Hindawi Publishing Corporation Journal of Function Spaces and Applications Volume 2013, Article ID 128043, 15 pages http://dx.doi.org/10.1155/2013/128043
Research Article Fractional Sobolev Spaces via Riemann-Liouville Derivatives Dariusz Idczak and StanisBaw Walczak Faculty of Mathematics and Computer Science, University of Lodz, Banacha 22, 90-238 Lodz, Poland Correspondence should be addressed to Dariusz Idczak;
[email protected] Received 31 July 2013; Accepted 19 October 2013 Academic Editor: Ismat Beg Copyright Š 2013 D. Idczak and S. Walczak. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Using Riemann-Liouville derivatives, we introduce fractional Sobolev spaces, characterize them, define weak fractional derivatives, and show that they coincide with the Riemann-Liouville ones. Next, we prove equivalence of some norms in the introduced spaces and derive their completeness, reflexivity, separability, and compactness of some imbeddings. An application to boundary value problems is given as well.
1. Introduction Let 1 ⤠đ < â. Classical Sobolev space đ1,đ = đ1,đ ((đ, đ), Rđ ) of order one on an open bounded interval (đ, đ) â R is defined by (cf. [1]) đ
đ1,đ = {đ˘ â đżđ ; â đ â â ⍠đ˘ (đĄ) đ(1) (đĄ) đđĄ đâđż đâđśđ
đ
đ
(1)
= â ⍠đ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ} , đ
đ
đ
Theorem 1. Let đ â N. Then, đ˘ â đđ,đ if and only if there exist functions đ1 , . . . , đđ â đżđ such that đ
đ
đ
đ
⍠đ˘ (đĄ) đ(đ) (đĄ) đđĄ = (â1)đ ⍠đđ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ
for đ â đśđâ and đ = 1, . . . , đ, where đ(đ) denotes the classical derivative of đ of order đ. In such a case there exists an absolutely continuous function đ˘Ě : [đ, đ] â Rđ such that đ˘ = đ˘Ě a.e. on (đ, đ), which has absolutely continuous classical derivatives đ˘(1) , . . . , đ˘(đâ1) , the derivative đ˘(đ) = (đ˘(đâ1) )(1) â đżđ , and đ1 = đ˘(1) , . . . , đđ = đ˘(đ) .
đ
where đż = đż ((đ, đ), R ) is the space of functions đ : (đ, đ) â Rđ that are integrable with power đ, đśđâ = đśđâ ((đ, đ), Rđ ) is the set of smooth functions đ : (đ, đ) â Rđ with compact support supp đ â (đ, đ), and đ(1) is the classical derivative of đ. The function đ satisfying the above condition is denoted by đ˘ó¸ and called the weak derivative of đ˘ of order one. Sobolev space đđ,đ = đđ,đ ((đ, đ), Rđ ) of order đ > 1 is defined by (cf. [1])
đ,đ
The spaces đ
can be characterized as follows.
(2)
(4)
Remark 2. One shows that đ1 = đ˘ó¸ , đ2 = (đ˘ó¸ )ó¸ , . . ., đđ = (â
â
â
(đ˘ó¸ )ó¸ â
â
â
)ó¸ (đ times). Remark 3. In our paper, we will identify functions defined on (đ, đ) and [đ, đ] ((đ, đ], [đ, đ), resp.) that are equal a.e. on (đ, đ). Each of the functions đđ , đ = 1, . . . , đ, is denoted by đˇđ đ˘ and called the weak derivative of đ˘ of order đ. The space đđ,đ endowed with a norm đ
đđ,đ = {đ˘ â đđâ1,đ ; đ˘ó¸ â đđâ1,đ } .
(3)
óľŠ óľŠđ đ âđ˘âđđ,đ = âóľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠđżđ ,
đ˘ â đđ,đ ,
(5)
đ=0
where đˇ0 đ˘ = đ˘, has many useful properties such as completeness, reflexivity (for 1 < đ < â), and separability.
2 Moreover, some imbeddings of these spaces are compact (cf. [1]). In the last years, many papers and books on fractional calculus and its applications have appeared. Most of them concern fractional differential equations, including calculus of variations and optimal control. In the classical (positive integer) case the fundamental role in this field is played by the mentioned Sobolev spaces. To our best knowledge, there are no âfractionalâ Sobolev spaces based on the notion of fractional derivative in Riemann-Liouville sense, which seems to be the most used in the theory of fractional differential equations. Our aim is to give some systematic basics for applications of fractional calculus to differential equations. More precisely, we extend the above definitions, with the aid of the Riemann-Liouville derivatives, to the case of noninteger positive (fractional) order đź, derive a fractional counterpart of Theorem 1, and prove the basic properties of the introduced spaces. When đź = đ â N, the obtained results reduce to the classical ones. In the literature, some generalizations of Sobolev spaces to noninteger orders, on a domain Ί â Rđ , are known (cf. [2]): Gagliardo spaces đđź,đ (Ί), Besov spaces đľđź,đ (Ί), and Nikolskii spaces đťđź,đ (Ί). They have been introduced with the aid of approaches different from ours and their comparison with our spaces (in the case of Ί = (đ, đ)) is an open problem. Let us point that only Gagliardo spaces coincide with the classical Sobolev spaces when đź = đ. The paper is organized as follows. In the second section, we recall some basic notions and facts from the fractional calculus including a characterization of functions possessing the left (right) Riemann-Liouville derivatives. In the third section, we derive some special cases of the fractional theorem on the integration by parts. In the fourth section, we define the fractional Sobolev spaces of any order đź > 0 and characterize them. In the fifth section, we derive a fractional counterpart of Theorem 1, define the weak fractional derivatives of order đź > 0, and show that they coincide with the Riemann-Liouville derivatives. In the sixth section, we introduce two norms in the fractional Sobolev spaces and prove their equivalence. In the seventh section, we derive completeness, reflexivity, and separability of the introduced spaces. In the eighth section, we prove compactness of some imbeddings. In the ninth section, we present some applications of the obtained results to fractional boundary value problems using a variational approach. In the paper, we limit ourselves to the left fractional Sobolev spaces, but in an analogous way one can define right spaces and derive their appropriate properties.
2. Preliminaries By đ´đśđ,1 = đ´đśđ,1 ([đ, đ], Rđ ), where đ â N, we denote the set of all functions đ : [đ, đ] â Rđ that have a representative (a.e. on [đ, đ]) which is absolutely continuous together with its classical derivatives of orders 1, . . . , đ â 1. Of course, such a function possesses also the classical derivative of order đ, existing a.e. on [đ, đ] and belonging to đż1 . These classical derivatives are the weak derivatives đˇ1 đ, . . . , đˇđ đ of đ. It is
Journal of Function Spaces and Applications known (cf. [3, Lemma 2.4]) that đ â đ´đśđ,1 if and only if there exist đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ and đ â đż1 such that đâ1 đ đ (đĄ) = â đ (đĄ â đ)đ đ=0 đ! đĄ
đĄ1
đĄđâ1
đ
đ
đ
+ ⍠⍠â
â
â
âŤ
đ (đ) đđđđĄđâ1 â
â
â
đđĄ1 ,
đĄ â [đ, đ] a.e. (6)
In such a case, đˇđ đ (đ) = đđ ,
đ = 0, . . . , đ â 1,
đˇđ đ (đĄ) = đ (đĄ) ,
đĄ â [đ, đ] a.e.
(7)
By đ´đśđ,đ = đ´đśđ,đ ([đ, đ], Rđ ) we denote the set of all functions đ : [đ, đ] â Rđ that have representation (6) with đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ and đ â đżđ . It is known that đ´đśđ,đ = đđ,đ for 1 ⤠đ < â. Let đź > 0, and let â â đż1 . By the left Riemann-Liouville fractional integral of â on the interval [đ, đ] we mean (cf. [3]) đź â given by a function đźđ+ đź (đźđ+ â) (đĄ) =
đĄ â (đ) 1 đđ, ⍠Π(đź) đ (đĄ â đ)1âđź
đĄ â [đ, đ] a.e.
(8)
Remark 4. The above integral exists and is finite a.e. on [đ, đ]. In view of the convergence (cf. [3, Theorem 2.7]) đź lim (đźđ+ â) (đĄ) = â (đĄ) ,
đź â 0+
đĄ â [đ, đ] a.e.,
(9)
it is natural to put 0 â) (đĄ) = â (đĄ) , (đźđ+
đĄ â [đ, đ] a.e.
(10)
Remark 5. If đź ⼠1, the right side of (8) exists (and is finite) đź â can be defined everywhere on everywhere on [đ, đ]. So, đźđ+ [đ, đ]. In such a case it is continuous on [đ, đ]. Remark 6. It is easy to see that if â is essentially bounded on [đ, đ] and 0 < đź < 1, then the right side of (8) is defined đź â can and bounded everywhere on (đ, đ]. So, in this case đźđ+ be defined everywhere on (đ, đ]. From [3, Theorem 3.6] it đź â is equal everywhere on (đ, đ] follows that in such a case đźđ+ to a continuous function on [đ, đ]. It is also known (cf. [3, đź â â đżđ . Theorem 2.6]) that if â â đżđ with 1 ⤠đ < â, then đźđ+ đź,1 = Let đ â 1 < đź ⤠đ, where đ â N. By đ´đśđ+ đź,1 đ´đśđ+ ([đ, đ], Rđ ) we denote the set of all functions đ : [đ, đ] â Rđ that have the representation đâ1
đđ (đĄ â đ)đźâđ+đ đ=0 Î (đź â đ + 1 + đ)
đ (đĄ) = â
đź + đźđ+ đ (đĄ) ,
(11)
đĄ â [đ, đ] a.e.,
đ,1 with đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ and đ â đż1 . Of course, đ´đśđ+ = đ,1 đ´đś .
Journal of Function Spaces and Applications
3
We say that đ â đż1 possesses the left Riemann-Liouville đź đ of order đź â (đ â 1, đ], đ â N, on the derivative đˇđ+ đâđź interval [đ, đ] if đźđ+ đ â đ´đśđ,1 . By this derivative we mean đ đâđź đ đ = đˇđ đ. the derivative đˇ (đźđ+ đ). Of course, đˇđ+ The next theorem can be deduced from [3, Corollary 2.1, Lemma 2.5 (b), Lemma 2.6 (b)] but, to our best knowledge, it has not been formulated by other authors. In [4] we give a direct proof of it in the case of đ = 1, in [5]âwhen đ ⼠2. In the case of đź = đ it reduces to the theorem on the integral representation of type (6) of functions belonging to đ´đśđ,1 . Theorem 7. If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, and đ â đż1 , then đ đź đ of order đź on has the left Riemann-Liouville derivative đˇđ+ đź,1 the interval [đ, đ] if and only if đ â đ´đśđ+ ; that is, đ has the representation (11). In such a case, đâđź đˇđ (đźđ+ đ) (đ) = đđ , đź đ) (đĄ) (đˇđ+
= đ (đĄ) ,
đ â 0, . . . , đ â 1, đĄ â [đ, đ] a.e.
