Bounded, Compact and Fredholm Toeplitz Operators on Harmonic Dirichlet Space Dh1
1 引言
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.
2 Toeplitz算子,小Hankel算子与Hankel算子的有界性与紧性
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.
定理 2.2
若
φ∈L2+ϵ,1∩BMO∂log,其中
ϵ为任意正数,小Hankel算子
Γhφ=ThφU在
D1h上有界.
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
且
∫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
且
∫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
且
∫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
且
∫D|∫D∂φ∂¯zfk(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖fk‖L2−ϵ2→0.
注意到
∫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
且
∫D|∫D∂φ∂¯z(Thψfk)(1−z¯w)2dA(z)|dA(w)≤C‖φ‖L2+ϵ,1‖Thψfk‖L2−ϵ2→0;
还有
∫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
且
∫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.
且
∫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.
3 Fredholm性质与指标
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\|F_{k}\|_{L^{2-\frac{\epsilon}{2}}}\rightarrow 0,故
\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\frac{\partial \varphi}{\partial z}F_{k}
\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)\leq
C\|\varphi\|_{L^{2+\epsilon,1}}\|f\|_{L^{2-\frac{\epsilon}{2}}}\rightarrow 0
且
\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\frac{\partial \varphi}{\partial
\overline{z}}F_{k}\frac{1}{(1-z\overline{w})^{2}}{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)\leq
C\|\varphi\|_{L^{2+\epsilon,1}}\|f\|_{L^{2-\frac{\epsilon}{2}}}\rightarrow 0.
又因
\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\varphi f_{k}\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}
{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)=\int_{{\Bbb D}}|P^b(\varphi f_{k})(w)|{\rm d}A(w)
=\int_{{\Bbb D}}|(\mathbb{D}dot{T}_{u}f_{k})(w)|{\rm d}A(w)\rightarrow 0,
其中P^b为 L^1到L^1_a上的投影,\mathbb{D}dot{T}_{u}是L^1_a上的Toeplitz算子,
则\|T^h_{\varphi}f_{k}\|_{L^{1,1}}\rightarrow 0. 这说明 T_{\varphi}不是Fredholm算子.
记G_{k}=\int g_{k}{\rm d}z,则有\{G_{k}\}\subset {\cal B}^{h,1} .
很明显f\in {\cal B}^1满足\|f\|_{{\cal B}^{h,1}}=\|f'\|_{{\cal B}}.
故有\|G_{k}\|_{{\cal B}^{h,1}}=1,且G_{k}在{\cal B}^{h,1} 中弱*收敛到0. 注意
\|(T^h_{\varphi})^{*} G_{k}\|_{{\cal B}^{h,1}}
=\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)
\bigg(\bigg|\frac{\partial^2 \langle (T^h_{\varphi})^{*} G_k,K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 w}
\bigg|+
\bigg|\frac{\partial^2 \langle(T^h_{\varphi})^{*} G_k,K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 \overline{w}}\bigg|\bigg)\\
=\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)
\bigg(\bigg|\frac{\partial^2 \langle G_k,T^h_{\varphi} K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 w}\bigg|
+\bigg|\frac{\partial^2 \langle G_k,T^h_{\varphi} K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 \overline{w}}\bigg|\bigg)\\
=\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)
\bigg(\bigg|\frac{\partial^2 \langle G_k,\varphi K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 w}\bigg|
+\bigg|\frac{\partial^2 \langle G_k,\varphi K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 \overline{w}}\bigg|\bigg)\\
\leq \sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)\bigg| \bigg\langle g_k,\frac{\partial \varphi}{\partial z} \frac{z^2}
{(1-z\overline{w})^2}\bigg\rangle\bigg|+\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)
\bigg|\frac{d \langle g_k,\varphi \frac{1}{(1-z\overline{w})^2} \rangle}{d w}\bigg|.
因g_k\rightarrow 0在{\cal B}中弱*收敛到0,
\frac{\partial \varphi}{\partial z}\in L^{2+\epsilon},
\frac{(1-|w|^2)z^2}{(1-z\overline{w})^2}\in L^2_a且满足
\|\frac{(1-|w|^2)z^2}{(1-z\overline{w})^2}\|_{L^{2}}\leq 1,故
\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)\bigg|\bigg \langle g_k,\frac{\partial \varphi}{\partial z}
\frac{z^2}{(1-z\overline{w})^2}\bigg\rangle\bigg|
\rightarrow 0.
