Marcinkiewiczの補間定理

同義語:マルチンキェヴィチの補間定理Marcinkiewicz interpolation theorem

概要

Marcinkiewiczの補間定理(Marcinkiewicz interpolation theorem)とは、準線形作用素が二つの端点指数 $p_0< p_1$ で弱型評価をもつとき、その間の指数 $p$ で強型評価 $\|Tf\|_p\le C A_0^{1-\theta}A_1^{\theta}\|f\|_p$ を与える実補間定理である。測度空間に有限性を要求せず、関数を大きい値と小さい値に切断して分布関数の積分公式と組み合わせることで証明される。Hardy–Littlewood極大作用素の弱 $(1,1)$ 型と強 $(\infty,\infty)$ 型から強 $(p,p)$ 型を導くのが代表例である。端点では強型へ改善できず、準線形性を外すと両端の弱型評価があっても中間の強型評価が成り立たない例がある。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 測度, Lp空間, Hölderの不等式, Tonelliの定理

二つの弱型評価から中間の強型評価へ

作用素が $L^1$ から $L^1$ へ有界でなくても、値が大きくなる集合の測度だけは制御できることがある。Marcinkiewiczの補間定理は、このような弱型評価が二つの指数で得られれば、その間の指数では通常の $L^p$ ノルム評価が得られることを示す。複素補間と違って線形性を必要とせず、準線形作用素にも適用できる。

分布関数、弱型、強型

$(X,\mu)$ と $(Y,\nu)$ を測度空間とする。関数はほとんど至るところ等しいものを同一視する。

分布関数と弱Lp準ノルム

$Y$ 上の可測関数 $g$ に対し
$$ d_g(t):=\nu(\{y\in Y\mid |g(y)|>t\})\qquad(t>0) $$
を分布関数という。$0< q<\infty$ に対して
$$ \|g\|_{L^{q,\infty}(Y)} :=\sup_{t>0}t\,d_g(t)^{1/q} $$
と定める。これが有限な関数全体を弱 $L^q$ 空間 $L^{q,\infty}(Y)$ という。$q=\infty$ では $L^{\infty,\infty}(Y)=L^\infty(Y)$ とする。

$q<1$ にも同じ式は定義できるが、本記事ではBanach空間としての $L^p$ を用いる標準的な範囲 $q\geq1$ に限定する。

準線形作用素

$\mathcal D$ を可測関数の線形空間とする。$T\colon\mathcal D\to L^0(Y)$ が定数 $K\geq1$ に関して準線形であるとは、任意の $f,g\in\mathcal D$ と $c\in\mathbb C$ に対し
$$ |T(f+g)|\leq K(|Tf|+|Tg|), \qquad |T(cf)|=|c|\,|Tf| $$
が $\nu$-ほとんど至るところ成り立つことをいう。$K=1$ の場合を劣線形という。

弱型と強型

$1\leq q<\infty$ とする。$T$ が弱 $(q,q)$ 型で定数 $A_q$ をもつとは、任意の $f\in\mathcal D\cap L^q(X)$ と $t>0$ に対して
$$ d_{Tf}(t)\leq\left(\frac{A_q\|f\|_{L^q(X)}}{t}\right)^q $$
が成り立つことをいう。$q=\infty$ では $\|Tf\|_\infty\leq A_\infty\|f\|_\infty$ を弱 $(\infty,\infty)$ 型と呼ぶ。
一方、$T$ が強 $(q,q)$ 型で定数 $B_q$ をもつとは
$$ \|Tf\|_{L^q(Y)}\leq B_q\|f\|_{L^q(X)} $$
が成り立つことをいう。

強型は弱型を含意する

$1\leq q<\infty$ について、$T$ が強 $(q,q)$ 型で定数 $B_q$ をもてば、同じ定数で弱 $(q,q)$ 型である。

Chebyshevの不等式により
$$ t^q d_{Tf}(t) \leq\int_{\{|Tf|>t\}}|Tf|^q\,d\nu \leq\|Tf\|_q^q \leq B_q^q\|f\|_q^q. $$
両辺の $q$ 乗根を取り、$t>0$ について上限を取ればよい。

