Đang tải... (xem toàn văn)
Nguyên lí ánh xạ kkm và bài toán cân bằng vectơ trong không gian vectơ tôpô
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM --------------------------------- NGUYỄN THỊ HÕA NGUYÊN LÍ ÁNH XẠ KKM VÀ BÀI TOÁN CÂN BẰNG VECTƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTƠ TÔPÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC THÁI NGUYÊN-2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM -------------------------------- NGUYỄN THỊ HÕA NGUYÊN LÍ ÁNH XẠ KKM VÀ BÀI TOÁN CÂN BẰNG VECTƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTƠ TÔPÔ Chuyên ngành: GIẢI TÍCH Mã số : 60.46.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Lê Văn Chóng THÁI NGUYÊN-2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 MỤC LỤC Mở đầu .1 Chương 1. NGUYÊN LÍ ÁNH XẠ KKM 1.1. Bổ đề KKM ……………………………………………………… 3 1.2. Nguyên lí ánh xạ KKM ……………………………………………7 1.3. Bất đẳng thức Ky Fan ……………………………………………10 Chương 2. BÀI TOÁN CÂN BẰNG VECTƠ CHO HÀM ĐƠN TRỊ 2.1. Nón và quan hệ thứ tự theo nón ………………………………… 13 2.2. Bài toán cân bằng vô hướng …………………………………… 16 2.3. Bài toán cân bằng vectơ không có giả thiết đơn điệu ………… 23 2.4. Bài toán cân bằng vectơ giả đơn điệu ………………………… 28 2.5. Bài toán cân bằng vectơ tựa đơn điệu …………………………… 34 2.6. Một số mở rộng ………………………………………………… 39 Chương 3. BÀI TOÁN CÂN BẰNG VECTƠ CHO HÀM ĐA TRỊ 3.1.Bài toán cân bằng vectơ đa trị không có giả thiết đơn điệu …… 51 3.2. Bài toán cân bằng vectơ đa trị đơn điệu ………………………… 56 Kết luận …………………………………………………………… 63 Tài liệu tham khảo ……………………… 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỞ ĐẦU Để đưa ra một chứng minh đơn giản hơn chứng minh ban đầu rất phức tạp của Định lí điểm bất động Brouwer (1912), ba nhà toán học Balan là Knaster, Kuratowski và Mazurkiewicz đã chứng minh một kết quả quan trọng về giao khác rỗng của hữu hạn các tập đóng trong không gian hữu hạn chiều (1929), kết quả này sau gọi là Bổ đề KKM. Năm 1961, Ky Fan mở rộng bổ đề này ra không gian vô hạn chiều, kết quả này sau gọi là Nguyên lí ánh xạ KKM. Năm 1972, dùng Nguyên lí ánh xạ KKM Ky Fan chứng minh một bất đẳng thức quan trọng, sau gọi là Bất đẳng thức Ky Fan. Sau khi được công bố, Bất đẳng thức Ky Fan nhanh chóng thu hút sự quan tâm của nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực giải tích hàm phi tuyến. Phương pháp tiếp cận xây dựng bất đẳng thức này từ Nguyên lí ánh xạ KKM là ý tưởng khởi nguồn của nhiều nghiên cứu tiếp theo về sự tồn tại nghiệm của bài toán cân bằng trong các không gian khác nhau (như không gian vectơ tôpô, không gian G-lồi, không gian siêu lồi…). Trong không gian vectơ tôpô , cách tiếp cận trên được nghiên cứu mở rộng ra bài toán cân bằng vô hướng với các kết quả cơ bản như Brezis- Nirenberg- Stampacchia [4](1972), Mosco [13](1976), Blum- Oettli [3](1993)…và mở rộng ra bài toán cân bằng vectơ (đơn trị, đa trị) với các kết quả quan trọng như Bianchi- Hadjisavvas- Schaible [2](1997), Oettli [3](1997), Tấn-Tĩnh [16](1998), Fu [10](2000), Ansari- Konnov- Yao [1](2001), Tấn- Minh [17](2006)… Bài toán cân bằng vectơ đơn trị được xét trong luận văn là bài toán sau: Tìm xK sao cho ( , ) 0f x y với mọi yK, trong đó K là một tập lồi, đóng, khác rỗng trong không gian vectơ tôpô X, :f K K Y, Y là một không gian vectơ tôpô với nón thứ tự CY nhọn, lồi, đóng, int C . Bài toán cân bằng vectơ đa trị được xét là các bài toán sau: Tìm xK sao cho ( , ) intF x y C với mọi yC, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Tìm xK sao cho ( , )F x y C với mọi yC, trong đó hàm đa trị :2YF K K (các tập ,KC và không gian Y như trên). Mục đích của luận văn là trình bày một số kết quả nghiên cứu cơ bản về sự tồn tại nghiệm của bài toán cân bằng vectơ trong không gian vectơ tôpô với cách tiếp cận dùng Nguyên lí ánh xạ KKM. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương. Chương 1 trình bày một số điểm cơ bản về xuất xứ của Nguyên lí ánh xạ KKM trong sự liên quan với một số thành tựu quan trọng của giải tích hàm phi tuyến (Định lí điểm bất động Brouwer, Bổ đề KKM, Bất đẳng thức Ky Fan). Chương 2 trình bày một số kết quả cơ bản về sự tồn tại nghiệm của bài toán cân bằng vectơ đơn trị ở hai hướng nghiên cứu: sử dụng và không sử dụng giả thiết đơn điệu. Trước khi trình bày các kết quả này, chúng tôi đưa ra một số kết quả đặc thù ở bài toán cân bằng vô hướng để dễ thấy phần chính là kết quả và phương pháp ở bài toán cân bằng vectơ được mở rộng thế nào từ bài toán vô hướng. Một số kiến thức chuẩn bị về nón và quan hệ thứ tự theo nón cần cho nghiên cứu bài toán vectơ cũng được đưa vào chương này. Chương 3 đề cập đến một số kết quả nghiên cứu về sự tồn tại nghiệm của bài toán cân bằng vectơ đa trị có giả thiết đơn điệu và không có giả thiết đơn điệu. Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm- Đại học Thái Nguyên. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Lê Văn Chóng- Viện toán học Việt Nam, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và nghiêm khắc trong khoa học. Xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc Viện toán học và các thầy, cô giáo của trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã trực tiếp giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu . Xin được cảm ơn cơ quan, gia đình và bạn bè đã động viên rất nhiều giúp tôi hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2008 Nguyễn Thị Hòa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Chương 1 NGUYÊN LÍ ÁNH XẠ KKM Như ta biết, Bổ đề KKM (1929) trong không gian hữu hạn chiều của ba nhà toán học Balan thiết lập được một chứng minh đơn giản hơn chứng minh ban đầu rất phức tạp của Định lí điểm bất động Brouwer (1912) và sau đó bổ đề này được mở rộng ra không gian vô hạn chiều thành Nguyên lí ánh xạ KKM (1961). Bất đẳng thức Ky Fan (1972) được chứng minh bằng cách sử dụng nguyên lí này. Ở chương này chúng tôi đề cập tới một số điểm cơ bản của Nguyên lí ánh xạ KKM trong liên quan với các thành tựu trên của giải tích hàm phi tuyến (Định lí Brouwer, Bổ đề KKM, Bất đẳng thức Ky Fan). 