令C为复平面,D表示C中单位圆盘,T为D的边界. dA(z)=1πdxdy为D上正规化Lebesgue测度. 对1≤p<∞,定义
Lp,1={f|∫D(|∂f∂z|p+|∂f∂¯z|p)dA(z)<∞}.
易知Lp,1=Lp,1C为Banach空间,其上范数为
‖f‖Lp,1=(∫D(|∂f∂z|p+|∂f∂¯z|p)dA(z))1/p.
调和Dirichlet空间Dph (1≤p<∞)是由Lp,1中 全体调和函数所成的闭子空间. D上有界调和函数全体所成空间记为 h∞. 令Ph是从Lp,1到Dph上投影, 则Ph可以按如下方式表示为积分算子
Ph(f)(w)=⟨f,Kh(z,w)⟩1=⟨∂f∂z,∂Khw∂z⟩+⟨∂f∂ˉz,∂Khw∂ˉz⟩=∫D(∂f∂z¯∂Khw∂z+∂f∂ˉz¯∂Khw∂ˉz)dA(z),
其中Khw(z)=Kh(z,w)是Dph的再生核. 直接计算得
Kh(z,w)=−ln(1−z¯w)−ln(1−¯zw).
若φ∈Lp,1(D,dA),对z,¯z的多项式f(z,¯z), Dph上以φ为符号的Toeplitz算子,小Hankel算子与Hankel算子分别稠密定义为
Thφf=Ph(φf);Γhφf=Ph(φUf);Hhφf=(I−Ph)(φf),
其中(Uf)(z)=f(¯z)是Dph上的酉算子.
Hilbert函数空间上Toeplitz算子与Hankel算子的有界性,紧性, Fredholm指标已有许多算子论专家进行了深入广泛地研究,特别对Hardy空间H2, Bergman空间L2a与Dirichlet空间D2情形得到了丰富而深刻的结果. 对1<p<∞,Hp,Lpa与Dp上Toeplitz算子与 Hankel算子也有了很多有趣的结果,参见文献[1, 2]. Guo与Zheng在文献[3]中讨论了调和Bergman空间L2h上Toeplitz算子的性质, 得到了一些与解析Bergman空间不同的有趣结论. 但对p=1的极端情形却很少有相关成果, 参见文献[4, 5]. 本文讨论调和Dirichlet空间D1h上Toeplitz算子, 小Hankel算子与Hankel算子的相关性质.
易知Dph (1<p<∞)上的调和Dirichlet投影是有界的. 于是,Dph (1<p<∞)上符号在
L∞,1={φ|φ,∂φ∂z,∂φ∂¯z∈L∞}
中的Toeplitz算子,小Hankel算子与Hankel算子是有界的. 然而众所周知,调和Bergman空间 L1h上的Bergman投影是无界的,同样由L1,1到D1h的调和Dirichlet投 影也 是无界的. 所以需要对D1h上的Toeplitz算子,小Hankel算子与Hankel算子有 界性进行更加深入地讨论.
Zhu第一个在文献[6]中研究了L1a上的Bergman投影,找出了一大类可以诱导L1a上 的有界Toeplitz算子的有界函数,他的结果为研究Dirichlet空间D1上Toeplitz 的有界性给出很多好的思路.
Bergman空间L2a与Dirichlet空间D2上Toeplitz算子的Fredholm性质已被广泛研究, 并得到了很多有意思的结果,参见文献[7, 8, 9]. Taskinen与 Virtanen讨论了Bergman空间L1a上Toeplitz算子的Fredholm性质, 计算了Fredholm指标,参见文献[5]. 对调和Dirichlet空间D1h 上Toeplitz算子的Fredholm性质至今没有任何相关结果,是全新的领域. 后文将对
C1(¯D)={φ|φ,∂φ∂z,∂φ∂¯z∈C(¯D)}
中某些函数诱导的Toeplitz算子建立Fredholm理论,这里的C1(¯D)是以
‖φ‖∗=max{‖φ‖∞,‖∂φ∂z‖∞,‖∂φ∂¯z‖∞}
为范数的Banach空间.
