R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
P. B OERO
Metodi omologici elementari nella teoria dei sistemi di equazioni, II
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 41 (1968), p. 349-361
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NELLA TEORIA DEI SISTEMI DI EQUAZIONI, II
P. BOERO
*)
SUMMARY. Let p be a non negative integer, or + coi ; d an integral algebra ovcr C. In this work, we define
funetors A Ep
from the category of d-modnlesto the same category. If ~l is a suitable C-algebra of « operators » on é
(1Rn)
(for instance, the algebra of all the operators of partial derivation in n va-
riables),
A E p
(o(1Rn))
contains all the polynonial-exponentials of polynomial« degree » q p + 1, and only them.
We consider many properties of these and of their first de- rivatives ; finally, we give an application of the functor
E_
to prove that the polynonial-exponential solutions are dense in the space of the solutions of some systems of convolution equations.Introduzione.
In
questo lavoro,
data unaalgebra
11 commutativa edintegra
su
G,
con identitàmoltiplicativa,
si introducono i funtori(0
m ----f-- oo)
definiti nellacategoria
dei A-moduli ed a valoriin essa.
Si prova
che,
se 11 è unaopportuna algebra (E-algebra)
di en-domorfismi
di ê (1Rn), «)
coincide con il A-modulo delle funzioni che sono combinazioni lineari finite diprodotti
dipolinomi
di « gra-Lavoro eseguito nell’ambito dei Gruppi di ricerca del Comitato Nazionale per la Matematica del C. N. R.
Indirizzo dell’A.: Istituto Matematico dell’Università, Via L. B. Alberti, Genova.
do »
(in
un sensoadeguatamente precisato)
minore di m+ 1,
peresponenziali.
Questo
lavoro continua con variesempi
diE-algebre;
inparti- colare,
siconsiderano E-aclgebre
dioperatori su ê
che commutanocon le
traslazioni ;
se T è un taleoperatore,
si studianopoi
le re-lazioni tra
Em (Ker T)
edEp (Ker T);
si provache,
se T è continuoe di
« grado » finito,
Po, per il valore su .Ker 11 del funtore derivatoJ~p dipende
solo da(Ker 1’)
se n = 1.Infine,
siapplica
il funtoreEoo
allo studio delle soluzioni di classe C°° di un sistema omogeneo diconvoluzione, provando che,
se i coefficienti del sistema
appartengono
adun’algebra
bezontianadi
operatori,
le soluzionipolinomi-esponenziali
sono dense nellospazio
delle soluzioni del sistema
(secondo
l’ordinariatopologia di é (1Rn),
o secondo
topologie
meno fini cheperò
conservino certe sue pro-prietà).
Per
quanto
i risultativalgano quasi
tutti inipotesi algebriche più generali,
conveniamo che tuttigli
anelli che consideriamo sianocommutativi,
yintegri
e con identità che si conservapassando
adeventuali sottoanelli.
PARTE I - I
FUNTORI d.Ep
1. Sia 11 una
G.algebra integra
con identitàmoltiplicativa ;
siaX un
A-modulo ;
indichiamo con(X)
1’insieme :(x
EX, dime
p + ~},
ove Ax è il sotto-A-modulo di ~generato
da x ; indichia-mo con
(X)
il sotto-A-modulo di Xgenerato
da(.).
In par-ticolare, (X)
è il A.modulo costituito dalle combinazioni lineari finite a coefficienticomplessi
deltipo :
k
Poniamo
Osserviamo
che,
seY è un
ll.-omomorfismo,
indichiamo con(~)
lasua restrizione a
AEp ( ~).
Ove non sorgano
ambiguità, ometteremo,
nello scrivereAEp (X)
ed
(cp),
l’indicazione dell’anello scrivendosemplicemente : Ep (X), Ep (q;).
_TEOREMA 1 : per
ogni
p, 0~ p C -~--
oo,Ep é
~,nfuntore
cova-riante
addittivo,
esatto asinistra,
dellacategoria
dei 11-moduli in sè.Per come è
definito, Ep
muta A-moduli inA-moduli ; inoltre,
data una mappa 99: X - Y tra
A-moduli, Ep (g)
è una mappa defi-nita in ed a valori in
Bp (Y): infatti,
sedime
Ax = ~+ 1,
dim,e (x) :::;:p +
1poichè
cp è un A.omomorfismo.Resta da provare l’esattezza a sinistra di
.Ep ;
data la sequenza esatta :di
A.moduli,
dobbiamo provare che è esatta la sequenza :Anzitutto,
osserviamo cheEp (i)
è monomorfismo(in quanto
restri-zione di un
monomorfismo).
