Konvolusi Distribusi

Batas sumber. Bagian ini mengikat distributions.tex baris 761-1202 pada sumber beku.

Konvolusi

Teorema 6.5.1. Misalkan (X,μ)\left(X,\mu\right) adalah ruang ukuran σ\sigma-hingga, 1≤p≤∞1\leq p \leq \infty, dan K:X×X→ℂK:X\times X \rightarrow \mathbb{C} adalah fungsi terukur. Misalkan terdapat C>0C>0 sedemikian sehingga

supx∈X∫X|K(x,y)|dμ(y)≤Cdansupy∈X∫X|K(x,y)|dμ(x)≤C.\sup_{x\in X} \int_X \left|K(x,y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \leq C \quad \text{dan} \quad \sup_{y\in X} \int_X \left|K(x,y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(x)} \leq C \ . Jika f∈Lp(X)\displaystyle f \in L^p(X), maka Tf:X→ℂTf:X\rightarrow \mathbb{C} yang didefinisikan oleh

(Tf)(x)=∫XK(x,y)f(y)dμ(y)(Tf)(x) = \int_X K(x,y)f(y) \,\mathrm{d}{\mu(y)} terdefinisi hampir di mana-mana, Tf∈Lp(X)\displaystyle Tf \in L^p(X), dan ∥Tf∥p≤C∥f∥p\displaystyle\| Tf \|_p \leq C \|f\|_p.

Bukti. (1<p<∞1<p<\infty) Misalkan qq adalah eksponen konjugat dari pp; yaitu, 1p+1q=1\displaystyle\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1. Karena

|K(x,y)f(y)|=|K(x,y)|1/q|K(x,y)|1/p|f(y)|\left|K(x,y)f(y)\right| = \left|K(x,y)\right|^{1/q}\left|K(x,y)\right|^{1/p}|f(y)| untuk semua x,y∈Xx,y \in X, dari Ketaksamaan Hölder diperoleh

∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y)≤(∫X|K(x,y)|dμ(y))1/q(∫X|K(x,y)||f(y)|pdμ(y))1/p≤C1/q(∫X|K(x,y)||f(y)|pdμ(y))1/p\begin{aligned} \int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} &\leq \left( \int_X \left| K(x,y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)}\right)^{1/q} \left(\int_X \left| K(x,y)\right|\,\left|f(y)\right|^p \,\mathrm{d}{\mu(y)}\right)^{1/p} \\ & \leq C^{1/q} \left(\int_X \left| K(x,y)\right|\,\left|f(y)\right|^p \,\mathrm{d}{\mu(y)}\right)^{1/p} \end{aligned} untuk semua x∈Xx \in X. Oleh karena itu, dari Teorema Fubini–Tonelli diperoleh

∫X(∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y))pdμ(x)≤Cp/q∫X(∫X|K(x,y)||f(y)|pdμ(y))dμ(x)=Cp/q∫X(∫X|K(x,y)|dμ(x))|f(y)|pdμ(y)≤C1+p/q∫X|f(y)|pdμ(y)<∞.\begin{aligned} &\int_X \left( \int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \right)^p \,\mathrm{d}{\mu(x)} \leq C^{p/q} \int_X \left(\int_X \left| K(x,y)\right|\,\left|f(y)\right|^p \,\mathrm{d}{\mu(y)}\right) \,\mathrm{d}{\mu(x)} \\ & \quad = C^{p/q} \int_X \left(\int_X \left| K(x,y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(x)}\right) \,\left|f(y)\right|^p \,\mathrm{d}{\mu(y)} \leq C^{1+p/q} \int_X \left|f(y)\right|^p \,\mathrm{d}{\mu(y)} < \infty \ . \end{aligned} Dengan demikian,

∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y)<∞\int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} < \infty untuk hampir setiap x∈Xx\in X. Jadi, y↦K(x,y)f(y)∈L1(μ)\displaystyle y \mapsto K(x,y)f(y) \in L^1(\mu) untuk hampir setiap x∈Xx\in X. Dengan demikian, TfTf terdefinisi hampir di mana-mana. Selain itu, karena

|(Tf)(x)|≤∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y),\left|(Tf)(x)\right| \leq \int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \ , dari (6.5.1) diperoleh

∫X|(Tf)(x)|pdμ(x)≤C1+p/q∫X|f(y)|pdμ(y).\int_X \left|(Tf)(x)\right|^p \,\mathrm{d}{\mu(x)} \leq C^{1+p/q} \int_X \left|f(y)\right|^p \,\mathrm{d}{\mu(y)} \ . Setelah mengambil akar pangkat pp pada kedua ruas ketaksamaan terakhir, kita memperoleh

∥Tf∥p≤C1/p+1/q∥f∥p=C∥f∥p.\| Tf\|_p \leq C^{1/p+1/q} \| f\|_p = C \|f \|_p \ .