又因
\|(\mathbb{D}dot{T}_{\varphi})^* g_k\|_{{\cal B}}=
\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)\bigg|\frac{d \langle g_k,\varphi
\frac{1}{(1-z\overline{w})^2} \rangle}{d w}\bigg|\rightarrow 0,
所以
\|(T^h_{\varphi})^{*} G_{k}\|_{{\cal B}^1}\rightarrow 0.
这说明 T^h_{\varphi}不是Fredholm算子.
反过来,若T^h_{\varphi}不是Fredholm算子,则
存在序列\{f_{k}\}\subset {\cal D}^{1}_h
满足\|f_{k}\|_{L^{1,1}}=1,且f_{k}在{\cal D}^{1}_h中弱收敛到0,使得
\|T^h_{\varphi}f_{k}\|_{L^{1,1}}\rightarrow 0,或存在
\{g_{k}\}\subset {\cal B}^{h,1}满足\|g_{k}\|_{{\cal B}^{h,1}}=1,且g_{k}在 {\cal B}^{h,1}中弱*收敛到0,使得
\|(T^{h}_{\varphi})^* g_{k}\|_{{\cal B}^{h,1}}\rightarrow 0. 注意到\|\frac{\partial f_{k}}{\partial z}\|_{L^{1}}+\|\frac{\partial f_{k}}{\partial \overline{z}}\|_{L^{1}}=1,选取恰当子列得\frac{\partial f_{k}}{\partial z}在L^{1}_a({\Bbb D})中弱收敛到0,但\|\frac{\partial f_{k}}{\partial z}\|_{L^1}\geq \delta>0.
又注意到\|\frac{\partial g_{k}}{\partial z}\|_{{\cal B}}+\|\overline{\frac{\partial g_{k}}{\partial \overline{z}}}\|_{{\cal B}}=1,选取恰当子列得\frac{\partial g_{k}}{\partial z}在{\cal B}中弱*收敛到0,但\|\frac{\partial g_{k}}{\partial z}\|_{{\cal B}}\geq \delta>0.
若\|T^h_{\varphi}f_{k}\|_{L^{1,1}}\rightarrow 0,因
\|T^h_{\varphi} f_{k}\|_{L^{1,1}}
=\int_{{\Bbb D}}\bigg|\frac{\partial P_h( \varphi f_{k})(w)}{\partial w}
\bigg|{\rm d}A(w)+\int_{{\Bbb D}}\bigg|\frac{\partial P_h( \varphi f_{k})(w)}
{\partial \overline{w}}\bigg|{\rm d}A(w)\\
=\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\frac{\partial (\varphi f_{k})}
{\partial z}\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)\\
+
\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\frac{\partial (\varphi f_{k})}{\partial
\overline{z}}\frac{1}{(1-z\overline{w})^{2}}{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)\\
=\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\frac{\partial \varphi}{\partial z}
f_{k}\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)+
\int_{{\Bbb D}} \varphi \frac{\partial f_{k}}{\partial z}
\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)\\
+\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\frac{\partial \varphi}{\partial
\overline{z}}f_{k}\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)+
\int_{{\Bbb D}} \varphi \frac{\partial f_{k}}{\partial \overline{z}}
\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)
且
\int_{{\Bbb D}}\bigg|\int_{{\Bbb D}}\frac{\partial\varphi}{\partial z}f_{k}\frac{1}
{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)\bigg|{\rm d}A(w)\leq
C\|\varphi \|_{L^{2+\epsilon,1}}\|f\|_{L^{2-\frac{\epsilon}{2}}}\rightarrow 0,
则
\bigg\| \mathbb{D}dot{T}_{\varphi}\frac{\partial f_{k}}{\partial z}\bigg\|_{L^{1}}=\int_{{\Bbb D}}
\bigg|\int_{{\Bbb D}}\varphi \frac{\partial f_{k}}{\partial z}\frac{1}{(1-\overline{z}w)^{2}}{\rm d}A(z)
\bigg|{\rm d}A(w)\rightarrow 0.
这说明 \mathbb{D}dot{T}_{\varphi}不是Fredholm算子,故 0\in \varphi|_{\mathbb{T}}.
