R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
M ARCO M ANGOLINI L UIGI P AGANONI
Teoremi di regolarità per una classe di equazioni funzionali
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 57 (1977), p. 93-105
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regolarità
di equazioni funzionali
di MARCO MANGOLINI e LUIGI PAGANONI
(*)
SuMMARY - In this paper we consider the functional
equation K(f(X),
g(y) ; x , y)
=h(T(x, y))
and wegive
some conditions under which the boundedness off implies
thecontinuity of g .
1. - Siano
.~, Y,
Z e Hspazi topologici, R
l’assereale,
S~ un sot-toinsieme di R x R x X x Y e T : g : funzioni *
assegnate.
Si consideri la
seguente equazione
funzionalee sia
( f,
g,h)
una soluzione di taleequazione,
cioè una terna difunzioni
f : X - R,
g :Y -+ R,
h : Z --~- gche,
sostituite nellaequazione (0),
la rendono identicamente soddisfatta.In
questa
Nota si dimostrano dei teoremi diregolarità
per lesoluzioni di
(0)
chegeneralizzano
altrigià
noti([1] , [2], [3]).
Precisamente si mostra come, sotto
opportune ipotesi
per le funzioni T e.g,
lalimitatezza,
anche solounilaterale,
dif
nel-l’intorno di un certo insieme di
punti Xo implica
la continuità di g.È
interessante notare cheXo può
in certi casi ridursi ad un numero finito dipunti
o addirittura ad un solpunto
e di conse-guenza i vincoli su
f
diventano ovviamente assai deboli.(*)
Indirizzodegli
AA.: Istituto di Matematica F.Enriques -
Uni-versità
degli
Studi di Milano - Via C. Saldini, 50 - 20133 Milano.Lavoro
eseguito
nell’ambito delGruppo
Nazionale per l’Analisi Funzionale e le sueApplicazioni.
Il
paragrafo
2 è dedicato alle notazioni ed alle definizioni. Nelparagrafo
3 sono dimostrati alcuni teoremi diregolarità
e nel para-grafo
4 sonopresentate
delle classi di funzioni .g che soddisfanoipotesi
deltipo
richiesto in detti teoremi.2. - Se x E X e y E
Y,
‘Ll.(x)
e V(y)
denotanorispettivamente
lafamiglia degli
intorni di x e di y. Se A è un sottoinsieme di unospazio topologico,
A° è l’interno di A.T~
e T1I sonorispettivamente
le x-sezioni e ley-sezioni
diT,
cioè le funzioni cos definite :
È
necessario ora introdurre alcune definizioni.Sia
2 Yo)
E X X Y. Si considerino leseguenti proprietà
relativeall’applicazione
T : X X Y ~ Z :a)
esiste ~7 E ’U(xo)
taleche,
perogni
x EU, T.,
ècontinua ; b1)
perogni
Z7 E ‘Ll.(xo) , =1=
o ;b2)
perogni
U E ‘LL(xo)
esiste 0 cU, O =1=
0, tale chei)
èaperto,
ii)
perogni
z E esiste V E’B?(Yo)
taleche,
perogni tEY, Z E Tt (O) ;
b3)
come lab? ,)
conl’aggiunta
della richiesta xo E C.DEFINIZIONE 1. Si dice che
l’applicazione
Tgode
dellaproprietã St (xo, yo) (i
=1, 2, 3)
se essa soddisfaa)
eb,) .
È
evidente cheS3(XO’
1yo)
~g 2(XO , 1 YO)
=>1 YO)
Sono note
(cfr.,
con ovvievarianti, [3])
alcunesemplici
con,di-zioni nelle
quali
Tgode
delleproprietà ~(xo , yo)
eyo) .
PROPOSIZIONE 1. ~Si supponga ehe :
a) valga
laproprietà a) ;
P)
TYo sia unac mappaacperta
iny)
perogni
zE Z, l’equazione
z =T(x, y)
siacsoddisfattac
dax = con
Gr, funzione
continuadefinita
su unaperto
di Y.Allora T
soddisfa
laproprietà yo) .
PROPOSIZIONE 2. Sia T : X X Y- R. Si supponga che :
a’)
X sia connesso e localmente connesso ;valga
laproprietá a) ;
y’)
sia continua e non sia costante in alcun intorno di xo . Allora Tsoddisfa
laproprietà yo) .
