令 D 记复平面 C 中的单位圆盘,T 记单位圆周. 本文中,令 n 是一个固定的大于或等于 2 的自然数, Dn 和 Tn 分别记 n 个 D 和 T 的Cartesian乘积. 对 1≤p≤∞,令 Lp(Tn) 是 Tn 上关于测度 dσ 的Lebesgue空间,其中 dσ 是 Tn 上的 Haar测度. Hardy空间 Hp(Dn) 定义为 Lp(Tn) 中解析多项式的闭包. 以 P 记 L2(Tn) 到 H2(Dn) 上的正交投影. 对 u∈L∞(Tn),定义Toeplitz算子 Tu 为 Tu(f)=P(uf), f∈H2(Dn). 众所周知,Tu 是 H2(Dn) 上的有界线性算子.
在单位圆盘的Hardy空间上,Brown和Halmos[2]证明了两个Toeplitz 算子是交换的当且仅当它们的符号都是解析的,或者都是与解析的, 或者它们的一个非平凡线性组合为常数. 随后,关于这个问题出现大量后续研究. 例如,在单位圆盘的Bergman空间上,Axler和[1] 刻画了两个调和符号的Toeplitz 算子的交换性. 在单位圆盘的Dirichlet空间上, Lee[8] 得到两个调和符号的Toeplitz算子交换的充要条件. Chen和 Dieu[4], Yu[11]分别将Lee 的结论扩展到一般符号的Toeplitz算子. 在单位球的Bergman空间上,Zheng[12]刻画了具有多调和符号的Toeplitz算子的交换性.
在多圆盘情形,Sun和Zheng研究了本性重交换的Toeplitz算子,参见文献[10]. Choe,Koo和Lee[3]刻画了多圆盘的的Bergman空间上多调和符号的交换Toeplitz算子. Lee[9]研究了多圆盘的Hardy空间上两个Toeplitz算子的交换性,其中一个符号是多调和的.
最近,Ding,Sun和Zheng[6]完全刻画了双圆盘的Hardy空间上Toeplitz算子的交换性. 本文中我们将其中一个结果推广到多圆盘,得到一个多圆盘的Hardy空间上Toeplitz交换的充要条件.
设 S 是 H2(Dn) 上一个有界线性算子,其Berezin变换 ˜S 定义为
对 1≤k≤n,在本文中以 z→k 和 z←k 分别记 (zk,zk+1,⋯,zn) 和 (z1,z2,⋯,zk).
定理1.1 设 f,g∈L∞(Tn),则在 H2(Dn) 上 TfTg=TgTf 当且仅当
(a) 对 1≤k≤n−1 和几乎所有的 ξ←k−1∈Tk−1,Berezin变换
(b) 对 2≤k≤n 和几乎所有的 ξ→k+1∈Tn−k,Berezin变换
对 i=1,2,⋯,n,令 Kzi(ζi) 记Hardy空间 H2(D) 的再生核 11−¯ziζi, kzi(ζi) 记 H2(D) 的正规化再生核 √1−|zi|21−¯ziζi. 则对于 z=(z1,z2,⋯,zn)∈Dn 和 ζ=(ζ1,ζ2,⋯,ζn)∈Tn, H2(Dn) 的再生核为 Kz(ζ)=n∏i=1Kzi(ζi), 正规化再生核为 kz(ζ)=n∏i=1kzi(ζi).
众所周知,从 L2(Tn) 到 H2(Dn) 上的正交投影 P 可表为一个积分算子
设 f∈L1(Tn),它的调和扩张 ˆf 定义为
对于 f∈L1(Tn),i=1,2,⋯,n, zi∈D,ξ∈Tn,定义投影 Pi 为 (Pif)(ξ←i−1,zi,ξ→i+1)=∫Tnf(ξ)Kzi(ξi)dσ(ξi). 相似于文献 [6],可以得到下述事实
∙~ 对 i,j=1,2,⋯,n,Pi 与 Pj 可交换, P=P1P2⋯Pn,且对于 q>1,P 是从 Lq(Tn) 到 Hq(Tn) 上的有界线性算子.
∙~ 设 f 和 g 属于 ⋂1<q<∞Lq(Tn), 则 f+g,fg 也属于 ⋂1<q<∞Lq(Tn). 事实上,⋂1<q<∞Lq(Tn) 是一个代数.
∙~ 对 f∈⋂1<q<∞Lq(Tn), 如果令 fi+=Pi(f) 和 fi−=(I−Pi)(f),则
∙~ 如果 f 和 g 属于 ⋂1<q<∞Lq(Tn), 则TfTg 是 H2(Tn) 上的稠定义算子.
