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Máster y doctorado

Descomposición de Littlewood–Paley

Una función puede mezclar cambios lentos con oscilaciones muy rápidas. Littlewood–Paley los separa por escalas: primero una banda baja, después bandas alrededor de dos, cuatro, ocho… Leeremos el dibujo de esas bandas, construiremos los bloques y calcularemos cómo una derivada aumenta el peso de las oscilaciones rápidas.

1. Frecuencia alta significa una escala espacial pequeña

La frecuencia ξ de e elevado a ixξ indica cuánta fase se acumula por unidad de espacio. En una dimensión, su período es 2π/|ξ|. Por eso la escala característica, dejando aparte constantes fijas, es 1/|ξ|. Un bloque de frecuencia aproximadamente 2ʲ observa cambios a escala aproximadamente 2⁻ʲ.

Una banda no contiene una sola frecuencia. Retiene un intervalo o un anillo de tamaños comparables. Usaremos cortes suaves para que sus núcleos espaciales decrezcan rápidamente. Tener soporte compacto en frecuencia no significa tener soporte compacto en espacio; tampoco autoriza automáticamente todas las cotas Lᵖ de un recorte brusco.

Comparar dos oscilaciones

Frecuencias de tamaño dos y ocho.

  1. Períodos

    Sus períodos son π y π/4.

  2. Comparar

    La segunda completa cuatro veces más ciclos en el mismo intervalo.

  3. Escalas

    Sus escalas características son 1/2 y 1/8, con el mismo factor de comparación.

Resultado

Multiplicar la frecuencia por cuatro divide por cuatro la escala espacial.

Lo comprobamos

El período exacto incluye 2π; «escala» se usa con constantes fijas.

Leer j igual a tres

La banda j=3 está alrededor de 2³.

  1. Potencia

    2³=2·2·2=8.
  2. Escala espacial

    2⁻³=1/8.
  3. Banda

    Con el corte que construiremos, puede ocupar 4≤|ξ|≤16.

Resultado

Ocho es la frecuencia característica, no el único valor permitido.

Lo comprobamos

Los extremos dependen de la convención de corte.

2. La partición se construye restando dos recortes que se incluyen

Elegimos χ suave radial, igual a uno para |ξ|≤1 y cero para |ξ|≥2. Puede elegirse decreciente con el radio. Definimos \varphi_0=\chi,\quad\varphi_j(\xi)=\chi(2^{-j}\xi)-\chi(2^{1-j}\xi)\quad(j\ge1). El bloque Δ_j f es la función o distribución cuya transformada es φ_j f̂.

Las bandas suaves se solapan y su suma cubre las frecuencias sin huecos
Cortes suaves en frecuencia positiva01248j=0: color de su bandaj=1: color de su bandaj=2: color de su bandaj=3: color de su bandaAquí: φ₀+φ₁+φ₂+φ₃=1.Solapamiento suave; no son rectángulos.
Se dibuja una función chi igual a uno hasta radio uno y cero desde dos, con transición infinitamente suave. El bloque cero es chi; para j uno a tres se resta chi de radio reescalado entre dos a la j menos chi de radio reescalado entre dos a la j menos uno. Sobre el intervalo de frecuencia positiva cero ocho, las cuatro curvas suman exactamente uno por telescopía. Los colores permiten seguir cada banda aunque coincidan en los extremos. No se representan proyecciones ortogonales con cortes bruscos.

El bloque cero vive en la bola de radio dos. Cada bloque alto vive en 2 elevado a j−1 ≤|ξ|≤2 elevado a j+1. Al sumar hasta N, las restas se telescopan y queda χ(2⁻ᴺξ). Tiende a uno: f=ΣΔ_j f en distribuciones temperadas y, para f∈L², también en L².

En cada frecuencia solo se solapa un número acotado de bandas.

Ver la telescopía sin puntos suspensivos

Sumar los bloques multiplicadores cero, uno y dos.

  1. Escribir

    χ(ξ)+[χ(ξ/2)−χ(ξ)]+[χ(ξ/4)−χ(ξ/2)].

  2. Cancelar

    χ(ξ) y χ(ξ/2) desaparecen con sus respectivos negativos.

  3. Queda

    χ(ξ/4), un corte que retiene más frecuencias que el inicial.

Resultado

La suma parcial ensancha el rango retenido.

Lo comprobamos

N=2 da exactamente el argumento 2⁻²ξ.

Localizar un bloque

j=3.

  1. Límite inferior

    2 elevado a 3−1 es cuatro.