Supponiamo
cheEp (n) (y) = 0 ; vogliamo
provareche y
=Ep (i) (x),
ove Dato che
dime lly +
00; 7t(lly)
=0,
onde
possiamo fissare,
inAy,
una base costituita di elementi della forma ovedime A (lk zk)
~dime -~- 1,
tali chen
zk)
= o. Neviene,
perogni indice k,
i ovellxk
= A(Àk zk) + 1 ; quindi xk
EEp (X);
yproviene
allora da una
combinazione,
a coefficienticomplessi, degli
elementi xk .Indichiamo con At
(X)
il A.modulo :j.y~~3~6~~~=0,
t. e. /Lc =
TEOREMA 2: se
ogni
11-modulo X.infatti,
se x EEco (X), +
oo ; sia x, ... , una base dellospazio
vettorialecomplesso 11.x ;
sia A un elemento di 11 nonappartenente
allospazio
vettorialecomplesso generato da Al
... ,An ;
OSSERVAZIONI : notiamo anzitutto che
1’ipotesi : dime
A= -~-
C>0è essenziale per la validità del Teorema
2. ; infatti,
sedime
A+
o0si ha che
+
oo perogni x
EX,
onde(X)
=X,
men-tre,
ingenere, t (X) =)=
X.Inoltre,
osserviamoche,
perqualche C algebra
~1. di dimensione infinita e perqualche
A.moduloX, (X) ~ t (~) :
i ad esem-pio,
se X è lospazio
delle funzioni di classe C°° su è l’al-gebra complessa degli operatori
misti di derivazione e traslazione in unavariabile,
si ha cheogni
funzioneperiodica
e di classe C°°sta in t
(.~)~ mentre,
in base ai risultati che vedremo inseguito, Eoo (X)
coincide con lospazio
delle combinazioni lineari finite diprodotti
dipolinomi
peresponenziali.
Infine,
si notiche,
se A’:J 11 èun’algebra integra
suG,
(o),
sedim e A = +
oo .2. Se ll. è l’anello
degli operatori
differenziali lineari a coeffi- cienti costanti in unavariabile, ed o == o (1R)
è lospazio
delle fun-zioni di classe C°° su è immediato verificare che
AEm (é) coincide
con l’insieme di tutte le combinazioni lineari finite a coefficienti
complessi
diprodotti
dipolinomi
peresponenziali.
Ci sipuò
chie-dere per
quali algebre
d dioperatori
lineari sullospazio
vettorialedelle funzioni di classe C°° su continua a valere
l’analogo
risul-tato
(in n variabili).
Diamo la
seguente
DEFINIZIONE : A una
G.algebra, integra
e conidentità,
dioperatori
linearisu é (’IRn).
A si dice unaE-algebra (relativamente
adé (1Rn))
se, perogni
p, o_-p
C-~--
00,AEp (é (’IRn))
è costituito dalla totalità delle combinazioni linearifinite
diprodotti
deltipo:
e
Segno
immediatamente dalla definizione che se ll è una.E-algebra,
se A E
11~
e se x EEp (ê (’~n)),
allora 1 x E~p (ê
Enunciamo
(la
dimostrazione nonpresenta difficoltà)
ilseguente
TEOREMA 3 : sia A una
E-algebra,
ed X un sotto-A.modulo diêm Allora, AEp (X)
è costituito dai vettori di X c(5m (1Rn)
le cuicomponenti
s-sesiine sono combinazioni linearifinite
acoefficienti
com-ptessi
diprodotti
deltipo :
e
Ovviamente,
nell’enunciato deve intendersiche,
se A E11.,
e v =... ,
vm)
ECm,
allora Av = ... ,Il teorema
seguente
assicura che esistono effettivamente delleE-algebre (relativamente ad E
TEOREMA 4 : sono
E-algebre:
l’algebra ~D degli operatori
di derivazioneparziale
in nvaria.-bili,
acoefficienti
costanti.degli operatori
di traslazione in n variabili.Proviamo il risultato per le difficoltà della
dimostrazione,
per
Z,
sono le stesse.è ovvio che
dim,e (Dp
=jjk (ik + 1 1) ; infatti
iprodotti ae{i
... ’(ove
O
per k
=19 27 n)
costituiscono una base dellospazio
vettoriale
complesso gq,.