对于 1≤k≤n,本文中我们令 P→k 记 PkPk+1⋯Pn. 给定 f∈⋂1<q<∞Lq(Tn) 和 z←k∈Dk, 令 Tf(z←k,⋅) 是 H2(Dn−k) (0≤k≤n−1) 上Toeplitz算子 Tf(z←k,⋅)u=P→n−k+1[f(z←k,⋅)u], u∈H∞(Dn−k). 对 f∈H2(Tn),有下述基本事实
引理2.1 设 f,g ∈L∞(Tn),1≤k≤n−1, 则对几乎所有的 ξ←k−1∈Tk−1,有
证 利用(2.3)式中的分解,对 f∈L∞(Tn),有 f(ξ←k−1,⋅)=fk+(ξ←k−1,⋅)+fk−(ξ←k−1,⋅) 且对几乎所有的 ξ←k−1∈Tk−1,fk+(ξ←k−1,⋅) 和 fk−(ξ←k−1,⋅) 都属于 ⋂1<q<∞Lq(Tn−k+1). 因此 ⟨[Tf(ξ←k−1,⋅)Tg(ξ←k−1,⋅)−Tg(ξ←k−1,⋅)Tf(ξ←k−1,⋅)]kz→k,kz→k⟩=⟨[Tfk−(ξ←k−1,⋅)Tgk+(ξ←k−1,⋅)−Tgk−(ξ←k−1,⋅)Tfk+(ξ←k−1,⋅)]kz→k,kz→k⟩+⟨[Tfk+(ξ←k−1,⋅)Tgk+(ξ←k−1,⋅)−Tgk+(ξ←k−1,⋅)Tfk+(ξ←k−1,⋅)]kz→k,kz→k⟩+⟨[Tfk−(ξ←k−1,⋅)Tgk−(ξ←k−1,⋅)−Tgk−(ξ←k−1,⋅)Tfk−(ξ←k−1,⋅)]kz→k,kz→k⟩+⟨(Tfk+(ξ←k−1,⋅)Tgk−(ξ←k−1,⋅)−Tgk+(ξ←k−1,⋅)Tfk−(ξ←k−1,⋅))kz→k,kz→k⟩. 对几乎所有的 ξ←k−1∈Tk−1 和 z→k,w→k∈Dn−k+1, 由(2.4) 式可知 Tgk+(ξ←k−1,⋅)kz→k(w→k)=P→k+1Pk[gk+(ξ←k−1,⋅)kz→k](w→k)=P→k+1[gk+(ξ←k−1,wk,⋅)kz→k+1](w→k+1)⋅kzk(wk), 因此
下面的结果(参见文献[7,p38,Corollary 2])显示了一个 Lp(T) 中函数和它在单位圆盘的调和扩张的联系.
引理2.2 设 f 是单位圆盘内的调和函数,1<p<∞,满足当 r→1− 时 ∫T|f(rξ)|pdσ(ξ) 是有界的. 则对几乎所有的 ξ∈T,径向极限 f∗(ξ)=limr→1−f(rξ) 存在, f∗ 属于 Lp(T),且 f 是 f∗ 的调和扩张.
引理2.3 设 f,g∈⋂1<q<∞Lq(Tn),如果 ⟨Tf(z1,⋅)Tg(z1,⋅)kz→2,kz→2⟩ 对变量 z1 调和,则
证 一方面,取极坐标 z1=rξ1, 应用Fubini定理和Cauchy-Schwarz不等式,有 ∫T|⟨Tf(rξ1,⋅)Tg(rξ1,⋅)kz→2(⋅),kz→2(⋅)⟩|2dσ(ξ1)≤∫T‖ 其中 c(z_{i}) 是一个仅依赖于 z_{i} 的常数.
由于 f,g \in\bigcap\limits_{1 < q < \infty} L^{q}({\Bbb T}^{n}),可见 \limsup_{r\rightarrow 1^{-}}\int_{{\Bbb T}}|\langle T_{f(r\xi_{1},\cdot)}T_{g(r\xi_{1},\cdot)}k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot), k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)\rangle |^{2}{\rm d}\sigma (\xi_{1}) < \infty.
