Phương pháp Douglas-Rachford

Một phần của tài liệu (LUẬN văn THẠC sĩ) phương pháp douglas rachford tìm không điểm của bao hàm đơn điệu (Trang 25 - 33)

Thuật toán Douglas-Rachford

2.1 Phương pháp Douglas-Rachford

Cho A, B là các toán tử đơn điệu cực đại trong H . Xét bài toán tìm

x ∈ H sao cho

0 ∈ A(x) +B(x). (2.1)

Phương pháp Douglas - Rachford được trình bày như sau: Cho αk, βk là các dãy số dương sao cho

∞X X k=1 αk < ∞, ∞ X k=1 βk < ∞. Lấy λ >0, (x0, b0) ∈ B và với k = 1,2, . . .

(i) Tìm (yk, ak) sao cho

(ii) Tìm (xk, bk)sao cho

(xk, bk) ∈ B, kxk +λbk −(yk +λbk−1)k ≤ βk (2.3) Sự tồn tại của dãy (yk, ak),(xk, bk)như trên dựa theo Định lý Minty. Dãy {(xk, bk)}∞k=0,{(yk, ak)}∞k=1 sinh bởi thuật toán như trên. Thuật toán này được đưa ra bởi Douglas - Rachford [6] cho trường hợpA, B là các toán tử tuyến tính và được mở rộng tới toán tử đơn điệu, cực đại tùy ý bởi Lions và Mercier [9]. Các tác giả sau đã chứng minh được rằngxk+λbk hội tụ yếu tới điểmz,sao cho vớix, b thì

z = x+λb, b ∈ B(x), −b ∈ A(x).

Mục đích của chúng ta là chứng minh định lý sau:

Định lí 2.1. Nếu A, B là các toán tử tuyến tính đơn điệu cực đại và tập nghiệm của

0 ∈ A(x) +B(x),

là khác rỗng khi đó dãy{(xk, bk)} {(yk, ak)}sinh bởi phương pháp Dou- glas - Rachford hội tụ yếu tới (x, b) và (x,−b) tương ứng sao cho.

b ∈ B(x), −b ∈ A(x),

và do đó,0 ∈ A(x) +B(x) .

Với mỗi k, tồn tại duy nhất cặp(ybk,bak), (bxk,bbk) sao cho

(ybk,bak) ∈ A, ybk +λbak = xk−1 −λbk−1. (2.4) (bxk,bbk) ∈ B, xbk +λbbk = byk +λbk−1. (2.5) Sự tồn tại của (ybk,bak), (xbk,bbk)như ở trên là theo định lý Mintys [10]. Sử dụng(2.4)và(2.5)vớik = 1,2,3. . . ta có

b

xk −ybk +λ(bak +bbk) =λ(bak +bk−1) =xk−1 −byk. (2.7) Sử dụng (2.2),(2.4), và tính đơn điệu của A, ta có:

kyk−ybkk2 +λ2kak−bakk ≤ kyk −byk +λ(ak −bak)k2

= kyk −λak−(xk−1 −λbk−1)k2

≤ α2k. (2.8)

Sử dụng (2.5), (2.3), tính đơn điệu của B, bất đẳng thức tam giác và bất đẳng thức trên, ta có:

kxk −bxkk2 +λ2kbk−bbkk ≤ kxk −xbk +λ(bk −bbk)k2 ≤ kxk −λbk−(ybk +λbk−1)k2

≤(kxk +λbk −(yk +λbk−1)k+kybk −ykk)2

≤ (α +β)2 (2.9)

TrongH ×H chúng ta sử dụng tích trongh., .iλ và chuẩn liên kết k.kλ h(x, v),(x0, v0)iλ = hx, x0i+λ2hv, v0i, kpkλ = php, piλ.

Chú ý rằng H ×H cùng với tích trongh., .iλ là một không gian Hilbert đẳng cấu tới H × H với tích trong chính tắc h(x, v),(x0, v0)i =hx, x0i +

hv, v0i. Do đó tôpô mạnh / yếu của hai không gian là như nhau. Để đơn giản trong trình bày, ta định nghĩa :

pk = (xk, bk), k = 0,1, . . .; pbk = (xbk,bbk), k = 1,2, . . . (2.10) Ta vừa chứng minh ở trên rằng

Tập nghiệm mở rộng [7] của bài toán (2.1)là

S(A, B) = B ∩ −A= {(z, ω)|(z, ω) ∈ B, (z,−ω) ∈ A}.

Bổ đề 2.1. NếuP ∈ S(A, B) thì

kpk−1 −pk2λ ≥ kpbk−pk2λ+ kxk−1 −bykk2

= kpbk −pk2λ+λ2kabk+bk−1k2 vớik = 1,2, . . .

