Problemscn
  1. 对任意整数 k0k \geq 0, 定义 C0(R)C_0^\infty (\mathbb{R}) 上的线性泛函:
    δ(k),φ=(1)kφ(k)(0),\langle \delta^{(k)}, \varphi \rangle = (-1)^k \varphi^{(k)}(0),
    其中 φ(k)\varphi^{(k)} 指的是求 kk 次导数. 证明, 这定义了 R\mathbb{R} 上的分布并且其阶恰好为 kk.

  2. 定义 C0(R)C_0^\infty (\mathbb{R}) 上的线性泛函:
    u,φ=k=0φ(k)(0).\langle u, \varphi \rangle = \sum_{k=0}^{\infty} \varphi^{(k)}(0).
    证明, 这定义了 R\mathbb{R} 上的分布然而我们不能定义它的阶.

  3. 证明, vp1x\text{vp} \, \frac{1}{x} 的阶为 1.

  4. 证明, 如果试验函数 φC0(R)\varphi \in C_0^\infty (\mathbb{R}) 满足 φ(0)=0\varphi(0) = 0, 那么
    vp1x,φ=Rφ(x)φ(0)xdx.\left\langle \text{vp} \, \frac{1}{x}, \varphi \right\rangle = \int_{\mathbb{R}} \frac{\varphi(x) - \varphi(0)}{x} \, dx.

  5. 证明, R>0\mathbb{R}_{>0} 上的函数
    f(x)=e1x1(0,+)(x)f(x) = e^{\frac{1}{x}} \mathbf{1}_{(0,+\infty)}(x)
    不能延拓为 R\mathbb{R} 上的一个分布, 即不存在 uD(R)u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}), 使得对任意的 φD((0,))\varphi \in \mathcal{D}((0, \infty)), 我们都有
    u,φ=01xφ(x)dx.\langle u, \varphi \rangle = \int_0^{\infty} \frac{1}{x} \varphi(x) \, dx.

  6. 对任意的 ε>0\varepsilon > 0, 我们令
    fε(x)=1x1(,ε)(ε,+)(x).f_\varepsilon (x) = \frac{1}{x} \mathbf{1}_{(-\infty, -\varepsilon) \cup (\varepsilon, +\infty)}(x).
    证明, 当 ε0\varepsilon \to 0 时, fεf_\varepsilon 在分布的意义下有极限并计算该极限.

  7. 对任意的 ε>0\varepsilon > 0, 我们定义
    gε(x)=1x1(,ε2)(ε2,+)(x).g_\varepsilon (x) = \frac{1}{x} \mathbf{1}_{(-\infty, -\varepsilon^2) \cup (\varepsilon^2, +\infty)}(x).
    我们把它们看作是 D(R)\mathcal{D}'(\mathbb{R}) 中的一族分布. 证明, 当 ε0\varepsilon \to 0 时, gεg_\varepsilon 在分布的意义下是没有极限的.

  8. 假设 μ\mu(R,B(R))(\mathbb{R}, \mathcal{B}(\mathbb{R})) 上的概率测度, 即 μ(R)=1\mu(\mathbb{R}) = 1. 令 f(x)=μ((,x))f(x) = \mu((-\infty, x)), 证明在分布的意义下
    f=D(R)=μ.f' = \mathcal{D}'(\mathbb{R}) = \mu.

  9. 反过来任给定 R\mathbb{R} 上的单调递增的函数 f(x)f(x), 满足
    limxf(x)=0,limx+f(x)=1.\lim_{x \to -\infty} f(x) = 0, \quad \lim_{x \to +\infty} f(x) = 1.
    证明, 其分布意义下的导数 ff' 可以被视为是 (R,B(R))(\mathbb{R}, \mathcal{B}(\mathbb{R})) 上的概率测度, 即存在概率测度 μ\mu, 使得对任意的 φD(R)\varphi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}), 我们有
    f,φ=Rφdμ.\langle f', \varphi \rangle = \int_{\mathbb{R}} \varphi \, d\mu.

  10. 对于 αR\alpha \in \mathbb{R}, 在 R\mathbb{R} 上定义函数
    x+α={xα,x>0;0,x0.x_+^{\alpha} = \begin{cases} x^{\alpha}, & x > 0; \\ 0, & x \leq 0. \end{cases}
    显然当 α>1\alpha > -1 时, x+αx_+^{\alpha} 局部可积, 因而给出 R\mathbb{R} 上的一个分布. 当 α>0\alpha > 0 时, 证明
    (x+α)=α(x+α1).(x_+^{\alpha})' = \alpha (x_+^{\alpha-1}).

  11. 如果 α\alpha 为正整数, 作为 R\mathbb{R} 上的分布(以及分布的导数)证明
    (x+α)(α)=α!H(x).(x_+^{\alpha})^{(\alpha)} = \alpha! H(x).
    这里 H(x)H(x) 是 Heaviside 函数.