(p=1p=1) Dari Teorema Fubini–Tonelli diperoleh

∫X∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y)dμ(x)=∫X(∫X|K(x,y)|dμ(x))|f(y)|dμ(y)≤C∫X|f(y)|dμ(y)<∞.\begin{aligned} \int_X \int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \,\mathrm{d}{\mu(x)} & = \int_X \left(\int_X \left| K(x,y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(x)}\right) \,\left|f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \\ & \leq C \int_X \left|f(y)\right|\,\mathrm{d}{\mu(y)} < \infty \ . \end{aligned} Dengan demikian,

∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y)<∞\int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} < \infty untuk hampir setiap x∈Xx\in X. Jadi, y↦K(x,y)f(y)∈L1(μ)\displaystyle y \mapsto K(x,y)f(y) \in L^1(\mu) untuk hampir setiap x∈Xx\in X. Dengan demikian, TfTf terdefinisi hampir di mana-mana. Selain itu, karena

|(Tf)(x)|≤∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y),\left|(Tf)(x)\right| \leq \int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \ , dari (6.5.2) diperoleh ∥Tf∥1≤C∥f∥1\displaystyle\| Tf\|_1 \leq C \|f \|_1.

(p=∞p=\infty) Kita mempunyai

∫X|K(x,y)f(y)|dμ(y)≤∥f∥∞∫X|K(x,y)|dμ(y)≤C∥f∥∞\int_X \left| K(x,y)f(y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \leq \|f\|_\infty \int_X \left| K(x,y)\right| \,\mathrm{d}{\mu(y)} \leq C \|f\|_\infty untuk semua x∈Xx\in X. Jadi, y↦K(x,y)f(y)∈L1(μ)\displaystyle y \mapsto K(x,y)f(y) \in L^1(\mu) untuk semua x∈Xx\in X. Dengan demikian, TfTf terdefinisi (hampir) di mana-mana. Selain itu, ∥Tf∥∞≤C∥f∥∞\displaystyle\| Tf\|_\infty \leq C \| f\|_\infty.

Norma ∥⋅∥∞\| \cdot \|_\infty di atas adalah supremum esensial dari fungsi terukur tersebut. ◻

Konvolusi dari ff dan gg dalam L1(ℝn)\displaystyle L^1(\mathbb{R}^n) didefinisikan oleh

(f*g)(𝒙)=∫ℝnf(𝒙−𝒚)g(𝒚)d𝒚(f\ast g)\left(\boldsymbol{x}\right) = \int_{\mathbb{R}^n} f\left(\boldsymbol{x} - \boldsymbol{y}\right) g\left(\boldsymbol{y}\right) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} untuk semua 𝒙∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n yang membuat integral tersebut konvergen. Dapat dibuktikan bahwa integral itu terdefinisi hampir di mana-mana.

Teorema 6.5.2. Jika f∈L1(ℝn)\displaystyle f \in L^1(\mathbb{R}^n) dan g∈Lp(ℝn)\displaystyle g\in L^p(\mathbb{R}^n) untuk 1≤p≤∞1\leq p \leq \infty, maka f*g∈Lp(ℝn)\displaystyle f\ast g \in L^p(\mathbb{R}^n) dan

∥f*g∥p≤∥f∥1∥g∥p.\| f\ast g \|_p \leq \|f \|_1 \, \|g\|_p \ .

Bukti. Hasil ini merupakan kasus khusus Ketaksamaan Young yang Diperumum dengan X=ℝn\displaystyle X=\mathbb{R}^n dan K(x,y)=f(𝒙−𝒚)K(x,y) = f\left(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{y}\right). ◻

Proposisi berikut sering digunakan untuk memperluas hasil yang dibuktikan bagi suatu kelas fungsi khusus ke kelas fungsi yang lebih besar.

Proposisi 6.5.3. Misalkan ϕ∈L1(ℝn)\displaystyle\phi \in L^1(\mathbb{R}^n) dan a=∫ℝnϕ(𝒙)d𝒙\displaystyle a = \int_{\mathbb{R}^n} \phi(\boldsymbol{x})\,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}}. Untuk ϵ>0\epsilon >0, misalkan

ϕϵ(𝒙)=ϵ−nϕ(ϵ−1𝒙).\phi_\epsilon(\boldsymbol{x}) = \epsilon^{-n} \phi\left(\epsilon^{-1}\boldsymbol{x}\right) \ . Jika f∈Lp(ℝn)\displaystyle f \in L^p(\mathbb{R}^n) dengan 1≤p<∞1 \leq p < \infty, maka f*ϕϵ→af\displaystyle f\ast \phi_\epsilon \rightarrow a f di Lp(ℝn)\displaystyle L^p(\mathbb{R}^n) saat ϵ→0\epsilon \rightarrow 0.

