Carderon-Zymund decomposition

以下是 Calderón–Zygmund 分解在一般齐次型空间中的完整证明框架,结合 Christ-David dyadic 立方体定理的结构化分析:


0. 预备知识与记号

空间结构
(X,ρ,μ)(X, \rho, \mu) 为齐次型空间,其中:

  • ρ\rho 为拟度量,满足弱三角不等式:ρ(x,y)A0(ρ(x,z)+ρ(z,y))\rho(x,y) \leq A_0 (\rho(x,z) + \rho(z,y))
  • μ\mu 为 doubling 测度,即存在 Cd1C_d \geq 1 使得:

    μ(B(x,2r))Cdμ(B(x,r)),xX,r>0.\mu(B(x, 2r)) \leq C_d \mu(B(x, r)), \quad \forall x \in X, r > 0.

Christ-David 立方体系统(定理 2.2):
存在常数 c0,C0,δ(0,1)c_0, C_0, \delta \in (0,1) 和一族集合 {Qαk}\{Q_\alpha^k\}(称为 dyadic 立方体),满足以下性质:

  1. 分层性X=αQαkX = \bigcup_\alpha Q_\alpha^k 对每个 kZk \in \mathbb{Z}
  2. 不交性:对固定 kkQαkQβk=Q_\alpha^k \cap Q_\beta^k = \emptysetαβ\alpha \neq \beta
  3. 嵌套性:若 QαkQβkQ_\alpha^k \cap Q_\beta^{k'}kkk \geq k',则 QαkQβkQ_\alpha^k \subseteq Q_\beta^{k'}
  4. 直径控制:每个 QαkQ_\alpha^k 包含于半径 C0δk\leq C_0 \delta^k 的球。
  5. 测度下界μ(Qαk)c0μ(B(zαk,δk))\mu(Q_\alpha^k) \geq c_0 \mu(B(z_\alpha^k, \delta^k)),其中 zαkz_\alpha^kQαkQ_\alpha^k 的“中心”。

1. Dyadic 极大函数与弱 (1,1) 估计

极大函数定义

Mdf(x):=supxQαk1μ(Qαk)Qαkfdμ.M_d f(x) := \sup_{x \in Q_\alpha^k} \frac{1}{\mu(Q_\alpha^k)} \int_{Q_\alpha^k} |f| d\mu.

弱型 (1,1) 估计(事实 1):

μ({x:Mdf(x)>λ})CλfL1,λ>0.\mu\left( \{x : M_d f(x) > \lambda\} \right) \leq \frac{C}{\lambda} \|f\|_{L^1}, \quad \forall \lambda > 0.

证明要点

  • λ>0\lambda > 0,设 Qλ={Qαk:1μ(Q)Qf>λ}\mathcal{Q}_\lambda = \{ Q_\alpha^k : \frac{1}{\mu(Q)} \int_Q |f| > \lambda \}
  • 选取极大立方体:若 QQλQ \in \mathcal{Q}_\lambda 且不被其他 Qλ\mathcal{Q}_\lambda 中的立方体真包含,则这些极大立方体互不相交(由 Christ 定理的嵌套性)。
  • 测度估计:

    μ(Q)=μ(Q)1λQffL1λ.\mu\left( \bigcup Q \right) = \sum \mu(Q) \leq \sum \frac{1}{\lambda} \int_Q |f| \leq \frac{\|f\|_{L^1}}{\lambda}.


2. 构造“坏”立方体集合

给定 fL1f \in L^1 和阈值 λ>0\lambda > 0,定义:

Q:={Qαk:1μ(Qαk)Qαkf>λ,且其父立方体满足 1μ(Qpar)Qparfλ}.\mathcal{Q} := \left\{ Q_\alpha^k : \frac{1}{\mu(Q_\alpha^k)} \int_{Q_\alpha^k} |f| > \lambda, \text{且其父立方体满足 } \frac{1}{\mu(Q^{\text{par}})} \int_{Q^{\text{par}}} |f| \leq \lambda \right\}.

关键性质

  • 不交性:由 Christ 定理的嵌套性,Q\mathcal{Q} 中立方体互不相交。
  • 覆盖性:若 Mdf(x)>λM_d f(x) > \lambda,则 xx 属于某个 QQQ \in \mathcal{Q}

坏集合Ω=QQQ\Omega = \bigcup_{Q \in \mathcal{Q}} Q,其测度满足:

μ(Ω)fL1λ.\mu(\Omega) \leq \frac{\|f\|_{L^1}}{\lambda}.