1.1. BỔ ĐỀ KKM Trước hết ta nhắc đến một số khái niệm sau: Cho X là một không gian vectơ, tập hợp S trong X được gọi là một n- đơn hình nếu 01, , .,nS co u u u với 01, , .,nu u u Xvà các vectơ 1 0 0, .,nu u u u là độc lập tuyến tính (ở đây ()co A kí hiệu bao lồi của tập A). Các điểm iu được gọi là các đỉnh. Bao lồi của ( 1)k đỉnh được gọi là k-diện của S. Mỗi xS được biểu diễn duy nhất dưới dạng: 0,niiix x u với 00, 1niiixx. Ta viết 01( , , ., )nx x x x và gọi các , ( 0,1, ., )ix i n là các tọa độ trọng tâm của x, chúng cũng biến đổi liên tục theo x. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Dùng Bổ đề Sperner về phép gán số trong phép tam giác phân một đơn hình do Sperner đưa ra từ 1928, Knaster, Kuratowski và Mazurkiewicz đã chứng minh bổ đề quan trọng sau trong không gian nR. Bổ đề KKM (Knaster-Kuratowski-Mazurkiewicz[11], 1929) Cho một n-đơn hình 01, , .,nS co u u u trong nRvà các tập hợp đóng 01, , .,nF F F trong S thỏa mãn điều kiện: với mọi tập hợp con 0,1, .,In ta có :iiiIco u i I F. (KKM) Khi đó 0niiF. Chứng minh đầy đủ của Bổ đề KKM bằng cách dùng Bổ đề Sperner được giới thiệu trong Tân-Hà [18], do khuôn khổ của luận văn chúng tôi không nêu ra ở đây. Định lí điểm bất động Brouwer (Brouwer [5], 1912) Mọi ánh xạ liên tục từ hình cầu đơn vị đóng trong nR vào chính nó đều có điểm bất động. Để chứng minh định lí này bằng cách dùng Bổ đề KKM ta sử dụng kết quả sau. Mệnh đề 1.1 Giả sử M là một tập hợp trong không gian tôpô có tính chất: mọi ánh xạ liên tục :T M M đều có điểm bất động. Khi ấy nếu M đồng phôi với M thì M cũng có tính chất đó. Chứng minh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Cho là phép đồng phôi từ M lên M và :T M M là ánh xạ liên tục. Ta cần chứng minh T cũng có điểm bất động. Thật vậy, đặt 1TT ta được :T M Mlà ánh xạ liên tục, nên theo giả thiết tồn tại 0xM với 00Tx x. Khi đó 0()x là điểm bất động của T. Chứng minh Định lí điểm bất động Brouwer Cho đơn hình S, vì hình cầu đơn vị đóng trong nR đồng phôi với một n- đơn hình S nên ta chỉ cần chứng minh ánh xạ liên tục :T S S có điểm bất động trong S. Với mỗi xS ta có 01( , , ., ),nx x x xcác ix với 0,1, .,in là các tọa độ trọng tâm của x và 01( , , ., )ny Tx y y y. Ta đặt : , 1, .,i i iF x S x y i n . Do T liên tục nên các iF đều đóng. Ta sẽ chứng minh các iF thỏa mãn điều kiện (KKM) sau :iiiIco u i I F, trong đó I là một tập con bất kỳ của tập 0,1, ., n. Lấy :ix co u i I ta có 01( , , ., )nx x x xvới 0ix nếu iI, 0ix nếu iI và 01( , , ., )ny y y y với 00, 1niiiyy. Để chỉ ra iiIxF ta cần chỉ ra tồn tại 0iI để 0ixF, tức là 00iixy. Giả sử ngược lại rằng iixy với mọi iI. Khi đó ta gặp mâu thuẫn: 0011nni i i ii i I i I ix x y y . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Vậy điều kiện KKM được thỏa mãn. Do đó theo bổ đề KKM tồn tại 0niixF. Khi đó ta có iixy với 0,1, .,in, trong đó iy là tọa độ trọng tâm của y Tx. Vì 001nniiiixy nên các bất đẳng thức trên phải là đẳng thức. Vậy ta có , 0, .,iix y i n hay x y Tx và định lí được chứng minh. Định lí điểm bất động Brouwer vẫn đúng nếu ta thay hình cầu đơn vị đóng trong nR bởi một tập lồi đóng bị chặn trong không gian tuyến tính hữu hạn chiều (điều kiện hữu hạn chiều là bắt buộc). Dùng định lí này ta cũng nhận được Bổ đề KKM như chứng minh dưới đây. Chứng minh Bổ đề KKM Giả sử 01, , .,nS u u u là một đơn hình và 01, , .,nF F F là các tập đóng trong S thỏa mãn điều kiện (KKM) nhưng 0niiF. Khi đó với mỗi xS và mỗi 0, .,in ta đặt ( ) ( , )iix d x F là khoảng cách từ x đến iF. Vì 0niiF nên với mỗi xS tồn tại i sao cho ixF, tức là ( ) 0ix do iF đóng . Vậy ta có thể định nghĩa hàm 0()( ) , , 0,1, ., .()iinjjxx x S i nx Các hàm i có tính chất: liên tục, 00 ( ) 1, ( ) 1niiixx với mọi xS. Với mỗi xS ta đặt 0()niiiTx x u. Do S lồi nên ta có Tx S, ngoài ra Tliên tục vì i liên tục. Theo Định lí điểm bất động Brouwer, tồn tại xS mà x Tx. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Đặt : ( ) 0iI i x. Khi đó ta có 0( ) ( )ni i i ii i ITx x u x u. Nhưng vì ( ) 0ix khi và chỉ khi ixF với mọi iI, nên iiIxF. Điều này mâu thuẫn với x Tx ( ) :i i i iiIiIx u co u i I F , (do điều kiện KKM). Vậy Bổ đề KKM được chứng minh. Nhận xét 1.1 Theo các chứng minh trên thì từ Bổ đề KKM ta nhận được Định lí Brouwer và ngược lại, như vậy Bổ đề KKM tương đương với Định lí Brouwer. 1.2. NGUYÊN LÍ ÁNH XẠ KKM Nguyên lí ánh xạ KKM là một mở rộng của Bổ đề KKM ra không gian vô hạn chiều và là trung tâm của Lý thuyết KKM, một bộ phận cơ bản và sâu sắc của giải tích phi tuyến. Trước khi phát biểu và chứng minh Nguyên lí ánh xạ KKM, chúng ta định nghĩa ánh xạ KKM. Cho C là một tập hợp trong không gian vectơ tôpô X, ánh xạ (đa trị) F từ Cvào 2Xđược gọi là ánh xạ KKM nếu với mọi tập hợp hữu hạn 12, , .,nx x x trong C ta có : 121, , ., ( )nniico x x x F x. Nguyên lí ánh xạ KKM (Ky Fan [8], 1961) [...]... X và ánh xạ đa trị F : C 2 X thỏa mãn : 1)Với mỗi x C thì F ( x) là tập đóng, khác rỗng trong X ; 2) F là ánh xạ KKM; 3)Tồn tại x0 C sao cho F ( x0 ) compắc Khi ấy ta có: F ( x) xC Ở đây cần lưu ý là, trong ứng dụng, Nguyên lí ánh xạ KKM được dùng chủ yếu ở dạng Bổ đề Ky Fan Ngoài ra cần lưu ý thêm là không gian X trong Nguyên lí ánh xạ KKM của Ky Fan được giả thiết là Hausdorff và trong. .. sử dụng Nguyên lí ánh xạ KKM cho đến gần đây phần lớn đều dùng Nguyên lí này với giả thiết X là Hausdorff Tuy nhiên điều kiện Hausdorff là không cần thiết và đã được Ding- Tân [7] chỉ ra từ 1992 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Nhận xét 1.3 Chúng ta đã chứng minh Nguyên lí ánh xạ KKM từ Định lí điểm bất động Brouwer Mặt khác từ Nguyên lí ánh xạ KKM suy... Fan và bất đẳng thức biến phân đơn điệu cổ điển Mosco [13](1976) đưa ra kết quả mở rộng Bất đẳng thức Ky Fan ra tập không compắc và kết quả mở rộng bất đẳng thức biến phân đơn điệu cổ điển…Đây là các kết quả khởi đầu cơ bản về tồn tại nghiệm bài toán cân bằng vô hướng được xây dựng từ Nguyên lí ánh xạ KKM Cách tiếp cận dùng Nguyên lí ánh xạ KKM để thiết lập điều kiện tồn tại nghiệm cho bài toán cân bằng. .. hiệu cl X A là bao đóng của A trong X và X là họ các tập con hữu hạn không