luận văn tốt nghiệp ĐHSP: Một số tính chất hàm lồi và ứng dụng

luận văn tốt nghiệp ĐHSP: Một số tính chất hàm lồi và ứng dụng

ĐẠI HỌC HUẾTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM    TRẦN NGỌC ĐỨC TOÀNMỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA HÀM LỒIVÀ ỨNG DỤNGChuyên ngành: Giải tíchKHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆPCán bộ hướng dẫnTS. TRƯƠNG VĂN THƯƠNGHuế, tháng 5 năm 2011i LỜI CẢM ƠNKhóa luận này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn nhiệt tình, chuđáo của TS Trương Văn Thương. Tôi xin phép được gửi đến Thầy sự kínhtrọng và lòng biết ơn sâu sắc về sự tận tâm của Thầy đối với bản thân tôikhông những trong thời gian làm khóa luận mà còn trong suốt quá trìnhhọc tập.Tôi cũng xin phép được gửi lời cám ơn chân thành đến quý Thầy côđã giảng dạy lớp Toán B trường ĐHSP Huế cũng như toàn thể quý thầycô Khoa Toán trường ĐHSP Huế, những người đã cho tôi kiến thức, quantâm động viên, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũngnhư trong thời gian thực hiện đề tài.Cuối cùng, tôi xin phép được gửi lời cảm ơn đến những người thân,bạn bè đã quan tâm động viên giúp đỡ tôi trong suốt quãng đường họctập vừa qua.Huế, tháng 5 năm 2011Trần Ngọc Đức Toànii MỤC LỤCTrang phụ bìa iLời cảm ơn iiMỤC LỤC 1MỞ ĐẦU 21 KIẾN THỨC MỞ ĐẦU - HÀM LỒI VÀ HÀM LOGA-LỒI. 41.1 Kiến thức mở đầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Hàm lồi và hàm loga-lồi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN VÀ CÁC BẤT ĐẲNG THỨC LIÊN QUANĐẾN HÀM LỒI. 132.1 Một số tính chất cơ bản của hàm lồi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Các bất đẳng thức liên quan đến hàm lồi. . . . . . . . . . . . . . . . 313 MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA HÀM LỒI VÀ HÀM LOGA-LỒI 393.1 Tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hàm số. . . . . . . . . . . . . . 393.2 Tổng quan về lớp các hàm loga-lồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3 Hàm gamma và bất đẳng thức về hàm gamma . . . . . . . . . . . . . 433.4 Hàm zeta và bất đẳng thức về hàm zeta . . . . . . . . . . . . . . . . 463.5 Tích phân elliptic - Tích phân elliptic hoàn chỉnh dạng thứ nhất RK-Các bất đẳng thức liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49KẾT LUẬN 54TÀI LIỆU THAM KHẢO 551 MỞ ĐẦULý thuyết về các tập lồi và hàm lồi có một vị trí quan trọng trong toán học,nó liên quan đến hầu hết các ngành của toán học như giải tích hàm, hình học, toánkinh tế, giải tích lồi, tối ưu phi tuyến. . . Một cách tổng quát, có hai tính chất cơ bảncủa các hàm lồi làm cho chúng được sử dụng rộng rãi trong toán học lý thuyết vàtoán ứng dụng, đó là: tính chất đạt giá trị lớn nhất trên biên và bất kỳ cực tiểu địaphương nào cũng là cực tiểu trên tập xác định. Hơn nữa, một hàm lồi