  2. Límite superior

    2 elevado a 3+1 es dieciséis.

  3. Descartar

    Las frecuencias de tamaño uno y treinta no aparecen en ese bloque.

Resultado

La banda alta no incluye el origen.

Lo comprobamos

Eso será lo que haga que su núcleo tenga integral cero.

3. Un bloque suave no es una proyección ortogonal

Aplicar dos veces Δ_j multiplica por φ_j², no por φ_j. En una transición donde φ_j está entre cero y uno, esos números difieren. Los bloques vecinos pueden solaparse. Solo los suficientemente separados tienen producto cero de multiplicadores.

En espacio, Δ_j es convolución con un núcleo suave de decrecimiento rápido. Para j≥1 tiene forma 2 elevado a jn por K(2ʲx), incorporando en K las constantes de Fourier.

Su integral es cero porque φ_j(0)=0.

Al promediar diferencias con ese núcleo se retienen cambios, no la componente constante.

Aplicar el corte dos veces

En una frecuencia concreta, φ_j=1/2.

  1. Una aplicación

    La amplitud se multiplica por 1/2.

  2. Dos aplicaciones

    Se multiplica por (1/2)²=1/4.
  3. Comparar

    Un cuarto no es un medio; Δ_j² no coincide aquí con Δ_j.

Resultado

«Bloque» no implica idempotencia.

Lo comprobamos

Una proyección auténtica sí cumple P²=P.

Separación de soportes

Comparar j=1 y k=5.

  1. Primera banda

    Su soporte está entre uno y cuatro.

  2. Segunda banda

    Su soporte está entre dieciséis y sesenta y cuatro.

  3. Producto

    No se tocan, así que φ₁φ₅=0 y Δ₁Δ₅=0.
Resultado

Hay ortogonalidad entre bandas suficientemente lejanas.

Lo comprobamos

Eso no afirma ortogonalidad de todas las bandas vecinas.

4. Sumar cuadrados evita que dos bloques se oculten al cancelarse

Definimos S(f)(x)=\left(\sum_{j\ge0}|\Delta_jf(x)|^2\right)^{1/2}.
En L², Tonelli y Plancherel dan ‖S(f)‖²₂=∫A(ξ)|f̂(ξ)|²dξ, con A=Σ|φ_j|².

El solapamiento finito y las cotas de los cortes dan A≤C.

Si a lo sumo N bandas actúan en cada frecuencia, Cauchy–Schwarz da 1=|Σφ_j|²≤NΣ|φ_j|².

Por tanto A≥1/N.

Integrar prueba que ‖S(f)‖₂ y ‖f‖₂ son equivalentes. La conclusión no es igualdad con constante uno para una partición suave arbitraria.

Dos valores en un mismo punto

Los valores de dos bloques son tres y −4.

  1. Suma ordinaria

    3−4=−1.
  2. Cuadrados

    |3|²+|−4|²=9+16=25.
  3. Raíz

    S=5 si los demás bloques son cero allí.

Resultado

La medida cuadrática conserva el tamaño aunque haya cancelación.

Lo comprobamos

Es una lectura algebraica puntual, sin afirmar que cualquier lista de valores determine una descomposición global.

Suma uno no significa suma de cuadrados uno

Dos cortes vecinos valen 1/2 y 1/2.

  1. Partición

    Su suma es uno.

  2. Cuadrados

    Su suma de cuadrados es 1/4+1/4=1/2.
  3. Consecuencia

    La identidad exacta L² contiene A(ξ), no una constante uno universal.

Resultado

El solapamiento conduce a equivalencia de normas.

Lo comprobamos

La cota inferior para N=2 es precisamente 1/2 en este ejemplo.

5. Una derivada cuesta frecuencia y la energía cuesta su cuadrado

Fourier convierte ∇ en multiplicación por iξ. En una banda alta, |ξ| es comparable a 2ʲ, así que ‖∇Δ_j f‖₂ es comparable a 2ʲ‖Δ_j f‖₂. Para una derivada concreta se tiene cota superior; en varias dimensiones no hay siempre cota inferior porque la frecuencia puede ser perpendicular a esa dirección.

