М.: Изд-во АН СССР, 1935
т. 2, с. 227-231.
3. Колмогоров А. И. О динамических системах с интегральным инвариантом
на торе.— ДАН СССР, 1953, т. 93, «Ns 5, с. 763—766.
332 53. Общая теория динамических систем и классическая механика
4. Tallqvist H. J. Ober die Bewegung eines Punktes, welcher von zwei festen
Zentren nach dem Newtonschen Gesetze angezogen wird.— Acta Soc. sci.
fenn. A, NS, 1927, vol. 1, N 5.
5. Бадалян Г. К. О форме траекторий в проблеме двух неподвижных цент-
центров.— В кн.: Труды второго Всесоюз. математического съезда. М.: Изд-во
АН СССР, 1935, т. 2, с. 239—241.
6. Birkhoff G. D. Dynamical systems. New York, 1927. Рус. пер.: Бирк-
гоф Дж. Д. Динамические системы. М.: Гостехтеориздат, 1941.
7. Ландау Л., Пятигорский Л. Механика. М.; Л.: Гостехиздат.
8. Hopf Е. Statistik der geodatischen Linien in Mannigfaltigkeiten negativer
Kriimmimg.— Ber. Verh. Sachs. Akad. Wiss. Leipzig, 1939, Bd. 91, N 3,
S. 261—304. Рус. пер.: Хопф 9. Статистика геодезических линий на много-
многообразиях отрицательной кривизны.— УМН, 1949, т. 4, вып. 2, с. 129—170.
9. Hopf E. Ergodentheorie. Berlin: Springer, 1937. Рус. пер.: Хопф 9. Эргоди-
ческая теория.— УМН, 1949, т. 4, вып. 1, с. 113—182.
10. Hopf E. Zwei Satze iiber den wahrscheinlichen Verlauf der Bewegungen dy-
namischer Systeme.— Math. Ann., 1930, Bd. 103, S. 710—719.
11. Stepanoff W. Sur une extension du theoreme ergodique.— Сотр. math., 1936,
N 1, p. 239.
12. Kryloff /V., Bogoliouboff N. La theorie generate de la mesure dans son ap-
application a l'etude des" systemes dynamiques de la mecanique non lineaire.—
Ann. Math., 1937, vol. 38, p. 65—113.
13. Грабарь М. И. О строгой эргодичности динамических систем.— ДАН СССР,
1954, т. 95, № 1, с. 9—12.
14. Гелъфанд И. М., Фомин С. В. Унитарные представления групп Ли и по-
потоки геодезических на поверхностях постоянной отрицательной кривиз-
кривизны.— ДАН СССР, 1951, т. 76, с. 771—774.
15. Гелъфанд И. М., Фомин С. В. Геодезические потоки на многообразиях
постоянной отрицательной кривизны.— УМН, 1952, т. 7, вып. 1, с. 118—
137.
16. Kakutani S. Representation of measurable flow in euclidean 3-space.— Proc.
Nat. Acad. Sci. USA, 1942, vol. 28, N 1, p. 16—21.
17. Chazy I. Sur failure finale du mouvement dans le probleme des trois corps.—
J. Math., 1929, vol. 8, p. 353—380.
18. Chazy I. Sur Г allure finale du mouvement dans le probleme des trois corps.—
Bull. Astron., 1952, vol. 8, p. 403—436.
19. Bekker L. On capture orbits.— Mon. Notic. Roy. Astron. Soc, 1920, vol. 80,
N 6, p. 590—597.
20. Шмидт О. Ю. О возможности захвата в небесной механике.— ДАН СССР,
1947, т. 58, № 2, с. 213—216.
21. Ситников К. А. О возможности захвата в задаче трех тел.— Мат. сб., 1953,
т. 32, № 3, с. 693—705.
22. Колмогоров А. И. О сохранении условно периодических движений при
малом изменении функции Гамильтона.— ДАН СССР, 1954, т. 98, N° 4,
с. 527—530.
23. Kakutani S. Ergodic theory.— In: Proc. Intern. Congress Math., 1950, vol. 2,
p. 128-142,
24. Borel E. Lecons sur les fonctions monogenes uniformes d'une variable comple-
xe. Paris, 1917.
54. О приближенном и точном представлении функций
333
54
НЕКОТОРЫЕ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ПРИБЛИЖЕННОГО И ТОЧНОГО
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ФУНКЦИЙ
ОДНОГО И НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ*
1. Вопрос о трудности указания с точностью до е функции /
из некоторого класса F может рассматриваться с точки зрения содер-
содержащегося в таком указании «количества информации». Естественной
характеристикой класса F с этой точки зрения является функция
1% (е) = log N$ (г),
где N^ (e) есть минимальное число точек в е-сети на F. В докладе
собраны опубликованные ранее и полученные вновь оценки роста
функции 1% (г) при е ->- 0 для некоторых классов аналитических
функций и функций, обладающих заданным числом производных.
Дальнейшее развитие подобных исследований представляется
существенным, в частности, с точки зрения выработки правильных
представлений о принципиальных возможностях различных употре-
употребительных в вычислительной математике способов приближенного
задания функций, их введения в машины и сохранения в памяти
машин.
При оценке пропускной способности каналов связи, передающих
сигналы в виде непрерывных функций времени, принадлежащих
классу F, естественно возникает вопрос о максимальном числе ^(е)
«хорошо отличимых сигналов», т. е. функций класса F, находящихся
в надлежащей метрике попарно на расстоянии ^>е. Асимптотическое
поведение функции Np (г) в рассмотренных случаях вполне аналогич-
аналогично асимптотическому поведению функции Nf (e). Достаточно далеко
продвинутое исследование асимптотического поведения
П (е) = log N% (e),
по-видимому, может привести к выяснению некоторых трудных во-
вопросов теории передачи информации по каналам связи (например,
вопроса о реальном содержании так называемой теоремы Котель-
никова) даже без обращения к понятиям теории вероятностей.
2. Вторая часть доклада посвящена ряду специальных задач
приближенного и точного представлений функций нескольких пере-
переменных при помощи различного вида формул, в которые входят лишь
произвольные функции меньшего числа переменных. Одной из таких
проблем является проблема приближения функций двух переменных
* В кн.: Труды III Всесоюз. мат. съезда. М.:|Изд-во МГУ, 1956, т. 2, с. 28—.
29.
334
54. О приближенном и точном представлении функций
55. О представлении непрерывных функций суперпозициями
335
«номографируемыми» функциями, т. е. функциями
Z = ф (х, у),
которые могут быть заданы соотношением
а (х) Ъ (х) 1
с (у) d(y) 1 =0.
e(z) f(z) 1
Описаны различные возможные подходы к такого рода задачам
и систематизированы полученные разными авторами результаты.
В виде примера скрывающихся здесь даже в простейших задачах
неожиданностей можно привести два недавних результата В. И. Ар-
Арнольда, относящихся к представлению функций двух переменных
функциями вида
X (Ф (*) + if (У))
A)
с непрерывными %, ц> и г|з. Пусть
Е (f) = inf sup \f(x,y) — % (ф (ж) +
Х- Ф. * ж, У
(у))
В. И. Арнольд доказывает, что существуют: а) непрерывные функ-
функции с Е (/) ^> 0; б) непрерывные функции с Е (/) = 0, но тем не ме-
менее не представимые в виде A).
3. К специальным задачам из п. 2 примыкает выдвинутая Гиль-
Гильбертом проблема существования функций нескольких переменных,
не представимых никакими конечными, хотя бы и сколь угодно
сложными суперпозициями непрерывных функций меньшего числа
переменных. В применении к функциям четырех переменных полу-
получен неожиданный результат: любая непрерывная функция четырех
переменных представима в виде
/ (Xi, Х2, Х3, Хц) — 2 Хг (xi< Фг (ЯЪ Х2, Х3), % (Х1г Х2, Хз)).,
где функции %г, фг и \рг непрерывны. Возможно ли представление про-
произвольной функции трех переменных в виде суперпозиции конечного
числа непрерывных функций двух переменных — неизвестно (если
бы такая возможность была доказана, то это означало бы полное ре-
решение так называемой 13-й проблемы Гильберта). Доказано лишь,
что любая непрерывная функция трех переменных / (xv х2, х3) мо-
может быть с любой точностью аппроксимирована функцией вида
Г=2
х2, х3) = 23 6г (хз, Хг (фг
1
2
г=1
), % (х3,
где функции 6Г, %г, фг и г|\. непрерывны.
Остается неизвестным положение в случае, если на входящие
в суперпозиции функции наложить ограничения характера сущест-
существования у них заданного числа производных. А. Г. Витушкиным было
доказано существование лишь таких функций, что при их пред-
представлении суперпозициями функций меньшего числа переменных про-
происходит неизбежная потеря степени их гладкости. Результаты
А. Г. Витушкина нашли прозрачное объяснение с точки зрения оце-
оценок роста функций iVf- (e), которым посвящена первая часть доклада.
55
О ПРЕДСТАВЛЕНИИ
НЕПРЕРЫВНЫХ ФУНКЦИЙ
НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
СУПЕРПОЗИЦИЯМИ
НЕПРЕРЫВНЫХ ФУНКЦИЙ
МЕНЬШЕГО ЧИСЛА ПЕРЕМЕННЫХ*
Из сообщаемой далее теоремы 3 вытекает такое несколько неожи-
неожиданное следствие: любая непрерывная функция сколь угодно большого
числа переменных представима в виде конечной суперпозиции непре-
непрерывных функций не более чем трех переменных. Для произвольной
функции четырех переменных такое представление имеет вид
4
, х2, х3), gr2 (хи хг
/ (хи х2, х3, х^ = 21 йг [^
Вопрос о возможности представления любой непрерывной функ-
функции трех переменных в виде суперпозиции непрерывных функций
двух переменных остается открытым. Доказательство возможности
такого представления обозначало бы полное решение 13-й проблемы
Гильберта [1] в смысле опровержения высказанной Гильбертом ги-
гипотезы. Теорема 2 показывает лишь, что представление любой не-
непрерывной функции трех переменных в виде суперпозиции непрерыв-
непрерывных функций двух переменных становится заведомо возможным, если
в качестве вспомогательных переменных допустить переменные,
пробегающие одномерное образование, несколько более сложное, чем
отрезок числовой прямой, а именно: универсальное дерево (деревом
называется локально связный континуум, не содержащий в себе
гомеоморфного образа окружности; как показал Менгер [2], сущест-
существует универсальное дерево S, содержащее в себе гомеоморфные об-
образы всех деревьев).
В дальнейшем к, т, п, г — натуральные числа; а, Ъ, с, С, d, M,
i?, х, у, и, v, /, F, g, h, е, б, р — действительные числа; |, ф, г|) —
* ДАН СССР, 1956, т. 108, № 2, с. 179—182.
336
55. О представлении непрерывных функций суперпозициями
элементы деревьев; Еп— единичный и-мерный куб; 0<^жг<^1;
i = 1, .... п.
Теорема 1. а) При любом п > 2 существуют такие заданные
на Еп непрерывные функции
<р\ . . ., ф"+1
со значениями из универсального дерева В, что любая непрерывная
заданная на Еп действительная функция f представила в виде
п+1
,хп)= 2j Щ
хп)],
где действительные функции hTf (?) определены и непрерывны на 3.
б) При этом функции hrf могут быть выбраны так, что они бу-
будут непрерывно зависеть от f в смысле топологии равномерной схо-
сходимости в пространствах непрерывных функций на Еп и на Е.
Из теоремы 1 почти непосредственно вытекает
Теорема 2. При любом п > 3 существуют такие заданные
на Е*1 непрерывные функции
Ф1
Ф1
ф"
со значениями из Н, что любая непрерывная заданная на Еп функция
f представима в виде
г=1
х„, фг (xi,..., хп.х)],
где действительные функции ? (х, |) определены и непрерывны на
произведении Е1 X S.
Универсальное дерево S можно (см. [2]) считать реализованным
в виде континуума, расположенного в единичном квадрате Е2. Обо-
Обозначая через gl и gl координаты точки фг, получаем в виде непосред-
непосредственного следствия теоремы 2 предложение:
Теорема 3. При любом п J> 3 существуют такие заданные
на Е71'1 непрерывные действительные функции
gl,
что любая непрерывная заданная^на Е4 функция f представима в виде
п
/ (ХЪ ...,Хп)=У}? [х„, gl (ХЪ ..., arn_i), gl (Zi, . . . , Жп-i)],
l
где функции hr заданы и непрерывны на Es.
Теорема 3 при п = 3 тривиальна; реальный интерес она имеет
лишь при в^4.
Остается указать вкратце путь доказательства теоремы 1. Исход-
Исходным пунктом этого доказательства является следующая лемма.
55. О представлении непрерывных функций суперпозициями
337
Основная лемма. При любом п ^ 2 на Е71 можно опре-
определить систему функций
Щ(т \X-li • • ч Хп)
с индексами г, к, т, пробегающими значения в пределах
1<г<п+1, 1</с<схз, 1 < т < тк,
которая обладает следующими свойствами:
2) ulm ф О лишь на множестве Glm диаметра dk, где dk -> О
при к ->- оо;
3) два множества Glm и G\m- с общими индексами гик при
т' Ф т не пересекаются;
4) при любом к в каждой точке Р 6Е Еп
г=1 т=1
3(9е с и С не зависят от к;
5) функция и$т постоянна на каждом G\'m> с тем же индексом,
г при к' ^> к и произвольном т'.
Построение системы функций ulm не может быть изложено в рам-
рамках этой заметки. Далее эта система функций предполагается задан-
заданной.
Лемма 1. а) Любая непрерывная заданная на Е функция /
может быть представлена в виде
ОО Г7+1 тК
2 S 2i
k—l r=l m=l
A)
где коэффициенты а\т (/) не зависят от Р.
б) Коэффициенты а\т (/) могут быть выбраны в виде непрерыв-
непрерывных функционалов от f и притом так, что на каждом семействе %
равномерно ограниченных и равностепенно непрерывных функций f
оо
\a\m(i)\<a{%), SM?)<oo.
Доказательство леммы 1 основано на свойствах 1), 2)
и 4) системы щт и начинается с оценки остаточного члена R в пред-
представлении
+1 к
=S S brmulm(P) + R,
r—l m—1
338
55. О представлении непрерывных функций суперпозициями
где
а Рът — произвольные точки, принадлежащие соответствующим
множествам G?m. Легко показать, что при надлежащем выборе коэф-
коэффициентов Ъгт
\R |<(|1_С/С| +8к)М,
где
= sup
= sup \f(P)-f(P')\.
Полное доказательство леммы 1 выходит за рамки этой заметки.
Запишем теперь разложение A) в виде
п+1
r=i
m=l
B)
Из свойств 2), 3) и 5) системы ulm легко выводится следующее
свойство функций f.
Лемма 2. Функция fr (P) постоянна на каждой компоненте
любого множества уровня функции
=1 m=l
Заметим теперь, что, как было показано А. С. Кронродом [31,
компоненты множеств уровня любой непрерывной функции в некото-
некоторой естественной топологии образуют дерево. Дерево компонент
множеств уровня функции FT обозначим через Sr, а эти деревья
Е1, . . ., Sn+1 отобразим гомеоморфизмами
на попарно не пересекающиеся подмножества универсального дере-
дерева S. Положим
ф' (Р) = tr (Г),
если Р ЕЕ V ЕЕ Sr, и определим на S непрерывные функции hr (|)
так, чтобы для | ЕЕ Sr
^г (I) = У> если f (Р) = г/ при Р ЕЕ г^г1 (!)•
Легко проверить, что
Г (Р) = и w (РI C)
55. О представлении непрерывных функций суперпозициями
339
Формулы B) и C) и приводят нас к доказательству утверждения
а) теоремы 1. Утверждение б) теоремы 1 доказывается на основе ут-
утверждения б) леммы 1.
В заключение отметим еще без доказательства следующее пред-
предложение.
Теорема 4. При любых и>2ме>0 для каждой функции f,
заданной и непрерывной на Е™, существуют такие многочлены
Ъ {их, . . ., un-j), ar (х), сг (х); г = 1, . . ., п + 1,
что во всех точках Р ЕЕ -Е™
| / (Р) - / (Р) | < е,
где
f (хъ ...,хп)— 2 аг (хп) Ъ [cr (xn) + X!,...,cr (xn)
r=l,2
D)
В случае п = 3, положив
d (и, v) = и + v, gT (ar, у) = аг {х) у, hr (х, х') = сг (х) + х',
получим из D)
= d (gx {x3, b [hx (x3, xx), hx {x3, аг
g2 {х3, Ъ [fe2 (хз, xi), К (хз, х
E)
В силу теоремы 4 любая непрерывная функция трех переменных
аппроксимируется с любой точностью выражением вида E), где d,
gt, b и hr — многочлены от двух переменных. Это замечание тоже осве-
освещает с несколько новой стороны круг задач, примыкающий к 13-й
проблеме Гильберта.
5 мая 1956 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hilbert D. Gesammelte Abhandlungen. Berlin, 1935, Bd. 3, N 17. Рус. пер.
Проблемы Гильберта/Под ред. П. С. Александрова. М.: Наука, 1969.
2. Menger К. Kurventheorie. Berlin; Leipzig, 1932. Кар. 10, § 6.
3. Кронрод А. С— УМН, 1950, т. 5, вып. 1, с. 24—134.
340 56. О представлении непрерывных функций в виде суперпозиций
56
О ПРЕДСТАВЛЕНИИ
НЕПРЕРЫВНЫХ ФУНКЦИЙ
НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ В ВИДЕ
СУПЕРПОЗИЦИЙ НЕПРЕРЫВНЫХ ФУНКЦИЙ
ОДНОГО ПЕРЕМЕННОГО И СЛОЖЕНИЯ*
Целью заметки является краткое изложение доказательства сле-
следующей теоремы:
Теорема. При любом целом п J? 2 существуют такие опре-
определенные на единичном отрезке Е1 = [0; 1] непрерывные действитель-
действительные функции г|)Р- q (х), что каждая определенная на п-мерном единич-
единичном кубе Еп непрерывная действительная функция f (хг, . . ., хп)
представима в виде
p=l
где функции %5 (у) действительны и непрерывны.
При п = 3, положив
фд fo, *а) = V (*i) + Ч>" (*«), К (у, Х3) =
получаем из A)
7
/ (хи хо, х3) = S К [фд (xi, хг), х3],
4=1
(Х3)\,
B)
что является небольшим усилением результата В. И. Арнольда [2],
который показал, что любая непрерывная функция трех переменных
представима в виде суммы девяти слагаемых того же вида, как сла-
слагаемые, входящие в формулу B) в числе семи. Результаты моей за-
заметки [1] не вытекают из сообщаемой сейчас новой теоремы в их точ-
точных формулировках, но принципиальное их содержание (в смысле
возможности представления функций нескольких переменных супер-
суперпозициями функций меньшего числа переменных и их приближения
суперпозициями фиксированного вида из многочленов от одного пе-
переменного и сложения) очевидным образом содержится в новой тео-
теореме. Метод доказательства новой теоремы элементарнее методов ра-
работ [1, 2] и сводится к прямым конструкциям и подсчетам. Исчезла,
в частности, необходимость употребления деревьев из компонент ли-
линий уровня. Фактически, однако, конструкции, употребленные в
этой заметке, были найдены путем анализа конструкций, употреб-
употреблявшихся в [1, 2], и отбрасывания в них деталей, излишних для по-
получения конечного результата.
* ДАН СССР, 1957, т. 114, № 5, с. 953—956.
56. О представлении непрерывных функций в'виде суперпозиций 341
§ 1
ПОСТРОЕНИЕ ФУНКЦИЙ ЦРЧ
Индексы р, q, k, i всюду далее пробегают целые значения
1<р<п, 1<?<2п + 1, к = 1, 2, . . ., 1 <;<
<?rij. = (9n)* + 1.
При суммировании и перемножении в этих пределах пределы не обо-
обозначаются.
Рассмотрим сегменты
At \ \
Сегменты А\-г имеют длину —=-A ^-), а при фиксированных
(9n)K \ 6n I
к и q получаются один из другого при переходе от i к i' = i + 1
1
с помощью сдвига вправо на расстояние -. , т. е. расположены не
(9и)л ^
только без перекрытий, но с промежутками длины
Зп (9ге
с точ-
(
ностью же до наличия этих промежутков покрывают весь единичный
отрезок Е1. В соответствии с этим кубики
с ребрами длины г при фиксированных к и q покрывают единич-
(9п)к
ный куб Е" с точностью до разделяющих их щелей ширины =-.
Зге (9ге)к
Легко проверяется следующая
Лемма 1. Система всех кубиков S^i .. лп с постоянным к
и переменными q и ix, . . ., in покрывает единичный куб Е4 так, что
каждая точка из Еп оказывается покрытой не менее п + 1 раз.
При помощи индукции по к может быть доказана следующая
Лемма 2. Можно подобрать константы А$д и гк так, что
будут выполнены условия:
2) ^i^^+j^'^^sfi + Eft — es+1, если сегменты ^i в 4i,i'
пересекаются;
3) сегменты Af,,,...{ =[S^it?i ;S^M + ШЛ при фиксированных
к и q попарно не пересекаются.
Легко заметить, что из 1) и 3) вытекает
4) Eft < 1/2*.
342
56. О представлении непрерывных функций в виде суперпозиций
На основе указанных ранее свойств сегментов A%,i и свойств 1)г
2) и 4) констант Я^ и efc без большого труда доказывается следующая
Лемма 3. При фиксированных р и q требования
5) Я^<г|)р9 (х) ^ Kxji + efc при гари г е Л?,{ однозначно-
определяют на Е1 непрерывную функцию г|)р9.
Замечание. Легко видеть, что по построению функции г|/'у
оказываются монотонно возрастающими. Это их свойство могло бы
быть включено в формулировку нашей теоремы.
Из 5) и 3) вытекает
6) Sf'WeAf,;,...^ при (si,..., *n)?E«SiU...V
ПОСТРОЕНИЕ ФУНКЦИЙ xq
Установив существование функций typq и констант Я?д и ек, об-
обладающих свойствами 1) — 6), переходим к доказательству основ-
основной теоремы. Искомые функции %Q (у) будут построены в виде
где 5?о = 0, а %? для г ^> 0 будут определены с помощью индукции
по г одновременно с натуральными kr.
Мы будем при этом употреблять обозначения
C)
= sup |/ —
Очевидно, что
/0 = 0,
= sup
En
| /
Допустим, что непрерывные функции %j?_i и номер /сг_х уже оп-
определены. Тем самым определена на Е" и непрерывная функция fr~i-
Так как диаметры кубиков 5?,^... j при /с -> оо стремятся к нулю,
то можно выбрать /с,, столь большим, чтобы колебание разности
/—fr-i на любом S'l t i _ j не превосходило ^——^ Af r_i.
Пусть l^i — произвольные точки из соответствующих сегмен-
сегментов A%t\. На сегменте Д?^ ... { положим
X? B/) = X?-! B/)
y [f (Ц v
ij-fr-i (Ш, г,,
E)
ff. О представлении непрерывных функций в виде суперпозиций 343
Очевидно, что фиксированные таким образом значения функции
подчинены неравенству
F)
Вне сегментов Д!?,^..,^ доопределим функцию %? произвольно,
но с соблюдением этого же неравенства F) и непрерывности.
Оценим теперь / — /г в произвольной точке (хх, . . ., хп) из ?**.
Очевидно, что
/(a-l7 . . . , Хп) — fT(xx, ..., Xn) = f(X!, . . . ,Хп) — fr-xiXt, ...,Хп) —
- S Ы [S *м К)] - x?Li [S fР9 (*р)]} • G)
g р Р
Сумму 21 в G) представим в виде Б'[+ S", где сумма 2' распрост-
ранена на'; некоторые п + 1 значений?, для которых точка (а^, . . .
. . ., хп)] входит в какой-либо из кубиков 5?, ^...t (такие существуют
по лемме 1), а сумма 2" распространена на остающиеся п значения q.
Для каждого слагаемого из 2' получаем в силу E)
= в+1 [/ (*1, • • • , *п) — /г-1 (XI, ...,«„)
где
(9)
Слагаемые из Б" оцениваются при помощи F). Из E) вместе с (8),
(9) и F) получаем
\f~fr\ =
2п
A0)
Так как неравенство A0) справедливо в любой точке (хи . . .
., Хп) <= Е", то
Wo- (И)
Из F) и A1) вытекает, что разности %? — %?-i не превосходят по
344 57. О линейной размерности топологических пространств
абсолютной величине соответствующих членов абсолютно сходяще-
сходящегося ряда
57. О линейной размерности топологических пространств
345
Поэтому функции %г при г -> оо равномерно сходятся к непрерыв-
непрерывным предельным функциям %9.
Из соотношений C) и D) и оценки A1) предельным переходом при
г ->- оо получаем равенство A), чем и заканчивается доказательство
теоремы.
20 июня 1957 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колмогоров А. Н. О представлении непрерывных функций нескольких пе-
переменных суперпозициями непрерывных функций меньшего числа перемен-
переменных.— ДАН СССР, 1956, т. 108, № 2, с. 179—182.
2. Арнольд В. И. О представлении непрерывных функций трех переменных
суперпозициями непрерывных функций двух переменных.— ДАН СССР,
1957, т. 114, № 4, с. 679—681.
57
О ЛИНЕЙНОЙ РАЗМЕРНОСТИ
ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ВЕКТОРНЫХ
ПРОСТРАНСТВ *
Два топологических векторных пространства Е и Е' называются
изоморфными, если между ними можно установить взаимно одно-
однозначное линейное и в обе стороны непрерывное соответствие.
¦ Хорошо известно, что все топологические векторные пространст-
пространства одной и той же конечной размерности п изоморфны между собой.
В этом тривиальном случае размерность пространства d (E) удовлет-
удовлетворяет требованиям:
а) если Е изоморфно замкнутому линейному подпространству
пространства ?", то d (E) «^ d {E')\
б) если Е' линейно и непрерывно отображается на Е, то d (E) <Z
Банах в гл. XII своей известной монографии [1] дал обобщение
понятия размерности на случай бесконечномерных векторных про-
пространств, исходя из желания сохранить при этом свойство а). В § 1
настоящей заметки мы вводим линейную размерность б (Е), удовлет-
удовлетворяющую обоим требованиям а) и б). Классификация пространств
по размерности получается при этом, естественно, несколько более
бедной, чем у Банаха, но в некоторых отношениях более естествен-
* ДАН СССР, 1958, т. 120, с. 239-241.
ной. Для простоты и непосредственной связи с определением Банаха
мы будем все рассматриваемые далее пространства предполагать про-
пространствами типа F (см. [1, гл. III]).
Можно считать общеизвестным, как вводится метрика типа F
в следующих пространствах, которые будут далее рассмотрены в ка-
качестве примеров:
С^ — пространство действительных функций / (хи . . ., хп), оп-
определенных на re-мерном единичном кубе, имеющих непрерывные
частные производные до порядка р включительно, с топологией рав-
равномерной сходимости вместе с частными производными до порядка
р включительно;
В(„оо) — пространство действительных функций / (жх, . . ., хп) от п
действительных переменных х1: . . ., хп, периодических с периодом
2л по каждому переменному и имеющих непрерывные частные произ-
производные всех порядков, с топологией равномерной сходимости как
¦самих функций, так и их частных производных любого порядка;
А% — пространство функций / (z1? . . ., zn) от п комплексных
переменных zl7 . . ., zn, аналитических в ограниченной открытой
области G комплексного и-мерного пространства, с топологией рав-
равномерной сходимости на каждом компакте К cz G.
Традиции и опыт классического анализа заставляют считать, что
пространства функций от большего числа переменных должны быть
«богаче» элементами, чем пространства функций от меньшего числа
переменных: если решение задачи зависит от «произвольной» функ-
функции одного переменного, то считают, что «произвол» в выборе реше-
решения меньше, чем если решение зависит от произвольной функции
двух переменных, и т. д. Мы увидим далее, что в случае аналитиче-
аналитических функций такие представления находят себе опору в соответст-
соответствующих неравенствах линейных размерностей (теоремы 4 и 10).
Этот результат мы и рассматриваем как наиболее интересный в на-
настоящей заметке. Наоборот, для пространства функций конечной
гладкости указанное ожидание, основанное на опыте классического
анализа, не находит себе подтверждения в свойствах линейной раз-
размерности. Например, из результатов, изложенных в гл. XII моно-
монографии Банаха [1], легко извлечь, что все пространства С^' имеют
независимо от значений п и р одну и ту же банахову размерность
dim;. Так как из равенства dim; (E) = dim; (?") всегда вытекает
ё (Е) = б (?"), то то же самое относится и к вводимой нами размер-
размерности б (Е).
Обращение к пространствам бесконечно дифференцируемых функ-
функций не меняет дела. Например, все пространства В„ имеют одну и ту
же размерность dim; и одну и ту же размерность б, так как верна
следующая
Теорема 1. Все пространства В^, « = 1,2,..., изоморф-
изоморфны (см. [5]).
346
57. О линейной размерности топологических пространств
57. О линейной размерности топологических пространств
347
§ 1
ЛИНЕЙНАЯ РАЗМЕРНОСТЬ б (Е)
Следуя Банаху, мы введем функцию б, определив смысл нера-
неравенства
Этим функция б определяется с точностью до сохраняющего поря-
порядок взаимно однозначного отображения частично упорядоченного
множества ее значений Дна новое частично упорядоченное множест-
множество А'. По определению A) обозначает, что существует замкнутое ли-
линейное подпространство Е" пространства Е', отобразимое линейна
и непрерывно на пространство Е. Необходимая для корректности
определения функции транзитивность определенного таким образов
отношения A) легко| доказывается.
Отметим здесь одно из свойств размерности б (Е) , отсутствующе©
у банаховой размерности dim; (E).
Теорема 2. Если пространства Е и Е' банаховы (типа В}
и рефлексивные, то неравенство A) равносильно неравенству
б(?)<б(?') B)
между размерностями сопряженных пространств.
Из теоремы 2 и результатов гл. XII монографии Банаха [1] мож-
можно легко извлечь ряд результатов, относящихся к размерности б (Е)
банаховых пространств, на которых мы не останавливаемся. Вместо
этого мы сформулируем здесь несколько теорем о размерности б
пространств аналитических функций.
Теорема 3. Если G и G' — две ограниченные конечносвязные
области на комплексной плоскости, то
б (А?) = б (А?).
Обобщение теоремы 3 на функции многих переменных пока дока-
доказано только в следующей форме. Пусть Glt . . ., Gn — ограниченные
конечносвязные области на комплексной плоскости и G = Gx X G2 X
X . . . X Gn; тогда имеет место следующая
Теорема За. Размерность б (Ап) = ап не зависит от выбора
областей Gu ?2, . . ., Gn.
Для введенной в теореме За размерности ап верна
Теорема 4. Если п < п'', то ап < а^.'
Размерность б (Е) занимает крайнее положение среди всех ли-
линейных размерностей, удовлетворяющих условиям а) и б).
Теорема 5. Любая функция d (E), удовлетворяющая условиям
а) и б), представима в виде
d(E)=f [б
Среди таких функций d (E), подчиненных б (Е) и более бедных
в смысле возможности различения пространств по размерности, мы
рассмотрим лишь одну, которую назовем «аппроксимативной раз-
размерностью». При ее помощи и доказывается теорема 4, являющаяся
непосредственным следствием теоремы За и приводимой далее тео-
теоремы 10.
§ 2
АППРОКСИМАТИВНАЯ РАЗМЕРНОСТЬ da(E)
Каждому пространству Е типа F поставим в соответствие класс
Ф {Е) функций ф (е), определенных для е ^> 0 при помощи условия
<р ЕЕ Ф (Е), если для любого компакта К d E и любой открытой ок-
окрестности U нулевого элемента Q в Е существует такое е0, что при
любом 8<е0 можно найти N ^ ф (г) точек хг, . . ., хк пространства
Е так, что К С (J {xm -f eU).
Km
причем из б (Е) <; б (?") вытекает d (Е) < d [E').
Два пространства Е и Е' имеют одну и ту же аппроксимативную
размерность da (Е) = da (?"), если Ф (Е) = Ф (?")•
По определению имеет место неравенство do (E) < da (?"), если
Ф (Е) ID Ф (?')•
Аналогично определяются отношения ]>, <!, !>, || (несравни-
(несравнимость).
Аппроксимативная размерность может быть во многих случаях
вычислена при помощи методов, примыкающих к работам, посвящен-
посвященным е-энтропии и е-емкости метрических пространств (см. [2—4]).
Приводим некоторые простейшие результаты в этом направлении.
Теорема 6. Для п-мерного пространства Еп при конечном п
множество Ф определяется условием ф ЕЕ Ф, если
lim (е"ф (е)) = оо.
€-»оо
Теорема 7. Для бесконечномерного банахова пространства Е
множество Ф пусто.
Таким образом, все бесконечномерные банаховы пространства
имеют общую размерность da (E) = z, которая является максималь-
максимальной среди размерностей da (E). Нам кажется, что этот результат
не должен рассматриваться как обстоятельство, компрометирующее
размерность da. Она является содержательным понятием для про-
пространств, в известном смысле более близких к конечномерным, ка-
какими являются приобретающие все большее значение в анализе счет-
нонормированные пространства такого типа, как 5^сс) и AGn.
Теорема 8. Аппроксимативная размерность пространств
5^°°) не зависит от п и определяется условием фЕЕФ, если существу-
существует такое q ^> 0, что
lim (г" log ф (е)) = 0.
348 58. Уточнение представлений о локальной структуре турбулентности
Теорема 9. Аппроксимативная размерность as пространств
As (G — произвольная ограниченная открытая область а-мерного
комплексного пространства) не зависит от выбора области G и опре-
определяется условием ф ЕЕ Ф, если
hm
1ог ф (в)
1
Из теоремы 9 непосредственно вытекает
Теорема 10. Если s <^ s', то as <^ as.
18 февраля 1958 г.
ЛИТЕРАТУРА]
1. Banach S. Operations lineaires. Paris, 1933.
2. Колмогоров А. И.— ДАН СССР, 1956, т. 108, № 3, с. 385—388.
3. Тихомиров В. М.— ДАН СССР, 1957, т. 117, № 2, с. 191—194.
4. Витушкин А. Г.— ДАН СССР, 1957, т. 117, № 5, с. 745—747.
5. Grothendieck Л.—Mem. Amer. Math. Soc, 1955, N 16.
58
УТОЧНЕНИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
О ЛОКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ
ТУРБУЛЕНТНОСТИ
В НЕСЖИМАЕМОЙ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ
ПРИ БОЛЬШИХ ЧИСЛАХ РЕЙНОЛЬДСА *
В программу примыкающего к нашему коллоквиуму симпозиума
включен доклад А. М. Обухова *. Один из разделов этого доклада по-
посвящен уточнению представлений о локальной структуре турбулент-
турбулентности и| имеет более широкий интерес для всех специалистов в обла-
области статистической теории турбулентности. По просьбе некоторых
участников коллоквиума я хочу изложить здесь более подробно
происхождение этих уточнений и дать изложение последних резуль-
результатов А. М. Обухова в этой области.
Разработанные в 1939—1941 гг. мною [1—3] и А. М. Обуховым
[4, 5] представления о локальном строении турбулентности при боль-
больших числах Рейнольдса имели своей наглядной основой идею Ри-
Ричардсона о существовании в турбулентном потоке вихрей всех воз-
возможных масштабов
l<r<L
* In: Mecanique de la turbulence: Colloq. Intern. CNRS, Marseille, aoflt —
sept. 1961/Ha рус. и фр. яз. Paris, 1962, p. 447—458.
1 Some specific features of atmospheric turbulence.— J. Fluid Mech., 1962,
vol. 13, N 1, p. 77-81.
58. Уточнение представлений о локальной структуре турбулентности 349
между «внешним масштабом» L и «внутренним масштабом» I и не-
некоторого единообразного механизма передачи энергии от вихрей
более крупного масштаба к вихрям более мелкого масштаба.
Эти представления, к которым пришли независимо и ряд других
авторов, получили весьма широкое распространение. Однако еще
вскоре после их возникновения Л. Д. Ландау заметил, что они не учи-
учитывают одного обстоятельства, которое непосредственно вытекает
из предположений о существенно случайном, хаотическом характере
механизма передачи энергии от более крупных вихрей к более мел-
мелким: с возрастанием отношения L : I изменчивость диссипации
энергии
дха
должна неограниченно возрастать. Более точно, естественно пред-
предположить, что дисперсия логарифма величины е имеет при L : I ^> 1
асимптотику вида
_2
А + k' log (L/l),
A)
где к' — некоторая универсальная константа.
Лишь недавно А. М. Обухов наметил путь к уточнению результа-
результатов [1—5] с учетом замечания Л. Д. Ландау. Этот путь опирается
на рассмотрение диссипации
e(x + h,i)dh,
|h|<r
осредненной по сфере радиуса г, и допущение, что при большом от-
отношении L : г логарифм величины er (x, t) имеет нормальное распре-
распределение. Естественно считать, что дисперсия логарифма er (x, t}
имеет вид
о? (х, t) = А (х, t) + 9& log (L /г), B>
где к — универсальная константа, а А (х,?) зависит от макрострук-
макроструктуры потока.
Мое изложение концепции А. М. Обухова будет примыкать непо-
непосредственно к [1] и опираться на соответствующее видоизменение
двух гипотез подобия из [1]. В виде третьей гипотезы будет исполь-
использована уже сформулированная гипотеза нормальности распределения
логарифма гг с формулой B) для дисперсии этого логарифма.
Известная формула
Bdd (г) = Cr^l-'U
из [1] при новых допущениях заменяется формулой
Bdd (г) = С (х, t) г!/з?-2/. (L/r)-\ C>
350 58. Уточнение представлений о локальной структуре турбулентности
где к — константа из B), а множитель С (х, t) зависит от макрострук-
макроструктуры потока. Вместо предложения о постоянстве асимметрии
при Z <^ г <^ L, сформулированного в [2], получим^теперь
S (г) = SQ {Ыг)<М\ '
D)
где коэффициент Sо тоже зависит от макроструктуры потока.
Свяжем с масштабом длины г и точкой (х, t) масштабы времени и
скорости
ш «внутренний масштаб» длины
lr=v'U&-XU.
Очевидно, что образованное из 1/тжг число Рейнольдса выражает-
выражается через отношение г : 1Г по формуле
Re = Urr/v = (гЯг)'/.. E)
Координаты Ха, t' точки (х', t') из окрестности точки (х, t) выразим
через безразмерные ?а и т:
Ха = Ха + Е„Г, t' = t + ГТГ.
Введем безразмерные относительные скорости
у.«,«)_ ".С + ^.+^-^О .
Первая гипотеза подобия. Ясли г <^ L, тео дри
заданных la^, t<fr), а = 1, 2, 3; А == 1, 2, . . ., га, условное распределе-
распределение Зп величин
при фиксированном значении
Rer = Re
зависит только от Re и одинаково во всех турбулентных потоках.
Вторая гипотеза подобия. /7ри
Re>l
указанные в первой гипотезе распределения не зависят от Re.
Безусловные математические ожидания (средние) будем обозна-
обозначать чертой сверху. Так как ё почти постоянно в областях, малых по
«равнению с внешним масштабом L, то при г <^ L можно считать
\ = е. F)
58. Уточнение представлений о локальной структуре турбулентности 351
Рассмотрим разность продольных компонент скоростей в двух точ-
точках на расстоянии г:
&dd (г) = Ux (х + г, х2, х3, t) — Ux {xx, x2, x3, t).
Легко видеть, что
Add (г) = Vi A, 0, 0, 0) г1'*/'. G)
Если
где I верхняя грань (за исключением случаев пренебрегаемо мало
вероятных) внутреннего масштаба 1Т, то из F), G) и гипотез I и II
вытекает, что
(8)
где С — абсолютная константа.
Теперь следует воспользоваться отмеченной А. М. Обуховым фор-
формулой, выражающей моменты величин,' имеющих логарифмически
нормальный закон распределения. Эта формула такова
F = exp (pm + p2aV2), (9)
где то и а2 — среднее и дисперсия log с. Из B) и G)—(9) вытекает
frp(P-3)/2; A0)
в частности, при р = 2
(г) = С2 (х, t) (re)'/» (L/r)-\
т. е. формула C).
Так как сохраняет силу указанная в [21 формула
Bddd (г) = - D/5) ёг,
то из C) вытекает D).
Возможно освободить наше изложение от специального выбора
лежащей в основе рассмотрений А. М. Обухова величины вг (х, t).
Две гипотезы подобия формулируются тогда так:
Первая гипотеза подобия. Если \ х<к) — х | <^
<^L, k = 0, 1, . . ., п, то условное распределение Зп величин
зависит только от числа Рейнольдса
По— lt/(x(°))-y(x)Hx@)-xl
352
59. П. С. Александров и теория bs-операций
59. Л. С. Александров и теория bs-операций
353
Вторая
Re>l
гипотеза подобия. При
указанные в первой гипотезе распределения не зависят от Re.
Существенное содержание дополнительных допущений А. М. Обу-
Обухова может быть сформулировано так:
Третья гипотеза. Две группы величин A1) стохастически
независимы, если в первой группе
rlt
— X
во второй
I тс^ ) — \ I <сГ" f
.и гх ^> г2.
Естественно, что при желании извлечь из третьей гипотезы стро-
строго математически нужную нам логарифмическую нормальность
распределений разностей скоростей и формулу для дисперсий лога-
логарифмов этих разностей, аналогичную A), B), необходимо уточнить
формулировку этой гипотезы.
1 сентября 1961
г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вяз-
вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса.— ДАН СССР, 1941
т. 30, № 4, с. 299—303.
2. Колмогоров А. Н. К вырождению изотропной турбулентности в несжимае-
несжимаемой вязкой жидкости.— ДАН СССР, 1941, т. 31, № 6, с. 538—541.
3. Колмогоров А. Н. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулент-
турбулентности.— ДАН СССР, 1941, т. 32, № 1, с. 19—21.
4. Обухов А. М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока.—
ДАН СССР, 1941, т. 32, № 1, с. 22—24.
5. Обухов А. М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока.—
Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1941, т. 5, № 4—5, с. 453—466.
59
П. С. АЛЕКСАНДРОВ
И ТЕОРИЯ 8*-ОИЕРАЦИЙ *
Множества точек числовой прямой, допускающие сколько-ни-
сколько-нибудь простое определение, либо конечны, либо счетны, либо имеют
мощность континуума. Вопрос о том, будет ли это верно в приме-
применении к любому подмножеству числовой прямой, составляет, как из-
известно, проблему континуума. В начале XX в. казалось естествен-
естественным искать решение проблемы континуума, рассматривая все более
УМН, 1966, т. 21, вып. 4, с. 275—278.
общие классы точечных множеств. В ряду классов борелевских мно-
множеств
F, F<j, Fas, Faea,..,
G, (?
положительное решение проблемы очевидно для класса Fa (и, ко-
конечно, для заключенных в нем классов F и G). Юнг в 1906 г. добрался
до класса G6<J, а в 1914 г. Хяусдорф в первом издании своих «Осно-
«Оснований теории множеств» показал, что решение остается положитель-
положительным для множества класса G6<J6a- Естественно, что дальнейшее
продвижение в этом направлении должно было сильно интересовать
математиков, занимавшихся теорией множеств. Полное положитель-
положительное решение проблемы для всех борелевских множеств было найдено
в 1916 г. независимо П. С. Александровым [1] и Хаусдорфом [4].
Как П. С. Александров, так и Хаусдорф приходят к решению
проблемы континуума для борелевских множеств, доказывая, что
борелевское множество, мощность которого больше счетной, содержит
совершенное подмножество. В основе доказательства у обоих авторов
лежит рассмотрение схемы порождения любого борелевского множе-
множества:
Q
A)
Л *2
Et^=nU EttX
где все цепочки множеств
обрываются при каком-либо конечном X на замкнутом (у Хаусдорфа
открытом) множестве.
Общее число замкнутых множеств, из которых получается таким
образом борелевское множество Е, счетно. Их можно занумеровать
натуральными числами
x, F2,
и записать множество Е в виде
Е = Ф {Flt F2, ..., Fs )
где Ф — знак некоторой операции над множествами Ft. Легко ви-
видеть, что операция эта: а) аналитическая и б) положительная в смы-
смысле определений, введенных Канторовичем и Ливенсоном [5].
12 А. Н. Колмогоров
354
59. П. С. Александров и теория bs-операций
Определение 1. Операция
Е = ф (Ег, ..., Et,.. .)
называется аналитической, если из равносильности включений
х S Es <=#• у е #s]
(при любом s) вытекает равносильность включений
х е ? <Н> у е ?,
т. е. если принадлежность точки а; к множеству ? полностью опреде-
определяется номерами тех Es, в которые входит точка х.
Определение 2. Операция
Е = Ф (Яь ...,?„.. .)
называется положительной, если из
#s С #8 (при всех s)
'59. П. С. Александров и теория bs-операций
355
вытекает
Ф (Е'г,
Ф
i, ...,?.,.. .)•
Любая аналитическая операция может быть заменена аналити-
аналитической положительной операцией над множествами Es и их допол-
дополнениями. Класс же аналитических положительных операций сов-
совпадает с классом bs-операций, т. е. операций,1 которые могут быть за-
записаны в виде
UfD
где © — некоторое множество подмножеств натурального ряда.
В пространстве подмножеств натурального ряда существует есте-
естественная топология *. Рассмотрения, проведенные П. С. Александ-
Александровым в заметке [1], по существу обозначают следующее.
1. При записи конструкции A) в виде bs-операции
Е = Ф (Fu ...,Flt...)= П III ^s B)
множество © оказывается (при наиболее естественном его построении)
замкнутым.
2. Если множество последовательностей в формуле B) замкнуто,
то операция Ф из замкнутых множеств Fs производит множество Е,
которое либо конечно, либо счетно, либо содержит совершенное мно-
множество.
1 Эта топология задается, например, расстоянием
_L
Естественно возникает вопрос, какие множества можно получить,
применяя бя-операции с замкнутым © к: а) замкнутым множествам,
б) открытым множествам, в) борелевским множествам? Ответ во всех
случаях один: суслинские множества и только их. При этом нет не-
необходимости пользоваться всеми возможными бя-операциями с замк-
замкнутыми множествами ©. Можно указать одну такого рода стандартную
бх-операцию, которая из замкнутых (открытых) множеств произво-
производит все суслинские множества. Хорошо известно, что такую операцию
можно записать более обозримым образом, если нумеровать исход-
исходные множества не натуральными числами, а «кортежами» из нату-
натуральных чисел
s =
sn}.
где
обозначает симметрическую разность множеств Е± и Е3.
Интересующая нас Л-операция определяется формулой
где суммирование распространяется на все последовательности
s^zS-j. . . По этой операции суслинские множества называют также
А -множествами.
Определение Л-операции по существу содержится в той же за-
заметке П. С. Александрова [1]. Произвольное борелевское множество
Е получается в этой заметке «с точностью до счетного множества»
из «канонических множеств» лц. Так как эти канонические множест-
ва, являясь конечными пересечениями исходных множеств Е- . ,
замкнуты, а пренебрежение счетным множеством несущественно (лег-
(легко избегается), то тем самым было установлено, что любое борелев-
борелевское множество получается Л-операцией из замкнутых множеств.
К сожалению, более систематического изложения с явным определе-
определением Л-операции и формулировкой теоремы о том, что каждое боре-
борелевское множество является Л-множеством, П. С. Александров не
опубликовал. Естественно возник вопрос о том, является ли класс
.4-множеств более широким, чем класс борелевских множеств, или
же он существенно шире. В том же 1916 г. вопрос был решен
М. Я. Суслиным, который показал, что существуют Л-множества, не
являющиеся борелевскими, что и привело к развитию самостоятель-
самостоятельной теории суслинских множеств. М. Я. Суслиным, в частности, было
установлено, что, вообще суперпозиция Л-операции по схеме
Е = A {Es}, ES=A {El}
приводит только к множествам Е, которые могут быть получены из
множества Ers (взятыми с новыми номерами и с повторениями) од-
однократной А -операцией. В общей теории бя-операций такие операции
называются нормальными.
В работе [2] П. С. Александров ввел еще однубз-операцию надмно-
надмножествами, названную им Т-операцией. Чтобы компактно высказать
12*
356
59. Л. С. Александров и теория ^-операций
ее определение, следует заметить, что каждому кортежу
s = (s1, s2, . . ., sn)
соответствует множество As числовых последовательностей
S& . . . snsn+1
имеющих начало s^ . . . sn. Множество кортежей @ называется
Т-цепью, если соответствующие множества As покрывают все множе-
множество числовых последовательностей (которое в такого рода вопросах
принято называть бэровским пространством). Г-операцияопределяет-
Г-операцияопределяется формулой
Е= U П Е„
Sr
C)
где Г-множество всех Г-цепей.
П. С. Александров устанавливает формулу
AWs} = Г {Е,},
где Ё обозначает дополнение к множеству Е. По существу здесь
П. С. Александров для частного случая Л-операции вводит «дополни-
«дополнительную» к ней Г-операцию. Общее определение бх-операции QD,
дополнительной к данной бя-операции Ф, и обобщающая C) формула
...,Е8,...) = ф (Еъ ....Я,,...)
ч
лежат в основе моей работы [6].
В заметке [3] П. С. Александров пользуется тем, что Г-операция
приводит к «положительному» определению множеств, дополнитель-
дополнительных к ^-множествам, и доказывает топологическую инвариантность
этого класса множеств.
Теория 6«-операций далее разрабатывалась мною, Хаусдорфом
(второе издание «Оснований теории множества»), Канторовичем, Ли-
венсоном, Ляпуновым и многими другими.
ЛИТЕРАТУРА
1. Alexandroff P. Sur la puissance des ensembles mesurables В.— С. г. Acad. sci.
Paris, 1916, vol. 162, p. 323—325.
2. Alexandroff P. Sur les ensembles complementaires aux ensembles (A).— Fund
math., 1924, vol. 5, p. 160—165.
3. Alexandroff P. Sur l'invariance topologiqiie des ensembles complementaires
aux ensembles (А).— Мат. сб., 1924, т. 31, с. 310—318.
4. Hausdorff F. Die Machtigkeit der Borelscher Mengen.— Math. Ann., 1916,
5. Kantorovitch L., Livenson E. Memoir on the analytical operations and proiec-
tive sets.— Fund, math., 1932, vol. 18, p. 234—279.
6. Колмогоров А. Н. Об операциях над множествами.—Мат. сб., 1928, т. 35,
с. 415—421.
60. Изучение математических моделей динамики популяций 357
60
КАЧЕСТВЕННОЕ ИЗУЧЕНИЕ
МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
ДИНАМИКИ ПОПУЛЯЦИЙ *
§ 1
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Просматривая литературу последних лет по математическому мо-
моделированию динамики популяций, я убедился в том, что при боль-
большом развитии этого направления исследований в одном отношении
работы последних лет остаются на уровне знаменитого первого опы-
опыта Вольтерра: все исследование ставится в зависимость от специаль-
специального и неизбежным образом произвольного выбора математических
выражений для закономерностей, управляющих динамикой популя-
популяции. Между тем в других областях применений математики давно по-
понята возможность и важность получения качественных результатов
из качественных предпосылок. Попытка переработать в этом направ-
направлении вольтерровскую теорию борьбы за существование между дву-
двумя видами (хищниками и жертвами) была предпринята в моей работе
[1], опубликованной еще в 1936 г. Ссылки на этумою работу, опубли-
опубликованную как отклик на одну публикацию Вольтерра в том же мало-
малораспространенном итальянском журнале, где появилась статья Воль-
Вольтерра, я встречал в позднейшей литературе, но сама идея получения
содержательных выводов из чисто качественных предпосылок оста-
осталась неиспользованной. Это побуждает меня дать новое, перерабо-
переработанное изложение работы [1].
