Однородная функция

Однородная функция степени ${\displaystyle q}$ — числовая функция ${\displaystyle f:\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }$ такая, что для любого ${\displaystyle \mathbf {v} \in \mathbb {R} ^{n}}$из области определения функции ${\displaystyle f}$ и любого ${\displaystyle \lambda \in \mathbb {R} }$ выполняется равенство:

${\displaystyle f(\lambda \mathbf {v} )=\lambda ^{q}f(\mathbf {v} ).\qquad \qquad (*)}$

Параметр ${\displaystyle q}$ называется порядком однородности. Подразумевается, что если ${\displaystyle \mathbf {v} \in \mathbb {R} ^{n}}$входит в область определения функции, то все точки вида ${\displaystyle \lambda \mathbf {v} }$ тоже входят в область определения функции.

Различают также

• положительно однородные функции, для которых равенство ${\displaystyle (*)}$ выполняется только для положительных ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle (\lambda >0),}$
• абсолютно однородные функции для которых выполняется равенство
      ${\displaystyle f(\lambda \mathbf {v} )=|\lambda |^{q}f(\mathbf {v} ),}$
• ограниченно однородные функции, для которых равенство ${\displaystyle (*)}$ выполняется только для некоторых выделенных значений ${\displaystyle \lambda ,}$
• комплексные однородные функции ${\displaystyle f:\mathbb {C} ^{n}\to \mathbb {C} }$ для которых равенство ${\displaystyle (*)}$ справедливо при ${\displaystyle \mathbf {v} \in \mathbb {C} ^{n}}$ и ${\displaystyle \lambda \in \mathbb {R} }$ или ${\displaystyle \lambda \in \mathbb {C} }$ (а также для комплексных показателей ${\displaystyle q\in \mathbb {C} }$).

Альтернативное определение однородной функции

В некоторых математических источниках однородными называются функции, являющиеся решением функционального уравнения $${\displaystyle f(\lambda \mathbf {v} )=g(\lambda )f(\mathbf {v} )}$$ с заранее неопределённой функцией ${\displaystyle g(\lambda )}$ и лишь потом доказывается, что ${\displaystyle g(\lambda )=\lambda ^{q}.}$ Для единственности решения ${\displaystyle g(\lambda )=\lambda ^{q}}$ нужно дополнительное условие, что функция ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ не равна тождественно нулю и что функция ${\displaystyle g(\lambda )}$ принадлежит определённому классу функций (например, была непрерывной или была монотонной). Однако, если функция ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ непрерывна хотя бы в одной точке с ненулевым значением функции, то ${\displaystyle g(\lambda )}$ должна быть непрерывной функцией при всех значениях ${\displaystyle \lambda ,}$ и тем самым для широкого класса функций ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ случай ${\displaystyle g(\lambda )\equiv \lambda ^{q}}$ — единственно возможный.

Обоснование:

Функция, тождественно равная нулю, удовлетворяет функциональному уравнению ${\displaystyle f(\lambda \mathbf {v} )=g(\lambda )f(\mathbf {v} )}$ при любом выборе функции ${\displaystyle g(\lambda ),}$ однако этот вырожденный случай не представляет особого интереса.

Если же в какой-то точке ${\displaystyle \mathbf {v} _{0}}$ значение ${\displaystyle f(\mathbf {v} _{0})\neq 0,}$ то:

1. ${\displaystyle g(\lambda _{1}\lambda _{2})f(\mathbf {v} _{0})=f(\lambda _{1}\lambda _{2}\mathbf {v} _{0})=g(\lambda _{1})f(\lambda _{2}\mathbf {v} _{0})=g(\lambda _{1})g(\lambda _{2})f(\mathbf {v} _{0})}$, откуда: $${\displaystyle \forall \lambda _{1},\lambda _{2}:g(\lambda _{1}\lambda _{2})=g(\lambda _{1})g(\lambda _{2});}$$
2. ${\displaystyle g(\lambda _{1}\lambda _{2})=g(\lambda _{1})g(\lambda _{2})\Leftrightarrow G(\mu _{1}+\mu _{2})=G(\mu _{1})+G(\mu _{2}),}$ где ${\displaystyle \mu =\log \lambda ,G(\mu )=\log g(\exp(\mu )).}$

Функциональное уравнение Коши ${\displaystyle G(\mu _{1}+\mu _{2})=G(\mu _{1})+G(\mu _{2})}$ имеет решение в виде линейной функции: ${\displaystyle G(t)=q\cdot t,}$ причём для класса непрерывных или класса монотонных функций это решение единственное. Поэтому если известно, что ${\displaystyle g(\lambda )}$ непрерывная или монотонная функция, то ${\displaystyle g(\lambda )\equiv \lambda ^{q}.}$

Доказательство единственности решения функционального уравнения Коши

1. При рациональных ${\displaystyle t=m/n}$ справедливо ${\displaystyle G(t\mu )=t\cdot G(\mu ),}$ так как:

а) ${\displaystyle G(2\mu )=G(\mu +\mu )=G(\mu )+G(\mu )=2G(\mu ),}$ то есть ${\displaystyle G(2\mu )=2G(\mu );}$

б) ${\displaystyle 2G(\mu /2)=G(\mu /2)+G(\mu /2)=G(\mu /2+\mu /2)=G(\mu ),}$ то есть ${\displaystyle G(\mu /2)=(1/2)G(\mu );}$

и т. д.;

2. Поскольку иррациональные числа, которые можно сколь угодно тесно «зажать» между двумя рациональными, то для непрерывных или для монотонных функций соотношение ${\displaystyle G(t\mu )=t\cdot G(\mu )}$ должно быть выполнено также и для иррациональных ${\displaystyle t;}$

3. Последний шаг: в соотношении ${\displaystyle G(t\mu )=t\cdot G(\mu )}$ следует задать ${\displaystyle \mu =1.}$

Примечание: для более широких классов функций у рассматриваемого функционального уравнения могут иметься и другие, весьма экзотические решения (см. статью «Базис Гамеля»).

Доказательство непрерывности ${\displaystyle g(\lambda ),}$ если ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ непрерывна хотя бы в одной точке

Пусть функция ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ непрерывна в фиксированной точке ${\displaystyle \mathbf {v} _{0},}$ причём ${\displaystyle f(\mathbf {v} _{0})\neq 0.}$ Рассмотрим тождество

${\displaystyle f((1+\varepsilon )\lambda _{0}\mathbf {v} _{0})=g((1+\varepsilon )\lambda _{0})f(\mathbf {v} _{0})=g(\lambda _{0})f((1+\varepsilon )\mathbf {v} _{0}).}$

При ${\displaystyle \varepsilon \to 0}$ значение ${\displaystyle f((1+\varepsilon )\mathbf {v} _{0})}$ стремится к ${\displaystyle f(\mathbf {v} _{0})}$ в силу непрерывности функции ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ в точке ${\displaystyle \mathbf {v} _{0}.}$ Поскольку ${\displaystyle f(\mathbf {v} _{0})\neq 0,}$ то это означает, что ${\displaystyle g((1+\varepsilon )\lambda _{0})}$ стремится к ${\displaystyle g(\lambda _{0}),}$ то есть что функция ${\displaystyle g(\lambda )}$ непрерывна в точке ${\displaystyle \lambda _{0}.}$ Поскольку ${\displaystyle \lambda _{0}}$ может быть выбрано любым, то ${\displaystyle g(\lambda )}$ непрерывна во всех точках.

Следствие: Если однородная функция ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ непрерывна в точке ${\displaystyle \mathbf {v} _{0},}$ то ${\displaystyle f(\mathbf {v} )}$ будет непрерывной также во всех точках вида ${\displaystyle \lambda \mathbf {v} _{0}}$ (в том числе и тогда, когда ${\displaystyle f(\mathbf {v} _{0})=0}$).