Dirichlet空间D2上Toeplitz算子,小Hankel算子与Hankel算子的紧性相关结果参见 文献[9, 13]. 下文将讨论调和Dirichlet空间D1h上这些算子的紧性, 给出它们为紧算子的充分条件. 后面证明中将会用到文献[6]中关于对数有界均值震荡(BMO∂log)函数的一些估计.
首先回顾一下文献[14]中得到的Bergman度量下有界均值震荡(BMO)的一些结论.
令ρ(z,w)=|z−w1−¯zw|,其中z,w∈D, 则Bergman度量β(z,w)定义为
β(z,w)=12log1+ρ(z,w)1−ρ(z,w),z,w∈D.
Bergman度量是MDdotobius不变的,即对任意ϕ∈Aut(D)与z,w∈D有
β(ϕ(z),ϕ(w))=β(z,w).
对任意z∈D与r>0,记
D(z,r)={w∈D|β(z,w)<r}
是以z为心,r为半径的Bergman圆盘. 众所周知D(z,r)也是欧式圆盘,其圆心和半径分别为
C=1−s21−s2|z|2z,R=1−|z|21−s2|z|2s,
这里的s=tanhr∈(0,1). 若φ∈L1满足对任意z∈D有
MOr(φ)(z)=(^|φ|2r(z)−|ˆφr(z)|2)1/2<M<∞,
其中ˆφr(z)=1|D(z,r)|∫D(z,r)φ(w)dA(w), 则这些函数组成空间被称为有界均值震荡函数空间,记为BMO∂. 事实上,MOr(φ)与r无关,对任意r>0,
‖φ‖BMO∂:=supz∈DMOr(φ)(z) 等价于 supz∈DMO(φ)(z)=(~|φ|2(z)−|˜φ(z)|2)1/2,
其中˜φ是Berezin变换.
消失均值震荡空间 VMO∂是BMO∂的闭子空间,由所有满足条件
lim|z|→1−MOr(φ)(z)=0
的函数构成,注意这里的极限过程与r无关.
下文将使用对数加权有界均值震荡空间BMO∂log和 消失均值震荡空间VMO∂log,它们的范数定义为
‖φ‖BMO∂log=supz∈Dlog11−|z|2MOr(f)(z).
BMO∂log与VMO∂log在调和Bergman投影下的像 空间分别为对数加权调和Bloch空间LBh与对数加权小调和Bloch空间LBh0.
D上的调和函数f属于调和Bloch空间Bh当且仅当
supz∈D(1−|z|2)(|∂f∂z(z)|+|∂f∂¯z(z)|)<∞;
f 属于小调和Bloch空间Bh0当且仅当
|z|→1− 时, (1−|z|2)(∂f∂z(z)+∂f∂¯z(z))→0.
若在上面两式乘上因子−log(1−|z|2),则可得到LBh与LBh0的定义.
下面考虑Toeplitz算子,小Hankel算子与Hankel算子的有界性.
定理 2.1 若φ∈L2+ϵ,1∩BMO∂log, 其中ϵ为任意正数, Toeplitz算子Thφ与Hankel算子Hhφ在调和 Dirichlet空间D1h上有界,即存在常数C,C1使得
‖Thφ‖L(D1h,D1h)≤C(‖φ‖L2+ε,1+‖φ‖BMO∂),
‖Hhφ‖L(D1h,L1,1)≤C1(‖φ‖L2+ε,1+‖φ‖BMO∂),
证 由定义知对任意f∈D1h,
‖Thφf‖L1,1=∫D|∫Dφ∂f∂z1(1−ˉzw)2dA(z)+∫D∂φ∂zf1(1−ˉzw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫Dφ∂f∂ˉz1(1−zˉw)2dA(z)+∫D∂φ∂ˉzf1(1−zˉw)2dA(z)|dA(w)≤∫D|∫Dφ∂f∂z1(1−ˉzw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂zf1(1−ˉzw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫Dφ∂f∂ˉz1(1−zˉw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂ˉzf1(1−zˉw)2dA(z)|dA(w).
