设$ \; \mathbb{C} $表示复平面, $ H(\mathbb{C}) $表示在$ \; \mathbb{C} $上的解析函数全体, $ dA $表示$ \; \mathbb{C} $上的$ Lebesgue $面积测度, $ F^p (\mathbb{C}) $是由$ \; L^p\left(\mathbb{C}, e^{-\frac{p}{2}|z|^2}dA(z)\right) $中的整函数所构成的空间, 即
对任意给定的正整数$ \; m $, Fock-Sobolev空间$ \; F^{{p, m}}=\{f\in H(\mathbb{C}): f^{(m)} \in F^p\} $, Zhu在[1]中证明了$ \; f\in F^{p, m} $当且仅当$ \; z^mf(z)\in F^p. $因此, 在$ \; F^{(p, m)} $中通常使用下述范数:
若$ \; g\in H(\mathbb{C}) $, 则线性算子$ \; V_gf(z )= \int_0^zf(\zeta)g'(\zeta)\, d\zeta\; $称为Volterra型积分算子. 若$ \; \varphi \in H(\mathbb{C}) $, 则线性算子$ \; C_{\varphi}f(z) = f(\varphi(z))\; $称为复合算子. Volterra型积分算子和复合算子的乘积的定义如下:
方便起见, 后文使用$ \; T\; $来表示$ \; V_g^\varphi\; $和$ \; C{_\varphi^g}.\; $
人们对于Fock空间和Fock-Sobolev空间已经有了很多研究. Hong在[2]中研究了Fock-Sobolev空间上复合算子有界性和紧性. Constantin在[3]中研究了Fock空间上的Volterra型积分算子. Mengestie在[4]中研究了Fock空间上Volterra型积分算子和复合算子的乘积, 使用Berezin变换刻画了算子的有界性和紧性, 但是他的结果略微复杂, Tien在[5]中给出了更易使用的结果. Cho在[6]中研究了Fock-Sobolev空间上的Toeplitz算子. Hu和Lv在[7]中研究了$ \; F^p(\varphi) $上Topelitz算子的性质, Fock-Sobolev空间可以视为$ \; F^p(\varphi) $的一个特例. Mengestie在[8, 9]中对Fock-Sobolev空间和Fock-Sobolev空间上的Volterra型积分算子进行了许多研究. 因此, 本文受上述启发, 将研究Fock-Sobolev空间上Volterra型积分算子和复合算子乘积的有界性和紧性.
本文通过$ \; M_T(z)\; $来刻画算子T的有界性和紧性, 定义如下:
其中$ \; \phi(z)=|z|^2/2-mlog(1+|z|) $. 后文中若无特殊说明, $ \phi(z) $都为此定义.
下文, 我们用$ \; C\; $表示非负常数且不同处的$ C $可以取值不同. 对于两个非负量$ X $和$ Y $, 用$ \; X\lesssim Y\; $表示存在常数$ \; C > 0\; $使得$ \; X\leq CY, \; $用$ \; X\gtrsim Y\; $表示存在常数$ \; C > 0\; $使得$ \; X\geq CY $. 如果$ \; X\lesssim Y\; $和$ \; X\gtrsim Y, \; $则记$ \; X\simeq Y.\; $本文的主要结论为下述两个定理.
定理1 设$ \; 1<p\leq q<\infty, \; g $为整函数且不为常函数, $ \; \varphi(z)=az+b, \; 0<|a|\leq 1 $, 则有:
(a) 算子$ \; T:F^{p, m}(\mathbb{C})\rightarrow F^{q, m}(\mathbb{C}) $有界当且仅当$ M_T(z)\in L^\infty (\mathbb{C}, dA) $, 且
(b) 算子$ \; T:F^{p, m}(\mathbb{C})\rightarrow F^{q, m}(\mathbb{C}) $为紧算子当且仅当$ \lim\limits_{|z| \to \infty} M_T(z)\, =0. $
定理2 设$ \; 1<q< p<\infty, \; g $为整函数且不为常函数, $ \; \varphi(z)=az+b, \; 0<|a|\leq 1 $, 则下列陈述等价:
(i) 算子$ T:F^{p, m}(\mathbb{C})\rightarrow F^{q, m}(\mathbb{C})\; $是有界的.
