Luận văn Thạc sĩ Toán học: Điểm bất động của một số lớp ánh xạ đa trị

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

106
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Toán học: Điểm bất động của một số lớp ánh xạ đa trị bao gồm những nội dung về khái niệm ánh xạ đa trị, các định lý về điểm bất động của các lớp ánh xạ có tính chất co, có giá trị lồi và không lồi; khái niệm về không gian Banach có thứ tự, các định lý điểm bất động của ánh xạ đa trị tăng có tính chất co, compact và T – đơn điệu trong không gian Banach có thứ tự.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Toán học: Điểm bất động của một số lớp ánh xạ đa trị

THƯ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HỒ CHÍ MINH _______________________________________________________ Nguyễn Viết Thăng ĐIỂM BẤT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ LỚP ÁNH XẠ ĐA TRỊ Chuyên nghành: Toán giải tích Mã số: 60 46 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐÌNH THANH Thành phố Hồ Chí Minh – 2010
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bích Huy và TS. Trần Đình Thanh đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy phản biện đã nhận xét và đóng cho tôi những ý kiến quý báu. Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy trong thời gian tôi học tập tại trường Đại học Sư phạm Tp HCM và đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn bạn bè và người thân đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Tp. HCM, tháng 10 năm 2010 Học viên Nguyễn Viết Thăng
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhiều hiện tượng trong tự nhiên và xã hội dẫn đến việc nghiên cứu sự tồn tại, duy nhất và xây dựng xấp xỉ cho các phương trình phi tuyến. Phương pháp điểm bất động là một trong các phương pháp quan trọng và hữu hiệu nhất để chứng minh sự tồn tại và nghiên cứu cấu trúc tập nghiệm của các lớp phương trình phi tuyến khác nhau. Lý thuyết điểm bất động ra đời từ những năm 1920, được phát triển và hoàn thiện cho tới ngày nay để có thể áp dụng cho ngày càng nhiều lớp phương trình. Cùng với sự phát triển của khoa học và do nhu cầu phát triển nội tại của Toán học, các ánh xạ đa trị đã được đưa vào nghiên cứu từ những năm 1950. Chúng là công cụ hữu hiệu để mô tả nhiều hiện tượng của tự nhiên, xã hội, kinh tế… Từ đó nảy sinh ra yêu cầu phát triển các phương pháp nghiên cứu với ánh xạ đa trị, trong đó có phương pháp điểm bất động. Cho đến nay, lý thuyết điểm bất động cho các ánh xạ đa trị đã thu được nhiều kết quả có giá trị . Tuy nhiên đây vẫn là hướng nghiên cứu đang được các nhà Toán học quan tâm nghiên cứu và hứa hẹn được tới những kết quả thú vị về lý thuyết cũng như ứng dụng. Mục tiêu của luận văn là giới thiệu những kết quả ban đầu về lý thuyết điểm bất động của các ánh xạ đa trị. Cụ thể luận văn trình bày các định lý điểm bất động và các vấn đề liên quan cho các lớp ánh xạ dạng co, ánh xạ đa trị có giá trị lồi và không lồi, ánh xạ đa trị tăng và các ánh xạ đưa về ánh xạ tăng trong không gian có thứ tự. Các lớp ánh xạ này được nghiên cứu bằng các phương pháp khác nhau như phương pháp sử dụng lát cắt đơn điệu, phương pháp bậc tôpô, phương pháp sử dụng nguyên lý Entropy… 2. Nội dung luận văn Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn có 2 chương. Chương 1 gồm các khái niệm về ánh xạ đa trị, các định lý về điểm bất động của các lớp ánh xạ có tính chất co, có giá trị lồi và không lồi. Phần 1.1 nhắc lại các khái niệm về ánh xạ đa trị; một số thuật ngữ và ký hiệu liên quan.Các kết quả này được trích từ tài liệu tham khảo. Phần 1.2 trình bày định lý về điểm bất động của ánh xạ đa trị có tính chất co , tính chất của tập điểm bất động của ánh xạ đa trị có tính chất co.Đây là mở rộng nguyên lý điểm bất động của Banach, phần này chúng tôi tham khảo [3] Phần 1.3 trình bày các định lý về điểm bất động của ánh xạ đa trị có giá trị lồi, từ Định lý định lý điểm bất động Bruower  Bất đẳng thức KyFan  Định lý 1.3.6 về điểm cân bằng  Định lý điểm bất động Kakutani. Phần này chúng tôi tham khảo trong [3], [6], [7]. Phần 1.4 trình bày các định lý liên quan đến điểm bất động của ánh xạ có giá trị không lồi.Phần này chúng tôi tham khảo trong [3].
