最近几年, 单圆盘Dirichlet空间上的Toeplitz算子得到深入研究, 取得了丰富的成果[1-8].同时调和Dirichlet空间上Toeplitz算子的研究也受到关注[9-12].文[10, 11]分别给出了调和Dirichlet空间上调和符号Toeplitz算子的(半)交换性与乘积为零的刻画.文[12]推广了[10, 11]中的结论, 给出了一般符号Toeplitz算子一些代数性质及紧性的刻画.本文, 我们考虑调和Dirichlet空间上调和符号的Toeplitz算子与小Hankel算子的交换性.
首先我们回顾调和Dirichlet空间及其上Toeplitz算子和小Hankel算子的基本知识.
设 $\mathbb{D}$是复平面 $\mathbb{C}$上的单位开圆盘, $dA$表示 $\mathbb{D}$上正规化的面积测度.称 $\mathbb{D}$上光滑函数 $f$在如下范数
取闭包所得到的空间为Sobolev空间, 记为 $\mathcal{S}$.则 $\mathcal{S}$是一个Hilbert空间, 其上内积为
Dirichlet空间是由 $\mathcal{S}$中所有满足条件 $f(0)=0$的解析函数 $f$构成的闭子空间, 记为 $\mathcal{D}$. $\mathcal{D}$的一组标准正交基为 $\{\frac{z^n}{\sqrt{n}}\}_{n=1}^\infty$.
$\mathcal{S}$中所有调和函数构成的闭子空间称为调和Dirichlet空间, 记为 $\mathcal{D}_h$.显然有
其中 $\overline{\mathcal{D}}=\{\bar{f}\ \mid \ f\in\mathcal{D}\}$. $\mathcal{D}_h$的一组标准正交基为 $\{\frac{z^n}{\sqrt{n}}\}_{n=1}^\infty\cup\{1\}\cup\{\frac{\bar{z}^n}{\sqrt{n}}\}_{n=1}^\infty$.
$\mathbb{D}$上的一个非负测度 $\mu$称为 $\mathcal{D}$-Carleson测度如果存在非负常数 $c$, 使得
$\mathbb{D}$上所有有界解析函数全体记为 $H^\infty(\mathbb{D})$.令
若 $\phi\in \mathcal{M}$, $\mathcal{D}_h$上的Toeplitz算子 $\widetilde{T}_\phi$定义为
其中 $Q$是从 $S$到 $\mathcal{D}_h$上的正交投影. $\widetilde{T}_\phi$是 $\mathcal{D}_h$上的有界算子[12].
定义 $\mathcal{S}$上的算子 $U:$ $(Uf)(z)=f(\bar{z})$, $f\in\mathcal{S}$.则 $U$是 $\mathcal{S}$上的酉算子, $U^*=U=U^{-1}$[9].
对于 $\phi\in \mathcal{M}$, 定义 $\mathcal{D}_h$上的小Hankel算子 $\widetilde{\mathit{\Gamma}}_\phi$为
容易验证 $\widetilde{\mathit{\Gamma}}_\phi$是有界算子.实际上, 如果记 $\hat{f}(z)=f(\bar{z})$, $f\in\mathcal{S}$, 则有 $\widetilde{\mathit{\Gamma}}_\phi=\widetilde{T}_{\hat{\phi}}U$.
在Hardy空间上, 文[13, 14]分别给出了Toeplitz算子与Hankel算子交换性和本质交换性的刻画.文[8]将Dirichlet空间上调和符号Toeplitz算子与小Hankel算子的交换性转化为Hardy空间上相应问题的研究.但目前关于调和函数空间上Toeplitz算子与(小) Hankel算子的交换性研究较少.文[15, 16]研究了调和Bergman空间上Toeplitz算子的交换性.
利用Sobolev空间的正交分解, 文[7]和[12]分别刻画了Dirichlet空间和调和Dirichlet空间上一般符号Toeplitz算子的代数性质等, 其证明过程表明, 在Dirichlet空间和调和Dirichlet空间上一般符号定义的Toeplitz算子与调和符号定义的Toeplitz算子有着密切的联系, 一般符号Toeplitz算子的研究可转化为相应调和符号Toeplitz算子的研究上.因此本文集中研究调和符号定义的Toeplitz算子和Hankel算子.主要结论如下.
定理1.1 设 $\varphi$, $\psi\in\mathcal{M}$.在 $\mathcal{D}_h$上 $\widetilde{T}_\varphi\widetilde{\mathit{\Gamma}}_\psi=\widetilde{\mathit{\Gamma}}_\psi\widetilde{T}_\varphi$当且仅当下列条件之一成立:
$1^\circ$ $\varphi$是常数;
$2^\circ$ $\varphi$不是常数, 存在常数 $\alpha$, $\beta$使得 $\psi=\alpha\varphi+\beta$, 且当 $\alpha\neq 0$或 $\beta\neq 0$时, $\varphi=U\varphi$.
本节, 我们给出定理1.1的证明.
