<?xml version="1.0"?>

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.1 plus MathML 2.0//EN"

"http://www.w3.org/TR/MathML2/dtd/xhtml-math11-f.dtd">

<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml"

xmlns:math="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"

xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">

<head>

<title>Interpolation</title>
<link rel="stylesheet" type="text/css" href="../makotosite.css" />

</head>

<body>

<div class="header">

<p> <a href="../index.html">makotosite</a> : <a href="index.html">

Operator theory seminars</a> : Interpolation</p>

</div>



<h1>Interpolation</h1>



<p> Let <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>X</mi>



</math> be a measurable space, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&mu;</mi>



</math> a measure on <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>X</mi>



</math>. Let

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>k</mi>

<mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>

</math> be a function on <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>X</mi> <mn>2</mn></msup>



</math> satisfying the following

conditions: <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML' display='block'>

<msub><mi>M</mi> <mn>1</mn></msub>

<mo>=</mo><msub><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">sup</mo> <mi>x</mi></msub><mi>&mu;</mi><mo>(</mo><mo>|</mo><mi>k</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mo lspace="thinthinmathspace" rspace="0em">-</mo><mo>)</mo><mo>|</mo><mo>)</mo><mi>&lt;</mi><mn>&infin;</mn><mo>,</mo><msub><mi>M</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">sup</mo> <mi>y</mi></msub><mi>&mu;</mi><mo>(</mo><mo>|</mo><mi>k</mi><mo>(</mo><mo lspace="thinthinmathspace" rspace="0em">-</mo><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>)</mo><mo>|</mo><mo>)</mo><mi>&lt;</mi><mn>&infin;</mn>

</math> Consider the operator <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>Tf</mi>

<mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>=</mo><msub><mo>&Integral;</mo> <mrow><mi>X</mi>

</mrow></msub><mi>k</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>)</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo><mi>&mu;</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>

</math>. Then by Fubini's theorem <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>TF</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>1</mn></msub><mo>&leq;</mo><msub><mi>M</mi> <mn>2</mn></msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>f</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>1</mn></msub>

</math> for <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>f</mi>

<mo>&Element;</mo><msup><mi>L</mi> <mn>1</mn></msup><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>,</mo><mi>&mu;</mi><mo>)</mo>

</math>. On the otther hand, we have

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>Tf</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>&infin;</mn></msub><mo>&leq;</mo><msub><mi>M</mi> <mn>1</mn></msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>f</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>&infin;</mn></msub>

</math>. Put <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>S</mi> <mi>z</mi></msub>

<mo>=</mo><msubsup><mi>M</mi> <mn>2</mn> <mrow><mi>z</mi>

<mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup><msubsup><mi>M</mi> <mn>1</mn> <mrow><mo lspace="thinthinmathspace" rspace="0em">-</mo>

<mi>z</mi></mrow></msubsup><mi>T</mi>

</math>. Then <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>S</mi> <mi>z</mi></msub>



</math> is holomorphic in <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>z</mi>



</math> and becomes a

contraction for <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mn>1</mn>



</math>-norm when <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&Re;</mo>

<mi>z</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>

</math>, for <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mn>&infin;</mn>



</math>-norm when

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&Re;</mo>

<mi>z</mi><mo>=</mo><mn>1</mn>

</math>.</p>



<p> Put <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>E</mi>



</math> be the quotient of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>&Lscr;</mi> <mn>1</mn></msup>

<mo>(</mo><mi>X</mi><mo>,</mo><mi>&mu;</mi><mo>)</mo><mo>&cap;</mo><msup><mi>&Lscr;</mi> <mn>&infin;</mn></msup><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>,</mo><mi>&mu;</mi><mo>)</mo>

</math> by the almost everywhere equality

relation, endowed with the norm <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>f</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mo>+</mo></msub><mo>=</mo><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">inf</mo><mo>(</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>g</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>h</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>&infin;</mn></msub><mo>:</mo><mi>f</mi><mo>=</mo><mi>g</mi><mo>+</mo><mi>h</mi><mo>)</mo>

</math>. Let <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>F</mi>

<mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo>

</math> denote the space of

holomorphic functions of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&Gamma;</mi>

<mo>=</mo><mo>{</mo><mn>0</mn><mo>&leq;</mo><mo>&Im;</mo><mi>z</mi><mo>&leq;</mo><mn>1</mn><mo>}</mo>

</math> into

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>E</mi>



</math>, bounded for the <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>+</mo>



</math>-norm. For each <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>f</mi>

<mo>&Element;</mo><mi>F</mi><mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo>

</math>, put <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>f</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>=</mo><msub><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">sup</mo> <mi>y</mi></msub><mo>(</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>iy</mi><mo>)</mo><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>iy</mi><mo>)</mo><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>&infin;</mn></msub><mo>)</mo>

</math>. This determins a norm by

the maximal value principle. The subset <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>K</mi> <mi>t</mi></msub>

<mo>=</mo><mo>{</mo><mi>f</mi><mo>&Element;</mo><mi>F</mi><mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo><mo>:</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>}</mo>

</math> is closed. Let <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>S</mi> <mi>z</mi></msub>



</math> act on <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>F</mi>

<mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo>

</math> by <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>(</mo>

<msub><mi>S</mi> <mi>zf</mi></msub><mo>)</mo><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo><mo>=</mo><msub><mi>S</mi> <mi>zf</mi></msub><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo>

</math>.

