1 Fourier–Laplace 変換と支持関数
定義 1.1 (支持関数と Fourier–Laplace 変換).n∈N≥1、K⊆Rnを空でないコンパクト集合とする。Kの 支持関数 (support function) を
HK(η)=x∈Ksupx⋅η(η∈Rn)で定める。T∈E′(Rn)の Fourier–Laplace 変換 (Fourier–Laplace transform) を
FT(z)=⟨Tx,e−2πix⋅z⟩(z∈Cn)で定める。超関数の作用は共役を入れない複素線形双対とし、指数関数への作用には§E15.2 定理 3.4のC∞上への延長を用いる。
命題 1.2.n∈N≥1、K⊆Rnを空でないコンパクト集合、T∈E′(Rn)とする。このときFTはCn上の整関数であり、実軸上のFTはTの Fourier 変換を表す。suppT⊆Kならば、あるC>0とN∈N≥0が存在し、すべてのz∈Cnに対して
∣FT(z)∣≤C(1+∣z∣)Ne2πHK(ℑz)が成り立つ。
証明.z0∈Cnを固定し、指数関数を
e−2πix⋅z=e−2πix⋅z0α∈N≥0n∑α!(−2πix)α(z−z0)αと展開する。この級数は、zの各コンパクト集合上で、xの任意のコンパクト集合上の全微分について一様収束する。実際、各項をxについて微分して得る級数は、xとzの各コンパクト集合上で、階乗を分母にもつ絶対収束級数によって支配される。§E15.2 定理 3.4の連続性によって項別にTを作用させると、FTはz0の近傍で収束べき級数をもつ。実軸上の一致は§E15.4 命題 4.2による。
suppT⊆Kとする。C∞上の作用の連続性から、あるコンパクト集合L⊆Rnとm∈N≥0、A>0が存在して
∣⟨T,f⟩∣≤A∣α∣≤mmaxx∈Lsup∣∂αf(x)∣(f∈C∞(Rn))が成り立つ。§E10.47 補題 1.1により、非負で積分が1、台がB(0,1)に含まれるρ∈Cc∞(Rn)をとる。0<ε≤1に対し、Kr=K+rB(0,1)とおき、
χε=1Kε/2∗ρε/4,ρr(x)=r−nρ(x/r)と定める。χε∈Cc∞(Rn)であり、Kε/4上で1となる。また0≤χε≤1、suppχε⊆K3ε/4である。実際、x∈Kε/4ならばx−suppρε/4⊆Kε/2であり、xとKの距離が3ε/4より大きければ(x−suppρε/4)∩Kε/2=∅である。畳込みを核の側で微分すると、εに依存しない定数Aαに対して
∥∂αχε∥∞≤∥∂αρε/4∥1≤Aαε−∣α∣を得る。χεはKの近傍で1であるから、§E15.2 定理 3.4と Leibniz の公式によって、zとεに依存しない定数Cに対して
∣FT(z)∣=∣⟨T,χεe−2πix⋅z⟩∣≤Cε−m(1+∣z∣)me2πHK(ℑz)+2πε∣ℑz∣を得る。ここではx∈Kεならばx⋅ℑz≤HK(ℑz)+ε∣ℑz∣であることを用いた。ε=(1+∣z∣)−1とおくと、e2πε∣ℑz∣≤e2πである。したがってN=2mとすることができる。▨
例 1.3.n∈N≥1、a∈Rn、α∈N≥0nとする。このとき、すべてのz∈Cnについて
F∂αδa(z)=(−1)∣α∣∂xαe−2πix⋅zx=a=(2πiz)αe−2πia⋅z.指数因子の絶対値はe2πa⋅ℑzであり、微分は次数∣α∣の多項式因子を与える。
2 滑らかな関数の台の特徴づけ
定理 2.1 (Paley–Wiener の定理).n∈N≥1、K⊆Rnを空でないコンパクト凸集合、FをCn上の整関数とする。このとき、次の増大条件が成り立つことは、続く台に関する条件が成り立つための必要十分条件である。
- すべてのM∈N≥0に対してあるCM>0が存在し、すべてのz∈Cnについて
∣F(z)∣≤CM(1+∣z∣)−Me2πHK(ℑz)
が成り立つ。
- あるφ∈Cc∞(Rn)が存在し、suppφ⊆KかつF=Fφとなる。
このときφは一意であり、
φ(x)=∫RnF(ξ)e2πix⋅ξdξで与えられる。
