加权Bergman空间上以调和多项式为符号函数的Toeplitz算子的亚正规性
Hyponormality of the Toeplitz Operators with the Harmonic Polynomial Functions on Weighted Bergman Spaces
DOI: 10.12677/PM.2023.139275, PDF, HTML, XML, 下载: 191  浏览: 440 
作者: 郑 益, 杨纪龙:辽宁师范大学数学学院,辽宁 大连
关键词: 加权Bergman空间Toeplitz算子亚正规调和多项式Weighted Bergman Space Toeplitz Operator Hyponormal Harmonic Polynomial
摘要: 本文刻画了在复平面上开单位圆盘中一般加权Bergman空间上以调和多项式为符号的Toeplitz算子的亚正规性。
Abstract: In this paper, we describe the hyponormality of the Toeplitz operators with harmonic polynomialsas symbols on the weighted Bergman space in the open unit disk on the complex plane.
文章引用:郑益, 杨纪龙. 加权Bergman空间上以调和多项式为符号函数的Toeplitz算子的亚正规性[J]. 理论数学, 2023, 13(9): 2683-2689. https://doi.org/10.12677/PM.2023.139275

1. 引言

Toeplitz算子的研究一直是算子理论研究的重点内容之一。Toeplitz算子理论将Toeplitz矩阵和函数空间建立纽带,使能够对无限维矩阵进行变换运算,为一般算子的研究提供模板和技术方法。Toeplitz算子也广泛应用于数值计算、信号检测与处理、和量子物理学等学科中。

设H表示无穷维复可分Hilbert空间, B ( H ) 表示其上所有有界线性算子构成的Banach代数。 T B ( H ) 称为正规算子,若 T T = T T T B ( H ) 称为亚正规算子若 T T T T 0 。亚正规算子是正规算子,正规算子作为亚正规算子的一个特殊情况。由于正规算子理论完备性,非正规算子的研究更能激发学者们的兴趣。亚正规算子是重要的非正规算子。此外,亚正规算子的研究与量子力学紧密联系,如海森堡对易关系、波算子、散射矩阵和扰动等。Bergman空间是指区域上平方可积的解析空间,Bergman空间是重要的解析函数空间理论,与算子理论一直以来的公开问题——不变子空间问题相关联。在20世纪80年代,与Bergman空间相关的算子理论研究蓬勃发展,这一时期的成果斐然,体现在1990年出版的《函数空间中的算子理论》一书中。在20世纪90年代,学者们对Bergman空间的研究取得了函数论和算子论两方面的突破。随着研究的进步,人们不再满足把算子理论局限于经典Bergman空间,进一步将算子理论上升到加权Bergman空间。诸多学者在加权Bergman空间上的研究,尽管面临着许多挑战,但是收获了丰富的理论成果,极大地推动了算子理论的发展。本文主要研究复平面上开单位圆盘上一般加权Bergman空间上Toeplitz算子的亚正规性,Bergman空间和加权Bergman空间上的关于亚正规的Toeplitz算子的研究,见参考文献 [1] [2] [3] [4] [5] 。

D 为复平面上的开单位圆盘。将 D 上的测度v定义为 d v ( r e i θ ) = d η ( r ) × d θ 2 π ,这里 d η 代表 [ 0 , 1 ) 上的概率测度。Bergman空间是 D 上关于 d v 测度的平方可积空间 L 2 ( D , d v ) 的解析闭子空间,记为 A v 2 ( D ) 。序列 { τ t } t = 0 定义为

τ t : = D | z | t d v ( z ) = [ 0 , 1 ) r t d η ( r ) .

这样Bergman空间 A v 2 ( D ) 可表示成

A v 2 ( D ) = { f ( z ) = n = 0 a n z n : n = 0 | a n | 2 τ 2 n < } ,

其上内积有对应的表示

n = 0 a n z n , n = 0 b n z n = n = 0 a n b n ¯ τ 2 n .