反例:弱LpはLpより真に広い

$1\leq q<\infty$ とし、$(0,1)$ 上で $g(x)=x^{-1/q}$ とおく。$t\geq1$ では
$$ |\{x\in(0,1)\mid g(x)>t\}|=t^{-q}, $$
$0< t<1$ ではこの測度は $1$ なので、$\|g\|_{L^{q,\infty}}=1$ である。一方、
$$ \int_0^1|g(x)|^q\,dx=\int_0^1\frac{dx}{x}=\infty. $$
したがって $g\in L^{q,\infty}(0,1)\setminus L^q(0,1)$ である。弱型評価だけから同じ端点で強型評価が従うわけではない。

弱Lp準ノルムの準三角不等式

$1\leq q<\infty$ とし、$g,h$ を $Y$ 上の可測関数とする。このとき各 $t>0$ で
$$ d_{g+h}(t)\leq d_g\!\left(\frac t2\right)+d_h\!\left(\frac t2\right) $$
が成り立ち、
$$ \|g+h\|_{L^{q,\infty}}\leq2\left(\|g\|_{L^{q,\infty}}+\|h\|_{L^{q,\infty}}\right) $$
である。特に $L^{q,\infty}(Y)$ は線形空間であり、$\|\cdot\|_{L^{q,\infty}}$ は定数 $2$ の準ノルムである。

$|g(y)+h(y)|>t$ なら $|g(y)|>t/2$ または $|h(y)|>t/2$ である(どちらも成り立たなければ $|g+h|\leq|g|+|h|\leq t$)。よって
$$ \{|g+h|>t\}\subset\{|g|>t/2\}\cup\{|h|>t/2\} $$
であり、測度の劣加法性から第一の不等式を得る。定義から $d_g(s)\leq\|g\|_{L^{q,\infty}}^q s^{-q}$ だから、$s=t/2$ として
$$ t^q d_{g+h}(t)\leq 2^q\left(\|g\|_{L^{q,\infty}}^q+\|h\|_{L^{q,\infty}}^q\right) \leq2^q\left(\|g\|_{L^{q,\infty}}+\|h\|_{L^{q,\infty}}\right)^q $$
である。最後の不等式は $a,b\geq0$、$q\geq1$ で $a^q+b^q\leq(a+b)^q$ となることによる。$q$ 乗根をとり $t>0$ について上限をとれば第二の不等式を得る。スカラー倍については $d_{cg}(t)=d_g(t/|c|)$($c\neq0$)から $\|cg\|_{L^{q,\infty}}=|c|\|g\|_{L^{q,\infty}}$ である。$\square$

分布関数についての第一の不等式は Sal20 Lemma 7.36 の式 (7.36)(p. 239)と同じである。$q=1$ では定数 $2$ をこれより小さくできない。$Y=(0,1)$ 上で $g(x)=1/x$、$h(x)=1/(1-x)$ とすると、$t\geq1$ で $d_g(t)=d_h(t)=1/t$、$t< 1$ で $d_g(t)=d_h(t)=1$ だから $\|g\|_{L^{1,\infty}}=\|h\|_{L^{1,\infty}}=1$ である。一方 $g+h=\dfrac{1}{x(1-x)}\geq4$ であり、$t\geq4$ では $\{g+h>t\}=\{x(1-x)< 1/t\}$ の測度は $1-\sqrt{1-4/t}$ である。$u=4/t$ とおくと
$$ t\,d_{g+h}(t)=\frac4u\left(1-\sqrt{1-u}\right)=\frac{4}{1+\sqrt{1-u}}, $$
これは $u=1$($t=4$)で最大値 $4$ をとる。$t< 4$ では $t\,d_{g+h}(t)\leq t< 4$ なので $\|g+h\|_{L^{1,\infty}}=4=2(\|g\|_{L^{1,\infty}}+\|h\|_{L^{1,\infty}})$ となる。弱 $L^1$ 準ノルムは三角不等式を満たさず、補間の証明で準線形定数 $K$ と並んで因子 $2$ が現れるのはこのためである。

