LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện và hoàn thành tại trường Đại học sư
phạm Hà Nội 2 dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Trịnh Tuân, người
thầy đã hướng dẫn và truyền cho tác giả những kinh nghiệm quý báu
trong học tập và nghiên cứu khoa học. Thầy luôn động viên và khích
lệ để tác giả vươn lên trong học tập, vượt qua những khó khăn trong
chuyên môn. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn, lòng kính trọng sâu sắc
nhất đối với thầy.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2, phòng Đào tạo sau đại học, các thầy cô giáo trong nhà
trường và các thầy cô giáo dạy cao học chuyên ngành Toán giải tích đã
giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập.
Tác giả xin chân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo,
bạn bè đồng nghiệp trường THPT Tam Nông, Phú Thọ đã quan tâm,
động viên và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành khóa học Thạc sĩ và
hoàn thành luận văn này.
Hà Nội , ngày 20 tháng 8 năm 2012
Tác giả
Nguyễn Thị Thanh Hòa
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi
dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Trịnh Tuân.
Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện
luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn
đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 20 tháng 8 năm 2012
Tác giả
Nguyễn Thị Thanh Hòa
ii
Mục lục

−1
: Phép biến đổi Fourier ngược
F
s
: Phép biến đổi Fourier sine
F
−1
s
: Phép biến đổi Fourier sine ngược
F
c
: Phép biến đổi Fourier cosine
F
−1
c
: Phép biến đổi Fourier cosine ngược
K : Phép biến đổi Kontorovich-Lebedev
K
−1
: Phép biến đổi Kontorovich-Lebedev ngược
L : Phép biến đổi Laplace
L
−1
: Phép biến đổi Laplace ngược
(f ∗ g) : Tích chập của hai hàm f và g
(f
γ
∗ g) : Tích chập có hàm trọng của hai hàm f và g
L
1


0
|f(x)|
p
x
α
e
−βx
dx

1
p
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Phép biến đổi tích phân được ra đời từ rất sớm và đóng vai trò
quan trọng trong toán học cũng như trong nhiều lĩnh vực khoa học khác,
đặc biệt trong việc giải các giải các bài toán với điều kiện ban đầu và
điều kiện biên của phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng,
phương trình tích phân và các bài toán của vật lý toán. Phép biến đổi
tích phân đầu tiên là phép biến đổi Fourier được khai sinh bởi nhà toán
học và vật lý nổi tiếng người Pháp là Josepl Fourier (1768-1830), tiếp
theo là sự ra đời của các phép biến đổi Laplace, Melin, Hankel
Từ những năm đầu của thế kỉ 20 đã xuất hiện một hướng nghiên
cứu mới là xây dựng tích chập đối với các phép biến đổi tích phân và
ứng dụng. Lịch sử của hướng nghiên cứu này có thể tính bằng các mốc
thời gian chính như sau
Từ những năm 1951 trở về trước đó đã xây dựng được tích chập
đối với các phép biến đổi tích phân Fourier, Laplace, Melin (xem[11]).
Đến năm 1951 lần đầu tiên nhà toán học người Mỹ I.N Sneddon đã xây
dựng được tích chập suy rộng đầu tiên đối với phép biến đổi Fourier

Laplace cũng ra đời rất sớm. Tích chập của phép biến đổi tích phân
Laplace cũng đã được xây dựng (xem [11], [12])
(f ∗
L
g)(x) =
x

0
f(x −t)g(t)dt, x > 0
Tích chập này thoả mãn đẳng thức nhân tử hoá
L(f ∗
L
g)(y) = (Lf )(y).(Lg)(y).
Cho đến thời điểm hiện nay vẫn chưa có một kết quả nào công bố về
tích chập suy rộng đối với phép biến đổi Laplace ngoài tích chập cổ điển
đã nêu ra ở trên
Theo hướng nghiên cứu đó với mong muốn được tiếp tục được tìm
hiểu tích chập suy rộng của các phép biến đổi tích phân, dưới sự hướng
dẫn của TS. Trịnh Tuân tôi đã chọn đề tài
“Tích chập suy rộng với hàm trọng đối với phép biến đổi
tích phân Laplace và ứng dụng ”.
Luận văn được trình bày trong 52 trang A4 ngoài phần mở đầu.
Luận văn được chia thành 3 chương
Chương 1: Trình bày tóm tắt một số kiến thức của các phép biến đổi
tích phân Fourier sine, Fourier cosine, Laplace. Tích chập của các phép
biến đổi tích phân đó và sơ đồ tích chập suy rộng có ví dụ minh họa
Chương 2 và chương 3 là nội dung chính của luận văn. Trong chương
2 trình bày về tích chập suy rộng với hàm trọng đối với phép biến đổi
Laplace và nghiên cứu các tính chất của tích chập suy rộng này.
3

