О некоторых аппроксимационных методах в теории операторных включений
В дальнейшем построение ряда разнообразных топологических инвариантов мультиотображений различных классов и изучение па их основе неподвижных точек и точек совпадения осуществлялось в работах Х. Ф. Боненбласта и С. Карлипа, Ки Фана, И. Л. Гликсберга, А. Грапаса, И. В. Яворовского, А. Д. Мышкиса, Ю. Г. Борисовича, Б. Д. Гельмана, В. Г. Звягина, В. В. Обуховского, П. Дзекка, Ж. М. Ласри и Р… Читать ещё >
О некоторых аппроксимационных методах в теории операторных включений (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Содержание
- Глава I. Однозначные сечения и аппроксимации многозначных отображений
- 1. Некоторые сведения о многозначных отображениях
- 1. 1. Полунепрерывные снизу многозначные отображения
- 1. 2. Однозначные непрерывные сечения многозначных отображений
- 1. 3. Полунепрерывные сверху многозначные отображения
- 1. 4. Алгебраические операции над многозначными отображениями
- 1. 5. Аппроксимации полунепрерывных сверху многозначных отображений
- 2. Аппроксимационные семейства и системы Майкла
- 2. 1. Аппроксимационные семейства
- 2. 2. Аппроксимации полунепрерывных сверху многозначных отображений с образами в аппроксимациоииом семействе
- 2. 3. Системы Майкла
- 2. 4. Сильные системы Майкла.'
- 1. Некоторые сведения о многозначных отображениях
- 1. Допустимые многозначные отображения
- 1. 1. Собственные многозначные отображения
- 1. 2. Допустимые многозначные векторные поля
- 2. Теорема биекции
- 3. О топологических инвариантах многозначных векторных полей
- 4. О вращении многозначных векторных полей с образами в АМНсистеме
- 1. Об одной теореме о неподвижной точке
- 2. Об одном классе операторных включений
- 2. 1. О некоторых свойствах замкнутых сюръективпых операторов
- 3. Об одном классе интегро-дифференциальных включений
- 3. 1. Многозначные оператор суперпозиции и интегральный оператор
- 3. 2. Теорема существования для одного класса интегро-дифференциальиых включений
Теория многозначных отображений как отдельная область математики сформировалась к середине 20-го века и к настоящему времени нашла многочисленные приложения в теории игр и математической экономике, теории управляемых систем, в теории дифференциальных уравнений с разрывной правой частью, в выпуклом и негладком анализе и теории экстремальных задач, в теории обобщенных динамических систем и миогих других разделах современной математики.
Одной из важных проблем теории многозначных отображений (мультиотображе-ний) является вопрос о существовании однозначного непрерывного сечения или однозначной непрерывной аппроксимации. Одним из первых результатов о сечениях, нашедших многочисленные приложения в математике, была классическая теорема Э. Майкла [46]. В ней доказывается существование непрерывного сечения у полунепрерывного снизу многозначного отображения с выпуклыми замкнутыми образами, лежащими в банаховом пространстве. Вопрос о существовании непрерывных сечений у полунепрерывных снизу мультиотображеиий (LSC-теория), помимо Майкла, изучался Б. Д. Гельманом [14], Д. Реповшем и П. В. Семеновым [42], JI. Рыбинским [48], JI. Гурневичем и его учениками [39], и многими другими авторами. Подробная библиография по этому вопросу содержится в иедавиих монографиях Д. Реповша и П. В. Семенова [42] и Ю. Г. Борисовича, Б. Д. Гельмаиа, А. Д. Мышкиса и В. В. Обуховского [И].
В тех случаях, когда мультиотображение не обладает непрерывным сечением, весьма эффективным орудием является метод непрерывных однозначных аппроксимаций, т. е. отображений, график которых лежит в произвольно малой окрестности графика мультотображения. Восходящий к пионерским работам Дж. фон Неймана и С. Какутапи, этот метод для полунепрерывных сверху мультиотображеиий (USC-теория) развивался в работах А. Д. Мышкиса [26], А. Челлипы [41], Ю. Г. Борисовича и Ю. Е. Гликлиха [12], Б. Д. Гельмана [14], В. В. Обуховского [7], А. Грапаса [40], JI. Гурневича [39], В. Крышевского [45], Д. Реповша и П. В. Семенова [42] и миогих других исследователей. Подробная библиография по этому вопросу содержится в [8],[10], [11].