另一方面,对几乎所有的 {\xi_{\vec{2}}} \in {\Bbb T}^{n-1},令 f 和 g 的关于 z_{1} Fourier级数分别为 f(z_{1},{\xi_{\vec{2}}})=\sum_{-\infty}^{+\infty}\widehat{f(n,{\xi_{\vec{2}}})}z_{1}^{n},\ \ \ g(z_{1},{\xi_{\vec{2}}})=\sum_{-\infty}^{+\infty}\widehat{g(m,{\xi_{\vec{2}}})}\overline{z_{1}}^{m}. 由于\langle T_{f(z_{1},\cdot)}T_{g(z_{1},\cdot)}k_{{z_{\vec{2}}}},k_{{z_{\vec{2}}}} \rangle 关于变量 z_{1} 调和,应用引理 2.2,对 a.e. \xi_{1}\in {\Bbb T},可得 \begin{eqnarray*} &&\lim_{r\rightarrow 1^{-}}\langle T_{f(r\xi_{1},\cdot)}T_{g(r\xi_{1},\cdot)}k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle \\ &=&\lim_{r\rightarrow 1^{-}}\langle f(r\xi_{1},\cdot)P_{\vec{2}}[g(r\xi_{1},\cdot)k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)],k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)\rangle \\ &=& \lim_{r\rightarrow 1^{-}}\sum_{-\infty}^{+\infty}\sum_{-\infty}^{+\infty}\langle \widehat{f(n,\cdot)}P_{\vec{2}}[\widehat{g(m,\cdot)}k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)], k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)\rangle (r\xi_{1})^{n}(r\overline{\xi_{1}})^{m}\\ &=& \sum_{-\infty}^{+\infty}\sum_{-\infty}^{+\infty}\langle \widehat{f(n,\cdot)}P_{\vec{2}}[\widehat{g(m,\cdot)}k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)],k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)\rangle (\xi_{1})^{n}(\overline{\xi_{1}})^{m}\\ &=& \langle f(\xi_{1},\cdot)P_{\vec{2}}[g(\xi_{1},\cdot)k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)],k_{{z_{\vec{2}}}}(\cdot)\rangle \\ &=& \langle T_{f(\xi_{1},\cdot)}T_{g(\xi_{1},\cdot)}k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle . \end{eqnarray*} 再次应用引理 2.2,我们有
在本节我们给出主要结果的证明.
证 首先假设在 H^{2}({\Bbb D}^{n})上 T_{f}T_{g}=T_{g}T_{f}. 注意到对 z= (z_{1},z_{2},\cdots,z_{n}) \in {\Bbb D}^{n},f=f_{1+} + f_{1-} 和 g=g_{1+} + g_{1-},由引理 2.1,有
因为上式右端的每一项都关于 z_{1} 调和,如果令 u_{1}(z)=\langle [T_{f_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{g_{1-}(z_{1},\cdot)} -T_{g_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{f_{1-}(z_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle, 则 u_{1}(z) 关于 z_{1} 调和. 使用引理 2.3,可见
因此,应用引理 2.1,有 \begin{eqnarray*} &&\langle (T_{f}T_{g}-T_{g}T_{f})k_{z},k_{z}\rangle \\ &=&\langle \langle[T_{f_{1-}(\xi_{1},\cdot)}T_{g_{1+}(\xi_{1},\cdot)} -T_{g_{1-}(\xi_{1},\cdot)}T_{f_{1+}(\xi_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle k_{z_{1}},k_{z_{1}} \rangle \\ &&+ \langle [T_{f_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{g_{1+}(z_{1},\cdot)}-T_{g_{1+}(z_{1}, \cdot)}T_{f_{1+}(z_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}},k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle \\ &&+ \langle [T_{f_{1-}(z_{1},\cdot)}T_{g_{1-}(z_{1},\cdot)}-T_{g_{1-}(z_{1}, \cdot)}T_{f_{1-}(z_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}},k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle \\ &&+ \langle [T_{f_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{g_{1-}(z_{1},\cdot)} -T_{g_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{f_{1-}(z_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle \\ &=& \langle \langle [T_{f(\xi_{1},\cdot)}T_{g(\xi_{1},\cdot)} -T_{g(\xi_{1},\cdot)}T_{f(\xi_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle k_{z_{1}},k_{z_{1}}\rangle. \end{eqnarray*} 对 1\leq k\leq n-1,令 u_{k}(z) 记 \langle \langle [T_{f_{k+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}, z_{k},\cdot)}T_{g_{k-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)} -T_{g_{k+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}T_{f_{k-} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}]k_{{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}}, k_{{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}}\rangle k_{{z_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}}}, k_{{z_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}}}\rangle. 我们将使用归纳法证明如下.