Хорошо известно, что сам замысел схематического описания вре-
временной эволюции численностей Nt (t), i = 1, s, sвзаимодействующих
видов при помощи системы дифференциальных уравнений
= Ft
i = 1, s,
A)
весьма несовершенен. Аппарат дифференциальных уравнений типа
A) в динамике популяций плох уже в силу того обстоятельства, что
обычно значительные изменения численностей Nt (t) происходят за
промежутки времени, соизмеримые с длительностью жизни отдель-
отдельных особей, что делает неизбежным учет возрастного состава попу-
популяций. Например, как бы мы ни усовершенствовали вольтерровскую
теорию в рамках описания динамики популяции уравнениями типа
A), применение ее к объяснению трех-четырехлетних циклов колеба-
колебания численности птиц, отмеченных в наблюдениях Северцева, остается
не вполне оправданным из-за только что указанного обстоятельства.
Но начинать надо с простого. Если данная публикация будет содей-
* Проблемы кибернетики, 1972, т. 25, вып. 2, с. 101 — 106.
358 60. Изучение математических моделей динамики популяций
ствовать появлению работ, где аналогичному качественному иссле-
исследованию подвергнутся более близкие к действительности схемы, то
ее назначение будет выполнено.
§ 2
УРАВНЕНИЯ ВОЛЬТЕРРА И ИХ ОБОБЩЕНИЕ
Для численности жертв Nx (t) и численности хищников N2 (t)
Вольтерра предложил уравнения
60. Изучение математических моделей динамики популяций
359
dt
dN2
dt
B)
Условный характер сделанных допущений виден хотя бы из того,
что коэффициент размножения хищников К2 = (— ?2 ~Ь 72^i) воз-
возрастает до бесконечности с возрастанием числа жертв: при наличии
достаточного числа зайцев численность волков будет удваиваться
каждый день или даже каждый час. По существу уравнения B) яв-
являются лишь простейшим с математической точки зрения примером
уравнений вида
dt
±- = Kx(Nx,N2)Nx,
dt
= K2(NX,N2)N2,
C)
где коэффициент размножения жертв Кх убывает с возрастанием чис-
числа хищников, меняя знак с положительного на отрицательный, а
коэффициент размножения хищников К2 растет с ростом числа жертв,
меняя знак с отрицательного на положительный.
К сожалению, наиболее интересный качественный вывод теории
Вольтерра о том, что, за исключением стационарного случая Nx =
= е2Ау2, N2 — е1/у1, любые начальные условия Nx @), N2 @) приво-
приводят к периодическим колебаниям численностей Nx (t) и N2 (t) с ампли-
амплитудой, зависящей от начальных условий, является следствием имен-
именно выбранной Вольтерра специальной формы уравнений B). В ра-
работе [1] я сделал попытку исследования поведения решений системы
C) при некоторых качественных предположениях о характере функ-
функций Кх (Nx, N2) и ^2 C^i» ^г)- Более подробно в § 3 мы исследуем
поведение решений системы
dNj
~dT
= Kx{Nx)Nx-L{Nx)N2,
dt
¦ = K2(NX)N2,
которая мне представляется достаточно реалистической моделью
возможных соотношений между двумя видами. Переход от общих
уравнений C) к уравнениям D) интерпретируется содержательно сле-
следующим образом.
1) Предполагается, что хищники не «взаимодействуют» друг с дру-
другом, т. е. коэффициент размножения хищников К2 и число жертв L,
истребляемых в единицу времени одним хищником, не зависят от N2.
2) Предполагается, что прирост за малые промежутки времени
числа жертв при наличии хищников равен приросту в отсутствие
хищников минус число жертв, истребленных хищниками. Относи-
Относительно входящих в уравнение функций Кх (Nx), К2 (Nx), L (Nx) мы
сделаем лишь весьма естественные допущения относительно каче-
качественного характера их зависимости от Nx.
§ 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ РЕШЕНИЙ СИСТЕМЫ D) -
Ради возможности применения без лишних осложнений теории
дифференциальных уравнений мы будем предполагать, что функции
^i (JVi), K2 (Nj), L (N-j) непрерывны и непрерывно дифференцируе-
дифференцируемы. Естественно считать их определенными на положительной полу-
полуоси Nx ^ О, N2 > 0. Необходима, однако, одна оговорка. При N2 = О
первое уравнение D) переходит в естественное уравнение dNJdt —
= Кх {Nx) Nx эволюции численности жертв в отсутствие хищников.
Но при Nx = 0 первое из уравнений D) привело бы в случае L @)^>0
к нелепому выводу, что число жертв после перехода через нуль дол-
должно становиться отрицательным. Естественно считать, что по дости-
достижении точки квадранта, лежащей на оси N2, первое уравнение D)
перестает действовать, число жертв остается постоянно равным нулю,
а эволюция числа хищников продолжает следовать второму уравне-
уравнению D).
Сформулируем теперь еще три ограничения, которые мы накла-
накладываем на выбор функций Кх (Nx), К2 (Nx), L (Nx).
3) dKxldNx < О, Kx @) > 0 > КХ (оо) > - оо. В существенном
это ограничение состоит в том, что коэффициент размножения жертв
в отсутствие хищников монотонно убывает с возрастанием числен-
численности жертв, переходя от положительных значений к отрицательным.
Такое допущение, отражающее ограниченность пищевых и иных ре-
ресурсов, необходимых для существования жертв, кажется достаточно
естественным.
4) dKJdNx > 0, Кг @) < 0 < Кх (оо). Это ограничение в суще-
существенном состоит в том, что с ростом численности жертв коэффициент
размножения хищников возрастает, переходя от отрицательных зна-
значений (в обстановке, когда нечем питаться) к положительным.
5) L (Nx) > 0 при Nx > 0.
Что касается предельного значения L (Nx) при Nx = 0, мы предпо-
предпочитаем сохранить обе возможности: L @) = 0 н L @) > 0. Первая
из них отражает в идеализированном виде такую обстановку, когда
небольшое число жертв может укрываться в местах, недоступных для
охоты за ними хищников, и там пережить период чрезмерного раз-
размножения хищников. Заметим, что в случае Вольтерра Кх (Nx) = e,
^2 C^i) = — е2 + Тг-^и L (Nx) = yxNx, т. е. нарушено наше требо-
требование отрицательности Кх (Nx) при достаточно больших Nx.
360
60. Изучение математических моделей динамики популяций
60. Изучение математических моделей динамики популяций 361
Найдем особые точки системы D) в положительном квадранте.
Легко видеть, что их две или три: 1) точка @, 0); 2) точка (А, 0),гцеА
определяется из уравнения Кх (А) = 0; 3) точка (В, С), где В к С
определяются из уравнений К2 (В) = 0, Кх (В) В — L (В) С = 0.
Последняя третья точка помещается в положительном квадранте и
отлична от второй лишь в случае Кг (В) ^> 0, т. е. В < А.
Обычным способом исследуем характер этл^ особых точек, со-
составляя линеаризованные уравнения для ? = Nx — N®, ц = N2 —
—N%, где Nl, N% — координаты особой точки.
I) В точке @, 0) получим
Корни характеристического уравнения: Кх = Кх @), Я,2 = Кг @)
действительные и разных знаков, так что точка является седлом.
Угловые коэффициенты сепаратрис находятся из уравнения
L @) х2 — [Кх @) — Кг @)] х = 0. Одна сепаратриса (с кх = 0)
заранее ясна — это ось Nx, вторая имеет угловой коэффициент х2 =
= [#i @) — К% @))/L @). Если L @) = 0, то это ось N2. Первая
сепаратриса входит в седло, вторая — выходит из него.
II) В точке (А, 0) линеаризованные уравнения имеют вид
* - = K2(A)i\.
dt
Корни характеристического уравнения: %х = Кх (А) А, К2 — К2 (А).
Па) Если В < А, то Хх < 0; Хг ^> 0 и особая точка есть седло.
Угловые коэффициенты сепаратрис равны кх = 0 и х2 = [КХ(А) А —
—Кг (A)]/L (A) < 0. С угловым коэффициентом х2 из седла выходит
сепаратриса, направляющаяся внутрь нашего квадранта.
IIб) Если В ^> А, то К± < 0; Я,2 < 0 и особая точка есть устойчи-
устойчивый узел.
III) В точке (В, С) при В < А получаем линеаризованные урав-
уравнения
dt
. = -<Ъ-Ь(В)ъ ^--
А =
= СК'г(В)Ь(В)
где о = — Кх (В) — Кг (В) В + V {В) С. Детерминант
5 -L(B)
СК2 (В) 0
положителен. Поэтому особая точка есть фокус' или узел. Устойчи-
Устойчивость зависит от знака о: если сг^>0, то точка устойчива, если сг<^0,
то неустойчива. Фокус появляется в случае комплексных корней
уравнения X2 + ok -f- Д = 0, а узел — в случае действительных.
В предположении В < А исследуем еще судьбу сепаратрисы,
выходящей вверх из точки (А, 0). Легко видеть, что при наших допу-
fO,0J ЩО)
¦fff
f//,OJ
щениях траектории не могут уходить в бесконечность. Поэтому
возможны в существенном три случая: интересующая нас сепаратри-
сепаратриса а) пересекает ось iV2, P) наматывается на предельный цикл, у) вхо-
входит в точку (В, С). В случае а) следует еще проследить происхож-
происхождение сепаратрисы, входящей в точку @, 0). Она может: cd) сматы-
сматываться с предельного цикла, а2) выходить из точки (В, С). В случаях
Р) и у) сепаратриса, входящая в @, 0), должна приходить из беско-
362 60. Изучение математических моделей динамики популяций
В<А
al
a2
Р
У
Д0)>0
1
3
4
5
7
L@)=0
2
—
6
8
нечности. В предположении L @) = 0 случай а) отпадает. В итоге
получаем такую классификацию:
В случаях 1, 2, 4, 7, 8 наш анализ дает полное представление о ка-
качественном характере решений, если случаи 4, 7 и 8 разбить на под-
случаи 4а, 7а, 8а с фокусом в точке (В, С) и подслучаи 46, 76, 86
с узлом в точке (В, С). Легко понять, что
до)>о ?«»=о в случае 4 точка (В, С) неустойчива, а в слу-
случаях 7 и 8 — устойчива. Случаи 3, 5 и 6, исхо-
исходя из наших допущений, не анализируются
до конца: поведение траекторий внутри пре-
предельного цикла может быть довольно слож-
сложным. Но весьма -вероятно, что практически
достаточно ограничиться случаем, когда внут-
внутри обнаруженного нашим анализом предель-
предельного цикла нет других предельных циклов
и вообще замкнутых траекторий. В этом
случае остается еще указать, будет точка (В, С) фокусом (под-
(подслучаи За, 5а, 6а) или узлом (подслучаи 36, 56, 66). Восемь случаев
различного качественного поведения решений изображены на ри-
рисунках, соответствующих прилагаемой таблице. Кроме оговоренных
выше случаев наличия внутри основного предельного цикла допол-
дополнительных замкнутых траекторий, мы пропустили еще переходные
(не «грубые» в смысле Андронова — Понтрягина) случаи, которые
могут возникнуть лишь в исключительных обстоятельствах. Напри-
Например, сепаратриса, выходящая из (А, 0), может случайно при своем
продолжении оказаться сепаратрисой, входящей в точку @, 0). Если
это так, то качественная картина остается похожей на случаи 1 и 2.
15 апреля 1971 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kolmogoroff А. N. Sulla teoria di Volterra della lotta per l'esistenza.— G.
1st. ital. attuar., 1936, vol. 7, p. 74—80.
КОММЕНТАРИИ
К РАБОТАМ ПО ТЕОРИИ ФУНКЦИИ
И ТЕОРИИ МНОЖЕСТВ
А. Н. Колмогоров
Наиболее живые и требующие разработки разделы теории мно-
множеств и теории функций распадались по Николаю Николаевичу Лу-
Лузину на «метрику» и «дескрипцию». К «метрике» относились теория
интеграла, тригонометрические ряды, граничные свойства аналити-
аналитических функций и т. п. К «дескрипции» относились классификация
функций по классам Бэра, классификация множеств по Борелю, ана-
аналитические множества и т. д. вплоть до самой континуум-проблемы.
В применении к своим ученикам Н. Н. Лузин имел определенное пред-
представление о том, кто из них предназначен для работ по «метрике»
и кто — для работ по «дескрипции». Мне было предназначено эани-
маться «метрикой». Это свое предназначение я и выполнил с некоторой
широтой в следующие годы (см. работы № 1—8, 10—12, 14, 16,
21 и др. наст. изд.).
В 1921—1923 гг. Вячеслав Васильевич Степанов вел семинар по
теории тригонометрических рядов, в котором в качестве самых млад-
младших участников занимались мы с Глебом Александровичем Селивер-
Селиверстовым. Естественно, что особое внимание обращалось на проблемы,
поставленные Николаем Николаевичем Лузиным. Среди таких проб-
проблем находилась и задача о том, сколь медленно могут убывать коэф-
коэффициенты ряда Фурье — Лебега. Решение (см. работу № 2 наст, изд.)
оказалось очень простым для рядов по косинусам, так что мне неяс-
неясно, почему оно не было найдено еще до меня. Однако, узнав об этом
моем достижении, Н. Н. Лузин с некоторой торжественностью при-
пригласил меня в число своих учеников, и я стал приходить к нему
еженедельно в часы, отведенные для одной из групп учеников.
Все направление моей работы по тригонометрическим и ортого-
ортогональным рядам выросло из занятий в семинаре В. В. Степанова.
С точки зрения преодоления трудностей, по-видимому, первое место
принадлежит работе, где построен расходящийся почти всюду ряд
Фурье — Лебега (см. работу № 1 наст. изд.). Довольно долго я ра-
работал надвое, стараясь поочередно то построить пример, то доказать
его невозможность. Последним этапом была неделя непрерывных раз-
размышлений, закончившаяся возникшей внезапно конструкцией. Не-
Немного позднее без больших усилий возник аналитический вариант
первоначальной чисто геометрической идеи, что позволило усилить
первоначальный результат и построить ряд, расходящийся всюду.
От всего периода занятий тригонометрическими и ортогональными
рядами у меня остались самые светлые воспоминания о дружной ра-
работе коллектива, возглавлявшегося (после того как Н. Н. Лузин
отошел от этой тематики) Дмитрием Евгеньевичем Меньшовым. Час-
364
Комментарии
Тригонометрические и ортогональные ряды (П. Л. Ульянов) 365
то вспоминаю я и о совместной работе с моим безвременно погибшим
другом Глебом Александровичем Селиверстовым.
Параллельно в 1921—1922 гг. у меня возник широкий план ис-
исследований по дескриптивной теории множеств, шедший в направ-
направлении, совсем не предусмотренном Н. Н. Лузиным. Этот план был ча-
частично реализован в моей работе «Об операциях над множествами»,
завершенной в начале 1922 г. и опубликованной в 1928 г. (см. работу
№ 13 наст. изд.). К этой работе примыкала оставшаяся неопублико-
неопубликованной рукопись «Об Л-операциях» Ч Результаты, содержащиеся в
этой рукописи, получили дальнейшее развитие в работах Л. В. Кан-
Канторовича — Е. М. Ливенсона и А. А. Ляпунова.
Отмечу здесь лишь несостоявшийся и, вероятно, неосуществимый
замысел: продолжить классификацию, начинающуюся с классов
2?-множеств, продолжающуюся классами С-множеств, ЛС-множеств,
Л/?С-множеств и т. д. по трансфинитам второго класса.
ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИЕ И ОРТОГОНАЛЬНЫЕ РЯДЫ
(П. Л. Ульянов)
По этому направлению А. Н. Колмогоровым написано A922—1926) около
десяти работ, и каждая из них фактически явилась началом больших исследо-
исследований, которые продолжаются и ныне. Мы остановимся здесь лишь на некото-
некоторых результатах, непосредственно связанных с работами А. Н. Колмогорова,
развивающих его идеи и характеризующих направления исследований.
А. РАСХОДИМОСТЬ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИХ РЯДОВ ФУРЬЕ
В 1922 г., девятнадцати лет, А. Н. Колмогоров получил один из наиболее
ярких результатов по теории тригонометрических рядов. Именно в работе № 1
он построил пример 2я-периодической интегрируемой функции, тригономет-
тригонометрический ряд Фурье которой расходится почти всюду. Идейная глубина в со-
сочетании с геометрической наглядностью и ясностью этого примера поразитель-
поразительны. В 1926 г. им же был построен в работе № 11 всюду расходящийся ряд Фурье.
Конструкции этих примеров явились отправным пунктом дальнейших мно-
многочисленных исследований других авторов. В 1936 г. Марцинкевич [1] построил
почти всюду расходящийся ряд Фурье, частные суммы которого ограничены
в каждой точке некоторого множества Е С [0, 2я] с мерой тЕ = 2я. Обратим
внимание на то, что здесь уже невозможен случай множества Е = [0, 2я].
В 1953 г. Сунуоти [2] отметил, что существует почти всюду расходящийся
ряд Фурье, сопряженный к которому также является рядом Фурье.
Хорошо известно, что если при е>0 интегральный модуль непрерывности
При
A)
* Эта рукопись была обнаружена после сдачи в набор настоящей книги.
Статья будет опубликована во 2-й книге «Избранных трудов» А. Н. Кол-
Колмогорова.— Примеч. ред. при корректуре.
то ряд Фурье от / (t) сходится почти всюду. В связи с этим и был поставлен Зиг-
Зигмундом (см. [4, т. 2, с. 258]) вопрос о справедливости сформулированного выше
утверждения и при е = 0. Ответ на этот вопрос остается открытым.
Далее, на основе конструкции А. Н. Колмогорова Прохоренко [5] (см.
также Тандори [6]) был построен пример функции / (t) с почти всюду расходя-
расходящимся рядом Фурье и модулем непрерывности
«1 (б, /) =
= О \
1
при 6 -
0.
. log log A/6)
Из B) вытекает в силу одной нашей теоремы вложения,, что интеграл
С | / @ I {ln+ln+ | / (t) \}adt < оо при любом ае @, 1).
B)
C)
Как ни удивительно, но пока нет принципиально лучших результатов, чем B)
и C), касающихся гладкости и класса интегрирования функций с расходящими-
расходящимися рядами Фурье. Из сравнения A) и B) видна «лакуна неизвестности».
Другое направление исследований касается точной характеристики мно-
множеств расходимости рядов Фурье. Известно, что множество точек расходимости
любого ряда из непрерывных функций имеет тип G6o (см., например, [3, с. 433]).
На основе примера А. Н. Колмогорова всюду неограниченно расходящегося
ряда Фурье было доказано Целлером [7], что всякое множество Е С [0, 2я) типа
<?б является множеством расходимости некоторого ряда Фурье. Это утвержде-
утверждение теряет силу для некоторых множеств Е типа Fc (см. Кернер [8]). Таким об-
образом, остается открытым вопрос описания множеств расходимости рядов Фурье
от функций того или иного класса.
Б. РАСХОДИМОСТЬ ОРТОГОНАЛЬНЫХ РЯДОВ
Основным утверждением работы № 12 является теорема I о том, что сущест-'
вуют ортонормированная (ОН) на отрезке [0, 1] система функций {фп (*)} с
| ф„ (г) | = 1 и ряд j
п=1
который расходится всюду на [0, 1], хотя {ап} е 12-
Более того, в этом утверждении числа {ап} и систему {фп} можно выбрать
(см. теорему II) по заданной последовательности W (п) = о (log n) так, чтобы
E)
п=1
Эти результаты обобщались в разных направлениях. В частности, в 1938 г.
Меньшов [12] доказал, что:
1) для любого числа К > 1 существует ОН-система {ф„}, для которой
I фп (*) I < К при t е= [0, 1] и п = 1, 2, . . .;
2) последовательность {log2 п) является точным множителем Вейля, т. е.
выполнение неравенства E) с W (п) = log2 n влечет сходимость почти всюду
рядов D), тогда как для всякой W (п) = о (log2 n) это уже не так.
366
Комментарии
Тригонометрические и ортогональные ряды (П. Л. Ульянов)
367
Меньшов же построил [13] ОН-систему алгебраических полиномов, которые
ограничены в совокупности и для которых последовательность {log2 п) являет*
ся точным множителем В ей ля.
Сказанное означает, что для всего класса ОН-систем, ограниченных в сово-
совокупности (и даже для алгебраических полиномов), точный множитель Вейля
такой же, как и для всего класса ОН-систем.
Далее, в 1960 г. было показано Ульяновым [9], что в теореме I в качестве
{фл (t)} можно взять некоторую переставленную систему ;Уолша. Что касается
теоремы II, то наиболее сильное ее обобщение было установлено в 1975 г. Каши-
ным [10], построившим ОН-систему {фп («)} с | фп (f) | = 1, для'которой после-
последовательность {log2 п} является точным множителем Вейля. Более простое дока-
вательство этого факта было потом предложено Тандори [11].
В той же работе № 12 сформулирована теорема III, принадлежащая
А. Н. Колмогорову и состоящая в том, что тригонометрическая система после
соответствующей перенумерации {cos nmt, sin nmt) становится системой расхо-
расходимости почти всюду, т. е. найдется последовательность {ат, Ьт] <= 12, такая,
что ряд
m=l
F)
расходится почти всюду на [0, 2я].'
Это утверждение стало впоследствии отправным пунктом многочисленных
исследований по безусловной сходимости почти всюду (Загорский, Ульянов,.
Олевский, Тандори, Талалян, Лейндлер, Арутюнян, Гарсиа, Кашин, Мориц^
ПолещукТи др.). Так Загорский [14] впервые привел в 1960 г. краткую схему
построения соответствующего примера расходящегося ряда вида F). Подробное
же и полное доказательство этого факта было дано в работе [15] .'Здесь же Ульят
новым [15] было доказано аналогичное утверждение для рядов по системе Хаара»
Опираясь на этот результат, Ульянов [15] и Олевский [16] показали, что любую
полную ОН-систему можно перенумероватьтак, чтобы она стала системой рас-
расходимости почти всюду.
В п. А был сформулирован результат А. Н. Колмогорова о том, что сущест-
существует расходящийся на множестве Е С [0, 2я] с мерой тЕ = 2л тригонометриче-
тригонометрический ряд Фурье. Для ОН-систем, ограниченных в совокупности на отрезке [0, 1]
некоторый аналог этого результата был установлен Бочкаревым [17] для мно-
множеств Е С [0, 1] положительной] меры. Однако полного аналога здесь быть не
может,*так'как]Казарян [18] построил полную ОН-систему, ограниченную в со-
совокупности и^по которой всякий ряд Фурье сходится на "некотором множестве»
положительной меры.
В. СХОДИМОСТЬ РЯДОВ ФУРЬЕ
Пусть функция /|е L @, 2л) и Sn {t, f) — частные суммы тригонометриче-
тригонометрического ряда Фурье от /.
В работе № 3 сначала доказывается теорема I о том, что последовательность
{Snk (*>./)}JtLi сходится почти всюду, если функция /et1 @, 2я), целые числа
> Хщ,1: где X > 1 и к = 1, 2, . . ., а потом устанавливается теорема II —
всякий лакунарный ряд Фурье сходится почти всюду.
Теорема I была распространена в 1931 г. Литтлвудом и Пэли [19] на случай
функций / <= LP @, 2я) с р > 1. Госселин же отметил [20], что при р = 1 анало-
аналогичного типа утверждение не имеет места.
Что касается теоремы II, то она оказалась следствием теоремы I, ибо всякий
лакунарный ряд Фурье) обязан быть рядом Фурье от некоторой функции / е
<= L2 @, 2я) (Зигмунд] [21]; см. также [3, с. 684]).
Теоремы I и II) явились толчком к активному изучению свойств рядов с ла-
лакунами, а также выяснению взаимосвязей между сходимостью подпоследователь-
подпоследовательностей частичных сумм ряда и его суммируемостью тем или иным методом (cMt
[3, 22], а также обзор Гапошкина [23]).|
¦ В работе № 4 доказано, в частности, что при любом е > 0 последователь-
последовательность {(log nI+E} является множителем Вейля для сходимости почти всюду три-
тригонометрических рядов. Используя) метод этой работы, как ее авторы А. Н. Кол-
Колмогоров и Г. А. Селиверстов (см. еще работу № 10), так и Плесснер [24] вскоре
установили^ что сформулированное выше утверждение] остается в силе и при
е = 0. Эта теорема Колмогорова — Селиверстова и Плесснера сорок лет была
лучшим результатом в вопросах сходимости почти всюду тригонометрических
рядов Фурье функций / <= ZA Лишь в 1966 г. Карлесон (см. [25, 26]) доказал,
что ряды Фурье от функций / <= L2 @, 2я) сходятся почти всюду. Развивая ме-
метод Карлесона, Хант [27] показал, что сходятся почти всюду ряды Фурье функ-
функций из каждого пространства LP @, 2я) с р > 1. Наиболее же сильное утверж-
утверждение в этом направлении принадлежит Шёлину [28]: если интеграл
то ряд Фурье функции / (t) сходится почти всюду. Обратим внимание на то, что
отличие в интегрируемости функции / в «положительном» результате и в «отри-
«отрицательном» (см. G) и C)) состоит пока из множителя log+ | / (t) \.
Доказательство теоремы Карлесона (см. [25, 26]) весьма сложно-и потому
Фефферман [29] предложил новое (подробное его изложение дано Лукашенко
[30]). Однако сложность доказательства Феффермана также значительна и по-
потому поиски более простого доказательства представляют несомненный интерес.
Наконец, отметим большое влияние работы № 10, особенно в части разви-
развитого в ней метода доказательства, на исследование вопросов сходимости ортого-
ортогональных рядов. В частности, этим методом было доказано Качмажем [31] (см,
также [22, гл. V]), что если для ОН-системы {фп (t)} функции Лебега
Ln (*) < W (п) | оо при t «= Е и п = 1, 2, . . .,
то последовательность {W (п)} является множителем Вейля для сходимости
почти всюду на множестве Е рядов Фурье по системе {фп}. И, как показал Тан-
Тандори [32], этот результат неулучшаем во всем классе ОН-систем.
Наконец, отметим работу № 25, в которой А. Н. Колмогоров рассматри-
рассматривает ряды Фурье по ортонормированной (относительно веса р (t) e L (о, Ь))
системе полиномов {а>п @}г°°=°> гДе степень полинома <on (t) равна п и р {t) > 0
368
Комментарии
Тригонометрические и ортогональные ряды (П. Л. Ульянов)
369
при t е (о, Ъ). Он установил, что если для некоторого числа е > 0 функция
/ (t) удовлетворяет неравенству
Q
l/('i) — f(h)\< — — приа<*1<;2<6 (С = const),
то ее ряд Фурье
оо 5
/ (о ~ 2 ап(/) ап (о. <*„ (/)=$/ wр (о ап (о *.
n=0 a
сходится почти всюду на (а, Ь).
Этот результат стал принципиально новым фактом, так как ранее было лишь
известно (см. Натансон [52]), что если для некоторого а > Ч2 модуль
I / (*i) - / (h) К С | h - t2 \a при tt ф Ц,
то ряд Фурье от/ по системе {о)п} сходится почти всюду.
Сформулированная теорема А:. Н. Колмогорова послужила толчком к по-
появлению ряда работ, относящихся к вопросам сходимости рядов Фурье по об-
общим ортонормированным полиномам (Алексич, Ульянов, Чен Киен Квонг и др.).
Г. О КОЭФФИЦИЕНТАХ ФУРЬЕ—ЛЕБЕГА
Будем предполагать, что ап -» 0 и накладываемые ниже условия на {ап}
обеспечивают сходимость ряда
, cos nt
(8)
всюду на (— оо, оо),' кроме, быть может, точек t = 0 (mod 2я), к некоторой
функции / (t). В работе № 2 доказано, что коэффициенты Фурье—Лебега могут
стремиться к нулю как угодно медленно г. Попутно А. Н. Колмогоров устанав-
устанавливает, что если последовательность {ап} квазивыпукла, т. е.
2 (
п=0
(9)
где Д2оп = &.ап — Двп+i и До„ = ап — ап+1, то функция /(l)ei @, 2я) и ряд
(8) является рядом Фурье /. Кроме того, показывается, что при выполнении не-
неравенства (9) условие
lim an log п = О (Ю)
п—>оо
необходимо и достаточно для сходимости ряда (8) по метрике пространства
L @, 2я) к функции / (t).
Эти утверждения А. Н. Колмогорова обобщались и распространялись на
различные случаи (Мур [33, 34], Чезари [35], Сидон [36], Боас [37], Теляков-
1 С другой стороны, Литтлвуд показал (см. [41; 3, с. 226]), что любое усло-
условие, накладываемое лишь на | ап | и допускающее, что {ап} ф 12, не может быть
достаточным, чтобы ряд (8) был рядом Фурье.
ский [38, 39], Фомин [40] и др.). Мы сформулируем здесь лишь наиболее общий
известный нам результат Теляковского [38] о том, что ряд (8) является рядо»*
Фурье — Лебега, если
и Р-
Аап-т - Аап+т
<оо.
п=0 п=2 т=1
При этом существует постоянная С такая, что интеграл
Условия A1) весьма громоздки (из-за второго неравенства), но из них вытекают-
достаточно общие и легко проверяемые условия. Например, если последователь-
последовательность {ап} такова, что
n=l
то верно и A1). Условия (S) эквивалентны условиям Сидона (см. [36, 39]) и при
их выполнении ряд (8) сходится по метрике L к / тогда и только тогда, когда вы-
выполнено A0) (см. [39]).
Отметим, что вопрос об интегрируемости функции/ (t), представимой рядом,
вида (8), а также оценка нормы этой функции через последовательность {ап}
тесно связаны с изучением суммируемости рядов Фурье линейными методами-,
(см., например, [38]).
Д. СОПРЯЖЕННЫЕ ФУНКЦИИ И РЯДЫ
В работе № 8 сначала доказывается теорема I о том, что если функция
/ е i @, 2л), a g (t) — сопряженная с / (t) функция, то
тЕ {f.te [0, 2я], | g @ | > Щ < -J. Ц/Ль
A2).
где С = const, а R > 0 — любое число.
Из этого соотношения совсем просто выводится неравенство (теорема II)
2Я
¦tfi/(/)l
о о
на основе которого устанавливается (теорема III), что
2Я
lim \
= О,
A3)-
A4),
где Sn (t, f) — частные суммы тригонометрического ряда Фурье a (/) функции
Именно в работе № 8 была впервые предложена идея представления част-
частных сумм Sn (*. /) через некоторые сопряженные функции, применение к кото-
370
Комментарии
рым неравенства A3) сразу же приводит к равенству A4). Эта идея впоследствии
многократно использовалась при изучении вопросов сходимости рядов Фурье
и их сопряженных рядов от функций из тех или иных пространств.
• Что касается неравенства A3), то различные варианты, его доказательства
<5ыли предложены, например, Литтлвудом [45], Харди [46], Титчмаршем [44]
и др.
Особенно важную роль в анализе (а не только в теории тригонометрических
рядов) стали играть неравенства типа A2). Прямые доказательства этого нера-
неравенства (т. е. без использования теоремы Привалова) были даны, в частности»
Титчмаршем [44] и Люмисом [47] (см. также [3, гл. 8; 4, гл. 7]).
Далее, обратим внимание на то, что неравенство A2) послужило, вероятно,
толчком к установлению Марцинкевичем [48] интерполяционных теорем для не-
некоторого класса операторов слабого типа (см. также [4, гл. 12]). Об этом гово-
говорит Зигмунд Bj статье, посвященной Марцинкевичу (см. [49, с. 19]). Более того,
само введение понятия операторов слабого типа навеяно, по-видимому, также
работой Колмогорова № 8. Все это, к сожалению, не отмечается должным об-
образом в соответствующей литературе.
Заметим еще, что неравенство A2) выводится Колмогоровым из одного лишь
предположения существования сопряженного оператора g = Af, т. е. одно су-
существование оператора А автоматически влечет количественную оценку A2)§
Это указывает на определенную связь с работой № 8 последующих результатов
Стейна об оценках слабого типа для операторов, инвариантных относительно
сдвига, их последующих обобщений (Никишин [50]) и др.
Наконец, упомянем книгу Жижиашвили [51], специально посвященную
сопряженным функциям и рядам, изложение в которой начинается с неравен-
неравенства А. Н. Колмогорова A3) и его обобщения.
Теперь отметим еще одну теорему Колмогорова (см. работу № 14)] о том, что
если функция j (t) <= L @, 2я), то функция 2 g (t) является Л-интегрируемой на
отрезке [0, 2л], а сопряженный к а (/) ряд о (/) является рядом Фурье от g (t)
в смысле В-интеграла, где В означает интеграл Данжуа — Бокса (см. еще [3,
гл. 8J и [4, гл. 7]). Из этого результата сразу же вытекает, что
S (/) = a (g), A5)
как только функции / и g принадлежат пространству L @, 2л).
Равенство A5) было также получено Смирновым [43] и Титчмаршем [44].
Далее, в монографии [42] А. Н. Колмогоров ввел (см. там с. 73—75) поня-
понятие обобщенного математического ожидания, которое повлекло за собой опреде-
определение А -интеграла 3. Именно, функция ф (t) является А -интегрируемой на отрез-
отрезке [а, Ъ] (ipel (о,- Ь)), если мера
mes E {t : t <= [а, Ь], | ф (<) | > п} = о A/и) при п —» оо
я существует предел
ь
Тригонометрические и ортогональные ряды (Л. Л. Ульянов) 371
где [ф (t)]n = ф (t) при | ф (t) |< п и [ф (t)]n = 0 при | ф (г) | > и. Число / и на-
называется по определению ^-интегралом функции ф (t) по отрезку [а, ?>]:
ъ
(A) J Ф [t)dt = /.
а
А -интеграл нашел применение и развитие в работах многих авторов (Улья-
(Ульянов, Церетели, Наканисхи, Очан, Виноградова, Хускивадзе, Бонди, Окано, Ру-
Рубинштейн, Лукашенко и др.), относящихся к изучению разнообразных вопросов-
теорий функций (тригонометрические ряды, граничные свойства аналитиче-
аналитических функций, теория интегрирования и др.). Так, например, было показано»
(см. Титчмарш [44] и Бари [3, гл. 8]), что если функция / е L @, 2я), то сопря-
сопряженная к ней функция g <= А @, 2я) и сопряженный ряд (к ряду Фурье от /)
является рядом Фурье от g в смысле А -интегрирования. Далее, Ульянов [53],
установил, что если область G ограничена достаточно гладкой замкнутой кривой1
Г, то всякий интеграл типа Коши — Лебега
фB)= *
аи
l, — z
'(П)
б,
является А -интегралом Коши, т. е.
-l^Ldl при z.
г
где Фг @ — предельные угловые значения Ф (z) изнутри области О прш
8-»5sF.C другой стороны, Хускивадзе [54] показал, что этот результат теряет
силу, если контур Г недостаточно гладок (например, содержит угловые точки).
ЛИТЕРАТУРА1
1. Marcinkiewicz J. Sur les series de Fourier.— Fund, math., 1936, vol. 27,.
p. 38-69.
2. Sunouchi G. Fourier series which belongs to the class H diverges almost every-
everywhere.— Kodai Math. Sem. Rep., 1953, vol. 1, p. 27—28.
3. Бари Н. К. Тригонометрические ряды. М.: Физматгиз, 1961.
4. Зигмунд А. Тригонометрические ряды/Пер, с англ. М.: Мир, 1965, Т. 1, 2.
5. Прохоренко В. И. О расходящихся рядах Фурье.— Мат. сб., 1968, т. 75,.
с. 185—198.
6. Tandori К. Em Divergenz fur Fourierreihen.— Acta sci. math., 1969, vol. 30,.
p. 43-48.
7. Zeller K. Ober Konvergenzmengen von Fourierreihen.— Arch. Math., 1955,
Bd. 6; S. 335—340.
8. Korner T. W. Sets of divergence for Fourier series.— Bull. London Math.
Soc, 1971, vol. 3, p. 152—154.
9. Ульянов П. Л. Расходящиеся ряды Фурье класса Lv (р ^ 2).— ДАН СССР,.
1961, т. 137, с. 786—789.
2 Функция g (t), вообще говоря, неинтегрируема по Лебегу на [0, 2я].
3 Название 4-интеграла также было предложено А. Н. Колмогоровым.
1 Список всех работ, содержание которых тесно связано с исследованиями
А. Н. Колмогорова по теории тригонометрических и ортогональных рядов,
просто необозрим. Рискованно даже назвать примерную цифру. Цитируемые
же здесь статьи и книги составляют незначительную часть из общего их коли-
количества.
372
Комментарии
Дескриптивная теория множеств (И. И. Парсвиченко)
373
10.
11.
42.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
Капп В. S. On Weyl's multipliers for almost everywhere convergence of or-
orthogonal series.— Anal, math., 1976, vol. 2, p. 249—266.
Tandori K. Einfacher Beweis eines Satzes von B. S. Kasin.— Acta sci. math
1977, vol. 39, p. 175-178.
Menchoff D. Sur les series de fonctions orthogonales bornees dans leur ensemb-
ensemble.— Мат. сб., 1938, т. 3, с. 103—120.
Menchoff D. Sur les multiplicateures de convergence pour les series de poly-
nomes orthogonaux.—Мат. сб., 1936, т. 1, с. 27—52.
Zahorski Z. Une serie de Fourier permutee d'une fonction de classe L2 divergen-
te presque partout.— С. г. Acad. sci. Paris, 1960, vol. 251, p. 501—503.
Ульянов П. Л. Расходящиеся ряды Фурье.— УМН, 1961, т. 16, вып. 3
с. 61—142.
Олевский А. М. Расходящиеся ряды из L2 по полным системам.— ДАН
СССР, 1961, т. 138, с. 545-548.
Вочкарее С. В. Расходящийся на множестве положительной меры ряд Фурье
для произвольной ограниченной ортонормированной системы.— Мат сб
1975, т. 98, с. 436-449.
Казарян К. С. О некоторых вопросах теории ортогональных рядов.— Мах
сб., 1982, т. 119, № 2, с. 278-294.
Littlewood J. E., Paley R. Е. А. С. Theorems on Fourier series and power
series.— J. London Math. Soc, 1931, vol. 6, p. 230—233.
Gosselin R. P. On the divergence of Fourier series.— Proc. Amer. Math Soc
1958, vol. 9, p. 278—282.
Zygmund A. On the convergence of lacunary trigonometric series.— Fund
math., 1930, vol. 16, p. 90—107.
Качмаж С, Штейнгауз Г. Теория ортогональных рядов/Пер, с нем. М.
Физматгиз, 1958.
Гапошкин В. Ф. Лакунарные ряды и независимые функции.— УМН, 1966
т. 21, вып. 6, с. 3—82.
Plessner A. Uber Konvergenz von trigonometrischen Reihen.— J. reine und
angew. Math., 1925, Bd. 155, S. 15—25.
Carleson L. On convergence and growth of partial sums of Fourier series.— Ac-
Acta math., 1966, vol. 116, p. 135—157.
Карлесон Л. О сходимости рядов Фурье и о росте их частичных сумм.— Ма-
Математика, 1967, т. 4, с. 113—132.
Hunt R. On the convergence of Fourier series.— In: Orthog. Expan. and their
Contin Anal. : Proc. Conf. Carbondale: Illinois Press,' 1968, p. 235—255.
Sjolin P. An inequality of Paley and convergence a. e. of Walch—Fourier se-
series.— Ark. for mat.,-1969, vol. 7, p. 551—570.
Fefferman C. Pointwise convergence of Fourier series.— Ann. Math., 1973
vol. 98, p. 551—571.
Лукашенко Т. П. Сходимость почти всюду рядов Фурье функций, сумми-
суммируемых с квадратом. М.: Изд-во МГУ, 1978, с. 3—109.
Kaczmarz S. Sur la convergence et la sommabilite des developperment ortho-
orthogonaux.— Stud, math., 1929, vol. 1, p. 87—121.
Tandori K. Genaue Weylsche Multiplikatorfolgen.— Acta sci. math., 1959,
vol. 20, p. 1-13.
Moore С. Н. On criteria for Fourier constants of L integrable functions.— Proc.
Nat. Acad Sci. USA, 1933, vol. 19, p. 846—848.
Moore С. Н. On the use of Cesaro means in determining criteria for Fourier
constants.— Bull. Amer. Math. Soc, 1933, vol. 39, p. 907—913.
"Cesari L. Sulle condizioni sufficenti per le successioni di Fourier.—Ann. Scuo-
la norm, super. Pisa, 1934, vol. 3, p. 105—134.
Sidon S. Hinreichende Bedingungen fur den Fourier-Charakter einer trigo-
trigonometrischen Reihe.— J. London Math. Soc, 1939, vol. 14, p. 158—160.
Boas R. P. Absolute convergence and integrability of trigonometric series.—
J. Rational Mech. and Anal., 1956, vol. 5, p. 621—632.
Теляковский С. А. Условия интегрируемости тригонометрических рядов и
их приложение к изучению линейных методов суммирования рядов
Фурье.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1964, т. 28, с 1209—1236.
39. Теляковский С. А. Об одном достаточном условии Сидона интегрируемости
тригонометрических рядов.— Мат. заметки, 1973, т. 14, с. 317—328.
40. Фомин Г. А. Об одном классе тригонометрических рядов.—Мат. заметки,
1978, т. 23, с. 213—222.
41 Littlewood J. E. On the mean values of power series.— Proc. London Math.
Soc, 1924, vol. 25, p. 328—337; J. London Math. Soc, 1930, vol. 5, p. 179—
182.
42. Колмогоров А. H. Основные понятия теории вероятностей. М.; Л.: ОНТИ,
1936; 2-е изд. М.: Наука, 1974.
43. Smirnoff V. Sur les valeurs limites des fonctions analytiques.— С. г. Acad.
sci. Paris, 1929, vol. 188, p. 131—133.
44. Titchmarsh E. C. On conjugate functions.— Proc. London Math. Soc, 1929,
vol. 29, p. 49—80.
45. Littlewood J. E. On a theorem of Kolmogoroff.— J. London Math. Soc,
1926, vol. 1, p. 229—231.
46. Hardy G. H. Remarks on there recent notes in the Journal.— J. London Math.
Soc, 1928, vol. 3, p. 166—169.
47. Loomis L. A note of Hilbert's transform.— Bull. Amer. Math. Soc, 1946, voL
52, p. 1082—1084.
48. Marcinkiewlcz J. Sur Interpolation d'operations.— С. г. Acad. sci. Paris,
1939, vol. 208, p. 1272—1273.
49. Marcinkiewicz J. Collected papers. Warszawa, 1964.
50. Никишин Е- М. Резонансные теоремы и надлинейные операторы.— УМН,
1970, т. 25, вып. 6, с. 129—191.
51. Жижиашвили Л. В. Сопряженные функции и тригонометрические ряды.
Тбилиси: Изд. Тбил. гос. ун-та, 1969.
52. Натансон И. П. К вопросу о разложении функций по ортонормированным
полиномам.— Изв. АН СССР. Сер. физ.-мат., 1933, т. 1, с. 85—88.
53. Ульянов П. Л. Об 4-интегралах Коши для контуров.— ДАН СССР, 1957,
т. 112, № 3, с 383—385.
54. Хускиеадзе Г. А. О сопряженных функциях и особых интегралах Коши.—
ДАН СССР, 1961, т. 140, № 6, с. 1270—1273.
ДЕСКРИПТИВНАЯ ТЕОРИЯ МНОЖЕСТВ
(И. И. Иаровиченко)
Работа № 13 заложила начала общей теории операций над множествами.
Предыстория вопроса восходит к французской математической школе начала ве-
века. Тогда в исследованиях Бореля, Бэра, Лебега и других возникла задача
описания таких процедур, которые из исходной совокупности множеств простой
структуры — в первую очередь на числовой прямой — приводили бы к содер-
содержательному описанию более сложных множеств.
Эта задача благодаря Н. Н. Лузину перекочевала в нашу страну. Вскоре
был получен замечательный результат. В связи с решением проблемы о мощно-
мощности борелевских множеств, или, как их называют, Д-множеств, Александровым
[10] была введена Л-операция, а Суслиным [14] было доказано, что если приме-
применить >1-операцию к замкнутым множествам на прямой, то могут получиться мно-
множества, дополнения к которым нельзя построить тем же способом. Отсюда следо-
следовало существование .4-множеств, не являющихся .^-множествами.
В комментируемой работе А. Н. Колмогоров вводит понятие бх-операции.
б«-операция Ф задается некоторой совокупностью подмножеств Й5О = {j}, j =
374
Комментарии
— {"¦i}jeN натурального ряда (числовых цепей) и некоторой совокупностью,
множеств е — {е (п)}, и е N. Каждому j е= 95О соответствует цепь множеств
ie ("i)}j?N' ni <= ЗЬ и ЯДР° этой цепи f]e {щ). Сумма ядер всех цепей, соответ-J
г
ствующих данной совокупности числовых цепей, и есть результат применения
данной операции Ф к данной совокупности множеств е. Таким образом,
ф («)= U П *(»), A)
где е: I -^ g> (У), 95О С ф (/), / — счетное множество. Автор доказывает, что-
существует Ф-множество, т. е. множество, получаемое с помощью некоторой
бе-операции из замкнутых множеств на прямой, дополнение к которому не явля-
является Ф-множеством. (Заключение этой теоремы назовем ^-свойством соответ-
соответствующего пространства).]
Общей теории операций над множествами, исходный пункт которой — ком-
комментируемая работа, посвящена недавно вышедшая монография [5]. Ниже мы
рассказываем о некоторых работах, относящихся к данной теории.
В [12] бя-операции были обобщены до теоретике-множественных операций
(ТМО), задаваемых булевыми многочленами в совершенной дизъюнктивной нор-
нормальной форме:
ф(е)= U ( П *(»)П П. (У \«(»))),
Дескриптивная теория множеств (И. И. Пароеиченко)
375
где / произвольно^ 95 называется базощ операции, а среди ТМО б^-операции ха-
характеризуются экстенсивностью базы [12]: |
При этом систему 23О из A) называют подбазой 95, так как наименьшая экстен-
экстенсивная система, содержащая 95О, есть как раз база 95 для Ф в смысле A*). Иа
класса абстрактных функционалов е -» Ф (е) с У, е: I -* $p (Y), ТМО выделя-
выделяются аксиомой: для всех Y, Z и f : Z -> У имеет' место формула: Ф (h о е) =
= h (Ф (е)), где h: А —» f~x [A],\ а для] таких функционалов соответствующая им
база выражения A*) получается| по формуле : 95 = Ф (е0), где е0: I -. ф (?р A)>
и Уи, {,W=(?|»eBC /},5 что, в частности,? дает метод приведения к со-
совершенной дизъюнктивной нормальной форме любого булева многочлена (см.
[4, 5]).
Основная теорема работы остается без изменений и для ТМО. В этом виде
она впоследствии обобщалась. Прежде всегоДбыло замечено, что для наличия
.йГ-своцства в пространстве X достаточно, чтобы там топологически содержался
канторов дисконтинуум D^e (до работы [3] здесь фигурировало ненужное тре-
бование замкнутостиD^' в X). Другое обобщение начинается'с замены card / =
=-Хо на card/= Ха; такую ТМО назовем )Ца-операцией. В( [9] Шнейдером
было доказано, что для Ха-операции if-свойство выполнено в тихоновской сте-
степени!) а. Затемгв [3, 4] при условии Яа = ^j 2 ^Я-свойство было доказано для
Ха-операции в трансфинитно арифметическом континууме Са (см. [2]). Са
трансфинитное обобщение числовой прям ой, которое получается дедекиндовым
пополнением линейно упорядоченного множества нормального типа г\а Хаус-
дорфа (см. первое издание его монографии [11]). Наконец, в [8] для ХоГ011еРац-ии
Чобаном было доказано, что для выполнения ^-свойства в пространстве X до-
достаточно наличие в X регулярного подпространства Хо веса Ха> котоРое не-
прерывно отображается на D а или / а (/ = [0, 1]) — теорема, обобщающая
предшествующие и дающая нечто новое даже в классическом случае а = О»
В [6] Пономаревым теорема Суслина и теорема о непустоте классов борелев-
ских множеств впервые были доказаны в принципиально новой ситуации: для
совершенно нормальных бикомпактов. В [3] для указанных пространств теоре-
теорема о непустоте классов была доказана в формулировке комментируемой работы.
Наконец, в [7] эта теорема была обобщена на Хга"опеРаЦии-
В заключение приведем определение Л-операции, и одну теорему о ней,
принадлежащие А. Н. Колмогорову, которые им не были опубликованы, но с
его согласия были включены Канторовичем и Ливенсоном в их работу [13].
Пусть Ф,_д есть бя-операция с натуральным рядом в качестве индексного мно-
множества и подбазой Й5О- R-операцией над Ф^, обозначаемой ДФ^, называется
&-операция, индексным множеством для которой служит множество К всех
кортежей из натуральных чисел, а подбазой — система всех множеств М cz К,
для которых выполнена совокупность следующих условий для каждого
(«!, s2, . . ., «„) е= К:
A) Vi < п, («!, s2, . . ., sj, . . ., sn) s M =Ф («j., s2. • • •> s0 e M>
B) {«! | (sj) <= M) s 95O и («i, s2, . . ., sn) <= M => {sn+i I («i, s2, . . ., sn,
sn+1) <= M) e SB0.j
Например, 4-операция есть Л-операция над операцией счетного суммирования.
Теорема. Если операция Ф + мощнее операции Ф^ , то ЛФ + мощнее
ЛФв<.
Л-операции впоследствии изучались (см., например, [1, 5]). В частности,
цитированная теорема недавно передоказывалась и обобщалась в [5].
Работа № 59 была посвящена семидесятилетию академика П. С. Алексан-
Александрова.
В качестве дополнения сделаем несколько замечаний к определению Г-
операции. База операции, дополнительной к данной б«-операции, состоит из
всех множеств, пересекающих каждое множество базы исходной операции (ср,
§ 2 работы № 13). Отсюда легко следует характеристическое свойство Г-цепей
П. С. Александрова, приведенное в работе, в выражении через интервалы Бэра
As, так как дополнительная А -операция имеет по определению в качестве под-
подбазы систему множеств вида {(s^, {s1: s2), (slt s2, s3), . . .} для всех последователь-
последовательностей «ц s2. *з, • • • натуральных чисел («регулярные цепи кортежей»). Интерва-
Интервалы Бэра либо не пересекаются, либо содержатся друг в друге, причем As+ С As.
если кортеж. s+ продолжает s. Поэтому максимальные интервалы любого покры-
покрытия пространства последовательностей интервалами Бэра, соответствующего
Г-цепи @, образуют дизъюнктное и потому минимальное подпокрытие, кото-
которому соответствует минимальная Г-цепь ©0 С ©• Минимальные Г-цепи образу-
образуют подбазу Г-операции, формулу для которой можно поэтому записать более
экономно: с использованием лишь Г-цепей ©0, соответствующих дизъюнкт-
дизъюнктным покрытиям интервалами Бэра. Подбаза б$-операции называется жесткой
376
Комментарии
если ее множества не содержатся друг в друге. Кроме Г-операции, жесткой под-
подбазой обладает и А -операция: ею служит система всех регулярны х цепей кор-
кортежей исходного определения, что здесь'очевидно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ляпунов А. А. Л-множества.— Тр. МИАН СССР, 1953, т. 40, с. 1—68.
2. Паровиченко И. И. К теории множеств, не удовлетворяющих аксиомам счет-
ности.— Уч. зап. Кишинев, ун-та. Сер. физ.-мат., 1957, т. 29, с. 15—24.
3. Паровиченко И. И. К дескриптивной теории множеств в топологических про-
пространствах.— ДАН СССР, 1971, т. 196, № 5, с. 1024—1027.
4. Паровиченко И. И. О теоретико-множественных операциях.— ДАН СССР,
1971, т. 201, № 1, с. 40-43.
5. Паровиченко И. И. Теория операций над множествами. Кишинев: Штиинца,
1981.
6. Пономарев В. И. О борелевских множествах в совершенно нормальных би-
бикомпактах.— ДАН СССР, 1966, т. 170, № 3, с. 520—523.
7. Чобан М. М. Модификация топологий и непустота классов.— Сердика
(Бълг. мат. списание), 1973, т. 1, с. 133—143.