(ii) 算子$ T:F^{p, m}(\mathbb{C})\rightarrow F^{q, m}(\mathbb{C})\; $是紧的.
(iii) $ M_T(z) \in L^{\frac {pq}{p-q}}(\mathbb{C}, dA) $. 且有
在本节中, 我们给出一些引理和相关推论. Mensgestie在[9]中给出了Fock-Sobolev空间范数的一个等价表述:
由上式可得$ ||f||_p \lesssim ||f||_{p, m}. $ Hu在[7]中对这类的加权Fock空间进行了一定探讨. 与Fock空间类似, 我们给出Fock-Sobolev空间中的再生核函数$ \; K_m(z, \omega), \; $后文中将其简记为$ \; K_z(\omega) $. 从[7]我们可以得知, $ \; \forall z, \omega \in \mathbb{C}, \; $存在正常数$ \; \theta, C\; $使得
存在正常数$ \; r, \; $对于$ \; \forall z \in \mathbb{C}, $当$ |\omega - z| < r $时, 有
由上面两个不等式, 显然有
对于每个$ \; z \in \mathbb{C}, \; $定义$ \; k_z(\omega)=\frac {K_z(\omega)}{\sqrt{K_z(z)}}, \; $有$ |k_z(z)|\simeq e^{\phi(z)}, ||k_z||_{p, m}\simeq 1.\; $固定$ \; \omega \in \mathbb{C}, \; $当$ \; z \to \infty\; $时, 有$ \; |k_z(\omega)|\simeq |K_z(\omega)e^{-\phi(z)}| \leq Ce^{-\theta|z-\omega|}e^{\phi(\omega)} \to 0. $
引理2.1 设$ \; p \in (0, \infty), \; f\in F^p(\mathbb{C}). $则对任意$ z\in \mathbb{C}, \; $存在常数$ C $使得
当$ \; f\in F^{p, m}(\mathbb{C})\; $时, 有$ \; z^mf \in F^p $, 自然可推出$ \; |f(z)z^m|e^{-\frac {|z|^2}{2}} \leq C||f||_{p, m} $.
引理2.2 设$ \; 0<p<q<\infty, \; $则有$ \; F^{p}(\mathbb{C}) \subset F^{q}(\mathbb{C}), \; $且
显然可以推出, 若$ \; 0<p<q<\infty, \; $则有$ \; F^{p, m}(\mathbb{C}) \subset F^{q, m}(\mathbb{C}), \; $且$ \; ||f||_{q, m} \leq (\frac {q}{p})^{\frac {1}{q}}||f||_{p, m}. $
由文献[6, 引理3.8] 得到下述紧算子的判别方法:
引理2.3 设$ \; 1<p, q<\infty, \; T:F^{p, m} \to F^{q, m}\; $为紧算子当且仅当对于$ \; F^{p, m}\; $中任意有界且满足在$ \; \mathbb{C}\; $的紧子集上一致收敛于0的序列$ \; \{f_k\}, \; $有$ \; ||Tf_k||_{p, m} \to 0, \; k \to \infty. $由文献[9, 引理2.2] 得到如下引理:
引理2.4 设$ 0<p<\infty, \; f \in F^{p, m}.\; $则
为了更好的应用引理2.4, 我们构造如下函数:
在后文中, 使用$ \; m_T\; $来简记上述两个函数.
对文献[8, 推论3.2] 的证明做简单的修改, 可得下述引理:
引理2.5 设$ g, \; \varphi $为整函数, 且$ g $不恒为0. 若满足不等式
则有$ \varphi (z)=az+b $, 且$ |a|\leq 1 $.
根据引理2.5, 可以得知如果有$ \sup\limits_{z \in \mathbb{C}}M_T(z) \leq M $, 则$ \varphi(z)=az+b, \; |a|\leq 1 $.
设$ \; 0<p, q<\infty, \; \mu\; $是$ \; \mathbb{C}\; $上的正Borel测度, 若存在正数$ C $使其满足:
则称$ \mu $是$ \; (p, q)\; $型Fock Sobolev-Carleson测度. 显然, 可以根据$ \; \mu\; $构建恒等算子$ \; i:F^{p, m}(\mathbb{C})\to L^q(\mathbb{C}, \; e^{-q\phi(z)} d\mu ) $, 定义$ \; ||\mu||=||i|| $.