Jika f∈L∞(ℝn)\displaystyle f \in L^\infty(\mathbb{R}^n) dan ff kontinu seragam pada himpunan terbuka V⊂ℝn\displaystyle V\subset \mathbb{R}^n, maka f*ϕϵ→af\displaystyle f\ast \phi_\epsilon \rightarrow a f secara seragam pada KK saat ϵ→0\epsilon \rightarrow 0 untuk setiap himpunan kompak K⊂VK\subset V.

Bukti. Substitusi 𝒚=ϵ−1𝒙\boldsymbol{y} = \epsilon^{-1} \boldsymbol{x} menunjukkan bahwa

∫ℝnϕϵ(𝒙)d𝒙=∫ℝnϵ−nϕ(ϵ−1𝒙)d𝒙=∫ℝnϕ(𝒚)d𝒚=a\int_{\mathbb{R}^n} \phi_\epsilon(\boldsymbol{x}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} = \int_{\mathbb{R}^n} \epsilon^{-n} \phi(\epsilon^{-1} \boldsymbol{x}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} = \int_{\mathbb{R}^n} \phi(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} = a untuk setiap ϵ>0\epsilon >0.

Jika ∥ϕ∥1=0\|\phi\|_1=0, kedua kesimpulan proposisi berlaku secara langsung. Oleh karena itu, pada sisa bukti kita mengasumsikan bahwa ∥ϕ∥1>0\|\phi\|_1>0.

(i) Jika f∈Lp(ℝn)\displaystyle f\in L^p(\mathbb{R}^n) dengan 1≤p<∞1\leq p < \infty, substitusi 𝒚=ϵ𝒛\boldsymbol{y} = \epsilon\, \boldsymbol{z} menghasilkan

(f*ϕϵ)(𝒙)−af(𝒙)=∫ℝn(f(𝒙−𝒚)−f(𝒙))ϕϵ(𝒚)d𝒚=∫ℝn(f(𝒙−ϵ𝒛)−f(𝒙))ϕ(𝒛)d𝒛.(f\ast \phi_\epsilon)(\boldsymbol{x}) - a f(\boldsymbol{x}) = \int_{\mathbb{R}^n} \left( f(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{y}) - f(\boldsymbol{x}) \right)\phi_\epsilon(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} = \int_{\mathbb{R}^n} \left( f(\boldsymbol{x}-\epsilon \boldsymbol{z}) - f(\boldsymbol{x}) \right)\phi(\boldsymbol{z}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{z}} \ . Dengan menggunakan Ketaksamaan Jensen (Teorema 3.3 dalam Ru), kita memperoleh

|(f*ϕϵ)(𝒙)−af(𝒙)|p≤(∫ℝn|f(𝒙−ϵ𝒛)−f(𝒙)||ϕ(𝒛)|d𝒛)p≤∥ϕ∥1p−1∫ℝn|f(𝒙−ϵ𝒛)−f(𝒙)|p|ϕ(𝒛)|d𝒛.\begin{aligned} \left| (f\ast \phi_\epsilon)(\boldsymbol{x}) - a f(\boldsymbol{x}) \right|^p &\leq \left( \int_{\mathbb{R}^n} \left| f(\boldsymbol{x}-\epsilon \boldsymbol{z}) - f(\boldsymbol{x}) \right| \,\left| \phi(\boldsymbol{z})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{z}} \right)^p \\ &\leq \|\phi\|_1^{p-1}\int_{\mathbb{R}^n} \left| f(\boldsymbol{x}-\epsilon\boldsymbol{z}) - f(\boldsymbol{x}) \right|^p \,\left| \phi(\boldsymbol{z})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{z}} \ . \end{aligned} Jika kita mendefinisikan f𝒛∈Lp(ℝn)\displaystyle f_{\boldsymbol{z}} \in L^p(\mathbb{R}^n) dengan f𝒛(𝒙)=f(𝒙−𝒛)f_{\boldsymbol{z}}(\boldsymbol{x}) = f(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{z}) untuk 𝒙,𝒛∈ℝn\boldsymbol{x}, \boldsymbol{z}\in \mathbb{R}^n, maka