DEFINIZIONE 2. Siano
(xo , yo)
E X XY,
D ed .E sottoinsiemi di R X R e K : Q-+H. Si supponga che esista un numero reale m con laseguente proprietà :
con
IBI
e e A E[0,m] oppure A
E[m, 0]
a seconda del segno- di m.In tal caso si dice che K
gode
dellaproprietà L(D, Elxo , yo) . Inoltre,
se~ ed 03B2
sono due classi di sottoinsiemi di R X Re .g soddisfa
L(D, yo)
perogni
De 3
ed EE=-,03B2 ,
si dice bre- vemente che Ksoddisfa
laproprietà
Nel
seguito
si utilizzerannoqueste
notazioni per indicareparti-
colari sottoinsiemi o classi di sottoinsiemi di R X lz :
(se 1 = R
si scriverà brevementeE(vo) ed E
alposto
diE(R, v0).
ed 03B2 (R) ) .
)
È ovvio che, affinchèl’uguaglianza
possa averluogo,
èpreli-
minarmente
indispensabile
che(’U~’
v~ ;yl) , (’U~ ’
v~ ;x$ , y.~) E S~ .
3. - TEOREMA 1. Si consideri
l’equazione (0)
e si supponga cheuna
funzione 92 :
Y -~ X tale che perogni
y E Y :1)
Tgoda
dellaproprietà ~ (q;(y), y) ,
2 )
Kgoda
dellaproprietà y~ ,
,dove i = 2
oppure i
= 3.Allora, posto Xo
=99(Y),
sef
èsuperiormente
limitata nell’intorno diogni punto di X0, g
è continua su Y .OSSERVAZIONE 1. - Sulla
funzione 99
non si fa alcuna richiesta,di carattere
topologico ; perciò ~o può
essere ungenerico
sottoin-,sieme di
X,
anche costituito da un numero finito dipunti
o addi- rittura da un solpunto.
Inquest’ultimo
caso è evidente che leipotesi
suf
sono molto deboli e ciò nonostante bastano ad assicurare la continuità di g su tutto Y.OSSERVAZIONE 2. - Se sono note informazioni sul coinsieme della
lunzione g
eprecisamente
cheg(Y)
cE,
allora è sufficiente sup- porre, inluogo
della2),
la2’)
.ggoda
dellaproprietà C(3)~ ~(~) ~ i gg(y) , y~ .
OSSERVAZIONE 3. - Se
f,
anzichèsuperiormente,
è inferiormentelimitata,
vale unanalogo
teorema pur di sostituire le classi3, {i
=2,3)
con leseguenti ~~ :
tBasta infatti osservare
che, ponendo fl
- -f
e x,y) =
=
jE’(2013~ ~ ; ~ y), l’equazione (°)
diventag(y) ;
x,y) =
=
h(T(x, y)~ ,
y riconducendosi cos alleipotesi
del Teorema 1.OSSERVAZIONE 4. - I
seguenti controesempi
mostrano come lerichieste relative ad
.~, quali compaiono
nell’enunciato della pro-prietà £,
siano essenziali per la validità delprecedente
teorema.ESEMPIO 1. - Siano
K(u,
v ; x,y) =v +log(-u) (qui
S~ = ey) - x -E-y.
In tal caso,detta
una
generica
funzione additiva ediscontinua, l’equazione
funzio-nale
(0)
ammette come soluzione la terna di funzioni cos definita :- -
g(y) = h(z)
=Si osservi
che,
pur essendof superiormente limitata, g
è discon-tinua ; questo
non è in contrasto con ilprecedente
teoremapoichè
non è soddisfatta la
proprietà £(infatti
X19yl)
=K(U2 ,
V2 ; x2 , 9y2) implica v1
- v2 = ~4. ’ -u2)
con A funzione di u~, v2 di segno costante(negativo)
ma nonlimitata).
In tal caso,
detta 99
unagenerica
funzione additiva e disconti- nua,l’equazione
funzionale(0)
ammette come soluzione la terna di funzioni cos definita :f(x)
una arbitraria soluzionenegativa
del-l’equazione i
-cp(x), g(y) = cp(y)
eh(z)
-Anche in
questo caso f
èsuperiormente
limitatamentre
è discon-tinua ; questo
non è in contrasto con ilprecedente
teoremapoichè
non è soddisfatta la
proprietà 2 (infatti
in tal caso --
K(U2’
V2 ; X2 ,Y2) implica v1
- V2 = A.(u1
--U2)
con A funzione di9 ~2 , y y v2 limitata ma non di segno
costante).