Viceversa,
data tale che tenendofisse variabili Xi , --- , Xj+1 9 --- , Xn si prova
che, rispetto
alla
variabile z;,
, siesprime
come combinazione lineare - a coef-ficienti di classe C°°
dipendenti
dalle altre n - 1 variabili - di pro- dotti dipolinomi
peresponenziali.
Ciò è vero perogni j, 1 à j à n, onde q
è combinazione lineare diprodotti
dipolinomi
per esponen- ziali(in n variabili).
Insostanza,
ci si riconduce ad un« principio
di identità » per i
polinomi-esponenziali.
Ove non sorgono
ambiguità,
con il simboloEp (o)
indicheremo il 11-modulo(ê),
ove 11 è unaqualunque .E-algebra.
Si noti che
può
accadereche,
perqualche algebra
d di opera- torisu E (1Rn), AEm (~)
=«~), mentre,
perqualche +
cxJ ,AEp (é) =~= Ep (E) (gli esempi
sono di facilerealizzazione).
Per le
applicazioni all’analisi,
interessano leE-algebre
di ope- ratoriSU 5
che commutano con le traslazioni. Per esse, vale ilseguente :
TEOREMA 5 : siano
A,
A’ duealgebre (integre)
dioperatori
81té (1Rn)
che commutano con letraslazioni,
A."
Se una
.E-atgebra,
anche A’ è unaE-algebra.
Per
ogni (1R"), dima
¿dima
A x, onde sedima
c p -~- 1,
anche x+ 1 ~
cioè x E.Ep (é).
Viceversa,
se e )~.’E osserviamo che perogni
A E ALa conclusione
dime A’99 ~ p +
1 si ottiene subito dalseguente
lemma :
LEMMA : se A è
un’algebra
dioperatori su E (1Rn)
che commu-tano con le
traslazioni,
allora se lpXn
=xi
...Xn in e°‘lx’+..-+
anxne ~, E .11 è
prodotto
di unpolinornio
ne t le u varíabiliper .
’renuto conto del fatto che
gli
elementi di 11 commutano conle
traslazioni,
ci sipuò
ridurre al caso di una solavariabile,
equindi procedere
per induzione(sul grado polinomiale
del monomio99).
Dal teorema 5 si deduce il
seguente
corollario : COROLLARIO: unaE-algebra.
Per la validità del teorema 5 è essenziale
l’ipotesi
chegli
ele-menti di 11’ commutino con le
traslazioni ; altrimenti,
unasopraal- gebra (integra
ecommutativa)
di unaE-algebra può
non essere una.E-atgebra.
Adesempio,
se noi consideriamosu ê (1R) gli operatori
misti di
derivazione,
e di contrazione intera dellavariabile,
cioègli
m
operatori
della forma : DiTj
ove DiTj ( f (x))
=f i> ( jx),
abbia-1
mo che
dim(¡
A sen x= -;-
oo(11
indical’algebra degli operatori
mi-sti di derivazione e contrazione intera della
variabile).
3. Se T è un
operatore
lineare che commuta con letraslazioni,
interessa studiare le combinazioni lineari diprodotti
dipolinomi
peresponenziali appartenenti
al nucleo diT,
cioèT)
che
indicheremo,
alsolito,
con solamente(si
notiche,
seZ’ commuta con le
traslazioni,
Ker T è un2-modulo,
ondepossiamo applicare
il teorema3).
Consideriamo, su o
latopologia
della convergenza uniforme delle funzioni e di tutte le loro derivatesugli
insiemicompatti
di
lRn .
.Sia T un
operatore
continuorispetto
a taletopologia,
che com-muta con le traslazioni :
allora,
T Eê’(1Rn).
vale ilseguente
LEMMÀ : se T E
(1(1Rn) (T ) : «)
-(1,iii T ) è fLSmo.
Sia
T ~
0 ed xP eax EEm (Iin T ).
Proviamo che xp eax =TT,
ovep E Eoa (ê) (la dimostrazione,
nel caso di nvariabili, n > 1,
è soloformalmente
più complicata).
8 _
Per s p, consideriamo T z8 eax
eax ;
perqualche s
= s ,o
PP ~ 0 (altrimenti, z8
eax E Ker T perogni’s,
assurdo seT # 0,
T Eé’) ;
si
può
allora costruire una funzione le cheTg~
= xP eaz.Dal lemma segue il teorema ;
TEOREMA 6 : sia
Operando
nellacategoria degli
dalla sequenza esatta :si ottiene la sequenza esatta
Se
jE7p(T)
non èepimorfismo,
si deduce subito che nonpuò
essereEp (Ker T )
= 0.Proviamo che se allora
jE7p(T)
nonpuò
essereepimorfismo ; proviamolo
nel caso n =1 ; per n > 1,
lemaggiori
difficoltà sono solo formali.