Chương 2 gồm các khái niệm về không gian Banach có thứ tự, các định lý điểm bất động của ánh xạ đa trị tăng có tính chất co, compact và T – đơn điệu trong không gian Banach có thứ tự. Phần này chúng tôi tham khảo [2], [4], [5]. Phần 2.1, 2.2 trình bày các khái niệm và kết quả của không gian Banach có thứ tự và ánh xạ đa trị đơn điệu. Phần 2.3 trình bày các định lý về điểm bất động của ánh xạ đa trị tăng là mở rộng định lý Tarskii. Phần 2.4 trình bày các định lý về điểm bất động của ánh xạ đa trị tăng có tính chất co. Phần 2.5 trình bày các toán tử có liên quan tới tính chất compact. Phần 2.6 trình bày về điểm bất động của ánh xạ T – đơn điệu đa trị. 3. Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp lát cắt đơn điệu, ứng dụng các định lý cơ bản về tập có thứ tự. 2. Phương pháp bậc tôpô. 3. phương pháp sử dụng nguyên lý Entropy…
Chương 1 ĐIỂM BẤT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ LỚP ÁNH XẠ ĐA TRỊ 1.1. CÁC KHÁI NIỆM – KẾT QUẢ ĐƯỢC SỬ DỤNG 1.1.1. Ánh xạ đa trị Cho X , Y là hai tập bất kỳ, ta ký hiệu 2Y là họ tất cả các tập con của Y . Một ánh xạ F : X  2Y gọi là một ánh xạ đa trị từ X vào Y . Điểm x * được gọi là điểm bất động của ánh xạ đa trị F : X  2 X nếu x*  F ( x*) 1.1.2. Một số thuật ngữ và ký hiệu liên quan  Đồ thị của F : X  2Y là tập con của X  Y ký hiệu gphF , định nghĩa bởi gphF  ( x, y)  X  Y : y  F ( x)  Domain của F ( miền hữu hạn ) được ký hiệu và định nghĩa: domF   x  X : F ( x)    Miền ảnh ký hiệu rgeF : rgeF   y  Y : x  X , y  F ( x)  Ánh xạ ngược: F 1 : Y  2 X của ánh xạ F : X  2Y được định nghĩa bởi công thức F 1 ( y )   x  X : y  F ( x) , ( y  Y ) x  F 1 ( y )  y  F ( x)  ( x, y )  gphF  Đối với mỗi tập M  Y ta phân biệt hai loại ảnh ngược sau đây: + Nghịch ảnh của M là: F  ( M )   x : F ( x)  M   + Nhân của M qua F là: F  ( M )   x : F ( x)  M   Giả sử G : X  2Y ; H : Y  2Z . Khi đó H  G : X  2Z xác định bởi: ( H  G )( x)   yG ( x ) H ( y ), x  X  Cho F : X  2Y là các ánh xạ đa trị, X , Y là các không gian tôpô. + Nếu gphF là tập đóng trong không gian tôpô tuyến tính X  Y thì F được gọi là ánh xạ đóng. + Nếu X , Y là các không gian tuyến tính tôpô và nếu gphF là tập lồi trong không gian tích X  Y thì F được gọi là ánh xạ đa trị lồi. + Nếu F ( x) là tập đóng x  X thì F được gọi là ánh xạ có giá trị đóng. + Nếu Y là không gian tuyến tính tôpô và nếu F ( x) là tập lồi, x  X thì F được gọi là ánh xạ có giá trị lồi. 1.1.3. Tính liên tục của ánh xạ đa trị Định nghĩa 1.1.3.1
Ta nói ánh xạ đa trị F là nửa liên tục trên tại x  domF nếu với mọi tập mở V  Y thỏa mãn F ( x)  V tồn tại lân cận U của x sao cho F ( x)  V , x  U Nếu F là nửa liên tục trên tại mọi điểm thuộc domF , thì F được gọi là nửa liên tục trên ở trong X. Định nghĩa 1.1.3.2 Ta nói ánh xạ đa trị F là nửa liên tục dưới tại x  domF nếu với mọi tập mở V  Y thỏa mãn F ( x)  V   tồn tại lân cận U của x sao cho F ( x )  V  , x  U  domF Nếu F là nửa liên tục dưới tại mọi điểm thuộc domF , thì F được gọi là nửa liên tục dưới ở trong X. Định nghĩa 1.1.3.3 Ta nói F là liên tục tại x  domF nếu F đồng thời là nửa liên tục trên và nửa liên tục dưới tại x. Nếu F là liên tục tại mọi điểm thuộc domF , thì F được gọi là liên tục trên X. Định nghĩa 1.1.3.4 ( Ánh xạ hêmi liên tục trên )  2Y là hêmi liên tục trên tại x0  domF nếu với mọi p  Y * , hàm số Ta nói F : X     F ( x), p  là nửa liên tục trên tại x0 . x  F gọi là hêmi liên tục nếu nó là hêmi liên tục tại mọi x  domF . 1.2. ĐIỂM BẤT ĐỘNG CỦA ÁNH XẠ ĐA TRỊ CÓ TÍNH CHẤT CO Định nghĩa 1.2.1 Cho ( X , d X ) là một không gian metric và A, C  2 X \  .   Đặt h( A, C )  max sup d X (a, C ), sup d X (c, A) , với h( A, C )   được cho phép. Số thực a A cC h( A, C ) được gọi là khoảng cách Housdorff giữa A và C liên quan đến metric d X . Với d X ( x, A) là khoảng cách giữa điểm x và tập A nghĩa là d X ( x, A)  min d X ( x, y ) . y A Định lý 1.2.2 (Định lý điểm bất động Naler) [3] Nếu (X , dX ) là một không gian metric đầy đủ và F : X  Pf (X ) là một ánh xạ h-co ( tức là h(F (x ), F (y ))  kdX (x , y ) với x, y  X , k  [0,1) ) thì F có điểm bất động tức là x  X : x  F (x ).