La energía de una banda se multiplica por el cuadrado del peso de regularidad
Una norma diádica equivalente a H¹j=1energía 12²ʲ · energía = 4j=2energía 32²ʲ · energía = 48j=3energía 0.252²ʲ · energía = 16Ejemplo j=2: 16·3=48.Son términos ponderados, no igualdadescon una porción exacta de ‖f‖²H¹.
Para orden s uno, una banda j tiene término ponderado dos a la dos j por la norma L dos al cuadrado de ese bloque. Tres ejemplos algebraicos usan j uno con energía uno, j dos con energía tres y j tres con energía un cuarto, dando cuatro, cuarenta y ocho y dieciséis. No se afirma que sean una función completa ni que el H uno exacto sea la suma sin constantes: los cortes suaves definen una norma equivalente con solapamientos. La distinción entre norma y energía al cuadrado es esencial para el factor dieciséis del ejemplo central.

El peso Hˢ es (1+|ξ|²)^s. En las bandas altas es comparable a 2 elevado a 2js y en la baja a uno. Así \|f\|_{H^s}^2\asymp\|\Delta_0f\|_2^2+\sum_{j\ge1}2^{2js}\|\Delta_jf\|_2^2 para s real. El símbolo ≍ expresa dos desigualdades con constantes; no una identidad de energía exacta por bloque.

Calcular un término de orden uno

j=2 y ‖Δ₂f‖²₂=3.

  1. Peso de la norma

    2ʲˢ=2²=4 para s=1.
  2. Peso de la energía

    Al cuadrar aparece dieciséis.

  3. Término

    16·3=48.
Resultado

El término ponderado es 48.

Lo comprobamos

Multiplicar tres por cuatro confundiría norma con norma al cuadrado.

Una dirección puede no detectar la oscilación

En el toro bidimensional, el modo e elevado a 8ix₂.

  1. Dirección uno

    La derivada respecto de x₁ es cero.

  2. Dirección dos

    La derivada respecto de x₂ multiplica por 8i.

  3. Gradiente

    Su tamaño frecuencial es ocho, aunque una componente se anule.

Resultado

La cota inferior se afirma para el gradiente completo.

Lo comprobamos

Se usa un modo periódico para no tratar una onda pura como vector L² de toda R².

6. Bernstein convierte una banda limitada en una cota espacial

Si f̂ está soportada en una bola de radio C2ʲ, la inversión y Cauchy–Schwarz dan ‖f‖∞≤C′2 elevado a jn/2 por ‖f‖₂. El factor sale de la raíz del volumen de la bola. Las desigualdades de Bernstein más generales dan un factor 2 elevado a jn(1/p−1/q) para 1≤p≤q≤∞, bajo esa localización.

Al sumar bloques, ‖Δ_j f‖∞≤C2 elevado a jn/2 por ‖Δ_j f‖₂.

Insertamos el peso 2ʲˢ y usamos Cauchy–Schwarz en la suma.

La serie restante es Σ2 elevado a −2j(s−n/2), convergente si s>n/2.

Se obtiene el representante continuo acotado de Hˢ. En el extremo crítico esa serie no converge.

Leer el factor en dimensión dos

n=2 y j=3, de L² a L∞.

  1. Exponente

    jn/2=3·2/2=3.
  2. Potencia

    2³=8.
  3. Cota

    ‖f‖∞≤C′·8‖f‖₂, con la misma convención de bola.
Resultado

Una banda más alta permite más concentración espacial.

Lo comprobamos

La constante C′ depende del marco, no del bloque j elegido.

Comprobar la serie de inclusión

n=2 y s=2.

  1. Diferencia

    s−n/2=1.
  2. Serie

    Σ desde j=1 de 2⁻²ʲ=1/4+1/16+…=1/3.
  3. Crítico

    Si s=1, cada término de esa serie sería uno.

Resultado

La prueba distingue claramente s>n/2 del extremo.

Lo comprobamos

Que una serie del argumento diverja no permite afirmar continuidad para todos los datos críticos.

7. La versión L pe necesita un teorema adicional a Plancherel

Para 1<p<∞, Littlewood–Paley afirma ‖S(f)‖ₚ≍‖f‖ₚ.

La demostración L² anterior no basta cuando p cambia. Una vía usa Calderón–Zygmund vectorial; otra introduce signos aleatorios independientes ε_j=±1.

Los multiplicadores Σ ε_jφ_j tienen cotas uniformes de tipo Mihlin gracias al solapamiento y a las derivadas de los cortes. Khintchine compara el promedio de |Σ ε_j a_{j}|ᵖ con (Σ|a_{j}|²) elevado a p/2. La integración da una cota cuadrática. Para la inversa se usa dualidad y una familia de cortes compañeros que reconstruye la identidad.

En uno e infinito se necesitan formulaciones de Hardy o BMO.

Ver Khintchine exactamente cuando p es dos

Dos coeficientes reales a=3 y b=4.