Возникает вопрос о связи между этими проблемами (между LSC-теорией и USC-теорией). В этом направлении некоторые результаты получены в работах Е.В. Щепи-па и Н. Б. Бродского, Д. Реповша и П. В. Семенова и некоторых других. В настоящей диссертациопиой работе предлагается новый подход к решению этой задачи (см. главу 1). В ней выделяются такие свойства семейства подмножеств, чтобы полунепрерывное сверху многозначное отображение с образами из этого семейства, можно было аппроксимировать полунепрерывными снизу мультиотображепиями, образы которых также лежат в этом семействе. Если эти полунепрерывные снизу отображения обладают непрерывными сечениями, то эти сечения будут непрерывными аппроксимациями первоначального многозначного отображения.
Существенное место в теории многозначных отображений занимает проблема изучения операторных включений вида f (x) & Ф (ж). Ее частным случаем является задача о неподвижных точках многозначного отображения, т. е. точках, удовлетворяющих включению вида х G F (x). Операторные включения такого типа естественно возникают в теории игр и математической экономике, теории дифференциальных уравнений и включений, при изучении вариационных неравенств и в других актуальных вопросах современной математики. В настоящий момент в теории операторных включений и теории неподвижных точек многозначных отображений существуют два основных подхода — аппроксимативный и гомологический.
Первым исследованием, в котором аппроксимативный метод был применен в теории неподвижных точек мультиотображений, была работа С. Какутани [43]. В пей была доказана теорема, обобщающая классическую теорему Брауэра па случай полунепрерывных сверху мультиотображений с выпуклыми значениями в конечномерном пространстве.
Гомологический метод в теории неподвижных точек мультиотображений ведет свое начало от работы С. Эйлепберга и Д. Монтгомери [37]. В этой работе с помощью теоремы Виеториса об изоморфизме был построен первый топологический инвариант для мультиотображений с ацикличными значениями — число Лефшеца.
В дальнейшем построение ряда разнообразных топологических инвариантов мультиотображений различных классов и изучение па их основе неподвижных точек и точек совпадения осуществлялось в работах Х. Ф. Боненбласта и С. Карлипа, Ки Фана, И. Л. Гликсберга, А. Грапаса, И. В. Яворовского, А. Д. Мышкиса, Ю. Г. Борисовича, Б. Д. Гельмана, В. Г. Звягина, В. В. Обуховского, П. Дзекка, Ж. М. Ласри и Р. Робера, Д. Ж. Бургипа, Л. Гурневича, 3. Кухарского, Ю. Брышевского, Ю. Б. Зелинского, Ю. Е. Гликлиха, 3. Дзедзея, В. Крышевского и многих других. Применения методов теории операторных включений и теории неподвижных точек мультиотображений в различных задачах теории управляемых систем и теории дифференциальных включений описаиы в недавних монографиях Л. Гурпевича, М. И. Каменского, В. В. Обуховского и П. Дзекка, С. Ху и Н.Папагеоргиу. Подробная библиография по этим вопросам содержится в обзорах [7], [8], [9], [10] и книге [11].
В настоящей диссертационной работе получает дальнейшее развитие аппроксимативный метод в теории операторных включений (см. главы 2 и 3). В ней доказывается теорема биекции для гомотопических классов многозначных векторных полей, у которых главной частью является однозначное собственное отображение, а образы многозначного отображения лежат в некотором фиксированном семействе подмножеств. Ранее теоремы биекции для различных классов многозначных векторных полей изучались в работах Ю. Г. Борисовича [4], [5], В. В. Обуховского [24], В. Т. Дмитриенко [20] и других. Опираясь на доказанную теорему, в диссертации вводится абстрактное понятие топологического инварианта, определенного на множестве мультиполей, доказывается теорема о продолжении и единственности топологического инварианта. Полученная теорема применяется для построения топологической степени мультиполей со значениями из АМН-системы.
