Kurs:Maß- und Integrationstheorie (Osnabrück 2022-2023)/Vorlesung 25/latex

\setcounter{section}{25}






\zwischenueberschrift{Integralkerne}

Es seien \mathkor {} {( M, \mu)} {und} {(N, \nu)} {} $\sigma$-\definitionsverweis {endliche}{}{} \definitionsverweis {Maßräume}{}{} mit dem Produktraum
\mathl{M \times N}{.} Es sei \maabbdisp {K} { M \times N } { {\mathbb K} } {} eine \definitionsverweis {messbare Funktion}{}{,} die in diesem Zusammenhang ein \stichwort {Integralkern} {} oder kurz \stichwort {Kern} {} heißt. Mit Hilfe eines solchen Integralkernes kann man unter gewissen Integrationsbedingungen messbare Funktionen auf $M$ in messbare ${\mathbb K}$-wertige Funktionen auf $N$ transformieren, indem man die transformierte Funktion
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T(f) }
{ = }{ T_K(f) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (T(f)) (y) }
{ =} { \int_M K(x,y) f(x) d \mu }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definiert. In dieses sehr allgemeine Konzept kann man die Fouriertransformation, die Laplacetransformation und Integralgleichungen einordnen.




\inputbeispiel{}
{

Es sei
\mathl{[a,b]}{} ein \definitionsverweis {kompaktes Intervall}{}{} und sei \maabbdisp {K} { [a,b] \times [a,b] } { \R } {} eine \definitionsverweis {stetige Funktion}{}{.} Einer stetigen Funktion \maabb {f} { [a,b]} { \R } {} wird die mittels $K$ transformierte Funktion $T(f)$ zugeordnet,
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( T(f))(y) }
{ =} { \int_a^b K(x,y) f(x) dx }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}

Wenn man die unterschiedlichen Rollen betonen möchte, so arbeitet man beispielsweise mit einer Zeitvariablen $t$ und einer Frequenzvariablen $u$, aber eine allgemein stimmige Bezeichnungsphilosophie scheint nahezu unmöglich. Wir erwähnen einige typische Integralztransformationen.

%Daten für folgende Tabelle


\renewcommand{\leitzeilenull}{ }

\renewcommand{\leitzeileeins}{ Integralkern }

\renewcommand{\leitzeilezwei}{ Integrationsgebiet }

\renewcommand{\leitzeiledrei}{ Typischer Ausdruck $(Tf)(u)$ }

\renewcommand{\leitzeilevier}{ }

\renewcommand{\leitzeilefuenf}{ }

\renewcommand{\leitzeilesechs}{ }

\renewcommand{\leitzeilesieben}{ }

\renewcommand{\leitzeileacht}{ }

\renewcommand{\leitzeileneun}{ }

\renewcommand{\leitzeilezehn}{ }

\renewcommand{\leitzeileelf}{ }

\renewcommand{\leitzeilezwoelf}{ }


\renewcommand{\leitspaltenull}{ Transformation }

\renewcommand{\leitspalteeins}{ Fourier }

\renewcommand{\leitspaltezwei}{ Laplace }

\renewcommand{\leitspaltedrei}{ Mellin }

\renewcommand{\leitspaltevier}{ }

\renewcommand{\leitspaltefuenf}{ }

\renewcommand{\leitspaltesechs}{ }

\renewcommand{\leitspaltesieben}{ }

\renewcommand{\leitspalteacht}{ }

\renewcommand{\leitspalteneun}{ }

\renewcommand{\leitspaltezehn}{ }

\renewcommand{\leitspalteelf}{ }

\renewcommand{\leitspaltezwoelf}{ }

\renewcommand{\leitspaltedreizehn}{ }

\renewcommand{\leitspaltevierzehn}{ }

\renewcommand{\leitspaltefuenfzehn}{ }

\renewcommand{\leitspaltesechzehn}{ }

\renewcommand{\leitspaltesiebzehn}{ }

\renewcommand{\leitspalteachtzehn}{ }

\renewcommand{\leitspalteneunzehn}{ }

\renewcommand{\leitspaltezwanzig}{ }



\renewcommand{\aeinsxeins}{ { \frac{ 1 }{ (2 \pi)^{n/2} } } e^{ - { \mathrm i} \left\langle u , t \right\rangle } }

\renewcommand{\aeinsxzwei}{ \R^n }

\renewcommand{\aeinsxdrei}{ { \frac{ 1 }{ (2 \pi)^{n/2} } } \int_{\R^n} e^{ -{ \mathrm i} \left\langle u , t \right\rangle } f(t) dt }