  1. Signos

    Los cuatro valores ±3±4 son siete, −1, uno y −7.

  2. Cuadrados

    Son 49, uno, uno y 49.

  3. Promedio

    La media es 100/4=25=3²+4².
Resultado

La aleatoriedad elimina los términos cruzados en promedio.

Lo comprobamos

Para p distinto de dos, la comparación usa constantes y no esta igualdad exacta.

Construir la identidad usada en la cota inversa

A=Σφ_j² es positiva; usar cortes reales.

  1. Compañero

    Definimos el multiplicador compañero como φ_j/A.

  2. Producto

    Su producto con φ_j es φ_j²/A.

  3. Sumar

    La suma es A/A=1.
Resultado

Se reconstruye f a partir de pares de bloques.

Lo comprobamos

Las cotas de los compañeros también deben verificarse; el solapamiento y A≥c>0 lo permiten.

8. Besov y Triebel–Lizorkin cambian el orden de dos operaciones

Para s real y 1<p, q<∞, la norma Besov toma primero ‖Δ_j f‖ₚ en espacio, multiplica por 2ʲˢ y agrega la lista con norma ℓᑫ. Triebel–Lizorkin agrega primero en cada punto los valores 2ʲˢ|Δ_j f(x)| mediante ℓᑫ y después toma Lᵖ en espacio.

La posición de las concentraciones puede cambiar el resultado. Si p=q=2, Tonelli intercambia las dos sumas o integrales, y Bˢ₂,₂=Fˢ₂,₂=Hˢ con normas equivalentes. Para 1<p<∞, F⁰ con índices p,2 coincide con Lᵖ por el teorema anterior. No se concluye que todas las elecciones de p, q den el mismo espacio.

Un modelo discreto muestra que el orden importa

Espacio de dos puntos con medida uno cada uno. Dos listas son a₁=(1,0), a₂=(0,1); tomar p=4 y q=2, sin pesos.

  1. Primero espacio

    Cada lista tiene norma ℓ⁴ igual a uno. Agregar ambas en ℓ² da √2.

  2. Primero listas

    En cada punto la norma ℓ² es uno. La norma ℓ⁴ del resultado es 2 elevado a 1/4.

  3. Comparar

    √2 y la raíz cuarta de dos son diferentes.

Resultado

Es un ejemplo de normas mixtas, no una descomposición diádica concreta.

Lo comprobamos

Permite entender por qué el orden no se cambia sin una justificación.

Cuando ambos exponentes son dos

Dos bloques de energías integradas tres y cinco, con s=0.

  1. Sumar primero

    La integral de la suma de cuadrados es tres más cinco.

  2. Integrar primero

    La suma de las dos integrales también es ocho.

  3. Raíz

    Ambos órdenes dan √8.

Resultado

Tonelli justifica la igualdad de los órdenes para estos exponentes.

Lo comprobamos

La identificación con Hˢ sigue siendo equivalencia por los cortes suaves.

9. La versión homogénea pierde lo que está concentrado en frecuencia cero

Ahora usamos ψ(ξ)=χ(ξ)−χ(2ξ) y sus dilataciones para todos los j enteros, positivos y negativos.

Cubren todas las frecuencias ξ≠0.

La energía homogénea usa Σ sobre j∈Z de 2 elevado a 2js por ‖Δ̇_j f‖²₂, asociada al peso |ξ| elevado a 2s cuando la expresión está bien definida.

Cada corte anular es cero en una vecindad del origen. Anula todas las distribuciones de Fourier soportadas allí que proceden de polinomios. Por tanto los bloques homogéneos no distinguen dos distribuciones que difieran en un polinomio. Se trabaja módulo polinomios o se impone una condición adicional de bajas frecuencias y reconstrucción.

No aparece automáticamente una norma L² global.

La constante permite ver la pérdida

f=1 como distribución temperada en R.

  1. Fourier

    Su transformada está concentrada en ξ=0.
  2. Anillos

    Cada corte homogéneo se anula cerca de cero, así que todos sus bloques son cero.

  3. Inhomogéneo

    χ vale uno cerca de cero: el bloque bajo conserva la constante.

Resultado

El bloque bajo cambia la información retenida.

Lo comprobamos

La constante no es L² en toda R; el ejemplo se hace en distribuciones temperadas.

Las escalas negativas son grandes escalas espaciales

j=−3.

  1. Frecuencia

    2⁻³=1/8.
  2. Espacio

    La escala característica es 2³=8.
  3. Interpretación

    Estos bloques observan variaciones lentas que la lista j≥1 no separaba individualmente.