証明に使う二つの積分公式

分布関数によるLpノルム

$0< p<\infty$ とし、$g$ を $Y$ 上の可測関数とする。このとき両辺が $[0,\infty]$ に値をもつ等式として
$$ \|g\|_{L^p(Y)}^p =p\int_0^\infty t^{p-1}d_g(t)\,dt $$
が成り立つ。

各 $y\in Y$ について
$$ |g(y)|^p=\int_0^{|g(y)|}pt^{p-1}\,dt =\int_0^\infty pt^{p-1}1_{\{|g(y)|>t\}}\,dt. $$
ある $t_0>0$ で $d_g(t_0)=\infty$ なら、左辺は $t_0^pd_g(t_0)=\infty$ 以上であり、右辺も $d_g$ が非増加なので $(0,t_0)$ で被積分関数が $\infty$ となり、両辺とも $\infty$ である。そこで $d_g(t)<\infty$($t>0$)とする。このとき $\{g\neq0\}=\bigcup_n\{|g|>1/n\}$ は有限測度の集合の可算和なので、$\nu$ をこの集合に制限すれば σ-有限であり、被積分関数は非負なので、Tonelliの定理により積分順序を交換できる。したがって
$$ \int_Y|g|^p\,d\nu =p\int_0^\infty t^{p-1} \left(\int_Y1_{\{|g(y)|>t\}}\,d\nu(y)\right)dt =p\int_0^\infty t^{p-1}d_g(t)\,dt. $$

切断した関数の積分公式

$1\leq p_0< p< p_1<\infty$、$f\in L^p(X)$、$c>0$ とする。$t>0$ ごとに
$$ f_{0,t}:=f1_{\{|f|>ct\}}, \qquad f_{1,t}:=f1_{\{|f|\leq ct\}} $$
とおく。このとき
$$ \int_0^\infty t^{p-p_0-1}\|f_{0,t}\|_{p_0}^{p_0}\,dt =\frac{c^{-(p-p_0)}}{p-p_0}\|f\|_p^p, $$
$$ \int_0^\infty t^{p-p_1-1}\|f_{1,t}\|_{p_1}^{p_1}\,dt =\frac{c^{p_1-p}}{p_1-p}\|f\|_p^p. $$

$f\in L^p(X)$ だから $\{f\neq0\}=\bigcup_n\{|f|>1/n\}$ は σ-有限であり、$\mu$ をこの集合に制限して Tonelliの定理を使うと、第一式の左辺は
$$ \begin{aligned} \int_X|f(x)|^{p_0} \left(\int_0^{|f(x)|/c}t^{p-p_0-1}\,dt\right)d\mu(x) &=\frac{c^{-(p-p_0)}}{p-p_0} \int_X|f(x)|^p\,d\mu(x). \end{aligned} $$
同様に第二式の左辺は
$$ \begin{aligned} \int_X|f(x)|^{p_1} \left(\int_{|f(x)|/c}^{\infty}t^{p-p_1-1}\,dt\right)d\mu(x) &=\frac{c^{p_1-p}}{p_1-p} \int_X|f(x)|^p\,d\mu(x). \end{aligned} $$
$p_0< p< p_1$ なので、現れた二つの広義積分は収束する。

Marcinkiewiczの補間定理

Marcinkiewiczの補間定理

$1\leq p_0< p_1\leq\infty$ とし、$T$ を
$$ \mathcal D=L^{p_0}(X)+L^{p_1}(X) $$
上の $K$-準線形作用素とする。$T$ が弱 $(p_0,p_0)$ 型で定数 $A_0>0$、弱 $(p_1,p_1)$ 型で定数 $A_1>0$ をもつと仮定する。
$p_0< p< p_1$ を取り、
$$ \frac1p=\frac{1-\theta}{p_0}+\frac{\theta}{p_1}, \qquad 0<\theta<1 $$
とする。ここで $p_1=\infty$ のときは $1/p_1=0$ とする。このとき $T$ は強 $(p,p)$ 型であり、
$$ \|Tf\|_{L^p(Y)} \leq C_{p_0,p,p_1,K} A_0^{1-\theta}A_1^\theta\|f\|_{L^p(X)} $$
が成り立つ。$p_1<\infty$ なら
$$ C_{p_0,p,p_1,K} =2K\left[p\left(\frac1{p-p_0}+\frac1{p_1-p}\right)\right]^{1/p}, $$
$p_1=\infty$ なら
$$ C_{p_0,p,\infty,K} =2K\left(\frac{p}{p-p_0}\right)^{1/p} $$
と取れる。