8. Чобан М. М. Об операциях над множествами.— Сиб. мат. журн., 1975,
т. 16, №°. 6, с. 1332—1351.
9. Шнейдер В. Е. Дескриптивная теория множеств в топологических простран-
пространствах.— Уч. зап. МГУ. Сер. мат., 1949, т. 135, № 2, с. 37—85.
10. Alexandroff P. Sur la puissance des ensembles mesurables B.— C. r. Acad. sci.
Paris, 1916, vol. 162, p. 323—325.
11. Hausdorff F. Grundziige der Mengenlehre. Leipzig, 1914.
12. Kantorovitch L., Livenson E. Memoir on the analytical operations and proje-
ctive sets A).— Fund, math., 1932, vol. 18, p. 234—279.
13. Kantorovitch L., Livenson E. Memoir on the analytical operations and proje-
ctive sets B).— Fund, math., 1933, vol. 20, p. 55—97.
14. Souslin M. Sur une definition des ensembles mesurables В sans nombres tran-
sfinis.— С. г. Acad. sci. Paris, 1917, vol. 164, p. 88—91.
ТЕОРИЯ МЕРЫ И ИНТЕГРАЛА
(В. А. Скворцов)
К СТАТЬЕ «ИССЛЕДОВАНИЕ*ПОНЯТИЯ?ИНТЕГРАЛА»
Введенные в работе № 16 варианты определения интеграла вошли в ли-
литературу под названием «интеграл Колмогорова» для конечных или для счетных
разбиений [1]. Конструкция интеграла Колмогорова излагается в учебнике [2]
и в монографиях [3, 4]. Значение интеграла Колмогорова в развитии теории ин-
интеграла отмечается в монографиях [5, 6] и в статьях [7, 8]. Конструкция интег-
интеграла Колмогорова явилась результатом синтеза и глубокого обобщения много-
многочисленных, но разрозненных до того момента исследований по теории интеграла
типа Стилтьеса для функций на абстрактных множествах, в частности идей ч>ре-
ше, Мура и Беркилля.
В дальнейшем интеграл Колмогорова и его обобщения изучались, например,
в работах [3, 4, 9—23]. В частности, взаимосвязь двух вариантов интеграла
Колмогорова (для конечных или счетных разбиений) и связь этих интегралов
с другими интегралами рассматривались в [3, 13, 17, 23]. Интеграл Колмогорова
успешно применялся для получения с его помощью новых важных свойств раз-
Теория меры и интеграла (В. А. Скворцов)
377
личных интегралов, являющихся частным случаем интеграла Колмогорова
[12]. В [3] изучаются двойные и повторные интегралы Колмогорова и устанав-
устанавливается соответствующий вариант теоремы Фубини. В [3] также рассмотрены
некоторые приложения интеграла Колмогорова к функциональному анализу:
показано, что для некоторых пространств общие виды линейных операторов и
функционалов имеют интегральные представления в форме соответствующих
интегралов Колмогорова; доказаны теоремы существования и единственности
некоторых нелинейных интегральных уравнений, в записи которых участвуют
эти интегралы. Этот интеграл нашел применение и в математической физике
[20, 24]. Интеграл Колмогорова рассматривался и для случая функций со зна-
значениями в топологической группе [22].
Большую роль в дальнейшем развитии теории дифференцирования адди-
аддитивных функций множества сыграло Добавление II к работе № 16 (см. [4]). Здесь
устанавливается возможность дифференцирования одной аддитивной функции
множества относительно другой независимо от каких бы то ни было геометриче-
геометрических свойств пространства. При этом, по-видимому, впервые отмечена возмож-
возможность определить дифференцирование через интегрирование, т. е. положить в
основу определения производной для некоторой функции множества интеграль-
интегральное представление последней. В современной литературе производная в ука-
указанном смысле часто именуется производной Радона — Никодима [25].
Высказанные во введении к работе № 16 (см. также работу № 6) мысли о
неизбежном возникновении принципиальных трудностей при попытках объеди-
объединить единой схемой «абсолютные» интегралы и интегралы, связанные с отноше-
отношением порядка на числовой прямой, нашли в дальнейшем подтверждение и раз-
развитие во многих работах, посвященных взаимосвязи различных понятий ин-
интеграла. В связи с этим упомянем многочисленные работы, посвященные
А -интегралу, определение которбго (в форме обобщенного математического ожида-
ожидания) также принадлежит Колмогорову [26). Именно на том обстоятельстве, что
А -интеграл не зависит от сохраняющей меру замены аргумента (хотя и не яв-
является абсолютным), основаны примеры, показывающие, что он может проти-
противоречить интегралам Данжуа и другим упорядоченным интегралам (см. [27—
29]). Отметим, что и в теории упорядоченного интегрирования в последние де-
десятилетия возник для решения различных задач теории функций ряд определе-
определений обобщенных интегралов, которые также принципиально не поддаются объ-
объединению в единую схему, так как они могут приводить к разным значениям
интеграла на пересечении тех классов функций, для интегрирования которых
они введены [30—32].
К СТАТЬЕ «О ГРАНИЦАХ ОБОБЩЕНИЯ ИНТЕГРАЛА»
В работе № 6, публикуемой впервые в настоящем издании, не только дока-
доказываются утверждения, сформулированные без доказательства в № 5, но содер-
содержится ряд результатов, нигде ранее не публиковавшихся. Содержащееся в № 6
(см. § 6) описание класса обобщений широкого интеграла Данжуа, основанных на
введении обобщения понятия плотности множества, было бы интересно сравнить
с многочисленными обобщениями интеграла Данжуа в современной литературе
(см., например, [33]). Сделанные во введении к работе № 6 замечания о важности
378
Комментар ии
для некоторых разделов математики рассмотрения разрывных примитивных»
высказывавшиеся ранее и Н. Н. Лузиным [34], нашли подтверждение, в част-
частности, в многочисленных работах по применению теории интегрирования в тео-
теории ортогональных рядов [32, 35—37]. Однако при этом до сих пор не предпри-
предпринималось попыток построить аксиоматизацию таких интегралов, сходную с
осуществленной в № 5 и № 6.
К кругу идей о границах возможного расширения понятия интеграла, раз-
развитых во введении к № 6, примыкает также работа № 7 настоящего издания.
К СТАТЬЕ «О ПРОЦЕССЕ ИНТЕГРИРОВАНИЯ ДАНЖУА»
Результат статьи излагается в монографии [38]. Сходные вопросы рассмат-
рассматривались в [39—41]. См. также [42—46] и комментарий П. Л. Ульянова «Три-
«Тригонометрические и ортогональные ряды».
К СТАТЬЕ «К ТЕОРИИ МЕРЫ»
Значение работы № 21 для общей теории меры отмечалось во многих обзорах
и монографиях (см. [8, 47, 48]).
Особенностью комментируемой работы является то, что в ней вопросы
теории меры рассматриваются с геометрической, а не только лишь с теоретико-
множественной точки зрения. А. Н. Колмогоров накладывает на функции мно-
множеств, лежащих в евклидовом пространстве Йп, помимо стандартны х требований
полу аддитивности и а-аддитивности (требования I и II), а также требования нор-
нормировки (IV), следующее геометрическое требование (III): при отображениях
без растяжения мера множества не возрастает. Это обстоятельство приводит к
существованию при к < п двух мер .— верхней меры р,* и нижней меры ц& та-
таких, что любая fc-мерная мера (i удовлетворяет для любого А -множества Е С R7*
неравенству \ik (Е) < \х. (Е) < jZ* (E) и при этом оказывается, что )xk (E) =
= fl* (E), вслШЕестъ отображение без растяжения некоторого множества из Rk.
Идеи и методы, развитые в этой работе, широко использовались в дальней-
дальнейших исследованиях. Функция меры, удовлетворяющая условиям I—IV, сфор-
сформулированным во введении к № 21, получила в последующей литературе на-
название меры Колмогорова, а сами условия— аксиоматики Колмогорова. Эта ак-
аксиоматика обсуждается, в частности, в монографиях [48—50].
Безикович [51] изучал природу класса множеств, для которых мера Колмо-
Колмогорова однозначна в случае одномерной меры для множеств на плоскости. Он же
дал в [51] отрицательный ответ на высказанную в конце § 6 работы № 21 ги-
гипотезу о совпадении длины множества по Хаусдорфу с минимальной линейной
мерой по Колмогорову. Усилением этого результата является построенный Ви-
тушкиным, Ивановым и Мельниковым [52] пример множества на плоскости ко-
конечной положительной длины по Хаусдорфу и нулевой минимальной линейной
меры по Колмогорову. Таким образом, рассматриваемые меры не только не сов-
совпадают, но и несоизмеримы.
Поставленные в работе № 21 вопросы единственности fc-мерной меры в п-
мерном пространстве рассматривались затем в [53, 49, 55, 56].
Взаимоотношение колмогоровской меры с другими мерами изучал Небе-
линг [53, 54]. Он доказал, что для поверхностей ограниченного растяжения мно-
Теория меры и интеграла (В. А. Скворцов)
379
гие меры совпадают с колмогоровской, хотя и не удовлетворяют, вообще го-
говоря, аксиоматике Колмогорова.
Некоторые из дальнейших исследований в направлении изучения fc-мерных
мер в re-мерном пространстве были связаны со стремлением ввести такую ак-
аксиоматизацию функций меры, чтобы охватить меры, связанные с проектирова-
проектированием и могущие возрастать при отображениях, не увеличивающих расстояния.
Одна из таких аксиоматик была сформулирована Витушкиным [57].
К СТАТЬЕ «ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ СРЕДНЕГО»
О роли обобщенной формы среднего, найденной в № 17, см. в статье
А. Я. Хинчина [47] (см. также [59, 60]). Результаты, близкие к теореме статьи
№ 17, были получены Нагумо [58]. Дальнейшее продолжение ематики см.
в цикле работ Акцеля [61, 62].
ЛИТЕРАТУРА
1. Математическая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1979. Т. 2.
2. Смирнов В. И. Курс высшей математики. М.; Л.: Гостехиздат, 1947. Т. 5.
3. Гливенко В. И. Интеграл Стилтьеса. М.; Л.: ОНТИ, 1936.
4. Гогуадзе Д. Ф. Об интегралах Колмогорова и их некоторых приложениях.
Тбилиси: Мецниереба, 1979.
5. Медведев Ф. А. Развитие понятия интеграла. М.: Наука, 1974.
6. Лесин И. Н. Развитие понятия интеграла. М.: Наука, 1966.
7. Бари Н. К., Ляпунов А. А., Меньшов Д. Е., Толстое Г. П. Метрическая тео-
теория функций действительного переменного.— В кн.: Математика в СССР
за тридцать лет.: М.; Л. Гостехиздат, 1948.
8. Александров П. С, Хинчин А. Я. Андрей Николаевич Колмогоров (К 50-
летию со дня рождения).— УМН, 1953, т. 8, вып. 3, с. 194—200.
9. Гливенко В. И. Опыт общего определения интеграла.— ДАН СССР, 1937,
т. 14, с. 61—64.
10. Лейфман Л. Я. Об условиях существования интеграла Колмогорова и поня-
понятии дифференциальной эквивалентности.— УМН, 1957, т. 12, вып. 3, с. 343—
352.
11. Ле (фманЛ. Я. О предельном переходе под знаком интеграла Колмогорова.—
Изв. вузов. Математика, 1958, № 2, с. 182—196.
12. Лейфман Л. Я. Предельный переход под знаком интеграла с общей точки
зрения теории интеграла Колмогорова.— Изв. вузов. Математика, 1960,
№ 1, с. 139-153.
13. Кotlar M., Frenkel Y. Sobre la integral de Kolmogoroff.— Contrib. cient. Ser.
A (Univ. Buenos Aires), 1950, vol. 1, N 3, p. 48—63.
14. Палиивец Б. С. Об обобщенном понятии интеграла.— Вестн. МГУ. Сер.
мат., мех., 1968, № 5, с. 31—40.
15. Палиивец Б. С. О пространстве /-интегрируемых функций.— Вестн. МГУ.
Сер. мат., мех., 1968, № 6, с. 28—35.
16. Палиивец Б. С. О понятии диагональной эквивалентности счетно-аддитив-
счетно-аддитивных функций с параметром.— Вестн. МГУ. Сер. мат., мех., 1969, № 5, с. 37—
43.
17. Пр'оценко Д. Ф. К взаимоотношению между двумя типами интеграла Колмо-
Колмогорова.—УМН, 1965, т. 20, вып. 5, с. 237—242.
18. Getchel В. С. On the equivalence of two methods of defining Stieltjes integral.—
Bull. Amer. Math. Soc, 1935, vol. 41, p. 413—418.
19. Maeda F. Space of differential set functions.— J. Sci. Hiroshima Univ. Ser. A ,
1936, vol. 6, p. 19—45.
380
Комментарии
То"ки разрыва функций (Е. П. Долженко)
381
20
21.
22.
23.
24
25
26,
27,
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
. Maeda F. Representation of leanear operators by differential set functions
J. Sci. Hiroshima Univ. Ser. A, 1936, vol. 6, p. 115—137.
, Hildebrandt Т. Н. Definitions of Stieltjes integrals of the Riemann type.—
Amer. Math. Mon., 1938, vol. 49, p. 265—278.
Чернявский И. Я. Мультипликативный интеграл в топологической группе.—
Изв. вузов. Математика, 1961, № 5, с. 102—111.
Чернявский И. Я. Об условиях совпадения интегралов Беркила и Колмо-
Колмогорова.— Волж. мат. сб., 1965, № 3, с. 339—342.
Destouches J. L. Corpuscules et systtmes de corpuscules. Paris, 1941. T. 1.
Ватта G. de. Measure theory and integration. London, 1981.
Колмогоров А. Н. Основные понятия теории вероятностей. М.; Л.: ОНТИ,
1936.
Виноградова И. А. О неопределенном 4-интеграле.— Изв. АН СССР. Сер.
мат., 1961, т. 25, № 1, с. 113—142.
Виноградова И. А. О представлении измеримой функции неопределенным
А -интегралом.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1962, т. 26, № 4, с. 581—604.
Церетели О. Д. Интегральный аналог теоремы Римана об условно сходя-
сходящихся рядах.— Сообщ. АН ГССР, 1963, т. 30, № 4, с. 385—392.
Скворцов В. А. Теорема дю-Буа-Реймона для обобщенных интегралов и три-
тригонометрических рядов, суммируемых методом Абеля—Пуассона.— Вестн.
МГУ. Сер. мат., мех., 1964, № 4, с. 16—20.
Скляренко В. А. Об интегрируемых по Данжуа суммах всюду сходящихся
тригонометрических рядов.— ДАН СССР, 1973, т. 210, № 3, с. 533—536.
Виноградова И. А., Скворцов В. А. Обобщенные интегралы и ряды Фурье.—
В кн.: Итоги науки. Математический анализ. 1970 г. М.: ВИНИТИ, 1971, .
с. 65—107.
Sarkhel D. N., De А. К. The proximally continuous integrals.— J. Austral
Math. Soc. Ser. A, 1981, vol. 31, p. 26—45.
Лузин Н. Н. Интеграл и тригонометрический ряд. М.; Л.: Гостехтеориздат,
1951.
Denjoy A. Lecons sur le calcul des coefficients d'une series trigonometrique. ,
Paris, 1941—1949.
Marcinkiewicz J., Zygmund A. On the differentiability of functions and sum-
mability of trigonometrical series.— Fund, math., 1936, vol. 26, p. 1—43.
Burkill J. C. Integrals and trigonometrical series.— Proc. London Math.
Soc, 1951, vol. 1, N 1, p. 46—57.
Зигмунд А. Тригонометрические ряды /Пер. с англ. М.: Мир, 1965. Т. 1.
Titchmarsh E. С. On conjugate functions,— Proc. London Math. Soc, 1929,
vol. 29, p. 49—80.
Смирнов В. И. Sur les valeurs limites des fonctions analytiques.— C. r. Acad.
sci. Paris, 1929, vol. 188, p. 131—133.
Смирное В. И. Sur les valeurs limites des fonctions regulifres a l'interieur d'un
cercle.— Журн. Ленингр. физ.-мат. о-ва, 1929, т. 2, № 2, с. 22—37.
Лукашенко Т. П. Сопряженные функции и узкий интеграл Данжуа.— Мат.
сб., 1977, т. 104, № 1, с. 89—139.
Лукашенко Т. П. Интегралы Данжуа и сопряженные функций.— В кн.г
Современные проблемы теории функций: Матер. Всесоюз. школы по теории
функций. Баку, 1977. Баку: Изд. Азерб. гос. ун-та, 1980, с. 163—166.
Лукашенко Т. П. Сопряженные функции и интегралы.— Изв. АН СССР.
Сер. мат., 1972, т. 36, № 2, с. 435—449.
Лукашенко Т. П. Интегрируемые по Боксу неизмеримые функции.— Мат.
заметки, 1975, т. 17, № 1, с. 49—56.
Бари Н. К. Тригонометрические ряды. М.: Физматгиз, 1961.
Математика в СССР за 15 лет. М.: Гостехтеориздат, 1932.
Хадвигер Г. Лекции об объеме, площади поверхности и изопериметрии/Пер.
с англ. М.: Мир, 1966.
Иванов Л. Д. Вариации множеств и функций. М.: Наука, 1975.
Витушкин А. Г. О многомерных вариациях. М.: Гостехиздат, 1955.
51
52
54
55
59
60
61
Besicovitch A. S. On the Kolmogoroff maximum and minimum measures.—
Math. Ann., 1936, Bd. 113, N 3, S. 416-423.
Витушкин А. Г., Иванов Л. Д., Мельников М. С. Несоизмеримость мини-
минимальной линейной меры с длиной множества.— ДАН СССР, 1963, т. 151,
№ 6, с. 1256—1259.
53. Nobeling G. Ober den Flacheninhalt dehnungsbeschrankter Flachen.— Math.
Ztschr., 1942, Bd. 48, S. 747.
Nobeling G. Cber die Flachenmafie in Euklidischen Raum.— Math. Ann.,
1943, Bd. 118, S. 687—701.
Federer H. The (Ф, k) rectifiable subsets of n space.— Trans. Amer. Math. Soc,,
1945, vol. 62, N 1, p. 114—142.
56. Жильцов В. А. О единственности гипермер в евклидовых пространствах.—
Изв. АН СССР. Сер. мат., 1973, т. 37, № 6, с. 1428-1436.
57. Витушкин А. Г. Доказательство полунепрерывности сверху вариации мно-
множества.— ДАН СССР, 1966, т. 166, № 5, с. 1022—1026.
58. Nagumo M. Ober eine Klasse der Mittelwerte.— Jap. J. Math., 1930, vol. 7,
p. 71—79.
Finetti B. de. Sul concetto di media.— G. 1st. ital. Attu. Ann., 1931, vol. 2,
p. 369—396.
Харди Г. Г., Литтлъвуд Дж. Е., Полиа Г. Неравенства/ Пер. с англ. М.:
Изд-во иностр. лит., 1948.
Aczel J. The notion of mean values.— Kgl. norske vid. selsk. forh., 1946, bd 19,
N 23, s. 83-86.
62. Aczel J. A generalization of the notion of convex functions.— Kgl. norske vid.
selsk. forh., 1946, bd 19, N 24, s. 87-90.
ТОЧКИ РАЗРЫВА ФУНКЦИЙ
(E. П. Долженко)
В работах № 22, 24 обнаружены тонкие метрические свойства произвольных
ограниченных разрывных функций. Здесь впервые установлена основная теоре-
теорема о контингенциях плоских множеств: каково бы ни было множество на плос-
плоскости, множество точек, в которых контингенция этого множества не является
либо плоскостью, либо полуплоскостью, либо прямой, имеет длину нуль,
причем все точки, в которых контингенция не является плоскостью, распола-
располагаются на счетном числе спрямляемых кривых. Она получается в качестве прос-
простого следствия главного результата указанных работ, утверждающего, что мно-
множество не нормальных точек функции располагается на счетном числе спрямля-
спрямляемых кривых, а множество нелинейных не нормальных точек на каждой из этих
кривых имеет длину нуль. В том же 1934 г. был опубликован результаг
А. С. Безиковича о том, что точки плоского множества, в каждой из которых у
этого множества имеется касательная (т. е. контингенция является прямой или
лучом), представляют собой объединение не более чем счетного числа множеств
конечной длины.
Основная теорема о контингенциях является наглядным и чрезвычайно важ-
важным инструментом в исследовании геометрических свойств множеств, теории
дифференцирования функций. В частности, эта теорема дает весьма простую гео-
геометрическую интерпретацию теореме Данжуа о производных числах. Несколь-
Несколько позже и независимо Ф. Роже доказал основную теорему о контингенциях для
плоских и пространственных множеств. Позже исследования И. Я.Верченко и
А. Н. Колмогорова были продолжены в работах И. Я. Верченко и Ф. И. Шмидова
382
Комментарии
Теория приближений (С. А. Теляковский, В. М. Тихомиров)
383
A935), У. Хаелам-Джонса A936). Так называемые метрические ковтингенции
рассматривались Ф. И. Шмидовым A943). В дальнейшем идеи, использованные
при доказательстве теорем о контингенциях, применялись в геометрической тео-
теории меры, теории многомерных вариаций, теории дифференцирования функций,
теории моногенных функций и отображений.
ТЕОРИЯ ПРИБЛИЖЕНИЙ
(С. А. Теляковский, В. М. Тихомиров)
1. Работа № 27 вызвала к жизни большое число исследований, приведши!
к созданию целого направления в теории приближений функций.
Обобщение работы А. Н. Колмогорова велось в разных направлениях»
Изучались верхние грани уклонений не только частных сумм рядов Фурье, но
и других средних, построенных с помощью рядов Фурье или интерполяцион-
интерполяционных полиномов. Верхние грани уклонений брались по другим классам функций,
рассматривались уклонения в других метриках. Эта задача рассматривалась
также для приближений алгебраическими многочленами, для функций многих
переменных и т. п.
Первым значительным продолжением работы А. Н. Колмогорова был цикл
;работ С. М. Никольского, опубликованных в 1940—1946 гг. Поэтому изучение
асимптотического поведения верхних граней уклонений
С lTt,u)=sup\\f(x)-u {-f,x)\\ A)
иногда называют задачей Колмогорова — Никольского или говорят о констан-
константах Колмогорова — Никольского.
Укажем здесь только результаты, непосредственно продолжающие работу
А. Н. Колмогорова, относящиеся к приближению частными суммами рядов
Фурье sn (/, х).
Пусть Wp обозначает класс периодических функций /, у которых производ-
производная порядка р — 1 удовлетворяет условию Липшица
I /(р-г) (*) - /(р-х) (у) | < \х - у |, р = 1, 2, . . .
СМ. Никольский [1,2] распространил оценку Колмогорова на классы W1',
«опряженные с функциями класса Wp:
4 log га , q I
С
п
•1 п \ п
Он доказал также [3], что обе эти оценки справедливы и для приближений со-
соответствующих классов функций в метрике L.
С. М. Никольский [4] рассмотрел также приближение функций класса Н
модуль непрерывности со (/, б) которых удовлетворяет условию <о (/, б) <
<! со (б), где со (б) — некоторый выпуклый модуль непрерывности, и доказал
оценку
Л/2
Ефимов [5] показал, что для многих классов 50? выделение главного члена
асимптотики величин Сп (ОТ, s) можно свести к нахождению верхней грани
и-го коэффициента Фурье функций некоторого класса.
Изучался также вопрос, в какой мере верхние грани уклонений Сп (ОТ, s>
могут достигаться на индивидуальной функции / е ОТ. Доронин [6] доказал, на-
например, что в классе W1 существует функция / такая, что
п , s)
а Осколков [7] показал, что верхний предел здесь нельзя заменить на предел.
Точнее, он установил, что
max Им
— CJW\s) [2
Выяснялся характер зависимости от параметра р остаточного члена в асимп-
асимптотической формуле Колмогорова. Соколов [8] установил оценку
| JL П П
с абсолютной постоянной А .1Теляковский [9] показал, что справедливо асимпто-
асимптотическое равенство
С (Wp, s) = — log
—r-4 .
min(p,n)
О
1
равномерное по р и п. Эта оценка дает главный член асимптотики величин
Сп (Wp, s) при условиир = о (и) и показывает, что если это условие не выполне-
выполнено, то Сп (Wp, s) = О A/ир) равномерно по п и р. Главный член асимптотики в
указанном случае нашел Стечкин [10].
Приближение функций многих переменных прямоугольными частными
суммами рядов Фурье изучали Бугаец, Степанец и др.
2. Работа [№ 28 определила новое направление исследований в теории при-
приближений. Здееь была введена новая характеристика аппроксимативных свойств
классов функций, получившая впоследствии название и-поперечника по Колмо-
Колмогорову или колмогоровского поперечника. Начиная с 60-х годов к поперечникам
классов функций привлечено значительное внимание.
Если воспользоваться геометрическим языком, то можно сказать, что в ра-
работах Чебышева и его последователей изучались расстояния от конкретных
функций до конкретных множеств (алгебраических или тригонометрических.
полиномов, рациональных функций). В работах Балле Пуссена, С. Н. Берн-
штейна, Джексона, Фавара и многих других изучались величины уклонений за-
заданных функциональных [классов от конкретных множеств. J|g
В работе № 28 А. Н. Колмогоров предложил исследовать для заданного-
класса функций те множества, для которых соответствующие уклонения явля-
являются наименьшими. Точнее, в этой работе поставлен и для двух частных слу-
случаев решен вопрос о нахождении наилучших аппроксимирующих подпрост-
подпространств заданной размерности. Впоследствии стали изучать и другие подобные
384
Комментарии
Теория приближений (С. А. Теляковский, В. М. Тихомиров)
385
характеристики, другие поперечники. В этом комментарии мы ограничиваемся
только колмогоровскими поперечниками.
В своей работе А. Н. Колмогоров исследует вопрос о поперечниках клас-
классов функций, получивших сейчас название соболевских классов. Соболевским
классом F?* (q > 1, р > 0) называется класс периодических функций, у которых
р-я производная в пространстве Li ограничена единицей (производная понима-
понимается по Вейлю). Соответствующий непериодический класс обозначается Fq.
В работе № 28 исследуются поперечники классов F%* H.F* для целых р. Было
¦обнаружено, что в периодическом случае наилучшим аппроксимирующим под-
подпространством размерности In + 1 является пространство тригонометрических
полиномов степени п, а в непериодическом случае — некоторое специальное
подпространство функций, являющихся решением дифференциального уравне-
уравнения порядка 2 р.
Естественность появления тригонометрической системы для приближений
в периодическом случае [в пространстве L2 была настолько велика, что
А. Н. Колмогоров высказывает в работе № 28 предположение о единственности
(с точностью до линейного преобразования) этого классического аппроксими-
аппроксимирующего аппарата. Но здесь ситуация оказалась сложнее. Оказалось, что в за-
задаче о поперечниках существенна неоднозначность решения, о чем будет сказано
ниже.
После работы № 28 и до конца 50-х годов поперечникам по Колмогорову
было посвящено немного работ. Рудин [11] исследовал поперечники классов F\
в метрике ?2. В работах [12, 13] был вычислен поперечник n-мерного октаэдра в
гильбертовом пространстве, результаты этих работ были приложены Стеч-
киным[14] для вычисления порядка поперечников классов F™ в С и F1 в L2.
В конце 50-х годов появились работы, которые возбудили новый интерес
к проблематике.
В работах [15, 16] и ряде последующих (некоторые итоги этих исследований
подведены в [17]) Бабенко стал исследовать поперечники классов функций мно-
многих переменных и связывать эти вопросы с задачами вычислительной матема-
математики.
В работах Тихомирова [18, 19] с помощью впервые примененных в этом
круге вопросов топологических методов были вычислены точные значения попе-
поперечников по Колмогорову классов F™ и F™* в пространстве С.
При этом была обнаружена существенная неоднозначность наилучшего ап-
аппроксимирующего аппарата и, в частности, установлено, что даже в периодиче-
периодическом случае наряду с классическим аппаратом приближения — пространством
тригонометрических полиномов — столь же точно приближают Соболевские
классы пространства сплайнов.
В дальнейшем была полностью исследована задача о порядке поперечни-
поперечников соболевских классов /"?* в метрике L9'. При этом было установлено, что при
q J> д' и при q < q', 1 ^ д' ^ 2, решение задачи дают тригонометрические по-
полиномы (см. об этом в монографии [20]). Исмагилов [21] впервые установил, что
существуют пары F^ , Lq , для которых тригонометрическое приближение не-
неоптимально по порядку. Полное решение задачи о порядке поперечников собо-
соболевских классов было дано Кашиным [22]. Впоследствии было выяснено, что
во многих случаях наилучший порядок дают не тригонометрические полиномы,
а подпространства, натянутые на экспоненты с разбросанными гармониками.
Точное решение находили Миччелли, Пинкус и др. (см. [27]).
Корнейчуком [23] была точно решена принципиальная задача о поперечни-
поперечниках в пространстве С класса периодических функций с заданной оценкой моду-
модуля непрерывности производной порядка р.
Были найдены также поперечники некоторых классов аналитических функ-
функций. При этом постановка задачи о поперечниках привела здесь к принципиаль-
принципиально новым методам (Ерохин [24]).
Описание всех экстремальных подпространств эллипсоида (частным слу-
случаем эллипсоидов являются классы, изучаемые в работе № 28) дал Карловиц
[25]. Подробная библиография содержится в книге [27].
3. Работа № 49 посвящена перенесению некоторых теорем теории равно-
равномерных приближений с функций действительного переменного на комплексные
функции. Рассматриваются приближения полиномами по системе функций
фх (z), . . ., фп (z) и даются обобщения теоремы Чебышева о характеристическом
свойстве полинома наилучшего приближения и теоремы Хаара о единственности.
Характеристическое свойство полинома наилучшего приближения, содер-
содержащееся в теореме 1, для приближений классическими многочленами, т. е. для
щ (z) = я*, было известно (Тонелли [26]).
После этой работы А. Н. Колмогорова появились исследования характерис-
характеристических свойств элементов .наилучшего приближения и вопросов единственно-
единственности в более общей ситуации. Рассматривались функции со значениями в абст-
абстрактных пространствах, приближения элементов банаховых пространств.
Например, В. Н. Никольский [28] нашел критерий элемента наилуч-
наилучшего приближения при приближении в комплексном банаховом пространстве
элементами произвольного подпространства. Этот критерий формулируется в
терминах, близких к теореме 1 работы № 49, но вместо значений функций в точ-
точках участвуют значения линейных функционалов на элементах банахова про-
пространства. Вопрос о том, какое множество функционалов здесь нужно брать,
изучали Зингер [29], Шоке [30], Гаркави [31].
ЛИТЕРАТУРА
1
Никольский С. М. Асимптотическая оценка остатка при приближении сум-
суммами Фурье.— ДАН СССР, 1941, т. 32, с. 386—389.
2. Никольский С. М. Приближение периодических функций тригонометриче-
тригонометрическими многочленами.— Тр. МИ АН СССР, 1945, т. 15.
3. Никольский СМ. Приближение функций тригонометрическими полиномами
в среднем.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1946, т. 10, с. 207—256.
4. Никольский С. М. Ряд Фурье функций с данным модулем непрерывности.
ДАН СССР, 1945, т. 52, с. 191—194.
5. Ефимов А. В. Приближение функций с заданным модулем непрерывности
суммами Фурье.—Изв. АН СССР. Сер. мат., 1959, т. 23, с. 115—134.
6. Доронин Г. Я. Некоторые неравенства для приближений тригонометриче-
тригонометрическими полиномами.— ДАН СССР, 1949, т. 69, с. 487—490;
7. Осколков К. И. Оценка приближения непрерывных функций подпоследова-
подпоследовательностями сумм Фурье.— Тр. МИАН СССР, 1975, т. 134, с. 240—253.
1/, 13 А, Я. Колмогоров
386
Комментарии
8. Соколов И. Г. Остаточный член ряда Фурье дифференцируемых функций.—
ДАН СССР, 1955, т. 103, с. 23-26.
9. Теляковский С. А. Приближение дифференцируемых функций частными
суммами их рядов Фурье.— Мат. заметки, 1968, т. 4, с. 291—300.
10. Стечкин С. Б. Оценка остатка ряда Фурье для дифференцируемых функ-
функций.— Тр. МИАН СССР, 1980, т. 145, с. 126—151.
11. Rudin W. /^-approximation by partial sums of orthogonal developments.—
Duke Math. J., 1952, vol. 19, N 1, p. 1—4.
12. Колмогоров А. Н., Петров А. А., Смирнов Ю. М. Одна формула Гаусса из
теории метода наименьших квадратов.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1947.
т. 11, с. 561—566.
13. Мальцев А. И. Замечание к работе А. Н. Колмогорова, А. А. Петрова, Ю. М.
Смирнова «Одна формула Гаусса из теории наименьших квадратов».— Изв.
АН СССР. Сер. мат., 1947, т. 11, с. 587—588.
14. Стечкин С. В. О наилучшем приближении заданных классов любыми поли-
полиномами.— УМН, 1954, т. 9, вып. 1, с. 133—134.
15. Бабенко К. И. О приближении периодических функций многих переменных
тригонометрическими многочленами.— ДАН СССР, 1960, т. 132, с. 247—
250.
16. Бабенко К. И. О приближении одного класса периодических функций мно-
многих переменных тригонометрическими многочленами.— ДАН СССР, 1960,
т. 132, № 5, с. 982—985.
17. Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов задач
математической физики/Под ред. К. И. Бабенко. М.:-Наука, 1979.
18. Тихомиров В. М. Поперечники множеств в функциональном пространстве
и теория наилучших приближений.— УМН, 1960, т. 15, вып. 3, с. 81—120.
19. Тихомиров В. М. Наилучшие методы приближения и интерполирования
в пространстве С ([—1,1]).— Мат. сб., 1967, т. 80, № 2, с. 290—304.
20. Тихомиров В. М. Некоторые вопросы теории приближений. М.: Изд-во
МГУ, 1976.
21. Исмагилов Р. С. Поперечники множеств в линейных нормированных про-
пространствах и приближение функций тригонометрическими многочленами.—
УМН, 1974, т. 29, вып. 3, с. 161—178.
22. Кашин Б. С. Поперечники некоторых конечномерных множеств и классов
гладких функций.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1977, т. 41, с. 334—351.
23. Корнейчук Н. П. Экстремальные значения функционалов и наилучшее при-
приближение на классах периодических функций.— Изв. АН СССР. Сер. мат.
1971, т. 35, № 1, с. 93—124.
24. Ерохин В. Д. О наилучшей линейной аппроксимации функций, аналитически
продолжаемых с данного континуума в данную область.— УМН, 1968, т. 23,
вып. 1, с. 91—119.
25. Karlovitz L. On a class of Kolmogorov n-width problems.— Atti Accad. naz.
Lincei. Rend. Cl. sci. fis., mat., 1973, vol. 53, N 3—4, p. 241—245.
26. Tonelli L. I polinomi d'approssimizione di Tchebychev.— Ann. mat., 1908,
vol. 15, N 3, p. 47-119.
27. Pinkus A. д-widths in approximation theory. Berlin, Spring.-Verl., 1985.
28. Никольский В. Я. Наилучшее приближение элементами выпуклых множеств
в линейных нормированных пространствах.— Уч. зал. Калинин, гос. пед.
ин-та, 1963, т. 29,,с, 85—119.,- ,-..,
29. Singer I. Choquet spaces and best approximation.— Math. Ann., 1962, Bd.
148, N 4, S. 330—340. : . , .
30. Choquet G. Sur la melleure approximation dans les eSjiaces-vactoriels normes.—
Rev. math, pures et appl. (RPR), 1963, vol. 8, N 4, p. 541—542.
31. Гаркави А. Л. О критерии элемента "наилучшего приближения.— Снб. м»т.
журн., 1964, т. 5, № 2, с. 472—476. ; ;
Неравенства для проивводных (В. М .Тихомиров, Г. Г. Магарил-Ильяев) 387
НЕРАВЕНСТВА ДЛЯ ПРОИЗВОДНЫХ
(В. М. Тихомиров, Г. Г. Магарил-Ильяев)
Первые результаты,1 относящиеся к исследованию неравенств для произ-
производных вида
(О < fc < п — целые, 1 < j>, q, r < оо, a, р > 0 и / = R или R+), были
получены в работах Ландау [1] и Адамара [2]. Там были найдены точные кон-
константы в A) при fc = 1, и = 2, p = q=r—сов случаях / = R+ (Ландау) и
/ = R (Адамар).
В конце ЗО-х годов А. Н. Колмогоров поставил перед своим курсовиком,
впоследствии замечательным математиком Шиловым, задачу распространить
неравенство Адамара на произвольные к ж п. Шилов доказал ряд частных
результатов (составивших его первую научную публикацию) и сформулиро-
сформулировал верную гипотезу относительно общего случая. Гипотеза состояла в том, что
при р = g = г = оо, / = R экстремальной функцией в неравенстве A) (т. е.
функцией, на которой неравенство обращается в равенство) является периоди-
периодическая функция, п-я производная которой принимает одинаковые по модулю
значения, чередуя знаки на равных интервалах. Такие функции изучал еще Эй-
Эйлер, а незадолго до описываемых событий интерес к этим функциям был вновь
возрожден известными работами Фавара, Ахиезера и Крейна. Доказать свою
гипотезу Шилов не смог. А. Н. Колмогоров сам увлекся этой задачей и
получил ее полное решение. Этот результат и поныне остается наиболее ярким
во всей проблематике, связанной с неравенствами вида A).
В комментируемой работе № 40 сформулирована более общая задача, а
именно задача о неравенствах между'произвольными конечными наборами норм
в LOT (R) последовательных производных. Такая постановка возможна и на дру-
других многообразиях, а не только на R и R+. Некоторые частные результаты в этом
направлении для Z/TO'(R) получены Родовым [3] и Дзядыком и Дубовиком [4, 5].
В работе Динь Зунга и Тихомирова [6] указанная задача полностью решена
для функций из Ьг (RN) ж Z/2 (T1) и дробных производных. Важнейший частный
случай, когда / = RN, р = q = г = 2, был изучен ранее в диссертации Суб-
Субботина 17]; По-видимому, случай р = q = г = 2 единственный, когда в общей
постановке задача может быть исследована до конца.
Цри доказательстве основной теоремы А. Н. Колмогоровым был установлен
ряд вспомогательных утверждений, которые впоследствии многократно исполь-
использовались при доказательстве некоторых результатов теории приближений и в
других вопросах (Корнейчук, Тайков, Габушин и др.).
Стечкин [8] обнаружил тесную связь между задачей о вычислении точ-
точной константы в A) и задачей о наилучшем приближении оператора дифферен-
дифференцирования на соответствующем классе функции. Эти исследования вызвали
новый интерес к проблематике, связанной с неравенствами A).
Результаты по своей завершенности, подобные колмогоровскому (т. е. ког-
когда вычислена точная константа в A) для всех fc и га и некоторых р, диг), полу-
получены еще всего лишь в трех случаях на прямой: Харди — Литтлвуд — Полна
13*
388
Комментарии
[9] (р = q =-- г = 2); Штейн [10] (р = q = г = 1); Тайков [11] (? = оо, р =
= г = 2) и в двух случаях на полупрямой: Любич [12], Купцов [13] (р =<? = г =
= 2); Габушин [14] (q = оо, р = г — 2). Некоторые качественные и количест-
количественные аспекты в задаче при p = g=r=oo,/ = R+ были получены Шенбер-
Шенбергом и Кавареттой и Тихомировым. Кроме того, нам известно порядка 20 част-
частных случаев. Арестов: / = R или R+, к = 1, и = 2, р = оо, диг любые; / =
= R или R+, fc = 1, 2, и = 3, р = q = оо, г любое; Бердышев: / = R+, Л = 1,
ге = 2, р = g = г — 1; Габушин: / = R, fc = 0, 1, п = 2, р любое, g = г =
= оо; Магарил-Ильяев: / = R+, А; = 0, 1, п = 2, р любое, у = г = оо; / =
= R или R+, А; = 0, 1, п = 2, р = 1, g = оо, г > 1; Маторин: / = R+, к =
= 1, 2, п — 3, р = q = г — оо; Надь: / = R или R+, /с = 0, п = 1, р, #, г лю-
любые; Соляр: / = R, 2A; = п, q = 2, р любое, г = р/ (р — 1). Ссылки на все эти
результаты содержатся в [15]. В работе [16] доказана одна теорема двойствен-
двойственности для неравенства A), когда q = оо. Из этой теоремы получаются следую-
следующие точные результаты: / = R или R+, к — 0, п = 2, р любое, q = оо, г = 1;
/ = R или R+, к = 1, п = 3, р любое, <? = оо, г = 1. Отметим еще работу [17],
где разобран один случай неравенства A), когда А; дробное, а п целое.
Буслаев получил точные неравенства в случаях: / = R, 0 < fc < w, п =
— 2, 3, nlq = (n — А;)/р, г = оо [18]. Здесь нет теоремы существования, однако
наилучшая константа в неравенстве достигается на последовательности функ-
функций, сходящихся в пределе к функции, являющейся экстремалью в собствен-
собственно колмогоровском неравенстве (I = Л, р = q = г = оо, 0 <С к <^_ п).
Подобные точные неравенства представляют несомненный интерес для тео-
теории экстремальных задач — это ее полигон. Почти все неравенства могут быть
установлены непосредственным применением стандартных методов теории или
незначительными их модификациями (частично об этом см. Алексеев, Га леев,
Тихомиров [19, § 12]). По нашему мнению, число точных результатов не может
значительно увеличиться в будущем, поскольку это связано с необходимостью
решать трудные нелинейные уравнения. Поэтому интересны'разного рода качест-
качественные вопросы, которые могут заложить основы общей теории нелинейных урав-
уравнений, подобных тем, которые возникают как уравнения Эйлера соответствую-
соответствующих экстремальных задач. Среди работ, относящихся к этой тематике, укажем
работы Арестова [20], Габушина [21, 22] (в [21] получен критерий существования
неравенства A)), Буслаева, Магарил-Ильяева и Тихомирова [23] (где доказана
теорема существования экстремальных функций в неравенстве A)), Квонга и
Зеттла [24].
Мультипликативные неравенства вида A) для функций многих переменных
играют важную роль в теории уравнений с частными производными и в теории
вложения классов гладких функций. Вопросы существования такого сорта не-
неравенств рассмотрены, например, в работах Бесова [25], Бесова, Ильина и Ни-
Никольского [26], Магарил-Ильяева [27]. Что касается точных результатов, то,
помимо уже цитированных работ [6, 7], отметим работы Коновалова [28] и Бус-
Буслаева и Тихомирова [29].
Аналогичную роль играют неравенства A) и для периодических функций.
Вопросам существования посвящены работы [25, 26] и работа Клоца [39]. Ряд
точных неравенств установлен в работах Лигуна.
Классическое неравенство Колмогорова послужило отправным моментом для
Неравенства для производных (В. М. Тихомиров, Г. Г. Магарил-Илъяев) 389
осмысления вообще функционально аналитической природы мультипликатив-
мультипликативного неравенства. В частности, изучались такие неравенства для степеней опе-
операторов, определенных на абстрактных гильбертовых и банаховых пространст-
пространствах. Здесь следует указать на пионерскую работу Любича [12].
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
ЛИТЕРАТУРА
Landau E. Einige Ungleichungen far zweimal differentzierbare Funktionen.—
Proc. London Math. Soc, 1913, vol. 2, № 13, p. 43—49.
Hadamard J. Sur le module maximum d'une fonction et de ses derivees.—
C. r. seanses Soc. math., 1914, vol. 41, p. 68—72.
Родов А. М. Зависимость между верхними гранями производных функции
действительного переменного.—Изв. АН СССР. Сер. мат., 1946, т. 10, с. 257—
270.
Дзядык В. К., Дубовик В. А. К проблеме А. Н. Колмогорова о зависимостях
между верхними гранями производных вещественных функций, заданных
на всей оси.— Укр. мат. журн., 1974, т. 26, № 3, с. 300—317.
Дзядык В. К., Дубовик В. А. К неравенствам А. Н. Колмогорова о зависимо-
зависимостях между верхними гранями производных вещественных функций, задан-
заданных на всей оси.— Укр. мат. журн., 1975, т. 27, № 3, с. 291—299.
Динъ Зунг, Тихомиров В. М. О неравенствах для производных в метрике
^2.— Вестн. МГУ. Сер. мат., мех., 1979, № 2, с. 7—11.
Субботин Ю. Н. Экстремальная функциональная интерполяция и при-
приближение сплайнами: Докт. дис. Свердловск, 1973.-
Стечкин С. Б. Наилучшее приближение линейных операторов.— Мат. за-
заметки, 1967, т. 1, № 2, с. 137—148.
Харди Г. Г., Литтлъвуд Дж. Е., Полиа Г. Неравенства/ Пер. с англ. М.:
Изд-во иностр. лит., 1948.
Stein E. M. Functions of exponential type.— Ann. Math., 1957, vol. 65, № 3,
p. 582—592.
Тайков Л. В. Неравенства типа Колмогорова и наилучшие формулы числен-
численного дифференцирования.— Мат. заметки, 1968, т. 4, № 2, с. 233—238.
Любич 10. И. О неравенствах между степенями линейного оператора.— Изв.
АН СССР. Сер. мат., 1960, т. 24, с. 825—864.
Купцов Н. П. Колмогоровские оценки для производных в L2 [0, оо).— Тр.
МИАН СССР, 1975, т. 138, с. 94—117.
Габушин В. Н. О наилучшем приближении оператора дифференцирования
на полупрямой.— Мат. заметки, 1969, т. 6, № 5, с. 573—582.
Магарил-Илъяев Г. Г. Вложение обобщенных Соболевских классов и неравен-
неравенства для производных: Канд. дис. М.: МГУ, 1980.
Магарил-Ильяев Г. Г. Неравенства для производных и двойственность.—
Тр. МИАН СССР, 1983, т. 161, с. 183—194.
Магарил-Илъяев Г. Г., Тихомиров В. М. О неравенстве Колмогорова для
дробных производных на полупрямой.— Anal, math., 1981, vol. 7, N 1,
p. 37-47.
Буслаев А. П. О точных константах и неравенствах для производных.—
В кн.: Школа по теории операторов в функциональных пространствах: Тез.
докл. Минск, 1982, с. 29.
АлексеевВ. М., Галеев 9. М., Тихомиров В. М. Сборник задач по оптимизации.
М.: Наука, 1983.
Арестов В. В. О наилучшем равномерном приближении операторов дифферен-
дифференцирования.— Мат. заметки, 1969, т. 5, № 3, с. 273—284.
Габушин В. Н. Неравенства для норм функций и ее производных в метриках
Lp.— Мат. заметки, 1967, т. 1, № 3, с 291—298.
Габушин В. Н. Наилучшее приближение функционалов на некоторых мно-
множествах.— Мат. заметки, 1970, т. 8, № 5, с. 551—562.
Буслаев А. П., Магарил-Ильяев Г. Г. Тихомиров В. М. О cvmecTBOeaHHH эк-
13* А. Н. Колмогоров
390
Комментарии
Кольца непрерывных функций (Е. А. Горин)
391
стремальных функций в неравенствах для производных.— Мат. заметки,
1982, т. 32, № 6, с. 823—833.
24. Kwong М. К., Zettl A. Ramifications of Landau's inequality.— Proc. Roy.
Soc. Edinburg, 1980, vol. 86A, p. 175—212.
25. Бесов О. В. Мультипликативные оценки для интегральных норм дифферен-
дифференцируемых функций многих переменных.— Тр. МИ АН СССР, 1974, т. 131,
с. 3—15.
26. Бесов О. В., Ильин В. П., Никольский С. М. Интегральные представления
функций и теоремы вложения. М.: Наука, 1975.
27. Магарил-Ильяев Г. Г. Задача о промежуточной производной.— Мат. замет-
заметки, 1979, т. 25, № 1, с. 81—96.
28. Коновалов В. Н. Точные неравенства для норм функций, третьих частных,
вторых смешанных или косых производных.— Мат. заметки, 1978, т. 23,
№ 1, с. 67-78.
29. Буслаев А. П., Тихомиров В. М. О неравенствах для производных в много-
многомерном случае.— Мат. заметки, 1979, т. 25, № 1, с. 59—74.
30. Клоц Б. Е. Приближения дифференцируемых функций функциями большей
гладкости.— Мат. заметки, 1977, т. 21, № 1, с. 21—32.
КОЛЬЦА^НЕПРЕРЫВНЫХ ФУНКЦИЙ
(Е. А. Горин)
Работа № 41 явилась одной из первых, где по существу обсуждается тезис:
«если X — топологическое пространство с достаточно благополучной тополо-
топологией и С (X) — совокупность всех действительных (или комплексных) непре-
непрерывных функций на X, то снабженное достаточно богатой алгебраической или
топологической [структурой С (X) определяет X с точностью до гомеоморфиз-
гомеоморфизма». Существуют (хаусдорфовы и регулярные) топологические пространства во-
вообще без непрерывных действительных функций, кроме констант. В этой связи
по соображениям, приведенным в работе, пространство X разумно предполагать
вполне регулярным и, более того, хотя бы сначала — компактом (не обязатель-
обязательно метризуемым).
Разумеется, дополнительные операции и структуры на С (X) предполага-
предполагаются согласованными с естественными поточечными. Имея это в виду и считая
для простоты X компактом, мы можем наделить С (X) структурой аддитивной
группы, векторного пространства, мультипликативной полугруппы, решетки,
метрического пространства с метрикой, порожденной sup-нормой, банахова
пространства, кольца, алгебры, топологического векторного пространства, то-
топологической (банаховой) алгебры и т. д. Часть из названных структур слаба
для идентификации компакта X. Например, аддитивные группы всех сепара-
бельных банаховых пространств изоморфны. В качестве векторного простран-
пространства С (X) позволяет отличить бесконечные метрические компакты от конечных
и в последнем случае определить число элементов. Первые примеры негомео-
морфных метрических компактов X с топологически изоморфными векторными
пространствами С (X) указывали Банах и Борсук еще в начале 30-х годов, а в
1951 г. Милютин установил, что все пространства С (X), где X — несчетный
метрический компакт, линейно топологически изоморфны между собой. С дру-
другой стороны, класс изометрии С (X) определяет X с точностью до гомеомор-
гомеоморфизма (Банах, 1932; предположение о метризуемости X в этой теореме в даль_
нейшем было снято Стоуном). С (X) определяет X и как [векторная решетка
(Какутани, 1941).
В первой части данной работы устанавливается, что алгебраический изо-
изоморфизм С (X) и С (У) влечет за собой гомеоморфность компактов X и У. По на-
нашему мнению, значение этой части работы не столько в том, что данный резуль-
результат является формальным усилением предшествующей теоремы Стоуна — Ши-
Шилова, которые предполагали наличие топологического изоморфизма между ал-
алгебрами С (X) и С (У), сколько в методе, основанном на идентификации макси-
максимальных идеалов с точками компакта. Во второй части, где речь идет об алгеб-
алгебрах С" (X) ограниченных непрерывных функций на произвольном вполне регу-
регулярном пространстве, существенно используются чеховские расширения. И здесь,
на наш взгляд, важнее доказанных теорем соображения, позволяющие в алгеб-
алгебраических терминах опиеать чеховское расширение. В дальнейшем эти идеи
развивались: беря вместо С (X) ту или иную подалгебру, в качестве «простран-
«пространства максимальных идеалов» можно получать различные полезные компактифи-
кации исходного пространства X. Безусловный интерес представляют и схемы
доказательств, различные модификации которых в дальнейшем применялись при
исследовании максимальных идеалов других симметричных алгебр функций.