(12)
đź,đ
By đ´đśđ+ (1 ⤠đ < â) we denote the set of all functions đ : [đ, đ] â Rđ possessing representation (11) with đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ , đ â đżđ . Remark 8. It is easy to see that the above theorem implies the following one (for any 1 ⤠đ < â): đ has the left Riemannđź,đ đź đ â đżđ if and only if đ â đ´đśđ+ ; that Liouville derivative đˇđ+ đ is, đ has the representation (11) with đ â đż . Let đź > 0. By the right Riemann-Liouville fractional integral of â â đż1 on the interval [đ, đ] we mean a function đ â (đ) 1 đź â) (đĄ) = đđ, (đźđâ ⍠Π(đź) đĄ (đ â đĄ)1âđź
đĄ â [đ, đ] a.e.
(13)
Theorem 10. If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, and đ â đż1 , then đ đź đ of order đź on has the right Riemann-Liouville derivative đˇđâ đź,1 the interval [đ, đ] if and only if đ â đ´đśđâ đ; that is, đ has the representation (15). In such a case, đâđź đˇđ (đźđâ đ) (đ) = đđ , đź đ) (đĄ) = đ (đĄ) , (đˇđâ
đĄ â [đ, đ] a.e.
Remark 11. As in the case of left Riemann-Liouville derivative, the following theorem holds true for any 1 ⤠đ < â: đ đź đ â đżđ if and has the right Riemann-Liouville derivative đˇđâ đź,đ only if đ â đ´đśđâ ; that is, đ has the representation (15) with đ â đżđ . In the next section, we will use the following two theorems (cf. [6, 7]). Theorem 12. If đź, đ˝ > 0, then đź,1 đ˝,1 â đ´đśđ+ đ´đśđ+
đâ1
đ (đĄ) = â (â1)đ đ=0
+
đđ (đ â đĄ)đźâđ+đ Î (đź â đ + 1 + đ)
đź đźđâ đ (đ) ,
(15)
đĄ â [đ, đ] a.e.,
with đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ and đ â đż1 . It is easy to see that đ,1 = đ´đśđ,1 . đ´đśđâ We say that đ â đż1 possesses the right Riemann-Liouville đź đ of order đź â (đ â 1, đ], đ â N, on the derivative đˇđâ đâđź interval [đ, đ] if đźđâ đ â đ´đśđ,1 . By this derivative we mean 1âđź đ the function (â1)đ đˇđ (đźđâ đ). Of course, đˇđâ đ = (â1)đ đˇđ đ. We also have the following.
(17)
if and only if â
đź â â [đ˝ + đ, 1 + đ]
đ˝ â (0, 1] ,
(18)
đ=0
or đ˝ â (1, â) ,
đź = đ˝ + đ,
đ = 0, 1, . . . .
(19)
Theorem 13. (a) If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, 0 < đ˝ < đź â đ + 1, đź,1 and đĽ â đ´đśđ+ is of the form (11), then đĄ â [đ, đ] a.e.,
(20)
where đ â đż1 is given by đâ1
đđ (đĄ â đ)đźâđâđ˝+đ đ=0 Î (đź â đ + 1 â đ˝ + đ)
đź đ has the properties analogous to those Remark 9. Clearly, đźđâ described in Remarks 5 and 6. đź,1 đź,1 = đ´đśđâ ([đ, đ], Rđ ) we denote the set of all By đ´đśđâ functions đ : [đ, đ] â Rđ that have the representation
(16)
đź,đ
đ˝ đ (đĄ) , đĽ (đĄ) = đźđ+
(14)
đĄ â [đ, đ] a.e.
By đ´đśđâ , 1 < đ < â, we denote the set of all functions đ : [đ, đ] â Rđ possessing representation (15) with đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ , đ â đżđ .
Similarly, as in the case of left integral, we put 0 (đźđâ â) (đĄ) = â (đĄ) ,
đ = 0, . . . , đ â 1,
đ (đĄ) = â
đźâđ˝ + đźđ+ đ (đĄ) ,
(21)
đĄ â [đ, đ] a.e.
(b) If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2, đ˝ = đź â đ, đ â đź,1 are of the form (11), then {1, . . . , đ â 1}, and đĽ â đ´đśđ+ (đâđ)â1
đĽ (đĄ) = â đ=0
đđ (đĄ â đ)đ˝â(đâđ)+đ Î (đ˝ â (đ â đ) + 1 + đ)
đ˝ + đźđ+ đ (đĄ) ,
(22)
đĄ â [đ, đ] a.e.,
where đđ = đđ ,
đ = 0, . . . , (đ â đ) â 1,
(23)
đâ1
đ đ đ (đĄ) = âđźđ+ đđâđ+đ (đĄ) + đźđ+ đ (đĄ) , đ=0
đĄ â [đ, đ] a.e.
(24)
4
Journal of Function Spaces and Applications
3. Some Special Cases of Integration by Parts Below, đś = đś([đ, đ], Rđ ) is the set of continuous functions đ : [đ, đ] â Rđ and đśđ = đśđ ([đ, đ], Rđ ) is the set of functions đ : [đ, đ] â Rđ such that đ(đ) â đś, đ = 0, . . . , đ (by đ(0) we mean the function đ). Of course, these classical derivatives coincide with the weak ones đˇ0 đ, đˇ1 đ, . . . , đˇđ đ. Lemma 14. If đ â 1 < đź < đ, đ â N, đ â đśđ , and
đź,1 be of the form (11) with đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Proof. Let đ â đ´đśđ+ đ 1 R and đ â đż . We have (Lemma 14 and Remark 9) đ
đź đ) (đĄ) đđĄ ⍠đ (đĄ) (đˇđâ đ
đ
đâđź đ (đˇđâ đ)) (đĄ) đđĄ = ⍠đ (đĄ) (đźđâ đ
đˇ đ (đ) = 0,
đ = 0, . . . , đ â 1,
(25)
đ
đâđź đ Ă (đźđâ (đˇđâ đ)) (đĄ) đđĄ đâ1
đâđź đ) (đ) = 0, đˇđ (đźđâ
=
đđ đź đ (đ)) (đĄ â đ)đźâđ+đ + đźđ+ Î â đ + 1 + đ) (đź đ=0
= ⍠(â
đâđź then đźđâ đ â đśđ ,
đź đ đˇđâ
đâ1
đ
đ
đâđź đźđâ
đ (đˇđâ đ)
=
đ = 0, . . . , đ â 1, đâđź đźđâ
đ
đ
((â1) đˇ đ) â đś.
(26)
đźâđ+1+đ đâđź đ = â đđ đźđâ (đźđâ đˇđâ đ) (đ) đ=0
đ
đź đ đ + ⍠(đˇđ+ đ) (đĄ) (đźđâ đˇđâ đ) (đĄ) đđĄ đ
đź Consequently, đ â đźđâ (đś).
đâ1
1+đ đ = â đđ đźđâ đˇđâ đ (đ)
Proof. If đ â đśđ and
đ=0
đˇđ đ (đ) = 0,
đ = 0, . . . , đ â 1,
(27)
đ
đź + ⍠(đˇđ+ đ) (đĄ) đ (đĄ) đđĄ đ
then (cf. Remark 6 and [3, formulas (2.21) and (2.58)])
đ
đź đ) (đĄ) đ (đĄ) đđĄ. = ⍠(đˇđ+ đ
đâđź đâđź đ đ đźđâ đ (đĄ) = đźđâ đźđâ (đˇđâ đ) (đĄ) đ đâđź đ = đźđâ đźđâ (đˇđâ đ) (đĄ)
=
đ đâđź đźđâ đźđâ
đ
(28)
đ
((â1) đˇ đ) (đĄ)
đâđź đ â đśđ for all đĄ â [đ, đ]. This means (cf. Remark 6) that đźđâ đ đ đź đâđź and đˇđâ đ = đźđâ ((â1) đˇ đ) â đś. Equalities (28) imply also the equalities
đˇ
đ
đâđź (đźđâ đ) (đ)
(32)
Existence of the first integral and the first equality follows from Lemma 14; in the third equality we used an integral form of a classical fractional theorem on the integration by parts (cf. [3, formula (2.20)]), in the fourth equality we used continuity of đˇđ đ and in the fifth equality we used the equalities đ
= 0,
đ = 0, . . . , đ â 1.
(29)
1 đ đ (đˇđâ đ) (đĄ) = ⍠(đˇđâ đ) (đĄ) đđĄ đźđâ đĄ
đ
đź So (cf. Theorem 7), đ â đźđâ (đś).
= (â1)đ ⍠(đˇđ đ) (đĄ) đđĄ
Remark 15. Analogous lemma can be obtained for the left đâđź đź đ and derivative đˇđ+ đ (without the term (â1)đ ). integral đźđ+
= (â1)đ (đˇđâ1 đ (đ) â đˇđâ1 đ (đĄ))
đĄ
We have the following special case of the theorem on integration by parts. Theorem 16. If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, then
(33)
= (â1)đâ1 đˇđâ1 đ (đĄ) đâ1 = đˇđâ đ (đĄ) .
The proof is completed. đ
đ
đ
đ
đź đź đ) (đĄ) đđĄ = ⍠(đˇđ+ đ) (đĄ) đ (đĄ) đđĄ ⍠đ (đĄ) (đˇđâ
for any đ â
đź,1 đ´đśđ+
(30)
đ
and đ â đś satisfying boundary conditions
đˇđ đ (đ) = đˇđ đ (đ) = 0,
đ = 0, . . . , đ â 1.
(31)
The next theorem will be used in the last section of the paper. Proof of this theorem is contained in [4] and in [5] its extension to the case of fractional derivatives of higher order is derived (the method of the proof is the same in both papers).
