Оценка отношения двух целых функций, нули которых совпадают в круге. 6 1 0 В.Л. Гейнц, А.А. Шкаликов 2 n 20 января 2016 г. a J 6 1 Аннотация ] V В заметке изучаются целые функции конечного порядка роста, C которые на некотором луче комплексной плоскости допускают пред- h. ставление ψ(z) = 1 + O(|z|−µ),µ > 0. Получен следующий резуль- t a тат: если нули двух функций ψ ,ψ такого класса совпадают в кру- 1 2 m ге радиуса R с центром в нуле, то при любых произвольно малых [ δ ∈ (0,1), ε > 0 в круге радиуса R1−δ отношение этих функций допус- 1 кает оценку |ψ (z)/ψ (z)−1| 6 εR−µ(1−δ), если R > R (ε,δ) Получен- 1 2 0 v ны результаты важны для анализа устойчивости в задаче о восстанов- 6 9 лении потенциала уравнения Шредингера на полуоси по резонансам 6 оператора. 4 0 Библиография: 3 названия. . 1 0 6 1. Введение. В спектральной теории оператора Шредингера с быстро- 1 убывающем потенциалом важную роль играют целые функции вида : v i X ∞ ψ(z) = 1+ K(t)eiztdt, (1) r a Z0 где функция K(t) определяется ядром оператора преобразования, которое в свою очередь определяется потенциалом q оператора Шредингера Ay = −y′′ +q(x)y, x ∈ [0,∞). Известно [2, Гл. 2], что если потенциал q подчинен условию ∞ |q(x)|exp(xγ)dx 6 C < ∞, при некотором γ > 1, 0 Z0 то функция K подчинена оценке γ t |K(t)| 6 C exp − , 2 (cid:18) (cid:18) (cid:19) (cid:19) 0Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 15-51-12389. с постоянной C, зависящей от C . В этом случае нетрудно показать, что 0 функция ψ является целой порядка роста, не превосходящего γ ρ(γ) = γ −1 и конечного типа. Кроме того, при z ∈ C+ выполняется оценка [2, Лемма 3.1.3] C 1 |ψ(z)−1| ≤ , Imz > 0, (2) Imz спостоянной C ,зависящей от C и γ .В случае,еслипотенциал q финитный, 1 функция K также оказывается финитной, а тогда функция (1) является целой функцией экспоненциального типа, т.е. порядка 1 и конечного типа. Нули функции ψ называются резонансами оператора Шредингера, ко- торые являются физически наблюдаемыми величинами. Поэтому важное значение имеет задача о восстановлении потенциала q по резонансам опе- ратора Шредингера. В решении этой задачи ключевую роль играют оцен- ки отношения двух целых функций вида (1) при условии, что нули этих функций совпадают в круге большого радиуса R. Важность и эффектив- ность таких оценок продемонстрирована в работе Марлетты, Штеренберга и Вайкарта [3]. Основная цель нашей работы — получить обобщение и усиление одного из ключевых аналитических результатов работы [3]. Применение получен- ных здесь результатов авторы планируют провести в другой работе. 2. Основной результат. Обозначим через B(a,r) открытый круг ради- уса r с центром в точке a ∈ C, а через M = M(C ,C ,ρ,σ,µ,r ) множество, 0 1 0 состоящее из целых функций ψ, удовлетворяющих следующим условиям: 1) функции ψ ∈ M подчинены оценке |ψ(z)| 6 C eσrρ для всех |z| > r > 1; (3) 0 0 2) На некотором луче argz = ϕ ∈ [0,2π) справедлива оценка C |ψ(z)−1| 6 1 , µ > 0, для всех |z| > r . (4) 0 |z|µ Значение аргумента ϕ далее не играет роли и мы для упрощения записи полагаем ϕ = 0. Все постоянные, участвующие в определении класса M, предполагаютсяположительными.