因L2+ϵ,1↪L∞连续,故
∫D|∫Dφ∂f∂z1(1−ˉzw)2dA(z)|dA(w)≤C(‖φ‖∞+‖φ‖BMO∂log)‖∂f∂z‖L1≤C(‖φ‖L2+ε,1+‖φ‖BMO∂log)‖f‖L1,1,
上面的第一个不等式来自文献[5,定理6]. 同理有
∫D|∫Dφ∂f∂ˉz1(1−ˉzw)2dA(z)|dA(w)≤C(‖φ‖L2+ε,1+‖φ‖BMO∂log)‖f‖L1,1.
因L1,1↪L2为连续,于是 ∂φ∂zf∈L2(2+ϵ)4+ϵ. 因此
∫D|∫D∂φ∂zf1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C(∫D|∫D∂φ∂zf1(1−¯zw)2dA(z)|2(2+ϵ)4+ϵdA(w))4+ϵ2(2+ϵ)≤C‖∂φ∂zf‖L2(2+ϵ)4+ϵ≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖f‖L2≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖f‖L1,1,
且
∫D|∫D∂φ∂¯zf1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖f‖L1,1.
所以
‖Thφf‖L1,1≤C(‖φ‖L2+ϵ,1+‖φ‖BMO∂log)‖f‖L1,1.
Hhφ的有界性可由不等式
‖φf‖L1,1=∫D(|∂φ∂zf+φ∂f∂z|+|∂φ∂¯zf+φ∂f∂¯z|)dA(z)≤∫D(|∂φ∂zf|+|φ∂f∂z|+|∂φ∂¯zf|+|φ∂f∂¯z|)dA(z)≤C1(‖φ‖L2+ϵ,1+‖φ‖BMO∂log)‖f‖L1,1
与
‖Hhφf‖L1,1≤‖Thφf‖L1,1+‖φf‖L1,1
推得.
引理 2.1 算子Uf(z)=f(¯z)是D1h上的酉算子,其中f∈D1h.
证 应用定理2.1与引理2.1可得.
定理 2.3 若φ∈L2+ϵ,1(¯D)∩VMO∂log,其中ϵ为任意正数,则Thφ在D1h上为紧算子当且仅当 φ|T=0.
证 若φ|T=0, 对任意D1h中满足‖fk‖L1,1=1且在D1h 中fk弱收敛到0的序列{fk}有
‖Tφfk‖L1,1=∫D|∂Ph(φfk)(w)∂w|dA(w)+∫D|∂Ph(φfk)(w)∂¯w|dA(w)=∫D|∫D∂(φfk)∂z¯∂2Kw(z)∂z∂¯wdA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂(φfk)∂¯z¯∂2Kw(z)∂z∂¯wdA(z)|dA(w)=∫D|∫D∂(φfk)∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂(φfk)∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)=∫D|∫D∂φ∂zfk1(1−¯zw)2dA(z)+∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯zfk1(1−z¯w)2dA(z)+∫Dφ∂fk∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤∫D|∫D∂φ∂zfk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯zfk1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫Dφ∂fk∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w).
因L1,1↪L2−ϵ2是紧的,故有‖fk‖L2−ϵ2→0. 于是
∫D|∫D∂φ∂zfk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C‖∂φ∂zfk‖L8+2ϵ−ϵ28+ϵ≤C‖∂φ∂z‖L2+ϵ‖fk‖L2−ϵ2=C‖φ‖L2+ϵ,1‖fk‖L2−ϵ2→0
∫D|∫D∂φ∂¯zfk1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖fk‖L2−ϵ2→0.
注意到
∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)=Pb(φ∂fk∂z)(w)=(DdotTφf′)(w),
其中Pb是解析Bergman投影,DdotTφ为Bergman空间L1a上以 φ为符号的Toeplitz算子. 因L2+ϵ,1(¯D)↪C(¯D)连续, φ|T=0且φ∈L2+ϵ,1(¯D)∩VMO∂log, 故DdotTφ为紧算子,参见文献[5]. 很明显∂fk∂z 在L1a中弱收敛到0,因此有
∫D|∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)=∫D|DdotTφ∂fk∂z|dA(w)=‖DdotTφ∂fk∂z‖L1→0.
同理知
∫D|∫Dφ∂fk∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)→0.
于是,‖Thφfk‖L1,1→0. 这说明 Thφ为紧算子.