∥f*ϕϵ−af∥pp≤∥ϕ∥1p−1∫ℝn∫ℝn|f(𝒙−ϵ𝒛)−f(𝒙)|p|ϕ(𝒛)|d𝒛d𝒙≤∥ϕ∥1p−1∫ℝn∥fϵ𝒛−f∥pp|ϕ(𝒛)|d𝒛.\| f\ast \phi_\epsilon -a f \|_p^p \leq \|\phi\|_1^{p-1}\int_{\mathbb{R}^n} \int_{\mathbb{R}^n} \left| f(\boldsymbol{x}-\epsilon \boldsymbol{z}) - f(\boldsymbol{x})\right|^p\, \left| \phi(\boldsymbol{z})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{z}} \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \leq \|\phi\|_1^{p-1}\int_{\mathbb{R}^n} \| f_{\epsilon\boldsymbol{z}} - f \|_p^p \left|\phi(\boldsymbol{z})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{z}} \ . Namun,

∥fϵ𝒛−f∥pp|ϕ(𝒛)|≤(2∥f∥p)p|ϕ(𝒛)|∈L1(ℝn)\| f_{\epsilon\boldsymbol{z}} - f \|_p^p \left|\phi(\boldsymbol{z})\right| \leq (2 \|f\|_p)^p \left|\phi(\boldsymbol{z})\right| \in L^1(\mathbb{R}^n) dan

∥fϵ𝒛−f∥pp|ϕ(𝒛)|→0saatϵ→0\| f_{\epsilon\boldsymbol{z}} - f \|_p^p \left|\phi(\boldsymbol{z})\right| \rightarrow 0 \quad \text{saat} \quad \epsilon \rightarrow 0 untuk semua 𝒛\boldsymbol{z} karena ∥fϵ𝒛−f∥p→0\displaystyle\| f_{\epsilon\boldsymbol{z}} - f \|_p \rightarrow 0 saat ϵ→0\epsilon \rightarrow 0 (Teorema 9.5 dalam Ru). Dari Teorema Konvergensi Terdominasi Lebesgue diperoleh

∥f*ϕϵ−af∥p→0saatϵ→0.\| f\ast \phi_\epsilon -a f \|_p \rightarrow 0 \quad \text{saat} \quad \epsilon \rightarrow 0 \ .

(ii) Misalkan f∈L∞(ℝn)\displaystyle f \in L^\infty(\mathbb{R}^n) dan ff kontinu seragam pada V⊂ℝn\displaystyle V\subset \mathbb{R}^n. Misalkan K⊂VK \subset V adalah himpunan kompak.

Jika ∥f∥∞=0\|f\|_\infty=0, kesimpulannya berlaku secara langsung. Oleh karena itu, kita mengasumsikan bahwa ∥f∥∞>0\|f\|_\infty>0.

Untuk δ>0\delta >0 yang diberikan, pilih himpunan kompak W⊂ℝn\displaystyle W \subset \mathbb{R}^n sedemikian sehingga

∫ℝn\W|ϕ(𝒙)|d𝒙<δ4∥f∥∞.\int_{\mathbb{R}^n\setminus W} |\phi(\boldsymbol{x})| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} < \frac{\delta}{4\|f\|_\infty} \ . Hal ini mungkin karena ϕ∈L1(ℝn)\displaystyle\phi \in L^1(\mathbb{R}^n).

Karena ff kontinu seragam pada himpunan terbuka VV, terdapat ϵ0>0\epsilon_0>0 sedemikian sehingga, untuk setiap 0<ϵ<ϵ00<\epsilon<\epsilon_0, berlaku K−ϵW⊂VK-\epsilon W \subset V dan

sup𝒙∈K,𝒚∈W|f(𝒙−ϵ𝒚)−f(𝒙)|<δ2∥ϕ∥1.\sup_{\boldsymbol{x}\in K,\boldsymbol{y}\in W} \left| f(\boldsymbol{x}-\epsilon \boldsymbol{y}) -f(\boldsymbol{x})\right| < \frac{\delta}{2\|\phi\|_1} \ . Maka,