Далее через [ρ] обозначается целаячасть числа ρ. Для функций из M мы получим следующий результат. Теорема 1 . Пусть функции ψ ,ψ ∈ M и нули этих функций в круге 1 2 B(0,R) совпадают с учетом кратностей. Тогда при любых произвольно малых δ ∈ (0,1) и ε > 0 для отношения функций ψ /ψ в круге B(0,R1−δ) 1 2 справедлива оценка ψ (z) ε 2 −1 < , (5) ψ (z) Rµ(1−δ) (cid:12) 1 (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) при условии, что R > R , где R достаточно большое число. Постоянная 0 0 R зависит от δ,ε и всех параметров C ,C ,σ,ρ,µ,r , определяющих класс 0 0 1 0 M, но не зависит от функций ψ ,ψ ∈ M. Зависимость от параметров 1 2 можно явно указать. А именно, можно положить R = max(r ,r ,r ,r ,r ,R′(ε,δ)), 0 1 2 3 4 5 где величина R′(ε,δ) определена в (6), а величины r опредляются в процес- j се доказательства в соотношениях (9), (12), (26), (30), и (31). При этом в (12) нужно положить a = p+1, а число p ∈ N определяется условием (µ+ρ)/δ 6 p+1 < 1+(µ+ρ)/δ. Доказательство. Шаг 1. Сначала заметим, что достаточно доказать оценку (5) с произвольной постоянной C = C(δ) в числителе вместо ε. Дей- ствительно, если такая оценка уже доказана, для произвольного δ ∈ (0,1) с постоянной C = C(δ) и R = R (δ), то достаточно взять число δ ∈ (0,δ) 0 0 1 (например, δ = δ/2) и заметить, что левая часть в (5) будет оцениваться 1 величиной ˜ ˜ C C ε 1 = 1 6 , R1−δ1 R1−δ Rδ−δ1 R1−δ если ˜ 1/(δ−δ1) C R > R′(ε,δ) = max R (δ ), 1 , где C˜ = C(δ ). (6) 0 0 1 ε 1 1 ! Итак, далее докажем оценку (5) при R > R с постоянной C вместо ε. При 0 этом постоянные C и R предъявим в явном виде в зависимости от δ и 0 параметров класса M. А именно, C = 20A C , R = max(r ,r ,r ,r ,r ), p 1 0 1 2 3 4 5 где C — постоянная из оценки (4), число A определено (19), а числа r 1 p j явно указаны в ходе доказательства. Наметим дальнейший план доказательства. Возможность получить нужную оценку основана на представлении (22), где бесконечные произве- дения Π ,Π учитывают только те нули функций ψ ,ψ , которые лежат вне 1 2 1 2 круга|z| 6 R. Мыпокажем, что функцияΦ = Π /Π −1 в кругеB 0,aR1−δ 2 1 допускает оценку 6 CR−α, где α = δ(p+1)−ρ, C – постоянная и a — сво- (cid:0) (cid:1) бодный параметр. Выбор числа p ∈ N в нашей власти; возьмем наименьшее p, при котором α > µ (в действительности, достаточно выполнения условия α > µ(1−δ), но технически проще считать α > µ). Из определения функций класса M следует, что оценка (5) выполняется на положительном луче. Но тогда из (22) следует, что функцию h = eg2−g1 −1 можно оценить на отрез- ке ∆ = [r,(p+1)r] при r = a(p+ 1)−1R1−δ. Далее мы покажем, что оценка функции h на отрезке ∆ влечет ее оценку в круге