Journal of Function Spaces and Applications
5
Theorem 17. If 0 < đź < 1, đź > 1/đ, đź > 1/đ, 1 ⤠đ < â, and 1 ⤠đ < â, then
đź,đ
Now, let us assume that đ˘ â đđ+ , that is, đ˘ â đżđ , and there exists a function đ â đżđ such that
đ
đź 1âđź đ) (đĄ) đđĄ = (đźđ+ đ) (đ) đ (đ) ⍠đ (đĄ) (đˇđâ 1âđź â (đźđâ đ) (đ) đ (đ)
(34)
đ
đź đ) (đĄ) đ (đĄ) đđĄ + ⍠(đˇđ+ đ
for đ â
đź,đ đ´đśđ+ ([đ, đ], Rđ )
đź,đ
and đ â đ´đśđâ ([đ, đ], Rđ ).
4. Fractional Sobolev Spaces Let 0 < đź ⤠1 and let 1 ⤠đ < â. By left Sobolev space of đź,đ đź,đ order đź we will mean the set đđ+ = đđ+ ((đ, đ), Rđ ) given by đź,đ đź = {đ˘ â đżđ ; â đ â â ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ đđ+ đ
đ
đ
1âđź (âđˇ1 đ)) (đĄ) đđĄ = ⍠đ˘ (đĄ) (đźđâ đ
đ
1âđź 1âđź 1âđź đźđ+ đ˘) (đĄ) (đźđâ (âđˇ1 đ)) (đĄ) đđĄ = ⍠(đˇđ+
A function đ given above will be called the weak left fractional đź . derivative of order đź â (0, 1] of đ˘; let us denote it by đ˘đ+ Uniqueness of this weak derivative follows from [1, Lemma IV.2 and Propositions IV.18, IV.21]. Let đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2. By the left Sobolev space đź,đ đź,đ of order đź we mean the set đđ+ = đđ+ ([đ, đ], Rđ ) given by đź,đ đźâ1,đ đźâ(đâ1) đâ1,đ }. đđ+ = {đ˘ â đđ+ ; đ˘đ+ â đđ+ (1)
(36)
đśđâ ,
= âđˇ đ = âđ for đ â we see Remark 18. Since 1 that the weak left fractional derivative đ˘đ+ of đ˘ coincides with the classical weak derivative đ˘ó¸ = đˇ1 đ˘ of đ˘. Consequently, đ,đ đ,đ đđ+ = đđ,đ = đ´đśđ,đ = đ´đśđ+
(37)
for đ â N. đź,đ
We have the following characterization of đđ+ . Theorem 19. If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, and 1 ⤠đ < â, then đź,đ đź,đ đđ+ = đ´đśđ+ ⊠đżđ .
(38)
Proof. Case of đź = đ follows from (37) and from the fact that đ,đ đ´đśđ+ â đżđ . So, let us consider the case of đ â 1 < đź < đ. We will apply the induction with respect to đ â N. đź,đ Let đ = 1. If đ˘ â đ´đśđ+ ⊠đżđ , then from Theorem 7 đź đ˘ â đżđ . Theorem 16 it follows that đ˘ has the derivative đˇđ+ implies that âŤ
đ
for any đ â
đź đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ
đśđâ .
So, đ˘ â
=âŤ
đź,đ đđ+
đ
đ
(41)
đ
đ
đ
đ
đź,đ
= ⍠đ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ} .
1
đ
for any đ â đśđâ . To show that đ˘ â đ´đśđ+ ⊠đżđ it is sufficient to đź,đ check (cf. Theorem 7 and definition of đ´đśđ+ ) that đ˘ possesses the left Riemann-Liouville derivative of order đź, belonging to 1âđź đżđ , that is, that đźđ+ đ˘ is absolutely continuous on [đ, đ] and its classical derivative of the first order (existing a.e. on [đ, đ]) belongs to đżđ . đź (đś) and If đ â đśđâ , then (cf. Lemma 14) đ â đźđâ đź 1âđź 1 đˇđâ đ = đźđâ (âđˇ đ). From the differential form of the classical fractional theorem on the integration by parts (cf. [3, formula (2.64)]) it follows that
(35)
đ
1 đ đˇđâ
đ
đź đ (đĄ) đđĄ ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ
đ
đâđż đâđśđ
đ
đź đ (đĄ) đđĄ = ⍠đ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ
đ
đź (đˇđ+ đ˘) (đĄ) đ (đĄ) đđĄ
(39)
(42)
đ
1âđź đ˘) (đĄ) (âđˇ1 đ) (đĄ) đđĄ = ⍠(đźđ+ đ
đ
1âđź đ˘) (đĄ) (đˇ1 đ) (đĄ) đđĄ. = â ⍠(đźđ+ đ
This means (cf. (41) and (42)) that đ
đ
đ
đ
1âđź đ˘) (đĄ) (đˇ1 đ) (đĄ) đđĄ = â ⍠đ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ ⍠(đźđ+
(43)
1âđź 1âđź for any đ â đśđâ . So, đźđ+ đ˘ â đ1,đ . Consequently, đźđ+ đ˘ is absolutely continuous and its classical derivative is equal a.e. on [đ, đ] to đ â đżđ . Now, let đ â N and assume that đź,đ đź,đ = đ´đśđ+ ⊠đżđ đđ+
(44)
for any đź â (đ â 1, đ). We will show that this equality holds true for any đź â (đ, đ + 1). đź,đ đźâ1,đ Indeed, let đź â (đ, đ + 1). If đ˘ â đđ+ , then đ˘ â đđ+ = đźâ1,đ đ,đ đźâđ đ´đśđ+ ⊠đżđ and đ˘đ+ â đđ+ . So, đâ1
đđ (đĄ â đ)đźâ1âđ+đ Î â đ=0 (đź đ + đ)
đ˘ (đĄ) = â
đźâ1 + đźđ+ đ (đĄ) ,
(45)
đĄ â [đ, đ] a.e.,
where đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ and đ â đżđ . If đ = 1, from the above formula it follows (cf. (40)) that
with
đź đź = đ = đˇđ+ đ˘ â đżđ . đ˘đ+
đ
(40)
đźâ1 đźâ1 1,đ đ˘ = đ˘đ+ â đđ+ = đ1,đ . đ = đˇđ+
(46)
6
Journal of Function Spaces and Applications
If đ ⼠2, from Theorem 13 (b) and (40) it follows that
where đ
đđ (đĄ â đ)đźâ(đ+1)+đ Î â đ + đ) (đź đ=0
đźâđ đźâđ (đźâ1)â(đâ1) = đˇđ+ đ˘ = đˇđ+ đ˘ đ˘đ+
=
đâ2
đ đ1+đ â đźđ+ đ=0
+
đ˘ (đĄ) = â (47)
đâ1 đźđ+ đ.
+
đźâ1,đ
đâ1 đâ1 đâ1 đ,đ đ = đˇđ+ đźđ+ đ = đˇđâ1 đźđ+ đ â đˇđâ1 (đđ+ )
đ=0
1 đ = đđ + đźđ+ đ.
đâ1
đź,đ
đ+1âđź đ+1,đ đźđ+ đ˘ â đ´đśđ+ .
(50)
Indeed, we have (below, we use the following elementary formula Î (đż) (đĄ â đ)]+đżâ1 , Î (] + đż)
(51)
đĄ â [đ, đ] a.e., for ] > 0, đż > 0)
đâ1
đđ Î (đź â đ + đ) (đĄ â đ)đ Î â đ + đ) Î + đ) (đź (1 đ=0
đđ đ đ+1 + đźđ+ đđ (đĄ) + đźđ+ đ (đĄ) Î + đ) (1 đ=0
=â đ
(52)
have to check that
đ,đ đđ+ .
đź,đ
â đđ+ we (53)
Theorem 13(b) implies the equality đźâ1 1 đ˘ = đđ + đźđ+ đ, đˇđ+
đ
đ
đ
đ
đźâ(đâđ) ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ = ⍠đđ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ,
đ đ+1 = â đ (đĄ â đ)đ + đźđ+ đ (đĄ) đ! đ=0
â
Theorem 20. If đź â (0, 1], then the weak left fractional đź,đ đź of a function đ˘ â đđ+ coincides with its left derivative đ˘đ+ đź đ˘ a.e. on [đ, đ]. Riemann-Liouville fractional derivative đˇđ+
Theorem 22. Let đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, 1 ⤠đ < â, and đź,đ đ˘ â đżđ . Then, đ˘ â đđ+ if and only if there exist functions đ đ1 , . . . , đđ â đż such that
đâ1
đ˘â
From the first part of the above proof (case of đ = 1) and from the uniqueness of the weak fractional derivative the following theorem follows (cf. also [4, fractional fundamental lemma]).
Now, we will prove an extension of Theorem 1.
đ đźđ+ đ (đĄ)
đźâđ đ˘đ+
đźâđ and equality (existence of the weak fractional derivative đ˘đ+ đźâđ,đ đźâđ đźâđ đ˘đ+ = đˇđ+ đ˘ follow from the relation đ˘ â đđ+ and (40)).
5. Weak Fractional Derivatives
=â
đźâ1,đ , đđ+
đ,đ = đđ+
đź,đ
đđ đ+1âđź đźđ+ =â ((â
â đ)đźâ1âđ+đ ) (đĄ) Î â đ + đ) (đź đ=0
đ+1,đ đ+1âđź đ˘ â đ´đśđ+ . đĄ â [đ, đ] a.e. Thus, đźđ+ đź,đ Conversely, let đ˘ â đ´đśđ+ ⊠đżđ . To show that đ˘
(56)
Remark 21. If đâ1 < đź ⤠đ and (đâđź)đ < 1, then đ´đśđ+ â đżđ đź,đ đź,đ đź,đ and, consequently, đđ+ = đ´đśđ+ âŠđżđ = đ´đśđ+ . If (đâđź)đ ⼠1, đź,đ đź,đ đ then đđ+ = đ´đśđ+ ⊠đż is the set of all functions belonging đź,đ đâđź đ)(đ) = 0. to đ´đśđ+ that satisfy the condition (đźđ+
đâ1
đ+1âđź đźâ1 + đźđ+ đźđ+ đ (đĄ)
for
đ1+đ đ đ,đ đ â đ´đśđ+ (đĄ â đ)đ + đźđ+ đ! đ=0
=â
(49)
To show that đ˘ â đ´đśđ+ ⊠đżđ it is sufficient to check that
+
.
đâ1
So, in both cases (đ = 1, đ ⼠2) there exist đđ â Rđ and đ â đżđ such that
đ+1âđź đźđ+ đ˘ (đĄ)
đźâ1,đ
⊠đżđ = đđ+
đźâđ đźâđ đ đ đ˘đ+ = đˇđ+ đ˘ = â đźđ+ đ1+đ + đźđ+ đ
(48)
= đˇđâ1 (đđ,đ ) = đ1,đ .