若\|(T^{h}_{u})^* g_{k}\|_{{\cal B}^{h,1}}\rightarrow 0,因
\|(T^{h}_{u})^* g_{k}\|_{{\cal B}^{h,1}}
=\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)
\bigg(\bigg|\frac{\partial^2 \langle (T^{h}_{u})^* g_k,K^h_w(z)\rangle_1}
{\partial^2 w}\bigg|+\bigg|\frac{\partial^2 \langle (T^{h}_{u})^* g_k,
K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 \overline{w}}\bigg|\bigg)\\
=\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)
\bigg(\bigg|\frac{\partial^2 \langle g_k,T_{\varphi} K^h_w(z)\rangle_1}
{\partial^2 w}\bigg|+\bigg|\frac{\partial^2 \langle g_k,T_{\varphi}
K^h_w(z)\rangle_1}{\partial^2 \overline{w}}\bigg|\bigg)\\
=\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)\bigg|\frac{\partial^2 \langle \frac{\partial g_k}{\partial z},
\frac{\partial \varphi}{\partial z} K^h_w(z)\rangle}{\partial^2 w}+\frac{d \langle \frac{\partial g_k}{\partial z},
\varphi\frac{1}{(1-z\overline{w})^2} \rangle}{d w}\bigg|\\
+\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)\bigg|\frac{\partial^2 \langle \frac{\partial g_k}{\partial \overline{z}},
\frac{\partial \varphi}{\partial \overline{z}} K^h_w(z)\rangle}{\partial^2 \overline{w}}+
\frac{d \langle \frac{\partial g_k}{\partial \overline{z}},\varphi\frac{1}{(1-\overline{z}w)^2}
\rangle}{d \overline{w}}\bigg|.
再因\frac{\partial g_k}{\partial \overline{z}} 在{\cal B}中弱*收敛到0,
\frac{\partial \varphi}{\partial z}\in L^{2+\epsilon},
\frac{(1-|w|^2)z^2}{(1-z\overline{w})^2}\in L^2_a且
\|\frac{(1-|w|^2)z^2}{(1-z\overline{w})^2}\|_{L^{2}}\leq 1,得
\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)\bigg|\bigg \langle \frac{\partial g_k}{\partial \overline{z}},
\frac{\partial \varphi}{\partial z} \frac{z^2}{(1-z\overline{w})^2}\bigg\rangle\bigg|
\rightarrow 0,
所以
\bigg\|\mathbb{D}dot{T}^{*}_{\varphi}\frac{\partial g_k}{\partial \overline{z}}\bigg\|_{{\cal B}}
=\sup\limits_{w\in\mathbb{D}}(1-|w|^2)\bigg|\frac{d \langle \frac{\partial g_k}{\partial \overline{z}},
\varphi\frac{1}{(1-z\overline{w})^2} \rangle}{d w}\bigg|\rightarrow 0.
这说明 \mathbb{D}dot{T}^{*}_{\varphi}不是Fredholm算子,于是
0\in \varphi|_{\mathbb{T}}.
引理3.1 若m为正整数,则
\mathbb{D}im (\ker T^h_{z^m})=\mathbb{D}im (\ker (T^h_{z^m})^*)=1.
证
首先证明(T^h_{z^m})^*z^m=0. 对l>0,有
\langle (T^h_{z^m})^*z^m,z^l\rangle_1=\langle z^m,z^m z^l\rangle_1=0,\mbox{ }\mbox{且}\mbox{ }
\langle (T^h_{z^m})^*z^m,\overline{z}^l\rangle_1=\langle z^m,z^m \overline{z}^l\rangle_1=0,
故
(T^h_{z^m})^*z^m=0.
于是,记
h=\sum\limits_{k=1,k\neq m}^{\infty}a_k z^k+\sum\limits_{k=1}^{\infty}\mathbb{T}ilde{a}_k \overline{z}^k\in \mbox{ker} (T^h_{z^m})^*.
对任意f\in {\cal D}^1,有
\langle z^m f,h\rangle_1= \langle f,(T^h_{z^m})^* h\rangle_1=0.
注意到
\langle z^m f,h\rangle_1=\bigg\langle z^{m-1}(m f+z f'),
\frac{\partial h}{\partial z}\bigg\rangle,
故
h=\sum\limits_{k=1}^{m-1}a_kz^k+\sum\limits_{k=1}^{\infty}\mathbb{T}ilde{a}_k \overline{z}^k.