B(0,ar). Но тогда из пред- ставления (32) получаем аналогичную оценку функции ψ /ψ −1 в том же 2 1 круге B(0,ar). Отметим, что за счет выбора свободного параметра a мож- но отслеживать постоянные в оценках (и делать их более оптимальными). Однако наиболее простая форма записи получается при a = p+1, поэтому далее мы делаем именно этот выбор. Приступим к реализации намеченной цели. Шаг 2. Обозначим через n(a,r) число нулей функции ψ в круге радиуса r с центром в a. При a = 0 будем писать n(r). Оценим n(r) для функ- ций ψ ∈ M. Из формулы Йенсена и оценки (3) легко получается оценка n(r) < 2σ(er)ρ асимптотически при r > R . Однако R зависит от ψ. Но 0 0 при дополнительном условии (4) эту зависимость можно устранить. Положим c := max r ,(2C )1/µ , (7) 0 1 (cid:16) (cid:17) где r ,C — постоянные, участвующие в оценке (4). Тогда 0 1 |ψ(c)| > 1−1/2 = 1/2, поэтому −ln|ψ(c)| < ln2. Согласно формуле Йенсена с учетом оценки (3) получаем e(r+c) n(c,t) e(r+c) n(c,t) n(r) = n(0,r) 6 n(c,n+c) 6 dt 6 dt t t Zr+c Z0 1 2π = ln|ψ(c+e(r +c)eiϕ)|dϕ−ln|ψ(c)| 2π Z0 6 lnC +σ(e(r +c))ρ +ln2 6 ln(2C )+σ(2e)ρrρ. 0 0 Следовательно, n(r) 6 2σ(2e)ρrρ, (8) если только r > c и ln(2C ) 6 σ(2e)ρrρ или 0 1/ρ 1 ln(2C ) r > r , где r = max r , (2C )1/µ, 0 . (9) 1 1 0 1 2e σ ! (cid:18) (cid:19) Шаг 3. При любом p > [ρ] согласно теореме Адамара [1, Гл. 4.2] функция ψ ∈ M допускает представление ∞ z ψ(z) = znexp(g(z)) E , p z n n=1 (cid:18) (cid:19) Y где p ≥ [ρ], p zk E (z) = (1−z)exp , p k ! k=1 X g— многочлен степени 6 p и {z }∞ — множество нулей функции ψ. n n=1 Обозначим z Π(R,z):= E . (10) p z n |z |≥R (cid:18) (cid:19) nY Наша цель на этом эпапе — оценить функцию Π(R,z)−1 в круге B(0,aR1−δ). Лемма 2 Пусть δ ∈ (0,1), a > 0 а число p ∈ N подчинено условиям p > [ρ], α:= δ(p+1)−ρ > µ. Тогда в круге B 0,aR1−δ справедлива оценка (cid:0) 2σ(cid:1)(p+1)(2e)ρ |Π(R,z)−1| ≤ 2C ap+1R−µ, C = , (11) 2 2 p+1−ρ если только a(p+1) 1/δ C ap+1 1/µ R > r := max r , , 2 , (12) 2 1 p ln2 ! (cid:18) (cid:19) (cid:18) (cid:19) где число r определено в (9). 1 Доказательство. Отметим, что в ходе дальнейшего доказательства эта лемма будет использоваться при a = p+1. Имеем z Π(R,z)−1 = exp lnE −1. p z n |z |≥R (cid:18) (cid:19) Xn Поскольку |ew −1| 6 |w|e|w|, (13) то достаточно оценить сумму z w(z) = lnE . p z n |z |>R (cid:18) (cid:19) Xn Известно [1, §4.3], что при |ξ| 6 p справедлива оценка p+1 |lnE (ξ)| 6 |ξ|p+1. p Неравенство |z|(p+1) 6 pR выполнено для всех z ∈ 0,aR1−δ , если только a(p+1)R1−δ 6 pR или (cid:0) (cid:1) 1/δ a(p+1) R > . (14) p (cid:18) (cid:19) Следовательно, при таком условии для всех z ∈ B 0,aR1−δ имеем (cid:0) (cid:1) z 1 |w(z)| 6 lnE 6 |z|p+1 . (15) p z |z |p+1 |z |>R(cid:12) (cid:18) n(cid:19)(cid:12) |z |≥R n Xn (cid:12) (cid:12) Xn (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) Согласно (8), получаем ∞ ∞ 1 ∞ dn(r) n(r) dr 6 6 (p+1) dr 6 2(p+1)σ(2e)ρ |z |p+1 rp+1 rp+2 rp+2−ρ |z |≥R n ZR Z Z Xn R R 6 C Rρ−p−1, (16) 2 гдепостояннаяC определенав(11)иR > r .