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tích chập suy rộng với hàm trọng đối với phép biến
đổi tích phân Laplace bao gồm định nghĩa, đẳng thức nhân tử hoá, tính
chất và ứng dụng của tích chập này vào việc giải đóng phương trình và
hệ phương trình tích phân dạng chập.
5. Phương pháp nghiên cứu
+ Sử dụng lý thuyết tích chập và tích chập suy rộng đối với các
phép biến đổi tích phân.
+ Sử dụng một số công cụ của giải tích hàm như các không gian
hàm, lý thuyết toán tử.
6.Đóng góp mới
Luận văn trình bày một cách có hệ thống về tích chập suy rộng với
hàm trọng đối với phép biến đổi tích phân Laplace và ứng dụng của tích
chập suy rộng mới để giải đóng phương trình tích phân và hệ phương
trình tích phân dạng chập.
Chương 1
MỘT SỐ KIẾN THỨC CHUẨN BỊ
Trong chương này chúng tôi trình bày một cách tóm tắt lại một số
kiến thức về các phép biến đổi tích phân Fourier, Fourier sine, Fourier
cosine và Laplace, tích chập và tích chập suy rộng của các phép biến đổi
nói trên. Đặc biệt là sơ đồ kiến thiết tích chập và tích chập suy rộng có
hàm trọng. Sau mỗi sơ đồ đó chúng tôi đều nêu một số tích chập, tích
chập suy rộng làm ví dụ minh hoạ và các tích chập này còn dùng để
nghiên cứu ở chương 2, chương 3.
Nội dung chính của chương này được dựa vào các tài liệu [2], [4],
[6], [7], [8],[11].
1.1. Một số phép biến đổi tích phân và tính chất
1.1.1. Phép biến đổi Fourier, Fourier sine và Fourier cosine
Định nghĩa 1.1.1. (Xem[5], [11]). Phép biến đổi Fourier của hàm
f ∈ L

+∞

−∞
e
ixy

f (y) dy x ∈ R (1.2)
Nhận xét 1.1. Vì


e
±iyx


= 1 và f ∈ L
1
(R
+
) nên tích phân (1.1), (1.2)
hội tụ với mỗi x ∈ R
F, F
−1
là các toán tử tuyến tính
Định nghĩa 1.1.2. (Xem [5], [11]). Phép biến đổi Fourier cosine (F
c
)
của một hàm f thuộc L
1
(R
+

f(y)dy, x > 0 (1.4)
Định nghĩa 1.1.3. (Xem [5],[11]). Phép biến đổi Fourier sine (F
s
) của
một hàm f thuộc L
1
(R
+
) là một hàm và được xác định bởi công thức.

f(x) = (F
s
f)(x) =

2
π
∞

0
sinxy.f (y)dy, x > 0 (1.5)
Phép biến đổi Fourier sine ngược (F
−1
s
) của một hàm được xác định bởi
công thức
(F
−1
s

f)(x) =

√
2π
+∞

0
f(ξ)[g(x + ξ) + g(|x −ξ|)]dξ
Hay
+∞

0
{(F
c
f)(F
c
g)}(y)cos(xy)dy =
1
2
+∞

0
f(ξ)[g(x + ξ) + g(|x −ξ|)]dξ
Chứng minh. Ta có
F
−1
c
{(F
c
f)(F
c
g)}(x) =

+∞

0
f(ξ)dξ
+∞

0
cos(xy)cos(yξ)(F
c
g)(y)dy
=
1
2

2
π
+∞

0
f(ξ)dξ


2
π
+∞

0
cos(y(x + ξ))(F
c
g)(y)dy

c
g)}(x) =
1
√
2π
+∞

0
f(ξ)[g(x + ξ) + g(|x −ξ|)]dξ (1.8)
Từ (1.7), (1.8) ta có
+∞

0
{(F
c
f)(F
c
g)}(y)cos(xy)dy =
1
2
+∞

0
f(ξ)[g(x + ξ) + g(|x −ξ|)]dξ
8
Định lý 1.1.2. (Xem [5]). Nếu f(x) và g(x) ∈ L
1
(R
+
) thì