(55)
đĄ â [đ, đ] a.e.,
with đ â đżđ . So (cf. Theorem 12), đ˘ â đ´đśđ+ From Theorem 13 (b) it also follows that
đ,đ
đâ1 This means that đźđ+ đ â đđ+ and, consequently,
] ((â
â đ)đżâ1 ) (đĄ) = đźđ+
đź đźđ+ đ (đĄ) ,
(54)
đ â đśđâ , (57)
for any đ â {1, . . . , đ}. In such a case there exist the left đźâ(đâ1) đźâ(đâ2) đź Riemann-Liouville derivatives đˇđ+ đ˘, đˇđ+ đ˘, . . . , đˇđ+ đ˘ of đ˘ and đźâ(đâ1) đ˘, đ1 = đˇđ+
đźâ(đâ2) đ2 = đˇđ+ đ˘, . . . ,
đź đđ = đˇđ+ đ˘. (58)
Proof. Case of đź = đ follows from Theorem 1. So, let us consider the case of đâ1 < đź < đ. We will apply the induction with respect to đ â N.
Journal of Function Spaces and Applications
7 đź,đ
When đ = 1, it is sufficient to use the definition of đđ+ with đź â (0, 1) and Theorem 20. So, let đ â N and assume that the theorem is true for any đź â (đâ1, đ). We will show that it is true for any đź â (đ, đ+1). đź,đ Indeed, if đ˘ â đđ+ with a fixed đź â (đ, đ + 1), then đźâ1,đ đ˘ â đđ+ , đźâđ đ˘ đˇđ+
=
đźâđ đ˘đ+
â
Moreover, condition (64) for đ = 1, Lemma 14, and the integral form of the classical fractional theorem on the integration by parts (cf. [3, formula (2.20)]) imply that đ
đ
đ
đ
đźâđ đ (đĄ) đđĄ ⍠đ1 (đĄ) đ (đĄ) đđĄ = ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ
(59)
đ,đ đđ+ .
đ
đâđź+1 1 đˇđâ đ (đĄ) đđĄ = ⍠đ˘ (đĄ) đźđâ
(60)
đ
Relation (59) implies (by the induction assumption) the existence of functions đ1 , . . . , đđ â đżđ such that (of course, đź â 1 â (đ â 1, đ)) đ
đ
đ
đ
đźâ((đ+1)âđ) (đźâ1)â(đâđ) đ (đĄ) đđĄ = ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ đ
= ⍠đđ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ đ
(61)
đ1 =
=
đ
đ
(62)
đ
(đ+1)âđź đ đˇđâ đ (đĄ) đđĄ = ⍠đ˘ (đĄ) đźđâ đ
đ
(đ+1)âđź đ đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ = ⍠đźđ+ đ
đźâđ đ˘ and from (60) it follows that From the existence of đˇđ+ 1â(đźâđ) đ+1,đ đźđ+ đ˘ â đ . In particular, there exists derivative đź đź đ˘ â đżđ . If we put đđ+1 = đˇđ+ đ˘ we see that đđ+1 = đˇđ+ đźâ((đ+1)â(đ+1)) đˇđ+ đ˘ and
đ
đâđź+1 for any đ â This means that đźđ+ đ˘ â đ1,đ . So, if we fix đ â {2, . . . , đ+1} and use once again Lemma 14 and the integral form of the classical fractional theorem on the integration by parts, we obtain
đźâ((đ+1)âđ) đ (đĄ) đđĄ = ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ
(đźâ1)â(đâđ) đźâ((đ+1)âđ) đ˘ = đˇđ+ đ˘. đđ = đˇđ+
âŤ
đ
đśđâ .
đ
đźâ((đ+1)â1) đˇđ+ đ˘,
.. .
đźâ((đ+1)â(đ+1)) đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ
đ
đâđź+1 đ˘ (đĄ) đˇ1 đ (đĄ) đđĄ = â ⍠đźđ+
⍠đđ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ
(đźâ1)â(đâ2) đźâ((đ+1)â2) đ˘ = đˇđ+ đ˘, đ2 = đˇđ+
đ
đ
(66) đâđź+1 1 đźđ+ đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ
đ
for any đ â đśđâ and đ â {1, . . . , đ}. Moreover, (đźâ1)â(đâ1) đˇđ+ đ˘
=âŤ
đ
=âŤ
đ
đ
=âŤ
đ
đ
đźâ((đ+1)âđ) đ (đĄ) đđĄ = ⍠đđ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ, ⍠đ˘ (đĄ) đˇđâ
(63)
đ
đźâđ đ˘ (đĄ) đˇđâ1 đ (đĄ) đđĄ. = (â1)đâ1 ⍠đˇđ+ đ
Thus, from Theorem 1 it follows that
đ â đśđâ , (64)
for any đ â {1, . . . , đ + 1}. Since đź â ((đ + 1) â đ) = đź â 1 â (đ â đ), the above condition for đ â {1, . . . , đ} and the induction assumption mean that đźâ1,đ . đ˘ â đđ+
đ
(đ+1)âđź đ˘ (đĄ) đˇ1 đˇđâ1 đ (đĄ) đđĄ = (â1)đ ⍠đźđ+
đ
đź đˇđ+ đ˘ (đĄ) đ (đĄ) đđĄ
for any đ â đśđâ (the second equality follows from Theorem 16). Now, let us assume that there exist functions đ1 , . . . , đđ+1 â đżđ such that
đ
đ
đ
đ
đ
= (â1) âŤ
(67) (đ+1)âđź đźđ+ đ˘ (đĄ) đˇđ đ (đĄ) đđĄ
1â(đźâđ) đ˘ (đĄ) đˇđâ1 đ (đĄ) đđĄ = (â1)đâ1 ⍠đˇ1 đźđ+
= ⍠đđ+1 (đĄ) đ (đĄ) đđĄ
đ
đ
đ
đź đ˘ (đĄ) đˇđâ đ (đĄ) đđĄ
đ
đ
đ
(65)
đźâđ đźâđ = đˇđ+ đ˘ â đđ,đ . đ˘đ+ đźâ1,đ
Using (65) and (68) we assert that đ˘ â đđ+
(68) .
Functions đ1 , . . . , đđ will be called the weak left fractional đź,đ derivatives of đ˘ â đđ+ of orders đź â (đ â 1), . . . , đź, respectively. Their uniqueness follows from [1, Lemma IV.2 and Propositions IV.18,IV.21]. From the above theorem it follows that they coincide with the appropriate RiemannLiouville derivatives. We have the following counterpart of Remark 2. đź,đ
Theorem 23. If đ˘ â đđ+ , đ â 1 < đź ⤠đ, and đ â N, then đźâ(đâ1) đđ = đˇđâ1 (đˇđ+ đ˘) ,
đ = 1, . . . , đ.
(69)
8
Journal of Function Spaces and Applications đź,đ
đâđź Proof. If đ˘ â đđ+ , then đźđ+ đ˘ â đđ,đ and from the definition of the Riemann-Liouville derivative and Theorem 22 it follows that
where đž = (đ â đ)đź /Î(đź + 1) (cf. [3, formula (2.72)]). Thus (of 1âđź đź đ˘(đ) and đ = đˇđ+ đ˘), course, đ = đźđ+ đ óľŠ óľŠđ âđ˘âđżđ ⤠đż đź,0 (|đ|đ + óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđżđ )
đźâđ+1 1â(đźâđ+1) đâđź đ˘ = đˇ1 đźđ+ đ˘ = đˇ1 (đźđ+ đ˘) , đ1 = đˇđ+
đ2 =
đźâđ+2 đˇđ+ đ˘
=đˇ
1
=
2â(đźâđ+2) đˇ2 đźđ+ đ˘
đâđź (đˇ1 đźđ+ đ˘)
=đˇ
1
=
đđ =
=
đ
đ+
(70)
where (đ â đ)1â(1âđź)đ + đžđ ) . Î(đź)đ (1 â (1 â đź) đ)
(76)
đ đ đ óľŠ đź óľŠóľŠđ đ˘óľŠóľŠđżđ ⤠đż đź,1 âđ˘âđ,đđź,đ , âđ˘âđđź,đ = âđ˘âđżđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ+ đ+
(77)
đż đź,0 = 2đâ1 (
đâ(đźâđ+đ) đˇđ đźđ+ đ˘
đâđź đźâđ+1 = đˇđâ1 (đˇ1 đźđ+ đ˘) = đˇđâ1 (đˇđ+ đ˘) .
Consequently,
The proof is completed. đź,đ
6. Norms in đđ+
Let us fix đź â (đ â 1, đ] where đ â N and consider in the space đź,đ đđ+ a norm â â
âđđ+đź,đ given by
where đż đź,1 = đż đź,0 + 1. Now, we will prove that there exists a constant đđź,1 > 0 such that đ
đ
âđ˘âđ,đđź,đ ⤠đđź,1 âđ˘âđđź,đ , đ+
đâ1 óľŠ đźâ(đâ1)+đ óľŠóľŠđ đ đ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ , âđ˘âđđź,đ = âđ˘âđżđ + â óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ+
đ=0
đź,đ đ˘ â đđ+
(71)
(here â â
âđżđ denotes the classical norm in đżđ ). We have the following theorem.
đâ1
óľ¨ đâđź óľ¨đ óľŠ đź óľŠóľŠđ = â óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ˘(đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ ,
đ˘â
đ=0
đź,đ đđ+ .