Chứng minh Chọn k1  (k ,1) và x 0  X . Sau đó lấy x 1  F (x 0 ) thỏa x1  x 0 , tức là dX (x 0 , x 1 )  0 (Nếu x1 không tồn tại thì x 0 là điểm bất động cần tìm của F ) Vì dX (x 1, F (x 1 ))  sup dX (x , F (x1 )) x F (x 0 )    max   sup d X (x, F (x 1 ), sup dX (y, F (x 0 ))   x F (x 0 )  y F (x1 )    = h(F (x 0 ), F (x1 ))  kdX (x 0 , x 1 )  k1dX (x 0 , x 1 ) Theo tính chất inf, ta có x 2  F (x 1 ) sao cho dX (x 1, x 2 )  k1dX (x 0 , x 1 ) . Bằng quy nạp, chúng ta chọn được một dãy x n n 1 sao cho x n 1  F (x n ), n  1 và dX (x n , x n 1 )  k1ndX (x 0 , x 1 ), n  1 (1.2.1) Từ bất đẳng thức (1.2.1) ta suy ra rằng x n n 1  X là dãy Cauchy. Do X là đầy đủ nên suy ra x n  x trong X. Ta chứng minh x  F (x ) . Thật vậy ta có: dX (x n 1, F (x ))  h (F (x n ), F (x ))  kdX (x n , x )  0 Vì vậy dX (x , F (x ))  0 và vì F(x) là đóng nên chúng ta có x  F (x ) . Ghi chú 2.1.3 i) Điểm bất động trong Định lý 1.2.1 là không duy nhất. ii) Tập các điểm bất động của F (kí hiệu là Fix(F)) là tập đóng. Chứng minh i) Nếu F ( x)  X , x  X thì với mọi x  X là điểm bất động của F. Lấy x n   Fix (F ) . ii) Giả sử x n  x , ta chứng minh x  Fix (F ) nghĩa là chứng minh x  F (x ) . Ta có dX (x n , F (x ))  h(F (x n ), F (x ))  kdX (x n , x )  0 Suy ra d X (x, F (x ))  0 Vậy Fix(F) là đóng. Mệnh đề 1.2.4 [3] Nếu (X , dX ) là một không gian metric đầy đủ, F1, F2 : X  Pbf (X ) là h-co với hằng số co k  [0,1) và Fix (Fi ) kí hiệu là tập điểm bất động của Fi (i  1, 2) thì
1 h(Fix (F1 ), Fix (F2 ))  sup h(F1 (x ), F2 (x )) 1  k x X Chứng minh  Lấy e  0 và chọn x  0 sao cho x  n.k n  1 n 1 1 Đặt e1  xe 1k Lấy x 0  Fix (F1 ) và sau đó chọn x1  F2 (x 0 ) sao cho dX (x 0 , x 1 )  h(F1 (x 0 ), F2 (x 0 ))  e (1.2.2) Vì x 0  Fix (F1 )  x 0  F1 (x 0 ) . Đặt A  dX (x 0 , x ) : x  F2 (x 0 )  inf A  dX (x 0 , F2 (x 0 ))  h F1 (x 0 ), F2 (x 0 ) Suy ra x 1  F2 (x 0 ) sao cho dX (x 0 , x 1 )  h(F1 (x 0 ), F2 (x 0 ))  e Vì h F2 (x 1 ), F2 (x 0 )  kdX (x1 , x 0 ) nên chúng ta có thể tìm x 2  F2 (x 1 ) thỏa dX (x 2 , x 1 )  kdX (x 1, x 0 )  ke1 . Thật vậy ta có : d (x1 ; F2 (x 1 ))  h(F2 (x 0 ), F2 (x1 ))  kdX (x 0 , x 1 ) . Suy ra tồn tại x 2  F2 (x 1 ) sao cho d (x 2 , x 1 )  kdX (x 0 , x 1 )  ke1 . Bằng phương pháp quy nạp ta chọn được một dãy xn  sao cho n 1 x n 1  F2 (x n ), n  1 (1.2.3) và dX (x n 1, x n )  k n dX (x 0 , x 1 )  nk n e1 (1.2.4) Từ bất đẳng thức (1.2.4) ta được  km   d(x n 1 , x n )  n m 1k dX (x 0 , x1 )  e1  nk n n m (1.2.5) Do (2.1.5) nên xn  là dãy Cauchy, và do (X , dX ) đầy đủ nên ta có: n 1 x n  x trong X Từ (1.2.3) ta có: d (x n 1 , F2 (x ))  h(F2 (x n ), F2 (x ))  kdX (x n , x )  0 Suy ra d (x , F2 (x ))  0  x  F2 (x ) Vậy x  Fix (F2 ) Hơn nữa từ (1.2.5) và (1.2.2) ta có   1 dX (x 0 , x )   dX (x n , x n 1 )  dX (x 0 , x 1 )  e1  nk n n0 1k n 1 1  h F1 (x 0 ), F2 (x 0 )  2e 1k