OSSERVAZIONE 5. - Il Teorema 1
generalizza
i Teoremi 2 e 3 di[3],
come si verifica facilmente osservando che la funzioneK(u, v ;
x,
y) - a(x, y) w
+b(x, y) .v,
che compare in dettiteoremi,
sod-disfa la
proprietà
a seconda chea(x, y)
sia costante o meno.Il Teorema 1 discende immediatamente dal
seguente
LEMMA 1. Siano
(xo , yo)
E X X Y e vo E ll~ e si che :1 )
Tsoddisfi
laproprietà 9 YO) yo)~ ~
2)
esistano~8
tali che Ksoddisfi
laproprietà
Allora,
sef (x)
E( -oo, ~8~
perogni
x di unopportuno
intorno di g è continua in yo .DIMOSTRAZIONE. Caso indice 2. Si
scelga
in modoche,
per
ogni x
E( -
oo,~]
e le sezioniTx
siano continue(questo
è
possibile
per la1)).
Per la2)
adogni 8
> 0 si possono coordinare due intorniUe
E’U (xo)
eVe
EV (yo)
con leproprietà
di cui alla Definizione 2. Sia TI= Ü
nUe ;
;per la 1)
esiste C c Utale che W =
-Tyo(0)
èaperto
in Z.Si consideri ora un
punto xi
E C taleche,
perogni
x EC,
>>
Sup /(~) 2013 s~/(.r) 2013
E. Per la1)
e la definizione diW,
TT =xEC
-1
,
..--
Y&
n è un intorno di yo ; inoltre perogni y
E V esistex E C
(x
=x(y)~
tale chey) - yo).
L’equazione
funzionale(0) implica
alloradove A e B hanno le
proprietà
di cui alla Definizione 2.La
(1)
èequivalente
ae da
quest’ultima
si ricava :Sempre
perl’ipotesi 1)
esiste V’« V (yo)
taleche,
perogni
y
E Y’ ,
y yyo)
E Ty(C) ,
cioè adire,
perogni y
EV’,
esiste s E CDall’equazione
funzionale(°)
segue orae
quindi,
come sopra,Dalla
(4)
discende ora :Dalle
(2), (3), (5)
e(6)
si ricavache,
perogni
y E V nV’ ,
e
poichè
m èindipendente
da 8 ne segue l’assertoCaso indice 3. Si segue la stessa traccia di dimostrazione.
tavia, poichè
ora laS3(XO’
1yo)
assicura che xo EO,
sipuò
dare unalimitazione anche dal di sotto per
precisamente,
perogni
8 >
0,
si haf (xo) -
8 e, assumendo senzaperdita
digeneralità
8f (xo) -
a , si ricava af(xo)
- 8~ ~ ,
con ae
~8 indipendenti
da 8. Se ne deducequindi che,
per la validità della dimostrazioneprecedente,
è sufficiente supporre che .g soddisfiL(D3(a, P), E(E, vo) i xo
perogni
aP.
Dal Teorema 1 discende immediatamente il
seguente :
COROLLARIO 1. Sia X - Y e siano
soddisfatte
leipotesi 1)
e2)
del Teorema 1. Se(1p, 1p, h)
è una soluzionedell’equazione funzio-
nale
(0)
e 1p èsuperiormente
limitata nell’intorno diogni punto
diXo ,
allora 1p è continua.
Il Teorema 1
prevede
perf
soloipotesi
di limitatezza unila-terale ;
se invecef
è limitata bilateralmente sipuò
dimostrare unanalogo
teorema indebolendo leipotesi
su T e K.TEOREMA 2. ~Si consideri
l’equazione (0)
e si supponga che esistafunzione
cp : Y -~ X taleche,
perogni
y E Y :1)
Tgoda
dellaproprietà y) ;
2)
Kgoda
dellaproprietà ~~~1 , ~ ~ g~(y), y) .
Allora, posto .Xo
=99(Y),
sef
è limitata nell’intorno diogni punto
di g è continua su Y.
OSSERVAZIONE 6. -
Valgono
considerazionianaloghe
aquelle
contenute nell’Osservazione 1.
Inoltre,
anche perquesto teorema,
se
g( Y) c ~,
sipuò
sostituirel’ipotesi 2)
con la2~’ )
.ggoda
dellaproprietà
OSSERVAZIONE 7. - I
seguenti controesempi
evidenzianoche,
per la validità del Teorema
2,
sono essenziali le richieste relativead A, quali compaiono
nell’enunciato dellaproprietà 2.
ESEMPIO 3. - Siano
g(u, v ; x, y) - v + tg u ( qui .S2
=( - ~/2,
X R X R XR)
eT(x, y )
- x-~- y.