由文献[7, 定理2.8] 得到下述引理:
引理2.6 设$ 0<q<p<\infty, \; \mu $是$ \mathbb{C}\; $上的正Borel测度, 则$ \mu $是$ (p, q) $型的Fock Sobolev-Carleson测度当且仅当$ \widetilde{\mu} \in L^{\frac {p}{p-q}}(\mathbb{C}, dA) $, 其中
且有$ ||\mu||\simeq ||\widetilde{\mu}||^{\frac {1}{q}}_{L^{\frac {p}{p-q}}} $.
本节将刻画Fock Sobolev空间上算子的有界性和紧性. 下面的命题给出一个在后文中多次使用的重要等式.
命题3.1 设$ q\in (0, \infty), \; g $为整函数且不为常函数. 对于任意的整函数$ f $和$ z\in \mathbb{C} $, 有
和
证 令$ T $为$ \; V_g^{\varphi} $, 注意到$ \; V_g^{\varphi}f(0)=0, \; $由引理2.4, 可得
其中$ D(\omega, 1)=\{\zeta \in \mathbb{C}:|\zeta-\omega|< 1 \}. $当$ \; \zeta\in D(\omega, \; 1)\; $时, 有
由次调和性得
从而有$ ||V_g^{\varphi}f||_{q, m}^{q} \gtrsim |V_g^{\varphi}f(0)|^q + |f(\varphi (z))|^q m_{V_g^{\varphi}}(z)^q.\; $
令$ T $为$ \; C{_\varphi^g}, \; $由引理2.4, 可得
显然有$ |C{_\varphi^g}f(0)|^q \gtrsim |C{_\varphi^g}f(0)|^q $, 即得$ ||C{_\varphi^g}f||_{q, m}^{q} \gtrsim |C{_\varphi^g}f(0)|^q + |f(\varphi (z))|^q m_{C{_\varphi^g}}(z)^q. $
最后, 取$ \; f = 1, \; $即得$ \int _\mathbb{C} m_T(\zeta)^q dA(\zeta) \lesssim ||T1||_{q, m}^q. $
命题3.2 设$ p, \; q \in (0, \infty), \; g, \; \varphi $为整函数且$ g $不为常函数. 如果$ T:\; F^{p, m}(\mathbb{C})\rightarrow F^{q, m}(\mathbb{C}) $为有界算子, 则$ M_T(z) \in L^\infty (\mathbb{C} , dA), \; \varphi (z)=az+b, |a|\leq 1 $, 且有
证 利用$ ||k_\omega||_{p, m}\simeq 1 $和(3.1) 可得$ ||T||\gtrsim ||Tk_\omega||_{q, m}\gtrsim |k_{\omega}(\varphi (z))|m_T(z) , \forall z \in \mathbb{C}. $取$ \omega = \varphi (z) $, 有
由引理2.5可得$ \varphi(z)=az+b, |a|\leq 1. $
推论3.3 设$ p, \; q \in (0, \infty), \; g $为整函数且不为常函数, $ \varphi(z) = b, \; $则有:
(a) $ V_g^b:\; F^{p, m}(\mathbb{C}) \to F^{q, m}(\mathbb{C}) $为紧算子当且仅当$ g\in F^{q, m}({\mathbb{C}}) $.
(b) $ C_b^g:\; F^{p, m}(\mathbb{C}) \to F^{q, m}(\mathbb{C}) $是紧算子.
证 $ (a) $ 必要性, 令$ f=1, \; V_g^bf(z)=g(z)-g(0) $, 则$ g\in F^{q, m}({\mathbb{C}}) $.
充分性, 显然$ V_g^b $是一个有限秩算子, 因此只需证明其有界即可. 有
即得$ V_g^b $是紧算子.
(b) 设$ f\in F^{p, m}, \; C_b^gf(z)=\int_0^bf(\zeta)g'(\zeta)d\zeta, \; $有
由引理2.1可知$ \forall z \in \mathbb{C}, \; |f(z)|\lesssim ||f||_p $, 又因为$ \; g'\; $是整函数, 所以$ g'(\zeta)\; $在$ \; [0, b]\; $上有界, 可得
显然$ \; C_b^g\; $是秩为1的有限秩算子, 从而可知$ \; C_b^g\; $是紧算子.