反过来,设Thφ在D1h上紧. 下证 φ|T=0. 若{fk}为L1a中满足 ‖fk‖L1=1且fk在L1a中弱收敛到0的序列,则Fk(z)=∫fk(z)dz满足 ‖Fk‖L1,1=1,Fk在D1h弱收敛到0且‖Fk‖L2−ϵ2→0. 由D1h上Toeplitz算子的定义知
‖DdotTφfk‖L1=∫D|∫Dφfk(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)=∫D|∫Dφfk(1−¯zw)2dA(z)+∫D∂φ∂zFk(1−¯zw)2dA(z)+∫D∂φ∂¯zFk(1−z¯w)2dA(z)−∫D∂φ∂zFk(1−¯zw)2dA(z)−∫D∂φ∂¯zFk(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤‖ThφFk‖L1,1+∫D|∫D∂φ∂zFk(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯zFk(1−z¯w)2dA(z)|dA(w).
由Thφ的紧性得
‖ThφFk‖L1,1→0.
因Fk在D1h弱收敛到0,故‖Fk‖L2−ϵ2→0. 因此
∫D|∫D∂φ∂zFk(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖Fk‖L2−ϵ2→0
∫D|∫D∂φ∂¯zFk(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖Fk‖L2−ϵ2→0.
于是, ‖DdotTφfk‖L1→0,即 DdotTφ是紧算子. 故φ|T=0,参见文献[5].
定理 2.4 若φ∈L2+ϵ,1(¯D)∩VMO∂log,其中ϵ为任意正数,则Hhφ:D1h→L1,1是紧算子.
证 由定义知对任意D1h中满足‖fk‖L1,1=1且在D1h中fk弱收敛到0的序列{fk}有
‖Hφfk‖L1,1=∫D(|∂φ∂wfk+φ∂fk∂w−∫D∂φ∂zfk(1−w¯z)2dA(z)−∫Dφ∂fk∂z1(1−w¯z)2dA(z)|+|∂φ∂¯wfk+φ∂fk∂¯w−∫D∂φ∂¯zfk(1−z¯w)2dA(z)−∫Dφ∂fk∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|)dA(w)≤∫D(|∂φ∂wfk|+|∫D∂φ∂zfk(1−w¯z)2dA(z)|+|φ∂fk∂w−∫Dφ∂fk∂z1(1−w¯z)2dA(z)|+|∂φ∂¯wfk|+|∫D∂φ∂¯zfk(1−z¯w)2dA(z)|+|φ∂fk∂¯w−∫Dφ∂fk∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|)dA(w).
因‖fk‖L2−ϵ2→0,故有
∫D|∂φ∂wfk|dA(w)≤‖∂φ∂wfk‖L8+2ϵ−ϵ28+ϵ≤‖∂φ∂w‖L2+ϵ‖fk‖L2−ϵ2=‖φ‖L2+ϵ,1‖fk‖L2−ϵ2→0
∫D|∂φ∂¯wfk|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖fk‖L2−ϵ2→0;
还有
∫D|∫D∂φ∂zfk(1−w¯z)2dA(z)|dA(w)≤C‖∂φ∂wfk‖L8+2ϵ−ϵ28+ϵ≤C‖∂φ∂w‖L2+ϵ‖fk‖L2−ϵ2=C‖φ‖L2+ϵ,1‖fk‖L2−ϵ2→0
∫D|∫D∂φ∂¯zfk(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖fk‖L2−ϵ2→0.
∫D|φ∂fk∂w−∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)=‖DdotHφ∂fk∂z‖L1,
其中DdotHφ 是L1a→L1的Hankel算子. 因对任意φ∈L2+ϵ,1(¯D)∩VMO∂log, DdotHφ是紧算子,且∂fk∂z在L1a中弱收敛到0, 故
∫D|φ∂fk∂w−∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)=∫D|DdotHφ∂fk∂z|dA(w)→0.
同理可得
∫D|φ∂fk∂¯w−∫Dφ∂fk∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)→0.
因此‖Hhφfk‖L1,1→0. 这说明Hhφ为紧算子.
下面得到的调和Dirichlet空间上小Hankel算子的紧性充分条件与解析Dirichlet空间情形有很大区别.
定理 2.5 若φ∈L2+ϵ,1(¯D)∩VMO∂log, 其中ϵ为任意正数,则Γhφ是D1h 上紧算子当且仅当φ|T=0.