まず $p_1<\infty$ とする。$f\in L^p(X)$ と $t>0$ に対し、正数 $c$ は後で選ぶことにして
$$ f=f_{0,t}+f_{1,t}, \qquad f_{0,t}=f1_{\{|f|>ct\}}, \qquad f_{1,t}=f1_{\{|f|\leq ct\}} $$
と分解する。$p_0< p< p_1$ より $f_{0,t}\in L^{p_0}(X)$、$f_{1,t}\in L^{p_1}(X)$ である。準線形性から
$$ \{|Tf|>t\} \subset \left\{|Tf_{0,t}|>\frac{t}{2K}\right\} \cup \left\{|Tf_{1,t}|>\frac{t}{2K}\right\}. $$
二つの弱型評価を適用すると
$$ d_{Tf}(t) \leq \left(\frac{2KA_0}{t}\right)^{p_0}\|f_{0,t}\|_{p_0}^{p_0} + \left(\frac{2KA_1}{t}\right)^{p_1}\|f_{1,t}\|_{p_1}^{p_1}. $$
分布関数によるノルム公式と切断公式により
$$ \begin{aligned} \|Tf\|_p^p &\leq p\left[ \frac{(2KA_0)^{p_0}c^{-(p-p_0)}}{p-p_0} + \frac{(2KA_1)^{p_1}c^{p_1-p}}{p_1-p} \right]\|f\|_p^p. \end{aligned} $$
ここで
$$ c:=\frac1{2K} \left(\frac{A_0^{p_0}}{A_1^{p_1}}\right)^{1/(p_1-p_0)} $$
と選ぶ。補間関係から
$$ p(1-\theta)=\frac{p_0(p_1-p)}{p_1-p_0}, \qquad p\theta=\frac{p_1(p-p_0)}{p_1-p_0} $$
であるため、前の評価は
$$ \|Tf\|_p^p \leq p(2K)^p \left(\frac1{p-p_0}+\frac1{p_1-p}\right) A_0^{p(1-\theta)}A_1^{p\theta}\|f\|_p^p $$
となる。$p$ 乗根を取れば有限な上端指数の場合の結論を得る。
次に $p_1=\infty$ とする。このとき $1-\theta=p_0/p$ である。$t>0$ に対して
$$ s:=\frac{t}{2KA_1}, \qquad f_{0,t}:=f1_{\{|f|>s\}}, \qquad f_{1,t}:=f1_{\{|f|\leq s\}} $$
とおく。$\|Tf_{1,t}\|_\infty\leq A_1\|f_{1,t}\|_\infty\leq t/(2K)$ なので、準線形性から
$$ d_{Tf}(t) \leq d_{Tf_{0,t}}\left(\frac{t}{2K}\right) \leq \left(\frac{2KA_0}{t}\right)^{p_0} \int_{\{|f|>t/(2KA_1)\}}|f|^{p_0}\,d\mu. $$
分布関数によるノルム公式を使い、非負積分の順序を交換すると
$$ \begin{aligned} \|Tf\|_p^p &\leq p(2KA_0)^{p_0} \int_X|f(x)|^{p_0} \left(\int_0^{2KA_1|f(x)|}t^{p-p_0-1}\,dt\right)d\mu(x)\\ &=\frac{p(2K)^p}{p-p_0} A_0^{p_0}A_1^{p-p_0}\|f\|_p^p. \end{aligned} $$
$p_0=p(1-\theta)$ と $p-p_0=p\theta$ を用いて $p$ 乗根を取れば、$p_1=\infty$ の結論を得る。