Свойства

1. Если ${\displaystyle f_{1},f_{2},\dots }$ — однородные функции одного и того же порядка ${\displaystyle q,}$ то их линейная комбинация с постоянными коэффициентами будет однородной функцией того же порядка ${\displaystyle q.}$
2. Если ${\displaystyle f_{1},f_{2},\dots }$ — однородные функции с порядками ${\displaystyle q_{1},q_{2},\dots ,}$ то их произведение будет однородной функцией с порядком ${\displaystyle q=q_{1}+q_{2}+\dots .}$
3. Если ${\displaystyle f}$ — однородная функция порядка ${\displaystyle q,}$ то её ${\displaystyle m}$-ая степень (не обязательно целочисленная), если она имеет смысл (то есть если ${\displaystyle m}$ — целое число, или если значение ${\displaystyle f}$ положительно), будет однородной функцией порядка ${\displaystyle mq}$ на соответствующей области определения. В частности, если ${\displaystyle f}$ — однородная функция порядка ${\displaystyle q}$, то ${\displaystyle 1/f}$ будет однородной функцией порядка ${\displaystyle (-q)}$ и областью определения в точках, где ${\displaystyle f}$ определена и не равна нулю.
4. Если ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ — однородная функция порядка ${\displaystyle p,}$ а ${\displaystyle h_{k}\left(y_{1},y_{2},\dots ,y_{m}\right)}$ — однородные функции порядка ${\displaystyle q,}$ то суперпозиция функций ${\displaystyle F\left(y_{1},y_{2},\dots ,y_{m}\right)=f\left(h_{1},h_{2},\dots ,h_{n}\right)}$ будет однородной функцией порядка ${\displaystyle pq.}$
5. Если ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ — однородная функция ${\displaystyle n}$ переменных степени ${\displaystyle p,}$ и гиперплоскость ${\displaystyle x_{1}=x_{2}=\dots =x_{j}=0}$ принадлежит её области определения, то функция ${\displaystyle \left(n-j\right)}$ переменных ${\displaystyle g\left(x_{j+1},x_{j+2},\dots ,x_{n}\right)=f\left(0,\dots ,0,x_{j+1},\dots ,x_{n}\right)}$ будет однородной функцией степени ${\displaystyle p.}$
6. Логарифм однородной функции нулевого порядка или логарифм модуля однородной функции нулевого порядка является однородной функцией нулевого порядка. Логарифм однородной функции или логарифм модуля однородной функции является однородной функцией тогда и только тогда, когда порядок однородности самой функции равен нулю.
7. Модуль однородной функции или модуль абсолютно-однородной функции является абсолютно-однородной функцией. Модуль однородной функции или модуль положительно однородной функции является положительно однородной функцией. Модуль однородной функции нулевого порядка является однородной функцией нулевого порядка. Абсолютно-однородная функция нулевого порядка является однородной функцией нулевого порядка, и наоборот.
8. Произвольная функция от однородной функции нулевого порядка является однородной функцией нулевого порядка.
9. Если ${\displaystyle h_{k}\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ —— положительно однородные функции порядка ${\displaystyle p,}$ где ${\displaystyle p\neq 0,}$ а ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)=g\left(h_{1},h_{2},\dots ,h_{m}\right)}$ —— положительно однородная функция порядка ${\displaystyle q,}$ то функция ${\displaystyle g\left(y_{1},y_{2},\dots ,y_{m}\right)}$ будет положительно однородной функцией порядка ${\displaystyle q/p}$ во всех точках ${\displaystyle y}$, в которых система уравнений ${\displaystyle y_{1}=h_{1}\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$, ..., ${\displaystyle y_{m}=h_{m}\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ имеет решение. Если при этом ${\displaystyle p}$ —— нечётное целое число, то положительную однородность можно заменить на обычную однородность. Следствие: если имеется непрерывная или монотонная функция ${\displaystyle g(y)}$, причём ${\displaystyle g\left(f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)\right)}$ —— однородная или положительно однородная функция, где ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ —— однородная или положительно однородная функция ненулевого порядка, то ${\displaystyle g(y)=cy^{m}}$ —— степенная функция во всех точках ${\displaystyle y}$, в которых уравнение ${\displaystyle y=f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ имеет решение. В частности, ${\displaystyle f(x)=cx^{q}}$ —— единственная монотонная или непрерывная функция одного переменного, являющаяся однородной функцией порядка ${\displaystyle q}$ . (Доказательство дублирует рассуждения из раздела «Альтернативное определение однородной функции» этой статьи. При этом если снять ограничение, что функция ${\displaystyle g(y)}$ —— непрерывная или же монотонная, то могут иметься и другие, весьма экзотические решения для ${\displaystyle g(y)}$, см. статью «Базис Гамеля».)
10. Если функция  ${\displaystyle f}$  является многочленом от  ${\displaystyle n}$  переменных, то она будет однородной функцией степени  ${\displaystyle q}$  в том и только в том случае, когда  ${\displaystyle f}$ — однородный многочлен степени  ${\displaystyle q.}$  В частности, в этом случае порядок однородности ${\displaystyle q}$  должен быть натуральным числом или нулём. (Для доказательства надо сгруппировать вместе мономы многочлена ${\displaystyle cx_{1}^{i_{1}}x_{2}^{i_{2}}\cdots x_{n}^{i_{n}}}$ с одинаковыми порядками однородности ${\displaystyle k_{j}=i_{1}+i_{2}+\dots +i_{n}}$, подставить результат в равенство ${\displaystyle (*)}$ и использовать тот факт, что степенные функции ${\displaystyle \lambda ^{k_{1}},\lambda ^{k_{2}},\dots }$ с разными показателями степени, в том числе и нецелочисленными, являются линейно независимыми.) Утверждение можно обобщить на случай линейных комбинаций мономов вида ${\displaystyle cx_{1}^{i_{1}}x_{2}^{i_{2}}\cdots x_{n}^{i_{n}}}$ с нецелочисленными индексами.
11. Если конечное произведение многочленов является однородной функцией, то каждый сомножитель является однородным многочленом. (Для доказательства выберем в каждом сомножителе мономы ${\displaystyle cx_{1}^{i_{1}}x_{2}^{i_{2}}\cdots x_{n}^{i_{n}}}$ с минимальным и максимальным порядками однородности ${\displaystyle k=i_{1}+i_{2}+\dots +i_{n}}$. Поскольку после перемножения получившийся многочлен должен состоять из мономов с одним и тем же порядком однородности, то для каждого сомножителя минимальный и максимальный порядок однородности должен быть одним и тем же числом.) Утверждение можно обобщить на случай линейных комбинаций мономов вида ${\displaystyle cx_{1}^{i_{1}}x_{2}^{i_{2}}\cdots x_{n}^{i_{n}}}$ с нецелочисленными индексами.
12. Если числитель и знаменатель дробно-рациональной функции ${\displaystyle f={\frac {P_{n}(x_{1},\dots ,x_{n})}{Q_{m}(x_{1},\dots ,x_{m})}}}$ являются однородными многочленами, функция будет однородной с порядком однородности, равным разности порядков однородности числителя и знаменателя. Если дробно-рациональная функция является однородной, её числитель и знаменатель с точностью до общего множителя — однородные многочлены. Утверждение можно обобщить на случай дробно-рационального отношения линейных комбинаций мономов вида ${\displaystyle cx_{1}^{i_{1}}x_{2}^{i_{2}}\cdots x_{n}^{i_{n}}}$ с нецелочисленными индексами.
13. Однородная функция ненулевой степени в нуле равна нулю, если она там определена:  ${\displaystyle f(\mathbf {0} )=0.}$ (Получается при подстановке в равенство ${\displaystyle (*)}$ значения  ${\displaystyle \lambda =0}$  либо, в случае отрицательной степени однородности, значения ${\displaystyle \mathbf {v} =0.}$) Однородная функция нулевой степени, если она определена в нуле, может принимать в этой точке любое значение.
14. Если однородная функция нулевой степени непрерывна в нуле, то она является константой (произвольной). Если однородная функция отрицательной степени непрерывна в нуле, то она тождественный ноль. (Преобразованием ${\displaystyle \mathbf {v'} =\lambda \mathbf {v} }$ можно любую точку ${\displaystyle \mathbf {v} }$ сколь угодно близко приблизить к нулю. Поэтому если функция в нуле непрерывна, то можно выразить значение функции в точке ${\displaystyle \mathbf {v} }$ через её значение в точке ${\displaystyle \mathbf {0} }$ с помощью соотношения ${\displaystyle \lim _{\lambda \to 0}\lambda ^{q}f(\mathbf {v} )=f(\mathbf {0} ).}$)
15. Однородная функция положительной степени в нуле стремится к нулю по любому направлению, которое входит в её область определения, а однородная функция отрицательной степени —— к бесконечности, знак которой зависит от направления, если только функция не является тождественным нулём вдоль данного направления. Однородная функция положительной степени непрерывна в нуле или может быть доопределена до непрерывной в нуле, если в её область определения входит ${\displaystyle \varepsilon }$-окрестность нуля. Однородная функция нулевой степени может быть как разрывна, так и непрерывна в нуле, и в случае разрывности является константой, зависящей от направления, вдоль каждого луча с вершиной в начале координат, если направление входит в её область определения. (Получается при подстановке в равенство ${\displaystyle (*)}$ значения  ${\displaystyle \lambda \to 0.}$)
16. Если однородная функция ${\displaystyle f}$ в нуле является аналитической (то есть, разлагается в сходящийся ряд Тейлора с ненулевым радиусом сходимости), то она является многочленом (однородным многочленом). В частности, в этом случае порядок однородности должен быть натуральным числом или нулём. (Для доказательства достаточно представить функцию в виде ряда Тейлора, сгруппировать вместе члены ряда Тейлора ${\displaystyle cx_{1}^{i_{1}}x_{2}^{i_{2}}\cdots x_{n}^{i_{n}}}$ с одинаковыми порядками однородности ${\displaystyle k_{j}=i_{1}+i_{2}+\dots +i_{n}}$, подставить результат в равенство ${\displaystyle (*)}$ и использовать, что степенные функции ${\displaystyle \lambda ^{k_{1}},\lambda ^{k_{2}},\dots }$ с разными показателями степени, в том числе и нецелочисленными, являются линейно независимыми.)
17. Функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=x_{1}^{q}\cdot h(x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},...,x_{n}/x_{1})}$ , где  ${\displaystyle h(t_{2},t_{3},...,t_{n})}$ — функция  ${\displaystyle (n-1)}$  переменных, является однородной функцией с порядком однородности  ${\displaystyle q.}$  Функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=|x|^{q}\cdot h(x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},...,x_{n}/x_{1}),}$  где  ${\displaystyle h(t_{2},t_{3},...,t_{n})}$ — функция  ${\displaystyle (n-1)}$  переменных, является абсолютно-однородной функцией с порядком однородности  ${\displaystyle q.}$ 
18. Соотношение Эйлера: для дифференцируемых однородных функций скалярное произведение их градиента на вектор своих переменных пропорционально самой функции с коэффициентом, равным порядку однородности:  ${\displaystyle \mathbf {v} \cdot \nabla f(\mathbf {v} )=qf(\mathbf {v} )}$  или, в эквивалентной записи,  ${\displaystyle \sum x_{k}f'_{x_{k}}=qf.}$  Получается при дифференцировании равенства ${\displaystyle (*)}$ по  ${\displaystyle \lambda }$  при  ${\displaystyle \lambda =1.}$ 
19. Если  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ — дифференцируемая однородная функция c порядком однородности  ${\displaystyle q}$ , то её первые частные производные по каждой из независимых переменных ${\displaystyle f'_{x_{k}}(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ — это однородные функции c порядком однородности  ${\displaystyle q-1}$.  Для доказательства достаточно продифференцировать по  ${\displaystyle x_{k}}$  правую и левую части тождества  ${\displaystyle f(\lambda x_{1},\lambda x_{2},\ldots ,\lambda x_{n})=\lambda ^{q}f(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})}$  и получить тождество  ${\displaystyle f'_{x_{k}}(\lambda x_{1},\lambda x_{2},\ldots ,\lambda x_{n})=\lambda ^{q-1}f'_{x_{k}}(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}).}$ 
20. Если  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ — однородная функция c порядком однородности  ${\displaystyle q}$ , то её интеграл (при условии существования такого интеграла) по любой независимой переменной начиная от нуля ${\displaystyle F(x_{1},x_{2},...,x_{n})=\int _{0}^{x_{1}}f(t,x_{2},...,x_{n})dt}$  — это однородные функции c порядком однородности  ${\displaystyle q+1.}$ Доказательство: ${\displaystyle F(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})=}$${\displaystyle \int _{0}^{\lambda x_{1}}f(t,\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})dt=}$${\displaystyle \lambda \int _{0}^{x_{1}}f(\lambda t',\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})dt'=}$${\displaystyle \lambda ^{q+1}\int _{0}^{x_{1}}f(t',x_{2},...,x_{n})dt'=}$${\displaystyle \lambda ^{q+1}F(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ (здесь сделана замена переменной интегрирования ${\displaystyle t=\lambda t'}$).
21. Если  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ — однородная функция c порядком однородности  ${\displaystyle q}$ , то её дробная производная (дифферинтеграл) порядка ${\displaystyle \alpha }$, вычисляемая как ${\displaystyle G(x_{1},x_{2},...,x_{n})={\frac {1}{\Gamma (n-\alpha )}}{\frac {d^{n}}{dx_{1}^{n}}}\int _{0}^{x_{1}}(x_{1}-t)^{n-\alpha -1}f(t,x_{2},...,x_{n})\,dt}$ по любой независимой переменной начиная от нуля (при условии существования соответствующего интеграла, для чего требуется выбирать ${\displaystyle n>\alpha }$) — это однородные функции c порядком однородности  ${\displaystyle q-\alpha .}$ Рассмотрим функцию ${\displaystyle H(x_{1},x_{2},...,x_{n})=\int _{0}^{x_{1}}(x_{1}-t)^{n-\alpha -1}f(t,x_{2},...,x_{n})\,dt}$ . Тогда ${\displaystyle H(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})=}$${\displaystyle \int _{0}^{\lambda x_{1}}(\lambda x_{1}-t)^{n-\alpha -1}f(t,\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})\,dt=}$${\displaystyle \lambda \int _{0}^{x_{1}}(\lambda x_{1}-\lambda t')^{n-\alpha -1}f(\lambda t',\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})\,dt'=}$${\displaystyle \lambda ^{q+n-\alpha }\int _{0}^{x_{1}}(x_{1}-t')^{n-\alpha -1}f(t',x_{2},...,x_{n})dt'=}$${\displaystyle \lambda ^{q+n-\alpha }H(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ (здесь сделана замена переменной интегрирования ${\displaystyle t=\lambda t'}$). После ${\displaystyle n}$-кратного дифференцирования по переменной ${\displaystyle x_{1}}$ однородная функция ${\displaystyle H(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ порядка ${\displaystyle q+n-\alpha }$ становится однородной функцией c порядком однородности  ${\displaystyle q-\alpha }$ .
22. Если  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ — однородная функция c порядком однородности  ${\displaystyle q}$ , то её ${\displaystyle n}$-мерная свёртка с обобщённым Абелевым ядром, вычисляемая как ${\displaystyle H(x_{1},x_{2},...,x_{n})=\int _{0}^{x_{1}}\dots \int _{0}^{x_{n}}(x_{1}^{k_{1}}-t_{1}^{k_{1}})^{\left(\mu _{1}-1\right)/k_{1}}\dots (x_{n}^{k_{n}}-t_{n}^{k_{n}})^{\left(\mu _{n}-1\right)/k_{n}}f(t_{1},...,t_{n})\,dt_{1}\dots dt_{n}}$ (при условии существования соответствующего интеграла) — это однородная функция c порядком однородности  ${\displaystyle q+\mu _{1}+\dots +\mu _{n}}$ . Доказательство: ${\displaystyle H(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})=}$${\displaystyle \int _{0}^{\lambda x_{1}}\dots \int _{0}^{\lambda x_{n}}(\lambda ^{k_{1}}x_{1}^{k_{1}}-t_{1}^{k_{1}})^{\left(\mu _{1}-1\right)/k_{1}}\dots (\lambda ^{k_{n}}x_{n}^{k_{n}}-t_{n}^{k_{n}})^{\left(\mu _{n}-1\right)/k_{n}}f(t_{1},...,t_{n})\,dt_{1}\dots dt_{n}=}$${\displaystyle \lambda ^{n}\int _{0}^{x_{1}}\dots \int _{0}^{x_{n}}(\lambda ^{k_{1}}x_{1}^{k_{1}}-\lambda ^{k_{1}}t_{1}'^{k_{1}})^{\left(\mu _{1}-1\right)/k_{1}}\dots (\lambda ^{k_{n}}x_{n}^{k_{n}}-\lambda ^{k_{n}}t_{n}'^{k_{n}})^{\left(\mu _{n}-1\right)/k_{n}}f(\lambda t_{1}',...,\lambda t_{n}')\,dt_{1}'\dots dt_{n}'=}$${\displaystyle \lambda ^{q+\mu _{1}+\dots +\mu _{n}}\int _{0}^{x_{1}}\dots \int _{0}^{x_{n}}(x_{1}^{k_{1}}-t_{1}'^{k_{1}})^{\left(\mu _{1}-1\right)/k_{1}}\dots (x_{n}^{k_{n}}-t_{n}'^{k_{n}})^{\left(\mu _{n}-1\right)/k_{n}}f(t_{1}',...,t_{n}')\,dt_{1}'\dots dt_{n}'=}$${\displaystyle \lambda ^{q+\mu _{1}+\dots +\mu _{n}}H(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ , где сделана замена переменных интегрирования ${\displaystyle t_{k}=\lambda t_{k}'}$ . (Примечание: возможно выполнение свёртки только по части переменных.)