Названная в начале предыдущего абзаца теорема фактически сводится к рас-
рассмотрению топологического изоморфизма алгебр. Действительно, если, напри-
например, основное поле — действительные числа, то неотрицательность функции
равносильна представимости ее в виде квадрата, а это свойство сохраняется при
изоморфизме. Поэтому сохраняются соотношения / ~^> g, откуда вытекает непре-
непрерывность. Сам по себе факт автоматической непрерывности изоморфизма сохра-
сохраняется для алгебраических) изоморфизмов и комплексных алгебр всех непрерыв-
непрерывных функций. Более того, в дальнейших исследованиях Гельфанда было
обнаружено, что каждый гомоморфизм из банаховой алгебры в полупростую
коммутативную банахову алгебру автоматически непрерывен. Это, конечно, вле-
влечет за собой автоматическую непрерывность изоморфизмов полупростых комму-
коммутативных банаховых алгебр. Оказалось (Джонсон, 1967), что и коммутативность
здесь не важна: каждый эпиморфизм из банаховой алгебры на полупростую ба-
банахову алгебру непрерывен. С другой стороны, в допущении континуум-гипо-
континуум-гипотезы для каждого бесконечного компакта X имеются разрывные мономорфизмы
из С (X) в некоторую банахову алгебру (так что норма на С (X) допускает раз-
разрывное усиление; Далее, Эстерль, 1977).
Если компакт X обладает дополнительной структурой, например является
гладким или аналитическим многообразием с краем, то вместо всего С (X) имеет
смысл рассматривать его подпространства и подалгебры. Пусть для простоты
X — выпуклый компакт в комплексном евклидовом пространстве Сп и А (X)
состоит из непрерывных функций, аналитических внутри X. Относительно есте-
естественных операций и нормы А (X) является замкнутой подалгеброй в С (X) и,
как и в случае С (X), максимальные идеалы А (X) соответствуют точкам. Алгеб-
Алгебраический изоморфизм между двумя такими алгебрами А (X) и A (Y) оказывает-
оказывается топологическим и индуцирует гомеоморфизм между X aY, сохраняющий ана-
аналитическую структуру внутри. Этот факт по существу есть легкое следствие об-
общих теорем теории банаховых алгебр. В частности, если X — шар, У — поли-
полидиск и п ^ 2, то ввиду теоремы Пуанкаре А (X) и А (У) неизоморфны. Более тон-
13*
392
Комментарии
кий результат принадлежит ;Хенкину A968): в последнем случае А (X) и A (Y)
неизоморфны даже как банаховы пространства.
В последней части работы рассматривается алгебра С (X) всех непрерывных
функций на произвольном вполне регулярном пространстве X. Такую алгебру,
вообще говоря, не удается снабдить какой-либо топологией с хорошими свой-
свойствами, и поэтому принятый в работе подход, связанный с рассмотрением С (Z)
как чисто алгебраической структуры, в этой ситуации выглядит особенно есте-
естественно. Результаты последней части данной работы получили непосредственное
дальнейшее развитие в исследованиях Хьюитта, Нагаты, Сироты и многих дру-
других. Если от произвольных пространств X перейти, например, к многообразиям
Штейна и взять совокупность А (X) голоморфных функций, то возникают вопро-
вопросы типа обсуждавшихся выше, но за пределами банаховых пространств.
Снабдим А (X) топологией равномерной сходимости на компактах. Топо-
Топологический изоморфизм векторных пространств А (X) и А (У), вообще говоря,
не приводит к (биголоморфной) эквивалентности многообразий, например, такие
пространства в шаре и полидиске той же размерности изоморфны. Однако для
полидисков различной размерности изоморфизма пространств уже нет, и первые
доказательства были основаны на оценках е-энтропии компактов в этих прост-
пространствах (А. Н. Колмогоров, 1958). Заметим, кстати, что алгебраический изо-
изоморфизм алгебр А (X) непрерывен и порождает биголоморфную эквивалентность
многообразий.
Таким образом, данная небольшая по объему работа может рассматриваться
в качестве одного из источников многочисленных и разнообразных исследований.
Наряду с работами Стоуна и Шилова она явилась одной из первых работ, где об-
общеалгебраическая идея максимального идеала и новая концепция пространства
максимальных идеалов были с успехом привлечены к проблемам теоретико-мно-
теоретико-множественной топологии. С неменьшим успехом в применении к проблемам мате-
математического анализа эта концепция проявляется в возникшей в конце 30-х годов
гельфандовской теории коммутативных банаховых алгебр над полем комплекс-
комплексных чисел (в этом, кстати, ее отличие от общей теории коммутативных колец, где
главную роль играют не максимальные, а простые идеалы; в отличие от простых
идеалов максимальные идеалы банаховой алгебры замкнуты). Впрочем, не лиш-
лишне, быть может, отметить, что в успехе этой теории принципиальную роль сыграл
выбор в качестве основного именно поля комплексных чисел, что позволило не
только установить естественное биективное соответствие между максимальными
идеалами и комплексными гомоморфизмами, но и привлечь аппарат комплекс-
комплексного анализа для изучения алгебр, весьма далеких от С (X), что зачастую при-
приводит к глубоким результатам, не имеющим простых вещественных аналогов.
КРИВЫЕ В ГИЛЬБЕРТОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ
(Ю. А. Розанов)
В работах № 42 и 43 рассматриваются функции t —* | (<) действительного
переменного t со значениями ?.(').е Н в гильбертовом пространстве, для которых
преобразования сдвига и подобия в пространстве переменного t индуцируют ана-
аналогичные преобразования в пространстве Н над \ (t). При реализации Н как
К раОоте по интуиционистской логике (А. Н. Колмогоров)
393
гильбертова пространства (типа L2) случайных величин речь идет о случайных
процессах со стационарными приращениями и их подклассах (стационарных
процессах, процессах со стационарными ортогональными приращениями, вине-
ровском процессе) с точки зрения их корреляционной и спектральной структуры.
Непосредственным продолжением работ № 41 и 42 явились многочисленные ис-
исследования различных авторов, посвященные случайным функциям на группах
и однородных пространствах, а также обобщенным случайным функциям, со-
соответствующие классы которых (случайные поля с однородными приращениями
и др.) были охарактеризованы с точки зрения их корреляционной и спектраль-
спектральной структуры, что потребовало, в частности, соответствующей характеризации
положительно определенных функций, обобщающей известную теорему Бохне-
ра — Хинчина (основные результаты и библиографию можно найти, например,
в книге [1]). Нужно отметить, что классы случайных функций \ (t), те или иные
вероятностные свойства которых подобно-инвариантны относительно преобразо-
преобразования подобия над переменным t, оказались важными в различных приложениях,
в частности в статистической физике (см. по этому поводу, например, книгу [2]).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гелъфанд И. М., Виленкин Н. Я. Некоторые применения ^гармонического
анализа. М.: Физматгиз, 1961.
2. Синай Я. Г. Теория фазовых переходов. М.: Наука, 1980.
К РАБОТАМ
ПО ИНТУИЦИОНИСТСКОЙ ЛОГИКЕ
А. Н. Колмогоров
Работа № 9 (ПТНД) мыслилась мной как вводная часть более ши-
широкого замысла. Построение в рамках интуиционистской математи-
математики моделей различных разделов классической математики должно
было служить для обоснования их непротиворечивости (непротиво-
(непротиворечивость интуиционистской математики при этом считалась след-
следствием ее интуитивной убедительности). Для обоснования непротиво-
непротиворечивости классической логики высказываний такой путь, конечно,
излишен, но предполагалось, что метод окажется применимым и
к обоснованию непротиворечивости классической арифметики (ср.
работу Гёделя 1933 г.).
Работа № 19 (ТИЛ) писалась в надежде на то, что логика реше-
решения задач сделается со временем постоянным разделом курса ло-
логики. Предполагалось создание единого логического аппарата, имею-
имеющего дело] с объектами двух типов — высказываниями и задачами.
394
Комментарии
Интуиционистская логика (В. А. Успенский, В. Е. Плиско)
395
ИНТУИЦИОНИСТСКАЯ ЛОГИКА
(В. А. Успенский, В. Е. Плиско)
Обе логико-математические работы А. Н. Колмогорова — «О принципе ter-
tium non datur »г (№ 9 наст, изд.) [9] и «^толкованию интуиционистской логики»
(№ 19 наст, изд.) [10] (в дальнейшем будем обозначать их ПТНД и ТИЛ) — по-
посвящены интуиционистской логике. Они были написаны в то время, когда изуче-
изучение неклассических логических систем только начиналось. Многие вопросы,
впервые рассмотренные в этих работах, впоследствии были исследованы други-
другими авторами. Известный специалист в области математической логики Ван Хао
в своем предисловии [42] к английскому переводу ПТНД в [30] пишет: «Эта статья
в большой степени предвосхитила не только гейтингову формализацию интуи-
интуиционистской логики, но и результаты о переводимости классической математи-
математики в интуиционистскую. Она устанавливает важную связь между интуициониз-
интуиционизмом и другими исследованиями по основаниям математики». В предисловии
к хрестоматии [30] ее составитель отмечает, что ПТНД представляет] собой пер-
первое систематическое исследование интуиционистской логики.
Цель настоящего комментария — проследить развитие идей, выдвинутых
А. Н. Колмогоровым в его логико-математических работах.
Текст статьи ПТНД перепечатывается в настоящем издании без существенных
изменений (исправлены только замеченные опечатки). Статья ТИЛ переведена
с немецкого. При переводе несколько изменена запись логических формул: вме-
вместо принятой в оригинале точечной системы записи (см. [24, § 11]), ныне редко
употребляемой, используется более привычная для современного читателя ско-
скобочная система. Эта же скобочная система принята и в ПТНД, и в настоящем ком-
комментарии.
При записи пропозициональных формул мы придерживаемся символики, ко-
которая использована в ТИЛ. Она несколько отличается от символики, принятой
в ПТНД. Именно мы пишем D вместо —» для обозначения импликации, ~~\А
вместо Л для обозначения отрицания; в качестве пропозициональных перемен-
переменных мы используем строчные латинские буквы (в ПТНД используются прописные
буквы). Квантор всеобщности в ПТНД и ТИЛ записывается в виде (х), а кван-
квантор существования в ПТНД —в виде (Ех) (в ТИЛ квантор существования не
встречается); мы пользуемся современными формами записи: Vx и Эх.
I
Интуиционистское направление в математике (называемое в ПТНД «интуи-
тивистским») возникло в начале XX в. благодаря работам Брауэра, Вейля и др
Философские и методологические предпосылки интуиционизма изложены, на-
например, в книге Рейтинга [3], где, в частности, говорится:
«К интуиционистам мы относим тех математиков, которые принимают еле
дующие два принципа:
1. Математика обладает не только чисто формальным, но и содержательным
значением.
1 Tertium non datur (лат.) — третьего не дано.
2. Математические предметы непосредственно постигаются мыслящим духом;
следовательно, математическое познание не зависит от опыта».
Первый принцип противопоставляет интуиционизм формалистской точке зре-
зрения, принятой в качестве рабочего методологического принципа гильбертовой
школой обоснования математики. Как отмечается в ПТНД, гл. I, формалистская
(называемая в ПТНД «формальной») точка зрения на математику утверждает,
что математика представляет собой совокупность предложений определенного
формализованного языка, выводимых из некоторой системы аксиом, причем вы-
выбор аксиом произволен и подчиняется лишь более или менее условным сообра-
соображениям практического удобства, а также обязательному требованию непроти-
непротиворечивости. Вопрос об истинности или ложности математических суждений
с формалистской точки зрения не имеет смысла. Можно говорить лишь об их до-
доказуемости или опровержимости на основе аксиом.
Таким образом, первый из перечисленных принципов интуиционизма при-
признает за математикой существование предмета ее исследования, однако второй
принцип объясняет его исключительно продуктом мышления, отрицая какой бы
то ни было объективный, независимый от мышления характер математических
предметов.
Отвергая связь истинности математических суждений с опытом, в качестве
единственного критерия истинности в математике Брауэр провозглашает интуи-
интуицию. При этом, как указывает Гейтинг [3, с. 20], брауэровскую интуицию не сле-
следует понимать в каком-то «мистическом» смысле. Речь идет лишь о том, что соглас-
согласно концепции Брауэра математические объекты рождены человеческой мыслью
и потому истинность суждений о них полностью определяется представлениями
(об этих объектах) того математика, в сознании которого сложились эти объекты.
Строго говоря, с точки зрения интуиционизма сколько математиков — столько
и математик. Однако в силу каких-то общих свойств человеческого мышления
возможно] образование в сознании разных людей сходных математических поня-
понятий. К ним относится, например, понятие натурального числа. Отправляясь от
этого понятия, на основе интуиционистских представлений может быть развита
своеобразная математическая теория.
Исходные] философские предпосылки интуиционизма оказались неприемле-
неприемлемыми для значительной части математиков и были подвергнуты обоснованной
критике. Так, А. Н. Колмогоров в предисловии к книге [3] пишет: «Мы не можем
согласиться, что математические объекты являются продуктом конструктивной
деятельности нашего духа. Для нас математические объекты являются абстрак-
абстракциями реально существующих форм независимой от нашего духа действитель-
действительности». Однако и интуиционистская критика классической теоретико-множест-
теоретико-множественной математики оказалась весьма плодотворной для математики в целом, так
как привлекла внимание к проблемам конструктивного образования абстрактных
математических понятий и к вопросу о границах применимости классической ло-
логики.
С точки зрения интуиционизма как конструирование математических объек-
объектов, так и рассуждения о них должны подчиняться критерию интуитивной ясно-
ясности и убедительности. Касаясь отношений между математикой и логикой, Гей-
Гейтинг [3, с. 22] указывает, что в интуиционистской математике умозаключения не
производятся по заранее установленным правилам (как в формалистской концеп-
396
Комментарии
Интуиционистская логика (В. А. Успенский, В. Е. Плиско)
39?
ции Гильберта), т. е. не фиксируется какая-либо априорная логическая система.
Убедительность каждого логического шага должна проверяться непосредственно
в соответствии с интуицией. Это, однако, не исключает существования общих
правил, по которым из одних истинных математических предложений интуитив-
интуитивно ясным путем получаются другие истинные математические предложения. Та-
Таким образом, имеет смысл говорить об интуиционистской логике как о совокуп-
совокупности интуитивно приемлемых способов математических умозаключений. Осно-
Основоположник интуиционизма Брауэр предпринял анализ принципов аристотеле-
аристотелевой логики и пришел к выводу, что применимость закона исключенного третье-
третьего (tertiumj поп datur), выражаемого логической формулой a \J ~] а, не во всех
случаях можно считать очевидной.
II
В работе ПТНД впервые предпринимается попытка построения формальной
логической системы, которая содержала бы только интуиционистски приемлемые
законы логики высказываний. С этой целью подвергается критическому анализу
система аксиом классической логики, предложенная Гильбертом. В результате
формулируется следующая система аксиом интуиционистской логики, обозначае-
обозначаемая 95:
1. аЗ F 3 a);
2. (О(О Ъ)) D(O Ъ);
3. (O(iD с)) D@(O с));
4. FDc)D {(a Di)D(O с));
5. (eD*)D((O~li)D~l a).
Другие законы логики высказываний разрешается получать из этих аксиом
с помощью правила подстановки и правила заключения, или правила «модус по-
ненс», позволяющего от формул A 3 В и А перейти к формуле В.
Система 35 (как и рассматриваемая в ПТНД гильбертова система аксиом для
классической логики высказываний) содержит логические законы, касающиеся
импликации и отрицания, в то время как, скажем, дизъюнкция и конъюнкция
остаются вне поля зрения. В этом заключается некоторая ограниченность пред-
предлагаемой системы. Однако заметим, что связки 3 и ~~\ выражают наиболее
важные с логической точки зрения отношение следования и операцию отрицания,
а дополнительные аксиомы, разъясняющие смысл конъюнкции и дизъюнкции
(например, упоминаемые в ПТНД аксиомы Аккермана для дизъюнкции), могут
быть без изменений перенесены из классической логики в интуиционистскую.
Кроме того, именно ограниченность системы Й5 делает результаты о возможности
погружения в нее классической логики особенно сильными.
Пополненная естественными логическими законами для дизъюнкции и конъ-
конъюнкции система 35 превращается в так называемое минимальное исчисление.
Это исчисление и термин «минимальное» были введены Иогансоном [33]. Чёрч
[24, § 26] называет минимальное исчисление «минимальным пропозициональным
исчислением Колмогорова и Иогансона». Оправданием такой терминологии
служит не только основополагающая роль А. Н. Колмогорова в формировании
минимального исчисления, но и следующий факт: всякая формула, выводимая
в минимальном исчислении и содержащая лишь знаки импликации и отрицания,
выводима и в колмогоровской системе 95.
В § 3 главы V работы ПТНД рассматриваются интуитивно очевидные пре-
предикатные аксиомы:
I. V х (А (х) 3 В (х)) 3 С хА (х) 3 V хВ (х));
II. V x{AZ) В (х)) DDDbB {x));
III. V х (А (х) JC)DC xA (x) 3 С);
IV. А (х) 3 Э fA (x)
и правило вывода Р, позволяющее от формулы А перейти к формуле V хА.
После присоединения этих аксиом и правила Р к системе ИЗ возникает некоторый
вариант интуиционистского исчисления предикатов. Аналогичным путем из ми-
минимального пропозиционального исчисления получается минимальное исчисле-
исчисление предикатов.
Таким образом, система 35, введенная в работе ПТНД, является первой аксио-
аксиоматизацией интуиционистской логики высказываний, а ее предикатное расши-
расширение — первой аксиоматизацией интуиционистской логики предикатов. Позд-
Позднее другие системы интуиционистской логики (с более широким запасом вводи-
вводимых формул) были предложены Гливенко [28], Гейтингом [31], Генценом [27].
Все они оказались эквивалентными в том смысле, что в них выводимы одни и те-
же логические принципы. Особенностью системы 35 и минимального исчисления,
отличающей их от системы Гейтинга и эквивалентных ей систем, является не-
неприятие логического принципа
По мнению А. Н. Колмогорова, эта формула не имеет интуитивных оснований
«как утверждающая нечто о последствиях невозможного: мы обязаны признать
Z?, если признали ложным истинное суждение А» (ПТНД, гл. II, § 4).
Невозможно доказать адекватность представления интуиционистской логи-
логики посредством какой-нибудь системы аксиом, если сама эта логика не имеет
точной семантики. Все же, независимо от каких-либо семантических уточнений,
наибольшее признание получила система аксиом, предложенная Гейтингом (как
и в ТИЛ, мы сохраняем нумерацию аксиом, назначенную Гейтингом [31]):
2.1 а 3 а. Д а
2.11 а /\bZDb /\а
2.12 (аЗ ЬK (а Д сЗ 6 Д с)
2.13 (аЗ Ъ) Д (ЫЭс) 3 (аЗ с)
2.14 Ъ 3 (а 3 Ъ)
2.15 а Л (а 3 Ь) 3 Ь
3.1 аз а V Ъ
3.11 ау ЫЭЪ\/ а
3.12 (а 3 с) Д (Ъ 3 с) 3 (а V Ь 3 с)
4.1 1 а 3 (а 3 Ь)
4.11 (аз Ъ) Д (О1 &)ЗН а
Эта и эквивалентные ей системы и получили в дальнейшем название интуицио-
интуиционистского исчисления высказываний. Были найдены разрешающие процедуры
для этого исчисления, т. е. алгоритмы, позволяющие для произвольной форму-
формулы установить, выводима ли она в этом исчислении (Генцен [27], Яськовскийс
[32], Пильчак [15], [16], Воробьев [2] и др.). Обнаружены алгебраические и то-
топологические интерпретации интуиционистской логики высказываний, естест-
«83
Комментарии
венным образом обобщающие интерпретации классической логики посредством
булевых алгебр (Стоун [40], Тарский [41], Маккинси и Тарский [36, 37], Расева
{38]). Наиболее близкой к собственно логическому содержанию интуиционистско-
со исчисления высказываний (и исчисления предикатов) оказалась семантика
этого исчисления, предложенная Крипке [35]. Детальное изложение различных
интерпретаций интуиционистской логики содержится в книгах [5, 20].
III
Выше мы отмечали, ссылаясь на Гейтинга [3], что фиксирование интуицио-
интуиционистской логики в виде какой-либо системы аксиом не имеет принципиального
значения для интуиционизма. Однако построение такой системы позволяет сде-
сделать интуиционистскую логику предметом математического исследования, уже
не зависящего от методологических принципов интуиционизма. После того как
интуиционистское исчисление высказываний явно сформулировано, сам тер-
термин «интуиционистское» свидетельствует лишь об истории возникновения его
и не должен вводить в заблуждение при оценке подлинной сущности этого исчис-
исчисления как логико-математического объекта.
Таким образом, систему 25 из работы ПТНД можно характеризовать как
подсистему интуиционистского исчисления высказываний и одновременно как
импликативно-негативный фрагмент минимального исчисления Иогансона.
Именно в таком контексте основные результаты этой работы и формулируются
в книге Чёрча [24]. А именно результаты главы III из ПТНД сформулированы в
J24] (упражнение 26.20) следующим образом: если в некоторой теореме класси-
классического исчисления высказываний, в которой нет связок, отличных от имплика-
импликации и отрицания, заменить все вхождения каждой переменной на ее двойное
¦отрицание, то получающаяся формула будет теоремой минимального исчисления.
Результаты главы IV в несколько обобщенной форме сформулированы в [24]
<упражнение 38.12) так. Для каждой формулы А исчисления предикатов следую-
следующим образом определим формулу А* («перевод» формулы А): если А есть эле-
элементарная формула, то А* есть ~~]~\ А; (А Д В)* есть ~~]~\ (А* Д В*); (А V
V В)* есть ~П (А* V В*); (А 3 В)* есть ~П (Л* Z) В*); П А)* есть ~] А*;
«ели А есть V хВ, то А* есть ~\ ~~\ УхВ*; если А есть 3 хВ, то А* есть ~\~~\ 3 хВ*.
¦Формула А является теоремой классического исчисления предикатов тогда и
только тогда, когда А* есть теорема минимального исчисления предикатов.
В действительности в работе ПТНД «перевод» классических теорем на язык
интуиционистской системы осуществляется не только для логических формул.
По существу там намечена схема получения для широкого класса математичес-
математических теорий следующего метаматематического результата: если в некоторой клас-
классической теории с использованием закона исключенного третьего или эквивалент-
эквивалентных ему принципов доказано некоторое утверждение, то некоторое равносильное
«му (с классической точки зрения) утверждение может быть доказано и без за-
закона исключенного третьего, а именно в рамках минимальной логики. В част-
частности, если в некоторой теории с помощью закона исключенного третьего полу-
получено противоречие, то противоречивое суждение может быть доказано и без ис-
использования этого закона. Таким образом, использование закона исключенного
Интуиционистская логика (В. А. Успенский, В. Е. Плиско)
399
третьего нельзя считать подлинной причиной противоречий в классической ма-
математике, в частности причиной теоретико-множественных антиномий.
Результаты работы ПТНД можно резюмировать и таким образом. Пусть
аксиомы математической теории таковы, что описанные выше их «переводы»
признаны истинными с интуиционистской точки зрения. Тогда перевод всякой
теоремы этой теории также должен быть признан истинным с интуиционистской
точки зрения. Этот вывод имеет принципиальное значение. Он показывает, что
та часть классической математики, которая имеет дело только с интуиционистски
допустимыми объектами (например, арифметика), может быть истолкована ин-
интуиционистски с полным сохранением ее классического содержания. Таким об-
образом, ограничение интуиционистской логикой не является существенным и
различие интуиционистской и классической математики проявляется главным
образом в способах образования абстрактных математических понятий.
Погружение классических логических и логико-математических теорий в
соответствующие теории, основанные на интуиционистской логике, стало в
дальнейшем важным инструментом исследования интуиционистских теорий,
ибо оно часто позволяет без лишних усилий перенести результаты, полученные
при исследовании классических теорий, на интуиционистские. Шаниным [25]
проведено детальное исследование различных погружений классической ариф-
арифметики в интуиционистскую. Им введен термин «погружающая операция» для
обозначения такого алгоритма, который по каждому арифметическому предло-
предложению А строит другое арифметическое предложение А*, обладающее тем свой-
свойством, что А доказуемо в классической арифметике тогда и только тогда, когда
А* доказуемо в интуиционистской арифметике.
Таким образом, в работе ПТНД построен исторически первый пример по-
погружающей операции. Несколько позднее сходное погружение классической
логики в интуиционистскую было предложено Гёделем [29]. В [25] доказано, что
погружающие операции Колмогорова и Гёделя эквивалентны в том смысле, что
результаты их применения к любой формуле интуиционистски эквивалентны.
IV
Если в работе ПТНД построена погружающая операция, которая позволяет
дать интуиционистское истолкование для значительной части классической ма-
математики, то работа ТИЛ посвящена решению в известном смысле обратной за-
задачи: дать толкование интуиционистской логики в рамках обычных математи-
математических понятий, независимое от философских и методологических установок ин-
интуиционизма. Это удается сделать, трактуя логические формулы не как схемы
суждений, а как схемы типов задач. При этом общезначимость или «истинность»
логической формулы понимается как существование общего метода решения
всех задач данного типа. Таким образом, например, «опровергается»] закон
исключенного третьего: общезначимость формулы a\J ~~\ а означала бы сущест-
существование общего метода, позволяющего для любой конкретной задачи либо найти
ее решение, либо привести к противоречию предположение о существовании ее
решения. Поскольку такой метод вряд ли возможен, формулу a \J ~~\ а нельзя
признать общезначимой. В то же время все формулы, выводимые в интуиционист-
400
Комментарии
Интуиционистская логика (В. А. Успенский, В. Е. Плиско)
401
ском исчислении высказываний, оказываются общезначимыми. Тем самым по-
получена интерпретация этого исчисления как логика задач.
Найденная интерпретация интуиционистской логики имела важное методо-
методологическое значение. В рамках хотя и не вполне тотаых, но все же понятных
любому математику понятий «задачи» и «решения задачи» была обоснована не-
необходимость рассмотрения логических систем, не содержащих закона исклю-
исключенного третьего. П. С. Новиков указывает в [14, с. 54—55]: «В 1932 г. Колмого-
Колмогоровым [10] была предложена интересная интерпретация этого [интуиционистско-
[интуиционистского.— В. У., В. П.] исчисления, не связанная с какими-то новыми специфически-
специфическими принципами в основаниях математики. Согласно Колмогорову, наряду с
традиционной логикой, систематизирующей схемы доказательств теоретических
истин, возможна также логика, систематизирующая схемы решения задач (на-
(например, геометрических задач на построение). При этом понятия «задачи» и
«решения задачи» считаются первоначальными».
Свободное от философских установок интуиционизма, новое истолкование
интуиционистской логики, сделало осмысленным исследование ее как исчисле-
исчисления задач. Характерно, что в 50-е годы сам термин «исчисление задач» употреб-
употреблялся в советской логико-математической литературе для обозначения интуицио-
интуиционистского исчисления высказываний (см., например, [15, 16]).
Таким образом, в работе ТИЛ изложена в достаточно развернутом виде
идея истолкования логических формул с помощью задач. Эта идея впоследствии
получила различные конкретные воплощения, характеризующиеся выбором
того или иного точно очерченного класса задач. Первое математическое разви-
развитие идеи А. Н. Колмогорова об истолковании интуиционистской логики как
исчисления задач было дано его учеником Медведевым [12] (см. также [21,
§ 13.7]). Каждая из задач, рассматриваемых Медведевым, является задачей на-
нахождения всюду определенной функции с заданными свойствами. Такие задачи
названы в [12] «массовыми проблемами». Массовая проблема называется алгорит-
алгоритмически разрешимой (или просто «разрешимой»), если среди ее решений имеется
общерекурсивная функция. Центральное место в развиваемой теории занимает
понятие сводимости одной массовой проблемы к другой, которое носит алгорит-
алгоритмический характер. Удается определить логические операции над массовыми
проблемами, отражающие идеи, высказанные А. Н. Колмогоровым. Оказалось,
что все формулы, выводимые в интуиционистском исчислении высказываний,
являются схемами алгоритмически разрешимых массовых проблем.
Несколько позднее Медведевым [13] была предложена другая интерпретация
логических формул посредством задач. При этом в качестве ограничения и уточ-
уточнения понятия задачи использовались так называемые финитные задачи. Финит-
Финитная задача определяется непустым конечным множеством возможных решений,
в котором выделено некоторое] (возможно, пустое) подмножество фактических
решений. Задаются логические операции над финитными задачами. При этом,
например, A Z) В есть финитная задача, возможными решениями которой слу-
служат произвольные отображения множества всех возможных решений задачи А
в множество возможных решений задачи В, а фактические решения — это те
отображения, которые переводят фактические решения задачи А в фактические
решения задачи В. Пусть теперь А (ри . . ., рп) — какая-либо пропозициональ-
пропозициональная формула с переменными р1, . . ., рп. Зафиксируем непустые конечные мно-
множества Хг, . . ., Хп и будем подставлять в формулу А вместо переменных /»1, . . .
. . ., рп всевозможные финитные задачи Flt . . ., Fn, множества возможных ре-
решений которых суть множества Хх, . . ., Хп, варьируя множества фактических
решений. Формула А называется финитно общезначимой, если при любом
выборе множеств Xlt . . ., Хп всегда найдется общее фактическое решение у всех
задач A (Ft, . . ., Fn), полученных из формулы А подстановкой указанного вида.
Иными словами, пропозициональная формула А (рг, . . ., рп) является финитно
общезначимой, если можно указать фактическое решение задачи A (Fu . . .
, . ., Fn), зная лишь множества возможных решений задач Р1г . . ., Fn.
Логика финитных задач оказалась устроенной довольно сложно. Она не совпа-
совпадает с интуиционистским исчислением высказываний. Например, формула ("] аЦ
ID Ь V с) 3 (~1 а Z) Ь) V ( я ZD с) финитно общезначима/ но невыводима в
этом исчислении. Неизвестно, является ли эта логика разрешимой. Доказано
лишь, что она не' может быть задана конечным множеством аксиом (см. [11]).
В последнее время Скворцовым рассматривались некоторые естественные
обобщения понятия финитной задачи и соответствующие интерпретации ло-
логических формул (см. [22, 23]). Одно обобщение состоит в рассмотрении не толь-
только финитных задач, но задач с произвольным множеством возможных и факти-
фактических решений. Доказано, что получающаяся при этом логика не совпадает с
интуиционистским исчислением высказываний, но может быть задана посред-
посредством рекурсивной системы аксиом.
Другое обобщение понятия финитной задачи, введенное Скворцовым [22],
связано с рассмотрением задач, возможными и фактическими решениями кото-
которых являются натуральные числа, а логические операции носят алгоритмический
характер. Так, фактическим решением задачи A ZD В является всякое натураль-
натуральное число, которое служит гёделевым номером частично рекурсивной функции,
отображающей возможные решения задачи А в возможные решения задачи
В, причем фактические решения задачи А отображаются в фактические решения
задачи В. Эта интерпретация, называемая рекурсивной общезначимостью, рас-
распространяется и на предикатные формулы.
Рассмотренные выше интерпретации логических формул возникли как пря-
прямое развитие идей А. Н. Колмогорова, высказанных в работе ТИЛ. Заметим,
что интерпретацию формул с помощью задач не следует рассматривать непосред-
непосредственно как разъяснение интуиционистского смысла формул. Речь идет как
раз о независимом от интуиционистских представлений истолковании логиче-
логических формул, которое приводит к логике без закона исключенного третьего.
Однако в § 2 работы ТИЛ А. Н. Колмогоров показывает, что интуиционистский
смысл экзистенциального утверждения естественным образом может быть свя'
зан с некоторой задачей. С другой стороны, согласно Гейтингу, «математическое
высказывание утверждает тот факт, что было выполнено некоторое математиче-
математическое построение» [4, с. 11], и вопрос об истинности высказывания заключается
в существовании такого построения, т. е. имеет экзистенциальный характер.
Поэтому идеи исчисления задач оказываются применимыми к истолкованию
интуиционистского смысла произвольных математических суждений.
В математически точной форме восходящая к Гейтингу идея трактовки мате-
математического предложения как требования некоторого построения была осуществ-
осуществлена Клини по отношению к арифметическим суждениям [34] (см. также [8, 14]).
402
Комментарии
С каждым арифметическим предложением связывается некоторое (возможно,,
пустое) множество натуральных чисел, называемых реализациями этого предло-
предложения. Грубо говоря, реализация кодирует информацию об интуиционистской
истинности предложения. Так, элементарное предложение вида s = t имеет реа-
реализацию только в случае, когда оно истинно в обычном смысле. Число е явля-
является реализацией предложения вида A ZD В, если частично рекурсивная функ-
функция с гёделевым номером е применима к любой реализации формулы А и пере-
переводит ее в некоторую реализацию формулы В. Формула называется реализуемой,
если существует число, реализующее ее. Рекурсивная реализуемость обычно
рассматривается как аналог интуиционистской (точнее, конструктивной) истин-
истинности. Можно, например, построить предложение вида Vx (Л (х) \/ ~\ А (х))г
которое не будет истинным в этом смысле.
Связь рекурсивной реализуемости с исчислением задач состоит в том, что-
установление реализуемости арифметического суждения можно рассматривать
как задачу в колмогоровском смысле. (Более явно идея сопоставления каждому
арифметическому предложению некоторой задачи осуществлена в предложенном
Шаниным [26] алгоритме конструктивной расшифровки математических сужде-
суждений.) Можно развивать соответствующую логику решения таких задач, рассматри-
рассматривая в качестве общезначимых или реализуемых так логические формулы, которые*
являются схемами реализуемых арифметических предложений. Возникающая
при этом логика высказываний впервые исследовалась Роузом [39]. Им был»
установлено, что не все реализуемые пропозициональные формулы доказуемы
в интуиционистском'исчислении высказываний. В дальнейшем логика рекурсий»
ной реализуемости исследовалась в работах [1, 6, 7] и др. Однако до сих пор не
получено [какой-либо характеризации класса реализуемых пропозициональных
формул. В частности, неизвестно, является ли этот класс разрешимым или хотя
бы перечислимым.
Наибольший прогресс достигнут в исследовании логики предикатов, оснс»
ванной на понятии реализуемости. Установлено [19], что эта логика не может
быть задана в виде исчисления и даже не является арифметической, т. е. класс
всех реализуемых предикатных формул не может быть определен арифметиче-
арифметической формулой. Попутно удалось показать [17], что если вместо языка формаль-
формальной арифметики взять некоторый болеее богатый язык и определить для него
понятие реализуемости, то соответствующий ему класс реализуемых предикат-
предикатных формул окажется существенно более узким, чем в случае клиниевской реа-
реализуемости. Таким образом, семантика предикатных формул оказывается за-
зависящей от исходного логико-математического языка. В работе [18] Плиско,
основываясь на идеях рекурсивной реализуемости, предложил понятие абсо-
абсолютно реализуемой предикатной формулы, не зависящее от какого-либо кон-
конкретного языка. Понятие абсолютной реализуемости близко упоминавшемуся
выше понятию рекурсивной реализуемости.
В заключение обратимся к поставленному в конце § 2 главы II работы
ПТНД вопросу о полноте системы аксиом 1—4 для формул без отрицания: вся-
всякая ли формула, выводимая в классическом исчислении высказываний и содер-
Интуиционистская логика (В. А. Успенский, В. Е. Плиско) 40&
жащая лишь символы импликации, выводима на основе аксиом 1—4 системы
Гильберта? Отрицательный ответ дает Ван Хао [42, с. 416]. А именно формула
((Ob)D«)D« выводима в классическом исчислении высказываний, так как
является тавтологией. В то же время она невыводима из аксиом 1—4, так как
она невыводима в интуиционистском исчислении высказываний. Действительно,
подставив в указанную формулу |а вместо переменной Ь, мы получим форму-
формулу, эквивалентную закону двойного отрицания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Варпаховский Ф. Л. О нереализуемости дизъюнкции нереализуемых фор-
формул.— ДАН СССР, 1965, т. 161, № 6, с. 1257—1258.
2. Воробьев Н. Н. Новый алгорифм выводимости в конструктивном исчислении
высказываний.— Тр. МИАН СССР, 1958, т. 52, с. 193—225.
3. Рейтинг А. Обзор исследований по основаниям математики / Пер. с нем. М.;.
Л.: ОНТИ, 1936.
4. Рейтинг А. Интуиционизм/Пер, с англ. М.: Мир, 1965.
5. Драгалин А. Г. Математический интуиционизм. Введение в теорию доказа-
доказательств. М.: Наука, 1979.]
6. Кипнис М. М. Об одном свойстве пропозициональных формул.— ДАН
СССР, 1967, т. 174, № 2, с. 277—278.
7. Кипнис М. М. О реализациях предикатных формул.— Зап. науч. семина-
семинаров ЛОМИ, 1971, т. 20, с. 40—48.
8. Клини С. К. Введение в метаматематику / Пер. с англ. М.: Изд-во иностр.
лит., 1957.
9. Колмогоров А. Н. О принципе tertium поп datur.— Мат. сб., 1925, т. 32»
с. 646—667. Англ. пер.: Kolmogorov A. H. On the principle of excluded mid-
middle.— In: Heijenoort J. van. From Frege to Godel. A source book in mathema-
mathematical logic, 1879—1931. Cambridge, 1967, p. 416—437.
10. Kolmogoroff A. Zur Deutung der intuitionistischen Logik.—Math. Ztschr.,
1932, Bd. 35, S. 58—65.
11. Максимова\Л. Л., Скворцов Д. П., Шехтман В. Б. Невозможность конечной
аксиоматизации логики финитных задач Медведева.— ДАН СССР, 1979»
т. 245, № 5, с. 1051—1054.
12. Медведев Ю. Т. Степени трудности массовых проблем.— ДАН СССР, 1955,
т. 104, № 4, с. 501—504.
13. Медведев Ю. Т. Финитные задачи.— ДАН СССР, 1962, т. 142, № 5, с. 1015—
1018.
14. Новиков Л. С. Конструктивная математическая логика с точки зрения клас-
классической. М.: Наука, 1977.
15. Лильчак Б. Ю. О проблеме разрешимости для исчисления задач.— ДАН
СССР, 1950, т. 75, № 6, с. 773—776.
16. Лильчак Б. Ю. Об исчислении задач.— Укр. мат. журн., 1952, т. 4, № 2,
с. 174-194.
17. Плиско В. Е. Рекурсивная реализуемость и конструктивная логика преди-
предикатов.- ДАН СССР, 1974, т. 214, № 3, с. 520—523.
18. Плиско В. Е. Некоторые варианты понятия реализуемости для предикат-
предикатных формул.— ДАН СССР, 1976, т. 226, № 1, с. 61—64.
19. Плиско В. Е. Неарифметичность класса реализуемых предикатных формул.—
Изв. АН СССР. Сер. мат., 1977, т. 41, № 3, с. 483—502.
20. Расева Е., Сикорский Р. Математика метаматематики. М.: Наука, 1972.
21. Роджерс X. Теория рекурсивных функций и эффективная вычислимость/
Пер. с англ. М.: Мир, 1972.
22. Скворцов Д. П. Два обобщения понятия финитной задачи.— В кн.: Иссле-
Исследования по неклассическим логикам и теории множеств. М.: Наука, 1979,.
с. 201-240.
404
Комментарии
23
24
25.
26.
27.
28
29
30
31.
52.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
Скворцов Д. П. Логика бесконечных задач и модели Крипке на атомных
полурешетках множеств.— ДАН СССР, 1979, т. 245, № 4, с. 798—801.
Черч А. Введение в математическую логику/Пер, с англ. М.: Изд-во иностр.
лит., 1961. Т. 1.
Шанин И. А. О некоторых логических проблемах арифметики.— Тр.
МИАН СССР, 1955, т. 43, с. 1—10.
Шанин Н. А. О конструктивном понимании математических суждений
Тр. МИАН СССР. 1958, т. 52, с. 226—311.
Gentzen G. Untersuchungen iiber das logische Schlietfen. I, II.— Math. Ztschr
1934—1935, Bd. 39, S. 176—210, 405—431. Рус. пер.: ГенценГ. Исследова-
Исследование логических выводов.— В кн.: Математическая теория логического выво-
вывода. М.: Наука, 1967, с. 9—76.
. Glivenko V. I. Sur quelques points de la logique de M. Brouwer.— Bull. cl.
sci. Acad. roy. Belg. Ser. 5, 1929, vol. 15, p. 183—188.
. Godel K. Zur intuitionistischen Arithmetik und Zahlentheorie.— Ergeb. math.
Kolloq., 1933, Bd. 4, S. 34-38.
. Heijenoort J. van. From Frege to Godel. A source book in mathematical logic,
1879—1931. Cambridge, 1967.
, Heyting A. Die formalen Regeln der intuitionistischen Logik.— Sitzungsber.
Preuss. Akad. Wiss. Phys.-math. Kl., 1930, S. 42—52.
Jas'kowski S. Recherches sur le systeme de la logique intuitioniste.— Actes
Congres Intern. Philos. Sci., VI. Philos. math., Actual, sci. industr., 1936,
vol. 393, p. 58-61.
Johansson I. Der Minimalkalkiil, ein reduzierter intuitionistischer Forma-
lismus.— Compos, math., 1936, vol. 4, p. 119—136.
Kleene S. C. On the interpretation of intuitionistic number theory.— J. Sym-
Symbol. Log., 1945, vol. 10, N 1, p. 109—124.
Krlpke S. A. Semantical analysis of intuitionistic logic. I.— In: Formal sys-
systems and recursive functions. Amsterdam, 1965, p. 92—129.
McKinsey J. С. С, TarskiA. On closed elements in closure algebras.— Ann.
Math., 1946, vol. 47, p. 122—162.
McKinsey J. С. С, Tarski A. Some theorems about the sentential calculi on
Lewis and Heyting.— J. Symbol. Log., 1948, vol. 13, N 1, p. 1—15.
Rasiowa H. Algebraic treatment of the functional calculi of Heyting and Le-
Lewis— Fund, math., 1951, vol. 38, p. 99—126.
Rose G. F. Prepositional calculus and realizability.— Trans. Amer. Math.
Soc, 1953, vol. 75, p. 1—19.
Stone M. H. Topological representation of distributive lattices and Brouwerian
logics.— Cas. Pest. Mat. a Fys., 1937, vol. 65, p. 1—25.
Tarski A. Der Aussagenkalktil und die Topologie.— Fund, math., 1938, vol. 31,
p. 103-134.
Wang Hao. [The introductory notes to the English translation of [9].J — In:
Heijenoort J. van. From Frege to Godel. A source book in mathematical logic,
1879—1931. Cambridge, 1967, p. 414—416.
К работам по теории гомологии (А. Н. Колмогоров)
405
К РАБОТАМ ПО ТЕОРИИ ГОМОЛОГИИ
А. Н. Колмогоров
Первоначальным толчком для создания этих работ было чтение
мемуара де Рама (Sur Г Analysis situs des varietes a м-dimensions:
These).- J. math, pures et appl. Ser. 9, 1931, vol. 10, p. 115-200),
в котором устанавливалась двойственность между группами Бетти
дифференцируемых многообразий и группами Бетти, порожденных
потоками на этих многообразиях.
После 30-х годов я не занимался этой тематикой, но идея, изло-
изложенная в четырех заметках в «С. г. Acad. sci. Paris» (№ 32—35 наст,
изд.), положить в основу двойственность между группами кососим-
метричных функций п точек и кососимметричных аддитивных функ-
функций п множеств кажется мне и сейчас представляющей хотя бы педа-
педагогический интерес.
ТЕОРИЯ ГОМОЛОГИИ
(Г. С. Чогошвили)
Работы А. Н. Колмогорова по алгебраической топологии ответили на мно-
многие важные вопросы в своей области и открыли новые перспективы ее развития.
В этих работах было введено понятие когомологии — понятие, которому суждено
было занять центральное место в дальнейшем развитии топологии.
К понятию когомологии А. Н. Колмогоров пришел, исходя из задач анали-
анализа, имея в виду «построение своеобразного разностного исчисления, с одной сто-
стороны могущего в результате предельного перехода привести к дифференциаль-
дифференциальным операциям над кососимметричными тензорами (поливекторами), с другой
же стороны стоящего в тесных взаимоотношениях с понятиями комбинаторной
топологии». Первоначальный вариант теории был доложен на конференции по
тензорному анализу и изложен в работе № 27.
К тем же идеям одновременно пришел и американский тополог Дж. Алек-
сандер [1, 2]. Сообщения об открытии новых понятий топологии были доложены
обоими авторами на топологической конференции, проходившей в Москве в
1935 г. Отметим, что Александер ставил перед собой более'узкую задачу — он
хотел построить непосредственным путем (без применения теории характеров
Л. С. Понтрягина) ту дискретную группу, группой характеров которой является
группа гомологии компактного метрического пространства. В статье № 29
А. Н. Колмогоров дает параллельное взаимосвязанное изложение как теории
гомологии, так и теории когомологии (соответствующие группы называются
и- и о-группами Бетти). Рассмотрение л-мерных многообразий, п-двойственных
пар клеточных разбиений и топологических (локально компактных) групп коэф-
коэффициентов приводят к доказательству теорем двойственности Пуанкаре—Алек-
сандера и теорем двойственности для гомологии — когомологии.
Оба автора — и Колмогоров (в статье № 31) и Александер — определили
операцию произведения в группе когомологии, сыгравшую в дальнейшем ис-
исключительно важную роль, и тем самым превратили эту группу в кольцо.
406
Комментарии
Теория гомологии (Г. С. Чогошвили)
407
Четыре статьи (№ 32—35), опубликованные в «Докладах Парижской акаде-
академии», составляют отдельный фрагмент в исследованиях А. Н. Колмогорова,
посвященных этим вопросам. Здесь идет речь о теории гомологии и когомологий
локально бикомпактных пространств, в частности законов двойственности.
Работам А. Н. Колмогорова предшествовала публикация Александера [1], где
группа когомологий определялась для метрических компактов. В статье № 32
дается определение групп гомологии и когомологий для локально компактных
пространств. Определения групп когомологий были впоследствии усовершенст-
усовершенствованы многими топологами и приобрели вид, который был назван когомоло-
гиями Александера—Спеньера (см. [3—7]). Когомологий Александера—Спенье-
ра определены для произвольных хаусдорфовых пространств. Балавадзе [8] по-
показал, что когомологий Александера—Спеньера изоморфны модифицированным
когомологиям Колмогорова (нужно только из аксиоматики Колмогорова уда-
удалить требование d в статье № 32). Связями между когомологиями Колмогорова
и Александера занимался Клайн [9]. Дальнейшие усовершенствования когомо-
когомологий Александера—Спеньера претерпели в книге Масси [7] (см. также Кисеи [10]).
В хорошо разработанных теориях, например в сингулярной теории и в
спектральной теории Александрова — Чеха, определены как гомологии, так и
когомологий, причем они построены общим методом и связаны отношением
двойственности. Эти теории, кроме того, имеют спектральное представление,
например, сингулярная теория на основе отображений полиэдров в исследуемое
пространство представляет гомологии как пределы прямых, а когомологий как
пределы обратных спектров, в то время как спектральная теория, наоборот, на
основе отображений исследуемого пространства в полиэдры представляет го-
гомологии и когомологий в виде пределов обратных и соответственно прямых спект-
спектров. Александер в соответствии с поставленной перед собой задачей построить
когомологий, двойственные гомологиям Вьеториса, применяет те средства, ко-
которые использует Вьеторис при построении своих гомологии — начала комби-
комбинаторной топологии и предельные соотношения (см. [2, 11]). Опираясь на введен-
введенные им с этой целью понятия, последующие авторы установили (см. [12, 3]),что
гомология Вьеториса и когомология Александера являются обратным и соответ-
соответственно прямым пределом групп гомологии и соответственно когомологий од-
одного и того же спектра комплексов (эти комплексы являются аналогами нервов
из теории Александрова—Чеха). Они, таким образом, составляют одну теорию
(ко)гомологии в том смысле, что построены аналогичными средствами и двойст-
двойственны одна другой. Когомологий Александера при дальнейшем развитии были
определены проще и прямо — без явного использования понятий комбинаторной
топологии и предельных соотношений (см. [13, 3, 14]). Но при этом новом
подходе была утрачена возможность аналогично строить ассоциированную гомо-
гомологию, как отмечают Стинрод и Эйленберг [15]: «Недостатком его является от-
отсутствие аналогичной простой двойственной конструкции для цепей и групп
гомологии». Колмогоров в первой же статье (№ 32) вместе с когомологиями оп-
определяет и двойственные им гомологии, причем это определение простое и пря-
прямое ¦— оно не использует первичные понятия комбинаторной топологии и пре-
предельные процессы. В этом смысле — это совершенно повое изложение теории
гомологии. Оно аналогично определению когомологий и в том смысле, что ис-
исходит из общематематического понятия функции — функции точки в случае
когомологий и функции множеств в случае гомологии. Оно двойственно кого-
когомологий в смысле теории характеров. Именно в статье № 33 доказывается, что
группы гомологии и когомологий одного и того же пространства и одной и топ
же размерности (первая над компактной, а вторая над дискретной группой ко-
коэффициентов) двойственны, если двойственны группы коэффициентов. Это есть
новый, третий вид законов двойственности в алгебраической топологии — за-
закон, связывающий гомологии и когомологий. (Первым двум законам — закону
Пуанкаре и закону Александера, имеющему истоки в теоретико-множественной
топологии — в теореме Жордана — посвящены статьи № 34 и № 35.) Верный сво-
своему аналитическому подходу, Колмогоров подчеркивает, что произведением при
этом является n-кратный интеграл в смысле Радона — Стилтьеса от произве-
произведения соответствующих функций. Простота его определения проявляется и
в том, что, излагая гомологии, ассоциированные с его же когомологиями, он не
использует какое-либо из них при определении другого. Этим он отличается от
многих последующих авторов,например от Масси, который важным, давно иско-
искомым и окончательным достижением считает введение гомологии через когомо-
когомологий Александера,—Спеньера посредством функтора Нот (см. [7, 16]). Вспом-
Вспомним, что сам Александер свою цель при введении когомологий видел [2] в «по-
«потребности построить полученную дискретную группу более непосредственным
путем», чем «сложный путь» ее определения через группу характеров, который
ведь тоже представляет собой Нот.
Статья № 34 посвящена связям гомологической теории автора с другими
теориями и законом Пуанкаре. Однако она не менее ценна привлечением тех
методов, которые Колмогоров использует при исследовании указанных вопро-
вопросов. Это — теории гомологии и когомологий второго рода, как их теперь часто
называют. Разбиения приводят (см. [17, 18]) к той разновидности теории гомо-
гомологии Александрова — Чеха, которая в отличие от самой теории Александро-
Александрова — Чеха является точной и которая естественно ассоциируется с теорией
(ко)гомологий Колмогорова. Бесконечные циклы и их гомологии, как будет
указано ниже, вскоре привлекли внимание и нашли разнообразные приложения
[21]. Конечные коцепи дали те когомологий, к которым пришла, как было от-
отмечено выше, теория Александера — Спеньера в результате ее долгого раз-
развития (см. [10, 7]).
Разбиения Колмогоров использует для сравнения своей теории гомологии
с теорией Вьеториса — с наиболее разработанной к тому времени теорией гомо-
гомологии. Гомологии Вьеториса были определены в то время для компактных ме-
метрических пространств. Поэтому Колмогорову достаточно было рассмотреть
лишь последовательности разбиений, хотя свои гомологии он определил для
широкого класса локально компактных пространств. Он доказывает, что его
группы гомологии в случае компактных метрических пространств и при ком-
„пактной группе коэффициентов изоморфны группам гомологии Вьеториса,
более того, что изоморфизм имеет место на уровне цепных комплексов. Он это
делает, привлекая теорию проекционных циклов П. С. Александрова. Впо-
Впоследствии, пользуясь произвольными (квазиупорядоченными) спектрами, ос-
нованными на всех (конечных) разбиениях, Чогошвили показал, что группы
гомологии Колмогорова любых локально компактных пространств при компакт-
компактной группе коэффициентов изоморфны группам гомологии Александрова, ввя-
408
Комментарии
тым относительно так называемых особых подкомплексов и, следовательно,
группам гомологии Александрова — Чеха для компактных пространств (см.
