1 指数関数との積
命題 1.1.n∈N≥1、a∈Rnとし、共役を入れない複素線形双対D′(Rn)の元Uと、多項式P,Q∈C[z1,…,zn]をとる。このとき
P(∂)(ea⋅xU)=ea⋅xP(∂+a)U,ea⋅xQ(∂)δ0=Q(∂−a)δ0がD′(Rn)において成り立つ。
証明.§E15.2 命題 1.2の Leibniz 則から、各k∈{1,…,n}について
∂k(ea⋅xU)=ea⋅x(∂k+ak)Uを得る。微分作用素は互いに可換であるから、この等式を反復してPの各単項式に適用すると第一の等式が従う。
同じ等式を移項すると、任意のV∈D′(Rn)に対して
ea⋅x∂kV=(∂k−ak)(ea⋅xV)となる。また、試験関数φに対して⟨ea⋅xδ0,φ⟩=φ(0)であるから、ea⋅xδ0=δ0である。したがって、任意の多重指数α∈N≥0nについて
ea⋅x∂αδ0=(∂−a)αδ0が成り立つ。Qの係数による線形結合をとると第二の等式を得る。▨
2 基本解の存在
命題 2.1.n∈N≥1、P∈C[z1,…,zn]∖{0}、m=degP≥1とし、PmをPの次数mの斉次部分とする。このとき、Pm(η)=0を満たすη∈Rnが存在する。
そのような任意のη∈Rnと相異なる任意のλ0,…,λm∈Rに対して、
Q(z)=P(z),aj=0≤k≤mk=j∏(λj−λk)−1(0≤j≤m)とおき、QmをQの次数mの斉次部分とする。各j∈{0,…,m}とξ∈Rnについて、
bj(ξ)=⎩⎨⎧P(2πiξ+λjη)P(2πiξ+λjη),0,P(2πiξ+λjη)=0,P(2πiξ+λjη)=0とおく。bjは緩増加超関数を定める。Fourier 変換を
φ(ξ)=∫Rne−2πix⋅ξφ(x)dx(φ∈S(Rn))とし、Uj=F−1bj∈S′(Rn)をD′(Rn)に制限して同じ記号で表す。Qm(2η)=2mPm(η)=0であり、
E=Qm(2η)1j=0∑majeλjη⋅xUjと定めると、E∈D′(Rn)はP(∂)E=δ0を満たす。
証明.
主張 2.1.1.d∈N≥1とし、R∈C[z1,…,zd]∖{0}とする。このとき、実零集合
ZR={x∈Rd:R(x)=0}は Lebesgue 零集合である。
証明.d=1では、§E1.7 定理 4.3をC上で適用すると、Rの複素数における根は有限個である。したがって、実零集合ZRは零集合である。d≥2とし、d−1変数について主張が成り立つと仮定する。
R(x′,t)=k=0∑rRk(x′)tk,x′∈Rd−1,t∈Rと書き、零多項式でない係数Rk0を一つとる。帰納法の仮定により、A={x′∈Rd−1:Rk0(x′)=0}はRd−1の零集合である。x′∈/Aならばt↦R(x′,t)は非零複素係数多項式であるから、§E1.7 定理 4.3により、その実零集合は有限集合である。
L∈N≥1をとる。ZRは閉集合であり、[−L,L]d上の指示関数1ZRは非負可測である。x′∈[−L,L]d−1∖Aについて、1ZR(x′,t)のt∈[−L,L]に関する積分は0である。x′∈[−L,L]d−1∩Aの場合にも、この内側の積分は高々2Lである。また、Aは零集合である。完備化した Lebesgue 積測度に対する§E10.19 命題 3.4により、ZR∩[−L,L]dの測度は0である。L∈N≥1に関する可算和をとると、ZRも零集合である。▨
主張 2.1.2.r∈N≥0とし、λ0,…,λrを相異なる実数とする。
aj=0≤k≤rk=j∏(λj−λk)−1(0≤j≤r)とおく。このとき、零多項式または次数がr以下の任意の複素係数多項式q(λ)について、∑j=0rajq(λj)はqのλrの係数に等しい。r=0の場合、空積は1とする。
証明. 多項式
ℓj(λ)=0≤k≤rk=j∏λj−λkλ−λkはℓj(λk)=δjkを満たす。g=q−∑j=0rq(λj)ℓjとおくと、g(λk)=0が0≤k≤rについて成り立つ。gが非零ならばdegg≤rであり、§E1.7 定理 4.3により相異なるr+1個の根をもつことはできない。したがってgは零多項式であるから、
q(λ)=j=0∑rq(λj)ℓj(λ)である。両辺のλrの係数を比較すると結論を得る。たとえばr=1、λ0=−1、λ1=1ならばa0=−1/2、a1=1/2であり、A,B∈Cとq(λ)=Aλ+Bに対して
−21q(−1)+21q(1)=Aとなる。▨
Pm=0であるから、主張 2.1.1によりPm(η)=0を満たすη∈Rnが存在する。そのような任意のηと相異なる任意の実数λ0,…,λmをとる。ηは実ベクトルなので