đ 1 đź đ˘ (đĄ) = + đźđ+ đ (đĄ) Î (đź) (đĄ â đ)1âđź
⤠2đâ1 (
đĄ
đ
đĄ0
(80)
for any đĄ â [đ, đ]. Consequently, đĄ óľ¨óľ¨ 1âđź đ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨(đź đ˘) (đĄ)óľ¨óľ¨ ⤠1 óľŠóľŠóľŠóľŠđź1âđź đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠ 1 + ⍠óľ¨óľ¨óľ¨đˇđź đ˘ (đ )óľ¨óľ¨óľ¨ đđ óľ¨ óľ¨óľ¨ đ â đ óľŠ đ+ óľŠđż óľ¨óľ¨ đ+ óľ¨ đ+ đĄ0
â¤
1 óľŠóľŠ 1âđź óľŠóľŠ óľŠóľŠđź đ˘óľŠóľŠ + óľŠóľŠóľŠđˇđź đ˘óľŠóľŠóľŠ 1 đ â đ óľŠ đ+ óľŠđż1 óľŠ đ+ óľŠđż
â¤
1 (đ â đ)1âđź óľŠ đź óľŠóľŠ đ˘óľŠóľŠđż1 âđ˘âđż1 + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ â đ Î (2 â đź)
(81)
for đĄ â [đ, đ]. In particular, 1âđź óľ¨óľ¨ 1âđź đ óľ¨óľ¨ óľ¨óľ¨(đź đ˘) (đ)óľ¨óľ¨ ⤠1 (đ â đ) âđ˘âđż1 + óľŠóľŠóľŠđˇđź đ˘óľŠóľŠóľŠ 1 . óľ¨óľ¨ đ+ óľ¨óľ¨ đ â đ Î (2 â đź) óľŠ đ+ óľŠđż
đ
1 |đ|đ óľŠ óľŠđ ⤠2đâ1 ( (đ â đ)(đźâ1)đ+1 +đžđ óľŠóľŠóľŠđóľŠóľŠóľŠđżđ ) , Î(đź)đ (đź â 1)đ + 1 (74)
đ
1âđź 1âđź 1âđź (đźđ+ đ˘) (đĄ) = (đźđ+ đ˘) (đĄ0 ) + ⍠đˇ1 (đźđ+ đ˘) (đ ) đđ
(73)
|đ| óľŠ đź óľŠóľŠđ (đźâ1)đ đđĄ + óľŠóľŠóľŠđźđ+ đóľŠóľŠđżđ ) đ ⍠(đĄ â đ) Î(đź) đ
(79)
đ
with đ â Rđ and đ â đżđ , we have
đ
đ 1 1âđź đ đ˘) (đ ) đđ . ⍠(đźđ+ đâđ đ
1âđź From the absolute continuity of (đźđ+ đ˘) it follows that
(72)
óľ¨óľ¨đ óľ¨óľ¨ 1 óľ¨óľ¨ óľ¨ đ đź óľ¨óľ¨ đđĄ = ⍠óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + đź đ(đĄ) đ+ 1âđź óľ¨óľ¨ đ óľ¨óľ¨ Î(đź) (đĄ â đ) óľ¨
(78)
đź,đ
đ
đ
đź,đ đ˘ â đđ+ .
Indeed, let đ˘ â đđ+ and consider a coordinate function 1âđź đ 1âđź (đźđ+ đ˘) of đźđ+ đ˘ with a fixed đ â {1, . . . , đ}. The mean value theorem implies the existence of đĄ0 â (đ, đ) such that đ
Proof. We will use the induction with respect to đ â N. đź,đ Assume that đ = 1 and (1 â đź)đ < 1. Then, for đ˘ â đđ+ given by
đ âđ˘âđżđ
đ+
1âđź (đźđ+ đ˘) (đĄ0 ) =
Theorem 24. If đ â N and đź â (đ â 1, đ], then the norm â â
âđđ+đź,đ is equivalent to a norm âđ˘âđ,đđ+đź,đ given by đ âđ˘âđ,đđź,đ đ+
(75)
= đż đź,0 âđ˘âđ,đđź,đ ,
đźâđ+1 (đˇđ+ đ˘) ,
.. . đźâđ+đ đˇđ+ đ˘
óľ¨đ óľŠ đź óľŠóľŠđ óľ¨ 1âđź = đż đź,0 (óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đźđ+ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ )
đâđź đˇ2 đźđ+ đ˘
(82)
So, óľ¨ óľ¨óľ¨ 1âđź đź óľŠ óľ¨óľ¨đźđ+ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ ⤠đđđź,0 (âđ˘âđż1 + óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđż1 ) óľ¨ óľ¨ óľŠ đź óľŠóľŠ ⤠đđđź,0 (đ â đ)(đâ1)/đ (âđ˘âđżđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ ) ,
(83)
Journal of Function Spaces and Applications
9 1,đ
where đđź,0 = (đ â đ)âđź /Î(2 â đź) + 1. Thus,
đźâ1 đâ(đźâ1) đ+1âđź đ˘ = đˇđ đźđ+ đ˘ = đˇđ đźđ+ đ˘ â đđ+ (because of Since đˇđ+ đ+1,đ đ+1âđź đźđ+ đ˘ â đđ+ ), therefore (cf. case of đ = 1)
óľ¨đ óľ¨óľ¨ 1âđź đ óľ¨óľ¨đźđ+ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨ ⤠đđ đđź,0 (đ â đ)đâ1 2đâ1 óľ¨ óľ¨ đ óľŠ đź óľŠóľŠđ Ă (âđ˘âđżđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ )
(84)
đ đ óľŠóľŠ đźâ1 óľŠóľŠđ óľŠ óľŠ đâ(đźâ1) óľŠ đâ(đźâ1) óľŠ óľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠ đ = óľŠóľŠóľŠđˇđ đźđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠđżđ ⤠óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ đźđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠđ1,đ óľŠ óľŠđż óľŠ đ+
óľŠ óľŠđ đâ(đźâ1) óľŠ â¤ đż 1,1 óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ đźđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđ,đ1,đ đ+
and, consequently,
óľ¨đ óľŠ óľ¨ đâ(đźâ1) đâ(đźâ1) óľŠ = đż 1,1 (óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠóľŠđˇ1 đˇđ đźđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠđżđ ) óľ¨đ óľŠ óľ¨ đâ(đźâ1) đâ(đźâ1) óľŠ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+1 đźđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠđżđ ) , = đż 1,1 (óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ (88)
óľ¨đ óľŠ đź óľŠóľŠđ óľ¨ 1âđź đ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ âđ˘âđ,đđź,đ = óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đźđ+ đ+ đ
⤠(đđ đđź,0 (đ â đ)đâ1 2đâ1 + 1)
(85)
đ óľŠ đź óľŠóľŠđ đ˘óľŠóľŠđżđ ) Ă (âđ˘âđżđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+
=
where đż 1,1 is such that
đ đđź,1 âđ˘âđđź,đ , đ+
âVâ
đ
1,đ
đđ+
⤠đż 1,1 âVâ
đ
1,đ
đ,đđ+
(89)
đ
where đđź,1 = đđ đđź,0 (đ â đ)đâ1 2đâ1 + 1. đź,đ đź,đ When (1 â đź)đ ⼠1, then (cf. Remark 21) đđ+ = đ´đśđ+ ⊠đź,đ đżđ is the set of all functions đ˘ belonging to đ´đśđ+ that satisfy 1âđź the condition (đźđ+ đ˘)(đ) = 0. Consequently, in the same way as in the case of (1 â đź)đ < 1 (putting đ = 0) we obtain the đ đ inequality âđ˘âđđź,đ ⤠đż đź,1 âđ˘âđ,đđź,đ with some đż đź,1 > 0. The đ
đ+
1,đ
for V â đđ+ . Thus, đâ1 óľ¨ đâ(đźâ1) óľ¨đ đ đ˘(đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ âđ˘âđđź,đ ⤠đż đźâ1,đ â óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ+
+ đż đźâ1,đ đż 1,1
đ
inequality âđ˘âđ,đđź,đ ⤠đđź,1 âđ˘âđđź,đ with some đđź,1 > 0 is đ+ đ+ obvious (it is sufficient to put đđź,1 = 1 and use the fact that 1âđź (đźđ+ đ˘)(đ) = 0). Now, let us assume that the assertion holds true for some đ â N. We will prove that it is true for đ + 1. Let đź â (đ, đ + 1]. We know that there exist constants đż đź,đ and đđź,đ > 0 such that (
1 đ đ đ ) âđ˘â đźâ1,đ ⤠âđ˘â đźâ1,đ ⤠đż đź,đ âđ˘â đźâ1,đ đ,đđ+ đđ+ đ,đđ+ đđź,đ đźâ1,đ
đź,đ
đźâ1,đ
for any đ˘ â đđ+ . If đ˘ â đđ+ , then đ˘ â đđ+ therefore (from the induction assumption)
óľ¨ óľ¨đ óľŠ đâ(đźâ1) đâ(đźâ1) óľŠ Ă (óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+1 đźđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠđżđ ) óľŠ đź óľŠóľŠđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ
đ=0 đ
= đż đź,đ+1 âđ˘âđ,đđź,đ ,
(86)
and
đ+
where đż đź,đ+1 = đż đźâ1,đ + đż đźâ1,đ đż 1,1 + 1 (we used the equality đâ(đźâ1) đ+1âđź đź đˇđ+1 đźđ+ đ˘ = đˇđ+1 đźđ+ đ˘ = đˇđ+ đ˘). đźâ1,đ On the other hand, since đ˘ â đđ+ , therefore (from the induction assumption) đâ1
óľ¨ đâ(đźâ1) óľ¨đ óľŠ đźâ1 óľŠóľŠđ đ˘(đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ â óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+
đ=0
đ=0
đâ1 óľŠ (đźâ1)â(đâ1)+đ óľŠóľŠđ đ = âđ˘âđżđ + â óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ đ=0
óľŠ đź óľŠóľŠđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ đ óľŠ đź óľŠóľŠđ = âđ˘â đźâ1,đ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ đđ+ đ
⤠đż đźâ1,đ âđ˘â
đźâ1,đ
đ,đđ+
đâ1
óľŠ đź óľŠóľŠđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ
óľ¨ đâ(đźâ1) óľ¨đ óľŠ đźâ1 óľŠóľŠđ = đż đźâ1,đ ( â óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ ) đ=0
óľŠ đź óľŠóľŠđ đ˘óľŠóľŠđżđ . + óľŠóľŠóľŠđˇđ+
(90)
đ óľ¨đ óľŠ đź óľŠóľŠđ óľ¨ đ+1âđź ⤠đż đź,đ+1 (âóľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ )
đ óľŠ đźâđ+đ óľŠóľŠđ đ đ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ âđ˘âđđź,đ = âđ˘âđżđ + âóľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ+
đ=0
đ+
⤠(87)
đ đđźâ1,đ (âđ˘âđżđ
đâ1
(91)
óľŠ đźâ1â(đâ1)+đ óľŠóľŠđ + â óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ ) . đ=0
So, đâ1
óľ¨đ óľ¨ đâ(đźâ1) đ˘ (đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ â óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ=0
đâ2 óľŠ đźâ1â(đâ1)+đ óľŠóľŠđ óľŠóľŠ đźâ1 óľŠóľŠđ đ ⤠đđźâ1,đ (âđ˘âđżđ + â óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ ) . đ=0
(92)
10
Journal of Function Spaces and Applications
đ+1âđź đ+1âđź Let us recall that đźđ+ đ˘ â đđ+1,đ , so đźđ+ đ˘ â đđ,đ , đ đ+1âđź 1,đ đź đ+1 đ+1âđź 1 đ đ+1âđź đˇ đźđ+ đ˘ â đ , and đˇđ+ đ˘ = đˇ đźđ+ đ˘ = đˇ đˇ đźđ+ đ˘. Thus,
óľ¨óľ¨ đ đ+1âđź óľ¨đ đ đź óľŠ óľ¨óľ¨đˇ đźđ+ đ˘(đ)óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ óľ¨ óľ¨ đ óľŠ đ+1âđź óľŠ = óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ đźđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠóľŠđ,đ1,đ đ+
đâ1
(93)
đ óľŠ đ+1âđź óľŠ â¤ đ1,1 óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ (đźđ+ đ˘)óľŠóľŠóľŠóľŠđ1,đ đ+
1,đ
đ,đđ+
⤠đ1,1 âVâ
đ
1,đ
đđ+
.