thực sự thìđiểm cực tiểu nếu có là duy nhất.Có sự tác động qua lại giữa giải tích và hình học trong việc nghiên cứu các hàmlồi. Hiện nay, người ta còn nghiên cứu một số lớp hàm liên quan như hàm loga-lồi,hàm lồi nhân tính, hàm siêu điều hòa và các hàm lồi theo nghĩa nhóm con của nhómtuyến tính.Có thể nói, nghiên cứu về tập lồi và các hàm lồi là một đề tài thú vị, nhậnđược sự quan tâm của nhiều nhà toán học. Các vấn đề liên quan đến hàm lồi khôngngừng nảy sinh và có nhiều kết quả đẹp, nhiều kết quả của hàm lồi được ứng dụngtrong toán học và trong thực tế. Khóa luận hướng đến việc trình bày một số vấn đềlý thuyết liên quan đến hàm lồi, khảo sát các ứng dụng của hàm lồi trong việc tìmgiá trị lớn nhất và nhỏ nhất, tìm hiểu một số kết quả mới về một số hàm lồi đặc biệtnhư hàm gamma, hàm zeta Riemann và tích phân elliptic, từ đó làm rõ thêm về đềtài thú vị này.Nội dung của khóa luận chia làm ba chương:Chương một đưa ra một số thuật ngữ và ký hiệu sẽ được dùng trong suốt khóaluận, nhắc lại một số kiến thức mở đầu để độc giả có thể theo dõi dễ dàng hơn trongphần sau. Định nghĩa và tính chất của tập lồi, định nghĩa của hàm lồi, hàm loga-lồivà ý nghĩa hình học của tính lồi cũng được giới thiệu.Chương hai trình bày một số vấn đề lý thuyết liên quan đến hàm lồi, từ cácphép toán đối với các hàm lồi đến tính liên tục, khả vi cấp một và cấp hai, giá trịnhỏ nhất và lớn nhất của hàm lồi. Phần cuối của chương được dành để nói về các bấtđẳng thức liên quan đến hàm lồi, đồng thời giới thiệu một số bất đẳng thức mới vềcác hàm lồi.Chương ba khảo sát một số ứng dụng của hàm lồi như việc tìm giá trị nhỏ nhất2 - lớn nhất, khảo sát lớp hàm loga-lồi. Thông qua việc tìm hiểu các hàm loga-lồi đặcbiệt, ta cũng sẽ tìm hiểu và thiết lập một vài bất đẳng thức liên quan đến lớp hàmnày.3 Chương 1KIẾN THỨC MỞ ĐẦU - HÀM LỒI VÀHÀM LOGA-LỒI.Trong chương này, chúng tôi nêu ra một số ký hiệu sẽ được dùng trong khóa luận, trìnhbày ngắn gọn các vấn đề lý thuyết làm cơ sở cho các vấn đề trình bày ở hai chương sau. Các vấnđề về sự tương đương giữa hai không gian tuyến tính định chuẩn, hàm số liên tục, hàm số khảvi, giá trị lớn nhất - nhỏ nhất và các bất đẳng thức liên quan đến tích phân, định lý giới hạndưới dấu tích phân cũng được nhắc lại. Ta cũng sẽ tìm hiểu sơ qua định nghĩa và các tính chấtcủa tập lồi. Phần cuối chương một chúng tôi tập trung mô tả các định nghĩa về hàm lồi trên mộttập, hàm loga-lồi cũng như đề cập đến ý nghĩa hình học về tính lồi của một hàm trên một khoảngcủa tập số thực.1.1 Kiến thức mở đầu.Trong mục 1.1 này, tác giả chỉ xin đưa ra một số thuật ngữ, khái niệm, tính chấtsẽ được sử dụng trong suốt khóa luận. Các khái niệm không gian tuyến tính, chuẩn,sự hội tụ, ánh xạ tuyến tính, ánh xạ song tuyến tính, số chiều, không gian Banach, sựđồng