Suy ra 1   h Fix (F1 ), Fix (F2 )  sup h F1 (x ), F2 (x )  2e, e  0 . 1  k  x X  1 Suy ra , h Fix (F1 ), Fix (F2 )  sup h F1 (x ), F2 (x ) . 1  k x X Hệ quả 1.2.5 [3] Nếu (X , dX ) là một không gian mêtric đầy đủ, Fn , F : X  Pbf (X ) với n  1 là các hàm h-co với hằng số k  [0,1) và sup h Fn (x ), F (x )  0 , x X thì h Fix (Fn ), Fix (F )  0 . Chứng minh Áp dụng Định lí 1.2.3 ta có 1 h Fix (Fn ), Fix (F )  sup h Fn (x ), F (x ) 1  k x X Do sup h Fn (x ), F (x )  0 x X Suy ra, h Fix (Fn ), Fix (F )  0 . 1.3. ĐIỂM BẤT ĐỘNG CỦA ÁNH XẠ ĐA TRỊ CÓ GIÁ TRỊ LỒI Định nghĩa 1.3.1 Giả sử X là không gian mêtric, K  X và  i , i  1, 2,..., n là phủ mở hữu hạn của K. Ta nói các hàm liên tục  i : K   là phân hoạch đơn vị liên tục ứng với họ phủ  i  nếu sup( i )   x  K :  i ( x)  0   i và với mọi n x  K , 0   i ( x)  1 ;   i ( x)  1 . i 1 Định nghĩa 1.3.2 Cho X là một không gian vectơ. a) Một tập C được gọi là đóng hữu hạn nếu nó giao với một phẳng hữu hạn chiều bất kì Y  X (Y  x  L với x  X và L là không gian con hữu hạn chiều của X) là đóng trong không gian tôpô Euclid Y. b) Một họ C i  của X được gọi là có tính chất giao hữu hạn nếu giao của mỗi họ con hữu hạn i 1 là khác rỗng. Định lý 1.3.3 ( Định lý điểm bất động Brouwer) [6] Ánh xạ f đơn trị liên tục từ một tập lồi compact trong không gian hữu hạn chiều vào chính tập này luôn có điểm bất động, tức là tồn tại điểm x thỏa f ( x)  x .
Định lý 1.3.4 (Bất đẳng thức Ky Fan) [6], [7] Giả sử K là tập lồi, compact trong không gian định chuẩn X. Giả sử  : X  X   thỏa: i) Với mọi y  K ,  (., y ) là hàm nữa liên tục dưới. ii) Với mọi x  K ,  ( x,.) là hàm lõm. iii) Với mọi y  K ,  ( y, y )  0 Khi đó, tồn tại x  K sao cho   x, y   0, y  K . Chứng minh i) Xét trường hợp X hữu hạn chiều. Giả sử x  K , y  K sao cho  ( x, y )  0 Với mỗi y  K , đặt  y  { x  K :  ( x, y )  0} (*) Vì  (., y) là hàm nữa liên tục dưới nên  y là tập mở trong không gian tôpô cảm sinh K. Từ (*) suy ra  y  yK là một phủ mở của K. n Do K compact nên tồn tại y1 , y2 ,..., yn  K sao cho K   y . Khi đó tồn tại phân hoạch liên tục i i 1  i  ứng với họ phủ  y i1,...,n . i Xét ánh xạ ( đơn trị ) f : K  K như sau: n x  K , f ( x )   i ( x) yi i 1 n Vì K là tập lồi, yi  K với i  1,..., n ;  i ( x)  0 và   ( x)  1 nên i 1 i f ( x)  K , x . Do  i () là các hàm liên tục nên f ( x ) là ánh xạ liên tục. Theo định lý Brouwer tồn tại y  K sao cho y  f  y  Do giả thiết ii) n n        y, y    y,   i y yi     i y  y, yi  i 1  i 1     n   Đặt I  y   i      y   0 thì I  y    vì   y   1 i 1 i Ngoài ra ta có i  I  y  thì y  supp i   y i Do đó theo định nghĩa  y ,   y, yi   0 suy ra n    y    y, y      y    y, y   0 i i i i i 1   iI y
Tức   y, y   0 ( mâu thuẩn với iii)). b) Trường hợp X vô hạn chiều. Gọi S là họ mọi tập hữu hạn, M  { y1 , y2 ,..., ym }  K và đặt v  sup inf max  ( x, yi ) M S x K yi M Ta chứng minh v  0 m m    m  Gọi S m là đơn hình (1 , 2 ,...,  m)   :  i  1, i  0  và đặt  M ( ,  )    j   i yi , yi  ,  i 1  j 1  i 1  ,   S m Ta thấy  M thỏa cả 3 giả thiết cho  . Thật vậy i) Hiển nhiên thỏa. ii) Thỏa vì  M tuyến tính theo  . m  m   m m  iii) Thỏa vì  M (  ,  )   i   i yi , y j      i yi ,   j y j   0 i 1  j 1   i 1 j 1  Do đó theo phần a) trên đây, tồn tại   S m sao cho m      S m ,   j  x, y j   M  ,   0 i 1  m Với x    i yi  coM  K . i 1 Bây giờ ta có: m    M  inf max  ( x, y j )  max  x, y j  sup  i x, y j  0 xK y j M y j M  S m 1   Vậy  M  sup  M  0 S m Ta còn phải chứng minh tồn tại x  K để sup  x, y   . yK   Đó là nội dung của bổ đề sau: Bổ đề 1.3.4 Giả sử X là không gian tôpô, K  X là tập compact, L là tập bất kỳ. Giả sử  : K  L   thỏa điều kiện  ., y  là nửa liên tục dưới y  L . Gọi S là họ các tập hữu y L   hạn của L. Khi đó, tồn tại x  K để sup  x, y    sup  x, y inf max   x, y j  M S m   xK y j M Chứng minh