Định lý (1.1.2) ta chứng minh tương tự như định lý (1.1.1)
1.1.2. Phép biến đổi Laplace
Định nghĩa 1.1.4. (Xem [4) Giả sử với mỗi hàm f(t) là hàm phức của
biến số thực t sao cho tích phân
+∞

0
f(t)e
−st
dt hội tụ ít nhất với một số
phức s = a + ib. Hàm F được xác định bởi công thức sau
F (s) =
+∞

0
f(t)e
−st
dt (1.9)
Khi đó F (s) được gọi là phép biến đổi Laplace của hàm f(t) ( Hay gọi
là ảnh của phép biến đổi Laplace của hàm f(t))
Ví dụ 1.1.1. Cho hàm f(t) = e
at
. Khi đó
F (s) =
+∞

0
f(t)e
−st
dt =

dt hội tụ với mọi s = a + ib có
Res > p
0
9
Định lý 1.1.4. (Xem [4]).(Tính giải tích của phép biến đổi Laplace)
Nếu biến đổi Laplace F (s) của hàm gốc f(t) với chỉ số tăng p
0
thì hàm
F (s) là hàm giải tích trong nửa mặt phẳng Res > p
0
Định lý 1.1.5. (Xem[4]).(Mellin) Cho hàm f(t) là hàm gốc với chỉ số
tăng p
0
và F (s) là ảnh của nó. Khi đó tại mọi điểm t mà f(t) liên tục,
hàm f(t) được biểu diễn theo công thức
f(t) =
1
2πi
a+i∞

a−i∞
e
st
F (s)ds = lim
b→∞
1
2πi
a+ib

a−ib

K(f ∗ g)(y) = (Kf)(y)(Kg)(y)
10
Khi đó U(X) cùng với phép nhân chập như trên xác định một đại số
Cho đến nay hầu hết các phép biến đổi tích phân đã được xây dựng
tích chập chẳng hạn như phép biến đổi Fourier, phép biến đổi Fourier
sine, phép biến đổi Fourier cosine, phép biến đổi Hilbert, phép biến đổi
Stieltjes, phép biến đổi Laplace, phép biến đổi Mellin, phép biến đổi
Kontorovich-Lebedev,
Ví dụ 1.2.1. (Xem[11). Cho f, g ∈ L
1
(R
+
). Tích chập đối với phép biến
đổi tích phân Fourier cosine (1.3) của hai hàm f và g kí hiệu

f ∗ g
F
c

(x),
được xác định bởi công thức

f ∗ g
F
c

(x) =
1
√
2π

f ∗ g
L

(x) =
x

0
f(x −y)g(y)dy, x > 0 (1.12)
Tích chập này giao hoán được và thuộc không gian L
1
(R
+
), đồng thời
thoả mãn đẳng thức nhân tử hóa
L

f ∗ g
L

(y) = (Lf)(y)(Lg)(y), y > 0 (1.13)
Tuy nhiên trước những năm 50 của thế kỉ trước, các tích chập đã
được biết đến là các tích chập không có hàm trọng. Đến năm 1967, V.A.
Kakichev đã đưa ra phương pháp kiến thiết tích chập đối với phép biến
đổi tích phân K với hàm trọng γ(y), kí hiệu

γ
f ∗ g

và thoả mãn đẳng
11

2π
∞

0
f(x)[g(x + 1 + t) + sign(x + 1 −t)g(|x + 1 −t|)]
+ sign(x −1 + t)g(|x −1 + t|) + sign(x −1 −t)g(|x −1 −t|)]dt, x > 0
(1.14)
Tích chập (1.14) thuộc không gian L
1
(R
+
) và thoả mãn đẳng thức
nhân tử hóa
F
s

γ
1
f ∗ g
F
s

(y) = siny(F
s
f)(y)(F
s
g)(y), y > 0 (1.15)
Chú ý rằng cho đến nay tích chập đối với phép biến đổi tích phân
Fourier sine của hai hàm f và g vẫn chưa được xây dựng khi không có
hàm trọng γ(y) tham gia vào.