Теперь,полагаяα = δ(p+1)−ρ 2 1 и учитывая условие α > µ, из оценок (15) и (16) при z ∈ B 0,aR1−δ получаем (cid:0) (cid:1) |w(z)| 6 |z|(p+1)C Rρ−p−1 6 C ap+1R−α 6 C ap+1R−µ, (17) 2 2 2 если R > r и если выполнено условие (14). При дополнительном условии 1 C ap+1R−µ 6 ln2 из оценок (17) и (13) получаем оценку (11). Учет всех 2 условий на R приводит к условию (12). Лемма доказана. Шаг 4. На этом этапе мы докажем следующее утверждение. Лемма 3 Обозначим через W алгебраические дополнения элементов kj c = kj−1, находящхся на пересечении k-ой строки и j-го столбца опреде- kj лителя Вандермонда 1 1 1 · · · 1 1 2 22 · · · 2p W = (cid:12) (cid:12) = 1!2!3! ··· p!. (18) (cid:12)· ·· · · · · (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12)1 (p+1) (p+1)2 · · · (p+1)p(cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) Положим (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) p+1p+1 1 A = |W |k−µ. (19) p jk W k=1j=1 XX Пусть g(z) = a +a z+···+a zp — многочлен степени p > 1, причем для 0 1 p всех z из отрезка [r,(p+1)r] выполнена оценка 1 eg(z) −1 6 C |z|−µ 6 ε, z ∈ [r,(p+1)r], ε:= C r−µ 6 . 1 1 2 (cid:12) (cid:12) Тогда д(cid:12)ля всех (cid:12)z в круге B(0,r) выполняется оценка (cid:12) (cid:12) eg(z) −1 6 2εA , если εA 6 1/4. (20) p p (cid:12) (cid:12) Доказательств(cid:12)о. Полож(cid:12)им h(z) = eg(z) −1, тогда (cid:12) (cid:12) g(z) = ln(1+h(z)). Коэффициент a полинома g определяется с точностью до постоянной вида 0 2πki, k ∈ Z. Выберем главную ветвь логарифма при z ∈ [r,(p + 1)r], так, чтобы ∞ hk(z) g(z) = (−1)k−1 . k k=1 X При z ∈ [r,(p+1)r] имеем |h(z)| 6 ε 6 1/2, поэтому |h2(z)| |h3(z)| |g(z)| 6 |h(z)|+ + +... 6 |h(z)|(1+|h(z)|). 2 3 Следовательно, g(kr) = a +a kr+···+a (kr)p = ζ , |ζ | 6 ε(1+ε)k−µ, k = 1,2,...,p+1. 0 1 p k k (21) Получили систему p+1 уравнений, из которой однозначно определяются ко- эффициенты a . Очевидно, определитель этой системы W и алгебраические j дополнения W его элементов, находящихся на пересечении j-го столбца и jk k-ой строки, равны W = rp(p+1)/2W, W = rp(p+1)/2−j+1W . kj kj Согласно правилу Крамера получаем p+1 p+1 1 1 |a | 6 |ζ W | 6 ε(1+ε)r−j+1 |W |k−µ. j−1 k kj kj W W k=1 k=1 X X Но тогда для всех z ∈ B(0,r) имеем p+1p+1 ε(1+ε) |g(z)| 6 |W |k−µ = ε(1 +ε)A . kj p W k=1j=1 XX Теперь воспользуемся оценкой |eg −1| 6 |g|e|g| 6 |g|(1 +2|g|), если |g| 6 1/2. Далее предположим, что εA 6 1/4. Ниже в замечании мы покажем, что p A > 2p+1−1 > 3. Поэтому такое предположение влечет ε < 1/12. Но тогда p для всех z ∈ B(0,r) получаем |eg(z) −1| 6 ε(1+ε)A (1+2ε(1+ε)A ) 6 2εA . p p p Лемма доказана. Шаг 5. Пусть обе функции ψ ,ψ принадлежат классу M. Согласно тео- 1 2 реме Адамара для них справедливы представления ∞ z ψ (z) = znjegj(z) E , j = 1,2. j p (j) z ! k=1 k Y где z(j) — нули функций ψ , а g — многочлены степени 6 