当$ \varphi(z)=az+b, \; 0<a\leq1 $时, 情形更为复杂, 我们分$ 1<p\leq q<\infty $和$ 1<q<p<\infty $来进行讨论, 先研究$ 1<p\leq q<\infty $的情况.
定理1的证明 (a) 首先证明必要性, 由命题3.2可知$ M_T(z)\lesssim ||T||, $即得$ ||M_T||_{L^\infty} \leq ||T||. $
再证充分性, 设$ M_T(z)\in L^\infty (\mathbb{C}, dA) $. 由命题3.1可得
令$ T $为$ \; V_g^{\varphi} $, 注意到$ \; V_g^{\varphi}f(0)=0, \; $由上式可得
即得$ V{_g^\varphi} $为有界算子, 再由命题3.2即可得$ ||M_{V{_g^\varphi}}||_{L^\infty} \simeq ||V{_g^\varphi}||. $
令$ T $为$ \; C_{\varphi}^g $, 注意到$ C_{\varphi}^gf(0)=C_b^gf $, 由推论3.3可知$ C_b^g $是有界算子, 得
即得$ C_{\varphi}^g $为有界算子, 且有$ ||M_{C{_\varphi^g}}||_{L^\infty} \lesssim ||C{_g^\varphi}|| \lesssim (||C_b^g||^q + |a|^{-\frac {2}{q}}||M_{C{_\varphi^g}}||_{L^\infty}^q)^{\frac {1}{q}}. $
(b) 首先证明必要性, 设$ z_n\to \infty $, 则有$ \varphi(z_n)\to \infty $, $ \{k_{\varphi(z_n)}\} $满足$ F^{p, m} $中有界且在$ \; \mathbb{C}\; $的紧子集上一致收敛于0. 由引理2.3可知$ ||Tk_{\varphi(z_n)}||_{q, m} \to 0 $, 再由命题3.2即得$ z\to \infty $时, $ M_T(z)\to 0 $.
再证充分性, 由$ (a) $可知, 此时$ T $是有界算子. 令$ \{f_n\} $为$ F^{p, m} $中的任意序列, 满足$ \{||f_n||\} $有界且$ f_n $在$ \mathbb{C} $的任意紧子集上一致收敛于0. 由命题3.1可得
我们有$ V_g^{\varphi}f_n(0)=0 $和$ C_{\varphi}^gf_n(0)=C_b^gf_n=\int_0^b f_n(\zeta)g'(\zeta)d\zeta $. 因为$ \{f_n\} $在紧集$ [0, b] $上一致收敛于0, 所以$ n\to \infty $时, $ C_{\varphi}^gf_n(0) \to 0 $. 再结合$ \{||f_n||\} $有界和$ T $是有界算子即得$ ||Tf_n||_{q, m} \to 0 $, 由引理2.3可知$ T $是紧算子.
接下来证明$ 1<q<p<\infty $的情况, 我们先给出两个$ \mathbb{C} $上测度$ \mu_{T, q} $和$ \lambda_{T, q} $, 定义如下:
定理2的证明 (ii) $ \to $ (i) 是显然的.
(i) $ \to $ (iii). 设$ T:F^{p, m}(\mathbb{C})\rightarrow F^{q, m}(\mathbb{C})\; $有界, 由(3.1) 式可得
由上述不等式可知$ \lambda_{T, q} $是一个Fock Sobolev-Carleson测度, 由引理2.6可得
再使用命题3.1, 有
令$ \omega=\varphi(z) $, 得到$ \widetilde{\lambda_q}(\varphi(z))\gtrsim e^{q\phi(\varphi(z))}m_T(z)^q = M_T(z)^q $, 从而有
由引理2.5我们还可知$ ||\widetilde{\lambda_{T, q}}||_{L^{\frac {p}{p-q}}}^{\frac {1}{q}}\simeq||\lambda_{T, q}||\leq||T||, $从而有$ ||M_T||_{L^{\frac {pq}{p-q}}} \lesssim |a|^{-\frac {2(p-q)}{pq}}||T|| $.