[17, 18]). Лефшец показал, что гомологическая теория Александера — Колмо-
Колмогорова представима в виде проекционной теории однозначного решеточного
спектра [19]. Доукер доказал, что гомологические группы Александрова —
Чеха и Вьеториса изоморфны для любых пространств [20]. Из этих изоморфизмов
следует, что группа гомологии Колмогорова изоморфна группе гомологии Стин-
рода [21] (и, следовательно, изоморфной ей группе гомологии Ситникова ,Ъм.
[22, 23]) в случае компактных метрических пространств (для которых и постро-
построена группа Стинрода), так как сам Стинрод показал, что его группы изоморфны
группам Вьеториса при компактной группе коэффициентов. Отметим далее,
что из изоморфизма групп гомологии, конечно, следует изоморфизм и двойст-
двойственных им групп когомологий (ср. [24]).
Теория гомологии Колмогорова обладает рядом замечательных свойств.
Остановимся подробнее на одном из них, на так называемом свойстве точности —
желательного соотношения между множествами циклов и ограничивающих
циклов определенных родов — понятия, введенного в 40-х годах [45]. Теория
Александрова — Чеха в отличие от сингулярной не обладает свойством точнос-
точности. Компактность группы коэффициентов, несколько раз упомянутая выше,
требуется потому, что при ней гомологии Александрова—Чеха и Вьеториса,
взятые, кроме того, для компактных пространств, обладают как раз свойством
точности. Долго велись поиски усовершенствованных вариантов [теорий
Александрова — Чеха и Вьеториса, обладающих при тех или иных дополни-
дополнительных условиях свойствами, аналогичными свойству точности. Истинные
циклы Александрова, проекционные циклы Лефшеца, компактификации Понт-
рягиным группы] коэффициентов и группы гомологии Вьеториса были основ-
основными моментами в процессе этих исканий. (Правда, точность обычно приобре-
приобреталась за счет потери какого-либо хорошего свойства, например непрерывности
[15].) Цель была достигнута, когда в 1940 г. Стинрод для компактных метри-
метрических пространств построил теорию гомологии, существенно опирающуюся
на теорию бесконечных циклов, которая является точной при любой группе
коэффициентов. В 1951 г. изоморфную теорию построил Ghthhkob (cm. [22, 23]).
Чогошвили построил группы гомологии, изоморфные группам А. Н. Колмогорова
и дающие их спектральное представление [17]. Однако Балавадае в своей дис-
диссертации [25], имеющей целью аксоиматическое исследование (ко)гомологий
Колмогорова и рассмотрение случая с замененной группой коэффициентов (диск-
(дискретные гомологии и компактные когомологий, а не наоборот, как у А. ;Н. Кол-
Колмогорова), ввел недостававшиеся для этого понятия (индуцированные гомомор-
гомоморфизмы и т. п.) и в числе других теорем (например теоремы двойственности
между гомологиями и когомологнями) доказал, что теория'Колмогорова удов-
удовлетворяет всем аксиомам Стинрода—Эйленберга, в частности аксиоме точности,
Мдзинаришвили (см. [26, 27]) показал, что эта теория удовлетворяет условиям
теоремы единственности Милнора и, следовательно, нзомофна теории Стинрода
при дискретной (а не только при компактной) группе коэффициентов. Таким
образом, оказалось, что искомая точная теория была найдена в виде теории
Колмогорова на четыре года раньше Стинрода и притом для более широкого
класса локально компактных пространств. Отметим, что'теории (ко)гомдоогаи
Теория гомологии (Г. С. Чогошвили)
409
локально компактных пространств, в том числе со значениями в (ко)пучках,
посвящено большое число работ (см., например, [28—30]). Отдельный раздел
под названием «Гомологии Стинрода—Ситникова» (а фактически это — гомоло-
гомологии Колмогорова) имеется в предметной классификации за 1980 г. Американ-
Американского математического общества, чем признается актуальность этой тематики
на 80-е годы. Эта тематика и указанные работы непосредственно касаются
теории Колмогорова.
Теорема Пуанкаре доказывается (№ 34) для групп гомологии и когомоло-
когомологий с конечными и бесконечными (ко)цепями клеточного разложения открытого
и-мерного многообразия. Группы коэффициентов дискретные в случае конечных
и компактные в случае бесконечных (ко)цепей. Соотношения выражены
в изоморфизмах и двойственностях. Представление закона двойственности
Пуанкаре одновременно в гомологиях и когомологиях придает ему особую яс-
ясность, полноту и естественность.
В последней статье (№ 35) доказывается, что обе группы Колмогорова —
когомологическая и гомологическая — являются объектами закона двойствен-
двойственности Александера. Закон Александера служил в то время показателем целесо-
целесообразности и полезности введенного гомологического понятия и в этом смысле
закон Александера выполнял те функции, которые сейчас выполняют аксиомы
(ко)гомологий. Это понятно, так как аксиомы (ко)гомологий в основном и пред-
представляют собой главные моменты доказательства законов двойственности. На-
Например, аксиома вырезания, являющаяся характерным свойством функтора
(ко)гомологий, отдельно приведена Колмогоровым в ее сильной форме. Сам
вид теорем Колмогорова, соотносящий (ко)гомологии соседних, а не дополни-
дополнительных размерностей, выражает основное звено (ко)гомологической последо-
последовательности — так называемый связывающий гомоморфизм.
П. С. Александров в рамках своей теории (ко)гомологий с особыми под-
подкомплексами доказал теоремы двойственности колмогоровского вида и дал их
обобщения в различных направлениях (см. [31, 32]). Вместо бесконечных цик-
циклов здесь берутся их конечные аналоги—циклы относительно того подкомплекса
нерва конечного замкнутого покрытия, замыкания вершин которого не компакт-
компактны. Автор их называет теоремами Колмогорова. Некоторые дальнейшие обоб-
обобщения рассматриваемых теорем в терминах этих же циклов дали Бокштейн
(см. [33, 34]) и Чогошвили (см. [35—38]). Скляренко исследовал теоремы кол-
колмогоровского вида с помощью так называемых канонических гомологии [39] для
любой группы коэффициентов. Мдзинаришвили в теоремах Колмогорова снял
условие компактности с группы коэффициентов и показал, что теорема двойст-
двойственности Стинрода (следовательно, Ситникова) есть следствие этой обобщенной
теоремы в случае компактных метрических пространств (см. [40, 41]). Различные
вопросы теории (ко)гомологий Колмогорова в связи с теорией (ко)гомологий
Александрова рассмотрены Бокштейном [42]. Наконец, и после создания —
в середине 40-х годов — теории спектральных (ко) гомологии для произволь-
произвольных (некомпактных) пространств и обобщения, теорем двойственности с замк-
замкнутых подмножеств на любые подмножества Колмогоров указал на такую фор-
форму этой двойственности, которая, опираясь на когомологий, выражена в изо-
изоморфизмах и свободна от применения прямых спектров компактных и вообще
топологизированных групп [43].
14 А. Н. Колмогоров
410
Комментаръ
Кольца когомологий для локально бикомпактных пространств вводятся
в статье № 30, специально посвященной исследованию вопроса о произведениях
(ко)цепей и групп когомологий в комплексах, многообразиях и локально би-
бикомпактных пространствах.
За последнее время усиленно ищется такая теория гомологии, которая была
бы наиболее целесообразной и с педагогической точки зрения (см., например,
книгу Масси [7] и предисловие и комментарии к ней Скляренко). Теория Колмо-
Колмогорова и с этой точки зрения обладает рядом преимуществ перед другими теория-
теориями. Бе преимущество перед сингулярной теорией — в отсутствии известных
аномалий, перед спектральными теориями Александрова—Чеха и Александрова с
особыми подкомплексами — в наличии точности, перед теорией Стинрода—-
Ситникова — в наличии ассоциированной теории когомологий, перед теорией
Масси — в возможности прямого определения гомологии, независимого or
коцепного комплекса, перед теорией Куроша и Скляренко, основанной на
канонических покрытиях,— в простоте выбора исходных множеств, определения
индуцированного гомоморфизма и т. п. Эти преимущества дополняются нагляд-
наглядностью, приложимостью к исследованию' различных вопросов, близостью к
другим математическим теориям.
Теория гомологии (Г. С. Чогошвили)
411
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
ЛИТЕРАТУРА
Alexander J. W. On the chains of a complex and their duals. On the ring of
a compact metric space.— Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1935, vol. 21, p. 509—
512.
Alexander J. W. On the connectivity ring of an abstract space.— Ann. Math.,
1936, vol. 37, p. 698—708. Рус. пер.: Александер Дж. В. Кольцо связности
абстрактного пространства.— УМН, 1947, т. 2, вып. 1, с. 156—165.
Spanier Е. H. Cohomology theory for general spaces.— Ann. Math., 1948,
vol. 49, p. 407—427.
Spanier E. H. Tautness for Alexander—Spanier cohomology.— Рас. J.Math.,
1978, vol. 75, p. 561—563v
Godement R. Topologie algebrique et theorie des faisclaux. Paris: Hermann,
1958. Рус. пер.: Годеман Р. Алгебраическая топология и теория пучков.
М.: Изд-во иностр. лит., 1961.
Bredon G. Е. Sheaf theory. New York: McGraw-Hill, 1967.
Massey W. S. Homology and cohomology theory. New York: M. Dekker, 1978.
Рус. пер.: Масси У. Теория гомологии и когомологий. М.: Мир, 1981.
Балавадзе М. Б. О теории гомологии А. Н. Колмогорова.— Тр. Тбил. мат.
ин-та АН ГССР, 1972, т. 41, с. 5—40.
Kline M. Note on homology theory for locally bicompact spaces.— Fund.
math., 1939, vol. 32, p. 64—68.
Keesee J. W. Finitely-valued cohomology groups.— Proc. Amer. Math. Soc,
1950, vol. 1, p. 418—422.
Alexander J. W. A theory of connectivity in terms of graitings.— Ann. Math.,
1938, vol. 39, p. 883—912.
Hurewicz W., Dugundji J., Dowker С. Н. Continuous connectivity groups in
terms of limit groups.— Ann. Math., 1948, vol. 49, p. 391—406.
Alexander J. W. Gratings and homology theory.— Bull. Amer. Math. Soc,
1947, vol. 53, p. 201—233.
Spanier E. H. Algebraic topology. New York: McGraw-Hill, 1966. Рус. пер.:
Спеньер Э. Алгебраическая топология. М.: Мир, 1971.
Eilenberg S., Steenrod N. Foundations of algebraic topology. Princeton: Univ.
Press, 1952. Рус. пер.: Стинрод Н., Эйленберг С. Основания алгебраической
топологии. М.: Изд-во иностр. лит., 1958.
16. Massey W. S. How to give an exposition of the Cech—Alexander—Spanier
type homology theory.— Amer. Math. Mon., 1978, vol. 85, p. 75—83.
17. Чогошвили Г. С. On the homology theory of topological spaces.— Сообщ. АН
ГССР, 1940, т. 1, с 337-340.
18. Чогошвили Г. С. Об эквивалентности функциональной и спектральной тео-
теории гомологии.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1951, т. 15, с. 421—438.
19. Lefschetz S. Algebraic topology. New York, 1942. Рус. пер.: Лефшец С. Ал-
Алгебраическая топология. М.: Изд-во иностр. лит., 1949.
20. Dowker С. Н. Homology groups of relations.— Ann. Math., 1952, vol. 56,
p. 84—95.
21. Steenrod N. E. Regular cycles of compact metric spaces.— Ann. Math., 1940,
vol. 41, p. 833—851. Рус. пер.: Стинрод Н. Е. Регулярные циклы компакт-
компактных метрических пространств.— УМН, 1947, т. 2, вып. 2, с. 56—78.
22. Ситников К. А. Закон двойственности для незамкнутых множеств.— ДАН
СССР, 1951, т. 18, с. 359—362.
23. Ситников К. А. Комбинаторная топология незамкнутых множеств. I. Пер-
Первый закон двойственности; спектральная двойственность.— Мат. сб., 1954,
т. 34, с. 3—54.
24. Kelley J. L. Descriptions of Cech cohomology.—¦ In: General topology and
its relations to modern analysis and algebra: Proc. Symp. Prague, 1961,
p. 235—237.
25. Балавадзе М. В. О теории гомологии Колмогорова: Автореф. канд. дис.
Тбилиси, 1975.
26. Мдзинаришвили Л. Д. О связи гомологических теорий Колмогорова и Стин-
рода.— ДАН СССР, 1972, т. 203, № 3, с. 528—531.
27. Мдзинаришвили Л. Д. Об эквивалентности гомологических теорий Колмо-
Колмогорова и Стинрода.— Тр. Тбил. мат. ин-та АН ГССР, 1972, т. 41, с. 143—163.
28. Borel A., Moore J. С. Homology theory for locally compact spaces.— Mich.
Math. J., 1960, vol. 7, p. 137—160.
29. Borel A. Cohomologie des espaces localment compact.— Lect. Notes Math.,
1964, N 2.
30. Bredon G. E. Co-heaves and Homology.— Pacif. J. Math., 1968, vol. 25, N 1,
p. 1—32.
31. Александров П. С. Общая теория гомологии.— Уч. зап. МГУ, 1940, т. 45,
с. 1—60.
32. Александров П. С. Гомологические свойства расположения комплексов и
замкнутых множеств.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1942, т. 6, с. 227—282.
33. Бокштейн М. Ф. О теореме двойственности Александера—Колмогорова.—
ДАН СССР, 1948, т. 59, с. 631—633.
34. Бокштейн М. Ф. Теорема двойственности для локально биокомпактных
пространств.— Уч. зап. МГУ, 1949, т. 146, с. 131—164.
35. Чогошвили Г. О соотношениях двойственности в топологических простран-
пространствах.- ДАН СССР, 1945, т. 46, № 4, с. 143-145.
36. Чогошвили Г. О законе двойственности в нормальных пространствах.— ДАН
СССР, 1945, т. 48, № 4, с. 249—252.
37. Чогошвили Г. С. Об основных гомоморфизмах двойственности.— Тр. Тбил.
мат. ин-та АН ГССР, 1951, т. 18, с. 1—52.
38. Чогошвили Г. С. О гомологических аппроксимациях и законах двойственно-
двойственности для произвольных множеств.— Мат. сб., 1951, т. 28, с. 89—118.
39. Скляренко Е. Г. Теория гомологии и аксиома точности.— УМН, 1969, т. 24,
вып. 5, с. 87—140.
40. Мдзинаришвили Л. Д. О законе двойственности Колмогорова.— ДАН
СССР, 1974, т. 216, с. 502—504.
41. Мдзинаришвили Л. Д. Функциональные гомологии.— Тр. Тбил. мат. ин-та
АН ГССР, 1978, т. 59, с. 98—118.
42. Бокштейн М. Ф. Эквивалентность некоторых гомологических определений
в топологии.— Изв. вузов, 1960, т. 3, с. 62—80.
43. Александров П. С. Основные теоремы двойственности для незамкнутых
множеств.— Мат. сб., 1947, т. 21, с. 161—232.
14*
412
Комментар ии
Топология (А. В. Архангельский)
413
К РАБОТЕ ОБ ОТКРЫТЫХ ОТОБРАЖЕНИЯХ
А. Н. Колмогоров
Проблема возможности повышения размерности при открытых
отображениях (работа № 36) горячо интересовала П. С. Александро-
Александрова. Некоторое время мы вместе трудились над доказательством не-
невозможности повышения размерности. В этих поисках постепенно
выяснились причины наших неудач. Этот анализ неудач и привел
в конце концов к контрпримеру.
ТОПОЛОГИЯ
(А. В. Архангельский)
К СТАТЬЕ «КОНЕЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВ»
Результаты п. 3 и 4 статьи № 31, принадлежащие А. Н. Колмогорову, носят
исчерпывающий характер. Они означают, что подход к опеределению размер-
размерности в терминах кратности замкнутых покрытий (т. е. подход Лебега) и подход
к определению размерности через длины замкнутых покрытий, указанный в
данной статье, дают один и тот же результат для всех нормальных пространств.
При этом А. Н. Колмогоров приводит совсем простую, элементарную конструкцию,
позволяющую переходить от длин к кратностям и обратно. Поэтому в дальней-
дальнейшем понятие длины покрытия не играло особенной роли в развитии теории раз-
размерности — исследования велись на основе понятия кратности и классического
определения размерности dim, данного Лебегом (см. [2]).
К СТАТЬЕ «ОБ ОТКРЫТЫХ ОТОБРАЖЕНИЯХ»
1. Построенный в статье № 36 пример открытого отображения одномерного
континуума на двумерный континуум явился первым примером непрерывного
открытого отображения одного компакта на другой, при котором повышалась
размерность. Заслуживают внимания дополнительные свойства построенного
отображения: его нульмерность (прообраз каждой точки является нульмерным
пространством) и то, что связанные отображением пространства являются ком-
компактами.
В связи с построенным примером целесообразно отметить следующие прос-
простые факты. Не составляет труда представить произвольное пространство как
образ нульмерного при непрерывном отображении: на каждое пространство
отображается непрерывно дискретное пространство. Несколько сложнее дока-
доказывается, что каждое тихоновское пространство является образом некоторого
нульмерного пространства при непрерывном открытом отображении (см. [2]).
Однако в классе компактов последнее утверждение перестает быть верным.
Действительно, непрерывное отображение компакта в хаусдорфово простран-
пространство всегда замкнуто, а образ нульмерного пространства при непрерывном,
открытом и замкнутом отображении, очевидно, является нульмерным простран-
пространством. В частности, при непрерывных открытых отображениях нульмерных
компактов размерность не повышается. Таким образом, компактность прост-
пространств, участвующих в примере Колмогорова, является принципиально важ-
важной чертой примера и размерность единица — наименьшая, для которой повы-
повышение размерности при открытом отображении компакта оказывается возмож-
возможным.
Тема повышения размерности при открытых отображениях далеко не была
исчерпана примером Колмогорова; напротив, данная статья послужила стимулом
к ряду дальнейших исследований. В частности, обращает на себя внимание до-
довольно специальный характер компакта-образа в примере Колмогорова.
Новый важный шаг сделала Л. В. Келдыш: в 1959 г. она построила открытое
и нульмерное отображение некоторого одномерного компакта на квадрат (см. [1,
2]). Отправляясь от факта существования такого отображения, Пасынков по-
получил в данном направлении окончательный результат (см. [3, 2]): любой
бикомпакт положительной размерности является образом некоторого бикомпакта
размерности 1 (в смысле dim, т. е. в смысле определения Лебега) при непрерыв-
непрерывном открытом нульмерном отображении.
Весьма тонкие результаты были получены Л. В. Келдыш в отношении пове-
поведения размерности при открытых монотонных отображениях (отображение
называется монотонным, если прообраз каждой точки связен; очевидно, требова-
требование монотонности «противоположно» требованию нульмерности.) Ею был
построен замечательный пример открытого монотонного отображения трех-
трехмерного куба на куб произвольной размерности ге> 3 (см. [4, 5]). Здесь, таким
образом, повышение размерности при открытом непрерывном отображении про-
происходит, несмотря на отсутствие какой-либо экзотики как в отображаемом
пространстве, так и в пространстве-образе.
Идейную сторону конструкции примера Колмогорова ярко осветил в не-
недавней своей работе Козловский (см. [6]). Замечая, что в основе примера Кол-
Колмогорова лежит открытое и двукратное отображение1 двумерного тора на лист
Мёбиуса, которое в естественном смысле несущественно, он развивает общий
метод, позволяющий с помощью обратных спектров из открытых и несуществен-
несущественных в смысле П. С. Александрова отображений строить r-мерные прообразы
любых л-мерных полиэдров (где п > г > 1) как при открытых монотонных,
так и при открытых нульмерных отображениях.
2. Повышение размерности при открытом отображении является косвен-
косвенным признаком достаточно сложного строения этого отображения. В частности,
можно сказать, что такое отображение устроено принципиально иначе (даже
локально), чем отображение проектирования произведения пространств на
сомножитель.
Важный случай открытых отображений составляют гомоморфизмы топо-
топологических групп на их фактор-группы. Работа Колмогорова была продол-
продолжена в направлении исследования поведения размерности при таких гомомор-
гомоморфизмах. Выяснено, что если группа локально бикомпактна, то размерность
любой ее фактор-группы не превосходит размерности всей группы (см. [7]).
В то же время каждая топологическая группа представима как фактор-группа
некоторой нульмерной топологической группы — этот результат получен не-
недавно в [8].
414
Комментарии
3. Построение примера описано в статье точно и достаточно подробно.
Однако при обсуждении его свойств проведено не совсем корректное рассужде-
рассуждение. А именно в п. 1° ошибочно утверждается, что предел счетного обратного
спектра' открытых отображений fn : Хп -> Yn является открытым отображением
предельного пространства X на предельное пространство Y. В обозначениях
п. 1° статьи Колмогорова, чтобы искомое заключение имело место требуется,
чтобы дополнительно выполнялось условие:
4(<Pn1K-i)) = ^i1(/n_1K_1)).
В терминологии Пасынкова это соотношение выражает заполненность отобра-
отображения /„_! отображением /„ (см. [2, с. 465]). Существенна также компактность
участвующих в спектре пространств. Не составляет большого труда проверить,
что в примере Колмогорова указанное дополнительное условие соблюдается,
откуда и следует открытость построенного им отображения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Келдыш Л. В. Нульмерные открытые отображения.— Изв. АН СССР Сер
мат., 1959, т. 23, с. 165—184. '
2. Александров Л. С, Пасынков Б. А. Введение в теорию размерности М •
Наука, 1973. "
3. Пасынков Б. А. Нульмерные открытые отображения, повышающие размер-
размерность.— УМН, 1963, т. 18, вып. 5, с. 183—190.
4. Келдыш Л. В. Монотонное отображение куба на куб большей размерности —
Мат. сб., 1957, т. 41, № 2, с. 129—158.
5. Келдыш Л. В. Преобразование монотонно неприводимого отображения в
монотонно открытое и монотонно открытые отображения куба, повышаю-
повышающие размерность.— Мат. сб., 1957, т. 43, № 2, с. 187—226.
6. Козловский И. М. Повышающие размерность открытые отображения ком-
компактов на полиэдры как спектральные пределы несущественных отображе-
отображений полиэдров.— В кн.: Ленингр. Междунар. топологическая конф. Л.:
Наука, 1982.
7. Вейлъ А. Интегрирование в топологических группах и его применение. М.:
Изд-во иностр. лит., 1950.
8. Архангельский А. В. Классы топологических групп.— УМН 1981 т 36
вып. 3, с. 127—146. ' '
АКСИОМАТИКА ПРОЕКТИВНОЙ ГЕОМЕТРИИ
(А. В. Михалев)
Пусть К — тело, М есть (п + 1)-мерное векторное пространство, 95 (М) =
= {Go, Gx, . . ., <?„) — гс-мерная проективная геометрия над телом К, т. е.
структура подпространств пространства М (здесь Gk — множество всех (k -f 1)-
мерных подпространств в М).
На рубеже XIX и XX вв. Гильберт (см. [4]) показал, что все абстрактные
конечномерные дезарговы проективные геометрии @>п = (Go, Gx, . . ., Gn) ис-
исчерпываются системами линейных подпространств конечномерных векторных
пространств над телами, т. е. изоморфны re-мерным проективным геометриям
25 (М). В дальнейшем этот раздел математики, связанный с аксиоматизацией
геометрии или введением координат в аксиоматически заданную геометрию,
Аксиоматика проективной геометрии (А. В. Михалев)
415
активно развивался (см. [1—3, 6, 10]), что позволило связать проективную
геометрию со многими частями алгебры (теорией групп, теорией структур,
теорией колец) и привело к созданию новой ветви алгебры, которую Курош
называл «проективной алгеброй».
В 30-е годы А. Н. Колмогоров одним из первых в нашей стране начал
исследования по топологической алгебре, т. е. предложил изучать множества,
на которых определены алгебраические операции и топология, причем алгеб-
алгебраические операции непрерывны. На этом пути в 1932 г. им и была опубликова-
опубликована работа [5] (№ 20 наст, изд.), посвященная аксиоматике проективных гео-
геометрий. Именно если теперь К — топологическое тело, векторное пространство
М наделено топологией произведения (л + 1)-го экземпляра топологической
абелевой группы К, множества G% топологизированы с помощью естественной
процедуры «шевеления» базиса А-мерного подпространства, то плоскость а е
е G/f, проходящая через линейно независимые точки а0, ах, . . ., а;с е Go,
зависит от них непрерывно. Если же тело К непрерывно (т. е. локально компакт-
компактно и недискретно), то все пространства G^ компактны, а если тело К вполне
несвязно, то все пространства G^ вполне несвязны. Далее А. Н. Колмогоров
называет абстрактную проективную геометрию ,fn = {Go, Gx, . . ., Gn} непре-
непрерывной, если множества Go точек и С1 прямых являются компактными беско-
бесконечными топологическими пространствами, а прямая является непрерывной
функцией от пар точек, через которые она проходит. В [5] было доказано, что
всякая непрерывная проективная геометрия .fn изоморфна некоторой проектив-
проективной геометрии Э5 (М) над некоторым непрерывным телом К (а если пространст-
пространство точек связно, то топологическое тело К также связно), В связи с этим
А. Н. Колмогоров поставил проблему об описании связных локально компакт-
компактных тел, которая была решена Л. С. Понтрягиным (см. [7, 8]): ими оказались
лишь поле действительных чисел, поле комплексных чисел и тело кватернионов.
Эта работа А. Н. Колмогорова сыграла важную роль в дальнейшем раз-
развитии топологической алгебры. В частности, характеризация всех локально
компактных связных дезарговых плоскостей на основе приведенных резуль-
результатов А. Н. Колмогорова и Л. С. Понтрягина явилась стартовой точкой теории
топологических геометрий (см., например, обзор [9] по топологическим проек-
проективным плоскостям). В диссертации автора комментария A967), в частности,
было отмечено, что при некоторых предположениях структура подпространств
топологического векторного пространства над топологическим телом с тополо-
гизированным множеством одномерных подпространств полностью определяет
топологическое векторное пространство и, таким образом, в теореме А. Н. Кол-
Колмогорова топологическое тело К и топологическое пространство М определены
однозначно (с точностью до топологического полулинейного отображения).
ЛИТЕРАТУРА
1. Артин Э. Геометрическая алгебра. М.: Наука, 1969. 283 с.
2. Биркгоф Г. Теория структур. М.: Изд-во иностр. лит., 1952. 407 с.
3. Бэр Р. Линейная алгебра и геометрия. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. 399 с.
4. Гильберт Д. Основания геометрии. М.; Л.: Гостехиздат, 1948. 497 с.
5. Kolmogoroff A. Zur Begriindung der projektiven Geometrie.— Ann. Math.,
1932, vol. 33, N 1, p. 175-176.
416
Комментарии
Уравнение диффузии (Г. И. Баренблатт)
417
6. Neumann J. Continuous geometry. Princeton: Univ. Press, 1960. 299 p.
7. Pontrjagin L. t)ber stetige algebraische Korper.— Ann. Math., 1932, vol.33,
N 1, p. 163-174.
8. Понтрягин Л. С. Непрерывные группы. М.: Наука, 1973. 519 с.
9. Salzmann H. R. Topological planes.— Adv. Math., 1967, vol. 2, N 1, p. 1 —
60.
10. Скорняков Л. А. Дедекиндовы структуры с дополнениями и регулярные
кольца. М.: Гостехиздат, 1961. 198 с.
К РАБОТЕ ОБ УРАВНЕНИИ ДИФФУЗИИ
А. Н. Колмогоров
Постановка задачи принадлежит мне, как и интуитивный прогноз
ожидаемых качественных результатов. Вместе с некоторыми други-
другими моими работами, которые войдут во вторую книгу моих трудов,
настоящая работа (№ 38) своим возникновением обязана моим дли-
длительным контактам с А. С. Серебровским и группой его сотрудников
Н. П. Дубининым, А. А. Малиновским и Д. Д. Ромашовым. Наи-
Наиболее глубокие моменты в математическом решении проблемы при-
принадлежат И. Г. Петровскому.
Тогда же мной была намечена программа дальнейших исследова-
исследований, из которой я здесь отмечу лишь следующие пункты:
1) исследование «фронта наступления» для рецессивного гена (та-
(такой фронт «расползается», неограниченно расширяясь);
2) исследование судьбы «островка», заполненного носителями,
дающего преимущество гена (такой островок будет «растворяться»,
если он слишком мал, и будет неограниченно расти, если он доста-
достаточно велик).
В комментарии Г. И. Баренблатта сказано, как и кем эта про-
программа к настоящему времени выполнена.
В биологической литературе работа не вызвала особенно широ-
широкого отклика. Более актуальной она оказалась во многих разделах
физики, о чем подробно рассказано в комментарии Г. И. Барен-
Баренблатта.
УРАВНЕНИЕ ДИФФУЗИИ
(Г. И. Баренблатт)
1. Математическое содержание комментируемой работы № 38 (мы будем
называть ее далее работа I) кратко сводится к следующему. Рассматривалось
уравнение диффузии с нелинейной правой частью
dvdt— кд2у[дх* ¦= F(v), A)
где F (и) — достаточно гладкая функция, определенная на интервале 0 < v ^ 1
и такая, что F @) = F A) = 0; F (v) > 0 при 0 < v < 1; F' @) = а > 0,
F' (и) <С а при v > 0, k = const > 0. Было показано, что это уравнение имеет
инвариантные решения типа бегущей волны
v = V (х + U + с), B)
удовлетворяющие условиям v (оо, t) = 1, v (—со, t) = 0 с любыми скорости
ми распространения X, удовлетворяющими неравенству X ^ Хо = 2\fkcc. Кон-
Константа с при непосредственном построении инвариантного относительно группы
сдвига решения B) остается неопределенной. Далее, было установлено, что
решение задачи Коши для уравнения A) с произвольными начальными данны-
данными, такими, что v {x, 0)s0 при х < а, 0 < v (х, 0) < 1 при а < х < Ъ,
v (х, 0)е1 при х ]> 6, стремится при t ~» оо к решению вида B), отвечающему
X = Хо и некоторому единственным образом определяемому значению констан-
константы с.
Научное долголетие работы I связано с тем, что именно в этой работе впер-
впервые появились математически законченная постановка и метод решения проб-
проблемы «промежуточной асимптотики» нелинейной задачи математической физики:
инвариантного асимптотического поведения решений, когда время стремится
к бесконечности, но система еще не пришла в состояние равновесия. В самом
деле, на промежуточно асимптотической стадии процесс продолжается, но
зависимость от деталей начальных условий (распределения v (x, 0)) исчезает,
поскольку процесс описывается инвариантным решением вида B). При этом
система еще далека от состояния равновесия v (х, оо) = 1.
Вслед за работой I в различных областях математической физики появи-
появилось изобилие инвариантных промежуточно асимптотических решений. Вся
возникшая здесь громадная литература существенно опирается на идеи, впер-
впервые высказанные в работе I. Общность и внутренняя связь этих инвариантных
промежуточных асимптотик выяснилась в основном в последнее время.
2. Идея промежуточно асимптотических режимов типа бегущей волны
оказалась прежде всего очень плодотворной в математической теории горения.
Спустя год после выхода работы I появилась статья Зельдовича и Франк-Ка-
менецкого [1] (более подробное изложение было дано в [2]), где та же идея была
применена для построения тепловой теории распространения пламени. В про-
простейших предположениях эта задача также сводилась к построению решений
типа бегущей волны для уравнения A), но в отличие от работы I здесь не вы-
выполнялось условие F' (v) < F' @) при 0 < v < 1. В работах [1, 2] предпола-
предполагалось в соответствии с физикой задачи, что функция F (v) — скорость хими-
химической реакции — быстро возрастает с ростом v вплоть до у, близких к едини-
единице, после чего спадает до нулевого значения при v = 1. Для получения реше-
решения типа бегущей волны в работах [1, 2] было сделано дополнительное пред-
предположение о том,' что F (v) = 0 при 0 ^ v <J fi <C 1. При таком предположении
в отличие от работы I значение скорости распространения пламени — парамет-
параметра %0 — определилось единственным образом. Поэтому актуальный для работы I
вопрос о выборе скорости] распространения бегущей волны здесь не возникал.
В связи с этим доказательство того, что и в таком предположении о F (v) ре-
решение вида бегущей волны, соответствующее X = Хо, действительно является
асимптотикой при t —¦ оо решения задачи Коши было дано лишь много позже
в работе [3]; оно существенно опиралось на идеи и методы, развитые в ра-
работе I.
418
Комментарии
Такие доказательства важны и для самой теории горения: в более сложных
задачах этой теории Хо определяется неоднозначно и выбор надлежащего зна-
значения становится нетривиальным. Сравнительно недавно в математической
теории горения удалось избавиться [4, 5] от сильного предположения о том,
что функция F (v) тождественно равна нулю на некотором интервале вблизи
v = 0. Было показано, что и при отказе от этого предположения промежуточная
асимптотика решения задачи Коши описывается решением B) типа бегущей
волны. Замечательно, что несмотря на то, что в задачах теории горения усло-
условие F' (v) <; F' @) не выполняется, оказалась справедливой основная формула
работы I: Хо = 2у kF' @). Это обстоятельство было сперва обнаружено числен-
численными расчетами, а затем получило аналитическое объяснение [5].
К настоящему времени литература по математической теории горения
насчитывает тысячи названий (большой, хотя и далеко не полный список ли-
литературы, можно найти в книге [6]). Однако идея промежуточно асимптотиче-
асимптотических режимов типа бегущей волны с неизвестной заранее и определяемой в
ходе решения скоростью распространения нашла применение и во многих дру-
других областях математической физики, помимо теории горения. Отметим среди
них знаменитую проблему о распространении импульса возбуждения по нерву
[7] и, в частности, ее электрохимическую модель [8]. Исследование последней
модели, непосредственно опирающееся на идеи работы I, было дано в [9]. От-
Отметим также, что в последнее время были исследованы различные процессы,
включающие в себя эффекты распространения плазменных фронтов в электри-
электрических, электромагнитных, световых (лазерных) полях, так называемые вол-
волны распространения разрядов [10—13]. Эти процессы также приводят к рас-
рассмотрению решений типа бегущей волны с заранее неизвестной и определяемой
в ходе решения задачи скоростью распространения. Их исследование полностью
основано на идеях, впервые сформулированных в работе I.
3. Исчезновение из промежуточной асимптотики параметров, характери-
характеризующих детали начального условия — линейных размеров и времен, и струк-
структура основного уравнения A) обеспечили для рассмотренной в работе I задачи
о распространении гена, имеющего преимущество в борьбе за существование,
инвариантность промежуточного асимптотического режима относительно не-
некоторой подгруппы группы преобразований сдвига.
Существует обширный класс задач, в котором промежуточные асимптоти-
асимптотические режимы инвариантны относительно некоторой подгруппы группы пре-
преобразований подобия и представляются так называемыми автомодельными ре-
решениями. При исследовании таких задач идеи, высказанные впервые в рабс-
те I, также оказались фундаментальными.
Действительно, перейдем в задаче, рассмотренной в работе I, к новым
независимым переменным | = ех, т = е~1 и обозначим А = е~с. Тогда решение
вида бегущей волны B) записывается в автомодельной форме
v = V (In | - X In т + с) = U (|/'Ахх), C)
причем оказывается заранее неизвестным и подлежащим определению показа-
показатель степени X. Константа А при непосредственном построении автомодельного
решения не определяется, она находится сшиванием решения вида C) с реше-
решением задачи Коши, асимптотикой которого является автомодельное решение
Уравнение диффузии (Г. И. Баренблатт)
419
C). После появления работы I автомодельные решения такого типа появились
во многих областях, они получили название автомодельных решений второго"
рода. Первой по времени задачей такого типа была газодинамическая задача
о сходящейся ударной волне, рассмотренная Гудерлеем [14], Ландау
и Станюковичем (см. [15]). Построенное в этих работах решение представ-
представляет собой автомодельную асимптотику решения задачи о движении газа, воз-
возникающем внутри сферы под действием сильного взрыва на ее поверхности.
Эта асимптотика применима в некоторой области r0 (t) < г < rt (t) вблизи силь-
сильной ударной волны г = r0 (t) (r — расстояние от центра сферы). Для автомо-
автомодельного асимптотического решения функции
Рог2/*2
Ро
V =
D)
(р _ давление газа, р — его плотность, v — скорость, р0 — начальная плот-
плотность газа) зависят от переменной
= гиг-,
E)
где показатель X находится из условия существования сингулярного автомодель-
автомодельного решения D) уравнений газодинамики в целом. Константа А остается не-
неопределенной и может быть найдена лишь сращиванием автомодельной про-
промежуточной асимптотики с исходным неавтомодельным решением — ситуация,
в точности аналогична рассмотренной в работе I.
Подчеркнем, что задача о сходящейся сильной ударной волне не допускает
использования для определения показателя степени X закона сохранения энер-
энергии. В самом деле, энергия Е, заключенная в области r0 (*)<'"< ri (*)> гДе
применима автомодельная асимптотика, стремится к нулю одновременно с
радиусом ударной волны. Однако Е убывает медленнее, чем г0, и концентра-
концентрация энергии, а также давление газа на фронте волны стремятся к бесконечности.
Здесь проявляется специфический для газодинамических задач принцип от-
отбора показателя X из условия на характеристике, т. е. на линии dr/dt = v — с,
где с — скорость звука, приходящей в центр г = 0 одновременно с фронтом
волны. Для системы обыкновенных уравнений, получающейся для функций
Р (?), R (?), V (?), из уравнений газодинамики характеристика соответствует
особой точке типа седла, через которую интегральная кривая проходит только
при избранном значении показателя X. Замечательно, что при показателе ади-
адиабаты у, большем некоторого критического значения ycr x 1,87, как и в задаче
работы I, возникает непрерывный спектр возможных значений показателя X,
а при у < уст показатель X определяется единственным образом. Гель-
фанд (см. [16]) высказал гипотезу, что в случае у > уС1 дело обстоит так же,
как и в задаче работы I, т. е. осуществляется всегда наименьшее значение X,
однако этот вопрос пока остается открытым.
Другая такая же газодинамическая задача, также приводящая к авто-
автомодельным решениям второго рода и привлекшая широкое внимание — «за-
«задача о коротком ударе» [17, 18, 16, 19]. Здесь рассматривалось построение
автомодельной промежуточной асимптотики вблизи ударной волны с заранее
неизвестным и определяемым в ходе решения показателем степени для движе-
420
Комментпар ии
ния газа, возникающего при ударе жесткой стенки по полупространству, за-
заполненному газом и граничащему с вакуумом.
В последнее время автомодельные решения второго рода появились и во
многих других областях математической физики; литературные указания мож-
можно найти в книге [20]. Широкое развитие подхода, основанного на промежу-
промежуточно асимптотических инвариантных решениях, постоянное использование
в новых задачах идей, впервые сформулированных в работе I, обусловливают
веувядающую фундаментальную значимость этой основополагающей работы.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
ЛИТЕРАТУРА
Зельдович Я. Б., Франк-Каменецкий Д. А. К теории равномерного распро-
распространения пламени. — ДАН СССР, 1938, т. 19, № 9, с. 693—697.
Зельдович Я. Б. К теории распространения пламени.— ЖФХ, 1948, т. 22,
№ 1, с. 27—48.
Капель Я. И. О стабилизации решений задачи Коши для уравнений, встре-
встречающихся в теории горения.— Мат. сб., 1962, т. 59, с. 245—288.
Зельдович Я. Б. Распространение пламени по смеси, реагирующей при
начальной температуре: Препр. ОИХФ АН СССР. Черноголовка, 1978. 10 с.
Алдушин А. П., Зельдович Я. В., Худяев С. И. Распространение пламени по
реагирующей газовой смеси: Препр. ОИХФ АН СССР. Черноголовка, 1979.
28 с.
Зельдович Я. Б., Баренблаттп Г. И., Либрович В. В., Махвиладзе Г. М.
Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478 с.
Ходжкин А. Нервный импульс. М.: Мир, 1965.
Bonhoeffer К. F. Modelle der Nervenerregung.— Naturwissenschaften, 1953,
Bd. 40, N 11, S. 301—311.
Баренблатт Г. И., Ентов В. М., Салганик Р. Л. О распространении им-
импульса возбуждения в электрохимической диффузионной модели нерва. —
ПММ, 1965, т. 29, № 6, с. 977—992.
Велихов Е.П., Дыхно А. М. Волна неравновесной ионизации в газе.—
В кн.: Труды VII Междунар.симпоз.по ионизированным явлениям в газах.
Белград, 1965, с. 47—60.
Бункин Ф. В., Конов В. И., Прохоров А. М., Федоров В. Б. Лазерная искра
в режиме медленного горения.— Письма в ЖЭТФ, 1969, т. 9, № 11, с. 609—
612.
Райзер Ю. П. Высокочастотный разряд высокого давления в потоке газа как
процесс медленного горения.— ЖПМТФ, 1968, № 3, с. 3—10.
Райзер Ю. П. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука,
1974.
Guderley G. Starke kugelige und zylindrische Verdichtungstosse in der Nahe
des Kugelmittelpunktes bzw. der Zylinderachse.— Luftfahrt-Forschungsber.,
1942, Bd. 19, Lfg. 9, S. 302—312.
Станюкович К. П. Неустановившиеся движения сплошной среды. М.: Гос-
техиздат, 1955. 804 с.
Брушлинский К. В., Каждан Я. М. Об автомодельных решениях некоторых
задач газовой динамики.— УМН, 1963, т. 18, вып. 2, с. 3—24.
WeizsackerC. P. Genaherte Darstellung starker instationarer Stosswellen durch
Homologie-Losungen.— Ztschr. Naturforsch., 1954, Bd. 9a, H. 4, S. 269—
275.
Зельдович Я. Б. Движение газа под действием кратковременного давления
(удара).— Акуст. журн., 1956, т. 2, вып. 1, с. 28—38.
Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемператур-
высокотемпературных гидродинамических явлений. 2-е изд. М.: Наука, 1966.
Баренблатт Г. И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика.
Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 206 с.
К работам по турбулентности (А. Н. Колмогоров)
421
К РАБОТАМ ПО ТУРБУЛЕНТНОСТИ
А. Н. Колмогоров
Интерес к изучению турбулентных потоков жидкостей и газов
возник у меня в конце 30-х годов. Мне сразу стало ясно, что основ-
основным математическим аппаратом исследований призвана стать теория
случайных функций многих переменных (случайных полей), кото-
которая в то время только зарождалась. Кроме того, вскоре мне стало
ясно, что трудно надеяться на создание замкнутой в себе чистойieo-
рии. За отсутствием такой теории придется опираться на гипотезы,
получаемые из обработки экспериментальных данных. Важно было
и получить талантливых сотрудников, способных работать в таком
смешанном плане, сочетая разработку теории с экспериментом.
В этом последнем отношении мне повезло: А. М. Обухов, переве-
переведенный из Саратовского университета в Московский, сделался моим
дипломником в 1939 г., а затем стал моим аспирантом; примерно в те
же годы М. Д. Миллионщиков начал работать под моим руководством
s качестве аспиранта МАИ. Позднее моими аспирантами стали также
А. С. Монин и А. М. Яглом.
В 1946 г. О. Ю. Шмидт предложил мне работать в качестве заве-
заведующего лабораторией турбулентности в Институте теоретической
геофизики АН СССР (в 1949 г. руководство этой лабораторией пере-
перешло к А. М. Обухову). Непосредственной экспериментальной работой
я не занимался, но потратил много энергии на расчетную и графи-
графическую обработку данных других исследователей.
ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
(А. М. Яглом)
Общее число опубликованных А. Н. Колмогоровым статей по механике
турбулентных течений жидкостей и газов сравнительно невелико и ни одна
из них не занимает много места. Однако эти несколько небольших статей со-
совершенно преобразили лицо современной теории турбулентности и оказали
огромное влияние и на все дальнейшее развитие указанной теории, и на поста-
постановку экспериментальных исследований широких классов турбулентных те-
течений.
Как известно, турбулентность — это явление, наблюдаемое в громадном
большинстве течений жидкостей и газов, встречающихся как в природе, так
и в технических устройствах или лабораторных установках. Оно заключается
в наличии беспорядочных пульсаций (т. е. хаотических изменений в простран-
пространстве и во времени) скорости и, давления р и других гидродинамических харак»
теристик рассматриваемых течений, делающих соответствующие гидродинами-
гидродинамические поля u (x, t), p (x, t) и др. резко изменчивыми и крайне нерегулярными.
По этой причине изучение индивидуальных гидродинамическиХ|Полей турбулент-
турбулентных течений оказывается практически неосуществимым и интерес представляет
422
Комментарии
лишь статистическое описание таких течений, опирающееся на изучение каких-
то их сглаженных характеристик, изменяющихся уже гораздо более плавно
и закономерно.
Необходимость перехода к сглаженным характеристикам была ясна уже
основоположнику всей теории турбулентности Рейнольдсу [1], еще в конце
прошлого века предложившему разбить поле скорости u (x, t) турбулентного
течения на среднюю скорость п (х, t), определяемую при помощи осреднения
значений u (x, t) по некоторому интервалу времени, и пульсационную скорость
и' = и — п, а затем рассмотреть динамические уравнения для средней ско-
скорости и (ныне называемые уравнениями Рейнольдса). При этом, однако, ока-
оказалось, что простейшее осреднение по заданному интервалу времени (или же
по некоторой области пространства) на самом деле не очень удобно, так как
для получения достаточно простых уравнений для среднего поля п операция
осреднения должна удовлетворять некоторым общим условиям, лишь прибли-
приближенно (но не точно) выполняющимся и для временного, и для пространственного
осреднения. Гораздо более удобным оказалось вместо того или иного осредне-
осреднения индивидуальных гидродинамических полей рассмотреть сразу ансамбль
всевозможных турбулентных течений, допустимых при фиксированных внеш-
внешних условиях, и затем использовать вероятностные средние значения по ан-
ансамблю аналогичных течений, т. е. считать, что поля гидродинамических ха-
характеристик турбулентных течений представляют собой случайные функции
трех пространственных координат и времени в смысле, принятом в современной
теории вероятностей. Такой «статистический поход» к механике турбулентности
впервые был использован в работах А. Н. Колмогорова и его учеников (см.,
например, первый абзац статьи № 45 и цитированную там более раннюю ста*
тью Миллионщикова [2]); в настоящее время он является общепринятым.
Перейдем теперь к основному содержанию очень важных статей № 45 и 47,
посвященных формулировке общих законов, определяющих статистический ре-
режим мелкомасштабных пульсаций любой развитой турбулентности с достаточно
большим числом Рейнольдса Re = UL/v (где U и L — характерные масштабы
скорости и длины в рассматриваемом течении, a v — кинематический коэффи-
коэффициент вязкости жидкости). До появления этих работ никто и не подозревал, что
беспорядочные турбулентные пульсации подчиняются некоторым простым коли-
количественным закономерностям, имеющим совершенно универсальный характер,
т. е. справедливым для всех течений, далеких от ламинарного режима (т. е. ха-
характеризуемым значением Re, намного превосходящим наименьшее значение
Recr числа Рейнольдса, при котором еще возможна турбулентность.) Сущест-
Существенно, однако, что еще в 20-х годах нашего столетия английским ученым Ричард-
Ричардсоном (см., например, [3, с. 66]) была предложена качественная схема развитого
турбулентного течения как иерархии вихрей (т. е. возмущений или неоднород-
ностей) различных порядков, в которой наиболее крупные «вихри первого поряд.
ка» заимствуют свою энергию из осредненного течения и затем передают ее «вих-
«вихрям второго порядка», те — «вихрям третьего порядка» и т. д. вплоть до мель-
мельчайших вихрей, энергия которых рассеивается под действием молекулярной
вязкости (т. е. переходит в теплоту в результате вязкого трения). Очень ясное
описание «схемы Ричардсона» дано в первых двух абзацах подстрочного приме-
примечания 2 статьи № 45; следующие же два абзаца того же примечания существен-
Турбулентностъ (А. М. Яглом)
423
но дополняют эту схему, углубляя наши представления о характере поведения
той нелинейной системы с очень большим числом степеней свободы, какой явля-
является развитое турбулентное течение, и позволяя уже извлечь из этих представле-
представлений вполне конкретные количественные выводы.
Из числа конкретных результатов, содержащихся в работах № 45 и № 47,
наиболее широкую известность приобрел так называемый «закон двух третей» ме-
механики турбулентности, описываемый формулами B3) и B4) работы № 45 (см.
также формулу (9) в № 47). В работе № 47 Колмогоров описал первую попытку
сопоставления этого найденного им закона с имевшимися в то время эксперимен-
экспериментальными данными измерений поперечной корреляционной функции скорости
Rnn (г) в турбулентности, возникающей за решеткой, помещенной в аэродина-
аэродинамическую трубу. Позже аналогичную проверку «закона двух третей» на материа-
материале специально поставленных измерений характеристик турбулентности за решет-
решеткой в аэродинамической трубе произвел Таунсенд [4], который, так же как и
Колмогоров, нашел, что результаты измерений более или менее удовлетворитель-
удовлетворительно согласуются с предсказаниями теории. Еще позже, однако, было выяснено,
что некоторые выводы Таунсенда являются ошибочными и что вообще значения
Re, при которых производилось большинство измерений за решеткой в аэроди-
аэродинамических трубах, слишком малы для существования заметного интервала зна-
значений г, на котором выполняется «закон двух третей» (см., например, Монин и
Яглом [5, § 16.6 и 23.3]). Тем самым стало ясным, что наиболее удобны для про-
проверки «закона двух третей» данные измерений в природных турбулентных тече-
течениях в атмосфере, морях и океанах, характеризующиеся обычно гораздо боль-
большими числами Рейнольдса, чем течения, осуществляемые в лабораторных усло-
условиях. И действительно, первое достаточно убедительное подтверждение справед-
справедливости «закона двух третей» было получено Обуховым [6], обработавшим срав-
сравнительно старые, но весьма тщательные измерения Гедеке [7] разностей скоростей
в ряде пар точек приземного слоя атмосферы (на высоте 1 м над поверхностью луга).
В дальнейшем введенные в рассмотрение А. Н. Колмогоровым функции В^ (г)
и Впп (г) (называемые продольной и поперечной структурными функциями ско-
скорости) многократно измерялись и в атмосфере, и в море (см. сводку таких изме-
измерений в § 23.3 книги [5] и ее расширенного английского издания [8], в обзорной
статье [9], а также недавнюю работу [10]). При этом в полном согласии с пред-
предсказаниями А. Н. Колмогорова во всех случаях было обнаружено, что обе
функции Вм (г) и Впп (г) пропорциональны rla на значительном интервале зна-
значений г (см., в частности, типичный рис. 1 заимствованный из работы Ван Атта и
Чена [11]); также и равенство Впп (г) = D/3) В^а (г), предсказанное в статье
№ 45, оказалось неплохо согласующимся с данными большинства измерений.
Более сложной оказалась проверка равенства G) статьи А. Н. Колмогорова
№ 47, следующего из полученного в этой статье динамического уравнения E),
связывающего продольные структурные функции второго и третьего порядков
J5dcj (r) и Bdridir)- Дело в том, что надежное определение среднего куба разности
скоростей B^dd (r) предъявляет более высокие требования к точности измерений
и требует использования заметно большего осреднения, чем определение с той
же относительной ошибкой] соответствующего среднего квадрата Bdd; помимо
того, одновременное определение также и значения F, входящего в формулу G),
возможно лишь при наличии аппаратуры, регистрирующей без искажения наибо-
424
Комментарии
лее мелкомасштабные пульсации скорости, отвечающие масштабам порядка
«колмогоровского микромасштаба длины» (определяемого формулой A7) статьи
№ 45). С другой стороны, равенство G) замечательно в том отношении, что в
отличие,] например, от упоминавшегося выше «закона двух третей» оно не вклю-
включает никаких неопределенных численных множителей; это обстоятельство делает
его проверку^особенно привлекательной. Поэтому неудивительно, что за послед-
последние годы несколько групп экспериментаторов осуществило и в атмосфере, и в
некоторых лабораторных турбулентных течениях при больших значениях Re
Рис. 1. Продольная структур-
структурная функция скорости ветра
Bad (r) п0 данным измерений
в атмосфере над морем
Значки отвечают разным сериям
измерений, проводившихся на раз-
разных высотах над уровнем моря
(в пределах от 3 до 31 м) и при
разной средней скорости ветра.