Supponiamo
che xp eax E(Ker T ) ; allora,
xp eax EEp (Im T)
mentre xP T
(Ep (ê)).
Se si
può poi
verificareche,
perogni
0 C sà p, infatti,
indicata conTh
la traslazione diampiezza h,
onde,
per 1’arbitrarietàdi h,
eax = ... = Teax = 0.Questo
ci diceche,
perogni k ~ p~ EIc (Ker T) ~ (o).
Proviamo ora
che,
sek > p, k +
cxJ, alloraEk (Ker T) =~= lo).
Basta provare
che,
se ema ciò segue subito osservando che deve ancora essere
e ricordando
che,
per tuttigli
indiciLe condizioni per la validità del teorema 6 non possono essere
attenuate,
in modoessenziale;
inparticolare,
nonpuò
essere eliminatal’ipotesi
di continuità di T. Consideriamo infatti ilsottospazio
Y dié (1R)
costituito dalle funzioni P(x) e",
ove P(x)
è unpolinomio
nellavariabile x ; e consideriamo
l’operatore
T che opera come identitàsu ê (1R)
Y ed annullagli
elementi di Y. T commuta con le tra-slazioni ; E~ (ger T ) =
gerT, mentre,
perogni
Il teorema
6,
noti i risultati diMalgrange [3]
edEhrenpreis [2]
sulla
densità,
nellospazio
delle soluzioni diun’equazione
di convo-luzione,
delle soluzioni combinazioni lineari finite diprodotti
di po- linomi peresponenziali,
y consente di dedurre immediatamenteche,
seKer
T ~ ~ lo),
allora~p (Ker T ) =~= lo)
per tutti i p+
oo .Viveceversa,
il teorema6,
unito al teorema che segue,può
essereutilizzato per dimostrare che dato un
operatore
T E(5’(1R") ,
seT ~ ~ (o)
alloraEoo (Ker T) =~= 0 ;
ciòpuò presentare
un certo in-teresse in
quanto
le dimostrazioni del teorema 6 e del successivo teorema 7 richiedono soltantoche (5 (1Rn)
sia unospazio
vettoriale to-pologico
difunzioni,
sullequali
operano letraslazioni,
e nelquale
è una
parte
densa la totalità delle funzioniprodotto
dipolinomi
peruna funzione
esponenziale
fissata(non nulla).
TEOREMA 7 : siac A Una
E-algebra
dioperatori
che comi tutano con letraslazioni,
tale che«5)
=(0)
perogni
0c p C -~-
oo ; siaT un
operatore su é
che commutac con le traslazioni e congli
element di A. Se per-
qualche
0c p -f-
00AE; (Ker T) =~= ~o~
allora
Eoo (Ker T ) ~
dalla sequenza esatta di
A-moduli,
si ottiene la sequenza esatta :
supponiamo che,
per un certo p,lo) ;
allora esistetale che
Consideriamo
(ove ik~
è unasuccessione decrescente di
indici,
9 con se pertutti
gli
indicik = 1, 2, 3,
... , n, deveessere fio
=0, altrimenti,
ope-rando con T e con
opportuni
elementi diA, potrei
ottenere99 E T
(Ep (ê)).
Qó
Se Po
=0,
si deduce immediatamenteche,
perI y
= 0 :infatti, dim(~
Tdim(~ Ag.
OSSERVAZIONE : se n
= 1, ogni E-algebra principale (o
di Be-zout)
l soddisfa alla condizione del teorema7,
inquanto Ep() _ (ol
per
ogni
p.4. Nel caso di una variabile se
e ~n
-E-
1 èuguale
algrado (polinomiale)
di T.Ciò
giustifica
laseguente
DEFINIZIONE : siac T un
endomorfismo di C (1R)
che commntac conle traslazioni Diremo
grado
diT,
e lo indicheremo con w(T ),
il mi-nimo intero
positivo p
tale cheEp-, (Ker T) =Ep (Ker T ) # (o);
se1
seEp_1 (Ker T ) ~ .Ep (Ker T)
per tutti i ~
> 0,
porremo ro(T )
_+
oo .Esistono delle distribuzioni a
supporto compatto
che operanosu o (1R)
comeoperatori
digrado finito,
e che non sonooperatori
diderivazione : in
particolare,
la funzione caratteristica dell’intervalloaperto
di estremi - 1 ed 1 è una distribuzione digrado
1.Sia l una
E-algebra
tale che =(OJ
perogni p;
siaConsideriamo il
diagramma :
applicando
il « lem madei 5 »,
si deduce subito che oc è monomorfi-smo. Formiamo il
diagramma :
in esso, a è monomorfismo
(in
base all’osservazioneprecedente) e fl
è isomorfismo
(come
segue dal lemma al teorema6).