Далее в диссертационной работе аппроксимативные методы применяются для изучения операторных включений вида а (х) € Ф (х), где, а — замкнутый линейный сюръективный оператор, действующий из одного банахова пространства в другое, а Ф — многозначное отображение, являющееся композицией мультиотображеиия, имеющего «хорошие» значепия, и непрерывного однозначного отображения. Свойство значения быть «хорошим» означает, что это множество лежит в семействе подмножеств, описываемом некоторым набором аксиом (АМ-системе). Для таких включений доказывается теорема существования решений (точек совпадения) и выясняются некоторые свойства множества решений (неограниченность этого множества). В заключение полученные результаты применяются для исследования интегро-дифференциальной системы, которая может быть естественно интерпретируема как управляемая система с интегральной обратной связью.
Работа состоит из введения и трех глав.
Первая глава диссертации состоит из двух параграфов и посвящепа изучению таких семейств подмножеств метрического пространства, для которых теорему о существовании однозначных аппроксимаций у многозначных отображений с образами из этого семейства, можно получить из теоремы о существовании однозначных сечений. Основные результаты этой главы опубликованы в работах автора [17], [19].
Первый параграф этой главы является вспомогательным. Он посвящен изложению основных фактов теории многозначных отображений. В ней, следуя [6], [14], излагаются основные факты о непрерывных однозначных сечениях и е-аппроксимациях многозначных отображений с выпуклыми замкнутыми образами.
Основным в главе является второй параграф. В нем дается базовое в дальнейшей работе определение аппроксимационного семейства. Пусть Y — метрическое пространство.
1.2.1. Определение. Семейство подмножеств A (Y) пространства Y будем называть аппроксимационным, если существует отображение, А: P (Y) —"• A (Y), сопоставляющее произвольному непустому подмнооюеству из Y некоторое подмно-э/сество из семейства A{Y), удовлетворяющее следующим условиям: (А1) для любого В G A (Y) множество, А (Б) = В- (А2) если В, Се P (Y) и С С В, то {С) С Л (В);
A3) для любого е > 0 существует S = 6(e) > 0 такое, что для любого множества В С Y выполнено включение (Us (B)) С Ue (X (B)).
А4) для любого множества В С Y, любой точки у G Л (В) и любого е > 0, найдутся компактное подмножество В' С В и точка у' е Х (В') такие, что р (у, у') < г.
В этом параграфе приводятся примеры аппроксимационных семейств и изучаются их свойства. В частности, доказывается следующее утверждение.
1.2.6. Предложение. Пусть A (Y) — аппроксимационное семейство в пространстве Y. Тогда:
1) для любого е > 0 существует S > 0 такое, что если С? A{Y) и В С Щ©, то Л (В) С ие (С);
2) если многозначное отображение F: X —* P (Y) — полунепрерывно снизу, то многозначное отображение Fx: X A (Y), Fx (x) = X (F (x)) также полунепрерывно снизу.
Опираясь на это предложение, доказывается теорема об аппроксимации полунепрерывного сверху многозначного отображения полунепрерывными снизу.
1.2.7. Теорема. Пусть A (Y) — аппроксимационное семейство подмнооюеств в метрическом пространстве Y, пусть F: X —> A (Y) — полунепрерывное сверху многозначное отобраоюение, тогда для любого е > 0 существует полунепрерывная снизу е-аппроксгшация Fe: X —" A (Y) такая, что:
1)для любой точки х G X выполняется включение F (x) С Fe (x) — 2) образ Fe{X) С Л (F (X)).
Далее в этом параграфе дается определение системы Майкла и сильной системы.
Майкла.
1.2.8. Определение. Будем говорить, что семейство подмножеств M (Y) является системой Майкла, если оно удовлетворяет следующему условию: (М) для любого метрического пространства X, полунепрерывного снизу многозначного отображения F: X —> M (Y), замкнутого подмножества, А С X и непрерывного сечения f: А —> Y многозначного отображения Fсуществует непрерывное сечение g: X —*Y многозначного отображения F такое, что дд — /.
1.2.14. Определение. Будем говорить, что система подмножеств M (Y) является сильной системой Майкла, если эта система одновременно является системой Майкла и аппроксимационным семейством в Y. Сильную систему Майкла будем обозначать AM (Y).
Сильные системы Майкла тесно связаны с проблемой существования однозначных е-аппроксимаций многозначных отображений. Из теоремы 1.2.7 и определения сильной системы Майкла вытекает следующая теорема.