Прямые линии отвечают «закону
двух третей»
70
измерения структурной функции третьего порядка Bddd (r) вместе с измерения-
измерениями г специально с целью проверки равенства G); полученные при этом результа-
результаты во всех случаях оказались прекрасно согласующимися с предсказанием
А. Н. Колмогорова (см., например, [10—12] и типичный рис. 2, заимствованный
из работы [10]).
Отметим- еще, что основное уравнение E) статьи № 47 выводится в этой
статье из модифицированного уравнения Кармана — Ховарта C), непосредствен-
непосредственно следующего из результатов работы [13] только в случае, когда турбулентные
возмущения всех масштабов предполагаются однородными и изотропными. Так
как, однако, в силу выводов работы № 45 статистический режим мелкомасштаб-
мелкомасштабных пульсаций при больших значениях Re не должен зависеть от характера
крупномасштабных движений, то сделанное в работе № 47 предположение о
том, что уравнения C) и E) при г <^ L должны быть справедливыми для любой
(а не только для изотропной)] турбулентности с достаточно большим значением
Re, представляется] вполне оправданным (см. в этой связи предложенный Мони-
ным [14] и изложенный также в [5, § 22.1] вывод уравнения E), который не ис-
использует предположения об изотропности турбулентности в целом). Заметим,
кроме того, что равенство F) работы № 45 (от которого не зависят все остальные
содержащиеся здесь результаты), приведенное без доказательства, на самом деле
не является вполне очевидным (это обстоятельство было отмечено, в частности,
в статье Бэтчелора [15], сыгравшей большую роль в популяризации результа-
результатов А. Н. Колмогорова за рубежом); для его доказательства следует привлечь
спектральное представление локально однородных и локально изотропных слу-
случайных полей (см. [16, с. 334—335] или [5, § 13.3]).
В работе № 46 рассматривается одна [более специальная задача механики
турбулентности, касающаяся вырождения (т. е. затухания во времени) полностью
Турбулентность (А. М. Яглом)
425
однородной и изотропной турбулентности в безграничном пространстве. В этой
работе существенно используется сделанное Лойцянским [17] заключение о том
что в изотропной турбулентности сохраняет постоянное значение величина А,
определенная формулой A1); кроме того, здесь используется также выдвинутое
Карманом предположение об автомодельности корреляционной функции (см.
формулу A9)) и «закон двух третей» B5). При этом «закон двух третей» в статье-
№ 46 играет лишь второстепенную роль и на самом деле все ее результаты мож-
можно обосновать, используя только гипотезы о кармановской автомодельности и
Рис. 2. Зависимость норми-
нормированных продольных струк-
структурных функций скорости
третьего порядка
Bddd (r)/(8vK/< = pd(M (г) от
безразмерного расстояния
г/г) = р по данным измерений
в атмосфере и в нескольких
лабораторных турбулентных
течениях
Значки отвечают различным сериям
измерений; прямые линии — пред-
предсказание Колмогорова:
70
70
70"
о постоянстве величины А (см., например, [5, § 16.2]). С другой стороны, если
принять, что «закон двух третей» является справедливым (т. е. ограничиться
случаем [очень больших значений Re), то все основные результаты статьи № 46
можно получить, исходя только из допущения о конечности и постоянстве «ин-
«инварианта' Лойцянского» А, но вовсе не привлекая требования об автомодельности
корреляционных функций (см. Конт-Белло и Корсин [18]). Следует, впрочем,
отметить, что играющее основную роль в работе № 46 предположение о конеч-
конечности и постоянстве во времени величины А в настоящее время уже представляет-
представляется далеко не бесспорным (см. по этому поводу Бэтчелор и Праудмен [19] или Мо-
нин и Яглом [5, § 15.5, 15.6]; ср. также работы Сафмана [20, 21], где предполо-
предположение о постоянстве А заменяется совсем другой гипотезой).
Вернемся теперь снова к общей теории локально изотропной турбулентности»
изложенной в работах № 45 и 47. Результаты, эквивалентные основному «зако-
«закону двух третей» этой теории, были почти одновременно с А. Н. Колмогоровым
совсем иначе получены Обуховым [22, 23]; несколько позже практически к тем
же результатам независимо пришли также Онзагер [24, 25], Вейцзеккер [26] и
Гейзенберг [27] (об этом вкратце упоминается в статье № 58). Однако в статьях
№ 45 и 47 А. Н. Колмогорова выводы о локальной структуре турбулентности
при очень больших значениях Re сформулированы в наиболее общей форме:
здесь используются лишь некоторые наглядные и физически очень естественны©
допущения о природе развитой турбулентности, на основе которые формулируют-
426
Комментарии
ся две фундаментальные гипотезы подобия, справедливые для любого развитого
турбулентного течения и могущие иметь множество различных приложений.
Рассмотрению целого ряда таких приложений и подтверждающих их эксперимен-
экспериментов посвящены обширная глава 8 книг Монина и Яглома [5, 8] и недавняя обзор-
вая статья [9], содержащие большое число дополнительных ссылок на литерату-
литературу; с весьма важными приложениями теории Колмогорова к исследованию рас-
распространения в турбулентной среде света, звука и радиоволн можно ознакомить-
ознакомиться, например, по монографии Татарского [28]. В настоящем же комментарии
достаточно будет остановиться лишь на немногих простых примерах приложений
типотез подобия А. Н. Колмогорова.
Приложение второй гипотезы подобия к высшим моментам продольной раз-
разности скоростей Add (г) = ud (х + г, t) — ud (x, /) (где ud — проекция вектора
и на направление вектора г длины г = | г |), очевидно, приводит к формуле
= (v»/i)v*, A)
Турбулентность (А. М. Яглом)
427
\р=Ср(ёг)
при L
обращающейся в «закон двух третей» при р = 2 и согласующейся с формулой
<7) статьи № 47 при р = 3. Обе гипотезы А. Н. Колмогорова могут быть также
приложены к спектральной плотности кинетической энергии турбулентности (или
короче — к спектру турбулентности) Е (k, t), где к — волновое число, и к со-
соответствующим продольному и поперечному одномерным спектрам Ех (к, t) и
Е2 (к, t). Спектр Е (к, t) определяется исходя из разложения случайного поля
скорости u (x, t) = u (хх, х2, х3, t) в трехмерный интеграл Фурье, обобщающего
аналогичное разложение случайных функций одного переменного, впервые
указанное в работе А. Н. Колмогорова № 42, а одномерные спектры Ех (к, t)
и Е2 (к, t) отвечают разложению компоненты щ (хх, х2, x3, t) вектора и в одно-
одномерный интеграл Фурье по координате хх или соответственно по х2 (или по х3);
все эти три спектра просто связаны со структурными функциями Bdd (r, t) и
Впп (г, 0 (см., например, [16] или [5, § 13.3]). В силу первой гипотезы подобия
А. Н. Колмогорова спектры Е, Е1 и Ег при к^> 1/L не зависят от t и задаются
формулами
Е (к) =
Ех (к) =
(цк),
Е2 (к) = (v5-)'4p2 (T|fc),
B)
где ф, фг и ф2 — универсальные функции одного переменного, любые две из ко-
которых (а также и функция p,jd работы № 45) просто выражаются через третью из
этих функций. Аналогично этому вторая гипотеза подобия влечет за собой со-
соотношения
Е (к) =
(к) =
Е2 (к) =
C)
справедливые при l/r|^>ft^> 1/L; здесь А, А1а А2 — универсальные постоянные,
причем, как нетрудно показать, А = [55 27Г (V3)] С х- 0,76 С, Ах = A8/55) А^.
-х, Clk, А2 = B4/55) А ж С/3, где С — коэффициент формулы B3) работы № 45
этой книги. Результаты B) и C) были впервые получены (в применении к трех-
трехмерному спектру Е (к)) Обуховым [22, 23] с помощью исследования построенного
им спектрального уравнения баланса турбулентной энергии. Каждое из трех
соотношений B) точно эквивалентно формуле B0) работы № 45 А. Н. Колмого-
Колмогорова, а соотношения C) (выражающие так называемый «закон пяти третей») экви-
эквивалентны «закону двух третей» B3).
Отметим еще, что Обуховым [29] и Коренном [30] результаты работ
А. Н. Колмогорова были перенесены также на структуру поля температуры
Т (х, t) (или концентрации 0 (х, t) произвольной пассивной, т. е. не влияющей
на динамику, примеси к жидкости) в развитом турбулентном течении; при этом
оказалось, что для скалярного поля Т (или 0) также справедливы и «закон двух
третей» и «закон пяти третей» (а кроме того, выполняется и родственное уравне-
уравнению E) работы № 47 уравнение для структурных функций; см. [31]).
Рис. 3. Результаты измере-
измерений одномерного продольного
спектра скорости течения воды
в океанском проливе A);
ветра в атмосфере вблизи
Земли B); течения воздуха
в пограничном слое на стенке
большой аэродинамической
трубы C)
Спектральная формулировка B) и C) фундаментальных законов мелкомас-
мелкомасштабной турбулентности, впервые указанных А. Н. Колмогоровым, очень удоб-
удобна для экспериментальной проверки, так как измерения спектров беспорядочных
флуктуации широко распространены в современной науке и технике и методы их
проведения детально разработаны. Наиболее просто измеряются продольные
(в направлении средней скорости течения) одномерные спектры, которые могут
быть выражены через частотные спектры пульсаций скорости в одной фиксирован-
фиксированной точке. В качестве типичного примера на рис. 3, заимствованном из [5], све-
сведены вместе данные измерений одномерного продольного спектра Ег (к) скорости
трех весьма различных турбулентных течений — течения воды в океанском про-
проливе, ветра в атмосфере вблизи Земли и течения воздуха в большой аэродинами-
аэродинамической трубе вблизи от ее стенки. Мы видим, что данные всех трех измерений,
поделенные на значение (fiv5)^4 и представленные в виде функции от кх\, достаточ-
достаточно точно укладываются на одну кривую, т. е. хорошо согласуются с теоретичес-
теоретической формулой B); также и «закон пяти третей» C) убедительно подтверждается
этими данными.
Экспериментальные результаты, представленные на рис. 3, могут быть не-
непосредственно использованы для определения значения коэффициента С «зако-
«закона двух третей» (просто выражающегося] через коэффициенты законов C)).
Первая попытка определения значения этого коэффициента была предпринята
еще самим А. Н. Колмогоровым в работе № 47, в которой для этой цели были
привлечены данные измерений в аэродинамической трубе за решеткой и было
найдено, что С» 1,5. Однако выше мы уже отмечали, что числа Рейнольдса,
428
Комментарии
Турбулентность (А. М. Яглом)
42У
характеризующие использовавшиеся в статье № 47 эксперименты, были все же
недостаточно большими для того, чтобы «закон двух третей» здесь выполнялся на
значительном интервале значений г; поэтому и приведенная в № 47 первая оцен-
оценка С теперь уже не представляется надежной. В дальнейшем экспериментальные
определения значения С многократно производились целым рядом исследовате-
исследователей, использовавших с этой целью и измерения структурных функций Bdd (г) и
-Впп (г), сопровождающиеся также аккуратными измерениями значения е, и из-
измерения спектров и значений к, и одновременные измерения структурных функ-
функций Bdd (г) и Bfidd (r)t позволяющие использовать формулы A0) и (8) работы
А. Н. Колмогорова № 47. Сводка данных о значении С, охватывающая резуль-
результаты 37 работ, включена в обзорную статью [9]; помимо того, можно указать
еще на две более поздние работы [10, 32] на ту же тему. Любопытно, что почти
все измерения приводят к результатам, не очень сильно отличающимся от самой
первой оценки значения коэффициента С, принадлежащей А. Н. Колмогорову:
•согласно имеющимся в настоящее время данным Сг2, причем ошибка этой
оценки вряд ли превосходит 10—15%.
Наблюдающийся разброс экспериментальных значений коэффициента С
вероятно в заметной степени объясняется просто неточностью измерений, но в
какой-то мере он может быть связан и с влиянием изменчивости поля скорости
диссипации энергии 8 (х, t), о которой говорится в статье № 58 А. Н. Колмого-
Колмогорова. Эта статья (представляющая собой изложение доклада, сделанного на
Международном коллоквиуме по механике турбулентности в Марселе в 1961 г.)
тесно примыкает к работе Обухова [33] и вместе с этой последней знаменует со-
собой дальнейшее развитие теории локально изотропной турбулентности, основы
которой были заложены статьями № 45 и 47. В последующие годы изучению
уточненной теории локальной структуры турбулентности, намеченной в работах
№ 58 и [33], было посвящено очень большое число теоретических и эксперимен-
экспериментальных исследований, лишь частично отраженных в специально посвященном
этим вопросам § 25 книги [5] (см. также [8]).
В работе № 58 предлагается заменить первую и вторую гипотезы подобия
статьи № 45 двумя уточненными гипотезами подобия, относящимися уже к
нормированным разностям скоростей V (§, т), и дополнить их еще третьей ги-
гипотезой, постулирующей логнормальность распределения вероятностей осред-
яеннои по сфере радиуса г скорости диссипации энергии ег и линейность зави-
зависимости дисперсии log гг от log (L/r). Исходя отсюда, для общей структурной
функции скорости [Add (t)]p произвольного порядка р получается указанная в
статье № 58 этой книги формула A0), обобщающая выписанную выше формулу
A), отвечающую значению к = 0, и показывающая, что функция [A(jj (Г)Р
должна хорошо приближаться степенной функцией на значительном интервале
значений г = | г |, но с показателем степени, вообще говоря, отличным от
р1Ъ и с коэффициентом^ Ср (х, t) Lp(-P~g)k^, не являющимся универсальной кон-
константой, а зависящим также и от характера крупномасштабных движений
(в частности, от числа Re).J
В краткой статье № 58 опущены аргументы, объясняющие естественность
используемой здесь третьей гипотезы подобия, касающейся нормальности рас-
распределения вероятностей величины log sr и вида ее дисперсии. Однако позже
в статье [34] было показано, что рассмотрение простой модели каскадного про-
процесса последовательного «дробления» турбулентных возмущений, учитываю-
учитывающей автомодельность этого процесса, позволяет просто обосновать эту гипотезу
(см. также [35] и [5, § 25.3]). В [34] было показано, что постоянная \i = 9к, где
9к — коэффициент в формуле B) (см. № 58), входит и в формулу Еее (к) ~
~ Af1+Ji, описывающую поведение одномерного спектра пульсаций скорости дис-
диссипации энергии 8 на значительном интервале значений волнового числа к,
после чего данные измерений спектра Еев (к) здесь были использованы для по-
получения первой оценки \i x 0,4 значения постоянной ц. В дальнейшем попытки
экспериментально оценить значение \i предпринимались также многими другими
авторами: сначала большинство из этих попыток приводило к согласующемуся
с результатом статьи [34] выводу о том, что [х ~ 0,4 ч- 0,5 (см., например, [11,
36, 37]), но в самые последние годы ряд исследователей пришел к заключению,
что, по-видимому, более ранние оценки \i были все же завышенными и что более
правдоподобной предствляется оценка ц х 0,2 (см., например, [38, 57]).
В целом ряде экспериментальных работ (в частности, в [11, 35, 36, 39—43])
измерялись распределения вероятностей величины 8 (точнее говоря, родственных
ей величин еA) = 15v (dujdxjJ и е2 = 7,5v {dujdx^f) или тех же величин, ос-
редненных по некоторой области размера г, с целью проверки предположения
статьи № 58 о логнормальности этих распределений. При этом во всех случаях
¦било обнаружено, что соответствующая функция распределения хорошо согла-
согласуется с логарифмически нормальной функцией распределения на широком ин-
интервале умеренных значений аргумента, но на «хвостах» (т. е. при очень малых
или очень больших значениях аргумента) эмпирическое распределение вероят-
вероятностей все же отклоняется от логарифмически нормального. Эти отклонения,
как оказалось, существенно влияют на моменты высших порядков распределений
вероятностей, так что высшие моменты ег уже не могут быть аккуратно вычисле-
вычислены с помощью относящейся к логарифмически нормальному распределению
формулы (9) (см. № 58). С этим фактом связано замечание Мандельброта [44]
о том, что из асимптотического приближения при Re —» оо распределения ве-
вероятностей ег к логарифмически нормальному распределению вовсе еще не
следует,что моменты ег при больших значениях Re будут близки к моментам этого
предельного распределения. Позже Новиков [45] показал, что, постулируя
только автомодельность каскадного процесса дробления турбулентных вихрей,
можно уже получить формулу вида е?/8/^3 ~ (Llr)vv, где цр — некоторые
постоянные, которые, однако, с ростом р не могут возрастать быстрее, чем не-
некоторая линейная функция р (т. е. должны возрастать заметно медленнее, чем
показатели степени ц^' = р (р — 3) ц/18, отвечающие логарифмически нор-
нормальному распределению вероятностей величины гг). Объединив формулу Нови-
Новикова с первой и второй гипотезами подобия А. Н. Колмогорова, приведенными в
статье № 58, мы получим результат
[Ad
f =Cp(x,
D)
обобщающий формулу A0) (см. № 58). Результаты измерений структурных функ-
функций скорости [A(j(j (r)]p различных порядков р (вплоть до р = 8, 9 или даже 12)
в турбулентных течениях с большими значениями Re описаны в работах [38,
46, 47]; согласно всем этим работам функции [Д<м (т)]р на значительном интервале
430
Комментарии
Турбулентность (А. М. Яглом)
431
значений г = | г
р/з-дт
неплохо
аппроксимируются степенными функциями вида
р, где цр > 0 при всех р (т. е. [\dd (г)]Р возрастает с ростом г медленнее,
чем предсказывает формула A)), и при возрастании значения показателя степени
р значение ц.р также увеличивается, причем ц.р ж ц^0) = (р (р — 3) ц)/18
при сравнительно небольших значениях р, но при дальнейшем возрастании р
значения цр уже явно отстают от значений \№\
Работа № 48 А. Н. Колмогорова стоит особняком среди всех других его»
работ по механике турбулентности. Эта работа посвящена уже не исследованию
одной лишь мелкомасштабной структуры турбулентности, но попытке построить
полную (разумеется, приближенную) систему уравнений турбулентного движе-
движения, пригодную для расчетов характеристик реальных течений, очень важных
для многих областей современной науки и техники. Первые еще очень грубые-
методы расчета были предложены в промежутке между 1915 и 1935 гг. Прандт-
лем, Тейлором и Карманом; в их основу были положены строгие (но незамкну-
незамкнутые) уравнения Рейнольдса для средней скорости, которые затем искусственна
замыкались с помощью гипотезы о коэффициенте турбулентной вязкости и при-
привлечения понятия «пути перемешивания» для определения значений этого коэф-
коэффициента (см., например, [48, § 5.8]). В самом конце 30-х и начале 40-х годов
были предложены первые более совершенные модели замкнутых уравнений ме-
механики турбулентности, опирающиеся уже не только на уравнения Рейнольдса,
но также и на динамические уравнения для каких-то вторых моментов пульсаций
скорости и для некоторых других характеристик турбулентности. Одной и»
самых ранних таких систем уравнений была предложенная А. Н. Колмогоровым
в работе № 48 система, включающая уравнения для средней скорости г7{, интен-
интенсивности турбулентности (т. е. энергии пульсаций) 6 и «типичной частоты» со
(или, что эквивалентно, масштаба турбулентности L = Ъ'21ш). Уравнения
А. Н. Колмогорова оказались достаточно удачными (т. е. хорошо описывающи-
описывающими данные измерений) и удобными для конкретных расчетов; см. в этой связи
выполненные под руководством Колмогорова прикладные работы Монина [49J
и Баренблатта [50, 51], в которых используется немного модифицированная
форма этих уравнений. Позже близкая система уравнений турбулентного дви-
движения была независимо предложена также Прандтлем [52]; на этом основании
замкнутые уравнения относительно переменных гг;, Ъ и L в настоящее время в
литературе часто называются уравнениями Колмогорова — Прандтля (см., на-
например, [53, гл. 8]). В последующие годы замкнутые системы уравнений различ-
различной степени сложности, приближенно описывающие турбулентные течения жид-
жидкостей и газов, получили очень широкое распространение и им посвящена ог-
огромная литература, представление о которой могут дать, например, книги [54,
55], а также гл. 5 книги [56] и гл. 8 и 9 книги [53].
ЛИТЕРАТУРА
1. Reynolds О. On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the
determination of the criterion.— Philos. Trans. Roy. Soc. London, 1894,
vol 186, p 123—161. Рус пер. в кн.: Проблемы турбулентности. М.: ОНТИ,
1936, с. 185—227.
2. Миллионщиков М. Д. Вырождение однородной изотропной турбулентности
в вязкой несжимаемой жидкости.— ДАН СССР, 1939, т. 22, № 5, с. 236—
240.
3. Richardson L. F. Weather prediction by numerical process. Cambridge: Univ.
Press, 1922. 236 p.
4. Townsend A. A. Experimental evidence for the theory of local isotropy.— Proc.
Cambridge Philos. Soc, 1948, vol. 44, N 4, p. 560—565.
5. Монин А. С, Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. М.: Наука,
1967. Ч. 2. 720 с.
6. Обухов А. М. Локальная структура атмосферной турбулентности.— ДАН
СССР, 1949, т. 67, № 4, с. 643-646.
7. Godecke К. Messungen der atmospharischen Turbulenz in Bodennahe mit einer
Hitzdrahtmethode.— Ann. hydrogr., 1935, N 10, p. 400—410.
8. Monin A. S., Yaglom A. M. Statistical fluid mechanics. Cambridge (Mass.):
MIT-Press, 1975. Vol. 2.
9. Яглом А. М. Закономерности мелкомасштабной турбулентности в атмосфе-
атмосфере и океане (К 40-летию теории локально изотропной турбулентности).—
Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1981, т. 17, №12, с. 1235—
1257.
10. Antonia R.A., Chambers A. J., Satyaprakash В. R. Kolmogorov constants
for structure functions in turbulent shear flows.— Quart. J. Roy. Meteor.
Soc, 1981, vol. 107, N 453, p. 579—589.
11. Van Atta C. W., Chen W. Y. Structure functions of turbulence in the atmos-
atmospheric boundary layer over the ocean.— J. Fluid Mech., 1970, vol. 44, pt 1,
p. 145—159.
12. Park J. Т., Van Atta C. W. Hot- and cold-wire sensitivity corrections for
moments of fine scale turbulence in heated flows.— Phys. Fluids, 1980, vol.
23, N 4, p. 701—705.
13. Kdrmcin Th. von, Howarth L. On the statistical theory of isotropic turbulence.—
Proc. Roy. Soc London, 1938, vol. A164, N 917, p. 192—215.
14. Монин А. СИ теории локально изотропной турбулентности.— ДАН СССР,
1959, т. 125, № 3, с. 515—518.
15. BatchelorG. К. Kolmogoroffs theory of locally isotropic turbulence.— Proc.
Cambridge Philos. Soc, 1947, vol. 43, N 4, p. 533—559.
16. Яглом А. М. Некоторые классы случайных полей в re-мерном пространстве,
родственные стационарным случайным процессам.— Теория вероятностей
и ее применения, 1957, т. 2, № 3, с 292—337.
17. Лойцянский Л. Г. Некоторые основные закономерности изотропного турбу-
турбулентного потока.— Тр. ЦАГИ, 1939, вып. 440, с. 3—23.
18. Comte-BellotG., Corrsin S. The use of a contraction to improve the isotropy of
grid-generated turbulence.— J. Fluid Mech., 1966, vol. 25, N 4, p. 657—682.
19. Batchelor G. K., Proudman I. The large-scale structure of homogeneous tur-
turbulence.— Philos. Trans. Roc. Soc, 1956, vol. A248, N 949, p. 369—405.
20. Saffman P. G. The large scale structure of homogeneous turbulence.— J. Fluid
Mech., 1967, vol. 27, N 3, p. 581—593.
21. Saffman P. G. Note on decay of homogeneous turbulence.— Phys. Fluids,
1967, vol. 10, N 6, p. 1349.
22. Обухов А. М. О распределении энергии в спектре турбулентного потока.—
ДАН СССР, 1941, т. 32, № 1, с. 22—24.
23. Обухов А. М. О р определении энергии в спектре турбулентного потока.—
Изв. АН СССР. Сер.1 геогр. и геофиз., 1941, т. 5, № 4—5, с. 453—466.
24. Onsager L. The distribution of energy in turbulence (abstr.). — Phys. Rev.,
1945, vol. 68, N 11—12, p. 286.
25. Onsager L. Statistical hydrodynamics.— Nuovo cimento, 1949, vol. 6, Suppl.,
N 2, p. 279—287.
26. Weizsiicker C. F. von. Das Spektrum der Turbulenz bei grossen Reynolds'schen
Zahlen.— Ztschr.] Phys., 1948, Bd. 124, N 7—12, S. 614—627.
27. Heisenberg W. Zur statistischen Theorie der Turbulenz.— Ztschr. Phys., 1948,
Bd. 124, N 7—12, S. 628—657.
28. Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.:
Наука, 1967. 548 с.
432
Комментарии
К работам по классической механике (А. Н. Колмогоров)
433
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
Обухов А. М. Структура температурного поля в турбулентном потоке,—
Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1949, т. 13, № 1, с. 58—69.
Corrsin S. On the spectrum of isotropic temperature fluctuations in an iso-
tropic turbulence.— J. Appl. Phys., 1951, vol. 22, N 4, p. 469—473.
Яглом А. М. О локальной структуре поля температур в турбулентном по-
потоке.— ДАН СССР, 1949, т. 69, № 6, с. 743—746.
Dyer A. /., Hicks В. В. Kolmogoroff constants at the 1976 ITCE. Boundary-
Layer Meteor., 1982, vol. 22, N 2, p. 137—150.
Obukhov A. M. Some specific features of atmospheric turbulence.— J. Geo-
phys. Res., 1962, vol. 67, N 8, p. 3011-3014; J. Fluid Mech., 1962, vol. 13r
N 1, p. 71-81.
Яглом А. М. О влиянии флуктуации диссипации энергии на форму харак-
характеристик турбулентности в инерционном интервале.— ДАН СССР, 1966,.
т. 166, № 1, с. 49-52.
Gurvich A S., Yaglom A. M. Breakdown on eddies and probability distribu-
distributions for small-scale turbulence.— Phys. Fluids, 1967, Suppl. (Proc. Kyoto
Sympos. on Boundary Layers and Turbulence), p. S59—S65.
Gibson С. Д., Stegen G. R., McConnell S. Measurements of the universal cons-
constant in Kolmogoroff's third hypothesis for high Reynolds number turbulen-
turbulence.— Phys. Fluids, 1970, vol. 13, N 10, p. 2448—2451.
Gibson C. H., Masiello P. J. Observations of the variability of dissipation ra-
rates of the turbulent velocity and temperature fields.— Lect. Notes Phys., 1972,.
vol. 12, p. 427—453. (Proc. Sympos. San Diego, July 1971).
Antonia R. A., Satyaprakash B. R., Chambers A. J. Reynolds number depen-
dependence of velocity structure functions in turbulent shear flows.— Phys. Fluids,.
1982, vol. 25, N 1, p. 29—37.
Stewart R. W., Wilson J. R., Burling R. W. Some statistical properties of
small scale turbulence in an atmospheric boundary layer.— J. Fluid Mech.r
1970, vol. 41, N 1, p. 141—152.
Gibson C. H., Stegen G. R., Williams R. B. Statistics of the fine structure of
turbulent velocity and temperature fields measured at high Reynolds num-
number.- J. Fluid Mech., 1970, vol. 41, N 1, p. 153-167.
Kuo A. Y-S., Corrsin S. Experiments of internal intermittency and fine-
structure distribution function in fully turbulent fluid.— J. Fluid Mech., 1971,
vol. 50, N 2, p. 285—320.
Холмянский М. 3. Измерения микротурбулентных пульсаций производной
скорости ветра в приземном слое атмосферы.— Изв. АН СССР. Физика
атмосферы и океана, 1972, т. 8, № 8, с. 818—828.
Frenkiel F. N., Klebanoff P. S. On the lognormality of the small-scale struc-
structure of turbulence.— Boundary-Layer Meteor., 1975, vol. 8, N 2, p. 173—200.
Mandelbrot B. Possible refinement of the lognormal hypothesis concerning the
distribution of energy dissipation in intermittent turbulence.— Lect. Notes
Phys., 1972, vol. 12, p. 333—351. (Proc. Sympos. San Diego, July 1971).
Новиков Е. А. Перемежаемость и масштабное подобие в структуре турбу-
турбулентного потока.— ПММ, 1971, т. 35, № 2, с. 266—277.
Van Atta С. W., Park J. Statistical self-similarity and inertial subrange tur-
turbulence.— Lect. Notes Phys., 1972, vol. 12, p. 402—426. (Proc. Sympos. San
Diego, July 1971).
Василенко В. М., Любимцев М. М., Озмидов Р. В} О флуктуациях скорости
диссипации турбулентной энергии и структурных функциях высших поряд-
порядков поля скорости в океане.— Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана,
1975, т. 11, № 9, с. 926—932.
Монин А. С, Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. М.: Наука,
1965. Ч. 1. 639 с.
Монин А. С. Динамическая турбулентность в атмосфере.— Изв. АН СССР.
Сер. геогр. и геофиз., 1950, т. 14, № 3, с. 232—254.
Баренблатт Г. И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке.—
ПММ, 1953, т. 17, № 3, с. 261—274.
51. Баренблатт Г. И. О движении взвешенных частиц в турбулентном потоке,
занимающем полупространство или плоский открытый канал конечной глу-
глубины.— ПММ, 1955, т. 19, № 1, с. 61—88.
52. Prandtl L. Uber em neues Formelsystem fjr die ausgebildete Turbulenz.—
Nachr. Ges. Wiss. Gottingen. Math.-Phys. К.1., 1945, S. 6—19; Gesammelte
Abhandlungen. Berlin: Spring.-Verl., 1961, Tl. 2, S. 874—887.
53. Турбулентность.: Принципы и применения/Под ред. У. Фроста, Т. Моул-
дена. М.: Мир, 1980.
54. Computation of turbulent boundary layers/Eds S. J. Kline, M. V. Mirkovin,
G. Sovran, D. J. Cockrell: Proc. 1968 AFOSR-IFP Stanford Conf. Stanford:
Univ. Press, 1969. Vol. 1. 590 p.
55. Launder B. E., Spalding D. E. Lectures on mathematical models of turbulence.
London: Acad. Press, 1972. 169 p.
56. Турбулентность/Под ред. П. Брэдшоу. М.: Машиностроение, 1980. 343 с.
57. Antonia R. A., Satyaprakash В. R., Hussain А. К. М. F. Statistics of fine-
scale velocity in turbulent plane and circular jets.— J. Fluid Mech., 1982,
vol. 119, p. 55—89.
К РАБОТАМ ПО КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ
А. Н. Колмогоров
Мои работы по классической механике возникли под влиянием
работ Дж. Неймана по спектральной теории динамических систем
(см. [1] к статье № 53) и в особенности под влиянием классической
работы Н. Н. Боголюбова и Н. М. Крылова 1937 г. (см. [12] к статье
№ 53).
Меня остро заинтересовал вопрос, какие могут быть эргодичес-
кие множества (в смысле Боголюбова — Крылова) в динамических
системах классической механики и какие из их типов могут запол-
заполнять множества положительной меры (вопрос этот остается нерешен-
нерешенным и до настоящего времени). Для накопления конкретного мате-
материала был организован семинар, посвященный изучению отдель-
отдельных примеров. Мои размышления на эти и близкие к ним темы нашли
широкий отклик у молодых московских математиков.
Подробнее об этом сказано в комментарии В. И. Арнольда.
КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
(В. И. Арнольд)
Влияние классических работ № 52 и № 53 А. Н. Колмогорова на все даль-
дальнейшее развитие теории динамических систем было исключительно велико,
и сегодня одно лишь количество книг, развивающих или излагающих эти работы,
исчисляется десятками. В этом комментарии невозможно охватить все их при-
приложения, поэтому мы ограничимся лишь перечислением некоторых усовершен-
усовершенствований, внесенных в теорию после 1954 г.
434
Комментарии
Классическая механика (В. И. Арнольд)
435
1. ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА ДИНАМИКИ
Постановка задачи о движении систем, близких к интегрируемым системам
классической механики, в том числе задачи об эволюции орбит в проблеме трех
тел, восходит к Ньютону [1]. Лаплас [2] уже явно формулирует теорему об ус-
устойчивости больших полуосей кеплеровых эллипсов, являющуюся прообразом
теоремы Колмогорова о сохранении торов, но доказывает ее лишь в постановке
приближенной теории возмущений. Пуанкаре [3], проанализировав многочис-
многочисленные попытки обоснования и усовершенствования рассуждений Лапласа,
дает проблеме современную формулировку (исследовать движение системы
с функцией Гамильтона W (р) -+¦ 65 (д, р, 6), периодической по д) и назы-
называет ее основной проблемой динамики (см. [3, гл. 1, п. 13]). Комментируемые
работы А. Н. Колмогорова решают эту проблему для большинства начальных
условий в случае общего положения (det d2W/dp2 ф 0).
2. ТВЕРДОЕ ТЕЛО И ПЛАНЕТОИД
Из многочисленных задач механики, к которым непосредственно применима
теорема А. Н. Колмогорова о сохранении условно периодических движений,
отметим следующие две классические проблемы:
а) задача о движении несимметричного тяжелого твердого тела вокруг не-
неподвижной точки;
б) плоская ограниченная круговая задача трех тел о плоском движении
планетоида пренебрежимой массы под влиянием притяжения тяжелого тела
S (Солнце) и обращающегося около него по круговой орбите тела / (Юпитера)
малой конечной массы.
В задаче а) из теоремы Колмогорова следует, что квадрат полного кинети-
кинетического момента мало меняется в течение бесконечного времени, если в началь-
начальный момент тело вращается достаточно быстро (кинетическая энергия велика по
сравнению с потенциальной) (см. [4]).
Что касается планетоида, то его мгновенная эллиптическая кеплерова ор-
орбита будет под влиянием «планеты» / лишь медленно поворачиваться в своей
плоскости, если в начальный момент она не пересекается с круговой орбитой
«планеты» / и отношение масс тел J и S достаточно мало.
Из теоремы А. Н. Колмогорова непосредственно вытекает также устойчи-
устойчивость большинства магнитных поверхностей относительно малого изменения
магнитного поля в тороидальных системах типа токамак при ненулевом «шире»
(производной отношения частот по номеру тора).
3. ПРЕДЕЛЬНОЕ ВЫРОЖДЕНИЕ
Для изучения нелинейных колебаний гамильтоновых систем вблизи по-
положений равновесия или периодических движений теорема А. Н. Колмогорова
непосредственно неприменима (из-за вырождения, которое Борн [5] называет
предельным: торы стягиваются в точку). Однако небольшое видоизменение
этой теоремы доставляет инвариантные торы и в случае предельного вырожде-
вырождения. Таким образом, колмогоровские торы решают, например, проблему Бирк-
гофа об устойчивости общих эллиптических точек сохраняющих площади ото-
отображений плоскости на себя [6].
Наиболее законченный результат в этой проблеме принадлежит Мозеру
[7]: неподвижная точка 0 сохраняющего площади гладкого отображения, за-
заданного в полярных координатах формулой
(г, ср) н* (г, <р + а + рг2) + О (г1),
устойчива, если а Ф 2кк/3, 2лкИ; р1 ф О.
Из относящегося к предельному вырождению варианта теоремы Колмо-
Колмогорова следует, что колеблющаяся точка вечно остается вблизи устойчивого по
линейному приближению положения равновесия или периодического движения
для большинства начальных условий, близких к нему, если только рассматри-
рассматриваемая колебательная гамильтонова система удовлетворяет некоторым («вообще
говоря» выполненным) условиям невырожденности.
В случае, когда размерность фазового пространства можно понизить до
трех, двумерные торы, гарантируемые обобщенной теоремой Колмогорова,
делят фазовое пространство и потому обеспечивают настоящую устойчивость
положений равновесия или периодических движений по Ляпунову. Из клас-
классических проблем, решенных таким образом, упомянем две:
а) доказательство устойчивости лагранжевых периодических решений
плоской круговой ограниченной задачи трех тел [8, 9];
б) доказательство устойчивости перевернутого нелинейного маятника без
трения при достаточно быстрых колебаниях точки подвеса в вертикальном
направлении.
4. СОБСТВЕННОЕ ВЫРОЖДЕНИЕ
Часто встречается ситуация, в которой невозмущенное движение описывает-
описывается меньшим числом частот, чем число степеней свободы (собственное вырожде-
вырождение в смысле Борна, примеры — кеплерова задача и задача о движении заря-
заряженной частицы в сильном магнитном поле).
Перенесение теории А. Н. Колмогорова на этот случай [10] позволило,
в частности, доказать вечную адиабатическую инвариантность переменной
действия в нелинейных системах с одной степенью свободы при медленно перио-
периодически меняющейся функции Гамильтона [11], а также вечное удержание заря-
заряженных частиц в аксиально-симметричных магнитных ловушках [12].
Комбинация этих результатов с исследованием колебаний вблизи положе-
положения равновесия (п. 3) приводит к доказательству вечной малости изменений
больших полуосей планетных орбит для большинства начальных условий,
при которых начальные кеплеровы эллипсы мало отличаются от непересекаю-
непересекающихся окружностей, лежащих в одной плоскости и пробегаемых в одном на-
направлении, при условии, что массы планет достаточно малы по сравнению
с массой центрального тела [12].
Исключительные начальные условия, приводящие в конце концов к суще-
существенному изменению больших полуосей кеплеровых эллипсов, образуют пред-
предположительно множество положительной меры, всюду плотное в фазовом про-
пространстве.
436
Комментарии
Классическая механика (В. И. Арнольд)
437
5. ДИФФУЗИЯ
Если инвариантные торы, доставляемые теоремой Колмогорова, не делят
фазовое пространство (редуцированное с учетом первых интегралов), то фазовая
кривая, начавшаяся в щели межу ними, может в принципе за большое время
уйти далеко от того инвариантного тора невозмущенной системы, где находи-
находилась ее начальная точка. В этом случае значения переменных действия (инте-
(интегралов невозмущенной системы) уходят далеко от своих начальных значений.
Примеры такого ухода в невырожденной системе были построены в [13].
Средняя скорость ухода в этом примере была экспоненциально малой (порядка
е~1У?) где 0 — величина возмущения). Экспоненциально медленный уход не-
неулавливается никаким приближением теории возмущений, в которой рас-
рассматриваются ряды по степеням 0 и которая действует на больших временах
порядка отрицательных степеней 0 — за такие времена значение действия не
успевает далеко уйти от своего начального значения. Но поскольку этот уход
совершается в непредсказуемом (сильно зависящем от начальных условий)
направлении и носит характер блуждания между колмогоровскими торами,
физики его назвали диффузией [14].
Нехорошев [1Ъ-—17] получил для средней скорости эволюции переменных
действия экспоненциальную оценку сверху: изменение действия остается малым
(порядка 0а, 0 < а < 1) в течение экспоненциально большого времени (порядка
Теорема Нехорошева объясняет, почему эволюция переменных действия
не обнаруживается ни в каком приближении теории возмущений, в частности —
в теоремах Лапласа и его последователей.
Числа а и Ъ оценены Нехорошевым через некоторые геометрические харак-
характеристики искривленности поверхностей уровня невозмущенной функции
Гамильтона, так называемые показатели крутизны. Эти показатели в настоящее
время вычислены для систем общего положения с не более чем тремя степенями
свободы [18].
6. МЕРА ИСКЛЮЧИТЕЛЬНОГО МНОЖЕСТВА
Теорема Колмогорова утверждает, что (в ограниченной области фазового
пространства) мера дополнения к инвариантным торам, не разрушившимся при
возмущении величины 6, мала вместе с 0. Более внимательный анализ позво-
позволяет получить для этой меры оценку сверху величиной CY& (Лазуткин [19],
Сванидзе [20], Пёшель [21]). Для аналитической системы с двумя степенями сво-
свободы с собственным вырождением (одна из частот пропорциональна 0) Ней-
штадт оценил сверху меру дополнения к инвариантным торам экспоненциально
—г/а
малой величиной е ' .
Оценки меры исключительного множества существенны для применений
колмогоровских торов к построению квазиклассических асимптотик большин-
большинства собственных чисел оператора Лапласа в областях, близких к интегрируе-
интегрируемым биллиардам (например, эллипсоидам), см. [22].
Неулучшаемость оценки СУЪ ясна уже из появления 1^0 во всех асимпто-
асимптотиках, относящихся к случайному вырождению (по терминологии Борна [5]):
уже Пуанкаре [3] знал, что при рассыпании резонансного тора невозмущенной
задачи образуется зона его влияния ширины порядка 1^6 по переменной дейст-
действия. В этом легко убедиться, усреднив возмущение по тору на единицу меньшей
размерности и проинтегрировав полученную систему с одной степенью свободы
(описывающую так называемые фазовые колебания при резонансе). Мы увидим,
что амплитуда фазовых колебаний имеет порядок 1^0, а период — порядок
ё
Впрочем, некоторые фазовые кривые в указанной зоне снова ложатся на
торы полной размерности (так называемые острова в щелях между торами,
близкими к невозмущенным). Вопрос о том, положительна ли в случае общег»
положения мера начальных условий, соответствующих не условно периодичес-
периодическим движениям, остается открытым (предположительно ответ положителен).
Само существование таких начальных условий, приводящих к «квазислучай-
«квазислучайным» движениям, доказано Алексеевым [23].
7. ГЛАДКОСТЬ
Теорема о сохранении торов была доказана Колмогоровым для аналити-
аналитических систем, и он не предполагал, что ее можно перенести хотя бы на беско-
бесконечно дифференцируемые системы. Однако вскоре после опубликования первого
подробного изложения метода Колмогорова [24] Мозеру удалось, объедини»
метод Колмогорова с методом сглаживания Нэша [25], доказать теорему о со-
сохранении торов в системе конечной гладкости [26, 27]. В первых работах Мозера
порядок используемых производных функции [Гамильтона был очень велик
C34 для s = 2), но впоследствии [28, 29] он был снижен до г > 2s, где s — числа
степеней свободы.1
Зависимость торов от частоты движения по ним в аналитическом случае,
как и указывал Колмогоров, оказалась в некотором смысле моногенной по»
Борелю (дифференцируемой на множестве, выходящем в вещественную область-
канторовским континуумом) [24]. В гладком случае Пёшель [21] доказал глад-
гладкость в смысле Уитни зависимости торов от частоты на канторовском множестве-
в предположении r-гладкости возмущения функции Гамильтона, если r]> 3s — 1.
С другой стороны, Такенс [30] построил пример 1-гладкого отображения,
кольца, сохраняющего площади и близкого к повороту на переменный угол,
однако не имеющего инвариантных кривых D-гладкость была бы достаточной
для их существования). Точное число необходимых для существования колмо-
колмогоровских торов производных неизвестно ни в одном случае.
Мазеру [31, 32] принадлежит интерполяция семейства инвариантных кри-
кривых отображения кольца до однопараметрического семейства, в котором реа-
реализуются сплошь все числа вращения от максимально возможного до минималь-
минимально возможного (а не только числа из канторова множества, как в теореме Кол-
Колмогорова). Некоторые из его «инвариантных кривых» на самом деле гомео-
морфны не окружности, а канторову множеству. Однако все они находятся
из единого вариационного принципа, введенного Персивалем [33] для прибли-
приближенного численного отыскания колмогоровских торов.
438
Комментарии
Классическая механика (В. И. Арнольд)
43»
8. НЕГАМИЛЬТОНОВЫ СИСТЕМЫ
Метод, при помощи которого А. Н. Колмогоров строит свои торы, заодно
доказывает многочисленные варианты теорем о неявной функции во всех об-
областях анализа, где решение линеаризованного уравнения приводит к потере
гладкости (см. [26, 34, 35]). Две теоремы такого рода были доказаны еще в 40-х
гг.: это теорема Зигеля об эквивалентности голомофного векторного поля или
отображения своей линейной части в особой точке с нормально несоизмеримыми
собственными числами [36—38] и теорема Картана о факторизации голоморфных
матриц [39].
Простейший негамильтонов аналог теоремы А. Н. Колмогорова доставляется
теэрией дифференциальных уравнений на двумерном торе (или теорией диф-
феоморфных отображений окружности на себя). Наиболее законченные резуль-
результаты в этой области получил Эрман [40]: для почти всякого числа вращения
аналитический диффеоморфизм окружности аналитически сопряжен повороту.
В многомерном случае доказана лишь выпрямляемость большинства близ-
близких к трансляциям диффеоморфизмов торов [24].
Метод А. Н. Колмогорова успешно применялся и для отыскания инвариант-
инвариантных торов в негамильтоновых системах (Боголюбов [41], Мозер [42]). Эти ре-
результаты особенно важны в теории потери устойчивости автоколебаний, так как
бифуркация рождения тора из цикла (а также торов большей размерности из
торов меньшей размерности) — одно из типичных явлений на пути к «стохасти-
зации» движения динамической системы (например, в теории гидродинамической
устойчивости — на пути от ламинарного течения к турбулентному). Применения
методов Колмогорова в теории бифуркаций торов разбираются Шенсине в [43].
9. ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
После появления теоремы А. Н. Колмогорова была предпринята большая
•серия вычислительных экспериментов по ее проверке, главной целью этих экс-
экспериментов был анализ максимальной величины возмущений, еще не разрушаю-
разрушающих колмогоровские торы, определение меры дополнительного к колмогоров-
ским торам множества и исследование эргодических свойств движения по этому
множеству [14, 44].
Все вычисления подтверждают: 1) сохранение большинства торов при малых
возмущениях; 2) быстрый рост меры дополнительного множества, начиная с мо-
момента перекрытия зон влияния соседних резонансов (до этого момента мера
дополнительного множества столь мала, что систему трудно отличить от инте-
интегрируемой); 3) стохастический характер движения в дополнительных к торам
областях, а именно экспоненциальное расхождение соседних траекторий.
Грин и Персиваль [45] исследовали численно границу аналитичности кол-
могоровских торов (при комплексных значениях угловых переменных) и обна-
обнаружили связь этой границы с эргодическими свойствами системы в комплексной
•области и с асимптотикой близких периодических движений.
Величина возмущений, при которых сохраняются колмогоровские торы,
по данным численных экспериментов оказывается совсем не столь малой, как
гарантируемые строгими доказательствами оценки этой величины сверху.
Хорошее согласие с экспериментальными данными дает критерий перекрытия
резонансов [14, 44].
10. ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ
Системы с устойчивой транзитивностью и перемешиванием на поверхностях:
уровня энергии, которые А. Н. Колмогоров обсуждает в конце § 3 доклада в Ам-
Амстердаме (работа № 53), действительно существуют: Синай и Аносов доказали,
что геодезические потоки на компактных многообразиях отрицательной (no-
каждому двумерному направлению) кривизны обладают этими свойствами
(а также другими стохастическими свойствами, вплоть до установленной Орн-
стейном и Вейсом метрической изоморфности «системе Бернулли», индуцируе-
индуцируемой бросанием монеты) [46—48]. Более того, эти свойства сохраняются при
малом возмущении не только в классе гамильтоновых систем, но также и в классе-
общих динамических систем 1. Сохраняется при возмущениях и топологическое-
строение системы: несмотря на всюду плотное множество долгопериодических
траекторий и на всюду плотность почти всякой траектории, малое возмущение-
задающего систему векторного поля оставляет ее гомеоморфной себе (гипотеза
Смейла, доказанная Аносовым [49]).
Открытие систем такого рода сделало эргодическую теорию классических
динамических систем остро актуальной не только для гамильтоновой механики,
но и для анализа явлений в системах с диссипацией энергии, которые, как ока-
оказалось, тоже способны обнаруживать устойчиво стохастическое поведение.
Примером таких систем являются, между прочим, гидродинамические системы
(в которых, правда, ситуация осложняется бесконечномерностью фазового-
пространства). А. Н. Колмогоров уже в 1958—1959 гг. посвятил свой семинар
«Избранные вопросы анализа» [50] объединению концепций эргодической теории
классических динамических систем, с одной стороны, и теории гидродинамичес-
гидродинамической неустойчивости — с другой.
Программа семинара, вывешенная на доске объявлений механико-матема-
механико-математического факультета Московского университета, предусматривала анализ
с точки зрения эргодической теории «хотя бы сколь угодно идеализированных
моделей гидродинамической неустойчивости». Здесь имелась в виду прежде-
всего модель Ландау возникновения турбулентности путем последовательных
бифуркаций от ламинарного течения к периодическому и условно периодичес-
периодическим движениям по торам, размерности которых растут с числом Рейнольдса.
Предпочтение именно торов с условно периодическими движениями другим
динамическим системам А. Н. Колмогоров связывал с тем, что системы с пере-
перемешиванием (вроде геодезических потоков на многообразиях отрицательной
кривизны) не были известны Ландау (см. § 3 доклада в Амстердаме). При обсуж-
обсуждении модели Ландау А. Н. Колмогоров подчеркивал, что устанавливающийся
1 С инвариантной гладкой мерой. У системы с экспоненциальной неустой-
неустойчивостью может не быть гладкой инвариантной меры, а эргодических негладких
мер, вообще говоря, много. В случае дискретного времени среди всех этих мер
выделяется одна «гиббсовская мера максимальной энтропии». Обзор вопроса»
об инвариантных мерах см. в [61].
440
Комментарии
Классическая механика (В. И. Арнольд)
441
после потери устойчивости режим движения может возникать «в стороне» от
бифурцирующего «ламинарного» движения и еще до того, как оно потеряет ус-
устойчивость (так что переход к сложному, «турбулентному» движению может
происходить скачком, путем «жесткой», а не «мягкой» потери устойчивости).
Это открывает возможность для появления движений, не связанных с торами;
уже в те годы А. Н. Колмогоров предсказывал также возможность притягиваю-
притягивающих множеств (как теперь говорят, аттракторов), не являющихся многообра-
многообразиями, а представляющих патологии на теоретико-множественном уровне (чис-
(численные эксперименты Лоренца [51] появились лишь через несколько лет и,
ж сожалению, не сразу сделались известными математикам).
Впрочем, наряду с конечномерными аттракторами А. Н. Колмогоров выдви-
выдвигал и модель с аттрактором в виде бесконечномерного тора, появляющегося
после бесконечного числа бифуркаций в духе модели Ландау — спектр с бес-
бесконечным базисом частот в эксперименте воспринимается как сплошной, а дви-
движение — как перемешивающее, турбулентное.
Смелая гипотеза Смейла A961) о структурной устойчивости диссипативных
«истем с экспоненциальным разбеганием траекторий явилась в этой области
полной неожиданностью, а ее доказательство [49] в 1962 г.— сильным доводом
в пользу выбора модели с конечномерным притягивающим множеством. С тех
пор этим вопросам было посвящено очень много работ (Юдович, Ладыженская,
Малле-Паре, Фояш и др.). Сегодня конечномерность аттрактора при любом
числе Рейнольдса доказана в двумерной гидродинамике (сперва Ильяшенко
оценил размерность аттрактора сверху четвертой степенью числа Рейнольдса
для модели А. Н. Колмогорова (см. [60]) гидродинамики на двумерном торе,
¦а затем Вишик и Бабин — червертой степенью числа Рейнольдса для гидродина-
гидродинамики на двумерном компактном многообразии с краем). Для трехмерного же
«лучая вопрос о том, остается ли аттрактор конечномерным при любом числе
Рейнольдса, остается открытым.
И. ОБМЕН, ЗАХВАТ И ОСЦИЛЛЯЦИЯ
Вопрос о финальных движениях в задаче трех тел, обсуждаемый в конце
§ 4 доклада в Амстердаме, был подробно исследован позже учениками А. Н. Кол-
Колмогорова Ситниковым и Алексеевым.