Si ottiene
quindi
la sequenza esatta :che porge
E§(Ker T)
come nucleo di unepimorfismo,
indotto dainclusioni,
tra A-moduli che restano determinati una volta noto(Ker T).
In
conclusione, potremo
direche,
se p>
c~(T )
-1, E’p (Ker T)
è individuato da
(Ker T )
mediante la sequenza(I).
PARTE II - APPLIOAZIONE: UN TEOREMA DI SINTESI SPETTRALE. ESTENSIONI.
5.
Consideriamo,
latopologia
usuale(convergenza
uniforme delle funzioni e delle loro derivate
sugli
insiemicompatti
di i .
Malgrange
edEhrenpreis
hannoprovato che,
se T E~, (1Rn),
lesoluzioni combinazioni lineari finite di
prodotti
dipolinomi
peresponenziali
sono dense in KerT ; analogo
risultato è statoprovato
da
Malgrange [3]
per certi sistemi diequazioni
di convoluzione(con
condizioni sulla matrice deicoefficienti),
e daMalgrange [4]
ePalamodov
[5]
per i sistemi diequazioni
lineari alle derivate par- ziali ed a coefficienti costanti.Assumiamo,
unatopologia
dispazio
vettorialetopo- logico
tale che perogni operatore
Tapparte-
nente ad una
algebra
bezoutiana l1. dioperatori
che commutanocon le traslazioni. Vale il
seguente
TEOREMA 8 : 8e Ù :
CP
-~êq è
un sisíemac acoefficienti
inA,
Sia L =
(~~~~)
la matrice deicoefficienti ;
la sequenza:è una risoluzione libera di coker
L ;
tensorializzando con i 11-modulio
ed siottengono (come
in[1])
le due sequenze esatte:ove
~oo (4Y)
indicano le restrizioni ad(Eco (iE»P , rispettivamente
della mappaOi
e della matrice L.Si verifica facilmente che ger
= Eco (Ker Oi),
e cheKer
Eco ( 4Y)
=Eco (Ker Ø); inoltre, possiamo
pensare le sequenze(11)
e
(III)
realizzate come sequenze disottospazi
vettoriali di(5P ;
neviene che - come
spazi
vettoriali -Dalla densità di
(Eoa (~ ))’~
inêk
e diEoo (Ker Ø,)
in KerOi
perogni i,
si deduce cheE~ (Ker ~)
è denso in Ker ~.6. I funtori
AEp
sono statistudiati,
neiparagrafi precedenti,
come
operanti
su sotto-A.moduli dellospazio
delle funzioni di classe C °° su’IRn .
Anche la definizione diE-algebra
è stata data relativa- mente allospazio é
Appare però
evidente chequasi
tutte le considerazioni fatte possono essere estese ad altrispazi
difunzioni,
inparticolare
lospazio 0° (1Rn)
delle funzioni continue su1Rn,
@ o lospazio
delle funzioni analitiche sullo
spazio complesso
n-dimensionaleGn ;
come pure a
spazi
di distribuzioni su’IIZn
contenenti Sipuò
provare che1’algebra 2
delle traslazioni reali è unaE-algebra
relativamente a ciascuno
degli spazi indicati,
e si possono estenderesenza difficoltà i teoremi
3, 5, 6, 7,
8.BIBLIOGRAFIA
[1]
BOERO P. : Metodi analogici elementari... Rend. Sem. Padova, 1967, 37.[2]
EHRENPREIS, L. : Mean Periodic Functions, I. Am. J. of Math., 1955, 77.[3]
MALGRANGE, B. : Existence et Approximation des Solutions, ... Am. Inst. Fourier, 1955-56, VI.[4]
MALGRANGE, B.: Colloque sur les eq. aux der. part.,CNRS,
Paris 1962.[5]
PALAMODOV, V. P., Doklady Ak. Nauk. SSSR, 1963, 148 (3).Manoscritto