phôi, không gian topo, độ đo. . . độc giả có thể tìm thấy ở trong [2] và [1] hoặctrong bất kỳ giáo trình giải tích hàm nào.Trong khóa luận này, ta sẽ ký hiệu X, Y là không gian tuyến tính định chuẩn thực.Chuẩn của một phần tử x ∈ X sẽ được ký hiệu là x.Ta cũng sẽ ký hiệu I ⊂ R là một khoảng của tập số thực, B(x0, ) là hình cầu mởtâm x0bán kính , L(X, Y ) là tập hợp tất cả các ánh xạ tuyến tính liên tục từ Xvào Y .4 Các tập số cũng được ký hiệu như thường lệ:N : Tập hợp các số tự nhiên.N∗: Tập hợp các số nguyên dương.Z : Tập hợp các số nguyên.Q : Tập hợp các số hữu tỉ.R : Tập hợp các số thực.R+: Tập hợp các số thực không âm.R>: Tập hợp các số thực dương.C : Tập hợp các số phức.Để người đọc theo dõi khóa luận một cách thuận tiện, tôi xin đưa ra một số kháiniệm, định lý và tính chất sau. Bạn đọc có thể dễ dàng tìm thấy hoặc xem chứngminh một cách đầy đủ trong nhiều tài liệu giải tích hiện nay.1.1.1. Sự đồng phôi giữa các không gian định chuẩn.Định nghĩa 1.1.1. [2] Cho X và Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn. Một ánhxạ A: X → Y được gọi là một phép đồng phôi tuyến tính từ X lên Y nếu A là songánh tuyến tính, A liên tục và toán tử ngược A−1cũng liên tục.Khi đó người ta nói hai không gian tuyến tính định chuẩn X và Y là đồng phôi tuyếntính với nhau.Định nghĩa 1.1.2. [2] Cho (X,.1) và (X,.2) là hai không gian tuyến tính địnhchuẩn. Ta gọi hai chuẩn này là tương đương nếu ánh xạ đồng nhất id: (X,.1) →(X,.2) là phép đồng phôi tuyến tính.Ta có định lý:Định lý 1.1.1. [2] Tất cả các không gian định chuẩn n-chiều đều đồng phôi tuyếntính với nhau. Do đó, tất cả các không gian định chuẩn n-chiều đều đồng phôi tuyếntính với Rn.1.1.2. Ánh xạ liên tục.Định nghĩa 1.1.3. Cho X, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn, U là một tậpmở trong X và ánh xạ f : U → Y .Khi đó, f được gọi là liên tục tại x0nếu với mọi  > 0, tồn tại δ > 0 sao cho với mọix ∈ U, x − x0 < δ thì f(x) − f(x0) < .Nếu f liên tục tại mọi x0∈ U thì ta nói ánh xạ f liên tục trên U.5 Định nghĩa 1.1.4. [6] Cho U ⊂ X là một tập mở trong không gian tuyến tính địnhchuẩn X. Một hàm f : U → R được gọi là Lipschitz địa phương nếu với mỗi x ∈ U,có một lân cận B(x, ) của x và một số Kxđể bất đẳng thức|f(y) − f(z)| ≤ Kxy − z (1.1.1)đúng với mọi y, z ∈ B(x, ). Nếu bất đẳng thức (1.1.1) đúng với mọi phần tử của tậpV ⊆ U và K độc lập với x, ta nói f Lipschitz trên V .Nhận xét 1.1.2. Từ (1.1.1) ta suy ra f Lipschitz địa phương trên U thì hàm f liêntục trên U.1.1.3. Ánh xạ khả vi.Định nghĩa 1.1.5. [6] Cho X, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn, U là tập mởtrong X và ánh xạ f : U → Y . Khi đó f được gọi là khả vi tại x0nếu có một ánh xạtuyến tính A: X → Y sao cho với h đủ gần điểm 0 ta cóf(x0+ h) = f(x0) + Ah +h (x0, h),trong đó (x0, h) → 0 khi h → 0.