Đặt S y   x  K :   x, y     . S y là tập đóng nằm trong tập compact K nên là compact. Ta sẽ chứng tỏ họ S y có tính chất là mọi giao hữu hạn đều khác  . Xét S yi , i  1, 2,..., n nào đó. Gọi M   y1 , y2 ,..., yn  . Vì  ., y  là hàm nửa liên tục dưới nên max  ., y  (của hữu hạn hàm) cũng là yi M nửa liên tục dưới và do đó đạt minimum trên K tại xM  K :   inf max   x, yi   max   xM , yi  x K y i  M yi M n Vậy xM   S yi . Do tính compact, giao toàn bộ i 1 S yL y   , điểm x   S y sẽ thỏa bổ đề. yL Định nghĩa 1.3.4 (Điểm cân bằng)[6]  2 X . Điểm x  K được gọi là điểm Giả sử X là không gian định chuẩn, K  X , F : X  cân bằng của F với ràng buộc K nếu 0  F x  Định nghĩa 1.3.5  2X Giả sử X là không gian định chuẩn, F : X  Tập K  domF gọi là miền tồn tại của F nếu với mọi x  K , F  x   TK  x   0 Kx Với TK  x  là bao đóng của nón sinh bởi K  x , tức là TK  x   clS K  x   cl  h0 h Định lý 1.3.6 (Định lý về sự tồn tại điểm cân bằng)[6]  2 X là ánh xạ đa trị hêmi liên tục trên ở trong Giả sử X là không gian định chuẩn, F : X  X, có giá trị lồi đóng. Nếu tập lồi compact khác rỗng K  X là miền tồn tại của F thì tồn tại x  K là điểm cân bằng của F, tức là x  K : 0  F x  Chứng minh Giả sử phản chứng là với mọi x  K , 0  F  x  Với mỗi x  K , do F  x  là lồi đóng và 0  F  x  , sử dụng định lý tách các tập lồi, ta tìm được p x  X * sao cho   F  x  , p x   0   Khi đó với p  X * , họ  p  x  K :   F  x  , p   0 là phủ mở của K ( p mở do tính hêmi liên tục trên của F) Do K compact nên tồn tại họ phủ hữu hạn  pi , i  1, 2,..., n   Gọi  i  là phân hoạch đơn vị liên tục ứng với họ  pi
n Xét hàm  : K  K   cho bởi công thức:   x, y     i  x  pi , x  y i 1 Rõ ràng là i) y  K ,  ., y  là hàm số liên tục ii) x  K ,   x,. là hàm số aphin (do đó là hàm lõm) iii) y  K ,   y, y   0 Vậy các giả thiết của định lý KyFan được thỏa n  Do vậy x  K để với p    i x pi và mọi y  K ,  x, y  p, x  y  0 i 1   Điều này tương đương với  p , y  x  0 , tức  p  TK x  Vì K là miền tồn tại của F nên tồn tại   F x  TK x      Vậy  F x , p  p,  0 Đặt I  x   i  1, 2,..., n :   x   0 i n Vì    x  và   x   0, i nên I  x    i 1 i i   Với mọi i  I x , do  i x  0 nên x  pi    Từ đó suy ra  F x , p     x    F  x  , p   0 (mâu thuẫn) iI x  i i Định lý được chứng minh Định lý 1.3.7 (Định lý điểm bất động Kakutani)[6]  K là ánh xạ đa trị Giả sử K là tập lồi, compact trong không gian Banach X, Cho G : K  hêmi liên tục trên ở trong K, có giá trị lồi, đóng, khác rỗng. Khi đó, G có điểm bất động x trong K, tức là x  K  G x  Chứng minh Đặt F  x   G  x   x . Từ các giả thiết đặt trên G suy ra rằng F : K   X là ánh xạ đa trị hêmi liên tục trên, có giá trị lồi, đóng, khác rỗng. Vì K lồi nên K  x  TK  x  Mặt khác G  K   K nên F  x   G  x   x  K  x  TK  x  , x  K Do đó K là miền tồn tại của F