1.2.17. Теорема. Пусть многозначное отобраэюение F: X —> AM (Y) полунепрерывно сверху, тогда для любого е > 0 у многозначного отображения F существуют однозначная непрерывная е-аппроксимация fe и fe (X) С Л (F (X)).
Вторая глава диссертации посвящена развитию аппроксимативного метода в теории операторных включений. В пей доказывается теорема биекции для гомотопических классов многозначных векторных полей, у которых главной частью является однозначное собственное отображение, а образы многозначного отображения лежат в некотором фиксированном семействе подмножеств. Раннее теоремы биекции для некоторых классов многозначных векторных полей изучались в работах [4], [5], [20] и др.
Также в этой главе дается определение топологического инварианта на множестве многозначных векторных полей и доказывается теорема о продолжении и единственности топологического инварианта.
Основные результаты этой главы опубликованы в работах автора [18], [1].
В этой главе дается следующее определение.
2.1.5. Определение. Семейство nodMHOOicecmeV (Y) назовем АМН-семейством, если:
HI) семейство V{Y) является сильной системой Майкла;
Н2) для любого компактного мноо/сества A G V (Y) множество А (Л) также является компактным;
НЗ) произвольная точка у? Y принадлежит семейству V (Y), т. е. {у} G V (Y) для любой точки у E. Y,.
Пусть X — метрическое пространство, Е — банахово пространство, v: X —* Е — фиксированное непрерывное собственное однозначное отображение, V (E) — АМН-семейство в Е. Пусть F: X —> V (E) — полунепрерывное сверху компактное многозначное отображение.
Рассмотрим многозначное собственное отображение Ф = v — F: X —> V (E). Такое отображение будем называть многозначным компактным векторным полем с главной частью v и компактной частью F.
Пусть, А — замкнутое подмножество в X, а В — компактное подмножество в Е.
2.1.7. Определение. Будем говорить, что многозначное компактное векторное поле Ф допустимо относительно пар (X, А) и (Е, Е D), если Ф (Л) С (ЕВ).
Обозначим Т>-р ((Х, Л) — (Е, ЕВ)) множество допустимых многозначных компакт-пых векторных полей с главной частью v.
В этом множестве естественно вводится понятие гомотопности, которое порождает отношение эквивалентности векторных полей.
2.1.8. Определение. Пусть.
Ф0 = vFo, Фх = v-Fxe V-p ((X, А)-, (Е, Е В)).
Будем говорить, что поле Фо гомотопно полю Ф1, (Фо ~ Ф1), если существует полунепрерывное сверху компактное отображение К: X х [0,1] —> V (E) такое, что: а) Фо (ж) — v (x) — К (х, 0), Ф^ж) = v (x) — К (х, 1) для любого х € Xб) (v (x) — К (х, t))nB = 0 для любых х Е, А и t Е [0,1].
Обозначим множество различных гомотопических классов Пр[(Х, Л) — (Е, Е В)]. В силу свойства (НЗ) определения АМН-системы, однозначные непрерывные компактные отображения являются частными случаями полунепрерывных сверху компактных многозначных отображений. Следовательно, в множестве.
VP ((X, A)-,(E, EB)) выделяется подмножество.
V0((X, A)-(E, EB)), это множество допустимых однозначных непрерывных компактных векторных полей <р — v — / с главной частью v и компактной частью /.
В этом подмножестве Vo ((X, Л) — (Е, Е В)) также можно определить отношение гомотопности, предполагая, что К является однозначным компактным непрерывным отображением. Тогда множество V0((X, A)-,(E, E В)) также распадается на множество непересекающихся гомотопических классов [фо. Обозначим это множество По[(Х, А)-,(Е, Е В)}.
Возникает отображение вложения множества По[(Х, А) — (Е, Е В)] во множество UV[(X, A)-(E, EB)}.
2.2.1. Теорема. Отображение вложения г: Пор, А)-, (Е, ЕВ)] - ПР[(Х, Л) — (Е, ЕВ)], устанавливает биективное соответствие между этими множествами.
Теорема биекции играет основопологающую роль в построении топологических инвариантов для допустимых многозначных векторных полей. Рассмотрим абстрактную схему этого построения.
Пусть задано некоторое отображение.