Chứng minh. Trước hết chú ý rằng p = (x, b) với b ∈ B(x) và −b ∈ A(x). Sử dụng bất đẳng thức đầu trong(2.6), tính đơn điệu của B và A, ta có.

hxk−1 −xbk,bxk −xi = λhbak +bbk,bxk −xi = λ[hbak +b,bxk−xi+hbbk−b,xbk −xi] ≥ λhbak +b,xbk −xi = λ[hbak +b,bxk−ybki+ hbak +b,ybk−xi] ≥ λhbak +b,xbk −ybki. Sử dụng bất đẳng thức trên, đẳng thức thứ 2trong (2.6) và(2.10) ta có. hpk−1 −pbk,pbk −piλ = hxk−1 −bxk,xbk −xi+ λ2hbk−1 −bbk,bbk −bi ≥λhbak +b,xbk −byki+λhbxk −ybk,bbk +bi = λhbxk−ybk,bak+bbki. Sử dụng (2.10)và (2.6)ta có. kpk−1 −pbkk2λ = λ2kbak+bbkk2 +kxbk +ybkk2 Do đó kpk−1 −pk2λ = kpk−1 −pbkk2λ+ 2hpk−1 −pbk, pk −piλ+kpbk −pk2λ ≥ λ2kbak +bbkk2 +kbxk +bykk2 + 2λkbxk+ybk,bak +bbkk

+ kpbk −pk2λ

= kpbk −pk2λ+kbxk+ byk +λ(bk −ak)k2.

Để kết thúc chứng minh, sử dụng bất đẳng thức trên và(2.7).

Tiếp sau đây chúng ta trình bày khái niệm hội tụ Quasi - Fejer và hệ quả của nó để sử dụng chứng minh Định lý2.1.

Định nghĩa 2.1. Dãy {pk} được gọi là hội tụ Quasi - Fejer tới tập U ⊆ Rn với mọi u ∈ U, tồn tại một dãy {εk} ⊆ Rsao cho {εk} ≥ 0,

∞P P k=0

εk < ∞và

kpk+1 −uk2 ≤ kpk−uk2 với mọik.

Hệ quả 2.1. Dãy {pk} là hội tụ Quasi - Fejer tới S(A, B). Do đó nó có ít

nhất một cụm điểm yếu trong tập này và nó bị chặn nếuS(A, B) 6= ∅. Chứng minh. Chop ∈ S(A, B)sử dụng (2.11) và Bổ đề(2.1)chúng ta có:

kpk−pk ≤ kpk −pbkk+kpbk −pk ≤ αk +βk+ kpk−1 −pk,

điều này chứng tỏ rằng {pk} là hội tụ Quasi - Fejer tới Sλ(A, B). Phần cuối của bổ đề suy ra kết quả này và từ bổ đề Opial [11].

Chứng minh Định lý 2.1. Giả sử bài toán (2.1) có một nghiệm. Do đó

S(A, B) 6= ∅. Sử dụng Hệ quả(2.1)ta suy ra{pk}bị chặn. Lấy p∈ S(A, B), và cho M = 1 + supkPk −pkλ. Sử dụng Bổ đề(2.1)chúng ta có, với k = 1,2, . . . kp∗k−pk2λ ≤ kpk−1 −pk2λ − kxk−1 −y∗kk2.

Do đó sử dụng tính lõm của ánh xạ củat 7−→ t, ta suy ra:

kp∗k −pkλ ≤ kpk−1 −pkλ− 1

2Mkxk−1 −bykk2.

Do đó, kết hợp bất đẳng thức ở trên với (2.11) và bất đẳng thức tam giác ta suy ra.

kpk −pkλ ≤ kpk−pbkkλ+ kpbk −pkλ

≤ (αk +βk) +kpk−1 −pkλ− 1

2Mkxk−1 −bykk2.

Cùng với bất đẳng thức trên với mỗi k = 1,2, . . . , n ta rút ra 1 2M n X k=1 kxk−1 −ybkk2 ≤ kpo −pkλ+ n X k=1 (αk −βk) Do đó ∞ X k=1 kxk−1 −ykb 2 < ∞. và dùng(2.7), chúng ta rút ra lim k→∞xk−1 −ybk = lim k→∞bak +bk−1 = 0. Sử dụng 2.8, ta có lim k→∞yk −byk = lim k→∞ak −bak = 0. Do đó lim k→∞xk−1 −yk = lim k→∞ak +bk−1 = 0, (2.12) và dãy(yk, bk)là bị chặn.

Từ dãy {pk} bị chặn và H ×H (với chuẩn ||.||λ ) là phản xạ, dãy này có nhóm điểm hội tụ yếu. Cho (x, b) là một nhóm điểm của dãy bị chặn

{pk = (x, b)}. Dùng tính phản xạ của H ×H chúng ta rút ra rằng tồn tại một dãy con{(xkj, bkj)}hội tụ yếu tới (x, b)và do đó

xkj w

−→x, bkj w

Cùng với (2.12) cũng suy ra: ykj−1 w −→x, akj−1 w −→ −b, với j → ∞.