证 应用定理2.3与引理2.1.
命题 2.1 若φ∈L2+ϵ,1∩BMO∂log且 ψ∈L2+ϵ,1∩VMO∂log,其中ϵ为任意正数, ThφThψ−Thφψ为紧算子.
证 由定义知对任意D1h中满足‖fk‖L1,1=1且在 D1h中fk弱收敛到0的序列{fk}有
‖(ThφThψ−Thφψ)fk‖L1,1=∫D(|∫D∂φ∂z(Thψfk)(1−¯zw)2dA(z)−∫D∂φ∂z(ψfk)(1−¯zw)2dA(z)+∫D∂(−Hhψfk)∂zφ(1−¯zw)2dA(z)|+|∫D∂φ∂¯z(Thψfk)(1−z¯w)2dA(z)−∫D∂φ∂z(ψfk)(1−z¯w)2dA(z)+∫D∂(−Hhψfk)∂¯zφ(1−z¯w)2dA(z)|)dA(w)≤∫D|∫D∂φ∂z(Thψfk)(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯z(Thψfk)(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂z(ψfk)(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯z(ψfk)(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂(−Hhψfk)∂zφ(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂(−Hhψfk)∂¯zφ(1−z¯w)2dA(z)|dA(w).
因Thψ在D1h上有界,故‖fk‖L2−ϵ2→0且‖Thψfk‖L2−ϵ2→0,于是有
∫D|∫D∂φ∂z(Thψfk)(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖Thψfk‖L2−ϵ2→0
∫D|∫D∂φ∂¯z(Thψfk)(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖Thψfk‖L2−ϵ2→0;
∫D|∫D∂φ∂z(ψfk)(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ‖ψ‖L∞‖fk‖L2−ϵ2≤C‖φ‖L2+ϵ‖ψ‖L2+ϵ‖fk‖L2−ϵ2→0
∫D|∫D∂φ∂¯z(ψfk)(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ‖ψ‖L2+ϵ‖fk‖L2−ϵ2→0.
注意到Hhψ为紧且在D1h中fk弱收敛到0, 故知‖Hhψfk‖L1,1→0,所以
∫D|∫D∂(−Hhψfk)∂zφ(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L∞‖∂(−Hhψfk)∂z‖L1,1≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖Hhψfk‖L1,1→0.
∫D|∫D∂(−Hψfk)∂¯zφ(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖Hhψfk‖L1,1→0.
于是‖(ThφThψ−Thφψ)fk‖L1,1→0, 即ThφThψ−Thφψ为紧算子.
D1h的对偶空间Bh,1定义为
Bh,1={f|f∈h, ∂f∂z,∂f∂¯z∈B}C,
其中h表示D上调和函数所成空间. 很明显f∈Bh,1的范数为
‖f‖Bh,1=‖∂f∂z‖B+‖¯∂f∂¯z‖B.
命题 2.2 若φ∈L∞,1∩BMO∂log, 则(Thφ)∗−Th¯φ为Bh,1上紧算子.
证 由定义知对Bh,1中满足‖gk‖Bh,1=1且gk在 Bh,1中弱*收敛到0的序列gk有
‖((Thφ)∗−Th¯φ)gk‖Bh,1=supw∈D(1−|w|2)(|∂2⟨(T∗φ−T¯φ)gk,Kw(z)⟩1∂2w|+|∂2⟨(T∗φ−T¯φ)gk,Kw(z)⟩1∂2¯w|)≤supw∈D(1−|w|2)|⟨∂gk∂z,∂φ∂zz2(1−z¯w)2⟩|+supw∈D(1−|w|2)|⟨∂¯φ∂zgk,z(1−z¯w)3⟩|+supw∈D(1−|w|2)|⟨∂gk∂¯z,∂φ∂¯z¯z2(1−¯zw)2⟩|+supw∈D(1−|w|2)|⟨∂¯φ∂¯zgk,¯z(1−¯zw)3⟩|.