对于自然数n,

e n ( z ) = z n τ 2 n ( z D )

A v 2 ( D ) 上的正规正交基。进而 A v 2 ( D ) 上再生核为

K z ( v ) ( w ) = n = 0 e n ( z ) ¯ e n ( w ) = n = 0 1 τ 2 n z ¯ n w n ( z , w D )

本文总记 k i ( z ) = n = 0 c 2 n + i z 2 n + i A v 2 ( D ) , i = 0 , 1 。这样 A v 2 ( D ) 中的每个函数都有形如 k 0 ( z ) k 1 ( z ) 这样的分解表达式。

L ( D , d v ) D 上关于测度 d v 的本性可测函数空间。若 φ L ( D , d v ) ,称 T φ 为在 A v 2 ( D ) 上以 φ 为符号的Toeplitz算子, H φ 为以 φ 为符号的Hankel算子

T φ f = P ( φ f ) , H φ f = ( I P ) ( φ f ) ,

其中 f A v 2 ( D ) ,P是从 L 2 ( D , d v ) A v 2 ( D ) 的正交投影。

2. 一般加权Bergman空间的结果

,Toeplitz算子 T φ 是亚正规算子,那么就有 T φ T φ T φ T φ 0

为了简化本文定理的计算过程,引入下面两个引理。

引理2.1 若 k , m 为自然数,则

P ( z k z ¯ m ) ( w ) = { 0 , k < m , τ 2 k τ 2 ( k m ) w k m , k m . (2.1)

证明:对于自然数 k , m

P ( z k z ¯ m ) ( w ) = z k z ¯ m , K z ( v ) ( w ) = j = 0 z k z ¯ m , e j ( z ) e j ( w ) = j = 0 1 τ 2 j z k , z j + m w j = { τ 2 k τ 2 ( k m ) w k m , k m , 0 , k < m .

引理2.2 令 i { 0 , 1 } m 1 k < m 。记 [ m i 2 ] 表示 m i 2 的整数部分。则

1) H z ¯ m k i ( z ) = { z ¯ m k i ( z ) k = [ m i 2 ] + 1 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) , m > i , z ¯ m k i ( z ) k = 0 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) , m i ; (2.2)

2) H z ¯ m k i 2 = { k = 0 [ m i 2 ] | c 2 k + i | 2 τ 2 ( 2 k + i + m ) + k = [ m i 2 ] + 1 ( τ 2 ( 2 k + i + m ) τ 2 ( 2 k + i ) 2 τ 2 ( 2 k + i m ) ) | c 2 k + i | 2 , m > i , k = 0 ( τ 2 ( 2 k + i + m ) τ 2 ( 2 k + i ) 2 τ 2 ( 2 k + i m ) ) | c 2 k + i | 2 , m i ; (2.3)

3) H z ¯ k 0 , H z ¯ k 1 = 0 ;

4) H z ¯ 2 k 0 , H z ¯ 2 k 1 = 0 .

证明:(1) 当 i = 0 , 1 时,由Hankel算子的概念,

H z ¯ m k i ( z ) = ( I P ) ( z ¯ m k i ( z ) ) = z ¯ m k i ( z ) P ( z ¯ m k i ( z ) ) .

应用 k i ( z ) 的展开式和引理2.1得

P ( z ¯ m k i ) ( z ) = { k = [ m i 2 ] + 1 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) , m > i , k = 0 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) , m i ,

P ( z ¯ m k i ) 带入,则结果得证。

(2) 对于 i = 0 i = 1 H z ¯ m k i 2 = H z ¯ m k i , H z ¯ m k i 。当 m i 时,带入式(2.2)得

H z ¯ m k i 2 = z ¯ m k i ( z ) k = 0 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) , z ¯ m k i ( z ) k = 0 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) = z ¯ m k i 2 + k = 0 | c 2 k + i | 2 τ 2 ( 2 k + i ) 2 τ 2 2 ( 2 k + i m ) τ 2 ( 2 k + i m ) z ¯ m k i ( z ) , k = [ m i 2 ] + 1 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) k = [ m i 2 ] + 1 c 2 k + i τ 2 ( 2 k + i ) z 2 k + i m τ 2 ( 2 k + i m ) , z ¯ m k i ( z ) = k = 0 | c 2 k + i | 2 τ 2 ( 2 k + i m ) k = 0 | c 2 k + i | 2 τ 2 ( 2 k + i ) 2 τ 2 ( 2 k + i m ) = k = 0 ( τ 2 ( 2 k + i + m ) τ 2 ( 2 k + i ) 2 τ 2 ( 2 k + i m ) ) | c 2 k + i | 2 .