 Theo Định lý 1.3.6, tồn tại x  K sao cho 0  F x tức là tồn tại x  K sao cho x  G x  Định nghĩa 1.3.8 ( Ánh xạ hướng vào và hướng ra)  2 X thỏa G  x    x  TK  x    , x  K được gọi là hướng vào. i) Ánh xạ G : K   2 X thỏa G  x    x  TK  x    , x  K được gọi là hướng ra. ii) Ánh xạ G : K  Định lý 1.3.9 [6]  2 X là ánh xạ đa Giả sử X là không gian Banach, K  X là tập lồi, compact. Giả sử G : X  trị hêmi liên tục trên với ảnh lồi, đóng, khác rỗng. Nếu G hướng vào hoặc hướng ra thì G có điểm bất động x trong K, tức là x  K  G x  Chứng minh Rõ ràng K là miền tồn tại của F  G  I nếu G hướng vào và của F  I  G nếu G hướng ra. Theo Định lý 1.3.6 về điểm cân bằng ta thấy x là điểm cân bằng của F hoặc F tương ứng. Chúng đều là điểm bất động của G. Định lý 1.3.10 [3] Nếu X là không gian lồi địa phương, K  X là tập khá rỗng, compact và lồi và  2 K \  là ánh xạ đa trị với giá trị lồi, sao cho với mỗi F : K  y  K , tập F   y    x  K : y  F  x  là mở thì tồn tại x  K sao cho x  F  x  Chứng minh  Họ F   y   y K là một phủ mở của K. n Vì vậy chúng ta có thể tìm được một phủ con hữu hạn F   yk    k 1 và một phân hoạch đơn vị liên n tục tương ứng  i i 1 n Đặt u  x  =  i  x  yi i 1 Thì u : K   K là hàm chọn liên tục của F Áp dụng định lý Brouwer, ta thu được x  K : x  u  x   F  x  1.4. ĐIỂM BẤT ĐỘNG CỦA ÁNH XẠ ĐA TRỊ CÓ GIÁ TRỊ KHÔNG LỒI Định nghĩa 1.4.1 Cho X là không gian tô pô Hausdorff và C  X . Chúng ta nói rằng C là một tập co của X, nếu có một ánh xạ liên tục r : X   C , thỏa mãn r |C  idC
Ánh xạ r được gọi là ánh xạ co. Định nghĩa 1.4.2 Cho X là một không gian Banach và xem họ M  ( ,U , K ) : K  X là một tập co; U  K là tập bị chặn, mở tương đối,  :U   K là compact và Fix( )  U   , với  Fix( )  u  U :  ( x)  x .   K là một ánh xạ co, thì với mỗi ( , U , K )  M , chúng ta có thể định nghĩa chỉ Nếu r : X  số điểm bất động giá trị  theo K của  trên U với mối quan hệ K , bởi i( , U , K )  d LS (id X    r , r 1 (U ), 0) , với d LS được ký hiệu là bậc Leray – Schauder. Định lý 1.4.3 Cho X , Y là hai không gian Banach và C  X , D  Y là tập đóng, lồi và khác rỗng, tiếp theo  2C \  có ta kí hiệu ( D, w) là tập D được trang bị với quan hệ tôpô yếu trên Y. Xem G : C  sự phân tích sau: G  K  N (1.4.3)  2D \  là ánh xạ đa trị nửa liên tục trên vào ( D, w) và có giá trị compact yếu, lồi, Với N : C  w  C là hàm liên tục theo dãy nghĩa là nếu yn  K : ( D, w)   y trên D thì K ( yn )   K ( y) trên C . Giả sử G là compact, nghĩa là ánh xạ biến tập bị chặn thành tập compact tương đối. Nếu ký hiệu M là là họ bội ba (G, U , C ) với G và C như trên và U  C là khác rỗng, bị chặn, mở tương đối sao cho Fix(G )  U   , thì trên M ta có thể định nghĩa điểm bất động tương tự như định nghĩa 1.4.2. Khi đó ta có kết quả:   , sao cho Tồn tại một ánh xạ i : M  a) Sự tiêu chuẩn hóa: Nếu K trong (1.4.3) là một ánh xạ hằng, nghĩa là K ( y )  v0 U , y  Y , thì 1 nêu v0  U i (G , U , C )   0 nêu v0  U b) Sự cộng tính: Nếu Fix (G )  U  U1  U 2 , với U 1 và U 2 là hai tập con mở rời nhau của U , thì i(G ,U , C )  i (G, U1 , C )  (i (G, U 2 , C )  2C \  là một ánh xạ đa trị với sự phân tích F  S  L c) Bất biến đồng luân: Cho F : C  như trong (1.4.3) và giả sử G và F là đồng luân như sau: “ Tồn tại một ánh xạ đa trị nữa  2 D \  ( D với quan hệ tôpô yếu) có giá trị compact yếu, liên tục dưới H :[0,1]  C 