Теорема. Любая однородная функция с порядком однородности ${\displaystyle q}$ может быть представлена в форме

     ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=x_{1}^{q}\cdot h(x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},...,x_{n}/x_{1}),}$ 

где  ${\displaystyle h(t_{2},t_{3},...,t_{n})}$ — некоторая функция  ${\displaystyle (n-1)}$  переменных. Любая абсолютно-однородная функция с порядком однородности  ${\displaystyle q}$  может быть представлена как

  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=|x|^{q}\cdot h(x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},...,x_{n}/x_{1}),}$ 

где  ${\displaystyle h(t_{2},t_{3},...,t_{n})}$ — некоторая функция  ${\displaystyle (n-1)}$  переменных.

Доказательство.

Возьмём однородную функцию ${\displaystyle g(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ нулевой степени. Тогда при выборе ${\displaystyle \lambda =1/x_{1}}$ получим частный вариант требуемого соотношения:

${\displaystyle g(x_{1},x_{2},...,x_{n})=g(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})=g(1,x_{2}/x_{1},...,x_{n}/x_{1})=h(x_{2}/x_{1},...,x_{n}/x_{1}).}$

Для однородной функции ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ степени ${\displaystyle q\neq 0,}$ функция ${\displaystyle g(x_{1},x_{2},...,x_{n})=f(x_{1},x_{2},...,x_{n})/x_{1}^{q}}$ окажется однородной функцией нулевой степени. Поэтому ${\displaystyle g(x_{1},...,x_{n})=h(x_{2}/x_{1},...,x_{n}/x_{1})}$ и ${\displaystyle f(x_{1},...,x_{n})=x_{1}^{q}\cdot h(x_{2}/x_{1},...,x_{n}/x_{1}).}$

Следствие. Любая однородная функция степени ${\displaystyle q}$ (абсолютно-однородная функция степени ${\displaystyle q}$) может быть представлена в форме

     ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=\phi (x_{1},x_{2},...,x_{n})\cdot h(\phi _{1}(x_{1},x_{2},...,x_{n}),\phi _{2}(x_{1},x_{2},...,x_{n}),...,\phi _{n-1}(x_{1},x_{2},...,x_{n})),}$ 

где  ${\displaystyle h(t_{1},t_{2},...,t_{n-1})}$ — некоторая подходящая функция  ${\displaystyle (n-1)}$  переменных, ${\displaystyle \phi (x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ — фиксированная однородная функция степени ${\displaystyle q}$ (фиксированная абсолютно-однородная функция степени ${\displaystyle q}$), а ${\displaystyle \phi _{1}(x_{1},x_{2},...,x_{n}),}$ ${\displaystyle \phi _{2}(x_{1},x_{2},...,x_{n}))}$, ..., ${\displaystyle \phi _{n-1}(x_{1},x_{2},...,x_{n}))}$ — фиксированные функционально-независимые однородные функции нулевой степени. При фиксированном выборе функций ${\displaystyle \phi ,\phi _{1},\phi _{2},...,\phi _{n-1}}$ это представление задаёт взаимно-однозначное соответствие между однородными функциями ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ степени ${\displaystyle q}$ от ${\displaystyle n}$ переменных и функциями ${\displaystyle h(t_{1},t_{2},...,t_{n-1})}$ от ${\displaystyle (n-1)}$ переменных.

Теорема Эйлера для однородных функций. Для того, чтобы дифференцируемая функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$  была однородной функцией с порядком однородности  ${\displaystyle q,}$  необходимо и достаточно выполнение соотношения Эйлера

 ${\displaystyle \sum x_{k}f'_{x_{k}}(x_{1},x_{2},...,x_{n})=qf(x_{1},x_{2},...,x_{n}).}$ 

Доказательство.