Qm(2η)=2mPm(η)=0である。各j∈{0,…,m}について、ξ↦P(2πiξ+λjη)の最高次斉次部分は(2πi)mPm(ξ)であるから、この多項式は非零である。主張 2.1.1より、その零集合の測度は0である。bjは可測であり、定義からすべてのξ∈Rnで∣bj(ξ)∣≤1、ほとんど至る所で∣bj(ξ)∣=1である。N>nを満たす整数Nに対して
∫Rn(1+∣ξ∣)−N∣bj(ξ)∣dξ<∞であるから、§E15.4 命題 1.4よりbjは緩増加超関数を定める。§E15.4 定理 3.2によりUj=F−1bj∈S′(Rn)が定まる。
可測関数としてほとんど至る所で
P(2πiξ+λjη)bj(ξ)=P(2πiξ+λjη)=Q(−2πiξ+λjη)が成り立つ。§E15.4 例 3.6によりδ0=1である。したがって§E15.4 命題 3.3と Fourier 変換の単射性から
P(∂+λjη)Uj=Q(−∂+λjη)δ0を得る。§E15.4 命題 1.3によりUjをD′(Rn)に制限し、命題 1.1の二つの等式を適用すると
P(∂)(eλjη⋅xUj)=eλjη⋅xQ(−∂+λjη)δ0=Q(−∂+2λjη)δ0となる。
Q(−∂+2λη)δ0はD′(Rn)に係数をもつλの次数m以下の多項式であり、そのλmの係数はQm(2η)δ0である。各試験関数との双対作用によって得る複素係数多項式に主張 2.1.2を適用すると
j=0∑majQ(−∂+2λjη)δ0=Qm(2η)δ0を得る。したがって、EはP(∂)E=δ0を満たす。▨
定理 2.2 (Malgrange–Ehrenpreis の定理).n∈N≥1とし、P∈C[z1,…,zn]∖{0}とする。このとき、定数係数微分作用素P(∂)は基本解をもつ。すなわち、
P(∂)E=δ0を満たすE∈D′(Rn)が存在する。
証明.Pが零でない定数cならば、E=c−1δ0が等式を満たす。degP≥1ならば、命題 2.1によってP(∂)の基本解が存在する。▨
系 2.4.n∈N≥1、P∈C[z1,…,zn]∖{0}とし、f∈E′(Rn)とする。このとき、P(∂)u=fを満たすu∈D′(Rn)が存在する。さらに、f∈Cc∞(Rn)ならば、解uをC∞(Rn)の元としてとることができる。
証明.定理 2.2によりP(∂)の基本解Eをとる。§E15.6 命題 1.2より、u=E∗fは要求された方程式を満たし、f∈Cc∞(Rn)の場合には滑らかである。▨
3 一次元の構成と緩増加性
例 3.1.R上の作用素P(∂)=∂xに対して、命題 2.1の構成でη=1、λ0=−1、λ1=1をとる。このときQ(z)=z、Q1(2)=2、a0=−1/2、a1=1/2である。
H(x)=1(0,∞)(x)とし、λ∈R∖{0}に対して
hλ(x)={e−λxH(x),−e−λxH(−x),λ>0,λ<0とおく。hλ∈L1(R)であり、λ>0のとき
hλ(ξ)=∫0∞e−(λ+2πiξ)xdx=λ+2πiξ1となる。λ<0のときにも
hλ(ξ)=−∫−∞0e−(λ+2πiξ)xdx=λ+2πiξ1である。hλ∈L1(R)なので、§E15.4 命題 3.4により、これらの等式は超関数の Fourier 変換についても成り立つ。
λ=±1について、構成に現れる比とその逆変換は
bλ(ξ)=λ+2πiξλ−2πiξ=−1+λ+2πiξ2λ,Uλ=−δ0+2λhλである。指数関数の原点での値は1なので
E=41(exU1−e−xU−1)=41(−δ0+2H(x)+δ0−2H(−x))=21sgnx=H(x)−21となる。最後の二つの等式は局所可積分関数の定める超関数の等式である。また、§E15.2 例 1.3により∂xH=δ0であるから、Hも∂xの基本解である。
例 3.2.R上でH(x)=1(0,∞)(x)とし、局所可積分関数F(x)=exH(x)を超関数とみなす。このとき、命題 1.1と∂xH=δ0により
(∂x−1)F=ex∂xH=exδ0=δ0であるが、Fは緩増加超関数でない。
実際、非負で零でないψ∈Cc∞((0,1))をとり、R≥1に対してψR(x)=ψ(x−R)とおくと
⟨F,ψR⟩=eR∫01etψ(t)dtである。Fが緩増加であれば、D(R)上でFと一致するT∈S′(R)が存在する。§E15.4 命題 1.2により、あるC≥0とN∈N≥0が存在して、任意のφ∈S(R)に対して
∣⟨T,φ⟩∣≤Ck=0∑Nx∈Rsup(1+∣x∣)N∣φ(k)(x)∣となる。φ=ψRとすると、左辺は∣⟨F,ψR⟩∣に等しく、右辺はC、N、ψだけによる定数Cψを用いてCψ(1+R)N以下である。しかし∫01etψ(t)dt>0なので、左辺の指数増大と両立しない。
一方、G(x)=−exH(−x)はL1(R)に属するので、§E15.4 命題 1.4により緩増加である。F−G=exと(∂x−1)ex=0から、Gも同じ作用素の基本解である。