一、球平均为什么等于卷积
若 f∈Lloc1(Rd),Lebesgue 微分定理给出
r↓0limm(Br(x))1∫Br(x)f(y)dy=f(x)a.e. x∈Rd.
对任意 r>0,定义球平均核
φr(y):=m(Br(0))1χBr(0)(y).
它是球 Br(0) 上的均匀概率密度,因为
∫Rdφr(y)dy=1.
注意到
y∈Br(x)⟺x−y∈Br(0),
故
χBr(x)(y)=χBr(0)(x−y).
又由 Lebesgue 测度的平移不变性,m(Br(x))=m(Br(0)),所以
m(Br(x))1∫Br(x)f(y)dy=m(Br(0))1∫Rdf(y)χBr(0)(x−y)dy=(f∗φr)(x).
于是 Lebesgue 微分定理可以写成
f∗φr(x)⟶f(x)qquada.e..
二、卷积恒等元与恒等算子
对一个核 K,定义卷积算子
TKf:=f∗K.
K 是参与卷积的对象,TK 是作用在函数空间上的映射,这是两个不同层次。
Dirac 质量 δ0 满足
(f∗δ0)(x)=∫Rdf(x−y)dδ0(y)=f(x).
因此 δ0 是卷积运算的恒等元,它诱导出的卷积算子恰好是恒等算子:
Tδ0f=f∗δ0=f,Tδ0=I.
三、恒等元逼近的定义
设 {Kδ}δ>0 是 Rd 上一族可测函数。若
(i)∫RdKδ(x)dx=1,
并且存在与 δ 无关的常数 C>0,使
(ii)∣Kδ(x)∣≤δdC,
(iii)∣Kδ(x)∣≤∣x∣d+1Cδ(x=0),
则称 {Kδ}δ>0 为一个恒等元逼近。
1. 条件 (i):总质量归一化
若 f≡c,则
(f∗Kδ)(x)=c∫RdKδ(y)dy=c.
所以归一化条件保证卷积保住常数函数。若积分等于 a=1,极限应当是 af 而不是 f。
这里要求的是 ∫Kδ=1,不是 ∫∣Kδ∣=1;所以该定义允许核变号。
2. 条件 (ii):原点附近的自然尺度
d 维半径为 δ 的球体积为
m(Bδ(0))=ωdδd.
要把总量约为 1 的质量压缩到尺度为 δ 的区域,典型高度必须约为 δ−d,因为
高度δ−d⋅体积δd≍1.
因此,δ−d 正是 d 维空间中的自然缩放。
3. 条件 (iii):远离原点的质量消失
固定 ε>0。由 d 维极坐标公式,
∫∣x∣>ε∣Kδ(x)∣dx≤Cδ∫∣x∣>ε∣x∣d+1dx=Cdδ∫ε∞rd+1rd−1dr=Cdδ∫ε∞r2dr=εCdδ⟶0.
因此,不论固定多小的原点邻域,邻域外的绝对质量都会趋于零。分母取 ∣x∣d+1 的原因也在这里:极坐标体积元提供 rd−1,相除后得到可积的 r−2。
4. 两个估计分别管理近处与远处
条件 (ii)、(iii) 合起来可以写成
∣Kδ(x)∣≤Cmin{δd1,∣x∣d+1δ}.
两项在 ∣x∣≍δ 时交接。图像上可以把 Kδ 想成一座山:宽度约为 δ,高度约为 δ−d,离开原点后迅速衰减,而总质量始终为 1。
四、具体条件怎样推出通常的近似恒等元性质
把空间分成 ∣x∣≤δ 与 ∣x∣>δ,有
∥Kδ∥L1≤∫∣x∣≤δδdCdx+∫∣x∣>δ∣x∣d+1Cδdx≤Cd+Cd.
所以
δ>0sup∥Kδ∥L1<∞.
再结合上一节的尾部估计,得到对每个 ε>0,
∫∣x∣>ε∣Kδ(x)∣dx⟶0.