Необходимость получается из дифференцирования равенства ${\displaystyle (*)}$ при  ${\displaystyle \lambda =1.}$  Для доказательства достаточности возьмём функцию  ${\displaystyle \varphi (\lambda )=\lambda ^{-q}f(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})}$  при «замороженных»  ${\displaystyle x_{1},x_{2},...,x_{n}.}$  Продифференцируем её по  ${\displaystyle \lambda :}$ 

 ${\displaystyle \varphi '(\lambda )=-q\lambda ^{-q-1}f(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})+\lambda ^{-q}\sum f'_{x_{k}}(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})x_{k}.}$ 

В силу условия  ${\displaystyle \sum (\lambda x_{k})\cdot f'_{x_{k}}(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})=qf(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})}$  получаем  ${\displaystyle \varphi '(\lambda )=0}$  и  ${\displaystyle \varphi (\lambda )=c=const.}$  Константу  ${\displaystyle c}$  определяем из условия  ${\displaystyle \varphi (1)=f(x_{1},x_{2},...,x_{n}).}$  В результате  ${\displaystyle \lambda ^{q}\varphi (\lambda )=f(\lambda x_{1},\lambda x_{2},...,\lambda x_{n})=\lambda ^{q}f(x_{1},x_{2},...,x_{n}).}$ 

Следствие. Если функция дифференцируема и в каждой точке пространства соотношение однородности ${\displaystyle (*)}$ справедливо в некотором интервале значений  ${\displaystyle \lambda \in \left[\lambda _{0}-\varepsilon ,\lambda _{0}+\varepsilon \right]\subset \left[0,\infty \right),}$  то оно справедливо для всех  ${\displaystyle \lambda >0.}$ 

Доказательство.

Продифференцируем соотношение ${\displaystyle (*)}$ по  ${\displaystyle \lambda }$  в точке  ${\displaystyle \lambda =\lambda _{0}:}$ 

 ${\displaystyle \sum x_{k}f'_{x_{k}}(\lambda _{0}x_{1},\lambda _{0}x_{2},...,\lambda _{0}x_{n})=q\lambda _{0}^{q-1}f(x_{1},x_{2},...,x_{n})={\frac {q}{\lambda _{0}}}f(\lambda _{0}x_{1},\lambda _{0}x_{2},...,\lambda _{0}x_{n}).}$ 

Это значит, что в точке  ${\displaystyle y_{k}=\lambda _{0}x_{k}}$  выполнено соотношение Эйлера, причём в силу произвольности точки  ${\displaystyle (x_{1},x_{2},...,x_{n})}$  точка  ${\displaystyle (y_{1},y_{2},...,y_{n})}$  тоже произвольна. Повторив приведённое выше доказательство теоремы Эйлера об однородной функции, мы получим, что в точке  ${\displaystyle (y_{1},y_{2},...,y_{n})}$  выполнено соотношение однородности, причём для произвольного  ${\displaystyle \lambda >0.}$  Точку  ${\displaystyle (x_{1},x_{2},...,x_{n})}$  можно выбрать так, чтобы точка  ${\displaystyle (y_{1},y_{2},...,y_{n})}$  совпала с любой наперед заданной точкой пространства. Следовательно, в каждой точке пространства соотношение ${\displaystyle (*)}$ выполняется при любом  ${\displaystyle \lambda >0.}$ 

Лямбда-однородные функции

Пусть задан вектор  ${\displaystyle \mathbf {\lambda } =(\lambda _{1},\lambda _{2},...,\lambda _{n}).}$  Функция ${\displaystyle n}$ переменных  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$  называется ${\displaystyle \lambda }$-однородной c порядком однородности  ${\displaystyle q}$ , если при любых  ${\displaystyle t>0}$  и любых  ${\displaystyle \mathbf {x} =(x_{1},x_{2},...,x_{n})\in {\mathbb {R} }^{n}}$  справедливо тождество

${\displaystyle f(t^{\lambda _{1}}x_{1},t^{\lambda _{2}}x_{2},...,t^{\lambda _{n}}x_{n})=t^{q}f(x_{1},x_{2},...,x_{n}).}$

При  ${\displaystyle \lambda _{k}=1}$  ${\displaystyle \lambda }$-однородные функции переходят в обычные однородные функции. Иногда вместо порядка однородности  ${\displaystyle q}$  вводят степень однородности  ${\displaystyle m}$,  определяемую из соотношения

${\displaystyle f(t^{\lambda _{1}}x_{1},t^{\lambda _{2}}x_{2},...,t^{\lambda _{n}}x_{n})=t^{m{\frac {|\mathbf {\lambda } |}{n}}}f(x_{1},x_{2},...,x_{n}),}$

где  ${\displaystyle |\mathbf {\lambda } |=\sum |\lambda _{k}|.}$  Для обычных однородных функций порядок однородности  ${\displaystyle q}$  и степень однородности  ${\displaystyle m}$  совпадают.

Если частные производные  ${\displaystyle f'_{x_{k}}(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$  непрерывны в ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$, то для ${\displaystyle \lambda }$-однородных функций справедливо соотношение, обобщающее соотношение Эйлера и получающееся при дифференцировании тождества для  ${\displaystyle \lambda }$-однородности в точке  ${\displaystyle t=1}$:

${\displaystyle \sum \lambda _{x}x_{k}f'_{x_{k}}(x_{1},x_{2},...,x_{n})=qf(x_{1},x_{2},...,x_{n}).}$

Как и в случае обычных однородных функций, это соотношение является необходимым и достаточным, чтобы функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$  была ${\displaystyle \lambda }$-однородной функцией с вектором  ${\displaystyle (\lambda _{1},\lambda _{2},...,\lambda _{n})}$  и порядком однородности  ${\displaystyle q.}$  Для доказательства достаточности надо рассмотреть функцию  ${\displaystyle \varphi (t)=t^{-q}f(t^{\lambda _{1}}x_{1},t^{\lambda _{2}}x_{2},...,t^{\lambda _{n}}x_{n})}$  и убедиться, что при выполнении указанного дифференциального соотношения её производная равна нулю, то есть что эта функция константа и что  ${\displaystyle \varphi (t)\equiv \varphi (1).}$

Если  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$ — ${\displaystyle \lambda }$-однородная функция с вектором  ${\displaystyle \mathbf {\lambda } =(\lambda _{1},\lambda _{2},...,\lambda _{n})}$  и порядком однородности  ${\displaystyle q}$,  то она же является ${\displaystyle \lambda }$-однородной функцией с вектором ${\displaystyle \mathbf {\lambda } =(\alpha \lambda _{1},\alpha \lambda _{2},...,\alpha \lambda _{n})}$  и порядком однородности  ${\displaystyle \alpha q}$  (следует из подстановки в тождество для ${\displaystyle \lambda }$-однородности нового параметра  ${\displaystyle t'\to t^{\alpha }}$). В силу этого при рассмотрении ${\displaystyle \lambda }$-однородных функций достаточно ограничиваться случаем  ${\displaystyle \sum |\lambda _{k}|=const.}$  В частности, нормировка  ${\displaystyle \sum |\lambda _{k}|}$  может выбираться таким образом, чтобы порядок однородности  ${\displaystyle q}$  был равен заранее фиксированному значению. Кроме того, без ограничения общности можно считать, что  ${\displaystyle \lambda _{k}\neq 0.}$ 

При замене переменных  ${\displaystyle x_{k}=y_{k}^{\lambda _{k}}}$  ${\displaystyle \lambda }$-однородная функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})}$  с вектором  ${\displaystyle \mathbf {\lambda } =(\lambda _{1},\lambda _{2},...,\lambda _{n})}$  и порядком однородности  ${\displaystyle q}$  переходит в обычную однородную функцию  ${\displaystyle g(y_{1},y_{2},...,y_{n})}$  с порядком однородности  ${\displaystyle q}$.  Отсюда следует, что общее представление для ${\displaystyle \lambda }$-однородных функций с вектором  ${\displaystyle \mathbf {\lambda } =(\lambda _{1},\lambda _{2},...,\lambda _{n})}$  и порядком однородности  ${\displaystyle q}$  имеет вид:

${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=x_{1}^{q/\lambda _{1}}\cdot h(x_{2}^{1/\lambda _{2}}/x_{1}^{1/\lambda _{1}},x_{3}^{1/\lambda _{3}}/x_{1}^{1/\lambda _{1}},\ldots ,x_{n}^{1/\lambda _{n}}/x_{1}^{1/\lambda _{1}}),}$

где ${\displaystyle h(t_{2},t_{3},...,t_{n})}$ — некоторая функция ${\displaystyle (n-1)}$ переменных.

Источник: Я. С. Бугров, С. М. Никольский, Высшая математика: учебник для вузов (в 3 т.), Т.2: Дифференциальное и интегральное исчисление (http://www.sernam.ru/lect_math2.php Архивная копия от 1 октября 2012 на Wayback Machine), раздел 8.8.4.

Оператор Эйлера

Дифференциальный оператор

${\displaystyle x_{1}{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}+x_{2}{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}+\ldots +x_{n}{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}}$

иногда называют оператором Эйлера, по аналогии с тождеством Эйлера для однородных функций. Из теоремы Эйлера для однородных функций, приведённой выше, следует, что собственными функциями этого оператора являются однородные функции и только они, причём собственным значением для такой функции является её порядок однородности.

Соответственно, функциями, обращающими оператор Эйлера в константу, являются логарифмы однородных функций и только они. Функциями, обращающими оператор Эйлера в ноль, являются однородные функции нулевого порядка и только они (логарифм однородной функции нулевого порядка сам является однородной функцией нулевого порядка).