相似地,当 m i

H z ¯ m k i 2 = k = 0 [ m i 2 ] | c 2 k + i | 2 τ 2 ( 2 k + i + m ) + k = [ m i 2 ] + 1 ( τ 2 ( 2 k + i + m ) τ 2 ( 2 k + i ) 2 τ 2 ( 2 k + i + m ) ) | c 2 k + i | 2 .

(3)与(4)由式(2.2)直接可得。

定理2.3 设 φ ( z ) = f ( z ) + g ( z ) ¯ ,其中 f ( z ) = a 1 z + a 2 z 2 g ( z ) = a 1 z + a 2 z 2 a 1 a ¯ 2 = a 1 a ¯ 2 。则 T φ A v 2 ( D ) 上是亚正规算子当且仅当

( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) τ 2 + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) τ 4 0 , ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 4 τ 2 2 τ 0 ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) τ 6 0 , ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 6 τ 4 2 τ 2 ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) τ 8 0 ,

( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 1 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 2 ) ) ( k 2 ) ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k ) ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 3 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) ( k 1 ) (2.4)

同时成立。

证明:由Toeplitz算子与Hankel算子的基本性质,得 T φ * T φ T φ T φ * = H f ¯ * H f ¯ H g ¯ * H g ¯ .

带入 f ( z ) 有, H f ¯ = a ¯ 1 H z ¯ + a ¯ 2 H z ¯ 2 。进一步,

H f ¯ * H f ¯ = ( a 1 H z ¯ * + a 2 H z ¯ 2 ) ( a ¯ 1 H z ¯ + a ¯ 2 H z ¯ 2 ) = | a 1 | 2 H z ¯ * H z ¯ + | a 2 | 2 H z ¯ * H z ¯ 2 + a 1 a ¯ 2 H z ¯ * H z ¯ 2 + a ¯ 1 a 2 H z ¯ 2 * H z ¯ . (2.5)

上式用 g ( z ) 代替 f ( z ) ,结合式(2.6)得到

H f ¯ * H f ¯ H g ¯ * H g ¯ = ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) H z ¯ * H z ¯ + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) H z ¯ 2 * H z ¯ 2 + ( a 1 a ¯ 2 a 1 a ¯ 2 ) H z ¯ * H z ¯ 2 + ( a ¯ 1 a 2 a ¯ 1 a 2 ) H z ¯ 2 H z ¯ = ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) H z ¯ * H z ¯ + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) H z ¯ 2 * H z ¯ 2 . (2.6)

T φ A v 2 ( D ) 上是亚正规的当且仅当 H f ¯ * H f ¯ H g ¯ * H g ¯ ( k 1 k 0 + ) , ( k 0 + k 1 ) 0 。而

( H f ¯ * H f ¯ H g ¯ * H g ¯ ) ( k 0 + k 1 ) , ( k 0 + k 1 ) = ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( H z ¯ k 0 2 + H z ¯ k 1 2 ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) ( H z ¯ 2 k 0 2 + H z ¯ 2 k 1 2 ) . (2.7)

应用引理2.2(2)得到

H z ¯ k 0 2 + H z ¯ k 1 2 = | c 0 | 2 τ 2 + k = 1 ( τ 2 ( 2 k + 1 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) | c 2 k | 2 + k = 0 ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k ) ) | c 2 k + 1 | 2 (2.8)

H z ¯ 2 k 0 2 + H z ¯ 2 k 1 2 = | c 0 | 2 τ 4 + | c 2 | 2 τ 8 + k = 2 ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 2 ) ) | c 2 k | 2 + | c 1 | 2 τ 6 + k = 1 ( τ 2 ( 2 k + 3 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) | c 2 k + 1 | . (2.9)

所以

( H f ¯ * H f ¯ H g ¯ * H g ¯ ) ( k 0 + k 1 ) , ( k 0 + k 1 ) = ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) { | c 0 | 2 τ 2 + k = 1 ( τ 2 ( 2 k + 1 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) | c 2 k | 2 + k = 0 ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k ) ) | c 2 k + 1 | 2 } + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) { | c 0 | 2 τ 4 + | c 2 | 2 τ 8 + k = 2 ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 2 ) ) | c 2 k | 2 } + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) { | c 1 | 2 τ 6 + k = 1 ( τ 2 ( 2 k + 3 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) | c 2 k + 1 | }

= { ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) τ 2 + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) τ 4 } | c 0 | 2 + { ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 4 τ 2 2 τ 0 ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) τ 6 } | c 1 | 2 + { ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 6 τ 2 4 τ 2 ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) τ 8 } | c 2 | 2 + k = 2 { ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 1 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 2 ) ) } | c 2 k | 2 + k = 1 { ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k ) ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) ( τ 2 ( 2 k + 3 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) } | c 2 k + 1 | .