定理の版と出典

上の証明は、同じ指数を始域と終域に用いる対角版である。劣線形作用素についての同じ対角版は Bass24 Theorem 24.1(p. 346)、線形作用素で下端が $p_0=1$、上端が強型の場合は Sal20 Theorem 7.37(p. 241)にある。分布関数によるノルム公式は Sal20 Lemma 7.36(p. 239)にもある。始域側の二指数と終域側の二指数が異なる非対角版もあるが、指数の順序と凸性条件が増えるため、本記事の定理文へ無条件には混ぜない。

端点と応用

定理の結論は開区間 $p_0< p< p_1$ に限られる。端点 $p=p_0$ または $p=p_1$ では仮定どおりの弱型しか得られず、一般には強型へ改善できない。

反例:極大作用素は端点で強型にならない

$\mathbb R$ 上の中心付きHardy–Littlewood極大作用素
$$ Mf(x):=\sup_{r>0}\frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}|f(y)|\,dy $$
を考える。$f=1_{(0,1)}$ とすると、$x>1$ に対して $r=x$ を選べば
$$ Mf(x)\geq\frac1{2x}. $$
したがって $\int_1^\infty Mf(x)\,dx=\infty$ であり、$M$ は強 $(1,1)$ 型ではない。一方、$M$ は弱 $(1,1)$ 型であり強 $(\infty,\infty)$ 型である。この反例は、補間定理の結論を端点 $p=1$ まで延長できないことを示す。弱 $(1,1)$ 型評価(定数 $5^n$)の証明は Bass24 Theorem 14.2(p. 124)にある(この記事では証明しない)。

Hardy–Littlewood極大作用素への適用

$M$ は劣線形で、ある次元だけに依存する定数 $A_n$ により弱 $(1,1)$ 型、定数 $1$ で強 $(\infty,\infty)$ 型である。したがってMarcinkiewiczの補間定理から、任意の $1< p<\infty$ に対して
$$ \|Mf\|_{L^p(\mathbb R^n)} \leq C_{n,p}\|f\|_{L^p(\mathbb R^n)} $$
が得られる。定理の定数表示から、$C_{n,p}$ が端点 $p\downarrow1$ で発散し得ることも読み取れる。

反例:準線形性を外すと補間できない

$X=Y=(0,\infty)$ に Lebesgue 測度を入れる。$f\in L^1+L^\infty$ に対し、$0<\|f\|_1<\infty$ かつ $0<\|f\|_\infty<\infty$ のとき
$$ Tf:=\|f\|_\infty\,\mathbf 1_{(0,\,\|f\|_1/\|f\|_\infty)}, $$
それ以外のとき $Tf:=0$ と定める。$T(cf)=|c|\,Tf$ は定義から成り立つ。
$T$ は定数 $1$ で弱 $(1,1)$ 型かつ弱 $(\infty,\infty)$ 型である。実際 $\|Tf\|_\infty\leq\|f\|_\infty$ であり、$f\in L^1\cap L^\infty$ なら $t<\|f\|_\infty$ で $d_{Tf}(t)=\|f\|_1/\|f\|_\infty$、$t\geq\|f\|_\infty$ で $d_{Tf}(t)=0$ だから $t\,d_{Tf}(t)\leq\|f\|_1$ である(ほかの $f$ では $Tf=0$)。
しかし $1< p<\infty$ のどの $p$ でも強 $(p,p)$ 型ではない。$0<\delta<1$ に対し
$$ f_\delta:=\mathbf 1_{(0,1)}+\delta\,\mathbf 1_{(1,\,1+\delta^{-p})} $$
とおくと $\|f_\delta\|_\infty=1$、$\|f_\delta\|_1=1+\delta^{1-p}$、$\|f_\delta\|_p^p=1+\delta^p\delta^{-p}=2$ である。一方
$$ \|Tf_\delta\|_p^p=\|f_\delta\|_\infty^p\cdot\frac{\|f_\delta\|_1}{\|f_\delta\|_\infty}=1+\delta^{1-p}\to\infty\qquad(\delta\downarrow0) $$
だから、$\|Tf\|_p\leq C\|f\|_p$ となる定数 $C$ はない。$T$ が破っているのは準線形性の第一条件 $|T(f+g)|\leq K(|Tf|+|Tg|)$ である。たとえば $f=\mathbf 1_{(0,1)}$、$g=\delta\mathbf 1_{(1,1+\delta^{-p})}$ では $Tf=\mathbf 1_{(0,1)}$、$Tg=\delta\mathbf 1_{(0,\delta^{-p})}$ だが、$T(f+g)=\mathbf 1_{(0,1+\delta^{1-p})}$ である。区間 $(1,\min\{1+\delta^{1-p},\delta^{-p}\})$ の上では $Tf=0$、$Tg=\delta$、$T(f+g)=1$ だから、$1\leq K\delta$ でなければならず、$\delta\downarrow0$ とすればどの定数 $K$ でも成り立たない。