lồi, thỏa H (0,.)  N và H (1,.)  L và một dãy ánh xạ liên tục u :[0,1]  ( D, w)   C , thỏa u(0,.)  K , u (1,.)  S ”. Chúng ta đặt  (t , x)  u(t , H (t , x)) và giả sử rằng  là compact và x  (t , x) (t , x)  [0,1]  U thì i(G ,U , C )  i ( F , U , C ) d) Tính phân tích: Với bất cứ sự phân tích khác G '  K ' N ' với tập D ' là khác rỗng, đóng, lồi của không gian Banach Y ' , thỏa mãn tồn tại một dãy ánh xạ liên tục p : ( D, w)  ( D ', w) với N '  p  N , K ' p  K , chúng ta có i(G, U , C )  i(G ', U , C ) e) Tính giải được: Nếu i(G ,U , C )  0 , thì Fix(G )  U   . Định lý 1.4.4  2 X \  là ánh xạ đa trị compact với sự phân tich như Nếu X là không gian Banach, G : B R  trong (1.4.3) thì ít nhất một trong hai phát biểu sau xảy ra: a) Tồn tại x0  BR và   (0,1) , sao cho x0   G ( x0 ) ; hoặc b) Fix(G )   Chứng minh  B R là ánh xạ co và thu được sự phân tích Đặt r : X  G  r  K  (N  r) Giả sử rằng Fix(G )   B R   Thì i(G  r , BR , X ) đã dược định nghĩa.  X được định nghĩa bởi Đặt u :[0,1]  ( D, w)  u (t , y )  tK ( y ) Đối với hàm u ta thấy rằng G  r và D  ( N  r )  0 là đồng luân trong định lý 1.4.3 với điều kiện a) là không hợp lệ. Theo tính chất sự tiêu chuẩn hóa trong định lý 1.4.3, ta có i(G  r , BR , X )  i (0, BR , X )  1 Theo tính chất giải được của định lý 1.4.3, chúng ta tìm được x  BR , sao cho x  (G  r )( x)  G ( x) . Định lý 1.4.5  2C \  là một ánh xạ đa trị với sự phân tích như Nếu X là không gian Banach, G : C  trong (1.4.3) và 0  C ,thì thì ít nhất một trong hai phát biểu sau xảy ra:
a) G có điểm bất động; hoặc. b) Tập S   x  C : x   G ( x), 0    1 không bị chặn.
Chương 2 ĐIỂM BẤT ĐỘNG CỦA ÁNH XẠ ĐA TRỊ TĂNG TRONG KHÔNG GIAN BANACH CÓ THỨ TỰ 2.1. KHÔNG GIAN BANACH VỚI THỨ TỰ SINH BỞI NÓN Định nghĩa 2.1.1 Cho X là không gian Banach và K là tập con của X. K được gọi là nón nếu: i) K đóng khác rỗng và K  0 . ii) a, b  ; a, b  0; x, y  K  ax  by  K . iii) x  K và  x  K  x  0 . Ví dụ: Cho X   n và K  {( x1 , x2 ,..., xn )  X : xi  0, i  1, 2,..., n}. Thì K là nón trong X. Định nghĩa 2.1.2 Trong không gian Banach X với nón K, ta xét quan hệ  như sau: x, y  X , x  y  y  x  K Khi đó, quan hệ  là một quan hệ thứ tự. Thật vậy quan hệ  có các tính chất: i) Phản xạ: x  x  0  K  x  x, x  X .  Phản đối xứng: x, y  X , nếu x  y và y  x thì y  x  K và x  y  K . Do iii) trong định nghĩa 2.1.1, ta có x  y  0  x  y  Bắc cầu: x, y, z  X , nếu x  y và y  z thì y  x  K và z  y  K . Do ii) trong trong định nghĩa 1, ta có z  x  ( z  y )  ( y  x)  K  x  z Mệnh đề 2.1.3 Cho X là không gian Banach với thứ tự  sinh bởi nón K. Khi đó: i)   0, x, y, z  X nếu x  y thì  x   y và x  z  y  z . ii) Nếu xn  yn , n  N và lim xn  x, lim yn  y thì x  y . x  x  iii) Nếu dãy ( xn ) tăng (hoặc giảm) và hội tụ về x thì xn  x (hoặc xn  x ) với mọi n. Chứng minh i) Nếu x  y thì x  y  K   y   x   ( x  y)  K   x   y . Nếu x  y thì x  y  K  y  x  ( y  z )  ( x  z )  K  x  z  y  z .