\renewcommand{\aeinsxvier}{ }

\renewcommand{\aeinsxfuenf}{ }

\renewcommand{\aeinsxsechs}{ }

\renewcommand{\aeinsxsieben}{ }

\renewcommand{\aeinsxacht}{ }

\renewcommand{\aeinsxneun}{ }

\renewcommand{\aeinsxzehn}{ }

\renewcommand{\aeinsxelf}{ }

\renewcommand{\aeinsxzwoelf}{ }



\renewcommand{\azweixeins}{ e^{-ut} }

\renewcommand{\azweixzwei}{ \R_+ }

\renewcommand{\azweixdrei}{ \int_0^\infty e^{-ut} f(t) dt }

\renewcommand{\azweixvier}{ }

\renewcommand{\azweixfuenf}{ }

\renewcommand{\azweixsechs}{ }

\renewcommand{\azweixsieben}{ }

\renewcommand{\azweixacht}{ }

\renewcommand{\azweixneun}{ }

\renewcommand{\azweixzehn}{ }

\renewcommand{\azweixelf}{ }

\renewcommand{\azweixzwoelf}{ }



\renewcommand{\adreixeins}{ t^{u-1} }

\renewcommand{\adreixzwei}{ \R_+ }

\renewcommand{\adreixdrei}{ \int_{0 }^\infty t^{u-1} f(t) dt }

\renewcommand{\adreixvier}{ }

\renewcommand{\adreixfuenf}{ }

\renewcommand{\adreixsechs}{ }

\renewcommand{\adreixsieben}{ }

\renewcommand{\adreixacht}{ }

\renewcommand{\adreixneun}{ }

\renewcommand{\adreixzehn}{ }

\renewcommand{\adreixelf}{ }

\renewcommand{\adreixzwoelf}{ }



\renewcommand{\avierxeins}{ }

\renewcommand{\avierxzwei}{ }

\renewcommand{\avierxdrei}{ }

\renewcommand{\avierxvier}{ }

\renewcommand{\avierxfuenf}{ }

\renewcommand{\avierxsechs}{ }

\renewcommand{\avierxsieben}{ }

\renewcommand{\avierxacht}{ }

\renewcommand{\avierxneun}{ }

\renewcommand{\avierxzehn}{ }

\renewcommand{\avierxelf}{ }

\renewcommand{\avierxzwoelf}{ }


\renewcommand{\afuenfxeins}{ }

\renewcommand{\afuenfxzwei}{ }

\renewcommand{\afuenfxdrei}{ }

\renewcommand{\afuenfxvier}{ }

\renewcommand{\afuenfxfuenf}{ }

\renewcommand{\afuenfxsechs}{ }

\renewcommand{\afuenfxsieben}{ }

\renewcommand{\afuenfxacht}{ }

\renewcommand{\afuenfxneun}{ }

\renewcommand{\afuenfxzehn}{ }

\renewcommand{\afuenfxelf}{ }

\renewcommand{\afuenfxzwoelf}{ }


\renewcommand{\asechsxeins}{ }

\renewcommand{\asechsxzwei}{ }

\renewcommand{\asechsxdrei}{ }

\renewcommand{\asechsxvier}{ }

\renewcommand{\asechsxfuenf}{ }

\renewcommand{\asechsxsechs}{ }

\renewcommand{\asechsxsieben}{ }

\renewcommand{\asechsxacht}{ }

\renewcommand{\asechsxneun}{ }

\renewcommand{\asechsxzehn}{ }

\renewcommand{\asechsxelf}{ }

\renewcommand{\asechsxzwoelf}{ }


\renewcommand{\asiebenxeins}{ }

\renewcommand{\asiebenxzwei}{ }

\renewcommand{\asiebenxdrei}{ }

\renewcommand{\asiebenxvier}{ }

\renewcommand{\asiebenxfuenf}{ }

\renewcommand{\asiebenxsechs}{ }

\renewcommand{\asiebenxsieben}{ }

\renewcommand{\asiebenxacht}{ }

\renewcommand{\asiebenxneun}{ }

\renewcommand{\asiebenxzehn}{ }

\renewcommand{\asiebenxelf}{ }

\renewcommand{\asiebenxzwoelf}{ }


\renewcommand{\aachtxeins}{ }

\renewcommand{\aachtxzwei}{ }

\renewcommand{\aachtxdrei}{ }

\renewcommand{\aachtxvier}{ }

\renewcommand{\aachtxfuenf}{ }

\renewcommand{\aachtxsechs}{ }

\renewcommand{\aachtxsieben}{ }

\renewcommand{\aachtxacht}{ }

\renewcommand{\aachtxneun}{ }

\renewcommand{\aachtxzehn}{ }

\renewcommand{\aachtxelf}{ }

\renewcommand{\aachtxzwoelf}{ }


\renewcommand{\aneunxeins}{ }

\renewcommand{\aneunxzwei}{ }

\renewcommand{\aneunxdrei}{ }

\renewcommand{\aneunxvier}{ }

\renewcommand{\aneunxfuenf}{ }

\renewcommand{\aneunxsechs}{ }

\renewcommand{\aneunxsieben}{ }

\renewcommand{\aneunxacht}{ }

\renewcommand{\aneunxneun}{ }

\renewcommand{\aneunxzehn}{ }

\renewcommand{\aneunxelf}{ }

\renewcommand{\aneunxzwoelf}{ }


\renewcommand{\azehnxeins}{ }

\renewcommand{\azehnxzwei}{ }

\renewcommand{\azehnxdrei}{ }

\renewcommand{\azehnxvier}{ }

\renewcommand{\azehnxfuenf}{ }

\renewcommand{\azehnxsechs}{ }

\renewcommand{\azehnxsieben}{ }

\renewcommand{\azehnxacht}{ }

\renewcommand{\azehnxneun}{ }

\renewcommand{\azehnxzehn}{ }

\renewcommand{\azehnxelf}{ }

\renewcommand{\azehnxzwoelf}{ }



\renewcommand{\aelfxeins}{ }

\renewcommand{\aelfxzwei}{ }

\renewcommand{\aelfxdrei}{ }