(R
+
) và thỏa mãn đẳng thức nhân
tử hóa
F
c

γ
2
f ∗ g
F
c

(y) = cosy(F
c
f)(y)(F
c
g)(y), y > 0 (1.17)
12
Các tích chập (1.10), (1.12), (1.14), (1.16) đều có một đặc điểm
chung là trong đẳng thức nhân tử hóa chỉ có một phép biến đổi tích phân
tham gia . Do đó các tích chập này không phải là các tích chập suy rộng,
điều đó ít nhiều làm hạn chế ứng dụng của nó. Năm 1998, V.A.Kakichev
và Nguyễn Xuân Thảo đã xây dựng được sơ đồ kiến thiết tổng quát nhất
của tích chập suy rộng với hàm trọng đối với ba phép biến đổi tích phân
bất kì(xem[8]). Trong phần tiếp theo chúng tôi sẽ trình bày một số tích
chập suy rộng như những ví dụ minh hoạ cho sơ đồ tích chập suy rộng
(1.18) đồng thời các tích chập này còn được sử dụng trong chương 2,
chương 3.
1.2.2. Tích chập suy rộng với hàm trọng đối với các phép biến

j
)dx
j
∈ V (Y )
Ở đó U
j
(X
j
) là các không gian tuyến tính, V(Y) là đại số
Định nghĩa 1.2.2. Tích chập tổng quát đối với các phép biến đổi tích
phân K
1
, K
2
, K
3
với hàm trọng γ
1
của hai hàm f và g là biểu thức

f
γ
1
∗
g

sao cho thỏa mãn:
K
1


g

(y) = γ
2
(y)(K
1
f)(y)(K
3
g)(y) (1.19)

f
γ
3
∗
g

thỏa mãn đẳng thức nhân tử hóa
K
3

f
γ
3
∗
g

(y) = γ
3
(y)(K
1


f
γ
2
∗
g

thỏa mãn đẳng thức nhân tử hóa
K
1

γ
2
f ∗ g

(y) = γ
2
(y)K
1
f)(y)(K
3
g)(y)

f
γ
3
∗
g

, thỏa mãn đẳng thức nhân tử hóa

1

f
γ
∗
g

(y) = γ(y)(K
1
f)(y)(K
1
g)(y)
Tổng số có 24 tích chập tổng quát và 3 tích chập (chưa kể đến các hàm
trọng). Để minh họa cho các sơ đồ về tích chập suy rộng với hàm trọng
đối với các phép biến đổi tích phân khác nhau sau đây ta xét một số ví
dụ:
Ví dụ 1.2.5. (Xem[8])Cho f, g ∈ L
1
(R
+
) . Tích chập suy rộng đối với
phép biến đổi tích phân Fourier cosine (F
c
) (1.3) và Fourier sine (F
s
)
14
(1.5) của hai hàm f và g, kí hiệu (f ∗ g
2
), được xác định bởi công thức

, K
2
= K
3
= F
s
, γ = 1
Trong những năm gần đây nhờ kĩ thuật [8] cũng đã có một số kết
quả công bố trên các tạp chí trong nước và quốc tế về tích chập suy
rộng đối với các phép biến đổi tích phân Fourier sine, Fourier cosine và
Kontorovich-Lebedev (xem [12], [13, [14], [15], [16] )
Nhận xét 1.3. Các tích chập suy rộng (1.20) và trong các kết quả [12],
[13, [14], [15], [16] hoàn toàn khác biệt rõ ràng so với các tích chập (1.10),
(1.12), (1.14) ở chỗ là trong đẳng thức nhân tử hoá của chúng có nhiều
phép biến đổi tích phân tham gia. Các tích chập này không có tính chất
giao hoán và kết hợp.
Trong quá trình làm luận văn chúng tôi sử dụng thêm tích chập
suy rộng đối với phép biến đổi Fourier sine và Fourier cosine. Đây cũng
chính là tích chập suy rộng đầu tiên được I.N. Sneddon công bố năm
1951 (xem [11]).
Ví dụ 1.2.6. (Xem [11]). Cho f, g ∈ L
1
(R
+
). Tích chập suy rộng đối
phép biến đổi tích phân Fourier sine (F
s
)(1.5) và Fourier cosine (F
c
) (1.3)