Ситников [52] первым построил осциллирующие движения, т. е. подобрал
начальные условия так, что одно из тел временами уходит сколь угодно далеко
от двух других, остающихся на конечном расстоянии друг от друга, а временами
возвращается к ним. В его примере осцилляция происходит как при t—> — оо,
так и при t —» + оо.
Алексеев [23, 53] с помощью построенной им теории квазислучайных дина-
тиических систем нашел движения всех типов, существование которых остава-
оставалось еще сомнительным после работ Шмидта и Ситникова (и отрицалось Шази):
пришедшее издалека тело может быть захвачено двойной системой так, что
образуется тройная система (хотя вероятность этого и нуль), а может начать
осциллировать, временно уходя сколь угодно далеко от двух других. Осцилля-
Осцилляции при t —» -J- оо могут возбудиться и в такой системе, которая при t —» — сю
остается ограниченной. Нерешенными остались лишь вопросы о мере множества
начальных условий, приводящих к осцилляциям (предположительно она по-
положительна).
12. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
Гипотеза А. Н. Колмогорова (§ 5 доклада в Амстердаме) об устойчивости
непрерывного (а именно счетнократного лебеговского) спектра доказана Синаем
и Аносовым [46, 47]. Гипотеза о преимущественной типичности дискретного
спектра с конечным числом независимых частот (не превосходящим размерности
фазового пространства) и счетнократного лебеговского спектра не опровергнута
для аналитических систем. Однако в бесконечно дифференцируемом случае
Аносов и Каток [54] построили диффеоморфизмы с гладкой инвариантной мерой
(например, на круге), имеющие: а) дискретный спектр с любым наперед заданным
(конечным или бесконечным) числом базисных частот; б) простой непрерывный
сингулярный спектр при отсутствии перемешивания; в) комбинацию того и
другого. Эти примеры, впрочем, носят характер исключений: построенные диф-
диффеоморфизмы принадлежат нигде не плотному множеству в функциональном
пространстве всех диффеоморфизмов, снабженном топологией С°° или Сп.
Утверждение из заметки № 51 о возможности непрерывного спектра у ана-
аналитического потока на торе доказано в [55]. При непрерывной скорости спектр
может быть и смешанным [56]. Перемешивания в строгом смысле, а значит и
лебеговского спектра, у потока на торе не бывает [57].
Гипотеза из заметки № 51 о том, что из расходимости суммы квадратов
коэффициентов Фурье формального решения уравнения с малыми знаменателями
следует отсутствие измеримого решения и непрерывность спектра, оказалась
неверной: Аносовым [58] построены аналитические системы, для которых изме-
измеримое решение есть, но нет ни суммируемого с квадратом, ни просто суммируе-
суммируемого решения (измеримое решение положительно, так что обобщения интеграла
не помогают).
С другой стороны, найдены условия типа лакунарности ряда Фурье, доста-
достаточные для несуществования измеримых решений. Из них следует, например,
что при любой правой части уравнения с малыми знаменателями, не являющейся
тригонометрическим полиномом, существует такое иррациональное число вра-
вращения, что уравнение не имеет измеримых решений [59].
ЛИТЕРАТУРА
1. Newton I. Philosophicae naturalis principia mathematica. London, 1686. Рус.
пер.: Ньютон И. Математические начала натуральной философии.— В кн.:
Собрание трудов академика А. Н. Крылова. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1936,
т. 7, предложение LXV, с. 225.
2. Laplace P. S. de. Traite de mecanique celeste. Paris, 1799. T. 1.
3. Poincare H. Les methodes nouvelles de la mecanique celeste. Paris, 1892. T. 1.
Рус пер.: Пуанкаре А. Избранные труды. Новые методы небесной механики.
М.: Наука, 1971, т. 1, с. 34.
4. Арнольд В. И. Доказательство теоремы А. Н. Колмогорова о сохранении
условно-периодических движений при малом изменении функции Гамиль-
Гамильтона.— УМН, 1963, т. 18, вып. 5, с. 13—40.
15 А. Н. Колмогоров
442
Комментарии
Классическая механика (В. И. Арнольд)
443
5. Ворн М. Лекции по атомной механике. Харьков, 1934.
6. Арнольд В. И. Об устойчивости положений равновесия гамильтоновой сис-
системы обыкновенных дифференциальных уравнений в общем эллиптическом
случае.— ДАН СССР, 1961, т. 137, № 2, с. 255—257.
7. Moser J. New results on the stability of periodic motions.— Proc. Intern.
Cong. Math., 1962. Uppsala, 1963.
8. Леонтович А. M. Об устойчивости лагранжевых периодических решений в
ограниченной задаче трех тел.— ДАН СССР, 1962, т. 143, № 3, с. 525—528.
9. Маркеев А. П. Об устойчивости треугольных точек либрации в круговой
ограниченной задаче трех тел.— ПММ, 1969, т. 33, № 1, с. 112—116.
10. Арнольд В. И. О рождении условно-периодического движения из семейства
периодических движений.— ДАН СССР, 1961, т. 138, № 1, с. 13—15.
11. Арнольд В. И. О поведении адиабатического инварианта при медленном
периодическом изменении функции Гамильтона.— ДАН СССР, 1962, т. 142,
№ 4, с. 758-761.
12. Арнольд В. И. Малые знаменатели и проблемы устойчивости в классической
и небесной механике.— УМН, 1963, т. 18, вып. 6, с. 92—192.
13. Арнольд В. И. О неустойчивости динамических систем со многими степеня-
степенями свободы.— ДАН СССР, 1964, т. 156, № 1, с. 9—12.
14. Заславский Г. М., Чириков В. В. Стохастическая неустойчивость нелинейных
колебаний.— УФН, 1971, т. 105, вып. 1, с. 3—40.
15. Нехорошее Н. Н. О поведении гамильтоновых систем, близких к интегри-
интегрируемым.— Функционал, анализ и его приложения, 1971, т. 5, № 4, с. 82—83.
16. Нехорошее Н, Н. Экспоненциальная оценка времени устойчивости гамиль-
гамильтоновых систем, близких к интегрируемым. L— УМН, 1977, 32, вып. 6,
с. 5—66.
17 Нехорошее Н. Н. Экспоненциальная оценка времени устойчивости гамиль-
гамильтоновых систем, близких к интегрируемым. П.— Тр. семинара им.
И. Г. Петровского, 1979, т. 5, с. 5—50.
18. Ландис Е. Е. Тангенциальные особенности.— Функционал, анализ и его
приложения, 1981, т. 15, № 2, с. 36—49.
19. Лазуткин В. Ф. Существование каустик для биллиардной задачи в выпук-
выпуклой области.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1973, т. 37, № 1, с. 188—223.
20. Сванидзе Н. В. Малые возмущения интегрируемой динамической системы с
интегральным инвариантом.— Тр. МИАН СССР, 1980, т. 147, с. 124—146.
21. Poschel J. Integrability of Hamiltonian systems on Cantor sets. Zurich, 1981.
22. Лазуткин В. Ф. Выпуклый биллиард и собственные функции оператора
Лапласа. Л.: Изд. ЛГУ, 1981.
23. Алексеев В. М. Квазислучайные динамические системы. I—III.— Мат. сб.,
1968, т. 76, № 1, с. 72—134; т. 77, № 4, с. 545—601; [1969, т. 78, № 1,
с. 227—228.
24. Арнольд В. И. Малые знаменатели. I.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1961»
т. 25, № 1, с. 21—86.
25. Nash J. The imbedding problem for Riemannian manifolds.— Ann. Math.,
1956, vol. 63, p. 20—63. Рус. пер.: Нэш Дж. Проблема вложения для рима-
новых многообразий.— УМН, 1971, т. 26, вып. 4, с. 173—216.
26. Moser J. A new technique for the construction of solutions of nonlinear dif-
differential equations.— Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1961, vol. 47, p. 1824—1831.
Рус. пер.: Мозер Ю. Новый метод построения решений нелинейных диффе-
дифференциальных уравнений.— Математика, 1962, т. 6, № 4, с. 3—10.
27. Moser J. On invariant curves of area preserving mappings of an annulus.—
Nachr. Akad. Wiss. Gottingen. Math.-Phys. Kl., 1962, S. 1—20. Рус. пер.:
Мозер Ю. О кривых, инвариантных при отображениях кольца, сохраняю-
сохраняющих площадь.— Математика, 1962, т. 6, № 5, с. 51—67.
28. Russmann H. Kleine Nenner I. Uber invariante Kurven differenzierbaren Abbi 1
dungen eines Kresringes.—Nachr. Akad. Wiss. Gottingen. Math.-Phys. KL,
1970, N 5, S. 67-103.
29. Poschel J. Uber invariante Tori in differenzierbaren Hamiltonschen Systemen.
Bonn, 1980.
30. Tokens F. A C1 counterexample to Moser's twist theorem.— Indag. Math.,
1971, vol. 33, N 4, p. 379—386. Рус. пер.: Такенс Ф. Контрпример класса С1
к теореме Мозера о кольце.— В кн.: Гладкие динамические системы. М.:
Мир, 1977, с. 242—253. (Математика; Т. 4).
31. Mather J. Existence of quasi-periodic orbits for twist homeomorphisms of the
annulus: Prepr. Princeton Univ., 1981.
32. Mather J. Area preserving twist homeomorphism of the annulus.— Comment,
math, helv., 1979, vol. 54, p. 397—404.
33. Percival I. C. Variational principles for invariant Tori and Cantori.— In:
Symposium on Nonlinear Dynamics and Beam-Beam Interactions: Amer.
Inst. Phys. Conf. Proc, 1980, N 37, p. 302-310.
34. Арнольд В. И. Особенности гладких отображений.— УМН, 1968, т. 23,
вып. 1, с. 3—44.
35. Zehnder E. Generalized implicit function theorems with applications to some
small divisors problem. I.—Communs Pure and Appl. Math., 1975, vol. 28,
N 1, p. 91—140.
36. Siegel С L. Iteration of analytic functions.— Ann. Math., 1942, vol. 43,
p. 607-612.
37. Siegel С L. Uber die Normalform analytischer Differentialgleichungen in
der Nahe einer Gleichgewichtslosung.— Nachr. Akad. Wiss. Gottingen.
Math.-Phys. KL, 1952, S. 21—30. Рус. пер.: Зигелъ К. Л. О нормальной
форме аналитических дифференциальных уравнений в окрестности положе-
положения равновесия.— Математика, 1961, т. 5, № 2, с. 119—128.
38. Арнольд В. И. Дополнительные главы теории обыкновенных дифферен-
дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1978, с. 194—199.
39. Cartan H. Sur les matrices holomorphes de n variables complex.— J. math,
pures et appl., 1940, vol. 19, p. 1—26.
40. Herman M. R. Sur la conjugaison differentiable des diffeomorphismes du cerc-
le a des rotations.— Publ. Math. IHES, 1979, vol. 49, p. 5—234.
41. Боголюбов Н. Н. О квазипериодических решениях в задачах нелинейной ме-
механики.— В кн.: Труды 1-й летней математической школы. Киев: Наук.
думка, 1964, т. 1, с. 11—101.
42. Moser J. A rapidly convergent iteration method and nonlinear partial differen-
differential equations. I, II.— Ann. scuola norm. sup. Pisa, 1966, vol. 20, p. 265—
315, 499—535. Рус. пер.: Мозер Ю. Быстро сходящийся метод итераций и
нелинейные дифференциальные уравнения.— УМН, 1968, т. 23, вып. 4,
с. 179—238.
43. Chenciner A. Courbes invariantes поп normalement hyperboliques au voisi-
nage d'une bifurcation de Hopf degeneree de diffeomorphismes de Л2.— С. г.
Acad. sci. Paris, 1981, vol. 292, N 10, p. 507—510.
44. Casati G., Chirlkov B. V., Ford /., Izrailev F. M. Stochastic behaviour in clas-
classical and quantum Hamiltonian systems.— Lect. Notes Phys., 1979, vol. 93.
45. Greene J. M., Percival I. C. Hamiltonian maps in the complex plane.-— Phy-
sica, 1981, vol. 3D, № 3, p. 530-548.
46. Синай Я. Г. Классические динамические системы со счетнократным леое-
говским спектром. П.—Изв. АН СССР.Сер.мат., 1966, т. 30, № 1, с. 15—68.
47. Аносов Д. В. Геодезические потоки на замкнутых римановых многообразиях
отрицательной кривизны.— Тр. МИАН СССР, 1967, т. 90.
48. Omstein D. Ergodic theory, randomness and dynamical systems. New Haven:
Univ. Press, 1974. Рус. пер.: Орнстейн Д. Эргодическая теория, случай-
случайность и динамические системы. М.: Мир, 1978. (Математика; Т. 8).
49. Аносов Д. В. Грубость геодезических потоков на компактных римановых
многообразиях отрицательной кривизны.— ДАН СССР, 1962, т. 145, № 4,
с. 707 — 709. _,
50. Арнольд В. И., Мешалкин Л. Д. Семинар А. Н. Колмогорова по избранным
вопросам анализа A958—1959).— УМН, 1960, т. 15, вып. 4, с. 247—^50.
15*
444
Комментарии
51. Lorenz E. Deterministic nonperiodic flow.— J. Atmos. Sci., 1963, vol. 20,
p. 130-141.
52. Ситников К. А. Существование осциллирующих движений в задаче трех
тел.— ДАН СССР, 1960, т. 133, № 2, с. 303—306.
53. Alekseev V. М. Sur Failure finale du mouvement dans le problcme de trois
corps.— Act. Congrts Intern. Math. Nice, 1970. Paris, 1971. Рус. пер.: Алек-
Алексеев В. М. Финальные движения в задаче трех тел и символическая дина-
динамика.— УМН, 1981, т. 36, вып. 4, с. 161—176.
54. Аносов Д. В., Каток А. Б. Новые примеры в гладкой эргодической теории.
Эргодические диффеоморфизмы.— Тр. Моск. мат. о-ва, 1970, т. 23, с. 3—36.
55. Шкловер М. Д. О классических динамических системах на торе с непрерыв-
непрерывным спектром.— Изв. вузов. Математика, 1967, № 10, с. 113—124.
56. Кригин А. В. Пример непрерывного потока на торе со смешанным спект-
спектром.— Мат. заметки, 1974, т. 15, № 2, с. 235—240.
57. Кочергин А. В. Об отсутствии перемешивания у специальных потоков над
поворотом окружности и у потоков на двумерном торе.— ДАН СССР, 1972,
т. 205, № 3, с. 515—518.
58. Аносов Д. В. Об аддитивном функциональном гомологическом уравнении,
связанном с эргодическим поворотом окружности.— Изв. АН СССР. Сер.
мат., 1973, т. 37, с. 1259—1274.
59. Гордон А. Я. Достаточное условие неразрешимости аддитивного гомоло-
гомологического уравнения, связанного с эргодическим поворотом окружности.—
Функцион. анализ и его приложения, 1975, т. 9, № 4, с. 71—72.
60. Мешалкин Л. Д., Синай Я. Г. Исследование устойчивости стационарного
решения одной системы уравнений плоского движения несжимаемой вяз-
вязкой жидкости.— ПММ, 1961, № 6, с. 1140—1143.
61. Синай Я. Г. Гиббсовские меры в эргодической теории.— УМН, 1971, т. 27,
вып. 4, с. 22—64.
К РАБОТАМ О СУПЕРПОЗИЦИЯХ
А. Н. Колмогоров
Две основные работы этого цикла (№ 55 и 56) возникли в резуль-
результате ведения мной студенческого семинара 1955 г. Из числа
участников семинара студентов я вспоминаю второкурсников
В. И. Арнольда, А. А. Кириллова и третьекурсника С. А. Смоляка.
Семинар был посвящен теории приближенного представления функ-
функций нескольких переменных, в том числе задачам приближенного но-
номографирования. Тринадцатая проблема Гильберта была сформули-
сформулирована мной уже во вводной лекции в качестве далекой перспекти-
перспективы, которая почти наверное не будет достигнута. Небезынтересно
заметить, что в связи с номографической проблематикой некоторая
доля внимания была с самого начала привлечена к номографируемым
функциям двух переменных, т. е. функциям вида % (ср (х) + г|) (г/)).
Функции этого вида оказались существенным элементом в оконча-
окончательном выражении функций многих переменных через функции
одного переменного и операцию сложения. Однако первым появилось
решение проблемы Гильберта, основанное на совершенно других
идеях и использующее технику, разработанную А. С. Кронродом.
На этом последнем пути я пришел к теореме, составляющей содержа-
Суперпозиции (В. И. Арнольд)
445
ние работы, в которой было доказано, что любая непрерывная функ-
функция п^>4 переменных представима в виде суперпозиции функций
трех переменных.
Усовершенствовав методы этой работы, В. И. Арнольд дал окон-
окончательное решение проблемы Гильберта в виде теоремы, согласно ко-
которой любая непрерывная функция п ^ 3 переменных представима
в виде суперпозиции функций двух переменных.
Лишь несколькими месяцами позже мне удалось при помощи со-
совершенно других конструктивных приемов доказать теорему заметки
№ 56, являющуюся усилением теоремы Арнольда, в силу которой лю-
любая непрерывная функция любого числа переменных представима
в виде суперпозиции функций одного переменного и сложения.
СУПЕРПОЗИЦИИ
(В. И. Арнольд)
Доказательство представимости каждой непрерывной функции п перемен-
переменных в виде суперпозиции
/(*i,...,*n)=s4i S <р(*
q=l L p=l
непрерывных функций одного переменного и операции сложения А. Н. Колмо-
Колмогоров называл наиболее трудным в техническом отношении своим достижением.
В этом комментарии перечислены основные усовершенствования представления
A) и лишь очень коротко упомянуты другие аспекты задачи о представлении
функций суперпозициями (ср. [1—3]).
В разложении Колмогорова A) внутренние функции cpM фиксированы и
лишь внешние %q зависят от разлагаемой функции /.
1. ТЕОРЕМЫ О ПРЕДСТАВИМОСТИ
Работе А. Н. Колмогорова № 56 предшествовала работа № 55, в которой
было доказано, что любая непрерывная функция четырех переменных предста-
представима суперпозицией непрерывных функций трех переменных. Вопрос о пред-
представимости непрерывных функций трех переменных суперпозициями функций
двух переменных метод работы № 55 сводит к некоторой задаче о представлении
функций, заданных на универсальных деревьях трехмерного пространства.
Этот последний вопрос был решен в работе Арнольда [34] и тем самым было
впервые получено представление непрерывной функции трех переменных супер-
суперпозициями непрерывных функций двух переменных. Разложение A), сводящее
все непрерывные функции конечного числа переменных к суперпозициям непре-
непрерывных функций одной переменной и сложения, было получено вскоре после
этого А. Н. Колмогоровым. При этом он отметил, что «конструкции, употреб-
употребляемые в этой заметке (№ 56), были найдены путем анализа конструкций, упот-
употреблявшихся в № 55 и [34], и отбрасывания в них деталей, излишних для полу-
получения конечного результата».
446
Комментарии .
Подробные доказательства теоремы Колмогорова и содержащихся в его
заметке 1957 г. лемм были опубликованы Тихомировым [4], Лоренцем [2],
Шпрехером [5], Хедбергом [43] и другими. Лоренц [2] заметил, что внешние
функции xq можно заменить одной-единственной функцией %. Шпрехер [5] свел
все внутренние функции к сдвигам и растяжениям одной-единственной: сущест-
существуют е > 0 и к > 0 такие, что любая непрерывная функция п переменных пред-
ставима в виде
Фридман [6] доказал, что внутренние функции фрз в разложении Колмого-
Колмогорова A)] можно выбрать удовлетворяющими условию Липшица; Шпрехер [7J
перенес этот результат на разложение B) (функцию 1|> можно выбрать удовлет-
удовлетворяющей условию Липшица).
Из теоремы Бари [8] о представлении любой непрерывной функции одного
переменного суммой трех суперпозиций абсолютно непрерывных функций
"^fk°gk и теоремы А. Н. Колмогорова A) следует представимость всех непрерыв-
непрерывных функций любого числа переменных суперпозициями абсолютно непрерыв-
непрерывных функций одного переменного и операции сложения.
Досс [11] получил из усовершенствованного им разложения Колмогорова
и работ Кахана [42, 44] набор непрерывных функций одного переменного /*,
git, через которые любая непрерывная на квадрате функция выражается в виде
ряда
с 2 | щ | < оо. Он показал, что если заменить в A) внутреннюю сумму произве-
произведением, то ср можно брать «почти любые» (в смысле категорий Бэра), ах — нв
зависящей от q функцией с абсолютно сходящимся преобразованием Фурье.
Остранд [39] распространил разложение A) на функции на n-мерном ком-
компакте, а Досс [12] — на неограниченные (в Rn).
2. ТЕОРЕМЫ О НЕПРЕДСТАВИМОСТИ
Бассалыго доказал, что, каковы бы ни были три непрерывные на квадрате
функции ^t, найдется непрерывная функция /, непредставимая в виде 2x*:oll>fr
ни при каких непрерывных yj, [9].
Аналогичное разложение в сумму пяти слагаемых A) возможно по теореме
Колмогорова. Досс [10] показал, что четырех слагаемых вместо пяти уже не-
недостаточно для разложения всякой непрерывной функции двух переменных
в сумму вида A), если (фиксированные) внутренние функции срр<? монотонны.
Витушкин и Хенкин доказали, что:
1) каковы бы ни были непрерывные на квадрате функции щ и непрерывно
дифференцируемые функции' %¦, найдется аналитическая на квадрате функция,
не представимая в виде суммы произведений 2q>fc-(gfr ° ^Ы ни ПРИ каком выборе
непрерывных внешних функций одного переменного g^; более того,
2) множество таких сумм (со всевозможными непрерывными g^) замкнуто
и нигде не плотно (в равномерной метрике);
Суперпозиции (В. И. Арнольд)
447
3) существует многочлен (xt + vx2)u, ему не принадлежащий.
Эти результаты переносятся на функции, заданные на кубе любой размер-
размерности (см. [13—15]).
Фридман доказал нигде не плотность в L2 множеств функций двух перемен-
переменных, представимых в виде 2 g^ о tyk с фиксированными внутренними непрерывно
дифференцируемыми функциями ijty, а также множества функций трех перемен-
переменных, представимых в виде 2,gk°tyi1, где ty : R3 -н> Я2 дважды непрерывно диф-
дифференцируемы, gj; : Я2 -н> R непрерывны [35, 36].
3. ТРИНАДЦАТАЯ ПРОБЛЕМА ГИЛЬБЕРТА
Точная формулировка проблемы Гильберта, на которую А. Н. Колмогоров
ссылается в своих заметках, такова (см. [1]): «показать, что уравнение седьмой
степени
Г + х? + yf + zf + 1 = 0
C)
неразрешимо с помощью каких-либо непрерывных функций, зависящих только
от двух аргументов».
Исследованию вопроса о представимости функций суперпозициями функций
меньшего числа переменных, удовлетворяющими тем или иным дополнительным
условиям (алгебраичность, аналитичность, гладкость), посвящено много работ,
Гильберт, конечно, знал, что суперпозиции разрывных функций двух перемен-
переменных представляют все функции большего числа переменных.
Существование аналитических функций трех переменных, не представимых
никакими конечными суперпозициями аналитических функций двух перемен-
переменных, также было известно Гильберту (на это он указывает в [1]).
Островский [16] доказал, что функция
непредставима в виде конечной суперпозиции бесконечно дифференцируемых
функций одного переменного и алгебраических функций любого числа пере-
переменных.
Витушкин [17] доказал, что существуют р раз непрерывно дифференцируе-
дифференцируемые функции п переменные,1 не представимые конечными суперпозициями
g^l раз непрерывно дифференцируемых функций k < n переменных, если
qlk > pin.
А. Н. Колмогоров высказал гипотезу [3], что существуют аналитические
функции трех переменных, не представимые суперпозициями непрерывно
дифференцируемых функций двух переменных, и аналитические функции двух
переменных, не представимые суперпозициями непрерывно дифференцируемых
функций одного переменного и сложения.
Вопрос о представимости корня уравнения 7-й степени C) суперпозицией
аналитических или алгебраических функций остается открытым.
448
Комментарии
4. ПРОБЛЕМА РЕЗОЛЬВЕНТ
При формулировке своей проблемы Гильберт исходил из результата Чирн-
гаузена [18], согласно которому корень алгебраического уравнения степени
п > 5, т. е. функция / (х±, . . ., хп), определенная уравнением
Г +
+ ... + *„ = о,
D)
выражается суперпозицией алгебраических функций п — 4 переменных. Гиль-
Гильберт предполагал, что число п — 4 нельзя уменьшить при п = 6, 7, 8; он же
доказал, что при решении уравнения степени п = 9 можно обойтись функциями
п — 5 переменных [19]. Виман [20] распространил последний результат на
п > 9, а Чеботарев [21] понизил число переменных, входящих в представление
функций, до п — 6 при п ^ 21 и до п — 7 при п ^ 121.
Чеботареву принадлежат первые попытки найти топологические препятст-
препятствия к представимости алгебраической функции суперпозициями алгебраических
функций, однако его доказательства не были убедительными (см. [22—24]).
В настоящее время топологическими соображениями (связанными с поведением
многозначной алгебраической функции на многообразии ветвления и вблизи
него) удается доказывать невозможность представления алгебраических функ-
функций полными суперпозициями целых алгебраических функций (полнота озна-
означает, что разлагаемая функция должна включать все ветви суперпозиции мно-
многозначных функций, а не одну из них, как, например, в формулах для решений
уравнений 3-й и 4-й степени).
На этом пути построены некоторые топологические препятствия к представ-
представлению в виде полной суперпозиции алгебраических функций (классы когомо-
логий в дополнении к многообразию ветвления, инвариантные относительно
преобразований Чирнгаузена, см. [25] — [29]). Наиболее законченный резуль-
результат принадлежит Лину [29]: для любого п ^ 3 корень / (ilt . . ., хп) уравнения
D) ни в какой окрестности начала координат не является полной суперпозицией
целых алгеброидных функций меньшего чем п — 1 числа переменных и одно-
однозначных голоморфных функций любого числа переменных.
Таким образом, с точки зрения полных суперпозиций целых алгебраических
функций уже уравнение четвертой степени не решается без привлечения функ-
функций трех переменных.
Доказательство теоремы Лина можно рассматривать как модернизацию и
своего рода реабилитацию соображений Чеботарева [23] и предпринятой Моро-
Морозовым [24] попытки их исправить.
Допущение нецелых функций расширяет возможности представления при-
примерно на один аргумент. Например, корень уравнения /5 4- xf -f- у = 0 пред-
представляется суперпозицией алгебраических функций одного переменного и ариф-
арифметических операций, если включать в их число деление, и не представим ни
в какой окрестности нуля суперпозицией аналитических функций любого числа
переменных и алгеброидных функций одного переменного (Хованский [45]).
Было бы интересно проверить, не дают ли теоремы Делиня о поведении
смешанных структур Ходжа при алгебраических отображениях новых препят-
препятствий к представлению функции суперпозициями алгебраических.
Суперпозиции (В. И. Арнольд)
449
5. ПРИБЛИЖЕНИЯ
Возвращаясь к работам А. Н. Колмогорова о суперпозициях, отметим еще
поставленные им вопросы о замкнутости классов функций, представимых супер-
суперпозициями, в равномерной метрике. Цитируемая в докладе на III Всесоюзном
математическом съезде теорема о непредставимости в виде % [ф (х) + "§ (у)]
функции ху на квадрате 0 ^ х, у ^ 1, аппроксимируемой представнмыми в этом
виде функциями (х + е)(у + е), доказана в [30].
Крейнес и Вайнштейн [31] доказали, что равномерный предел последова-
последовательности представимых в таком виде функций представим в таком же виде,
если он монотонен по каждому переменному. Незамкнутость и нигде не плот-
плотность класса всех функций, номографируемых в однозначных функциях, дока-
доказана Мухиным [32], замкнутость некоторых линейных суперпозиций в /2 об-
обсуждается Фридманом [36, 37]. Наилучшее приближение непрерывной функции
на прямоугольнике суммами ф (х) + 1|> (у) всегда достигается (ср. [32]).
Вопрос о представимости в таком виде функций на плоских кривых был
поставлен А. Н. Колмогоровым для деревьев и решен в [34]; этот же вопрос
для замкнутых кривых немедленно приводит к «малым знаменателям» (см. [35]).
Вопрос о представлении функций на кривой х% = щ (t) в виде
2 ^i *
(с фиксированными коэффициентами А^) важен в теории особенностей дифферен-
дифференцируемых отображений. Типичный пример — разложение функций на полуку-
полукубической параболе
/ (») = ф (*2) + Ч> (** + t3)-
Если гладкая функция / допускает такое представление на уровне формаль-
формальных рядов, то существует и гладкое (класса С00) представление (Ж. П. Дюфур).
Но если при этом / голоморфна, то голоморфное представление, как правило, не
существует (Воронин [47]).
ЛИТЕРАТУРА
1. Проблемы Гильберта. М.: Наука, 1969, с. 163—170.
2. Lorenz G. G. Metric entropy, width, and superpositions of functions.— Amer.
Math. Mon., 1962, vol. 69, p. 469—485.
3. Sprecher D. A. A survey of solved and unsolved problems on superpositions
of functions.— J. Approxim. Theory, 1972, vol. 6, N 2, p. 123—134.
4. Тихомиров В. М. Работы А. Н. Колмогорова по е-энтропии классов функций
и суперпозициям функций.— УМН, 1963, т. 18, вып. 5, с. 55—92.
5. Sprecher D. A. On the structure of continuous functions of several variables.—
Trans. Amer. Math. Soc, 1965, vol. 115, с 340—355. |
6. Фридман В. Л. Повышение гладкости функций в теореме А. Н. Колмогорова
о суперпозициях.— ДАН СССР, 1967, т. 177, с. 1019—1022.
7. Sprecher D. A. An improvement in the superposition theorem of Kolmogo-
rov._ j. Math. Anal, and Appl., 1972, vol. 38, p. 208—213.
8. Bari N. C. Memoire sur la representation finie des fonctions continues.—
Math. Ann., 1930, Bd. 103, S. 185—248, 598—653.
9. Вассалыго Л. О. О представлении непрерывных функций двух переменных
при помощи непрерывных функций одного переменного.— Вестн. МГУ.
Сер. мат.-мех., 1966, т. 21, с. 58—63.
450
Комментарии
10. Doss R. On the representation of continuous functions of two variables by
means of addition and continuous functions of one variable.— Colloq. math.,
1963, vol. 10, p. 219-259.
11. Doss R. Representations of continous functions of several variables.— Amer.
J. Math., 1976, vol. 98, N 2, p. 375—383.
12. Doss R. A superposition theorem for unbounded continuous functions.—
Trans. Amer. Math. Soc, 1977, vol. 233, p. 197—203.
13. Витушкин А. Г. Доказательство существования аналитических функций
многих переменных, не представимых линейными суперпозициями непре-
непрерывно дифференцируемых функций меньшего числа переменных.— ДАН
СССР, 1964, т. 156, № 6, с. 1258—1261.
14. Хенкин Г. М. О линейных суперпозициях непрерывно дифференцируемых
функций.— ДАН СССР, 1964, т. 157, № 2, с. 288—290.
15. Витушкин А. Г., Хенкин Г. М. Линейные суперпозиции функций.— УМН,
1967, т. 22, вып. 1, с. 77—124.
16. Ostrovski A. Ober Dirichletsche Reihen und algebraische Differentialgleichun-
gen.— Math. Ztschr., 1920, Rd. 8, N 3—4, S. 241—298.
17. Витушкин А. Г. О многомерных вариациях. М.: Гостехтеориздат, 1955.
18. Tschimgausen W. Methodus auferendi omnes terminos intermedios ex data
equatione.— Acta Eruditorum, 1683.
19. Hilbert D. tJber die Gleichung neunten Grades.— Math. Ann., 1927, Bd. 97,
S. 243—250.
20. Wiman A. (Tber die Anwendung der Tschimgausen Transformation auf die
Reduktion algebraischer Gleichungen.— Nova Acta R. Soc. Sci. Uppsalien-
sis, 1927, vol. extra ordin. editum, p. 3—8.
21. Чеботарев Н. Г. К проблеме резольвент.— Уч. зап. Казан, ун-та, 1954,
т. 114, № 2, с. 189—193.
22. Чеботарев Н. Г. Проблема резольвент и критические многообразия.— Изв.
АН СССР. Сер. мат., 1943, т. 7, с. 123—146.
23. Чеботарев Н. Г. Проблема резольвент.— Собр. соч. М.: Изд-во АН СССР,
1949, т. 1, с. 327—340.
24. Морозов В. В. О некоторых вопросах проблемы резольвент.— Уч. зап.
Казан, ун-та, 1954, т. 114, № 2, с. 173—187.
25. Арнольд В. И. О классах когомологий алгебраической функции, инвари-
инвариантных относительно преобразований Чирнгаузена.— Функцион. анализ
и его приложения, 1970, т. 4, № 1, с. 84—85.
26. Арнольд В. И. Топологические инварианты алгебраических функций. II.—
Функционал, анализ и его приложения, 1970, т. 4, № 2, с. 1—9.
27. Лин В. Я. О суперпозициях алгебраических функций.— Функцион. ана-
анализ и его приложения, 1972, т. 6, № 3, с. 77—78.
28. Лин В. Я. Алгебраические функции с универсальным дискриминантным
многообразием.— Функцион. анализ и его приложения, 1972, т. 6, № 1,
с. 81-82.
29. Лин В. Я. Суперпозиции алгебраических функций.— Функцион. анализ
и его приложения, 1976, т. 10, № 1, с. 37—45.
30. Арнольд В. И. О представлении непрерывных функций двух переменных
в виде % [ф (х) + яр (if)].— УМН, 1957, т. 12, вып. 2, с. 119—121.
31. Вайнштейн И. А., Крейнес М. А. Последовательности функций вида
f (X (х) + У (if)).— УМН, 1960, т. 15, вып. 4, с. 123—128.
32. Мухин О. II. Некоторые свойства класса поверхностей, номографируемых
в однозначных функциях.— Вестн. МГУ. Сер. мат.-мех., 1962, т. 17, № 1,
с. 24—29.
33. Офман Ю. 77. О наилучшем приближении функций двух переменных функ-
функциями вида ф {х) + ib (у).— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1961, т. 25, № 2,
с. 239—252.
34. Арнольд В. И. О представлении непрерывных функций трех переменных
суперпозициями непрерывных функций двух переменных.— Мат. сб., 1959,
т. 48, с. 3—74; 1962, т. 98, с. 392.
Суперпозиции (В. И. Арнольд)
451
35. Арнольд В. И. Малые знаменатели. I.O6 отображениях окружности на
себя.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1961, т. 25, № 1, с. 21—86.
36. Фридман В. Л. Нигде не плотность пространства линейных суперпозиций
функций нескольких переменных,— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1972, т. 36,
№ 4, с. 814—846.
37. Фридман Б. Л. Оценка размерности пространства нулей линейных супер-
суперпозиций.— Мат. сб., 1970, т. 82, № 1, с. 111—126.
38. Lorenz G. G. Approximations of functions. New York: Holt, Rinehart and
Winston, 1966.
39. Ostrand P. A. Dimension of metric spaces and Hilbert's problem 13.— Bull.
Amer. Math. Soc, 1965, vol. 71, p. 619—622.
40. Sternfeld J. Dimension theory and superposition of continuous functions.—
Israel J. Math.,» 1975, vol. 20, p. 300—310.
41. Kaufman R. Linear superposition of smooth functions.— Proc. Amer. Math.
Soc, 1974, vol. 46, p. 360—362.
42. Kahane J. P. Sur les rearrangement du fonctions de la classe A.— Stud, math.,
1968, vol. 31, p. 287—293.
43. Hedberg T. Appendix II В.— In: Shapiro H. S. Topics in approximation theo-
theory.— Lect. Notes Math., 1971, vol. 187.
44. Kahane J. P. Sur le theoreme de superposition de Kolmogorov.—J. Approxim.
Theory, 1975, vol. 13, p. 229—234.
45. Хованский А. Г. О представимости алгеброидных функций суперпозициями
аналитических функций и алгеброидных функций одной переменной.—
Функцион. анализ и его приложения, 1970, т. 4, N 2, с. 74—79.
46. Marshall D. E., O'Farrell A. G. Approximation by a sum of two algebras: The
lightning bolt principle: Prepr. 1—23. Maynooth College. CoKildare (Ireland),
1982.
47. Воронин С. М. Аналитическая классификация пар инволюций и ее прило-
приложения.— Функцион. анализ и его приложения, 1982, т. 16, № 2, с. 7—15.
СПИСОК ТРУДОВ А. Н. КОЛМОГОРОВА
1923
* Une serie de Fourier—Lebesgue divergente presque partout.— Fund, math.,
1923, vol. 4, p. 324—328.
* Sur l'ordre de grandeur des coefficients de la serie de Fourier—Lebesgue.—
Bull. Acad. pol. sci. A, 1923, p. 83—86.
192i
* Une contribution a l'etude de la convergence des series de Fourier.— Fund.
math., 1924, vol. 5, p. 96—97.
* Sur la convergence des series de Fourier.— C.r. Acad. sci. Paris, 1924, vol. 178,
p. 303—306. Совм. с Г. А. Селиверстовым.
1925
* La definition axiomatique de l'integrale.— C.r. Acad. sci. Paris, 1925, vol. 180,
p. 110—111.
* Sur les bornes de la generalisation de l'integrale. 1925.— Наст, изд., № 6.
Печатается впервые.
* Sur la possibilite de la definition generale de la derivee, de l'integrale et de
la sommation des series divergentes.— C.r. Acad. sci. Paris, 1925, vol. 180,
p. 362—364.
* Sur les fonctions harmoniques conjuguees et les series de Fourier.— Fund.
math., 1925, vol. 7, p. 24—29.
* О принципе tertium non datur.— Мат. сб., 1925, т. 32, № 4, с. 646—667.
** Ueber Konvergenz von Reihen, deren Glieder durch den Zufall bestimmt
werden.—Мат. сб., 1925, т. 32, № 4, с. 668—677. Совм. с А. Я. Хинчиным.
1926
* Sur la convergence des series de Fourier.— Atti Accad. naz. Lincei. Rend.,
1926, vol. 3, p. 307—310. Совм. с Г. А. Селиверстовым.
* Une serie de Fourier—Lebesgue divergente partout.— C.r. Acad. sci. Paris,
1926, vol. 183, p. 1327—1329.
1927
** Sur la loi des grands nombres.— C.r. Acad. sci. Paris, 1927, vol. 185, p. 917—
919.
* Sur la convergence des series de fonctions orthogonales.— Math. Ztschr.,
1927, Bd. 26, H. 2/3, S. 432—441.— Совм. с Д. Е. Меньшовым.
1928
* Об операциях над множествами2.—Мат. сб., 1928, т. 35, №3/4, с. 414—422.
** Sur une formule limite de M. A. Khintchine.— C.r. Acad. sci. Paris, 1928
vol. 186, p. 824-825.
* Sur un precede d'integration de M. Denioy.— Fund, math., 1928, vol. 11,
p. 27-28.
** Ueber die Summen durch den Zufall bestimmter unabhangiger Grossen.—
Math. Ann., 1928, Bd. 99, S. 309—319.
1 Звездочкой отмечены труды, вошедшие в 1-ю книгу настоящего издания
«Избранных трудов», двумя звездочками — во 2-ю книгу.— Примеч. ред.
2 Вторая часть работы будет опубликована во 2-й книге.— Примеч. ред.
Список трудов А. П. Колмогорова
453
1929
** Bemerkungen zu meiner Arbeit «Ueber die Summen zufalliger Grossen».—
Math. Ann., 1929, Bd. 102, S. 484—488.
** Общая теория меры и исчисление вероятностей.— В кн.: Труды Коммуни-
Коммунистической академии. Разд. мат., 1929, т. 1, с. 8—21.
Современные споры о природе математики.— Науч. слово, 1929, № 6, с. 41—54.
** Ueber das Gesetz des iterierten Logarithmus.— Math. Ann., 1929, Bd. 101,
S. 126—135.
** Sur la loi des grands nombres.— Atti Accad. naz. Lincei. Rend., 1929, vol. 9,
N 6, p. 470—474.
1930
** Sur la loi forte des grands nombres.— C.r. Acad. sci. Paris, 1930, vol. 191,
p. 910—912.
* Zur topologiscli-gruppentheoretischen Begrandung der Geometrie.— Nachr.
Ges. Wiss. Gottingen. Fachgr. 1 (Mathematik), 1930, Bd. 8, S. 208—210.
* Untersuchungen iiber den Integralbegriff.— Math. Ann., 1930, Bd. 103,
S. 654—696.
* Sur la notion de la moyenne.— Atti Accad. naz. Lincei. Rend., 1930, vol. 12,
N 9, p. 388—391.
1931
** Ueber die analytischen Methoden in der Wahrscheinlichkeitsrechnung.—
Math. Ann., 1931, Bd. 104, S. 415—458.
** Sur la probleme d'attente.— Мат. сб., 1931, т. 38, № 1/2, с. 101—106.
** Метод медианы в теории ошибок.— Мат. сб., 1931, т. 38, № 3/4, с. 47—50.
** Eme Verallgemeinerung des Laplace—Liapounoffschen Satzes.— Изв.
АН СССР. OMEH, 1931, с 959—962.
* Ueber Kompaktheit der Funktionenmengen bei der Konvergenz im Mittel.—
Nachr. Ges. Wiss. Gottingen, 1931, Bd. 9, S. 60—63.
1932
Теория функций действительного переменного.— В кн.: Математика в СССР
за 15 лет. М.; Л.: ГТТИ, 1932, с. 37—48.
** Sulla forma generale di un processo stocastico omogeneo. (Un problema di
Bruno de Finetti).—Atti Accad. naz. Lincei. Rend., 1932, vol. 15, p. 805—808.
** Ancora sulla forma generale di un processo stocastico omogeneo.— Atti Accad.
naz. Lincei. Rend., 1932, vol. 15, p. 866—869.
* Zur Deutung der intuitionistischen Logik.— Math. Ztschr., 1932, Bd. 35,
S. 58—65.
* Zur Begriindung der projektiven Geometrie.— Ann. Math., 1932, vol. 33,
p. 175—176.
Введение в теорию функций действительного переменного. М.; Л.: ГТТИ,
1932. 270 с. Совм. с П. С. Александровым.
1933
Введение в теорию функций действительного переменного. 2-е изд. М.; Л.:
ГТТИ, 1933. 270 с. Совм. с П. С. Александровым.
Grundberiffe der Wahrscheinlichkeitsrechunung. Berlin: Spring.-Verl., 1933.
62 S.
* Beitrage zur Maptheorie.—Math. Ann., 1933, Bd. 107, S. 351—366.
** Zur Berechnung der mittleren Brounschen Flache.— Phys. Ztschr. Sow.,
1933, Bd. 4, N 1, S. 1—13. Совм. с М. Леонтовичем.
** Sulla determinazione empirica di una legge di distre buzione.— G. 1st. ital.
attuar., 1933, vol. 4, p. 83—91.
** Ueber die Grenzwertsatze der Wahrscheinlichkeitsrechnung.— Изв. АН СССР.
OMEH, 1933, с 366—372.
** Zur Theorie der stetigen zufalligen Prozesse.— Math. Ann., 1933, Bd. 108,
S. 149—160.
454
Список трудов А. Н. Колмогорова
Sur la determination empirique d'une loi de distribution.— Уч. зап. МГУ, 1933
т. 1, с. 9—10.
** К вопросу о пригодности найденных статистическим путем формул прог-
прогноза.— Журн. геофиз., 1933, т. 3, № 1, с. 78—82.
1934
* О точках разрыва функций двух переменных.— ДАН СССР, 1934, т. 1,
№ 3, с. 105—106. Совм. с И. Я. Верченко.
* Zur Normierbarkeit eines allgemeinen topologischen linearen Raumes.—
Stud, math., 1934, vol. 5, p. 29—33.
* Продолжение исследований о точках разрыва функций двух переменных.—
ДАН СССР, 1934, т. 4, № 7, с. 361—362. Совм. с И. Верченко.
* О сходимости рядов по ортогональным полиномам.— ДАН СССР, 1934,
т. 1, № 6, с. 291—294.
Quelgues remarques sur l'approximation des fonctions continues.— Мат. сб.,
1934, т. 41, № 1, с. 99—103.
О некоторых новых течениях в теории вероятностей: Тезисы докл.— В кн.:
Бюллетень второго Всесоюз. съезда математиков в Ленинграде, 24—-
30 июня 1934 г. Л.: Изд. АН СССР, 1934, с. 8.
Современная математика.— Фронт науки и техники, 1934, № 5/6, с. 25—28.
Институт математики и механики Московского государственного университе-
университета.— Фронт науки и техники, 1934, № 5/6, с. 75—78.
** Zufallige Bewegungen (Zur Theorie der Brownschen Bewegung).— Ann. Math.,
1934, vol. 35, p. 116—117.
1935
О некоторых современных течениях в теории вероятностей.— В кн.: Труды
второго Всесоюз. математического съезда, Ленинград, 24—30 июня 1934 г.
Л.; М.: Изд. АН СССР, 1935, т. 1, с. 349—358.
** Уклонения от формул Харди при частичной изоляции.— ДАН СССР, 1935,
т. 3, № 3, с. 129—132.
* La transformation de Laplace dans les espaces lineaires.— C.r. Acad. sci.
Paris, 1935, vol. 200, p. 1717—1718.
* Zur Grossenordnung des restgliedes Fourierschen Reihen differenzierbarer
Funktionen.— Ann. Math., 1935, vol. 36, p. 521—526.
1936
* Ueber die beste Annaherung von Funktionen einer gegebenen Funktionenklas-
se.— Ann. Math., 1936, vol. 37, p. 107—110.
Основные понятия теории вероятностей. М.; Л.: ОНТИ, 1936. 80 с. Пер. с нем.:
Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitsrechnung. Berlin: Spring.-Verl., 1933.
Уравнение.— БСЭ, 1936, т. 56, с. 163—165.
Современная математика.— В кн.: Сборник статей по философии математики.
М.: ОНТИ, 1936, с. 7-13.
Теория и практика в математике.— Фронт науки и техники, 1936, № 5, с. 39—
42.
* Ueber die Dualitat im Aufbau der kombinatorischen Topologie.— Мат. сб.,
1936, т. 1, с. 97—102.
Anfangsgrcinde der Theorie der Markoffschen Ketten mit unendlich vielen mog-
lichen Zustanden.— Мат. сб., 1936, т. 1, с. 607—610.
* Homologierung des Komplexes und des lokalbikompakten Raumes.— Мат.
сб., 1936, т. 1, с. 701—706.
** Zur Theorie der Markoffschen Ketten.— Math. Ann., 1936, Bd. 112, S. 155—
160.
К условию А. И. Плеснера для закона больших чисел.— Мат. сб., 1936, т. 1,
с. 847—849.
* Endliche Hberdeckungen topologischer Raume.— Fund, math., 1936, vol. 26,
p. 267—271. Совм. с П. С. Александровым.
Список трудов А. Н. Колмогорова
455
* Les groupes de Betti des espaces localement bicompacts.— C. r. Acad. sci.
Paris, 1936, vol. 202, p. 1144—1147.
* Proprietes des groupes de Betti des espaces localement bicompacts.— C. r.
Acad. sci. Paris, 1936, vol. 202, p. 1325—1327.
* Les groupes de Betti des espaces metriques.— С. г. Acad. sci. Paris, 1936,
vol. 202, p. 1558—1560.
* Cycles relatifs. Theoreme de dualite de M. Alexander,— С. г. Acad. sci. Pa-
Paris, 1936, vol. 202, p. 1641—1643.
Предисловие к кн.: Рейтинг А. Обзор исследований по основаниям математи-
математики. М.; Л.: ОНТИ, 1936, с. 3—4.
Sulla teoria di Volterra della lotta per l'esistenza.— G. 1st. ital. attuar.,
1936, vol. 7, p. 74—80.
1937
* Ueber offene Abbildungen.— Ann. Math., 1937, vol. 38, p. 36—38.
* Кососимметричные величины и топологические инварианты.— В кн.: Труды
семинара по векторному и тензорному анализу с их приложениями к гео-
геометрии, механике и физике. М.; Л.: ГОНТИ, 1937, вып. 4, с. 342—347.
** Цепи Маркова со счетным числом возможных состояний.— Бюл. МГУ.
Математика и механика, 1937, т. 1, вып. 3, с. 1—16.
* Исследование уравнения диффузии, соединенной с возрастанием количест-
количества вещества и его применение к одной биологической проблеме.— Бюл.
МГУ. Математика и механика, 1937, т. 1, вып. 6, с. 1—26. Совм. с
И. Г. Петровским, Н. С. Пискуновым.
** К статистической теории кристаллизации металлов.— Изв. АН СССР. Сер.
мат., 1937, № 3, с. 355—360.
Ein vereinfachter Beweis der Birkgoff—Khintchineschen Ergodensatzes.— Мат.
сб., 1937, т. 2, с. 367—368.
** Zur Umkehrbarkeit der statistischen Naturgesetze.—Math. Ann., 1937, Bd. 113,
S. 766—772.
Ред. и доп. к кн.: Хаусдорф Ф. Теория множеств / Пер. с нем. М.; Л.: ГОНТИ,
1937. 304 с. Совм. о П. С. Александровым.
Континуум.— БСЭ, 1937, т. 34, с. 139—140.
1938
Введение в теорию функций действительного переменного. 3-е изд. (перераб.).
М.; Л.: ГОНТИ, 1938. 268 с. Совм. с П. С. Александровым. A-е изд. М.;
Л., 1932).
Марков Андрей Андреевич.— БСЭ, 1938, т. 38, с. 152—153.
Математика.— БСЭ, 1938, т. 38, с. 359—402.
Математическая индукция.— БСЭ, 1938, т. 38, с. 405—406.
Мера.— БСЭ, 1938, т. 38, с. 831—832.
Многомерное пространство.— БСЭ, 1938, т. 39, с. 577—578.
Теория вероятностей и ее применения.— В кн.: Математика и естествознание
в СССР. М.; Л.: ГОНТИ, 1938, с. 51—61.
Об отделе информации в первом выпуске «Успехов математических наук».—
УМН, 1938, вып. 4, с. 326—327.
Одно замечание по поводу оснований геометрии (К вопросу о необходимости
нового перевода «Оснований геометрии» Д. Гильберта).— УМН, 1938,
вып. 4, с. 347—348.
От редакции (Цикл статей по теории случайных процессов).— УМН, 1938,
вып. 5, с. 3—4.
** Об аналитических методах в теории вероятностей.— УМН, 1938, вып. 5,
с 5—41. Пер. с нем.: Ueber die analytischen Methoden in der Wahrschein-
Wahrscheinlichkeitsrechnung.—Math. Ann., 1931, Bd. 104, S. 415—458.
* Упрощенное доказательство эргодической теоремы Биркгофа—Хинчина.—
УМН, 1938, вып. 5, с. 52—56. Пер. с нем.: Ein vereinfachter Beweis der
Birkgoff—Khintchineschen Ergodensatzes—Мат. сб., 1937, т. 2, с. 367—368.
456
Список трудов А. Н. Колмогорова
Несколько проблем теории функций действительного переменного.— УМН,
1938, вып. 5, с. 232—234. Совм. с Г. М. Фихтенгольцеми И. М. Гельфандом.
** К решению одной биологической задачи.— Изв. НИИ мат. и мех. Томск,
ун-та, 1938, т. 2, вып. 1, с. 7—12.
Une generalisation de l'inegalite de M. J. Hadamard entre les bornes superieures
des derivees successivesd'unefonction.— С. г. Acad. sci. Paris.1938, vol. 207,
p. 764—765.
Ред. и предисл к кн.: Лебег А. Об измерении величин / Пер. с франц. М.: Уч-
Учпедгиз, 1938. 208 с.
1939
Алгебра. М.: Учпедгиз, 1939. Ч. 1. 192 с. Совм. с П. С. Александровым.
Ориентация.— БСЭ, 1939, т. 43, с. 342—344.