Ánh xạ tuyến tính A được gọi là đạo hàm của ánh xạ f tại điểm x0và được ký hiệulà f(x0).Nếu ánh xạ f khả vi tại mọi x ∈ U thì ta nói hàm f khả vi trên U.Nhận xét 1.1.3. Từ Định nghĩa 1.1.5 ta rút ra các nhận xét sau:1. f(x0) là một ánh xạ tuyến tính.2. Một cách tương đương, f khả vi tại x0nếu tồn tại ánh xạ tuyến tính A sao cholimh→0f(x0+ h)− f(x0) − Ahh= 0.Định nghĩa 1.1.6. [6] Cho X, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn, U là tập mởtrong X và ánh xạ f : U → Y . Khi đó f được gọi là có đạo hàm tại x0theo hướng hnếu tồn tại giới hạnlimt→0f(x0+ th) − f(x0)t.Đạo hàm của hàm f tại x0theo hướng h được ký hiệu là Df(x0, h).Nhận xét 1.1.4. Cho f : U → R là hàm khả vi trên một tập mở U của không giantuyến tính định chuẩn X. Khi đó, với mọi x ∈ U ta luôn có Df(x, h) = f(x)(h).6 Thật vậy, cố định h ∈ X, h = 0. Do f khả vi tại x ∈ U nên ta cóf(x + th)− f(x) = f(x)(th) +◦(||th||),trong đó ◦(||th||) → 0 khi ||th|| → 0.Do đóf(x + th) − f(x)t= f(x)(h) +◦(||th||)t.Chuyển qua giới hạn, cho t → 0 ta được Df(x, h) = f(x)(h).Đặc biệt, khi X ≡ Rnvà h trùng với vectơ đơn vị ei= (0, . . . , 1 . . . , 0) thìDf(x0, ei) được gọi là đạo hàm riêng thứ i của ánh xạ f và ta viết∂f∂xi(x0) = fi(x0) = Df(x0, ei).Ta có định lýĐịnh lý 1.1.5. [6] Cho U là tập mở của không gian định chuẩn Rn. Nếu ánh xạf : U −→ Rm(x1, . . . , xn) −→ (f1(x1, . . . , xn), . . . , fm(x1, . . . , xn))khả vi tại x ∈ U thì tất cả các đạo hàm riêng của hàm f đều tồn tại và[f(x)] =∂f1∂x1(x) . . .∂f1∂xn(x) ∂fm∂x1(x) . . .∂fm∂xn(x)Định lý 1.1.6. [6] Cho U là một tập mở của không gian tuyến tính định chuẩn Rn.Ánh xạ f : U → Rmcó các đạo hàm riêng theo hướng liên tục trên U. Khi đó f(x)tồn tại và được xác định như trong Định lý 1.1.5.Bây giờ, cho U là tập mở trong không gian tuyến tính định chuẩn thực X. Nếuhàm f : U → R có đạo hàm trên U thì ta có ánh xạ đạo hàm f.Nếu ánh xạ đạo hàm fcó đạo hàm tại x ∈ U thì ta cũng nói hàm f có đạo hàm cấphai tại x và ký hiệu là f(x).Với h ∈ X ta có f(x)(h) là ánh xạ tuyến tính đi từ X → R. Ta suy ra [f(x)(h)](k)là một phần tử của R (k ∈ X). Ta có [f(x)(h)](k) tuyến tính theo cả h và k. Vìvậy, ta xem f(x) là một ánh xạ song tuyến tính từ X × X vào R và [f(x)(h)](k)sẽ được ký hiệu là f(x)(h, k) (h, k ∈ X).7 Định nghĩa 1.1.7. [6] Cho X là một không gian tuyến tính thực.Một ánh xạ song tuyến tính B : X × X → R được gọi là đối xứng nếu B(h, k) =B(k, h) ∀ h, k ∈ X.B được gọi là xác định không âm (xác định dương) nếu với mọi h ∈ X khác 0, ta cóB(h, h) ≥ 0 (B(h, h) > 0).Ta có định lýĐịnh lý 1.1.7. [6] Cho X, Y là hai không gian tuyến tính định chuẩn và U là mộttập mở trong X, f : X → Y là ánh xạ khả vi liên tục trên U. Khi đó f(x) là đối xứngtại những điểm mà ftồn tại.