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:
设 (X,ρ,μ) 为齐次型空间,其中:
- ρ 为拟度量,满足弱三角不等式:ρ(x,y)≤A0(ρ(x,z)+ρ(z,y))。
- μ 为 doubling 测度,即存在 Cd≥1 使得:
μ(B(x,2r))≤Cdμ(B(x,r)),∀x∈X,r>0.
Christ-David 立方体系统(定理 2.2):
存在常数 c0,C0,δ∈(0,1) 和一族集合 {Qαk}(称为 dyadic 立方体),满足以下性质:
- 分层性:X=⋃αQαk 对每个 k∈Z。
- 不交性:对固定 k,Qαk∩Qβk=∅ 当 α=β。
- 嵌套性:若 Qαk∩Qβk′ 且 k≥k′,则 Qαk⊆Qβk′。
- 直径控制:每个 Qαk 包含于半径 ≤C0δk 的球。
- 测度下界:μ(Qαk)≥c0μ(B(zαk,δk)),其中 zαk 为 Qαk 的“中心”。
1. Dyadic 极大函数与弱 (1,1) 估计
极大函数定义:
Mdf(x):=x∈Qαksupμ(Qαk)1∫Qαk∣f∣dμ.
弱型 (1,1) 估计(事实 1):
μ({x:Mdf(x)>λ})≤λC∥f∥L1,∀λ>0.
证明要点:
2. 构造“坏”立方体集合
给定 f∈L1 和阈值 λ>0,定义:
Q:={Qαk:μ(Qαk)1∫Qαk∣f∣>λ,且其父立方体满足 μ(Qpar)1∫Qpar∣f∣≤λ}.
关键性质:
- 不交性:由 Christ 定理的嵌套性,Q 中立方体互不相交。
- 覆盖性:若 Mdf(x)>λ,则 x 属于某个 Q∈Q。
坏集合:Ω=⋃Q∈QQ,其测度满足:
μ(Ω)≤λ∥f∥L1.
3. 分解函数 f=g+b
好函数 g:
g(x)={f(x),mQ(f):=μ(Q)1∫Qfdμ,x∈/Ω,x∈Q∈Q.
坏函数 b:
b=Q∈Q∑bQ,其中 bQ=(f−mQ(f))1Q.
4. 验证分解性质
(i) g 的 L∞ 控制
- 当 x∈/Ω:由 Mdf(x)≤λ,直接得 ∣g(x)∣=∣f(x)∣≤λ。
- 当 x∈Q∈Q:
设 Qpar 为 Q 的父立方体,则由 Q 的定义:μ(Qpar)1∫Qpar∣f∣≤λ.
利用 doubling 测度性质:μ(Qpar)≤Cdμ(Q).
因此:∣mQ(f)∣≤μ(Q)μ(Qpar)⋅μ(Qpar)1∫Qpar∣f∣≤Cdλ.
故 ∣g(x)∣≤Cdλ 在 Ω 上成立。
(ii) bQ 的零均值性
∫QbQdμ=∫Q(f−mQ(f))dμ=0.
(iii) b 的 L1 控制
∥b∥L1≤Q∑∫Q∣f−mQ(f)∣dμ≤2Q∑∫Q∣f∣dμ≤2∥f∥L1.
(第二步利用了 ∫∣f−mQ(f)∣≤2∫∣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。
- ∑μ(Q)≤λ∥f∥L1。
5. 最终定理陈述
定理(Calderón–Zygmund 分解)
设 (X,ρ,μ) 为满足上述条件的齐次型空间,f∈L1(X,μ),λ>0。则存在分解 f=g+b 使得:
- 好函数控制:∥g∥L∞≤Cλ。
- 坏函数结构:b=∑bQ,其中每个 bQ 满足:
- supp(bQ)⊆Q,
- ∫bQdμ=0,
- 测度估计:∑μ(Q)≤λ∥f∥L1,
- L1 控制:∥b∥L1≤C∥f∥L1。
常数依赖性:C 仅依赖于 A0(弱三角常数)、Cd(doubling 常数)、Christ 定理参数 C0,c0,δ。
6. 技术要点总结
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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。
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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。
- 在 g 的 L∞ 估计中控制平均值。
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极大函数的弱型估计:
通过极大立方体的选择,将集合 Ω 的测度与 ∥f∥L1 直接关联。
参考文献:
- Christ, M. (1990). A T(b) theorem with remarks on analytic capacity…(定理 2.2 的原始构造)
- Hytönen, T. et al. (2016). Analysis in Banach Spaces(齐次型空间中的 Calderón–Zygmund 理论)
- Grafakos, L. (2008). Classical Fourier Analysis(欧氏情形分解的类比)