p. Если нули k j j функций ψ и ψ в круге B(0,R) совпадают, то 1 2 ψ (z) Π (z,R) 2 = eg2(z)−g1(z) 2 , (22) ψ (z) Π (z,R) 1 1 где функции Π ,Π определены (10) и построены по нулям функций ψ ,ψ 1 2 1 2 соответственно. Следовательно, ψ (z) Π (z,R) Π (z,R) eg2(z)−g1(z) −1 = 2 −1 1 + 1 −1 . (23) ψ (z) Π (z,R) Π (z,R) 1 2 2 (cid:18) (cid:19) (cid:18) (cid:19) Оценим правую часть этого равенства в круге |z| 6 R1−δ. Далее будут использоваться очевидные неравенства (1−η)−1 6 1+3η/2, (1+η)(1−η)−1 6 1+3η, если 0 6 η 6 1/3. По условию на положительном луче справедлива оценка (4), поэтому при z = r ≥ r получаем 0 ψ (z) |ψ (z)−1|+|ψ (z)−1| 2 −1 6 2 1 ψ (z) |ψ (z)| (cid:12) 1 (cid:12) 1 (cid:12) (cid:12) −1 (cid:12) (cid:12) 2C C C 1 (cid:12) (cid:12) 6 1 1− 1 6 (2+3η )η , если η := 1 6 . (24) 1 1 1 rµ rµ rµ 3 (cid:18) (cid:19) Обозначим C = 2C (p+1)p+1. Согласно лемме 2 при |z| 6 (p+1)R1−δ,R > 3 2 r , имеем 2 Π (z,R) 1+C R−µ C 2C (p+1)p+1 1 1 6 3 6 1+3η , если η = 3 = 2 6 , 2 2 Π (z,R) 1−C R−µ Rµ Rµ 3 (cid:12) 2 (cid:12) 3 (cid:12) (cid:12) (25) (cid:12) (cid:12) то(cid:12) есть, есл(cid:12)и R > r := max r , 6C (p+1)p+1 1/µ . (26) 3 2 2 (cid:16) (cid:17) Так же, как в (24), при |z| 6 (p+1)R(cid:0)1−δ получаем(cid:1) Π (z,R) 2C R−µ C 1 1 −1 6 3 6 3η , если η := 3 6 . (27) 2 2 Π (z,R) 1−C R−µ Rµ 3 (cid:12) 2 (cid:12) 3 (cid:12) (cid:12) Теперь(cid:12) мы намере(cid:12)ны воспользоваться леммой 3. При z ∈ ∆ := (cid:12) (cid:12) R1−δ,(p+1)R1−δ правая часть (24) принимает максимальное значение при z = r = R1−δ. Следовательно, для всех z ∈ ∆ левая часть (24) до- (cid:2) (cid:3) пускает оценку 6 (2+3η)η, где C 1 η:= maxη = 1 6 . (28) 1 z∈∆ Rµ(1−δ) 3 Отрезок ∆ входит в круг B 0,(p+1)R1−δ , поэтому из представления (23) с учетом оценкок (24), (25), (27), при всех z ∈ ∆ получаем (cid:0) (cid:1) eg2(z)−g1(z) −1 6 (2+3η)η(1+3η )+3η 6 9η, если η 6 η. 2 2 2 (cid:12) (cid:12) Воспол(cid:12)ьзовавшись ле(cid:12)ммой 3, получим, что для всех z ∈ B 0,R1−δ спра- (cid:12) (cid:12) ведлива оценка (cid:0) (cid:1) eg2(z)−g1(z) −1 6 18A η. (29) p (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) (cid:12) если 9η 6 1/3 и 9A η 6 1/4. Первое условие автоматически выполняется, p если выполняется второе, так как A > 2p+1 − 1 > 3 (см. ниже замечание p 4). Но условие 9A η 6 1/4 эквивалентно условию p R > r := (36C A )1/µ(1−δ). (30) 4 1 p Вспомним еще, что мы использовали неравенство η 6 η, которое эквива- 2 лентно условию 1/µδ C R > r := 2(p+1)p+1 2 . (31) 5 C 1 (cid:18) (cid:19) Итак, в круге B 0,(p+1)R1−δ нами получена ключевая оценка (29) при условии, что R > max(r ,r ,r ). 