设 $P$是从 $S$到 $\mathcal{D}$上的正交投影, $P_1$是从 $S$到 $\bar{\mathcal{D}}$上的正交投影, 则 $P_1=UPU$[9].对于从 $S$到 $\mathcal{D}_h$上的正交投影 $Q$, 我们有下面的结论.
引理2.1 $UQ=QU$.即 $\forall\ f\in\mathcal{S}, \ (UQ)f=(QU)f.$
证 设 $f\in S$, 则
因此
因为
所以由上面两个等式可得 $(UQ)f=(QU)f, $ $f\in S$.证毕.
容易验证 $U$将 $\overline{\mathcal{D}}$映到 $\mathcal{D}$上.定义算子 $\widetilde{U}:$ $\mathcal{D}_h=\mathcal{D}\oplus \mathbb{C}\oplus \overline{\mathcal{D}}\rightarrow \mathcal{D}\oplus \mathbb{C}\oplus \mathcal{D}$, 其中
显然, $\tilde{U}^*$将 $\mathcal{D}\oplus \mathbb{C}\oplus \mathcal{D}$映到 $\mathcal{D}_h$上, 且
设 $\phi\in\mathcal{M}$, 定义
$T_\phi$表示 $\mathcal{D}$上的Toeplitz算子, $T_\phi(f)=P(\phi f), \ f\in\mathcal{D}.$ $\mathit{\Gamma}_\phi$表示 $\mathcal{D}$上的小Hankel算子
下面的引理分别给出了调和Dirichlet空间上Topelitz算子与小Hankel算子的矩阵表示.它们表明调和Dirichlet空间上Topelitz算子与小Hankel算子与Dirichlet空间上Topelitz算子与小Hankel算子有着密切的联系.这一思想来自于文[17].
引理2.2[9] 设 $\phi\in\mathcal{M}$, 则在 $\mathcal{D}\oplus\mathbb{C}\oplus\mathcal{D}$上,
引理2.3 设 $\phi\in\mathcal{M}$.则在 $\mathcal{D}\oplus\mathbb{C}\oplus\mathcal{D}$上,
证 设 $(f_1, \ a, \ f_2)\in \mathcal{D}\oplus\mathbb{C}\oplus\mathcal{D}$, 直接计算可得
证毕.
为了方便后面的应用, 下面给出 $\mathcal{D}$上Toeplitz算子与Hankel算子及其它算子在标准正交基 $\{e_n=\frac{z^n}{\sqrt{n}}\}_{n=1}^\infty$下的系数.
引理2.4 设 $\varphi(z)=\sum\limits_{k<0}a_k\bar{z}^{-k}+\sum\limits_{k\geq 0}a_kz^k, $ $\psi(z)=\sum\limits_{k<0}b_k\bar{z}^{-k}+\sum\limits_{k\geq 0}b_kz^k\in\mathcal{M}$, 则
$1^\circ$ $\langle T_\varphi e_n, e_m\rangle=\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{m-n}, \ \ \langle \mathit{\Gamma}_\varphi e_n, e_m\rangle=\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{-(m+n)}$;
$2^\circ$ $\langle T_{\varphi}\mathit{\Gamma}_{\psi}e_{n}, e_{m}\rangle =\sum\limits_{k=1}^{\infty}\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{m-k}b_{-n-k}$, $\langle\mathit{\Gamma}_{\varphi}T_{\psi}e_{n}, e_{m}\rangle =\sum\limits_{k=1}^{\infty}\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{-m-k}b_{-n+k}$;
$3^\circ$ $\langle\mathit{\Gamma}_{\varphi}\mathit{\Gamma}_{\psi}e_{n}, e_{m}\rangle =\sum\limits_{k=1}^{\infty}\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{-m-k}b_{-n-k}$, $\langle T_{\varphi}T_{\psi}e_{n}, e_{m}\rangle =\sum\limits_{k=1}^{\infty}\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{m-k}b_{-n+k}$;
$4^\circ$ $(1\otimes \varphi) e_n =\frac{a_{-n}}{\sqrt{n}(n+1)}, $ $\langle P_{\varphi}(1\otimes\psi)e_{n}, e_{m}\rangle =\frac{\sqrt{m}~a_{m}b_{-n}}{\sqrt{n}(1+n)}$;
$5^\circ$ $\langle T_{\varphi}P_{\psi}1, e_{m}\rangle =\sqrt{m}\sum\limits_{k=1}^\infty a_{m-k}b_{k}$, $\langle P_{\varphi}(1\otimes\psi)1, e_{m}\rangle =\sqrt{m}~a_{m}b_{0}$,
证 直接计算可知 $\langle T_\varphi e_n, e_m\rangle=\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{m-n}, \ \ \langle \mathit{\Gamma}_\varphi e_n, e_m\rangle=\frac{\sqrt{m}}{\sqrt{n}}a_{-(m+n)}. $因此
同样计算可得
下面我们给出本文主要定理1.1的证明.