ii) Nếu xn  yn , n  N thì yn  xn  K . Vì lim( yn  xn )  y  x và K đóng nên x  y  x  k  x  y. iii) Giả sử ( xn ) tăng. Với mỗi n, ta có: xn  xn  m . Cho m   , ta được xn  x , với mọi n. Định nghĩa 2.1.4 Cho ( X , ) là một tập có thứ tự. Tập M  X được gọi là tập sắp thẳng của X nếu: x, y  M thì x  y hoặc y  x . Bổ đề Zorn Giả sử X là một tập có thứ tự. Nếu mọi tập con sắp thẳng của X đều có cận trên ( cận dưới ) thì X có ít nhất một phần tử cực đại ( phần tử cực tiểu ). Mệnh đề 2.1.5 Cho X là không gian Banach với thứ tự  sinh bởi nón K, tập M  X là tập con sắp thẳng của X và dãy ( xn )  M . Khi đó từ dãy ( xn ) ta có thể rút ra dãy con xn k   đơn điệu. Chứng minh Ta đặt N 0  n  N : xn  xk , k  n . Ta có các trường hợp:  N 0 hữu hạn: Khi đó, tồn tại n0  N sao cho n  n0 thì n  N 0 . Lúc đó, tồn tại k  n sao cho xn  xk ( Do M là tập sắp thẳng ). Do đó, từ dãy ( xn ) ta có thể chọn được dãy con xn k   với x n0  xn1  xn2  ..., đây chính là dãy con cần tìm.  N 0 vô hạn: Giả sử N 0  n1 , n2 ,... với n1  n2  ... .   với x Khi đó dãy xn k n1  xn2  ... là dãy con cần tìm. Định nghĩa 2.1.6 (Nón chuẩn) Nón K trong không gian Banch X được gọi là nón chuẩn nếu tồn tại N > 0 sao cho: x, y  K , x  y  x  N y . Khi đó, số N được gọi là hằng số chuẩn của nón K. Ví dụ:  Trong không gian X  C1 [0,1] , nón K   f  C1[0,1]: f  0 không phải là nón chuẩn.
 Trong không gian X  C1 [0,1] , nón sau đây là nón chuẩn: K   f  C1[0,1]: f (t )  0, f '(t )  0, t  [0,1] . Mệnh đề 2.1.7 Cho K là nón chuẩn trong không gian Banach X. i) u , v  X , u  v thì u , v   x  X : u  x  v là một tập đóng và bị chặn. ii) Nếu xn  yn  zn ( n = 1,2,…) và lim xn  lim zn  x thì lim yn  x . x  x  x  iii) Nếu dãy đơn điệu ( xn ) có dãy con xn k   hội tụ về x thì dãy ( x ) hội tụ về x. n iv) Nếu dãy ( xn ) đơn điệu hội tụ yếu về x thì dãy ( xn ) hội tụ về x. Chứng minh i) Giả sử dãy ( xn )  u , v và lim xn  x . x  Ta có: u  xn  v, n . Suy ra u  x  v  u , v đóng. ii) x  u , v thì x  u  K , v  u  K và x  u  v  u . Do K là nón chuẩn nên có hằng số chuẩn N sao cho: x  u  N v  u Suy ra x  u  N v  u  x  N v  u  u . Vậy u , v là bị chặn. iii) Nếu xn  y n  zn thì 0  y n  xn  zn  xn Do K là nón chuẩn nên yn  xn  N zn  xn . Vì lim xn  lim zn  x nên zn  xn  0 x  x  Suy ra yn  xn  0 Vậy yn  ( yn  xn )  xn  x . iii) Giả sử ( xn ) là dãy tăng có dãy con xnk   hội tụ về x . Ta có: xnk  x, k và xn  xnk  xn  x , n .  Vì xnk  x nên  , k0 : x  xnk  . 0 N Khi đó n  nk0 , xnk  xn  x  0  x  xn  x  xnk  x  xn  N x  xnk   0 0 0 Vậy ta có xn  x . iv) Giả sử  xn  là dãy đơn điệu và hội tụ yếu về x. Gọi N là hằng số chuẩn của nón chuẩn K.