rỗng trong X Đối với bài toán cân bằng vectơ trên ta có định lí tồn tại nghiệm dưới đây được chứng minh nhờ dùng Nguyên lí ánh xạ KKM Định lí 2.3 (Ansari- Konnov- Yao[1], 2001) Cho X , Y là các không gian vectơ tôpô, tập K X lồi khác rỗng, nón thứ tự C Y nhọn, lồi, đóng với int C và hàm (đơn trị) f : K K Y... từ Nguyên lí ánh xạ KKM suy ra Bổ đề KKM (với X R , C u0 , , un , F (ui ) Fi , i 0,1, , n ), còn Bổ đề KKM thì n suy ra Định lí Brouwer Vậy từ Nguyên lí ánh xạ KKM ta cũng nhận được Định lí điểm bất động Brouwer, nghĩa là Nguyên lí ánh xạ KKM tương đương với Định lí Brouwer 1.3 BẤT ĐẲNG THỨC KY FAN Bất đẳng thức Ky Fan được chứng minh từ Nguyên lí ánh xạ KKM Bất đẳng thức này cùng với cách... bài toán vô hướng để dễ thấy sự mở rộng của cách tiếp cận này trong bài toán vectơ được xét ở các phần sau 2.3 BÀI TOÁN CÂN BẰNG VECTƠ KHÔNG CÓ GIẢ THIẾT ĐƠN ĐIỆU Một hướng cơ bản trong các nghiên cứu về tồn tại nghiệm của bài toán cân bằng vectơ, cũng như đối với bài toán cân bằng vô hướng được xét ở trên, là hướng nghiên cứu không dùng giả thiết đơn điệu Chúng tôi chọn trình bày một kết quả gần đây... Y là các không gian vectơ tôpô, C là một nón nhọn, lồi, đóng trong Y với int C Một quan hệ thứ tự từng phần trong Y được xác định bởi nón C Cho K là một tập lồi khác rỗng trong X và f : K K Y là một hàm (đơn trị) Xét bài toán cân bằng vectơ sau Tìm x K sao cho f ( x , y) 0, y K Bài toán trên có thể viết ở dạng: Tìm x K sao cho f ( x , y) int C, y K Một ánh xạ q : K ... Vậy Nguyên lí được chứng minh Nhận xét 1.2 Nếu trong Nguyên lí ánh xạ KKM, ánh xạ F có một giá trị compắc, chẳng hạn F ( x0 ) , khi ấy họ tập đóng F ( x) F ( x0 ) : x C thuộc tập compắc F ( x0 ) và có tính chất giao hữu hạn Vì vậy họ này có giao khác rỗng Kết quả này trong tài liệu gọi là Bổ đề Ky Fan dưới đây Bổ đề Ky Fan ([8], 1961) Cho C là một tập hợp khác rỗng trong không gian vectơ tôpô. .. là lõm và nửa liên tục trên; 3) Điều kiện bức: Tồn tại tập compắc B C và y0 B sao cho g ( x, y0 ) 0, x C \ B Khi ấy tập nghiệm của bài toán cân bằng x C : g ( x , y) 0, y C (2.2) là tập con khác rỗng, lồi và compắc trong B Định lí trên chính là Định lí 3.1 trong [13] với 0 (Cho 0 để tránh các phức tạp không cần thiết trong trình bày và tiện sử dụng ở các phần sau) Định lí 2.2... chứng minh trên và các nhận xét 1.1, 1.3 thì Bổ đề KKM, Định lí điểm bất động Brouwer, Nguyên lí ánh xạ KKM và Bất đẳng thức Ky Fan là tương đương với nhau Chương 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 BÀI TOÁN CÂN BẰNG VECTƠ CHO HÀM ĐƠN TRỊ Sau khi được công bố (1972), Bất đẳng thức Ky Fan nhanh chóng thu hút sự quan tâm của nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực . nghiệm của bài toán cân bằng trong các không gian khác nhau (như không gian vectơ tôpô, không gian G-lồi, không gian siêu lồi…). Trong không gian vectơ tôpô. THỊ HÕA NGUYÊN LÍ ÁNH XẠ KKM VÀ BÀI TOÁN CÂN BẰNG VECTƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTƠ TÔPÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC THÁI NGUYÊN-2008