因此,教材的三个估计蕴含更常见的抽象条件:总质量为 1、L1 范数一致有界、原点外质量消失。
五、为什么卷积后能够恢复原函数
利用 ∫Kδ=1,有
(f∗Kδ)(x)−f(x)=∫RdKδ(y)f(x−y)dy−f(x)∫RdKδ(y)dy=∫RdKδ(y)[f(x−y)−f(x)],dy.
把积分拆成 ∣y∣<ε 与 ∣y∣≥ε:
- 近处使用函数的连续性、Lebesgue 点性质或 Lp 平移连续性;
- 远处使用核的尾部质量消失。
若 1≤p<∞ 且 f∈Lp(Rd),由 Minkowski 积分不等式,
∥f∗Kδ−f∥p≤∫Rd∣Kδ(y)∣∥f(⋅−y)−f(⋅)∥pdy.
结合 Lp 平移连续性以及近远分割,可得
∥f∗Kδ−f∥p⟶0.
这是对每个固定 f 的强收敛,通常不表示算子范数意义下的
∥TKδ−I∥Lp→Lp⟶0.
六、球平均核正是恒等元逼近的典型例子
球平均核为
φr(x)=m(Br(0))1χBr(0)(x)=ωdrd1χBr(0)(x).
它满足:
- ∫φr=1;
- ∣φr(x)∣≤(ωdrd)−1;
- 当 ∣x∣≥r 时它为零;当 0<∣x∣<r 时,r/∣x∣d+1≥r−d,所以也满足教材的尾部估计。
因此 {φr}r>0 是定义中的恒等元逼近。Lebesgue 微分定理可以写成
Trf:=f∗φr,Trf(x)⟶If(x)a.e.
这正是教材从 Lebesgue 微分定理走向一般恒等元逼近的原因。
七、标准缩放模型
若母核 K 满足
∫RdK(x)dx=1,
定义
Kδ(x):=δd1K(δx).
换元 u=x/δ 得
∫RdKδ(x)dx=∫RdK(u)du=1.
若
∣K(u)∣≤Cmin{1,∣u∣d+11},
则
∣Kδ(x)∣≤δdC,∣Kδ(x)∣≤∣x∣d+1Cδ.
所以教材的定义正是对“压缩一个单位质量母核”这一自然操作的抽象。
八、概念层次对照
| 层次 | 对象 | 恒等对象 | 逼近关系 |
|---|
| 卷积代数 | 核或测度 K | δ0 | Kδ→δ0 |
| 函数空间上的算子 | TK:f↦f∗K | I:f↦f | TKδf→If |
| Lebesgue 微分定理 | 球平均核 φr | δ0 | f∗φr→f a.e. |
九、方法提炼:一题通一类
题型识别特征
- 出现缩小球、缩小区间上的平均;
- 出现 δ−dK(x/δ);
- 要证明 Kδ∗f→f;
- 核的积分为 1,并且质量向原点集中;
- 证明中适合把积分拆成 ∣y∣<ε 与 ∣y∣≥ε。
标准解题流程
- 把局部平均识别为卷积 f∗Kδ;
- 检查 ∫Kδ=1;
- 检查 supδ∥Kδ∥1<∞;
- 检查原点外质量趋于零;
- 写出
f∗Kδ−f=∫Kδ(y)[f(⋅−y)−f(⋅)]dy;
- 近处使用连续性、Lebesgue 点性质或 Lp 平移连续性;
- 远处使用核的尾部质量消失;
- 最后辨认结论是逐点、几乎处处、Lp,还是算子意义的收敛。
常见变体
- 用立方体或其他规则集合的平均代替球平均;
- 使用 Poisson 核、Gauss 热核、Fejér 核或光滑磨光核;
- 将尾部估计改为 Cδα/∣x∣d+α;
- 证明一致收敛、Lp 收敛或几乎处处收敛;
- 使用近似恒等元证明 Cc∞(Rd) 在 Lp 中稠密。
十、变式练习
十一、前置知识与延伸阅读