Аналогичным образом для дифференциального оператора

${\displaystyle \lambda _{1}x_{1}{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}+\lambda _{2}x_{2}{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}+\ldots +\lambda _{n}x_{n}{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}}$

собственными функциями являются ${\displaystyle \lambda }$-однородные функции с вектором  ${\displaystyle (\lambda _{1},\lambda _{2},\ldots ,\lambda _{n})}$  и только они, причём собственным значением является порядок однородности ${\displaystyle \lambda }$-однородной функции. В константу же этот дифференциальный оператор обращают логарифмы ${\displaystyle \lambda }$-однородных функций с вектором  ${\displaystyle (\lambda _{1},\lambda _{2},\ldots ,\lambda _{n})}$, и никакие другие функции.

Дальнейшим обобщением оператора Эйлера служит дифференциальный оператор

${\displaystyle \lambda _{1}x_{1}^{\mu _{1}}{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}+\lambda _{2}x_{2}^{\mu _{2}}{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}+\ldots +\lambda _{n}x_{n}^{\mu _{n}}{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}},}$

который сводится к оператору Эйлера ${\displaystyle y_{1}{\frac {\partial f}{\partial y_{1}}}+y_{2}{\frac {\partial f}{\partial y_{2}}}+\ldots +y_{n}{\frac {\partial f}{\partial y_{n}}}}$ заменой ${\displaystyle y_{k}=\exp \left({\frac {x^{1-\mu _{k}}}{\lambda _{k}\left(1-\mu _{k}\right)}}\right)}$ при ${\displaystyle \mu _{k}\neq 1;}$ ${\displaystyle y_{k}=x^{1/\lambda _{k}}}$ при ${\displaystyle \mu _{k}=1.}$ Также к оператору Эйлера с помощью замены ${\displaystyle y_{k}=\exp \left(\int _{a_{k}}^{x}{\frac {dt}{h_{k}(t)}}\right)}$ сводятся все дифференциальные операторы вида ${\displaystyle h_{1}(x_{1}){\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}+h_{2}(x_{2}){\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}+\ldots +h_{n}(x_{n}){\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}.}$

Источник: Chi Woo, Igor Khavkine, Euler’s theorem on homogeneous functions Архивная копия от 2 августа 2012 на Wayback Machine (PlanetMath.org)

Ограниченно однородные функции

Функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}):\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }$  называется ограниченно однородной с показателем однородности  ${\displaystyle q}$  относительно множества положительных вещественных чисел  ${\displaystyle \Lambda }$  (называемого множеством однородности), если для всех  ${\displaystyle {\vec {x}}\in \mathbb {R} ^{n}}$  и для всех  ${\displaystyle \lambda \in \Lambda }$  справедливо тождество

${\displaystyle f(\lambda {\vec {x}})=\lambda ^{q}f({\vec {x}}).}$

Множество однородности  ${\displaystyle \Lambda }$  всегда содержит в себе единицу. Множество однородности  ${\displaystyle \Lambda }$  не может включать в себя сколь угодно малый непрерывный отрезок  ${\displaystyle \lambda \in \left[\lambda _{0}-\varepsilon ,\lambda _{0}+\varepsilon \right]}$ — в противном случае ограниченно однородная функция оказывается обычной однородной функцией (см. далее раздел «Некоторые функциональные уравнения, связанные с однородными функциями»). Поэтому интерес представляют те ограниченно однородные функции, у которых  ${\displaystyle \Lambda \neq \{1\}}$  и у которых множество однородности  ${\displaystyle \Lambda }$  сугубо дискретно.

Пример 1. Функция  ${\displaystyle f(x)=x^{q}\sin(\log |x|)}$  является ограниченно однородной с показателем однородности  ${\displaystyle q}$  относительно множества  ${\displaystyle \Lambda =\{e^{2\pi m}\},}$  где  ${\displaystyle m}$ — целые числа.

Пример 2. Функция  ${\displaystyle f(x,y,z)=(x^{2}+2y^{2}+3z^{2})^{q/2}\cos(\log {\sqrt {x^{2}-xy+y^{2}}})}$  является ограниченно однородной с показателем однородности  ${\displaystyle q}$  относительно множества  ${\displaystyle \Lambda =\{e^{2\pi k}\},}$  где  ${\displaystyle k}$ — целые числа.

Теорема. Чтобы функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n}),}$  определённая при  ${\displaystyle x_{1}>0,}$  была ограниченно однородной с порядком однородности  ${\displaystyle q,}$  необходимо и достаточно, чтобы она имела вид

 ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=x_{1}^{q}\cdot H(\log x_{1},x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},\ldots ,x_{n}/x_{1}),}$ 

где  ${\displaystyle H(y,t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n})}$ — функция, периодическая по переменной  ${\displaystyle y}$  с по крайней мере одним периодом, не зависящим от  ${\displaystyle t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n}.}$  В таком случае множество однородности  ${\displaystyle \Lambda }$  состоит из чисел  ${\displaystyle \{e^{Y_{k}}\},}$  где  ${\displaystyle Y_{k}}$ — периоды функции  ${\displaystyle H(y,t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n}),}$  не зависящие от  ${\displaystyle t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n}.}$ 

Доказательство. Достаточность проверяется непосредственно, надо доказать необходимость. Сделаем замену переменных

 ${\displaystyle x_{1},x_{2},...,x_{n}\to x_{1},t_{2},...,t_{n},}$  где  ${\displaystyle t_{k}=x_{k}/x_{1},}$ 

так что  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=g(x_{1},t_{2},...,t_{n}).}$  Если теперь рассмотреть функцию  ${\displaystyle h(x_{1},t_{2},...,t_{n})=g(x_{1},t_{2},...,t_{n})/x_{1}^{q},}$  то из условия однородности получаем для всех допустимых  ${\displaystyle x_{1}}$  равенство

 ${\displaystyle h(\lambda x_{1},t_{2},...,t_{n})=h(x_{1},t_{2},t_{3},...,t_{n}),}$ 

которое будет справедливым, когда  ${\displaystyle \lambda \in \Lambda .}$  Если только множество  ${\displaystyle \Lambda }$  не состоит из одной лишь единицы, то после замены  ${\displaystyle x_{1}=\exp(y)}$  функция

 ${\displaystyle H(y,t_{2},...,t_{n})=H(\log x_{1},t_{2},...,t_{n})=h(x_{1},t_{2},...,t_{n})}$ 

оказывается периодической по переменной  ${\displaystyle y}$  с ненулевым периодом  ${\displaystyle \log \lambda }$  для любого выбранного фиксированным образом  ${\displaystyle \lambda \in \Lambda ,}$  поскольку из приведённого выше равенства следует соотношение

 ${\displaystyle H(\log x_{1}+\log \lambda ,t_{2},...,t_{n})=H(\log x_{1},t_{2},...,t_{n}).}$ 

Очевидно, что выбранное фиксированное значение ${\displaystyle \log \lambda }$  будет периодом функции  ${\displaystyle H(y,t_{2},...,t_{n})}$  сразу при всех  ${\displaystyle t_{2},...,t_{n}.}$ 

Следствия:

1. Если имеется наименьший положительный период  ${\displaystyle Y>0,}$  не зависящий от  ${\displaystyle t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n},}$  то множество однородности  ${\displaystyle \Lambda }$  имеет вид  ${\displaystyle \{e^{mY}\},}$  где  ${\displaystyle m=0,\pm 1,\pm 2,\dots }$ — произвольные целые числа. (Если  ${\displaystyle Y}$ — наименьший положительный период функции  ${\displaystyle H(y,...),}$  то и все  ${\displaystyle Y_{m}=mY}$ — её периоды, поэтому числа  ${\displaystyle \{e^{mY}\}}$  будут входить в множество однородности. Если же найдётся такое значение однородности  ${\displaystyle \lambda _{*}=e^{Y_{*}},}$  что  ${\displaystyle e^{mY}<e^{Y_{*}}<e^{(m+1)Y},}$  то  ${\displaystyle Y_{*}-mY}$  окажется положительным периодом, не зависящим от  ${\displaystyle t_{2},...,t_{n},}$  который будет меньше, чем  ${\displaystyle Y.}$ )
2. Если функция  ${\displaystyle H(y,\ldots )}$ — это константа по переменной  ${\displaystyle y,}$  то у неё нет наименьшего положительного периода (любое положительное число является её периодом). В этом случае  ${\displaystyle H(y,\ldots )}$  не зависит от переменной  ${\displaystyle y,}$  и функция
       ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=x_{1}^{q}\cdot H(x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},\ldots ,x_{n}/x_{1})}$ 
   — это обычная положительно однородная функция (по меньшей мере). Множество однородности  ${\displaystyle \Lambda }$  в этом случае — вся положительная полуось  ${\displaystyle \lambda >0}$  (по меньшей мере).
3. Возможны экзотические случаи, когда у периодической функции  ${\displaystyle H(y,...)}$  не имеется наименьшего положительного периода, но при этом она и не является константой. Например, у функции Дирихле, равной 1 в рациональных точках и равной 0 в иррациональных точках, периодом является любое рациональное число. В таком случае множество однородности  ${\displaystyle \Lambda }$  может иметь достаточно сложную структуру. Однако если при каждом наборе значений  ${\displaystyle t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n}}$  у периодической функции  ${\displaystyle H(y,...)}$  есть предел по переменной  ${\displaystyle y}$  хотя бы в одной точке, эта функция либо имеет наименьший положительный период (а все остальные периоды — кратные наименьшего положительного периода), либо является константой по переменной  ${\displaystyle y.}$ 
4. Ограниченно однородные функции, определённые при  ${\displaystyle x<0,}$  имеют вид
       ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=(-x_{1})^{q}\cdot H(\log(-x_{1}),x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},\ldots ,x_{n}/x_{1})}$ 
   с надлежащим образом выбранной функцией  ${\displaystyle H(y,t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n}),}$  периодической по переменной  ${\displaystyle y.}$ 
5. Ограниченно однородные функции, определённые на всей числовой оси за вычетом точки  ${\displaystyle x=0,}$  имеют вид
       ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},...,x_{n})=|x_{1}|^{q}\cdot H_{\pm }(\log |x_{1}|,x_{2}/x_{1},x_{3}/x_{1},\ldots ,x_{n}/x_{1}),}$ 
   с надлежащим образом выбранной функцией  ${\displaystyle H_{\pm }(y,t_{2},t_{3},\ldots ,t_{n}),}$  периодической по переменной  ${\displaystyle y}$  (где обозначение  ${\displaystyle H_{\pm }(\ldots )}$  подчёркивает, что для интервала значений  ${\displaystyle x_{1}>0}$  и для интервала значений  ${\displaystyle x_{1}<0}$  выбираются, вообще говоря, разные периодические функции ${\displaystyle H(y)}$, каждая с областью определения ${\displaystyle y\in (-\infty ,+\infty )}$, но обязательно имеющие при этом один и тот же период).
6. Формула  ${\displaystyle f(x_{1},...,x_{n})=x_{1}^{q}\cdot H(\log |x_{1}|,x_{2}/x_{1},\ldots ,x_{n}/x_{1}),}$  является универсальной, но не отражает равноправность всех переменных. Можно представить функцию  ${\displaystyle H(y,t_{2},\dots ,t_{n}\ldots )}$  как  ${\displaystyle G\left(w\cdot y+\log W(t_{2},\dots ,t_{n}),t_{2},\dots ,t_{n}\right),}$  где период функции  ${\displaystyle G\left(t,t_{2},\dots ,t_{n}\right)}$  равен  ${\displaystyle 2\pi ,}$  нормировочный множитель  ${\displaystyle w}$  не зависит от  ${\displaystyle t_{2},\dots ,t_{n},}$  а функция  ${\displaystyle W(t_{2},\dots ,t_{n})}$  выбрана фиксированной. При такой записи ограниченно однородные функции приобретают вид
       ${\displaystyle f(x_{1},...,x_{n})=F(\log Q(x_{1},\ldots ,x_{n}),x_{1},\ldots ,x_{n}),}$ 
   где  ${\displaystyle F(y,x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})}$ — однородная функция с показателем однородности  ${\displaystyle q}$  по переменным  ${\displaystyle x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}}$  и периодическая с периодом  ${\displaystyle 2\pi }$  по переменной  ${\displaystyle y,}$   ${\displaystyle Q(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}),}$ — фиксированная однородная функция с показателем однородности  ${\displaystyle w}$  по переменным  ${\displaystyle x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n},}$  а множество однородности имеет вид  ${\displaystyle \Lambda =\{e^{2\pi m/w}\},}$  где  ${\displaystyle m=0,\pm 1,\pm 2,\dots }$ — произвольные целые числа.
7. Разлагая периодическую функцию  ${\displaystyle F(y,x_{1},\ldots ,x_{n})}$  из предыдущего пункта в ряд Фурье, можно получить выражение
       ${\displaystyle A_{0}(x_{1},\ldots ,x_{n})+\sum A_{k}(x_{1},\ldots ,x_{n})\cos k\log Q(x_{1},\ldots ,x_{n})+B_{k}(x_{1},\ldots ,x_{n})\sin k\log Q(x_{1},\ldots ,x_{n}),}$ 
   где  ${\displaystyle A_{k}(x_{1},\ldots ,x_{n})}$  и  ${\displaystyle B_{k}(x_{1},\ldots ,x_{n})}$ — произвольные однородные функции с показателем однородности  ${\displaystyle q,}$   ${\displaystyle Q(x_{1},\ldots ,x_{n})}$ — произвольным образом фиксированная однородная функция с показателем однородности  ${\displaystyle w,}$  а множество однородности  ${\displaystyle \Lambda =\{e^{mY}\},}$  записано как  ${\displaystyle \Lambda =\{e^{2\pi m/w}\},}$  где  ${\displaystyle m}$ — целые числа. Эта формула является самым общим способом записи для кусочно-непрерывных ограниченно однородных функций с порядком однородности  ${\displaystyle q}$  и множеством однородности  ${\displaystyle \Lambda =\{e^{2\pi m/w}\}.}$  В частности, замена фиксированной функции  ${\displaystyle Q(x_{1},\ldots ,x_{n})}$  на набор произвольных однородных функций  ${\displaystyle Q_{k}(x_{1},\ldots ,x_{n})}$  не прибавит данной формуле общности, но лишь разнообразит форму представления для одной и той же ограниченно однородной функции.

Библиография: Konrad Schlude, Bemerkung zu beschränkt homogenen Funktionen. — Elemente der Mathematik 54 (1999).

Источник информации: J.Pahikkala. Boundedly homogeneous function Архивная копия от 23 августа 2012 на Wayback Machine (PlanetMath.org).

Присоединённые однородные функции

[раздел пока не написан]

Источник: И. М. Гельфанд, З. Я. Шапиро. Однородные функции и их приложения. Успехи математических наук, т. 10 (1955) вып. 3, стр. 3—70.

Взаимно однородные функции

[раздел пока не написан]

Источник: И. М. Гельфанд, З. Я. Шапиро. Однородные функции и их приложения. Успехи математических наук, т. 10 (1955) вып. 3, стр. 3—70.

Некоторые функциональные уравнения, связанные с однородными функциями

1. Пусть

 ${\displaystyle f\left(\lambda x_{1},\lambda x_{2},\dots ,\lambda x_{n}\right)=C\left(\lambda \right)f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ 

при некоторой функции  ${\displaystyle C\left(\lambda \right)}$  на интервале  ${\displaystyle \lambda \in \left[\lambda _{0}-\varepsilon ,\lambda _{0}+\varepsilon \right].}$  Какова должна быть функция  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)?}$ 

Решение. Продифференцируем обе стороны этого соотношения по  ${\displaystyle \lambda .}$  Получим

 ${\displaystyle x_{1}{\frac {\partial f(\lambda x_{1},\dots ,\lambda x_{n})}{\partial (\lambda x_{1})}}+x_{2}{\frac {\partial f(\lambda x_{1},\dots ,\lambda x_{n})}{\partial (\lambda x_{2})}}+\dots +x_{n}{\frac {\partial f(\lambda x_{1},\dots ,\lambda x_{n})}{\partial (\lambda x_{n})}}={\frac {\partial C\left(\lambda \right)}{\partial \lambda }}f(x_{1},\dots ,x_{n}).}$ 

Продифференцируем обе стороны этого же соотношения по  ${\displaystyle x_{k},}$  получим соотношения

 ${\displaystyle \lambda {\frac {\partial f(\lambda x_{1},\dots ,\lambda x_{n})}{\partial (\lambda x_{k})}}=C\left(\lambda \right){\frac {\partial f(x_{1},\dots ,x_{n})}{\partial x_{k}}}.}$ 

Отсюда

 ${\displaystyle {\frac {1}{f(x_{1},\dots ,x_{n})}}\left(x_{1}{\frac {\partial f(x_{1},\dots ,x_{n})}{\partial x_{1}}}+\dots +x_{n}{\frac {\partial f(x_{1},\dots ,x_{n})}{\partial x_{n}}}\right)={\frac {\lambda }{C\left(\lambda \right)}}{\frac {\partial C\left(\lambda \right)}{\partial \lambda }}.}$ 

Правая часть зависит только от  ${\displaystyle \lambda ,}$  левая часть зависит только от  ${\displaystyle x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}}$  Значит, они обе равны одной и той же константе, которую обозначим через  ${\displaystyle q.}$  Из условия  ${\displaystyle {\frac {\lambda }{C\left(\lambda \right)}}{\frac {\partial C\left(\lambda \right)}{\partial \lambda }}=q}$  и условия  ${\displaystyle C\left(1\right)=1}$  следует, что  ${\displaystyle C\left(\lambda \right)=\lambda ^{q}.}$  Следовательно,  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ — однородная функция с параметром однородности ${\displaystyle q.}$  Вырожденные случаи ${\displaystyle C\left(\lambda \right)\equiv 0}$  и ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)\equiv 0}$  рассматриваются отдельно и интереса не представляют.