分别取 k 0 + k 1 e n ( z ) ( n = 0 , 1 , ) 可得定理,证毕。

η ( r ) = r 2 ,则

d v ( r e i θ ) = d A ( z ) = r π d r d θ .

φ ( z ) 同定理2.3, T φ A v 2 ( D ) 上亚正规算子见参考文献 [1] ;若 η ( r ) = ( 1 r 2 ) α + 1 ,则

d v ( r e i θ ) = d A α ( z ) = ( α + 1 ) ( 1 | z | 2 ) α d A ( z ) = ( α + 1 ) ( 1 r 2 ) α r π d r d θ .

φ ( z ) 同定理2.3, T φ A v 2 ( D ) 上亚正规算子见参考文献 [2] 。

3. 特殊加权Bergman空间的结果

以下研究由 η ( r ) = r β + 1 ( β > 1 ) 诱导的 D 上测度

d v ( r e i θ ) = ( β + 1 ) r β 1 2 π d r d θ ,

对应的加权Bergman空间上的亚正规Toeplitz算子。此时,

τ t = D | z | t d v ( z ) = [ 0 , 1 ) r t d r β + 1 = β + 1 t + β + 1 .

定理3.1设 φ ( z ) = f ( z ) + g ( z ) ¯ ,其中 f ( z ) = a 1 z + a 2 z 2 g ( z ) = a 1 z + a 2 z 2 a 1 a ¯ 2 = a 1 a ¯ 2 。则 T φ A v 2 ( D ) 上是亚正规算子当且仅当

1) 若 | a 2 | > | a 2 | ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) δ β 0

2) 若 | a 2 | | a 2 | ( | a 1 | 2 | a 1 | 2 ) + ( | a 2 | 2 | a 2 | 2 ) λ β 0

其中

δ β = 4 ( β + 1 ) ( 4 + β + 1 ) ( 2 + β + 1 ) 2 ,

λ β = max { ( 6 + β + 1 ) ( 4 + β + 1 ) 2 4 ( 8 + β + 1 ) , 4 } .

证明:运用定理2.3,直接计算得

τ 4 τ 2 = 2 + β + 1 4 + β + 1 < 1 ,

τ 4 τ 2 2 τ 0 = β + 1 4 + β + 1 ( β + 1 ) 2 ( 2 + β + 1 ) 2 = 4 ( β + 1 ) ( 4 + β + 1 ) ( 2 + β + 1 ) 2 < 2 + β + 1 4 + β + 1 ,

τ 6 / ( τ 4 τ 2 2 τ 0 ) = β + 1 6 + β + 1 / 4 ( β + 1 ) ( 4 + β + 1 ) ( 2 + β + 1 ) 2 = ( 4 + β + 1 ) ( 2 + β + 1 ) 2 4 ( 6 + β + 1 ) ,

τ 8 / ( τ 6 τ 2 4 τ 2 ) = β + 1 8 + β + 1 / 4 ( β + 1 ) ( 6 + β + 1 ) ( 4 + β + 1 ) 2 = ( 6 + β + 1 ) ( 4 + β + 1 ) 2 4 ( 8 + β + 1 ) ,

1 < ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 2 ) ) / ( τ 2 ( 2 k + 1 ) τ 2 ( 2 k ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) = 4 ( 4 k + 2 + β + 1 ) ( 4 k + 4 + β + 1 ) 4 , ( k 2 )

1 < ( τ 2 ( 2 k + 3 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k 1 ) ) / ( τ 2 ( 2 k + 2 ) τ 2 ( 2 k + 1 ) 2 τ 2 ( 2 k ) ) = 4 ( 4 k + 4 + β + 1 ) ( 4 k + 6 + β + 1 ) 4 , ( k 1 )

定理得证。

本文研究了复平面上开单位圆盘中一般和特殊加权Bergman空间上以调和多项式为符号的Toeplitz算子的亚正规性的充分必要条件。

参考文献

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