証明.(1)⇒(2)を示す。RK=maxy∈K∣y∣とおく。ξ∈Rnを中心とする半径1の多重円板上では、∣ℑz∣≤n、HK(ℑz)≤RKnであり、1+∣z∣と1+∣ξ∣はξに依存しない定数倍の範囲で比較される。§E5.6 系 4.2を各変数について順に適用すると、任意のα∈N≥0nとM∈N≥0に対して、ξに依存しない定数Cα,M>0が存在し、
∣∂αF(ξ)∣≤Cα,M(1+∣ξ∣)−Mがすべてのξ∈Rnについて成り立つ。したがってF∣Rn∈S(Rn)である。§E15.3 定理 2.1により、定理に表示した逆変換はφ∈S(Rn)を定め、φ=F∣Rnとなる。実軸上の急減少により、任意のα∈N≥0nについて逆変換を積分下で微分することもできる。
x∈/Kをとり、xからの距離を最小にするy∈Kを選ぶ。任意のv∈Kと0<s≤1に対してy+s(v−y)∈Kであるから、
∣x−y∣2≤∣x−y−s(v−y)∣2が成り立つ。両辺から∣x−y∣2を引き、sで割ってs↓0とすると(x−y)⋅(v−y)≤0を得る。η=(x−y)/∣x−y∣とおくと
x⋅η−HK(η)=∣x−y∣>0.ηを第一座標方向とする実直交座標をとり、同じ直交変換を複素変数にも施す。内積、ノルム、実積分の体積要素は保たれるので、この座標でη=e1として計算する。t>0、ξ′∈Rn−1を固定し、R>0に対して整関数
w⟼F(w,ξ′)e2πi(x1w+x′⋅ξ′)を頂点−R,R,R+it,−R+itの長方形の境界上で積分する。長方形の境界はC内で零ホモローグであるから、§E5.5 定理 6.6により積分は零である。0≤s≤tとすると、垂直辺上の被積分関数の絶対値は
CM,t,x,K(1+R2+∣ξ′∣2)−M以下となる。ここでCM,t,x,KはRとξ′に依存しない。各垂直辺上の線積分をξ′について積分した値の絶対値は、M>nのとき
CM,t,x,K(1+R)n−1−M以下となり、R→∞のとき零に収束する。n=1ではξ′の積分を省く。虚部が0およびtの各水平線上の被積分関数は、第一変数の実部とξ′について絶対可積分である。したがって、§E10.19 命題 3.4を用いてξ′について積分し、R→∞とすると、
φ(x)=∫RnF(ξ+itη)e2πix⋅(ξ+itη)dξを得る。M>nを固定すると、∣ξ+itη∣≥∣ξ∣およびHK(tη)=tHK(η)により
∣φ(x)∣≤CM(∫Rn(1+∣ξ∣)−Mdξ)e−2πt(x⋅η−HK(η)).t→∞としてφ(x)=0を得る。したがってsuppφ⊆Kである。
FとFφは整関数であり、実軸上で一致する。残りの座標を実数に固定して第一変数に§E5.8 定理 3.1を適用すると、第一変数が複素数で残りの座標が実数の点で一致する。n≥2の場合は、第一変数を任意の複素数に固定して第二変数に同じ定理を適用する。必要に応じて同じ操作を残りの変数について反復するとF=Fφを得る。
(2)⇒(1)を示す。suppφ⊆Kとすると、supp∂jMφ⊆Kであり、部分積分によって
(2πizj)MFφ(z)=∫Rn∂jMφ(x)e−2πix⋅zdxを得る。右辺の絶対値は∥∂jMφ∥1e2πHK(ℑz)以下である。∣z∣≥1ならば∣zj∣≥∣z∣/nを満たすjを選び、∣z∣<1ならば∣Fφ(z)∣≤∥φ∥1e2πHK(ℑz)を用いると、求める評価を得る。一意性は§E15.3 定理 2.1の単射性による。▨
3 超関数の台の特徴づけ
定理 3.1 (Paley–Wiener–Schwartz の定理).n∈N≥1、K⊆Rnを空でないコンパクト凸集合、FをCn上の整関数とする。このとき、次の増大条件が成り立つことは、続く台に関する条件が成り立つための必要十分条件である。
- あるC>0とN∈N≥0が存在し、すべてのz∈Cnに対して
∣F(z)∣≤C(1+∣z∣)Ne2πHK(ℑz)
が成り立つ。
- suppT⊆KかつF=FTを満たすT∈E′(Rn)がただ一つ存在する。