* О неравенствах между верхними гранями последовательных производных
произвольной функции на бесконечном интервале.— Уч. зап. МГУ, 1939,
вып. 30. Математика, кн. 3, с. 3—16.
* О кольцах непрерывных функций на топологических пространствах.—
ДАН СССР, 1939, т. 22, № 1, с. 11—15. Совм. с И. М. Гельфандом.
Sur l'interpolation et extrapolation des suites stationnaires.— С. г. Acad. sci.
Paris, 1939, vol. 208, p. 2043—2045.
1940
Поверхность.— БСЭ, 1940, т. 45, с. 746—748.
* Кривые в гильбертовом пространстве, инвариантные по отношению к од-
нопараметрической группе движений.— ДАН СССР, 1940, т. 26, с. 6—9.
* Спираль Винера и некоторые другие интересные кривые в гильбертовом
пространстве.— ДАН СССР, 1940, т. 26, с. 115—118.
К шестидесятилетию Сергея Натановича Бернштейна.— Изв. АН СССР. Сер.
мат., 1940, т. 4, с. 249—260. Совм. с В. Л. Гончаровым.
Валерий Иванович Гливенко A897—1940) [Некролог].— УМН, 1940, вып. 8,
с. 379—383.
Рец. на кн.: Романовский В. И. Математическая статистика.— УМН, 1940,
вып. 7, с. 327—329.
** Об одном новом подтверждении законов Менделя.— ДАН СССР, 1940,
т. 27, с. 38—42.
1941
** Стационарные последовательности в гильбертовом пространство.— Бюл.
МГУ. Математика, 1941, т. 2, вып. 6, с. 1—10.
** Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последо-
последовательностей.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1941, т. 5, с. 3—14.
* Точки локальной топологичности счетнократных открытых отображений
компактов.— ДАН СССР, 1941, т. 30, с. 477—479.
* Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при
очень больших числах Рейнольдса.— ДАН СССР, 1941, т. 30, с. 299—303.
** О логарифмически нормальном законе распределения размеров частиц при
дроблении.— ДАН СССР, 1941, т. 31, с. 99—101.
* К вырождению изотропной турбулентности в несжимаемой вязкой жид-
жидкости.— ДАН СССР, 1941, т. 31, с. 538—541.
* Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности.— ДАН СССР,
1941, т. 32, № 1, с. Д9—21.
Свойства неравенств и понятие о приближенных вычислениях.— Математика
в школе, 1941, № 2, с. 1—12. Совм. с П. С. Александровым.
Иррациональные числа.— Математика в школе, 1941, № 3, с. 1—15. Совм.
с П. С. Александровым.
Confidence limits for an unknown distribution function.— Ann. Math., Stat.,
1941, vol. 12, N 4, p. 461—463.
Список трудов А. Н. Колмогорова
457
1942
Определение центра рассеяния и меры точности по ограниченному числу на-
наблюдений.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1942, т. 6, с. 3—32.
* Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости.— Изв.
АН СССР. Сер. физ., 1942, т. 6, № 1—2, с. 56—58.
1943
Николай Иванович Лобачевский. 1793—1843. М.; Л.: Гостехиздат, 1943. 100 с,
Совм. с П. С. Александровым.
Великий русский ученый-новатор: К 150-летию со дня рождения Н. И. Лоба-
Лобачевского.— Известия, 1943, 2 сент.
1945
Число попаданий при нескольких выстрелах и общие принципы оценки эф-
эффективности системы стрельбы.— Тр. МИАН СССР, 1945, т. 12, с. 7—25,
Искусственное рассеивание в случае поражения одним попаданием и рассеивания
в одном измерении.— Тр. МИАН СССР, 1945, т. 12, с. 26—45.
1946
К вопросу о законе сопротивления при турбулентном течении в гладких тру-
трубах.— ДАН СССР, 1946, т. 52, с. 669—671.
** К обоснованию метода наименьших квадратов.— УМН, 1946, т. 1, вып. 1,-
с. 57—70.
К обоснованию теории вещественных чисел.— УМН, 1946, т. 1, вып. 1, с. 217—
2iS.
Ньютон и современное математическое мышление.— В кн.: Московский уни-
университет — памяти Исаака Ньютона, 1643—1943. М.: Изд-во МГУ, 1946,
с. 27—43.
Дискуссия по статье члена-корреспондента АН СССР М. А. Великанова «Пе-
«Перенос взвешенных насосов турбулентным потоком».— Изв. АН СССР,
ОТН, 1946, № 5, с. 781-784.
1947
Развитие математики в СССР.— БСЭ, 1947, том «СССР», с. 1318—1323.
Средние величины.— БСЭ, 1947, т. 52, с. 508—509.
** Одна формула Гаусса из теории метода наименьших квадратов.— Изв.
АН СССР. Сер. мат., 1947, т. 11, с. 561—566. Совм. с А. А. Петровым и
Ю. М. Смирновым.
** Ветвящиеся случайные процессы.— ДАН СССР, 1947, т. 56, с. 7—10. Совм.
с Н. А. Дмитриевым.
** Вычисление финальных вероятностей для ветвящихся случайных процес-
процессов.— ДАН СССР, 1947, т. 56, с. 783—786. Совм. с Б. А. Севастьяновым.
** Статистическая теория колебаний с непрерывным спектром.— В кн.: Юби-
Юбилейный сборник, посвященный тридцатилетию Великой Октябрьской социа-
социалистической революции. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1947, т. 1, с. 242—252.
Роль русской науки в развитии теории вероятностей.— В кн.: Роль русской
науки в развитии мировой науки и культуры. М.: Изд-во МГУ, 1947, т. 1,
кн. 1, с. 53—64 (Уч. зап. МГУ; Вып. 91).
1948
Статистическая теория колебаний с непрерывным спектром.— В кн.: Общее
собрание Академии наук СССР, посвященное тридцатилетию Великой
Октябрьской социалистической революции. М.; Л.: Изд-во АН СССР,
1948, с. 465—472.
Теория вероятностей.— В кн.: Математика в СССР за тридцать лет, 1917—
1947. М.; Л.: Гостехиздат, 1948, с. 701—727. Совм. с Б. В. Гнеденко.
О двух теоремах относительно вероятностей: Комментарии.— В кн.: Чебы-
шев П. Л. Поли. собр. соч. Т. 3. Математический анализ. М.; Л.: Гостех-
Гостехиздат, 1948, с. 404—409.
458
Список трудов А. Н. Колмогорова
Список трудов А. Н. Колмогорова
459
Строение полных метрических алгебр Буля.— УМН, 1948, т. 3, вып. 1, с. 212.
* Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева, наименее уклоняющих-
уклоняющихся от заданной функции.— УМН, 1948, т. 3, вып. 1, с. 216—221.
Евгений Евгеньевич Слуцкий [Некролог].— УМН, 1948, т. 3, вып. 4, с. 143—
151.
Ред. и предисл. к кн.: Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Изд-
во иностр. лиг., 1948, с. 632.
Algebres de Booll metriques completes.— VI Zjazd Matematykow Polskich.
Warszawa, 1948, с 22—30.
1949
Предельные распределения для сумм независимых случайных величин. М.;
Л.: Гостехиздат, 1949. 264 с. Совм. с Б. В. Гнеденко.
К вопросу о «геометрическом отборе» кристаллов.— ДАН СССР 1949, т 65.
с. 681-684.
** Решение одной задачи из теории вероятностей, свя анной с вопросом о
механизме слоеобразования.— ДАН СССР, 1949, т. 65, с. 793—796.
** О суммах случайного числа случайных слагаемых.— УМН, 1949, т. 4,
вып. 4, с. 168—172. Совм. с Ю. В. Прохоровым.
** Локальная предельная теорема для классических цепей Маркова.— Изв.
АН СССР. Сер. мат., 1949, т. 13, с. 281—300.
Основные задачи теоретической статистики: Тр. Второго Всесоюз. совещ. по
математической статистике, Ташкент, 27 сент.— 2 окт. 1948 г.— Ташкент:
Узбекгосиздат, 1949, с. 216—220.
Реальный смысл результатов дисперсионного анализа: Тр. Второго Всесоюз.
совещ. по математической статистике, Ташкент, 27 сент.— 2 окт. 1948 г.
Ташкент: Узбекгосиздат, 1949, с. 240—268.
* О дроблении капель в турбулентном потоке.— ДАН СССР, 1949, т. 66,
№ 5, с. 825-828.
Абсолютная величина.— БСЭ-2, 1949, т. 1, с. 32.
Адамар Жак.— БСЭ-2, 1949, т. 1, с. 388.
Аддитивные величины.— БСЭ-2, 1949, т. 1, с. 394.
Аксиома.— БСЭ-2, 1949, т. 1, с. 613—616.
Аксонометрия.— БСЭ-2, 1949, т. 1, с. 617.
1950
** Несмещенные оценки.— Изв. АН СССР. Сер. мат., 1950, т. 14, с. 303—326.
К вопросу об определении коэффициента температуропроводности почвы.—
Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1950, т. 14, № 2, с. 97—98.
Алгебра в средней школе.— БСЭ-2, 1950, т. 2, с. 61—62.
Алгебраическое выражение.— БСЭ-2, 1950, т. 2, с. 64.
Алгоритм.— БСЭ-2, 1950, т. 2, с. 65.
Алгоритм Евклида.— БСЭ-2, 1950, т. 2, с. 65—67.
Александров Александр Данилович.—- БСЭ-2, 1950, т. 2, с. 83.
Александров Павел Сергеевич.— БСЭ-2, 1950, т. 2, с. 84.
Асимптота.— БСЭ-2, 1950, т. 3, с. 238—239.
Асимптотические выражения.— БСЭ-2, 1950, т. 3, с. 239.
Ахиезер Наум Ильич.— БСЭ-2, 1950, т. 3, с. 565.
Банах Стефан.— БСЭ-2, 1950, т. 4, с. 183.
Бари Нина Карловна.— БСЭ-2, 1950, т. 4, с. 245.
Бернштейн Сергей Натанович.— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 52.
Бесконечно большие.— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 66—67.
Бесконечно малые.— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 67—71. Совм. с В. Ф. Каганом.
Бесконечно удаленные элементы,— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 71—72. Совм. с
Б. Н. Делоне.
Бесконечность (в математике).— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 73—74.
Бигармонические функции.— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 159.
Билинейная форма.— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 167.
Больших чисел закон.— БСЭ-2, 1950, т. 5, с. 538—540.
f Ч
if ~i
1951
** К вопросу о дифференцируемости переходных вероятностей в однородных
по времени процессах Маркова со счетным числом состояний.— Уч. зап.
МГУ, 1951, т. 148, Математика, т. 4, с. 53—59.
** Обобщение формулы Пуассона на случай выборки из конечной совокуп-
совокупности.— УМН, 1951, т. 6, вып. 3, с. 133—134.
Иван Георгиевич Петровский.— УМН, 1951, т. 6, вып. 3, с. 161—164.
Статистический приемочный контроль при допустимом числе дефектных изде-
изделий, равном нулю. Л., 1951, с. 1—24. (Всесоюз. о-во по распространению
полит, и науч. знаний. Ленинград, дом науч.-техн. пропаганды).
Брауэр Лёйтзен Эгберт Ян.— БСЭ-2, 1951, т. 6, с. 62. Совм. с С. А. Яновской.
Вариационный ряд.— БСЭ-2, 1951, т. 6, с. 641.
Вейль Герман.—БСЭ-2, 1951, т. 7, с. 106. Совм. с С. А. Яновской.
Величина.— БСЭ-2, 1951, т. 7, с. 340—341.
Вероятное отклонение.— БСЭ-2, 1951, т. 7, с. 507.
Вероятность.— БСЭ-2, 1951, т. 7, с. 508—510.
Выборочный метод.— БСЭ-2, 1951, т. 9, с. 417—418. Совм. с Т. И. Козловым.
Вводная статья и комментарии к кн.: Лобачевский Н. И. Поли. собр. соч. М.;
Л.: Гостехиздат, 1951, т. 5, с. 329—332; 342—348. Совм. с А. Н. Хованским.
1952
К вопросу о сопротивлении в профиле скоростей при турбулентном течении в
трубах.- ДАН СССР, 1952, т. 84, с. 20-30.
Гаусса распределение.— БСЭ-2, 1952, т. 10, с. 275.
Геодезическая кривизна.— БСЭ-2, 1952, т. 10, с. 481.
Гильберт Давид.— БСЭ-2, 1952, т. 11, с. 370—371.
Гистограмма.— БСЭ-2, 1952, т. 11, с. 447.
Гнеденко Борис Владимирович.— БСЭ-2, 1952, т. 11, с. 545.
Гомеоморфизм.— БСЭ-2, 1952, т. 12, с. 21.
Гомотопия.— БСЭ-2, 1952, т. 12, с. 35.
Движение (в геометрии).— БСЭ-2, 1952, т. 13, с. 447.
Двучлен.— БСЭ-2, 1952, т. 13, с. 518.
Действительные числа.— БСЭ-2, 1952, т. 13, с. 570.
Деление.- БСЭ-2, 1952, т. 13, с. 628.
Дискретность.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 425.
Дисперсия.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 438.
Дистрибутивность.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 479.
Дистрибутивный оператор.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 479.
Дифференциал.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 498—499.
Дифференциальные уравнения.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 520—526.
Совм. с Б. П. Демидовичем и В. В. Немыцким.
Доверительная вероятность.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 616.
Доверительные границы.— БСЭ-2, 1952, т. 14, с. 617.
Знаки математические.— БСЭ-2, 1952, т. 17, с. 115—119. Совм. с И. Г. Баш-
маковой и А. П. Юшкевичем.
Значащие цифры.— БСЭ-2, 1952, т. 17, с. 135.
Изоморфизм.— БСЭ-2, 1952, т. 17, с. 478—479. Совм. с В. И. Битюцковым.
Изотропные прямые.— БСЭ-2, 1952, т. 17, с. 509.
Именованное число.— БСЭ-2, 1952, т. 17, с. 557.
Имшенецкий Василий Григорьевич.— БСЭ-2, 1952, т. 17, с. 607.
О профессии математика: В помощь поступающим в вузы. М.: Сов. наука, 1952-
22 с.
1953
О понятии алгоритма.— УМН, 1953, т. 8, вып. 4, с. 175—176.
* * Некоторые работы последних лет в области предельных теорем теории веро-
вероятностей.— Вестн. МГУ, 1953, т. 10, с. 29—38.
* О динамических системах с интегральным инвариантом на торе.— ДАН
СССР, 1953, т. 93, с. 763—766.
460
Список трудов А. Н. Колмогорова
Индукция математическая.— БСЭ-2, 1953, т. 18, с. 146.
Интеграл.— БСЭ-2, 1953, т. 18, с. 250—253. Совм. с В. И. Гливенко.
Интеграл вероятности.— БСЭ-2, 1953, т. 18, с. 253.
Интерполяция.— БСЭ-2, 1953, т. 18, с. 304—305.
Интуиционизм.— БСЭ-2, 1953, т. 18, с. 319.
Исключение неизвестных.— БСЭ-2, 1953, т. 18, с. 483.
Испытание.— БСЭ-2, 1953, т. 18, с. 604.
Исчерпывания метод.— БСЭ-2, 1953, т. 19, с. 50—51.
Квадрант.— БСЭ-2, 1953, т. 20, с. 434.
Компакт.— БСЭ-2, 1953, т. 22, с. 282.
Константа.— БСЭ-2, 1953, т. 22, с. 416.
Континуум.— БСЭ-2, 1953, т. 22, с. 454—455.
Координаты.— БСЭ-2, 1953, т. 22, с. 524—525.
Корреляция.— БСЭ-2, 1953, т. 23, с. 55—58.
1954
* О сохранении условно периодических движений при малом изменепии функций
Гамильтона.— ДАН СССР, 1954, т. 98, № 4, с. 527—530.
* Общая теория динамических систем и классическая механика.— In: Ргос.
Intern. Congr. Math., 1954, vol. 1, p. 315—333; Тоже.— В кн.: Труды Меж-
дунар. математического конгресса. Амстердам, 1954 г.: Обзор, докл. М.:
Изд-во АН СССР, 1961, с. 187—208.
Линия.— БСЭ-2, 1954, т. 25, с. 167—170.
Малых чисел закон.— БСЭ-2, 1954, т. 26, с. 168.
Марков Андрей Андреевич.— БСЭ-2, 1954, т. 26, с. 294.
Математика.— БСЭ-2, 1954, т. 26, с. 464—483.
Математическая статистика.— БСЭ-2, 1954, т. 28, с. 485—490.
Математическая физика.— БСЭ-2, 1954, т. 26, с. 490.
Мизес Рихард.— БСЭ-2, 1954, т. 27, с. 414.
Многомерное пространство.— БСЭ-2, 1954, т. 27, с. 660.
Множеств теория.— БСЭ-2, 1954, т. 28, с. 14—17. Совм. с П. С. Александровым.
Элементы теории функций и функционального анализа: Курс лекций. Вып. 1.
Метрические и нормированные пространства. М.: Изд-во МГУ, 1954. 155 с.
Совм. с С. В. Фоминым.
1955
Оценки минимального числа элементов е-сетей в различных функциональных
классах и их применение к вопросу о представимости функций нескольких
переменных суперпозициями функций меньшего числа переменных.— УМН,
1955, т. 10, вып. 1, с. 192—194.
Ориентация.— БСЭ-2, 1955, т. 31, с. 188—189.
Основания геометрии.— БСЭ-2, 1955, т. 31, с. 296.
Поверхность.— БСЭ-2, 1955, т. 33, с. 346—347. Совм. с Л. А. Скорняковым.
Порядковые числа.— БСЭ-2, 1955, т. 34, с. 238.
Приемочный статистический контроль.— БСЭ-2, 1955, т. 34, с. 498—499.
Оценки минимального числа элементов е-сетей в различных функциональных
классах и их приложение к вопросу о представимости функций нескольких
переменных суперпозиций функций меньшего числа переменных.— ДАН
СССР, 1955, т. 101, с. 192-194.
** О сходимости А. В. Скорохода.— Теория вероятностей и ее применения, 1956,
т. 1, с. 239—247.
** Две равномерные предельные теоремы для сумм независимых слагаемых.—
Теория вероятностей и ее применения, 1956, т. 1, с. 426—436.
** Zufallige Funktionen und Grenzverteilugssatze.— In: Bericht iiber die Ta-
gung Wahrscheinlichkeitsrechnung und mathematische Statistik. Berlin,
1956, S. 113—126. Совм. с Ю. В. Прохоровым.
* Некоторые принципиальные вопросы приближенного и точного представле-
представления функций одного и нескольких переменных.— В кн.: Труды III Все-
союз. мат. съезда. М.: Изд-во МГУ, 1956, т. 2, с. 28—29.
Список трудов А. Н. Колмогорова
461
On the Shannon theory of information transmission in the case of continuons sig-
nales.— IEEE Trans. Inform. Theory, 1956, vol. IT-2, p. 102—108.
* О представлении непрерывных функций нескольких переменных суперпо-
суперпозициями непрерывных функций меньшего числа переменных.— ДАН СССР,
1956, т. 108, № 2, с. 179—182.
О некоторых асимптотических характеристиках вполне ограниченных метричес-
метрических пространств.— ДАН СССР, 1956, т. 108, с. 385—388.
** К общему определению количества информации.— ДАН СССР, 1956, т. 111,
с. 745—748. Совм. с И. М. Гельфандом и А. М. Ягломом.
Теория вероятностей.— В кн.: Математика, ее содержание, методы и значение.
М.: Изд-во АН СССР, 1956, т. 2, с. 252—284.
С. М. Никольский: К 50-летию со дня рождения.— УМН, 1956, т. 11, вып. 2,
с. 239—244. Совм. с С. Б. Стечкиным.
Слуцкий Евгений Евгеньевич.— БСЭ-2, 1956, т. 39, с. 378.
Смирнов Николай Васильевич.— БСЭ-2, 1956, т. 39, с. 406.
1957
** Теория передачи информации.— В кн.: Сессия Академии наук СССР по на-
научным проблемам автоматизации производства, 15—20 окт. 1956 г.: Пле-
нар. заседания. М.: Изд-во АН СССР, 1957, с. 66—99.
* О представлении непрерывных функций нескольких переменных в виде
суперпозиций непрерывных функций одного переменного и сложения.—
ДАН СССР, 1957, т. 114, № 5, с. 953-956.
К обоснованию теории вещественных чисел.— Мат. просвещение, 1957, т. 2,
с. 169-173.
1958
О профессии математика. 2-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1958. 60 с.
** Количество информации и энтропия для непрерывных распределений.—
В кн.: Труды III Всесоюз. мат. съезда. М.: Изд-во АН СССР, 1958, т. 3,
с. 300—320. Совм. с И. М. Гельфандом и А. М. Ягломом.
Достаточная статистика.— БСЭ-2, 1958, т. 51, с. 106.
Информация— БСЭ-2, 1958, т. 51, с. 129—130.
Кибернетика.— БСЭ-2, 1958, т. 51, с. 149—151.
** Новый метрический инвариант транзитивных динамических систем и авто-
автоморфизмов пространств Лебега.— ДАН СССР, 1958, т. 119, с. 861—864.
** Sur les proprietes des fonctions de concentrations de M. P. Levy.— Ann. Inst.
Henry Poincare, 1958, vol. 16, N 1, p. 27—34.
* О линейной размерности топологических векторных пространств.— ДАН
СССР, 1958, т. 120, с. 239—241.
К определению алгоритма.— УМН, 1958, т. 13, вып. 4, с. 3—28. Совм. с В. А. Ус-
Успенским.
/959
Об энтропии на единицу времени как метрическом инварианте автоморфизмов
ДАН СССР, 1959, т. 124, с. 754-755.
** е-энтропия и е-емкость множеств в функциональных пространствах.— УМН,
1959, т. 14, вып. 2, с. 3—86. Совм. с В. М. Тихомировым.
** Переход ветвящихся процессов в диффузионные и примыкающие задачи
генетики.— Теория вероятностей и ее применение, 1959, т. 4, с. 233—236.
Замечания о работах Р. А. Минлоса и В. В. Сазонова.— Теория вероятностей
и ее применения, 1959, т. 4, с. 237—239.
Теория вероятностей.— В сб.: Математика в СССР за 40 лет. М.: Физматгиз,
1959, т. 1, с. 781—795.
Предисловие к кн.: Эшби У. Р. Введение в кибернетику. М.: Изд-во иностр.
лит., 1959, с. 5—8.
462
Список трудов А. Н. Колмогорова
Список трудов А. Н. Колмогорова
463
196О\
О работах С. Н. Бернштейна по теории вероятностей.— Теория вероятностей:
и ее применения, 1960, т. 5, с. 215—221. Совм. с О. В. Сармановым.
** О классах Ф*"'Форте и Блан-Лапьерра.— Теория вероятностей и ее приме-
применения, 1960, т. 5, с. 373.
** Случайные функции нескольких переменных, почти все реализации которых
периодичны.— Теория вероятностей и ее применения, 1960, т. 5, с. 374-
0 работах Н. В. Смирнова по математической статистике: К 60-летию со дня
рождения.— Теория вероятностей и ее применения, 1960, т. 5, с. 436—440.
Совм. с Б. В. Гнеденко, Ю. В. Прохоровым, О. В. Сармановым.
** Об условиях сильного перемешивания гауссовского стационарного процес-
процесса.—• Теория вероятностей и ее применения, 1960, т. 5, с. 222—227. Совм..
с Ю. А. Розановым.
Александр Яковлевич Хинчин [Некролог].— УМН, 1960, т. 15, вып. 4, с. 97—
110. Совм. с Б. В. Гнеденко.
О профессии математика. 3-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1960, 60 с.
Элементы теории функций и функционального анализа. Вып. 2. Мера, инте-
интеграл Лебега, гильбертово пространство.— М.: Изд-во МГУ, 1960. 119 с
Совм. с С. В. Фоминым.
1961
Автоматы и жизнь: Тез. докл., прочитанного на методол. семинаре мех.-мат_
фак-та МГУ 5 апреля 1961 г.— Маш. пер. и прикл. лингвист., 1961, вып. 6,
с. 3—8.
Автоматы и жизнь.— Техника молодежи, 1961, № 10, с. 16—19; № 11, с. 30—33.
Замечание к докладу В. К. Лезерсона.— Теория вероятностей и ее применения,
1961, т. 6, с. 367.
Свойства неравенств и понятие о приближенных вычислениях. Иррациональные
числа.— В кн.: Вопросы преподавания математики в средней школе. М.:
Учпедгиз, 1961. Совм. с П. С. Александровым.
1962
** Об оценке параметров комплексного стационарного гауссовского марков-
марковского процесса.— ДАН СССР, 1962, т. 146, с. 747—750. Совм. с М. Арат»
и Я. Г. Синаем.
Ритмика поэм Маяковского.— Вопр. языкознания, 1962, № 3, с. 62—74. Совм.
с А. М. Кондратовым.
Об одной вероятностной задаче оптимального управления.— ДАН СССР,
1962, т. 145, с. 993—995. Совм. с Л. С. Понтрягиным и Е. Ф. Мищенко.
О работах Б. В. Гнеденко по теории вероятностей.— Теория вероятностей и ее
применения, 1962, т. 7, с. 323—329.
* Уточнение представлений о локальной структуре турбулентности несжимае-
несжимаемой вязкой жидкости при больших числах Рейнольдса.— In: Mecanique
de la turbulence: Colloq. Intern. CNRS, Marseille, aout—sept. 1961/Ha рус.
и фр. яз. Paris, 1962, p. 447—458.
A refinement of previons hypotheses concerning the local structure of turbulence
in viscous incompressible fluid at high Reynolds numer.— J. Fluid Mech.,
1962, vol. 13, N 1, с 82—85.
1963
** О приближении распределений сумм независимых слагаемых неограниченно
делимыми распределениями.— Тр. Моск. мат. о-ва, 1963, т. 12, с. 437—
451.
Дискретные автоматы и конечные алгоритмы.— В кн.: Труды 4-го Всесоюз.
мат." съезда. Л.: Изд-во ЛГУ, 1963, т. 1, с. 120.
** Различные подходы к оценке трудности приближенного задания и вычисле-
вычисления функций.— In: Ргос. Intern. Congr. Math. Stokholm, 1963, p. 369—376.
** On tables of random numbers.— Ind. J. Stat. Ser. A, 1963, vol 25 N 4,
p. 369—376.
О дольнике современной русской поэзии: Общая характеристика.— Вопр.
языкознания, 1963, N 6, с. 84—95. Совм. с А. В. Прохоровым. К изуче-
изучению ритмики Маяковского.—Вопр. языкознания, 1963, № 4, с. 64—71.
Статистика и теория вероятностей в исследовании русского стихосложения.—
В кн.: Тез. и аннот. симпоз. по комплексному исследованию художествен-
художественного творчества. Л.: Наука, 1963, с. 23. Совм. с А. В. Прохоровым.
Как я стал математиком.—¦ Огонек, 1963, № 48, с. 12—13.
Предисловие к кн.: Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике.
М.: Изд-во иностр. лит., 1963.
1964
О дольнике современной русской поэзии: Статистическая характеристика доль-
дольника Маяковского, Багрицкого, Ахматовой.— Вопр. языкознания, 1964,
№ 1, с. 75—94. Совм. с А. В. Прохоровым.
О метре пушкинских «Песен западных славян».— Рус. литература, 1964, № 1,
с. 98—111.
Предисловие к кн.: Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее применения.
2-е изд. М.: Мир, 1964, с. 5—6.
1965
** Три подхода к определению понятия «количество информации».— Проблемы
передачи информации, 1965, т. 1, № 1, с. 3—11.
Геометрические преобразования в школьном курсе геометрии.— Математика
в школе, 1965, № 2, с. 24—29.
О содержании школьного курса математики,— Математика в школе, 1965,
№ 4, с. 53—62. Совм. с И. М. Ягломом.
Функции, графики, непрерывные функции.— Математика в школе, 1965, № 6,
с. 12—21.
Замечания по поводу анализа ритма «Стихов о советском паспорте» Маяковско-
Маяковского.— Вопр. языкознания, 1965, № 3, с. 70—75.
1966
Введение в анализ. М.: Изд-во МГУ, 1966. 56 с.
* П. С. Александров и теория бх-операций.— УМН, 1966, т. 21, вып. 4,
с. 275—278.
•О школьном определении тождества.—Математика в школе, 1966, № 2, с. 33—35.
Геометрия на сфере и геология.— Наука и жизнь, 1966, № 2, с. 32.
1967
** О реализации сетей в трехмерном пространстве.— Проблемы кибернетики
1967, т. 19, с. 261—268. Совм. с Я. М. Бардзинем.
Новые программы и некоторые основные вопросы усовершенствования курса
математики в средней школе.— Математика в школе, 1967, № 2, с. 4—13.
1968
Несколько теорем об алгоритмической энтропии и алгоритмическом количестве
информации.— УМН, 1968, т. 21, вып. 2, с. 201.
К изучению показательной функции и логарифмов в восьмилетней школе.—
Математика в школе, 1968, № 2, с. 23—25.
Обобщение понятия степени и показательная функция.— Математика в школе,
1968, № 1, с. 24—32.
Введение в теорию вероятностей и комбинаторику.— Математика в школе,
1968, № 2, с. 63—72.
Элементы теории функций и функционального анализа. 2-е изд., перераб.
и доп. М.: Физматгиз, 1968. 495 с. Совм. с С. В. Фоминым.
464
Список трудов А. Н. Колмогорова
К основам русской классической метрики.— В кн.: Содружество наук и тайны
творчества. М.: Искусство, 1968, с. 397—432. Совм. с А. В. Прохоровым.
Пример изучения метра и его ритмических вариантов.— В кн.: Теория стиха.
Л.: Наука, 1968, с. 145—167.
1969
** К логическим основам теории информации и теории вероятностей.— Про-
Проблемы передачи информации, 1969, т. 5, № 3, с. 3—7.
Сергей Натанович Бернштейн.— УМН, 1969, т. 24, вып. 3, с. 211—218.
Научные основы школьного курса математики.— Математика в школе, 1969,-
№ 3, с. 12—17; № 5, с. 8—17.
Новое в школьной математике.— Наука и жизнь, 1969, № 3, с. 62—66.
1970
Засухин Виктор Николаевич: Памяти математиков, погибших в Великой Оте-
Отечественной войне. — УМН, 1970, т. 25, вып. 3, с. 243.
Селиверстов Глеб Александрович [Некролог].— УМН, 1970, т. 25, вып. 3,
с. 244-245.
Обобщение понятия числа, неотрицательного рационального числа.— Мате-
Математика в школе, 1970, № 4, с. 27—32.
Что такое функция? — Квант, 1970, № 1, с. 27—36.
Что такое график функций? — Квант, 1970, № 2, с. 3—13.
Паркет из правильных многоугольников.— Квант, 1970, № 3, с. 24.
1971
Величина.— БСЭ-3, 1971, т. 4, с. 456—457.
Винер Норберт.— БСЭ-3, 1971, т. 5, с. 72.
Гильберт Давид.— БСЭ-3, 1971, т. 6, с. 519.
О системе основных понятий и обозначений школьного курса математики.— Ма-
Математика в школе, 1971, № 2, с. 17—22.
Современная математика и математика в современной школе.— Математика
в школе, 1971, № 6, с. 2—3.
Курс математики для физико-математических школ. М.: Изд-во МГУ, 1971.
223 с. Совм. с В. А. Гусевым, А. Б. Сосинским и А. А. Шершевским.
Летняя школа на Рубеком озере. М.: Просвещение, 1971. 160 с.
1972
Сложность задания и сложность построения математических объектов.— УМН,
1972, т. 27, вып. 2, с. 159.
Интеграл.— БСЭ-3, 1972, т. 10, с. 300—302.
Исчерпывания метод.— БСЭ-3, 1972, т. 10, с. 586.
Элементы теории функций и функционального анализа. 3-е изд., перераб. М.:
Физматгиз, 1972. 469 с. Совм. с С. В. Фоминым.
Научный руководитель.— В кн.: Нейман Л. Радость открытия. М.: Дет. лит.,
1972.
Учителя не заменить.— Коме, правда, 1972, 19 янв.
* Качественное изучение математических моделей динамики популяций.—
Проблемы кибернетики, 1972, т. 25, вып. 2, с. 101—106.
1973
Континуум,— БСЭ-3, 1973, т. 13, с. 64.
Полулогарифмическая и логарифмическая сетка.— Квант, 1973, № 4, с. 2.
О профессии математика.— Квант, 1973, № 4, с. 12.
1974
Основные понятия теории вероятностей. 2-е изд. М.: Наука, 1974. 119 с.
Памяти Ивана Георгиевича Петровского A8 января 1901 г.— 15 января
1974 г.).— Тр. Моск. мат. о-ва, 1974, т. 31, с. 5—16. Совм. с П. С. Алек-
Александровым, О. А. Олейник.
Список трудов А. Н. Колмогорова
465
Иван Георгиевич Петровский.— УМН, 1974, т. 29, вып. 2, с. 3—5.
Марков Андрей Андреевич.— БСЭ-3, 1974, т. 15, с. 379.
Математика.— БСЭ-3, 1974, т. 15, с. 467—478.
Математическая статистика.— БСЭ-3, 1974, т. 15, с. 480—484. Совм. с
Ю. В. Прохоровым.
Многомерное пространство.—БСЭ-3, 1974, т. 16, с. 372.
¦Ориентация.— БСЭ-3, 1974, т. 18, с. 509—510.
Заботясь о достойном пополнении.— Вестн. высш. школы, 1974, № 6, с. 26—33.
Совм. с И. Т. Тропиным и К. В. Чернышевым.
Новые программы: Специализированные школы.— В кн.: Математическое обра-
образование сегодня. М.: Просвещение, 1974, с. 5—12.
Решето Эратосфена.— Квант, 1974, № 10, с. 2.
Приемочный статистический контроль.— БСЭ-3,1975, т. 20, с. 572—573. Совм.
с Ю. К. Беляевым.
Элементы комбинаторики.— Математика в школе, 1975, №2, с. 16—25.
Действительные числа, бесконечные последовательности и их пределы.— Мате-
Математика в школе, 1975, № 2, с. 25—35. Совм. с О. С. Ивашевым-Мусатовым.
1976
Элементы теории функций и функционального анализа. 4-е изд., перераб. М.:
Наука, 1976. 543 с. Совм. с С. В. Фоминым.
Тригонометрические функции, их графики и производные в учебном пособии
для 10 класса.—Математика в школе, 1976, №1, с. 10—25. Совм. с
СИ. Шварцбурдом.
XXXVIII Московская математическая олимпиада (февраль — март 1975 г.).—
Математика в школе, 1976, № 4, с. 68—72. Совм. с Г. А. Гальпериным.
Интеграл в учебном пособии для 10 класса.— Математика в школе, 1976, № 6,
с. 15—17.
Группы преобразований.— Квант, 1976, № 10, с. 2—5.
1977
Бесконечность.— Мат. энц., 1977, т. 1, с. 455—458.
Величина.— Мат. энц., 1977, т. 1, с. 651—653.
Вероятность.— Мат. энц., 1977, т. 1, с. 667—669.
Физико-математическая школа при Московском государственном университете
им. М. В. Ломоносова.— Квант, 1977, № 1, с. 56—57. Совм. с В. В. Ва-
Вавиловым.
1978
О воспитании на уроках математики и физики диалектико-материалистического
мировоззрения.— Математика в школе, № 3, с. 6—9.
** Оценки спектральных функций случайных процессов: Докл. на 11 Европей-
Европейском совещ. по статистике. Осло, 14—18 авг. 1978 г. Albt. of Paper. Oslo,
1978, p. 36. Совм. с И. Г. Журбенко.
1979
Линейные выборочные оценки сумм.— Теория вероятностей и ее применения,
1979, т. 24, с. 241—251. Совм. с А. В. Булинским. ФМШ при МГУ —
15 лет.— Квант, 1979, № 1, с. 55—57. Совм. с В. В. Вавиловым и
И. Т. Тропиным.
1980
Диалектико-материалистическое мировоззрение в школьных курсах математи-
математики и физики.— Квант, 1980, № 4, с. 15—18.
1981
Элементы теории функций и функционального анализа. 5-е изд. М.: Наука,
1981. 542 с. Совм. с С. В. Фоминым.
466
Список трудов А. Н. Колмогорова
Физико-математическая школа при МГУ. М.: Изд-во МГУ, 1981 (Математика,
кибернетика, № 5). Совм. с В. В. Вавиловым и И. Т. Трошшым.
Геометрия для 6—8 классов: Учебное пособие. 3-е изд. М.: Просвещение, 1981.
Совм. с А. Ф. Семеновичем и Р. С. Черкасовым; 1-е изд. М., 1979.
О понятии вектора в курсе средней школы.— Математика в школе, 1981, № 3,
с. 7—8.
1982
Введение в математическую логику. М.: Изд-во МГУ, 1982. 120 с. Совм. с
А. Г. Драгалиным.
Введение в теорию вероятностей. М.: Наука, 1982. 159 с. (Библиотечка «Квант»;
Вып. 23). Совм. с И. Г. Журбенко и А. В. Прохоровым.
Математика.— Мат. энц., 1982, т. 3, с. 560—564.
Математическая статистика.— Мат. энц., 1982, т. 3, с. 576—581. Совм. с
Ю. В. Прохоровым.
Ньютон и современное математическое мышление.— Математика в школе, 1982,
№ 6, с. 58.
1983
Алгебра и начала анализа: Учебное пособие для 9 и 10 классов средней школы.
4-е изд. М.: Просвещение, 1983. Совм. с А. М. Абрамовым, Б. Е. Вейцем,
О. С. Ивашевым-Мусатовым и С. И. Шварцбурдом; 1-е изд. 1980.
Об учебном пособии «Геометрия 6—10» А. В. Погорелова.— Математика в шко-
школе, 1983, № 2, с. 45.
** Комбинаторные основания теории информации и исчисления вероятно-
вероятностей.—УМН, If83, т. 38, вып. 4, с. 27—36.
СОДЕРЖАНИЕ
От редакции 3
Андрей Николаевич Колмогоров (Биографическая справка) . . 4
1. Ряд Фурье — Лебега, расходящийся почти всюду .... 8
2. О порядке величины коэффициентов ряда Фурье — Лебега 12
3. Замечания к исследованию сходимости рядов Фурье 15
4. О сходимости рядов Фурье 16
5. Аксиоматическое определение интеграла 19
<5. О границах обобщения интеграла 21
7. О возможности общего определения производной, интегра-
интеграла и суммирования расходящихся рядов 39
8. О гармонически сопряженных функциях и рядах Фурье . . 40
9. О принципе tertium non datur 45
10. О сходимости рядов Фурье 69
11. Ряд Фурье — Лебега, расходящийся всюду 73
12. О сходимости ортогональных рядов 75
13. Об операциях над множествами 85
14. О процессе интегрирования Данжуа 93
15. О тополого-теоретико-групповом обосновании геометрии 94
16. Исследование понятия интеграла 96
17. Об определении среднего 136
18. О компактности множеств функций при сходимости в сред-
среднем 139
19. К толкованию интуиционистской логики 142
20. К обоснованию проективной геометрии 149
21. К теории меры - 150
22. О точках разрыва функций двух пепеменных 167
23. О нормируемости общего линейного топологического про-
пространств! 168
24. Продолжение исследования о точках разрыва функции двух
переменных 171
25. О сходимости рядов по ортогональным полиномам . ... 174
26. Преобразование Лапласа в линейных пространствах 178
27. О порядке остаточного члена рядов Фурье дифференцируе-
дифференцируемых функций 179
28. О наилучшем приближении функций заданного функцио-
функционального класса 186
29. О законах двойственности в комбинаторной топологии . . . 190
30. Кольцо гомологии комплексов и локально бикомпактных
пространств 197
31. Конечные покрытия топологических пространств . ... 203
32. Группы Бетти локально бикомпактных пространств 2A7
468
Содержание
33. Свойства групп Бетти локально бикомпактных пространств 209
34. Группы Бетти метрических пространств 211
35. Относительные циклы. Теорема двойственности Александе-
ра 214
36. Об открытых отображениях 215
37. Кососимметричные величины и топологические инвариан-
инварианты 218
38. Исследование уравнения диффузии, соединенной с возрас-
возрастанием количества вещества, и его применение к одной био-
биологической проблеме 221
^9. Упрощенное доказательство эргодической теоремы Бирк-
гофа — Хинчина 246
40. О неравенствах между верхними гранями последователь-
последовательных производных произвольной функции на бесконечном
интервале 252
41. О кольцах непрерывных функций на топологических про-
пространствах 264
42. Кривые в гильбертовом пространстве, инвариантные по от-
отношению к однопараметрической группе движений . . . . 269>
43. Спираль Винера и некоторые другие интересные кривые в
гильбертовом пространстве 274
44. Точки локальной топологичности счетнократных открытых
отображений компактов 278
45. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вяз-
вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса .... 281
46. К вырождению изотропной турбулентности в несжимаемой
вязкой жидкости 287
47. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулент-
турбулентности 290
48. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жид-
жидкости 294
49. Замечание по поводу многочленов П. Л. Чебышева, наи-
наименее уклоняющихся от заданной функции 296
50. О дроблении капель в турбулентном потоке 302
51. О динамических системах с интегральным инвариантом на
торе 307
52. О сохранении условно периодических движений при малом
изменении функции Гамильтона 311
53. Общая теория динамических систем и классическая меха-
механика 316
54. Некоторые принципиальные вопросы приближенного и точ-
точного представления функций одного и нескольких перемен-
переменных 333.
55. О представлении непрерывных функций нескольких пере-
переменных суперпозициями непрерывных функций меньшего
числа переменных 335
56. О представлении непрерывных функций нескольких пере-
переменных в виде суперпозиций непрерывных функций одного
переменного и сложения 340
57. О линейной размерности топологических векторных прост-
пространств 344
Содержание
469
58. Уточнение представлений о локальной структуре турбу-
турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при больших
числах Рейнольдса 348
59. П. С. Александров и теория бя-операций 352
60. Качественное изучение математических моделей динамики
популяций 357
КОММЕНТАРИИ
А. Н. Колмогоров. К работам по теории функций и теории мно-
множеств 363
Тригонометрические и ортогональные ряды G7. Л. Ульянов) . . 364
Дескриптивная теория множеств (И. И. Паровиченко) . ... 373
Теория меры и интеграла (В. А. Скворцов) 376
Точки разрыва функций (Е. 77. Долженко) 381
Теория приближений {С. А. Теляковский, В. М. Тихомиров) . . 382
Неравенства для производных (В. М. Тихомиров, Г. Г. Мага-
рил-Илъяев) 387
Кольца непрерывных функций (Е. А. Горин) 390
Кривые в гильбертовом пространстве (ТО. А. Розанов) . ... 392
А. Н. Колмогоров. К работам по интуиционистской логике . . . 393
Интуиционистская логика (В. А. Успенский, В. Е. Плиско) . . 394
А. Н. Колмогоров. К работам по теории гомологии 405
Теория гомологии (Г. С. Чогошвили) 405
А. Н. Колмогоров. К работе об открытых отображениях 412
Топология (А. В. Архангельский) 412
Аксиоматика проективной геометрии (А. В. Михалев) 414
А. Н. Колмогоров. К работе об уравнении диффузии 416
Уравнение диффузии (Г. И. Баренблатпт) 416
А. Н. Колмогоров. К работам по турбулентности 421
Турбулентность (А. М. Яглом) 421
А. Н. Колмогоров. К работам по классической механике . . . 433
Классическая механика (В. И. Арнольд) 433
А. Н. Колмогоров. К работам о суперпозициях 444
Суперпозиции (В. И. Арнольд) 445
Список трудов А. Н. Колмогорова 452
Андрей Николаевич
Колмогоров
МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА
Избранные труды
Утверждено к печати
Отделением математики Академии наук СССР
Редактор В. И. Битюцков
Редактор издательства Н. Н. Лезнова
Художник А. Г. Кобрин
Художественный редактор С. А. Лптвак
Технический редактор О. М. Гуськова
Корректоры Г. Н. Лащ, К. П. Лосева
ИБ № 27963
Сдано в набор 12.10.84 Подписано к печати 24.01.85
Формат 60х80'Дв.
Бумага книжно-журналы^ая импортная
Гарнитура обыкновенная Печать высокая
Усл. печ. л. 29,75. Уч.-изд. л. 32,1. Усл. кр. отт. 30,75.
Тираж 3100 ягкз. Тип. зак. 707
Цена 3 р. 50 к.
Ордена Трудового Красного Знамени
издательство «Наука» 117J64 ГСП-7,
Москва В-4Е5, Профсоюзная ул., 90.
2-я типография издательства «Наука»
121099. Москва, Г-99, Шубинский пер., 6
В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «НАУКА» ГОТОВИТСЯ К ПЕЧАТИ
КНИГА
А. Н. КОЛМОГОРОВ
Избранные труды
ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ
В книгу войдут следующие статьи:
О СХОДИМОСТИ РЯДОВ, ЧЛЕНЫ КОТОРЫХ ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ СЛУЧАЕМ
О ЗАКОНЕ БОЛЬШИХ ЧИСЕЛ
ОБ ОДНОЙ ПРЕДЕЛЬНОЙ ФОРМУЛЕ А. ХИНЧИНА
О СУММАХ НЕЗАВИСИМЫХ СЛУЧАЙНЫХ ВЕЛИЧИН
О ЗАКОНЕ ПОВТОРНОГО ЛОГАРИФМА
О ЗАКОНЕ БОЛЬШИХ ЧИСЕЛ
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ МЕРЫ И ИСЧИСЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
ОБ УСИЛЕННОМ ЗАКОНЕ БОЛЬШИХ ЧИСЕЛ
ОБ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДАХ В ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
ПРОБЛЕМА ОЖИДАНИЯ
МЕТОД МЕДИАНЫ В ТЕОРИИ ОШИБОК
ОДНО ОБОБЩЕНИЕ ТЕОРЕМЫ ЛАПЛАСА — ЛЯПУНОВА
ОБ ОБЩЕЙ ФОРМЕ СТОХАСТИЧЕСКОГО ОДНОРОДНОГО ПРОЦЕССА
(ПРОБЛЕМА БРУНО ДЕ ФИНЕТТИ)
К ВЫЧИСЛЕНИЮ СРЕДНЕЙ БРОУНОВСКОЙ ПЛОЩАДИ
ОБ ЭМПИРИЧЕСКОМ ОПРЕДЕЛЕНИИ ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
О ПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕОРЕМАХ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
К ТЕОРИИ НЕПРЕРЫВНЫХ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
К ВОПРОСУ О ПРИГОДНОСТИ
НАЙДЕННЫХ СТАТИСТИЧЕСКИМ ПУТЕМ ФОРМУЛ ПРОГНОЗА
СЛУЧАЙНЫЕ ДВИЖЕНИЯ (К ТЕОРИИ БРОУНОВСКОГО ДВИЖЕНИЯ)
УКЛОНЕНИЯ ОТ ФОРМУЛ ХАРДИ ПРИ ЧАСТИЧНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
К ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ МАРКОВА
К СТАТИСТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ
ЦЕПИ МАРКОВА СО СЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ ВОЗМОЖНЫХ СОСТОЯНИЙ
ОБ ОБРАТИМОСТИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ ПРИРОДЫ
К РЕШЕНИЮ ОДНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ|
ОБ ОДНОМ НОВОМ ПОДТВЕРЖДЕНИИ ЗАКОНОВ МЕНДЕЛЯ
СТАЦИОНАРНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В ГИЛЬБЕРТОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ
ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ И ЭКСТРАПОЛИРОВАНИЕ
СТАЦИОНАРНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ
О ЛОГАРИФМИЧЕСКИ НОРМАЛЬНОМ ЗАКОНЕ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ПРИ ДРОБЛЕНИИ
К ОБОСНОВАНИЮ МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ
ОДНА ФОРМУЛА ГАУССА ИЗ ТЕОРИИ МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ
ВЕТВЯЩИЕСЯ СЛУЧАЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ
ВЫЧИСЛЕНИЕ ФИНАЛЬНЫХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
ДЛЯ ВЕТВЯЩИХСЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ КОЛЕБАНИЙ С НЕПРЕРЫВНЫМ СПЕКТРОМ
О СУММАХ СЛУЧАЙНОГО ЧИСЛА СЛУЧАЙНЫХ СЛАГАЕМЫХ
ЛОКАЛЬНАЯ ПРЕДЕЛЬНАЯ ТЕОРЕМА ДЛЯ КЛАССИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ МАРКОВА
РЕШЕНИЕ ОДНОЙ ЗАДАЧИ ИЗ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ,
СВЯЗАННОЙ С ВОПРОСОМ О МЕХАНИЗМЕ СЛОЕОБРАЗОВАНИЯ
НЕСМЕЩЕННЫЕ ОЦЕНКИ
К ВОПРОСУ О ДИФФЕРЕНЦИРУЕМОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
В ОДНОРОДНЫХ ПО ВРЕМЕНИ ПРОЦЕССАХ МАРКОВА
СО СЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ СОСТОЯНИЙ
ОБОБЩЕНИЕ ФОРМУЛЫ ПУАССОНА НА СЛУЧАЙ ВЫБОРКИ
ИЗ КОНЕЧНОЙ СОВОКУПНОСТИ
НЕКОТОРЫЕ РАБОТЫ ПОСЛЕДНИХ ЛЕТ В ОБЛАСТИ ПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕОРЕМ
ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
О СХОДИМОСТИ А. В. СКОРОХОДА
ДВЕ РАВНОМЕРНЫЕ ПРЕДЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕМЫ
ДЛЯ СУММ НЕЗАВИСИМЫХ СЛАГАЕМЫХ
СЛУЧАЙНЫЕ ФУНКЦИИ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕМЫ
К ОБЩЕМУ ОПРЕДЕЛЕНИЮ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ
ТЕОРИЯ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ И ЭНТРОПИЯ
ДЛЯ НЕПРЕРЫВНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ
НОВЫЙ МЕТРИЧЕСКИЙ ИНВАРИАНТ ТРАНЗИТИВНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
И АВТОМОРФИЗМОВ ПРОСТРАНСТВ ЛЕБЕГА
О СВОЙСТВАХ ФУНКЦИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ П. ЛЕВИ
ПЕРЕХОД ВЕТВЯЩИХСЯ ПРОЦЕССОВ
В ДИФФУЗИОННЫЕ И ПРИМЫКАЮЩИЕ ЗАДАЧИ ГЕНЕТИКИ
(ОБЗОРНЫЙ ДОКЛАД)
«-ЭНТРОПИЯ И е-ЕМКОСТЬ МНОЖЕСТВ В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОСТРАНСТВАХ
О КЛАССАХ Ф<п) ФОРТЕ И БЛАН-ЛАПЬЕРРА
ОБ УСЛОВИЯХ СИЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
ГАУССОВСКОГО СТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА
СЛУЧАЙНЫЕ ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ,
ПОЧТИ ВСЕ РЕАЛИЗАЦИИ КОТОРЫХ ПЕРИОДИЧНЫ
ОБ ОЦЕНКЕ ПАРАМЕТРОВ
КОМПЛЕКСНОГО СТАЦИОНАРНОГО ГАУССОВСКОГО МАРКОВСКОГО ПРОЦЕССА
О ПРИБЛИЖЕНИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СУММ НЕЗАВИСИМЫХ СЛАГАЕМЫХ1 ;
НЕОГРАНИЧЕННО ДЕЛИМЫМИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯМИ
РАЗЛИЧНЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ТРУДНОСТИ ПРИБЛИЖЕННОГО ЗАДАНИЯ
И ВЫЧИСЛЕНИЯ ФУНКЦИЙ
О ТАБЛИЦАХ СЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ
ТРИ ПОДХОДА К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОНЯТИЯ «КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ»
О РЕАЛИЗАЦИИ СЕТЕЙ В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
К ЛОГИЧЕСКИМ ОСНОВАМ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ И ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
ОЦЕНКИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
КОМБИНАТОРНЫЕ ОСНОВАНИЯ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ
И ИСЧИСЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
ОБ ОПЕРАЦИЯХ НАД МНОЖЕСТВАМИ. II