sup𝒙∈K|(f*ϕϵ)(𝒙)−af(𝒙)|≤sup𝒙∈K∫ℝn|f(𝒙−ϵ𝒚)−f(𝒙)||ϕ(𝒚)|d𝒚≤sup𝒙∈K,𝒚∈W|f(𝒙−ϵ𝒚)−f(𝒙)|∫W|ϕ(𝒚)|d𝒚+2∥f∥∞∫ℝn\W|ϕ(𝒚)|d𝒚≤δ2∥ϕ∥1∫W|ϕ(𝒚)|d𝒚+2∥f∥∞δ4∥f∥∞<δ(0<ϵ<ϵ0).\begin{aligned} &\sup_{\boldsymbol{x}\in K} \left| (f\ast \phi_\epsilon)(\boldsymbol{x}) - a f(\boldsymbol{x}) \right| \leq \sup_{\boldsymbol{x}\in K} \int_{\mathbb{R}^n} \left| f(\boldsymbol{x}-\epsilon \boldsymbol{y}) - f(\boldsymbol{x})\right| \, \left|\phi(\boldsymbol{y})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \\ &\quad \leq \sup_{\boldsymbol{x}\in K, \boldsymbol{y} \in W} \left| f(\boldsymbol{x}-\epsilon \boldsymbol{y}) - f(\boldsymbol{x})\right| \, \int_{W} \left|\phi(\boldsymbol{y})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} + 2 \| f \|_\infty \int_{\mathbb{R}^n\setminus W}\left|\phi(\boldsymbol{y})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \\ &\quad \leq \frac{\delta}{2 \|\phi\|_1} \, \int_{W} \left|\phi(\boldsymbol{y})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} + 2 \| f \|_\infty \, \frac{\delta}{4\|f\|_\infty} < \delta \qquad (0<\epsilon<\epsilon_0) \ . \end{aligned} Karena untuk setiap δ>0\delta>0 terdapat ϵ0>0\epsilon_0>0 sedemikian sehingga estimasi di atas berlaku bagi setiap 0<ϵ<ϵ00<\epsilon<\epsilon_0, hal ini membuktikan konvergensi seragam pada KK. ◻

Definisi. Keluarga fungsi ϕϵ\phi_\epsilon untuk ϵ>0\epsilon>0 yang didefinisikan dalam Proposisi 6.5.3 disebut identitas hampiran apabila a=1a=1.

Untuk ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi\in\mathcal{D}(\mathbb{R}^n), kita mendefinisikan ϕ∨\displaystyle\phi^\vee dan ϕ𝒛\displaystyle\phi_{\boldsymbol{z}} dalam 𝒟(ℝn)\mathcal{D}(\mathbb{R}^n) dengan ϕ∨(𝒙)=ϕ(−𝒙)\displaystyle\phi^{\vee}(\boldsymbol{x}) = \phi(-\boldsymbol{x}) untuk 𝒙∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n dan ϕ𝒛(𝒙)=ϕ(𝒙−𝒛)\displaystyle\phi_{\boldsymbol{z}}(\boldsymbol{x}) = \phi(\boldsymbol{x}-\boldsymbol{z}) untuk 𝒙,𝒛∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x}, \boldsymbol{z} \in \mathbb{R}^n.

Hal ini memotivasi definisi berikut. Untuk u∈𝒟′(ℝn)\displaystyle u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n), kita mendefinisikan u∨\displaystyle u^\vee dan u𝒛u_{\boldsymbol{z}} dalam 𝒟′(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) dengan u∨(ϕ)=⟨u∨,ϕ⟩=⟨u,ϕ∨⟩\displaystyle u^\vee(\phi) = \left\langle{u^\vee},{\phi}\right\rangle = \left\langle{u},{\phi^\vee}\right\rangle dan u𝒛(ϕ)=⟨u𝒛,ϕ⟩=⟨u,ϕ−𝒛⟩\displaystyle u_{\boldsymbol{z}}(\phi) = \left\langle{u_{\boldsymbol{z}}},{\phi}\right\rangle = \left\langle{u},{\phi_{-\boldsymbol{z}}}\right\rangle untuk ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n).

Untuk dua fungsi ff dan gg dalam L1(ℝn)\displaystyle L^1(\mathbb{R}^n), kita mempunyai

(f*g)(𝒙)=∫ℝnf(𝒚)(g∨)𝒙(𝒚)d𝒚.(f\ast g)\left(\boldsymbol{x}\right) = \int_{\mathbb{R}^n} f\left(\boldsymbol{y}\right) (g^\vee)_{\boldsymbol{x}}\left(\boldsymbol{y}\right)\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \ . Oleh karena itu, masuk akal untuk mendefinisikan konvolusi dari u∈𝒟′(ℝn)\displaystyle u\in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) dengan ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi\in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) sebagai

(u*ϕ)(𝒙)=⟨u,(ϕ∨)𝒙⟩\left( u \ast \phi\right)(\boldsymbol{x}) = \left\langle{u},{\left(\phi^{\vee}\right)_{\boldsymbol{x}}}\right\rangle untuk semua 𝒙∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n. Kelak kita akan melihat bahwa definisi konvolusi ini merupakan definisi konvolusi biasa ketika u∈L1(ℝn)\displaystyle u\in L^1(\mathbb{R}^n).