Để thuận tiện trong chứng minh ở chương sau, trong phần này ta cũng sẽ giới thiệukhai triển Taylor với phần dư Lagrange thể hiện trong định lý dưới đây:Định lý 1.1.8. [5] Giả sử f : [a; b] → R có đạo hàm liên tục tới cấp n trên [a; b] vàcó đạo hàm cấp n + 1 trên (a; b). Khi đó tồn tại c ∈ (a; b) sao chof(b) =nk=0f(k)(a)k!(b − a)k+f(n+1)(c)(n + 1)!(b − a)n+1.1.1.4. Giá trị cực đại và giá trị cực tiểu.Định nghĩa 1.1.8. Cho U là một tập con của không gian tuyến tính định chuẩn X.Hàm f : U → R được gọi là đạt cực đại (cực tiểu) địa phương tại x0∈ U nếu có mộthình cầu mở B(x0, ) ⊂ U để f(x) ≤ f(x0) (f(x) ≥ f(x0)) với mọi x ∈ B(x0, ).Nếu f(x) ≤ f(x0) (f(x) ≥ f(x0)) với mọi x ∈ U thì f được gọi là đạt cực đại (cựctiểu) trên U.1.1.5. Bất đẳng thức H¨older - giới hạn dưới dấu tích phân.Định lý 1.1.9. [2] (Bất đẳng thức H¨older).Cho E là một tập khác trống và (E, F, µ) là một không gian độ đo. Giả sử f, g là cáchàm số thực đo được trên E. Khi đóE|f.g|dµ ≤E|f|pdµ1/pE|g|qdµ1/qvới p, q ∈ R>, 1/p + 1/q = 1.Bây giờ, nếu f và g là các hàm số thực dương, với λ ∈ (0, 1), áp dụng bất đẳngthức H¨older ta cóEfλ.g1−λdµ ≤EfdµλEgdµ1−λ.8 [...]... bắt đầu với một số tính chất đặc trưng cơ bản của hàm lồi Đầu tiên là các phép toán liên quan đến hàm lồi như tổng của hai hàm lồi, tích của hàm số với một số thực dương, các phép toán lấy giới hạn cũng như hợp của hai hàm lồi Tiếp đến, ta sẽ tìm hiểu một số tính chất đặc biệt của hàm lồi như tính liên tục, tính khả vi và các định lý liên quan đến giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của hàm lồi Phần... để nói về một số bất đẳng thức của hàm lồi cũng như thiết lập một vài bất đẳng thức mới về chủ đề này 2.1 Một số tính chất cơ bản của hàm lồi Định lý 2.1.1 (Các phép toán với các hàm lồi) Cho U là một tập lồi trong không gian tuyến tính định chuẩn thực X Khi đó 1 Nếu f và g là các hàm lồi trên U thì f + g cũng là hàm lồi trên U Nếu f hoặc g là hàm lồi thực sự thì tổng f + g cũng là hàm lồi thực sự... là hàm lồi (lồi thực sự) trên U và µ là một số thực dương thì µf là một hàm lồi (lồi thực sự) trên U 3 Nếu f là một hàm lồi (lồi thực sự) trên U và V là tập con lồi của U Khi đó hạn chế f |V của hàm f lên V cũng là một hàm lồi (lồi thực sự) trên V Chứng minh định lý này khá đơn giản Ta sẽ không chứng minh định lý này Nhận xét 2.1.2 Từ Định lý 2.1.1 ta có nhận xét sau: 13 1 Cho ϕ là hàm lồi (lồi. .. sự) trên R thì hàm f (x1 , , xn ) = n ϕ(xk ) là hàm k=1 lồi (lồi thực sự) trên Rn 2 Một hàm nhiều biến có thể là hàm lồi theo mỗi biến khi cố định các biến còn lại nhưng không phải là hàm lồi Chẳng hạn như hàm f (x, y ) = xy, (x, y ) ∈ R2 Định lý 2.1.3 [9] Cho I, J ⊂ R là các tập lồi Nếu f là một hàm lồi (lồi thực sự) trên I và g là một hàm lồi không giảm (hàm lồi tăng) trên tập lồi J, f (I ) ⊂... 