因z2(1−|w|2)(1−z¯w)2,z2(1−|w|2)(1−¯zw)2∈L2且满足‖z2(1−|w|2)(1−z¯w)2‖L2≤1与‖z2(1−|w|2)(1−¯zw)3‖L2≤1,故
supw∈D(1−|w|2)|⟨∂gk∂z,∂φ∂zz2(1−z¯w)2⟩|→0,supw∈D(1−|w|2)|⟨∂gk∂¯z,∂φ∂¯zz2(1−z¯w)2⟩|→0.
注意到gk在Bh,1中弱*收敛到0且‖gk‖Bh,1=1,于是存在充分小的δ>0,对任意1−δ<r<1,在D−¯Dr中有|∂gk∂z(z)|≤C(−log(1−|z|2)),|∂gk∂¯z(z)|≤C(−log(1−|z|2)),且在¯Dr={z| |z|≤1−δ}一致地有∂gk∂z,∂gk∂¯z→0. 因此,对任意ϵ>0,存在K,当k>K,对任意1−δ<r<1,其中充分小δ>0,有
supz∈¯Dr(1−|w|2)|∂gk∂¯w(w)|+supz∈¯Dr(1−|w|2)|∂gk∂¯w(w)|<ϵ2;supz∈D−¯Dr(1−|w|2)|∂gk∂¯w(w)|+supz∈D−¯Dr(1−|w|2)|∂gk∂¯w(w)|≤Csupz∈D−¯Dr(1−|w|2)(−log(1−|w|2))<ϵ2.
于是
‖gk‖Bh≤supz∈¯Dr(1−|w|2)(|∂gk∂¯w(w)|+|∂gk∂¯w(w)|)+supz∈D−¯Dr(1−|w|2)(|∂gk∂¯w(w)|+|∂gk∂¯w(w)|)→0.
又注意到∂¯φ∂z∈L∞且 (1−|w|2)z(1−z¯w)3∈L1,故
supw∈D(1−|w|2)(|⟨∂¯φ∂zgk,z(1−z¯w)3⟩|+|⟨∂¯φ∂¯zgk,¯z(1−¯zw)3⟩|)≤C‖gk‖Bh(‖∂¯φ∂z‖L∞+‖∂¯φ∂¯z‖L∞)‖(1−|w|2)z(1−z¯w)2‖L1→0.
因此,
‖(T∗φ−T¯φ)gk‖Bh,1→0,
即 T∗φ−T¯φ是紧算子.
Banach空间X上有界算子A为Fredholm算子当且仅当A的核与余核是有限维; Fredholm指标定义如下
Ind A=dim ker A−dim coker A.
下面定理中得到了D1h上Toeplitz算子Thφ为Fredholm算子的充要条件.
定理 3.1 设φ∈L2+ϵ,1(¯D)∩VMO∂log, 则Tφ是Fredholm算子当且仅当对任意z∈T,φ(z)≠0.
证 不失一般性,设0∈φ(T), 则DdotTφ不是L1a(D)上Fredholm算子, 故对{fk}⊂L1a 满足‖fk‖L1=1,且在L1a中fk弱收敛到0有 ‖DdotTφfk‖L1→0,或 对{gk}⊂B,其中B为解析Bloch空间, 满足‖gk‖Bh=1,gk在B中弱∗收敛到0有 ‖DdotT∗φgk‖B→0.
记Fk=∫fkdz,则{Fk}⊂D1h, ‖Fk‖L1,1=1,且Fk在D1h中弱收敛到0. 注意到
‖ThuFk‖L1,1=∫D|∂Ph(φFk)(w)∂w|dA(w)+∫D|∂Ph(φFk)(w)∂¯w|dA(w)=∫D|∫D∂(φFk)∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂(φFk)∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)=∫D|∫D∂φ∂zFk1(1−¯zw)2dA(z)+∫Dφfk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯zFk1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤∫D|∫D∂φ∂zFk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫Dφfk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯zFk1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w).
因‖Fk‖L2−ϵ2→0,故
∫D|∫D∂φ∂zFk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖f‖L2−ϵ2→0
∫D|∫D∂φ∂¯zFk1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖f‖L2−ϵ2→0.
又因
∫D|∫Dφfk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)=∫D|Pb(φfk)(w)|dA(w)=∫D|(DdotTufk)(w)|dA(w)→0,
其中Pb为 L1到L1a上的投影,DdotTu是L1a上的Toeplitz算子, 则‖Thφfk‖L1,1→0. 这说明Tφ不是Fredholm算子.