3 4 5 (cid:0) (cid:1) Шаг 6. Из представления (22) получаем ψ (z) Π (z,R) 2 −1 = 1+ eg2(z)−g1(z) −1 2 −1 + eg2(z)−g1(z) −1 . ψ (z) Π (z,R) (cid:12) 1 (cid:12) (cid:18) 1 (cid:19) (cid:12) (cid:12) (cid:16) (cid:16) (cid:17)(cid:17) (cid:16) (3(cid:17)2) (cid:12) (cid:12) Ф(cid:12)ункция Π(cid:12)/Π −1 оценивается точно также, как функция Π /Π −1 (из- 1 2 2 1 менение порядка индексов значения не имеет). Поэтому из представления (32), оценки (29) и определения (28) для всех z ∈ B 0,(p+1)R1−δ полу- чаем (cid:0) (cid:1) ψ (z) 20A C 2 −1 6 (1+18A η)3η +18A η 6 20A η = p 1. (33) p p p ψ (z) Rµ(1−δ) (cid:12) 1 (cid:12) (cid:12) (cid:12) Здесь пр(cid:12)и переходе(cid:12) ко второму неравенству мы учли, что 18A η 6 1/2 и (cid:12) (cid:12) p 3η 6 A η. Этим завершается доказательство теоремы. p 3. Замечания. Отметим еще раз, что основой для настоящей заметки послужила работа [3], где для функций вида (1) с финитным ядром (то есть, для функций K, таких, что K(t) ≡ 0 при t > t ) получена оценка 0 |ψ (z)/ψ (z)−1| 6 CR−1/3 при |z| 6 R1/3, R > R , 2 1 0 при условии, что нули функций ψ ,ψ совпадают в круге радиуса R. Этот 1 2 результат получается из теоремы 1 при p = 1 и δ = 2/3. Дополнительно мы имеем в явном виде константы, при которых выполняется это неравенство. Замечание 4. Константу A можно оценить снизу и сверху (в зависи- p мости от p). Мы покажем только, что A > 2p+1 − 1 > 3 (эту оценку мы p использовали). Сначала вычислим определитель W . После вынесения p+1,1 из k-й строки этого определителямножителя k снова получим определитель Вандермонда вида (18), но только размера p×p. Поэтому W W−1 = 1·2·3···p·(p−1)!(p−2)!···1! W−1 = 1. p+1,1 Похожим образом вычисляются определители W = (p+1)!(p−s)−1W′ , s = 0,1,...,p−1, p−s,1 p−s,1 где W′ — определитель Вандермонда чисел 1,...,p−s−1,p−s+1,...,p+ p−s,1 1. Он равен p! (p−1)! (p−s)! W′ = · ··· ·(p−s−2)!···1!. p−s,1 s+1 s 1 После замены p−s = k получаем W (p+1)! 1k = = Ck , W k!(p+1−k)! p+1 где Ck — биномиальные коэффициенты. Но тогда p+1 p+1 p+1 A > Ck = Ck −1 = 2p+1 −1. p p+1 p+1 k=1 k=0 X X Замечание 5. Функции вида (1) ограничены на вещественной оси неко- торой постоянной C, зависящей от ядра K. Поэтому совпадение нулей таких функций в круге B(0,R) влечет оценку их разности на большом отрезке ве- щественой оси |ψ (z)−ψ (z)| = |ψ (z)/ψ (z)−1| |ψ (z)| 6 εCR−(1−δ), 2 1 2 1 1 если z ∈ −R1−δ,R1−δ , R > R . 0 (cid:2) (cid:3) Замечание 6. Известно [2, Гл. 2], что производная K′(t) в представле- нии функции Йоста (1) оператора Шредингера экспоненциально убывает, если экспоненциальное убывание имеет производная потенциала q опера- тора (порядок убывания сохраняется). В этом случае в предствлении (1) можно проинтегрировать по частям и получить K(0) 1 ∞ ψ(z) = 1− − K′(t)eiztdt. iz iz Z0 Если имеются две функции ψ ,ψ такого вида с ядрами K ,K , и извест- 1 2 1 2 но, что K (0) = K (0), то функции ψ˜ (z) = ψ (z) + K(0)(iz)−1 в верхней 1 2 j j полуплоскости допускают оценку |ψ˜ (z)| 6 C (|z|y)−1, y = Imz > 0. j 1 Поэтому теорема 1 для таких функций может быть применена с показате- лем µ = 2. Список литературы [1] B.Ya.Levin. Lectures on entire functions. English revised edition. Amer. Math. Soc, Providence, RI, 1996