  12. 现在假设 2<α<1-2 < \alpha < -1, 对任意 φC0(R)\varphi \in C_0^\infty (\mathbb{R}) 以及任意 ε>0\varepsilon > 0, 证明
    εxαφ(x)dx=(α+1)1φ(ε)εα+1(α+1)1εxα+1φ(x)dx.\int_{\varepsilon}^{\infty} x^{\alpha} \varphi(x) \, dx = -(\alpha + 1)^{-1} \varphi(\varepsilon) \varepsilon^{\alpha + 1} - (\alpha + 1)^{-1} \int_{\varepsilon}^{\infty} x^{\alpha + 1} \varphi'(x) \, dx.
    由此可以定义分布
    x+α,φ=limε0(α+1)1εxα+1φ(x)dx=(α+1)1(x+α+1),φ.\langle x_+^{\alpha}, \varphi \rangle = \lim_{\varepsilon \to 0} (\alpha + 1)^{-1} \int_{\varepsilon}^{\infty} x^{\alpha + 1} \varphi'(x) \, dx = (\alpha + 1)^{-1} \langle (x_+^{\alpha + 1})', \varphi \rangle.
    对于一般的 α<1\alpha < -1 非整数, 都可以类似定义, 并且满足第 10 题中的关系式.

  13. 试找出一切 uD(R)u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}), 使得在分布的意义下
    xu=0.x \cdot u = 0.

  14. 找出所有 R\mathbb{R} 上的分布 uu 使得
    xu=δ0.x \cdot u = \delta_0.

  15. 证明, 对每个 uD(R)u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}), 存在 u~D(R)\tilde{u} \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}), 使得在分布的意义下
    xu~=u.x \cdot \tilde{u} = u.

  16. 找出所有 R\mathbb{R} 上的分布 uu 使得
    xu=1.x \cdot u = 1.

  17. 找出所有 R\mathbb{R} 上的分布 uu 使得
    xu=pv1x.x \cdot u = \text{pv} \, \frac{1}{x}.

  18. 找出所有 R\mathbb{R} 上的分布 uu 使得
    xu=x+α,x \cdot u = x_+^{\alpha},
    其中 α<1\alpha < -1 且不是整数.

  19. 试找出所有的 uD(R)u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}), 使得在分布的意义下, 我们有
    u+xu=0.u + x \cdot u' = 0.

  20. 对试验函数 φC0(Rn)\varphi \in C_0^\infty(\mathbb{R}^n) 以及实数 λ0\lambda \neq 0, 定义
    φλ(x)=φ(xλ).\varphi_{\lambda}(x) = \varphi \left( \frac{x}{\lambda} \right).
    对于分布 uD(Rn)u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n), 定义分布 uλu_{\lambda}
    uλ,φ=u,λnφλ.\langle u_{\lambda}, \varphi \rangle = \langle u, |\lambda|^n \varphi_{\lambda} \rangle.
    如果对每个 λ>0\lambda > 0 都有
    uλ=Dλdu,u_{\lambda} \overset{\mathcal{D}'}{=} \lambda^d u,
    就称 uu 为次数是 dd齐次分布, 其中 dRd \in \mathbb{R}. 证明, vp1x\text{vp} \, \frac{1}{x}x+αx_+^{\alpha}(其中 α<1\alpha < -1 且非整数)是 D(R)\mathcal{D}'(\mathbb{R}) 上的齐次分布并确定它们的次数.

  21. 证明, δ0\delta_0D(Rn)\mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) 上的齐次分布并确定其次数.

  22. 假设 uD(Rn)u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) 上的 dd 次齐次分布, 证明 xiuD(Rn)\partial_{x_i} u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n)d1d - 1 次的齐次分布.

  23. 任意给定 u1,u2,,uND(Rn)u_1, u_2, \dots, u_N \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n)NN 个齐次分布, 如果它们的次数互不相同, 证明它们在 D(Rn)\mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) 中是线性无关的.

  24. 任意给定试验函数 φ0D(Rn)\varphi_0 \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n), 任意给定正实数 λ\lambdaλ0\lambda_0, 我们定义
    φλ(x)=φλ(x)φλ0(x)λλ0.\varphi_{\lambda}(x) = \frac{\varphi_{\lambda}(x) - \varphi_{\lambda_0}(x)}{\lambda - \lambda_0}.
    证明, 当 λλ0\lambda \to \lambda_0 时, 上述函数在 D(Rn)\mathcal{D}(\mathbb{R}^n) 中有极限并计算该极限.

  25. (齐次分布的 Euler 公式) 任意给定 uD(Rn)u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n), dRd \in \mathbb{R}. 证明, uudd 次齐次分布当且仅当
    k=1nxkuxk=du.\sum_{k=1}^n x_k \frac{\partial u}{\partial x_k} = d \cdot u.

  26. 试找出 D(R1)\mathcal{D}'(\mathbb{R}^1) 中所有次数为 0 和 1 的齐次分布.