记Gk=∫gkdz,则有{Gk}⊂Bh,1. 很明显f∈B1满足‖f‖Bh,1=‖f′‖B. 故有‖Gk‖Bh,1=1,且Gk在Bh,1中弱*收敛到0. 注意
‖(Thφ)∗Gk‖Bh,1=supw∈D(1−|w|2)(|∂2⟨(Thφ)∗Gk,Khw(z)⟩1∂2w|+|∂2⟨(Thφ)∗Gk,Khw(z)⟩1∂2¯w|)=supw∈D(1−|w|2)(|∂2⟨Gk,ThφKhw(z)⟩1∂2w|+|∂2⟨Gk,ThφKhw(z)⟩1∂2¯w|)=supw∈D(1−|w|2)(|∂2⟨Gk,φKhw(z)⟩1∂2w|+|∂2⟨Gk,φKhw(z)⟩1∂2¯w|)≤supw∈D(1−|w|2)|⟨gk,∂φ∂zz2(1−z¯w)2⟩|+supw∈D(1−|w|2)|d⟨gk,φ1(1−z¯w)2⟩dw|.
因gk→0在B中弱*收敛到0, ∂φ∂z∈L2+ϵ, (1−|w|2)z2(1−z¯w)2∈L2a且满足 ‖(1−|w|2)z2(1−z¯w)2‖L2≤1,故
supw∈D(1−|w|2)|⟨gk,∂φ∂zz2(1−z¯w)2⟩|→0.
‖(DdotTφ)∗gk‖B=supw∈D(1−|w|2)|d⟨gk,φ1(1−z¯w)2⟩dw|→0,
‖(Thφ)∗Gk‖B1→0.
这说明Thφ不是Fredholm算子.
反过来,若Thφ不是Fredholm算子,则 存在序列{fk}⊂D1h 满足‖fk‖L1,1=1,且fk在D1h中弱收敛到0,使得 ‖Thφfk‖L1,1→0,或存在 {gk}⊂Bh,1满足‖gk‖Bh,1=1,且gk在Bh,1中弱*收敛到0,使得 ‖(Thφ)∗gk‖Bh,1→0. 注意到‖∂fk∂z‖L1+‖∂fk∂¯z‖L1=1,选取恰当子列得∂fk∂z在L1a(D)中弱收敛到0,但‖∂fk∂z‖L1≥δ>0. 又注意到‖∂gk∂z‖B+‖¯∂gk∂¯z‖B=1,选取恰当子列得∂gk∂z在B中弱*收敛到0,但‖∂gk∂z‖B≥δ>0.
若‖Thφfk‖L1,1→0,因
‖Thφfk‖L1,1=∫D|∂Ph(φfk)(w)∂w|dA(w)+∫D|∂Ph(φfk)(w)∂¯w|dA(w)=∫D|∫D∂(φfk)∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂(φfk)∂¯z1(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)=∫D|∫D∂φ∂zfk1(1−¯zw)2dA(z)+∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)+∫D|∫D∂φ∂¯zfk1(1−¯zw)2dA(z)+∫Dφ∂fk∂¯z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)
∫D|∫D∂φ∂zfk1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖f‖L2−ϵ2→0,
则
‖DdotTφ∂fk∂z‖L1=∫D|∫Dφ∂fk∂z1(1−¯zw)2dA(z)|dA(w)→0.
这说明DdotTφ不是Fredholm算子,故 0∈φ|T.
若‖(Thu)∗gk‖Bh,1→0,因
‖(Thu)∗gk‖Bh,1=supw∈D(1−|w|2)(|∂2⟨(Thu)∗gk,Khw(z)⟩1∂2w|+|∂2⟨(Thu)∗gk,Khw(z)⟩1∂2¯w|)=supw∈D(1−|w|2)(|∂2⟨gk,TφKhw(z)⟩1∂2w|+|∂2⟨gk,TφKhw(z)⟩1∂2¯w|)=supw∈D(1−|w|2)|∂2⟨∂gk∂z,∂φ∂zKhw(z)⟩∂2w+d⟨∂gk∂z,φ1(1−z¯w)2⟩dw|+supw∈D(1−|w|2)|∂2⟨∂gk∂¯z,∂φ∂¯zKhw(z)⟩∂2¯w+d⟨∂gk∂¯z,φ1(1−¯zw)2⟩d¯w|.