Misalkan u∈ℰ′(ℝn)\displaystyle u \in \mathcal{E}'(\mathbb{R}^n) dan KK adalah dukungan uu yang kompak. Pilih lingkungan terbuka UU dari KK dan ψ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\psi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) sedemikian sehingga ψ=1\psi=1 pada UU. Kita mempunyai ψu=u\psi u=u karena (1−ψ)ϕ(1-\psi)\phi lenyap pada suatu lingkungan dari K=supp⁡uK=\operatorname{supp}u, sehingga ⟨u,(1−ψ)ϕ⟩=0\left\langle{u},{(1-\psi)\phi}\right\rangle=0 untuk semua ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) dan karenanya ⟨ψu,ϕ⟩=⟨u,ψϕ⟩=⟨u,ϕ⟩\left\langle{\psi u},{\phi}\right\rangle=\left\langle{u},{\psi\phi}\right\rangle=\left\langle{u},{\phi}\right\rangle. Hasil ini tidak bergantung pada fungsi ψ\psi yang dipilih. Kita dapat menggunakan sifat tersebut untuk memperluas uu secara unik menjadi fungsional linear kontinu pada C∞(ℝn)\displaystyle C^\infty(\mathbb{R}^n). Konvergensi ϕj→ϕ\phi_j\to\phi dalam C∞(ℝn)\displaystyle C^\infty(\mathbb{R}^n) berarti bahwa, untuk setiap multiindeks 𝜶\boldsymbol{\alpha}, turunan D𝜶ϕj\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}}\phi_j konvergen seragam menuju D𝜶ϕ\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}}\phi pada setiap himpunan kompak. Kita mendefinisikan u:C∞(ℝn)→ℂ\displaystyle u:C^\infty(\mathbb{R}^n) \to \mathbb{C} dengan u(ϕ)=u(ψϕ)u(\phi) = u(\psi \phi) untuk ϕ∈C∞(ℝn)\displaystyle\phi \in C^\infty(\mathbb{R}^n).

Proposisi 6.5.5.

  1. Jika u∈𝒟′(ℝn)\displaystyle u\in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) dan ψ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\psi\in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n), maka u*ψu\ast \psi berada dalam C∞(ℝn)\displaystyle C^\infty(\mathbb{R}^n).

  2. Jika u∈ℰ′(ℝn)\displaystyle u\in \mathcal{E}'(\mathbb{R}^n) dan ψ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\psi\in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n), maka u*ψ∈𝒟(ℝn)\displaystyle u \ast \psi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n).

  3. Jika u∈ℰ′(ℝn)\displaystyle u\in \mathcal{E}'(\mathbb{R}^n) dan ψ∈C∞(ℝn)\displaystyle\psi\in C^\infty(\mathbb{R}^n), maka u*ψ∈C∞(ℝn)\displaystyle u \ast \psi \in C^\infty(\mathbb{R}^n).

Proposisi 6.5.6. Jika u∈𝒟′(ℝn)\displaystyle u\in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) dan ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi\in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n), maka D𝜶(u*ϕ)=u*D𝜶ϕ=D𝜶u*ϕ\displaystyle\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}}(u\ast \phi) = u \ast \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi = \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u \ast \phi untuk semua multiindeks 𝜶\boldsymbol{\alpha}.

Kita juga dapat mendefinisikan konvolusi dua distribusi jika salah satunya berdukungan kompak. Pertimbangkan u,v∈𝒟′(ℝn)\displaystyle u,v \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n). Jika salah satunya berdukungan kompak, maka fungsi L:𝒟(ℝn)→C∞(ℝn)\displaystyle L: \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) \to C^\infty(\mathbb{R}^n) yang didefinisikan oleh L(ϕ)=u*(v*ϕ)\displaystyle L(\phi) = u \ast (v \ast \phi) untuk ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) terdefinisi dengan baik. Untuk membenarkan pernyataan ini, perhatikan bahwa jika vv berdukungan kompak, maka v*ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle v \ast \phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) menurut butir (2) Proposisi 6.5.5, dan u*(v*ϕ)∈C∞(ℝn)\displaystyle u \ast (v \ast \phi) \in C^\infty(\mathbb{R}^n) menurut butir (1) Proposisi 6.5.5. Selain itu, jika uu berdukungan kompak dan vv tidak berdukungan kompak, maka v*ϕ∈C∞(ℝn)\displaystyle v \ast \phi \in C^\infty(\mathbb{R}^n) menurut butir (1) Proposisi 6.5.5, dan sekali lagi u*(v*ϕ)∈C∞(ℝn)\displaystyle u \ast (v \ast \phi) \in C^\infty(\mathbb{R}^n) menurut butir (3) Proposisi 6.5.5.