证 充分性的证明.
当 $\varphi$是常数时, 则 $\widetilde T_{\varphi}\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}=\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}\widetilde T_{\varphi}$显然成立.
当 $\varphi$不为常数, $\psi=\alpha\varphi+\beta, $且当 $\alpha\neq 0$或 $\beta\neq0$时, $\varphi=\hat{\varphi}$, 则 $\forall~f\in\mathcal{D}_{h}$,
在上面两式中用到引理2.1.
比较上面两式可知, 当 $\alpha\neq 0$或 $\beta\neq0, $且 $\varphi=\hat{\varphi}$时, $\widetilde T_{\varphi}\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}=\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}\widetilde T_{\varphi}$.
必要性的证明.
若 $\widetilde T_{\varphi}\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}=\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}\widetilde T_{\varphi}, $则 $\widetilde{U}\widetilde T_{\varphi}\widetilde{U}^{*}\widetilde{U}\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}\widetilde{U}^{*}=\widetilde{U}\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}\widetilde{U}^{*}\widetilde{U}\widetilde T_{\varphi}\widetilde{U}^{*}$, 由引理2.2与引理2.3得
设 $\varphi(z)=\sum\limits_{k<0}a_{k}\bar{z}^{-k}+\sum\limits_{k\geq0}a_{k}z^{k}, ~~\psi(z)=\sum\limits_{k<0}b_{k}\bar{z}^{-k}+\sum\limits_{k\geq0}b_{k}z^{k}$, 则
由引理2.4计算得
由(2.1) 式得
同样计算(2.2), (2.3), (2.4) 式得
由引理2.4得
由(2.5) 式得
同样计算(2.6) 式可得
所以
由(2.7) 式得
在(2.1')与(2.3')式中令 $-n+k=j, $则 $k=n+j, $
在(2.2')与(2.4')中令 $n+k=j, $则 $k=-n+j, $
对任意正整数 $m, n$, 由(2.1")和(2.5')式结合可得
由(2.3")和(2.5'), (2.6')式结合可得
由(2.2")和(2.5'), (2.6')式结合可得
由(2.4")和(2.6')式结合可得
在(2.2"), (2.3")式中令 $m=n$, 则
即有
对比以上两式可得 $a_{-n}b_{n}-a_{-n}b_{-n}=a_{n}b_{-n}-a_{n}b_{n}, $即
从而 $a_{-n}=-a_{n}$或 $b_{-n}=b_{n}.$
设 $\varphi$不是常数, 则存在正整数 $m_0$使得 $a_{m_0}\neq 0$或 $a_{-m_0}\neq 0$.由对称性, 不妨设 $a_{m_0}\neq 0$.
对任意正整数 $n$, 由 $(2.8)$式得
由(2.10) 式得
若 $b_{-m_0}\neq 0$, 则由(2.13) 式得 $a_{-m_{0}}=a_{m_{0}}\neq 0$, 由(2.12) 式得 $b_{m_0}=b_{-m_0}=\frac{b_{-m_0}}{a_{m_0}}a_{m_0}$.令 $\alpha_1=\frac{b_{-m_{0}}}{a_{m_{0}}}$, 则存在常数 $\beta_1$, 使得 $\psi=\alpha_1\varphi+\beta_1$.
若 $b_{-m_0}=0$, 则由(2.13), (2.14) 式得 $b_{-n}=0, $ $b_n=0(n\neq m_0)$.由(2.7')式得
因此有 $(a_{m_0}-a_{-m_0})b_{m_0}=0.$因为 $b_{-m_0}= 0$, 由(2.12) 式得 $(a_{-{m_0}}+a_{m_0})b_{m_0}=0.$若 $b_{m_0}\neq 0$, 则 $a_{-{m_0}}+a_{m_0}=0$, 且 $a_{m_0}-a_{-{m_0}}=0$, 因此有 $a_{m_0}=0$, 矛盾.所以 $b_{m_0}=0$.因此 $\psi$是一个常数.设 $\psi=\beta_2$, 令 $\alpha_2=0$, 则有 $\psi=\alpha_2\varphi+\beta_2$.
以下设 $\psi=\alpha\varphi+\beta$, 则对于任意正整数 $n$, $b_n=\alpha a_n$, $b_{-n}=\alpha a_{-n}.$
当 $\alpha\neq0$时, 代入(2.11) 式得 $a_{-m}a_{n}=a_{n}a_{m}$.因为 $a_{m_0}\neq 0$, 所以对任意正整数 $n$, 有 $a_n=a_{-n}$.因此 $\varphi=U\varphi$.
当 $\alpha=0$, $\beta\neq 0$时, 由 $\widetilde{T}_{\varphi}\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}=\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}\widetilde{T}_{\varphi}$得 $\widetilde{T}_{\varphi}\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}(1)=\widetilde{\mathit{\Gamma}}_{\psi}\widetilde{T}_{\varphi}(1)$.直接计算得 $\varphi=U\varphi.$证毕.