(94)
Consequently,
(96)
đĄ â [đ, đ] a.e.,
đź,đ
where đ1,1 is such that đ
đđ (đĄ â đ)đźâđ+đ đ=0 Î (đź â đ + 1 + đ)
đ˘ (đĄ) = â
đź + đźđ+ đ (đĄ) ,
đ óľŠ óľŠ đź óľŠóľŠđ đâ(đźâ1) óľŠ = đ1,1 (óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ (đźđ+ đ˘)óľŠóľŠóľŠóľŠđż + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘)óľŠóľŠđż ) , đ đ
âVâ
đź,đ
is complete. Let (đ˘đ ) â đđ+ be a Cauchy sequence with đâđź đ˘đ (đ)), đ = respect to this norm. So, the sequences (đˇđ đźđ+ đ đź đ˘đ ) is the 0, . . . , đ â 1, are Cauchy sequences in R and (đˇđ+ Cauchy sequence in đżđ . Let đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 â Rđ and đ â đżđ be limits of the above sequences in Rđ and đżđ , respectively. Then the function
đź,đ
belongs to đđ+ and is the limit of (đ˘đ ) in đđ+ with respect to â â
âđ,đđ+đź,đ (to assert that đ˘ â đżđ it is sufficient to consider the cases (đ â đź)đ < 1 and (đ â đź)đ ⼠1âin the second case đâđź đ˘đ (đ) = 0 for any đ â N and, consequently, đ0 = 0). đźđ+ In the proofs of the next two theorems we use the method presented in [1].
đâ1
óľ¨ đâ(đźâ1) óľ¨đ đ đ˘(đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ âđ˘âđ,đđź,đ = â óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ+
đź,đ
Theorem 26. The space đđ+ is reflexive with respect to each of the norms â â
âđđ+đź,đ and â â
âđ,đđ+đź,đ , for any đź > 0 and 1 < đ < â.
đ=0
óľ¨ óľ¨đ óľŠ đź óľŠóľŠđ đâ(đźâ1) + óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨đˇđ đźđ+ đ˘(đ)óľ¨óľ¨óľ¨óľ¨ + óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđżđ
đź,đ
đâ2 óľŠ đźâ1â(đâ1)+đ óľŠóľŠđ đ ⤠đđźâ1,đ (âđ˘âđżđ + â óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ
Proof. Let us consider đđ+ with the norm â â
âđđ+đź,đ and define a mapping
đ=0
đź,đ đźâ(đâ1) đźâ1 đź â đ˘ ół¨ół¨â (đ˘, đˇđ+ đ˘, . . . , đˇđ+ đ˘, đˇđ+ đ˘) đ : đđ+
óľŠ đźâ1 óľŠóľŠđ +óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ ) óľŠ đźâ1 óľŠóľŠđ óľŠóľŠ đź óľŠóľŠđ đ˘óľŠóľŠóľŠđż + óľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđż ) + đ1,1 (óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ
đ
â đżđ Ă đżđ Ă â
â
â
Ă đżđ Ă đżđ . (95)
đâ1 óľŠ đźâ1â(đâ1)+đ óľŠóľŠđ đ ⤠đđź,đ+1 (âđ˘âđżđ + â óľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ đ=0
óľŠ đź óľŠóľŠđ +óľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠđż ) đ
đ óľŠ đźâđ+đ óľŠóľŠđ đ = đđź,đ+1 (âđ˘âđżđ + âóľŠóľŠóľŠóľŠđˇđ+ đ˘óľŠóľŠóľŠđżđ ) đ=0
(97)
đź,đ
Since đ is the isometry, đ(đđ+ ) is the closed linear subspace of the reflexive space đżđ Ă â
â
â
Ă đżđ . So (cf. [8, Corollary 1 in đź,đ Part V.73]), it is reflexive and, consequently, đđ+ is reflexive with respect to â â
âđđ+đź,đ . đź,đ From the equivalence of the norms it follows that đđ+ đź,đ with the norm â â
âđ,đđ+ is also reflexive (it is sufficient đź,đ to consider the identity mapping đ : (đđ+ , â â
âđđ+đź,đ ) â đź,đ (đđ+ , â â
âđđ+đź,đ ) being the linear homeomorphism and use [8, Remark in Part V.7.3]). đź,đ
Theorem 27. The space đđ+ is separable with respect to each of the norms â â
âđđ+đź,đ and â â
âđ,đđ+đź,đ , for any đź > 0 and 1 ⤠đ < â.
đ
= đđź,đ+1 âđ˘âđđź,đ , đ+
where đđź,đ+1 = đđźâ1,đ + đ1,1 .
đź,đ
đź,đ
7. Basic Properties of đđ+
Now, we are in a position to prove some basic properties of the introduced spaces. đź,đ
Theorem 25. The space đđ+ is complete with respect to each of the norms â â
âđđ+đź,đ and â â
âđ,đđ+đź,đ , for any đź > 0 and 1 ⤠đ < â. Proof. Let đ â N be such that đź â (đ â 1, đ]. Of course, đź,đ it is sufficient to show that đđ+ with the norm â â
âđ,đđ+đź,đ
Proof. Let us consider đđ+ with the norm â â
âđđ+đź,đ and mapping đ defined in the proof of Theorem 26. Of course, đź,đ đ(đđ+ ) is separable as a subset of separable space đżđ Ăâ
â
â
Ăđżđ . đź,đ Since đ is the isometry, đđ+ is also separable with respect to the norm â â
âđđ+đź,đ . Equivalence of the norms â â
âđ,đđ+đź,đ đź,đ and â â
âđđ+đź,đ implies separability of đđ+ with respect to â â
âđđ+đź,đ .
8. Imbeddings We have the following extension of Theorem 12.
Journal of Function Spaces and Applications
11
Theorem 28. (a) If 0 < đ˝ < đź ⤠1, then đź,đ đ˝ đ˝,đ đ´đśđ+ â đźđ+ (đżđ ) â đ´đśđ+
(98)
for 1 ⤠đ ⤠đ < â and 1 ⤠đ < 1/(1 â đź + đ˝); consequently, đź,đ đ˝,đ đđ+ â đđ+
(99)
for 1 ⤠đ ⤠đ < â and 1 ⤠đ < 1/(1 â đź + đ˝). (b) If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2, and 0 < đ˝ < đź â (đ â 1), then đź,đ đ´đśđ+
â
đ˝ đźđ+
đ
(đż ) â
đ˝,đ đ´đśđ+
(100)
for 1 ⤠đ < â and 1 ⤠đ < 1/(đ â đź + đ˝); consequently, đź,đ đ˝,đ đđ+ â đđ+
(101)
for 1 ⤠đ < â and 1 ⤠đ < (1/(đ â đź + đ˝)). (c) If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2, đ˝ = đź â đ, and đ â {1, . . . , đ â 1}, then đź,đ đ˝,đ â đ´đśđ+ đ´đśđ+
(102)
for 1 ⤠đ < â and 1 ⤠đ < â; consequently, đź,đ đ˝,đ đđ+ â đđ+
(103)
for 1 ⤠đ < â, (đ â đź)đ < 1, 1 ⤠đ < â, and (đ â đź)đ < 1 or 1 ⤠đ < â, (đ â đź)đ ⼠1, and 1 ⤠đ < â. (d) If 0 < đź = đ˝, then đź,đ đ˝,đ â đ´đśđ+ đ´đśđ+
(104)
for 1 ⤠đ ⤠đ < â; consequently, đź,đ đđ+
â
đź,đ đđ+
(105)
for 1 ⤠đ ⤠đ < â. Proof. (a) Let us fix đ â [1, â). Theorems 12 and 13 (a) imply that đź,đ đź,1 đ˝ đ˝,đ â đ´đśđ+ â đźđ+ (đżđ ) â đ´đśđ+ đ´đśđ+
(106)
provided that (đź â đ˝ â 1)đ > â1 and 1 ⤠đ ⤠đ (cf. (20), (21)); that is, 1 ⤠đ < 1/(1 â đź + đ˝) and 1 ⤠đ ⤠đ. Consequently, for such đ and đ, đź,đ đź,đ đ˝,đ đ˝,đ = đ´đśđ+ ⊠đżđ â đ´đśđ+ ⊠đżđ = đđ+ . đđ+
(107)
(b) Let us fix đ â [1, â). In this case đź â đ˝ > 1 and, đźâđ˝ 1 đźâđ˝â1 đźđ+ đ â đś for any đ â đż1 . So (cf. consequently, đźđ+ đ = đźđ+ Theorems 12 and 13 (a)) đź,đ đ´đśđ+
â
đź,1 đ´đśđ+
â
đ˝ đźđ+
đ
(đż ) â
đ˝,đ đ´đśđ+
(108)
provided that (đź â đ˝ â đ)đ > â1 and 1 ⤠đ < â (cf. (20), (21)); that is, 1 ⤠đ < 1/(đ â đź + đ˝). Consequently, for such đ and 1 ⤠đ < â, đź,đ đź,đ đ˝ = đ´đśđ+ ⊠đżđ â đźđ+ (đżđ ) đđ+ đ˝ đ˝,đ đ˝,đ = đźđ+ (đżđ ) ⊠đżđ â đ´đśđ+ ⊠đżđ = đđ+
(109)
đ˝
(we used here the inclusion đźđ+ (đżđ ) â đżđ ). (c) Let us fix đ â [1, â). Theorems 12 and 13 (b) imply that đź,đ đź,1 đ˝,đ â đ´đśđ+ â đ´đśđ+ đ´đśđ+
(110)