7:V0((X, A)-(E, EB))^G, где G — некоторое множество.
Будем называть отображение 7 топологическим инвариантом, если из того, что сРо, V?1 G T>q{(X, Л) — (Е, Е В)) и (р0 ~ (ри вытекает, что 7(^0) = 7(^1).
Таким образом, топологический инвариант 7 порождает отображение множества гомотопических классов.
По [(Х, АУ,(Е, ЕВ)} в множество G. Это отображение будем обозначать той же буквой 7. Пусть Go некоторое подмножество в G.
2.3.1. Определение. Будем говорить, что множество Gо является существенным для топологического инварианта 7, если для любого поля </? G Т>о ((Х, Л) — (Е, Е В)), из того что 7(<р) G Go, вытекает, что В С <�р (Х).
Аналогично можно определить понятие топологического инварианта на множестве.
Vv ((X, Ay,(E, EB)).
Имеет место следующая теорема о продолжении и единстенности топологических инвариантов.
2.3.2. Теорема. Пусть топологический инвариант.
7:V0((X, A)-(E, EB))^G такой, что множество Gq С G является для него существенным. Тогда существует единственный топологический инвариант.
7 :VP ((X, A)-(E, EB))-*G такой, что: a) если (р = v — / - однозначное векторное поле, то 7(<р) = 7(<р) — b) если Ф = v-F е V.
В заключение этой главы рассматривается вопрос о вращении (топологической степени) многозначных векторных полей.
Пусть теперь задана V (E) — произвольная AMII-система в пространстве Е. Пусть F: U —> Т{Е) — компактное полунепрерывное сверху многозначное отображение. Рассмотрим компактное векторное поле Ф (ж) = x—F (x). Пусть это поле невырождено на Г, т. е. Ф (ж) ^ 0. Очевидно, что множество всех невырожденных векторных поле образуют множество.
VP ((U, T)-(E, E 0)). Тогда из теорем 2.2.1 и 2.3.2 вытекает следующее утверждение.
2.4.2. Теорема. Существует и единственнен топологический инвариант j: VP ((U, ry,(E, E))^Z, который является продолжением 7 — вращения однозначных компактных векторных полей, причем множество Z 0 является для 7 существенным, т. е. если 7(Ф, U) ф 0, то существует точка х0 U такая, что 0 е Ф (ж0).
Опираясь на теорему 2.4.2, можно доказать следующий результат. Пусть V (E) — произвольная AMЯ-система в пространстве Е. Пусть U — ограниченное открытое множество, содержащее ноль пространства Е, F: U —> V (E) — компактное полунепрерывное сверху многозначное отображение. Обозначим Ф (ж) = х — F (x) — компактное векторное поле, порожденное F. Пусть Г = dU.
2.4.3. Теорема. Пусть для любой точки х G Г выполнено условие х $ A (F (x)U0), тогда отображение F имеет неподвижную точку.
Третья глава диссертации посвящена изучению одного класса операторных включений. Начиная с работы А. Д. Мышкиса [26] в целом ряде исследований (см., например, [12, 22, 31, 32, 33, 34, 35] и др.) аппроксимативиые методы применялись к различным классам певыпуклозиачиых многозначных отображений с целыо изучения их неподвижных точек и разрешимости операторных включений.
В работах [47], [15] изучались операторные уравнения вида а{х) — f (x), где алинейный непрерывный сюръективный оператор, действующий из одного банахова пространства в другое, а / - вполне непрерывное отображение. Для этих уравнений доказывались теоремы существования решений и изучалась топологическая размерность множества решений этого уравнения.
В работе [13] были рассмотрены операторные включения вида а (х) е Ф (ж), где, а — непрерывный линейный сюръективный оператор, действующий из одного банахова пространства в другое, а Ф — многозначное вполне непрерывное отображение с выпуклыми замкнутыми образами. Для этих включений также доказывались теоремы существования решений и изучалась топологическая размерность множества решений этих включений.
В работе [16] изучались операторные уравнения вида а (х) = f (x), где, а — замкнутый линейный сюръективный оператор, действующий из одного банахова пространства в другое, а / - вполне непрерывное отображение.