2.1.10 ta có điều phải chứng minh Về tính khả vi của hàm lồi, ta có các tính chất sau: Định lý 2.1.12 [6] Giả sử hàm f xác định trên một tập lồi mở U ⊆ X Nếu f là hàm lồi trên U và khả vi tại x0 , thì với x ∈ U , ta có f (x) − f (x0 ) ≥ f (x0 )(x − x0 ) (2.1.8) Nếu f khả vi trên U , thì f là hàm lồi nếu và chỉ nếu f thỏa (2.1.8) với mọi x, x0 ∈ U Hơn nữa, f lồi thực sự nếu và chỉ nếu bất đẳng thức... sh)(h, h) 2 Bổ đề được chứng minh Định lý 2.1.17 [6] Cho I ⊂ R là một khoảng và f : I → R là hàm số có đạo hàm cấp hai f tồn tại trên I Khi đó f là hàm lồi (lồi thực sự) khi và chỉ khi f (x) ≥ 0 (f (x) > 0) với mỗi x ∈ I 25 Chứng minh Theo tính chất của hàm một biến thực, f tăng (tăng thực sự) nếu và chỉ nếu f là không âm (dương) Kết hợp với Định lý 2.1.15 ta có điều phải chứng minh Ví dụ 2.1.18 Từ... là hàm lồi Nếu f là hàm lồi thực sự thì theo trên, với u = v và λ ∈ (0; 1) ta thu được bất đẳng thức ngặt, ϕx,y là hàm lồi thực sự 14 ⇐) Giả sử các hàm ϕx ,y là các hàm lồi (x , y ∈ U ) Với mọi x, y ∈ U , với mọi λ ∈ [0; 1] ta có f (λx + (1 − λ)y ) = ϕx,y (λ) = ϕx,y (λ.1 + (1 − λ)0) ≤ λϕx,y (1) + (1 − λ)ϕx,y (0) (do ϕx,y là hàm lồi) = λf (x) + (1 − λ)f (y ) Vậy, f là hàm lồi Nếu ϕx,y là các hàm lồi. .. [6] Một tập U ⊂ X là tập lồi nếu và chỉ nếu mọi tổ hợp lồi của các điểm của U đều nằm trong U 9 Định lý 1.1.14 [6] Nếu {Ui }, i ∈ J là một họ các tập lồi thì U = ∩i∈J Ui là một tập lồi Định nghĩa 1.1.10 Cho U là một tập con của X Khi đó, bao lồi của U ký hiệu là co(U ), là giao của tất cả các tập lồi chứa U Bao lồi của U là một tập lồi Định lý 1.1.15 [6] Cho U là một tập con của X Khi đó bao lồi. .. Các hàm lồi được định nghĩa trên các tập lồi Định nghĩa 1.2.1 [9] Cho I là một khoảng chứa trong R và hàm f : I → R 1 f được gọi là hàm lồi nếu f (λx + (1 − λ)y ) ≤ λf (x) + (1 − λ)f (y ) (1.2.1) với mọi x, y ∈ I và với mọi λ ∈ [0; 1] 2 f được gọi là hàm lồi thực sự (chặt) nếu (1.2.1) là bất đẳng thức ngặt với các điểm x, y phân biệt và λ ∈ (0; 1) 3 Nếu −f là hàm lồi (lồi thực sự) thì ta nói f là hàm. .. hàm riêng của f tồn tại và liên tục trên U và tăng (đơn điệu tăng thực sự) thì f là hàm lồi (lồi thực sự) 28 f đơn điệu Tính liên tục của các đạo hàm riêng cấp hai bảo đảm cho sự tồn tại của f (x).Ta có định lý sau: Định lý 2.1.22 [6] Cho f là một hàm có các đạo hàm riêng cấp hai ∂ 2 f /∂xi xj = fij liên tục trên một tập lồi mở U ⊆ Rn Khi đó f là hàm lồi (lồi thực sự) trên U nếu và chỉ nếu ma trận Hessian . quan đến hàm lồi. . . . . . . . . . . . . . . . 313 MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA HÀM LỒI VÀ HÀM LOGA-LỒI 393.1 Tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hàm số. . .. về tínhlồi của hàm f.12 Chương 2MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ BẢN VÀ CÁCBẤT ĐẲNG THỨC LIÊN QUAN ĐẾNHÀM LỒI.Trong chương này, chúng ta sẽ bắt đầu với một số tính chất