Resultado

Homogéneo incluye infinitas escalas hacia frecuencia cero.

Lo comprobamos

Hay que controlar su suma, no solo el comportamiento de j→+∞.

10. Multiplicar funciones mezcla las bandas de una manera distinta a sumarlas

Para datos muy regulares, por ejemplo Schwartz, expandir f y g genera productos Δ_j f·Δ_k g.

Se separan j≤k−3, k≤j−3 y |j−k|≤2.

Son bajo–alto, alto–bajo y escalas vecinas. Esta es la idea de la descomposición de Bony. El Fourier de un producto usa convolución: sus soportes se suman.

Si una frecuencia es mucho menor que otra, la suma sigue aproximadamente en la escala alta. Pero dos frecuencias altas opuestas pueden producir frecuencia cero. Las estimaciones no lineales analizan esas interacciones antes de sumar. Las normas diádicas permiten comprobar convergencia y distribuir regularidad entre factores; no garantizan cualquier producto de distribuciones.

Bajo con alto

En un modelo periódico, multiplicar e elevado a ix por e elevado a 16ix.

  1. Sumar fases

    El producto es e elevado a 17ix.

  2. Comparar

    Diecisiete sigue siendo comparable a dieciséis.

  3. Escala

    La interacción conserva aproximadamente la frecuencia alta.

Resultado

Los soportes de Fourier del producto se suman.

Lo comprobamos

No se multiplican sus frecuencias dando dieciséis como regla general.

Alto con alto puede crear una constante

En el mismo modelo periódico, cos(Nx)².

  1. Dos signos

    cos(Nx)=(e elevado a iNx+e elevado a −iNx)/2.
  2. Multiplicar

    Los términos cruzados tienen frecuencia N−N=0.
  3. Resultado

    cos(Nx)²=(1+cos(2Nx))/2.
Resultado

El producto incluye una frecuencia baja aunque ambos factores oscilen rápido.

Lo comprobamos

El modelo es periódico; no se han presentado cosenos puros como funciones de Schwartz en toda la recta.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Leer una escala

Si j=3, ¿cuál es la frecuencia característica 2ʲ?

  1. Identificar

    j es el índice diádico, no la frecuencia misma.

  2. Fórmula

    La frecuencia característica es 2ʲ.

  3. Sustituir

    Para j=3, calculamos 2³.
  4. Multiplicar

    2·2·2=8.
  5. Interpretar

    La banda está alrededor de ocho y tiene escala espacial comparable a 1/8.

  6. Precisar

    No retiene exclusivamente ξ=8: bajo este corte puede ocupar 4≤|ξ|≤16.

Resultado

La escala característica es 8.

Lo comprobamos

El soporte es una banda, con constantes de comparación.

EJEMPLO RESUELTO 2

Ponderación H¹

Un bloque j=2 tiene energía L² al cuadrado igual a 3. Calcula su término ponderado homogéneo H¹.

  1. Leer el dato

    Tres es la norma L² al cuadrado del bloque j=2.
  2. Orden

    H¹ corresponde a s=1.
  3. Peso de energía

    La expresión homogénea usa 2 elevado a 2js.

  4. Sustituir

    2 elevado a 2·2·1 es 2⁴=16.
  5. Multiplicar

    El término ponderado es 16·3=48.
  6. Comprobar

    Se pondera energía, no norma. Es un término de una norma diádica equivalente, sin igualdad universal con una porción exacta de la norma de Fourier.

Resultado

La contribución es 48.

Lo comprobamos

No se ha confundido norma con norma al cuadrado.

Los símbolos que hemos usado

f̂(ξ)
Fourier unitaria con exponencial e^−ix·ξ; derivar en x multiplica por iξ.
χ(ξ)
Corte suave radial, no creciente en |ξ|, igual a uno si |ξ|≤1 y cero si |ξ|≥2.
Δⱼf
Bloque obtenido multiplicando f̂ por un corte de frecuencia de escala 2ʲ; Δ₀ será el bloque bajo inhomogéneo.
S(f)
Función cuadrática (Σ|Δⱼf|²)^1/2, calculada punto a punto.
A≍B
Dos cantidades no negativas se acotan mutuamente con constantes positivas independientes del dato.
Bˢ_p,q, Fˢ_p,q
Espacios de Besov y Triebel–Lizorkin: difieren en el orden de tomar la norma espacial y la norma sobre escalas.
S′/P
Distribuciones temperadas consideradas módulo polinomios, una forma de tratar la ambigüedad homogénea.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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