) và thỏa mãn đẳng thức
nhân tử hóa
F
s
(f ∗ g
1
)(y) = (F
s
f)(y)(F
c
g)(y), ∀y > 0 (1.24)
16
KẾT LUẬN CHƯƠNG I
Trong chương 1 chúng tôi đã trình bày một số kiến thức của các
phép biến đổi tích phân dùng trong luận văn đó là phép biến đổi tích
phân Fourier sine, Fourier cosine, Laplace, sơ đồ xây dựng tích chập với
hàm trọng và tích chập suy rộng với hàm trọng của các phép biến đổi
tích phân. Đồng thời trình bày một số ví dụ về tích chập và tích chập
suy rộng liên quan đến các phép biến đổi tích phân này. Qua đó chúng
tôi cũng muốn nhấn mạnh sự khác biệt rõ ràng giữa tích chập và tích
chập suy rộng.
Chương 2
Tích chập suy rộng với hàm trọng
đối với phép biến đổi tích phân
Laplace
Sử dụng kĩ thuật xây dựng tích chập suy rộng với hàm trọng của 3
phép biến đổi tích phân K
1
, K
2

(R) là một không gian định chuẩn với chuẩn được xác định :
f
L
1
(R)
=
+∞

−∞
|f(x)|dx
• L
1
(R
+
) là tập hợp tất cả các hàm f xác định trên (0; +∞) sao cho
+∞

0
|f (x)|dx < +∞. Và L
1
(R
+
) là một không gian định chuẩn với
chuẩn được xác định : f
L
1
(R
+
)
=

|f(x)|
p
dx

1
p
• L
p
(R
+
, e
ax
) là tập hợp tất cả các hàm f xác định trên (0; +∞) sao
cho
+∞

0
|f (x)|
p
.e
ax
dx < +∞, p  1 và L
p
(R
+
, e
ax
) là một không gian
định chuẩn với chuẩn được xác định : f 
L

r
.x
α
e
−βx
dx < +∞, r  1, β  0, α > −1 và L
α,β
r
(R
+
) là
không gian định chuẩn với chuẩn được xác định :
f
L
α,β
r
(R
+
)
=

+∞

0
|f (x)|
r
.x
α
e
−βx

+ (x −1 −u)
2
+
ν + µ
(ν + µ)
2
+ (x −1 + u)
2

−

ν + µ
(ν + µ)
2
+ (x + 1 −u)
2
+
ν + µ
(ν + µ)
2
+ (x + 1 + u)
2

f(u)g(ν)dudν, x > 0
(2.1)
Định nghĩa 2.2.2. (Xem [15]). Tích chập suy rộng với hàm trọng
γ(y) = e
−µy
siny, µ > 0 của hai hàm f và g đối với phép biến đổi tích
phân Fourier cosine và Laplace được xác định như sau

+ (x + 1 −u)
2
−
ν + µ
(ν + µ)
2
+ (x + 1 + u)
2

f(u)g(ν)dudν, x > 0
(2.2)
2.2.2. Các đẳng thức nhân tử hóa
Định lý 2.2.1. (Xem [15]) Giả sử f (x) và g(x) là hai hàm thuộc không
gian L
1
(R
+
). Khi đó tích chập suy rộng
γ
(f ∗ g)
(1)
thuộc L
1
(R
+
) và thoả
mãn đẳng thức nhân tử hóa
(F
s
γ

)
Hơn nữa, tích chập suy rộng
γ
(f ∗ g)
(1)
thuộc C
0
(R
+
) và thỏa mãn đẳng
thức Parseval’s
γ
(f ∗ g)
(1)
(x) =

2
π
∞

0
(F
c
f)(y)(Lg)(y)e
−µy
sinysinxydy (2.4)
Chứng minh. Đặt
θ
1
(x, u, ν) = [

(ν + µ)
2
+ (x −1 −u)
2




1
ν + µ

1
µ
Do đó
θ
1
(x, u, ν)| 
4
µ
(2.5)
Từ đó suy ra
|
γ
(f ∗ g)
(1)
(x)| 
2
πµ



)
. g
L
1
(R
+
)
(2.6)
Vậy tích chập (2.1) tồn tại