for any đ â [1, â) (cf. (22), (24)). đź,đ đź,đ If (đ â đź)đ < 1, then (cf. Remark 21) đ´đśđ+ ⊠đżđ = đ´đśđ+ . So, đź,đ đź,đ đź,đ đ˝,đ đ˝,đ đđ+ = đ´đśđ+ ⊠đżđ = đ´đśđ+ â đ´đśđ+ â đ´đśđ+ ⊠đżđ đ˝,đ = đđ+
(111)
provided that (cf. Theorem 13 (b)) (đ â đź)đ < 1. If (đ â đź)đ ⼠đź,đ 1, then (cf. Remark 21) đ´đśđ+ ⊠đżđ is the set of all functions đź,đ đâđź đ)(đ) = 0. belonging to đ´đśđ+ that satisfy the condition (đźđ+ đ˝,đ đź,đ đ Consequently (cf. Theorem 13 (b)), đ´đśđ+ ⊠đż â đ´đśđ+ ⊠đżđ , đ˝,đ đź,đ that is, đđ+ â đđ+ for any 1 ⤠đ < â. (d) These facts are obvious. The first part of the point (c) of the above theorem implies the following. Corollary 29. If đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2, đ˝ = đź â đ, and đ â {1, . . . , đ â 1}, then đź,đ đ˝,đ â đđ+ đđ+
(112)
for 1 ⤠đ ⤠đ < â. In the next section we will use the following important result obtained in [9, Lemma 1.1]. Theorem 30. If đź > 0 and 1 ⤠đ < â, then the operator đź đźđ+ : đżđ â đżđ is completely continuous, that is, it maps the bounded sets onto relatively compact ones. Now, we are in a position to prove theorems on compactness of some imbeddings. Theorem 31. The imbedding đź,đ đ˝,đ â đđ+ đđ+
(113)
for 0 < đ˝ < đź ⤠1, 1 ⤠đ ⤠đ < â, and 1 ⤠đ < 1/(1 â đź + đ˝), given in Theorem 28 (a), is compact. Proof. Let 0 < đ˝ < đź ⤠1, 1 ⤠đ ⤠đ < â, 1 ⤠đ < 1/(1 â đź + đ˝), and (đ˘đ ), where đ˘đ (đĄ) =
đđ 1 đź + đźđ+ đđ (đĄ) , Î (đź) (đĄ â đ)1âđź đĄ â [đ, đ] a.e., đ â N,
(114)
12
Journal of Function Spaces and Applications đź,đ
be a bounded sequence in đđ+ . We will show that it contains đ˝,đ a subsequence which is convergent in đđ+ . Since (đ˘đ ) is bounded (cf. Theorem 24), the sequences (đđ ) and (đđ ) are bounded in Rđ and đżđ , respectively. So, one can choose a subsequence (đđ )đâN of positive integers such that (đđđ ) is convergent to some đ0 in Rđ and (cf. Theorem 30) đźâđ˝
such that (đźđ+ đđđ ) is convergent to some đ0 in đżđ . Of course, đźâđ˝
(đźđ+ đđđ ) is convergent to đ0 in đżđ . Moreover, the sequence ((đđđ /Î(đźâđ˝))(â
âđ)đźâ1âđ˝ ) converges in đżđ to (đ0 /Î(đźâđ˝))(â
â đźâ1âđ˝
đ)
. This means (cf. (20), (21)) that the sequence (đ˘đđ ) đ˝,đ
converges in đđ+ to đ˘0 given by đ˝ đ˘0 (đĄ) = đźđ+ đ0 (đĄ) ,
đĄ â [đ, đ] a.e.,
(115)
where đ0 (đĄ) = (đ0 /Î(đź â đ˝))(đĄ â đ)đźâ1âđ˝ + đ0 (đĄ). The proof is completed.
đž
đ0 where đž = (đź â đ˝) â 1 > 0. Consequently, (đźđ+ đđđ ) is convergent in đż1 to đ0 and
đźâđ˝ 1 đž 1 đźđ+ đđđ = đźđ+ đźđ+ đđđ ół¨â đźđ+ đ0
in đżđ , because đóľ¨ óľ¨óľ¨đ óľ¨ 1 đž 1 đźđ+ đđđ (đĄ) â đźđ+ đ0 (đĄ)óľ¨óľ¨óľ¨ đđĄ ⍠óľ¨óľ¨óľ¨đźđ+ óľ¨ đ óľ¨ đ đ đĄóľ¨ óľ¨óľ¨ óľ¨ đž đđđ (đ ) â đ0 (đ )óľ¨óľ¨óľ¨ đđ ) đđĄ ⤠⍠(⍠óľ¨óľ¨óľ¨đźđ+ óľ¨ đ đ óľ¨
đ˝
So, the sequence (đˇđ+ đ˘đđ ), where đ˝ đ˘đđ (đĄ) = đˇđ+
đ
đ0 đ (đĄ â đ)đźâđâđ˝ Î (đź â đ + 1 â đ˝) đ
đ1 đ + (đĄ â đ)đźâđâđ˝+1 Î (đź â đ + 2 â đ˝)
Corollary 32. The imbedding đź,đ đđ+ â đżđ
(116)
đ
+ â
â
â
+
for 0 < đź < 1, 1 ⤠đ ⤠đ < â, 1 ⤠đ < 1/(1 â đź) or đź = 1, and 1 ⤠đ ⤠đ < â is compact. Theorem 33. The imbedding
đ đđâ1 đźâđ˝ đđđ (đĄ) , (đĄ â đ)đźâđ˝â1 + đźđ+ Î (đź â đ˝) (121)
converges to the function
đź,đ đ˝,đ đđ+ â đđ+ ,
(117)
for đâ1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2, 0 < đ˝ < đźâ(đâ1), 1 ⤠đ < â, and 1 ⤠đ < 1/(đ â đź + đ˝), given in Theorem 28 (b), is compact. đź,đ
Proof. Let us consider a bounded sequence (đ˘đ ) in đđ+ where đ0đ (đĄ â đ)đźâđ Î (đź â đ + 1) đ1đ + (đĄ â đ)đźâđ+1 Î (đź â đ + 2) + â
â
â
+
(120)
óľŠóľŠ đž óľŠóľŠđ ⤠óľŠóľŠóľŠđźđ+ đđđ â đ0 óľŠóľŠóľŠ 1 (đ â đ) . óľŠ óľŠđż
The above theorem implies the following.
đ˘đ (đĄ) =
(119)
đ đđâ1
Î (đź)
đź + đźđ+ đđ (đĄ) ,
đ0 (đĄ) =
đ0 (đĄ â đ)đźâđâđ˝ Î (đź â đ + 1 â đ˝) +
đ1 (đĄ â đ)đźâđâđ˝+1 Î (đź â đ + 2 â đ˝)
(122)
đđâ1 + â
â
â
+ (đĄ â đ)đźâđ˝â1 Î (đź â đ˝) 1 + đźđ+ đ0 (đĄ) đ˝,đ
(118)
đ˝
in đżđ . Thus, the sequence (đ˘đđ ) converges in đđ+ to đźđ+ đ0 . The proof is completed. The above theorem implies the following.
(đĄ â đ)đźâ1 đĄ â [đ, đ] a.e.,
đ â Rđ and đđ â đżđ . We will show that it with đ0đ , đ1đ , . . . , đđâ1 đ˝,đ contains a subsequence which is convergent in đđ+ . is bounded, the sequences Since (đ˘đ ) đ ) â Rđ and (đđ ) are bounded in Rđ (đ0đ ), (đ1đ ), . . . , (đđâ1 and đżđ , respectively. So, one can choose a subsequence đ đ đđ ) are (đđ )đâN of positive integers such that (đ0 đ ), (đ1 đ ), . . . , (đđâ1 đ convergent to some đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 in R and (cf. Theorem 30) đž such that the sequence (đźđ+ đđđ ) is convergent in đżđ to some
Corollary 34. The imbedding đź,đ â đżđ đđ+
(123)
for đ â 1 < đź < đ, đ â N, đ ⼠2, 1 ⤠đ < â, 1 ⤠đ < 1/(đ â đź) or đź = đ, đ â N, đ ⼠2, 1 ⤠đ < â, and 1 ⤠đ < â is compact. Theorem 35. The imbedding đź,đ đ˝,đ đđ+ â đđ+ ,
(124)
for đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2, đ˝ = đź â đ, đ â {1, . . . , đ â 1}, and 1 ⤠đ ⤠đ < â, given in Corollary 29, is compact.
Journal of Function Spaces and Applications
13 đź,đ
Proof. Let us consider a bounded sequence (đ˘đ ) in đđ+ where
Corollary 36. The imbedding đź,đ â đżđ đđ+
đ0đ đ˘đ (đĄ) = (đĄ â đ)đźâđ Î (đź â đ + 1) +
đ1đ (đĄ â đ)đźâđ+1 Î (đź â đ + 2)
for đ â 1 < đź ⤠đ, đ â N, đ ⼠2, and 1 ⤠đ ⤠đ < â is compact. (125)
đđ + â
â
â
+ đâ1 (đĄ â đ)đźâ1 Î (đź) đź + đźđ+ đđ (đĄ) ,
đĄ â [đ, đ] a.e.,
đ â Rđ and đđ â đżđ . We will show that it with đ0đ , đ1đ , . . . , đđâ1 đ˝,đ contains a subsequence which is convergent in đđ+ . Since (đ˘đ ) is bounded, the sequences (đ0đ ), (đ1đ ), . . . , đ (đđâ1 ) â Rđ and (đđ ) are bounded in Rđ and đżđ , respectively. So, one can choose a subsequence (đđ )đâN of positive inteđ
đ
đź,đ
đź,đ
Remark 37. It is easy to see that imbeddings đđ+ â đđ+ for đź > 0 and 1 ⤠đ ⤠đ < â, given in Theorem 28 (d), are not compact. Remark 38. From Corollary 32 it follows that the imbedding đ1,đ â đżđ is compact for any 1 ⤠đ < â. Corollary 34 implies the compactness of the imbedding đđ,1 â đżđ for any đ â N, đ ⼠2, and 1 ⤠đ < â. The following problem is open: is it possible to strengthen Theorem 31 or Theorem 33 to deduce the compactness of the imbedding đ1,1 â đżđ for any 1 ⤠đ < â?