In tal caso,detta 99
unagenerica
funzione additiva ediscontinua, l’equazione
funzionale
(0)
ammette come soluzione la terna di funzioni cos definita : -artg g(y) - h(z)
=Si osservi
che,
puressendo f limitata,
g èdiscontinua ; questo
non è in contrasto con il
precedente
teoremapoichè
non è soddisfatta laproprietà 2 (infatti yl)
-K(U2
1 v2 ; x2 ,y2) implica
v1 - v2 =A ~ (u1- u2)
con A funzione diul , ~c2 , v1 , v2
di segnonegativo
ma nonlimitata).
ESEMPIO 4. - Siano con la
topologia
«indiscreta »,
Z-~con la
topologia
costituitadagli
insiemi che nellatopologia
usualedi R sono
aperti
e simmetricirispetto all’origine
eY-R- (0) t
conla
topologia
indotta daquella
di Z.Sia 99 :
R2013~R data da ==
exp( -t) - t
== Si considerino leseguenti
funzioni :è una funzione tale
che q (X) =
In tal caso
l’equazione
funzionale(~)
ammette come soluzioni laseguente
terna di funzioni :f(x) = g(y) = exp(- artg y) -
-
artg
y,h(z)
- z .Ancora f
è limitatamentre g
èdiscontinua ;
ciò non è in con-trasto con il
precedente
teoremapoichè,
pur essendo soddisfatte leipotesi
suT,
viene a cadere laproprietà £ (infatti y1)
== v2 ; x2 ,
y2) implica v1
- v2 = A.(u1
-u2)
con A funzione di U2’ v2 limitata ma non di segnocostante).
OSSERVAZIONE 8. - Il Teorema 2 include il Teorema 1 di
[3] ,
come si verifica facilmente osservando che la funzione
g(u, v ; x, y) = - a(x , y) ~ ~c -]- b(x , y) ~ v
che in esso compare soddisfa laproprietà
Il Teorema 2 discende immediatamente dal
seguente :
LEMMA 2. Si consideri
l’equazione (0)
e si supponga che :1)
Tsoddisfi
laproprietà S~ (xo , yo) ; 2)
Ksoddisfi
laproprietà
per
ogni
x di unopportuno
intorno di xa , g è continua in yo .DIMOSTRAZIONE. Si
procede
come nellaprima parte
della dimo- strazione del Lemma 1 con ovvie modifiche di notazione escegliendo
C == n U : si
giunge
in tal modo alle(2)
e(3).
Successivamente, posto q
=Inf f (x),
si determina x2 E C tale che~EC
Considerato l’intorno di yo , Y~~ = V8 n
(TZ2)-1(W),
perogni
y E V"esiste x E C
(x
= tale cheT(X2’ y) = T (x, yo) .
Di
qui,
attraverso ipassaggi
usuali si ottienee, per la
(7),
si ricavano lemaggiorazioni (~ )
e(6)
con y E V" . Come nella dimostrazione del Lemma 1 segue ora la continuità di 9 in yo.Dal Teorema 2 discende immediatamente il
seguente
COROLLARIO 2. Sia X - Y e siano
soddisf atte
leipotesi 1)
e2)
del Teorema 2. Se
(1p,
1p,h)
è una soluzionedell’equazione funzionale
(0)
e 1p è limitata nell’intorno diogni punto
di.Xo ,
i allora 1p è continua.4. - In
questo paragrafo
sonopresentati
dueesempi
di classidi funzioni .K che soddisfano
ipotesi
deltipo
richiesto nei teoremi delparagrafo precedente (2).
Si osservi
preventivamente
che la validità dellaproprietà (i
=1, 2, 3) implica
una certaregolarità
pergli
insiemi di livello di
K(u, v ;
xo ,yo).
Si consideri infatti l’insieme di livello =(u~ v) : yo)
=co~
e sia(uo , vo)
ESi
scelga Dí
EOí
in modo che yuo)
EOío ; poichè
valeL(Di , i xo 9 yo)
9 per la Definizione2,
esiste m E R tale che perogni (u, v)
ELxoyo(co),
dal fatto che(u, uo)
ED’l
segue :a seconda del segno di
m(3).
Questo significa che,
perogni uo ,
esiste alpiù
un solo v per cui9
v)
E’Lxoyo (co)
equindi K(u, v ;
xo ,yo)
=co è equivalente
av = Inoltre la funzione tpco
risulta,
per la(8),
continua(anzi
localmente
lipschitziana !).