Pemetaan LL linear. Pemetaan konvolusi yang digunakan di atas juga kontinu di antara ruang fungsi uji dan ruang C∞C^\infty yang ditunjukkan; hal ini mengikuti langsung dari kekontinuan distribusi, kendali seminorma ketika dukungan fungsi-fungsi uji termuat dalam satu himpunan kompak tetap, dan proposisi di atas. Jadi, LL adalah pemetaan linear kontinu. Selain itu, konvolusi dengan distribusi tetap berkomutasi dengan translasi. Dengan notasi translasi di atas, untuk setiap 𝒛∈ℝn\boldsymbol{z}\in\mathbb{R}^n kita mempunyai

L(ϕ𝒛)=u*(v*ϕ𝒛)=u*(v*ϕ)𝒛=(u*(v*ϕ))𝒛=(Lϕ)𝒛.L(\phi_{\boldsymbol{z}})=u\ast(v\ast\phi_{\boldsymbol{z}}) =u\ast(v\ast\phi)_{\boldsymbol{z}} =(u\ast(v\ast\phi))_{\boldsymbol{z}}=(L\phi)_{\boldsymbol{z}} \ . Dengan demikian, LL memenuhi hipotesis kekontinuan dan komutasi dengan translasi dalam Teorema 6.33 di RuFA.

Dari teorema tersebut diperoleh adanya distribusi tunggal pada ℝn\displaystyle\mathbb{R}^n, yang dinotasikan dengan u*vu\ast v, sedemikian sehingga

L(ϕ)=u*(v*ϕ)=(u*v)*ϕL(\phi) = u \ast ( v \ast \phi) = (u \ast v ) \ast \phi untuk semua ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n). Khususnya, kita mempunyai

⟨(u*v),ϕ⟩=((u*v)*ϕ∨)(𝟎)=(u*(v*ϕ∨))(𝟎)=⟨u,(v*ϕ∨)∨⟩\left\langle{(u \ast v)},{\phi}\right\rangle = ( (u\ast v) \ast \phi^\vee)(\boldsymbol{0}) = (u \ast (v \ast \phi^\vee))(\boldsymbol{0}) = \left\langle{u},{ (v \ast \phi^\vee)^\vee}\right\rangle untuk semua ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n).

Proposisi 6.5.7. Jika u∈ℰ′(ℝn)\displaystyle u\in \mathcal{E}'(\mathbb{R}^n) dan ψ∈C∞(ℝn)\displaystyle\psi\in C^\infty(\mathbb{R}^n), maka u*ψ=ψ*uu \ast \psi = \psi \ast u.

Bukti. Pertama, kita perlu memperluas definisi integral. Misalkan Ω\Omega adalah ruang terukur dengan ukuran μ\mu, EE adalah ruang vektor topologis 1 dan f:Ω→Ef:\Omega \to E adalah fungsi terukur. Integral ff atas Ω\Omega adalah elemen y∈Ey \in E, jika elemen demikian ada, sedemikian sehingga

u(y)=∫Ωu∘fdμu(y) = \int_\Omega u\circ f \,\mathrm{d}{\mu} untuk semua u∈E*\displaystyle u \in E^\ast. Kita mengasumsikan bahwa E*\displaystyle E^\ast memisahkan titik-titik di EE 2 untuk menjamin ketunggalan yy jika ada. Ada pendekatan yang lebih tradisional untuk mendefinisikan integral dalam (6.5.3) dengan menggunakan padanan “jumlah Riemann.” Pendekatan ini dapat ditemukan dalam buku teks analisis fungsional yang lebih tradisional.

Untuk 𝒛∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{z}\in\mathbb{R}^n dan ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi\in\mathcal{D}(\mathbb{R}^n), definisi konvolusi fungsi memberikan

((u*ψ)*ϕ)(𝒛)=∫ℝn(u*ψ)(𝒚)ϕ(𝒛−𝒚)d𝒚=∫ℝn⟨u,ψ(𝒚−⋅)⟩ϕ(𝒛−𝒚)d𝒚.\big((u\ast\psi)\ast\phi\big)(\boldsymbol{z}) =\int_{\mathbb{R}^n}(u\ast\psi)(\boldsymbol{y}) \phi(\boldsymbol{z}-\boldsymbol{y})\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} =\int_{\mathbb{R}^n}\left\langle{u},{\psi(\boldsymbol{y}-\mathord{\cdot})}\right\rangle \phi(\boldsymbol{z}-\boldsymbol{y})\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \ . Untuk 𝒛\boldsymbol{z} yang tetap, definisikan pemetaan bernilai C∞(ℝn)C^\infty(\mathbb{R}^n) dengan