因对k< m与l>0,
\langle (T^h_{z^m})^* z^k,z^l\rangle_1=\langle z^k,z^m z^l\rangle_1=0
\mbox{ }
\mbox{ 且}
\mbox{ }
\langle (T^h_{z^m})^* z^k,\overline{z}^l\rangle_1=\langle z^k,z^m\overline{z}^l\rangle_1=\langle k z^{k-1},m z^{m-1}\overline{z}^l\rangle.
故
(T^h_{z^m})^* z^k=\frac{k}{m-k}\overline{z}^{m-k}.
又因对k>0与l>0,
\langle (T^h_{z^m})^* \overline{z}^k,z^l\rangle_1=0,
\mbox{ }
\mbox{ 且}
\mbox{ }
\langle (T^h_{z^m})^* \overline{z}^k,\overline{z}^l\rangle_1=\langle \overline{z}^k,z^m \overline{z}^l\rangle_1=\langle k\overline{z}^{k-1},z^m l\overline{z}^{l-1}\rangle.
所以
(T^h_{z^m})^* \overline{z}^k=\frac{k}{m+k}\overline{z}^{m+k}.
于是
(T^h_{z^m})^* h=\sum\limits_{k=1}^{m-1}a_k\frac{k}{m-k}\overline{z}^{m-k}+\sum\limits_{k=1}^{\infty}\mathbb{T}ilde{a}_k \frac{k}{m+k}\overline{z}^{m+k}=0.
这说明h=0且\mbox{dim}(\mbox{ker}(T^h_{z^m})^*)=1.
同理可得\mbox{dim}(\mbox{ker}T^h_{z^m})=1.
应用上述结论可得对m\geq 0有Ind T^h_{z^m}=0,其中Ind T^h_{z^m}表示T^h_{z^m}
的Fredholm指标,同理对m> 0,有Ind T^h_{\overline{z}^m}=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
\mbox{wind}\mbox{ }u|_{{\Bbb T}}=\frac{[\mbox{arg}\mbox{ }u]_{{\Bbb \partial {\Bbb D}}}}{2\pi},
这里的[\mbox{arg}\mbox{ }u]_{{\Bbb \partial {\Bbb D}}}表示当自变量在
{\Bbb T}=\partial{\Bbb D}中取遍一周时,辐角arg u(t)的全增量.
定理 3.2
设u\in L^{2+\epsilon,1}(\overline{\mathbb{D}})\cap \mbox{VMO}_{\partial \log},
对任意z\in \mathbb{T}满足u(z)\neq 0,则
\mbox{Ind} T^h_{u}=0.
证
易知存在函数v\in C^{2}(\overline{{\Bbb D}})
在{\Bbb T}上无零点且满足
\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{u}=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{v}\mbox{ }\mbox{ }
\mbox{和}\mbox{ }\mbox{ }\mbox{wind}\mbox{ }u|_{{\Bbb T}}=\mbox{wind}\mbox{
}v|_{{\Bbb T}}=:k\geq 0.
对s\in [0,1],定义
F_{s}(t)=t^{k}\exp (s\log g(t)) \mbox{ }\mbox{ }\mbox{ }(t\in {\Bbb T}),
其中g(t)=t^{-k}v(t). 因v\in C^{2}({\Bbb T}),wind v|_{{\Bbb T}}=k,
且F_{s}是C^{2}({\Bbb T})中的同伦映射,在
{\Bbb T}上无零点,故可以延拓F_{s}:{\Bbb T}\rightarrow {\Bbb C}为
C^{1}(\overline{{\Bbb D}})中映射. 于是对任意s\in [0,1],T^h_{F_{s}}为Fredholm算子,
又由
Fredholm指标的连续性得
\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{z^{k}}=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{F_{0}}=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{F_{1}}=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{v}=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{u}.
当k\geq 0,不难得到
0=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{z^{k}}=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{u}.
当k<0,同样讨论可知
\mbox{wind}\mbox{ }u|_{{\Bbb T}}=\mbox{wind}\mbox{
}\overline{z}^{|k|}|_{{\Bbb T}}=:k<0.
于是,
\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{u}=\mbox{Ind}\mbox{ }T^h_{\overline{z}^{|k|}}=0.