\renewcommand{\aelfxvier}{ }

\renewcommand{\aelfxfuenf}{ }

\renewcommand{\aelfxsechs}{ }

\renewcommand{\aelfxsieben}{ }

\renewcommand{\aelfxacht}{ }

\renewcommand{\aelfxneun}{ }

\renewcommand{\aelfxzehn}{ }

\renewcommand{\aelfxelf}{ }

\renewcommand{\aelfxzwoelf}{ }



\renewcommand{\azwoelfxeins}{ }

\renewcommand{\azwoelfxzwei}{ }

\renewcommand{\azwoelfxdrei}{ }

\renewcommand{\azwoelfxvier}{ }

\renewcommand{\azwoelfxfuenf}{ }

\renewcommand{\azwoelfxsechs}{ }

\renewcommand{\azwoelfxsieben}{ }

\renewcommand{\azwoelfxacht}{ }

\renewcommand{\azwoelfxneun}{ }

\renewcommand{\azwoelfxzehn}{ }

\renewcommand{\azwoelfxelf}{ }

\renewcommand{\azwoelfxzwoelf}{ }



\renewcommand{\adreizehnxeins}{ }

\renewcommand{\adreizehnxzwei}{ }

\renewcommand{\adreizehnxdrei}{ }

\renewcommand{\adreizehnxvier}{ }

\renewcommand{\adreizehnxfuenf}{ }

\renewcommand{\adreizehnxsechs}{ }

\renewcommand{\adreizehnxsieben}{ }

\renewcommand{\adreizehnxacht}{ }

\renewcommand{\adreizehnxneun}{ }

\renewcommand{\adreizehnxzehn}{ }

\renewcommand{\adreizehnxelf}{ }

\renewcommand{\adreizehnxzwoelf}{ }



\renewcommand{\avierzehnxeins}{ }

\renewcommand{\avierzehnxzwei}{ }

\renewcommand{\avierzehnxdrei}{ }

\renewcommand{\avierzehnxvier}{ }

\renewcommand{\avierzehnxfuenf}{ }

\renewcommand{\avierzehnxsechs}{ }

\renewcommand{\avierzehnxsieben}{ }

\renewcommand{\avierzehnxacht}{ }

\renewcommand{\avierzehnxneun}{ }

\renewcommand{\avierzehnxzehn}{ }

\renewcommand{\avierzehnxelf}{ }

\renewcommand{\avierzehnxzwoelf}{ }


\renewcommand{\afuenfzehnxeins}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxzwei}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxdrei}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxvier}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxfuenf}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxsechs}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxsieben}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxacht}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxneun}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxzehn}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxelf}{ }

\renewcommand{\afuenfzehnxzwoelf}{ }


\renewcommand{\asechzehnxeins}{ }

\renewcommand{\asechzehnxzwei}{ }

\renewcommand{\asechzehnxdrei}{ }

\renewcommand{\asechzehnxvier}{ }

\renewcommand{\asechzehnxfuenf}{ }

\renewcommand{\asechzehnxsechs}{ }

\renewcommand{\asechzehnxsieben}{ }

\renewcommand{\asechzehnxacht}{ }

\renewcommand{\asechzehnxneun}{ }

\renewcommand{\asechzehnxzehn}{ }

\renewcommand{\asechzehnxelf}{ }

\renewcommand{\asechzehnxzwoelf}{ }



\renewcommand{\asiebzehnxeins}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxzwei}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxdrei}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxvier}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxfuenf}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxsechs}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxsieben}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxacht}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxneun}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxzehn}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxelf}{ }

\renewcommand{\asiebzehnxzwoelf}{ }





\renewcommand{\aachtzehnxeins}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxzwei}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxdrei}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxvier}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxfuenf}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxsechs}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxsieben}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxacht}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxneun}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxzehn}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxelf}{ }