F(𝒚)(𝒙)=ψ(𝒚−𝒙)ϕ(𝒛−𝒚)F(\boldsymbol{y})(\boldsymbol{x})= \psi(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{x})\phi(\boldsymbol{z}-\boldsymbol{y}) dan definisikan

h(𝒙)=∫ℝnF(𝒚)(𝒙)d𝒚=∫ℝnψ(𝒚−𝒙)ϕ(𝒛−𝒚)d𝒚=∫ℝnψ(𝒘)ϕ(𝒛−𝒙−𝒘)d𝒘.h(\boldsymbol{x})=\int_{\mathbb{R}^n}F(\boldsymbol{y})(\boldsymbol{x})\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} =\int_{\mathbb{R}^n}\psi(\boldsymbol{y}-\boldsymbol{x}) \phi(\boldsymbol{z}-\boldsymbol{y})\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} =\int_{\mathbb{R}^n}\psi(\boldsymbol{w}) \phi(\boldsymbol{z}-\boldsymbol{x}-\boldsymbol{w})\,\mathrm{d}{\boldsymbol{w}} \ . Untuk setiap himpunan kompak B⊂ℝnB\subset\mathbb{R}^n dan setiap multiindeks, integran beserta turunannya terhadap 𝒙∈B\boldsymbol{x}\in B hanya melibatkan 𝒚∈𝒛−supp⁡ϕ\boldsymbol{y}\in\boldsymbol{z}-\operatorname{supp}\phi, yang merupakan himpunan kompak. Karena itu, diferensiasi di bawah tanda integral berlaku seragam pada BB, dan hh adalah integral bernilai C∞(ℝn)C^\infty(\mathbb{R}^n) dari FF. Kekontinuan perluasan uu pada C∞(ℝn)C^\infty(\mathbb{R}^n), bersama (6.5.3) untuk Ω=ℝn\displaystyle\Omega=\mathbb{R}^n dan E=C∞(ℝn)\displaystyle E=C^\infty(\mathbb{R}^n), kemudian memberikan

((u*ψ)*ϕ)(𝒛)=⟨u,h⟩=∫ℝnu∘Fd𝒚.\big((u\ast\psi)\ast\phi\big)(\boldsymbol{z}) =\left\langle{u},{h}\right\rangle=\int_{\mathbb{R}^n}u\circ F\,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \ . Untuk setiap 𝒘∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{w} \in \mathbb{R}^n, definisikan q(𝒘)∈C∞(ℝn)\displaystyle q(\boldsymbol{w})\in C^\infty(\mathbb{R}^n) dengan

q(𝒘)(𝒙)=ϕ(𝒛−𝒙−𝒘)q(\boldsymbol{w})(\boldsymbol{x}) = \phi(\boldsymbol{z} - \boldsymbol{x} - \boldsymbol{w}) untuk semua 𝒙∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n, maka

((u*ψ)*ϕ)(𝒛)=∫ℝnψ(𝒘)⟨u,q(𝒘)⟩d𝒘=∫ℝnψ(𝒘)⟨u,(ϕ∨)𝒛−𝒘⟩d𝒘=∫ℝnψ(𝒘)(u*ϕ)(𝒛−𝒘)d𝒘=(ψ*(u*ϕ))(𝒛)\begin{aligned} \big( (u\ast \psi) \ast \phi \big)(\boldsymbol{z}) & = \int_{\mathbb{R}^n} \psi(\boldsymbol{w}) \left\langle{u},{q(\boldsymbol{w})}\right\rangle \,\mathrm{d}{\boldsymbol{w}} = \int_{\mathbb{R}^n} \psi(\boldsymbol{w}) \left\langle{u},{\left(\phi^\vee\right)_{\boldsymbol{z}-\boldsymbol{w}}}\right\rangle \,\mathrm{d}{\boldsymbol{w}} \\ &= \int_{\mathbb{R}^n} \psi(\boldsymbol{w}) \big( u \ast \phi \big)(\boldsymbol{z} - \boldsymbol{w}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{w}} = \big( \psi \ast (u \ast \phi) \big)(\boldsymbol{z}) \end{aligned} untuk 𝒛∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{z} \in \mathbb{R}^n dan semua ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n). Dengan demikian, ψ*(u*ϕ)=(u*ψ)*ϕ\psi \ast (u \ast \phi) = (u\ast \psi) \ast \phi untuk semua ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n). Namun, menurut definisi konvolusi dua distribusi dengan salah satunya berdukungan kompak, pernyataan ini berarti bahwa ψ*u=u*ψ\psi \ast u = u\ast \psi. ◻

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.


  1. Kita tidak akan memberikan definisi ruang vektor topologis karena hal itu akan membawa kita terlalu jauh ke dalam analisis. Pembaca dapat menemukan definisi ruang vektor topologis dalam ReeSim; RuFA; Tr dan banyak buku teks analisis tingkat lanjut lainnya. Ruang Banach adalah ruang vektor topologis.↩︎

  2. Artinya, untuk sembarang y1y_1 dan y2y_2 dalam EE dengan y1≠y2y_1 \neq y_2, terdapat u∈E*\displaystyle u \in E^\ast sedemikian sehingga u(y1)≠u(y2)u(y_1) \neq u(y_2).↩︎

← Kembali ke Program Matematika