次の表は、定理とその周辺の主張について、条件を外すと何が成り立たなくなるかをまとめたものである。

外す条件反例成り立たなくなること
開区間 $p_0< p< p_1$(端点)極大作用素 $M$ と $f=\mathbf 1_{(0,1)}$強 $(1,1)$ 型
弱型から強型への改善(同じ指数)$g=x^{-1/q}$ on $(0,1)$$L^{q,\infty}\subset L^q$
準線形性ex-marcinkiewicz-not-quasilinear の $T$強 $(p,p)$ 型($1< p<\infty$)
弱 $L^q$ の三角不等式(定数 $1$)$1/x$ と $1/(1-x)$ on $(0,1)$弱 $L^1$ 準ノルムの三角不等式

1 行目は ex-marcinkiewicz-maximal-endpoint、2 行目は ex-marcinkiewicz-weak-not-strong、4 行目は prop-marcinkiewicz-weak-quasi-triangle の後の計算による。3 行目の反例は、定理の仮定のうち線形性に近い条件が実際に必要であることを示す。二つの弱型評価は大きい値の集合と小さい値の部分を別々に制御するだけで、それを一つの関数の評価へ合わせる段で準線形性が使われる。

畳み込み作用素への適用

$g\in L^1(\mathbb R^n)$ を固定し、$Tf:=\int f(x-y)g(y)\,dy$ とおく。$T$ は線形で、$\|Tf\|_1\leq\|g\|_1\|f\|_1$、$\|Tf\|_\infty\leq\|g\|_1\|f\|_\infty$ だから強 $(1,1)$ 型かつ強 $(\infty,\infty)$ 型であり、prop-marcinkiewicz-strong-implies-weak により弱 $(1,1)$ 型でもある。定理($K=1$、$A_0=A_1=\|g\|_1$)から $1< p<\infty$ で
$$ \|Tf\|_p\leq2\left(\frac{p}{p-1}\right)^{1/p}\|g\|_1\|f\|_p $$
を得る(Bass24 Theorem 24.2、p. 348 も同じ論法)。ただし定数 $2(p/(p-1))^{1/p}$ は最良ではない。Hölder の不等式を直接使えば定数 $1$ で成り立つ(畳み込み の記事の命題「$L^p$関数と$L^1$関数の畳み込み」。その記事の畳み込みは $(2\pi)^{-n/2}$ を付けて正規化している)。補間定理は構造の分からない作用素にも使える代わりに、定数の最良性は保証しない。

仮定を読むときの注意

  • 測度空間に有限測度、$\sigma$-有限性、位相構造は仮定していない。証明は非負関数に対するTonelliの定理だけを、関数が $0$ でない σ-有限な集合の上で使う(lem-marcinkiewicz-layer-cake の証明を参照)。
  • 線形性は不要だが、準線形定数 $K$ は最終定数へ線形に入る。
  • 弱型の定数 $A_0,A_1$ は、補間係数に従って $A_0^{1-\theta}A_1^\theta$ の形で現れる。
  • $p_1=\infty$ では「弱 $L^\infty$」を通常の $L^\infty$ と定義している。
  • 定理の定義域を $L^{p_0}+L^{p_1}$ としたことで、中間の $f\in L^p$ を大きい値と小さい値に切断した両部分へ $T$ を適用できる。
  • 非対角版、Lorentz空間版、ベクトル値版には別の指数条件がある。本記事の定数や証明をそのまま転用してはならない。

関連項目

参考文献

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