再因∂gk∂¯z在B中弱*收敛到0, ∂φ∂z∈L2+ϵ, (1−|w|2)z2(1−z¯w)2∈L2a且 ‖(1−|w|2)z2(1−z¯w)2‖L2≤1,得
supw∈D(1−|w|2)|⟨∂gk∂¯z,∂φ∂zz2(1−z¯w)2⟩|→0,
‖DdotT∗φ∂gk∂¯z‖B=supw∈D(1−|w|2)|d⟨∂gk∂¯z,φ1(1−z¯w)2⟩dw|→0.
这说明DdotT∗φ不是Fredholm算子,于是 0∈φ|T.
引理3.1 若m为正整数,则
Dim(kerThzm)=Dim(ker(Thzm)∗)=1.
证 首先证明(Thzm)∗zm=0. 对l>0,有
⟨(Thzm)∗zm,zl⟩1=⟨zm,zmzl⟩1=0, 且 ⟨(Thzm)∗zm,¯zl⟩1=⟨zm,zm¯zl⟩1=0,
故
(Thzm)∗zm=0.
于是,记
h=∞∑k=1,k≠makzk+∞∑k=1Tildeak¯zk∈ker(Thzm)∗.
对任意f∈D1,有
⟨zmf,h⟩1=⟨f,(Thzm)∗h⟩1=0.
⟨zmf,h⟩1=⟨zm−1(mf+zf′),∂h∂z⟩,
h=m−1∑k=1akzk+∞∑k=1Tildeak¯zk.
因对k<m与l>0,
⟨(Thzm)∗zk,zl⟩1=⟨zk,zmzl⟩1=0 且 ⟨(Thzm)∗zk,¯zl⟩1=⟨zk,zm¯zl⟩1=⟨kzk−1,mzm−1¯zl⟩.
(Thzm)∗zk=km−k¯zm−k.
又因对k>0与l>0,
⟨(Thzm)∗¯zk,zl⟩1=0, 且 ⟨(Thzm)∗¯zk,¯zl⟩1=⟨¯zk,zm¯zl⟩1=⟨k¯zk−1,zml¯zl−1⟩.
(Thzm)∗¯zk=km+k¯zm+k.
(Thzm)∗h=m−1∑k=1akkm−k¯zm−k+∞∑k=1Tildeakkm+k¯zm+k=0.
这说明h=0且dim(ker(Thzm)∗)=1. 同理可得dim(kerThzm)=1.
应用上述结论可得对m≥0有Ind Thzm=0,其中Ind Thzm表示Thzm 的Fredholm指标,同理对m>0,有Ind Th¯zm=0.
为证明下面结论,这里引入无零点连续函数u(z)的绕数,其定义为
wind u|T=[arg u]∂D2π,
这里的[arg u]∂D表示当自变量在 T=∂D中取遍一周时,辐角arg u(t)的全增量.
定理 3.2 设u∈L2+ϵ,1(¯D)∩VMO∂log, 对任意z∈T满足u(z)≠0,则
IndThu=0.
证 易知存在函数v∈C2(¯D) 在T上无零点且满足
Ind Thu=Ind Thv 和 wind u|T=wind v|T=:k≥0.
对s∈[0,1],定义
Fs(t)=tkexp(slogg(t)) (t∈T),
其中g(t)=t−kv(t). 因v∈C2(T),wind v|T=k, 且Fs是C2(T)中的同伦映射,在 T上无零点,故可以延拓Fs:T→C为 C1(¯D)中映射. 于是对任意s∈[0,1],ThFs为Fredholm算子, 又由 Fredholm指标的连续性得
Ind Thzk=Ind ThF0=Ind ThF1=Ind Thv=Ind Thu.
当k≥0,不难得到
0=Ind Thzk=Ind Thu.
当k<0,同样讨论可知
wind u|T=wind ¯z|k||T=:k<0.
于是,
Ind Thu=Ind Th¯z|k|=0.