{断言}: u_{k} 关于 z_k 调和,且
由于 \begin{eqnarray*} u_{k}(z) &=&\langle \langle [T_{f_{k+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k}, \cdot)}T_{g_{k-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}\\ &&-T_{g_{k+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}T_{f_{k-} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}]k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}, k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}\rangle k_{z_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}}, k_{z_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}}\rangle \end{eqnarray*} 关于 z_{k} 调和, 对方程两边作用Laplace算子 \triangle_{k}=\frac{\partial^{2}} {\partial z_{k}\partial{\bar z_{k}}},可见 \begin{eqnarray*} 0 &=&\langle \triangle_{k}\{\langle [T_{f_{k+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}, z_{k},\cdot)}T_{g_{k-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}\\ &&-T_{g_{k+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}T_{f_{k-} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}]k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}, k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}\rangle\} k_{z_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}}, k_{z_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}}\rangle. \end{eqnarray*} 由于Berezin变换是一对一的(参见文献[13,Proposition 6.2]), 对于几乎所有的 \xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}\in {\Bbb T}^{k-1} ,有 \triangle_{k}\{\langle [T_{f_{(k)+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k}, \cdot)}T_{g_{(k)-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)} -T_{g_{(k)+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}T_{f_{(k)-} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}]k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}, k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}\rangle\}=0. 因此,对于几乎所有的 \xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}\in {\Bbb T}^{k-1} , \begin{eqnarray*} &&\widetilde{[T_{f_{(k)+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)} T_{g_{(k)-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}-T_{g_{(k)+} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}T_{f_{(k)-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}, z_{k},\cdot)}]}(z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}})\\ &=& \langle [T_{f_{(k)+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)} T_{g_{(k)-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}-T_{g_{(k)+} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}},z_{k},\cdot)}T_{f_{(k)-} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{k-1}}, z_{k},\cdot)}]k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}, k_{z_{\scriptsize\overrightarrow{k+1}}}\rangle \end{eqnarray*} 关于 z_{k} 调和,条件 (a) 得证.
类似地可证条件 (b) 成立.
另一方面,设条件 (a) 和 (b) 成立. 由引理 2.1,有 \begin{eqnarray*} \langle [T_{f}T_{g}-T_{g}T_{f}]k_{z},k_{z}\rangle &=& \langle \langle [T_{f_{1-}(\xi_{1},\cdot)}T_{g_{1+}(\xi_{1}, \cdot)}-T_{g_{1-}(\xi_{1},\cdot)}T_{f_{1+}(\xi_{1}, \cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}},k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle k_{z_{1}},k_{z_{1}}\rangle \\ &&+ \langle [T_{f_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{g_{1+}(z_{1},\cdot)}-T_{g_{1+} (z_{1},\cdot)}T_{f_{1+}(z_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}},k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle \\ &&+ \langle [T_{f_{1-}(z_{1},\cdot)}T_{g_{1-}(z_{1},\cdot)} -T_{g_{1-}(z_{1},\cdot)}T_{f_{1-}(z_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle \\ &&+ \langle [T_{f_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{g_{1-}(z_{1},\cdot)} -T_{g_{1+}(z_{1},\cdot)}T_{f_{1-}(z_{1},\cdot)}]k_{{z_{\vec{2}}}}, k_{{z_{\vec{2}}}}\rangle . \end{eqnarray*} 由条件 (a),上式右端的后三项关于 z_1 调和,应用引理 2.3,可得
对上面函数使用Laplace算子 \triangle_{n}=\frac{\partial^{2}} {\partial z_{n}\partial {\bar z_{n}}},由积分号下求导公式,可得对几乎所有的 \xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-2}}\in {\Bbb T}^{n-2}, \int_{{\Bbb T}}\triangle_{n}[f_{n+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},z_{n})g_{n-} (\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},z_{n})- g_{n+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}}, z_{n})f_{n-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},z_{n})]|k_{z_{n-1}} (\xi_{n-1})|^{2}{\rm d}\sigma (\xi_{n-1}) =0. 由于Berezin变换是一对一的,故对几乎所有的 \xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}}\in {\Bbb T}^{n-1}, f_{n+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},z_{n})g_{n-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}}, z_{n})- g_{n+}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},z_{n})f_{n-}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},z_{n}) 关于 z_{n} 调和.
应用文献 [6] 中的定理2.2,可得对几乎所有的 \xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}}\in {\Bbb T}^{n-1}, T_{f(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},\cdot)}T_{g(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}}, \cdot)} =T_{g(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}},\cdot)}T_{f(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-1}}, \cdot)} 在Hardy空间 H^2({\Bbb D}) 上成立. 因此由 (3.7)式 可得 \Phi_{z_{\scriptsize \overleftarrow{n-1}}}(\xi_{\scriptsize\overleftarrow{n-2}})=0. 使用 (3.6)式,有 \langle [T_{f}T_{g}-T_{g}T_{f}]k_{z},k_{z}\rangle=0. 因此在 H^2({\Bbb D}^{n}) 上 T_{f}T_{g}=T_{g}T_{f}. 定理得证.