đ
đ ) are convergent to some gers such that (đ0 đ ), (đ1 đ ), . . . , (đđâ1 đ đ0 , đ1 , . . . , đđâ1 in R and (cf. Theorem 30) such that
đ
đ
1 đâ1 đ đ đ (đźđ+ ) , . . . , (đźđ+ đđâđ+1 đđâ1 ) , (đźđ+ đđđ )
(126)
are convergent to some đ1,0 , . . . , đđâ1,0 , đ0 in đżđ and, consequently, in đżđ . So (cf. Theorem 13 (b)), đ
(131)
đ
9. Application to Boundary Value Problems In this section, we will demonstrate an application of the obtained results to fractional boundary value problems. Namely, let us fix đź â (1/2, 1) and consider the following problem: đź đź đˇđ+ đĽ (đĄ) + đĽ (đĄ) = đ (đĄ) , đˇđâ
đ
đ˝ 1 đâ1 đ đ đ đ đˇđ+ đ˘đđ = đđâđ + đźđ+ đđâđ+1 + â
â
â
+ đźđ+ đđâ1 + đźđ+ đđđ
(127)
đź đˇđ+ đĽ (đ) = 0,
ół¨â đ0 in đżđ , where đ0 â đżđ is given by đ0 (đĄ) = đđâđ + đ1,0 (đĄ) + â
â
â
+ đđâ1,0 (đĄ) + đ0 (đĄ) , đĄ â [đ, đ] a.e.
(128)
This means (cf. (22), (23), and (24)) that the sequence (đ˘đđ )
đĄ â [đ, đ] a.e.
đĽ (đ) = 0,
(132)
where đ â đż2 . By a solution to this problem we mean đź,2 đź đź đź a function đĽ â đđ+ such that đˇđ+ đĽ and đˇđâ đˇđ+ đĽ exist, and satisfying the above equation and boundary conditions. Under the assumption on đź the boundary conditions make sense ([10, Property 4]). Let đ : đť Ă đť â R, where
đ˝,đ
converges in đđ+ to đ˘0 given by đ˘0 (đĄ) =
đź,2 ; đĽ (đ) = 0} , đť = {đĽ â đđ+
đ0 (đĄ â đ)đ˝â(đâđ) Î (đ˝ â (đ â đ) + 1) đ1 + (đĄ â đ)đ˝â(đâđ)+1 Î (đ˝ â (đ â đ) + 2) + â
â
â
+
đđâ(đ+1) Î (đ˝)
đ˝ + đźđ+ đ0 (đĄ) ,
to be in the following bilinear form (129)
(đĄ â đ)đ˝â1
đĄ â [đ, đ] a.e.,
where đ0 = đ0 ,
đ1 = đ1 , . . . ,
đđâ(đ+1) = đđâ(đ+1) .
The proof is completed.
(130)
đ
đ
đ
đ
đź đź đ (đĽ, đŚ) = ⍠đˇđ+ đĽ (đĄ) đˇđ+ đŚ (đĄ) đđĄ + ⍠đĽ (đĄ) đŚ (đĄ) đđĄ. (134)
It is easy to see that đť is the closed subspace of the Hilbert đź,2 space (đđ+ , â â
âđđ+đź,đ ); it is sufficient to observe that it is closed đź,2 in đđ+ with respect to â â
âđ,đđ+đź,đ and to use Theorem 24. Of course, đ is a scalar product in đť and the norm generated by đ is simply the norm â â
âđđ+đź,2 restricted to đť. Clearly, đ is continuous and coercive; that is, there exists a constant đ > 0 đź,2 ; in fact đ(đĽ, đĽ) = such that đ(đĽ, đĽ) ⼠đâđĽâ2đđź,2 for đĽ â đđ+ đ+
The above theorem implies the following.
(133)
âđĽâ2đđź,2 for đĽ â đť. So, Lax-Milgram theorem [1] or simply đ+
14
Journal of Function Spaces and Applications
đź,2 Riesz-Frechet theorem implies that there exists đĽ â đđ+ such that đ
đ (đĽ, â) = ⍠đ (đĄ) â (đĄ) đđĄ, đ
â â đť,
đ
1 = min { âââ2đđź,2 â ⍠đ (đĄ) â (đĄ) đđĄ} . đ+ ââđť 2 đ
(136)
Condition (135) means that đ
đ
đ
đź đź đĽ (đĄ) đˇđ+ â (đĄ) đđĄ = ⍠(đ (đĄ) â đĽ (đĄ)) â (đĄ) đđĄ, ⍠đˇđ+
â â đť. (137)
From a counterpart of Theorem 20 for the weak right fracđź đź,2 tional derivative it follows that đˇđ+ đĽ â đđâ and đź đź đˇđ+ đĽ (đĄ) + đĽ (đĄ) = đ (đĄ) , đˇđâ
đĄ â [đ, đ] a.e.
(138)
Since đĽ â đť, đĽ(đ) = 0. Moreover, applying Theorem 17 to the left side of (137) we obtain đ
đź đź đˇđ+ đĽ (đĄ) + đĽ (đĄ) â đ (đĄ)) â (đĄ) đđĄ ⍠(đˇđâ đ
1âđź đź 1âđź đź â (đ) đˇđ+ đĽ (đ) + đźđâ đˇđ+ đĽ (đ) â (đ) â đźđ+
(139)
=0 for â â đť. So, 1âđź đź đźđ+ â (đ) đˇđ+ đĽ (đ) = 0,
â â đť.
(140)
đź đĽ(đ) = 0. Indeed, it is sufficient to This means that đˇđ+ consider functions âđ , đ = 1, . . . , đ, of the form
đ 1 âđ (đĄ) = (0, . . . , 0, Î (đź) (đĄ â đ)1âđź +
1âđź đĽ (đ) = đś, đźđ+
(135)
đĽ (đ) = đˇ,
(145)
where đś, đˇ â Rđ , is investigated using the Stampacchia theorem (cf. [1]). Nonlinear system of the form
đ 1 âđĽâ2đđź,2 â ⍠đ (đĄ) đĽ (đĄ) đđĄ đ+ 2 đ
đ
đź,2 . In [4], system (142) with nonhomogeneous in the space đđ+ boundary conditions
đĄ
1 1 , 0, . . . , 0) , ⍠Π(đź) đ (đĄ â đ)1âđź
(141)
đź đź đˇđ+ đĽ (đĄ) = âđšđĽ (đĄ, đĽ (đĄ)) , đˇđâ
đĄ â [đ, đ] a.e.,
(146)
where đšđĽ is the gradient (in đĽ) of a potential đš = đš(đĄ, đĽ), with the above boundary conditions can be studied using the direct method of calculus of variations (cf. [11] for the case of (144)). đź,2 , and It is worth noting that if đź â (1/2, 1), đĽ â đđ+ 1âđź đźđ+ đĽ(đ) = 0, then đĽ(đ) = 0. It follows from the integral đź đ is H¨older representation of đĽ and from the fact that đźđ+ đź continuous on (đ, đ] and limđĄ â đ+ đźđ+ đ(đĄ) = 0 when đ â đż2 and đź â (1/2, 1) (cf. [10, Property 4]). So, it is natural to put in such a case đĽ(đ) = 0. It seems that the most accurate functions for investigating the above systems with boundary conditions involving condition đĽ(đ) = 0 (or more general đĽ(đ) = đś), in general case of đź â (0, 1), are the functions possessing the fractional derivatives in Caputo sense; on such functions one assumes that they are absolutely continuous on [đ, đ] and, consequently, condition đĽ(đ) = 0 makes sense. To our best knowledge, fractional Sobolev spaces via Caputo derivatives have not been investigated up to now and are an open problem. Remark 40. From the condition (136) it follows that one can search approximate solutions to (132) using numerical methods, for example, the gradient or projection of gradient methods applied to the functional đ 1 â ół¨ół¨â âââ2đđź,2 â ⍠đ (đĄ) â (đĄ) đđĄ đ+ 2 đ
(147)
đź,2 defined on đť and đđ+ , respectively.
Conflict of Interests The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this paper.
đ
where đ = â(đ â đ)1âđź âŤđ (1/(đ â đ)1âđź )đđĄ, with nonzero 1âđź âđ (đ) = đth coordinate function (of course, âđ â đť and đźđ+ (0, . . . , 0, đ, 0 . . . , 0) ≠ 0). Remark 39. In the same way one can prove the existence of a solution to system đź đź đˇđ+ đĽ (đĄ) + đĽ (đĄ) = đ (đĄ) , đˇđâ
đĄ â [đ, đ] a.e.
(142)
with boundary conditions 1âđź đźđ+ đĽ (đ) = 0,
1âđź đź đźđâ đˇđ+ đĽ (đ) = 0
(143)
đĽ (đ) = 0,
(144)
or 1âđź đźđ+ đĽ (đ) = 0,
Acknowledgment The project was financed with funds of National Science Centre, granted on the basis of decision DEC-2011/ 01/B/ST7/03426.
References [1] H. Brezis, Analyse Fonctionnelle, Theorie et Applications, Masson, Paris, France, 1983. [2] R. A. Adams, Sobolev Spaces, Academic Press, New York, Ny, USA, 1975. [3] S. G. Samko, A. A. Kilbas, and O. I. Marichev, Fractional Integrals and DerivativesâTheory and Applications, Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands, 1993.
Journal of Function Spaces and Applications [4] L. Bourdin and D. Idczak, âFractional fundamental lemma and fractional integration by parts formulaâapplications to critical points of Bolza functionals and to linear boundary value problems,â submitted. [5] D. Idczak and M. Majewski, âFractional fundamental lemma of order đź â (đ â 1/2, đ) with đ â đ, đ ⼠2,â Dynamic Systems and Applications, vol. 21, no. 2-3, pp. 251â268, 2012. [6] D. Idczak and S. Walczak, âA fractional imbedding theorem,â Fractional Calculus and Applied Analysis, vol. 15, no. 3, pp. 418â 425, 2012. [7] D. Idczak and S. Walczak, âCompactness of fractional imbeddings,â in Proceedings of the 17th International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR â12), pp. 585â588, 2012. [8] L. W. Kantorowitch and G. P. Akilov, Functional Analysis, Science, Moscow, Russia, 1984, (Russian). [9] M. W. Michalski, âDerivatives of noninteger order and their applications,â in Dissertationes Mathematicae, vol. 338, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland, 1993. [10] L. Bourdin, âExistence of a weak solution for fractional EulerLagrange equations,â Journal of Mathematical Analysis and Applications, vol. 399, no. 1, pp. 239â251, 2013. [11] R. Kamocki and M. Majewski, âOn a fractional Dirichlet problem,â in Proceedings of the 17th International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR â12), pp. 60â63, 2012.
15
The Scientific World Journal Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com
Volume 2013
Impact Factor 1.730 28 Days Fast Track Peer Review All Subject Areas of Science Submit at http://www.tswj.com