Примечание. Не обязательно использовать условие  ${\displaystyle C\left(1\right)=1,}$  вообще говоря, изначально не заданное, а также принудительно рассматривать функцию  ${\displaystyle C\left(\lambda \right)}$  за пределами интервала  ${\displaystyle \lambda \in \left[\lambda _{0}-\varepsilon ,\lambda _{0}+\varepsilon \right].}$ . Из равенства

 ${\displaystyle {\frac {1}{f}}\left(x_{1}{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}+x_{2}{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}+\dots +x_{n}{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}\right)=q}$ 

согласно теореме Эйлера об однородных функциях также следует, что  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ — однородная функция с параметром однородности ${\displaystyle q.}$  Отсюда, в частности, следует, что если соотношение однородности справедливо для некоторого интервала  ${\displaystyle \lambda \in \left[\lambda _{0}-\varepsilon ,\lambda _{0}+\varepsilon \right],}$  то оно справедливо при всех  ${\displaystyle \lambda >0.}$ 

2. Пусть

 ${\displaystyle f\left(\lambda x_{1},\lambda x_{2},\dots ,\lambda x_{n}\right)=Cf\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$ 

при некоторых фиксированных значениях  ${\displaystyle C\neq 0,}$   ${\displaystyle \lambda \neq 1}$  и произвольных  ${\displaystyle x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}.}$  Какова должна быть функция  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)?}$ 

Решение. Если  ${\displaystyle x_{1}=0,}$  то задача сводится к функциональному уравнению меньшей размерности

 ${\displaystyle f\left(0,\lambda x_{2},\dots ,\lambda x_{n}\right)=Cf\left(0,x_{2},\dots ,x_{n}\right),}$ 

пока не сведётся к случаю  ${\displaystyle f\left(0,0,\dots ,0\right)=Cf\left(0,0,\dots ,0\right)}$  с очевидным ответом ${\displaystyle f\left(0,0,\dots ,0\right)=0.}$  Поэтому далее можно рассматривать только случай  ${\displaystyle x_{1}\neq 0.}$ 

Сделаем замену переменных  ${\displaystyle x_{1}=y,}$   ${\displaystyle x_{2}=t_{2}\cdot y,}$   ${\displaystyle x_{3}=t_{3}\cdot y,}$   ${\displaystyle x_{n}=t_{n}\cdot y.}$  Тогда  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})\to F(y,t_{2},\dots ,t_{n})}$  и функциональное уравнение принимает вид

 ${\displaystyle F\left(\lambda y,t_{2},\dots ,t_{n}\right)=CF\left(y,t_{2},\dots ,t_{n}\right).}$ 

Следует отдельно рассматривать случаи  ${\displaystyle C>0}$  и  ${\displaystyle C<0,}$   ${\displaystyle \lambda >0}$  и  ${\displaystyle \lambda <0,}$   ${\displaystyle y>0}$  и  ${\displaystyle y<0.}$  Пусть  ${\displaystyle C>0,}$   ${\displaystyle \lambda >0}$  и  ${\displaystyle y>0.}$  Тогда после логарифмирования обеих частей равенства и замены  ${\displaystyle \log y\to t,}$   ${\displaystyle \log F(y,\dots )\to \Phi (t,\dots )}$  получаем условие

 ${\displaystyle \Phi \left(t+\log \lambda ,\dots \right)=\log C+\Phi \left(t,\dots \right),}$ 

откуда следует, что  ${\displaystyle \Phi \left(t,\dots \right)}$  имеет вид  ${\displaystyle \Omega \left(t,\dots \right)+{\frac {\log C}{\log \lambda }}t,}$  где  ${\displaystyle \Omega \left(t,\dots \right)}$ — функция, периодическая по переменной  ${\displaystyle t}$  с периодом  ${\displaystyle \log \lambda .}$  Обратное очевидно: функция

 ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)=\Omega \left(\log x_{1},{\frac {x_{2}}{x_{1}}},\dots {\frac {x_{n}}{x_{1}}}\right)\exp \left({\frac {\log C\cdot \log x_{1}}{\log \lambda }}\right),}$ 

где  ${\displaystyle \Omega \left(t,\dots \right)}$ — функция, периодическая по переменной  ${\displaystyle t}$  с периодом  ${\displaystyle \log \lambda ,}$  удовлетворяет требуемому функциональному соотношению для  ${\displaystyle x_{1}>0.}$ 

Для полуоси  ${\displaystyle x_{1}<0}$  используется замена  ${\displaystyle \log(-y)\to t}$  и после аналогичных рассуждений получаем окончательный ответ:

а) если  ${\displaystyle x_{1}>0}$  то  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)=\Omega _{+}\left(\log(+x_{1}),x_{2}/x_{1},\dots x_{n}/x_{1}\right)\exp \left({\frac {\log C\cdot \log(+x_{1})}{\log \lambda }}\right),}$ 

б) если  ${\displaystyle x_{1}<0}$  то  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)=\Omega _{-}\left(\log(-x_{1}),x_{2}/x_{1},\dots x_{n}/x_{1}\right)\exp \left({\frac {\log C\cdot \log(-x_{1})}{\log \lambda }}\right),}$ 

или, в сокращённой форме

 ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)=\Omega _{\pm }\left(\log |x_{1}|,{\frac {x_{2}}{x_{1}}},\dots {\frac {x_{n}}{x_{1}}}\right)\exp \left({\frac {\log C\cdot \log |x_{1}|}{\log \lambda }}\right),}$ 

где обозначение  ${\displaystyle \Omega _{\pm }\left(\log |x_{1}|,\dots \right)}$  подчёркивает, что при  ${\displaystyle x_{1}>0}$  и при  ${\displaystyle x_{1}<0}$ это, вообще говоря, две разные периодические функции  ${\displaystyle \Omega _{+}\left(t,\dots \right)}$ и  ${\displaystyle \Omega _{-}\left(t,\dots \right)}$, каждая с областью определения  ${\displaystyle t\in (-\infty ,+\infty )}$ и разными значениями для этой области, но при этом с одинаковым периодом. 

Случай  ${\displaystyle C<0,}$   ${\displaystyle \lambda >0}$  упрощается тем, что из цепочки соотношений

 ${\displaystyle F\left(\lambda ^{2}y,t_{2},\dots ,t_{n}\right)=CF\left(\lambda y,t_{2},\dots ,t_{n}\right)=C^{2}F\left(y,t_{2},\dots ,t_{n}\right)}$ 

следует уже рассмотренный нами случай. Поэтому функция  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$  может быть записана как

 ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)=\Omega _{\pm }\left(\log |x_{1}|,{\frac {x_{2}}{x_{1}}},\dots {\frac {x_{n}}{x_{1}}}\right)\exp \left({\frac {\log |C|\cdot \log |x_{1}|}{\log \lambda }}\right),}$ 

где  ${\displaystyle \Omega _{\pm }\left(t,\dots \right)}$ — некоторая функция, периодическая по переменной  ${\displaystyle t}$  с периодом  ${\displaystyle 2\log \lambda .}$  Подстановка этого выражения в исходное уравнение показывает, что  ${\displaystyle \Omega _{\pm }\left(t,\dots \right)}$ — не просто периодическая функция с периодом  ${\displaystyle 2\log \lambda ,}$  но анти-периодическая с периодом  ${\displaystyle \log \lambda :}$ 

 ${\displaystyle \Omega _{\pm }\left(t+\log \lambda ,\dots \right)=-\Omega _{\pm }\left(t,\dots \right)}$ 

(очевидным образом анти-периодичность с периодом  ${\displaystyle \log \lambda }$  влечёт за собой периодичность с периодом  ${\displaystyle 2\log \lambda }$). Обратное очевидно: указанная формула с анти-периодической функцией  ${\displaystyle \Omega _{\pm }\left(t,\dots \right)}$  удовлетворяет требуемому функциональному уравнению.

Случай  ${\displaystyle \lambda <0}$  имеет дополнительную особенность, что полуоси  ${\displaystyle y<0}$  и  ${\displaystyle y>0}$  влияют друг на друга. Рассмотрим случай ${\displaystyle y>0.}$  Тогда из цепочки соотношений

 ${\displaystyle F\left(\lambda ^{2}y,t_{2},\dots ,t_{n}\right)=CF\left(\lambda y,t_{2},\dots ,t_{n}\right)=C^{2}F\left(y,t_{2},\dots ,t_{n}\right)}$ 

следует, что при  ${\displaystyle x_{1}>0}$  функция  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$  должна иметь вид

 ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)=\Omega \left(\log |x_{1}|,{\frac {x_{2}}{x_{1}}},\dots {\frac {x_{n}}{x_{1}}}\right)\exp \left({\frac {\log |C|\cdot \log |x_{1}|}{\log |\lambda |}}\right),}$ 

где  ${\displaystyle \Omega \left(t,\dots \right)}$ — функция, периодическая по переменной  ${\displaystyle t}$  с периодом  ${\displaystyle 2\log |\lambda |}$  и областью определения  ${\displaystyle t\in (-\infty ,+\infty ).}$  Поскольку  ${\displaystyle \lambda <0,}$  то каждой положительной точке  ${\displaystyle x_{1}>0}$  взаимно-однозначно соответствует отрицательная точка  ${\displaystyle \lambda x_{1}<0}$  со значением функции, равным  ${\displaystyle Cf\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right).}$ . В результате с учётом периодичности функции  ${\displaystyle \Omega \left(t,\dots \right)}$  функция  ${\displaystyle f\left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)}$  вычисляется как

а) при  ${\displaystyle x_{1}>0:}$   ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})=\Omega \left(\log |x_{1}|,{\frac {x_{2}}{x_{1}}},\dots {\frac {x_{n}}{x_{1}}}\right)\exp \left({\frac {\log |C|\cdot \log |x_{1}|}{\log |\lambda |}}\right),}$ 

б) при  ${\displaystyle x_{1}<0:}$   ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})=sign(C)\cdot \Omega \left(\log |x_{1}|+\log |\lambda |,{\frac {x_{2}}{x_{1}}},\dots {\frac {x_{n}}{x_{1}}}\right)\exp \left({\frac {\log |C|\cdot \log |x_{1}|}{\log |\lambda |}}\right),}$ 

где  ${\displaystyle \Omega \left(t,\dots \right)}$ — функция, периодическая по переменной  ${\displaystyle t}$  с периодом  ${\displaystyle 2\log |\lambda |.}$  Как легко проверить, определённая подобным образом функция  ${\displaystyle f(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})}$  для случая  ${\displaystyle \lambda <0}$  действительно удовлетворяет нужному функциональному уравнению как при  ${\displaystyle x_{1}>0,}$  так и при  ${\displaystyle x_{1}<0.}$ 

Примечание. Если некоторая функция удовлетворяет указанному функциональному уравнению при некоторых  ${\displaystyle C_{0},\lambda _{0},}$  то легко заметить, что она удовлетворяет этому же функциональному уравнению и при других наборах значений  ${\displaystyle \left(C,\lambda \right).}$  Так, для случая  ${\displaystyle C_{0}>0,\lambda _{0}>0}$  множеством таких пар будут  ${\displaystyle \lambda _{k}=\lambda _{0}^{k/m},}$   ${\displaystyle C_{k}=C_{0}^{k/m}}$  при любых ненулевых целочисленных значениях  ${\displaystyle k=\pm 1,\pm 2,\dots ,}$  где целое число  ${\displaystyle m}$  выбрано так, чтобы величина  ${\displaystyle |\log \lambda _{0}|/m}$  была наименьшим положительным периодом для функции  ${\displaystyle \Omega _{\pm }\left(t,\dots \right).}$  Введя обозначение  ${\displaystyle q=\log C_{0}/\log \lambda _{0}}$  так что  ${\displaystyle C_{0}=\lambda _{0}^{q},}$  получим условие  ${\displaystyle C_{k}\equiv \left(\lambda _{k}\right)^{q},}$  соответствующее ограниченно однородным функциям. Замена  ${\displaystyle \exp \left({\frac {\log C\cdot \log x_{1}}{\log \lambda }}\right)\to x_{1}^{q}}$  приводит представление ограниченно однородных функций к привычному виду.