В настоящей главе аппроксимативные методы применяются для изучения операторных включений вида а (х) € Ф (ж), где, а — замкнутый линейный сюръективный оператор, действующий из одного банахова пространства в другое, а Ф — многозначное отображение, являющееся композицией многозначного отображения, имеющего «хорошие» образы, и непрерывного однозначного отображения. Свойство образа быть «хорошим» означает, что это множество лежит в семействе подмножеств, описываемом некоторым набором аксиом. Для таких включений доказывается теорема существования решений и выясняются некоторые свойства множества решений (неограниченность этого множества).
В заключение главы полученные результаты применяются для исследования одной иптегро-дифференциальной системы, которая может описывать управляемую систему с интегральной обратной связью.
Пусть X — метрическое пространство, Ф: X —> К (Е) — полунепрерывное сверху многозначное отображение.
3.1.3. Определение. Многозначное отображение Ф называется суперпозицион-но апроксимируемым многозначным отображением (SA-отображением), если существуют: метрическое пространство Y, правильная система Майкла AM (Y) в пространстве Y, полунепрерывное сверху многозначное отображение F: X —> AM (Y), непрерывное однозначное отображение р: Y —> Е такие, что для любой точки х? X справедливо равенство Ф (ж) = p (F (x)).
Многозначное отображение Ф называется вполне непрерывным SA-отображением, если многозначное отображение F: X —* АМ (Е) является вполне непрерывным.
Для SA-отображений справедлива следующая теорема о неподвижных точках.
3.1.4. Теорема. Пусть Т — замкнутое выпуклое ограниченное подмножество банахова пространства Е, Ф: Т —> К (Е) — многозначное вполне непрерывное SA-отображение. Если Ф (Т) С Т, то отображение Ф имеет неподвижную точку.
Пусть теперь Е, Е2- два банаховых пространства, а: D (a) С Е —> Е2 — замкнутый линейный сюръективный оператор. Число назовем нормой многозначного отображения а~1: Е2 —> Cv (E).
Рассмотрим оператор дифференцирования d: D[d) С Сад —> С[а, ь], где 0(d) — множество непрерывно дифференцируемых вектор-функций со значениями в Rn. Очевидно, что оператор d является замкнутым сюръективпым оператором. Вычислим для него 11 11 [.
3.2.1. Предложение. Число ||g?-1|| =.
Пусть F: Е —* Р (Е2) — многозначное отображение. Нас будет интересовать разрешимость следующего включения: a = sup (а (х) G Ф (ж).
3.1).
Обозначим N (a, Ф) множество решений этого включения.
Пусть Y — метрическое пространство, многозначное отображение F: X С Ei —* С (У) полунепрерывно сверху.
3.2.5. Определение. Будем говорить, что отображение F — вполне непрерывно по модулю отобраэюения, а (или а-вполне непрерывно), если для любого ограниченного множества, А С Е2 и любого ограниченного множества В С X множество.
F (B П а-1 (Л)) является компактом в Y.
3.2.7. Определение. Будем говорить, что многозначное SA-отображение Ф является а-вполне непрерывным, если а-вполне непрерывным является отображение F.
Справедлива следующая теорема.
3.2.8. Теорема. Пусть Ф: Е —" С (2?2) — многозначное SA-omo6paoicenue, удовлетворяющее следующим условиям:
1) Ф — а-вполне непрерывно;
2) существуют неотрицательные числа cud такие, что для любого х G Е справедливо неравенство: max ||?/|| < с||ж|| + d. у€Ф (х).
Если с < ||ali||, то N (a, Ф) является непустым мноэюеством.
Справедлива теорема, характеризующее некоторые свойства множества N (a, Ф).
3.2.9. Теорема. Пусть выполнены условия теоремы 3.2.8 и dim (Ker (a)) > 0.
Тогда множество N (a, Ф) является неограниченным.
В третьем параграфе этой главы теоремы 3.2.8, 3.2.9 применяются для изучения одного класса интегро-дифференциальных систем.
Пусть I — отрезок на числовой прямой, Е0, Е — конечномерные банаховы пространства, многозначное отображение F: I х Eq —¦> К (Е) таково, что F1) для каждого х € Е0 многозначное отображение F (-, x): I —"• К (Е) имеет измеримое сечение;
F2) для п.в. t G I многозначное отображение F (t, •): Eq —1> К (Е) полунепрерывно сверху;