証明.(1)⇒(2)を示す。実軸上では∣F(ξ)∣≤C(1+∣ξ∣)Nであり、F∣Rnは連続である。(1+∣ξ∣)−N−n−1F(ξ)は可積分であるから、§E15.4 命題 1.4によりF∣Rnは緩増加超関数Uを定める。§E15.4 定理 3.2を用いてT=F−1Uとおく。
§E10.47 補題 1.1により、非負で積分が1、台がB(0,1)に含まれるρ∈Cc∞(Rn)を選ぶ。0<ε≤1に対しρε(x)=ε−nρ(x/ε)とおく。定理 2.1 (2)⇒(1)をρεに適用すると、任意のL∈N≥0に対して
∣Fρε(z)∣≤CL,ε(1+∣z∣)−Le2πε∣ℑz∣を得る。ただしB=B(0,1)とする。K+εBは空でないコンパクト凸集合であり、HK+εB(η)=HK(η)+ε∣η∣である。したがって整関数FFρεは定理 2.1 (1)の評価をK+εBについて満たす。定理 2.1により、
φε=F∣Rnρε,φε∈Cc∞(Rn),suppφε⊆K+εBを満たすφεが存在する。
任意のξ∈Rnについて
ρε(ξ)=∫ρ(y)e−2πiεy⋅ξdy⟶1,∣ρε(ξ)∣≤1である。収束にはρの可積分性と§E10.11 定理 3.1を用いた。任意のψ∈S(Rn)に対してC(1+∣ξ∣)N∣ψ(ξ)∣は可積分である。したがって、任意の数列0<εj≤1、εj→0に対して再び§E10.11 定理 3.1を用いると、Fρεj→FがS′の弱位相で成り立つ。§E15.4 定理 3.2の逆変換の連続性からφεj→Tが同じ位相で成り立つ。
ψ∈Cc∞(Rn∖K)をとる。suppψとKは互いに素なコンパクト集合であるから、十分大きいjに対して⟨φεj,ψ⟩=0となる。極限をとると⟨T,ψ⟩=0を得る。したがってsuppT⊆Kであり、§E15.4 命題 1.3によりT∈E′(Rn)と同一視することができる。命題 1.2によってFTは整関数であり、§E15.4 命題 4.2によって実軸上のFTとFは緩増加超関数として一致する。両者は連続関数なので、各実点でも一致する。各変数について§E5.8 定理 3.1を反復してFT=Fを得る。FT1=FT2ならば実軸上の Fourier 変換が一致するので、§E15.4 定理 3.2の単射性からT1=T2となる。
(2)⇒(1)は命題 1.2による。▨
例 3.2.n∈N≥1、a,b∈Rn、a=bとし、T=δa+δb、K={a,b}とおく。このときsuppT=Kであり、命題 1.2によりHKによる増大評価が成り立つ。実際、すべてのz∈Cnに対して
FT(z)=e−2πia⋅z+e−2πib⋅z,∣FT(z)∣≤2e2πmax{a⋅ℑz,b⋅ℑz}.すべてのη∈RnについてHK(η)=H[a,b](η)=max{a⋅η,b⋅η}である。FTがある空でないコンパクト凸集合Lに対応する指数型評価を満たすならば、定理 3.1と Fourier 変換の単射性により{a,b}⊆Lとなり、凸性から[a,b]⊆Lとなる。したがって指数型評価を与える最小のコンパクト凸集合は[a,b]である。一方、開線分(a,b)の各点はsuppTに属さない。
c=(a+b)/2とすると、c∈/Kであり、S=δcはsuppS={c}⊆Kを満たす。一方、任意のz∈Cnに対して
∣FS(z)∣=e2πc⋅ℑz≤e2πHK(ℑz)である。Fourier 変換の単射性により、FSと同じ Fourier–Laplace 変換をもつE′(Rn)の元はSに限られる。よってKに台をもつ超関数は同じ変換をもたない。この例は、定理 3.1の増大評価から台を判定する向きにおいて、Kの凸性を除くことができないことを示す。
例 3.3.n=1とし、F(z)=e−πz2とおく。このときFは整関数であり、実軸上では急減少する。しかし、空でないコンパクト集合K⊆Rに対しR=maxx∈K∣x∣とおくと、
F(iy)=eπy2,HK(y)≤R∣y∣.任意のC>0とN∈N≥0に対して∣y∣→∞のときeπy2/(C(1+∣y∣)Ne2πR∣y∣)→∞であるから、有限の指数型評価は成り立たない。§E15.3 命題 4.1と§E15.3 定理 2.1によりF∣Rの逆変換はe−πx2であり、その台はR全体である。