3. Дополнительные функциональные уравнения имеются в разделах «Присоединённые однородные функции» и «Взаимно однородные функции» этой статьи.

Однородные обобщённые функции

Обобщённые функции или распределения определяются как линейные непрерывные функционалы, заданные на пространстве «достаточно хороших» функций. В случае однородных обобщённых функций в качестве «достаточно хороших» функций удобно использовать пространство  ${\displaystyle \mathbb {S} }$  функций  ${\displaystyle \varphi (x)=\varphi (x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}),}$  имеющих производные любого порядка и при  ${\displaystyle \left|x\right|\to \infty }$  убывающих быстрее любой степени  ${\displaystyle {\frac {1}{\left|x\right|}}.}$  При этом любой обычной функции ${\displaystyle f(x)}$,  интегрируемой в любой конечной области, ставится в соответствие функционал

${\displaystyle T_{f}\left[\varphi \right]=\int _{-\infty }^{+\infty }f(x)\varphi (x)dx,}$

определённый в пространстве  ${\displaystyle \varphi \in \mathbb {S} }$  и являющийся очевидным образом линейным и непрерывным. Обобщённые функции позволяют упростить рассмотрение многих вопросов анализа (так, всякая обобщённая функция имеет производные любого порядка, допускает преобразование Фурье и т. д.), а также узаконить такие экзотические объекты, как  ${\displaystyle \delta }$-функция и её производные.

Для обычных интегрируемых функций  ${\displaystyle f(x_{1},\dots ,x_{n}),}$  являющихся однородными с показателем однородности  ${\displaystyle q,}$  справедливо легко проверяемое тождество

${\displaystyle T_{f}\left[\varphi \left({\frac {x_{1}}{\lambda }},{\frac {x_{2}}{\lambda }},\dots ,{\frac {x_{n}}{\lambda }}\right)\right]=\lambda ^{q+n}T_{f}\left[\varphi \left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)\right].\qquad \qquad \qquad (**)}$

Данное тождество принимается за определение обобщённой однородной функции: однородная обобщённая функция с показателем однородности  ${\displaystyle q}$  (вообще говоря, комплексным) есть линейный непрерывный функционал, определённый в пространстве  ${\displaystyle \varphi \in \mathbb {S} }$  и удовлетворяющий тождеству (**).

Похожим способом определяются присоединённые однородные обобщённые функции. Присоединённая однородная обобщённая функция  ${\displaystyle T_{k}\left[\varphi \right]}$  порядка  ${\displaystyle k}$  с показателем однородности  ${\displaystyle q}$ — это линейный непрерывный функционал, для всякого  ${\displaystyle \lambda >0}$  удовлетворяющий соотношению

${\displaystyle T_{k}\left[\varphi \left({\frac {x_{1}}{\lambda }},{\frac {x_{2}}{\lambda }},\dots ,{\frac {x_{n}}{\lambda }}\right)\right]=\lambda ^{q+n}T_{k}\left[\varphi \left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)\right]+\lambda ^{q+n}\log \lambda \cdot T_{k-1}\left[\varphi \left(x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}\right)\right],}$

где  ${\displaystyle T_{k-1}\left[\varphi \right]}$ — это некоторая присоединённая однородная обобщённая функция  ${\displaystyle (k-1)}$ —го порядка с показателем однородности  ${\displaystyle q.}$  Присоединённая однородная обобщённая функция нулевого порядка  с показателем однородности  ${\displaystyle q}$ — это обычная однородная обобщённая функция с показателем однородности  ${\displaystyle q.}$ 

Пример. Обобщённая функция  ${\displaystyle \delta (x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})}$ — однородная обобщённая функция с показателем однородности  ${\displaystyle (-n)}$  поскольку  ${\displaystyle \delta [\varphi ({x_{1}}/\lambda ,{x_{2}}/\lambda ,\dots ,{x_{n}}/\lambda )]=\varphi (0,0,\dots ,0)=\delta [\varphi (x_{1},x_{2},\dots ,x_{n})].}$ 

Исследование однородных обобщённых функций позволяет придать содержательный смысл интегралам с сингулярными особенностями, в обычном смысле не интегрируемыми. Например, рассмотрим обобщённую функцию  ${\displaystyle T_{q}^{+}\left[\varphi \right]=\int _{0}^{+\infty }x^{q}\varphi (x)dx.}$  Этот функционал определён при  ${\displaystyle Re(q)>-1}$  и, как легко проверить, является однородной обобщённой функцией с показателем однородности  ${\displaystyle q.}$  Величину  ${\displaystyle T_{q}^{+}}$  при фиксированном выборе пробной функции  ${\displaystyle \varphi \left(x\right)}$  можно рассматривать как функцию комплексного переменного  ${\displaystyle q}$  и, вообще говоря, аналитически продолжить её вне данного диапазона. А именно, правая и левая части равенства

 ${\displaystyle \int _{0}^{+\infty }x^{q}\varphi (x)dx=\int _{1}^{+\infty }x^{q}\varphi (x)dx+\int _{0}^{1}x^{q}\left(\varphi (x)-\sum _{k=0,n}x^{k}{\frac {\varphi ^{(k)}(0)}{k!}}\right)dx+\sum _{k=0,n}{\frac {\varphi ^{(k)}(0)}{k!(q+k+1)}},}$ 

аналитичны по переменной  ${\displaystyle q}$  и тождественно равны друг другу при  ${\displaystyle Re(q)>-1.}$  Однако правая часть равенства имеет смысл и аналитична также и при  ${\displaystyle Re(q)>-n.}$  В силу этого правая часть равенства — это аналитическое продолжение левой части равенства для  ${\displaystyle Re(q)>-n.}$  Как результат, равенство

 ${\displaystyle T_{q}^{+}[\varphi (x)]=\int _{1}^{+\infty }x^{q}\varphi (x)dx+\int _{0}^{1}x^{q}\left(\varphi (x)-\sum _{k=0,n}x^{k}{\frac {\varphi ^{(k)}(0)}{k!}}\right)dx+\sum _{k=0,n}{\frac {\varphi ^{(k)}(0)}{k!(q+k+1)}},}$ 

задаёт линейный непрерывный функционал, являющийся расширением определённого ранее функционала  ${\displaystyle T_{q}^{+}}$  вплоть до значений  ${\displaystyle Re(q)>-n.}$  Формулы для  ${\displaystyle Re(q)>-n}$  и для  ${\displaystyle Re(q)>-m}$  дают один и тот же результат при одинаковых значениях  ${\displaystyle q,}$  при которых они обе имеют смысл: это определение непротиворечиво. Обобщённая функция  ${\displaystyle T_{q}^{+},}$  определённая теперь для всех  ${\displaystyle q,}$ , по-прежнему является однородной обобщённой функцией, поскольку соотношение однородности сохраняется при аналитическом продолжении.

С помощью  ${\displaystyle T_{q}^{+}\left[\varphi \right]}$  определятся регуляризированные значения интеграла  ${\displaystyle \int _{0}^{+\infty }x^{q}\varphi (x)dx,}$  имеющие смысл при любых комплексных  ${\displaystyle q.}$  Исключениями являются целочисленные значения  ${\displaystyle q=-1,-2,\dots ,-n,\dots ,}$  где регуляризированный интеграл является сингулярным: функционал  ${\displaystyle T_{q}^{+}\left[\varphi \right]}$  как функция переменной  ${\displaystyle q}$  в точке  ${\displaystyle q=-n}$  имеет простой полюс с вычетом  ${\displaystyle \varphi ^{(n-1)}(0)/(n-1)!.}$ 

По той же схеме может быть аналитически продолжена для  ${\displaystyle Re(q)\leq -1}$  присоединённая однородная функция  ${\displaystyle T_{p,q}^{+}\left[\varphi \right]=\int _{0}^{+\infty }x^{q}\log ^{p}(x)\varphi (x)dx.}$  С её помощью определяются регуляризированные значения для интегралов  ${\displaystyle \int _{0}^{+\infty }x^{q}\log ^{p}(x)\varphi (x)dx,}$  имеющие смысл при  ${\displaystyle Re(q)\leq -1.}$ 

Аналогичным, но более сложным образом конструируются однородные обобщённые функции и присоединённые однородные обобщённые функции для случая  ${\displaystyle n}$  переменных. Подробности могут быть найдены в цитируемой здесь библиографии. Теория однородных обобщённых функций позволяет конструктивно осмыслить применительно к пространству обобщённых функций обычные функции, имеющие неинтегрируемые особенности — вычислять интегралы от таких функций, находить их преобразование Фурье и т. д.

Библиография: И. М. Гельфанд, З. Я. Шапиро. Однородные функции и их приложения. Успехи математических наук, т. 10 (1955) вып. 3, стр. 3—70.

См. также

• Однородный многочлен
• Однородное уравнение
• Однородное дифференциальное уравнение
• Однородные координаты