\renewcommand{\aachtzehnxzwoelf}{ }


\tabelleleitdreixdrei

Die Mellin-Transformation kommt beispielsweise bei der Definition der $\Gamma$-Funktion vor, es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Gamma (u) }
{ =} { \operatorname{Fak} \, (u-1) \defeq \int_{ 0 }^{ \infty } t^{u-1} e^{-t} \, d t }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Hier ist also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f(t) }
{ = }{ e^{-t} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}




\inputdefinition
{}
{

Zu einer \definitionsverweis {integrierbaren Funktion}{}{} \maabb {f} {\R^n} { {\mathbb C} } {} nennt man die Funktion \maabbdisp {\hat{f}} { \R^n } { {\mathbb C} } {,} die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \hat{f} ( {\mathfrak u} ) }
{ \defeq} { { \frac{ 1 }{ (2 \pi)^{n/2} } } \int_{\R^n} e^{ -{ \mathrm i} \left\langle {\mathfrak u} , {\mathfrak t} \right\rangle } f({\mathfrak t}) d {\mathfrak t} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definiert ist, die \definitionswort {Fourier-Transformation}{} von $f$.

}

Hier ist also $e^{- { \mathrm i} \left\langle u , t \right\rangle }$ der Integralkern. Für den Vorfaktor gelten unterschiedliche Konventionen, der gewählte passt am besten zur Rücktransformation.





\inputfaktbeweis
{Maßraum/Messbarer Integralkern/Linearer Operator/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $( M, \mu)$ ein \definitionsverweis {endlicher}{}{} \definitionsverweis {Maßraum}{}{} mit dem Produktraum
\mathl{M \times M}{} und sei \maabbdisp {K} { M \times M } { {\mathbb K} } {} ein \definitionsverweis {beschränkter}{}{} \definitionsverweis {messbarer Integralkern}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist die zugehörige Transformation \maabbeledisp {T_K} {L^2(M)} { L^2(M) } {f} { T_K(f) } {,} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( T_K(f) ) (u) }
{ =} { \int_M K (u,t) f(t) d \mu (t) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {stetiger}{}{} \definitionsverweis {linearer Operator}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K(u,t) }
{ \leq }{S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Schranke. Die Funktion $K(u,t) f(t)$ ist dann insbesondere auf dem endlichen Maßraum integrierbar, sodass das Integral existiert. Dabei gilt
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{( T (c_1f_1 +c_2f_2) )(u) }
{ =} { \int_M K (u,t) { \left( c_1f_1 (t) +c_2f_2 (t) \right) } d \mu (t) }
{ =} { c_1 \int_M K (u,t) f_1 (t) d \mu (t) + c_2 \int_M K (u,t) { \left( f_2 (t) \right) } d \mu (t) }
{ =} { c_1 ( T(f_1 ) )(u)+ c_2 ( T(f_2) )(u) }
{ =} { (c_1 ( T(f_1 ) )+ c_2 ( T(f_2) ) ) (u) }
} {} {}{} nach Satz 10.6.
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \Vert { T(f) } \Vert^2 }
{ =} { \int_M \betrag { T(f) (u) }^2 d \mu (u) }
{ =} { \int_M \betrag { \int_M K(u,t) f(t) d \mu (t) }^2 d \mu (u) }
{ \leq} { \int_M { \left( \int_M \betrag { K(u,t) f(t) } d \mu (t) \right) }^2 d \mu (u) }
{ \leq} { S^2\int_M { \left( \int_M \betrag { f(t) } d \mu (t) \right) }^2 d \mu (u) }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ \leq} { S^2 \int_M { \left( \mu(M) \int_M \betrag { f(t) }^2 d \mu(t) \right) } d \mu (u) }
{ =} { S^2 \cdot \mu(M)^2 \cdot \Vert { f } \Vert^2 }
{ } {}
{ } {}
} {}{.}

Zitat.

}





\inputfaktbeweis
{Kompakter metrischer Raum/Stetiger Integralkern/Kompakter Operator/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $M$ ein \definitionsverweis {kompakter}{}{} \definitionsverweis {metrischer Raum}{}{} mit einem \definitionsverweis {endlichen}{}{} \definitionsverweis {Maß}{}{} $\mu$ auf $M$. Es sei \maabbdisp {K} { M \times M } { {\mathbb K} } {} ein \definitionsverweis {stetiger}{}{} \definitionsverweis {Integralkern}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist die zugehörige Transformation \maabbeledisp {T_K} {L^2(M)} { L^2(M) } {f} { T_K(f) } {,} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( T_K(f) ) (u) }
{ =} { \int_M K (u,t) f(t) d \mu (t) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {kompakter Operator}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Ein stetiger linearer Operator liegt nach Lemma 25.3 vor.

}