Per l’arbitrarietà di co ne segue l’asserto.Tuttavia la validità della
proprietà ~(~~ , ~ ~ xo , yo)
non è suf-ficiente ad assicurare la continuità di
.I~(~c, v ;
xo ,yo) ;
basta pensare infatti alseguente
ESEMPIO 5. - Sia definita :
In tal caso .K non è continua e tuttavia soddisfa la
proprietà L(D,
Exo , yo)
perogni (xo , yo)
E X X Y e perogni D,
E c R X R(in-
fatti
l’uguaglianza K(u1 , v1 ;
xl , =K(U2 ,
V2 ; X2 ,Y2) implica v1
-(2)
L’attenzione viene fissata esclusivamente sulla funzione e laproprietà £
ad essa connessapoichè,
perquanto riguarda
leproprietà
richieste alla funzione T, esse sono assicurate da alcune
semplici
condi-zioni contenute nelle
Proposizioni
1 e 2.(3)
La Definizione 2garantisce
che, perogni
e > 0 , v - v, == A.
(u - uo) +
B conI B I C
E ;poichè questo
deve valere perogni e ,
ne
segue B
= O .a).
Siayo)
X Y. Si supponga che esistano un intervalloaperto
I e: R e due intorni 9 tali che:i) posto
C =UXV),
esista unafunzione O : I x C X U X
V-R ,
continuarispetto
ad(x, y)
nelpunto (xo , yo) ,
uniformementerispetto
a(u, c)
E I XC ;
ii)
perogni (u, v ; z, y)
E I X R X U X V e perogni
c E0, K (u, v ; x, y) -
c siaequivalente
a v = ø(u,
c ; x,y) ;
iii)
0 sia derivabilerispetto
ad u eOú
sia limitata e di segno costante inAllora g soddisfa la
proprietà L(D, yo)
perogni
D c I X Ied Ec RXR.
Basta infatti osservare che da . si deduce :
Dalle
i)
eiii)
segue ora l’asserto.ESEMPIO 6. - Sia g : cos definita :
Scegliendo
I =( - 1, 1)
e ~ = c +sgn (u) - ~c~,
c ER ,
u E I è imme- diato controllare la validità dii) ii)
eiii).
b).
Siano e(xo , yo)
Y e si supponga che esistano~7 E due numeri
positivi R
e .I~’(eventualmente
tali che :
essendo la serie uniformemente
convergente rispetto
ad(x,y)
E U XV ;
siano continue in siano di segno concorde in
iv)
per tutte lecoppie (n, m)
con m >0, salvo
un’unica cop-pia (no ,
2 si abbiaanm(xo , yo) = 0 ;
v)
se no~ O,
y il segno dianomo(xo, Yo)
sia concorde col segno di ano(xo , yo) [discorde
col segno diyo)
solo se mo èdispari] .
Allora,
se 0 JC ~
0 6’e’ R’,
K soddisfa la pro-~
Inoltre,
se mo = 1 sipuò
assumeresi
può
assumere anche a = O .e di attraverso
passaggi elementari,
sigiunge
a scrivere__ -- I /__ ~ 1 i ~ j---
Ora A è di segno costante in virtù delle
iii)
ev)
e limitataperchè
è
maggiorata
dalla serieche,
per lai),
risultaconvergente.
Per
quanto riguarda B
si osserviche,
perogni e
>0,
si pos-sono
scegliere gli
intorni di xo e yo in modo chegli
addendi dentroparentesi graffa
siano minori di e. Per iprimi
duequesto
segue dallaii) ;
per il terzo è conseguenza del fatto che la somma dellaoo
serie
E ano(x, y) u71 è,
per lai)
e laii),
continua in(x o’
Pern-1
l’ultimo termine segue da
i)
eiv).
ESEMPIO 7. - Siano
(xo , yo)
Y e K : Y-R cosdefinita :
dove le sono funzioni continue in
(xo ,
yyo)
e i valoriyo),
sono
multipli
di R per tutte lecoppie (n, m)
con m > 0 salvo una,(non mo) .
In
questo
caso la serie converge in R2 uniformementerispetto
a(x, y)
e X X Y e sonoperciò
soddisfatte tutte le condizionii)
-v) .
BIBLIOGRAFIA
[1] J. ACZÉL, Lectures on
functional equations
and theirapplications,
Academic Press, New York, 1966.
[2] C. T. NG, Local boundedness and
continuity for
afunctional equation
on
topological
spaces, Proc. Am. Math. Soc., 39 (1973), pp. 525-529.[3]
S. PAGANONI MARZEGALLI, Limitatezza e continuità delle soluzioni diuna classe di
equazioni funzionali,
Rend. Ist. di Matem. Univ. Trieste, vol. VIII fasc. I (1976).Manoscritto