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Problema con la partición de la unidad en el teorema de Borel

El teorema de Borel dice que para la secuencia arbitraria $(f_n)_{n=0}^\infty$ de las funciones lisas $f_n : \mathbb R\rightarrow \mathbb R$ con compacto admite que existe una función suave $F: \mathbb R^2 \rightarrow \mathbb R$ tal que $\frac{\partial^n F}{\partial x^n}(0,y)=f_n(y)$ $n=0,1,2,\ldots$, $y \in \mathbb R$.

En Wikipedia (ver aquí) se indica que la suposición de que todos los $f_n$ tiene soporte compacto no es importante y se puede ser obtenida por el caso cuando todos los $f_n$ han compacto de apoyo mediante el uso de la partición de la unidad.

Tengo un problema con la comprensión de la misma. Cómo hacerlo?

Gracias

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confused Puntos 71

Deje $(f_n)_{n=0}^\infty$ ser una secuencia arbitraria de las funciones lisas $f_n:\mathbb R\to\mathbb R$ (no necesariamente con soporte compacto.) Deje $\mathcal U$ ser una cubierta abierta de a $\mathbb R$, definido por $$\mathcal U=\{(k-1,k+1)|\; k\in\mathbb Z\}$$ para mantener las cosas agradables y dejar $$\{\phi_U:\mathbb R\to[0,1]|\;U\in\mathcal U\}$$ be a partition of unity subordinate to $\mathcal U$. Each of these functions $\phi_U$ has compact support in $U$ and $$\sum_{U\in\mathcal U}\phi_U(x) = 1$$ for each $x\in\mathbb R$. Then Borel's theorem holds for each sequence of functions $(f_n \phi_U)_{n=0}^\infty$, since these have compact support. So, for each $U\in\mathcal U$, there is a function $F_U:\mathbb R^2\to\mathbb R$ such that $$\frac{\partial^n F_U}{\partial x^n}(0,y)=f_n(y)\phi_U(y)$$ Now we want to sum these functions somehow. But first we have to ensure the sum is well defined. To do this, we modify the functions $F_U$ a bit. We define $$G_U(x,y)=F_U(x,y)\psi_U(y)$$ where $\psi_U:\mathbb R\to \mathbb R$ is an arbitrary smooth function such that $\psi_U(x)=1$ for $x\U$ and $\psi_U$ has support in $\tilde U$, where for $U=(k-1,k+1)$, we write $\tilde U=(k-2,k+2)$. Now, we may define $$F(x,y):=\sum_{U\in\mathcal U}G_U(x,y)$$ This sum is locally finite because of our construction of the functions $G_U$: each of these is supported in $\mathbb R\times\tilde U$. Furthermore, because $G_U=F_U$ on $\mathbb R\times U$, we have: $$\frac{\partial^n G_U}{\partial x^n}(0,y)=\frac{\partial^n F_U}{\partial x^n}(0,y)$$ Because of the linearity of partial derivatives and because all of the sums are locally finite, the following calculation now makes sense: $$\frac{\partial^n F}{\partial x^n}(0,y)=\sum_{U\in\mathcal U}\frac{\partial^n G_U}{\partial x^n}(0,y)=\sum_{U\in\mathcal U}f_n(y)\phi_U(y) = f_n(y)$$ Esto completa la prueba.

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Alice Puntos 1

Creo que en el caso$f_n: V \rightarrow \mathbb R$, para$n=0,1....$, la prueba va de la misma manera que en la respuesta anterior. En cambio,$ \{(k-1,k+1)\}_{k\in \mathbb Z}$ podría tomar la familia de todas las intersecciones$V\cap Q_k$, donde$Q_k$ denota el cubo, con lados paralelos a los ejes de coordenadas y de longitud 2, con el centro en$k=(k_1,...,k_n)\in \mathbb Z^n$. En lugar de$\{ (k-2,k+2)\}_{k \in \mathbb Z}$ toma
$V\cap \tilde{Q_k}$, donde$\tilde{Q_k}$ denota el cubo, con lados paralelos a los ejes de coordenadas y de longitud 4, con el centro en$k=(k_1,...,k_n)\in \mathbb Z^n$.

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