Then this becomes a contraction and preserves <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>K</mi> <mi>t</mi></msub>



</math>. Hence <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>S</mi> <mi>z</mi></msub>



</math>

induces a contraction <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mi>M</mi> <mi>x</mi> <mrow><mi>t</mi>

<mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup>

<msubsup><mi>M</mi> <mn>1</mn> <mi>tT</mi></msubsup>

</math> on the qotient <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>E</mi> <mi>t</mi></msub>

<mo>=</mo><mi>F</mi><mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo><mo>/</mo><msub><mi>K</mi> <mi>t</mi></msub>

</math>.</p>



<p> It remains to show that <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>E</mi>

<mo>+</mo><mi>t</mi><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">simeq</mo><msup><mi>L</mi> <mi>p</mi></msup><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>,</mo><mi>&mu;</mi><mo>)</mo>

</math> for <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>p</mi>

<mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn>

</mrow><mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac>

</math>. Let <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&phi;</mi>



</math> be a positive simple function on <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>X</mi>



</math>.

Put <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>f</mi> <mi>z</mi></msub>

<mo>=</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&phi;</mi><msubsup><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>p</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mi>p</mi><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><msup><mi>&phi;</mi> <mrow><mi>p</mi>

<mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow></msup>

</math>. We have

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<msub><mi>f</mi> <mi>z</mi></msub><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&phi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>p</mi></msub>

</math> when <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&Re;</mo>

<mi>z</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>

</math>, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<msub><mi>f</mi> <mi>z</mi></msub><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>&infin;</mn></msub><mo>=</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&phi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>p</mi></msub>

</math> when <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&Re;</mo>

<mi>z</mi><mo>=</mo><mn>1</mn>

</math> and <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>f</mi> <mi>t</mi></msub>

<mo>=</mo><mi>&phi;</mi>

</math>, hence <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>&phi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>t</mi></msub><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&phi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>p</mi></msub>

</math>.</p>



<p> Conversely, let <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>f</mi>



</math> be an element of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>F</mi>

<mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo>

</math> satisfying <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>f</mi> <mi>t</mi></msub>

<mo>=</mo><mi>&phi;</mi>

</math>, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&psi;</mi>



</math> an <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>L</mi> <mi>q</mi></msup>



</math>-function for <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>p</mi> <mrow><mo lspace="thinthinmathspace" rspace="0em">-</mo>

<mo>`</mo></mrow></msup>

<mo>+</mo><msup><mi>q</mi> <mrow><mo lspace="thinthinmathspace" rspace="0em">-</mo>

<mn>1</mn></mrow></msup><mo>=</mo><mn>1</mn>

</math>. Put <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>g</mi> <mi>z</mi></msub>

<mo>=</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&psi;</mi><msubsup><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>q</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mi>qz</mi></mrow></msubsup><msup><mi>&psi;</mi> <mrow><mi>qz</mi>

</mrow></msup>

</math>. <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>g</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mi>z</mi></mrow></msub>



</math> is in <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>F</mi>

<mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo>

</math>. When

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&Re;</mo>

<mi>z</mi><mo>=</mo><mi>r</mi>

</math>, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>f</mi> <mi>z</mi></msub>



</math> is of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>L</mi> <mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn>

</mrow><mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac>

</mrow></msup>



</math>-class while <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>g</mi> <mi>z</mi></msub>



</math> is

of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>L</mi> <mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn>

</mrow><mrow><mi>r</mi>

</mrow></mfrac>

</mrow></msup>



</math>-class. Thus <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>H</mi>

<mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo><mo>=</mo><msub><mo>&Integral;</mo> <mrow><mi>X</mi>

</mrow></msub><msub><mi>f</mi> <mi>zg</mi></msub><msub><mo></mo><mi>zd</mi></msub><mi>&mu;</mi>

</math> is

finite and holomorphic in <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>z</mi>



</math>. By the maximal value princple,

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>|</mo>

<mi>H</mi><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo><mo>|</mo><mi>&lt;</mi><msub><mo lspace="0em" rspace="thinmathspace">sup</mo> <mi>y</mi></msub><mo>(</mo><mo>|</mo><mi>H</mi><mo>(</mo><mi>iy</mi><mo>)</mo><mo>|</mo><mo>,</mo><mo>|</mo><mi>H</mi><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>iy</mi><mo>)</mo><mo>|</mo><mo>)</mo>

</math>. By <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>|</mo>

<mi>H</mi><mo>(</mo><mi>iy</mi><mo>)</mo><mo>|</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msub><mi>f</mi> <mrow><mi>iy</mi>

</mrow></msub><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>1</mn></msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msub><mi>g</mi> <mrow><mi>iy</mi>

</mrow></msub><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>&infin;</mn></msub>

</math> and <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>|</mo>

<mi>H</mi><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>iy</mi><mo>)</mo><mo>|</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msub><mi>f</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>+</mo><mi>iy</mi></mrow></msub><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mrow><mn>&infin;</mn>

</mrow></msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msub><mi>g</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>+</mo><mi>iy</mi></mrow></msub><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mn>1</mn></msub>

</math>, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>|</mo>

<mi>H</mi><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo><mo>|</mo>

</math> is bounded by

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<msub><mi>f</mi> <mi>z</mi></msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&sdot;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><msub><mi>g</mi> <mrow><mn>1</mn>

<mo>-</mo><mi>z</mi></mrow></msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>=</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&phi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>p</mi></msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&psi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>q</mi></msub>

</math>. Hence <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&phi;</mi>

<mo>=</mo><msub><mi>f</mi> <mi>t</mi></msub>

</math> is of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>L</mi> <mi>p</mi></msup>



</math> function with norm less than <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>f</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

</math>. This proves

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

<mi>&phi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>p</mi></msub><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>&phi;</mi><msub><mo>&DoubleVerticalBar;</mo> <mi>t</mi></msub>

</math>.</p>



<div class="footer">

<p id="authoranddate">This document was written by <a

href="mailto:makotoy@ms.u-tokyo.ac.jp">Yamashita Makoto</a><br />

 Last update: 2006-07-15.</p>

</div>

</body>

</html>