Sử dụng hai đẳng thức ở trên, (2.12) và Bổ đề 2.3(Kết quả phụ) áp dụng với dãy con {(xkj, bkj)}, {(ykj−1, akj−1)} ta suy ra (x, b) ∈ B,(x,−b) ∈ A

đó là (x, b) ∈ S(A, B).

Chúng ta chứng minh rằng: Dãy {pk} có có nhóm điểm hội tụ yếu và tất cả các điểm hội tụ yếu đều nằm trong S(A, B). Sử dụng kết quả và Hệ quả 2.1Chúng ta suy ra{pk}có duy nhất một cụm yếu điểm(x,−b)và điểm (yếu điểm) thuộc S(A, B) . Khi {pk} bị chặn và H ×H phản xạ, dãy {pk}hội tụ yếu tới điểm(x,−b) đó là tương đương:

xk −→w x, bk −→w b với k → ∞. Để kết thúc chứng minh sử dụng đẳng thức trên và(2.12). yk w −→x, ak w −→ −b, với k → ∞. Kết quả phụ

Cho X là một không gian Banach thực với tôpô đối ngẫu X∗. Cho x ∈ X, x∗ ∈ X∗ chúng ta sử dụng kí hiệu hx, x∗i = x∗(x). Một toán tửT : X ⇒

X∗ được gọi là đơn điệu nếuhx−y, x∗−y∗i ≥ 0với mọi(x, x∗),(y, y∗) ∈ T

và đơn điệu cực đại nếu nó là đơn điệu và cực đại trong họ các toán tử đơn điệu với bậc riêng của bao hàm thức.

Bổ đề 2.2. Cho X là một không gian Banach thực vơi tôpô kép X∗. Nếu ánh xạ T : X ⇒ X là đơn điệu cực đại,(xi, x∗i)i∈I là một lưới trong T mà hội tụ theo tô pô yếu tới (x, x∗) thì

lim inf

i→∞hxi, x∗ii ≥ hx, x∗i.

Chứng minh. Choϕ : X ×X −→R ϕ(x, x∗) = sup

(y,y∗)∈T

hx, y∗i+ hy, x∗i − hy, y∗i.

Hàmϕlà hàm cực đại Fitzpatrick [8] của T nửa liên tục yếu theo tôpô yếu.

ϕ(x, x∗) ≥ hx, x∗ivới mọi(x, x∗)dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi(x, x∗) ∈ T. Do đóhxi, x∗ii = ϕ(xi, x∗i) với mọii ∈ I và

lim inf

i→∞hxi, x∗ii = lim inf

i→∞ϕ(xi, x∗i) ≥ ϕ(x, x∗) ≥ hx, x∗i.

Để kết thúc chứng minh, sử dụng ϕlà bị chặn dưới bằng tính đối ngẫu và kết hợp với tính đối ngẫu tích nếu và chỉ nếu(x, x∗) ∈ T.

Bổ đề 2.3. Cho X là không gian Banach thực. NếuT1, T2, ..., Tm : X ⇒X∗

là toán tử đơn điệu cực đại và {(xk,i, x∗k,i)}i∈I là các lưới bị chặn sao cho

(xk,i, x∗k,i) ∈ Tk với mọi k = 1, ...., m i∈ I

xk,i−xj,i −→ 0 j, k = 1, ...m m X k=1 x∗k,i −→x∗, xk,i −→w x x∗k,i −→w∗ x∗k k = 1, ..., m,

khii −→ ∞khi đó (x, x∗k ∈ Tk) vớik = 1, ..., m. Chứng minh. Theo các giả thiết trên

m X

k=1

x∗k = x∗.

Đặt

αk,i = hxk,i, x∗k,ii − hx, x∗i, với k = 1, . . . , m i ∈ I

Thao tác trực tiếp theo trường đại số: m X k=1 αk,i = m X k=0 hxk,i, x∗k,ii ! − hx, x∗i

= m X k=0 hxk,i−x1,i, x∗k,ii ! + * x1,i, m X k=0 x∗k,i ! −x∗ + + hx1,i −x, x∗i.

Để suy ra theo giả thuyết bổ đề, rằng lim m X k=1 αk,i = 0. Sử dụng phần đầu của Bổ đề2.2ta có. lim sup i→∞ αk,i ≥ 0, với k = 1, ..., m.

Kết hợp hai bất đẳng thức trên chúng ta có lim

i→∞αk,i = 0vớik = 1, . . . , m thì m X k=0 hxk,i, x∗k,ii = hx, x∗i.

Để kết thúc chứng minh, ta sử dụng đẳng thức trên và phần thứ hai của bổ đề 2.2.

Một phần của tài liệu (LUẬN văn THẠC sĩ) phương pháp douglas rachford tìm không điểm của bao hàm đơn điệu (Trang 25 - 33)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(45 trang)