3. 分解函数 f=g+bf = g + b

好函数 gg

g(x)={f(x),xΩ,mQ(f):=1μ(Q)Qfdμ,xQQ.g(x) = \begin{cases} f(x), & x \notin \Omega, \\ m_Q(f) := \frac{1}{\mu(Q)} \int_Q f d\mu, & x \in Q \in \mathcal{Q}. \end{cases}

坏函数 bb

b=QQbQ,其中 bQ=(fmQ(f))1Q.b = \sum_{Q \in \mathcal{Q}} b_Q, \quad \text{其中 } b_Q = (f - m_Q(f)) \mathbf{1}_Q.


4. 验证分解性质

(i) ggLL^\infty 控制

  • xΩx \notin \Omega:由 Mdf(x)λM_d f(x) \leq \lambda,直接得 g(x)=f(x)λ|g(x)| = |f(x)| \leq \lambda
  • xQQx \in Q \in \mathcal{Q}
    QparQ^{\text{par}}QQ 的父立方体,则由 Q\mathcal{Q} 的定义:

    1μ(Qpar)Qparfλ.\frac{1}{\mu(Q^{\text{par}})} \int_{Q^{\text{par}}} |f| \leq \lambda.

    利用 doubling 测度性质:

    μ(Qpar)Cdμ(Q).\mu(Q^{\text{par}}) \leq C_d \mu(Q).

    因此:

    mQ(f)μ(Qpar)μ(Q)1μ(Qpar)QparfCdλ.|m_Q(f)| \leq \frac{\mu(Q^{\text{par}})}{\mu(Q)} \cdot \frac{1}{\mu(Q^{\text{par}})} \int_{Q^{\text{par}}} |f| \leq C_d \lambda.

    g(x)Cdλ|g(x)| \leq C_d \lambdaΩ\Omega 上成立。

(ii) bQb_Q 的零均值性

QbQdμ=Q(fmQ(f))dμ=0.\int_Q b_Q d\mu = \int_Q (f - m_Q(f)) d\mu = 0.

(iii) bbL1L^1 控制

bL1QQfmQ(f)dμ2QQfdμ2fL1.\|b\|_{L^1} \leq \sum_{Q} \int_Q |f - m_Q(f)| d\mu \leq 2 \sum_{Q} \int_Q |f| d\mu \leq 2 \|f\|_{L^1}.

(第二步利用了 fmQ(f)2f\int |f - m_Q(f)| \leq 2 \int |f|,由三角不等式和平均值的定义。)

(iv) 支集与测度估计

  • supp(bQ)Q\operatorname{supp}(b_Q) \subseteq Q
  • μ(Q)fL1λ\sum \mu(Q) \leq \frac{\|f\|_{L^1}}{\lambda}

5. 最终定理陈述

定理(Calderón–Zygmund 分解)
(X,ρ,μ)(X, \rho, \mu) 为满足上述条件的齐次型空间,fL1(X,μ)f \in L^1(X, \mu)λ>0\lambda > 0。则存在分解 f=g+bf = g + b 使得:

  1. 好函数控制gLCλ\|g\|_{L^\infty} \leq C \lambda
  2. 坏函数结构b=bQb = \sum b_Q,其中每个 bQb_Q 满足:
    • supp(bQ)Q\operatorname{supp}(b_Q) \subseteq Q,
    • bQdμ=0\int b_Q d\mu = 0,
  3. 测度估计μ(Q)fL1λ\sum \mu(Q) \leq \frac{\|f\|_{L^1}}{\lambda},
  4. L1L^1 控制bL1CfL1\|b\|_{L^1} \leq C \|f\|_{L^1}

常数依赖性CC 仅依赖于 A0A_0(弱三角常数)、CdC_d(doubling 常数)、Christ 定理参数 C0,c0,δC_0, c_0, \delta


6. 技术要点总结

  1. Christ 立方体的作用
    替代欧氏空间中的标准立方体,通过分层性、不交性和嵌套性保持覆盖引理和极大函数理论的有效性。

  2. Doubling 测度的关键应用

    • 确保父立方体与子立方体的测度比例有界。
    • ggLL^\infty 估计中控制平均值。
  3. 极大函数的弱型估计
    通过极大立方体的选择,将集合 Ω\Omega 的测度与 fL1\|f\|_{L^1} 直接关联。


参考文献

  1. Christ, M. (1990). A T(b)T(b) theorem with remarks on analytic capacity…(定理 2.2 的原始构造)
  2. Hytönen, T. et al. (2016). Analysis in Banach Spaces(齐次型空间中的 Calderón–Zygmund 理论)
  3. Grafakos, L. (2008). Classical Fourier Analysis(欧氏情形分解的类比)