(iii) $ \to $ (ii). 设$ M_T(z) \in L^{\frac {pq}{p-q}} $, $ f \in F^{p, m}(\mathbb{C}) $. 注意到$ \frac {1}{p} + \frac {p-q}{pq} = \frac {1}{q} $, 使用命题3.1和Hölder不等式得
有$ V_g^{\varphi}f(0)=0 $和$ C_{\varphi}^gf(0)=C_b^gf, $从而可推出$ T $有界, 且
接下来我们再证$ T $的紧性. 令$ \{f_n\} $为$ F^{p, m} $中的任意序列, 满足$ \{||f_n||_{p, m}\} $有界且$ f_n $在$ \mathbb{C} $的任意紧子集上一致收敛于0. 由命题3.1和Hölder不等式可得
由$ \; T\; $有界可知$ ||T1||_{q, m}< \infty $, 再注意到$ M_T(z) \in L^{\frac {pq}{p-q}} $, $ V_g^{\varphi}f_n(0)=0 $和当$ n\to \infty $时, $ C_{\varphi}^gf_n(0)=C_b^gf_n \to 0 $. 所以我们可推出当$ n\to \infty $时, 有$ ||Tf_n||_{q, m}\to 0 $, 再通过引理2.3即可得出$ T $是紧算子.
利用本文的结论, 我们可以对$ \; V_g^{\varphi}, \; C_{\varphi}^g\; $在Fock sobolev空间中的拓扑性质做些简单的探讨, Mengestie在[10]中对Fock空间中$ \; V_g^{\varphi}\; $的拓扑结构做了更深入的研究.
推论3.4 设$ \; 1<p\leq q<\infty, \; g_1, \; g_2 $为整函数且不为常函数, $ \; \varphi_1(z)=a_1z+b_1, \; \varphi_2(z)=a_2z+b_2, \; 0<|a_1|, |a_2|\leq 1.\; V_{g_1}^{\varphi_1}, \; V_{g_2}^{\varphi_2}, $是$ F^{p, m}(\mathbb{C})\rightarrow F^{q, m}(\mathbb{C}) $上的有界算子, 如果$ \; V_{g_1}^{\varphi_1}-V_{g_2}^{\varphi_2}\; $是紧算子, 则有$ V_{g_1}^{\varphi_1} $和$ \; V_{g_2}^{\varphi_2} $都为紧算子或者$ a_1=a_2 $.
证 出于方便起见, 用$ T_1, \; T_2 $来代表$ \; V_{g_1}^{\varphi_1} $和$ V_{g_2}^{\varphi_2}\; $. 若$ T_1 $和$ T_2 $中某一个为紧算子, 则通过$ \; T_1-T_2 $为紧算子可以推出$ T_1, \; T_2 $都为紧算子.
若$ \; T_1, T_2\; $都不为紧算子, 我们使用反证法来证明$ \; a_1=a_2 $. 先假设有$ a_1 \neq a_2 $. 对$ (T_1-T_2)f(z)=\int_0^z f({\varphi_1}(\zeta))g_1'(\zeta)d\zeta-\int_0^zf({\varphi_2}(\zeta))g_2'(\zeta)d\zeta $使用引理2.4得
将$ k_\omega $代入上式, 得
令$ \; \omega=\varphi_1(z) $, 则存在正数C使得
通过$ T_1-T_2 $的紧性和$ \; a_1 \neq a_2 $, 可以得出当$ z \to \infty $时, 有$ ||(T_1-T_2)k_{\varphi_1(z)}||_{q, m} \to 0 $和$ e^{-\theta|\varphi_1(z)-\varphi_2(z)|}\to 0 $.又有$ |\big((T_1-T_2)k_{\varphi_1(z)}\big)(0)|=0 $和$ M_{T_2} $有界, 我们可以推出$ \; z \to \infty $时, $ M_{T_1}(z) \to 0 $. 根据定理1, 此时$ \; T_1 $为紧算子, 导出矛盾, 即得此时有$ a_1=a_2 $.
从上述的论证中, 注意到当$ z \to \infty $时, $ \; \big|\big((C_{\varphi_1}^{g_1}-C_{\varphi_2}^{g_2})\big) k_{\varphi_1(z)}\big)(0)\big|\to 0 $. 即可知此推论的结果对于$ \; C_{\varphi_1}^{g_1}-C_{\varphi_2}^{g_2}\; $同样成立.